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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Heizelement, welches ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial enthält, und einem Gehäuse aus einem Kunststoffmaterial. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Heizelement und einem Gehäuse sowie auf die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Gehäuse und einem flächigen Tank-, Filter- oder Fördermodulheizelement eines Abgasnachbehandlungssystems.
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Stand der Technik
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DE 10 2012 212 798 A1 hat ein Heizelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie die Verwendung des Heizelements zum Gegenstand. Das Heizelement umfasst mindestens einen thermoelektrischen Heizkörper, wobei der Heizkörper zumindest teilweise mit einem Leitmaterial gebildet ist und über mindestens zwei Leiterbahnen mit elektrischer Energie versorgt wird. Erfindungsgemäß sind die Leiterbahnen mittels eines thermischen Spritzverfahrens ausgebildet. In Folge der thermisch aufgespritzten Leiterbahnen ergibt sich eine gute elektrische Anbindung der Leiterbahnen an die leitfähigen Partikel innerhalb der Matrix des Leitmaterials des Heizkörpers. Ferner ergibt sich eine mechanisch belastbare Anbindung der Leiterbahnen an den Heizkörper. Dem Heizkörper kann eine Vielzahl von dreidimensionalen Formen verliehen werden, sodass sich für das Heizelement eine Vielzahl von Anwendungen ergibt. Der Heizkörper kann die Gestalt einer rohrartigen Fluidleitung haben, sodass das Heizelement neben seiner eigentlichen Heizfunktion zugleich auch andere konstruktiv vorgegebene Aufgaben erfüllt.
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Aufgrund der Funktionsintegration beziehungsweise einer Doppelfunktionalität ergeben sich bei diesem Heizelement signifikante konstruktive Vereinfachungen und Optimierungsmöglichkeiten.
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WO 2009/077269 A1 hat ein mehrkomponentiges Spritzgussteil mit stoffschlüssiger Abdichtung zum Gegenstand. Spritzgussbauteile können ein thermoplastisches Einlegeteil und ein auf das Einlegeteil gespritztes thermoplastisches Verbundelement aufweisen, wobei das zumindest eine Einlegeteil an seiner Grenzfläche zum Verbundelement mehrere in Schmelzflussrichtung hintereinander angeordnete als Anschmelzspitzen ausgebildete Erhöhungen aufweist. Das Spritzgussteil wird durch ein Spritzgießverfahren hergestellt, bei dem das Einlegeteil in ein Spritzgießwerkzeug angeordnet und darin ein Verbundelement eingespritzt wird. Die Erhöhungen sollen von der Schmelze des Verbundelements angeschmolzen werden, sodass sich eine stoffschlüssige, gasdichte Verbindung ergibt. Die zumindest eine Erhöhung weist an ihrer Schmelzflussanstromseite eine erste Schräge auf, wobei das Verhältnis der Höhe eines verengten Querschnitts zur Höhe der Erhöhung im Bereich zwischen 0,6 und 0,9 liegt.
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Zur Erwärmung von Körpern oder Medien, wie Gasen oder Flüssigkeiten, werden unterschiedlichste Heizelemente eingesetzt. Dazu zu zählen sind keramische PTC-Heizelemente, metallische Widerstandsheizungen oder auch Widerstandsheizungen auf Basis elektrisch leitfähiger Kunststoffe, wie sie aus
DE 10 2012 212 798 A1 hervorgehen. Mit letzteren lassen sich Flächenheizelemente realisieren. Um die auf der Fläche entstandene Wärme in einen weiteren Körper zu transferieren, der ebenfalls aus Kunststoffmaterial gefertigt ist, so zum Beispiel ein Gehäuse, in dem ein zu erwärmendes oder aufzutauendes Medium bevorratet wird, ist eine möglichst optimale Verbindung der beiden Kunststoffmaterialien miteinander notwendig.
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Zur Herstellung stoffschlüssiger Verbindungen ist bekannt, dass durch das Überspritzen von Schmelzrippen gemäß
WO 2009 077 269 A1 im Wege des Mehrkomponenten-Spritzgießens zwei Kunststoffbauteile abgedichtet miteinander verbunden werden können.
