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Elektrische Heizvorrichtungen kommen in Kraftfahrzeugen zum Beispiel als Zusatzheizer zum Einsatz, um die Beheizung des Kraftfahrzeuginnenraums und anderer Komponenten, die primär durch die Abwärme des Motors erfolgt, zu ergänzen, oder zum Beispiel auch ein Heizen im Stillstand des Fahrzeugs zu ermöglichen. Von besonderer Bedeutung sind elektrische Heizvorrichtungen bei Fahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb, bei denen die Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs keine oder keine ausreichende Abwärme zur Erwärmung oder Klimatisierung des Fahrzeugs abgibt. Es ist von Vorteil, wenn sich eine Heizvorrichtung für Elektro- oder Hybridfahrzeuge zudem dazu eignet, neben der Versorgung des Innenraums des Kraftfahrzeugs mit der erforderlichen Heizwärme auch die für die ablaufenden Prozesse in einzelnen Anlagenteilen des Kraftfahrzeugs erforderliche oder zumindest diese fördernde Wärme bereitzustellen, wie zum Beispiel zur Vorwärmung des Fahrzeugakkumulators.
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DE 10 2011 057 105 A1 offenbart ein elektrisches Heizelement, das einen Wärmetauscher aufweist, der zur Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Medium ausgebildet ist. Der Wärmetauscher weist eine Oberfläche auf, die zur Wärmeübertragung unmittelbar mit dem zu erwärmenden Medium in Verbindung steht. Dort ist die Oberfläche des Wärmetauschers beispielhaft mit einer Mehrzahl von Rippen bzw. Vorsprüngen versehen, um einen verbesserten Wärmeübergang auf das zu erwärmende Medium zu erzielen. Der Wärmetauscher ist aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet und kann insbesondere aus Metall, wie insbesondere Aluminium, Kupfer, einer Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung gebildet sein. Der Wärmetauscher ist dazu ausgebildet, Wärme auf ein Fluid als ein zu erwärmendes Medium zu übertragen. Das zu erwärmende Medium kann dabei insbesondere Luft oder eine Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf eines Fahrzeugs, insbesondere Kühlflüssigkeit sein. Dieser Wärmetauscher bildet gleichzeitig ein Substrat, auf dessen Rückseite mittels einer Beschichtungstechnik eine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die elektrisch isolierende Schicht kann insbesondere aus Al
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3 gebildet sein und kann mittels eines Spritzverfahrens, insbesondere mittels thermischen Spritzens, aufgebracht sein. Auf der von dem Wärmetauscher abgewandten Seite der elektrisch isolierenden Schicht ist mittels einer Beschichtungstechnik eine elektrisch leitende Widerstandsschicht aufgebracht, die als eine oder mehrere Leiterbahnen strukturiert ist. Die elektrisch leitende Widerstandsschicht ist derart ausgestaltet, dass an diese eine elektrische Spannung anlegbar ist, um elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln. Die elektrisch leitende Widerstandsschicht kann z.B. durch ein Spritzverfahren aufgebracht sein. Die von dem Wärmetauscher abgewandte Seite der elektrisch leitenden Widerstandsschicht ist wiederum mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen, die ebenfalls mittels einer Beschichtungstechnik aufgebracht ist. Die elektrisch isolierende Schicht kann aus demselben Material wie die elektrisch isolierende Schicht ausgebildet sein, insbesondere aus Al
2O
3.
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Das elektrische Heizelement kann hier z.B. mittels eines Verfahrens hergestellt sein, wie es in der
EP 1 459 332 B1 beschrieben ist. Dort ist ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Widerstandsschicht offenbart, bei dem ein elektrisch leitendes Material mittels thermischem Spritzen, Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Lichtbogenspritzen, Autogenspritzen, Laserspritzen oder Kaltgasspritzen auf einen nicht leitenden Untergrund aufgebracht wird, wobei das elektrisch leitende Material flächig derart aufgebracht wird, dass eine hieraus entstandene Materialschicht zunächst im Wesentlichen noch keine gewünschte Form aufweist, und danach die Materialschicht bereichsweise derart entfernt wird, dass eine elektrisch leitende Widerstandsschicht entsteht, welche im Wesentlichen die gewünschte Form hat, wobei der örtliche elektrische Widerstand der elektrisch leitenden Widerstandsschicht durch eine lokale Wärmebehandlung eingestellt wird, indem lokal Oxide in die Schicht eingetragen-werden. Das bereichsweise Entfernen der Materialschicht kann mittels Laserstrahlung, eines Wasserstrahls oder eines Pulver-Sandstrahls erfolgen, so dass die elektrisch leitende Widerstandsschicht wenigstens bereichsweise insbesondere mäanderförmig ist.
