EP3305016B1 - Elektrische heizeinrichtung für mobile anwendungen - Google Patents

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EP3305016B1
EP3305016B1 EP16732221.3A EP16732221A EP3305016B1 EP 3305016 B1 EP3305016 B1 EP 3305016B1 EP 16732221 A EP16732221 A EP 16732221A EP 3305016 B1 EP3305016 B1 EP 3305016B1
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EP
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heating conductor
heating device
electric heating
substrate
track sections
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Tino KLINKMÜLLER
Stephan Buckl
Daniel Eckert
Christian Hainzlmaier
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Webasto SE
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    • H05B2203/023—Heaters of the type used for electrically heating the air blown in a vehicle compartment by the vehicle heating system

Definitions

  • the present invention relates to an electric heating device for mobile applications, in particular such an electric heater, which has a substrate and a heat conductor layer formed on the substrate, which has at least one extending in a main plane Edelleiterbahn.
  • a heating device for mobile applications is understood in the present context to mean a heating device which is designed for use in mobile applications and adapted accordingly. This means, in particular, that it is transportable (possibly permanently installed in a vehicle or merely accommodated for transport therein) and is not designed exclusively for a permanent, stationary use, as is the case, for example, when heating a building.
  • the heating device can also be permanently installed in a vehicle (land vehicle, ship, etc.), in particular in a land vehicle.
  • it may be designed to heat a vehicle interior, such as a land, water or air vehicle, as well as a partially open space, such as those found on ships, especially yachts.
  • the heater can also be used temporarily stationary, such as in large tents, containers (for example, construction containers), etc.
  • the electric heater for mobile applications as a stationary or auxiliary heater for a land vehicle, such as be designed for a caravan, a camper, a bus, a car, etc.
  • WO 2013/186106 A1 describes an electric heating device for a motor vehicle with a heating resistor designed as a conductor track on a substrate.
  • the conductor track is bifilar and in the area of a conductor track deflection in the opposite direction, a widened insulation area is provided.
  • the widened insulation region is intended to cause a current flow to set as far as possible through the full width of the conductor track, in order to avoid areas which flow through locally on the inside and areas which are poorly flowed through in the outer edge region of the conductor track.
  • the electric heater for mobile applications has a substrate and a heating conductor layer formed on the substrate.
  • the Kleinleiter Anlagen has at least one Kirschbahn which extends in a main plane on the substrate, wherein the Schuleiterbahn is structured such that a plurality of juxtaposed, separated by Isolierunterbrechungen separated track sections is formed and at least one reversal point is provided on which the Schuleiterbahn such is deflected, that inner track sections with mutually opposite directions of flow of current adjacent and parallel to each other.
  • the distance between the adjacent inner track sections with mutually opposite directions of current flow is formed locally widened in the region of the turning point on the inside.
  • the width of the track sections is locally reduced to minimize localized broadening on the inner side between the inner track sections and the inner track section Projecting the inner track sections to compensate.
  • the main plane on the substrate in which the Edelleiterbahn extends need not necessarily be flat, but may also be curved or curved, for example, as well as the substrate does not have to be flat, but also arched or curved can be.
  • the heating conductor track in the main plane is deflected by at least substantially 180 °.
  • the width of the track sections is locally reduced in the further outer track sections to compensate for the local broadening on the inside between the inner track sections and the projection of the inner track sections, a particularly compact design is made possible at the same time, in which the surface of the substrate is very is used efficiently for the training of Schuleiterbahn or Schuleiterbahnen.
  • the slight reduction in the cross-section associated with this refinement in the case of the outer track sections is unproblematic in view of the temperature distribution which occurs.
  • the at least one heating conductor extends in a bifilar pattern on the substrate. Due to the bifilar arrangement, the heating conductor track can cover the surface provided by the substrate to a great extent with small empty areas. Furthermore, the bifilar arrangement makes it possible to minimize possible interference radiation by the electric heater.
  • track sections of the heating conductor track are arranged next to one another in such a way that current flows through them in opposite directions or flowable web sections are each arranged adjacent to each other.
  • at least substantially all provided for heating web sections of Schuleiterbahn be part of the bifilar arrangement. In this way, the generated electromagnetic fields can cancel each other at least partially.
  • connection areas for connection to an electrical power supply can also be arranged non-bifilarly.
  • the remaining regions of the heating conductor can preferably be arranged at least substantially bifilarly.
  • each of the heating conductors may preferably have two reversal points each.
  • the heating conductor layer is structured in at least two heating conductor tracks, which are formed in a butterfly pattern on the substrate.
  • a butterfly pattern is to be understood as an essentially mirror-symmetrical embodiment with respect to a plane.
  • the at least two heating conductor tracks may preferably have at least one common connection for connection to an electrical power supply.
  • the design of the Schuleiterbahnen in such a butterfly pattern allows due to the symmetry achieved a very low electromagnetic radiation with excellent utilization of the substrate surface.
  • the heating conductor layer is a layer deposited on the substrate over a wide area and subsequently structured with material removal.
  • the heating conductor layer can preferably be applied to the substrate by a thermal spraying method and subsequently structured by laser processing. In principle, however, other methods, such as printing process, casting or the like for forming the Schuleiter für conceivable.
  • the heat conductor layer is preferably made of an electrically conductive metallic material and an interposed, electrically insulating and thermally highly conductive intermediate layer of the material of the substrate separated.
  • the heat conductor layer can be formed, for example, from a nickel-chromium alloy and be separated from the material of the substrate via an aluminum oxide layer.
  • the substrate itself may preferably have a good thermal conductivity, in particular be made of a metal.
  • the respective heating conductor can preferably have a width of a few millimeters, in particular a width between 2.5 mm and 5 mm, and a height (in the direction perpendicular to the substrate) in the range of 5 ⁇ m to 20 ⁇ m, in particular in the range of 10 ⁇ m up to 15 ⁇ m.
  • the electric heating device is designed as a high-voltage heater for an operating voltage in the range between 150 V and 900 V, preferably between 200 V and 600 V. It is, however, e.g. also a design for voltages up to 1000 V possible.
  • the electric heater can be particularly advantageous e.g. be used in an electric or hybrid vehicle, without consuming voltage transformers are required. It is e.g. but also possible to use the electric heater as a low-voltage heater for e.g. to design a range between 12V and 48V.
  • the heating conductor layer covers at least 80% of the substrate surface, preferably at least 85% of the substrate surface. In this case, a very good utilization of the available substrate surface is given and it is still still a sufficient isolation of the individual track sections against each other. In particular, the heat conductor layer may cover less than 95% of the substrate surface.
  • the insulation breaks have a width that is essentially constant over their extent.
  • a substantially constant width is meant in this context that the width varies by an average of less than 15%.
  • the width of the isolation breaks may vary less than 10%.
  • the substantially constant width of the Isolierunterbrechungen allows a particularly cost-effective production in an erosive process and at the same time a good utilization of the available substrate surface.
  • an electrically insulating material is arranged in the insulation breaks.
  • the electrically insulating material may preferably also cover, in addition to the insulation interruptions, the surface of the heating conductor track or heating conductor tracks which faces away from the substrate.
  • the electrically insulating material may be particularly preferred be deposited as a layer forming the Schuleiterbahn or the Schuleiterbahnen.
  • the heating conductor is designed such that at least over a predominant portion of its length in each case two web sections adjacent to the direction of current flow direction and parallel to each other.
  • the heating conductor can in particular be designed in such a way that, over at least 80% of the length, in each case two path sections with a directional current flow direction are adjacent and parallel to one another.
  • the two track sections may in particular be connected at their ends in each case to a common connection section for connection to an electrical power supply.
  • This embodiment allows a particularly favorable distribution of the current flowing in the electric heating element and thus a particularly homogeneous distribution of the heating power.
  • this structuring can be formed in a cost-effective simple manner, while making good use of the available surface of the substrate.
  • At least one further layer is formed on the heat conductor layer.
  • a plurality of layers may be formed on the heating conductor layer.
  • an insulating layer may be formed on the heat conductor layer, which also fills the Isolierunterbrechungen between the web sections of the heating conductor.
  • On the insulating layer may preferably be e.g. also be formed a sensor layer for monitoring the function of the electric heater.