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Darstellung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Heizelement, welches ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial enthält, und einem Gehäuse aus einem Kunststoffmaterial, bei dem zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:
- a) Erzeugen einer Anschmelzstruktur an einer Fügeseite des Heizelements bei dessen Formgebung,
- b) Überspritzung der Fügeseite mit dem Kunststoffmaterial des Gehäuses,
- c) Anschmelzen der Anschmelzstruktur bei Durchführung von b) und Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung.
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Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren können zur Ausbildung einer Verbindung zwischen Heizelement und Gehäuse ansonsten erforderliche weitere Verbindungselemente wie Schnapphaken, Schraubenverbindungen, Clipverbindungen oder dergleichen eingespart werden. Des Weiteren ergibt sich durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung eine Ebene, insbesondere eine den Wärmetransfer begünstigende relativ großflächige Fläche zwischen den miteinander stoffschlüssig verbundenen Bauteilen Heizelement und Gehäuse.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird die stoffschlüssige Verbindung durch Deformation der Anschmelzstruktur und Einbettung deformierter Bereiche in das Kunststoffmaterial der miteinander zu fügenden Komponenten erreicht.
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Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren weiter folgend verläuft die Anschmelzstruktur an der Fügeseite des Heizelements parallel zur Stromflussrichtung, die sich innerhalb des Heizelements einstellt oder die Anschmelzstruktur kann alternativ an der Fügeseite des Heizelements in Querrichtung zur Stromflussrichtung im Heizelement verlaufen.
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In beiden Fällen ermöglicht die Schmelzstruktur, sei sie parallel zur Stromflussrichtung, sei sie quer zur Stromflussrichtung im Heizelement verlaufend, einen sehr guten Wärmeübergang zwischen den miteinander stoffschlüssig verbundenen Bauteilen Heizelement und Gehäuse.
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Insbesondere kann durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Heizelement und dem Gehäuse derart ausgebildet werden, dass die deformierten Bereiche der Anschmelzstruktur gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Eine gleichmäßige Beabstandung erzeugt eine Regelmäßigkeit der Abfolge deformierter und glatter Bereiche zwischen den miteinander stoffschlüssig verbundenen Bauteilen Heizelement und Gehäuse.
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In einer alternativen Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Heizelement, welches ein Kunststoffmaterial enthält, und einem Gehäuse, welches ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial enthält, eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt werden, wobei die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:
- a) Erzeugen einer Anschmelzstruktur an einer Fügeseite des Gehäuses bei dessen Formgebung,
- b) Überspritzung der Fügeseite mit dem Kunststoffmaterial des Heizelements und
- c) Anschmelzen der Anschmelzstruktur bei Durchführung von b) und Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung.
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Bei der alternativen Ausführung werden die beteiligten Komponenten umgekehrt und die Materialien vertauscht, jedoch ist die Vorgehensweise, gemäß der die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Heizelement und dem Gehäuse hergestellt wird, identisch.
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Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine stoffschlüssige Verbindung, hergestellt gemäß dem vorangehenden Verfahren zwischen einem Heizelement, das ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial enthält, und einem Gehäuse aus einem Kunststoffmaterial, wobei die Anschmelzstruktur an einer Fügeseite des Heizelements oder des Gehäuses erhaben über die Fügeseite hervorsteht. Die Anschmelzstruktur ermöglicht in vorteilhafter Weise ein punktuelles Anschmelzen der Anschmelzstruktur und die Ausbildung einer stoffschlüssigen dichtenden Verbindung ohne Lufteinschlüsse zwischen der Trennfuge der miteinander stoffschlüssig zu verbindenden Bauteile, im vorliegenden Falle des Heizelements sowie des Gehäuses.
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In vorteilhafter Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung ist die Anschmelzstruktur an der Fügeseite durch eine Abfolge aus Spitzen, Bögen, Stegen, Rippen, Zylindern, Kreuzstegen oder dergleichen gebildet.
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Die stoffschlüssige Verbindung weist eine Anschmelzstruktur auf, die als regelmäßiges Muster an der Fügeseite parallel zu einer Stromflussrichtung im Heizelement oder in Querrichtung zur Stromflussrichtung innerhalb des Heizelements verläuft.
