DE102022205705A1

DE102022205705A1 - Heizeinrichtung zum Heizen eines Fluids

Info

Publication number: DE102022205705A1
Application number: DE102022205705.8A
Authority: DE
Inventors: Klaus Irmler; Michael Kohl; Jens Richter; Christoph Walter; Robin Wanke
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2022-06-03
Filing date: 2022-06-03
Publication date: 2023-12-14
Also published as: CN117167964A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung (1) zum Heizen eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, welche ein Strömungsvolumen (2) aufweist, durch welches ein Strömungspfad (3) des Fluids führt.
Eine erhöhte Effizienz sowie ein vereinfachter Betrieb der Heizeinrichtung (1) ergeben sich dadurch, dass die Heizeinrichtung (1) zumindest ein Heizelement (4) mit einer elektrisch isolierenden Hülle (5) und einem in der Hülle (5) aufgenommenen Dickschichtheizer (6) aufweist, wobei elektrische Anschlüsse (7) zur elektrischen Versorgung des Dickschichtheizers (6) aus einer Stirnseite (8) der Hülle (5) ragen. Das zumindest eine Heizelement (4) ragt in das Strömungsvolumen (2), sodass die Hülle (5) im Strömungspfad (3) angeordnet ist, wobei die elektrischen Anschlüsse (7) vom Fluid fluidisch getrennt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung zum Heizen eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, welche ein Strömungsvolumen aufweist, durch welches das Fluid strömt.
Eine Heizeinrichtung zum Heizen eines Fluids weist üblicherweise ein Volumen auf, durch welches das Fluid zwecks Heizen strömt. In diesem nachfolgend auch als Strömungsvolumen bezeichneten Volumen erfolgt eine Wärmeübertragung auf das Fluid mittels zumindest eines Heizelements. Derartige Heizelemente sind üblicherweise elektrisch betrieben. Um eine elektrische Trennung der Heizelemente von dem Fluids zu erreichen, ist es vorstellbar, mehrere derartige Heizelemente in einem Rohrkörper aufzunehmen. In der Folge kommt es zu erhöhten thermischen Verlusten bei der Wärmeübertragung vom Heizelement auf das Fluid.
Aus dem Stand der Technik sind Heizeinrichtungen mit Heizelemente bekannt, welche PTC-Elemente aufweisen, die im Betrieb bei elektrischer Versorgung Wärme erzeugen. Derartige Heizeinrichtungen sind beispielsweise aus der EP 3 334 242 B1 , EP 3 334 246 B1 , EP 3 405 001 B1 , EP 3 416 456 B1 , DE 10 2019 204 472 A1 , DE 10 2019 202 543 A1 , DE 10 2019 204 401 A1 , DE 10 2019 204 665 A1 , DE 10 2019 208 130 A1 , DE 20 2019 005 223 U1 sowie US 2021/0045194 A1 bekannt. Bekannt ist es dabei, die PTC-Elemente mit einer elektrisch isolierenden Hülle zu umhüllen und somit die PTC-Elemente und Hüllen aufweisenden Heizelemente im Strömungsvolumen anzuordnen. In der Hülle liegen am jeweiligen PTC-Element seitlich zwei Leisten zur elektrischen Versorgung der PTC-Elemente an.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, für eine Heizeinrichtung der eingangs genannten Art eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere Nachteile aus dem Stand der Technik beseitigt. Insbesondere beschäftigt sich die vorliegende Erfindung der Aufgabe, für die Heizeinrichtung eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform anzugeben, welche sich durch eine erhöhte Effizienz und/oder eine vereinfachte Herstellung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht demnach auf dem allgemeinen Gedanken, in einer Heizeinrichtung ein Heizelement mit einem Dickschichtheizer auszustatten, welcher von einer elektrisch isolierenden Hülle umhüllt ist, wobei aus einer Stirnseite der Hülle elektrische Anschlüsse zur elektrischen Versorgung des Dickschichtheizers ragen, und wobei die Hülle in der Strömung eines zu heizenden Fluids angeordnet ist und die Anschlüsse vom Fluid fluidisch getrenntsind. Der Einsatz des Dickschichtheizers erlaubt es, elektrische Anschlüsse lediglich an beiden Enden des Dickschichtheizers anzubringen und aus der Hülle zu führen. Dies führt zu einer erheblichen Vereinfachung der Herstellung des Heizelements und somit der Heizeinrichtung. Im Vergleich zu