EP3417227B1 - Wärmetauscher, insbesondere wasser-luft-wärmetauscher oder öl-wasser-wärmetauscher - Google Patents

Wärmetauscher, insbesondere wasser-luft-wärmetauscher oder öl-wasser-wärmetauscher Download PDF

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EP3417227B1
EP3417227B1 EP17707776.5A EP17707776A EP3417227B1 EP 3417227 B1 EP3417227 B1 EP 3417227B1 EP 17707776 A EP17707776 A EP 17707776A EP 3417227 B1 EP3417227 B1 EP 3417227B1
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EP
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heat exchanger
fluid
water
oil
receiving volume
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Marvin LAPPE
Christoph CAP
Karl GÖTTL
Hans Rechberger
Tobias Hentrich
Jürgen Lipp
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    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular a water-air heat exchanger or an oil-water heat exchanger according to claim 1, and a method for producing a heat exchanger, in particular a water-air heat exchanger or an oil-water heat exchanger according to claim 6.
  • EP 2 466 241 A1 describes an oil-water heat exchanger with several pan elements stacked on top of one another and soldered together.
  • Such oil-water heat exchangers are usually integrated into the cooling circuit of internal combustion engines and can be used, for example, to cool the engine oil.
  • an electric heater is proposed there in an interior space of the heat exchanger in order to heat one of the interacting fluids of the heat exchanger.
  • DE 10 2013 010 907 A1 shows an electrical heating device for heating a first medium and a second medium according to the preamble of claim 1, comprising at least one pipe carrying the second medium, a heat exchanger which is in thermally conductive contact with the at least one pipe and which carries the first medium, and a Layer heating element that at least partially covers the surface of the at least one tube.
  • FR 2 966 580 A1 shows a heat exchanger which has a collector box for receiving a coolant and a radiator in which the coolant is circulated.
  • the collector box contains an electrical heating element, for example an electric immersion heater, which is provided with an active part which extends into an internal volume defined by the collector box.
  • heaters are described that have an electrical heating layer that heats up when an electrical voltage is applied (or when a current flows).
  • DE 10 2011 006 248 A1 A household refrigerator with a heating device is described there.
  • the heating device is produced as a layer heater by painting and applied to a surface of an evaporator of the household refrigerator.
  • the stratified heating is according to DE 10 2011 006 248 A1 Directly applied over a surface of the evaporator and hardly thermally insulating in order to impair the functionality of the evaporator as little as possible.
  • it is considered to be disadvantageous that the production according to this prior art is comparatively complex and appears to be tailored to a very special application. It is the object of the invention to propose a heat exchanger which enables a fluid flowing through the heat exchanger to be heated in a simple and effective manner.
  • a heat exchanger in particular water-air heat exchanger or oil-water heat exchanger, comprising at least one first fluid channel for guiding a first fluid (e.g. oil from an oil-water heat exchanger or water from a water-air heat exchanger ), as well as at least one second fluid channel for guiding a second fluid (e.g. water of the oil-water heat exchanger or air of the water-air heat exchanger), the at least one first fluid channel being connected to a fluid receiving volume (in particular the outlet side), the fluid receiving volume is equipped with an electrical heating coating, wherein the fluid receiving volume is provided by a separate module, wherein the separate module can be or is attached to the remaining components of the heat exchanger.
  • the heat exchanger can generally be a liquid-liquid heat exchanger or a liquid-gas heat exchanger or a gas-gas heat exchanger.
  • a core idea of the invention is that of the per se, for example WO 2013/186106 A1 or WO 2013/030048 A1 known electrical heating coatings to apply to a fluid receiving volume which is connected to at least one of the fluid channels.
  • a fluid to be heated with the heat exchanger can effectively be additionally heated or the temperature of a heating fluid can be increased further (in particular if the electrical heating coating is connected on the inlet side to a fluid channel of the heating fluid).
  • a fluid can be effectively heated, for example an oil of an oil-water heat exchanger for an internal combustion engine of a motor vehicle can be heated.
  • the heat exchanger can have several first fluid channels and / or several second fluid channels.
  • the fluid receiving volume is a volume of the heat exchanger before (or after) the fluid is distributed to a plurality of individual fluid channels (that is to say, for example, a fluid collecting device or fluid distributing device).
  • the first fluid can be oil or water.
  • the second fluid can be water or air.
  • the first and / or second fluid can be liquid or gaseous.
  • the fluid receiving volume is defined by a fluid receiving container, in particular an oil receiving container.
  • a fluid receiving container in particular an oil receiving container, is preferably connected on the outlet side to one or more fluid channels through which oil preferably flows.
  • the fluid receiving volume can be defined by a connection pipe, in particular an outlet pipe, preferably an oil-water heat exchanger.
  • a connection pipe in particular an outlet pipe, preferably an oil-water heat exchanger.
  • a turbulator can be provided. This is preferably provided in the vicinity of an electrical heating coating (ie in particular not further than 5 cm, in particular 2 cm away).
  • the turbulator can be arranged inside the outlet pipe (provided with an electrical heating coating).
  • the electrical heating coating can be arranged on an outer wall of the fluid receiving volume (for example outlet pipe) or on an inner wall of the fluid receiving volume (for example outlet pipe). If a turbulator is provided, it can optionally also be provided with an electrical heating coating itself.
  • the fluid receiving volume is provided by a separate module, the separate module being attachable or being attached to the other components of the heat exchanger.