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Schließlich bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Gehäuse und einem flächigen Tank-, Filter- oder Fördermodulheizelement eines Abgasnachbehandlungssystems, bei dem ein gefrierfähiges Reduktionsmedium eingesetzt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ermöglicht die Einsparung von Verbindungselementen zwischen den miteinander zu fügenden Bauteilen Heizelement und Gehäuse. Üblicherweise eingesetzte Verbindungselemente wie beispielsweise Schnapphaken, Schrauben, Clipverbindungen oder dergleichen entfallen ebenso wie die damit verbundenen Montageschritte. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich eine Kontaktfläche im Bereich einer Fuge zwischen den miteinander stoffschlüssig zu verbindenden Bauteile Heizelement und Gehäuse erreichen, die gleichmäßig voneinander beabstandete Verbundstellen aufweist. Dadurch steht möglichst die gesamte Fläche, d. h. die Kontaktfläche, die sich zwischen den miteinander stoffschlüssig gefügten Bauteilen Heizelement und Gehäuse ergibt, zum Wärmetransport zur Verfügung, ohne dass dieser beispielsweise durch bei dem Fügevorgang aufgetretene Lufteinschlüsse beeinträchtigt würde.
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Durch die an der Fügeseite entweder des Gehäuses oder des Heizelements vorgesehene Anschmelzstruktur, die in beliebiger Geometrie ausgebildet sein kann, können punktuelle Anschmelzstellen realisiert werden, die bei einer Überspritzung der Anschmelzstruktur mit einem fließfähigen Kunststoffmaterial deformierte Bereiche ergeben, die eine dichte und feste Verbindung beim Erkalten im Bereich der Fuge der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den miteinander stoffschlüssig gefügten Komponenten ergeben. Entsprechend der Anzahl und der Regelmäßigkeit des regelmäßigen Musters aus deformierten Bereichen im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung kann eine relativ große mechanische Stabilität der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den miteinander stoffschlüssig gefügten Bauteilen, nämlich des Heizelements und des Gehäuses erreicht werden. Durch die Anschmelzstruktur wird die wärmeübertragende Fläche (Schnittstelle zwischen Heizelement und Gehäuse) vergrößert.
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Figurenliste
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine Darstellung eines Heizelements mit einer Anschmelzstruktur,
- 2 eine Überspritzung des Heizelements gemäß 1 mit einem Kunststoffmaterial eines Gehäuses,
- 3 die Draufsicht auf ein Heizelement gemäß der Darstellung in 1,
- 4 eine Formfüllung einer Form für Kunststoffmaterial während der Überspritzung der Anschmelzstruktur ausgebildet an einer Fügeseite des Heizelements,
- 5 eine vergrößerte Darstellung eines deformierten Bereichs der Anschmelzstruktur im Bereich der Fuge zwischen Heizelement und Gehäuse und
- 6 schematische Darstellungen erhabener Geometrien der Anschmelzstruktur an der Fügeseite des Gehäuses oder des Heizelements.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 ist eine Seitenansicht eines Heizelements 10 zu entnehmen, welches beispielsweise aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist. An einer Oberseite 16 des Heizelements 10 gemäß der Darstellung in 1 verlaufen senkrecht zur Zeichenebene ein erster elektrischer Kontakt 12 sowie ein zweiter elektrischer Kontakt 14. Die beiden elektrischen Kontakte 12, 14 verlaufen in der Darstellung gemäß 1 senkrecht zur Zeichenebene. Aus der Darstellung gemäß 1 ergibt sich darüber hinaus, dass an einer Fügeseite 18 des Heizelements 10 eine Anschmelzstruktur 20 ausgebildet ist.
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2 zeigt eine Überspritzung 26 der Anschmelzstruktur 20 an der Fügeseite 18 des Heizelements 10.
