WO2019053050A1 - Schalenförmiger behälter für automobile anwendungen - Google Patents

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WO2019053050A1
WO2019053050A1 PCT/EP2018/074582 EP2018074582W WO2019053050A1 WO 2019053050 A1 WO2019053050 A1 WO 2019053050A1 EP 2018074582 W EP2018074582 W EP 2018074582W WO 2019053050 A1 WO2019053050 A1 WO 2019053050A1
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shaped container
cup
wall
electrically conductive
polymer material
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PCT/EP2018/074582
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Heiko Lantzsch
Andreas Schmidt
Alexander Reinisch
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Arte Reverse Engineering Gbr
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    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
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    • F01N2240/16—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being an electric heater, i.e. a resistance heater
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a heatable bowl-shaped container for an automotive application.
  • automotive applications especially in passenger cars, there are a variety of applications for heaters. It is regularly necessary to keep components or operating materials of the motor vehicle at a specific temperature irrespective of the weather and use. Whenever such requirements exist, the use of heaters in the automotive sector is conceivable.
  • a particularly important application of heaters in the automotive sector is the heating of liquid fuels.
  • liquid fuels for example, gasoline or diesel
  • internal combustion engine fuel for example, gasoline or diesel
  • urea-water solution which is used in particular for diesel internal combustion engines for exhaust gas purification.
  • Urea-water solution for use in the emission control under the trade name AdBlue ® with a urea content of 32.5% available.
  • AdBlue ® with a urea content of 32.5% available.
  • the urea-water solution is injected into the exhaust system in order to reduce nitrogen oxide compounds in the exhaust gas to harmless substances (such as water, carbon dioxide and nitrogen).
  • Another example is pure water. Water is also used in motor vehicles to reduce pollutant emissions. For this purpose, the water is specifically fed to the combustion.
  • Operating fluids such as water and urea-water solution can freeze. Water freezes at 0 ° C. Urea-water solution freezes at -11 ° C. Such temperatures can occur in motor vehicles, especially during long periods of standstill in winter. Heaters may be provided to prevent such operating fluids from freezing or thawing such liquids during freezing. It is also possible that the use of heaters can prevent the critical tem- peratures from falling below the threshold so that freezing of the operating fluid does not occur at all.
  • electrical energy storage devices such as batteries and accumulators
  • electrical energy storage devices such as batteries and accumulators
  • the ability of electrical energy storage devices to emit electrical energy and to recapture electrical energy depends very much on the temperature of the electrical energy storage device.
  • Conventional electrical energy storage store the electrical energy in a chemical form and in the delivery of electrical energy, a chemical reaction takes place. This chemical reaction is regularly slowed or impeded at low temperatures. By raising the temperature with a heater, the energy output of an electrical energy store can be significantly improved or increased, especially at low temperatures.
  • a cup-shaped container in particular for automotive applications, comprising a wall made of an electrically conductive polymer material wherein at least one electrical contact is integrated in the electrically conductive polymer material, wherein the wall of the bowl-shaped container has a wall cross-section with a thickness of at least 2.5 mm [millimeter] and the electrically conductive polymer material in at least a surface area of the wall at least 44% of Wall cross section fills.
  • the electrically conductive material even fills at least 66% and even more preferably at least 80% of the wall cross-section in at least one surface area.
  • a cup-shaped container is characterized in that it has a shell shape with a bottom. This bottom is made of the wall.
  • the underside is at least partially flat.
  • a rim of the bowl-shaped container preferably extends circumferentially upwards.
  • this edge completely circumscribes the underside of the bowl-shaped container. In embodiments, it is also possible that this edge is interrupted in sections. Extends between the edge and the bottom a side wall section, with which the bowl-shaped container forms a shell shape, is preferred.
  • PTC positive temperature coefficient
  • the electrically conductive polymer material thus has a positive temperature coefficient (PTC).
  • PTC positive temperature coefficient
  • the polymer material preferably consists of a mixture of two mutually incompatible or chemically immiscible polymer precursors.
  • the limit temperature of the polymer material is adjusted so that it does not the melting temperature of the polymer starting materials used reached. Thus, it can be ensured that the polymer material and its properties are not changed or damaged when using the polymer material as a heater.
  • Types of plastic that can be used as starting material in the electrically conductive polymer material are polyethylene (PE), ethylene tetraflourethylene (ET-FE), ethylene-chlorotrifluoroethylene fluorocopolymer (ECTFE), a polyvinylidene fluoride (PVDF), a perfloralakoxy polymer (PFA) , a fluoroethylene propylene (FEP), a modified fluoroalkoxy (MFA), a polyphenylene sulfide (PPS) or a Polxetheretherketon (PEEK).
  • PE polyethylene
  • ET-FE ethylene tetraflourethylene
  • ECTFE ethylene-chlorotrifluoroethylene fluorocopolymer
  • the electrically conductive polymer material preferably consists of an amount of from 10% to 40% of an electrically conductive substance, for example carbon black or carbon particles.
  • the wall has a thickness of at least 2.5 mm. Preferably, the thickness is between 4 mm and 6 mm.
  • the wall has the task of ensuring a mechanical durability of the cup-shaped container. Forces acting on the bowl-shaped container are absorbed by the wall. Preferably there is no (or only in comparison to the wall in their mechanical strength less strong) additional support structure of the cup-shaped container.
  • a special feature of the bowl-shaped container is that the wall cross-section of the bowl-shaped container is formed at least in a surface portion to at least 50% of the electrically conductive material, which provides the heating or the heating power. This is a special feature. Otherwise it was always common for heaters to be additionally inserted in the container or to be applied from the outside to containers. Variants have also been disclosed in which heaters have been integrated into container walls. What is new is the approach that the heating forms a very substantial (overwhelming) part of the container itself. The fact that the heating or the heated material is formed here by a plastic material, the heater has a low weight and high chemical resistance. By means of such a heating, it is possible to form the container itself from the heating or the heated material.
  • Electrically conductive polymer materials and in particular such electrically conductive polymer materials with PTC effect have had and usually have the limitation that such materials regularly have high electrical resistances and thus a low electrical conductivity. This limits the heating effect that can be achieved with such materials.
  • the approach proposed here to produce a shell-shaped container wholly or at least predominantly (more than 50%) in individual areas of this electrically conductive polymer material, solves this limitation because it makes it possible to supply very large quantities of the heated material there position where the heating effect is needed.
  • wall cross-section here refers to a section at an arbitrary position through the wall
  • the wall cross-section is in particular the cross-section through the part of the wall which gives the shell-shaped container its mechanical properties
  • the wall cross-section preferably does not comprise any protective layers, insulating layers and similar auxiliary layers Such layers may additionally be applied to the wall (on the inner surface or the outer surface).
  • insulating layers are formed from materials that are not electrically conductive.
  • This insulating layer is made of, for example, a material having the same base monomer as the electrically conductive polymer material. An insulating layer of such a material adheres very well to the electrically conductive polymer material.
  • the electrically conductive polymer material as a heat source can also be provided on the outer surface with an infrared radiation-reflecting insulating layer so that unwanted heat radiation into the environment can be avoided.
  • the area may be small in relation to a total area of the wall of the cup-shaped container, for example less than 10%.
  • the surface area is preferably larger and makes, for example, more than 20%, preferably even more than 50%, and particularly preferably more than 80% of the total area of the wall.
  • a plurality of mutually separate surface regions of the wall may be formed with the electrically conductive polymer material, which are separated from each other by web-shaped regions of the wall without electrically conductive polymer material. Surface areas with polymer material are preferably formed everywhere where heating of the bowl-shaped container is sensible and necessary for the respective application.
  • the at least one electrical contact is preferably cast in the cup-shaped container or in the electrically conductive polymer material. Particularly preferably, the at least one electrical contact is arranged so that a uniform energization of the electrically conductive polymer material is possible.
  • the electrical contact is preferably metallic, for example made of copper, aluminum or silver.
