WO2018065548A1 - Elektrische heizeinrichtung für mobile anwendungen - Google Patents

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WO2018065548A1
WO2018065548A1 PCT/EP2017/075414 EP2017075414W WO2018065548A1 WO 2018065548 A1 WO2018065548 A1 WO 2018065548A1 EP 2017075414 W EP2017075414 W EP 2017075414W WO 2018065548 A1 WO2018065548 A1 WO 2018065548A1
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WO
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section
track
branch
substrate
heating device
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PCT/EP2017/075414
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English (en)
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Tino KLINKMÜLLER
Stephan Buckl
Daniel Eckert
Karl GÖTTL
Andreas SCHMIDMAYER
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Webasto SE
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Publication date
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H05B3/26—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base
    • H05B3/262—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base the insulating base being an insulated metal plate
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/16—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor the conductor being mounted on an insulating base
    • H—ELECTRICITY
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    • H05B2203/013—Heaters using resistive films or coatings
    • H—ELECTRICITY
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/022—Heaters specially adapted for heating gaseous material
    • H05B2203/023—Heaters of the type used for electrically heating the air blown in a vehicle compartment by the vehicle heating system

Definitions

  • the invention relates to an electrical heating device for mobile applications according to claim 1 and a vehicle, in particular a motor vehicle, comprising an electric heater.
  • WO 2013/186106 A1 describes an electric heating device for a
  • the conductor track is bifilar and in the area of a conductor track deflection in the opposite direction, a widened insulation area is provided.
  • the widened insulation region is intended to cause a current flow to set as far as possible through the full width of the conductor track, in order to avoid areas which flow through locally on the inside and areas which are poorly flowed through in the outer edge region of the conductor track. In this context, however, it has been found that in comparison with the rest of the electrical heating device in the area of the strip conductor deflection, a comparatively high temperature can still be set.
  • an electric heater and a corresponding vehicle, in particular motor vehicle to propose, in which a comparatively homogeneous temperature distribution is achieved, wherein the electric heater as compact and hereby gü nstig in the
  • This task is performed by an electric heater for mobile
  • an electrical heating device for mobile applications comprising: a substrate and a heating conductor layer formed on the substrate, the heating conductor layer having at least one heating conductor extending on the substrate (in a main plane), the heating conductor being such is structured, that a plurality (side by side, in particular at substantially the same height relative to the substrate, extending) by Isolierunterbrechungen separated web sections is formed, wherein the Schuleiterbahn at least one
  • Deflection section on which the Schuleiterbahn is deflected (in the main plane) and which is arranged (directly) between a first and a second web portion, wherein the first and the second web portion have a smaller compared to the deflection portion, in particular at least substantially straight are formed, wherein the Edelleiterbahn in the first path portion or in the deflection section in at least two separated by one or more branch isolation interruptions branch paths, wherein the branch paths in the second path section or in the deflection section reunite.
  • An essential aspect of the invention is that one or more additional conductor tracks are provided in the region of the deflections (deflection sections). This ensures that a comparatively homogeneous current density distribution is present. Dad urch can with simple means high temperatures at the deflection (deflection) with a
  • the temperature in the deflection sections can also be reduced by providing the deflection section (locally) with a material which is highly conductive electrically.
  • a material which is highly conductive electrically has the disadvantage that an additional process step (in the production) must be carried out (eg masking and / or coating).
  • subsequent layers eg a sensor layer
  • the curvature is preferably to be understood as the deviation from a straight course. In particular, only the amount of curvature is to be considered here (ie without consideration of a sign).
  • a specific resistance of the insulation breaks is preferably at least 10 times, more preferably at least 50 times, greater than the separate track sections.
  • First and / or second track section should be considered to be substantially straight in particular if a deviation from a
  • the deflection section is preferably at least 2 times, more preferably at least 5 times, even more preferably at least 10 times as large (on average) as a curvature of the first and / or second path section.
  • First and / or second track section adjoin in particular (directly) to the deflection section.
  • First and / or second track section may be at least as long, preferably at least l, 5 times as long, more preferably at least 3 times as long as the deflection section.
  • an electric heater which in particular can effectively cover the increasing demand in electrically powered vehicles (due to their increasing use).
  • electric heaters used for such mobile applications were predominantly so-called PTC heating elements which were operated with comparatively low supply voltages which are present in an on-board network of a conventional motor vehicle with an internal combustion engine.
  • PTC heating elements which were operated with comparatively low supply voltages which are present in an on-board network of a conventional motor vehicle with an internal combustion engine.
  • a high-voltage electrical system realized in this, such as a voltage in a range between 150 volts and 900 volts, possibly even up to over 1,000 volts.
  • the heating device can be permanently installed in a vehicle (land vehicle, ship, etc.), in particular in a land vehicle.
  • vehicle such as a land vehicle, watercraft or aircraft, as well as a (partial) open space, as found, for example, on ships, in particular yachts.
  • the heater may also be used (temporarily) stationary, such as in large tents, containers (e.g., construction containers), et cetera.
  • the heating conductor can be deflected by at least 90 degrees, preferably by at least 120 degrees, more preferably by at least 150 degrees (in particular by, at least approximately, 180 degrees).
  • the substrate may have a plane or non-planar (eg, domed or curved) surface.
  • the plurality of (juxtaposed) web sections separated by insulation breaks are preferably located at (at least substantially) uniform height from the substrate surface.
  • First and second guide section preferably run (at least
  • the deflection section preferably effects a deflection by 180 degrees or at least approximately 180 degrees (ie in particular by at least 170 degrees).
  • the potential (local) heating is particularly pronounced, so that by the additional tracks in the Redirections particularly effective (local) heating can be reduced or prevented.
  • An inner branch track is narrower in relation to an outer branch track (at least in the average and / or at least in sections, preferably continuously). Also by such a measure is the
  • the branch webs preferably extend over at most 70%, more preferably at most 30%, even more preferably at most 15% and / or preferably at least 5%, even more preferably at least 10% of the first and / or second web section.
  • a branch point is only shortly before the deflection, which is a comparatively simple production with still effective equalization of
  • the heating track branches in the first
  • Bru section or in the deflection section in at least three (or exactly three) by branch insulation breaks separated branch paths, wherein the branch tracks in the second guide section or in the
  • the branch tracks may be disposed at the same height from a surface of the substrate and / or may have an equal thickness (perpendicular to the surface of the substrate).
  • the at least one heating conductor can extend in a bifilar pattern on the substrate.
  • the heating conductor can cover the surface provided by the substrate to a large extent with small empty areas. Furthermore, the bifilar arrangement enables possible
  • flowable web sections are each arranged adjacent to each other.
  • at least substantially all provided for heating web sections of Schuleiterbahn be part of the bifilar arrangement.
