DE102016208267A1

DE102016208267A1 - Heizmodul und Verfahren zum Herstellen eines Heizmoduls

Info

Publication number: DE102016208267A1
Application number: DE102016208267.1A
Authority: DE
Inventors: Joerg Bettenhausen; Ruben Schreiber; Reiner Luetzeler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2017-11-16

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Heizmoduls (2), insbesondere eines Heizmoduls (2), das zum Beheizen eines Reduktionsmittels in einem Abgasnachbehandlungssystem ausgebildet ist, umfasst die Schritte: (A) Anordnen wenigstens einer Heizwendel (4) zwischen einer ersten Schicht (6) eines elastischen wärmeleitenden Materials und einer zweiten Schicht (8) eines elastischen wärmeleitenden Materials; (B) Schaffen einer verpressten Struktur (15) durch Verpressen der beiden Schichten (6, 8), ohne die beiden Schichten (6, 8) dabei miteinander zu vernetzen; (C) Schaffen einer Schichtstruktur (17) durch Anbringen von jeweils einer Metallplatte (10, 12) auf beiden Seiten der verpressten Struktur; und (D) Umspritzen der Schichtstruktur (17) mit einem erhitzen themoplastischen Material (14), wobei das themoplastische Material (14) eine Temperatur hat, die ausreichend ist, um ein Vernetzen der beiden Schichten (6, 8) zu bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizmodul und Verfahren zum Herstellen eines Heizmoduls, insbesondere eines Heizmoduls, das zum Beheizen eines Reduktionsmittels in einem Abgasnachbehandlungssystem ausgebildet ist.
Stand der Technik
Zum Entsticken der Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, hat sich die sogenannte SCR-Technik („selective catalytic reduction“) mit einem harnstoffhaltigen Reduktionsmittel bewährt. Dazu wurden Systeme entwickelt, welche die Einhaltung der geforderten Abgasgrenzwerte mit Hilfe definierter Zugabe einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue“^®) in den Abgasstrang ermöglichen. Diese Systeme umfassen im Wesentlichen einen Tank für die Harnstofflösung, ein Fördermodul mit einer Filter- und Pumpeneinheit, ein am Abgasstrang montiertes Dosiermodul und ein elektronisches Steuergerät.
Da die wässrige Harnstofflösung einen relativ hohen Gefrierpunkt hat, der durch Zusatz von Frostschutzmitteln nicht beliebig abgesenkt werden kann, ohne die Funktionsfähigkeit als Reduktionsmittel zu beeinträchtigen, ist es notwendig, den Reduktionsmittelvorrat bei niedrigen Außentemperaturen zu beheizen, um ein Einfrieren des Reduktionsmittels zu verhindern.
Dafür werden üblicherweise elektrische Heizungen eingesetzt. Um das eigentliche Heizelement vor dem Reduktionsmittel zu schützen, sind diese häufig mit einem Kunststoff ummantelt.
Bei bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von Heizelementen für Reduktionsmittelheizungen wird eine Heizwendel, die im Kontakt mit einem Aluminiumkörper steht, mit einem reduktionsmittelresistenten Kunststoff (z.B. HDPE) umspritzt. Für eine effiziente Wärmeübertragung von der Heizwendel an den Aluminiumkörper ist ein direkter Kontakt ohne Luftspalte erforderlich. Um einen solchen guten Kontakt zu gewährleisten, wird eine wärmleitende Gummifolie zwischen den Aluminiumkörper und die Heizwendel eingesetzt. Die Gummifolie dient dazu, Unebenheiten auszugleichen und das Auftreten von Luftspalten zu vermeiden. Durch den Zusatz von wärmeleitenden Füllstoffen kann eine gute Wärmeleitfähigkeit der Gummifolie gewährleistet werden.
Die Handhabung der wärmleitenden Gummifolie ist nicht einfach und hat einen aufwendigen Herstellungs- und Montageprozess zur Folge.
