DE10018589A1 - Heizanordnung - Google Patents

Abstract

Bei einer Heizanordnung (10) mit mindestens einem Heizelement (7, 8) ist das Heizelement (7, 8) durch einen Wärmeleiter elektrisch isoliert, wobei der Wärmeleiter als elektrisch isolierter Schichtenstapel (1) ausgebildet ist, der eine Schicht (2) mit hoher Wärmeleitfähigkeit und mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (3, 4) aufweist. Dadurch stellt der gesamte Schichtenstapel (1) einen elektrischen Isolator dar, der zugleich eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizanordnung mit mindestens einem Heizelement.

Es sind Heizanordnungen, z. B. für Verbrennungsmotoren, bekannt, bei denen die Heizelemente elektrisch betrieben bzw. angesteuert werden. Die Heizelemente sind in Heiztaschen angeordnet, über die das Kühlmittel des Verbrennungsmotors bei Bedarf beheizt werden kann. Um Störungen und Kurzschlüsse zu vermeiden, müssen die Heizelemente gegeneinander und gegen das Gehäuse der Heiztaschen elektrisch isoliert werden. Allerdings sind elektrische Isolatoren schlechte Wärmeleiter. Die Verwendung herkömmlicher elektrischer Isolatoren ist also nachteilig, wenn ein möglichst großer Wärmeübergang von den Heizelementen zum Kühlmittel erfolgen soll.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, für ein Heizelement der eingangs genannten Heizanordnung eine elektrische Isolation mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Heizelement durch einen Wärmeleiter elektrisch isoliert ist, wobei der Wärmeleiter als elektrisch isolierender Schichtenstapel ausgebildet ist, der eine Schicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit und mindestens eine elektrisch isolierende Schicht aufweist.

Durch das Anbringen einer elektrisch isolierenden Schicht auf einer Schicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann bei geeigneter Dimensionierung der elektrisch isolierenden Schicht ein Schichtenstapel geschaffen werden, der ein Heizelement elektrisch gegenüber anderen Heizelementen oder gegenüber einer angrenzende Gehäusewand elektrisch isoliert, aber dennoch einen guten Wärmeübergang sicher stellt. Die elektrisch isolierende Schicht kann insbesondere dadurch geschaffen werden, dass die Innenseite eines Aluminiumgehäuses, an die das Heizelement angrenzt, eloxiert wird. Die Schicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit wird dann darauf angebracht. Der Schichtenstapel kann plattenförmig oder folienartig sein.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizanordnung ist bei dem Schichtenstapel die Schicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen zwei dünneren elektrisch isolierenden Schichten angeordnet.

Durch das Einbetten der Schicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die in der Regel auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, zwischen zwei dünnere elektrisch isolierende Schichten mit geringerer Wärmeleitfähigkeit wird die Wärmeleitfähigkeit des gesamten Stapels nur geringfügig verschlechtert. Die Schicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann eine Platte oder Folie sein. Durch diesen erfindungsgemäßen elektrisch isolierten Schichtenstapel sind im oben genannten Anwendungsbeispiel die einzelnen Heizelemente elektrisch gegeneinander und gegen das geerdete Gehäuse isoliert, so dass ein möglichst optimaler und verlustfreier Wärmeübergang von den Heizelementen zum Kühlmittel erfolgen kann.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Schicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit eine Metallschicht, insbesondere eine Aluminiumschicht, oder eine Karbonschicht ist. Metall und Karbon sind Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit. Außerdem lassen sich auf ihnen leicht isolierende Schichten anbringen. Die Dicke der Metallschicht bzw. der Karbonschicht ist so zu wählen, dass sie die Trägerschicht des Schichtenstapels bilden kann. Im Fall einer Aluminiumschicht sollte diese mindestens 50 µm, vorzugsweise 200 µm dick sein.