  • the generated electromagnetic fields can cancel each other at least partially.
  • connection areas for connection to an electrical power supply can also be arranged non-bifilarly. The remaining areas of the
  • the heating conductor can have at least two or at least three deflection sections. Each of these (several) deflection sections can be assigned corresponding branch paths. If the Schuleiterbahn (exactly) two
  • each of the heating conductors may preferably have (exactly) two reversal points.
  • the heat conductor layer covers at least 80% of the substrate surface, preferably at least 85% of the substrate surface. In this case, a comparatively good utilization of the available substrate surface is given and it is still one
  • the heat conductor layer may cover less than 95% of the substrate surface.
  • the electrically insulating material may preferably be in addition to Cover the Isolierunterbrechungen also facing away from the substrate surface of the Schuleiterbahn or Schuleiterbahnen.
  • the electrical insulating material may in particular preferably be deposited as a layer after the formation of the heating conductor track or of the heating conductor tracks.
  • the electrically insulating material is preferably on the one hand electrically (comparatively good) insulating, on the other hand, thermally (comparatively good) conductive.
  • the heating conductor is designed such that at least over a predominant portion of its length in each case two
  • the Schuetzbahn may in particular be designed such that over at least 80% of the length in each case two
  • Track sections with rectified current flow direction adjacent and parallel to each other may in particular be connected at their ends in each case to a common connection section for connection to an electrical power supply.
  • Such a configuration 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.
  • the heating conductor is designed such that it runs straight over a predominant portion of its length. This also allows the substrate to be effectively equipped with the heating conductor.
  • 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 optionally also fills the Isolierunterbrechungen between the web sections of the heating conductor.
  • On the insulating layer can preferably be formed, for example, even a sensor layer for monitoring the function of the electric heater.
  • About the insulating layer can high levels of safety are provided by additionally isolating live areas.
  • the electric heating device is a motor vehicle heating device.
  • the electric heater can in particular for heating a fluid such.
  • B. air may be formed for an interior of the vehicle or a liquid in a fluid circuit of the vehicle.
  • a vehicle preferably a motor vehicle, more preferably a car or truck, comprising an electric heater of the type described above.
  • the above object is further achieved, in particular, by the use of an electrical heating device of the type described above for a vehicle, in particular a motor vehicle.
  • the design of the electric heater also generally has the advantage that no (or only a little) additional space on the substrate surface is needed, so that an efficient use of the available space is made possible. Overall, a comparatively simple and inexpensive design is possible.
  • the branch paths allow an increase in the achievable heating power per unit area, since the possible heating power is determined primarily by critical points at which local "hot spots" can form the branching paths therefore have a particularly pronounced effect when the deflection section causes a deflection of (at least approximately) 180 degrees.
  • the heating conductor layer is preferably a surface on the substrate
  • the heating conductor layer can preferably be applied to the substrate by a thermal spraying method and then be structured (for example by laser processing). In principle, however, other methods, such. B. printing process, casting or Similar to the formation of Bankleiter für conceivable. Likewise, other methods of patterning are possible, such as etching, mechanical ablation, ultrasound or the like.
  • the heat conductor layer is preferably made of an electrically conductive, in particular metallic, material.
  • the heat conductor layer can be separated from the material of the substrate via an interposed, electrically insulating (and possibly thermally highly conductive) intermediate layer.
  • the heat conductor layer can be separated from the material of the substrate via an interposed, electrically insulating (and possibly thermally highly conductive) intermediate layer.
  • the substrate may preferably have a comparatively good thermal conductivity, in particular be made of a metal.
  • Bankleiterbahn 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 electric heater is designed as a high-voltage heater for an operating voltage in the range of preferably between 150 volts and 900 volts, more preferably between 200 volts and 600 volts. However, it may also be possible to design up to more than 1,000 volts. In this case, the electrical heating device can be used particularly advantageously, for example in an electric or hybrid vehicle, without the need for complex voltage transformers.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of an inventive
  • FIG. 2 shows a section of a heating conductor according to a
  • FIG. 3 shows a portion analogous to FIG. 2 according to an inventive
  • Fig. 4 shows a section analogous to Figs. 2 and 3 according to another
  • Fig. 1 shows a schematic section of an inventive
  • Heating device This comprises a substrate 10, an electrically insulating layer 11 (directly) arranged on the substrate 10, a heating conductor layer 12 (directly) arranged on the electrically insulating layer 11 and an insulating layer 13 (directly) arranged on the heating conductor layer 12.
  • Electrically insulating layer 11 and insulating layer 13 are only optional.
  • the electrically insulating layer 11 is provided in particular when the substrate 10 is made of a conductive material, e.g. Metal, is formed.
  • the electric heater of FIG. 1 is designed to be in a
  • the fluid may be formed in particular by air to be heated or by a liquid in a fluid circuit of the vehicle.
  • the electric heater 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 also possible, for example, a design to over 1,000 volts.
  • the substrate 10 is in particular at the same time as a heat exchanger for
  • the substrate 10 may preferably be formed from a metallic material having a high heat transfer coefficient (in a cost-effective manner in terms of manufacturing technology), in particular made of aluminum or an aluminum alloy. In principle, however, it is also possible to manufacture the substrate 10 from an electrically insulating material with high thermal conductivity, in particular from a corresponding ceramic.
  • the electrically insulating layer 11 preferably has a high thermal conductivity. Furthermore, the electrical insulating layer 11 is preferably formed of alumina. Furthermore, the electrically insulating layer 11 may be deposited on the substrate 10 in a thermal spraying process. In particular, in the case that the substrate made of aluminum or a
  • Aluminum alloy is formed, the electrically insulating layer 11, for example, by targeted oxidation of the surface of the substrate 10 are formed.
  • the electrically insulating layer 11 is designed to electrically insulate the substrate 10 from the heat conductor layer 12 (at the same time, however, to allow a good heat transfer to the material of the substrate 10).
  • the heating conductor layer 12 is preferably deposited on the substrate 10 (or on the insulating layer 11).
  • the heating conductor layer 12 may be formed of a metallic material (in particular of a nickel-chromium alloy).
  • the heating conductor layer 11 is deposited in a thermal spraying process.
  • the heating conductor layer 12 is structured such that at least one heating conductor is formed, which is designed to release ohmic heat when an electrical voltage is applied between its opposite ends.
  • the heating conductor can be structured as described in WO 2013/186106 A1 (apart from the branch paths in the region of the deflection sections to be described in more detail below).
  • terminals may be provided for connecting the Schuleiterbahnen with an electrical power supply.
  • Such terminals may be electrically insulated from one another (for example next to one another) over an edge of the substrate 10. In this case, a first connection for electrically contacting the
  • G Fig. 2 shows a section of a comparative example for a structuring of the heating conductor layer 12.
