DE102018104602A1

DE102018104602A1 - Heating system and method for its production

Info

Publication number: DE102018104602A1
Application number: DE102018104602.2A
Authority: DE
Inventors: Marcel Bold; Kristina Wilsch; Andreas Hubert
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-08-29
Also published as: DE102018104602A8

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizsystem (1) für einen Antriebsstrang oder einen Bestandteil davon sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Um einer Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, die in ein bestehendes System preiswert integrierbar ist, wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Heizelement (6) zum elektrischen Beheizen eines Antriebsstrangs oder eines Bestandteils davon in einem bereits existierenden Bauteil (2) zur thermischen und/oder akustischen Abschirmung (3) kombiniert vorgesehen ist, wobei das Heizelement (6) zwischen zwei Schichten als Isolierlagen (4, 5) der Abschirmung (3) elektrisch und thermisch isoliert angeordnet ist.

The present invention relates to a heating system (1) for a drive train or a component thereof and to a method for the production thereof. In order to provide a device of the type mentioned, which is inexpensive to integrate into an existing system, it is proposed that at least one heating element (6) for electrically heating a drive train or a component thereof in an already existing component (2) for thermal and / or acoustic shield (3) is provided in combination, wherein the heating element (6) between two layers as insulating layers (4, 5) of the shield (3) is arranged electrically and thermally insulated.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizsystem für einen Antriebsstrang oder einem Bestandteil davon sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The present invention relates to a heating system for a drive train or a component thereof, and a method for its production.

Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze bekannt, wie ein Heizsystem an einem Antriebsstrang beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine oder einem Bestandteil davon vorgesehen werden können. Der technische Hintergrund für die Notwendigkeit eines Beheizens einer Verbrennungskraftmaschine oder mindestens eines Bestandteils davon liegt darin begründet, dass insbesondere bei einem Kaltstart auch unter günstigen Umgebungsbedingungen von z.B. +20 °C erst bestimmte Betriebstemperaturen in den genannten Komponenten erreicht werden müssen, um einen zuverlässigen Betrieb gewährleisten zu können. Das gilt insbesondere für den Bereich der Abgasnachbehandlung, in dem Katalysatoren erst auf eine bauartspezifische Betriebstemperatur gebracht werden müssen, bevor eine ausreichende Reduzierung von Schadstoffen durch die Abgasnachbehandlung erreichbar ist. Um dieses Zeitfenster so klein wie möglich zu halten, ist ein aktives, elektrisches Beheizen von Komponenten innerhalb eines Fahrzeuges bekannt, um bestimmte Bauteile vorzuheizen oder sie schneller auf Betriebstemperatur zu bringen und hierdurch beispielsweise die vorstehend angedeuteten Kaltstartemissionen in Abgasstrang zu reduzieren. Auch wenn in Hybrid- oder Elektrofahrzeuge ein Abgasstrang im herkömmlichen Sinn fehlen kann, so gelten die vorstehenden Forderungen in angepasster Weise auch auf alternative Antriebskonzepte unter Nutzung von Brennstoffzellen und/oder Akkumulatoren als Massenspeicher für elektrische Energie.Various approaches are known from the prior art, such as a heating system can be provided on a drive train, for example, an internal combustion engine or a component thereof. The technical background for the necessity of heating an internal combustion engine or at least one component thereof is that, in particular during a cold start, even under favorable environmental conditions of e.g. +20 ° C only certain operating temperatures in the above components must be achieved in order to ensure reliable operation can. This applies in particular to the field of exhaust aftertreatment, in which catalysts must first be brought to a design-specific operating temperature before a sufficient reduction of pollutants can be achieved by the exhaust aftertreatment. In order to minimize this time window, active electrical heating of components within a vehicle is known to preheat certain components or bring them to operating temperature faster, thereby reducing, for example, the above-indicated cold start emissions in the exhaust line. Even if an exhaust system in hybrid or electric vehicles can be absent in the conventional sense, the above requirements also apply in an adapted manner to alternative drive concepts using fuel cells and / or accumulators as mass storage devices for electrical energy.

Es gibt neben dem Einsatz von zusätzlich in einem Katalysator zum schnellen Aufheizung verbrannten Kraftstoffs unterschiedlichste Arten von Heizsystemen, welche i.d.R. als ohmsche Widerstandsheizungen angewendet werden. Aus anderen Bereichen der Technik ist die Verwendung z.B. von Heizmatten oder Heizmanschetten bekannt.In addition to the use of additionally combusted fuel in a catalyst for rapid heating, there are various types of heating systems, which have i.d.R. be used as ohmic resistance heaters. From other fields of technology, the use is e.g. known by heating mats or heating jackets.

Zum Beheizen diverser Elemente im Fahrzeug gibt es aktuell je nach Anwendung unterschiedliche Lösungen. So offenbart die EP 783 621 B1 einen elektrisch beheizbaren Wabenkörper als Bestandteil eines Katalysators. Auch die WO 2015/040396 A1 offenbart eine elektrisch beheizbare Wabenstruktur als Bestandteil eines Katalysators, der nachgeschaltet einen weiteren Wabenkörper mit anderer Zusammensetzung aufweist. In ähnlicher Weise sieht auch die US 2002/0092298 A1 einen als Wabenstruktur ausgebildeten Heizleiter elektrisch isoliert über einem stromabwärts folgenden eigentlichen Katalysator vor.For heating various elements in the vehicle, there are currently different solutions depending on the application. So revealed the EP 783 621 B1 an electrically heatable honeycomb body as part of a catalyst. Also the WO 2015/040396 A1 discloses an electrically heatable honeycomb structure as part of a catalyst downstream of which has a further honeycomb body with a different composition. In a similar way sees the US 2002/0092298 A1 a heat conductor formed as a honeycomb structure electrically isolated over a downstream downstream actual catalyst.

