CN114451070A - 印刷电路板和流体加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括由导电轨道形成的加热电路的印刷电路板，以及一种包括这种印刷电路板的加热器。

Description

印刷电路板和流体加热器
技术领域
本发明涉及一种根据专利权利要求1的前序部分的印刷电路板以及一种被构造为具有这种印刷电路板的流体加热器。
背景技术
这种流体加热器优选用于对气态或液态介质进行加热，例如空气或水。这些流体加热器的基本设计例如在本申请人名下的文件DE102016122767A1中进行了说明。该流体加热器被构造为用于对空气进行加热，其具有被构造为管状加热元件的加热元件，该加热元件的热量通过换热器(也称为热分布元件)传递至流体。在DE102016122767A1中具体描述的流体加热器中，所述热分布元件被构造为金属海绵或金属丝网/铁丝网，其中流体流过由此而形成的孔洞或导管。当然，也可使用诸如挤压型材或波纹肋条的其他的分布元件进行换热。加热元件通过控制和功率电子器件来驱动，该电子器件的电路被形成在印刷电路板/导体板上并且被设置在与容纳加热元件和热分布元件的外壳附接的电子器件外壳中。要被加热的流体的入口和出口也形成在该外壳上。
文件DE102012209936A1描述了一种厚膜加热器，其中通过增材制造将导电路径施加于基板。这些导电路径形成了加热装置的加热电阻。
在也在本申请人名下的DE102018106354A1中，提出了使用设置在印刷电路板上的功率半导体作为加热元件，使得功率半导体操作期间产生的热量通过热分布元件传递至要被加热的流体。
这种方案的问题是功率半导体产生的热量仅在与总体换热表面关联的特定点位处产生，使得需要进行大量工作对热分布元件进行相应的设计来实现表面热传递。另外，这种方案需要的技术设备是相当大型的，因为基本上用于进行加热的功率半导体的互连比使用管状加热元件或PTC加热元件的传统方案更加复杂，并且由于半导体价格较高因此也是十分昂贵的。
发明内容
相反地，本发明的目的是进一步改进设置有用于形成控制或功率电子器件的电路以及与其构造在一起的加热器的印刷电路板，从而在较少的工作下、特别是在减少的电路相关的工作下实现对流体的有效加热。
所述目的通过具有权利要求1的特征组合的印刷电路板以及具有独立权利要求10的特征的加热器来实现。
本发明的有利的其他改进是从属权利要求的主题。
根据本发明的印刷电路板/导体板设置有针对用于对流体进行加热的预定的加热功率进行构造的至少一条加热线。该加热线通过经由减材制造(例如蚀刻)而成形的导电路径形成，该导电路径的横截面、长度和材料根据加热功率要求的加热电阻来设计。该材料因此被选择为使其能够通过减材制造(例如蚀刻或铣削)来加工。
根据本发明，印刷电路板/导体板因此最初由导电路径的材料的连续的层/覆层形成，随后通过蚀刻或铣削从其中移除没有形成导电路径的区域。
这种方案能够通过适当地选择加热线的横截面和几何形状以简单的方式适配不同的加热功率，其中与具有专门被构造为用于进行加热的功率半导体的开头部分描述的方案相比大大减少了电路相关的工作。根据本发明，这种功率半导体至多需要用来驱动或相应地控制加热电路。因此，根据本发明，利用了在导电路径通电时通过通电对导电路径部分进行加热所产生的寄生副作用。
根据本发明，印刷电路板构造有用于向流体传递热量的散热层。该散热层例如可被构造为被集成到印刷电路板的层结构中的成型部件并且在流体引导和热传递方面进行了优化。通过将散热层集成到印刷电路板/导体板结构中，与要应用诸如换热表面等等的单独的热分布元件的传统方案相比减少了装置相关的工作。
印刷电路板优选被设计为IMS(绝缘金属基板)导体板，其中已经在概念上集成了散热层。
根据本发明的方案的另一个显著的优点在于加热线/导电路径的适当的表面延伸量确保了用于加热流体的均匀的热分布。
在本发明的一个构造例中，除了加热线之外，在印刷电路板/导体板上还形成有控制电路和/或功率电子器件，其例如被构造为用于驱动加热线或其他的电子组件。
