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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Heizvorrichtung, insbesondere einer Heizvorrichtung zum Beheizen eines Reduktionsmittels für ein Abgasreduktionssystem, sowie eine solche Heizvorrichtung.
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Um die Stickoxide (NOx) im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, zu reduzieren, wird ein flüssiges Reduktionsmittel in Form einer Harnstoffwasserlösung („AdBlue“®) in den Abgastrakt des Verbrennungsmotors eingespritzt. Harnstoffwasserlösung gefriert bei -11,5 °C. Daher werden Heizvorrichtungen benötigt, die verwendet werden, um ein Einfrieren des Reduktionsmittels auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu verhindern und/oder gefrorenes Reduktionsmittel aufzutauen.
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Derzeit bekannte Heizvorrichtungen umfassen einen metallischen Wärmeleitkörper, z.B. aus Aluminium, mit wenigstens einem Wärme erzeugenden Heizelement, z.B. einem PTC-Element, einer massenseitigen Stromschiene und einer potenzialseitigen, umspritzten Kontaktleiste.
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Um eine dauerhafte thermische Verbindung und eine dauerhafte elektrische Kontaktierung zwischen dem PTC-Element und dem Wärmeleitkörper sicherzustellen, werden das PTC-Element, die vorumspritzte Kontaktleiste und eine Isolierscheibe beispielsweise in einer im Wärmeleitkörper ausgebildeten Tasche verpresst bzw. verstemmt.
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Bereits beim Verpressen können erste Risse an der Isolationsscheibe und/oder am PTC-Element entstehen, die eine Verschlechterung der Heizleistung zur Folge haben. Im Betrieb können weitere Risse auftreten. Im Laufe der Zeit führen die Risse in Verbindung mit nachlassender Spannkraft zu einer unzulässigen Erhöhung des Übergangswiderstandes. Auch kann die Kontaktierung und ausreichende Verpressung von einzelnen PTC-Bruchstücken nicht sichergestellt werden. Dies hat eine erhöhte Korrosionsgefahr an nicht oder schlecht kontaktierten Bruchstücken zur Folge.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2017 209 568 A1 offenbart eine Heizvorrichtung zum Beheizen eines Reduktionsmittels in einem Abgasreduktionssystem, mit einem metallischen Wärmeleitkörper, einem Heizelement und einem Fixierelement, das derart an dem metallischen Körper anbringbar ist, dass das Heizelement zwischen dem Fixierelement und dem metallischen Körper angeordnet und durch das Fixierelement an dem metallischen Körper fixiert ist.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2018 212 606 A1 beschreibt eine Heizvorrichtung mit einer speziellen Ausgestaltung eines Fixierelements.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Heizvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil einer Vorgehensweise mit geringer Ausschußquote, weil keine das Heizelement beschädigenden Kräfte auf eine Vorbaugruppe einwirken können, die das mindestens eine Heizelement der Heizvorrichtung zerstören oder in seiner bestimmungsgemäßen Heizwirkung einschränken können. Es können also insbesondere PTC-Heizelemente, speziell keramische PTC-Heizelemente, vor einem Brechen während der Herstellung der Heizvorrichtung geschützt werden. Dämpfungselemente können kinetische Energie bzw. Druckenergie des Umspritzmaterials absorbieren, so daß insbesondere kein schlagartiger Anstieg einer beim Umspritzen der Vorbaugruppe auf das Heizelement einwirkenden Kraft erfolgt.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Es zeigen
- 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Heizvorrichtung in einer dreidimensionalen Darstellung,
- 2 eine perspektivische Seitenansicht eines Wärmeleitkörpers und einer vorumspritzten Stromschiene, die an dem Wärmeleitkörper angeordnet ist,
- 3 eine seitliche Schnittansicht einer Federklammer in einem unmontierten Zustand,
- 4 eine seitliche Schnittansicht der Federklammer in einem an dem Wärmeleitelement montierten Zustand,
- 5 in einer perspektivischen Darstellung den Eingriff eines Rasthakens des Wärmeleitkörpers in eine in der Federklammer ausgebildete Öffnung,
- 6 bis 8 die Montage der Federklammer an dem Wärmeleitkörper,
- 9 eine an dem Wärmeleitkörper montierte Federklammer mit stegartig ausgebildeten Versteifungen und
- 10 das Vorsehen eines Dämpfungselements.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Heizvorrichtung 2.