Die DE 10 2015 111 689 B3 offenbart einen elektrisch beheizbaren Katalysator und ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei hier die Erzeugung einer bestimmten Wärmeverteilung durch eine entsprechende Ausgestaltung der Heizung in Form eines komplett in eine Isolierung eingebetteten Heizleiters.The DE 10 2015 111 689 B3 discloses an electrically heatable catalyst and a method for its production, wherein here the generation of a specific heat distribution by a corresponding configuration of the heater in the form of a fully embedded in an insulating heating conductor.

Neben den Abgassystemen gibt es auch bei den Batterien eine optimale Betriebstemperatur. Ist die Temperatur zu gering kann die Batterien nicht optimal geladen werden bzw. ist das zu betreibende System bekommt bei zu geringen Betriebstemperaturen nicht genügend Spannung.In addition to the exhaust systems, there is also an optimum operating temperature for the batteries. If the temperature is too low, the batteries can not be optimally charged or the system to be operated does not get enough voltage if the operating temperatures are too low.

Die EP 0 588 004 A1 beschreibt beispielsweise eine elektrische Speicherbatterie, insbesondere für einen Fahrzeugantrieb. Um den optimale Betriebstemperatur von ca. 300 °C zu erreichen ist neben einem Kühlsystem und einer entsprechenden Isolierung auch ein Beheizen der Batterie unter bestimmten Umständen erforderlich.The EP 0 588 004 A1 describes, for example, an electric storage battery, in particular for a vehicle drive. In order to reach the optimum operating temperature of approx. 300 ° C, in addition to a cooling system and corresponding insulation, it is also necessary to heat the battery under certain circumstances.

Die DE 102010032088 A1 beschreibt Verfahren zum Beheizen eines Batteriesystems mit wenigstens zwei Batterien oder Batterieabschnitten, wobei die Beheizung des Batteriesystems durch das abwechselnde Laden und Entladen des Batteriesystems mit einem Wechselstrom erfolgt.The DE 102010032088 A1 describes methods for heating a battery system with at least two batteries or battery sections, wherein the heating of the battery system by the alternating charging and discharging of the battery system is carried out with an alternating current.

Die DE 102009005853 A1 betrifft ein Batteriesystem, das wenigsten ein Peltierelement umfasst, welches der Kühlung und / oder der Erwärmung mindestens einer Batterie dient. Dabei liegen optimale Temperaturen für bekannte Batteriesysteme bei ca. 20° bis 40°C.The DE 102009005853 A1 relates to a battery system comprising at least one Peltier element which serves to cool and / or heat at least one battery. Here are optimal temperatures for known battery systems at about 20 ° to 40 ° C.

Neben den Batteriesystemen ist es auch bei der Brennstoffzellentechnik von Bedeutung, dass je nach Brennstoffzellentyp eine jeweils optimale Betriebstemperatur erreicht wird. Diese Betriebstemperaturen sind je nach Typ über einen weiten Bereich gestreut: für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, kurz PEMFC, werden Betriebstemperaturen von 10° bis 100°C angegeben, wobei für Festoxid-Brennstoffzellen, kurz SOFC, Betriebstemperaturen von 450° bis in einen Hochtemperaturbereich mit ca. 1.000°C angegeben werden. Die DE 19931061 A1 beschreibt eine mögliche Anordnung zum Beheizen oder auch Kühlen einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem.In addition to the battery systems, it is also important in fuel cell technology that, depending on the fuel cell type, an optimum operating temperature is achieved in each case. Depending on the type, these operating temperatures are spread over a wide range: for a polymer electrolyte fuel cell, PEMFC for short, operating temperatures of 10 ° to 100 ° C. are specified, whereby for solid oxide fuel cells, SOFC for short, operating temperatures of 450 ° into a high-temperature range about 1,000 ° C can be specified. The DE 19931061 A1 describes a possible arrangement for heating or cooling a fuel cell and fuel cell system.

Die bisher verfügbaren Lösungen sind nicht ohne größeren zusätzlichen Aufwand in ein bestehendes System einfügbar. Auf Grund dessen sind Wartungen und Reparaturen bei Defekten sehr aufwändig. Des Weiteren wird meist durch die verfügbaren Lösungen zusätzlicher Bauraum benötigt, was Möglichkeiten einer Nachrüstung stark einschränkt. Bisherige Lösungen im Bereich der Abgassysteme sind zudem vergleichsweise teuer.The solutions available so far can not be integrated into an existing system without major additional effort. Due to this, maintenance and repair of defects are very expensive. Furthermore, the available solutions usually require additional space, which severely restricts the possibilities of retrofitting. Previous solutions in the field of exhaust systems are also relatively expensive.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel hier Abhilfe in Form einer Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, die in ein bestehendes System preiswert integrierbar ist. Weiterhin ist es Ziel, ein effizienteres Herstellungsverfahren für ein solches Heizsystem zu schaffen.The present invention has the object to remedy this in the form of a device of the type mentioned, which is inexpensive to integrate into an existing system. Furthermore, it is the aim to provide a more efficient manufacturing method for such a heating system.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 in einem Heizsystem für einen Antriebsstrang oder einen Bestandteil davon dadurch gelöst, dass mindestens ein Heizelement zum elektrischen Beheizen eines Antriebsstrangs, z.B. einer Verbrennungskraftmaschine oder eines Katalysators als eines Bestandteils davon, in einem bereits existierenden Bauteil zur thermischen und/oder akustischen Abschirmung kombiniert vorgesehen ist, wobei das Heizelement zwischen zwei Schichten der Abschirmung elektrisch und thermisch isoliert angeordnet ist.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1 in a heating system for a drive train or a component thereof in that at least one heating element for electrically heating a drive train, e.g. an internal combustion engine or a catalyst as a component thereof, is provided in combination in an already existing component for thermal and / or acoustic shielding, wherein the heating element between two layers of the shield is arranged electrically and thermally isolated.

