EP3631318A1 - Heizgerät und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Heizgerät und verfahren zur herstellung desselben

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Publication number
EP3631318A1
EP3631318A1 EP18728815.4A EP18728815A EP3631318A1 EP 3631318 A1 EP3631318 A1 EP 3631318A1 EP 18728815 A EP18728815 A EP 18728815A EP 3631318 A1 EP3631318 A1 EP 3631318A1
Authority
EP
European Patent Office
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polymer structure
polymer
heater
fluid
component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18728815.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Zoske
Michael Schwanecke
Volodymyr Ilchenko
Bengt Meier
Christoph J RG
Vitali Dell
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Webasto SE
Original Assignee
Webasto SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Webasto SE filed Critical Webasto SE
Publication of EP3631318A1 publication Critical patent/EP3631318A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a heater, in particular for a motor vehicle, and a method for producing the same.
  • Electric heaters especially air heaters (especially those used in mobile applications) are often based on ceramic heating elements with a comparatively strong temperature-dependent electrical resistance, through which a self-regulation of the heat release is possible.
  • These resistors are usually PTC ceramic elements (PTC for Positive Temperature Coefficient). These are usually connected to heat exchanger surfaces made of aluminum sheet and are also contacted electrically.
  • a PTC element comprises a PTC resistor, ie a temperature-dependent resistor with a positive temperature coefficient, which conducts the electric current better at low temperatures than at high temperatures.
  • Disadvantages of conventional heaters, in particular air heaters with ceramic PTC elements include u.a. an elaborate production by a comparatively complicated heat exchanger production and the installation of the ceramic elements, a usually necessary sorting of the ceramic elements due to manufacturing tolerances, a comparatively unfavorable power density in a heating element heat exchanger composite by a local heat generation, a relatively strong restriction a maximum heating power through a thickness of the PTC material (due to a limited heat dissipation from the ceramic) and a comparatively high risk of short circuit, in particular due to a low geometric
  • the object is achieved by a method for producing an electric heater, preferably liquid or air heater, preferably for a vehicle, in particular for a motor vehicle, wherein at least one conductive polymer structure, wherein the polymer structure is a polymer component and a conductive component, in particular
  • Carbon component is produced by prototyping, wherein
  • Fluid channels are introduced for passing the fluid to be heated during the original manufacturing in the polymer structure.
  • a central idea of the invention is to produce a (conductive) polymer structure for heating fluid (in particular water, preferably cooling water or air, preferably heating air for an interior, in particular a vehicle) in a heater, preferably liquid or air heater, wherein integrated openings for Passage of the fluid (fluid channels) are made or introduced during a primary molding.
  • a heater preferably liquid or air heater, which allows efficient operation.
  • the polymer structure has a plurality of fluid channels, e.g. B. more than 10 fluid channels, on.
  • the polymer structure is as a one-piece, in particular
  • the master molding may include casting, in particular injection molding and / or die casting, pressing, in particular extrusion and / or compression molding, and / or foaming.
  • prototypes are to be understood as a production process in which an informal or deformable (eg liquid, pasty, pasty or plastically deformable) fabric a (solid) body is made (the
  • the polymer structure is preferably dimensionally stable in itself, thus also retains its shape when other components of the heater are removed (or have not yet been added or integrated with other components, if they were not provided, which by producing a corresponding comparison object without the other components can be determined).
  • a dimensionally stable design does not exclude in particular that the
  • a tool for carrying out the primary shaping eg injection molding tool
  • At least one electrical connection element such as, preferably, a metal wire, metal mesh, metal sheet and / or sheet metal strips, may be bonded to the polymer structure, preferably into the
  • Embedded polymer structure Under a compound is in particular a cohesive (solid) connection to understand. Alternatively or additionally, a positive connection (eg by means of corresponding projections or recesses provided on the connection element) is provided.
  • a positive connection eg by means of corresponding projections or recesses provided on the connection element.
  • Mold in particular injection molding tool, arranged (or inserted into such).
  • prototyping eg.
  • an electric heater preferably liquid or air heater, in particular for a vehicle, preferably for a motor vehicle, more preferably produced by the above method, comprising at least one conductive
  • Polymer structure wherein the polymer structure has a (possibly non-conductive)
  • the electric fluid heater in particular liquid or air heater preferably has at least one electrical connection element, such as preferably a metal wire, metal mesh, metal sheet and / or sheet metal strips on.
  • the polymer structure preferably has a grid, honeycomb or mesh structure.
  • Cross-sections of the fluid channels in the polymer structure may be at least 5%, preferably at least 10%, more preferably at least 20% of a total cross-section of the polymer structure.
  • Cross sections of the fluid channels in the polymer structure amount to at most 80% of an overall cross section of the polymer structure.