  • a separate fluid receiving volume is proposed so that existing heat exchangers (in particular oil-water heat exchangers) can be further improved by a simple upgrade.
  • the modular design of the fluid intake volume also has the advantage that manufacturing costs can possibly be reduced, for example by using the same fluid intake module for different types and / or sizes of heat exchangers.
  • the heating coating is particularly preferably designed for operation in the low-voltage range, preferably for 12 volts, 24 volts or 48 volts.
  • Appropriate electrical and / or electronic components of the oil-water heat exchanger are then preferably also designed for such a low-voltage range (12 volts, 24 volts or 48 volts).
  • "Low-voltage range” should preferably be understood to mean an operating voltage of less than 100 V, in particular less than 60 V (direct current).
  • the heating coating is applied indirectly, in particular via an insulation layer, to or in the fluid receiving volume.
  • an insulation layer can be formed, for example, by an adhesion promoter layer or attached to the oil-water heat exchanger via such a layer.
  • a polymer material or a ceramic material (for example Al 2 O 3 ) can preferably be used for the insulation layer.
  • the insulating layer is provided by passivation, in particular oxidizing, in particular anodizing (of aluminum or an aluminum alloy), preferably a surface, for example an outer and / or inner surface, of the fluid receiving volume. Overall, simple yet adequate electrical insulation is provided (especially in low-voltage applications).
  • the heating coating can even be applied directly to or in the fluid receiving volume (for example in low-voltage applications and / or if the substrate is not or only poorly electrically conductive).
  • the heating coating and / or insulation layer is preferably applied over the entire surface of the fluid receiving volume.
  • the heating coating and / or the insulation layer can have an (at least essentially) constant layer thickness.
  • the heating coating and / or the insulation layer can per se be designed to be dimensionally unstable (or not self-supporting).
  • a substrate can be dispensed with, so that the heating coating (and an optional insulation layer) may be formed free of a substrate.
  • a possibly necessary carrying and / or support structure can be provided by the fluid receiving volume (or a wall of the same).
  • the heating coating can be materially connected to a surface, in particular an outer and / or inner surface, of the fluid receiving volume.
  • the heating coating is designed as a continuous (in particular unstructured and / or uninterrupted) layer.
  • the heating coating can generally have at least one section within which there are no interruptions in the heating coating in two mutually perpendicular directions over a distance of at least 1 cm, preferably at least 2 cm, even more preferably at least 4 cm.
  • the heating coating can comprise at least one rectangular section with a length and a width of at least 1 cm, preferably at least 2 cm, even more preferably at least 4 cm, within which there are no interruptions or possibly other structures in the heating coating.
  • An “interruption” within the heating coating is to be understood as a section through which no current can flow, for example because this section remains (completely) free of material and / or is (at least partially) filled with an insulator.
  • the heating coating can be (thermally) sprayed on (regardless of whether it is unstructured or structured, in the final state). In this context it has surprisingly been found that even such a simply configured heating coating can bring about sufficient heating of the oil.
  • the heating coating is designed as a structured layer.
  • the heating coating is preferably structured by a masking process (preferably using silicone, which can be embossed).
  • a masking process preferably using silicone, which can be embossed.
  • the insulating layer described above can have a thickness of at least 50 ⁇ m, preferably at least 200 ⁇ m and / or at most 1000 ⁇ m, preferably at most 500 ⁇ m.
  • the heating coating preferably has a height (thickness) of at least 5 ⁇ m, preferably at least 10 ⁇ m and / or at most 1 mm, preferably at most 500 ⁇ m, even more preferably at most 30 ⁇ m, even more preferably at most 20 ⁇ m.
  • a conductor path defined by the heating coating can be at least 1 mm, preferably at least 3 mm, even more preferably at least 5 mm, even more preferably at least 10 mm, more preferably at least 30 mm wide. “Width” should be understood to mean the extension of the conductor track perpendicular to its longitudinal extension (which usually also defines the direction of the current flow).
  • a protective cover for example a silicone protective layer, is attached over the heating coating.
  • the heating coating can also define an outside or inside of the fluid receiving volume (in an embodiment that is particularly easy to manufacture).
  • the oil-water heat exchanger has a plurality of modules, in particular tub elements, which further preferably, as in FIG EP 2 466 241 A1 described, can be formed.
  • the oil-water heat exchanger (apart from the fluid holding volume according to the invention) as in EP 2 466 241 A1 or US 2015/0176913 A1 described, be formed.
  • the disclosure of these documents is hereby explicitly incorporated by reference.
  • at least one heating coating can be arranged between two modules.
  • the oil-water heat exchanger comprises several pan elements, at least one heating coating can optionally be arranged (applied) between two of these pan elements (on one of the pan elements).
  • an additional heating coating can be applied to further surfaces of the heat exchanger.
  • the object is also achieved by a method for producing a heat exchanger, in particular a water-air heat exchanger or an oil-water heat exchanger, in particular of the type described above, according to claim 6, comprising the provision of at least one first fluid channel for guiding a first fluid (e.g. an oil of the oil-water heat exchanger or water of the water-air heat exchanger) and at least one second fluid channel for guiding a second fluid (e.g. water of the oil-water heat exchanger or air of the water-air heat exchanger), the at least one first fluid channel is connected to a fluid receiving volume, in particular on the outlet side, the fluid receiving volume being equipped with an electrical heating coating (or a surface of the fluid receiving volume being coated directly or indirectly with the electrical heating coating).