  • the electrical conductivity of the electrically conductive contact is preferred many times higher than the electrical conductivity of the polymer material, more preferably by a factor greater than 1000, for example even greater than 1 million. In this way, a uniform energization of the electrically conductive polymer material can be achieved via the at least one electrical contact.
  • the at least one electrical contact has a surface which allows a good mechanical and especially electrically conductive connection to the polymer material.
  • the surface of the at least one electrical contact is rough (in particular with undercuts).
  • the adhesion of the polymeric material to the electrically conductive contact may be enhanced by a surface treatment performed prior to encapsulation of the electrical contact with the polymeric material).
  • metallic contacts made of copper, nickel-plated copper, silver-plated copper, gold-plated copper, tin-plated copper, galvanized copper, a copper alloy, a nickel-plated copper alloy, a silver-plated copper alloy, a gold-plated copper alloy, a tinned copper alloy, a galvanized copper alloy, aluminum , Gold and / or silver can be achieved.
  • a good electrical connection between the electrical contact and the electrically conductive polymer material is achieved by surface structures that include, for example, a corrugated and / or rough surface of the electrical contact. So can a mechanical adhesion by gearing between the polymer material and the electrical contact can be effected. Particularly preferred is a surface structure with undercuts, for example a mushroom structure or a cauliflower structure.
  • the connection is designed so that in particular the size changes occurring at different thermal expansions can be compensated.
  • the structure of the surface of the metallic electrical contacts particularly preferably has elevations and depressions at a distance of 10 ⁇ m to 50 ⁇ m from one another.
  • the cup-shaped container when the electrically conductive polymer material is exposed at least on an inner surface of the cup-shaped container.
  • the aim is to bring the electrically conductive polymer material as close as possible to the heated contents of the cup-shaped container.
  • the electrically conductive polymer material is exposed, there is no intermediate layer between the electrically conductive polymer material and the contents of the cup-shaped container.
  • surface effects at the interface between the electrically conductive polymer material and the contents of the container may be sufficient to ensure electrical isolation of the electrically conductive polymer material from the contents of the container. This is true, if appropriate, even if the contents of the container is an electrically conductive operating fluid of a motor vehicle.
  • the bowl-shaped container has at least one inwardly extending divider which divides the bowl-shaped container into at least two chambers.
  • such chambers may be adapted to receive contents in the cup-shaped container separately from one another.
  • the size and format of such chambers is preferably adapted to the intended content. If, for example, electrical energy stores (accumulators or batteries) are accommodated in the chambers, the chamber size can be adapted exactly to these electrical energy stores - for example, even so that the electrically conductive polymer material is applied directly to the content (the electrical energy store).
  • the embodiment with exposed on the inner surface electrically conductive polymer material is particularly preferred for applications of the cup-shaped container for receiving electrical energy storage, because then a particularly good heat transfer from the electrically conductive polymer material to the electrical energy storage can be achieved by this variant.
  • This divider in the case where the bowl-shaped container is used for a tank for a liquid, can also act as a baffle which prevents or at least reduces sloshing of liquid in the tank.
  • the divider may have interruptions and openings that allow a liquid or gas exchange between formed chambers. It is also advantageous if an electrically insulating protective layer is formed at least on an outer surface of the cup-shaped container. In further embodiments, an electrically insulating protective layer is also formed on an inner surface of the cup-shaped container.
  • the thickness of this protective layer / protective layers is very small in comparison to the wall thickness or to the thickness of the wall cross section. Preferably, the thickness of the protective layer (s) is below 10% of the wall thickness or the thickness of the wall cross section.
  • At least two electrical contacts exist in the wall, which form a multiplicity of contact arms located at a distance from one another, wherein the distance of the opposing contact arms from one another deviates locally by a maximum of 10% from a mean distance.
  • the maximum deviation of 10% from a mean distance must be respected only in the heating zones, that means in the areas where the contact arms are arranged parallel to each other.
  • the maximum deviation of 10%, especially in the area of diversion, konne and power supplies of the contact arms are not met.
  • the contact arms preferably form interdigitated comb-shaped electrodes in the electrically conductive polymer material.
  • a uniform distance of the contact arms of the electrical contacts to each other is of great importance in order to achieve a uniform introduction of the electrical current into the conductive polymer material.
  • a tolerance limit for the uniform distance is set here.
  • This tolerance limit preferably applies to the entire bowl-shaped container.
  • the cup-shaped container forms a receptacle for at least one electrical energy store.
  • heating is regularly helpful or even required even in electricity storage devices (accumulators and batteries) customary in motor vehicles. With the help of the bowl-shaped container described here, such heating can be easily realized.
  • the cup-shaped container when the container is used to hold an electrical energy store, it is not necessary for the container to form a closed surface (especially on the underside). Rather, it may be advantageous that the cup-shaped container (in particular on the underside) has openings and interruptions. In this way it is also ensured, in particular, that the liquid which has entered the container from above, gases (for example gases from the electric current store), impurities, etc., can fall downwards out of the dish-shaped container.
  • the cup-shaped container forms a lower half-shell of a tank for a working fluid of a motor vehicle.
  • the operating fluid is preferably urea-water solution or water.
  • the tank is preferably additionally formed by an upper half-shell, which is placed on the cup-shaped container.
  • the upper half-shell of the tank can be formed by a corresponding bowl-shaped container with electrical contacts and a conductive polymer material. But it is also possible that the upper half shell is formed of a "classic" polymer without electrical conductivity and without electrical contacts.
  • the cup-shaped container may form part of a continuous tank shell, so that the upper half shell and the lower half shell are integral with each other. It is also possible that the upper half shell and the lower half shell were made separately from each other and are subsequently connected to each other, for example by welding.
  • the electrically conductive polymer material forms a surface tension on the inner surface of the wall, which forms a boundary layer in the operating fluid.
  • a boundary layer forms a very high electrical resistance, which is in particular considerably higher than the electrical resistance of the electrically conductive polymer material. Therefore, can be successfully ensured by such a boundary layer that no electric current enters the operating fluid.
  • this also makes it possible to use the electrically conductive polymer material without further electrical insulating layer to form a tank for a working fluid of a motor vehicle.
  • the cup-shaped container has on its underside an opening into which a delivery module for taking a working fluid from the cup-shaped container is settable.
  • the delivery module preferably comprises a suction point for aspirating working fluid from the bowl-shaped container and a delivery point located outside (on the side of the outer surface of the bowl-shaped container) at which the operating fluid can be provided by the delivery module.
  • the inserted delivery module closes the opening in the bottom of the bowl-shaped container preferably completely and fluid-tight.
  • the delivery module is inserted in the opening with a seal or the delivery module is welded into the opening.
  • the delivery module particularly preferably also includes a pump for delivery of the operating fluid and optionally sensors (eg pressure sensors), control devices, etc., which serve to monitor and control the delivery of the fluid.
  • the delivery module also comprises a filter with which operating fluid taken from the tank is filtered during removal.
  • the delivery module is preferred if a plurality of mutually separate electrical contacts are integrated into the wall of the cup-shaped container, which in each case form heating zones which can be contacted separately from one another.
  • the electrically conductive polymer material is self-regulating in itself. Nevertheless, there are applications in which a higher-level control of individual heating zones in the cup-shaped container is required. This is the case in several cases electrical energy storage are arranged in a cup-shaped container to be heated differently.
  • the method is particularly suitable for producing the bowl-shaped container described here. All advantages and special features described in connection with the container are transferable to the method and vice versa.
  • the provided outer shell may be, for example, a thermal insulation of the cup-shaped container.
  • the outer shell serves as a formwork for the production of the container.
  • the electrical contacts can be designed for step b) with spacers, with which the electrical contacts are held in a defined position within the container wall to be created. When spraying in step c), the electrical contacts are then completely encased by the electrically conductive polymer material. In the manner described here, a described bowl-shaped container can be produced very efficiently.