根据本发明的一个优选的构造例，多条加热线被构造在印刷电路板上，它们可独立地驱动。
每个IMS印刷电路板可被构造为具有至少两个功能层的多个层，在每个功能层中可以构造有加热元件和/或控制电路和/或功率电子器件。因此，IMS印刷电路板的一个层可以被构造为加热元件，并且另一个层可以形成控制电路或功率电子器件。当然，混合形式也是可行的，其中一个层用作为加热元件并且还类似于驱动组件。原则上，IMS印刷电路板还可被构造为单一的层，其中该层满足了加热元件和控制电路/功率电子器件的能力。
将加热线的至少一些节段构造为曲折形状的导电路径也能进一步改进热传递。然而，替代地，导电路径还能够以平行的布置串联和/或并联连接等等。
印刷电路板及其连接器元件的制造是特别简单的，只要后者和其他的功能元件被构造为IMS导体板的弯折凸片或边缘部分。例如，能够将导电路径端子部分引导至所述边缘部分并且随后通过对其进行弯折来形成接触凸片等等。
此外，至少一条加热线能够被构造在该弯折部分中，其通过导电路径的越过弯折区域的部分进行连接。还能够使至少一条加热线在弯折部分的节段中延伸。
根据本发明的加热器具有构造有上述类型的印刷电路板的加热元件。
导电路径可以是曲折形状或双线式的。
特别优选的是印刷电路板在至少一些节段中与使流体流过的流体导管或容纳流体的流体隔室进行接合。即，在这种变型中，印刷电路板形成流体导管/流体隔室的一部分。使流体隔室分段地与印刷电路板接合的这个概念是本申请人提交的平行专利申请的主题。
附图说明
参考示意图在下面更详细地描述本发明的优选构造例。附图示出了：
图1示出了根据本发明的流体加热器的第一构造例的三维视图；
图2示出了根据图1的流体加热器，其中移除了盖体；
图3示出了根据图1和图2的流体加热器的IMS导体板的示意图；
图4示出了根据图3的IMS导体板的细节视图；
图5示出了这种IMS导体板的横截面的示意图；
图6示出了用于表示根据图4和图5的IMS导体板的两条加热线的几何形状的视图；
图7示出了沿着图1中的线A-A的剖面；
图8示出了流体加热器的另一个构造例的对应的剖面；
图9示出了用于在根据本发明的加热器中引导流体的成型部件的独立视图；并且
图10a和10b示出了根据本发明的印刷电路板通过弯折来形成连接器元件和/或流体隔室的构造例的高度示意性的视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的流体加热器1的第一构造例的三维视图，其例如是高压加热器，例如用于对水或另一种液体进行加热。流体加热器1具有多部件式外壳2，其具有中心部件4，并且在根据图1的视图中具有上部和下部的盖体6、8。该外壳2界定了用于保持要被加热的流体的流体隔室，其将在下面讨论。两个流体连接部10、12通入该流体隔室，例如，其中，流体连接部10可被构造为入口并且流体连接部12可被构造为出口。两个连接部10、12都连接至用于承载要被加热的流体的管道系统。在所示的构造例中，流体连接部10、12被构造为中心部件4上的连接器喷嘴。当然，这些连接部也可设置在盖体侧上。
根据本发明的外壳2还容纳至少一个印刷电路板14(参见图2)，其构造有用于加热流体的至少一个加热电路并且可具有用于驱动该加热电路和其他的加热器组件的额外的电子组件。针对这些控制和/或功率电子器件以及电子组件的供电，在图1所示的构造例中将低压插头16和高压插头18构造在中心部件4处，其中后者用作高压电源并且低压插头还用于信号传输。为了补偿用于容纳控制和功率电子器件的电子器件隔室外壳在操作期间产生的压力波动，设置了图1中标记为20的压力平衡元件。针对EMC问题，例如，外壳组件可由合适的经涂层处理的塑料或合适的金属合金制成。
图2示出了根据图1的外壳2，其中移除了上部盖体6。因此可以看到上述的电子器件隔室22，其中设置有印刷电路板14，通过该印刷电路板一方面可以形成控制和/或功率电子器件并且另一方面可以形成流体加热器1的实际的加热。在所示的构造例中，印刷电路板14形成有两个加热电路24、26，它们的具体结构将在之后参考图3至图6描述。根据图2的视图，电子器件隔室22不充满外壳2的整个内部空间，而是例如在这个构造例中周围环绕有约为L形的外部空间28，诸如布线的流体加热器的其他组件可以容纳在其中。
