-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen, insbesondere eine solche elektrische Heizeinrichtung, die ein Substrat und eine auf dem Substrat ausgebildete Heizleiterschicht aufweist, die zumindest eine sich in einer Hauptebene erstreckende Heizleiterbahn aufweist.
-
Es ist bekannt, für mobile Anwendungen, wie z.B. in einem Kraftfahrzeug, elektrische Heizeinrichtungen zu verwenden. Insbesondere mit einer zunehmenden Verbreitung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, besteht ein zunehmender Bedarf, geeignete elektrische Heizeinrichtungen bereitzustellen. In der Vergangenheit kamen als elektrische Heizeinrichtungen für derartige mobile Anwendungen überwiegend sogenannte PTC-Heizelemente zum Einsatz, die mit den relativ niedrigen Versorgungsspannungen betrieben wurden, die in dem Bordnetz eines herkömmlichen Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor vorhanden sind. Insbesondere bei modernen Fahrzeugen, die vollständig oder teilweise elektrisch angetrieben werden, besteht der Bedarf, die Fahrzeuge auch elektrisch mit den Versorgungsspannungen betreiben zu können, die in einem bei diesen realisierten Hochvolt-Bordnetz vorliegen, wie z.B. einer Spannung in dem Bereich zwischen 150 Volt und 900 Volt. Es sind gegebenenfalls sogar Spannungen bis über 1000 Volt möglich.
-
Unter einer Heizeinrichtung für mobile Anwendungen wird im vorliegenden Kontext eine Heizeinrichtung verstanden, die für den Einsatz in mobilen Anwendungen ausgelegt und dementsprechend angepasst ist. Dies bedeutet insbesondere, dass sie transportabel ist (ggf. in einem Fahrzeug fest eingebaut oder lediglich für den Transport darin untergebracht) und nicht ausschließlich für einen dauerhaften, stationären Einsatz, wie es beispielsweise bei der Beheizung eines Gebäudes der Fall ist, ausgelegt ist. Dabei kann die Heizeinrichtung auch fest in einem Fahrzeug (Landfahrzeug, Schiff, etc.), insbesondere in einem Landfahrzeug, installiert sein. Insbesondere kann sie zur Beheizung eines Fahrzeug-Innenraums, wie beispielsweise eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs, sowie eines teiloffenen Raumes, wie er beispielsweise auf Schiffen, insbesondere Yachten, aufzufinden ist, ausgelegt sein. Die Heizeinrichtung kann auch vorübergehend stationär eingesetzt werden, wie beispielsweise in großen Zelten, Containern (zum Beispiel Baucontainern), etc. Insbesondere kann die elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen als Stand- oder Zuheizer für ein Landfahrzeug, wie beispielsweise für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil, einen Bus, einen Pkw, etc., ausgelegt sein.
-
WO 2013/186106 A1 beschreibt eine elektrische Heizeinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem als Leiterbahn auf einem Substrat ausgebildeten Heizwiderstand. Die Leiterbahn ist bifilar ausgebildet und im Bereich einer Leiterbahnumlenkung in die Gegenrichtung ist ein verbreiterter Isolationsbereich vorgesehen. Der verbreiterte Isolationsbereich soll bewirken, dass sich ein Stromfluss möglichst durch die volle Breite der Leiterbahn einstellt, um zu vermeiden, dass sich lokal innenliegend besonders gut durchströmte Bereiche und im außenliegenden Randbereich der Leiterbahn schlecht durchströmte Bereiche ausbilden können. Obwohl mit der beschriebenen Heizeinrichtung bereits einigermaßen zufriedenstellende Eigenschaften erzielt wurden, hat sich herausgestellt, dass sich im Vergleich zum Rest der elektrischen Heizeinrichtung im Bereich der Leiterbahnumlenkung immer noch stark erhöhte Temperaturen einstellen.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen bereitzustellen, bei der eine wesentlich homogenere Temperaturverteilung erreicht wird und gleichzeitig die elektrische Heizeinrichtung möglichst kompakt und kostengünstig gehalten wird.
-
Die Aufgabe wird durch eine elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Die elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen weist ein Substrat und eine auf dem Substrat ausgebildete Heizleiterschicht auf. Die Heizleiterschicht weist zumindest eine Heizleiterbahn auf, die sich in einer Hauptebene auf dem Substrat erstreckt, wobei die Heizleiterbahn derart strukturiert ist, dass eine Vielzahl nebeneinander verlaufender, durch Isolierunterbrechungen voneinander separierter Bahnabschnitte ausgebildet ist und zumindest ein Umkehrpunkt vorgesehen ist, an dem die Heizleiterbahn derart umgelenkt ist, dass innenliegende Bahnabschnitte mit zueinander entgegengesetzten Stromflussrichtungen benachbart und parallel zueinander verlaufen. Der Abstand zwischen den benachbarten innenliegenden Bahnabschnitten mit zueinander entgegengesetzten Stromflussrichtungen ist im Bereich des Umkehrpunktes auf der Innenseite lokal verbreitert ausgebildet. Im Bereich des Umkehrpunktes stehen die innenliegenden Bahnabschnitte nach außen zu weiter außen liegenden Bahnabschnitten, die durch Isolierunterbrechungen von den innenliegenden Bahnabschnitten getrennt sind, vor und bei den weiter außen liegenden Bahnabschnitten ist die Breite der Bahnabschnitte lokal verringert, um die lokale Verbreiterung auf der Innenseite zwischen den innenliegenden Bahnabschnitten und das Vorstehen der innenliegenden Bahnabschnitte zu kompensieren. Es ist zu beachten, dass die Hauptebene auf dem Substrat, in der sich die Heizleiterbahn erstreckt nicht zwingend flach sein muss, sondern z.B. auch gewölbt oder gekrümmt verlaufen kann, ebenso wie z.B. auch das Substrat nicht flach sein muss, sondern auch gewölbt oder gekrümmt ausgebildet sein kann. Im Bereich des Umkehrpunktes erfolgt eine Umlenkung der Heizleiterbahn in der Hauptebene um zumindest im Wesentlichen 180°.