Es ist daher die Aufgaben der Erfindung, die Herstellung eines Heizmoduls, das eine effiziente Wärmeübertragung ermöglicht, zu vereinfachen.
Offenbarung der Erfindung
Ein Verfahren zum Herstellen eines Heizmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, insbesondere eines Heizmoduls, das zum Beheizen eines Reduktionsmittels in einem Abgasnachbehandlungssystem ausgebildet ist, umfasst die Schritte:

(A) Anordnen wenigstens einer Heizwendel zwischen einer ersten Schicht eines elastischen wärmeleitenden Materials und einer zweiten Schicht eines elastischen wärmeleitenden Materials;
(B) Schaffen einer verpressten Struktur durch Verpressen der beiden Schichten elastischen wärmeleitenden Materials, ohne die beiden Schichten dabei miteinander zu vernetzen;
(C) Schaffen einer Schichtstruktur durch Anbringen von jeweils einer Metallplatte auf beiden Seiten der verpressten Struktur; und
(D) Umspritzen der Schichtstruktur mit einem themoplastischen Material, wobei das themoplastische Material eine Temperatur hat, die ausreichend hoch ist, um eine Vernetzung der beiden Schichten des elastischen wärmeleitenden Materials zu bewirken.

Ein Heizmodul gemäß einen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das insbesondere zum Beheizen eines Reduktionsmittels in einem Abgasnachbehandlungssystem ausgebildet ist, umfasst wenigstens eine Heizwendel, die zwischen einer ersten Schicht eines elastischen wärmeleitenden Materials und einer zweiten Schicht eines elastischen wärmeleitenden Materials angeordnet ist. Die Heizwendel ist dabei sowohl mit der ersten Schicht als auch mit der zweiten Schicht formschlüssig verbunden. Ein erfindungsgemäßes Heizmodul ist insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es zuvor beschrieben worden ist, hergestellt worden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht es, in einem Prozess, der einfach und kostengünstig durchgeführt werden kann, ein Heizmodul herzustellen, das die gewünschten mechanischen Eigenschaften, insbesondere die gewünschte Steifigkeit, aufweist und gleichzeitig eine effektive Wärmeübertragung von der Heizwendel an die Umgebung, insbesondere flüssiges Reduktionsmittel eines Abgasnachbehandlungssystems ermöglicht.
In einer Ausführungsform enthalten die erste Schicht und die zweite Schicht jeweils ein gummi- bzw. kautschukhaltiges Material. Die mechanischen und wärmeleitenden Eigenschaften eines gummi- bzw. kautschukhaltigen Materials sind für den Einsatz in einem Heizmodul gut geeignet.
Die erste Schicht und die zweite Schicht können insbesondere das gleiche Material enthalten bzw. aus dem gleichen Material gemacht sein. Dies ermöglicht es, die Produktionskosten des Heizmoduls zu reduzieren, da nur ein einziges Material beschafft und verarbeitet werden muss.
In einer Ausführungsform hat das themoplastische Material im Schritt (D) eine Temperatur in einem Bereich von 250 °C bis 300 °C. Ein derartiger Temperaturbereich hat sich als gut geeignet erwiesen, um die erste Schicht und die zweite Schicht miteinander zu vernetzen und so eine formschlüssige Struktur mit den gewünschten mechanischen und thermischen Eigenschaften zu schaffen.
In einer Ausführungsform werden die Schritte (A) und (B) in einem Presswerkzeug, insbesondere einem Kaltpresswerkzeug durchgeführt. In einer Ausführungsform wird der Schritt (D) in einem Spritzgusswerkzeug durchgeführt.
In einer Ausführungsform weist das Heizmodul zusätzlich eine erste Metallplatte und eine zweite Metallplatte auf. Die erste Metallplatte ist auf der von der wenigstens einen Heizwendel abgewandten Seite der ersten Schicht und die zweite Metallplatte ist auf der von der wenigstens einen Heizwendel abgewandten Seite der zweiten Schicht angeordnet. Die Metallplatten verleihen dem Heizmodul die gewünschte mechanische Stabilität und haben eine gute thermische Leitfähigkeit, wodurch eine gute Wärmeübertragung von der Heizwendel an die Umgebung des Heizmoduls ermöglicht wird.
