WO2024088622A1 - Wärmeübertrager, verfahren zur fertigung eines wärmeübertragers sowie elektrischer wasserheizer - Google Patents

Wärmeübertrager, verfahren zur fertigung eines wärmeübertragers sowie elektrischer wasserheizer Download PDF

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WO2024088622A1
WO2024088622A1 PCT/EP2023/073646 EP2023073646W WO2024088622A1 WO 2024088622 A1 WO2024088622 A1 WO 2024088622A1 EP 2023073646 W EP2023073646 W EP 2023073646W WO 2024088622 A1 WO2024088622 A1 WO 2024088622A1
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WO
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adhesive
heat transfer
heat exchanger
transfer element
heat
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/073646
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Gey
Katrin Hofmann
Jan Steffens
Bengt Meier
Peter MOGL
Perry INDERFURTH
Peter Neidenberger
Tobias Heimerl
Roman Mielke
Stefan BEHRINGER
Original Assignee
Webasto SE
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Publication date
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    • 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
    • H05B3/20—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
    • 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
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/021—Heaters specially adapted for heating liquids

Definitions

  • HEAT EXCHANGER METHOD FOR MANUFACTURING A HEAT EXCHANGER AND ELECTRIC WATER HEATER
  • the invention relates to a heat exchanger, a method for manufacturing a heat exchanger and an electric water heater.
  • Heat exchangers are typically used to transfer the heat of a heating element to a heat-conducting medium. Such heat exchangers are usually installed in heaters in which heat generated by a heating conductor is transferred to a heat transfer element, which in turn transfers the heat to a medium.
  • the medium used here is, for example, water or coolant, which is why the heaters mentioned are also referred to as water heaters and, in the case of an electrically operated heating conductor, as electric water heaters.
  • a typical area of application for such electric water heaters is, for example, in motor vehicles, where they are intended to heat the passenger compartment.
  • an insulating element is usually arranged in the heating devices.
  • this insulating element also known as an insulating layer, should have an electrically insulating effect on the one hand, but also be a good heat conductor on the other.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a heat exchanger, a method and an electric water heater with the aid of which mechanical stresses during operation of the heater are at least reduced.
  • the object is achieved according to the invention by a heat exchanger having the features of claim 1.
  • the object is achieved according to the invention by a method for producing a heat exchanger having the features of claim 7.
  • the object is achieved according to the invention by an electric water heater having the features of claim 6.
  • a motor vehicle or construction machine or watercraft is disclosed and claimed which has an electric water heater according to the invention.
  • water heater is to be understood broadly in these documents.
  • the term water heater refers to a heating device that can be operated with any type of water as a medium, i.e. also with coolant (water-ethylene glycol mixture).
  • a heat exchanger for an electric water heater which has a heating conductor and a heat transfer element.
  • the heating conductor can be an electric heating conductor, for example.
  • the heat transfer element can be a metallic heat transfer element, for example.
  • the heat exchanger also has an insulating element that is arranged between the heating conductor and the heat transfer element. This arrangement can also be referred to as a "sandwich" design.
  • the insulating element serves to electrically insulate the heating conductor from the heat transfer element and vice versa, so that no electrical short circuit can occur between these two components.
  • the insulation element is arranged on the heat transfer element by means of a heat-conducting and elastic adhesive.
  • the adhesive which is both heat-conductive and elastic, does not impair the required heat conduction of the heat exchanger.
  • the elastic properties of the adhesive compensate for mechanical stresses between the individual components and in particular between the insulation element and the heat transfer element, which occur during operation and the associated heating of the heat exchanger.
  • the insulation element can be arranged directly on the heat transfer element by using the elastic adhesive.
  • a joint gap is formed between the heat transfer element and the insulation element, in which the adhesive is arranged. This does not affect the "sandwich" design of the heat exchanger, which was necessary and described at the beginning, and also enables the adhesive to be placed precisely.
  • a geometric dimension of the joint gap is designed based on at least one of the following parameters: a thermal conductivity of the adhesive; a thermal expansion of the insulation element and the heat transfer element; an extensibility of the adhesive; an operating temperature of the heat exchanger; a continuous operating temperature of the adhesive and an adhesion property of the adhesive on the materials of the insulation element and the heat transfer element.
  • the term "heat conduction of the adhesive” can be understood as the general heat conductivity of the adhesive. For example, the more heat-conductive the adhesive is, the thicker the joint gap can be in order to be able to introduce as much adhesive as possible into the joint gap for mechanical fixation of the components.
  • thermal expansion of the insulation element and the heat transfer element can be understood as how much these two components expand during operation, i.e. when heated. The greater the thermal expansion of the components, the more elastic the adhesive must be in order to be able to compensate for the mechanical stresses.
  • the term “elasticity of the adhesive” can be understood as how elastic the adhesive is, in order to be able to select it according to the occurring or expected mechanical stresses and to design the joint gap accordingly.
  • operating temperature of the heat exchanger can be understood as how hot the heat exchanger becomes during operation. The hotter it becomes, the higher the heat resistance of the adhesive must be, and the greater the expansion of the components must be expected, to which the joint gap must be adapted.
  • Typical examples of temperatures are -40 degrees Celsius as the lower thermal limit and the maximum working temperature of the heating conductor as the upper thermal limit.