-
Da der Abstand zwischen den benachbarten innenliegenden Bahnabschnitten im Bereich des Umkehrpunktes auf der Innenseite lokal verbreitert ausgebildet ist und die innenliegenden Bahnabschnitte aber auch nach außen hervorstehen, ist gegenüber einer Ausgestaltung, bei der nur der Abstand auf der Innenseite lokal verbreitert ausgebildet ist, eine starke Verringerung des Querschnittes der innenliegenden Bahnabschnitte im Bereich des Umkehrpunktes vermieden. Es hat sich gezeigt, dass sich in dieser Weise – verglichen mit dem eingangs beschriebenen Stand der Technik – eine deutlich verringerte lokale Erhöhung der Temperatur im Bereich des Umkehrpunktes ergibt, sodass eine homogenere Temperaturverteilung erreicht wird. Da bei den weiter außen liegenden Bahnabschnitten die Breite der Bahnabschnitte lokal verringert ist, um die lokale Verbreiterung auf der Innenseite zwischen den innenliegenden Bahnabschnitten und das Vorstehen der innenliegenden Bahnabschnitte zu kompensieren, wird gleichzeitig eine besonders kompakte Ausgestaltung ermöglicht, bei der die Oberfläche des Substrates sehr effizient für die Ausbildung der Heizleiterbahn bzw. Heizleiterbahnen genutzt ist. Die bei den weiter außen liegenden Bahnabschnitten mit dieser Ausgestaltung einhergehende leichte Verringerung des Querschnitts ist im Hinblick auf die sich einstellende Temperaturverteilung unproblematisch.
-
Gemäß einer Weiterbildung erstreckt sich die zumindest eine Heizleiterbahn in einem bifilaren Muster auf dem Substrat. Durch die bifilare Anordnung kann die Heizleiterbahn die durch das Substrat bereitgestellte Oberfläche mit geringen Leerflächen in hohem Maße überdecken. Ferner ermöglicht es die bifilare Anordnung, mögliche Störstrahlungen durch die elektrische Heizeinrichtung zu minimieren. Bei der bifilaren Anordnung liegen Bahnabschnitte der Heizleiterbahn derart nebeneinander angeordnet vor, dass gegenläufig von Strom durchflossene bzw. durchfließbare Bahnabschnitte jeweils nebeneinander verlaufend angeordnet sind. Bevorzugt können dabei zumindest im Wesentlichen sämtliche zum Erwärmen vorgesehene Bahnabschnitte der Heizleiterbahn Teil der bifilaren Anordnung sein. In dieser Weise können sich die erzeugten elektromagnetischen Felder zumindest teilweise gegenseitig aufheben. Es ist jedoch zu beachten, dass insbesondere Anschlussbereiche zum Verbinden mit einer elektrischen Leistungsversorgung auch nicht-bifilar angeordnet sein können. Die restlichen Bereiche der Heizleiterbahn können bevorzugt zumindest im Wesentlichen bifilar angeordnet sein.
-
Gemäß einer Weiterbildung weist die Heizleiterbahn zwei Umkehrpunkte auf. Insbesondere wenn die Heizleiterbahn genau zwei solcher Umkehrpunkte aufweist, kann eine optimierte bifilare Anordnung realisiert werden, die eine geringe elektromagnetische Abstrahlung aufweist und dabei nur wenige Bereiche aufweist, in denen im Betrieb eine erhöhte Temperatur auftritt. In dem Fall einer Mehrzahl von auf dem Substrat ausgebildeten Heizleiterbahnen kann bevorzugt jede der Heizleiterbahnen jeweils zwei Umkehrpunkte aufweisen.
-
Gemäß einer Weiterbildung ist die Heizleiterschicht in zumindest zwei Heizleiterbahnen strukturiert, die in einem Schmetterlingsmuster auf dem Substrat ausgebildet sind. Unter einem Schmetterlingsmuster ist in diesem Zusammenhang eine im Wesentlichen spiegelsymmetrische Ausgestaltung bezüglich einer Ebene zu verstehen. Die zumindest zwei Heizleiterbahnen können dabei bevorzugt zumindest einen gemeinsamen Anschluss zum Verbinden mit einer elektrischen Leistungsversorgung aufweisen. Die Ausgestaltung der Heizleiterbahnen in einem solchen Schmetterlingsmuster ermöglicht aufgrund der erzielten Symmetrie eine sehr geringe elektromagnetische Abstrahlung bei einer ausgezeichneten Ausnutzung der Substratoberfläche.