  • a first fluid channel for guiding a first fluid
  • a second fluid channel e.g. water of the oil-water heat exchanger or air of the water-air heat exchanger
  • the application of an insulating layer to a surface of the fluid receiving volume can be carried out (or a surface of the fluid receiving volume can be coated directly or indirectly with the insulating layer), for example by passivation (oxidation, in particular anodizing) of a substrate, for example a heat exchanger housing. If necessary, the electrical heating coating can be sprayed on (thermally).
  • passivation oxygen, in particular anodizing
  • the electrical heating coating can be sprayed on (thermally).
  • the above-mentioned object is also achieved by using a heat exchanger of the type described above or produced according to the type described above, as a water-air heat exchanger or as an oil-water heat exchanger, in particular for the internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the insulating layer can be a ceramic material or a polymer material or consist of such a material, Al 2 O 3, for example, being considered as the ceramic material.
  • the heating layer can be applied, for example, in a plasma coating process, in particular plasma spraying, or in a screen printing process, or as a resistance paste, in particular on the insulating layer.
  • a plasma coating process for example, an electrically conductive layer can first be applied, in particular to the insulating layer. Areas can then be cut out of the electrically conductive layer so that one or more conductor tracks remain.
  • a masking technique is preferably used.
  • the conductor tracks can then form the heating resistor or several heating resistors.
  • the areas mentioned can be cut out of the conductive layer, for example by means of a laser.
  • the heating coating can for example be a metal layer and possibly contain nickel and / or chromium or consist of these materials. For example 70-90% nickel and 10-30% chromium can be used, with a ratio of 80% nickel and 20% chromium being considered to be suitable.
  • the heating coating can, for example, occupy an area of at least 5 cm 2 , preferably at least 10 cm 2 and / or at most 200 cm 2 , preferably at most 100 cm 2 .
  • the oil-water heat exchanger can have a total volume of preferably at least 200 cm 3 , even more preferably at least 500 cm 3 , even more preferably at least 800 cm 3 and / or at most 5000 cm 3 , preferably at most 2000 cm 3 .
  • the oil-water heat exchanger can be 15-25 cm long and / or 8-12 cm wide and / or 3-7 cm high (thick).
  • the oil-water heat exchanger preferably has one or more first fluid channels for guiding the oil and one or more second fluid channels for guiding the water.
  • a bimetal switch possibly with two redundant switch devices, can be provided for controlling, in particular regulating, the electrical heating coating.
  • Fig. 1 shows a schematic view of an oil-water heat exchanger (as shown in detail, for example, in EP 2 466 241 A1 is described) with several (soldered) pan elements 10, a cover 19, an inlet pipe 11 and an outlet pipe 12 for the oil flowing in the heat exchanger.
  • An electrical heating coating 13 is applied at least to the outlet pipe 12 (possibly in the inlet pipe 11).
  • an electrical heating coating 13 is arranged on a fluid receiving container 14.
  • the fluid receiving container 14 has a (significantly) enlarged diameter compared to the outlet pipe 12 according to FIG Figure 1 or a fluid receiving container outlet pipe 15 so that the fluid (oil) can be stored in the fluid receiving container 14.
  • the fluid receiving container 14 can be, for example, a cuboid or cylindrical body.
  • the fluid receiving container 14 is provided as an additional module which is connected to an outlet 20 of a heat exchanger main body 21. It would also be conceivable to design the fluid receiving container 14 as an integral part of the oil-water heat exchanger, so that the outlet 20 can be omitted.
  • FIG. 3 A water-air heat exchanger is shown, which has a collecting box 16 and heat exchanger tubes 17, with water for heating (or cooling) a gas (in particular air) flowing past the heat exchanger tubes 17 being provided through both the collecting container 16 and the heat exchanger tubes 17. There is an electrical heating coating 13 on the collecting box 16.
  • a plurality of heat exchanger tubes 17 are connected to the collecting box 16 via connection pieces 18. At least 3, or at least 5, or at least 20 heat exchanger tubes 17 can be connected to the same collecting box 16.
  • the water can enter via an inlet (inlet pipe 11) and exit via an outlet (outlet pipe 12).

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Wasser-Luft-Wärmetauscher oder einen Öl-Wasser-Wärmetauscher nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, insbesondere eines Wasser-Luft-Wärmetauschers oder eines Öl-Wasser-Wärmetauschers nach Anspruch 6.
  • Beispielsweise EP 2 466 241 A1 beschreibt einen Öl-Wasser-Wärmetauscher mit mehreren aufeinandergestapelten und miteinander verlöteten Wannenelementen. Derartige Öl-Wasser-Wärmetauscher werden üblicherweise in den Kühlkreislauf von Verbrennungsmotoren integriert und können beispielsweise zum Kühlen des Motoröls verwendet werden..
  • Ein weiterer Öl-Wasser-Wärmetauscher ist in US 2015/0176913 A1 gezeigt.
  • In einer besonderen Ausführungsform wird dort ein elektrischer Heizer in einem Innenraum des Wärmetauschers vorgeschlagen, um eines der miteinander wechselwirkenden Fluide des Wärmetauschers zu erwärmen.