  • a high level of safety can be provided via the insulating layer by additionally insulating current-carrying areas.
  • the electric heating device is a motor vehicle heating device.
  • the electric heating device can be used in particular for heating a fluid, such as e.g. Air may be formed for an interior of the vehicle or a liquid in a fluid circuit of the vehicle.
  • the heating conductor track is formed in the reversal point such that it has a smaller thickness in the direction perpendicular to the inner curve in the region of the inner curve Main plane than in the area of the outer curve. Due to the smaller thickness of the heating conductor in the region of the inner curve, in which the current path is shortened in the direction of extension of the heating conductor with respect to the outer curve, the electrical resistance in the region of the inner curve is increased in relation to the region of the outer curve. In this way, it is additionally avoided that the current flowing through the heating conductor current flows primarily in the region of the inner curve and therefore locally set very high currents, which would lead to a particularly strong local heating in the inner curve.
  • This embodiment can also be provided in a very simple manner and inexpensively. In the case of a predetermined course of the heating conductor track, this embodiment makes it possible to increase the achievable heating power per unit area, since the possible heating power is determined primarily by critical points at which local "hot spots" can form.
  • the heating conductor track is structured in the reversing point in such a way that the thickness increases stepwise from the inside curve to the outside curve.
  • a step-like structuring of the heating conductor can be realized in a particularly simple and cost-effective manner, e.g. by a partial removal of the material of the heating conductor, in particular e.g. by means of laser processing, in which the laser is driven in the area of the reversal point in several passes over the different areas.
  • the heating conductor track may have at least two different thickness levels (inside and outside) at the reversal point, but may be particularly preferred e.g.
  • the thickness of the Edelleiterbahn increases from the inner curve to the outer curve in several stages.
  • a stepped change in thickness is preferred, it is e.g. but also possible that the thickness e.g. increases substantially continuously from the inside curve to the outside curve.
  • the thickness of the heating conductor in the region of the inner curve is at most 65% of the thickness of the heating conductor in the region of the outer curve, preferably at most 50%, more preferably at most 30%. In this way, the formation of unwanted hot spots can be suppressed particularly reliable.
  • FIG Fig. 1 An electric heater 1 for mobile applications according to an embodiment is schematically shown in FIG Fig. 1 shown.
  • the electric heater 1 according to the embodiment is configured to heat a fluid in a vehicle.
  • the fluid may in particular be formed, for example, by air to be heated or by a liquid in a fluid circuit of the vehicle.
  • the electric heater 1 is designed in particular as a high-voltage heater for operation with an operating voltage in the range between 150 volts and 900 volts, in particular in the range between 200 volts and 600 volts.
  • the electrical heating device 1 it is also possible, for example, to design the electrical heating device 1 as a low-voltage heater for operation with an operating voltage in the range, for example, between 12 volts and 48 volts.
  • the electric heating device 1 has a substrate 2, which may be formed in particular simultaneously as a heat exchanger for transmitting the released heating power to the fluid to be heated.
  • a (not shown) underside may be provided with a plurality of heat exchanger fins or channels, over which the to be heated Fluid is passed.
  • the substrate 2 may preferably be formed from a metallic material having a high heat transfer coefficient, for example from aluminum or an aluminum alloy, in a very cost-effective manner in terms of manufacturing technology. In principle, however, it is also possible, for example, to manufacture the substrate 2, for example, from an electrically insulating material having high thermal conductivity, in particular, for example, a corresponding ceramic.
  • an electrically insulating layer 3 is deposited on the substrate 2, which has a high thermal conductivity.
  • the electrically insulating layer 3 may be e.g. preferably be formed in particular by alumina.
  • the electrically insulating layer 3 may be deposited on the substrate 2 in a thermal spraying process.
  • the electrically insulating layer 3 e.g. also be formed by targeted oxidation of the surface of the substrate 2.
  • the electrically insulating layer 3 is designed to electrically insulate the substrate 2 from a heat conductor layer 4 described below, but to allow a good heat transfer to the material of the substrate 2.
  • the electric heater 1 further has a heat conductor layer 4 deposited on the substrate 2 (or on the insulating layer 3 formed on the substrate 2).
  • the heating conductor layer 4 is formed of a metallic material and may be e.g. in particular have a nickel-chromium alloy.
  • the heating conductor layer 4 may preferably be deposited in particular in a thermal spraying process. Alternatively, however, it is e.g. also possible, the Schuleiter Mrs 4 e.g. to be deposited in a printing or casting process.
  • the heating conductor layer 4 is structured such that at least one heating conductor 5 is formed, which is designed to release ohmic heat when an electrical voltage is applied between its opposite ends.
  • the Schuleiter Anlagen 4 is structured in the specific embodiment such that two Schuleiterbahnen 5 are formed, which extend in a butterfly pattern on the substrate.
  • the butterfly pattern is designed such that the two Schuleiterbahnen 5 substantially extend mirror-symmetrically to a plane E, which is perpendicular to a main plane of the substrate 2.
  • terminals 9a, 9b, 9c are provided for connecting the heating wires 5 to an electric power supply.
  • a total of three such terminals are electrically isolated from each other, arranged side by side on one edge of the substrate 2.
  • the middle connection 9a is designed for electrically contacting both heating conductor tracks 5.
  • an equal electric potential may be applied to set the desired potential difference to the common terminal 9a. Since the two Schuleiterbahnen 5 are formed symmetrically to each other, only a more detailed description of one of the two Schuleiterbahnen fifth
  • the heating conductor 5 is structured such that it extends in a bifilar pattern on the substrate 2.
  • the heating conductor 5 is structured so that it has a plurality of side by side on the substrate 2 formed path sections 6, which are separated by insulation breaks 7 from each other and thus electrically isolated from each other.
  • the Isolierunterbrechungen 7 preferably be formed in that the Schuleiter Mrs 4 was first deposited surface on the substrate 2 and then the material of the Schuleiter Mrs 4 was selectively removed in the area of Isolierunterbrechungen 7, in particular for example by laser processing.
  • the respective current flow directions in the heating conductor 5 are shown schematically by arrows in order to make the structure of the heating conductor 5 better apparent.
  • FIG. 1 and Fig. 2 is shown schematically, formed between the respective track sections 6 Isolierunterbrechungen 7 over its longitudinal extent an at least substantially constant width.
  • the track sections 6 of the heating conductor 5 cover the surface of the substrate over a large area, so that the available surface is optimally utilized for the formation of heating power providing web sections 6.
  • the Schuleiterbahn 5 thus has a plurality of track sections 6 such that over the predominant Part of their extension always in the opposite direction of current traversed track sections 6 run side by side. In this way, a very low electromagnetic radiation of the electric heater 1 is achieved.
  • the heating conductor 5 is formed such that the Edelleiterbahn 5 is also longitudinally subdivided over a predominant region of its longitudinal extent, that always two run in the same direction of current track sections 6 side by side and these only in the immediate vicinity of the terminals 9a, 9b, 9c are connected to each other. In this way, an advantageous division of the current flow in the plane of the substrate 2 is achieved.
  • two reversal points 8 are formed in the heating conductor 5 (i.e., in each of the two heating conductors 5 of the electric heating device 1 according to the embodiment).
  • the heating conductor 5 is deflected in the main plane over a total of substantially 180 ° in such a way that internal track sections 6a with opposite current flow direction are separated and run parallel to each other only by an insulating interruption 7.
  • the enclosed area 11 is electrically conductively connected to one of the inner track sections 6a, ie no interruption of the heating conductor layer 4 is formed with respect to this inner track section 6a.
  • the local broadening of the distance between the inner track sections 6a in the region of the reversal point 8 avoids an excessive difference in the distance between current paths on the outer edge of the inner track sections 6a and current paths on the inner edge of the inner track sections 6a, resulting in an excessive concentration of the current flow on the inner side at the turning point 8 is prevented. Such an excessively local concentration of the current flow would lead to excessive local heating in the region of the reversal point 8.
  • the further insulating layer 10 is formed on the Bankleiter für 4, ie on the correspondingly structured Schuleiterbahnen 5, which were previously described, which covers the side facing away from the substrate 2 top of the Edelleiter für 4.
