DE102016203496A1

DE102016203496A1 - Elektrische Heizeinrichtung mit PTC-Element und elektrischen Versorgungsleitungen als Wärmeleitkörper und Betriebsflüssigkeitstank mit einer solchen Heizeinrichtung

Info

Publication number: DE102016203496A1
Application number: DE102016203496.0A
Authority: DE
Inventors: Fabrizio Chini; Luca Marini; Ivan De Metri; Francesca Brunori; Stefano Dalpez
Original assignee: Roechling Automotive AG and Co KG
Current assignee: Roechling Automotive Se De
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2017-09-07
Also published as: US20170257911A1; CN107155226B; CN107155226A

Abstract

Eine Elektrische Heizeinrichtung (14) für einen Betriebsflüssigkeitstank (10) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für einen Tank (10) zur Speicherung von wässriger Harnstofflösung, mit wenigstens einem PTC-Element (34, 36, 38, 40, 42, 44), das zwei elektrische Leiter (24, 26, 28, 29) verbindend angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (14) eine Mehrzahl von PTC-Elementen (34, 36, 38, 40, 42, 44) umfasst, von welchen jedes zwei elektrische Leiter (24, 26, 28, 29) verbindend angeordnet ist, wobei wenigstens einer der elektrischen Leiter (24, 26, 28, 29) als flächiges Leiterbauteil ausgebildet ist und einen Wärmeleitkörper zur Übertragung von im PTC-Element (34, 36, 38, 40, 42, 44)entstehender Wärme an einen der elektrischen Heizeinrichtung (14) benachbarten Volumenabschnitt der Außenumgebung (18) der elektrischen Heizeinrichtung (14) bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung für einen Betriebsflüssigkeitstank eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für einen Tank zur Speicherung von wässriger Harnstofflösung, mit wenigstens einem PTC-Element, das zwei elektrische Leiter verbindend angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiter einen Tank, insbesondere Kfz-Betriebsflüssigkeitstank, bevorzugt einen Tank zur Speicherung von wässriger Harnstofflösung für eine selektive katalytische Reduktion, mit einer solchen elektrischen Heizvorrichtung.
Eine gattungsgemäße elektrische Heizeinrichtung ist ebenso wie ein damit ausgerüsteter Tank aus der DE 10 2009 028 113 A1 bekannt.
Bei der bekannten gattungsgemäßen Lösung durchsetzen elektrische Versorgungsleitungen jeweils elektrisch isoliert die Tankwandung, genauer: den Tankdeckel, und kontaktieren ein PTC-Element, welches im Tank die einzige elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden elektrischen Versorgungsleitungen ist. Als PTC-Material ist in der gattungsgemäßen Druckschrift ein PTC-Verhalten aufweisender Kunststoff bzw. ein solches Elastomermaterial genannt.
Die bekannte gattungsgemäße Heizvorrichtung dient der Erwärmung, insbesondere der Verflüssigung bzw. der Aufrechterhaltung der Fließfähigkeit, von wässriger Harnstofflösung in einem Kraftfahrzeug, um mit dieser auch bei kalten Außentemperaturen eine selektive katalytische Reduktion im Abgas durchführen zu können und so Stickoxide im Abgas zu reduzieren. Dies ist so auch in der bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfindung der Fall.
Wässrige Harnstofflösung gefriert bei einer Temperatur von –11 °C, wobei die Gefriertemperatur durch Additive in der wässrigen Harnstofflösung auf bis zu –40 °C herabgesetzt werden kann. Dennoch ist es aus Gründen der Sicherstellung der Reduktion von Stickoxiden im Abgas auch bei tiefen und tiefsten Außentemperaturen erforderlich, dass das Reduktionsmittel dauerhaft in ausreichender Menge flüssig vorliegt.
Eine weitere elektrische Heizeinrichtung, welche PTC-Elemente aus Keramik verwendet, ist aus der DE 10 2013 209 957 A1 bekannt. Diese lehrt, ein PTC-Element mittels eines elektrisch leitfähigen Kunststoffes mit elektrischen Versorgungsleitungen zu verbinden. Die Gesamtanordnung aus PTC-Element und dieses mittels elektrisch leitfähigen Kunststoffs kontaktierenden elektrischen Versorgungsleitungen kann wiederum durch Kunststoff umhüllt sein, um es vor chemisch oder/und physikalisch aggressiven Medien in seiner Außenumgebung zu schützten.