  • this heating conductor layer can be structured such that it extends in a bifilar pattern on the substrate 10.
  • the heat conductor layer has a heating conductor 14, which comprises a plurality of adjacently formed web sections 15a, 15b, 15c and 15d.
  • the track sections 15a to 15d are separated from each other by Isolierunterbrechuen 16 and thus electrically isolated from each other.
  • the Isolierunterbrechu lengths may preferably be formed in that the Edelleiter Mrs 12 is first deposited surface on the substrate 10 and then the material of the Schuleiter Mrs 12 is selectively removed in the field of Isolierunterbrechungen, in particular you rch laser processing.
  • preferred directions of current flow in the heating conductor 14 are shown schematically by arrows.
  • the insulating interrupters 16 preferably have (over their longitudinal extent) an (at least substantially) constant width. In this way it is achieved that the track sections 15a to 15d of the heating conductor 14 can cover the surface of the substrate over a large area, so that the available surface can be utilized as optimally as possible for the formation of heating power providing web sections.
  • the heating conductor 14 is deflected (in a main plane) by (at least substantially) 180 degrees, so that the
  • Track sections 15a, 15b (with opposite Stro mhne massage) only by a Isolierunterbrechu ng 16 separated from each other and parallel to each other.
  • Heating device can affect negatively.
  • maximum temperatures of 254 C ° can result.
  • a first path section 15a branches so that the electric current is isolated on two isolated sides (through
  • Branch insulation breaks paths flows. This effectively moderates the current distribution in comparison. Although a region 19 with an increased current density can still occur at the inner curve 18. However, this area 19 is much less pronounced than in the area
  • FIG. 4 shows a section of a further embodiment according to the invention of the electric heating device.
  • the first track section 15a branches into three branch sections 21a, 21b and 21c (separated by branch insulation breaks 20a, 20b).
  • the current distribution can be further uniformed.
  • a reunification of the branch sections 21a to 21c is provided only at a distance from one end of the deflection section 17a.
  • the beginning and end of the branch sections 21a to 21c are thus adjacent to each other (relative to the current direction). This can basically also be the case in the embodiment according to FIG. 3.
  • the inner branch portion 21 a or the two inner branch portions 21 a and 21 b (as shown in FIG. 4) be made narrower than the outer (outermost) branch portion 21 b or 21c (at least on average).
  • a comparatively high proportion of the current is forced onto the further outer branch sections or the further outer branch section, which further counteracts the formation of a "hot spot" in the region of the inner curve 18.
  • At least one further insulating layer 13 may be formed on the heating conductor layer 12 or on the correspondingly structured heating conductor tracks 14, which covers the upper side of the heating conductor layer 12 facing away from the substrate 10.
  • Insulating layer 13 in particular designed such that it also the
  • the further insulating layer 11 can be deposited, for example, after the structuring of the heating conductor layer 12 on the structured heating conductor 14.
  • the deposition can be carried out, for example, preferably by a thermal spraying method, a casting method or the like.
  • Insulating layer 13 are formed for example by alumina, in order to achieve a good electrical insulation and at the same time a good thermal conductivity.
  • one or more further layers are / are applied to the further insulating layer 13.
  • Deflection portion 17a may be widened (locally), so that the deflection of the heating conductor 14 includes, for example, a (substantially) drop-shaped or match-head-shaped region 22.
  • the enclosed area 22 is electrically connected to one of the track sections, namely the track section 15b (i.e., there is no interruption to this track 15b)

Landscapes

  • Surface Heating Bodies (AREA)
  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen, mit: einem Substrat (10) und einer auf dem Substrat (10) ausgebildeten Heizleiterschicht (12), wobei die Heizleiterschicht (12) zumindest eine Heizleiterbahn (14) aufweist, die auf dem Substrat (10) angeordnet ist, wobei die Heizleiterbahn (14) derart strukturiert ist, dass eine Vielzahl durch Isolierunterbrechungen (16) voneinander getrennter Bahnabschnitte (15a-15d) ausgebildet ist, wobei die Heizleiterbahn zumindest einen Umlenkabschnitt (17a) aufweist, an dem die Heizleiterbahn (14) umgelenkt ist und der zwischen einem ersten (15a) und einem zweiten (15b) Bahnabschnitt angeordnet ist, wobei der erste (15a) und der zweite (15b) Bahnabschnitt eine im Vergleich zum Umlenkabschnitt geringere Krümmung aufweisen, insbesondere zumindest im Wesentlichen gerade ausgebildet sind, wobei sich die Heizleiterbahn in dem ersten Bahnabschnitt (15a) oder in dem Umlenkabschnitt (17c) in mindestens zwei durch eine oder mehrere Zweig- Isolierunterbrechungen (20) voneinander getrennte Zweigbahnen (21a, 21b) aufzweigt, wobei sich die Zweigbahnen (21a, 21b) in dem zweiten Bahnabschnitt (15b) oder in dem Umlenkabschnitt (17a) wieder vereinigen.

Description

Elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen nach Anspruch 1 sowie ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Heizeinrichtung.