  • the further insulating layer 10 is in particular designed such that it also fills the Isolierunterbrechungen 7 between the track sections 6 of the Schuleiterbahnen 5. In this way, a particularly good insulation of the web sections 6 is ensured with each other.
  • the further insulating layer 10 may, for example after the structuring of the Schuleiter für 4 are deposited on the structured Schuleiterbahnen 5.
  • the deposition can, for example, again preferably be effected by a thermal spraying method, a casting method or the like.
  • the further insulating layer 10 may, for example, in turn be formed by aluminum oxide in order to achieve a good electrical insulation and at the same time a good thermal conductivity.
  • the further insulating layer 10 may preferably be e.g. also still be provided to apply on the further insulating layer 10, one or more further layers.
  • it may e.g. be advantageous to form at least one more sensor layer for monitoring the function of the electric heater 1.
  • the heating conductor 5 in the exemplary embodiment is designed at least at the reversal point 8 such that it is in the region of the inner curve 8a has a smaller thickness in the direction perpendicular to the main plane than in the area of the outer curve 8b.
  • the heating conductor 5 is structured in such a way that its thickness increases stepwise from the inner curve 8a to the outer curve 8b, as in FIG Fig. 5 is shown schematically.
  • Such step-like structuring in the direction transverse to the heating conductor 5 can be formed in a very simple and cost-effective manner, for example, by leaving the heating conductor 5 from an initial thickness of the heating conductor layer 4, which is left in the area of the outer curve 8b, in the direction of the inner curve 8a arranged areas is partially removed by means of a laser processing to a smaller thickness. This can preferably take place in particular in the same working step, in which the material of the heating conductor layer 4 is also removed to form the insulation breaks 7.
  • the Schuleiterbahn 5 may be structured in the curved portion 8, for example, with two stages such that overall in the direction transverse to the heating conductor 5 three height levels are realized. However, it is also possible, for example, to form only two different height levels or more than three height levels.
  • the thickness of the heating conductor 5 can preferably be reduced considerably in the region of the inner curve 8a in comparison to the region of the outer curve 8b.
  • the thickness of the heating conductor 5 in the region of the inner curve 8a may be at most 65% of the thickness of the heating conductor 5 in the region of the outer curve 8b, preferably at most 50%, more preferably at the highest 30%.
  • the heating conductor 5 in the region of the outer curve 8b may be, for example, about 25 .mu.m thick, in the region of the inner curve 8a only about 5 .mu.m thick and in an intermediate region about 15 .mu.m thick.
  • the temperature in the inner curve 8a can be significantly reduced by about 60 ° C (in the specific example, for example, from about 240 ° C to about 180 ° C).
  • the reduction of the thickness of the heating conductor layer 4 in the region of the inner curve 8a leads to a more homogeneous distribution of the electric current across the width of the heating conductor 5 due to the concomitant increase in the electrical resistance in the inner curve 8a.
  • the "hot spots "Conditional risk of a reduction in the life of the electric heater 1 significantly reduced. Overall, higher heating powers of the electric heating device 1 are made possible in this way, since the achievable heating capacities are essentially limited by "hot spots”.
  • the local reduction of the thickness in the region of the inner curve 8a of a reversal point 8 can in particular be formed, for example, relatively locally over an area in the immediate vicinity of the reversal point 8, in particular in FIG Fig. 4 schematically indicated by dashed lines.
  • FIG Fig. 4 schematically illustrated the additional structuring of the thickness of the Edelleiterbahn 5 is realized, for example, only in the area to the right of the dashed lines and in the area left of the dashed lines, the Schuleiterbahn 5 has a thickness substantially constant over its width.
  • the described reduction in the thickness of the heating conductor 5 in the inner curve 8a of the turning point 8 makes it possible to suppress the tendency to form hot spots so much that the extent of broadening of the distance between adjacent inner track sections 6a in the region of a turning point 8 are reduced can. In this way, an improved surface utilization of the surface of the substrate 2 is made possible.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen, insbesondere eine solche elektrische Heizeinrichtung, die ein Substrat und eine auf dem Substrat ausgebildete Heizleiterschicht aufweist, die zumindest eine sich in einer Hauptebene erstreckende Heizleiterbahn aufweist.
  • Es ist bekannt, für mobile Anwendungen, wie z.B. in einem Kraftfahrzeug, elektrische Heizeinrichtungen zu verwenden. Insbesondere mit einer zunehmenden Verbreitung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, besteht ein zunehmender Bedarf, geeignete elektrische Heizeinrichtungen bereitzustellen. In der Vergangenheit kamen als elektrische Heizeinrichtungen für derartige mobile Anwendungen überwiegend sogenannte PTC-Heizelemente zum Einsatz, die mit den relativ niedrigen Versorgungsspannungen betrieben wurden, die in dem Bordnetz eines herkömmlichen Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor vorhanden sind. Insbesondere bei modernen Fahrzeugen, die vollständig oder teilweise elektrisch angetrieben werden, besteht der Bedarf, die Fahrzeuge auch elektrisch mit den Versorgungsspannungen betreiben zu können, die in einem bei diesen realisierten Hochvolt-Bordnetz vorliegen, wie z.B. einer Spannung in dem Bereich zwischen 150 Volt und 900 Volt. Es sind gegebenenfalls sogar Spannungen bis über 1000 Volt möglich.
  • Unter einer Heizeinrichtung für mobile Anwendungen wird im vorliegenden Kontext eine Heizeinrichtung verstanden, die für den Einsatz in mobilen Anwendungen ausgelegt und dementsprechend angepasst ist. Dies bedeutet insbesondere, dass sie transportabel ist (ggf. in einem Fahrzeug fest eingebaut oder lediglich für den Transport darin untergebracht) und nicht ausschließlich für einen dauerhaften, stationären Einsatz, wie es beispielsweise bei der Beheizung eines Gebäudes der Fall ist, ausgelegt ist. Dabei kann die Heizeinrichtung auch fest in einem Fahrzeug (Landfahrzeug, Schiff, etc.), insbesondere in einem Landfahrzeug, installiert sein. Insbesondere kann sie zur Beheizung eines Fahrzeug-Innenraums, wie beispielsweise eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs, sowie eines teiloffenen Raumes, wie er beispielsweise auf Schiffen, insbesondere Yachten, aufzufinden ist, ausgelegt sein. Die Heizeinrichtung kann auch vorübergehend stationär eingesetzt werden, wie beispielsweise in großen Zelten, Containern (zum Beispiel Baucontainern), etc. Insbesondere kann die elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen als Stand- oder Zuheizer für ein Landfahrzeug, wie beispielsweise für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil, einen Bus, einen Pkw, etc., ausgelegt sein.
  • WO 2013/186106 A1 beschreibt eine elektrische Heizeinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem als Leiterbahn auf einem Substrat ausgebildeten Heizwiderstand. Die Leiterbahn ist bifilar ausgebildet und im Bereich einer Leiterbahnumlenkung in die Gegenrichtung ist ein verbreiterter Isolationsbereich vorgesehen. Der verbreiterte Isolationsbereich soll bewirken, dass sich ein Stromfluss möglichst durch die volle Breite der Leiterbahn einstellt, um zu vermeiden, dass sich lokal innenliegend besonders gut durchströmte Bereiche und im außenliegenden Randbereich der Leiterbahn schlecht durchströmte Bereiche ausbilden können. Obwohl mit der beschriebenen Heizeinrichtung bereits einigermaßen zufriedenstellende Eigenschaften erzielt wurden, hat sich herausgestellt, dass sich im Vergleich zum Rest der elektrischen Heizeinrichtung im Bereich der Leiterbahnumlenkung immer noch stark erhöhte Temperaturen einstellen.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen bereitzustellen, bei der eine wesentlich homogenere Temperaturverteilung erreicht wird und gleichzeitig die elektrische Heizeinrichtung möglichst kompakt und kostengünstig gehalten wird.
