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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gehäuseanordnung für vereisungsgefährdete Bauteilkomponenten oder Medien, umfassend ein Aluminium Gehäuse, welches an den vereisungsgefährdeten Bauteilkomponenten anliegt oder die vereisungsgefährdeten Medien umschließt, wobei an dessen Umfang wenigstens teilweise ein Heizelement angeordnet ist, über welches das Gehäuse erwärmbar ist.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Kraftfahrzeugtechnik. Um beispielsweise Kamerasysteme und Sensoren in Kraftfahrzeugen auch bei kalten Temperaturen in schnelle Einsatzbereitschaft zu versetzen, sind diese erforderlichenfalls zu enteisen und während des Betriebes eisfrei zu halten. Ferner ist ein Schutz vor Beschlagen durch Feuchtigkeit erforderlich. Hierzu wird in der Regel bei Kamerasystemen nahe der vordersten optischen Linse eine Wärmequelle angebracht. Auf diese Weise können Eis- und Schneeschichten beim Kaltstart des Kraftfahrzeuges aufgetaut werden und die Abdeckung während der Fahrt eis- und schneefrei gehalten werden, wodurch alternative Wischer- oder Spritzsysteme entbehrlich sind.
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Ebenso erstreckt sich das Einsatzgebiet auf Rohrleitung, in denen Medien, wie beispielsweise Wasser transportiert wird. Diese Rohrleitungen können dadurch bei kalten Temperaturen aufgetaut werden, so dass eine beispielsweise Brennstoffzelle für ein Kraftfahrzeug betreibbar bleibt.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2012 208 020 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines beheizbaren Rohres zur Beförderung eines zu beheizenden flüssigen oder gasförmigen Mediums bekannt. Das nach diesem Verfahren hergestellte beheizbare Rohr umfasst dabei eine elektrisch isolierende und eine elektrisch leitfähige Schicht. Die elektrisch leitfähige Schicht ist außenseitig auf der elektrisch isolierenden Schicht aufgebracht. In der elektrisch leitfähigen Schicht sind zwei Stromleiter angeordnet, über welche die elektrisch leitfähige Schicht und damit das Rohr aufheizbar ist.
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Die in diesem Stand der Technik beschriebenen Rohre sind steif und die Herstellung solcher Rohre beruht auf einer Vielzahl von Prozessschritten.
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Die
WO 2013/092964 A2 offenbart ein unter anderem auch für den hier interessierenden vorstehend erläuterten Zweck geeignetes Heizelement für vielfältige kraftfahrzeugtechnische Anwendungen, unter anderem auch zum Einsatz als Kontaktflächenheizung für Scheiben, Außenspiegel und dergleichen.
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Aus dem nachveröffentlichten Stand der Technik
DE 10 2019 207 691 A1 ist eine Dichtungsanordnung zur statischen Abdichtung einer vereisungsgefährdeten optischen Bauteilkomponente bekannt. Die Dichtungsanordnung wird dabei selbst als Wärmequelle genutzt, um die vereisungsgefährdete optische Bauteilkomponente, wie beispielsweise eine Linse, aufzuheizen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gehäuseanordnung anzugeben, mit welcher mit fertigungstechnisch einfach herzustellenden und zuverlässig wirkenden Mitteln, Bauteilkomponenten oder Medien erwärmbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Gehäuseanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Heizelement einen elektrisch leitfähigen Kunststoff aufweist, der über wenigstens zwei Kontaktierungsstellen mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist, wobei der elektrisch leitfähige Kunststoff in einem Kontaktbereich direkt an dem aus einem Aluminiummaterial ausgebildeten Gehäuse anliegt und das Gehäuse wenigstens in dem Kontaktbereich eloxiert ist.
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Mit anderen Worten wird der elektrisch leitfähige Kunststoff selbst als Wärmequelle nutzbar gemacht. Das Heizelement liegt dabei an einem Umfang des Gehäuses an. Als Gehäuse im Sinne der Erfindung werden sowohl Bauteilgehäuse, wie beispielsweise ein Pumpengehäuse, jedoch werden darunter auch Rohrleitungen beziehungsweise Abschnitte davon verstanden, welche ein Gehäuse für ein darin fließendes Medium bilden. Unter dem Umfang wird erfindungsgemäß sowohl ein außenliegender als auch ein innenliegender Bereich verstanden, so dass sowohl ein Außenumfang als auch ein Innenumfang mit diesem Begriff eingeschlossen ist.