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Aus der Darstellung gemäß 2 ergibt sich, dass im Rahmen einer Überspritzung 26 das Material der Anschmelzstruktur 20 an der Fügeseite 18 des Heizelements 10 vom Kunststoffmaterial 28, aus welchem ein Gehäuse 22 beziehungsweise eine Gehäusewand 24 gefertigt ist, überdeckt wird. Analog zur Darstellung gemäß 1 verlaufen auf der Oberseite 16 des Heizelements 10, das bevorzugt aus einem thermoplastischen Material gefertigt wird, der erste elektrische Kontakt 12 und der zweite elektrische Kontakt 14 parallel zueinander in Richtung der Zeichenebene gemäß 2. Durch das Anschmelzen der Anschmelzstruktur 20 bei der Überspritzung 26 der Anschmelzstruktur 20 durch das Kunststoffmaterial 28 des Gehäuses 22 oder der Gehäusewand 24, ergibt sich eine stoffschlüssige Verbindung 30, im vorliegenden Falle eine Einbettung der Geometrie der Anschmelzstruktur 20 in das Kunststoffmaterial 28, aus dem das Gehäuse 22 beziehungsweise die Gehäusewand 24 gefertigt wird.
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Durch die stoffschlüssige Verbindung 30 zwischen dem flächigen Heizelement 10, das aus einem Thermoplasten gefertigt ist und elektrisch leitfähigen Kunststoff enthält, resultiert ein Wärmefluss 32 an ein Medium 34 beispielsweise an ein gefrierfähiges Reduktionsmittel, das im Rahmen von Abgasnachbehandlungssystemen zur Abgasnachbehandlung von Verbrennungskraftmaschinen zum Einsatz kommt.
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3 zeigt von der Oberseite her eine Draufsicht auf das flächige Heizelement 10. Wie aus der Draufsicht gemäß 3 hervorgeht, verlaufen die beiden elektrischen Kontakte 12, 14 parallel zu einander. Es stellt sich gemäß 3 ein Stromfluss 36 in Stromflussrichtung 38 vom ersten elektrischen Kontakt 12 zum zweiten elektrischen Kontakt 14 ein. Die Stromflussrichtung 38 verläuft in Längsrichtung 52. Die an der Unterseite des flächigen Heizelements 10 ausgebildete Anschmelzstruktur 20, die in 3 nicht dargestellt ist, kann sich entweder in Form eines gleichmäßigen Musters in Längsrichtung 52 des flächigen Heizelements 10 oder senkrecht dazu, d. h. in Querrichtung 54 des Heizelements 10 erstrecken. Durch den Stromfluss 36, der sich in Stromflussrichtung 38 im flächigen Heizelement 10 einstellt, erfolgt ein Wärmefluss 32 an ein zu erwärmendes oder aufzutauendes Medium 34, wie zum Beispiel einen gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoff, wie er im Rahmen der SCR-Abgasnachbehandlung in Abgasnachbehandlungssystemen für Abgase von Verbrennungskraftmaschinen zum Einsatz kommt.
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4 zeigt in schematischer Weise eine Formfüllung 42 einer Form 40, in welche in Strömungsrichtung 44 ein fließfähiges Kunststoffmaterial 28 eingebracht wird. Aus dem fließfähigen Kunststoffmaterial 28 wird im Rahmen der Überspritzung 26 die Gehäusewand 24 des Gehäuses 22 gefertigt. Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass das Kunststoffmaterial 28 bei der Formfüllung 42 in die Form 40 kriecht, dabei die Geometrie an der Fügeseite 18, d. h. die Anschmelzstruktur 20, erwärmt und deformiert. Entsprechend der Fließrichtung des Kunststoffmaterials 28 erfolgt eine vollständige Formfüllung 42 der Form 40 in Strömungsrichtung 44. Hat das Kunststoffmaterial 28 die Form 40 vollständig ausgefüllt, entsteht die stoffschlüssige Verbindung 30 zwischen der Anschmelzstruktur 20 an der Fügeseite 18 des flächigen Heizelements 10 einerseits und dem Kunststoffmaterial 28, aus dem die Gehäusewand 24 des Gehäuses 22 gefertigt wird, andererseits.