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Die Heizvorrichtung 2 umfasst eine Vorbaugruppe 3 mit einem metallischen Wärmeleitkörper 4, einer metallischen Stromschiene 6, einem zwischen dem Wärmeleitkörper 4 und der Stromschiene 6 angeordneten Heizelement 8, beispielsweise einem PTC-Heizelement 8, und einer Federklammer 20.
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Die Federklammer 20 ist ausgebildet, die Stromschiene 6 und das Heizelement 8 elastisch gegen den Wärmeleitkörper 6 zu drücken, um das Heizelement 8 am Wärmeleitkörper 6 zu fixieren. Dadurch ist das Heizelement 8 so mit dem Wärmeleitkörper 4 und der Stromschiene 6 im Kontakt, dass eine elektrische Stromübertragung zwischen dem Heizelement 8 und dem Wärmeleitkörper 4 bzw. der Stromschiene 6 möglich ist, um das Heizelement 8 mit dem für den Betrieb des Heizelements 8 notwendigen elektrischen Strom zu versorgen.
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Die Stromschiene 6 ist mit einem Kunststoffmaterial umspritzt, welches eine Stromschienenumspritzung 12 ausbildet. Das Kunststoffmaterial der Stromschienenumspritzung 12 bedeckt die Stromschiene 6 vollständig auf ihrer von dem Heizelement 8 abgewandten Seite und teilweise auf der dem Heizelement 8 zugewandten Seite. Das Kunststoffmaterial bedeckt insbesondere den Bereich der dem Heizelement 8 zugewandten Seite der Stromschiene 6, der nicht am Heizelement 8 anliegt.
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2 zeigt eine perspektivische Seitenansicht des Wärmeleitkörpers 4 und der vorumspritzten Stromschiene 6. Das Heizelement 8 wird durch die Vorumspritzung 12 der Stromschiene 6 verdeckt und ist daher in der 2 nicht sichtbar.
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Die Federklammer 20 ist in der 2 nicht gezeigt, um einen ungestörten Blick auf die vorumspritzte Stromschiene 6 zu ermöglichen.
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Der Wärmeleitkörper 4, die mit der Stromschienenumspritzung 12 umspritzte Stromschiene 6, das Heizelement 8 und die Federklammer 20 sind gemeinsam mit einem äußeren Umspritzmaterial („äußere Umspritzung“) 14 umspritzt, welches die gesamte Heizvorrichtung 2 umschließt und fluiddicht abdichtet.
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Die Federklammer 20 und die Stromschienenumspritzung 12 sind derart ausgebildet, dass das äußere Umspritzmaterial 14 die Federklammer 20 beim äußeren Umspritzen schneller von außen umschließt als es in den Raum zwischen der Federklammer 20 und der Stromschienenumspritzung 12 gelangt.
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Insbesondere ist der (nicht in der Figur gezeigte) Anspritzpunkt in der Darstellung der 2 oberhalb der Heizvorrichtung 2 angeordnet. Dadurch wird die Stromschienenumspritzung 12 beim Umspritzen mit dem äußeren Umspritzmaterial 14 zuerst nach unten und erst danach gegen den Wärmeleitkörper 4 gedrückt. Daher kann das äußere Umspritzmaterial 14 nicht an die Kontaktzone des Heizelements 8 mit der Stromschiene 6 und dem Heizkörper 4 gelangen und die Federklammer 20 wird mechanisch nicht übermäßig belastet.
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So wird gewährleistet, dass das äußere Umspritzmaterial 14 die Federklammer 20 beim äußeren Umspritzen nicht von der Stromschiene 6 abhebt und dadurch die auf die Stromschiene 6 und das Heizelement 8 wirkende Anpresskraft verringert. Vielmehr wird auch während des äußeren Umspritzens die notwendige Anpresskraft auf das Heizelement 8 aufrechterhalten und die notwendige elektrische Kontaktierung dauerhaft sichergestellt.
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Da während des äußeren Umspritzens keine plastische Verformung der Federklammer 19 stattfindet, ist eine ausreichend große Anpresskraft über die gesamte Lebensdauer der Heizvorrichtung 2 gewährleistet.
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Auch wird keine unzulässig geringe Dicke der äußeren Wandstärke bewirkt, wie sie durch ein übermäßiges Abheben der Federklammer 20 beim äußeren Umspritzen entstehen könnte.
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Die Federklammer 20 ist dabei so ausgelegt, dass das äußere Umspritzmaterial 14 den vorhandenen Freiraum zwischen der Federklammer 20 und der Vorumspritzung 12 der Stromschiene 6 möglichst vollständig ausfüllt, um eine möglichst gute und schnelle Wärmeübertragung von dem Heizelement 8 über die vorumspritzte Stromschiene 6, die Federklammer 20 und das äußere Umspritzmaterial 14 an ein das Heizelement 8 umgebendes (nicht gezeigtes) Fluid zu ermöglichen.