Es ist vorteilhaft, wenn als elektrisch isolierende Schicht eine Oxydschicht oder eine Silikonschicht vorgesehen ist. Oxydschichten und Silikonschichten sind bereits gute elektrische Isolatoren, wenn sie als dünne Schichten ausgebildet sind. Die geringe Wärmeleitfähigkeit fällt wegen der geringen Dicke der Schichten nicht wesentlich ins Gewicht. Die Dicke der elektrisch isolierenden Schicht sollte möglichst nur so gering sein, wie es für eine elektrische Isolation erforderlich ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Oxydschicht durch Oxydieren der Außenseite der Metallschicht gebildet. Vorzugsweise wird eine Metallschicht, wie z. B. Aluminium, mit an sich bekannten Verfahren auf beiden Seiten oxydiert, so dass auf beiden Seiten der Schicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit eine dünne elektrisch isolierende Oxydschicht, wie z. B. Aluminiumoxyd, entsteht. Aluminiumoxyd entsteht, wenn Aluminium eloxiert wird, d. h. durch anodische Oxidation. Die zur elektrischen Isolation erforderliche Dicke der Aluminiumoxydschicht sollte mindestens 10 µm, vorzugsweise mindestens 25 µm betragen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Schichtenstapel auf seiner Außenseite mindestens eine Wärmeleitschicht auf. Wenn diese Wärmeleitschicht auf der Oberfläche einer elektrisch isolierenden Schicht angebracht ist und ein Heizelement berührt, wird ein besonders großer Wärmefluss vom Heizelement in den Schichtenstapel gewährleistet. Befindet sich diese Wärmeleitschicht dagegen als äußerste Schicht zwischen dem restlichen Stapel und einem zu heizenden Medium, erfolgt ein besonders guter Wärmefluss aus dem Stapel zum zu heizenden Medium.

Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmeleitschicht eine Folie, eine Paste oder eine Wachsschicht ist. Dadurch erfolgt eine besonders gute Anpassung der Wärmeleitschicht an Unebenheiten oder Rauheiten der isolierenden Schicht und des zu heizenden Mediums bzw. eines weiteren Heizelements. Der thermische Übergangswiderstand in Grenzschichten kann dadurch reduziert werden. Außerdem werden Kältebrücken oder Kältetaschen zwischen dem Schichtenstapel und angrenzenden Flächen aufgrund von Unebenheiten vermieden. Als pastöse Wärmeleitschichten können z. B. Wärmeleitwachs, Kupfer- oder Graphitpaste verwendet werden.

Bevorzugterweise ist der Wärmeleiter als elektrische Isolierung zwischen zwei Heizelementen angeordnet. Dadurch sind die beiden Heizelemente gegeneinander elektrisch isoliert, und dennoch ist ein guter Wärmeübergang zwischen ihnen möglich.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmeleiter als elektrische Isolierung zwischen dem Heizelement und einem Gehäuse angeordnet. Das Heizelement wird hierdurch z. B. von dem Gehäuse der Heiztasche, welches in der Regel mit Masse verbunden ist, elektrisch isoliert. Ein optimaler Wärmefluss vom Heizelement zum Gehäuse und damit zum Kühlmittel ist aber dennoch gegeben.

Vorteilhaft ist es, wenn das oder die Heizelemente elektrisch ansteuerbare Bauelemente, wie z. B. Leistungs-MOSFETs sind. Dadurch wird eine besonders flexible Regelung der Heizelemente und der Heizleistung möglich, indem durch die gezielte Ansteuerung der Heizelemente die in Wärme umgewandelte elektrische Leistung bestimmt wird.

Wertere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Heizanordnung.