  • the conductive component in particular carbon component may be present in particle form and / or as a carbon skeleton.
  • the conductive component in particular carbon component may be formed or arranged so that it allows a flow of current, for. B. in particulate form (with the particles corresponding to touch or close together) and / or as a (carbon) scaffold.
  • the conductive component may include metal particles and / or fibers.
  • the carbon component may be present in the form of carbon black and / or graphite and / or graphene and / or carbon fiber fibers and / or carbon nanotubes and / or fullerenes.
  • the polymer structure may comprise an electrically insulating polymer component.
  • the polymer structure comprises at least 6, more preferably at least 10, even more preferably at least 40 fluid channels.
  • a fluid heater in particular liquid or air heater of the type described above or prepared by the method of the type described above, wherein fluid flows through the fluid channels and is thereby heated.
  • a fluid heater in particular liquid or air heater of the type described above or produced by the method described above for heating air, especially in a vehicle, preferably a motor vehicle, more preferably for a motor vehicle interior.
  • a vehicle comprising a fluid heater, in particular liquid or air heater of the type described above or produced by the method described above.
  • the polymer structure is preferably a conductive structure with PTC behavior.
  • Cross-sections of at least one or more or all of the fluid channels may be polygonal, in particular quadrangular, preferably rectangular (more preferably square) or oval, in particular elliptical, preferably (circular) circular.
  • a cross section within a fluid channel may vary or be constant (over its length). Also cross sections of different fluid channels may differ or be the same.
  • Short circuits may be provided on the entire heater or at least exposed areas of the polymer structure, a protective layer (paint or seal).
  • Plastic component should be understood as an abbreviation for "electrically conductive”.
  • the polymer structure may be formed as a polymer plate (with corresponding openings or fluid channels).
  • Polymer component and conductive (carbon) component are preferably mixed together or intertwined.
  • the polymer component can form a (skeletal) framework in which the conductive component is accommodated or vice versa.
  • the polymer structure is at least
  • Carbon component such as. B. the carbon particles.
  • the carbon component is at least 50% by weight, more preferably at least 70% by weight of carbon.
  • the polymer component is in particular in the form of an electrically insulating polymer component.
  • the polymer component may be a first polymer subcomponent based on ethylene acetate (copolymer) and / or
  • Ethylene acrylate (copolymer) and / or comprise a second polymer component based on polyolefin, in particular polyethylene and / or polypropylene, and / or polyester and / or polyamide and / or fluoropolymer.
  • the term "subcomponent" is intended here in particular for Distinction between first and second polymer subcomponent can be used.
  • the respective subcomponent can form either partially or completely the polymer component.
  • the ethylene acrylate may be ethyl methyl acrylate or ethylene ethyl acrylate.
  • Ethylene acetate may be ethylene vinyl acetate.
  • the polyethylene may be high density polyethylene, medium density polyethylene, low density polyethylene.
  • the fluoropolymer may be PFA (copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoropropyl vinyl ester) MFA (copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ester), FEP (copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene), ETFE (copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene) or PVDF (polyvinylidene fluoride) act.
  • PFA copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoropropyl vinyl ester
  • MFA copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ester
  • FEP copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene
  • the first polymer subcomponent as in FIG. 1
  • WO 2014/188190 AI (described as a first-electrically insulating material) may be formed.
  • the second polymer subcomponent can likewise be formed as described in WO 2014/188190 A1 (as a second-electrically insulating material).
  • the polymer structure or the polymer structures may be contacted by at least one metal structure, preferably a (in particular bent) metal sheet, preferably copper sheet, and / or metal strip and / or metal wire and / or metal grid (electrically).
  • a metal structure preferably a (in particular bent) metal sheet, preferably copper sheet, and / or metal strip and / or metal wire and / or metal grid (electrically).
  • the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding to the metal structure (or corresponding
  • Electrodes On the substrate and / or the polymer coating,
  • the polymer structure or the polymer structures and / or a corresponding substance to be formed (for example paste) for the production thereof may comprise (as in particular crystalline binder) at least one polymer, preferably based on at least one olefin; and / or at least one copolymer of at least one olefin and at least one monomer which can be copolymerized therewith, e.g. As ethylene / acrylic acid and / or
  • polyacetylene or polyalkenylene such as.
  • polyoctenamer polyoctenamer
  • fluoropolymer such as.
  • polyvinylidene fluoride and / or copolymers thereof As polyvinylidene fluoride and / or copolymers thereof.
  • the polymer structure or one for producing the
  • Binders (especially according to p. 4, 2nd paragraph and p. 5, 1st paragraph of
  • the polymer structure is preferably a PTC resistor. Thereby, a self-regulation of the temperature can be made possible, which simplifies the control and in particular increases the safety during operation.