在移除的上部盖体6与印刷电路板14之间以及下部盖体8与可能的另一个印刷电路板或印刷电路板14之间保持有图2中不可见的间隙，其中在该间隙中例如可以容纳诸如温度传感器等等的额外的控制板或其他的组件。
通过本身已知的方式，密封轮廓30形成在图2中可见的中心部件4的端部边缘上，其用于固定密封件的位置。对应的轮廓也形成在上部盖体6和下部盖体8上，使得外壳2可通过流体密封的方式闭合。中心部件4通过螺钉与两个盖体6、8夹紧，这些螺钉被拧入到中心部件4的对应的螺孔32中。当然，除了这种螺钉连接之外，外壳2也可通过材料接合来连接。
图3示出了被容纳在外壳2中的印刷电路板14的独立视图。其被构造为IMS印刷电路板，这种IMS印刷电路板14的基本结构将在之后参考图5描述。
在所示的构造例中(还参见图4)，印刷电路板14如上所述那样被设计为具有两个加热电路24、26，其中加热电路24被构造为例如具有2KW的加热功率，并且加热电路26例如具有1KW的加热功率。通过从印刷电路板的平面突出的端子凸耳34、36(加热电路24)或38、40(加热电路26)提供两个加热电路24、26的电压供应，其中通过开关元件42、44执行下面更详细地描述的加热线的接通和关断，这些开关元件例如被构造为IGBT组件并且是印刷电路板14所形成的电路的一部分。这些开关元件42、44的连接部在根据图3的视图中标记为46、48、50、52、53。根据图3，在印刷电路板14上构造有控制和/或功率电子器件的另外的电子组件54、56。原则上，用于检测流体温度的传感器也可集成到由印刷电路板14实现的电路中。
如上所述，组件坐落在印刷电路板14上，使得它们的功耗还以热量的形式传递至流体。诸如半导体组件的电子组件被构造为加热元件的这种方案在DE102018106354A1的开头部分中进行了描述。与这种方案相反，由导电路径形成的两个加热电路24、26的加热线针对要传递的加热功率进行构造。然而，如开头部分所述那样，根据本发明的印刷电路板不限于将导电路径与控制元件和/或功率电子器件构造在一起的构造例，原则上，仅将针对加热流体而构造的至少一条导电路径形成的一条加热线构造在印刷电路板14上就足够了。
图4示出了来自图3的印刷电路板14的区域的细节视图，其配备有上述的电子组件。在这个视图中可以十分清楚地看到在这个构造例中通过导电路径形成的加热线58、60实现了上述的两个加热电路24、26，其中导电路径各自以曲折形状形成在印刷电路板14上。这将在之后使用图6来描述。
如上所述，印刷电路板14被构造为IMS印刷电路板。根据图5，其通过自身已知的方式具有散热层62，其通常由金属构成，例如铝或铜，并且该层的厚度可在0.3mm与10mm之间变化。约为1.5mm的层厚度已成为公认标准。
在被构造为用于最佳地向要被加热的流体传递热量的这个散热层62上，施加有集成的绝缘层64，其通常具有75μm至200μm的层厚度并且由具有良好电绝缘特性的材料制成，优选为塑料。形成实际加热线58、60的导电路径66随后被施加在该绝缘层64上。其由可通过蚀刻或铣削来处理的材料构成，例如铜、锌、银、金或镍，其中优选是铜。
如DE102018106354A1所述那样，导电路径层首先被施加在整个表面上，随后通过蚀刻工艺产生将在下面更详细地描述的通向上述的组件/开关元件的加热线58、60和导电路径部分的曲折形状或双线式的结构，从而形成图4和图6所示的加热线结构。
为了电绝缘和防水，随后可在另外的工作步骤中向这个经蚀刻的IMS导体板14施加诸如一层阻焊剂68的绝缘层来覆盖导电路径结构。此处，留出用于在后续的组装操作中、例如在SMD工艺中施加上述的开关元件42、44和电子组件54、56的区域。根据装备计划，在此装备之后，通过冲压、铣削和/或锯切在第四工作步骤中形成IMS印刷电路板14的外部形状。