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Der elektrisch leitfähige Kunststoff liegt gemäß der Erfindung direkt an dem Aluminiummaterial an, so dass eine hohe Wärmeleitfähigkeit gewährleistet wird. Durch die Verwendung eines Aluminiummaterials als Gehäuse wird zusätzlich die Wärmeleitfähigkeit von dem Heizelement zu dem Medium beziehungsweise der Bauteilkomponente verbessert. Das aus Kunststoff ausgebildete Heizelement weist zusätzlich eine vielseitige Möglichkeit der Formgebung und Ausbildung des Heizelementes auf. Trotz alledem kann das Heizelement wirtschaftlich und einfach hergestellt werden.
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Da der elektrisch leitfähige Kunststoff auch außenseitig leitfähig ist, ist es notwendig eine elektrische Isolation zwischen Kunststoff und dem Aluminium vorzusehen, welche normalerweise jedoch die Wärmeleitfähigkeit verschlechtern würde. Diese elektrische Isolierung wird erfindungsgemäß durch eine über das Eloxieren des Aluminium Gehäuses gebildete Eloxalschicht bereitgestellt. Die Eloxalschicht ist dabei zumindest in dem Kontaktbereich zwischen dem elektrisch leitfähigen Kunststoff und dem Gehäuse vorzusehen. Das Eloxieren hat zusätzlich den Vorteil, dass die Eloxalschicht auch in Löchern beziehungsweise Bohrungen oder auch an verdeckt liegenden Ecken aufgebracht werden kann. Durch das Eloxieren kann zudem das Aluminium vor Korrosion geschützt werden. Die Eloxalschicht ist dabei durch einfache Herstellungsschritte ausbild bar.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Heizelement zusätzlich eine Dichtfunktion auf. Das Heizelement kann somit eine Dichtung ersetzen. Dementsprechend weist das Heizelement gleichzeitig ein Heizfunktion, als auch ein Dichtfunktion auf, so dass auf eine separate Dichtung verzichtet werden kann. Es können beliebige geformte Dichtungen wie Runddichtungen oder Formdichtungen beheizt werden. Der Querschnitt der Dichtung kann dabei eine beliebige Form haben wie beispielsweise rund, oval, rechteckig, T-förmig oder I-förmig.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die durch Eloxieren gebildete Eloxalschicht eine Stärke von 5-30µm auf. Durch eine solche Eloxalschicht kann eine ausreichende Isolationswirkung des Heizelementes zum Aluminium Gehäuse erzielt werden. Zudem kann das Aluminium gegen chemische Reaktionen und Korrosion geschützt werden.
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Vorzugsweise ist das Heizelement als ein Spritzguss- oder Pressteil an dem Gehäuse ausgebildet. Das Heizelement wird somit direkt an dem Gehäuse ausgeformt. Dadurch ist kein zusätzlicher Montageschritt des Heizelementes notwendig. Durch solche Herstellungsverfahren werden vielseitige Möglichkeiten der Formgebung und der Geometrie zwischen Gehäuse und Heizelement gegeben. Zudem kann ein optimaler Kontakt und damit eine hohe Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Gehäuse und dem Heizelement realisiert werden. Durch das Spritzgießen oder Pressen kann dabei auf wirtschaftlichen Weg ein Heizelement hergestellt werden. Das Spritzgießen und das Pressen haben zudem den Vorteil, dass eine zuverlässige elektrische Kontaktierung an den elektrischen Kontaktierungsstellen herstellbar ist. Neben dem Spritzgießen kann auch ein anderes geeignetes Urformverfahren, beispielsweise auch ein 3D-Druck aus den verschiedenen Materialkomponenten, zum Einsatz kommen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Gehäuse Oberflächenstrukturierungselemente auf, mit welchen das Heizelement formschlüssig zusammenwirkt. Als Oberflächenstrukturierungselemente werden beispielsweise Nuten, Hinterschneidungen oder andere Formelemente verstanden. Die Oberflächenstrukturierungselemente haben dabei den Vorteil, dass der Kunststoff sich mit diesen Elementen formschlüssig verkrallen kann, so dass die Haltbarkeit des Heizelementes auf dem Gehäuse verbessert wird. Zusätzlich werden durch die Oberflächenstrukturierungselemente zwischen dem Heizelement und dem Gehäuse ein größere Oberfläche gebildet, so dass die Wärmeübertragung verbessert wird.