PTC-Elemente sind Bauteile, die, wenn sie von elektrischem Strom durchflossen sind, sich erwärmen und aufgrund des durch die Erwärmung entstehenden Temperaturgradienten zur Außenumgebung hin Wärme an diese abgeben können. "PTC" bedeutet dabei "Positive Temperature Coefficient", was anzeigt, dass der elektrische Widerstand des PTC-Elements mit steigender Temperatur zunimmt. Dies führt zu einer gewünschten Selbstbegrenzung der Heizleistung eines PTC-Elements. Dadurch, dass mit steigender Temperatur auch der elektrische Widerstand des PTC-Elements steigt, nimmt der Stromfluss durch das PTC-Element mit steigender Temperatur wegen des zunehmenden Widerstands ab, sodass die pro Zeiteinheit von einem PTC-Element abgegebene Wärmemenge mit zunehmender Temperatur des PTC-Elements immer geringer wird. Dadurch kann verhindert werden, dass das PTC-Element oder das von ihm zu erwärmende Medium überhitzt.
Die chemische Stabilität der hier besonders interessierenden wässrigen Harnstofflösung nimmt bei Temperaturen von über 80 °C ab, sodass ihre Gebrauchssicherheit bei hohen Temperaturen stark gefährdet ist. Aus diesem Grunde sind die sich mit zunehmender Temperatur selbst in der Heizleistung regulierenden PTC-Elemente für die Beheizung von wässriger Harnstofflösung, aber auch von anderen Betriebsflüssigkeiten, besonders geeignet.
Nachteilig an der gattungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung ist, dass sie entweder ein voluminöses oder ein komplex gestaltetes PTC-Element mit großer Oberfläche benötigt, um schnell einen entsprechend großen Volumenbereich in einem Betriebsflüssigkeitstank zu erwärmen. Andernfalls ist die Heizeinrichtung womöglich nur in der Lage, kurzfristig punktuell Wärme in einen Tank einzutragen, wobei dies unter Umständen nicht ausreichen kann, um nach einem Kaltstart schnell den gewünschten Reduktionsgrad im Abgas zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die gattungsgemäße elektrische Heizeinrichtung dahingehend zu verbessern, dass sie in möglichst kurzer Zeit eine möglichst große Wärmemenge an seine Außenumgebung übertragen kann.
Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung an einer gattungsgemäßen Heizeinrichtung dadurch, dass die elektrische Heizeinrichtung eine Mehrzahl von PTC-Elementen umfasst, von welchen jedes zwei elektrische Leiter verbindend angeordnet ist, wobei wenigstens einer der elektrischen Leiter als flächiges Leiterbauteil ausgebildet ist und einen Wärmeleitkörper zur Übertragung von im PTC-Element entstehender Wärme an einen der elektrischen Heizeinrichtung benachbarten Volumenabschnitt der Außenumgebung der elektrischen Heizeinrichtung bildet.
Bei der elektrischen Heizeinrichtung der vorliegenden Erfindung ist die Wärmeübertragungsfläche der Heizeinrichtung dadurch vergrößert, dass die elektrischen Leiter, die zur Versorgung des PTC-Elements mit elektrischem Strom bzw. zur Durchleitung von elektrischem Strom durch dieses unvermeidbar mit dem PTC-Element verbunden werden müssen, als Wärmeleitkörper verwendet werden. Hierzu ist wenigstens ein elektrischer Leiter als flächiges Leiterbauteil ausgebildet. Dies bedeutet, dass seine Abmessung in Dickenrichtung die kleinste Abmessung des Leiterbauteils ist und dass seine Abmessungen in jeder der beiden übrigen sowohl zueinander als auch zur Dickenrichtung orthogonalen Raumrichtungen wesentlich größer, d. h. mehr als das 5-fache, bevorzugt mehr als 10-fache, besonders bevorzugt mehr als das 20-fache, der Dickenabmessung beträgt.
Da der flächige elektrische Leiter nicht notwendigerweise eben ausgebildet ist, kommt es hinsichtlich der genannten Abmessungen in den genannten Raumrichtungen auf jeweils lokale Raumrichtungen an, etwa dann, wenn die Dickenrichtung abhängig vom Ort am elektrischen Leiter unterschiedlich orientiert ist.