  • DE 10 2013 010 907 A1 zeigt eine elektrische Heizeinrichtung zur Erwärmung eines ersten Mediums und eines zweiten Mediums gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, umfassend zumindest ein das zweite Medium führendes Rohr, einen mit dem zumindest einen Rohr in wärmeleitendem Kontakt stehenden Wärmeübertrager, der das erste Medium führt, und ein eine Oberfläche des zumindest einen Rohres zumindest teilweise bedeckendes Schichtheizelement.
  • FR 2 966 580 A1 zeigt einen Wärmetauscher, der einen Kollektorkasten zur Aufnahme eines Kühlmittels und einen Heizkörper aufweist, in dem das Kühlmittel umgewälzt wird. Der Kollektorkasten enthält ein elektrisches Heizelement, z.B. einen elektrischen Tauchheizkörper, der mit einem aktiven Teil versehen ist, der sich in ein durch den Kollektorkasten definiertes Innenvolumen erstreckt.
  • Grundsätzlich wird es bei den bekannten Öl-Wasser-Wärmetauschern als nachteilig empfunden, dass bei diesen entweder gar nicht oder nur vergleichsweise aufwändig und ineffektiv ein Vorheizen erfolgen kann. Insbesondere wird die Reduktion von Schadstoffen, die entstehen, wenn das Motoröl nicht auf Betriebstemperatur ist, als verbesserungswürdig angesehen.
  • Weiterhin sei hinsichtlich des Standes der Technik grundsätzlich auf WO 2013/186106 A1 und WO 2013/030048 A1 verwiesen. Dort werden Heizungen beschrieben, die eine elektrische Heizschicht aufweisen, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung (bzw. dem Fließen eines Stroms) erwärmt.
  • Weiterhin sei hinsichtlich des Standes der Technik auf DE 10 2011 006 248 A1 verwiesen. Dort wird ein Haushaltskältegerät mit einer Heizvorrichtung beschrieben. Die Heizvorrichtung ist als Schichtheizung durch Lackieren hergestellt und auf eine Oberfläche eines Verdampfers des Haushaltskältegeräts aufgetragen. Konkret ist die Schichtheizung gemäß DE 10 2011 006 248 A1 direkt auf einer Oberfläche des Verdampfers flächig aufgetragen und kaum thermisch isolierend, um die Funktionalität des Verdampfers nur möglichst gering zu beeinträchtigen. Als nachteilhaft wird jedoch angesehen, dass die Herstellung gemäß diesem Stand der Technik vergleichsweise aufwändig ist und auf einen sehr speziellen Anwendungsfall zugeschnitten erscheint.
    Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher vorzuschlagen, der auf einfache Weise und effektiv eine Erwärmung eines de Wärmetauscher durchströmenden Fluids ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
  • Insbesondere wird die Aufgabe durch einen Wärmetauscher, insbesondere Wasser-Luft-Wärmetauscher oder Öl-Wasser-Wärmetauscher, gelöst, umfassend mindestens einen ersten Fluidkanal zum Führen eines ersten Fluids (z.B. Öl eines Öl-Wasser-Wärmetauschers oder Wasser eines Wasser-Luft-Wärmetauschers), sowie mindestens einen zweiten Fluidkanal zum Führen eines zweiten Fluids (z.B. Wasser des Öl-Wasser-Wärmetauschers oder Luft des Wasser-Luft-Wärmetauschers), wobei der mindestens eine erste Fluidkanal an ein Fluidaufnahmevolumen (insbesondere Auslassseite) angeschlossen ist, wobei das Fluidaufnahmevolumen mit einer elektrischen Heizbeschichtung ausgestattet ist, wobei das Fluidaufnahmevolumen durch ein separates Modul bereitgestellt wird, wobei das separate Modul an die übrigen Bestandteile des Wärmetauschers befestigbar ist oder befestigt ist. Der Wärmetauscher kann im Allgemeinen ein Flüssigkeit-Flüssigkeit-Wärmetauscher oder Flüssigkeit-Gas-Wärmetauscher oder Gas-Gas-Wärmetauscher sein.
  • Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, die an sich beispielsweise aus WO 2013/186106 A1 oder WO 2013/030048 A1 bekannten elektrischen Heizbeschichtungen an einem Fluidaufnahmevolumen aufzubringen, das mit mindestens einem der Fluidkanäle verbunden ist. Dadurch (insbesondere wenn die elektrische Heizbeschichtung auslassseitig angeordnet ist) kann effektiv ein mit dem Wärmetauscher zu erwärmendes Fluid zusätzlich erwärmt werden oder die Temperatur eines erwärmenden Fluids weiter erhöht werden (insbesondere wenn die elektrische Heizbeschichtung eingangsseitig an einem Fluidkanal des erwärmenden Fluids angeschlossen ist). Insgesamt kann effektiv eine Erwärmung eines Fluids, beispielsweise eine Erwärmung eines Öls eines Öl-Wasser-Wärmetauschers für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, erfolgen. Der Wärmetauscher kann mehrere erste Fluidkanäle und/oder mehrere zweite Fluidkanäle aufweisen. Beispielsweise ist das Fluidaufnahmevolumen ein Volumen des Wärmetauschers bevor (oder nachdem) das Fluid auf mehrere einzelne Fluidkanäle verteilt wird (also z. B. eine Fluid-Sammeleinrichtung oder Fluid-Verteileinrichtung). Bei dem ersten Fluid kann es sich um Öl oder Wasser handeln. Bei dem zweiten Fluid kann es sich um Wasser oder Luft handeln. Generell können erstes und/oder zweites Fluid flüssig oder gasförmig sein.