Damit sieht eine erfindungsgemäße Lösung ein aktives elektrisches Beheizen von vorstehend beispielhaft genannten Komponenten innerhalb eines Fahrzeuges mittels mindestens eines Heizelements vor, wobei eine bekannte Abschirmung zugleich als Träger, wie auch als elektrische Isolierung fungiert. Auch stellt die vorhandene Abschirmung eine thermische Isolation dar, um eine Abgabe der durch das Heizelement erzeugten Wärme insbesondere in eine Umgebung zu mindern und eine zielgerichtete Abgabe auf ein zu erwärmendes Bauteil zu fördern.Thus, a solution according to the invention provides an active electrical heating of components exemplified above within a vehicle by means of at least one heating element, wherein a known shield at the same time acts as a carrier, as well as electrical insulation. Also, the existing shielding provides thermal insulation to reduce leakage of heat generated by the heating element, particularly into an environment, and to promote targeted delivery to a component to be heated.

Auf dem Markt verfügbare Heizleiter sind insbesondere für einen Einsatz im Hochtemperaturbereich entweder mit Glas- oder Silikatfaser umflochten. Weiterhin gibt es auch mineralisolierte Mantelheizleiter, wie sie z.B. von Tauchsiedern her bekannt sind. Neben Heizleitern sind auch Heizmatten bekannt. Bei Heizmatten ist der Heizleiter entweder in ein gießfähiges Material wie Silikon eingebettet, oder es ist ein Heizleiter auf einem Netz oder Gewebe aus Glas- oder Silikatfaser befestigt. Gerade die Heizmatten auf Basis von Silikon haben aber den Nachteil, dass sie nicht bis in Hochtemperaturbereiche mit bis zu 1.000 °C temperaturbeständig sind. Für einen optimalen Wärmeeintrag in ein jeweils gezielt zu beheizende System müssen aber alle vorstehend erwähnten Varianten zudem zusätzlich thermisch isoliert werden, damit nicht zu viel Wärme an die Umgebung verloren geht. Diese thermische Isolation wird in bekannten Vorrichtungen als separate Schicht eingebracht. Um ein Verrutschen der thermischen Isolation z.B. relativ zu einer Heizmatte während der Montage zu verhindern, werden die Heizmatte und die thermische Isolation häufig in eine Art Tasche verpackt. Die Herstellung solcher Anordnungen ist oft zeit- und kostenintensiv. Gerade dieser letztgenannte Punkt ist vorteilhafterweise durch eine erfindungsgemäße Anordnung des mindestens einen Heizelements zwischen zwei Schichten der Abschirmung obsolet, da das mindestens eine Heizelement so zugleich elektrisch, wie auch thermisch isoliert angeordnet ist. Zudem ist eine Anordnung zwischen zwei Ebenen gegen ein Verrutschen vergleichsweise wenig anfällig, so dass insbesondere auf eine zusätzliche Tasche etc. verzichtet werden kann.Heat conductors available on the market are braided with either glass or silicate fiber, especially for use in the high temperature range. Furthermore, there are also mineral insulated Mantelheizleiter, as they are e.g. are known from immersion heaters ago. In addition to heating conductors and heating mats are known. For heating mats, the heating element is either embedded in a pourable material such as silicone, or a heat conductor is attached to a mesh or fabric of glass or silicate fiber. But the heating mats based on silicone have the disadvantage that they are not temperature resistant up to high temperature ranges up to 1,000 ° C. For optimal heat input into a system which is to be heated in a targeted manner, however, all of the variants mentioned above must additionally be thermally insulated so that too much heat is not lost to the environment. This thermal insulation is incorporated in known devices as a separate layer. In order to prevent the thermal insulation from slipping, e.g. To prevent relative to a heating mat during assembly, the heating mat and the thermal insulation are often packaged in a kind of bag. The preparation of such arrangements is often time consuming and costly. Especially this latter point is advantageously obsolete by an inventive arrangement of the at least one heating element between two layers of the shield, since the at least one heating element at the same time is arranged electrically as well as thermally insulated. In addition, an arrangement between two levels is comparatively less susceptible to slippage, so that in particular an additional pocket etc. can be dispensed with.