So kann wenigstens einer der beiden vom PTC-Element kontaktierten elektrischen Leiter mit verhältnismäßig großer Oberfläche als Wärmeleitkörper zur Übertragung von Wärme ausgehend vom PTC-Element genutzt werden. Der elektrische Leiter kann dann als Wärmeleitkörper die bei Bestromung des PTC-Elements entstehende Wärme an einen der elektrischen Heizeinrichtung benachbarten Volumenabschnitt der Außenumgebung der elektrischen Heizeinrichtung übertragen und so ein in diesem Volumenabschnitt enthaltenes Medium erwärmen.
Durch die Verwendung einer Mehrzahl von PTC-Elementen, die bevorzugt mit Abstand voneinander angeordnet sind, können in der Heizeinrichtung eine Mehrzahl von Wärmequellen vorgesehen werden, deren erzeugte Wärme jeweils über den wenigstens einen von dem jeweiligen PTC-Element kontaktierten elektrischen Leiter gebildeten Wärmeleitkörper an die Außenumgebung übertragen werden kann. So kann selbst ein großflächiger elektrischer Leiter über seine gesamte Fläche als Wärmeleitkörper genutzt werden.
Um die Wärmeübertragungsfläche der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung weiter zu vergrößern, können vorteilhafterweise beide elektrischen Leiter, die von einem PTC-Element kontaktiert sind, als flächige Leiterbauteile ausgebildet sein, sodass jeder dieser von einem PTC-Element kontaktierten elektrischen Leiter einen Wärmeleitkörper bildet.
Einige oder alle PTC-Elemente können aus PTC-Keramik gebildet sein. Ebenso können einige oder alle PTC-Elemente aus PTC-Kunststoff gebildet sein, wobei PTC, Kunststoff in der Regel durch einen mit entsprechendem Füllmaterial gefüllten thermoplastischen Kunststoff realisiert sein kann, der beispielsweise durch Spritzgießverfahren in nahezu beliebige Formgestalt bringbar ist.
Bevorzugt ist, dass eine Mehrzahl von PTC-Elementen parallel zwischen denselben zwei elektrischen Leitern angeordnet sind, da dadurch die Anzahl an elektrischen Leitern zur Versorgung der PTC-Elemente gering gehalten werden kann und da dadurch außerdem die Fläche der elektrischen Leiter in ihrer Gesamtheit möglichst gleichmäßig als Wärmeübertragungsfläche genutzt werden kann, was zu einer sehr effizienten Nutzung der elektrischen Leiter als Wärmeleitkörper führt. Die parallel angeordneten PTC-Elemente sind hier als elektrisch parallel geschaltet zu verstehen. Sie müssen nicht notwendigerweise, können aber, zueinander räumlich parallel ausgerichtet sein oder längs einer Geraden verlaufen. Tatsächlich können die beiden elektrischen Leiter, zwischen welchen die PTC-Elemente parallel geschaltet angeordnet sind, irreguläre Gestalten haben, etwa mit örtlich unterschiedlicher Breite, sodass durch die elektrische Parallelanordnung von PTC-Elementen keinerlei Vorgabe über deren räumliche Anordnung oder über die Gestalt eines oder beider elektrischer Leiter gemacht sein soll.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Mehrzahl von PTC-Elementen in Reihe zwischen jeweils unterschiedlichen elektrischen Leiterpaaren angeordnet sein. Auch hier ist eine elektrische Reihenanordnung (Reihenschaltung) und nicht notwendigerweise eine räumliche Reihenanordnung gemeint.
Bei der Reihenschaltung von PTC-Elementen ist zwar zwischen jeweils zwei in Reihe geschalteten PTC-Elementen jeweils ein gesonderter elektrischer Leiter notwendig, der diese PTC-Elemente elektrisch miteinander verbindet, was die Anzahl an benötigten elektrischen Leitern erhöht. Dadurch wird jedoch auch die Anzahl an Wärmeleitkörpern erhöht, wobei durch eine elektrische Reihenanordnung von PTC-Elementen auch komplexe Tankgeometrien, insbesondere Tankwandgeometrien einschließlich des Tankbodens, mit lokalen Engpässen und dgl. flächig erwärmt werden können.
