EP3305017A1 - Elektrische heizeinrichtung für mobile anwendungen - Google Patents

Elektrische heizeinrichtung für mobile anwendungen

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EP3305017A1
EP3305017A1 EP16732222.1A EP16732222A EP3305017A1 EP 3305017 A1 EP3305017 A1 EP 3305017A1 EP 16732222 A EP16732222 A EP 16732222A EP 3305017 A1 EP3305017 A1 EP 3305017A1
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EP
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heating conductor
heating device
substrate
region
curve
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EP16732222.1A
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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 heating device can also be temporarily used in a stationary manner, for example in large tents, containers (for example construction containers), etc.
  • the electric heating device for mobile applications can be used as a stationary or auxiliary heater for a land vehicle, such as For example, for a caravan, a motorhome, a bus, a car, etc., be designed.
  • WO 2013/186106 A1 describes an electrical heating device for a motor vehicle with a heating resistor designed as a conductor track on a substrate.
  • the interconnect is bifilar and in the area of a Leiterb ahnumlenkung in the opposite direction a widened isolation area is provided.
  • the broadened 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 particularly well through locally on the inside and poorly flowed through regions in the outer edge region of the conductor track.
  • the electric heater has a substrate and a heating conductor layer formed on the substrate.
  • the heat conductor layer has at least one heat conductor, which extends in a main plane on the substrate.
  • the Schuleiterbahn is structured such that a plurality of side by side running, separated by Isolierunterbrechungen track sections is formed.
  • the heating conductor has at least one curved section on which the heating conductor is deflected in the main plane and the heating conductor is formed in the curved section such that it has a smaller thickness in the region of the inner curve in the direction perpendicular to the main plane than in the region of outside curve.
  • the heating conductor can in particular be deflected by at least 90 °.
  • the Schuleiterbahn in the curved section by more than 120 ° be deflected, more preferably by more than 150 °. 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 avoided that the current flowing through the heating conductor flows primarily in the region of the inner curve and therefore locally very high current flows occur there, which lead to a particularly strong local heating in the inner curve.
  • Such strong localized heating would strongly influence the life of the electrical heating device, since a premature failure of the heating conductor is to be expected, especially in such areas of strong local heating
  • the smaller thickness in the region of the inner curve results in a significantly more homogenous current distribution across the width of the heating conductor in the curved section, whereby a significant reduction in the maximum local temperatures is achieved additional space in the main plane is required, which would prevent the most efficient utilization of the available space.
  • the embodiment according to the invention can also be provided in a very simple and cost-effective manner r Schuleiterbahn allows the present invention to increase the achievable heating power per unit area, since the possible heating power mainly by critical points at which local "hot spots" can form is determined.
  • the solution according to the invention has a particularly strong effect if the specified reduced thickness of the inner curve relative to the outer curve is realized in the region of a turning point at which the heating conductor is deflected by at least approximately 180 °.
  • the main plane on the substrate in which the Schuleiterbahn extends not necessarily be flat, but may also be curved or curved, for example.
  • the heating conductor track is structured in the curved section in such a way that the thickness increases stepwise from the inside curve to the outside curve.
  • Such a step-like structuring of the heating conductor can be realized in a particularly simple and cost-effective manner, for example by a partial removal of the material of the heating conductor, in particular, for example by means of laser processing, in which the laser in the region of the Kurvenab- Cut is driven in several passes over the different areas.
  • the heating conductor track may in the curved section particularly preferably have at least two different thickness levels (inside and outside), but more preferably, for example, more different thickness levels may be formed so that the thickness of the heating conductor path increases from the inside curve to the outside curve in several stages.
  • the thickness for example, increases substantially continuously from the inner curve to the outer curve.
  • the Schwarzauerbahn then, for example, a substantially wedge-shaped cross-sectional profile.
  • 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.
  • other methods such as printing process, casting or the like for forming the Schuleiter für conceivable.
  • other methods of structuring are possible, such as etching, mechanical abrasion, ultrasound or the like.
  • the heat conductor layer is preferably made of an electrically conductive metallic material and separated by an intermediate, electrically insulating and thermally highly conductive intermediate layer of the material of the substrate.
  • 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 Schuleiterbahn may preferably have a width of a few millimeters, in particular a width between 2.5 mm and 5 mm, and a thickness (in the direction perpendicular to the substrate) in the range of 5 ⁇ to 30 ⁇ , in particular in the range of 10 ⁇ to 25 ⁇ .
  • the smaller thickness in the region of the inner curve is formed by an increased material removal in relation to the region of the outer curve.
  • This can be achieved, for example, in a particularly reliable and cost-effective manner by laser processing of the heating conductor in the curved section.