Eine Kombination eines Heizelementes mit einem bereits existierenden Bauteil zur thermischen und/oder akustischen Abschirmung trägt in sich als Vorteile die Tatsache, dass hiermit bereits eine elektrische Isolation sowie zumindest zu einer Umgebung hin auch eine thermische Isolierung vorhanden sind. Das entsprechend erweiterte Abschirmteil umschließt damit in bekannter Weise weiterhin das zu heizende Bauteil, wobei die erforderliche Energie als elektrische Energie von außen eingebracht wird. Als Spannungsquelle wird vorzugsweise das Bordnetz herangezogen und hier im Besonderen die gesteigerte Versorgungsspannung, z.B. ein geplantes 48 V Bordnetz, welches in zukünftigen Fahrzeugen als Standard verfügbar sein wird. Damit ist ein zusätzlicher Aufbau bei Herstellung, Einbau und Ersatz minimiert.A combination of a heating element with an already existing component for thermal and / or acoustic shielding has the advantage that the fact that this already an electrical insulation and at least to an environment also thermal insulation are available. The correspondingly extended shielding part thus encloses in a known manner further to be heated component, the required energy is introduced as electrical energy from the outside. The on-board network is preferably used as the voltage source, and here in particular the increased supply voltage, e.g. a planned 48 V electrical system, which will be available as standard in future vehicles. This minimizes additional construction during manufacture, installation and replacement.

Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Ansätzen zum Aufbau einer elektrischen Heizung sind als Vorteile einer erfindungsgemäßen Lösung u.a. mögliche Gewichtseinsparungen gegenüber bekannten und in Bauteilen eines Antriebsstrangs integrierten Heizsystemen, Kosteneinsparungen durch Verzicht einer eigenen elektrischen und auch thermischen Isolation für das mindestens eine Heizelement, sowie die einfache Nachrüstbarkeit in ein bestehendes System bei ausreichend guter Zugänglichkeit zu nennen.Opposite known from the prior art approaches to build an electric heater are u.a. as advantages of a solution according to the invention. possible weight savings compared to known and integrated in components of a drive train heating systems, cost savings by dispensing with their own electrical and thermal insulation for the at least one heating element, as well as easy retrofitting into an existing system with sufficiently good accessibility.

Als Lösung der genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung und Formgebung eines Heizelements vorgeschlagen, bei dem eine Fertigung in Anlehnung an die durch die Anmelderin in der DE 10 2015 121 397 A1 offenbarten Lehre erfolgt, indem das mindestens eine Heizelement zwischen zwei Isolierlagen gelegt, vorläufig in seiner Lage fixiert und während eines 3-D Formgebungsprozesses und eines Thermoformprozesses mit den Isolierlagen verbunden wird. Diese vorläufige Lagefixierung des Heizelements kann dabei im einfachsten Fall durch die Anordnung zwischen den beiden Isolierlagen erfolgen.As a solution to the above problem, a method for producing and shaping a heating element is proposed, in which a production based on the by the applicant in the DE 10 2015 121 397 A1 The disclosed teaching is carried out by placing the at least one heating element between two insulating layers, provisionally fixed in position and connected to the insulating layers during a 3-D shaping process and a thermoforming process. This provisional fixing the position of the heating element can be done in the simplest case by the arrangement between the two insulating layers.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Demnach ist das mindestens eine Heizelement als Widerstandsdraht oder als Flächenelement ausgebildet. Das mindestens eine Heizelement ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Flächenelement ausgebildet, das von elektrischem Strom durchflossen wird. Bei dieser Alternative zur Verwendung von Drähten sind diskrete Leitbahnen für den Stromfluss durch isolierende Einschnitte in das Flächenelement erzeugt. Das Flächenelement kann alternativ als Leitpaste entsprechend gedruckt oder bei Verwendung einer vorzugsweise metallischen Folie entsprechend Ausnehmungen gestanzt oder durch Lasern geschnitten sein. Damit kann auch eine Netzstruktur und/oder eine Anordnung nach Art eines Streckmetalls gebildet werden, die auch nach einer dreidimensionalen Verformung möglichst homogen vom elektrischen Strom durchflossen wird.Advantageous developments are the subject of the respective subclaims. Accordingly, the at least one heating element is designed as a resistance wire or as a surface element. The at least one heating element is in a preferred Embodiment of the invention formed as a surface element, which is traversed by electric current. In this alternative to the use of wires, discrete tracks are created for the flow of current through insulating cuts in the sheet. Alternatively, the surface element may be printed correspondingly as a conductive paste or, if a preferably metallic foil is used, be punched corresponding to recesses or cut by laser. Thus, a network structure and / or an arrangement in the manner of an expanded metal can be formed, which is traversed as homogeneously as possible even after a three-dimensional deformation of the electric current.

In Form eines Widerstandsdrahtes ist das Heizelement vorzugsweise meanderförmig oder ringförmig zwischen die beiden Isolierlagen angeordnet. Über die vorstehend genannten Ausführungsformen hinweg wird angestrebt, einen möglichst gleichmäßigen Wärmeeintrag in das zu beheizende System ohne punktuelle Überhitzung gewährleisten zu können.In the form of a resistance wire, the heating element is preferably arranged in a meandering or annular manner between the two insulating layers. Through the aforementioned embodiments, the aim is to be able to ensure the most uniform possible heat input into the system to be heated without punctual overheating.

Vorzugsweise ist eine in einer Einbaulage dem zu erwärmenden Bauteil abgewandt angeordnete und dementsprechend nicht zu beheizende Seite des Heizsystems als Oberfläche eines 3D-Formkörpers durch ein sehr gut thermisch und auch elektrisch isolierenden Material gebildet. Vorzugsweise zeichnet sich alternativ oder zusätzlich die thermische Isolation durch eine vergleichsweise große Schichtdicke dieser Isolierlage aus.Preferably, in a mounting position facing away from the component to be heated and therefore not heated side of the heating system is formed as a surface of a 3D molded body by a very good thermal and electrically insulating material. Preferably, alternatively or additionally, the thermal insulation is characterized by a comparatively large layer thickness of this insulating layer.