Bevorzugt ist daher, große einheitliche Flächenbereiche eher durch parallel geschaltete PTC-Elemente mit wenigen elektrischen Leitern zu beheizen und kleinere komplex gestaltete Flächenbereiche mit einer wesentlich größeren Länge als Breite und gegebenenfalls mit einem ein- oder sogar mehrfach gekrümmten Verlauf durch in Reihe geschaltete PTC-Elemente zu beheizen.
In der Regel sind die Kfz-Betriebsflüssigkeitstanks, deren bevorzugter Einsatzzweck die hier beschriebene Heizeinrichtung ist, selbst an strenge Bauraumvorgaben im Fahrzeuginnenraum angepasst, wobei sich auch hier von Standardformen abweichende Flächengeometrien der Tankwandungen ergeben, insbesondere beim Tankboden. Dann kann die Fläche durch PTC-Elemente und durch elektrische Leiter als Wärmeleitkörper gut und effektiv mit Wärme versorgt werden, wenn zwei elektrische Leiter unterschiedliche Gestalt aufweisen. So kann ein Großteil eines Tankvolumenabschnitts im Bereich einer Tankwandung, insbesondere des Tankbodens, entweder durch PTC-Elementen unmittelbar oder mit durch PTC-Elemente erwärmten elektrischen Leitern mittelbar mit Wärme versorgt werden.
Die elektrischen Leiter können nebeneinander angeordnet sein, wobei die Mehrzahl von PTC-Elementen Spalte zwischen zwei nebeneinander liegenden elektrischen Leitern überbrückt. Die elektrischen Leiter weisen dann mit ihren einander angenäherten Randbereichen aufeinander zu. So wird eine möglichst dünne Heizeinrichtung mit möglichst großer Wärme abgebender Fläche erreicht.
Alternativ oder zusätzlich können die elektrischen Leiter übereinander angeordnet sein. Die Mehrzahl von PTC-Elementen kann dann den Spalt zwischen zwei einander gegenüber liegenden Flächen von elektrischen Leitern überbrücken. Zusätzlich kann zwischen den einander gegenüber liegenden Flächen wenigstens ein Isolatorbauteil als Abstandshalter angeordnet sein, um einen Kurzschluss der zwei übereinander liegenden elektrischen Leiter zu vermeiden. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn die beiden elektrischen Leiter sich über eine wesentlich größere Fläche erstrecken als die zwischen ihnen vorgesehenen PTC-Elemente, so dass aufgrund von Verformung eines oder beider Leiter ein unmittelbarer Berührkontakt der Leiter zu befürchten ist.
Die elektrischen Leiter können als Metallfolie oder allgemein elektrisch leitende Folie mit einer Dicke von wenigen Mikrometern, etwa 8 µm und mehr, bis zu einer Dicke von einigen Millimetern ausgebildet sein, sodass auch daran gedacht sein kann, einen oder mehrere elektrische Leiter aus einem Metallblech zu fertigen, etwa auszuschneiden oder auszustanzen.
Weiter kann daran gedacht sein, die elektrischen Leiter aus elektrisch leitfähigem Kunststoff herzustellen, beispielsweise durch einen thermoplastischen Verbundwerkstoff mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix, in die elektrisch leitfähige Partikel eingebettet sind. Die Partikel können eine beliebige geeignete Gestalt aufweisen, wie etwa Kugelgestalt oder Fasergestalt, oder auch eine irreguläre Partikelgestalt, wie sie beispielsweise beim Aushärten eines Sprühnebels aus elektrisch leitfähigem Material entstehen. Auch Feilspäne aus elektrisch leitfähigem Metall sind als Partikel zur Einbettung in einen elektrisch leitfähigen Kunststoff denkbar.
Bei der Kontaktierung eines PTC-Elements mit einem ihm zugeordneten elektrischen Leiter reicht eine Kontaktberührung aus. Es kann daher daran gedacht sein, dass wenigstens ein PTC-Element mit einem elektrischen Leiter durch Kleben mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff oder/und durch Löten, insbesondere Hartlöten, oder/und durch Verwendung von gesonderten Verbindungsmitteln, wie etwa Niete oder/und Schrauben, insbesondere Verbindungsmitteln aus Kunststoff, verbunden ist. Klebe- oder Lötverbindungen weisen gegenüber den übrigen Verbindungen mit zusätzlichen Verbindungsmitteln eine sehr hohe Festigkeit auf, wobei gleichzeitig verhindert ist, dass Fremdstoffe in den Kontaktspalt zwischen PTC-Element und elektrischem Leiter eindringen und so die Kontaktqualität mindern können.