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 Leiterbahnumlenkung in die Gegenrichtung ist ein verbreiterter Isolationsbereich vorgesehen. Der verbreiterte Isolationsbereich soll bewirken, dass sich ein Stromfluss möglichst durch die volle Breite der Leiterbahn einstellt, um zu vermeiden, dass sich lokal innenliegend besonders gut durchströmte Bereiche und im außenliegenden Randbereich der Leiterbahn schlecht durchströmte Bereiche ausbilden können. In diesem Zusammenhang hat sich jedoch herausgestellt, dass sich im Vergleich zum Rest der elektrischen Heizeinrichtung im Bereich der Leiterbahnumlenkung immer noch eine vergleichsweise stark erhöhte Temperatur einstellen kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Heizeinrichtung sowie ein entsprechendes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, vorzuschlagen, bei der eine vergleichsweise homogene Temperaturverteilung erreicht wird, wobei die elektrische Heizeinrichtung möglichst kompakt und kostengü nstig in der
Herstellung sein soll.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Heizeinrichtung für mobile
Anwendungen nach Anspruch 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch eine elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen, gelöst, mit: einem Substrat und einer auf dem Substrat ausgebildeten Heizleiterschicht, wobei die Heizleiterschicht zumindest eine Heizleiterbahn aufweist, die sich (in einer Hauptebene) auf dem Substrat erstreckt, wobei die Heizleiterbahn derart strukturiert ist, dass eine Vielzahl (nebeneinander, insbesondere auf im Wesentlichen gleicher Höhe gegenüber dem Substrat, verlaufender) durch Isolierunterbrechungen voneinander getrennter Bahnabschnitte ausgebildet ist, wobei die Heizleiterbahn zumindest einen
Umlenkabschnitt aufweist, an dem die Heizleiterbahn (in der Hauptebene) umgelenkt ist und der (unmittelbar) zwischen einem ersten und einem zweiten Bahnabschnitt angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Bahnabschnitt eine im Vergleich zum Umlenkabschnitt geringere Krümmung aufweisen, insbesondere zumindest im Wesentlichen gerade ausgebildet sind, wobei sich die Heizleiterbahn in dem ersten Bahnabschnitt oder in dem Umlenkabschnitt in mindestens zwei durch eine oder mehrere Zweig-Isolierunterbrechungen voneinander getrennte Zweigbahnen aufzeigt, wobei sich die Zweigbahnen in dem zweiten Bahnabschnitt oder in dem Umlenkabschnitt wieder vereinigen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, dass eine oder mehrere zusätzliche Leiterbahnen im Bereich der Umlenkungen (Umlenkabschnitte) vorgesehen sind. Dadurch wird erreicht, dass eine vergleichsweise homogene Stromdichtenverteilung vorliegt. Dad urch können mit einfachen Mitteln hohe Temperaturen an den Umlenkpunkten (Umlenkabschnitten) mit einer
entsprechend hohen Belastung für die Heizeinrichtung vermieden werden. Die Robustheit der Heizeinrichtung wird dadurch verbessert. Grundsätzlich kann die Temperatur in den Umlenkabschnitten auch dadurch reduziert werden, dass die Umlenkabschnitt (lokal) mit einem elektrisch gut leitenden Material versehen werden. Eine derartige (lokale) Beschichtung mit einem gut leitenden Material hat jedoch den Nachteil, dass ein zusätzlicher Verfahrensschritt (bei der Herstellung) durchgeführt werden muss (z.B. Maskieren und/oder Beschichten). Außerdem können darauffolgende Schichten (z.B. eine Sensorschicht) durch lokale
Verdickungen beeinträchtigt werden.
Unter der Krümmung ist vorzugsweise die Abweichung von einem geraden Verlauf zu verstehen. Betrachtet werden soll hier insbesondere nur der Betrag der Krümmung (also ohne Berücksichtigung eines Vorzeichens). Die
Isolierunterbrechungen trennen die voneinander getrennten Bahnabschnitte derart, dass ein Stromfluss von einem zu dem anderen getrennten Bahnabschnitt (durch die Isolierunterbrechungen hindurch) ausgeschlossen ist (oder zumindest erheblich reduziert ist). Ein spezifischer Widerstand der Isolierunterbrechungen ist gegenüber den voneinander getrennten Bahnabschnitten vorzugsweise mindestens lOmal, noch weiter vorzugsweise mindestens 50mal größer. Erster und/oder zweiter Bahnabschnitt sollen insbesondere dann als im Wesentlichen gerade ausgebildet betrachtet werden, wenn eine Abweichung von einer
(geraden) Verbindungslinie zwischen einem Anfang und einem Ende des jeweiligen Bahnabschnitts maximal 10 %, vorzugsweise maximal 5 %, noch weiter vorzugsweise maximal 2 % beträgt. Eine Krümmung in dem
Umlenkabschnitt ist vorzugsweise mindestens 2mal, noch weiter vorzugsweise mindestens 5mal, noch weiter vorzugsweise mindestens lOmal so groß (im Durchschnitt) wie eine Krümmung des ersten und/oder zweiten Bahnabschnittes. Erster und/oder zweiter Bahnabschnitt grenzen insbesondere (unmittelbar) an den Umlenkabschnitt an. Erster und/oder zweiter Bahnabschnitt können mindestens genauso lang, vorzugsweise mindestens l,5mal so lang noch weiter vorzugsweise mindestens 3mal so lang sein wie der Umlenkabschnitt.
Insgesamt wird eine elektrische Heizeinrichtung vorgeschlagen, die insbesondere den zunehmenden Bedarf in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen (aufgrund deren zunehmender Verbreitung) effektiv abdecken kann. In der Vergangenheit kamen als elektrische Heizeinrichtungen für derartige mobile Anwendungen überwiegend sogenannte PTC-Heizelemente zum Einsatz, die mit vergleichsweise niedrigen Versorgungsspannungen betrieben wurden, die in einem 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 einem Bereich zwischen 150 Volt und 900 Volt, ggf. sogar bis über 1.000 Volt. Unter einer Heizeinrichtung für mobile Anwendungen wird im vorliegenden Kontext eine Heizeinrichtung verstanden, die für den Einsatz i n 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 den dauerhaften, stationären Einsatz, wie es beispielsweise bei der Beheizung eines Gebäudes der Fall ist, ausgelegt ist. Ein Gewicht der Heizeinrichtung kann unter 500 kg, vorzugsweise unter 100 kg, noch weiter vorzugsweise unter 20 kg liegen. Die Heizeinrichtung kann ggf. 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 (Teil -) offenen Raums, 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 (z.B. Baucontainern), et cetera. Insbesondere kann die elektrische Heizeinrichtung für mobile
Anwendungen als Stand- oder Zuheizer für ein Landfahrzeug, wie beispielsweise für einen Wohnwagen, ein Wohmobil, einen Bus, einen PKW, etc., ausgelegt sein.
In dem Umlenkabschnitt kann die Heizleiterbahn um mindestens 90 Grad, vorzugsweise um mindestens 120 Grad, noch weiter vorzugsweise um mindestens 150 Grad umgelenkt werden (insbesondere um, zumindest ungefähr, 180 Grad).
Das Substrat kann eine plane oder nicht-plane (beispielsweise gewölbte oder gekrümmte) Oberfläche aufweisen. Die Vielzahl der (nebeneinander verlaufenden) durch Isolierunterbrechungen voneinander getrennten Bahnabschnitte ist vorzugsweise auf einer (zumindest im Wesentlichen) gleichmäßigen Höhe gegenüber der Substratoberfläche angeordnet.
Erster und zweiter Leitabschnitt verlaufen vorzugsweise (zumindest
abschnittsweise) parallel (im geometrischen Sinne) zueinander. Der
Umlenkabschnitt bewirkt vorzugsweise eine Umlenkung um 180 Grad oder zumindest ungefähr 180 Grad (d. h. insbesondere um mindestens 170 Grad). Bei einer derartigen Ausbildung ist die potentielle (lokale) Erwärmung besonders ausgeprägt, so dass durch die zusätzlichen Leiterbahnen im Bereich der Umlenkungen besonders effektiv eine (lokale) Aufheizung reduziert oder verhindert werden kann.