  • In einer konkreten Ausführungsform wird das Fluidaufnahmevolumen durch einen Fluidaufnahmebehälter, insbesondere Ölaufnahmebehälter, definiert. Ein derartiger Fluidaufnahmebehälter, insbesondere Ölaufnahmebehälter, ist vorzugsweise auslassseitig an einen oder mehrere Fluidkanäle angeschlossen, durch die vorzugsweise Öl strömt. Dadurch kann auf effektive Art und Weise eine zusätzliche Erwärmung (beispielsweise nach dem Motorstart eines Kraftfahrzeuges) erfolgen.
  • In einer konkreten Ausführungsform kann das Fluidaufnahmevolumen durch ein Anschlussrohr, insbesondere Auslassrohr, vorzugsweise eines Öl-Wasser-Wärmetauschers, definiert sein. Dadurch wird auf einfache Art und Weise (unter Ausnutzung bestehender Strukturen) eine Zuerwärmung des Fluids, insbesondere Öls, ermöglicht.
  • In einer Ausführungsform kann ein Turbulator vorgesehen sein. Dieser ist vorzugsweise in der Nähe einer elektrischen Heizbeschichtung (also insbesondere nicht weiter als 5 cm, insbesondere 2 cm entfernt) vorgesehen. Beispielsweise kann der Turbulator innerhalb des (mit einer elektrischen Heizbeschichtung versehenen) Auslassrohres angeordnet sein.
  • Grundsätzlich kann die elektrische Heizbeschichtung an einer Außenwand des Fluidaufnahmevolumens (beispielsweise Auslassrohres) oder an einer Innenwand des Fluidaufnahmevolumens (beispielsweise Auslassrohres) angeordnet sein. Wenn ein Turbulator vorgesehen ist, kann dieser ggf. auch selbst mit einer elektrischen Heizbeschichtung versehen sein.
  • Das Fluidaufnahmevolumen wird durch ein separates Modul bereitgestellt, wobei das separate Modul an die übrigen Bestandteile des Wärmetauschers befestigbar ist oder befestigt ist. Erfindungsgemäß wird also ein separates Fluidaufnahmevolumen vorgeschlagen, so dass bestehende Wärmetauscher (insbesondere Öl-Wasser-Wärmetauscher) durch eine einfache Aufrüstung weiter verbessert werden können. Andererseits hat die modulartige Ausbildung des Fluidaufnahmevolumens auch den Vorteil, dass Herstellungskosten ggf. reduziert werden können, beispielsweise dadurch, dass dasselbe Fluidaufnahmemodul für verschiedene Wärmetauschertypen und/oder -großen eingesetzt wird.
  • Besonders bevorzugt ist die Heizbeschichtung zum Betrieb im Niedervoltbereich, vorzugsweise für 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt ausgelegt. Entsprechende elektrische und/oder elektronische Komponenten des Öl-Wasser-Wärmetauschers sind dann vorzugsweise ebenfalls für einen solchen Niedervoltbereich (12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt) ausgelegt. Insbesondere bei einer Anwendung im Niedervoltbereich kann auf synergistische Art und Weise eine effektive Vorheizung mit einfachen Mitteln realisiert werden. Unter "Niedervoltbereich" soll vorzugsweise eine Betriebsspannung von unter 100 V, insbesondere unter 60 V (Gleichstrom) verstanden werden.
  • In einer Ausführungsform ist die Heizbeschichtung mittelbar, insbesondere über eine Isolationsschicht vermittelt, auf dem oder in dem Fluidaufnahmevolumen aufgebracht. Eine derartige Isolationsschicht kann beispielsweise durch eine Haftvermittlerschicht gebildet werden oder über eine solche auf dem Öl-Wasser-Wärmetauscher angebracht sein. Bevorzugt kann für die Isolationsschicht ein Polymermaterial oder ein keramisches Material (z.B. Al2O3) verwendet werden. Vorzugsweise wird die Isolierschicht jedoch durch eine Passivierung, insbesondere ein Oxidieren, insbesondere Eloxieren (von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung), vorzugsweise einer Oberfläche, beispielsweise einer Außen- und/oder Innenfläche, des Fluidaufnahmevolumens, bereitgestellt. Insgesamt wird (gerade in Niedervolt-Anwendungen) eine einfache und dennoch ausreichende elektrische Isolierung bereitgestellt. Alternativ kann die Heizbeschichtung sogar unmittelbar auf dem oder in dem Fluidaufnahmevolumen aufgebracht sein (beispielsweise in Niedervolt-Anwendungen und/oder wenn der Untergrund nicht oder nur schlecht elektrisch leitend ist). Die Heizbeschichtung und/oder Isolationsschicht ist vorzugsweise (voll-)flächig auf dem Fluidaufnahmevolumen aufgebracht. Weiterhin kann die Heizbeschichtung und/oder die Isolationsschicht eine (zumindest im Wesentlichen) konstante Schichtdicke aufweisen. Die Heizbeschichtung und/oder die Isolationsschicht kann/können per se forminstabil (bzw. nicht-selbsttragend) ausgebildet sein. Auf ein Substrat kann verzichtet werden, so dass die Heizbeschichtung (und eine optionale Isolationsschicht) ggf. frei von einem Substrat ausgebildet ist. Ein ggf. notwendige Trage- und/oder Stützstruktur kann durch das Fluidaufnahmevolumen (bzw. ein Wandung desselben) bereitgestellt werden. Grundsätzlich kann die Heizbeschichtung stoffschlüssig mit einer Oberfläche, insbesondere Außen- und/oder Innenfläche des Fluidaufnahmevolumens verbunden sein.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist die Heizbeschichtung als durchgehende (insbesondere unstrukturierte und/oder ununterbrochene) Schicht ausgebildet.