Bei den Verbindungsmitteln, wie etwa Nieten oder Schrauben, ist es bevorzugt, wenn diese selbst nicht elektrisch leitfähig sind.
Zum Schutz vor chemischer oder physikalischer Zersetzung, beispielsweise aufgrund des zu erwärmenden Mediums, kann die elektrische Heizeinrichtung auf wenigstens einer Seite mit einer Folie bedeckt oder mit Kunststoff überspritzt sein. Sie kann auch zwischen zwei Folien eingebracht, insbesondere eingeschweißt sein, die die elektrische Heizeinrichtung beiderseits bedeckt und umlaufend vollständig einschließt.
Sie kann auf einer Seite auf einem Substrat aufgenommen sein, wobei die dem Substrat zugewandte Seite dann, wenn die Heizeinrichtung nur auf einer Seite mit einer Folie bedeckt ist, die von der Folie abgewandte Seite der Heizeinrichtung bzw. der elektrischen Leiter ist.
Bevorzugt ist das Substrat ein starres Substrat, um unerwünschte Verformungen der Heizeinrichtung im Betrieb, etwa durch betriebsimmanente Vibrationen eines Fahrzeugs beim Fahren, zu vermeiden. Dies gilt vor allem dann, wenn die elektrischen Leiter nicht eigenstabil sind, etwa weil sie als Metallfolie ausgebildet sind. Sind die elektrischen Leiter eigenstabil aufgrund ihrer Gestalt oder Dicke, dann kann das Substrat formlabil sein oder sogar ganz entfallen.
Grundsätzlich muss der wenigstens eine elektrische Leiter, der mit einem PTC-Element der vorliegend diskutierten Heizeinrichtung verbunden ist, nicht notwendigerweise auch zur Stromversorgung des PTC-Elements dienen, jedoch ist dies aus Gründen einer möglichst niedrigen Bauteileanzahl vorteilhaft.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch einen Tank, insbesondere Kfz-Betriebsflüssigkeitstank, bevorzugt Tank zur Speicherung von wässriger Harnstofflösung, mit einer elektrischen Heizvorrichtung, wie sie oben beschrieben und weitergebildet ist.
Zur bestmöglichen Wärmeübertragung in das im Tank aufgenommene, zu erwärmende Medium ist die elektrische Heizvorrichtung derart im Tankinnenraum angeordnet, dass sich eine Wärmeübertragungsfläche der Heizvorrichtung mit Abstand von der Tankinnenwandoberfläche befindet.
Um – wenn auch möglicherweise nur in geringerem Umfang – auch die der Hauptwärmeübertragungsfläche der Heizvorrichtung entgegengesetzte Fläche für eine Wärmeübertragung zu nutzen, ist bevorzugt die elektrische Heizvorrichtung unter Bildung eines Spaltraums zwischen sich und einer Tankinnenwandoberfläche angeordnet. Der Spaltraum ist bevorzugt von Medium, das im Tank aufgenommen ist und das erwärmt werden soll, durchströmbar.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben werden. Es stellt dar:
1 eine grobschematische Längsschnittansicht durch eine Unterschale eines erfindungsgemäßen Kfz-Betriebsflüssigkeitstanks mit einer darin aufgenommenen ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung und
2 eine grobschematische Querschittsansicht durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung.
In der einzigen 1 ist ein erfindungsgemäßer Kfz-Betriebsflüssigkeitstank allgemein mit 10 bezeichnet. Der Tank 10 ist im Längsschnitt bei einer bodenparallelen Schnittebene bezeigt. Im fertig im Kraftfahrzeug angeordneten betriebsbereiten Zustand verläuft die Schwerkraftwirkungsrichtung g orthogonal zur Schnittebene und orthogonal zur Zeichenebene von 1. Die Schnittebene geht durch eine Unterschale des Tanks 10. Der Betrachter von 1 blickt somit in Richtung eines Tankbodens 12, über welchen, also in Richtung zum Betrachter der 1 hin, eine allgemein mit 14 bezeichnete elektrische Heizeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.