  • Polymer body especially with regard to the fluid channels (openings) for the fluid to be heated, a high component surface can be realized, which allows a high heat output with little space due to a good convective heat transfer.
  • metallic connecting elements of the electrical resistance in the transition into the polymer structure (or a polymer material of the
  • Polymer structure are minimized and the risk of deterioration of the contact over the life can be reduced.
  • the latter can be roughened (for example by sandblasting) and / or holes and / or undercuts can be introduced into the (respective) connection element.
  • sandblasting for example by sandblasting
  • holes and / or undercuts can be introduced into the (respective) connection element.
  • Drahtgewebe-, knitted and / or -gewirke be provided as connecting elements.
  • the polymer structure can not only fulfill the task of a heat conductor, but at the same time enable further functions as an (integral) component, in particular forming a frame or connecting surfaces for the heater.
  • the fluid heater in particular liquid or air heater is preferably designed for operation in the low-voltage range (eg ⁇ 100 volts or ⁇ 60 volts).
  • the heater can be designed for operation with alternating or direct current.
  • a pulse width modulated supply is possible.
  • An electrically insulating material is in particular a material to be understood, having at room temperature (25 ° C), an electrical conductivity of less than 10 "1 S 1 irr 1 (possibly less than 10" 8 S 1 m "1). Accordingly, is an electrical conductor or a material (or coating) to be understood with electrical conductivity, a material that is an electrical
  • Fig. 1 is a schematic front view of an inventive
  • FIG. 2 is a side view of the air heater of FIG. 1;
  • FIG. 2 is a side view of the air heater of FIG. 1;
  • Fig. 3 is a sectional view of the heater of FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a further sectional view of the air heater according to FIG. 1.
  • Fig. 1 shows a schematic front view of an electric air heater according to the invention.
  • the air heater has a polymer structure 10 as well
  • the polymer structure 10 has a multiplicity of fluid channels 13 which here (optionally) have a rectangular cross-section.
  • the fluid channels 13 are arranged in a plurality of rows and columns (regular) (which is not mandatory).
  • connection elements 14, 14a for example, terminal strips or sheet metal strips
  • the connection elements 14 a connect the connection elements 14 with the contacts 11, 12.
  • the air flow is schematically sketched by the arrow 15 in FIGS. 2 and 4.
  • the electrical connection elements 14 are connected to one another so that an electrical connection is ensured (via the electrical contacts 11, 12).
  • the polymer structure 10 is a polymer structure based on polymer having a carbon content.
  • the polymer structure has a PTC behavior.
  • the electrical connection elements 14 are preferably made of metal.
  • the electrical supply can be effected in particular via direct current. It should be noted at this point that all parts described above, taken alone and in any combination, especially in the

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizgerätes, vorzugsweise Flüssigkeits- oder Luftheizgerätes, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur (10), die eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente enthält, durch Urformen hergestellt wird, wobei Fluidkanäle (13) zum Durchleiten des zu heizenden Fluids während der urformenden Fertigung in die Polymerstruktur eingebracht werden.

Description

Heizgerät und Verfahren zur Herstellung desselben
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Heizgerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Elektrische Heizgeräte, insbesondere Luftheizgeräte (insbesondere solche, die in mobilen Anwendungen eingesetzt werden) basieren oftmals auf keramischen Heiz-Elementen mit einem vergleichsweise stark temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, durch den eine Selbstregelung der Wärmeabgabe ermöglicht wird . Bei diesen Widerständen handelt es sich üblicherweise um keramische PTC-Elemente (PTC für Positive Temperature Coefficient). Diese sind in der Regel mit Wärmeübertrager-Flächen aus Aluminiumblech verbunden und werden darüber auch elektrisch kontaktiert. Ein PTC-Element umfasst einen PTC- Widerstand, also einen temperaturabhängigen Widerstand mit einen positiven Temperaturkoeffizienten, der bei tiefen Temperaturen den elektrischen Strom besser leitet als bei hohen Temperaturen.