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Um den Zwischenraum zwischen der Federklammer 20 und der Vorumspritzung 12 der Stromschiene 6 möglichst gut auszufüllen, können z.B. oben und unten am Bauraum für die Federklammer 20 ausreichend große Spalte offen gelassen werden und/oder die Federklammer 20 kann mit ausreichend großen Öffnungen 26a, 26b ausgebildet sein.
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Die Vorumspritzung 12 ist insbesondere so ausgestaltet, dass eine Front des äußeren Umspritzmaterials 14 beim äußeren Umspritzen nicht direkt auf den Heizkörper 8 trifft, so dass ein unerwünschtes Bewegen der vorumspritzten Stromschiene 6 und des Heizkörpers 8 durch das äußere Umspritzmaterial 14 verhindert oder zumindest deutlich reduziert wird.
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Durch eine elektrisch isolierende Vorumspritzung 12 wird auch eine Potenzialtrennung der Stromschiene 6 von der Federklammer 20 und dem Wärmeleitkörper 4 sichergestellt.
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Die Vorumspritzung 12 ist insbesondere so ausgebildet, dass die spätere äußere Umspritzung 14 vor ggf. vorhandenen scharfen Kanten der Federklammer 20 geschützt ist.
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So kann die Geometrie der Vorumspritzung 12 beispielsweise der Kontur der Federklammer 20 folgen und immer etwas weiter „nach außen“ ragen, um die äußere Umspritzung 14 zu entlasten und das Entstehen von Rissen, die von scharfen Kanten der Federklammer 20 verursacht werden könnten, zu vermeiden.
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Eine in der Vorumspritzung 12 im Auflage- und/oder Druckbereich der Federklammer 20 ausgebildete vertiefte Anpressfläche 10 (siehe 2) dient der Zentrierung und/oder Lageorientierung der Federklammer 20.
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Die Vorumspritzung 12 der Stromschiene 6 kann im Auflage- und/oder Druckbereich der Anpressfläche 10 insbesondere derart ausgestaltet sein, dass eine gleichmäßige Verteilung der Kraft über die Stromschiene 6 auf das Heizelement 8 erfolgt.
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3 zeigt eine seitliche Schnittansicht der Federklammer 20 in einem freien / unmontierten Zustand; und 4 zeigt eine seitliche Schnittansicht der Federklammer 20 in einem an dem Wärmeleitkörper 4 montierten Zustand.
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Die Federklammer 20 hat einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit zwei parallel zueinander ausgerichteten Schenkeln 22a, 22b und einem Verbindungsbereich 24, der sich zwischen den beiden Schenkeln 22a, 22b erstreckt.
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Der Verbindungsbereich 24 ist als in Richtung auf den Wärmeleitkörper 4 bauchig gekrümmter Bereich (Walzrundung) mit einem Krümmungsradius R1 ausgebildet (siehe 3). Der Verbindungsbereich 24 kann in seiner Ausbildungsform variieren um z.B. die Vorspannung der Federklammer zu ändern oder die Reproduzierbarkeit der Vorspannung einzuhalten.
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Wenn die Federklammer 20 am Wärmeleitkörper 4 montiert ist, ist der gekrümmte Verbindungsbereich 24 elastisch gespannt, so dass der bauchig gekrümmte Bereich einen größeren Radius R2 > R1 aufweist (siehe 4).
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In den beiden Schenkeln 22a, 22b der Federklammer 20 ist jeweils eine Öffnung 26a, 26b ausgebildet, die zur Aufnahme jeweils eines an dem Wärmeleitkörper 4 ausgebildeten Rasthakens 28a, 28b ausgebildet ist, um die Federklammer 20 an dem Wärmeleitkörper 4 fixieren zu können.
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Die Öffnungen 26a, 26b ermöglichen es darüber hinaus äußerem Umspritzmaterial 14, in den Bereich zwischen der Federklammer 20 und dem Wärmeleitkörper 4 zu gelangen.
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Die biegeumgeformten Winkel α1 und α2 , welche die Schenkel 22a, 22b mit dem Verbindungsbereich 24 der Federklammer 20 ausbilden, versuchen im montierten / verspannten Zustand der Federklammer 20, in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Durch diese Rückstellkräfte rastet die Federklammer 20 hinter den Rasthaken 28a, 28b ein, sobald die Rasthaken 28a, 28b in die korrespondierende Öffnung 26a, 26b, die in den Schenkeln 22a, 22b ausgebildet sind, hineinragen können.