  • FIGS. show preferred embodiments, to which the invention is not limited. Show it:
  • FIG. 1 shows a variant of a cup-shaped container for receiving at least one electrical storage
  • FIG. 2 shows a variant of a bowl-shaped container in a configuration for forming a tank for a working fluid
  • FIG. 3 shows a further embodiment variant of a cup-shaped container for forming a tank for a working fluid
  • FIG. 5 shows a cross section through a first embodiment of a wall of a bowl-shaped container
  • FIG. 6 shows a cross section through a second embodiment of a wall of a bowl-shaped container
  • Fig. 7 a first variant of a motor vehicle in which cup-shaped containers are used.
  • FIGS. 1, 2 and 3 different variants of described cup-shaped containers 1 are shown in each case.
  • the bowl-shaped container 1 has in each case an underside 15, which is formed by a wall 2 of the container.
  • the wall 2 extends from the bottom 15 upwards to form the shell shape of the cup-shaped container 1. It can be seen in each case that within the wall 2 of the bowl-shaped container 1 in each case at least one electrical contact 4 is formed.
  • the wall 2 is formed of electrically conductive polymer material 3, which surrounds the electrical contacts 4.
  • the cup-shaped container 1 each has an inner surface 7 and an outer surface 8, which are defined for example by the shell shape of the cup-shaped container 1.
  • the transition between the inner surface 7 and the outer surface 8 forms a (preferably circumferentially closed) edge 33 of the cup-shaped container. Shown schematically in all variants is a connection point 34, with which the electrical contacts 4 can be electrically contacted.
  • the variant embodiment of the bowl-shaped container 1 according to FIG. 1 also has an inwardly extending separating web 13 with which the bowl-shaped container 1 into a plurality of chambers 14 (here two chambers 14 shown schematically) is divided.
  • a single electrical energy store 12 for example a cell or a cell block of a large accumulator system
  • the separating web 13 is here also formed from the electrically conductive polymer material 3. In the divider 13 and the electrical contacts extend 4. Thus, a heating of the divider 13 is realized.
  • a cup-shaped container 1 with such heated dividers 13 can be achieved that each individual electrical energy storage 12 in each chamber 14 is heated evenly.
  • the bowl-shaped container 1 forms a lower half-shell 9 of a tank 11.
  • the tank additionally has an upper half-shell 10.
  • the lower half shell 9 and the upper half shell 10 are connected to each other at the edge 33, for example, welded together.
  • a working fluid 18 is filled, which may be, for example, urea-water solution or water.
  • a thermal insulation 23 is additionally provided here, which surrounds the bowl-shaped container 1 on the outer surface 8. For the production of a bowl-shaped container 1, this thermal insulation can simultaneously form an outer shell 32, into which the polymer material 3 can be injected to form the wall 2.
  • an opening 16 is provided in the bottom 15.
  • the opening 16 serves the purpose of receiving a delivery module 17, with which operating fluid 18 can be removed from the cup-shaped container 1 and (preferably metered) can be provided.
  • the opening 16 is preferably closed fluid-tight by the delivery module 17.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through a wall 2 of a cup-shaped container 1 in a surface region 26 with the electrically conductive polymer material 3 described.
  • two electrical contacts 4 are visible in the wall 2, which each form contact arms 22 which mesh with each other in a comb-shaped manner.
  • the contact arms 22 each have an arm thickness 25 which is selected so that the electric current can be uniformly brought to the polymer material 3.
  • a uniform distance 24 which varies with the lowest possible tolerance. Due to the uniformity of the distance 24, it can be ensured that the electrical heating takes place uniformly in the tank wall.
  • FIGS. 5 and 6 each show a cross section through various embodiments of a wall 2 of a bowl-shaped container.
  • the wall cross-section 5 with the wall thickness 6 can be seen in each case.
  • the contact arm 22 of the electrical contacts 4 with the arm thickness 25 is shown.
  • a wall 2 of a cup-shaped container is shown, which serves to receive a working fluid 18.
  • a thermal insulation 23 is also provided on an outer surface 8 of the wall 2.
  • a boundary layer 21 forms directly in the operating fluid 18 directly on the inner surface 7, which ensures electrical insulation of the electrically conductive polymer material with respect to the operating fluid 18.
  • (electrically) insulating layers 20 are provided both on the inner surface 7 and on the outer surface 8.
  • the thickness of these layers is preferably thin in comparison to the wall thickness 6. For example, this thickness is at most 10 of the wall thickness.
  • Fig. 7 and Fig. 8 show two different variants of motor vehicles 19, in which described cup-shaped container are used.
  • an internal combustion engine 27 is provided whose exhaust gases are cleaned with an exhaust gas treatment system 29 become.
  • the internal combustion engine may be supplied with water with a delivery device 30 comprising a described bowl-shaped container 1.
  • the exhaust gas treatment system 29 may be supplied with a supply device 30 also comprising a described shell-shaped container 1 urea-water solution.
  • an electric drive machine 28 is provided.
  • An electrical energy store 12 for providing drive energy for the electric drive machine 28 may be provided with a described bowl-shaped container 1.

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Abstract

Schalenförmiger Behälter (1), insbesondere für automobile Anwendungen, aufweisend eine Wand (2) aus einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial (3), wobei in das elektrisch leitfähige Polymermaterial (3) mindestens ein elektrischer Kontakt (4) integriert ist, wobei die Wand (2) des schalenförmigen Behälters (1) einen Wandquerschnitt (5) mit einer Wanddicke (6) von mindestens 2,5mm [Millimeter] hat und das elektrisch leitfähige Polymermaterial (3) in mindestens einem Flächenbereich (26) der Wand (2) mindestens 44% des Wandquerschnitts (5) ausfüllt.

Description

Schalenförmiger Behälter für automobile Anwendungen
Die Erfindung betrifft einen beheizbaren schalenförmigen Behälter für eine automobile Anwendung. In automobilen Anwendungen, insbesondere in Personenkraftfahrzeugen, existiert eine Vielzahl von Anwendungsgebieten für Heizungen. Regelmäßig ist es erforderlich, Komponenten oder Betriebsstoffe des Kraftfahrzeuges witterungsunabhängig und einsatzunabhängig auf einer bestimmten Temperatur zu halten. Immer wenn solche Anforderungen existieren, ist der Einsatz von Heizungen im Kraftfahrzeugbereich denkbar.
Ein besonders wichtiger Anwendungsfall von Heizungen im Kraftfahrzeugbereich ist die Beheizung von flüssigen Betriebsstoffen. Neben dem für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor obligatorisch notwendigen Brennstoff (bspw. Benzin oder Diesel) existieren normalerweise weitere flüssige Betriebsstoffe.
Ein Beispiel hierfür ist Harnstoff-Wasser-Lösung, die insbesondere für Diesel-Verbrennungskraftmaschinen zur Abgasreinigung eingesetzt wird. Harnstoff- Wasser-Lösung für den Einsatz in der Abgasreinigung ist unter dem Handelsnamen AdBlue ® mit einem Harnstoff gehalt von 32,5 % erhältlich. Die Harnstoff-Wasser-Lösung wird im Betrieb in das Abgassystem eingedüst, um Stickstoffoxidverbindungen im Abgas zu unschädli- chen Substanzen (wie Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff) zu reduzieren.
Ein weiteres Beispiel hierfür ist reines Wasser. Wasser wird in Kraftfahrzeugen ebenfalls zur Reduzierung des Schadstoffausstoßes verwendet. Dazu wird das Wasser gezielt der Verbrennung zugeführt. Betriebsflüssigkeiten wie Wasser und Harnstoff-Wasser-Lösung können einfrieren. Wasser friert bei 0 °C ein. Harnstoff-Wasser-Lösung friert bei -11 °C ein. Solche Temperaturen können in Kraftfahrzeugen insbesondere während langer Stillstandsphasen im Winter auftreten. Um zu vermeiden, dass solche Betriebsflüssigkeiten einfrieren oder um solche Flüssigkeiten im Einfrierfall wieder aufzutauen, können Heizungen vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass durch den Einsatz von Heizungen von vornerein verhindert werden kann, dass kritische Grenz temp er aturen unterschritten werden, so dass ein Einfrieren der Betriebsflüssigkeit gar nicht erst auftritt.