  • Die Aufgabe wird durch eine elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen weist ein Substrat und eine auf dem Substrat ausgebildete Heizleiterschicht auf. Die Heizleiterschicht weist zumindest eine Heizleiterbahn auf, die sich in einer Hauptebene auf dem Substrat erstreckt, wobei die Heizleiterbahn derart strukturiert ist, dass eine Vielzahl nebeneinander verlaufender, durch Isolierunterbrechungen voneinander separierter Bahnabschnitte ausgebildet ist und zumindest ein Umkehrpunkt vorgesehen ist, an dem die Heizleiterbahn derart umgelenkt ist, dass innenliegende Bahnabschnitte mit zueinander entgegengesetzten Stromflussrichtungen benachbart und parallel zueinander verlaufen. Der Abstand zwischen den benachbarten innenliegenden Bahnabschnitten mit zueinander entgegengesetzten Stromflussrichtungen ist im Bereich des Umkehrpunktes auf der Innenseite lokal verbreitert ausgebildet. Im Bereich des Umkehrpunktes stehen die innenliegenden Bahnabschnitte nach außen zu weiter außen liegenden Bahnabschnitten, die durch Isolierunterbrechungen von den innenliegenden Bahnabschnitten getrennt sind, vor und bei den weiter außen liegenden Bahnabschnitten ist die Breite der Bahnabschnitte lokal verringert, um die lokale Verbreiterung auf der Innenseite zwischen den innenliegenden Bahnabschnitten und das Vorstehen der innenliegenden Bahnabschnitte zu kompensieren. Es ist zu beachten, dass die Hauptebene auf dem Substrat, in der sich die Heizleiterbahn erstreckt nicht zwingend flach sein muss, sondern z.B. auch gewölbt oder gekrümmt verlaufen kann, ebenso wie z.B. auch das Substrat nicht flach sein muss, sondern auch gewölbt oder gekrümmt ausgebildet sein kann. Im Bereich des Umkehrpunktes erfolgt eine Umlenkung der Heizleiterbahn in der Hauptebene um zumindest im Wesentlichen 180°.
  • Da der Abstand zwischen den benachbarten innenliegenden Bahnabschnitten im Bereich des Umkehrpunktes auf der Innenseite lokal verbreitert ausgebildet ist und die innenliegenden Bahnabschnitte aber auch nach außen hervorstehen, ist gegenüber einer Ausgestaltung, bei der nur der Abstand auf der Innenseite lokal verbreitert ausgebildet ist, eine starke Verringerung des Querschnittes der innenliegenden Bahnabschnitte im Bereich des Umkehrpunktes vermieden. Es hat sich gezeigt, dass sich in dieser Weise - verglichen mit dem eingangs beschriebenen Stand der Technik - eine deutlich verringerte lokale Erhöhung der Temperatur im Bereich des Umkehrpunktes ergibt, sodass eine homogenere Temperaturverteilung erreicht wird. Da bei den weiter außen liegenden Bahnabschnitten die Breite der Bahnabschnitte lokal verringert ist, um die lokale Verbreiterung auf der Innenseite zwischen den innenliegenden Bahnabschnitten und das Vorstehen der innenliegenden Bahnabschnitte zu kompensieren, wird gleichzeitig eine besonders kompakte Ausgestaltung ermöglicht, bei der die Oberfläche des Substrates sehr effizient für die Ausbildung der Heizleiterbahn bzw. Heizleiterbahnen genutzt ist. Die bei den weiter außen liegenden Bahnabschnitten mit dieser Ausgestaltung einhergehende leichte Verringerung des Querschnitts ist im Hinblick auf die sich einstellende Temperaturverteilung unproblematisch.
  • Gemäß einer Weiterbildung erstreckt sich die zumindest eine Heizleiterbahn in einem bifilaren Muster auf dem Substrat. Durch die bifilare Anordnung kann die Heizleiterbahn die durch das Substrat bereitgestellte Oberfläche mit geringen Leerflächen in hohem Maße überdecken. Ferner ermöglicht es die bifilare Anordnung, mögliche Störstrahlungen durch die elektrische Heizeinrichtung zu minimieren. Bei der bifilaren Anordnung liegen Bahnabschnitte der Heizleiterbahn derart nebeneinander angeordnet vor, dass gegenläufig von Strom durchflossene bzw. durchfließbare Bahnabschnitte jeweils nebeneinander verlaufend angeordnet sind. Bevorzugt können dabei zumindest im Wesentlichen sämtliche zum Erwärmen vorgesehene Bahnabschnitte der Heizleiterbahn Teil der bifilaren Anordnung sein. In dieser Weise können sich die erzeugten elektromagnetischen Felder zumindest teilweise gegenseitig aufheben. Es ist jedoch zu beachten, dass insbesondere Anschlussbereiche zum Verbinden mit einer elektrischen Leistungsversorgung auch nicht-bifilar angeordnet sein können. Die restlichen Bereiche der Heizleiterbahn können bevorzugt zumindest im Wesentlichen bifilar angeordnet sein.
  • Gemäß einer Weiterbildung weist die Heizleiterbahn zwei Umkehrpunkte auf. Insbesondere wenn die Heizleiterbahn genau zwei solcher Umkehrpunkte aufweist, kann eine optimierte bifilare Anordnung realisiert werden, die eine geringe elektromagnetische Abstrahlung aufweist und dabei nur wenige Bereiche aufweist, in denen im Betrieb eine erhöhte Temperatur auftritt. In dem Fall einer Mehrzahl von auf dem Substrat ausgebildeten Heizleiterbahnen kann bevorzugt jede der Heizleiterbahnen jeweils zwei Umkehrpunkte aufweisen.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist die Heizleiterschicht in zumindest zwei Heizleiterbahnen strukturiert, die in einem Schmetterlingsmuster auf dem Substrat ausgebildet sind. Unter einem Schmetterlingsmuster ist in diesem Zusammenhang eine im Wesentlichen spiegelsymmetrische Ausgestaltung bezüglich einer Ebene zu verstehen. Die zumindest zwei Heizleiterbahnen können dabei bevorzugt zumindest einen gemeinsamen Anschluss zum Verbinden mit einer elektrischen Leistungsversorgung aufweisen. Die Ausgestaltung der Heizleiterbahnen in einem solchen Schmetterlingsmuster ermöglicht aufgrund der erzielten Symmetrie eine sehr geringe elektromagnetische Abstrahlung bei einer ausgezeichneten Ausnutzung der Substratoberfläche.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist die Heizleiterschicht eine flächig auf dem Substrat abgeschiedene und anschließend unter Materialabtrag strukturierte Schicht. In diesem Fall ist eine besonders kostengünstige Herstellung der Heizleiterbahn bzw. der Heizleiterbahnen ermöglicht. Die Heizleiterschicht kann bevorzugt durch ein thermisches Spritzverfahren auf dem Substrat aufgebracht und anschließend durch Laserbearbeitung strukturiert sein. Grundsätzlich sind aber auch andere Verfahren, wie z.B. Druckverfahren, Gießverfahren oder ähnliches zur Ausbildung der Heizleiterschicht denkbar. Die Heizleiterschicht ist bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen metallischen Material gefertigt und über eine zwischengelagerte, elektrisch isolierende und thermisch gut leitfähige Zwischenschicht von dem Material des Substrates getrennt. Insbesondere kann die Heizleiterschicht z.B. aus einer Nickel-Chrom-Legierung gebildet sein und über eine Aluminiumoxidschicht von dem Material des Substrates getrennt sein. Das Substrat selbst kann bevorzugt eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, insbesondere aus einem Metall gefertigt sein. Die jeweilige Heizleiterbahn kann bevorzugt eine Breite von einigen Millimetern aufweisen, insbesondere eine Breite zwischen 2,5 mm und 5 mm, und eine Höhe (in der Richtung senkrecht zum Substrat) im Bereich von 5 µm bis 20 µm, insbesondere im Bereich von 10 µm bis 15 µm.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist die elektrische Heizeinrichtung als Hochvolt-Heizung für eine Betriebsspannung im Bereich zwischen 150 V und 900 V, bevorzugt zwischen 200 V und 600 V, ausgelegt. Es ist aber z.B. auch eine Auslegung für Spannungen bis über 1000 V möglich. In diesem Fall kann die elektrische Heizvorrichtung besonders vorteilhaft z.B. in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug zum Einsatz kommen, ohne dass aufwändige Spannungswandler erforderlich sind. Es ist z.B. aber auch möglich, die elektrische Heizeinrichtung als eine Niedervolt-Heizung für z.B. einen Bereich zwischen 12 V und 48 V auszulegen.