-
Gemäß einer Weiterbildung ist die Heizleiterschicht eine flächig auf dem Substrat abgeschiedene und anschließend unter Materialabtrag strukturierte Schicht. In diesem Fall ist eine besonders kostengünstige Herstellung der Heizleiterbahn bzw. der Heizleiterbahnen ermöglicht. Die Heizleiterschicht kann bevorzugt durch ein thermisches Spritzverfahren auf dem Substrat aufgebracht und anschließend durch Laserbearbeitung strukturiert sein. Grundsätzlich sind aber auch andere Verfahren, wie z.B. Druckverfahren, Gießverfahren oder ähnliches zur Ausbildung der Heizleiterschicht denkbar. Die Heizleiterschicht ist bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen metallischen Material gefertigt und über eine zwischengelagerte, elektrisch isolierende und thermisch gut leitfähige Zwischenschicht von dem Material des Substrates getrennt. Insbesondere kann die Heizleiterschicht z.B. aus einer Nickel-Chrom-Legierung gebildet sein und über eine Aluminiumoxidschicht von dem Material des Substrates getrennt sein. Das Substrat selbst kann bevorzugt eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, insbesondere aus einem Metall gefertigt sein. Die jeweilige Heizleiterbahn kann bevorzugt eine Breite von einigen Millimetern aufweisen, insbesondere eine Breite zwischen 2,5 mm und 5 mm, und eine Höhe (in der Richtung senkrecht zum Substrat) im Bereich von 5 µm bis 20 µm, insbesondere im Bereich von 10 µm bis 15 µm.
-
Gemäß einer Weiterbildung ist die elektrische Heizeinrichtung als Hochvolt-Heizung für eine Betriebsspannung im Bereich zwischen 150 V und 900 V, bevorzugt zwischen 200 V und 600 V, ausgelegt. Es ist aber z.B. auch eine Auslegung für Spannungen bis über 1000 V möglich. In diesem Fall kann die elektrische Heizvorrichtung besonders vorteilhaft z.B. in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug zum Einsatz kommen, ohne dass aufwändige Spannungswandler erforderlich sind. Es ist z.B. aber auch möglich, die elektrische Heizeinrichtung als eine Niedervolt-Heizung für z.B. einen Bereich zwischen 12 V und 48 V auszulegen.
-
Gemäß einer Weiterbildung bedeckt die Heizleiterschicht zumindest 80 % der Substratoberfläche, bevorzugt zumindest 85 % der Substratoberfläche. In diesem Fall ist eine sehr gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Substratoberfläche gegeben und es ist trotzdem noch eine ausreichende Isolierung der einzelnen Bahnabschnitte gegeneinander ermöglicht. Die Heizleiterschicht kann insbesondere weniger als 95 % der Substratoberfläche bedecken.
-
Gemäß einer Weiterbildung weisen die Isolierunterbrechungen eine über ihre Erstreckung im Wesentlichen konstante Breite auf. Unter einer im Wesentlichen konstanten Breite ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Breite um weniger als 15 % um einen Mittelwert variiert. Bevorzugt kann die Breite der Isolierunterbrechungen um weniger als 10 % variieren. Die im Wesentlichen konstante Breite der Isolierunterbrechungen ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung in einem abtragenden Verfahren und gleichzeitig eine gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Substratoberfläche.
-
Gemäß einer Weiterbildung ist in den Isolierunterbrechungen ein elektrisch isolierendes Material angeordnet. Das elektrisch isolierende Material kann bevorzugt neben den Isolierunterbrechungen auch die von dem Substrat abgewandte Oberfläche der Heizleiterbahn bzw. Heizleiterbahnen bedecken. Das elektrisch isolierende Material kann insbesondere bevorzugt nach dem Ausbilden der Heizleiterbahn bzw. der Heizleiterbahnen als Schicht abgeschieden sein. Durch das elektrisch isolierende Material kann die Breite der Isolierunterbrechungen relativ klein gehalten werden, sodass die zur Verfügung stehende Oberfläche des Substrats effizient für die Heizleiterbahn bzw. Heizleiterbahnen ausgenutzt werden kann.
-
Gemäß einer Weiterbildung ist die Heizleiterbahn derart ausgebildet ist, dass zumindest über einen überwiegenden Anteil ihrer Länge jeweils zwei Bahnabschnitte mit gleichgerichteter Stromflussrichtung benachbart und parallel zueinander verlaufen. Die Heizleiterbahn kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass über zumindest 80 % der Länge jeweils zwei Bahnabschnitte mit gleichgerichteter Stromflussrichtung benachbart und parallel zueinander verlaufen. Die jeweils zwei Bahnabschnitte können an ihren Enden insbesondere jeweils zu einem gemeinsamen Anschlussabschnitt zur Verbindung mit einer elektrischen Leistungsversorgung verbunden sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders günstige Verteilung des in dem elektrischen Heizelements fließenden Stroms und somit eine besonders homogene Verteilung der Heizleistung. Ferner kann diese Strukturierung in kostengünstig einfacher Weise gebildet und dabei die zur Verfügung stehende Oberfläche des Substrats gut ausgenutzt werden.