Heizelementen mit sogenannten PTC-Elementen ist die Hülle somit kleiner, kann insbesondere näher und unmittelbar am Dickschichtheizer angeordnet werden, sodass die Wärmeverluste bei der Übertragung vom Dickschichtheizer auf die Hülle reduziert und folglich die Effizienz der Heizeinrichtung erhöht ist. Durch den Einsatz des Dickschichtheizers wird ferner im Vergleich zu PTC-Elementen die ausgeprägte Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Temperatur vermieden oder zumindest reduziert. Insbesondere wird der bei PTC-Elementen übliche Sprung des elektrischen Stroms beim Durchlaufen des minimalen Widerstands vermieden. Dies führt zu einem vereinfachten Betrieb der Heizeinrichtung. Zudem lässt sich die Heizeinrichtung, insbesondere das Heizelement flexibel und im Prinzip beliebig in der Strömung des Fluids anordnen.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist die Heizeinrichtung ein Volumen auf, durch welches das zu heizende Fluid strömt. Das Volumen wird nachfolgend auch als Strömungsvolumen bezeichnet. Durch das Strömungsvolumen führt somit ein Strömungspfad des Fluids führt. Die Heizeinrichtung weist ferner zumindest ein Heizelement auf. Das jeweilige Heizelement weist eine elektrisch isolierende Hülle auf, in welcher ein Dickschichtheizer aufgenommen ist, und welches zwei elektrische Anschlüsse zur elektrischen Versorgung des Dickschichtheizers aufweist. Die Anschlüsse ragen aus einer Stirnseite der Hülle. Das zumindest eine Heizelement ragt in das Strömungsvolumen, sodass die Hülle im Strömungspfad angeordnet ist. Dabei sind die elektrischen Anschlüsse des zumindest einen Heizelements vom Fluid fluidisch getrennt.
Die fluidische Trennung der Anschlüsse vom Fluid führt dazu, dass die Anschlüsse gegenüber dem Fluid elektrisch isoliert sind. Nachfolgend umfasst daher die fluidische Trennung der Anschlüsse auch die elektrische Isolierung gegenüber dem Fluid und die elektrische Isolierung der Anschlüsse die fluidische Trennung.
Der Dickschichtheizer ist dem Fachmann auch unter der englischen Bezeichnung „Thick-Film-Resistor“ oder kurz „TFR“ geläufig. Es handelt sich dabei also um einen „Dickschichtwiderstand“.
Bevorzugt erstreckt sich der Dickschichtheizer länglich bzw. streifenförmig. Dabei ist jeweils ein elektrischer Anschluss an einem zugehörigen Ende des Dickschichtheizers angebracht bzw. mit dem Dickschichtheizer elektrisch verbunden.
Mit der Heizeinrichtung können beliebige Fluide geheizt werden.
Vorteilhaft wird mit der Heizeinrichtung eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Kühlmittel, geheizt.
Die fluidische Trennung der Anschlüsse vom Fluid kann auf beliebige Weise erfolgen.
Vorstellbar ist es, die elektrischen Anschlüsse innerhalb des Strömungsraums mit einer von der Hülle separaten elektrischen Isolierung, beispielsweise aus Kunststoff, zu ummanteln und aus dem Strömungsraum zu führen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen erfolgt die fluidische Trennung der Anschlüsse vom Fluid dadurch, dass die Anschlüsse in einem vom Strömungsvolumen getrennten Volumen der Heizeinrichtung angeordnet sind, welches nachfolgend auch als Trockenvolumen bezeichnet wird. Die fluidische Trennung der Anschlüsse erfolgt somit durch die Anordnung der Anschlüsse im fluidisch vom Strömungsvolumen getrennten Trockenvolumen. Dies führt neben einer vereinfachten fluidische Trennung und elektrischen Isolierung der elektrischen Anschlüsse dazu, dass die elektrischen Anschlüsse außerhalb des Strömungspfads angeordnet sind und somit weder die Wärmeübertragung auf das Fluid noch die Strömung des Fluids negativ beeinflussen. Somit wird also die Effizienz der Heizeinrichtung erhöht.
Bevorzugt sind somit Ausführungsformen, bei denen die Heizeinrichtung das vom Strömungsvolumen getrennte Trockenvolumen aufweist, welches dem Strömungsvolumen benachbart ist. Dabei dringt das zumindest eine Heizelement mit der Stirnseite in das Trockenvolumen ein, sodass die elektrischen Anschlüsse im Trockenvolumen angeordnet und somit fluidisch vom Fluid getrennt sind.
Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen, bei denen eine gemeinsame Trennwand das Trockenvolumen vom Strömungsvolumen trennt. Die Trennwand weist für zumindest eines der wenigstens einen Heizelemente, bevorzugt für das jeweilige Heizelement, eine zugehörige Öffnung auf, welche nachfolgend auch als Durchführöffnung bezeichnet wird. Das zumindest eine Heizelement dringt dabei mit der Stirnseite durch die zugehörige Durchführöffnung in das Trockenvolumen, sodass die elektrischen Anschlüsse in Trockenvolumen angeordnet sind. Die gemeinsame Trennwand führt dazu, dass ein größerer Anteil des Heizelements und somit der Hülle im Strömungsvolumen angeordnet ist, sodass es zu einer erhöhten Wärmeübertragung auf das Fluid und somit zu einer verbesserten Effizienz kommt.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen in zumindest einer der wenigstens einen Durchführöffnungen, bevorzugt in der jeweiligen einen Durchführöffnung, eine Dichtung angeordnet ist, welche das Trockenvolumen gegenüber dem Strömungsvolumen fluidisch abdichtet. Dies führt zu einer verbesserten Abdichtung der Volumina gegeneinander und somit zu einer verbesserten und zuverlässigen fluidischen Trennung und elektrischen Isolierung der Anschlüsse.
Die jeweilige zumindest eine Hülle kann prinzipiell beliebig ausgebildet sein, sofern sie elektrisch isolierend ist und somit den Dickschichtheizer im Strömungsvolumen elektrisch isoliert.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Hülle ein Substrat aufweist, welches elektrisch isolierend ist und auf dem der Dickschichtheizer aufgebracht, insbesondere beschichtet, ist. Somit kommt es zu einer verbesserten Wärmeübertragung vom Dickschichtheizer auf das Substrat und somit von der Hülle auf das Fluid. In der Folge ist die Effizienz der Heizeinrichtung gesteigert.
Bevorzugt sind dabei Ausführungsformen, bei denen die Hülle eine Abdeckung aufweist, welche elektrisch isolierend ist. Dabei liegt die Abdeckung auf der vom Substrat abgewandten Seite des Dickschichtheizers auf dem Dickschichtheizer und auf dem Substrat. Somit kommt es zu einer erhöhten Wärmeübertragung vom Dickschichtheizer auf die Abdeckung und somit von der Abdeckung auf das Fluid. Folglich ist die Effizienz der Heizeinrichtung erhöht.
Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Hülle zumindest einer der wenigstens einen Heizelemente, vorteilhaft des jeweiligen Heizelements, aus dem Substrat und der Abdeckung besteht. Dies führt zu reduzierten Wärmeverluste und somit zu einer erhöhten Effizienz der Heizeinrichtung.
Eine Erhöhung der Effizienz der Heizeinrichtung kann dadurch erreicht werden, dass im Strömungsvolumen an zumindest einer der wenigstens einen Hüllen eine Rippenstruktur angebracht ist, welche im Strömungspfad angeordnet ist. Die Rippenstruktur führt zu einer Erhöhung der wärmeübertragenden Fläche und somit zu einer erhöhten Effizienz. Zudem führt die Rippenstruktur zu einer mechanischen Stabilisierung des Heizelements. Darüber hinaus führt die Rippenstruktur zu einer einfachen und präzisen Anordnung des Heizelements im Strömungsraum. Insbesondere lassen sich aufeinanderfolgende Heizelemente mittels gemeinsamer Rippenstrukturen relativ zueinander im Strömungsvolumen anordnen und/oder fixieren.
Prinzipiell kann die jeweilige Rippenstruktur lediglich mittelbar an der zugehörigen Hülle angebracht sein. Das heißt, dass zwischen der Rippenstruktur und der zugehörigen Hülle weitere Komponenten vorgesehen sein können.
Als bevorzugt gelten Ausführungsformen, bei denen zumindest eine der wenigstens einen Rippenstrukturen, bevorzugt die jeweilige Rippenstruktur, unmittelbar an der zugehörigen zumindest einen Hülle angebracht ist. Dies führt zu reduzierten Wärmeverlusten zwischen der Hülle und der Rippenstruktur und somit zu einer verbesserten Wärmeübertragung auf das Fluid und folglich zu einer erhöhten Effizienz.
Die jeweilige Rippenstruktur kann auf beliebige Weise an der zumindest einen zugehörigen Hülle angebracht sein.
Vorteilhaft ist zumindest eine der wenigstens einen Rippenstrukturen, bevorzugt die jeweilige Rippenstruktur, stoffschlüssig, bevorzugt mittels Kleben, an der zumindest einen zugehörigen Hülle angebracht. Dies führt zu einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen der Hülle und der Rippenstruktur.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen sich die Hülle zumindest eines der wenigstens einen Heizelemente, bevorzugt des jeweiligen Heizelements, länglich erstreckt. Das heißt, dass die Hülle und somit das Heizelement in einer Richtung, welche nachfolgend auch als Längsrichtung bezeichnet wird, länglich geformt ist. Somit ist also die Hülle, insbesondere das Heizelement, in Längsrichtung größer als in einer quer zur Längsrichtung verlaufenden Querrichtung sowie in einer quer zur Längsrichtung und quer zur Querrichtung verlaufenden Höhenrichtung. In der Folge kommt es zu einer vergrößerten, im Strömungsraum angeordneten Fläche des Heizelements und somit zu einer erhöhten Wärmeübertragung auf das Fluid und somit einer erhöhten Effizienz.