In einer Ausführungsform ist die aus den Metallplatten, der ersten Schicht, der zweiten Schicht sowie der Heizwendel aufgebaute Schichtstruktur von einem thermoplastischen Material umgeben, die das Heizmodul fluiddicht abdichtet. Ein solches Heizmodul kann daher in fluidhaltigen Umgebungen, insbesondere einem Fluidtank, eingesetzt werden, ohne dass eine zusätzliche Abdichtung notwendig ist.
In einer Ausführungsform enthalten die Metallplatten Aluminium. Aluminium weist mechanische und wärmeleitende Eigenschaften auf, die für den Einsatz in einem Heizmodul vorteilhaft sind.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Kaltpresswerkzeugs, wie es in einem Verfahren zur Herstellung eines Heizmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Einsatz kommen kann.
2 zeigt eine schematische Querschnittansicht einer verpressten Struktur, wie sie in einem Verfahren zur Herstellung eines Heizmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt und verwendet wird.
3 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Spritzgusswerkzeugs, mit einem darin angeordneten Heizmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figurenbeschreibung
Die 1 bis 3 veranschaulichen schematisch ein Verfahren zum Herstellen eines Heizmoduls 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Kaltpresswerkzeugs 16 mit einer im unteren Bereich der 1 dargestellten Pressform 16a, die einen U-förmigen Querschnitt hat, und mit einem darüber beweglich angeordneten Pressstempel 16b. Der Pressstempel 16b kann insbesondere in Richtung auf die Pressform 16a bewegt werden.
In der Pressform 16a sind von unten nach oben eine erste Schicht 6 eines elastischen wärmeleitenden Materials, wenigstens eine Heizwendel 4 und eine zweite Schicht 8 eines elastischen wärmeleitenden Materials angeordnet.
Durch Absenken des Pressstempels 16b in die Pressform 16a werden die beiden Schichten 6, 8 und die Heizwendel 4 miteinander verpresst. Das Verpressen wird derart, d.h. insbesondere bei einer Temperatur und mit einem Druck, durchgeführt, dass die beiden Schichten 6, 8 nicht miteinander vernetzt / vulkanisiert werden.
Die erste und die zweite Schicht 6, 8 enthalten vorzugsweise ein gummibeziehungsweise kautschukhaltiges Material. Die erste und die zweite Schicht 6, 8 können aus verschiedenen Materialien oder aus dem gleichen Material gemacht sein.
Die 2 zeigt in einer schematischen Querschnittansicht die auf die beschriebene Weise geschaffene verpresste Struktur 15, die zwischen zwei Metallplatten 10, 12, insbesondere zwischen zwei Aluminiumplatten, angeordnet ist.
Die Metallplatten 10, 12 haben einen U-förmigen Querschnitt, wodurch zwischen den Metallplatten 10, 12 eine hohler Raum geschaffen wird. Die verpresste Struktur 15 ist so in dem hohlen Raum angeordnet, dass die verpresste Struktur 15 vollständig von den beiden Metallplatten 10, 12 umschlossen ist. Die verpresste Struktur 15 und die beiden Metallplatten 10, 12 bilden zusammen eine Schichtstruktur 17.
3 zeigt in einer schematischen Querschnittansicht, wie die Schichtstruktur 17, welche die verpresste Struktur 15 und die beiden Metallplatten 10, 12 umfasst, in ein schematisch dargestelltes Spritzgusswerkzeug 18 eingebracht ist. In dem Spritzgusswerkzeug 18 wird die Schichtstruktur 17 mit einem geeigneten thermoplastischen Material 14 umspritzt.
Das thermoplastische Material 14 wird dabei auf eine Temperatur erhitzt, die ausreichend ist, um ein Vernetzen, beziehungsweise Vulkanisieren, der ersten Schicht 6 des elastischen wärmeleitenden Materials und der zweiten Schicht 8 des elastischen wärmeleitenden Materials zu bewirken.