Die im Querschnitt gezeigte Heizanordnung 10 weist als zentrales Element einen Schichtenstapel 1 mit insgesamt fünf Schichten auf. Die mittlere Schicht ist eine elektrisch leitfähige Schicht 2 mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die als eine etwa 200 µm dicke Aluminiumplatte ausgebildet ist und die zwischen zwei etwa 25 µm dicke elektrisch isolierende Schichten 3, 4, die als Aluminiumoxydschichten ausgebildet sind, eingebettet ist. Die Aluminiumoxydschichten wurden durch Eloxieren der Oberseite und Unterseite der Aluminiumplatte in einer anodischen Oxydation hergestellt. Dadurch, dass die elektrisch leitfähige Schicht 2 mit hoher Wärmeleitfähigkeit vollständig zwischen die elektrisch isolierenden Schichten 3, 4 eingebettet ist, ist der gesamte Schichtenstapel 1 elektrisch isolierend. Außen auf den elektrisch isolierenden Schichten 3, 4 ist jeweils eine Wärmeleitschicht 5, 6 angeordnet, die durch eine wärmeleitfähige Paste, wie z. B. Wärmeleitwachs, Kupfer- oder Graphitpaste, gebildet sein kann. Sie reduziert wirksam den thermischen Übergangswiderstand in den Grenzschichten zwischen dem Schichtenstapel 1 und den daran angrenzenden Heizelementen 7, 8, indem Unebenheiten und Rauheiten der Oberflächen ausgeglichen werden. Vorzugsweise dient der Schichtenstapel 1 der elektrischen Isolation der Heizelemente 7, 8, insbesondere von Leistungstransistoren, gegeneinander bzw. gegen ein geerdete Gehäuse.

Es ist auch möglich, anstatt Aluminium ein anderes Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Karbon, zu verwenden. Ebenso können andere Isolatoren als Aluminiumoxyd, wie z. B. Silikon, zum Einsatz kommen.

Bevorzugterweise sind die isolierenden Schichten 3, 4 mit geringerer Wärmeleitfähigkeit dünn gegenüber der Schicht 2 mit hoher Wärmeleitfähigkeit, so dass der Wärmefluss durch den gesamten Schichtenstapel 1 nicht wesentlich gemindert wird.

Weiterhin ist es möglich, die Schicht 2 mit hoher Wärmeleitfähigkeit nur auf einer Seite zu oxydieren, um die Wärmeleitfähigkeit des Schichtenstapels 1 zu verbessern. Es ist dann auch möglich, eine pastenförmige oder folienartige Wärmeleitschicht 5, 6 direkt auf die Schicht 2 mit hoher Wärmeleitfähigkeit zum Ausgleich von Unebenheiten aufzubringen.

Claims (10)

1. Heizanordnung (10) mit mindestens einem Heizelement (7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (7, 8) durch einen Wärmeleiter elektrisch isoliert ist,
wobei der Wärmeleiter als elektrisch isolierender Schichtenstapel (1) ausgebildet ist, der eine Schicht (2) mit hoher Wärmeleitfähigkeit und mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (3, 4) aufweist.

2. Heizanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schichtenstapel (1) die Schicht (2) mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen zwei dünneren elektrisch isolierenden Schichten (3, 4) angeordnet ist.

3. Heizanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) mit hoher Wärmeleitfähigkeit eine Metallschicht, insbesondere eine Aluminiumschicht, oder eine Karbonschicht ist.

4. Heizanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch isolierende Schicht (3, 4) eine Oxydschicht oder eine Silikonschicht vorgesehen ist.

5. Heizanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxydschicht durch Oxydieren der Außenseite der Metallschicht gebildet ist.

6. Heizanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtenstapel (1) auf seiner Außenseite mindestens eine Wärmeleitschicht (5, 6) aufweist.

7. Heizanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitschicht (5, 6) eine Folie, eine Paste oder eine Wachsschicht ist.

8. Heizanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleiter als elektrische Isolierung zwischen zwei Heizelementen (7, 8) angeordnet ist.

9. Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleiter als elektrische Isolierung zwischen dem Heizelement (7, 8) und einem Gehäuse angeordnet ist.

10. Heizanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Heizelemente (7, 8) elektrisch ansteuerbare Bauelemente sind.