Die Seite, die in einer Einbaulage dem zu beheizenden Bauteil zugewandt ist, ist aus einem schlechter thermisch isolierenden Werkstoff gebildet und weist alternativ oder zusätzlich eine geringere Schichtdicke auf. Eine Grenze dieser Schichtdicke bildet z.B. eine geforderte mindeste elektrische Isolation.The side facing the component to be heated in an installed position is formed from a less thermally insulating material and, alternatively or additionally, has a smaller layer thickness. A limit of this layer thickness is e.g. a required minimum electrical insulation.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind auch die Materialdicken einer jeweiligen inneren und äußeren Lage einem jeweiligen Anwendungsfall variabel angepasst und können insbesondere auch in bestimmten Zonen und Bereichen des thermischen und/oder akustischen Abschirmteils dort vorgegebenen Anforderungen entsprechend variieren. Dabei sind neben unterschiedlichen Materialdicken der Lagen auch unterschiedliche Materialkombinationen der Schichten unter Verwendung z.B. von Silikatvlies und/oder verstärktem Glimmerpapier realisierbar, welche durch eine Suspension im Zuge einer 3-D Formgebung verbunden werden.In one embodiment of the invention, the material thicknesses of a respective inner and outer layer are variably adapted to a particular application and can in particular also vary certain requirements in certain zones and regions of the thermal and / or acoustic shielding part. Besides different material thicknesses of the layers, different material combinations of the layers using e.g. of silicate nonwoven and / or reinforced mica paper realized, which are connected by a suspension in the course of a 3-D shaping.

Vorteilhafterweise ist mindestens eine Leitbahn oder Zuleitung für eine definierte Stromführung zu dem mindestens einen Heizelement in das Verbundmaterial so eingearbeitet, dass ein Mittel zum elektrischen Anschluss, z.B. in Form eines Steckers oder einer sonstigen Schnittstelle, außerhalb einer 3D-Form des fertigen Fortteils angeordnet ist. Eine Anschlussmöglichkeit des Heizelements ist dadurch auch unter Berücksichtigung einer 3D-Form des fertigen Fortteils gewährleistet.Advantageously, at least one conductor track or feed line for a defined current flow to the at least one heating element is incorporated into the composite material such that a means for electrical connection, e.g. is arranged in the form of a plug or other interface, outside a 3D shape of the finished Fortteils. A connection possibility of the heating element is thereby ensured, taking into account a 3D shape of the finished Fortteils.

Vorzugsweise ist das mindestens eine Heizelement an der thermischen und/oder akustischen Abschirmung so angeordnet ist, dass es in einer Einbaulage dem zu erwärmenden Bauteil zugewandt angeordnet ist. Damit wird auch ein Abstand zur Verringerung von thermischen Streuverlusten minimierbar.Preferably, the at least one heating element is arranged on the thermal and / or acoustic shield so that it is arranged facing the component to be heated in an installed position. This also minimizes a distance to reduce thermal leakage.

Vorzugsweise ist das Heizsystem als Matte oder Netz flexibel und/oder verformbar ausgebildet, wobei für die unterschiedlichsten Temperaturbereiche angepasst Materialien zum Aufbau der heizenden Struktur vorgesehen sind. Dabei wird insbesondere darauf geachtet, dass in den verwendeten Materialien selber keine Ströme ableitbar sind.Preferably, the heating system is designed to be flexible and / or deformable as a mat or net, wherein materials adapted for the most varied temperature ranges are provided for the construction of the heating structure. Particular care is taken to ensure that no currents can be derived in the materials used.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Heizelement durch eine metallische Folie als Reflexionsschicht auf einer dem zu beheizenden Bauteil abgewandten Seite abgeschirmt. Diese Abschirmung wirkt dabei insbesondere gegen eine Wärmestrahlung sowie eine elektromagnetische Abstrahlung des mindestens einen Heizelements in den umgebenden Raum hinein.In a preferred embodiment of the invention, the at least one heating element is shielded by a metallic foil as a reflection layer on a side facing away from the component to be heated. This shield acts in particular against heat radiation and electromagnetic radiation of the at least one heating element into the surrounding space.

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

1: eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform mit Integration eines elektrischen Heizsystems in einem Abschirmteil für eine Direktisolierung und
2: eine Ausführungsform mit Integration eines Heizsystems in ein mehrlagiges Abschirmteil mit physikalisch unterschiedlichen Schichten sowie einer metallischen Folie als Reflexionsschicht auf einer dem zu beheizenden Bauteil abgewandten Seite in einer Ansicht analog 1.

Further features and advantages of embodiments according to the invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments with reference to the drawing. Therein show in a schematic representation:

1 a perspective view of an embodiment with integration of an electric heating system in a shielding member for a direct insulation and
2 an embodiment with integration of a heating system in a multi-layer shielding with physically different layers and a metallic foil as a reflection layer on a side facing away from the component to be heated in a similar view 1 ,

Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.Throughout the various illustrations, the same reference numerals are always used for the same elements.