In 1 schraffiert ist die von der Schnittebene geschnittene Seitenwandung 16 dargestellt, welche sich im Wesentlichen orthogonal zur Zeichenebene der 1 erstreckt.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass 1 lediglich eine grobschematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kfz-Betriebsflüssigkeitstanks 10 und der darin aufgenommenen Heizeinrichtung 14 zeigt.
Im Inneren 18 des Tanks 10 ist eine Betriebsflüssigkeit zur gezielten Entnahme daraus gespeichert. Dabei ist bevorzugt an wässrige Harnstofflösung als Reduktionsmittel in einer selektiven katalytischen Reduktion des Abgases des Kraftfahrzeugs gedacht. Die im Tankinneren 18 gespeicherte Betriebsflüssigkeit kann durch eine Entnahmeöffnung 20 im Boden 12 des Tanks mittels einer Förderpumpe, gegebenenfalls zur Dosierung unterstützt durch ein Ventil, entnommen werden und beispielsweise einer Einspritzdüse im Abgasstrang zugeführt werden.
Um zu verhindern, dass die Betriebsflüssigkeit im Tankinnern 18 einfriert bzw. um diese flüssig zu halten, ist die Heizeinrichtung 14 darin vorgesehen.
Die Heizeinrichtung 14 weist ein Substrat 22 auf, welches mit Abstand vom Tankboden 12 in etwa parallel zu diesem angeordnet ist. Im vorliegenden Fall ist das Substrat 22 gebildet aus einer ebenen formstabilen Kunststoffplatte, deren Haupterstreckungsebene parallel zur Zeichenebene der 1 verläuft. Das Substrat 22 weist eine Öffnung über der Entnahmeöffnung 20 auf, um einen ungehinderten Durchfluss von Betriebsflüssigkeit aus dem Tankinneren 18 durch die Entnahmeöffnung 20 hindurch zu gewährleisten.
Auf dem im Wesentlichen ebenen Substrat 22 sind auf der vom Tankboden 12 weg weisenden Seite elektrische Leiter 24, 26, 28 und 29 vorgesehen. Die Anzahl an elektrischen Leitern kann mehr oder weniger als die genannten vier Leiter betragen. Die elektrischen Leiter 24, 26, 28 und 29 sind in der in 1 dargestellten Ausführungsform nebeneinander angeordnet. Sie erstrecken sich in derselben Haupterstreckungsfläche.
Enden der elektrischen Leiter 24 und 26 sind als Kontakte 30 und 32 durch die Tankwandung 16 hindurchgeführt, um an der Außenseite des Tanks 10 zur Kontaktierung mit einer elektrischen Stromversorgung bereitzustehen.
Somit bilden die elektrischen Leiter 24 und 26 die Hauptenergieversorgung der elektrischen Heizvorrichtung 14, da diese unmittelbar über ihre Kontakte 30 und 32 mit einer elektrischen Stromquelle verbindbar sind. Zwischen den elektrischen Leitern 24 und 26 sind im dargestellten Beispiel drei – es können jedoch auch mehr oder weniger sein – PTC-Elemente 34, 36 und 38 angeordnet, die in Parallelschaltung zwischen den elektrischen Leitern 24 und 26 vorgesehen sind.
Die elektrischen Leiter 24 und 26 sind als flächige Gebilde ausgeformt, um die bei Stromdurchfluss in den PTC-Elementen 34, 36 und 38 entstehende Wärme als Wärmeleitkörper in die Fläche der Heizvorrichtung 14 zu leiten und von dort großflächig an den Tankinnenraum 18 und das darin enthaltene Reduktionsmedium zu übertragen.