  • Gemäß einer Weiterbildung bedeckt die Heizleiterschicht zumindest 80 % der Substratoberfläche, bevorzugt zumindest 85 % der Substratoberfläche. In diesem Fall ist eine sehr gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Substratoberfläche gegeben und es ist trotzdem noch eine ausreichende Isolierung der einzelnen Bahnabschnitte gegeneinander ermöglicht. Die Heizleiterschicht kann insbesondere weniger als 95 % der Substratoberfläche bedecken.
  • Gemäß einer Weiterbildung weisen die Isolierunterbrechungen eine über ihre Erstreckung im Wesentlichen konstante Breite auf. Unter einer im Wesentlichen konstanten Breite ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Breite um weniger als 15 % um einen Mittelwert variiert. Bevorzugt kann die Breite der Isolierunterbrechungen um weniger als 10 % variieren. Die im Wesentlichen konstante Breite der Isolierunterbrechungen ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung in einem abtragenden Verfahren und gleichzeitig eine gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Substratoberfläche.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist in den Isolierunterbrechungen ein elektrisch isolierendes Material angeordnet. Das elektrisch isolierende Material kann bevorzugt neben den Isolierunterbrechungen auch die von dem Substrat abgewandte Oberfläche der Heizleiterbahn bzw. Heizleiterbahnen bedecken. Das elektrisch isolierende Material kann insbesondere bevorzugt nach dem Ausbilden der Heizleiterbahn bzw. der Heizleiterbahnen als Schicht abgeschieden sein. Durch das elektrisch isolierende Material kann die Breite der Isolierunterbrechungen relativ klein gehalten werden, sodass die zur Verfügung stehende Oberfläche des Substrats effizient für die Heizleiterbahn bzw. Heizleiterbahnen ausgenutzt werden kann.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist die Heizleiterbahn derart ausgebildet ist, dass zumindest über einen überwiegenden Anteil ihrer Länge jeweils zwei Bahnabschnitte mit gleichgerichteter Stromflussrichtung benachbart und parallel zueinander verlaufen. Die Heizleiterbahn kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass über zumindest 80 % der Länge jeweils zwei Bahnabschnitte mit gleichgerichteter Stromflussrichtung benachbart und parallel zueinander verlaufen. Die jeweils zwei Bahnabschnitte können an ihren Enden insbesondere jeweils zu einem gemeinsamen Anschlussabschnitt zur Verbindung mit einer elektrischen Leistungsversorgung verbunden sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders günstige Verteilung des in dem elektrischen Heizelements fließenden Stroms und somit eine besonders homogene Verteilung der Heizleistung. Ferner kann diese Strukturierung in kostengünstig einfacher Weise gebildet und dabei die zur Verfügung stehende Oberfläche des Substrats gut ausgenutzt werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist auf der Heizleiterschicht zumindest eine weitere Schicht ausgebildet. Es können insbesondere auch mehrere Schichten auf der Heizleiterschicht ausgebildet sein. Bevorzugt kann auf der Heizleiterschicht eine Isolierschicht ausgebildet sein, die auch die Isolierunterbrechungen zwischen den Bahnabschnitten der Heizleiterbahn füllt. Auf der Isolierschicht kann bevorzugt z.B. auch noch eine Sensorschicht zur Überwachung der Funktion der elektrischen Heizeinrichtung ausgebildet sein. Über die Isolierschicht kann ein hohes Maß an Sicherheit bereitgestellt werden, indem stromführende Bereiche zusätzlich isoliert sind.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist die elektrische Heizeinrichtung eine Kraftfahrzeug-Heizeinrichtung. Die elektrische Heizeinrichtung kann dabei insbesondere zum Beheizen eines Fluids, wie z.B. Luft für einen Innenraum des Fahrzeugs oder einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf des Fahrzeugs ausgebildet sein.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist die Heizleiterbahn in dem Umkehrpunkt derart ausgebildet, dass sie in dem Bereich der Innenkurve eine geringere Dicke in der Richtung senkrecht zu der Hauptebene aufweist als in dem Bereich der Außenkurve. Durch die geringere Dicke der Heizleiterbahn im Bereich der Innenkurve, in der der Strompfad in der Erstreckungsrichtung der Heizleiterbahn gegenüber der Außenkurve verkürzt ist, ist der elektrische Widerstand im Bereich der Innenkurve gegenüber dem Bereich der Außenkurve erhöht. In dieser Weise wird zusätzlich vermieden, dass der durch die Heizleiterbahn fließende Strom vornehmlich im Bereich der Innenkurve fließt und sich daher dort lokal sehr hohe Stromflüsse einstellen, die zu einer besonders starken lokalen Erwärmung in der Innenkurve führen würden. Ferner kann in dieser Weise ein wesentlich homogeneres Temperaturprofil über die gesamte elektrische Heizeinrichtung erzielt werden. Die geringere Dicke im Bereich der Innenkurve bewirkt eine deutlich homogenere Stromverteilung über die Breite der Heizleiterbahn in dem Kurvenabschnitt, wodurch eine deutliche Absenkung der maximal auftretenden lokalen Temperaturen erreicht wird. Diese Ausgestaltung lässt sich ferner in sehr einfacher Weise und kostengünstig bereitstellen. Bei einem vorgegebenem Verlauf der Heizleiterbahn ermöglicht diese Ausgestaltung eine Erhöhung der erreichbaren Heizleistung pro Flächeneinheit, da die mögliche Heizleistung vornehmlich durch kritische Stellen, an denen sich lokale "Hot-Spots" ausbilden können, bestimmt wird.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist die Heizleiterbahn in dem Umkehrpunkt derart strukturiert, dass die Dicke von der Innenkurve zu der Außenkurve stufenförmig zunimmt. Eine solche stufenartige Strukturierung der Heizleiterbahn lässt sich in besonders einfacher und kostengünstiger Weise realisieren, z.B. durch einen partiellen Abtrag des Materials der Heizleiterbahn, insbesondere z.B. mittels Laserbearbeitung, bei der der Laser im Bereich des Umkehrpunktes in mehreren Durchgängen über die verschiedenen Bereiche gefahren wird. Die Heizleiterbahn kann in dem Umkehrpunkt insbesondere bevorzugt zumindest zwei verschiedene Dickenniveaus (innen und außen) aufweisen, besonders bevorzugt können aber z.B. auch mehr verschiedene Dickenniveaus ausgebildet sein, sodass die Dicke der Heizleiterbahn von der Innenkurve zu der Außenkurve in mehreren Stufen zunimmt. Obwohl eine solche gestufte Veränderung der Dicke bevorzugt ist, ist es z.B. aber auch möglich, dass die Dicke z.B. im Wesentlichen kontinuierlich von der Innenkurve zu der Außenkurve zunimmt.
  • Gemäß einer Weiterbildung beträgt die Dicke der Heizleiterbahn im Bereich der Innenkurve höchstens 65% der Dicke der Heizleiterbahn im Bereich der Außenkurve, bevorzugt höchstens 50%, mehr bevorzugt höchstens 30%. In dieser Weise lässt sich die Ausbildung von unerwünschten Hot-Spots besonders zuverlässig unterdrücken.
  • Weitere Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
    • Fig. 1
    ist eine schematische Darstellung einer elektrischen Heizeinrichtung gemäß der Ausführungsform.
    Fig. 2
    ist eine schematische Ansicht eines Details von Fig. 1.
    Fig. 3
    zeigt schematisch die Anordnung einer Heizleiterschicht auf einem Substrat bei der Ausführungsform.
    Fig. 4
    ist eine Fig. 2 entsprechende schematische Darstellung einer Abwandlung der Ausführungsform.
    Fig. 5
    ist eine schematische Darstellung eines Querschnittes der Heizleiterbahn im Bereich eines Umkehrpunktes bei der Abwandlung.
    AUSFÜHRUNGSFORM
  • Eine Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eingehender beschrieben.