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Zu dem erfindungsgemäßen Zweck ist vorzugsweise ein Matrixwerkstoff für das Heizelement ausgewählt aus einer Thermoplastmaterialgruppe umfassend: Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon, oder aus einer Elastomermaterialgruppe, umfassend: Naturkautschuke, thermoplastisches Elastomere, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Silikone, Fluorkautschuke. Die genannten Elastomere bieten insbesondere bei der Verwendung des Heizelementes als Dichtung durch die besondere Flexibilität eine hohe Dichtwirkung. Zudem wird durch die Verwendung von Elastomeren die Haftung zwischen Heizelement und den Kontaktpins verbessert. Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen Heizelement und Aluminiumgehäuse können durch die Elastizität der Kunststoffe ausgeglichen werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist ein die elektrische Leitfähigkeit im Heizelement erzeugendes Füllmaterial ausgewählt aus einer Leitermaterialgruppe, umfassend: metallische Partikel, Ruße, Graphite, Karbonfasern, Carbonanotubes. Mittels eines bestimmten Füllungsgrades dieses Füllungsmaterials kann eine bestimmte Leitfähigkeit innerhalb des Heizelementes eingestellt werden.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung liegt der Anteil des Füllmaterials im Heizelement im Bereich zwischen 10 bis 70 Vol-%. Bei einem solchen Anteil des Füllmaterials hat sich herausgestellt, dass eine gute Heizwirkung erzielbar ist, ohne anderseits zu viel elektrische Energie aufwenden zu müssen. Ganz vorzugsweise hat sich ein Bereich zwischen 30 bis 50 Vol.-% als besonders wirksam zur Erreichung des vorgenannten Optimierungsziels erwiesen. Durch die Mischungsanteile kann der spezifische elektrische Widerstand des Materials und darüber hinaus der elektrische Widerstand des Heizelementes je nach den herrschenden konstruktiven Randbedingungen eingestellt werden und zudem kann der recht hohe thermische Ausdehnungskoeffizient des elastomeren Grundmaterials zur Selbstabregelung des Heizelementes im Sinne des sogenannten PTC-Effekts (PTC = Positive Temperature Coefficient) nutzbar gemacht werden.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind in dem Heizelement elektrische Kontaktpins angeordnet, über die das Heizelement elektrische kontaktiert ist. Die Kontaktpins sind dabei direkt von dem Heizelement umschlossen. Dadurch sind keine zusätzlichen Kontaktstellen notwendig. Es kann somit eine einfache und wirtschaftliche Kontaktierung des Heizelementes realisiert werden.
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Vorzugsweise ist an einer zum Gehäuse gegenüberliegenden Seite des Heizelementes wenigstens teilweise eine Kunststoffabdeckung angeordnet, über welche das Heizelement elektrisch kontaktiert ist. Das Heizelement ist somit zwischen dem Gehäuse und der Kunststoffabdeckung angeordnet. In der Kunststoffabdeckung sind vorzugsweise elektrische Kontakte angeordnet, über welche das Heizelement bestrombar ist. Durch die Kunststoffabdeckung müssen keine Kontakte in dem Heizelement angeordnet sein. Zudem kann die Kunststoffabdeckung über einen Stecker verbindbar sein. Die Kunststoffabdeckung weist zudem wärmeisolierende Eigenschaften auf, so dass weniger Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Dadurch kann das Gehäuse schneller aufgeheizt werden und der Energiebedarf des Heizelementes kann reduziert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 Längs-und Querschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung,
- 2 Längsschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung, und
- 3 Längs-und Querschnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung.
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In 1 ist eine Längs-und Querschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung gezeigt. Die Gehäuseanordnung umfasst ein Aluminium Gehäuse 14, welches in diesem Ausführungsbeispiel als Rohr ausgebildet ist. Innerhalb des Rohres befindet sich ein Medium 18, wie beispielsweise Wasser. Außenseitig am Außenumfang des Gehäuses 14 ist ein Heizelement 22 angeordnet, welches aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial ausgebildet ist. An Kontaktierungsstellen 26 ist das Heizelement 22 mit Kontaktpins 30 verbunden, so dass das Heizelement 22 über eine mit den Kontaktpins 30 elektrisch verbundene Stromquelle 34 mit Energie beaufschlagbar ist. Dadurch kann das Heizelement 22 aufgeheizt werden.