Weitere PTC-Elemente 40, 42 und 44 sind insgesamt den erstgenannten PTC-Elementen 34, 36 und 38 parallel geschaltet, sind jedoch untereinander elektrisch in Reihe geschaltet, wobei zwischen den PTC-Elementen 40 und 42 der elektrische Leiter 29 angeordnet ist und zwischen den PTC-Elementen 42 und 44 der elektrische Leiter 28. Beide elektrischen Leiter 28 und 29 sind wiederum als flächige Leiter ausgebildet, d. h. ihre Materialdicke ist wesentlich kleiner als ihre Abmessung in Längen- oder/und Breitenrichtung, wobei die größte auftretende Breite eines elektrischen Leiters in der dargestellten Ausführungsform wenigstens um das 30-fache größer ist als die Dicke des elektrischen Leiters. Die Dickenrichtung der ebenen elektrischen Leiter 24, 26, 28 und 29 verläuft orthogonal zur Zeichenebene von 1. Die Dicke der elektrischen Leiter 24, 26, 28 und 29 ist im Wesentlichen räumlich konstant. Die PTC-Elemente 34, 36, 38, 40, 42 und 44 sind mit ihren jeweils kontaktierten elektrischen Leitern bevorzugt durch einen elektrisch leitenden Klebstoff adhäsiv verbunden.
Die PTC-Elemente der Heizeinrichtung 14 können identisch sein, müssen dies jedoch nicht sein. Insbesondere können sich die untereinander elektrisch in Reihe geschalteten PTC-Elemente von den untereinander parallel geschalteten PTC-Elementen unterscheiden. Aber auch die untereinander parallel geschalteten PTC-Elemente müssen nicht identisch sein.
Bei der in 1 dargestellten Heizeinrichtung 14 werden die PTC-Elemente 34, 36, 38, 40, 42 und 44 im Falle einer Bestromung der Kontakte 30 und 32 die punktuell heißesten Orte der Heizeinrichtung 14 bilden, wobei die darin entstehende Wärme über die flächigen elektrischen Leiter 24, 26, 28 und 29 abgeleitet und möglichst großflächig in die im Tankinnern 18 aufgenommene Betriebsflüssigkeit abgegeben.
Die Heizeinrichtung 14 kann zum Betrachter hin mit einer Folie bedeckt sein oder durch Kunststoff überspritzt sein, sodass die elektrischen Leiter und die PTC-Elemente chemisch durch die Betriebsflüssigkeit nicht angegriffen werden können.
In 2 ist eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer Heizeinrichtung 114 grobschematisch im Querschnitt dargestellt. Gleiche und funktionsgleiche Bauteile und Bauteilabschnitte wie in der ersten Ausführungsform sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, jedoch erhöht um die Zahl 100. Die zweite Ausführungsform wird nachfolgend nur insofern erläutert werden, als sie sich von der ersten Ausführungsform von 1 unterscheidet, auf deren Beschreibung ausdrücklich auch zur Erläuterung der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform verwiesen wird.
Bei der zweiten Ausführungsform von 2 sind die elektrischen Leiter 124 und 126 nicht wie in der ersten Ausführungsform nebeneinander, sondern übereinander angeordnet, sodass sich die elektrischen Leiter 124 und 126 in zueinander vorzugsweise parallelen, aber voneinander beabstandeten Haupterstreckungsflächen erstrecken.
Die elektrischen Leiter 124 und 126 sind durch ein PTC-Element 134 miteinander verbunden, dessen Erstreckungsfläche wesentlich kleiner ist als jene der elektrischen Leiter 124 und 126. Aus diesem Grunde sind zur Vermeidung eines unerwünschten Kurzschlusses der elektrischen Leiter 124 und 126 Abstandshalter 150 und 152 aus isolierendem Material, beispielsweise aus elektrisch isolierendem Kunststoff an jenen Stellen des Abstandsspaltes 153 zwischen den elektrischen Leitern 124 und 126 angeordnet, die so weit seitlich von dem PTC-Element 134 entfernt liegen, dass durch Verformung der elektrischen Leiter 124 und 126 aufeinander zu ein Kurzschluss zu befürchten oder grundsätzlich nicht auszuschließen ist.
Bevorzugt sind die Abstandshalter 150 und 152 mit der gleichen Dicke ausgebildet wie das PTC-Element 134.
Die Baugruppe aus elektrischen Leitern 124 und 126 mit den dazwischen angeordneten Bauteilen: PTC-Element 134 und Abstandshalter 150 und 152, ist zwischen zwei Kunststofffolien 154 und 156 aufgenommen, welche die Baugruppe vor Umwelteinflüssen schützt, beispielsweise vor einem chemischen Angriff aus einer die Heizeinrichtung 114 umgebenden wässrigen Harnstofflösung.