Eine innere Zweigbahn ist gegenüber einer äußeren Zweigbahn (zu mindest im Durchschnitt und/oder zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgängig) schmaler ausgebildet. Auch durch eine derartige Maßnahme wird die
Stromverteilu ng weiter vergleichmäßigt.
Die Zweigbahnen erstrecken sich vorzugsweise über maximal 70 %, weiter vorzugsweise maximal 30 %, noch weiter vorzugsweise maximal 15 % und/oder vorzugsweise mindestens 5 %, noch weiter vorzugsweise mindestens 10 % des ersten und/oder zweiten Bahnabschnittes. Vorzugsweise befindet sich also ein Abzweigungspunkt erst kurz vor dem Umlenkabschnitt, was eine vergleichsweise einfache Herstellung bei dennoch effektiver Vergleichmäßigung der
Stromverteilung ermöglicht.
In einer Ausführungsform zweigt sich die Heizleiterbahn in dem ersten
Bahnabschnitt oder in dem Umlenkabschnitt in mindestens drei (oder genau drei) durch Zweig-Isolierunterbrechungen voneinander getrennte Zweigbahnen auf, wobei sich die Zweigbahnen in dem zweiten Leitabschnitt oder in dem
Umlenkabschnitt wieder vereinigen. Dadurch kann die Stromverteilung weiter vergleichmäßigt werden.
Die Zweigbahnen können auf gleicher Höhe gegenüber einer Oberfläche des Substrats angeordnet sein und/oder eine gleiche Dicke (se nkrecht zu der Oberfläche des Substrats) aufweisen.
Ein Abstand zwischen benachbarten Bahnabschnitten mit zueinander
entgegengesetzten Stromflussrichtungen im Bereich des Umlenkabschnittes kann (lokal) verbreitert ausgebildet sein. Durch die Kombination der Zweigbahnen mit einer solchen (lokalen) Verbreiterung des Abstandes kann die Ausbildung von „Hot-Spots" besonders zuverlässig unterdrückt werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass auf eine derartige (lokale) Verbreiterung des
Abstandes verzichtet wird, so dass eine verbesserte Flächennutzung der
Oberfläche des Substrats erreicht wird . Die zumindest eine Heizleiterbahn kann sich in einem bifilaren Muster auf dem Substrat erstrecken. Durch eine bifilare Anordnung kann die Heizleiterbahn, di e 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 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. Dadurch 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.
Die Heizleiterbahn kann mindestens zwei oder mindestens drei Umlenkabschnitte aufweisen. Diesen (mehreren) Umlenkabschnitten können jeweils entsprechende Zweigbahnen zugeordnet sein. Wenn die Heizleiterbahn (genau) zwei
(insbesondere um 180 Grad umlenkende) Umlenkabschnitte 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 (genau) zwei Umkehrpunkte aufweisen.
In einer konkreten Ausführungsform bedeckt die Heizleiterschicht zumindest 80 % der Substratoberfläche, bevorzugt zumindest 85 % der Substratoberfläche. In diesem Fall ist eine vergleichsweise 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.
Vorzugsweise ist in den Isolierunterbrechungen ein elektrisch isolierendes
Material angeordnet. Das elektrisch isolierende Material kann bevorzugt neben den Isolierunterbrechungen auch die von dem Substrat abgewandte Oberfläche der Heizleiterbahn bzw. Heizleiterbahnen bedecken. Das elektrische 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 (vergleichsweise gut) isolierend, andererseits aber thermisch (vergleichsweise gut) leitend. Durch das elektrisch isolierende Material kann die Breite der Isolierunterbrechungen vergleichsweise klein gehalten werden, so dass 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 ggf. parallel zueinander verlaufen. Die Heizleiterbahn kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass über zumindest 80 % der Länge jeweils zwei
Leiterbahnabschnitte mit gleichgerichteter Stromflussrichtung benachbart und parallel zueinander verlaufen. Die jeweils zwei Bahnabschnitte können an ihren Enden insbesondere jeweils zu einem gemeinsamen Anschlussabschnitt zur Verbindung mit einer elektrischen Leistungsversorgung verbunden sein. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine besonders günstige Verteilung des in dem elektrischen Heizelement 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.
In einer Ausführungsform ist die Heizleiterbahn derart ausgebildet, dass sie über einen überwiegenden Anteil ihrer Länge gerade verläuft. Auch dadurch kann das Substrat effektiv mit der Heizleiterbahn ausgestattet werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist auf der Heizleiterschicht zumindest eine weitere Schicht ausgebildet. Es können insbesondere auch mehrere Schichten auf d er Heizleiterschicht ausgebildet sein. Bevorzugt kann auf der Heizleiterschicht eine Isolierschicht ausgebildet sein, die ggf. 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 .
In einer konkreten Ausführungsform 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.
Die obengenannte Aufgabe wird insbesondere durch ein Fahrzeug, vorzugsweise Kraftfahrzeug, weiter vorzugsweise PKW oder LKW, umfassend eine elektrische Heizeinrichtung der oben beschriebenen Art gelöst.
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin insbesondere durch die Verwendung einer elektrischen Heizeinrichtung der oben beschriebenen Art für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, gelöst.
Die Ausgestaltung der elektrischen Heizeinrichtung hat im Allgemeinen auch den Vorteil, dass kein (oder nur wenig) zusätzlicher Platz auf der Substratoberfläche benötigt wird, so dass eine effiziente Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Platzes ermöglicht wird . Insgesamt ist eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Ausgestaltung möglich. Bei einem (vorgegebenen) Verlauf der Heizleiterbahn ermöglichen die Zweigbahnen 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 Umlenkabschnitt umgelenkt wird, desto größer ist der erzielte Effekt. Die Zweigbahnen wirken sich also da nn besonders stark aus, wenn der Umlenkabschnitt eine Umlenkung um (zumindest annähernd) 180 Grad bewirkt.
Die Heizleiterschicht ist vorzugsweise eine flächig auf dem Substrat
abgeschiedene und ggf. anschließend unter Materialabtrag strukturierte Schicht . Dies ermöglicht eine vergleichsweise kostengünstige Herstellung der
Heizleiterbahn bzw. der Heizleiterbahnen. Die Heizleiterschicht kann bevorzugt durch ein thermisches Spritzverfahren auf dem Substrat aufgebracht und anschließend (z. B. durch Laserbearbeitung) stru kturiert 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 beispielsweise Ätzen, mechanisches Abtragen, Ultraschall oder Ähnliches. Die Heizleiterschicht ist bevorzugt a us einem elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Material gefertigt.
Weiterhin kann die Heizleiterschicht über eine zwischengelagerte, elektrisch isolierende (und ggf. thermisch gut leitfähige) Zwischenschicht von dem Material des Substrates getrennt sein. Insbesondere kann die Heizleiterschicht
beispielsweise aus einer Nickel-Chrom-Legierung gebildet sein und/oder über eine Aluminiumoxidschicht von dem Material des Substrates getrennt sein. Das Substrat kann vorzugsweise eine vergleichsweise 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.