  • Die Heizbeschichtung kann im Allgemeinen mindestens einen Abschnitt aufweisen, innerhalb dessen in zwei aufeinander senkrechten Richtungen über einen Weg von mindestens 1 cm, vorzugsweise mindesten 2 cm, noch weiter vorzugsweise mindestens 4 cm keine Unterbrechungen in der Heizbeschichtung vorliegen. Beispielsweise kann die Heizbeschichtung mindestens einen rechteckförmigen Abschnitt mit einer Länge und einer Breite von je mindestens 1 cm, vorzugsweise mindesten 2 cm, noch weiter vorzugsweise mindestens 4 cm umfassen, innerhalb dessen keine Unterbrechungen oder ggf. sonstigen Strukturen in der Heizbeschichtung vorliegen. Unter einer "Unterbrechung" innerhalb der Heizbeschichtung ist ein Abschnitt zu verstehen, durch den kein Strom fließen kann, beispielsweise da dieser Abschnitt (gänzlich) frei von Material bleibt und/oder (zumindest teilweise) durch einen Isolator ausgefüllt ist. Die Heizbeschichtung kann (thermisch) aufgespritzt werden (unabhängig davon, ob sie unstrukturiert oder strukturiert ist, im Endzustand). In diesem Zusammenhang hat es sich überraschend gezeigt, dass selbst eine derartig einfach ausgebildete Heizbeschichtung eine ausreichende Erwärmung des Öls bewirken kann.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Heizbeschichtung als strukturierte Schicht ausgebildet. Die Heizbeschichtung wird dabei vorzugsweise durch ein Maskierverfahren (vorzugsweise unter Verwendung von Silikon, das geprägt werden kann) strukturiert. Derartige bekannte Maskierverfahren, erlauben eine zufriedenstellende Strukturierung und sind weniger aufwändig als beispielsweise Laserverfahren zur Strukturierung, die gerade im Hochvoltbereich eingesetzt werden. Insgesamt werden daher auf synergistische Art und Weise die Vorteile eines Maskierverfahrens im Hinblick auf die vorliegende Heizbeschichtung ausgenutzt.
  • Die oben beschriebene Isolierschicht kann eine Dicke von mindestens 50 µm, vorzugsweise mindestens 200 µm und/oder höchstens 1000 µm, vorzugsweise höchstens 500 µm betragen.
  • Die Heizbeschichtung hat vorzugsweise eine Höhe (Dicke) von mindestens 5 µm, vorzugsweise mindestens 10 µm und/oder höchstens einem 1 mm, vorzugsweise höchstens 500 µm, noch weiter vorzugsweise höchstens 30 µm, noch weiter vorzugsweise höchstens 20 µm. Eine durch die Heizbeschichtung definierte Leiterbahn kann mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 3 mm, noch weiter vorzugsweise mindestens 5 mm, noch weiter vorzugsweise mindestens 10 mm, noch weiter vorzugsweise mindestens 30 mm breit sein. Unter "Breite" soll die Ausdehnung der Leiterbahn senkrecht zu ihrer Längserstreckung (die üblicherweise auch die Richtung des Stromflusses definiert) verstanden werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist über der Heizbeschichtung eine Schutzabdeckung, beispielsweise eine Silikon-Schutzschicht, angebracht. Alternativ kann jedoch auch (in einer besonders einfach herstellbaren Ausführungsform) die Heizbeschichtung eine Außenseite oder Innenseite des Fluidaufnahmevolumens definieren.
  • In einer konkreten Ausführungsform weist der Öl-Wasser-Wärmetauscher mehrere Module, insbesondere Wannenelemente auf, die weiter vorzugsweise, wie in EP 2 466 241 A1 beschrieben, ausgebildet sein können. Grundsätzlich kann der Öl-Wasser-Wärmetauscher (abgesehen von dem erfindungsgemäßen Fluidaufnahmevolumen) wie in EP 2 466 241 A1 oder US 2015/0176913 A1 beschrieben, ausgebildet sein. Die Offenbarung dieser Druckschriften wird hiermit durch Bezugnahme explizit aufgenommen. Wenn mehrere Module vorgesehen sind, kann mindestens eine Heizbeschichtung zwischen zwei Modulen angeordnet sein. Wenn der Öl-Wasser-Wärmetauscher mehrere Wannenelemente umfasst, kann ggf. mindestens eine Heizbeschichtung zwischen zwei dieser Wannenelemente (auf einem der Wannenelemente) angeordnet (aufgebracht) sein. Dadurch kann mit einfachen Mitteln die Vorheizung (Zuheizung) weiter verbessert werden. Im Allgemeinen kann eine zusätzliche Heizbeschichtung auf weitern Flächen des Wärmetauschers aufgebracht sein.
  • Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, insbesondere eines Wasser-Luft-Wärmetauschers oder eines Öl-Wasser-Wärmetauschers, insbesondere der oben beschriebenen Art, gemäß Anspruch 6, umfassend das Bereitstellen mindestens eines ersten Fluidkanals zum Führen eines ersten Fluids (z.B. eines Öls des Öl-Wasser-Wärmetauschers oder Wasser des Wasser-Luft-Wärmetauschers) sowie mindestens eines zweiten Fluidkanals zum Führen eines zweiten Fluids (z.B. Wasser des Öl-Wasser-Wärmetauschers oder Luft des Wasser-Luft-Wärmetauschers), wobei der mindestens eine erste Fluidkanal an ein Fluidaufnahmevolumen, insbesondere auslassseitig, angeschlossen wird, wobei das Fluidaufnahmevolumen mit einer elektrischen Heizbeschichtung ausgestattet wird (bzw. eine Oberfläche des Fluidaufnahmevolumen unmittelbar oder mittelbar mit der elektrischen Heizbeschichtung beschichtet wird). Zwischen den beiden genannten Schritten kann das Aufbringen einer Isolierschicht auf eine Oberfläche des Fluidaufnahmevolumens durchgeführt werden (bzw. eine Oberfläche des Fluidaufnahmevolumens unmittelbar oder mittelbar mit der Isolierschicht beschichtet werden), beispielsweise durch eine Passivierung (Oxidierung, insbesondere Eloxierung) eines Untergrundes, beispielsweise eines Wärmetauschergehäuses. Die elektrische Heizbeschichtung kann ggf. (thermisch) aufgespritzt werden. Insofern weiter oben (im Zusammenhang mit dem Wärmetauscher) Merkmale beschrieben sind, die zumindest auch mit der Herstellung des Öl-Wasser-Wärmetauschers in Zusammenhang stehen, werden diese Verfahrensmerkmale auch als bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens vorgeschlagen.
  • Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin durch die Verwendung eines Wärmetauschers der oben beschrieben Art oder hergestellt nach der oben beschriebenen Art, als Wasser-Luft-Wärmetauscher oder als Öl-Wasser-Wärmetauscher, insbesondere für den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, gelöst.
  • Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Im Allgemeinen kann die Isolierschicht ein Keramikmaterial oder ein Polymermaterial sein oder aus einem solchen Material bestehen, wobei als Keramikmaterial beispielsweise Al2O3 in Frage kommt.
  • Die Heizschicht kann beispielsweise in einem Plasmabeschichtungsverfahren, insbesondere Plasmaspritzen, oder in einem Siebdruckverfahren oder als Widerstandspaste, insbesondere auf die Isolierschicht, aufgetragen werden. In dem Plasmabeschichtungsverfahren kann beispielsweise zunächst eine elektrisch leitende Schicht, insbesondere auf die Isolierschicht, aufgetragen werden. Aus der elektrisch leitfähigen Schicht können anschließend Bereiche ausgeschnitten werden, so dass eine Leiterbahn oder mehrere Leiterbahnen übrigbleiben. Bevorzugt kommt jedoch eine Maskiertechnik zum Einsatz. Die Leiterbahnen können dann den Heizwiderstand oder mehrere Heizwiderstände bilden. Die genannten Bereiche können alternativ zu einer Maskiertechnik, beispielsweise mittels eines Lasers aus der leitfähigen Schicht herausgeschnitten werden. Die Heizbeschichtung kann beispielsweise eine Metallschicht sein und ggf. Nickel und/oder Chrom enthalten oder aus diesen Materialien bestehen. Beispielsweise können 70-90% Nickel und 10-30% Chrom verwendet werden, wobei ein Verhältnis von 80% Nickel und 20% Chrom als gut geeignet betrachtet wird.
  • Die Heizbeschichtung kann beispielsweise eine Fläche von mindestens 5 cm2, vorzugsweise mindestens 10 cm2 und/oder höchstens 200 cm2, vorzugsweise höchstens 100 cm2, einnehmen. Der Öl-Wasser-Wärmetauscher kann ein Gesamtvolumen von vorzugsweise mindestens 200 cm3, noch weiter vorzugsweise mindestens 500 cm3, noch weiter vorzugsweise mindestens 800 cm3 und/oder höchstens 5000 cm3, vorzugsweise höchstens 2000 cm3, aufweisen. Beispielsweise kann der Öl-Wasser-Wärmetauscher 15-25 cm lang und/oder 8-12 cm breit und/oder 3-7 cm hoch (dick) sein.
  • Der Öl-Wasser-Wärmetauscher weist vorzugsweise einen oder mehrere erste Fluidkanäle zum Führen des Öls und einen oder mehrere zweite Fluidkanäle zum Führen des Wassers auf.
  • Für eine Steuerung, insbesondere Regelung, der elektrischen Heizbeschichtung kann ein Bi-Metall-Schalter, evtl. mit zwei redundanten Schaltereinrichtungen, vorgesehen sein.