Die Stirnseite, aus welcher die Anschlüsse des Heizelements ragen, ist bevorzugt eine solche in Längsrichtung oder in Querrichtung. Somit ist ein vergrößerter Abschnitt der Hülle und somit des Heizelements im Strömungspfad angeordnet. Als Resultat überträgt das Heizelement mehr Wärme auf das Fluid, sodass die Effizienz erhöht ist.
Vorstellbar ist es, dass die Stirnfläche, aus welcher die Anschlüsse ragen, eine solche in Längsrichtung ist. Bevorzugt ist es dabei, wenn die Längsrichtung quer oder geneigt zum Strömungspfad, bevorzugt quer zum Strömungspfad, verläuft. Das heißt, dass sich zumindest eine der wenigstens einen Heizelemente quer oder geneigt zum Strömungspfad, bevorzugt quer zum Strömungspfad, länglich erstreckt.
Vorstellbar ist es, dass die Stirnfläche, aus welcher die Anschlüsse ragen, eine solche in Querrichtung ist. Bevorzugt ist es dabei, wenn die Längsrichtung parallel zum Strömungspfad verläuft. Das heißt, dass sich zumindest eines der wenigstens einen Heizelemente entlang des Strömungspfads länglich erstreckt.
Die elektrisch isolierende Eigenschaft der Hülle ist vorzugsweise durch das Material bzw. den Werkstoff der Hülle gegeben. Das heißt, dass die Hülle bevorzugt intrinsisch elektrisch isolierend ist. Somit kommt es zu einer vereinfachten Herstellung der Hülle und somit des Heizelements und zugleich einer verbesserten Wärmeübertragung vom Dickschichtheizer auf die Hülle. Dies führt also zu einer vereinfachten Herstellung und einer erhöhten Effizienz der Heizeinrichtung.
Bevorzugt ist die Hülle zu diesem Zweck dielektrisch.
Die Hülle, insbesondere das Substrat und/oder die Abdeckung, kann aus einem Metalloxid und/oder aus Keramik, vorzugsweise aus Al₂O₃, hergestellt sein, vorteilhaft bestehen. Somit kommt zu einer vorteilhaften Wärmeübertragung zwischen dem Dickschichtheizer und der Hülle und folglich zu einer erhöhten Effizienz. Zudem lässt sich die Hülle und somit das Heizelement auf diese Weise kompakt herstellen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Hülle, insbesondere das Substrat und/oder die Abdeckung, einen elektrisch leitenden Kern und eine den Kern elektrisch isolierenden Beschichtung aufweisen, insbesondere bestehen. Der Kern ist vorteilhaft aus einem Metall oder einer Legierung. Die Beschichtung ist vorteilhaft Glaslot.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Glaslot als Material für das Substrat und/oder für die Abdeckung zum Einsatz kommen..
Die Heizeinrichtung weist vorteilhaft eine Leistungselektronik zur elektrischen Versorgung des zumindest einen Dickschichtheizers auf. Dabei sind die Anschlüsse des zumindest einen Dickschichtheizers elektrisch mit der Leistungselektronik verbunden.
Vorstellbar ist es, dass die Anschlüsse aus dem Trockenvolumen geführt und mit der Leistungselektronik verbunden werden, um den jeweils zugehörigen Dickschichtheizer elektrisch zu versorgen. Das heißt, dass die Leistungselektronik außerhalb des Trockenvolumens angeordnet ist.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Leistungselektronik im Trockenvolumen angeordnet und die Anschlüsse elektrisch mit der Leistungselektronik verbunden sind. Dies führt zu einem vereinfachten und kompakten Aufbau der Heizeinrichtung.
Prinzipiell kann das jeweilige zumindest eine Heizelement eine beliebige Form aufweisen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Hülle möglichst dünnwandig ausgebildet ist. Somit werden Wärmeverluste bei der Wärmeübertragung vom Dickschichtheizer auf das Fluid reduziert und somit die Effizienz erhöht.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen das Heizelement, insbesondere die Hülle, plattenförmig ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist das Heizelement, insbesondere die Hülle, scheibenförmig ausgebildet. Somit werden Wärmeverluste innerhalb des Heizelements minimiert und somit die Effizienz der Heizeinrichtung erhöht.
Der Dickschichtheizer kann innerhalb der Hülle einen beliebigen Verlauf aufweisen.