  • Eine elektrische Heizeinrichtung 1 für mobile Anwendungen gemäß einer Ausführungsform ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Die elektrische Heizeinrichtung 1 gemäß der Ausführungsform ist dazu ausgelegt, in einem Fahrzeug ein Fluid zu beheizen. Das Fluid kann dabei insbesondere z.B. durch zu beheizende Luft oder durch eine Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf des Fahrzeugs gebildet sein. Die elektrische Heizeinrichtung 1 ist dabei insbesondere als eine Hochvolt-Heizung für einen Betrieb mit einer Betriebsspannung im Bereich zwischen 150 Volt und 900 Volt, insbesondere im Bereich zwischen 200 Volt und 600 Volt ausgelegt. Es ist jedoch z.B. auch möglich, die elektrische Heizeinrichtung 1 als eine Niedervolt-Heizung für einen Betrieb mit einer Betriebsspannung im Bereich z.B. zwischen 12 Volt und 48 Volt auszulegen.
  • Die elektrische Heizeinrichtung 1 weist ein Substrat 2 auf, das insbesondere gleichzeitig als ein Wärmetauscher zum Übertragen der freigesetzten Heizleistung auf das zu erwärmende Fluid ausgebildet sein kann. Insbesondere kann z.B. eine (nicht dargestellte) Unterseite mit einer Mehrzahl von Wärmetauscherrippen oder Kanälen versehen sein, über die das zu erwärmende Fluid geleitet wird. Das Substrat 2 kann z.B. bevorzugt in herstellungstechnisch sehr kostengünstiger Weise aus einem metallischen Material mit einem hohen Wärmeübertragungskoeffizienten gebildet sein, insbesondere z.B. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Grundsätzlich ist es aber z.B. auch möglich, dass Substrat 2 z.B. aus einem elektrisch isolierenden Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit zu fertigen, wie insbesondere z.B. einer entsprechenden Keramik.
  • Bei dem konkreten Ausführungsbeispiel, bei dem das Substrat 2 aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist, ist auf dem Substrat 2 eine elektrisch isolierende Schicht 3 abgeschieden, die eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Die elektrisch isolierende Schicht 3 kann dabei z.B. bevorzugt insbesondere durch Aluminiumoxid gebildet sein. Z.B. kann die elektrisch isolierende Schicht 3 in einem thermischen Spritzverfahren auf dem Substrat 2 abgeschieden sein. Insbesondere in dem Fall, dass das Substrat z.B. aus Aluminium ausgebildet ist, kann die elektrisch isolierende Schicht 3 z.B. auch durch gezieltes Oxidieren der Oberfläche des Substrates 2 gebildet werden. Die elektrisch isolierende Schicht 3 ist dazu ausgebildet, das Substrat 2 elektrisch gegenüber einer im Folgenden beschriebenen Heizleiterschicht 4 zu isolieren, dabei aber eine gute Wärmeübertragung auf das Material des Substrates 2 zu ermöglichen.
  • Die elektrische Heizeinrichtung 1 weist ferner eine auf dem Substrat 2 (bzw. auf der auf dem Substrat 2 ausgebildeten isolierenden Schicht 3) abgeschiedene Heizleiterschicht 4 auf. Die Heizleiterschicht 4 ist aus einem metallischen Material gebildet und kann z.B. insbesondere eine Nickel-Chrom-Legierung aufweisen. Die Heizleiterschicht 4 kann bevorzugt insbesondere in einem thermischen Spritzverfahren abgeschieden sein. Alternativ ist es aber z.B. auch möglich, die Heizleiterschicht 4 z.B. in einem Druck- oder Gießverfahren abzuscheiden.
  • Wie insbesondere in den Fig. 1 und Fig. 2 zu sehen ist, ist die Heizleiterschicht 4 derart strukturiert, dass zumindest eine Heizleiterbahn 5 ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, ohmsche Wärme freizusetzen, wenn zwischen ihren entgegengesetzten Enden eine elektrische Spannung angelegt wird. Wie noch eingehender erläutert wird, ist die Heizleiterschicht 4 bei der konkreten Ausführungsform derart strukturiert, dass zwei Heizleiterbahnen 5 ausgebildet sind, die sich in einem Schmetterlingsmuster auf dem Substrat erstrecken. Das Schmetterlingsmuster ist dabei derart ausgebildet, dass sich die beiden Heizleiterbahnen 5 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu einer Ebene E erstrecken, die senkrecht zu einer Hauptebene des Substrates 2 verläuft.
  • An einem Randbereich der elektrischen Heizeinrichtung 1 sind Anschlüsse 9a, 9b, 9c zum Verbinden der Heizleiterbahnen 5 mit einer elektrischen Leistungsversorgung vorgesehen. Bei der konkret dargestellten Ausführungsform sind insgesamt drei solche Anschlüsse elektrisch voneinander isoliert, nebeneinander an einem Rand des Substrates 2 angeordnet. Dabei ist bei der konkreten Ausführungsform der mittlere Anschluss 9a zum elektrischen Kontaktieren beider Heizleiterbahnen 5 ausgelegt. An die beiden anderen Anschlüsse 9b und 9c kann z.B. ebenfalls ein gleiches elektrisches Potential angelegt werden, um die gewünschte Potentialdifferenz zu dem gemeinsamen Anschluss 9a einzustellen. Da die beiden Heizleiterbahnen 5 symmetrisch zueinander ausgebildet sind, erfolgt im Folgenden lediglich eine genauere Beschreibung von einer der beiden Heizleiterbahnen 5.
  • Die Heizleiterbahn 5 ist derart strukturiert, dass sie sich in einem bifilaren Muster auf dem Substrat 2 erstreckt. Die Heizleiterbahn 5 ist derart strukturiert, dass sie eine Vielzahl nebeneinander auf dem Substrat 2 ausgebildeter Bahnabschnitte 6 aufweist, die durch Isolierunterbrechungen 7 voneinander getrennt und somit gegeneinander elektrisch isoliert sind. Z.B. können die Isolierunterbrechungen 7 bevorzugt dadurch ausgebildet sein, dass die Heizleiterschicht 4 zunächst flächig auf dem Substrat 2 abgeschieden wurde und im Bereich der Isolierunterbrechungen 7 anschließend das Material der Heizleiterschicht 4 gezielt abgetragen wurde, insbesondere z.B. durch Laserbearbeitung. Im oberen Bereich von Fig. 1 sind die jeweiligen Stromflussrichtungen in der Heizleiterbahn 5 schematisch durch Pfeile dargestellt, um die Struktur der Heizleiterbahn 5 besser ersichtlich zu machen.
  • Wie in den Fig. 1 und Fig. 2 schematisch dargestellt ist, weisen die zwischen den jeweiligen Bahnabschnitten 6 ausgebildeten Isolierunterbrechungen 7 über ihre Längserstreckung eine zumindest im Wesentlichen gleichbleibende Breite auf. In dieser Weise ist erreicht, dass die Bahnabschnitte 6 der Heizleiterbahn 5 die Oberfläche des Substrates großflächig überdecken, sodass die zur Verfügung stehende Fläche möglichst optimal zur Ausbildung von Heizleistung bereitstellenden Bahnabschnitten 6 ausgenutzt ist.
  • Wie anhand der schematisch dargestellten Pfeile in Fig. 1 gut zu erkennen ist, weist die Heizleiterbahn 5 somit eine Vielzahl von Bahnabschnitten 6 derart auf, dass über den überwiegenden Teil von deren Erstreckung immer in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossene Bahnabschnitte 6 nebeneinander verlaufen. In dieser Weise wird eine sehr geringe elektromagnetische Abstrahlung der elektrischen Heizeinrichtung 1 erreicht. Wie ferner in Fig. 1 ersichtlich ist, ist die Heizleiterbahn 5 derart ausgebildet, dass die Heizleiterbahn 5 über einen überwiegenden Bereich ihrer Längserstreckung auch derart längs unterteilt ist, dass immer zwei in derselben Richtung von Strom durchflossene Bahnabschnitte 6 nebeneinander verlaufen und diese nur in unmittelbarer Nähe zu den Anschlüssen 9a, 9b, 9c jeweils miteinander verbunden sind. In dieser Weise wird eine vorteilhafte Aufteilung des Stromflusses in der Ebene des Substrates 2 erreicht.