  • the heat conductor in the area of the outer curve, can be left at its initial thickness, the thickness in the region of the inner curve can be greatly reduced by material removal and in an intermediate one Area in the width direction of the Schuleiterbahn a lesser material removal done, so there is an intermediate thickness is achieved.
  • 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 hot spots can be particularly reliably suppressed.
  • the at least one curved section is a reversal point at which the heating conductor track is deflected in such a way that inner track sections with mutually opposite current flow directions run adjacent and parallel to one another.
  • the danger of the formation of the life of the electric heaters limiting "hot spots" is particularly pronounced, so that the inventive solution has a particularly advantageous effect.
  • the distance between the adjacent inner track sections with mutually opposite current flow directions in the region of the reversal point on the inside is widened locally.
  • the reduction thickness in the area of the inner curve With such a local broadening of the distance, the formation of "hot spots" can be suppressed particularly reliably, however, it should be noted that the realization of the reduced thickness in the area of the inner curve is basically possible to dispense with such local broadening of the distance or at least to reduce the extent of the distance broadening, whereby an improved surface utilization of the surface of the substrate is achieved.
  • 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 side by side in such a way that track sections through which current flows or flow-through can each be arranged next to one another.
  • at least substantially all provided for heating web sections of Schuleiterbahn be part of the bifilar arrangement. In this way you can the generated electromagnetic fields 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.
  • the heating conductor has two curved sections formed as reversal point.
  • the Schwarzleiterbahn has exactly two such reversal points, an optimized bifilar arrangement can be realized, which has a low electromagnetic radiation and thereby has only a few areas in which an elevated temperature occurs during operation.
  • each of the heating conductors may preferably have two reversal points each.
  • 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. However, it is e.g. also a design up to over 1000 volts possible. In this case, the electric heater can be particularly advantageous e.g. be used in an electric or hybrid vehicle, without consuming voltage transformers are required.
  • 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.
  • an electrically insulating material is arranged in the insulation breaks.
  • the electrically insulating material may preferably also cover the surface of the heating conductor track or heating conductor tracks which is remote from the substrate in addition to the insulation interruptions.
  • the electrically insulating material may in particular preferably be deposited as a layer after the heating conductor track or the heating conductor tracks have been formed.
  • the electrically insulating material is preferably on the one hand electrically very good insulating, on the other hand, but very good thermal conductivity. Due to the electrically insulating material, the width of the Isolierunterbrechungen can be kept relatively small, so that the available standing surface of the substrate can be efficiently used for the Schuleiterbahn or Schuleiterbahnen.
  • the heating conductor track is designed such that at least over a predominant portion of its length, in each case two track sections extend adjacent to and parallel to one another with the direction of current flow direction being rectilinear.
  • 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 respective two track sections may be connected at their ends, in particular 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.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electric heater according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electric heater according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic illustration of a detail of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a schematic illustration of a detail of FIG. 1.
  • Fig. 3 schematically shows the arrangement of a heat conductor layer on a substrate in the embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic illustration of a cross section of a web portion of FIG.
  • Heating conductor in a curve section is a heating conductor in a curve section.
  • Fig. 5 is a schematic, greatly enlarged view of a corner portion formed as a reversal point.
  • Fig. 6 is an illustration corresponding to Fig. 2 of a detail in a modification of the embodiment.
  • the electric heater 1 for mobile applications according to an embodiment is shown schematically in FIG.
  • the electric heater 1 is configured to heat a fluid in a vehicle.
  • the fluid may in particular be e.g. be formed by heated air 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. However, it is e.g. also a design up to over 1000 volts possible.
  • 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 through which the fluid to be heated is passed.
  • the substrate 2 may preferably be formed from a metallic material having a high heat transfer coefficient in a very cost-effective manner in terms of manufacturing technology, in particular, for example, made of aluminum or an aluminum alloy. yaw.
  • an electrically insulating layer 3 is deposited on the substrate 2, which has a high thermal conductivity.
  • the electrically insulating layer 3 may, for example, preferably be formed in particular by aluminum oxide.
  • the electrically insulating layer 3 may be deposited on the substrate 2 in a thermal spraying process.
  • the electrically insulating layer 3 for example, by targeted oxidation of the surface of the substrate 2 are formed.
  • 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 in such a way that at least one heating conductor 5 is designed, which is designed to release ohmic heat when an electrical voltage is applied between its opposite ends becomes.
  • connections 9a, 9b are provided for connecting the heating conductor tracks 5 to an electrical power supply.
  • two such terminals are electrically isolated from each other, arranged side by side on one edge of the substrate 2.
  • the first connection 9a is designed for electrically contacting the heating conductor track 5 and applying a first electrical potential
  • the second connection conclusion 9b for electrically contacting the Schuleiterbahn 5 and applying another, second potential formed.
  • a desired potential difference can be applied to the heating conductor 5 via the two terminals 9a, 9b.