-
Gemäß einer Weiterbildung ist auf der Heizleiterschicht zumindest eine weitere Schicht ausgebildet. Es können insbesondere auch mehrere Schichten auf der Heizleiterschicht ausgebildet sein. Bevorzugt kann auf der Heizleiterschicht eine Isolierschicht ausgebildet sein, die auch die Isolierunterbrechungen zwischen den Bahnabschnitten der Heizleiterbahn füllt. Auf der Isolierschicht kann bevorzugt z.B. auch noch eine Sensorschicht zur Überwachung der Funktion der elektrischen Heizeinrichtung ausgebildet sein. Über die Isolierschicht kann ein hohes Maß an Sicherheit bereitgestellt werden, indem stromführende Bereiche zusätzlich isoliert sind.
-
Gemäß einer Weiterbildung ist die elektrische Heizeinrichtung eine Kraftfahrzeug-Heizeinrichtung. Die elektrische Heizeinrichtung kann dabei insbesondere zum Beheizen eines Fluids, wie z.B. Luft für einen Innenraum des Fahrzeugs oder einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf des Fahrzeugs ausgebildet sein.
-
Gemäß einer Weiterbildung ist die Heizleiterbahn in dem Umkehrpunkt derart ausgebildet, dass sie in dem Bereich der Innenkurve eine geringere Dicke in der Richtung senkrecht zu der Hauptebene aufweist als in dem Bereich der Außenkurve. Durch die geringere Dicke der Heizleiterbahn im Bereich der Innenkurve, in der der Strompfad in der Erstreckungsrichtung der Heizleiterbahn gegenüber der Außenkurve verkürzt ist, ist der elektrische Widerstand im Bereich der Innenkurve gegenüber dem Bereich der Außenkurve erhöht. In dieser Weise wird zusätzlich vermieden, dass der durch die Heizleiterbahn fließende Strom vornehmlich im Bereich der Innenkurve fließt und sich daher dort lokal sehr hohe Stromflüsse einstellen, die zu einer besonders starken lokalen Erwärmung in der Innenkurve führen würden. Ferner kann in dieser Weise ein wesentlich homogeneres Temperaturprofil über die gesamte elektrische Heizeinrichtung erzielt werden. Die geringere Dicke im Bereich der Innenkurve bewirkt eine deutlich homogenere Stromverteilung über die Breite der Heizleiterbahn in dem Kurvenabschnitt, wodurch eine deutliche Absenkung der maximal auftretenden lokalen Temperaturen erreicht wird. Diese Ausgestaltung lässt sich ferner in sehr einfacher Weise und kostengünstig bereitstellen. Bei einem vorgegebenem Verlauf der Heizleiterbahn ermöglicht diese Ausgestaltung eine Erhöhung der erreichbaren Heizleistung pro Flächeneinheit, da die mögliche Heizleistung vornehmlich durch kritische Stellen, an denen sich lokale „Hot-Spots“ ausbilden können, bestimmt wird.
-
Gemäß einer Weiterbildung ist die Heizleiterbahn in dem Umkehrpunkt derart strukturiert, dass die Dicke von der Innenkurve zu der Außenkurve stufenförmig zunimmt. Eine solche stufenartige Strukturierung der Heizleiterbahn lässt sich in besonders einfacher und kostengünstiger Weise realisieren, z.B. durch einen partiellen Abtrag des Materials der Heizleiterbahn, insbesondere z.B. mittels Laserbearbeitung, bei der der Laser im Bereich des Umkehrpunktes in mehreren Durchgängen über die verschiedenen Bereiche gefahren wird. Die Heizleiterbahn kann in dem Umkehrpunkt insbesondere bevorzugt zumindest zwei verschiedene Dickenniveaus (innen und außen) aufweisen, besonders bevorzugt können aber z.B. auch mehr verschiedene Dickenniveaus ausgebildet sein, sodass die Dicke der Heizleiterbahn von der Innenkurve zu der Außenkurve in mehreren Stufen zunimmt. Obwohl eine solche gestufte Veränderung der Dicke bevorzugt ist, ist es z.B. aber auch möglich, dass die Dicke z.B. im Wesentlichen kontinuierlich von der Innenkurve zu der Außenkurve zunimmt.
-
Gemäß einer Weiterbildung beträgt die Dicke der Heizleiterbahn im Bereich der Innenkurve höchstens 65% der Dicke der Heizleiterbahn im Bereich der Außenkurve, bevorzugt höchstens 50%, mehr bevorzugt höchstens 30%. In dieser Weise lässt sich die Ausbildung von unerwünschten Hot-Spots besonders zuverlässig unterdrücken.
-
Weitere Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
-
1 ist eine schematische Darstellung einer elektrischen Heizeinrichtung gemäß der Ausführungsform.
-
2 ist eine schematische Ansicht eines Details von 1.
-
3 zeigt schematisch die Anordnung einer Heizleiterschicht auf einem Substrat bei der Ausführungsform.
-
4 ist eine 2 entsprechende schematische Darstellung einer Abwandlung der Ausführungsform.
-
5 ist eine schematische Darstellung eines Querschnittes der Heizleiterbahn im Bereich eines Umkehrpunktes bei der Abwandlung.
-
AUSFÜHRUNGSFORM
-
Eine Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eingehender beschrieben.