In einer konkreten Ausführungsform ist die elektrische Heizeinrichtung als Hochvolt-Heizung für eine Betriebsspannung im Bereich von vorzugsweise zwischen 150 Volt und 900 Volt, weiter vorzugsweise zwischen 200 Volt und 600 Volt ausgelegt. Es ist jedoch ggf. auch eine Auslegung bis über 1.000 Volt möglich. In diesem Fall kann die elektrische Heizeinrichtung besonders vorteilhaft beispielsweise in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug zum Einsatz kommen, ohne dass aufwändige Spannungswandler erforderlich sind.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen
elektrischen Heizeinrichtung;
Fig. 2 einen Abschnitt einer Heizleiterschicht gemäß einem
Vergleichsbeispiel;
Fig. 3 einen Abschnitt analog Fig. 2 gemäß einem erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel; und Fig. 4 einen Abschnitt analog Fig. 2 und 3 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt einer erfindungsgemäßen
Heizeinrichtung. Diese umfasst ein Substrat 10, eine (unmittelbar) auf dem Substrat 10 angeordnete elektrisch isolierende Schicht 11, eine (unmittelbar) auf der elektrisch isolierenden Schicht 11 angeordnete Heizleiterschicht 12 sowie eine (unmittelbar) auf der Heizleiterschicht 12 angeordnete Isolierschicht 13.
Elektrisch isolierende Schicht 11 und Isolierschicht 13 sind nur optional. Die elektrisch isolierende Schicht 11 ist insbesondere dann vorgesehen, wenn das Substrat 10 aus einem leitfähigen Material, z.B. Metall, ausgebildet ist.
Die elektrische Heizeinrichtung gemäß Fig. 1 ist dazu ausgelegt, in einem
Fahrzeug ein Fluid zu beheizen. Das Fluid kann dabei insbesondere durch zu beheizende Luft oder durch eine Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf des Fahrzeugs gebildet sein. Die elektrische Heizeinrichtung 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 beispielsweise auch eine Auslegung bis über 1.000 Volt möglich.
Das Substrat 10 ist insbesondere gleichzeitig als ein Wärmetauscher zum
Übertragen einer freigesetzten Heizleistung auf das zu erwärmende Fluid ausgebildet. Insbesondere kann eine (nicht dargestellte) Unterseite mit einer Mehrzahl von Wärmetauscherrippen und/oder Kanälen versehen sein, über die das zu erwärmende Fluid geleitet wird. Das Substrat 10 kann vorzugsweise (in herstellungstechnisch kostengünstiger Weise) aus einem metallischen Material mit einem hohen Wärmeübertragungskoeffizienten gebildet sein, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, das Substrat 10 aus einem elektrisch isolierenden Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit zu fertigen, wie insbesondere aus einer entsprechenden Keramik. Die elektrisch isolierende Schicht 11 weist vorzugsweise eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Weiterhin ist die elektrische isolierende Schicht 11 vorzugsweise aus Aluminiumoxid gebildet. Weiterhin kann die elektrisch isolierende Schicht 11 in einem thermischen Spritzverfahren auf dem Substrat 10 abgeschieden sein. Insbesondere in dem Fall, dass das Substrat aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung ausgebildet ist, kann die elektrisch isolierende Schicht 11 beispielsweise auch durch gezieltes Oxidieren der Oberfläche des Substrates 10 gebildet werden. Die elektrisch isolierende Schicht 11 ist dazu ausgebildet, das Substrat 10 elektrisch gegenüber der Heizleiterschicht 12 zu isolieren (gleichzeitig jedoch eine gute Wärmeübertragung auf das Material des Substrates 10 zu ermöglichen).
Die Heizleiterschicht 12 ist vorzugsweise auf dem Substrat 10 (bzw. auf der isolierenden Schicht 11) abgeschieden. Die Heizleiterschicht 12 kann aus einem metallischen Material (insbesondere aus einer Nickel -Chrom-Legierung) ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Heizleiterschicht 11 in einem thermischen Spritzverfahren abgeschieden. Alternativ ist es aber beispielsweise auch möglich, die Heizleiterschicht 11 in einem Druck- oder Gießverfahren abzuscheiden.
Die Heizleiterschicht 12 ist derart strukturiert, dass zumindest eine Heizleiterbahn ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, ohmsche Wärme freizusetzen, wenn zwischen ihren entgegengesetzten Enden eine elektrische Spannung angelegt wird. Grundsätzlich kann die Heizleiterbahn wie in WO 2013/186106 AI beschrieben, strukturiert sein (abgesehen von den im Nachfolgenden noch näher zu beschreibenden Zweigbahnen im Bereich der Umlenkabschnitte).
In einem Randbereich der elektrischen Heizeinrichtung können Anschlüsse zum Verbinden der Heizleiterbahnen mit einer elektrischen Leistungsversorgung vorgesehen sein. Derartige Anschlüsse können elektrisch voneinander isoliert (beispielsweise nebeneinander) über einem Rand des Substrates 10 angeordnet sein. Dabei kann ein erster Anschluss zum elektrischen Kontaktieren der
Heizleiterbahn und Anlegen eines ersten elektrischen Potentials ausgebildet sein und ein zweiter Anschluss zum elektrischen Kontaktieren der Heizleiterbahn und Anlegen eines anderen, zweiten Potentials ausgebildet sein. Über die beiden Anschlüsse kann somit eine gewünschte Potentialdifferenz an die Heizleiterbahn angelegt werden. g Fig . 2 zeigt einen Ausschnitt eines Vergleichsbeispiels für eine Strukt urierung der Heizleiterschicht 12. Generell kann diese Heizleiterschicht so strukturiert sein, dass sie sich in einem bifilaren Muster auf dem Substrat 10 erstreckt.
Die Heizleiterschicht weist eine Heizleiterbahn 14 auf, die eine Vielzahl nebeneinander ausgebildeter Bahnabschnitte 15a, 15b, 15c und 15d umfasst. Die Bahnabschnitte 15a bis 15d sind durch Isolierunterbrechungen 16 voneinander getrennt und somit gegeneinander elektrisch isoliert. Die Isolierunterbrechu ngen können bevorzugt dadurch ausgebildet sein, dass die Heizleiterschicht 12 zunächst flächig auf dem Substrat 10 abgeschieden wird und im Bereich der Isolierunterbrechungen anschließend das Material der Heizleiterschicht 12 gezielt abgetragen wird, insbesondere du rch Laserbearbeitung . In Fig . 2 sind bevorzugte Stromflussrichtungen in der Heizleiterbahn 14 schematisch durch Pfeile dargestellt.