  • 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- layer 4 was first deposited flat on the substrate 2 and then the material of the Schuleitertik 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 to make the structure of the Schuleiterbahn 5 better visible.
  • the insulation breaks 7 formed between the respective track sections 6 have an at least substantially constant width over their longitudinal extent. In this way it is achieved that 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 heating conductor track 5 thus has a multiplicity of track sections 6 in such a way that track sections 6 which are always traversed by current in the opposite direction extend over the greater part of their extent next to one another. In this way, a very low electromagnetic radiation of the electric heater 1 is achieved.
  • the heating conductor 5 is designed such that the heating conductor 5 is also longitudinally subdivided over a predominant region of its longitudinal extent, so that two web sections 6 through which current flows in the same direction run alongside each other and these only in the immediate vicinity Near the terminals 9a and 9b are connected to each other. In this way, an advantageous division of the current flow in the plane of the substrate 2 is achieved.
  • the heating conductor 5 has a plurality of curved sections 8, on which the heating conductor 5 is deflected in the predetermined by the substrate main plane.
  • two of the curve sections 8 are formed as reversal points 10. At these reversal points 10, the heating conductor 5 is deflected in the main plane over a total of substantially 180 ° so that inner track sections 6a with opposite current flow direction separated only by a Isolierunterbrechung 7 side by side and parallel to each other, as shown in particular in Fig. 5 schematically ,
  • the configuration of the heating conductor 5 in the region of such a curved portion 10 formed as a reversal point 10 will be described in more detail below.
  • a curve section 8 of the heating conductor 5, which is designed as a reversal point 10 there is a problem without special countermeasures, which will be described in more detail, that the flowing electric current predominantly seeks the path of least electrical resistance.
  • an increased current flow occurs without countermeasures and in the area of the outer curve 10b, a significantly lower current flow occurs.
  • the heating conductor 5 is formed in the embodiment at least at the curve 10 formed as a reversal point 8 such that they in the The area of the inner curve 10a has a smaller thickness in the direction perpendicular to the main plane than in the area of the outer curve 10b.
  • the Schuleiterbahn 5 is thereby der- structured such that their thickness increases in steps from the inner curve 10a to the outer curve 10b, as shown schematically in Fig. 4.
  • 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 region of the outer curve 1 lb, in the direction of the Inside curve 10a 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.
  • a non-stepped, but continuously changing thickness of Edelleiterbahn 5 across its width This can be achieved, for example, by mechanical processing or removal with a variable laser, for example with a variable focus.
  • the heating conductor 5 can be structured in the curved section 8, for example with two steps, so that overall three height levels are realized in the direction transverse to the heating conductor 5. 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 10a in comparison to the region of the outer curve 10b.
  • the thickness of the heating conductor track 5 in the area of the inner curve 10a can be at most 65% of the thickness of the heating conductor track 5 in the area of the outer curve 10b, preferably at most 50%, more preferably at most 30%.
  • the heating conductor 5 in the region of the outer curve 10b for example, about 25 ⁇ thick, in the region of the inner curve only about 5 ⁇ thick and in an intermediate region about 15 ⁇ thick.
  • the temperature in the inner curve 10a 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 area of the inner curve 10a leads to a more homogeneous distribution of the electric current across the width of the heating conductor track 5 due to the concomitant increase in the electrical resistance in the inner curve 10a.
  • the further insulating layer 11 is formed, which covers the upper side of the heating conductor layer 4 facing away from the substrate 2.
  • the further insulating layer 11 is in particular designed such that it also fills the insulating breaks 7 between the track sections 6 of the heating conductor tracks 5. In this way, a particularly good insulation of the web sections 6 is ensured with each other.
  • the further insulating layer 11 may be e.g. after structuring of the heating conductor layer 4 on the structured heating conductor tracks 5 are deposited.
  • the deposition may be e.g. again preferably by a thermal spraying method, a casting method or the like.
  • the further insulating layer 11 may be e.g. again be formed by alumina, in order to achieve a good electrical insulation and at the same time a good thermal conductivity. It may preferably be e.g. also be provided on the further insulating layer 11 still apply one or more further layers. In particular, it may e.g. be advantageous to form at least one more sensor layer for monitoring the function of the electric heater 1.
  • the local reduction of the thickness in the region of the inner curve 10a of a curve section 8 can be found in particular e.g. be relatively locally formed over an area in the immediate vicinity or environment of the curve section 8, as indicated in particular in Fig. 5 schematically by dashed lines.
  • the additional structuring of the thickness of the heating conductor 5 is e.g. realized only in the area to the right of the dashed lines and in the area to the left of the dashed lines, the heating conductor 5 has over its width substantially constant thickness.