Eine erfindungsgemäße Erweiterung eines Abschirmteils mit der Zusatzfunktionalität der elektrischen Beheizbarkeit durch ein Heizsystem ist grundsätzlich nicht auf eine spezielle Anwendung begrenzt. Die Integration dieser Art einer Heizung in das Abschirmteil kann in unterschiedlichster Form vorgenommen werden. Beispielsweise kann sie in ein Abschirmteil, welches zur Direktisolierung eingesetzt wird, integriert werden. Hierdurch kann beispielsweise eine auf dem Einsatz eines Katalysators basierende Abgasreinigung früher wirken und dementsprechend sowohl bei Otto- als auch Dieselmotoren die Emissionen als auch der Kraftstoffverbrauch und damit auch die CO₂ Emission z.B. eines Kraftfahrzeugs reduziert werden. Des Weiteren ist aber auch denkbar das Heizsystem in ein mehrlagiges Abschirmteil zu integrieren. Ohne dass darauf hier im Detail mit Abbildungen weiter eingegangen wird muss darauf hingewiesen werden, dass eine derartige Beheizbarkeit auch in Antriebssträngen unter Verwendung von Brennstoffzellen oder Akkumulatoren Abschirmteile in unterschiedlichen Temperaturbereichen eingesetzt sind, die nun durch die Kombination mit einem Heizsystem eine besondere Zusatzfunktionalität erhalten.An extension according to the invention of a shielding part with the additional functionality of the electrical heatability by a heating system is basically not limited to a specific application. The integration of this type of heating in the shielding can be made in various forms. For example, it can be used in a shielding part, which is used for direct insulation will be integrated. As a result, for example, based on the use of a catalyst exhaust gas cleaning act earlier and accordingly both in gasoline and diesel engines emissions and fuel consumption and thus the CO ₂ emission, for example, a motor vehicle can be reduced. Furthermore, however, it is also conceivable to integrate the heating system in a multi-layer shielding part. Without this being discussed in detail here with illustrations, it must be pointed out that such heatability is also used in drive trains using fuel cells or accumulators, shielding parts in different temperature ranges, which now receive a special additional functionality through the combination with a heating system.

Das Heizsystem kann nicht nur für unterschiedliche Temperaturbereiche vorgesehen sein, sondern auch in unterschiedlichster Form ausgeführt und weitgehend beliebig dreidimensional verformt werden. Daher werden nachfolgend nur zwei grundsätzlich unterschiedliche Aufbauformen als Anordnungen für die Integration eines Heizsystems in ein Abschirmteil in stark vergrößerten Ausschnitten dargestellt und beschrieben, ohne auch auf die Bauform des eigentlichen Hitzeschildes oder die Art des zu erwärmenden Antriebsstrangs oder eines Bestandteils davon weiter einzugehen.The heating system can not only be provided for different temperature ranges, but also executed in various forms and largely arbitrarily deformed three-dimensionally. Therefore, only two fundamentally different configurations are shown and described below as arrangements for the integration of a heating system in a shielding in greatly enlarged sections, without going into the design of the actual heat shield or the type of powertrain to be heated or a component thereof.

In der Abbildung von 1 ist exemplarisch als kleinen Ausschnitt eines Formkörpers ein schematischer Aufbau für die mögliche Integration eines neuartigen Heizsystems 1 in ein existierendes Bauteil 2 dargestellt. Das Bauteil 2 ist in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ein thermisch und/oder akustisch wirksames Abschirmteil 3, das hier für eine Direktisolierung einer nicht weiter dargestellten Verbrennungskraftmaschine oder eines Bestandteils abgebildet ist, insbesondere eines Katalysators in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine an einen Krümmer anschließend. Betriebstemperaturen von Katalysatoren liegen i.d.R. im Bereich unterhalb von 900°C bis ca. 1.000°C, so dass ein jeweiliger Temperaturbereich eines Regelbetriebs auch nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine so schnell als möglich erreicht werden soll, um die bestmögliche Funktionalität des Katalysators zu gewährleisten.In the picture of 1 is an example as a small section of a molded body, a schematic structure for the possible integration of a novel heating system 1 into an existing component 2 shown. The component 2 In preferred embodiments of the invention, a thermally and / or acoustically effective shielding part 3 , which is shown here for a direct insulation of an internal combustion engine or a component not shown in detail, in particular a catalyst in an exhaust tract of the internal combustion engine to a manifold. Operating temperatures of catalysts are usually in the range below 900 ° C to about 1000 ° C, so that a respective temperature range of a normal operation should be achieved as quickly as possible even after a cold start of the internal combustion engine to ensure the best possible functionality of the catalyst.

Das thermische Abschirmteil 3 weist zwei Isolierlagen 4, 5 auf, zwischen denen ein Heizelement 6 angeordnet ist. Das Heizelement 6 ist hier als Widerstandsdraht ausgebildet und weist einen meanderförmigen Verlauf in einer Ebene zwischen den Isolierlagen 4, 5 auf. Ferner läuft das Heizelement 6 in Mittel 7 zum elektrischen Anschluss hin aus, die außerhalb des fertigen Bauteils 2 als Formteil mit einer 3D-Form angeordnet sind. Damit ist anhand der Abbildung von 1 ein schematischer Aufbau für eine Integration eines Heizelements 6 in einem mehrlagigen Abschirmteil 3 zur Bildung eines Heizsystems 1 beschrieben.The thermal shielding part 3 has two insulating layers 4 . 5 on, between which a heating element 6 is arranged. The heating element 6 is designed here as a resistance wire and has a meandering course in a plane between the insulating layers 4 . 5 on. Furthermore, the heating element is running 6 in medium 7 to the electrical connection out, the outside of the finished component 2 are arranged as a molded part with a 3D shape. This is based on the figure of 1 a schematic structure for integration of a heating element 6 in a multi-layer shielding part 3 to form a heating system 1 described.