  • Aufgrund der beschriebenen bifilaren Anordnung der Heizleiterbahn 5, bei der auch eine möglichst hohe Flächenabdeckung des Substrates erstrebt wird, sind bei der Heizleiterbahn 5 (d.h. bei jeder der beiden Heizleiterbahnen 5 der elektrischen Heizvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform) zwei Umkehrpunkte 8 ausgebildet. An den Umkehrpunkten 8 ist die Heizleiterbahn 5 in der Hauptebene über insgesamt im Wesentlichen 180° derart umgelenkt, dass innenliegende Bahnabschnitte 6a mit entgegengesetzter Stromflussrichtung nur durch eine Isolierunterbrechung 7 getrennt nebeneinander und parallel zueinander verlaufen.
  • Die Ausgestaltung der Heizleiterbahn 5 im Bereich eines Umkehrpunktes 8 wird unter Bezug auf die Detaildarstellung von Fig. 2 eingehender beschrieben.
  • Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist der Abstand zwischen den benachbarten innenliegenden Bahnabschnitten 6a im Bereich des Umkehrpunktes 8 lokal verbreitert ausgebildet, sodass die Umlenkung der Heizleiterbahn an dem Umkehrpunkt 8 einen im Wesentlichen tropfenförmigen oder Streichholzkopf-förmigen Bereich 11 einschließt. Bei der konkret dargestellten Ausführungsform ist der eingeschlossene Bereich 11 mit einem der innenliegenden Bahnabschnitte 6a elektrisch leitend verbunden, d.h. es ist zu diesem innenliegenden Bahnabschnitt 6a keine Unterbrechung der Heizleiterschicht 4 ausgebildet. Es jedoch z.B. auch möglich, den eingeschlossenen Bereich 11 vollständig durch eine Isolierunterbrechung 7 von den innenliegenden Bahnabschnitten 6a zu trennen. Durch die lokale Verbreiterung des Abstandes zwischen den innenliegenden Bahnabschnitten 6a im Bereich des Umkehrpunktes 8 wird ein übermäßiger Streckenunterschied zwischen Strompfaden am äußeren Rand der innenliegenden Bahnabschnitte 6a und Strompfaden am inneren Rand der innenliegenden Bahnabschnitte 6a vermieden, sodass eine zu starke Konzentration des Stromflusses an der Innenseite an dem Umkehrpunkt 8 verhindert wird. Eine solche zu stark lokale Konzentration des Stromflusses würde zu einer übermäßigen lokalen Erhitzung im Bereich des Umkehrpunktes 8 führen.
  • Wie ebenfalls in Fig. 2 zu sehen ist, ist die lokale Verbreiterung des Abstandes zwischen den innenliegenden Bahnabschnitten 6a, die zu einer Verringerung der Breite der innenliegenden Bahnabschnitte 6a in diesem Bereich führen würde, bei der Ausführungsform zumindest teilweise dadurch kompensiert, dass die innenliegenden Bahnabschnitte 6a im Bereich des Umkehrpunktes 8 nach außen in Richtung der benachbarten, weiter außen liegenden Bahnabschnitte 6b verbreitert sind und somit weiter nach außen hervorstehen. In dieser Weise ist eine starke lokale Verringerung des Bahnquerschnittes der innenliegenden Bahnabschnitte 6a, die ebenfalls zu einer erhöhten lokalen Temperaturerhöhung führen würde, vermieden. Somit wird besonders zuverlässig die Ausbildung von lokalen "Hot-Spots" im Bereich der Umkehrpunkte unterdrückt. Insbesondere wird - verglichen mit einer Ausgestaltung, bei der nur innenseitig eine Verbreiterung des Abstandes auf Kosten der Bahnbreite der innenliegenden Bahnabschnitte 6a vorgesehen ist - eine deutliche Absenkung der sich an dem Umkehrpunkt 8 ausbildenden Temperatur erzielt. Im Bereich des Umkehrpunktes 8 sind ferner die weiter außen liegenden Bahnabschnitte 6b, die durch Isolierunterbrechungen 7 von den innenliegenden Bahnabschnitten 6a getrennt sind, lokal in ihrer Breite verringert, um den erhöhten Platzbedarf durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung der innenliegenden Bahnabschnitte 6a im Bereich des Umkehrpunktes 8 zu kompensieren. Mit anderen Worten ist bei den weiter außen liegenden Bahnabschnitten 6b die Breite der Bahnabschnitte lokal verringert ist, um die lokale Verbreiterung auf der Innenseite zwischen den innenliegenden Bahnabschnitten 6a und das Vorstehen der innenliegenden Bahnabschnitte 6a zu kompensieren. In dieser Weise wird erreicht, dass die Heizleiterbahn 5 die zur Verfügung stehende Oberfläche des Substrates 2 möglichst optimal ausnutzt und die Isolierunterbrechungen 7 insgesamt nur den für eine zuverlässige Isolierung notwendigen Flächenanteil der Oberfläche des Substrates 2 einnehmen.
  • Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, ist auf der Heizleiterschicht 4, d.h. auf den entsprechend strukturierten Heizleiterbahnen 5, die zuvor beschrieben wurden, zumindest eine weitere Isolierschicht 10 ausgebildet, die die von dem Substrat 2 abgewandte Oberseite der Heizleiterschicht 4 bedeckt. Bei der Ausführungsform ist die weitere Isolierschicht 10 insbesondere derart ausgebildet, dass sie auch die Isolierunterbrechungen 7 zwischen den Bahnabschnitten 6 der Heizleiterbahnen 5 ausfüllt. In dieser Weise ist eine besonders gute Isolierung der Bahnabschnitte 6 untereinander gewährleistet. Die weitere Isolierschicht 10 kann z.B. nach dem Strukturieren der Heizleiterschicht 4 auf den strukturierten Heizleiterbahnen 5 abgeschieden werden. Das Abscheiden kann dabei z.B. wiederum bevorzugt durch ein thermisches Spritzverfahren, ein Gießverfahren oder Ähnliches erfolgen. Insbesondere kann die weitere Isolierschicht 10 z.B. wiederum durch Aluminiumoxid gebildet werden, um eine gute elektrische Isolierung und gleichzeitig eine gute thermische Leitfähigkeit zu erzielen.
  • Bevorzugt kann es z.B. auch noch vorgesehen werden, auf der weiteren Isolierschicht 10 noch eine oder mehrere weitere Schichten aufzubringen. Insbesondere kann es z.B. vorteilhaft sein, zumindest noch eine Sensorschicht zum Überwachen der Funktion der elektrischen Heizeinrichtung 1 auszubilden.
    • ABWANDLUNG
  • Eine Abwandlung der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und Fig. 5 eingehender beschrieben. Da sich die Abwandlung von der zuvor beschriebenen Ausführungsform nur in Bezug auf eine Strukturierung der Dicke der Heizleiterbahn 5 in dem Umkehrpunkt 8 unterscheidet, werden bei der Abwandlung dieselben Bezugszeichen verwendet und zur Vermeidung von Wiederholungen unterbleibt eine erneute Beschreibung sämtlicher Komponenten.
  • Um das Problem der Ausbildung unerwünschter "Hot-Spots" insbesondere im Bereich des Umkehrpunktes 8 der Heizleiterbahn 5 zu lösen bzw. zumindest abzumildern, ist die Heizleiterbahn 5 bei dem Ausführungsbeispiel zumindest an dem Umkehrpunkt 8 derart ausgebildet, dass sie in dem Bereich der Innenkurve 8a eine geringere Dicke in der Richtung senkrecht zu der Hauptebene aufweist als in dem Bereich der Außenkurve 8b. Bei dem konkreten Ausführungsbeispiel ist die Heizleiterbahn 5 dabei derart strukturiert, dass deren Dicke von der Innenkurve 8a zu der Außenkurve 8b stufenförmig zunimmt, wie in Fig. 5 schematisch dargestellt ist. Eine solche stufenartige Strukturierung in der Richtung quer zur Heizleiterbahn 5 kann in sehr einfacher und kostengünstiger Weise z.B. dadurch ausgebildet werden, dass die Heizleiterbahn 5 von einer Ausgangsdicke der Heizleiterschicht 4, die im Bereich der Außenkurve 8b belassen wird, in den weiter in Richtung der Innenkurve 8a angeordneten Bereichen mittels einer Laserbearbeitung bis auf eine geringere Dicke teilweise abgetragen wird. Bevorzugt kann dies insbesondere in demselben Arbeitsschritt erfolgen, in dem das Material der Heizleiterschicht 4 auch zur Ausbildung der Isolierunterbrechungen 7 abgetragen wird.