Nachteile von herkömmlichen Heizgeräten, insbesondere Luftheizgeräten mit Keramik-PTC-Elementen sind u.a . eine aufwändige Herstellung durch eine vergleichsweise komplizierte Wärmeübertrager-Fertigung und der Einbau der Keramik-Elemente, eine üblicherweise notwendige Sortierung der Keramik- Elemente aufgrund von Fertigungstoleranzen, eine vergleichsweise ungünstige Leistungsdichte in einem Heizelement-Wärmeübertrager-Verbund durch eine lokale Wärmeerzeugung, eine vergleichsweise starke Einschränkung einer maximalen Heizleistung durch eine Dicke des PTC-Materials (aufgrund einer begrenzten Wärmeabfuhr aus der Keramik) sowie eine vergleichsweise hohe Kurzschlussgefahr, insbesondere aufgrund eines geringen geometrischen
Abstands von Bauteilen mit einem hohen Spannungspotential.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Heizgerätes, insbesondere Luft- oder Flüssigkeitsheizgerätes vorzuschlagen, wobei eine effektive Aufheizung der Fluid ermöglicht wird . Weiterhin soll ein entsprechendes Luftheizgerät vorgeschlagen werden. Diese Aufgabe wird insbesondere durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizgerätes, vorzugsweise Flüssigkeits- oder Luftheizgerätes, vorzugsweise für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gelöst, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur, wobei die Polymerstruktur eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere
Kohlenstoffkomponente enthält, durch Urformen hergestellt wird, wobei
Fluidkanäle (Öffnungen) zum Durchleiten des zu heizenden Fluids während der urformenden Fertigung in die Polymerstruktur eingebracht werden.
Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, eine (leitfähige) Polymerstruktur zum Aufheizen von Fluid (insbesondere Wasser, vorzugsweise Kühlwasser oder Luft, vorzugsweise Heizluft für einen Innenraum, insbesondere eines Fahrzeuges) in einem Heizgerät, vorzugsweise Flüssigkeits- oder Luftheizgerät herzustellen, wobei integrierte Öffnungen zum Durchleiten des Fluids (Fluidkanäle) während eines Urformens hergestellt bzw. eingebracht werden. Dadurch kann auf einfache und effiziente Art und Weise ein Heizgerät, vorzugsweise Flüssigkeits- oder Luftheizgerät realisiert werden, das einen effizienten Betrieb erlaubt.
Vorzugsweise weist die Polymerstruktur eine Vielzahl von Fluidkanälen, z. B. mehr als 10 Fluidkanälen, auf.
Vorzugsweise ist die Polymerstruktur als eine einstückige, insbesondere
monolithische, Struktur ausgebildet.
Es können vorzugsweise genau eine oder alternativ mehrere Polymerstrukturen vorgesehen sein.
Das Urformen kann ein Gießen, insbesondere Spritzgießen und/oder Druckgießen, ein Pressen, insbesondere Extrudieren und/oder Pressformen, und/oder ein (Auf-) Schäumen umfassen.
Grundsätzlich ist unter Urformen ein Fertigungsverfahren zu verstehen, bei dem aus einem formlosen bzw. verformbaren (z. B. flüssigen, pastösen, breiigen oder plastisch verformbaren) Stoff ein (fester) Körper hergestellt wird (der
insbesondere eine geometrisch definierte Form hat).
Eine Erstreckung der Polymerstruktur (in Strömungsrichtung) beträgt
vorzugsweise mindestens 5 mm, weiter vorzugsweise mindestens 10 mm.
Die Polymerstruktur ist vorzugsweise an sich formstabil, behält also auch ihre Form, wenn weitere Komponenten des Heizgerätes entfernt werden (bzw. noch nicht hinzugefügt worden sind bzw. bei integrierten weiteren Komponenten, wenn diese nicht vorgesehen wären, was durch Herstellung eines entsprechenden Vergleichsobjektes ohne die weiteren Komponenten festgestellt werden kann). Eine formstabile Ausführung schließt insbesondere nicht aus, dass die
Polymerstruktur bei Einwirken äußerer Kräfte elastisch und/oder plastisch verformbar ist.
Ein Werkzeug zum Durchführen des Urformens (z. B. Spritzwerkzeug) weist vorzugsweise entsprechend mit den Fluidkanälen korrespondierende
Fertigungsstrukturen (z. B. entsprechende Vorsprünge) auf.
Während des Urformens kann mindestens ein elektrisches Anschlusselement, wie vorzugsweise ein Metalldraht, Metallgitter, Metallblech und/oder Metallblech- Streifen, mit der Polymerstruktur verbunden werden, vorzugsweise in die
Polymerstruktur eingebettet werden. Unter einer Verbindung ist insbesondere eine stoffschlüssige (feste) Verbindung zu verstehen. Alternativ oder zusätzlich ist eine formschlüssige Verbindung (z. B. durch entsprechende Vorsprünge oder Ausnehmungen, die an dem Anschlusselement vorgesehen sind) vorgesehen. Unter einem Einbetten in die Polymerstruktur ist insbesondere zu verstehen, dass das mindestens eine elektrische Anschlusselement von mehr als nur einer Seite in Kontakt mit der Polymerstruktur ist bzw. dass mindestens 50 % des elektrischen Anschlusselementes von der Polymerstruktur bedeckt sind.