Die Isolierunterbrechu ngen 16 weisen vorzugsweise (über ihre Längserstreckung) eine (zumindest im Wesentlichen) gleichbleibende Breite auf. In dieser Weise wird erreicht, dass die Bahnabschnitte 15a bis 15d der Heizleiterbahn 14 die Oberfläche des Substrates großflächig überdecken können, so dass die zur Verfügung stehende Fläche möglichst optimal zur Ausbildung von Heizleistung bereitstellenden Bahnabschnitten ausgenutzt werden kann.
Die (gerade verlaufenden) Bahnabschnitte 15a und 15b bzw. 15c und 15d si nd über Umlenkabschnitte 17a und 17b miteinander verbunden. In dem
Umlenkabschnitt 17a wird die Heizleiterbahn 14 (in einer Hauptebene) um (zumindest im Wesentlichen) 180 Grad umgelenkt, so dass die
Leiterbahnabschnitte 15a, 15b (mit entgegengesetzter Stro mflussrichtung) nur durch eine Isolierunterbrechu ng 16 getrennt nebeneinander und parallel zueinander verlaufen.
In dem Vergleichsbeispiel gemäß Fig . 2 tritt im Bereich einer Innenkurve 18 des Umkehrabschnittes 17a ein Bereich 19 mit einem vergleichsweise hohen
Stromfluss auf, da sich der fließende elektrische Strom überwiegend den Weg des geringsten elektrischen Widerstandes sucht ( bzw. den kürzesten Weg). Eine solche inhomogene Stromverteilung über den Querschnitt der Heizleiterbahn 14 führt zu einer starken lokalen Erhitzung in dem stärker von elektrischem Strom durchflossenen Bereich 19, so dass dort das Risiko von„Hot-Spots" existiert, die aufgrund einer starken Erhitzung die Lebensdauer der elektrischen
Heizeinrichtung negativ beeinflussen können. Bei dem Vergleichsbeispiel gemäß Fig. 2 können sich dabei Maximaltemperaturen von 254 C° ergeben.
Das Problem der Ausbildung unerwünschter„Hot-Spots" wird durch die
Ausbildung der Heizleiterschicht 12 gemäß Fig. 3 (die eine erfindungsgemäße Ausführungsform der elektrischen Heizeinrichtung näher illustriert) gelöst bzw. zumindest abgemildert. Die Heizleiterschicht 12 gemäß Fig. 3 kann insbesondere wie die Heizleiterschicht 12 gemäß Fig. 2 (gemäß dem Vergleichsbeispiel) ausgebildet sein, mit den folgenden, näher erläuterten Unterschieden. Vor dem Umlenkabschnitt 17a verzweigt sich ein erster Bahnabschnitt 15a, so dass der elektrische Strom auf zwei voneinander isolierten (durch
Zweigisolierunterbrechungen) Pfaden strömt. Dadurch wird die Stromverteilung auf effektive Art und Weise im Vergleich gemäßigt. An der Innenkurve 18 kann zwar immer noch ein Bereich 19 mit einer erhöhten Stromdichte auftreten. Dieser Bereich 19 ist jedoch weit weniger stark ausgeprägt als bei dem
Vergleichsbeispiel gemäß Fig. 2. Insgesa mt zweigt sich also der Bahnabschnitt 15a in zwei Zweigabschnitte 21a, 21b auf. Diese Zweigabschnitte 21a, 21b vereinigen sich in der Ausführungsform gemäß Fig. 3 am Ende des
Umlenkabschnittes 17a. Bei abgesehen von den Zweigabschnitten ansonsten gleicher Struktur wie im Vergleichsbeispiel gemäß Fig. 2 ergibt sich eine deutlich niedrigere Maximaltemperatur von nur 226 C°.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der elektrischen Heizeinrichtung. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Fig. 3 zweigt sich hier der erste Bahnabschnitt 15a in drei Zweigabschnitte 21a, 21b und 21c auf (getrennt durch Zweig-Isolierunterbrechungen 20a, 20b) .
Dadurch kann die Stromverteilung weiter vergleichmäßigt werden. Weiterhin ist in der Ausführungsform gemäß Fig. 4 eine Wiedervereinigung der Zweigabschnitte 21a bis 21c erst in einem Abstand gegenüber einem Ende des Umlenkabschnittes 17a vorgesehen. Anfang und Ende der Zweigabschnitte 21a bis 21c liegen also nebeneinander (bezogen auf die Stromrichtung). Dies kann grundsätzlich auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 der Fall sein.
Bevorzugt ist es (wie in Fig. 3 und 4 schematisch dargestellt), dass der innere Zweigabschnitt 21a oder die beiden inneren Zweigabschnitte 21a und 21b (gemäß Fig. 4) schmaler ausgeführt sind wie der äußere (äußerste) Zweigabschnitt 21b bzw. 21c (zumindest im Durchschnitt) . Dadurch wird ein vergleichsweise hoher Anteil des Stromes auf die weiter außenliegenden Zweigabschnitte oder den weiter außenliegenden Zweigabschnitt gezwungen, was der Entstehung eines „Hot-Spots" im Bereich der Innenkurve 18 weiter entgegenwirkt.
Wie in Fig . 1 schematisch dargestellt, kann auf der Heizleiterschicht 12 bzw. auf den entsprechend strukturierten Heizleiterbahnen 14 zumindest eine weitere Isolierschicht 13 ausgebildet sein, die die von dem Substrat 10 abgewandte Oberseite der Heizleiterschicht 12 bedeckt. Vorzugsweise ist die weitere
Isolierschicht 13 insbesondere derart ausgebildet, dass sie auch die
Isolierunterbrechungen 16, 20 zwischen den Bahnabschnitten 15a bis 15d ausfü llt. In dieser Weise ist eine besonders gute Isolierung der Bahnabschnitte 15a bis 15d untereinander gewährleistet. Die weitere Isolierschicht 11 kann beispielsweise nach dem Strukturieren der Heizleiterschicht 12 auf der strukturierten Heizleiterbahn 14 abgeschieden werden. Das Abscheiden kann dabei beispielsweise bevorzugt durch ein thermisches Spritzverfahren, ein Gießverfahren oder ähnliches erfolgen. Insbesondere kann die weitere
Isolierschicht 13 beispielsweise durch Aluminiumoxid gebildet werden, um eine gute elektrische Isolierung und gleichzeitig eine gute thermische Leitfähigkeit zu erzielen.
Vorzugsweise ist/sind auf der weiteren Isolierschicht 13 noch eine oder mehrere weitere Schichten aufgebracht. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, zumindest noch eine Sensorschicht zum Überwachen der Funktion der elektrischen
Heizeinrichtung auszubilden.