-
Eine elektrische Heizeinrichtung 1 für mobile Anwendungen gemäß einer Ausführungsform ist schematisch in 1 dargestellt. Die elektrische Heizeinrichtung 1 gemäß der Ausführungsform ist dazu ausgelegt, in einem Fahrzeug ein Fluid zu beheizen. Das Fluid kann dabei insbesondere z.B. durch zu beheizende Luft oder durch eine Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf des Fahrzeugs gebildet sein. Die elektrische Heizeinrichtung 1 ist dabei insbesondere als eine Hochvolt-Heizung für einen Betrieb mit einer Betriebsspannung im Bereich zwischen 150 Volt und 900 Volt, insbesondere im Bereich zwischen 200 Volt und 600 Volt ausgelegt. Es ist jedoch z.B. auch möglich, die elektrische Heizeinrichtung 1 als eine Niedervolt-Heizung für einen Betrieb mit einer Betriebsspannung im Bereich z.B. zwischen 12 Volt und 48 Volt auszulegen.
-
Die elektrische Heizeinrichtung 1 weist ein Substrat 2 auf, das insbesondere gleichzeitig als ein Wärmetauscher zum Übertragen der freigesetzten Heizleistung auf das zu erwärmende Fluid ausgebildet sein kann. Insbesondere kann z.B. eine (nicht dargestellte) Unterseite mit einer Mehrzahl von Wärmetauscherrippen oder Kanälen versehen sein, über die das zu erwärmende Fluid geleitet wird. Das Substrat 2 kann z.B. bevorzugt in herstellungstechnisch sehr kostengünstiger Weise aus einem metallischen Material mit einem hohen Wärmeübertragungskoeffizienten gebildet sein, insbesondere z.B. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Grundsätzlich ist es aber z.B. auch möglich, dass Substrat 2 z.B. aus einem elektrisch isolierenden Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit zu fertigen, wie insbesondere z.B. einer entsprechenden Keramik.
-
Bei dem konkreten Ausführungsbeispiel, bei dem das Substrat 2 aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist, ist auf dem Substrat 2 eine elektrisch isolierende Schicht 3 abgeschieden, die eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Die elektrisch isolierende Schicht 3 kann dabei z.B. bevorzugt insbesondere durch Aluminiumoxid gebildet sein. Z.B. kann die elektrisch isolierende Schicht 3 in einem thermischen Spritzverfahren auf dem Substrat 2 abgeschieden sein. Insbesondere in dem Fall, dass das Substrat z.B. aus Aluminium ausgebildet ist, kann die elektrisch isolierende Schicht 3 z.B. auch durch gezieltes Oxidieren der Oberfläche des Substrates 2 gebildet werden. Die elektrisch isolierende Schicht 3 ist dazu ausgebildet, das Substrat 2 elektrisch gegenüber einer im Folgenden beschriebenen Heizleiterschicht 4 zu isolieren, dabei aber eine gute Wärmeübertragung auf das Material des Substrates 2 zu ermöglichen.
-
Die elektrische Heizeinrichtung 1 weist ferner eine auf dem Substrat 2 (bzw. auf der auf dem Substrat 2 ausgebildeten isolierenden Schicht 3) abgeschiedene Heizleiterschicht 4 auf. Die Heizleiterschicht 4 ist aus einem metallischen Material gebildet und kann z.B. insbesondere eine Nickel-Chrom-Legierung aufweisen. Die Heizleiterschicht 4 kann bevorzugt insbesondere in einem thermischen Spritzverfahren abgeschieden sein. Alternativ ist es aber z.B. auch möglich, die Heizleiterschicht 4 z.B. in einem Druck- oder Gießverfahren abzuscheiden.
-
Wie insbesondere in den 1 und 2 zu sehen ist, ist die Heizleiterschicht 4 derart strukturiert, dass zumindest eine Heizleiterbahn 5 ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, ohmsche Wärme freizusetzen, wenn zwischen ihren entgegengesetzten Enden eine elektrische Spannung angelegt wird. Wie noch eingehender erläutert wird, ist die Heizleiterschicht 4 bei der konkreten Ausführungsform derart strukturiert, dass zwei Heizleiterbahnen 5 ausgebildet sind, die sich in einem Schmetterlingsmuster auf dem Substrat erstrecken. Das Schmetterlingsmuster ist dabei derart ausgebildet, dass sich die beiden Heizleiterbahnen 5 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu einer Ebene E erstrecken, die senkrecht zu einer Hauptebene des Substrates 2 verläuft.
-
An einem Randbereich der elektrischen Heizeinrichtung 1 sind Anschlüsse 9a, 9b, 9c zum Verbinden der Heizleiterbahnen 5 mit einer elektrischen Leistungsversorgung vorgesehen. Bei der konkret dargestellten Ausführungsform sind insgesamt drei solche Anschlüsse elektrisch voneinander isoliert, nebeneinander an einem Rand des Substrates 2 angeordnet. Dabei ist bei der konkreten Ausführungsform der mittlere Anschluss 9a zum elektrischen Kontaktieren beider Heizleiterbahnen 5 ausgelegt. An die beiden anderen Anschlüsse 9b und 9c kann z.B. ebenfalls ein gleiches elektrisches Potential angelegt werden, um die gewünschte Potentialdifferenz zu dem gemeinsamen Anschluss 9a einzustellen. Da die beiden Heizleiterbahnen 5 symmetrisch zueinander ausgebildet sind, erfolgt im Folgenden lediglich eine genauere Beschreibung von einer der beiden Heizleiterbahnen 5.