Vorstellbar ist es insbesondere, dass der Dickschichtheizer in der Hülle, insbesondere auf dem Substrat, einen mäanderförmigen Verlauf aufweist. Dies führt zu einem vereinfachten Anbringen des Dickschichtheizers im Heizelement sowie einer erhöhten, mit dem Dickschichtheizer versehenen Fläche des Heizelements. In der Folge kann mit dem Heizelement mehr Wärme auf das Fluid übertragen und folglich die Effizienz und/oder Leistung der Heizeinrichtung erhöht werden.
Es versteht sich, dass der Dickschichtheizer zumindest einer der wenigstens einen Heizelemente zwei- oder mehrteilig ausgebildet sein kann, wobei die Teile des Dickschichtheizers innerhalb der Hülle elektrisch voneinander verbunden sind. Dabei ist es vorstellbar, dass zumindest zwei der Teile des Dickschichtheizers unterschiedlich ausgestaltet sind, das heißt beispielsweise unterschiedliche Beschaffenheiten aufweisen.
Die Heizeinrichtung kann in beliebigen Anwendungen zum Einsatz kommen.
Die Heizeinrichtung kann beispielsweise in einem Kreislauf eingebunden sein, durch welchen im Betrieb das Fluid, insbesondere die Flüssigkeit, zirkuliert.
Der Kreislauf kann beispielsweise Bestandteil einer Klimaanlage sein, um einen Raum zu klimatisieren.
Die Heizeinrichtung, insbesondere der Kreislauf bzw. die Klimaanlage, können in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, um beispielsweise einen Innenraum des Kraftfahrzeugs zu heizen.
Die Heizeinrichtung kann ebenso in einer elektrischen Einrichtung, insbesondere in einer Leistungselektronik, zum Einsatz kommen. Denkbar ist es insbesondere, die Heizeinrichtung in einen Inverter, einem On-board-Charger, in einem Induktionsladegerät und dergleichen einzusetzen. Dabei ist es vorstellbar, die Ansteuerung, insbesondere eine PCB, der elektrischen Einrichtung im Trockengehäuse anzuordnen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch

1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung einer Heizeinrichtung in einem Kreislauf,
2 einen Schnitt durch die Heizeinrichtung,
3 einen Schnitt durch ein Heizelement der Heizeinrichtung,
4 eine Draufsicht auf das Heizelement ohne Abdeckung,
5 eine isometrische Ansicht der Heizeinrichtung bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
6 eine isometrische Ansicht der Heizeinrichtung bei einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Eine Heizeinrichtung 1, wie sie in den 1 und 2 sowie 5 und 6 beispielhaft gezeigt ist, dient dem Heizen eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit. Die Heizeinrichtung 1 ist, wie 1 entnommen werden kann, gewöhnlich Bestandteil eines Kreislaufs 50, in welchem das Fluid zirkuliert. Zu diesem Zweck weist der Kreislauf 50 ferner eine Fördereinrichtung 51 zum Fördern des Fluids auf. Der Kreislauf 50 kann weitere, nicht gezeigte Bestandteile, wie Wärmeübertrager, Expander und dergleichen, aufweisen. Wie in 1 angedeutet, können die Heizeinrichtung 1 bzw. der Kreislauf 50 Bestandteil eines im Übrigen nicht gezeigten Kraftfahrzeugs 100 sein, um im Kraftfahrzeug 100 ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, zu heizen.
Zum Heizen des Fluids in der Heizeinrichtung 1 strömt das Fluid, wie den 2 sowie 5 und 6 entnommen werden kann, durch ein Volumen 2 der Heizeinrichtung 1, welches nachfolgend auch als Strömungsvolumen 2 bezeichnet wird. Somit führt ein Strömungspfad 3 des Fluids durch das Strömungsvolumen 2.
Die Heizeinrichtung 1 weist zum Heizen des Fluids zumindest ein elektrisch betriebenes Heizelement 4 auf. Das jeweilige Heizelement 4 weist eine elektrisch isolierende Hülle 5 auf, in welcher ein Dickschichtheizer 6 (siehe 3 und 4) aufgenommen ist. Zudem weist das jeweilige Heizelement 4 zwei elektrische Anschlüsse 7 zur elektrischen Versorgung des Dickschichtheizers 6 auf, welche aus einer Stirnseite 8 der Hülle 5 ragen. In den 2 und 3 ist angesichtsbedingt lediglich ein elektrischer Anschluss 7 des jeweiligen Heizelements 4 sichtbar. In den 5 und 6 sind die elektrischen Anschlüsse 7 angesichtsbedingt nicht sichtbar. Wie den 2 sowie 5 und 6 entnommen werden kann, ragt das zumindest eine Heizelement 4 in das Strömungsvolumen 2, sodass die Hülle 5 im Strömungspfad 3 angeordnet ist. Somit ist die Hülle 5 in unmittelbarem Kontakt mit dem Fluid, sodass eine verbesserte Wärmeübertragung von der Hülle 5 auf das Fluid und somit eine erhöhte Effizienz der Heizeinrichtung 1 erreicht ist. Dabei sind die die elektrischen Anschlüsse 7 des zumindest einen Heizelements 4 vom Fluid fluidisch getrennt. Durch die fluidische Trennung erfolgt auch eine elektrische Isolierung der Anschlüsse gegenüber dem Fluid.