Ein weiterer wichtiger Anwendungsfall von Heizungen in Kraftfahrzeugen ist die Beheizung von elektrischen Energiespeichern, wie beispielsweise Batterien und Akkumulatoren, insbesondere für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge oder für Hybrid- Kraftfahrzeuge, die sowohl elektrisch als auch mit einem Verbrennungsmotor betrieben werden. Die Fähigkeit von elektrischen Energiespeichern, elektrische Energie abzugeben und elektrische Energie (beispielsweise aus einer Rekuperation) wieder aufzunehmen, hängt ganz wesentlich von der Temperatur des elektrischen Ener- giespeichers ab. Übliche elektrische Energiespeicher speichern die elektrische Energie in chemischer Form und bei der Abgabe der elektrischen Energie findet eine chemische Reaktion statt. Diese chemische Reaktion ist bei niedrigen Temperaturen regelmäßig verlangsamt bzw. erschwert. Durch die Anhebung der Temperatur mit einer Heizung kann die Energie- abgäbe eines elektrischen Energiespeichers insbesondere bei niedrigen Temperaturen erheblich verbessert bzw. erhöht werden.
In automobilen Anwendungen ist es regelmäßig entscheidend, die Kosten, das Gewicht und den Energieverbrauch von eingesetzten Komponenten wie Heizungen zu reduzieren. Gleichzeitig sollte die Haltbarkeit möglichst hoch sein. Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, einen im Automobilbereich universell einsetzbaren beheizbaren Behälter vorzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst mit einem schalenförmigen Behälter gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zur Herstellung eines schalenförmigen Behälters gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12. Hier beschrieben werden soll ein schalenförmiger Behälter, insbesondere für automobile Anwendungen, aufweisend eine Wand aus einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial, wobei in das elektrisch leitfähige Polymermaterial mindestens ein elektrischer Kontakt integriert ist, wobei die Wand des schalenförmigen Behälters einen Wandquerschnitt mit einer Dicke von mindestens 2,5 mm [Millimeter] hat und das elektrisch leitfähige Polymermaterial in mindestens einem Flächenbereich der Wand mindestens 44 % des Wandquerschnitts ausfüllt. Besonders bevorzugt füllt das elektrisch leitfähige Material sogar mindestens 66 % und noch weiter bevorzugt mindestens 80 % des Wandquerschnitts in mindestens einem Flächenbereich aus.
Das elektrisch leitfähige Polymermaterial ist zumindest abschnittsweise zwischen Elektroden positioniert. Ein schalenförmiger Behälter ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Schalenform mit einer Unterseite aufweist. Diese Unterseite ist von der Wand gebildet. Bevorzugt ist die Unterseite zumindest abschnittsweise flach. Ausgehend von der Unterseite erstreckt sich bevorzugt umlaufend ein Rand des schalenförmigen Behälters nach oben. Bevorzugt umläuft dieser Rand die Unterseite des schalenförmigen Behälters vollständig. In Ausführungsvarianten ist es auch möglich, dass dieser Rand abschnittsweise unterbrochen ist. Zwischen dem Rand und der Unterseite erstreckt sich bevorzugt ein Seitenwandabschnitt, mit dem der schalenförmige Behälter eine Schalenform bildet.
Das elektrisch leitfähige Polymermaterial zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es PTC-Widerstandseigenschaften (PTC = positive tem- perature coefficient) hat. Aufgrund der PTC-Widerstandseigenschaften steigt der elektrische Widerstand des Materials mit der Temperatur. Bevorzugt existiert eine Grenztemperatur von beispielsweise einer beliebigen Temperatur zwischen 10 °C bis 120 °C, bevorzugt im Bereich rund um 80 °C. Ab dieser Grenztemperatur steigt der elektrische Widerstand des elektrisch leitfähigen Polymermaterials stark an. Ein an das elektrisch leitfähige Polymermaterial angelegter elektrischer Strom reduziert sich damit stark, wenn diese Grenztemperatur überschritten wird. Unterhalb der Grenztemperatur wirkt das elektrisch leitfähige Polymermaterial als elektrische Heizung. Aufgrund der Grenz temp er atur bildet das elektrisch leitfähige Polymermaterial eine sich selbst regelnde Heizung.
Das elektrisch leitfähige Polymermaterial hat also einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC). Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass das Heizelement selbstregelnde Eigenschaften aufweist, indem bei einer Temperaturerhöhung die Heizleistung durch den ansteigenden Widerstand des PTC-Effekts automatisch zurückgeht und somit eine drohende Überhitzung des Heizelements und/oder seiner Umgebung und damit eine Schädigung der umliegenden Komponenten und Materialien selbsttä- tig vermieden wird.
Das Polymermaterial besteht bevorzugt aus einer Mischung von zwei zueinander inkompatiblen bzw. chemisch nicht mischbaren Polymerausgangsstoffen.
Die Grenztemperatur des Polymermaterials ist so eingestellt, dass diese die Schmelztemperatur der verwendeten Polymerausgangsstoffe nicht erreicht. So kann sichergestellt werden, dass das Polymermaterial und seine Eigenschaften beim Verwenden des Polymermaterials als Heizung nicht verändert oder beschädigt werden. Kunststoffarten, die als Ausgangsmaterial in dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial vorkommen können, sind Polyethylen (PE), Ethylen- Tetraflourethylen (ET-FE), Ethylen-Chlortriflourethylen-flourcopolymer (ECTFE), ein Polyvinylidenflourid (PVDF), ein Perflorakoxy-Polmyer (PFA), ein Flourethylenpropylen (FEP), ein modifiziertes Fluoralkoxy (MFA), ein Polyp henylensulfid (PPS) oder ein Polxetheretherketon (PEEK).
Außer den beiden Polymerausgangsmaterialen besteht das elektrisch leitfähige Polymermaterial bevorzugt zu einem Anteil von 10 % bis 40 % aus einem elektrisch leitfähigen Stoff, beispielsweise aus Ruß bzw. Kohlen- Stoffpartikel.
Die Wand hat eine Dicke von mindestens 2,5 mm. Bevorzugt beträgt die Dicke zwischen 4 mm und 6 mm. Die Wand hat die Aufgabe, eine mechanische Haltbarkeit des schalenförmigen Behälters zu gewährleisten. Auf den schalenförmigen Behälter wirkende Kräfte werden von der Wand auf- genommen. Bevorzugt existiert keine (oder nur eine im Vergleich zu der Wand in ihrer mechanischen Belastbarkeit weniger starke) zusätzliche Stützstruktur des schalenförmigen Behälters.
Eine Besonderheit des schalenförmigen Behälters ist, dass der Wandquer- schnitt des schalenförmigen Behälters zumindest in einem Flächenabschnitt zu zumindest 50 % von dem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist, welches die Heizung bzw. die Heizleistung bereitstellt. Dies ist eine Besonderheit. Sonst war es immer üblich, dass Heizungen im Behälter zusätzlich eingelegt oder von außen an Behälter angelegt wurden. Es sind auch Varianten offenbart worden, bei denen Heizungen in Behälterwände integriert wurden. Neu ist der Ansatz, dass die Heizung zu einem ganz wesentlichen (überwiegenden) Teil selbst den Behälter bildet. Dadurch, dass die Heizung bzw. das beheizte Material hier von einen Kunststoffmaterial gebildet ist, hat die Heizung ein geringes Gewicht und eine hohe chemische Beständigkeit. Durch eine solche Heizung ist es möglich, den Behälter selbst aus der Heizung bzw. dem beheizten Materi- al zu bilden.