-
Die Heizleiterbahn 5 ist derart strukturiert, dass sie sich in einem bifilaren Muster auf dem Substrat 2 erstreckt. Die Heizleiterbahn 5 ist derart strukturiert, dass sie eine Vielzahl nebeneinander auf dem Substrat 2 ausgebildeter Bahnabschnitte 6 aufweist, die durch Isolierunterbrechungen 7 voneinander getrennt und somit gegeneinander elektrisch isoliert sind. Z.B. können die Isolierunterbrechungen 7 bevorzugt dadurch ausgebildet sein, dass die Heizleiterschicht 4 zunächst flächig auf dem Substrat 2 abgeschieden wurde und im Bereich der Isolierunterbrechungen 7 anschließend das Material der Heizleiterschicht 4 gezielt abgetragen wurde, insbesondere z.B. durch Laserbearbeitung. Im oberen Bereich von 1 sind die jeweiligen Stromflussrichtungen in der Heizleiterbahn 5 schematisch durch Pfeile dargestellt, um die Struktur der Heizleiterbahn 5 besser ersichtlich zu machen.
-
Wie in den 1 und 2 schematisch dargestellt ist, weisen die zwischen den jeweiligen Bahnabschnitten 6 ausgebildeten Isolierunterbrechungen 7 über ihre Längserstreckung eine zumindest im Wesentlichen gleichbleibende Breite auf. In dieser Weise ist erreicht, dass die Bahnabschnitte 6 der Heizleiterbahn 5 die Oberfläche des Substrates großflächig überdecken, sodass die zur Verfügung stehende Fläche möglichst optimal zur Ausbildung von Heizleistung bereitstellenden Bahnabschnitten 6 ausgenutzt ist.
-
Wie anhand der schematisch dargestellten Pfeile in 1 gut zu erkennen ist, weist die Heizleiterbahn 5 somit eine Vielzahl von Bahnabschnitten 6 derart auf, dass über den überwiegenden Teil von deren Erstreckung immer in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossene Bahnabschnitte 6 nebeneinander verlaufen. In dieser Weise wird eine sehr geringe elektromagnetische Abstrahlung der elektrischen Heizeinrichtung 1 erreicht. Wie ferner in 1 ersichtlich ist, ist die Heizleiterbahn 5 derart ausgebildet, dass die Heizleiterbahn 5 über einen überwiegenden Bereich ihrer Längserstreckung auch derart längs unterteilt ist, dass immer zwei in derselben Richtung von Strom durchflossene Bahnabschnitte 6 nebeneinander verlaufen und diese nur in unmittelbarer Nähe zu den Anschlüssen 9a, 9b, 9c jeweils miteinander verbunden sind. In dieser Weise wird eine vorteilhafte Aufteilung des Stromflusses in der Ebene des Substrates 2 erreicht.
-
Aufgrund der beschriebenen bifilaren Anordnung der Heizleiterbahn 5, bei der auch eine möglichst hohe Flächenabdeckung des Substrates erstrebt wird, sind bei der Heizleiterbahn 5 (d.h. bei jeder der beiden Heizleiterbahnen 5 der elektrischen Heizvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform) zwei Umkehrpunkte 8 ausgebildet. An den Umkehrpunkten 8 ist die Heizleiterbahn 5 in der Hauptebene über insgesamt im Wesentlichen 180° derart umgelenkt, dass innenliegende Bahnabschnitte 6a mit entgegengesetzter Stromflussrichtung nur durch eine Isolierunterbrechung 7 getrennt nebeneinander und parallel zueinander verlaufen.
-
Die Ausgestaltung der Heizleiterbahn 5 im Bereich eines Umkehrpunktes 8 wird unter Bezug auf die Detaildarstellung von 2 eingehender beschrieben.
-
Wie in 2 zu sehen ist, ist der Abstand zwischen den benachbarten innenliegenden Bahnabschnitten 6a im Bereich des Umkehrpunktes 8 lokal verbreitert ausgebildet, sodass die Umlenkung der Heizleiterbahn an dem Umkehrpunkt 8 einen im Wesentlichen tropfenförmigen oder Streichholzkopf-förmigen Bereich 11 einschließt. Bei der konkret dargestellten Ausführungsform ist der eingeschlossene Bereich 11 mit einem der innenliegenden Bahnabschnitte 6a elektrisch leitend verbunden, d.h. es ist zu diesem innenliegenden Bahnabschnitt 6a keine Unterbrechung der Heizleiterschicht 4 ausgebildet. Es jedoch z.B. auch möglich, den eingeschlossenen Bereich 11 vollständig durch eine Isolierunterbrechung 7 von den innenliegenden Bahnabschnitten 6a zu trennen. Durch die lokale Verbreiterung des Abstandes zwischen den innenliegenden Bahnabschnitten 6a im Bereich des Umkehrpunktes 8 wird ein übermäßiger Streckenunterschied zwischen Strompfaden am äußeren Rand der innenliegenden Bahnabschnitte 6a und Strompfaden am inneren Rand der innenliegenden Bahnabschnitte 6a vermieden, sodass eine zu starke Konzentration des Stromflusses an der Innenseite an dem Umkehrpunkt 8 verhindert wird. Eine solche zu stark lokale Konzentration des Stromflusses würde zu einer übermäßigen lokalen Erhitzung im Bereich des Umkehrpunktes 8 führen.