Das Abschirmteil 3 weist dem in einer Einbaulage benachbart angeordnet Bauteil entgegengesetzt bzw. nach außen hin eine metallische Reflexionsschicht 8 auf, die aufgrund ihres hohen Reflexionsgrades gegen Wärmestrahlung und durch eine besondere Oberflächenstruktur auch akustisch aktiv wirksam ist.The shielding part 3 has the component disposed adjacent in an installed position opposite or towards the outside a metallic reflection layer 8th on, which is also acoustically active due to their high reflectance against heat radiation and a special surface structure.

In dem Ausführungsbeispiel von 2 ist ein schematischer Aufbau für die mögliche Integration des Heizsystems 1 in einem mehrlagigen Abschirmteil 3 abgebildet. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel von 1 ist das Ausführungsbeispiel gemäß 2 bei geänderten geometrischen Verhältnissen um eine Lage 8 erweitert. Die flächige Lage 8 ist als metallische Folie oder als dünnes Blech elektrisch und thermisch leitend. Zum wirkt diese Lage 8 als metallische Reflexionsschicht und ist in zeichnerisch nicht weiter dargestellter Weise durch ihre Oberflächenbeschaffenheit als Mittel zur Geräuschdämpfung ausgebildet, beispielsweise durch Riffelungen und/oder Lochungen und viele kleine Schlitze.In the embodiment of 2 is a schematic structure for the possible integration of the heating system 1 in a multi-layer shielding part 3 displayed. Compared to the embodiment of 1 is the embodiment according to 2 with changed geometric conditions by one layer 8th extended. The flat location 8th is electrically and thermally conductive as a metallic foil or as a thin sheet. To work this situation 8th as a metallic reflection layer and is formed in a manner not shown graphically by their surface texture as a means of noise damping, such as by corrugations and / or perforations and many small slits.

Durch diesen Aufbau können weiterhin alle schon heute gebräuchlichen dreidimensionalen Formen von thermischen und/oder akustischen Abschirmteilen mit der zusätzlichen Funktionalität einer elektrisch regelbaren Beheizbarkeit eines angrenzenden Antriebsstrangs oder eines Bestandteils davon hergestellt werden können.As a result of this construction, all three-dimensional forms of thermal and / or acoustic shielding parts already in use today can be produced with the additional functionality of an electrically controllable heatability of an adjacent drive train or a component thereof.

Ein Fertigungsverfahren gemäß der Lehre der DE 10 2015 121 397 A1 sieht nun vor, dass die aus Vliesmaterialien gebildeten Isolierlagen 4, 5 zur Ausbildung einer formstabilen Abschirmung 3 mit einer vorbestimmten 3D-Form mit einer Suspension getränkt und einem Thermoformprozess unterworfen werden. Das Endprodukt ist dann eine Kombination eines akustisch offenen, formstablien Vliesstoffes mit einem darin eingebetteten Heizsystem, das darüber hinaus eine Kombination einer thermischen, akustischen und elektrischen Isolation mit einem elektrischen Heizsystem bildet. Unter Kombination unterschiedlicher Materialien m, M und Materialdicken d, D ist für eine optimale Anpassung des elektrischen Heizsystems an das zu beheizende System gesorgt, wobei das gesamte Heizsystem endgeometrienah herstellbar ist. In dem in 2 dargestellten kleinen Ausschnitt eines im Weiteren dreidimensional verformten Abschirmteils 3 ist vorgesehen, dass die äußere Isolierlage 5 als in einer Einbaulage dem zu erwärmenden Bauteil abgewandt angeordnete und nicht zu beheizende Seite des Heizsystems 1 als Oberfläche des 3D-Formkörpers 2 aus einem sehr gut thermisch und auch elektrisch isolierenden Material M besteht und eine Schichtmächtigkeit bzw. Dicke D aufweist. Hingegen besteht die in einer Einbaulage dem zu erwärmenden Bauteil zugewandt angeordnete Isolierlage 4 aus einem schlechter thermisch isolierenden Werkstoff m und weist zudem auch eine geringere Schichtdicke d auf.A manufacturing method according to the teaching of DE 10 2015 121 397 A1 now provides that the insulating layers formed from nonwoven materials 4 . 5 for the formation of a dimensionally stable shielding 3 impregnated with a predetermined 3D shape with a suspension and subjected to a thermoforming process. The final product is then a combination of an acoustically open, dimensionally stable nonwoven fabric with a heating system embedded therein, which also forms a combination of thermal, acoustic and electrical insulation with an electric heating system. Under combination of different materials m . M and material thicknesses d . D is provided for an optimal adaptation of the electric heating system to the system to be heated, the entire heating system can be produced close to the end geometry. In the in 2 shown small section of a further three-dimensional deformed shielding 3 is provided that the outer insulating layer 5 as in a mounting position facing away from the component to be heated and not heated side of the heating system 1 as the surface of the 3D molded body 2 from a very good thermal and also electrically insulating material M exists and a layer thickness or thickness D having. On the other hand, there is in an installed position facing the component to be heated arranged insulating layer 4 from a bad thermally insulating material m and also has a smaller layer thickness d on.