Ein Abstand zwischen benachbarten Bahnabschnitten im Bereich des
Umlenkabschnittes 17a kann (lokal) verbreitert ausgebildet sein, so dass die Umlenkung der Heizleiterbahn 14 beispielsweise einen (im Wesentlichen) tropfenförmigen oder streichholzkopfförmigen Bereich 22 einschließt. Bei der konkret dargestellten Ausführungsform ist der eingeschlossene Berei ch 22 mit einem der Bahnabschnitte, nämlich dem Bahnabschnitt 15b elektrisch leitend verbunden (d . h. es ist zu diesem Leiter 15b keine Unterbrechu ng der
Heizleiterschicht ausgebildet) . Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, den eingeschlossenen Bereich 22 vollständig durch eine Isolierunterbrechung von den innenliegenden Bahnabschnitten zu trennen. Durch die lokalen Verbreiterungen des Abstandes zwischen den innenliegenden Bahnabschnitten im Bereich des Umlenkabschnittes 17a wird ein übermäßiger Streckenunterschied zwischen Strompfaden am äußeren Rand der innenliegenden Bahnabschnitte und
Strompfade am inneren Rand der innenliegenden Bahnabschnitte vermieden, so dass eine zu starke Konzentration des Stromflusses an der Innenseite an den Umlenkabschnitten weiter verhindert wird. Durch synergistisches
Zusammenwirken mit den vorgesehenen Zweigabschnitten kann dadurch eine lokale Aufheizung effektiv vermieden werden.
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.
Bezuqszeichen
10 Substrat
11 elektrisch isolierende Schicht
12 Heizleiterschicht
13 Isolierschicht
14 Heizleiterbahn
15a Bahnabschnitt
15b Bahnabschnitt
15c Bahnabschnitt
15d Bahnabschnitt
16 Isolierunterbrechung
17a Umlenkabschnitt
17b Umlenkabschnitt
18 Innenkurve
19 Bereich
20 Zweig-Isolierunterbrechung
20a Zweig-Isolierunterbrechung
20b Zweig-Isolierunterbrechung
21a Zweigabschnitt
21b Zweigabschnitt
21c Zweigabschnitt
22 Bereich

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen, mit:
einem Substrat (10) und einer auf dem Substrat ( 10) ausgebildeten Heizleiterschicht (12), wobei die Heizleiterschicht (12) zumindest eine Heizleiterbahn (14) aufweist, die auf dem Substrat ( 10) angeordnet ist, wobei die Heizleiterbahn (14) derart strukturiert ist, dass eine Vielzahl durch Isolierunterbrechungen ( 16) voneinander getrennter Bahnabschnitte (15a-15d) ausgebildet ist, wobei die Heizleiterbahn zumindest einen Umlenkabschnitt (17a) aufweist, an dem die Heizleiterbahn ( 14) umgelenkt ist und der zwischen einem ersten (15a) und einem zweiten (15b)
Bahnabschnitt angeordnet ist, wobei der erste (15a) und der zweite (15b) Bahnabschnitt eine im Vergleich zum Umlenkabschnitt geringere
Krümmung aufweisen, insbesondere zumindest im Wesentlichen gerade ausgebildet sind, wobei sich die Heizleiterbahn in dem ersten
Bahnabschnitt (15a) oder in dem Umlenkabschnitt (17c) in mindestens zwei durch eine oder mehrere Zweig-Isolierunterbrechungen (20) voneinander getrennte Zweigbahnen (21a, 21b) aufzweigt, wobei sich die Zweigbahnen (21a, 21b) in dem zweiten Bahnabschnitt (15b) oder in dem Umlenkabschnitt (17a) wieder vereinigen.
2. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
erster (15a) und zweiter (15b) Bahnabschnitt zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen und/oder dass der Umlenkabschnitt (17a) eine Umlenkung um, zumindest ungefähr, 180° bewirkt.
3. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
eine innere Zweigbahn (21a) gegenüber einer äußeren Zweigbahn (21b) zumindest im Durchschnitt und/oder zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgängig, schmaler ausgebildet ist.
4. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
sich die Zweigbahnen (21a, 21b) über maximal 70 %, vorzugsweise maximal 30 %, weiter vorzugsweise maximal 15 % und/oder mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 10 %, des ersten und/oder zweiten
Bahnabschnittes erstrecken.
5. Elektrische Heizeinrichtung einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
wobei sich die Heizleiterbahn (16) in dem ersten Bahnabschnitt (15a) oder in dem Umlenkabschnitt (17a) in mindestens drei durch Zweig- Isolierunterbrechungen (20) voneinander getrennte Zweigbahnen (21a, 21b, 21c) aufzweigt, wobei sich die Zweigbahnen (21a, 21b, 21c) in dem zweiten Bahnabschnitt (15a) oder in dem Umlenkabschnitt (17a) wieder vereinigen.
6. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
die Zweigbahnen (21a, 21b) auf gleicher Höhe gegenüber einer Oberfläche des Substrats angeordnet sind und/oder eine gleiche Dicke senkrecht zu der Oberfläche des Substrats aufweisen.
7. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
ein Abstand zwischen benachbarten Bahnabschnitten mit zueinander entgegengesetzten Stromflussrichtungen im Bereich des
Umkehrabschnittes (17a) lokal verbreitert ausgebildet ist und/oder dass sich die zumindest eine Heizleiterbahn (14) in einem bifilaren Muster auf dem Substrat (10) erstreckt.
8. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
die Heizleiterbahn mindestens zwei oder mindestens drei Umlenkabschnitte (17a, 17b) aufweist.
9. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
die Heizleiterschicht (12) zumindest 80 % der Substratoberfläche bedeckt, bevorzugt zumindest 85 % der Substratoberfläche und/oder wobei in den Isolierunterbrechungen (16) ein elektrisch isolierendes Material angeordnet ist und/oder
die Heizleiterbahn (15) derart ausgebildet ist, dass zumindest über einen überwiegenden Anteil ihrer Länge jeweils zwei Bahnabschnitte mit gleichgerichteter Stromflussrichtung benachbart und parallel zueinander verlaufen und/oder
die Heizleiterbahn (15) derart ausgebildet ist, dass sie über einen überwiegenden Anteil ihrer Länge gerade verläuft, und/oder
wobei auf der Heizleiterschicht (12) zumindest eine weitere Schicht (13), insbesondere Isolierschicht, ausgebildet ist.
10. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
die elektrische Heizeinrichtung eine Kfz-Heizeinrichtung ist.
11. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Verwendung einer elektrischen Heizeinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 10 für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug.
PCT/EP2017/075414 2016-10-05 2017-10-05 Elektrische heizeinrichtung für mobile anwendungen WO2018065548A1 (de)

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