Das thermoplastische Material kann dazu insbesondere auf Temperaturen im Bereich von 250 °C bis 300 °C erhitzt werden.
Auf diese Weise wird ein formschlüssiger Verbund zwischen der wenigstens einen Heizwendel 4, den beiden Schichten 6, 8 aus elastischem, wärmeleitendem Material und den beiden Metallplatten 10, 12 geschaffen.
Der auf diese Weise geschaffene formschlüssige Verbund weist Eigenschaften, insbesondere eine hohe Formstabilität, auf, die für die Verwendung des Heizmoduls, insbesondere zum Beheizen des Reduktionsmittels in einem Abgasnachbehandlungssystem, vorteilhaft sind.
Das beschriebene Verfahren kann schneller und einfacher als herkömmliche Verfahren zur Herstellung entsprechender Heizmodule durchgeführt werden, so dass Produktions- und Kostenvorteile realisiert werden können.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Heizmoduls (2), insbesondere eines Heizmoduls (2), das zum Beheizen eines Reduktionsmittels in einem Abgasnachbehandlungssystem ausgebildet ist, wobei das Verfahren umfasst: (A) Anordnen wenigstens einer Heizwendel (4) zwischen einer ersten Schicht (6) eines elastischen wärmeleitenden Materials und einer zweiten Schicht (8) eines elastischen wärmeleitenden Materials; (B) Schaffen einer verpressten Struktur (15) durch Verpressen der beiden Schichten (6, 8), ohne die beiden Schichten (6, 8) dabei miteinander zu vernetzen; (C) Schaffen einer Schichtstruktur (17) durch Anbringen von jeweils einer Metallplatte (10, 12) auf beiden Seiten der verpressten Struktur (15); (D) Umspritzen der Schichtstruktur (17) mit einem erhitzen themoplastischen Material (14), wobei das themoplastische Material (14) eine Temperatur hat, die ausreichend ist, um ein Vernetzen der beiden Schichten (6, 8) zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht (6) und die zweite Schicht (6) jeweils ein gummi- und/oder kautschukhaltiges Material enthalten, wobei die erste Schicht (6) und die zweite Schicht (6) insbesondere das gleiche Material enthalten.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das themoplastische Material im Schritt (D) eine Temperatur zwischen 250 °C und 300 °C hat.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schritte (A) und (B) in einem Presswerkzeug (16) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Schritt (D) in einem Spritzgusswerkzeug (18) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Metallplatten (10, 12) Aluminium enthalten.
Heizmodul (2), insbesondere zum Beheizen eines Reduktionsmittels in einem Abgasnachbehandlungssystem, wobei das Heizmodul (2) wenigstens eine Heizwendel (4) umfasst, die zwischen einer ersten Schicht (6) eines elastischen wärmeleitenden Materials und einer zweiten Schicht (8) eines elastischen wärmeleitenden Materials angeordnet ist, wobei die Heizwendel (4) formschlüssig mit der ersten Schicht (6) und mit der zweiten Schicht (8) verbunden ist.
Heizmodul (2) nach Anspruch 7, das zusätzlich eine erste Metallplatte (10) und eine zweite Metallplatte (12) aufweist, wobei die erste Metallplatte (10) auf der von der wenigstens einen Heizwendel (4) abgewandten Seite der ersten Schicht (6) und die zweite Metallplatte (12) auf der von der wenigstens einen Heizwendel (4) abgewandten Seite der zweiten Schicht (8) angeordnet ist.
Heizmodul (2) nach Anspruch 8, wobei die aus den Metallplatten (10, 12), der ersten Schicht (6) und der zweiten Schicht (8) sowie der Heizwendel (4) aufgebaute Schichtstruktur (17) von einem thermoplastischen Material (14) umgeben ist.
Heizmodul (2) nach Anspruch 9, das einem einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt worden ist.