-
Wie ebenfalls in 2 zu sehen ist, ist die lokale Verbreiterung des Abstandes zwischen den innenliegenden Bahnabschnitten 6a, die zu einer Verringerung der Breite der innenliegenden Bahnabschnitte 6a in diesem Bereich führen würde, bei der Ausführungsform zumindest teilweise dadurch kompensiert, dass die innenliegenden Bahnabschnitte 6a im Bereich des Umkehrpunktes 8 nach außen in Richtung der benachbarten, weiter außen liegenden Bahnabschnitte 6b verbreitert sind und somit weiter nach außen hervorstehen. In dieser Weise ist eine starke lokale Verringerung des Bahnquerschnittes der innenliegenden Bahnabschnitte 6a, die ebenfalls zu einer erhöhten lokalen Temperaturerhöhung führen würde, vermieden. Somit wird besonders zuverlässig die Ausbildung von lokalen „Hot-Spots“ im Bereich der Umkehrpunkte unterdrückt. Insbesondere wird – verglichen mit einer Ausgestaltung, bei der nur innenseitig eine Verbreiterung des Abstandes auf Kosten der Bahnbreite der innenliegenden Bahnabschnitte 6a vorgesehen ist – eine deutliche Absenkung der sich an dem Umkehrpunkt 8 ausbildenden Temperatur erzielt. Im Bereich des Umkehrpunktes 8 sind ferner die weiter außen liegenden Bahnabschnitte 6b, die durch Isolierunterbrechungen 7 von den innenliegenden Bahnabschnitten 6a getrennt sind, lokal in ihrer Breite verringert, um den erhöhten Platzbedarf durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung der innenliegenden Bahnabschnitte 6a im Bereich des Umkehrpunktes 8 zu kompensieren. Mit anderen Worten ist bei den weiter außen liegenden Bahnabschnitten 6b die Breite der Bahnabschnitte lokal verringert ist, um die lokale Verbreiterung auf der Innenseite zwischen den innenliegenden Bahnabschnitten 6a und das Vorstehen der innenliegenden Bahnabschnitte 6a zu kompensieren. In dieser Weise wird erreicht, dass die Heizleiterbahn 5 die zur Verfügung stehende Oberfläche des Substrates 2 möglichst optimal ausnutzt und die Isolierunterbrechungen 7 insgesamt nur den für eine zuverlässige Isolierung notwendigen Flächenanteil der Oberfläche des Substrates 2 einnehmen.
-
Wie in 3 schematisch dargestellt ist, ist auf der Heizleiterschicht 4, d.h. auf den entsprechend strukturierten Heizleiterbahnen 5, die zuvor beschrieben wurden, zumindest eine weitere Isolierschicht 10 ausgebildet, die die von dem Substrat 2 abgewandte Oberseite der Heizleiterschicht 4 bedeckt. Bei der Ausführungsform ist die weitere Isolierschicht 10 insbesondere derart ausgebildet, dass sie auch die Isolierunterbrechungen 7 zwischen den Bahnabschnitten 6 der Heizleiterbahnen 5 ausfüllt. In dieser Weise ist eine besonders gute Isolierung der Bahnabschnitte 6 untereinander gewährleistet. Die weitere Isolierschicht 10 kann z.B. nach dem Strukturieren der Heizleiterschicht 4 auf den strukturierten Heizleiterbahnen 5 abgeschieden werden. Das Abscheiden kann dabei z.B. wiederum bevorzugt durch ein thermisches Spritzverfahren, ein Gießverfahren oder Ähnliches erfolgen. Insbesondere kann die weitere Isolierschicht 10 z.B. wiederum durch Aluminiumoxid gebildet werden, um eine gute elektrische Isolierung und gleichzeitig eine gute thermische Leitfähigkeit zu erzielen.
-
Bevorzugt kann es z.B. auch noch vorgesehen werden, auf der weiteren Isolierschicht 10 noch eine oder mehrere weitere Schichten aufzubringen. Insbesondere kann es z.B. vorteilhaft sein, zumindest noch eine Sensorschicht zum Überwachen der Funktion der elektrischen Heizeinrichtung 1 auszubilden.
-
ABWANDLUNG
-
Eine Abwandlung der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird im folgenden unter Bezugnahme auf die 4 und 5 eingehender beschrieben. Da sich die Abwandlung von der zuvor beschriebenen Ausführungsform nur in Bezug auf eine Strukturierung der Dicke der Heizleiterbahn 5 in dem Umkehrpunkt 8 unterscheidet, werden bei der Abwandlung dieselben Bezugszeichen verwendet und zur Vermeidung von Wiederholungen unterbleibt eine erneute Beschreibung sämtlicher Komponenten.