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Solche Spritzverfahren sind jedoch sehr aufwändig, da bis zu 6 Schichten nacheinander durch verschiedene thermische Sprühverfahren aufgebracht werden müssen. Außerdem werden die Leiterbahnen durch ein Laserstrukturierverfahren zeitaufwändig erzeugt. Müssen noch Bauteile aufgebracht werden, muss die gesamte Heizvorrichtung durch den Lötprozess.
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In der
DE 203 19 024 U1 ist ein Flächenheizelement offenbart, das als Widerstandsheizung mit einem mehrschichtigen Aufbau ausgeführt ist, und welches zugeführte elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt und diese an ein Trägermaterial des Flächenheizelementes abgibt. Das Trägermaterial weist eine ebene, gekrümmte oder eine mehrdimensional geformte Oberfläche auf, wobei ein wärmeerzeugender elektrischer Leiter auf das zu erwärmende Trägermaterial mittels Siebdruckverfahren aufgetragen ist. Über dem elektrischen Leiter ist eine Isolierschicht auf Kunststoffbasis mittels Siebdruckverfahren oder durch Aufsprühen oder durch Aufwalzen aufgetragen und die Isolierschicht ist bei Temperaturen von maximal 300 °C getrocknet und ausgehärtet. Das Trägermaterial kann aus einem elektrisch isolierenden Material, wie etwa Kunststoff, Metalloxid, Metallnitrit oder aus einem elektrisch leitenden Träger, auf welchen in einem vorangegangenen Fertigungsschritt ein elektrisch isolierender Überzug, beispielsweise aus Email oder Glas aufgebracht wurde, bestehen. Es kann aber auch aus einem elektrisch leitenden Material, wie etwa Aluminium, Kupfer oder Stahl bestehen wobei zwischen dem Trägermaterial und dem wärmeerzeugenden elektrischen Leiter eine Isolierschicht auf Kunststoffbasis auf dem Trägermaterial aufgebracht ist, welche bei Temperaturen von maximal 300 °C getrocknet und ausgehärtet wurde. Der wärmeerzeugende elektrische Leiter kann eine leitfähige Paste aus einem Carbonleitlack sein, welcher einen Festkörpergehalt von mehr als 60% aufweist und neben Kohlenstaub auch Graphit mit einer Korngröße von bevorzugt 5 bis 7 µm enthält. Die Isolierschicht kann aus Lötstopplack oder aus Elektroisolationslack oder aus Tränklack für elektrische und/oder elektronische Bauelemente bestehen. Der wärmeerzeugende elektrische Leiter kann vollflächig oder als Leiterbahnstruktur beliebiger Geometrie ausgebildet sein.
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Auch hier werden aufwändige Siebdruck-, Aufsprüh- oder Aufwalzverfahren angewandt, wobei eine nähere Verwendung des Heizelements nicht beschrieben ist. Lediglich in Verbindung mit dem dort diskutierten Stand der Technik ist die Verwendung bei Cerankochfeldern oder für einen beheizbaren Außenspiegel eines Kraftfahrzeugs genannt.
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Ferner offenbart das Dokument
DE 102 09 080 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsheizelementes, indem ein Substrat mit einem elektrisch isolierenden Material aus der Gasphase beschichtet, auf die auf dem Substrat abgeschiedene Schicht aus dem isolierenden Material ein elektrisch leitfähiges Material aus der Gasphase ausgeschieden wird und die auf der Schicht aus einem isolierenden Material abgeschiedene Schicht aus einem leitfähigen Material anschließend unter Bildung einer Leiterbahn teilweise mechanisch abgetragen wird. Das Substrat wird vor Abscheidung des isolierenden Materials unter Bildung wenigstens einer zur Aufnahme der Leiterbahn vorgesehenen Ausnehmung spanabhebend bearbeitet. Sodann werden die Schicht aus dem isolierenden Material und dem leitfähigen Material auf dem mechanisch bearbeiteten Substrat abgeschieden. Schließlich wird die Schicht aus dem leitfähigen Material eben abgetragen, bis zumindest das leitfähige Material unter Bildung der Leiterbahn an den die Ausnehmung der Leiterbahn begrenzenden, erhabenen Bereichen des Substrates vollständig abgetragen worden ist. Die Erfindung betrifft ferner ein solchermaßen hergestelltes Widerstandsheizelement
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Eine Leistungsverteilungsstruktur ist im Dokument
US 5 765 279 A offenbart und ein Poliermittel für einen Metallfilm ist im Dokument
JP 2001 -
110 761 A offenbart.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Heizelements anzugeben, dass einfach und kostengünstig ist.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Heizelements gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Demnach weißt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Heizelements mit einer auf eine Grundplatte aufgebrachten Heizleiterstruktur, folgende Schritte auf:
- eine Grundplatte wird mit der Heizleiterstruktur entsprechenden Vertiefungen bereitgestellt,
- in den Vertiefungen werden Einlegeteile angeordnet, wobei die Höhe der Einlegeteile größer ist als die Tiefe der Vertiefungen,
- die Oberfläche der Grundplatte wird mit den aus den Vertiefungen ragenden Einlegeteile mit einer elektrisch leitenden Schicht bedeckt, und
- die elektrisch leitende Schicht wird soweit plan abgetragen, bis die Oberfläche der Einlegeteile keine elektrisch leitende Schicht mehr aufweist und die verbleibende elektrisch leitende Schicht zwischen den Einlegeteilen die Heizleiterstruktur bildet.