Vorzugsweise wird mindestens ein (das mindestens eine) elektrische(s)
Anschlusselement vor dem Urformen, insbesondere Spritzgießen, in einem
Formwerkzeug, insbesondere Spritzgusswerkzeug, angeordnet (bzw. in ein solches eingelegt). Insbesondere können bereits vor dem Urformen (z. B.
Spritzgießen) in das Formwerkzeug (Spritzgießwerkzeug) Anschlussleitungen aus Metallblech-Streifen und/oder Drähte und/oder Litzen und/oder eine Gewebe und/oder dergleichen eingelegt werden.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein elektrisches Heizgerät, vorzugsweise Flüssigkeits- oder Luftheizgerät, insbesondere für ein Fahrzeug, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, weiter vorzugsweise hergestellt nach dem obigen Verfahren, umfassend mindestens eine leitfähige
Polymerstruktur, wobei die Polymerstruktur eine (ggf. nicht-leitfähige)
Polymerkomponente und eine leitfähige (Füll-)Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente, enthält, wobei die Polymerstruktur Fluidkanäle
(Öffnungen) zum Durchleiten der zu heizenden Fluid aufweist, wobei die Fluidkanäle durch Urformen während der Fertigung der Polymerstruktur eingebracht sind (was im fertigen Produkt insbesondere mittels einer
Untersuchung der Oberfläche von Fluidkanal-Wänden feststellbar ist).
Das elektrische Fluidheizgerät, insbesondere Flüssigkeits- oder Luftheizgerät weist vorzugsweise mindestens ein elektrisches Anschlusselement, wie vorzugsweise einen Metalldraht, Metallgitter, Metallblech und/oder Metallblech- Streifen, auf.
Die Polymerstruktur weist vorzugsweise eine Gitter-, Waben- oder Netzstruktur auf.
Querschnitte der Fluidkanäle in der Polymerstruktur können mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 10 %, weiter vorzugsweise mindestens 20 % eines Gesamt-Querschnittes der Polymerstruktur betragen. Weiterhin können
Querschnitte der Fluidkanäle in der Polymerstruktur höchstens 80 % eines Gesamt-Querschnittes der Polymerstruktur betragen.
Die leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente kann in Partikelform und/oder als Kohlenstoffgerüst vorliegen.
Die leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente kann so ausgebildet bzw. angeordnet sein, dass sie einen Stromfluss erlaubt, z. B. in Partikelform (wobei sich die Partikel entsprechend berühren oder nahe beieinanderliegen) und/oder als (Kohlenstoff-)Gerüst. Die leitfähige Komponente kann Metallpartikel und/oder -fasern umfassen. Die Kohlenstoffkomponente kann in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Kohlen Stoff fasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren und/oder Fullerenen vorliegen.
Die Polymerstruktur kann eine elektrisch isolierende Polymerkomponente aufweisen.
Vorzugsweise umfasst die Polymerstruktur mindestens 6, weiter vorzugsweise mindestens 10, noch weiter vorzugsweise mindestens 40 Fluidkanäle.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum
Betreiben eines Fluidheizgerätes, insbesondere Flüssigkeits- oder Luftheizgerätes der oben beschriebenen Art oder hergestellt nach dem Verfahren der oben beschriebenen Art, wobei Fluid durch die Fluidkanäle strömt und dabei aufgeheizt wird.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch die Verwendung eines Fluidheizgerätes, insbesondere Flüssigkeits- oder Luftheizgerätes der oben beschriebenen Art oder hergestellt nach dem oben beschriebenen Verfahren zum Aufheizen von Luft, insbesondere in einem Fahrzeug, vorzugsweise Kraftfahrzeug, weiter vorzugsweise für einen Kraftfahrzeuginnenraum.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Fahrzeug umfassend ein Fluidheizgerät, insbesondere Flüssigkeits- oder Luftheizgerät der oben beschriebenen Art oder hergestellt nach dem oben beschriebenen Verfahren.
Die Polymerstruktur ist vorzugsweise eine leitfähige Struktur mit PTC-Verhalten.
Querschnitte mindestens eines oder mehrere oder aller Fluidkanäle können vieleckig, insbesondere viereckig, vorzugsweise rechteckig (weiter vorzugsweise quadratisch) oder oval, insbesondere elliptisch, vorzugsweise (kreis-)rund sein. Ein Querschnitt innerhalb eines Fluidkanals kann variieren oder konstant sein (über dessen Länge). Auch Querschnitte verschiedener Fluidkanäle können voneinander abweichen oder gleich sein. Zum Schutz vor mechanischer Beschädigung, Feuchtigkeit und/oder
Kurzschlüssen kann eine Schutzschicht (Lackierung bzw. Versiegelung) auf dem gesamten Heizgerät oder zumindest freiliegenden Bereichen der Polymerstruktur vorgesehen sein.