In den in den 2 sowie 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispielen weist die Heizeinrichtung 1 rein beispielhaft zwei Heizelemente 4 auf. Zudem sind in den gezeigten Ausführungsbeispielen die Heizelemente 4 der jeweiligen Heizeinrichtung 1 gleich ausgebildet.
Ein Dickschichtheizer 6 ist dem Fachmann auch unter der englischen Bezeichnung „Thick-Film-Resistor“ oder der Abkürzung „TRF“ geläufig. Der Dickschichtheizer 6 ist also ein „Dickschichtwiderstand“, der in den gezeigten Ausführungsbeispielen, wie den 3 und 4 entnommen werden kann, länglich und streifenförmig verläuft. Dabei ist jeweils ein elektrischer Anschluss 7 an einem zugehörigen Enden des Dickschichtheizers 6 angebracht und damit elektrisch verbunden.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen erfolgt die fluidische Trennung und elektrische Isolierung der Anschlüsse 7 vom Fluid dadurch, dass die Anschlüsse 7 in einem vom Strömungsvolumen 2 getrennten und dem Strömungsvolumen 2 benachbarten Volumen 11 angeordnet sind, welches nachfolgend auch aus Trockenvolumen 11 bezeichnet wird. Wie den 2 und 6 entnommen werden kann, wird das jeweilige Volumen 2, 11 innerhalb eines zugehörigen Gehäuses 16, 17 begrenzt. Das heißt, dass die Heizeinrichtung 1 ein Strömungsgehäuses 16 aufweist, welches das Strömungsvolumen 2 begrenzt und durch welches der Strömungspfad 3 führt. Zudem weist die Heizeinrichtung 1 ein Trockengehäuse 17 auf, welches das Trockenvolumen 11 begrenzt. Das Trockengehäuse 17 ist in den 5 und 6 zum besseren Verständnis lediglich in Konturen gezeigt. Das Strömungsgehäuse 16 ist in 6 zum besseren Verständnis lediglich in Konturen und in 4 nicht gezeigt. Das Strömungsgehäuse 16 weist, wie lediglich in 6 gezeigt, einen Einlass 20 zum Einlassen des Fluids in das Strömungsvolumen 2 sowie einen Auslass 21 zum Auslassen des Fluids aus dem Strömungsvolumen 2 auf.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen trennt eine gemeinsame Trennwand 12 das Trockenvolumen 11 vom Strömungsvolumen 2. Das heißt, dass die Gehäuse 16, 17 die Trennwand 12 gemeinsam aufweisen. Die Trennwand 12 weist für das jeweilige Heizelement 4 eine zugehörige Öffnung 13 auf, welche nachfolgend auch als Durchführöffnung 13 bezeichnet wird. Das jeweilige Heizelement 4 dringt mit der Stirnseite 8, aus welcher die elektrischen Anschlüsse 7 ragen, durch die zugehörige Durchführöffnung 13, sodass die elektrischen Anschlüsse 7 im Trockenvolumen 11 angeordnet und fluidische vom Fluid getrennt sowie elektrisch gegenüber dem Fluid isoliert sind. Zu diesem Zweck ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen in der jeweiligen Durchführöffnung 13 eine zugehörige Dichtung 14 angeordnet, welche das Trockenvolumen 11 gegenüber dem Strömungsvolumen 2 fluidisch abdichtet.