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Um das Heizelement 22 zu dem Aluminium Gehäuse 14 elektrisch zu isolieren, ist auf dem Aluminium Gehäuse 14 durch Eloxieren eine Eloxalschicht 38 aufgebracht. Diese Eloxalschicht 38 weist zu der elektrisch isolierenden Eigenschaft, zusätzlich eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und schützt das Aluminium vor Korrosion. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit kann die Wärme des Heizelementes 22 schnell an das Gehäuse 14 weitergeleitet werden, so dass das Medium 18 in dem Gehäuse 14 aufgetaut oder temperiert werden kann.
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In der Querschnittansicht ist zusätzlich zu sehen, dass das Gehäuse 14 zwei Oberflächenstrukturierungselemente 42 aufweist, welche als Längsnuten ausgebildet sind. Das Heizelement 22 weist entsprechende Federfortsätze 46 auf, welche formschlüssig in die Längsnuten 42 eingreifen, so dass das Heizelement 22 wenigstens teilweise auf dem Gehäuse 14 befestigt ist. Zusätzlich wird durch die Längsnuten 42 die Fläche des Gehäuses 14 vergrößert. Dadurch wird der Wärmetransport an das Gehäuse 14 verbessert. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 22 als Spritzgussteil direkt auf das Gehäuse 14 aufgespritzt.
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2 zeigt eine Längsschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Gehäuseanordnung dadurch, dass das Oberflächenstrukturierungselement 42 als ringförmiger Vorsprung ausgebildet ist, welcher von der Außenseite abragt. Zusätzlich weist die Gehäuseanordnung noch eine Kunststoffabdeckung 50 auf, welche auf dem Heizelement 22 angeordnet ist. Die Kunststoffabdeckung 50 dient hierbei als äußere Isolation für das Heizelement 22, so dass die Wärme schlechter an die Umgebung abgegeben werden kann. Dadurch kann das Gehäuse 14 und damit das Medium 18 schneller erwärmt werden. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Heizelement 22 zusätzlich durch die Kunststoffabdeckung 50 elektrisch kontaktiert werden.
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Eine Längs-und Querschnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung ist in 3 gezeigt. Die Gehäuseanordnung ist in diesem Ausführungsbeispiel Teil einer Kameraanordnung 54. Die Kameraanordnung 54 umfasst dabei eine optische Linse 58, welche hier eine Bauteilkomponente ausbildet und die mittels einer Überwurfmutter 62 an einem Gewinde (nicht gezeigt) eines Befestigungsvorsprung 66 des Gehäuses 14 befestigt ist. Zwischen dem Befestigungsvorsprung 66 und der Linse 58 ist das Heizelement 22 angeordnet, welches in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig eine Dichtfunktion für die Kameraanordnung 54 aufweist.
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Um das Heizelement 22 elektrisch zu kontaktieren sind in dem Befestigungsvorsprung 66 Bohrungen 70 ausgebildet, durch welche die Kontaktpins 30 hindurchtreten und bis in das Heizelement 22 reichen. Dadurch kann das Heizelement 22 die Linse 58 aufheizen, so dass beispielsweise Eis oder Schnee auf der Linse 58 entfernt werden kann. Durch das Eloxieren ist ebenfalls in den Bohrungen 70 eine Eloxalschicht 38 ausgebildet. Die Kontaktpins 30 sind somit auch in den Bohrungen 70 gegen das Gehäuse 14 isoliert.
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Die Kontaktpins 30 erstrecken sich bis zu einer Leiterplatte 74, welche sich auch einer zur Linse 58 gegenüberliegenden Stirnseite des Gehäuses 14 angeordnet ist. Auf der Leiterplatte 74 ist ein Bildsensor 78 angeordnet, über welchen Bildinformationen detektierbar sind. Die Leiterplatte 74 ist zusätzlich mit der Stromquelle 34 verbunden, so dass die Kontaktpins 30 und damit das Heizelement 22 über die Leiterplatte 74 bestrombar sind.
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Die Leiterplatte 74 und ein Teil des Gehäuses 14 sind innerhalb eines Kameragehäuses 82 angeordnet. Zwischen Befestigungsvorsprung 66 und dem Kameragehäuse 82 ist eine Klebestelle 86 ausgebildet, so dass ein Inneres des Kameragehäuses 82 geschützt ist und durch welche eine kalibrierte Bildposition fixiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012208020 A1 [0004]
- WO 2013/092964 A2 [0006]
- DE 102019207691 A1 [0007]