Der Begriff„leitfähig" hinsichtlich der Polymerstruktur (bzw.
Kunststoffkomponente) soll als Abkürzung für„elektrisch leitfähig" verstanden werden.
Die Polymerstruktur kann als Polymerplatte (mit entsprechenden Öffnungen bzw. Fluidkanälen) ausgebildet sein.
Polymerkomponente und leitfähige (Kohlenstoff-)komponente sind vorzugsweise miteinander vermengt bzw. ineinander verflochten. Beispielsweise kann die Polymerkomponente ein (skelettartiges) Gerüst ausbilden, in dem die leitfähige Komponente aufgenommen ist oder umgekehrt.
Vorzugsweise besteht die Polymerstruktur zu mindestens
5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 10 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 15 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 20 Gew.-% und/oder weniger als 50 % aus Kohlenstoff (ggf. ohne Berücksichtigung eines Kohlenstoffanteils des Polymers als solchen) bzw. aus der
Kohlenstoffkomponente, wie z. B. den Kohlenstoffpartikeln.
Vorzugsweise besteht die Kohlenstoffkomponente zu mindestens 50 Gew.-%, weiter vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% aus Kohlenstoff.
Die Polymerkomponente ist insbesondere in Form einer elektrisch isolierenden Polymerkomponente ausgebildet.
In Ausführungsformen kann die Polymerkomponente eine erste Polymer- Teilkomponente auf Basis von Ethylenacetat (-Copolymer) und/oder
Ethylenacrylat (-Copolymer) aufweisen und/oder eine zweite Polymer- Teilkomponente auf Basis von Polyolefin, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, und/oder Polyester und/oder Polyamid und/oder Fluorpolymer umfassen. Der Begriff„Teilkomponente" soll hier insbesondere zur Unterscheidung zwischen erster und zweiter Polymer-Teilkomponente verwendet werden. Die jeweilige Teilkomponente kann entweder teilweise oder auch vollständig die Polymerkomponente ausbilden. Bei dem Ethylenacrylat kann es sich um Ethyl-Methyl-Acrylat oder Ethylen-Ethyl-Acrylat handeln. Bei dem
Ethylenacetat kann es sich um Ethylenvinylacetat handeln. Bei dem Polyethylen kann es sich um HD (High Density)-Polyethylen, MD (Medium Density)- Polyethylen, LD (Low Density)-Polyethylen, handeln. Bei dem Fluorpolymer kann es sich um PFA (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorpropyl-Vinylester) MFA (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorvinylester), FEP (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen), ETFE (Copolymer aus Ethylen und Tetrafluorethylen) oder PVDF (Polyvinyliden-Fluorid) handeln.
In Ausführungsformen kann die erste Polymer-Teilkomponente, wie in
WO 2014/188190 AI (als first electrically insulating material) beschrieben, ausgebildet sein. Die zweite Polymer-Teilkomponente kann ebenfalls, wie in WO 2014/188190 AI (als second electrically insulating material) beschreiben, ausgebildet sein.
Die Polymerstruktur bzw. die Polymerstrukturen können durch mindestens eine Metallstruktur, vorzugsweise ein (insbesondere gebogenes) Metallblech, vorzugsweise Kupferblech, und/oder Metallstreifen und/oder Metalldraht und/oder Metallgitter (elektrisch) kontaktiert sein (bzw. werden).
Alternativ oder zusätzlich kann die Metallstruktur (bzw. entsprechende
Elektroden), z. B. auf das Substrat und/oder die Polymerbeschichtung,
aufgedruckt werden (und/oder durch Aufdampfen, Abscheiden und7oder
Beschichten aufgebracht werden).
Die Polymerstruktur bzw. die Polymerstrukturen und/oder ein entsprechender auszuformender Stoff (z. B. Paste) zu deren Herstellung kann/können (als insbesondere kristallines Bindemittel) mindestens ein Polymer umfassen, vorzugsweise basierend auf mindestens einem Olefin; und/oder mindestens einem Copolymer von mindestens einem Olefin und mindestens einem Monomer, das damit copolymerisiert werden kann, z. B. Ethylen/Acrylsäure und/oder
Ethylen/Ethylacrylat und/oder Ethylen/Vinylacetat; und/oder mindestens einem Polyalkenamer (Polyacetylen bzw. Polyalkenylen), wie z. B. Polyoctenamer; und/oder mindestens einem, insbesondere schmelzverformbaren, Fluorpolymer, wie z. B. Polyvinylidenfluorid und/oder Copolymere davon.