  • the electric heater 100 according to the modification differs only from the embodiment described above in that the distance between the adjacent inner track sections 6a is formed locally broadened with mutually opposite Stromfluß- directions in the region of the turning point 10 on the inside. Since the further features of the modification correspond to the previously described embodiment, only the differences from the embodiment will be described below and the same reference numerals are used to designate the corresponding components.
  • the distance between the adjacent inner web sections 6a is locally broadened in the region of the reversal point 10 such that the deflection of the heating conductor web at the reversal point 10 has a substantially drop-shaped or match head-shaped region 12 includes.
  • the enclosed area 12 in the illustrated embodiment is completely separated from the track sections 6a by the insulation break 7, it is also possible, for example, for this area 12 to be electrically connected to one of the two track sections 6a in an area somewhat distant from the turning point 10 is.
  • the realization according to the modification thus counteracts an excessive heating in the region of the reversal point 10 with two measures, on the one hand with the reduction of the layer thickness of the heating conductor 5 in the region of the inner curve 10a with respect to the outer curve 10b, on the other hand with the local broadening of the distance between the neigh Hard internal track sections 6a in the region of the reversal point 10. In this way, an undesired local temperature increase can thus be counteracted particularly effectively.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Resistance Heating (AREA)
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Abstract

Es wird eine elektrische Heizeinrichtung (1) für mobile Anwendungen mit einem Substrat (2) und einer auf dem Substrat (2) ausgebildeten Heizleiterschicht (4) bereitgestellt. Die Heizleiterschicht (4) weist zumindest eine Heizleiterbahn (5) auf, die sich in einer Hauptebene auf dem Substrat (2) erstreckt. Die Heizleiterbahn (5) ist derart strukturiert, dass eine Vielzahl nebeneinander verlaufender, durch Isolierunterbrechungen (7) voneinander getrennter Bahnabschnitte (6) ausgebildet ist. Die Heizleiterbahn weist zumindest einen Kurvenabschnitt (8) auf, an dem die Heizleiterbahn (5) in der Hauptebene umgelenkt ist, und die Heizleiterbahn (5) ist in dem Kurvenabschnitt (8) derart ausgebildet, dass sie in dem Bereich der Innenkurve (10a) eine geringere Dicke in der Richtung senkrecht zu der Hauptebene aufweist als in dem Bereich der Außenkurve (10b).

Description

Elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen
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 Versorgungs Spannungen 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, gegebenenfalls sogar bis über 1000 Volt.
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 bei- spielsweise für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil, einen Bus, einen Pkw, etc., ausgelegt sein.
WO 2013/186106 AI 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 Leiterb ahnumlenkung 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 außenlie- genden 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 ein wesentlich homogeneres Temperaturprofil 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 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. Die Heizleiterbahn ist derart strukturiert, dass eine Vielzahl nebeneinander verlaufender, durch Isolierunterbrechungen voneinander getrennter Bahnabschnitte ausgebildet ist. Die Heizleiterbahn weist zumindest einen Kurvenabschnitt auf, an dem die Heizleiterbahn in der Hauptebene umgelenkt ist und die Heizleiterbahn ist in dem Kurvenabschnitt 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. In dem Kurvenabschnitt kann die Heizleiterbahn insbesondere um zumindest 90° umgelenkt sein. Bevorzugt kann die Heizleiterbahn in dem Kurvenabschnitt um mehr als 120° umgelenkt sein, mehr bevorzugt um mehr als 150°. 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 vermie- den, 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. Derartige starke lokale Erwärmungen („Hot-Spots") würden die Lebensdauer der elektrischen Heizeinrichtung stark beeinflussen, da insbesondere in derartigen Bereichen starker lokaler Erwärmungen ein vorzeitiges Versa- gen der Heizleiterbahn zu erwarten ist. 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. Ferner hat diese Ausge- staltung den Vorteil, dass kein zusätzlicher Platz in der Hauptebene benötigt wird, was einer möglichst effizienten Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Platzes entgegenstehen würde. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung lässt sich ferner in sehr einfacher Weise und kostengünstig bereitstellen. Bei vorgegebenem Verlauf der Heizleiterbahn ermöglicht die vorliegende Erfindung 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. Je stärker die Heizleiterbahn an dem Kurvenabschnitt umgelenkt wird, desto größer ist der mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielte Effekt. Folglich wirkt sich die erfindungsgemäße Lösung dann besonders stark aus, wenn die angegebene verringerte Dicke der Innenkurve gegenüber der Außenkurve im Bereich eines Umkehrpunktes realisiert wird, an dem die Heizleiterbahn um zumindest annähernd 180° umgelenkt ist. 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 ausgebildet sein kann. Gemäß einer Weiterbildung ist die Heizleiterbahn in dem Kurvenabschnitt 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 Kurvenab- Schnittes in mehreren Durchgängen über die verschiedenen Bereiche gefahren wird. Die Heizleiterbahn kann in dem Kurvenabschnitt 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. In diesem Fall weist die Heizleiterbahn dann z.B. ein im Wesentlichen keilförmiges Querschnittprofil auf. 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. Ebenso sind andere Verfahren zur Strukturierung möglich, wie z.B. Ätzen, mechanisches Abtragen, Ultraschall oder Ähnliches. 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 Dicke (in der Richtung senkrecht zum Substrat) im Bereich von 5 μιη bis 30 μιη, insbesondere im Bereich von 10 μιη bis 25 μιη.