针对所需的加热功率来构造加热线58、60的结构。两条加热线58、60的加热电阻基本上通过例如以曲折或双线的方式设置的导电路径66的材料、长度和横截面来确定。因此，通过用于实现预定的加热功率所需的加热电阻的方式来选择导电路径66的导电路径宽度b和层厚度d以及他们的长度。加热电阻还可通过改变横截面(b，d)而局部地改变。加热电阻的这种局部变化可用于在温度发展或电流过大的情况下产生形成一种保险丝或熔断器的热点。同样地，可以局部地产生具有更少的导电路径、因此具有更低的功率密度的区域。曲折结构的单独的导电路径66的间隙a也对功率密度产生影响。
图6示出了被设计为具有更大的加热功率的加热电路24的基本结构，其原则上包括两条加热线58a、58b，它们可通过上述的开关元件42、44和电子组件54、56独立地或共同地驱动。如上所述，加热线58a、58b中的每一个在这个构造例中都由曲折形状的导电路径66形成，其中更长的导电路径部分70、72通过换向部74彼此连接。
当然，如上所述，除了曲折形状结构之外也可使用其他的结构，例如并联或串联设置的平行的导电路径、双线式结构或这些结构的混合形式。在图6所示的构造例中，换向部74被构造为横向于导电路径部分70、72延伸的平直元件。在图4所示的构造例中，换向部74是圆形的(也参见图6中的虚线)。
第二加热电路26的独立的加热线60具有对应的结构，其中所示的构造例中的独立的加热线58a、58b和60的加热功率根据所需的最大加热功率来配置。
图7示出了沿着图1中的线A-A的剖面。在这个剖视图中，可看到中心部件4的圆周壁，上部盖体6和下部盖体8以密封的方式放置在该圆周壁上。在所示的构造例中，中心部件4承载如上所述那样进行构造的IMS印刷电路板14，其构造有至少一个加热电路并且可以额外地承载控制和功率电子器件的组件。该印刷电路板14被设置在上部盖体6覆盖的区域中。
在下部盖体8覆盖的区域中，形成有另一个印刷电路板14’，其可根据印刷电路板14被构造为具有加热电路和/或控制和/或功率电子器件的其他的组件。原则上，也能够将具有多个加热电路的印刷电路板14构造为“加热板”，而额外的印刷电路板14’容纳控制和调节所需的电子组件(即，控制和功率电子器件的组件)，使得印刷电路板14、14’各自针对相应的功能(加热以及控制、调节)进行优化。印刷电路板14、14’以密封的方式通过合适的密封元件76、78被保持在中心部件4上，从而通过印刷电路板14、14’和中心部件4形成使要被加热的流体流过或将要被加热的流体容纳在其中的流体隔室80。根据本发明的印刷电路板14、14’因此直接接合流体隔室80。这与根据DE102018106354A1的方案显著不同，在该方案中印刷电路板被施加在流体隔室的圆周壁上，从而不存在从印刷电路板到流体的直接的热输入。
在图7所示的构造例中，开头部分提到的温度传感器82伸入到流体隔室80中。还可以看到压力平衡元件20，其在根据图7的视图中仅与温度传感器82的轴线同轴。如开头部分所述，该可选的压力平衡元件20确保了对设置在流体隔室80的上方或下方的形成一种电子组件的间隙85、87中的压力波动进行补偿。
印刷电路板14、14’被设置为使得上述的散热层62与流体隔室分段地接合，同时通过导电路径66将电子组件和加热线58a、58b、60设置为面对两个空闲空间85、87。如上所述，此处没有示出的另外的印刷电路板或控制/功率电子器件的其他的元件可设置在这些间隙85、87中。
在根据图7的剖面中，还可以看到图2中描述的外部空间28的一部分，在其中例如可以对布线进行引导并且布线连接至两个空闲空间85、87。在流体流过流体隔室80的情况下，流体引导元件84可以设置在流体隔室80的区域中(参见图8)。
在图7所示的构造例中，流体隔室80居中地设置在两个印刷电路板14、14’之间。原则上，也可以将印刷电路板旋转180°安装，使得散热层62各自分别面对上部盖体6或下部盖体8，并且两个流体隔室随后通过相应的盖体6、8来接合，它们彼此流体连通。在没有示出的这种变型中，控制或功率电子器件的组件以及加热线58a、58b、60随后被设置为面对印刷电路板14、14’之间的公共中心空间。因此，压力平衡元件20随后将与该中心空间操作性地连接，而温度传感器82将设置在被盖体6、8界定的至少一个空间中。