Elektrisch leitfähige Polymermaterialien und insbesondere solche elektrisch leitfähigen Polymermaterialen mit PTC-Effekt hatten und haben zumeist die Einschränkung, dass solche Materialien regelmäßig hohe elektrische Widerstände und damit eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Dies begrenzt die Heizwirkung, die mit solchen Materialien erzielt werden kann. Der hier vorgeschlagene Ansatz, einen schalenförmigen Behälter ganz oder zumindest zu einem überwiegenden Teil (über 50 %) in einzelnen Flächenbereichen aus diesem elektrisch leitfähigen Po- lymermaterial herzustellen, löst diese Einschränkung, weil es hierdurch möglich wird, sehr große Mengen des beheizten Materials dort zu positionieren, wo die Heizwirkung benötigt wird. Darüber hinaus wird es möglich, das beheizte Material (das elektrisch leitfähige Polymermaterial) zusätzlich nicht nur zum Heizen, sondern mit diesem Material auch mecha- nische Aufgaben zu erfüllen, bzw. es beispielsweise zu verwenden und die mechanischen Eigenschaften des schalenförmigen Behälters bereit zu stellen.
Der Begriff „Wandquerschnitt" bezeichnet hier einen Schnitt an einer be- liebigen Stelle durch die Wand. Der Wandquerschnitt ist insbesondere der Querschnitt durch den Teil der Wand, welcher dem schalenförmigen Behälter seine mechanischen Eigenschaften gibt. Der Wandquerschnitt um- fasst bevorzugt keine Schutzschichten, Isolierschichten und ähnliche Hilfsschichten. Solche Schichten können zusätzlich auf die Wand (auf der inneren Oberfläche oder der äußeren Oberfläche) aufgebracht sein. Bevorzugt sind solche Isolierschichten aus Materialien gebildet, die nicht elektrisch leitfähig sind. Diese isolierende Schicht besteht beispielsweise aus einem Material, welches dasselbe Basismonomer wie das elektrisch leitfähige Polymermaterial aufweist. Eine isolierende Schicht aus einem solchen Material haftet sehr gut an dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial.
Das elektrisch leitfähige Polymermaterial als Wärmequelle kann an der äußeren Oberfläche auch mit einer Infrarotstrahlung reflektierenden iso- lierenden Schicht versehen sein, so dass eine unerwünschte Wärmeab- strahlung in die Umgebung vermeidbar ist.
Der Flächenbereich kann im Verhältnis zu einer Gesamtfläche der Wand des schalenförmigen Behälters klein sein, beispielsweise kleiner als 10 %. Bevorzugt ist der Flächenbereich allerdings größer und macht beispielsweise mehr als 20 % bevorzugt sogar mehr als 50 % und besonders bevorzugt mehr als 80 % der Gesamtfläche der Wand aus. In weiteren Ausführungsvarianten können mehrere voneinander getrennte Flächenbereiche der Wand mit dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial ausgebildet sein, welche jeweils durch stegförmige Bereiche der Wand ohne elektrisch leitfähiges Polymermaterial voneinander getrennt sind. Bevorzugt sind Flächenbereiche mit Polymermaterial überall da ausgebildet, wo eine Beheizung des schalenförmigen Behälters für die jeweilige Anwendung sinnvoll und notwendig ist.
Der mindestens eine elektrische Kontakt ist in dem schalenförmigen Behälter bzw. in dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial bevorzugt eingegossen. Besonders bevorzugt ist der mindestens eine elektrische Kontakt so angeordnet, dass eine gleichmäßige Bestromung des elektrisch leitfähigen Polymermaterials möglich ist. Der elektrische Kontakt ist bevorzugt metallisch, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Silber. Die elektrische Leitfähigkeit des elektrisch leitfähigen Kontakts ist bevorzugt um ein Vielfaches höher als die elektrische Leitfähigkeit des Polymermaterials, besonders bevorzugt um einen Faktor größer 1000, beispielsweise sogar größer als 1 Million. Hierdurch kann eine gleichmäßige Bestromung des elektrisch leitfähigen Polymermaterials über den mindestens einen elektrischen Kontakt erreicht werden.
Bevorzugt hat der mindestens eine elektrische Kontakt eine Oberfläche, die eine gute mechanische und vor allem elektrisch leitfähige Verbindung zu dem Polymermaterial ermöglicht. Besonders bevorzugt ist die Oberflä- che des mindestens einen elektrischen Kontakts rauh (insbesondere mit Hinterschnitten) ausgebildet. Zusätzlich kann die Haftung des Polymermaterials an dem elektrisch leitfähigen Kontakt durch eine Oberflächenbehandlung, durchgeführt vor dem Umgießen bzw. Umspritzen des elektrischen Kontakts mit dem Polymermaterial) noch erhöht sein.
Besonders wichtig ist, dass eine gute, elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem mindestens einen Kontakt und dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial realisiert ist. Dies kann beispielsweise mit metallischen Kontakten aus Kupfer, vernickeltem Kupfer, versilbertem Kupfer, vergol- detem Kupfer, verzinntem Kupfer, verzinktem Kupfer, einer Kupferlegierung, einer vernickelten Kupferlegierung, einer versilberten Kupferlegierung, einer vergoldeten Kupferlegierung, einer verzinnten Kupferlegierung, einer verzinkten Kupferlegierung, Aluminium, Gold und/oder Silber erreicht werden. Durch die Verwendung dieser Materialien oder eine Kombination dieser Materialien wird besonders vorteilhaft ein geringer Übergangswiderstand zwischen dem metallischen Kontaktelement und dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial bewirkt.
In weiteren Varianten wird eine gute elektrische Verbindung zwischen dem elektrischem Kontakt und dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial durch Oberflächenstrukturen erreicht, die beispielsweise eine gewellte und/oder raue Oberfläche des elektrischen Kontakts umfassen. So kann eine mechanische Haftung durch Verzahnung zwischen dem Polymermaterial und dem elektrischen Kontakt bewirkt werden. Besonders bevorzugt ist eine Oberflächenstruktur mit Hinterschnitten, bspw. eine Pilzstruktur oder eine Blumenkohlstruktur. Die Verbindung ist so gestaltet, dass insbesondere auch die bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungen auftretenden Größenveränderungen kompensiert werden können.
Gezielt stellenweise keine Verzahnung zwischen metallischen elektrischen Kontakten und Polymermaterial herzustellen, ermöglicht an diesen Stellen eine Kompensation von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der elektrischen Kontakte und des Polymermaterial zuzulassen.
Besonders bevorzugt hat die Struktur der Oberfläche der metallischen elektrischen Kontakte Erhebungen und Vertiefungen im Abstand von 10 um bis 50 um zueinander.
Besonders bevorzugt ist der schalenförmige Behälter, wenn das elektrisch leitfähige Polymermaterial zumindest an einer inneren Oberfläche des schalenförmigen Behälters frei liegt.
Ziel ist es, das elektrisch leitfähige Polymermaterial möglichst nah an den zu beheizenden Inhalt des schalenförmigen Behälters zu bringen. Wenn das elektrisch leitfähige Polymermaterial frei liegt, existiert hier keine Zwischenschicht zwischen dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial und dem Inhalt des schalenförmigen Behälters. Es hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass Oberflächeneffekte an der Grenzfläche zwischen dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial und dem Inhalt des Behälters ausreichend sein können, um eine elektrische Isolierung des elektrisch leitfähigen Polymermaterials gegenüber dem Inhalt des Behäl- ters zu gewährleisten. Dies gilt gegebenenfalls selbst dann, wenn der Inhalt des Behälters eine elektrisch leitfähige Betriebsflüssigkeit eines Kraftfahrzeuges ist. Besonders bevorzugt ist, wenn der schalenförmige Behälter mindestens einen sich nach innen erstreckenden Trennsteg aufweist, der den schalenförmigen Behälter in mindestens zwei Kammern unterteilt. Solche Kam- mern können beispielsweise dazu geeignet sein, voneinander getrennt Inhalte in dem schalenförmigen Behälter aufzunehmen. Die Größe und das Format derartiger Kammern ist bevorzugt an den vorgesehenen Inhalt angepasst. Wenn beispielsweise elektrische Energiespeicher (Akkumulatoren oder Batterien) in den Kammern aufgenommen sind, kann die Kammergröße exakt an diese elektrischen Energiespeicher angepasst sein - beispielsweise sogar so, dass das elektrisch leitfähige Polymermaterial direkt an dem Inhalt (dem elektrischen Energiespeicher) anliegt.