Gemäß einer Weiterbildung ist die geringere Dicke im Bereich der Innenkurve durch einen erhöhten Materialabtrag gegenüber dem Bereich der Außenkurve gebildet. Dies kann z.B. in besonders zuverlässiger und kostengünstiger Weise durch eine Laserbearbeitung der Heizleiterbahn in dem Kurvenabschnitt erreicht werden. Z.B. kann die Heizleiterbahn in dem Bereich der Außenkurve auf ihrer anfänglichen Dicke belassen werden, die Dicke in dem Bereich der Innenkurve durch Materialabtrag stark verringert werden und in einem dazwischen liegenden Bereich in der Breitenrichtung der Heizleiterbahn ein geringerer Materialabtrag erfolgen, sodass dort eine dazwischenliegende Dicke erreicht wird.
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 Hot- Spots besonders zuverlässig unterdrücken.
Gemäß einer Weiterbildung ist der zumindest eine Kurvenabschnitt ein Umkehrpunkt, an dem die Heizleiterbahn derart umgelenkt ist, dass innenliegende Bahnabschnitte mit zueinander entgegengesetzten Stromflussrichtungen benachbart und parallel zueinander verlaufen. Insbesondere an einem solchen Umkehrpunkt ist die Gefahr der Ausbildung von die Lebensdauer der elektrischen Heizeinrichtungen begrenzenden„Hot-Spots" besonders ausgeprägt, sodass sich die erfindungsgemäße Lösung besonders vorteilhaft auswirkt.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Abstand zwischen den benachbarten innenliegenden Bahnabschnitten mit zueinander entgegengesetzten Stromflussrichtungen im Bereich des Umkehrpunktes auf der Innenseite lokal verbreitert ausgebildet. Durch die Kombination der verringerten Dicke im Bereich der Innenkurve mit einer solchen lokalen Verbreiterung des Abstandes kann die Ausbildung von„Hot-Spots" besonders zuverlässig unterdrückt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass es die Realisierung der verringerten Dicke im Bereich der Innenkurve grundsätzlich ermöglicht, auf eine solche lokale Verbreiterung des Abstandes zu verzichten oder zumindest das Ausmaß der Abstandsverbreiterung zu reduzieren, wodurch eine verbesserte Flächennutzung der Oberfläche des Substrates erreicht wird.
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 als Umkehrpunkt ausgebildete Kurvenabschnitte 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 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 jedoch z.B. auch eine Auslegung bis über 1000 Volt 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.
Gemäß einer Weiterbildung bedeckt die Heizleiterschicht zumindest 80 % der Substratober- fläche, 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 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. Heiz- leiterbahnen bedecken. Das elektrisch isolierende Material kann insbesondere bevorzugt nach dem Ausbilden der Heizleiterbahn bzw. der Heizleiterbahnen als Schicht abgeschieden sein. Das elektrisch isolierende Material ist bevorzugt einerseits elektrisch sehr gut isolierend, andererseits aber thermisch sehr gut leitend. 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, 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 ei- nem 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.
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 Darstellung eines Details von Fig. 1.
Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung einer Heizleiterschicht auf einem Substrat bei der Ausführungsform.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Bahnabschnitts der
Heizleiterbahn in einem Kurvenabschnitt.
Fig. 5 ist eine schematische, stark vergrößerte Darstellung eines als Umkehrpunkt ausgebildeten Kurvenabschnitts.
Fig. 6 ist eine Fig. 2 entsprechende Darstellung eines Details bei einer Abwandlung der Ausführungsform.
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 eine Auslegung bis über 1000 Volt möglich.
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 Wärmeübertragung skoeffizienten gebildet sein, insbesondere z.B. aus Aluminium oder einer Aluminiumle- gierung. 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 ab- geschieden 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 struk- turiert, dass zumindest eine Heizleiterbahn 5 ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, ohmsche Wärme freizusetzen, wenn zwischen ihren entgegengesetzten Enden eine elektrische Spannung angelegt wird.