Die übereinander angeordneten elektrischen Leiter 124 und 126 können einzelnen weiteren elektrischen Leitern in Nebeneinanderanordnung benachbart sein oder können einer weiteren Baugruppe aus übereinander geordneten elektrischen Leitern mit dazwischen angeordnetem PTC-Element in Nebeneinanderanordnung benachbart sein.
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

DE 102009028113 A1 [0003]
DE 102013209957 A1 [0007]

Claims

Elektrische Heizeinrichtung (14; 114) für einen Betriebsflüssigkeitstank (10) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für einen Tank (10) zur Speicherung von wässriger Harnstofflösung, mit wenigstens einem PTC-Element (34, 36, 38, 40, 42, 44; 134), das zwei elektrische Leiter (24, 26, 28, 29; 124, 126) verbindend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (14; 114) eine Mehrzahl von PTC-Elementen (34, 36, 38, 40, 42, 44; 134) umfasst, von welchen jedes zwei elektrische Leiter (24, 26, 28, 29; 124, 126) verbindend angeordnet ist, wobei wenigstens einer der elektrischen Leiter (24, 26, 28, 29; 124, 126) als flächiges Leiterbauteil ausgebildet ist und einen Wärmeleitkörper zur Übertragung von im PTC-Element (34, 36, 38, 40, 42, 44; 134) entstehender Wärme an einen der elektrischen Heizeinrichtung (14; 114) benachbarten Volumenabschnitt der Außenumgebung (18) der elektrischen Heizeinrichtung (14; 114) bildet.
Elektrische Heizeinrichtung (14; 114) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide ein PTC-Element (34, 36, 38, 40, 42, 44; 134) kontaktierenden elektrischen Leiter (24, 26, 28, 29; 124, 126) als flächige Leiterbauteile ausgebildet sind und je einen Wärmeleitkörper bilden.
Elektrische Heizeinrichtung (14; 114) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Elemente (34, 36, 38, 40, 42, 44; 134) aus PTC-Keramik oder/und aus PTC-Kunststoff gebildet sind.
Elektrische Heizeinrichtung (14; 114) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von PTC-Elementen (34, 36, 38; 134) parallel zwischen denselben zwei elektrischen Leitern (24, 26; 124, 126) angeordnet sind.
Elektrische Heizeinrichtung (14; 114) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von PTC-Elementen (40, 42, 44) in Reihe zwischen jeweils unterschiedlichen elektrischen Leiterpaaren (24, 26, 28, 29) angeordnet sind.
Elektrische Heizeinrichtung (14; 114) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei elektrische Leiter (24, 26, 28, 29; 124, 126) unterschiedliche Gestalt aufweisen.
Elektrische Heizeinrichtung (14; 114) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Elemente (34, 36, 38, 40, 42, 44; 134) dicker sind als die elektrischen Leiter (24, 26, 28, 29; 124, 126), die sie verbinden.
Elektrische Heizeinrichtung (14; 114) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein PTC-Element (34, 36, 38, 40, 42, 44; 134) mit einem elektrischen Leiter (24, 26, 28, 29; 124, 126) durch Kleben mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff oder/und durch Löten, insbesondere Hartlöten, oder/und durch Verwendung von gesonderten Verbindungsmitteln, wie etwa Niete oder/und Schrauben, insbesondere Verbindungsmitteln aus Kunststoff, verbunden ist.
Elektrische Heizeinrichtung (14; 114) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf wenigstens einer Seite mit einer Folie bedeckt oder mit Kunststoff überspritzt ist oder/und dass sie beiderseits mit einer Folie bedeckt oder mit Kunststoff überspritzt ist oder/und dass sie mit einer Seite auf einem Substrat (22), insbesondere starren Substrat (22), aufgenommen ist.
Tank (10), insbesondere Kfz-Betriebsflüssigkeitstank, bevorzugt Tank (10) zur Speicherung von wässriger Harnstofflösung, mit einer elektrischen Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizvorrichtung (14; 114), bevorzugt unter Bildung eines Spaltraumes zwischen sich und einer Tankinnenwandoberfläche, derart im Tankinnenraum (18) angeordnet ist, dass sich eine Wärmeübertragungsfläche der Heizvorrichtung (14; 114) mit Abstand von der Tankinnenwandoberfläche befindet.