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5 zeigt in einer perspektivischen Darstellung den Eingriff eines Rasthakens 28a des Wärmeleitkörpers 4 in eine korrespondierende Öffnung 26a.
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Neben dem Rasthaken 28a ist ein Vorsprung 27 ausgebildet, der die Bewegung der Federklammer 20 im montierten Zustand einschränkt und dadurch die maximale Verschiebung der Federklammer 20 nach unten beim Umspritzen mit dem äußeren Umspritzmaterial begrenzt.
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Auf der von der Federklammer 20 abgewandten Seite des Rasthakens 28a ist in dem Wärmeleitkörper 4 eine Ausnehmung 30 ausgebildet. Dadurch liegt ein Ende 23a des Schenkels 22a der Federklammer 20 hinter dem Rasthaken 24a frei, so dass den elastischen Rückstellkräften der Federklammer 20, welche die Federklammer 20 an dem Wärmeleitkörper 4 fixieren, nicht entgegengewirkt wird.
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Die Ausnehmung 30 ermöglicht es darüber hinaus, die Federklammer 20 durch „einseitiges Einschwenken“ an dem Wärmeleitkörper 4 zu montieren, wie es in den 6 bis 8 gezeigt ist.
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Die Federklammer 20 wird zunächst in einer gekippten Position derart an dem Wärmeleitkörper 4 positioniert, dass sich der an der Ausnehmung 30 ausgebildete Rasthaken 28a in eine korrespondierende Öffnung 26a, die in einem Schenkel 22a der Federklammer 20 ausgebildet ist, erstreckt (siehe 6).
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Das Ende 23a des Schenkels 22a erstreckt sich dabei in die hinter dem Rasthaken 28a ausgebildete Ausnehmung 30. Der andere Schenkel 22b der Federklammer 20 ist zunächst frei.
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Die Federklammer 20 wird dann um den Kontaktpunkt zwischen dem Rasthaken 28a und dem Schenkel 22a der Federklammer 20 geschwenkt, wodurch der bauchig ausgebildete Verbindungsbereich 24 der Federklammer 20 in Kontakt mit der Vorumspritzung 12 der Stromschiene 6 kommt (siehe 7).
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Durch weiteres Verschwenken der Federklammer 20 wird diese elastisch verspannt, wobei der Radius des bauchig ausgebildeten Verbindungsbereichs 24 durch den Kontakt mit der Vorumspritzung 12 der Stromschiene 6 vergrößert wird (vergl. 3 und 4).
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Schließlich gelangt die in dem zweiten Schenkel 22b ausgebildete Öffnung 26b über den zweiten an dem Wärmeleitkörper 4 ausgebildeten Rasthaken 28b. Der zweite Rasthaken 28b rastet in die in dem zweiten Schenkel 22b ausgebildete Öffnung 26b ein, und die Federklammer 20 ist in einem gespannten Zustand an dem Wärmeleitkörper 4 fixiert (siehe 8).
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In den 6 bis 8 wird gezeigt, wie die Federklammer 20 zusätzlich zur Fixierung eines zweiten Bereichs 38 der vorumspritzten Stromschiene 6 verwendet wird, welcher in der Darstellung der 6 bis 8 unterhalb des Wärmeleitkörpers 4 angeordnet ist. In diesem Fall liegt das Ende 23b des „unteren“ Schenkels 22a der Federklammer 20 anders als das Ende 23a des „oberen“ Schenkels 22a nicht frei. Das Ende 23a des „unteren“ Schenkels 22a der Federklammer 20 liegt vielmehr elastisch am vorumspritzten zweiten Bereich 38 der Stromschiene 6 an, so dass es diesen gegen den Wärmeleitkörper 4 drückt und fixiert. Ein unbeabsichtigtes Verschieben der Stromschiene 6 während des äußeren Umspritzens wird so zuverlässig verhindert.
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Die Anpresskraft der Federklammer 20 hat zur Folge, dass trotz vorhandener Toleranzen in den Abmessungen der vorumspritzten Stromschiene 6, des Wärmeleitkörpers 4 und des Heizelements 8 nahezu kein Spiel vorhanden ist. Die Federklammer 20 kann insbesondere aus einem geeigneten Federstahl gefertigt sein. Auf der von dem Wärmeleitkörper 4 abgewandten Seite der Federklammer 20 können stegartig ausgebildete Versteifungen ausbildet sein (siehe 9), um die Steifheit des bauchig ausgebildeten Verbindungsbereichs 24 der Federklammer 20 zu erhöhen, ohne für die gesamte Federklammer 20 ein dickeres Material verwenden zu müssen.