An einem Randbereich der elektrischen Heizeinrichtung 1 sind Anschlüsse 9a, 9b zum Ver- binden der Heizleiterbahnen 5 mit einer elektrischen Leistungsversorgung vorgesehen. Bei der konkret dargestellten Ausführungsform sind zwei solche Anschlüsse elektrisch voneinander isoliert, nebeneinander an einem Rand des Substrates 2 angeordnet. Dabei ist bei der konkreten Ausführungsform der erste Anschluss 9a zum elektrischen Kontaktieren der Heizleiterbahn 5 und Anlegen eines ersten elektrischen Potentials ausgebildet und der zweite An- schluss 9b zum elektrischen Kontaktieren der Heizleiterbahn 5 und Anlegen eines anderen, zweiten Potentials ausgebildet. Über die beiden Anschlüsse 9a, 9b kann somit eine gewünschte Potentialdifferenz an die Heizleiterbahn 5 angelegt werden. 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 Heizleiter- schicht 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. In der vergrößerten Darstellung in Fig. 2 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 den Figuren gut zu erkennen ist, weist die Heizleiterbahn 5 somit eine Vielzahl von Bahnabschnitten 6 derart auf, dass über den über- wiegenden 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 und 9b jeweils miteinander verbunden sind. In dieser Weise wird eine vorteilhafte Aufteilung des Stromflusses in der Ebene des Substrates 2 erreicht. Aufgrund der beschriebenen Anordnung, bei der die Bahnabschnitte 6 in einem großflächigen Muster auf dem Substrat 2 ausgebildet sind, weist die Heizleiterbahn 5 eine Mehrzahl von Kurvenabschnitten 8 auf, an denen die Heizleiterbahn 5 in der durch das Substrat vorgegebenen Hauptebene umgelenkt ist. Bei der bifilaren Anordnung der Heizleiterbahn 5 bei dem Ausführungsbeispiel, bei der auch eine möglichst hohe Flächenabdeckung des Substrates erstrebt wird, sind bei der Heizleiterbahn 5 zwei der Kurvenabschnitte 8 als Umkehrpunkte 10 ausgebildet. An diesen Umkehrpunkten 10 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 neben- einander und parallel zueinander verlaufen, wie insbesondere in Fig. 5 schematisch dargestellt ist.
Die Ausgestaltung der Heizleiterbahn 5 im Bereich eines solchen als Umkehrpunkt 10 ausgebildeten Kurvenabschnittes 8 wird im Folgenden eingehender beschrieben. Insbesondere in einem solchen als Umkehrpunkt 10 ausgebildeten Kurvenabschnitt 8 der Heizleiterbahn 5 stellt es ohne spezielle Gegenmaßnahmen, die noch eingehender beschrieben werden, ein Problem dar, dass sich der fließende elektrische Strom überwiegend den Weg des geringsten elektrischen Widerstandes sucht. Im Bereich der Innenkurve 10a tritt dabei ohne Gegenmaßnahmen ein erhöhter Stromfluss auf und im Bereich der Außenkurve 10b stellt sich ein we- sentlich geringerer Stromfluss ein. Eine solche inhomogene Stromverteilung über den Querschnitt der Heizleiterbahn 5 führt zu einer starken lokalen Erhitzung in dem stärker von elektrischem Strom durchflossenen Bereich der Heizleiterbahn 5, sodass dort das Risiko von„Hot- Spots" existiert, die aufgrund einer sehr starken Erhitzung die Lebensdauer der elektrischen Heizeinrichtung 1 negativ beeinflussen können. Ein ähnliches Problem tritt in schwächerer Form auch an den anderen Kurvenabschnitten 8 auf, an denen die Heizleiterbahn 5 stark umgelenkt wird. Auch dort besteht das Risiko eines erhöhten Stromflusses im Bereich der Innenkurve.
Um das Problem der Ausbildung unerwünschter„Hot-Spots" insbesondere im Bereich von Kurvenabschnitten 8 der Heizleiterbahn 5 zu lösen bzw. zumindest abzumildern, ist die Heizleiterbahn 5 bei dem Ausführungsbeispiel zumindest bei den als Umkehrpunkt 10 ausgebildeten Kurvenabschnitten 8 derart ausgebildet, dass sie in dem Bereich der Innenkurve 10a eine geringere Dicke in der Richtung senkrecht zu der Hauptebene aufweist als in dem Bereich der Außenkurve 10b. Bei dem konkreten Ausführungsbeispiel ist die Heizleiterbahn 5 dabei der- art strukturiert, dass deren Dicke von der Innenkurve 10a zu der Außenkurve 10b stufenförmig zunimmt, wie in Fig. 4 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 1 lb belassen wird, in den weiter in Richtung der Innenkurve 10a angeordneten Bereichen mittels einer Laserbearbeitung bis auf eine geringere Dicke teilweise abgetragen wird. Bevorzugt kann dies insbesondere in demselben Arbeits schritt erfolgen, in dem das Material der Heizleiterschicht 4 auch zur Ausbildung der Isolierunterbrechungen 7 abgetragen wird. Es ist aber z.B. auch eine nicht stufenförmige, sondern kontinuierlich veränderte Dicke der Heizleiterbahn 5 über ihre Breite möglich. Dies kann z.B. durch eine mechanische Bearbeitung oder einen Abtrag mit einem veränderlichen Laser, z.B. mit einem veränderlichen Fokus, erzielt werden.