  • Nur die Ausführungsformen, die in den Bereich der Ansprüche fallen, gelten als Ausführungsformen der Erfindung. Alle anderen Ausführungsformen werden lediglich als Beispiele betrachtet, die für das Verständnis der Erfindung nützlich sind.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Seitenansicht eines Öl-Wasser-Wärmetauschers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
    Fig. 2
    einen Öl-Wasser-Wärmetauscher gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung; und
    Fig. 3
    einen Wasser-Luft-Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
  • Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht einen Öl-Wasser-Wärmetauscher (wie er beispielsweise im Detail in EP 2 466 241 A1 beschrieben ist) mit mehreren (verlöteten) Wannenelementen 10, einem Deckel 19, einem Einlassrohr 11 und einem Auslassrohr 12 für das in dem Wärmetauscher strömende Öl. Zumindest auf dem Auslassrohr 12 (ggf. in dem Einlassrohr 11) ist eine elektrische Heizbeschichtung 13 aufgebracht.
  • In der alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist eine elektrische Heizbeschichtung 13 auf einem Fluidaufnahmebehälter 14 angeordnet. Der Fluidaufnahmebehälter 14 hat einen (deutlich) vergrößerten Durchmesser gegenüber dem Auslassrohr 12 gemäß Figur 1 oder einem Fluidaufnahmebehälter-Auslassrohr 15, so dass das Fluid (Öl) in dem Fluidaufnahmebehälter 14 gespeichert werden kann. Bei dem Fluidaufnahmebehälter 14 kann es sich beispielsweise um einen quaderförmigen oder zylindrischen Körper handeln. In der konkreten Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist der Fluidaufnahmebehälter 14 als Zusatzmodul vorgesehen, das an einen Auslass 20 eines Wärmetauscher-Hauptkörpers 21 angeschlossen ist. Es wäre auch denkbar, den Fluidaufnahmebehälter 14 als integralen Bestandteil des Öl-Wasser-Wärmetauschers auszubilden, so dass der Auslass 20 entfallen kann.
  • In Fig. 3 ist ein Wasser-Luft-Wärmetauscher gezeigt, der einen Sammelkasten 16 sowie Wärmetauscherrohre 17 aufweist, wobei sowohl durch den Sammelbehälter 16 als auch die Wärmetauscherrohre 17 Wasser zum Erwärmen (oder Kühlen) eines an den Wärmetauscherrohren 17 vorbeiströmenden Gases (insbesondere Luft) vorgesehen ist. Auf dem Sammelkasten 16 befindet sich eine elektrische Heizbeschichtung 13. An dem Sammelkasten 16 sind mehrere Wärmetauscherrohre 17 über Anschlussstücke 18 angeschlossen. Es können mindestens 3, oder mindestens 5, oder mindestens 20 Wärmetauscherrohre 17 an demselben Sammelkasten 16 angeschlossen sein. Das Wasser kann über einen Eingang (Einlassrohr 11) eintreten und über einen Ausgang (Auslassrohr 12) austreten.
    • Bezugszeichen
    • 10
    Wannenelement
    11
    Einlassrohr
    12
    Auslassrohr
    13
    elektrische Heizbeschichtung
    14
    Fluidaufnahmebehälter
    15
    Fluidaufnahmebehälter-Auslassrohr
    16
    Sammelkasten
    17
    Wärmetauscherrohr
    18
    Anschlusseinrichtung
    19
    Deckel
    20
    Auslass
    21
    Wärmetauscher-Hauptkörper

Claims (7)

  1. Wärmetauscher, insbesondere Wasser-Luft-Wärmetauscher oder Öl-Wasser-Wärmetauscher, umfassend mindestens einen ersten Fluidkanal zum Führen eines ersten Fluids, sowie mindestens einen zweiten Fluidkanal zum Führen eines zweiten Fluids,
    wobei der mindestens eine erste Fluidkanal an ein Fluidaufnahmevolumen, insbesondere auslassseitig, angeschlossen ist, wobei das Fluidaufnahmevolumen mit einer elektrischen Heizbeschichtung (13) ausgestattet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Fluidaufnahmevolumen durch ein separates Modul bereitgestellt wird, wobei das separate Modul an die übrigen Bestandteile des Wärmetauschers befestigbar ist oder befestigt ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Fluidaufnahmevolumen durch einen Fluidaufnahmebehälter (14), insbesondere Ölaufnahmebehälter, definiert ist.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Fluidaufnahmevolumen durch ein Anschlussrohr, insbesondere Auslassrohr (12), definiert ist.
  4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Turbulator (vorzugsweise in der Nähe einer elektrischen Heizbeschichtung (13) vorgesehen ist.
  5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die elektrische Heizbeschichtung (13) für einen Betrieb im Niedervoltbereich, vorzugsweise für 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt ausgelegt ist.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, insbesondere eines Wasser-Luft-Wärmetauschers oder eines Öl-Wasser-Wärmetauschers, umfassend die Schritte:
    - Bereitstellen von mindestens einem ersten Fluidkanal zum Führen eines ersten Fluids, sowie einem zweiten Fluidkanal zum Führen eines zweiten Fluids, wobei der mindestens eine erste Fluidkanal an ein Fluidaufnahmevolumen, insbesondere auslassseitig, angeschlossen ist, wobei das Fluidaufnahmevolumen mit einer elektrischen Heizbeschichtung (13) ausgestattet wird, wobei das Fluidaufnahmevolumen durch ein separates Modul bereitgestellt wird, wobei das separate Modul an die übrigen Bestandteile des Wärmetauschers befestigbar ist oder befestigt ist.
  7. Verwendung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, vorzugsweise hergestellt nach Anspruch 6, als Wasser-Luft-Wärmetauscher oder als Öl-Wasser-Wärmetauscher, insbesondere für den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges.
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