Die Ausführungsvariante mit an der inneren Oberfläche freiliegendem elektrisch leitfähigen Polymermaterial ist insbesondere für Anwendungen des schalenförmigen Behälters zur Aufnahme von elektrischen Energiespeichern bevorzugt, weil dann durch diese Variante ein besonders guter Wärmeübergang von dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial zu den elektrischen Energiespeicher erreicht werden kann.
Dieser Trennsteg kann in dem Fall, dass der schalenförmige Behälter für einen Tank für eine Flüssigkeit verwendet wird, auch als Schwallwand wirken, die ein Schwappen von Flüssigkeit in dem Tank verhindert oder zumindest reduziert.
Der Trennsteg, kann Unterbrechungen und Öffnungen aufweisen, die einen Flüssigkeits- oder Gasaustausch zwischen gebildeten Kammern ermöglichen. Weiter vorteilhaft ist, wenn zumindest auf einer äußeren Oberfläche des schalenförmigen Behälters eine elektrisch isolierende Schutzschicht ausgebildet ist. In weiteren Ausführungsvarianten ist auch auf einer inneren Oberfläche des schalenförmigen Behälters eine elektrisch isolierende Schutzschicht ausgebildet. Die Dicke dieser Schutzschicht/Schutzschichten ist im Ver- gleich zur Wanddicke bzw. zur Dicke des Wandquerschnitts sehr gering. Bevorzugt ist liegt die Dicke der Schutz schicht(en) unterhalb von 10 % der Wanddicke bzw. der Dicke des Wandquerschnitts.
Durch solche Schutzschichten kann auch bei widrigen Bedingungen wie beispielsweise, wenn stark elektrisch leitende Flüssigkeiten in dem schalenförmigen Behälter aufgenommen sind, verhindert werden, dass ein elektrischer Strom aus dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial in den Inhalt des schalenförmigen Behälters übertritt. Außerdem besonders bevorzugt ist, wenn auf einer äußeren Oberfläche des schalenförmigen Behälters eine thermische Isolierung ausgebildet ist.
Durch eine thermische Isolierung an der Behälteraußenseite kann ein Energieverlust von Heizenergie nach außen verhindert werden. Gleichzei- tig kann eine Konzentration von Heizenergie nach innen (in den Innenraum des Behälters) erreicht werden.
Weiter bevorzugt ist, wenn in der Wand mindestens zwei elektrische Kontakte existieren, die eine Vielzahl von sich in einem Abstand gegenüber- liegende Kontaktarme ausbilden, wobei der Abstand der gegenüberliegender Kontaktarme zueinander lokal um maximal 10 % von einem mittleren Abstand abweicht.
Die maximale Abweichung von 10 % von einem mittleren Abstand muss nur in den Heizonen eingehalten werden, das Bedeutet in den Bereichen in denen die Kontaktarme parallel zueinander angeordnet sind. Die maximale Abweichung von 10 % muss insbesondere im Bereich von Umlen- kungen und Stromversorgungen der Kontaktarme nicht eingehalten werden.
Die Kontaktarme bilden bevorzugt ineinandergreifende kammförmige Elektroden in dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial aus.
Ein einheitlicher Abstand der Kontaktarme der elektrischen Kontakte zueinander ist von großer Wichtigkeit um eine einheitliche Einbringung des elektrischen Stroms in das leitfähige Polymermaterial zu erreichen. Durch eine maximale Abweichung des Abstandes sich gegenüberliegender Kontaktarme von einem mittleren Abstand wird hier eine Toleranzgrenze für den einheitlichen Abstand festgelegt. Diese Toleranzgrenze gilt bevorzugt für den gesamten schalenförmigen Behälter. Besonders bevorzugt bildet der schalenförmige Behälter eine Aufnahme für mindestens einen elektrischen Energiespeicher. Wie eingangs erläutert, ist auch bei in Kraftfahrzeugen üblichen Stromspeichern (Akkumulatoren und Batterien) eine Beheizung regelmäßig hilfreich oder sogar erforderlich. Mit Hilfe des hier beschriebenen schalenförmigen Behälters kann eine solche Beheizung einfach realisiert werden.
Wenn der Behälter zur Aufnahme eines elektrischen Energiespeichers verwendet wird, ist es insbesondere nicht notwendig, dass der Behälter auf (insbesondere auf der Unterseite) eine geschlossene Fläche bildet. Vielmehr kann es vorteilhaft sein, dass der schalenförmige Behälter (insbesondere an der Unterseite) Öffnungen und Unterbrechungen aufweist. Hierdurch ist insbesondere auch sichergestellt, das in den Behälter von oben eingetretene Flüssigkeit, Gase (beispielsweise Gase aus dem elektrischen Stromspeicher), Verunreinigungen etc. nach unten aus dem scha- lenförmigen Behälter hinaus fallen können. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bildet der schalenförmiger Behälter eine untere Halbschale eines Tanks für eine Betriebsflüssigkeit eines Kraftfahrzeuges. Die Betriebsflüssigkeit ist bevorzugt Harnstoff -Wasser-Lösung oder Wasser. Der Tank wird bevorzugt zusätzlich von einer oberen Halbschale gebildet, welche auf den schalenförmigen Behälter aufgesetzt ist. In weiteren Ausführungsvarianten kann die obere Halbschale des Tanks von einem entsprechenden schalenförmigen Behälter mit elektrischen Kontak- ten und einem leitfähigen Polymermaterial gebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass die obere Halbschale aus einem„klassischen" Polymer ohne elektrische Leitfähigkeit und ohne elektrische Kontakte ausgebildet ist.
Der schalenförmige Behälter kann einen Bestandteil einer durchgängigen Tankschale bilden, so dass die obere Halbschale und die untere Halbschale integral miteinander ausgeführt sind. Es ist auch möglich, dass die obere Halbschale und die untere Halbschale getrennt voneinander hergestellt wurden und miteinander nachträglich verbunden sind, beispielsweise durch Schweißen.
Besonders bevorzugt ist, wenn das elektrisch leitfähige Polymermaterial an der inneren Oberfläche der Wand eine Oberflächenspannung ausbildet, die in der Betriebsflüssigkeit eine Grenzschicht ausbildet. Eine solche Grenzschicht bildet einen sehr hohen elektrischen Widerstand, der insbesondere erheblich höher ist als der elektrische Widerstand des elektrisch leitfähigen Polymermaterials. Daher kann durch eine solche Grenzschicht erfolgreich sichergestellt werden, dass kein elektrischer Strom in die Betriebsflüssigkeit eintritt. Dies ermöglicht insbeson- dere auch, das elektrisch leitfähige Polymermaterial ohne weitere elektrische Isolierschicht zur Ausbildung eines Tanks für eine Betriebsflüssigkeit eines Kraftfahrzeuges zu verwenden. Außerdem vorteilhaft ist, wenn der schalenförmiger Behälter auf seiner Unterseite eine Öffnung aufweist, in welche ein Fördermodul zur Entnahme einer Betriebsflüssigkeit aus dem schalenförmigen Behälter ein- setzbar ist.
Das Fördermodul umfasst bevorzugt eine Ansaugstelle zum Ansaugen von Betriebsflüssigkeit aus dem schalenförmigen Behälter sowie eine außerhalb (auf der Seite der äußeren Oberfläche des schalenförmigen Behäl- ters) angeordnete Abgabestelle, an welcher die Betriebsflüssigkeit von dem Fördermodul bereitgestellt werden kann. Das eingesetzt Fördermodul verschließt die Öffnung in der Unterseite des schalenförmigen Behälters bevorzugt vollständig und fluiddicht. Bevorzugt ist das Fördermodul in der Öffnung mit einer Dichtung eingesetzt oder das Fördermodul ist in die Öffnung eingeschweißt.