Wie in Fig. 4 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 10a erheblich im Vergleich zu dem Bereich der Außenkurve 10b reduziert sein. Insbesondere kann die Dicke der Heizlei- terbahn 5 im Bereich der Innenkurve 10a z.B. höchstens 65% der Dicke der Heizleiterbahn 5 im Bereich der Außenkurve 10b betragen, bevorzugt höchstens 50%, mehr bevorzugt höchstens 30%. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann die Heizleiterbahn 5 im Bereich der Außenkurve 10b z.B. ca. 25 μιη dick sein, in dem Bereich der Innenkurve nur ca. 5 μιη dick und in einem dazwischen liegenden Bereich ca. 15 μιη dick. Bei einem derartigen Beispiel wurde z.B. festgestellt, dass die Temperatur in der Innenkurve 10a 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 10a führt aufgrund der damit einhergehenden Erhöhung des elektrischen Widerstandes in der Innenkurve 10a zu einer homogeneren Verteilung des elektrischen Stroms über die Breite der Heizleiter- bahn 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 von als Umkehrpunkt 10 ausgebildeten Kurvenabschnitten 8 der erzielbare Effekt besonders ausgeprägt ist, ist es z.B. auch möglich in anderen Kurvenabschnitten 8, die keine derartigen Umkehrpunkte 10 sind, die Dicke der Heizleiterschicht 4 im Bereich der Innenkurve zu verringern, um eine homogenere Stromverteilung über die Breite der Heizleiterbahn 5 zu erzielen.
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 11 ausgebildet, die die von dem Substrat 2 abgewandte Oberseite der Heizlei- terschicht 4 bedeckt. Bei der Ausführungsform ist die weitere Isolierschicht 11 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 11 kann z.B. nach dem Strukturieren der Heizleiterschicht 4 auf den strukturierten Heizleiterbahnen 5 abge- schieden werden. Das Abscheiden kann dabei z.B. wiederum bevorzugt durch ein thermisches Spritzverfahren, ein Gießverfahren oder Ähnliches erfolgen. Insbesondere kann die weitere Isolierschicht 11 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 11 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. Die lokale Verringerung der Dicke im Bereich der Innenkurve 10a eines Kurvenabschnittes 8 kann insbesondere z.B. relativ lokal über einen Bereich in der unmittelbaren Nähe bzw. Umgebung des Kurvenabschnittes 8 ausgebildet sein, wie insbesondere in Fig. 5 schematisch durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Bei der in Fig. 5 schematisch dargestellten Ausgestaltung ist die zusätzliche Strukturierung der Dicke der Heizleiterbahn 5 z.B. nur in dem Be- reich 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 10a des Kurvenabschnittes 8 ermöglicht es, die Neigung zur Bildung von Hot-Spots so stark zu unter- drücken, dass auf eine lokale Verbreiterung des Abstandes zwischen benachbarten innenliegenden Bahnabschnitten 6a im Bereich eines Umkehrpunktes 10 verzichtet werden kann. In dieser Weise wird eine verbesserte Flächenausnutzung der Oberfläche des Substrats 2 ermöglicht.
ABWANDLUNG
Eine Abwandlung der Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben. Die elektrische Heizeinrichtung 100 gemäß der Abwandlung unterscheidet sich nur darin von der zuvor beschriebenen Ausführungsform, dass der Abstand zwischen den benachbarten innenliegenden Bahnabschnitten 6a mit zueinander entgegengesetzten Stromfluss- richtungen im Bereich des Umkehrpunktes 10 auf der Innenseite lokal verbreitert ausgebildet ist. Da die weiteren Merkmale der Abwandlung mit der zuvor beschriebenen Ausführungs- form übereinstimmen, werden im Folgenden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform beschrieben und zur Bezeichnung der entsprechenden Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet.