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5 zeigt in schematischer Weise in vergrößerter Darstellung einen deformierten Bereich 50 der Anschmelzstruktur 20 an der Fügeseite 18 des flächigen Heizelements 10. Aus der Darstellung gemäß 5 geht hervor, dass bei einer Formfüllung 42 der Form 40 mit dem Kunststoffmaterial 28 die Geometrie der Anschmelzstruktur 20 eine Deformation 46 enthält. Dies bedeutet, dass im Bereich einer Fuge 48 zwischen der Fügeseite 18 des flächigen Heizelements 10 einerseits und der Oberseite des Kunststoffmaterials 28, aus dem das Gehäuse 22, insbesondere die Gehäusewand 24 gefertigt wird, deformierte Bereiche 50, durch Anschmelzung und Materialverschleppung entstehen. Innerhalb dieser deformierten Bereiche 50 sind die beiden stoffschlüssig miteinander zu fügenden Bauteile Heizelement 10 und Gehäuse 22 miteinander verkrallt und bilden eine dichtende Kontaktfläche ohne Lufteinschlüsse, die einen hervorragenden Wärmeübergang zwischen den beiden miteinander stoffschlüssig gefügten Bauteilen, nämlich dem Heizelement 10 und dem Gehäuse 22, ermöglicht.
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6 zeigt in schematischer Weise die Anschmelzstruktur 20, die an der Fügeseite 18 - in diesem Fall am Heizelement 10 - ausgeführt ist. Die Anschmelzstruktur 20 umfasst im Allgemeinen ein regelmäßiges Muster aus Spitzen 56, Stegen 58, Rippen 60, Zylindern 62, Kreuzstegen 64 oder auch Bögen 68. Die Anschmelzstruktur 20 wie sie in verschiedenen geometrischen Ausprägungen in 6 dargestellt ist, kann sowohl an der Fügeseite 18 des Heizelements 10 als auch am Gehäuse 22 ausgeführt werden.
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Wenngleich beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren die Anschmelzstruktur 20 an der Fügeseite 18 des flächigen Heizelements 10 aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial , Thermoplast, vorgesehen ist, welches mit dem Kunststoffmaterial 28 des Gehäuses 22 beziehungsweise der Gehäusewand 24 eine stoffschlüssige Verbindung 30 bildet, kann auch eine andere Vorgehensweise gewählt werden.
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Gemäß dieser alternativen Vorgehensweise kann das Gehäuse 22 zunächst hergestellt werden, an dem dann Anschmelzpunkte oder die Anschmelzstruktur 20 ausgebildet werden und in einem zweiten Schritt im Rahmen der Überspritzung 26 das Kunststoffmaterial 28 des Heizelements 10 eingegossen wird.
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In beiden Verfahrensvarianten wird ein hervorragender Wärmeübergang durch die stoffliche Verbindung der beiden Materialien, d. h. eines Thermoplastmaterials 66, des Heizelements 10 beziehungsweise des Gehäuses 22 erreicht; des Weiteren können bisher eingesetzte Verbindungselemente wie Schnapphaken, Schrauben, Clipverbindungen oder dergleichen eingespart werden, ebenso wie die damit einhergehenden Montageschritte.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung entsteht eine ebene Kontaktfläche im Bereich der Fuge 48 zwischen den miteinander zu fügenden Bauteilen, d. h. dem flächigen Heizelement 10 einerseits und der Gehäusewand 24 oder des Gehäuses 22 andererseits. Es lassen sich eine Vielzahl regelmäßig voneinander beabstandeter deformierter Bereiche 50, gebildet durch die angeschmolzene Anschmelzstruktur 20, ausbilden, sodass möglichst die gesamte Fläche zwischen den miteinander stoffschlüssig gefügten Bauteilen Heizelement 10 und Gehäuse 22 zum Transfer der Wärme zur Verfügung stehen. Dadurch können möglicherweise auftretende Hot Spots mit zu hohen Temperaturen und Ausfälle weitestgehend vermieden werden. Wie bereits erwähnt, können die einzelnen Geometrien der Anschmelzstruktur 20, die an der Fügeseite 18 entweder des Heizelements 10 oder des Gehäuses 22 beziehungsweise der Gehäusewand 24 ausgebildet werden, sowohl in Längsrichtung 52 als auch in Querrichtung 54 zur Stromflussrichtung 38 ausgeführt seien. Auch eine elektrische Isolation nach außen ist möglich. Dies kann zum Beispiel durch einen Deckel oder einen Verguss realisiert werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012212798 A1 [0002, 0005]
- WO 2009/077269 A1 [0004]
- WO 2009077269 A1 [0006]