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Die Anpresskraft der Federklammer 20 wird insbesondere bestimmt durch: den Radius R1 des bauchig ausgebildeten Verbindungsbereichs 24; die Position der Rasthaken 28a, 28b am Wärmeleitkörper 4 in Bezug auf die in den Schenkeln 22a, 22b der Federklammer 20 ausgebildeten Öffnungen 26a, 26b; die Lage der Anpressfläche 10 in Bezug auf den bauchig ausgebildeten Verbindungsbereich 24; die Dicke des aus Heizelement 8 und vorumspritzter Stromschiene 6 gebildeten anzupressenden Pakets; die geometrische Ausbildung der Federklammer 20, z.B. mit oder ohne Versteifungen 32; die Abmessungen (Höhe und Breite) der Federklammer 20; sowie Dicke und Härte des für die Federklammer 20 verwendeten Materials.
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10 zeigt wie 8 in einer Querschnittsansicht eine Vorbaugruppe 3 einer Heizvorrichtung, bei der im Unterschied zur Anordnung nach 8 ein vorzugsweise flächiges, mit einer gewissen Dicke versehenes Dämpfungselement 51 auf der Außenseite eines bereits beschriebenen, hier als Federklammer 20 ausgeführten Fixierelements 20 aufgebracht worden ist. Das Dämpfungselement 51 kann beispielsweise als Klebebandstück, insbesondere als viskoelastisches Klebebandstück ausgeführt sein. Das Dämpfungselement kann also selbstklebend ausgeführt sein, so daß kein weiteres Klebematerial benötigt wird. Alternativ oder in Kombination dazu kann auch Dämpfungsmaterial an dieser Stelle aufgespritzt werden, beispielsweise Naturkautschuk, StyrolButadien-Kautschuk, Ethylen-Propylendien-Kautschuk, Acrylnitril-Butadien-Kautschuk oder Chloropren-Kautschuk.
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Um die Heizvorrichtung fertig herzustellen und damit auch gegen die Einwirkung einer korrosiven Flüssigkeit wie beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung zu schützen, wird die Vorbaugruppe 3 der Heizvorrichtung noch mit Kunststoff umspritzt, wie auch bereits in 1 dargestellt und dort als Umspritzmaterial 14 abgebildet ist. Hierbei wird die Kunststoffschmelze des Umspritzmaterials unter hohem Druck in einen nicht näher dargestellten formgebenden Hohlraum gedrückt, in den die Vorbaugruppe eingelegt ist. Das zuvor auf die Oberfläche der Vorbaugruppe, vorzugsweise auf die Außenseite des Fixierelements, insbesondere der Federklammer, aufgebrachte Dämpfungselement dient während des Umspritzens als Energieabsorber. Insbesondere wenn das Dämpfungselement im Bereich des Fixierelements bzw. nahe des Heizelements 8 auf der Vorbaugruppe 3 aufgebracht ist, reduziert es gerade im kritischen Bereich beim Heizelement beim Umspritzen auf die Oberfläche der Vorbaugruppe einwirkende Kräfte beispielsweise des aufprallenden Umspritzungsmaterials oder beim Umspritzen verwendeter auftreffender Druckluft und schützt so das Heizelement vor das Heizelement schädigenden Kräften.
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Die so hergestellte Heizvorrichtung kommt in Tanks für wässrige Harnstofflösungen zum Einsatz, um insbesondere bei Temperaturen unterhalb von minus 11 Grad Celsius gefrorene Tankinhalte aufzutauen. Als Heizelemente 8 kommen insbesondere PTC-Heizelemente zum Einsatz. Entsprechende Dämpfungsmaßnahmen können auch bei anderen Heizvorrichtungsgeometrien vorgesehen sein, beispielsweise bei Heizvorrichtungen, bei denen das Fixierelement einstückig mit dem Wärmeleitkörper, beispielsweise in Form einer Tasche, in die das Heizelement eingeführt wird, ausgebildet ist. Die Tasche wird bei einer solchen Anordnung beispielsweise zur endgültigen Fixierung des Heizelements gezielt verstemmt. Anschließend wird das Dämpfungselement, vor dem abschließenden Umspritzen der Vorbaugruppe, auf die Tasche geklebt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017209568 A1 [0006]
- DE 102018212606 A1 [0007]