Wie in Fig. 6 zu sehen ist, ist der Abstand zwischen den benachbarten innenliegenden Bahn- abschnitten 6a im Bereich des Umkehrpunktes 10 derart lokal verbreitert ausgebildet, dass die die Umlenkung der Heizleiterbahn an dem Umkehrpunkt 10 einen im Wesentlichen tropfenförmigen oder Streichholzkopf-förmigen Bereich 12 einschließt. Obwohl der eingeschlossene Bereich 12 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vollkommen durch die Isolierunterbrechung 7 von den Bahnabschnitten 6a getrennt ist, ist es z.B. auch möglich, dass dieser Bereich 12 z.B. in einem von dem Umkehrpunkt 10 etwas entfernten Bereich mit einem der beiden Bahnabschnitte 6a elektrisch leitend verbunden ist. Durch die lokale Verbreiterung des Abstandes zwischen den innenliegenden Bahnabschnitten 6a im Bereich des Umkehrpunktes 10 wird ein übermäßiger Streckenunterschied zwischen Strompfaden im Bereich der Außenkurve 10b und Strompfaden im Bereich der Innenkurve 10a an dem Umkehrpunkt 10 vermieden. In dieser Weise wird zusätzlich einer zu starken Konzentration des Stromflusses in der Innenkurve 10a im Bereich des Umkehrpunktes 10 entgegengewirkt, die zu einer lokalen Überhitzung führen würde. Die Realisierung gemäß der Abwandlung wirkt einer überhöhten Erhitzung in dem Bereich des Umkehrpunktes 10 somit mit zwei Maßnahmen entgegen, einerseits mit der Verringerung der Schichtdicke der Heizleiterbahn 5 im Bereich der Innenkurve 10a gegenüber der Außenkurve 10b, andererseits mit der lokalen Verbreiterung des Abstandes zwischen den benach- harten innenliegenden Bahnabschnitten 6a im Bereich des Umkehrpunktes 10. In dieser Weise kann einer unerwünschten lokalen Temperaturerhöhung somit besonders effektiv entgegengewirkt werden.

Claims

Patentansprüche
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 getrennter Bahnabschnitte (6) ausgebildet ist,
wobei die Heizleiterbahn zumindest einen Kurvenabschnitt (8) aufweist, an dem die Heizleiterbahn (5) in der Hauptebene umgelenkt ist, und
wobei die Heizleiterbahn (5) in dem Kurvenabschnitt (8) derart ausgebildet ist, dass sie in dem Bereich der Innenkurve (10a) eine geringere Dicke in der Richtung senkrecht zu der Hauptebene aufweist als in dem Bereich der Außenkurve (10b).
Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Heizleiterbahn (5) in dem Kurvenabschnitt (8) derart strukturiert ist, dass die Dicke von der Innenkurve (10a) zu der Außenkurve (10b) stufenförmig zunimmt.
Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Heizleiterschicht (4) eine flächig auf dem Substrat (2) abgeschiedene und anschließend unter Materialabtrag strukturierte Schicht ist.
Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 3, wobei die geringere Dicke im Bereich der Innenkurve (10a) durch einen erhöhten Materialabtrag gegenüber dem Bereich der Außenkurve (10b) gebildet ist.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Heizleiterbahn (5) im Bereich der Innenkurve (10a) höchstens 65% der Dicke der Heizleiterbahn (5) im Bereich der Außenkurve (10b) beträgt, bevorzugt höchstens 50%, mehr bevorzugt höchsten 30%.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Kurvenabschnitt (8) ein Umkehrpunkt (10) ist, an dem die Heizleiterbahn (5) derart umgelenkt ist, dass innenliegende Bahnabschnitte (6a) mit zueinander entgegengesetzten Stromflussrichtungen benachbart und parallel zueinander verlaufen.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen den benachbarten innenliegenden Bahnabschnitten (6a) mit zueinander entgegengesetzten Stromflussrichtungen im Bereich des Umkehrpunktes (10) auf der Innenseite lokal verbreitert ausgebildet ist.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die zumindest eine Heizleiterbahn (5) in einem bifilaren Muster auf dem Substrat (2) erstreckt.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heizleiterbahn (5) zwei als Umkehrpunkt (10) ausgebildete Kurvenabschnitte (8) aufweist.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elektrische Heizeinrichtung (1) als Hochvolt- Heizung für eine Betriebsspannung im Bereich zwischen 150 V und 650 V, bevorzugt zwischen 200 V und 600 V ausgelegt ist.
11. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heiz- leiterschicht (4) zumindest 80 % der Substratoberfläche bedeckt, bevorzugt zumindest 85 % der Substratoberfläche.
12. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in den Isolierunterbrechungen (7) ein elektrisch isolierendes Material angeordnet ist.
13. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heiz- leiterbahn (5) derart ausgebildet ist, dass zumindest über einen überwiegenden Anteil ihrer Länge jeweils zwei Bahnabschnitte (6) mit gleichgerichteter Stromflussrichtung benachbart und parallel zueinander verlaufen.
14. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf der Heizleiterschicht (4) zumindest eine weitere Schicht (11) ausgebildet ist.
15. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elektrische Heizeinrichtung (1) eine Kraftfahrzeug-Heizeinrichtung ist.
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