图8示出了根据图7的构造例的一种变型，其中两个印刷电路板14、14’部分地接合中心流体隔室80和两个盖体6、8，其中印刷电路板14、14’分别形成间隙85、87。在这方面，根据图8的构造例对应于根据图7的构造例。与图7相反，在根据图8的构造例中，流体引导元件84、84’附接至印刷电路板14、14’的面对流体隔室80的每个散热层，它们一方面改进了从上述的加热线58a、58b到流体的热传递，另一方面用于引导流动。在所示的构造例中，流体引导元件84、84’由具有良好导热性的材料构成，例如铝，并且以导热的方式直接附接至相应的印刷电路板14、14’的散热层62。
在所示的构造例中，流体引导元件84、84’形成有面对流体隔室80的连续的底板86，突起88从该底板朝向印刷电路板14、14’伸出，从而在相邻的突起之间形成流体引导导管90。例如，流动引导结构被选择为使得流体加热器1的入口与导管90流体连接，使得图8所示的导管90中的流动远离观察者产生并随后通过没有示出的合适的换向元件进行转移，以使流体隔室80中的流动朝向观察者产生。当然，其他的流动引导结构也是可行的。如上所述，要被传递给流体的热量Q在箭头方向上通过相应的流体引导元件84、84’从印刷电路板14、14’传递至被包含在流体隔室80中的流体。
如针对图7描述的那样，印刷电路板14、14’还可旋转180°安装，从而将流体引导元件84、84’设置为面对相应的间隙85或87，并且它们随后形成对应的流体空间，而中心空间80是与流体空间隔离开的电子器件隔室。
图9示出了流体引导元件84的具体的构造例。如上所述，其具有突起88从其伸出的底板86。在所示的构造例中，这些突起各自具有约为水滴形的横截面94，其优化了周围的流动。图9所示的流体引导元件84通过铝合金例如经由压铸或挤出而制成。
如上所述，突起88使他们的水滴形端面放置在相应的印刷电路板14、14’的散热层62上，其中优选选择一种密封布置，从而在导管90内确保限定的流动。然而，原则上一定量的泄漏是不成问题的。在这个构造例中，流体隔室80相对于空闲间隙85、87以及外部空间28的密封也通过合适的密封元件76、78来实现。
如上所述，根据本发明的特定的特征一方面是将印刷电路板14、优选IMS印刷电路板14、14’构造为加热元件，并且另一方面对用于接收加热流体的流体隔室的一部分进行接合。参考图10a、10b描述这个概念的另外的实施方式。
图10a示出了一种变型，其中散热层62在印刷电路板14的边缘区域中略微凹陷，使得图10a中虚线表示的这个凹陷区域可在接收导电路径66的方向上向上弯折，以形成端子凸耳或其他的功能元件。这种弯折优选仅部分地在要形成这些功能元件(例如，端子凸耳)的那些区域中执行。在后一种情况下，导电路径端子部分66’可伸入到根据要形成的端子凸耳而切开或限制的区域中，该区域在后续操作中进行弯折来形成端子凸耳。
在本发明的另一个实施方式中，加热线还可完全地或分段地形成在折弯部分中，其中随后优选通过导电路径66来形成接触。在这个构造例中，加热线因此也形成在流体通道的狭窄的折弯侧壁中。当然，在这个构造例中，也可通过由该折弯侧壁折出的接触凸片来实现接触，相应的导电路径端子部分(66’)随后终止于这些接触凸片的区域。
在图10b中，进一步采用这个概念，使得散热层62的弱化的边缘区域具有基本上较大的尺寸，从而通过将它们两次折弯90°来形成侧壁96和顶壁98、100，它们随后一起形成流体隔室80的圆周壁的至少一些节段。在这个构造例中，仅有印刷电路板14随后被构造为具有根据本发明的加热电路24、26。在这个构造例中，所描述的折弯部至少分段地形成了流体通道的圆周。当然，还能够例如通过折弯侧壁96并随后将顶壁构造为特定的组件而形成开放式结构。如上所述，导电路径部分或导电路径端子部分还可伸入到折弯区域中，从而随后允许与其他的组件进行接触。