Im Allgemeinen kann die Polymerstruktur bzw. eine zur Herstellung der
Polymerstruktur verwendeter Stoff (Paste), wie in DE 689 23 455 T2 beschrieben, ausgebildet sein. Dies gilt insbesondere auch für deren Herstellung und/oder konkrete Zusammensetzung . Beispielsweise gilt dies auch für mögliche
Bindemittel (insbesondere gemäß S. 4, 2. Absatz und S. 5, 1. Absatz der
DE 689 23 455 T2) und/oder Lösungsmittel (insbesondere gemäß S. 5, 2. Absatz und S. 6 2. Absatz der DE 689 23 455 T2).
Bei der Polymerstruktur handelt es sich vorzugsweise um einen PTC-Widerstand . Dadurch kann eine Selbstregelung der Temperatur ermöglicht werden, was die Steuerung vereinfacht und insbesondere die Sicherheit beim Betrieb erhöht.
Durch entsprechende Wahl der Geometrie der Polymerstruktur (des
Polymerkörpers) speziell im Hinblick auf die Fluidkanäle (Öffnungen) für das zu erwärmende Fluid, kann eine hohe Bauteil-Oberfläche realisiert werden, die aufgrund eines guten konvektiven Wärmeübergangs eine hohe Heizleistung bei geringem Bauraum ermöglicht.
Ebenso kann durch eine entsprechende Geometrie bzw. Oberfläche von
metallischen Anschlusselementen (Anschlussleitungen) der elektrische Widerstand beim Übergang in die Polymerstruktur (bzw. ein Polymermaterial der
Polymerstruktur) minimiert werden und die Gefahr einer Verschlechterung des Kontakts über die Lebensdauer reduziert werden.
Zur Verbesserung eines Kontakts zwischen Polymerstruktur und elektrischen Anschlusselementen können die letzteren (z. B. durch Sandstrahlen) aufgeraut werden und/oder es können Löcher und/oder Hinterschnitte in das (jeweilige) Anschlusselement eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich können
Drahtgewebe-, -gestricke und/oder -gewirke als Anschlusselemente vorgesehen werden. Die Polymerstruktur kann ggf. nicht nur die Aufgabe eines Heizleiters erfüllen, sondern als (integrales) Bauteil gleichzeitig weitere Funktionen ermöglichen, insbesondere einen Rahmen oder Anschlussflächen für das Heizgerät ausbilden.
Insgesamt kann eine einfache, kostengünstige Herstellung durch wenige (auf einfache Art und Weise automatisierbare) Prozessschritte und mit
kostengünstigen Materialien realisiert werden. Bei geringem Bauraum-Bedarf ist eine hohe Heizleistung möglich. Das zu erwärmende Fluid erfährt insbesondere einen nur vergleichsweise geringen Druckverlust. Weiterhin kann eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Konstruktion, insbesondere bezüglich der
Abmessungen, Versorgungsspannungen und geometrischen Abmessungen, erzielt werden.
Das Fluidheizgerät, insbesondere Flüssigkeits- oder Luftheizgerät ist vorzugsweise für einen Betrieb im Niedervoltbereich (z. B. < 100 Volt oder < 60 Volt) ausgelegt.
Das Heizgerät kann für den Betrieb mit Wechsel- oder Gleichstrom ausgebildet sein. Eine pulsweitenmodulierte Versorgung ist möglich.
Unter einem elektrisch isolierenden Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, das bei Raumtemperatur (25 °C) eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10"1 S 1 irr1 (ggf. weniger als 10"8 S 1 m"1) aufweist. Entsprechend ist unter einem elektrischen Leiter bzw. einem Material (oder Beschichtung) mit elektrischer Leitfähigkeit ein Material zu verstehen, das eine elektrische
Leitfähigkeit von vorzugsweise mindestens 10 S 1 irr1, weiter vorzugsweise mindestens 103 S 1 irr1 (bei Raumtemperatur von insbesondere 25 °C) beträgt.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das anhand der beigefügten Figuren näher erläutert wird. Hierbei zeigen :
Fig. 1 eine schematische Frontansicht eines erfindungsgemäßen
elektrischen Luftheizgerätes; Fig. 2 eine Seitenansicht des Luftheizgerätes gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Heizgerätes gemäß Fig. 1; und
Fig. 4 eine weitere Schnittansicht des Luftheizgerätes gemäß Fig. 1.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt eine schematische Frontansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Luftheizgerätes. Das Luftheizgerät weist eine Polymerstruktur 10 sowie
elektrische Kontakte 11 und 12 auf. Die Polymerstruktur 10 weist eine Vielzahl von Fluidkanälen 13 auf, die hier (optional) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Die Fluidkanäle 13 sind in mehreren Zeilen und Spalten (regelmäßig) angeordnet (was nicht zwingend ist).