Im weiteren Verlauf des Bauteils 2 sind Materialdicken d, D der inneren Isolierlage 4 und äußeren Isolierlage 5 sowie Materialkombinationen bzw. deren Wärmeleitfähigkeiten m, M einem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend variabel anpassbar. Damit können in bestimmten Zonen und Bereichen des thermischen und akustisch wirksamen Abschirmteils 3 insbesondere dort vorgegebener Anforderungen entsprechend ausgebildet werden, um damit auch eine mögliche elektrische Erwärmung gezielt einzusetzen. Es ist zu betonen, dass es sowohl die Möglichkeit gibt den Heizdraht zwischen zwei unterschiedliche als auch zwischen zwei gleiche Materialien zu legen. Dies kann sowohl die Dicke, Dichte oder Art der Materialien betreffen. Wichtig ist, dass die dem zu beheizenden Bauteil abgewandte Seite mit besonderen Augenmerk auf die thermische und akustische Eigenschaft ausgewählt wird. Die dem zu beheizenden Bauteil zugewandte Seite soll besonders in Hinblick auf elektrische Isolation ausgewählt werden. Des Weiteren sollte die innere Isolationslage möglichst eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, um die erzeugte Wärme nicht übermäßig vom zu beheizenden Bauteil abzuschirmen. Eine abgewandte Seite sollte hingegen aus einem Material bestehen, das eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.In the further course of the component 2 are material thicknesses d . D the inner insulating layer 4 and outer insulating layer 5 as well as material combinations or their thermal conductivities m . M according to a particular application, variably adaptable. This can be done in certain zones and areas of the thermal and acoustic shielding 3 In particular, there predetermined requirements are formed accordingly, so as to selectively use a possible electrical heating. It should be emphasized that there is the possibility to lay the heating wire between two different materials as well as between two same materials. This can affect both the thickness, density or type of materials. It is important that the side facing away from the component to be heated is selected with particular attention to the thermal and acoustic properties. The side facing the component to be heated should be selected especially with regard to electrical insulation. Furthermore, the inner insulation layer should preferably have a high thermal conductivity so as not to excessively shield the generated heat from the component to be heated. On the other hand, an opposite side should consist of a material which has a particularly low thermal conductivity.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Heizsystemheating system
22: existierendes Bauteilexisting component
33: akustisches und/oder thermisches Abschirmteilacoustic and / or thermal shielding part
44: obere Isolationslage / Innenschichtupper insulation layer / inner layer
55: untere Isolationslage / Außenschichtlower insulation layer / outer layer
66: Heizelementheating element
77: Anschluss-MittelPort means
88th: metallische Reflexionsschicht metallic reflection layer
dd: Dicke der InnenschichtThickness of the inner layer
DD: Dicke der AußenschichtThickness of the outer layer
mm: Material der InnenschichtMaterial of the inner layer
MM: Material der AußenschichtMaterial of the outer layer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 783621 B1 [0004]
WO 2015/040396 A1 [0004]
US 2002/0092298 A1 [0004]
DE 102015111689 B3 [0005]
EP 0588004 A1 [0007]
DE 102010032088 A1 [0008]
DE 102009005853 A1 [0009]
DE 19931061 A1 [0010]
DE 102015121397 A1 [0018, 0037]

Claims

Heating system (1) for a drive train or a component thereof, characterized in that at least one heating element (6) for electrically heating a drive train or a component thereof in an already existing component (2) for thermal and / or acoustic shielding (3) combined is provided, wherein the heating element (6) between two layers as insulating layers (4, 5) of the shield (3) is arranged electrically and thermally insulated.

Heating system (1) according to the preceding claim, characterized in that the at least one heating element (6) is designed as a resistance wire or as a surface element.

Heating system (1) according to the preceding claim, characterized in that for the formation of discrete interconnects for the flow of current insulating incisions and / or recesses are provided in the surface element.

Heating system (1) after Claim 2 , characterized in that a heating element (6) in the form of a resistance wire meander-shaped or annularly between the two insulating layers (4, 5) is arranged.

Heating system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heating system (1) is designed to be flexible and / or three-dimensionally deformable in the manner of a mat, with materials adapted to the most varied temperature ranges being provided.

Heating system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that in an installed position facing away from the component to be heated and not heated side of the heating system (1) as the surface of a 3D molded body of a very good thermal and electrically insulating material (M) exists.

Heating system (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one heating element (6) on the thermal and / or acoustic shielding (3) is arranged so that it faces the component to be heated in an installed position and a Insulating layer (4) to the component to be heated out of a poorer thermally insulating material (m) and / or has a smaller layer thickness (d).

Heating system (1) according to the preceding claim, characterized in that material thicknesses (m, M) of a respective inner insulating layer (4) and outer insulating layer (5) and material combinations are variably adapted to a particular application, in particular in certain zones and areas of the thermal and / or acoustic shielding (3) according to given requirements there.

Heating system (1) according to the preceding claim, characterized in that at least one connection means (7) is provided on a conductor track or supply line for a defined current flow to the at least one heating element (6), which for electrical connection outside a 3D shape of the finished molded part (2) is arranged.

Method for producing and shaping a heating system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heating element (6) is placed between two insulating layers (4, 5), provisionally fixed in position and impregnated with a suspension during a third -D forming process and a thermoforming process with the insulating layers (4, 5) is connected.