IMS印刷电路板还可被构造为具有多个层，从而形成通过绝缘层分离开且彼此重叠的导电路径层，其随后各自形成加热线/加热电路和/或控制或功率电子器件的一部分。例如，可将被动传感器元件集成在内，其中一个导电路径层被构造为用于功率分布并且另一个导电路径层被基本上构造为加热线。然而，原则上，多个层也可被形成为加热线，其中通过改变横截面、特别是导电路径的厚度d来调节相应的加热功率。
原则上，这些变型中的流体隔室80也可一方面与单层式印刷电路板接合并且另一方面与具有加热或电流分布功能的多层式印刷电路板接合。
公开了一种具有由导电路径形成的加热线的印刷电路板以及一种通过这种印刷电路板实现的加热器。
附图标记列表
1 流体加热器
2 外壳
4 中心部件
6 盖体的上侧
8 盖体的下侧
10 流体连接部
12 流体连接部
14 印刷电路板
16 低压插头
18 高压插头
20 压力平衡元件
22 电子器件隔室
24 加热电路
26 加热电路
28 外部空间
30 密封轮廓
32 螺孔
34 端子凸耳
36 端子凸耳
38 端子凸耳
40 端子凸耳
42 开关元件
44 开关元件
46 连接器
48 连接器
50 连接器
52 连接器
53 连接器
54 电子组件
56 电子组件
58 加热线
60 加热线
62 散热层
64 绝缘层
66 导电路径
66’ 导电路径端子部分
68 阻焊剂
70 导电路径部分
72 导电路径部分
74 换向部
76 密封元件
78 密封元件
80 流体隔室
82 温度传感器
84 流体引导元件
85 间隙
86 底板
87 间隙
88 突起
90 导管
94 横截面
96 侧壁
98 顶壁
100 顶壁

Claims (11)

1.一种具有至少一条导电路径(66)的印刷电路板，其特征在于，至少一条加热线(58，60)经由减材制造法通过对所述导电路径进行成形而形成并且被设计为具有用于对流体进行加热的预定的加热功率，并具有用于向所述流体传递热量的散热层(62)。
2.根据权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于，具有控制电路和/或功率电子元件，其与所述加热线(58，60)操作性地连接或分配有另一条导电路径。
3.根据权利要求1或2所述的印刷电路板，其特征在于，所述加热线(58，60)由所述导电路径(66)形成，其横截面、长度和材料根据所述加热功率要求的加热电阻来设计。
4.根据前述任一项权利要求所述的印刷电路板，其特征在于，流体引导元件(84)形成在所述散热层(62)附近。
5.根据前述任一项权利要求所述的印刷电路板，其特征在于，所述印刷电路板上形成有多条所述加热线(58，60)。
6.根据前述任一项权利要求所述的印刷电路板，其特征在于，所述印刷电路板被形成为多个层，并且至少一条所述加热线(24，26)和/或形成所述控制电路或所述功率电子元件的电路设置在每个层中。
7.根据前述任一项权利要求所述的印刷电路板，其特征在于，所述加热线(58，60)由至少一条曲折形状或双线式的导电路径(66)形成。
8.根据前述任一项权利要求所述的印刷电路板，其特征在于，所述印刷电路板是IMS印刷电路板(14，14’)。
9.根据权利要求8所述的印刷电路板，其特征在于，通过所述印刷电路板(14，14’)的弯折凸片或边缘部分形成功能元件，其中，至少所述导电路径(66)或导电路径端子部分(66’)被引入到弯折区域中，所述导电路径(66)或导电路径端子部分(66’)用于形成接触凸片或加热线/加热线部分。
10.一种加热器，其包括适于对流过或容纳在流体隔室(80)中的流体进行加热的加热元件，其特征在于，其包括至少一个根据前述任一项权利要求所述的印刷电路板(14)。
11.根据权利要求10所述的加热器，其特征在于，所述印刷电路板(14)分段地接合所述流体隔室(80)。
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