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Die Vertiefungen der Grundplatte dienen dabei dazu, die nicht elektrisch leitenden Einlegeteile in ihrer Position zu fixieren und können am Ende in dem Heizelement verbleiben oder beispielsweise durch chemisches Auflösen wieder entfernt werden. Hierdurch wird eine präzise, einfache und kostengünstige Herstellung eines Heizelements möglich.
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In einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die elektrisch leitende Schicht aufgesprüht.
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In einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Abtragen der elektrisch leitenden Schicht durch Schleifen oder Fräsen.
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Wenn die Grundplatte aus Metall besteht, um eine möglichst gute Wärmeleitfähigkeit zu haben, wird vor dem Aufbringen der elektrisch leitenden Schicht eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht. Hierdurch ist die elektrisch leitende Schicht von der metallischen Grundplatte isoliert. In vorteilhafter Weise weist hierbei auch das elektrisch isolierende Material eine gute Wärmeleitfähigkeit auf.
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Die Erfindung wird nachfolgen anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher beschreiben. Dabei zeigen
- 1 eine mögliche Heizleiterstruktur,
- 2 eine erste Teileinlegeteilform,
- 3 eine dazu passende zweite Teileinlegeteilform,
- 4 eine fertige Heizleiterstruktur mit dazwischen liegenden, wieder freigelegten Einlegeteilen,
- 5 einen Fertigungsschritt mit einem Ausschnitt eines durch die elektrisch leitende Schicht bedeckten Einlegeteils im Querschnitt und
- 6 einen Fertigungsschritt mit von der elektrisch leitenden Schicht befreitem Einlegeteil im Querschnitt.
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In 1 ist die Draufsicht auf eine mäanderförmige Heizleiterstruktur 1 dargestellt, wobei der Heizleiter aus einem beliebigen geeigneten Material, z.B. Metall, bestehen kann.
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Um diese Heizleiterstruktur 1 zu erzeugen, werden zwei Teileinlegeteile, die zusammen ein Einlegeteil 2, 3 bilden, wie sie in 2 und 3 gezeigt sind, in Vertiefungen 5 einer Grundplatte 4 (5 und 6) eingelegt. In den 2 und 3 sind ein erstes Teileinlegeteil 2 und ein zweites Teileinlegeteil 3 jeweils einteilig ausgebildet, sie können jedoch auch aus Einzelteilen bestehen. Wie aus den 2 und 3 zu sehen ist, passen die beiden 2, 3 zusammen und können fingerartig ineinander gesteckt werden, wie dies in der 4 zu erkennen ist. Dabei verbleiben Zwischenräume, die in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mit dem Heizleitermaterial gefüllt werden.
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Die 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Leiterbahn 6 der Heizleiterstruktur 1. Ein Abschnitt 7 der ersten Teileinlegeteilform 2 oder der zweiten Teileinlegeteilform 3 ist in die Vertiefung 5 der Grundplatte 4 eingelegt und ragt über diese hinaus. Auf der Grundplatte 4 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel außerdem eine isolierende Schicht 8 aufgebracht. Die Grundplatte mit den Teileinlegeteilformen ist ganzflächig mit einer metallischen Schicht 9 bedeckt, die an den Stellen der Teileinlegeteilformen 2, 3 Hügel bildet.
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In erfindungsgemäßer Weise wird die Oberfläche dieser Anordnung nun plan abgetragen, beispielsweise abgeschliffen oder abgefräst, bis die Oberflächen der Teileinlegeteilformen 2, 3 wieder frei liegen. Zwischen den Teileinlegeteilformen 2, 3 verbleibt dann die Leiterbahnen 6 der Heizleiterstruktur 1.