In den Schnittansichten gemäß Fig. 3 und 4 sind elektrische Anschlusselemente 14, 14a (z. B. Anschlussleisten bzw. Blech-Streifen) vorgesehen, die in der Polymerstruktur 10 eingebettet sind (siehe auch Fig. 4). Die Anschlusselemente 14a verbinden die Anschlusselemente 14 mit den Kontakten 11, 12.
Der Luftstrom ist durch den Pfeil 15 in Fig. 2 und 4 schematisch skizziert.
Wie weiter in Fig. 3 erkennbar, werden die elektrischen Anschlusselemente 14 (Anschlussleisten) miteinander verbunden, so dass ein elektrischer Anschluss gewährleistet ist (über die elektrischen Kontakte 11, 12).
Bei der Polymerstruktur 10 handelt es sich um eine Polymerstruktur auf Basis von Polymer mit einem Kohlenstoffanteil. Die Polymerstruktur weist ein PTC-Verhalten auf.
Die elektrischen Anschlusselemente 14 sind vorzugsweise aus Metall. Die elektrische Versorgung kann insbesondere über Gleichstrom erfolgen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den
Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichenliste
10 Polymerstruktur
11 elektrischer Kontakt
12 elektrischer Kontakt
13 Fluidkanal
14 elektrisches Anschlusselement
15 Pfeil

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizgerätes, vorzugsweise
Flüssigkeits- oder Luftheizgerätes, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur (10), die eine
Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere
Kohlenstoffkomponente enthält, durch Urformen hergestellt wird, wobei Fluidkanäle (13) zum Durchleiten des zu heizenden Fluids während der urformenden Fertigung in die Polymerstruktur eingebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e ke n n z e i c h n et, dass
das Urformen umfasst: ein Gießen, insbesondere Spritzgießen und/oder Druckgießen, ein Pressen, insbesondere Extrudieren und/oder Pressformen, und/oder ein Schäumen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e ke n n z e i c h n et, dass
während des Urformens mindestens ein elektrisches Anschlusselement (14), wie vorzugsweise ein Metalldraht, (Metall-)Gitter, (Metall-)Leiste,
Metallblech und/oder Metallblech-Streifen, mit der Polymerstruktur verbunden wird/werden, vorzugsweise in die Polymerstruktur eingebettet wird/werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e ke n n z e i c h n e t, dass
mindestens ein/das mindestens eine elektrische(s) Anschlusselement (14) vor dem Urformen, insbesondere Spritzgießen in einem Formwerkzeug, insbesondere Spritzgusswerkzeug, angeordnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e ke n n z e i c h n e t, dass
die Polymerstruktur (10) eine Gitter-, Waben- oder Netzstruktur ausbildet.
6. Elektrisches Heizgerät, insbesondere Flüssigkeits- oder Luftheizgerät,
insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise hergestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens eine leitfähige
Polymerstruktur (10), wobei die Polymerstruktur (10) eine
Polymerkomponente und eine Kohlenstoffkomponente enthält, wobei die Polymerstruktur Fluidkanäle (13) zum Durchleiten des zu heizenden Fluids aufweist, wobei die Fluidkanäle durch urformende Fertigung der
Polymerstruktur eingebracht sind.
7. Heizgerät nach Anspruch 6,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass,
mindestens ein elektrisches Anschlusselement (14), wie vorzugsweise ein Metalldraht, (Metall-)Gitter, (Metall-)Leiste, Metallblech und/oder
Metallblech-Streifen, mit der Polymerstruktur verbunden, vorzugsweise in die Polymerstruktur eingebettet ist.
8. Heizgerät nach Anspruch 6 oder 7,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Polymerstruktur eine Gitter-, Waben- oder Netzstruktur umfasst.
9. Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
Querschnitte der Fluidkanäle in der Polymerstruktur (10) mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 10 %, weiter vorzugsweise mindestens 20 % betragen und/oder höchstens 80 % eines Gesamt-Querschnittes der Polymerstruktur betragen.
10. Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Kohlenstoffkomponente in Partikelform und/oder als Kohlenstoffgerüst vorliegt und/oder
in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder
Kohlen stoff fasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren vorliegt.
11. Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10,
d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
die Polymerstruktur (10) eine elektrische isolierende Polymerkomponente aufweist.
12. Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 11,
d a d u r c h g e ke n n z e i c h n e t, dass
die Polymerstruktur (10) mindestens 6, vorzugsweise mindestens 10, weiter vorzugsweise mindestens 40 Fluidkanäle umfasst.
13. Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes nach einem der Ansprüche 6 bis 12 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit oder Luft durch die Fluidkanäle (13) strömt und dabei aufgeheizt wird.
14. Verwendung eines Heizgerätes nach einem der Ansprüche 6 bis 12 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Aufheizen eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser oder von Luft, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise für einen
Kraftfahrzeug innenraum.
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