  • Wie in Fig. 5 schematisch dargestellt ist, kann die Heizleiterbahn 5 in dem Kurvenabschnitt 8 z.B. mit zwei Stufen derart strukturiert sein, dass insgesamt in der Richtung quer zur Heizleiterbahn 5 drei Höhenniveaus realisiert sind. Es ist z.B. aber auch möglich, z.B. nur zwei unterschiedliche Höhenniveaus oder mehr als drei Höhenniveaus auszubilden. Die Dicke der Heizleiterbahn 5 kann dabei bevorzugt im Bereich der Innenkurve 8a erheblich im Vergleich zu dem Bereich der Außenkurve 8b reduziert sein. Insbesondere kann die Dicke der Heizleiterbahn 5 im Bereich der Innenkurve 8a z.B. höchstens 65% der Dicke der Heizleiterbahn 5 im Bereich der Außenkurve 8b betragen, bevorzugt höchstens 50%, mehr bevorzugt höchsten 30%. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann die Heizleiterbahn 5 im Bereich der Außenkurve 8b z.B. ca. 25 µm dick sein, in dem Bereich der Innenkurve 8a nur ca. 5 µm dick und in einem dazwischen liegenden Bereich ca. 15 µm dick. Bei einem derartigen Beispiel wurde z.B. festgestellt, dass die Temperatur in der Innenkurve 8a signifikant um ca. 60 °C verringert werden kann (bei dem konkreten Beispiel z.B. von ca. 240 °C auf ca. 180 °C). Die Verringerung der Dicke der Heizleiterschicht 4 in dem Bereich der Innenkurve 8a führt aufgrund der damit einhergehenden Erhöhung des elektrischen Widerstandes in der Innenkurve 8a zu einer homogeneren Verteilung des elektrischen Stroms über die Breite der Heizleiterbahn 5. In dieser Weise wird das durch "Hot-Spots" bedingte Risiko einer Verringerung der Lebensdauer der elektrischen Heizeinrichtung 1 signifikant reduziert. Insgesamt werden in dieser Weise auch höhere Heizleistungen der elektrischen Heizeinrichtung 1 ermöglicht, da die erzielbaren Heizleistungen im Wesentlichen durch "Hot-Spots" begrenzt werden.
  • Obwohl insbesondere im Bereich des Umkehrpunktes 8 der erzielbare Effekt besonders ausgeprägt ist, ist es z.B. auch möglich in anderen Kurvenabschnitten, die keine derartigen Umkehrpunkte 8 sind, die Dicke der Heizleiterschicht 4 im Bereich der Innenkurve zu verringern, um eine homogenere Stromverteilung über die Breite der Heizleiterbahn 5 zu erzielen.
  • Die lokale Verringerung der Dicke im Bereich der Innenkurve 8a eines Umkehrpunktes 8 kann insbesondere z.B. relativ lokal über einen Bereich in der unmittelbaren Nähe bzw. Umgebung des Umkehrpunktes 8 ausgebildet sein, wie insbesondere in Fig. 4 schematisch durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Bei der in Fig. 4 schematisch dargestellten Ausgestaltung ist die zusätzliche Strukturierung der Dicke der Heizleiterbahn 5 z.B. nur in dem Bereich rechts der gestrichelten Linien realisiert und in dem Bereich links der gestrichelten Linien weist die Heizleiterbahn 5 eine über ihre Breite im Wesentlichen konstante Dicke auf.
  • Die beschriebene Verringerung der Dicke der Heizleiterbahn 5 in der Innenkurve 8a des Umkehrpunktes 8 ermöglicht es, die Neigung zur Bildung von Hot-Spots so stark zu unterdrücken, dass das Ausmaß der Verbreiterung des Abstandes zwischen benachbarten innenliegenden Bahnabschnitten 6a im Bereich eines Umkehrpunktes 8 verringert werden kann. In dieser Weise wird eine verbesserte Flächenausnutzung der Oberfläche des Substrats 2 ermöglicht.

Claims (15)

  1. Elektrische Heizeinrichtung (1) für mobile Anwendungen, mit:
    einem Substrat (2) und
    einer auf dem Substrat (2) ausgebildeten Heizleiterschicht (4),
    wobei die Heizleiterschicht (4) zumindest eine Heizleiterbahn (5) aufweist, die sich in einer Hauptebene auf dem Substrat (2) erstreckt,
    wobei die Heizleiterbahn (5) derart strukturiert ist, dass eine Vielzahl nebeneinander verlaufender, durch Isolierunterbrechungen (7) voneinander separierter Bahnabschnitte (6) ausgebildet ist und
    zumindest ein Umkehrpunkt (8) vorgesehen ist, an dem die Heizleiterbahn (5) derart umgelenkt ist, dass innenliegende Bahnabschnitte (6a) mit zueinander entgegengesetzten Stromflussrichtungen benachbart und parallel zueinander verlaufen,
    wobei der Abstand zwischen den benachbarten innenliegenden Bahnabschnitten (6a) mit zueinander entgegengesetzten Stromflussrichtungen im Bereich des Umkehrpunktes (8) auf der Innenseite lokal verbreitert ausgebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Bereich des Umkehrpunktes (8) die innenliegenden Bahnabschnitte (6a) nach außen zu weiter außen liegenden Bahnabschnitten (6b), die durch Isolierunterbrechungen (7) von den innenliegenden Bahnabschnitten (6a) getrennt sind, vorstehen und bei den weiter außen liegenden Bahnabschnitten (6b) die Breite der Bahnabschnitte lokal verringert ist, um die lokale Verbreiterung auf der Innenseite zwischen den innenliegenden Bahnabschnitten (6a) und das Vorstehen der innenliegenden Bahnabschnitte (6a) zu kompensieren.
  2. Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei sich die zumindest eine Heizleiterbahn (5) in einem bifilaren Muster auf dem Substrat (2) erstreckt.
  3. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Heizleiterbahn (5) zwei Umkehrpunkte (8) aufweist.
  4. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heizleiterschicht (4) in zumindest zwei Heizleiterbahnen (5) strukturiert ist, die in einem Schmetterlingsmuster auf dem Substrat (2) ausgebildet sind.
  5. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heizleiterschicht (4) eine flächig auf dem Substrat (2) abgeschiedene und anschließend unter Materialabtrag strukturierte Schicht ist.
  6. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elektrische Heizeinrichtung (1) als Hochvolt-Heizung für eine Betriebsspannung im Bereich zwischen 150 V und 900 V, bevorzugt zwischen 200 V und 600 V, ausgelegt ist.
  7. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heizleiterschicht (4) zumindest 80 % der Substratoberfläche bedeckt, bevorzugt zumindest 85 % der Substratoberfläche.
  8. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Isolierunterbrechungen (7) eine über ihre Erstreckung im Wesentlichen konstante Breite aufweisen.
  9. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in den Isolierunterbrechungen (7) ein elektrisch isolierendes Material angeordnet ist.
  10. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heizleiterbahn (5) derart ausgebildet ist, dass zumindest über einen überwiegenden Anteil ihrer Länge jeweils zwei Bahnabschnitte (6) mit gleichgerichteter Stromflussrichtung benachbart und parallel zueinander verlaufen.
  11. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf der Heizleiterschicht (4) zumindest eine weitere Schicht (10) ausgebildet ist.
  12. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elektrische Heizeinrichtung (1) eine Kraftfahrzeug-Heizeinrichtung ist.
  13. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heizleiterbahn (5) in dem Umkehrpunkt (8) derart ausgebildet ist, dass sie in dem Bereich der Innenkurve (8a) eine geringere Dicke in der Richtung senkrecht zu der Hauptebene aufweist als in dem Bereich der Außenkurve (8b).
  14. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 13, wobei die Heizleiterbahn (5) in dem Umkehrpunkt (8) derart strukturiert ist, dass die Dicke von der Innenkurve (8a) zu der Außenkurve (8b) stufenförmig zunimmt.
  15. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Dicke der Heizleiterbahn (5) im Bereich der Innenkurve (8a) höchstens 65% der Dicke der Heizleiterbahn (5) im Bereich der Außenkurve (8b) beträgt, bevorzugt höchstens 50%, mehr bevorzugt höchstens 30%.
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