-
Um das Problem der Ausbildung unerwünschter „Hot-Spots“ insbesondere im Bereich des Umkehrpunktes 8 der Heizleiterbahn 5 zu lösen bzw. zumindest abzumildern, ist die Heizleiterbahn 5 bei dem Ausführungsbeispiel zumindest an dem Umkehrpunkt 8 derart ausgebildet, dass sie in dem Bereich der Innenkurve 8a eine geringere Dicke in der Richtung senkrecht zu der Hauptebene aufweist als in dem Bereich der Außenkurve 8b. Bei dem konkreten Ausführungsbeispiel ist die Heizleiterbahn 5 dabei derart strukturiert, dass deren Dicke von der Innenkurve 8a zu der Außenkurve 8b stufenförmig zunimmt, wie in 5 schematisch dargestellt ist. Eine solche stufenartige Strukturierung in der Richtung quer zur Heizleiterbahn 5 kann in sehr einfacher und kostengünstiger Weise z.B. dadurch ausgebildet werden, dass die Heizleiterbahn 5 von einer Ausgangsdicke der Heizleiterschicht 4, die im Bereich der Außenkurve 8b belassen wird, in den weiter in Richtung der Innenkurve 8a angeordneten Bereichen mittels einer Laserbearbeitung bis auf eine geringere Dicke teilweise abgetragen wird. Bevorzugt kann dies insbesondere in demselben Arbeitsschritt erfolgen, in dem das Material der Heizleiterschicht 4 auch zur Ausbildung der Isolierunterbrechungen 7 abgetragen wird.
-
Wie in 5 schematisch dargestellt ist, kann die Heizleiterbahn 5 in dem Kurvenabschnitt 8 z.B. mit zwei Stufen derart strukturiert sein, dass insgesamt in der Richtung quer zur Heizleiterbahn 5 drei Höhenniveaus realisiert sind. Es ist z.B. aber auch möglich, z.B. nur zwei unterschiedliche Höhenniveaus oder mehr als drei Höhenniveaus auszubilden. Die Dicke der Heizleiterbahn 5 kann dabei bevorzugt im Bereich der Innenkurve 8a erheblich im Vergleich zu dem Bereich der Außenkurve 8b reduziert sein. Insbesondere kann die Dicke der Heizleiterbahn 5 im Bereich der Innenkurve 8a z.B. höchstens 65% der Dicke der Heizleiterbahn 5 im Bereich der Außenkurve 8b betragen, bevorzugt höchstens 50%, mehr bevorzugt höchsten 30%. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann die Heizleiterbahn 5 im Bereich der Außenkurve 8b z.B. ca. 25 µm dick sein, in dem Bereich der Innenkurve 8a nur ca. 5 µm dick und in einem dazwischen liegenden Bereich ca. 15 µm dick. Bei einem derartigen Beispiel wurde z.B. festgestellt, dass die Temperatur in der Innenkurve 8a signifikant um ca. 60 °C verringert werden kann (bei dem konkreten Beispiel z.B. von ca. 240 °C auf ca. 180 °C). Die Verringerung der Dicke der Heizleiterschicht 4 in dem Bereich der Innenkurve 8a führt aufgrund der damit einhergehenden Erhöhung des elektrischen Widerstandes in der Innenkurve 8a zu einer homogeneren Verteilung des elektrischen Stroms über die Breite der Heizleiterbahn 5. In dieser Weise wird das durch „Hot-Spots“ bedingte Risiko einer Verringerung der Lebensdauer der elektrischen Heizeinrichtung 1 signifikant reduziert. Insgesamt werden in dieser Weise auch höhere Heizleistungen der elektrischen Heizeinrichtung 1 ermöglicht, da die erzielbaren Heizleistungen im Wesentlichen durch „Hot-Spots“ begrenzt werden.
-
Obwohl insbesondere im Bereich des Umkehrpunktes 8 der erzielbare Effekt besonders ausgeprägt ist, ist es z.B. auch möglich in anderen Kurvenabschnitten, die keine derartigen Umkehrpunkte 8 sind, die Dicke der Heizleiterschicht 4 im Bereich der Innenkurve zu verringern, um eine homogenere Stromverteilung über die Breite der Heizleiterbahn 5 zu erzielen.
-
Die lokale Verringerung der Dicke im Bereich der Innenkurve 8a eines Umkehrpunktes 8 kann insbesondere z.B. relativ lokal über einen Bereich in der unmittelbaren Nähe bzw. Umgebung des Umkehrpunktes 8 ausgebildet sein, wie insbesondere in 4 schematisch durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Bei der in 4 schematisch dargestellten Ausgestaltung ist die zusätzliche Strukturierung der Dicke der Heizleiterbahn 5 z.B. nur in dem Bereich rechts der gestrichelten Linien realisiert und in dem Bereich links der gestrichelten Linien weist die Heizleiterbahn 5 eine über ihre Breite im Wesentlichen konstante Dicke auf.
-
Die beschriebene Verringerung der Dicke der Heizleiterbahn 5 in der Innenkurve 8a des Umkehrpunktes 8 ermöglicht es, die Neigung zur Bildung von Hot-Spots so stark zu unterdrücken, dass das Ausmaß der Verbreiterung des Abstandes zwischen benachbarten innenliegenden Bahnabschnitten 6a im Bereich eines Umkehrpunktes 8 verringert werden kann. In dieser Weise wird eine verbesserte Flächenausnutzung der Oberfläche des Substrats 2 ermöglicht.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