Wie den 3 und 4 entnommen werden kann, besteht die Hülle 5 in den gezeigten Ausführungsbeispielen aus einem Substrat 9 und einer Abdeckung 10, wobei die Abdeckung 10 in der in 4 gezeigten Draufsicht zum besseren Verständnis nicht gezeigt ist. Das Substrat 9 und die Abdeckung 10 sind jeweils elektrisch isolierend. Beispielsweise weisen das Substrat 9 und/oder die Abdeckung 10 Al₂O₃ bzw. Keramik auf oder bestehen aus Al₂O₃ bzw. Keramik. Ebenso können das Substrat 9 und/oder die Abdeckung 10 einen nicht gezeigten Kern aus Metall oder Metalllegierung und eine nicht gezeigte elektrisch isolierende Beschichtung des Kerns, beispielsweise aus Glaslot, aufweisen, oder aus dem Kern und der Beschichtung bestehen. Der Dickschichtheizer 6 ist auf dem Substrat 9 aufgebracht. Wie 4 entnommen werden kann, verläuft in den gezeigten Ausführungsbeispielen der Dickschichtheizer 6 rein beispielhaft mäanderförmig, ist also mäanderförmig auf dem Substrat 9 aufgebracht. Die Abdeckung 10 liegt auf der vom Substrat 9 abgewandten Seite des Dickschichtheizers 6 auf dem Dickschichtheizer 6 und dem Substrat 9. Vorstellbar wäre es alternativ, den auf dem Substrat 9 aufgebrachten Dickschichtheizer 6 mit Glaslot zu bedecken (nicht gezeigt).
Das Heizelement 4 erstreckt sich in den gezeigten Ausführungsbeispielen in einer Richtung 200 länglich, wobei die Richtung 200 nachfolgend aus als Längsrichtung 200 bezeichnet wird. Somit ist das Heizelement 4, insbesondere die Hülle 5, in Längsrichtung 200 größer als in einer quer zur Längsrichtung 200 verlaufenden Querrichtung 201 und größer als in einer quer zur Längsrichtung 200 und quer zur Querrichtung 201 verlaufenden Höhenrichtung 202. Die Erstreckung in Höhenrichtung 202 ist dabei erheblich kleiner als die Erstreckung in Längsrichtung 200 und in Querrichtung 201. Somit ist das Heizelement 4 scheibenförmig ausgebildet und weist dabei flache und ebene Oberflächen 19 auf, welche sich in Längsrichtung 200 und Querrichtung 201 erstrecken und in Höhenrichtung 202 zueinander beabstandet sind. Eine der Oberflächen 19 ist die vom Dickschichtheizer 6 abgewandte Seite des Substrats 9 und die andere Oberfläche 19 die vom Dickschichtheizer 6 abgewandten Seite der Abdeckung 10. In den gezeigten Ausführungsbeispielen verläuft der Strömungspfad 3 entlang der Oberflächen 19.
Das in den 3 und 4 gezeigte Heizelement 4 kommt in der Heizeinrichtung 1 des Ausführungsbeispiels der 2 zum Einsatz. Dabei ist die Stirnseite 8, aus welcher die Anschlüsse 7 ragen, eine Stirnseite 8 in Längsrichtung 200. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das jeweilige Heizelemente 4 quer zum Strömungspfad 3 länglich. Das heißt, dass die Längsrichtung 200 quer zum Strömungspfad 3 verläuft.
In den in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispielen kommen Heizelemente 4 zum Einsatz, welche sich von den in den 2 bis 4 gezeigten Heizelement 4 dadurch unterscheiden, dass die Stirnseite 8, aus welcher die Anschlüsse 7 ragen, eine solche in Querrichtung 201 und somit quer zur Längsrichtung 200 ist. In den gezeigten Ausführungsbeispielen erstreckt sich das jeweilige Heizelement 4 dabei entlang des Strömungspfads 3 länglich. Das heißt, dass die Längsrichtung 200 parallel zum Strömungspfad 3 verläuft.
Wie den 2 und 6 entnommen werden kann, kann die Heizeinrichtung 1 im Strömungsvolumen 2 zumindest eine Rippenstruktur 15 aufweisen, welche im Strömungspfad 3 angeordnet und durchströmbar ist. Die jeweilige Rippenstruktur 15 ist an zumindest einer der Hüllen 5 angebracht. Die Rippenstruktur 15 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen an zumindest einer der Oberflächen 19 angebracht. Wie insbesondere 2 entnommen werden kann, ist insbesondere zwischen den aufeinanderfolgenden Heizelementen 4 eine gemeinsame solche Rippenstruktur 15 angeordnet, welche an den Hüllen 5 der Heizelemente 4 angebracht ist. Dabei ist die Rippenstruktur 15 in den gezeigten Ausführungsbeispielen unmittelbar an der jeweiligen zugehörigen Hülle 5, beispielsweise mittels Kleben, angebracht.