Das Fördermodul umfasst besonders bevorzugt auch eine Pumpe zur Förderung der Betriebsflüssigkeit sowie gegebenenfalls Sensoren (bspw. Drucksensoren), Steuergeräte etc., die zur Überwachung und Steuerung der Förderung der Flüssigkeit dienen. Bevorzugt umfasst das Fördermodul auch einen Filter, mit welchem aus dem Tank entnommene Betriebsflüssigkeit bei der Entnahme gefiltert wird.
Außerdem bevorzugt ist das Fördermodul, wenn mehrere voneinander getrennte elektrische Kontakte in die Wand des schalenförmigen Behälters integriert sind, die jeweils getrennt voneinander elektrisch kontak- tierbare Heizzonen bilden.
Das elektrisch leitfähige Polymermaterial ist zwar für sich bereits selbst- regelnd. Trotzdem existieren Anwendungsfälle, in welchem eine übergeordnete Regelung einzelner Heizzonen in dem schalenförmigen Behälter erforderlich wird. Dies ist in Anwendungsfällen der Fall, wenn mehrere elektrische Energiespeicher in einem schalenförmigen Behälter angeordnet sind, die unterschiedlich beheizt werden sollen.
Mit einer solchen Anordnung kann eine gezielte Anpassung der Heizleis- tung in der Behälterwand in einzelnen Heizzonen erreicht werden.
Hier auch beschrieben werden soll ein Verfahren zur Herstellung eines schalenförmigen Behälters, umfassend die folgenden Schritte:
a) Bereitstellen einer Außenschale,
b) Einlegen mindestens eines elektrischen Kontakts in die Außenschale, und
c) Ausspritzen der Außenschale mit einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial, wobei der elektrische Kontakt umspritzt wird, so dass von dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial eine Wand des scha- lenförmigen Behälters gebildet wird.
Das Verfahren ist insbesondere geeignet, um den hier beschriebenen schalenförmigen Behälter herzustellen. Alle im Zusammenhang mit dem Behälter beschriebenen Vorteile und besonderen Ausgestaltungsmerkma- le sind auf das Verfahren übertragbar und umgekehrt.
Die bereitgestellte Außenschale kann beispielsweise eine thermische Isolierung des schalenförmigen Behälters sein. Die Außenschale dient als Schalung zur Herstellung des Behälters.
Die elektrischen Kontakte können für Schritt b) mit Abstandhaltern ausgeführt sein, mit welchen die elektrischen Kontakte in einer definierten Position innerhalb der zu erstellenden Behälterwand gehalten werden. Beim Ausspritzen in Schritt c) werden die elektrischen Kontakte dann vollständig von dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial ummantelt. Auf die hier beschriebene Art kann ein beschriebener schalenförmiger Behälter sehr effizient hergestellt werden.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsvarianten, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Es zeigen:
Fig. 1: eine Ausführungsvariante eines schalenförmigen Behälters zur Aufnahme mindestens eines elektrischen Speichers,
Fig. 2: eine Ausführungsvariante eines schalenförmigen Behälters zur in einer Konfiguration zur Bildung eines Tanks für eine Betriebsflüssigkeit,
Fig. 3: eine weitere Ausführungsvariante eines schalenförmigen Behälters zur Bildung eines Tanks für eine Betriebsflüssigkeit,
Fig. 4: einen Längsschnitt durch eine Wand eines schalenförmigen Behäl- ters,
Fig. 5: einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Wand eines schalenförmigen Behälters, Fig. 6: einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Wand eines schalenförmigen Behälters,
Fig. 7: eine erste Variante eines Kraftfahrzeugs, in welchem schalenförmige Behälter eingesetzt sind, und
Fig. 8: eine zweite Variante eines Kraftfahrzeugs, in welchem schalenförmige Behälter eingesetzt sind. In den Figuren 1, 2 und 3 sind jeweils unterschiedliche Varianten von beschriebenen schalenförmigen Behältern 1 dargestellt. Der schalenförmige Behälter 1 hat jeweils eine Unterseite 15, die von einer Wand 2 des Behäl- ters gebildet wird. Die Wand 2 erstreckt sich ausgehend von der Unterseite 15 nach oben, um die Schalenform des schalenförmigen Behälters 1 zu bilden. Zu erkennen ist jeweils, dass innerhalb der Wand 2 des schalenförmigen Behälters 1 jeweils mindestens ein elektrischer Kontakt 4 ausgebildet ist. Die Wand 2 ist aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial 3 gebildet, welches die elektrischen Kontakte 4 umgibt. Der schalenförmige Behälter 1 hat jeweils eine innere Oberfläche 7 und eine äußere Oberfläche 8, die beispielsweise durch die Schalenform des schalenförmigen Behälters 1 definiert sind. Den Übergang zwischen der inneren Oberfläche 7 und der äußeren Oberfläche 8 bildet ein (bevorzugt umlaufend geschlos- sener) Rand 33 des schalenförmigen Behälters. In allen Varianten jeweils schematisch dargestellt ist ein Anschlusspunkt 34, mit welchem die elektrischen Kontakte 4 elektrisch kontaktiert werden können.
Die Ausführungsvariante des schalenförmigen Behälters 1 gemäß Fig. 1 dient zur Aufnahme mindestens eines elektrischen Energiespeichers 12. Die Ausführungsvariante des schalenförmigen Behälters 1 gemäß Fig. 1 weist auch einen sich nach innen erstreckenden Trennsteg 13 auf, mit welchem der schalenförmige Behälter 1 in mehrere Kammern 14 (hier zwei Kammern 14 schematisch dargestellt) unterteilt ist. Hier ist jeweils ein einzelner elektrischer Energiespeicher 12 (beispielsweise eine Zelle oder ein Zellenblock einer großen Akkumulatoranlage) in einer der Kammern 14 angeordnet. Der Trennsteg 13 ist hier auch aus dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial 3 gebildet. In den Trennsteg 13 erstrecken sich auch die elektrischen Kontakte 4. So ist auch eine Beheizung des Trennstegs 13 realisiert. Durch einen schalenförmigen Behälter 1 mit derartig beheizten Trennstegen 13 kann erreicht werden, dass jeder einzelne elektrische Energiespeicher 12 in jeder Kammer 14 gleichmäßig beheizt wird.
In der Ausführungsvariante des schalenförmigen Behälters 1 gemäß Fig. 2 bildet der schalenförmige Behälter 1 eine untere Halbschale 9 eines Tanks 11. Der Tank weist zusätzlich eine obere Halbschale 10 auf. Die untere Halbschale 9 und die obere Halbschale 10 sind an dem Rand 33 miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verschweißt. In dem Tank 11 ist hier eine Betriebsflüssigkeit 18 eingefüllt, welche beispielsweise Harnstoff -Wasser-Lösung oder Wasser sein kann. Um eine effektive Wärmeeinbringung in die Betriebsflüssigkeit mit dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial 3 zu realisieren und um Wärmeverluste zu vermeiden, ist hier zusätzlich eine thermische Isolierung 23 vorgesehen, die den schalenförmigen Behälter 1 an der äußeren Oberfläche 8 umgibt. Diese thermische Isolierung kann für die Herstellung eines schalenförmigen Behälters 1 zugleich eine Außenschale 32 bilden, in welche das Polymermaterial 3 zur Bildung der Wand 2 eingespritzt werden kann.
In der Ausführungsvariante des schalenförmigen Behälters 1 gemäß Fig. 3 ist in der Unterseite 15 eine Öffnung 16 vorgesehen. Die Öffnung 16 dient dem Zweck, ein Fördermodul 17 aufzunehmen, mit welchem Betriebsflüssigkeit 18 aus dem schalenförmigen Behälter 1 entnommen und (bevorzugt dosiert) bereitgestellt werden kann. Die Öffnung 16 ist durch das Fördermodul 17 bevorzugt fluiddicht verschlossen.
Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Wand 2 eines schalenförmigen Behälters 1 in einem Flächenbereich 26 mit dem beschriebenen elektrisch leitfähigen Polymermaterial 3. Hier zu erkennen sind zwei elektrische Kontakte 4 in der Wand 2, die jeweils Kontaktarme 22 ausbilden, die kammförmig ineinander greifen. Die Kontaktarme 22 haben jeweils eine Armdicke 25, die so gewählt ist, dass der elektrische Strom gleichmäßig zu dem Polymermaterial 3 gebracht werden kann. Zwischen den Kontakt- armen 22 existiert ein einheitlicher Abstand 24, der mit einer möglichst geringen Toleranz variiert. Durch die Einheitlichkeit des Abstandes 24 kann sichergestellt werden, dass die elektrische Beheizung gleichmäßig in der Tankwand erfolgt.
Die Fig. 5 und die Fig. 6 zeigen jeweils einen Querschnitt durch verschiedene Ausführungsformen einer Wand 2 eines schalenförmigen Behälters. Zu erkennen ist jeweils der Wandquerschnitt 5 mit der Wanddicke 6. Innerhalb der Wand ist der Kontaktarm 22 der elektrischen Kontakte 4 mit der Armdicke 25 dargestellt. In beiden Ausführungsformen ist eine Wand 2 eines schalenförmigen Behälters gezeigt, der zur Aufnahme einer Betriebsflüssigkeit 18 dient. In beiden Varianten ist darüber hinaus eine thermische Isolierung 23 an einer äußeren Oberfläche 8 der Wand 2 vorgesehen.
In der Variante gemäß Fig. 5 ist auf einer inneren Oberfläche 7 der Wand 2 keine Isolierung vorgesehen. Allerdings bildet sich in der Betriebsflüssigkeit 18 direkt an der inneren Oberfläche 7 eine Grenzschicht 21 aus, die eine elektrische Isolierung des elektrisch leitfähigen Polymermaterials gegenüber der Betriebsflüssigkeit 18 sicherstellt.
In der Variante gemäß Fig. 6 sind sowohl auf der inneren Oberfläche 7 als auch auf der äußeren Oberfläche 8 jeweils (elektrisch) isolierende Schichten 20 vorgesehen. Die Dicke dieser Schichten ist bevorzugt dünn im Ver- gleich zu der Wanddicke 6. Beispielsweise beträgt diese Dicke maximal 10 der Wanddicke.
Fig. 7 und Fig. 8 zeigen zwei verschiedene Varianten von Kraftfahrzeugen 19, in welchen beschriebene schalenförmige Behälter eingesetzt sind.
In der Variante gemäß Fig. 7 ist eine Verbrennungskraftmaschine 27 vorgesehen, deren Abgase mit einem Abgasbehandlungssystem 29 gereinigt werden. Der Verbrennungskraftmaschine kann mit einer Bereitstellungsvorrichtung 30 umfassend einen beschriebenen schalenförmigen Behälter 1 Wasser zugeführt werden. Dem Abgasbehandlungssystem 29 kann mit einer Bereitstellungsvorrichtung 30 ebenfalls umfassend einen beschrie- benen schalenförmigen Behälter 1 Harnstoff-Wasser-Lösung zugeführt werden.
In der Variante gemäß Fig. 8 ist eine elektrische Antriebsmaschine 28 vorgesehen. Ein elektrischer Energiespeicher 12 zur Bereitstellung von Antriebsenergie für die elektrische Antriebsmaschine 28 kann mit einem beschriebenen schalenförmigen Behälter 1 versehen sein.
Bezugszeichenliste
1 schalenförmiger Behälter
2 Wand
3 Polymermaterial
4 elektrischer Kontakt
5 Wandquerschnitt
6 Wanddicke
7 innere Oberfläche
8 äußere Oberfläche
9 untere Halbschale
10 obere Halbschale
11 Tank
12 elektrischer Energiespeicher
13 Trennsteg
14 Kammer
15 Unterseite
16 Öffnung
17 Fördermodul
18 Betriebsflüssigkeit
19 Kraftfahrzeug
20 isolierende Schicht
21 Grenzschicht
22 Kontaktarm
23 thermische Isolierung
24 Abstand
25 Armdicke
26 Flächenbereich
27 Verbrennung skr af tmas chine
28 elektrische Antriebsmaschine
29 Abgasbehandlungssystem
30 Bereitstellungsvorrichtung Materialdicke
Außenschale
Rand

Claims

Patentansprüche
Schalenförmiger Behälter (1), insbesondere für automobile Anwendungen, aufweisend eine Wand
(2) aus einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial (3), wobei in das elektrisch leitfähige Polymermaterial
(3) mindestens ein elektrischer Kontakt
(4) integriert ist, wobei die Wand (2) des schalenförmigen Behälters (1) einen Wandquerschnitt (5) mit einer Wanddicke (6) von mindestens 2,
5 mm [Millimeter] hat und das elektrisch leitfähige Polymermaterial (3) in mindestens einem Flächenbereich (26) der Wand (2) mindestens 44 % des Wandquerschnitts (5) ausfüllt.
Schalenförmiger Behälter (1) nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitfähige Polymermaterial (3) ein Material mit PTC- Widerstandseigenschaften (PTC = positive temperature coefficient) ist.
Schalenförmiger Behälter (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elektrisch leitfähige Polymermaterial (3) zumindest an einer inneren Oberfläche (7) des schalenförmigen Behälters (1) frei liegt.
Schalenförmiger Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mindestens einen sich nach innen erstreckenden Trennsteg (13), der den schalenförmigen Behälter (1) in mindestens zwei Kammern (14) unterteilt.
Schalenförmiger Behälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest auf einer äußeren Oberfläche (8) des schalenförmigen Behälters (1) eine elektrisch isolierende Schutzschicht (20) ausgebildet ist.
6. Schalenförmiger Behälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf einer äußeren Oberfläche (8) des schalenförmigen Behälters (1) eine thermische Isolierung (23) ausgebildet ist.
7. Schalenförmiger Behälter (1), wobei in der Wand (2) mindestens zwei elektrische Kontakte (4) existieren, die eine Vielzahl von sich in einem Abstand (24) gegenüberliegende Kontaktarme (22) ausbilden, wobei der Abstand (24) der gegenüberliegender Kontaktarme (22) zueinander lokal um maximal 10 % von einem mittleren Abstand (24) ab- weicht.
8. Schalenförmiger Behälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Aufnahme für mindestens einen elektrischen Energiespeicher (12) bildet.
9. Schalenförmiger Behälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine untere Halbschale (9) eines Tanks (11) für eine Betriebsflüssigkeit (18) eines Kraftfahrzeuges (19) bildet.
10. Schalenförmiger Behälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitfähige Polymermaterial (3) an der inneren Oberfläche (7) der Wand (2) eine Oberflächenspannung ausbildet, die in der Betriebsflüssigkeit (18) eine Grenzschicht (21) ausbildet.
11. Schalenförmiger Behälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine auf seiner Unterseite (15) eine Öffnung (16) aufweist, in welche ein Fördermodul (17) zur Entnahme einer Betriebsflüssigkeit (18) aus dem schalenförmigen Behälter (1) einsetzbar ist.
12. Schalenförmiger Behälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere voneinander getrennte elektrische Kontakte (4) in die Wand integriert sind, die jeweils getrennt voneinander elektrisch kontaktierbare Heizzonen bilden.
13. Verfahren zur Herstellung eines schalenförmigen Behälters (1) umfassend die folgenden Schritte:
a) Bereitstellen einer Außenschale (32),
b) Einlegen mindestens eines elektrischen Kontakts (4) in die Außenschale (32), und
c) Ausspritzen der Außenschale (32), mit einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial (3), wobei der elektrische Kontakt (4) umspritzt wird, so dass von dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial (3) eine Wand (2) des schalenförmigen Behälters (1) gebildet wird.
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