Wie den 5 und 6 entnommen werden kann, kann die Heizeinrichtung 1 im Trockenvolumen 11 eine Leistungselektronik 18 zur elektrischen Versorgung des zumindest einen Heizelements 4 aufweisen, wobei in den 5 und 6 lediglich eine Leiterplatte 22 der Leistungselektronik 18 sichtbar ist. Dabei sind die Anschlüsse 7 der Heizelemente 4 elektrisch mit der Leistungselektronik 18 verbunden (nicht gezeigt). Wie den 5 und 6 ferner entnommen werden kann, weist die Heizeinrichtung 1 zwei elektrische Versorgungsanschlüsse 23 zum elektrischen Verbinden der Leistungselektronik 18 mit einer externen elektrischen Energiequelle (nicht gezeigt) auf. Die Versorgungsanschlüsse 23 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft zum Strömungsvolumen 2 und Strömungsgehäuse 16 beabstandet an der Trennwand 12 angebracht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3334242 B1 [0003]
EP 3334246 B1 [0003]
EP 3405001 B1 [0003]
EP 3416456 B1 [0003]
DE 102019204472 A1 [0003]
DE 102019202543 A1 [0003]
DE 102019204401 A1 [0003]
DE 102019204665 A1 [0003]
DE 102019208130 A1 [0003]
DE 202019005223 U1 [0003]
US 2021/0045194 A1 [0003]

Claims

Heizeinrichtung (1) zum Heizen eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, - mit einem Strömungsvolumen (2), durch welches ein Strömungspfad (3) des Fluids führt, sodass das Fluid im Betrieb durch das Strömungsvolumen (3) strömt, - mit zumindest einem Heizelement (4), welches eine elektrisch isolierende Hülle (5) aufweist, in welcher ein Dickschichtheizer (6) aufgenommen ist, und welches zwei elektrische Anschlüsse (7) zur elektrischen Versorgung des Dickschichtheizers (6) aufweist, welche aus einer Stirnseite (8) der Hülle (5) ragen, - wobei das zumindest eine Heizelement (4) in das Strömungsvolumen (2) ragt, sodass die Hülle (5) im Strömungspfad (3) angeordnet ist, - wobei die elektrischen Anschlüsse (7) des zumindest einen Heizelements (4) vom Fluid fluidisch getrennt sind.
Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass die Heizeinrichtung (1) ein vom Strömungsvolumen (2) getrenntes Trockenvolumen (11) aufweist, das dem Strömungsvolumen (2) benachbart ist, - dass das zumindest eine Heizelement (4) mit der Stirnseite (8) in das Trockenvolumen (11) eindringt, sodass die elektrischen Anschlüsse (7) im Trockenvolumen (11) angeordnet und somit fluidische vom Fluid getrennt sind.
Heizeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, - dass eine gemeinsame Trennwand (12) das Trockenvolumen (11) vom Strömungsvolumen (2) trennt, - dass die Trennwand (12) für zumindest eines der wenigstens einen Heizelemente (4) eine zugehörige Durchführöffnung (13) aufweist, durch welche das zugehörige Heizelement (4) mit der Stirnseite (8) in das Trockenvolumen (11) eindringt, sodass die elektrischen Anschlüsse (7) im Trockenvolumen (11) angeordnet sind.
Heizeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der jeweiligen zumindest einen Durchführöffnung (13) eine Dichtung (14) angeordnet ist, welche das Trockenvolumen (11) gegenüber dem Strömungsvolumen (2) fluidisch abdichtet.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (5) ein Substrat (9) und eine Abdeckung (10) umfasst, insbesondere aus dem Substrat (9) und der Abdeckung (10) besteht, wobei der Dickschichtheizer (6) auf dem Substrat (9) aufgebracht ist und die Abdeckung (10) auf der vom Substrat (9) abgewandten Seite des Dickschichtheizers (6) auf dem Dickschichtheizer (6) und dem Substrat (9) liegt.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsvolumen (2) an zumindest einer der wenigstens einen Hüllen (5) eine Rippenstruktur (15) angebracht ist, welche im Strömungspfad (3) angeordnet ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der wenigstens einen Rippenstrukturen (15) unmittelbar an der Hülle (5), insbesondere stoffschlüssig, angebracht ist.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hülle (5) zumindest eines der wenigstens einen Heizelemente (4) in einer Längsrichtung (202) länglich erstreckt,
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest eines der wenigstens einen Heizelemente (4) quer oder geneigt zum Strömungspfad (3) länglich erstreckt.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest eines der wenigstens einen Heizelemente (4) parallel zum Strömungspfad (3) länglich erstreckt.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (5) zumindest teilweise aus Al₂O₃ und/oder Keramik hergestellt ist, insbesondere besteht.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (5) zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Kern mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung hergestellt ist, insbesondere besteht.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (1) im Trockenvolumen (11) eine Leistungselektronik (18) zur elektrischen Versorgung des zumindest einen Heizelements (4) aufweist, mit welcher die elektrischen Anschlüsse (7) elektrisch verbunden sind.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der wenigstens einen Heizelemente (4) scheibenförmig ausbildet ist.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der wenigstens einen Dickschichtheizer (6) in der zugehörigen Hülle (5) mäanderförmig verläuft.