  • continuous operating temperature of the adhesive can be understood as the permanent temperature to which the adhesive can be exposed without it losing both its heat-conducting and elastic properties up to acceptable tolerances.
  • adheresion property in the context of this application can be understood to mean that the adhesive must be designed in such a way that it adheres to different materials, for example ceramic and metal.
  • the heat transfer element is arranged on a first side of the insulation element and the heating conductor on a second side of the insulating element, wherein the first side is opposite the second side.
  • the insulation element comprises a ceramic or is made of a ceramic.
  • the insulation element can be designed as a ceramic substrate (e.g. as a plate-shaped carrier element), for example made of Al2O3, with a heating conductor layer screen-printed on the substrate.
  • the insulation element with the heating conductor arranged on it then forms a heating element.
  • the heating conductor can be designed, for example, as a metallization made of a resistance alloy, which represents the corresponding heating resistance.
  • An iron-nickel alloy or a nickel-chromium alloy can be considered, among others.
  • An insulation interruption ensures the structuring of long conductor tracks from the layer that would otherwise be applied flatly and later fired, and can, for example, be created during application using a screen printing process.
  • the ceramic substrate can be a ceramic carrier plate. This embodiment of a heating element is preferred according to aspects of the invention.
  • the heat exchanger can preferably also have several heating elements.
  • each individual heating element or the associated insulation element is arranged on the heat transfer element by means of the adhesive.
  • the heat transfer element can be made of steel or aluminum, preferably aluminum.
  • the heat transfer element can have a deep-drawn base component and a flat cover component designed as a carrier plate.
  • the carrier plate can also be deep-drawn in order to form the following nubs therein according to embodiments.
  • a flat peripheral edge of the base component is soldered or welded to the cover component in order to close off a flat fluid chamber formed between them, through which the coolant or water flows.
  • a turbulator can be used in the fluid chamber, which mixes the fluid flowing through and supports the heat transfer to the fluid. The fluid can flow into the fluid chamber through a fluid inlet and, after being heated, flow out again through the fluid outlet.
  • a geometric dimension of the joint gap in particular a thickness of the same or of a layer of adhesive arranged therein, can be determined by a number of spacers.
  • the spacers can be designed as glass beads in the adhesive, as film particles, or nubs in or projections on the heat transfer element.
  • the spacers can be embedded in the (cured) adhesive in the bonded state or arranged in areas kept free of the adhesive.
  • the spacers can form support surfaces or support points for the insulation element. When the adhesive is pressed through the insulation element, which is pressed against the heat transfer element during production, for example, the spacers can serve as stop pointsZ-surfaces for the insulation element and thus support and simplify the manufacturing process.
  • the spacers can also be formed from the material of the adhesive itself if individual raised elements are formed on the surface of the heat transfer element by local application and curing of the adhesive before the actual application step to form the adhesive layer is carried out.
  • a height of the spacers can be in a range from 100 pm to 450 pm, preferably between 200 pm and 350 pm.
  • the height is a distance between the support point for the insulation element (or its first side, which is opposite a second side on which the heating conductor(s) are arranged) and a surface of the heat transfer element or, according to embodiments, the flat carrier plate of the heat transfer element forming this.
  • the height can correspond to a diameter of the same.
  • the spacers have support points or surfaces as described and have at least two different heights, wherein first spacers, which are arranged closer to a center of the insulation element, have a comparatively lower height, and second spacers, which are closer to one of the edges of the insulation element, have a comparatively larger height, so that a layer thickness of the adhesive is greater near the edges than near the center.
  • the spacers can be designed as nubs formed in a surface of the heat transfer element, as mentioned above.
  • the nubs can also be formed by the adhesive itself, as described above, for example by applying adhesive nubs to the surface of the heat transfer element and then curing, while only then is the large-area application of the adhesive carried out to produce the actual adhesive layer and form the joint gap.
  • the nubs can be formed by the heat transfer element itself, for example by deep-drawing the corresponding carrier plate. In this case, the nubs can be formed in one piece or integrally with the heat transfer element.
  • This embodiment offers several advantages: the formation of the nubs can be carried out very precisely using the manufacturing processes described, so that the local thicknesses can be set precisely. Furthermore, the production can be very well integrated into the manufacturing process of the heat transfer element, which saves costs and effort.
  • the local, variable setting of the layer thickness e.g. the increased thickness in the area close to the edges of the insulation element, allows the shearing during thermal expansion between the joined surfaces to be balanced or compensated.
  • the thickness (due to the height H of the studs) of the adhesive is designed to be lower in order to increase the heat conduction.
  • the studs themselves can increase the heat conduction with more or less direct contact with the insulation element.
  • a first side of the insulation element faces the studs and the heating conductor is arranged on an opposite second side of the insulation element.
  • a location can also be defined in the heating conductor at which a greatest heat release can be detected during operation, ie a local maximum (peak) or a maximum for the heating element in question in general.
  • one of the studs can now be placed in a position on the first side that is opposite the location of the greatest heat release on the second side.
  • This measure can achieve a more homogeneous heat distribution and thus reduced thermal stresses in the insulation element (ceramic), a reduced local heat load in the heating conductor and a more efficient heat transfer to the heat transfer element.
  • the heat exchanger can further comprise this power switching component, which comprises a circuit board substrate with a first side and a second side and power switching elements arranged on the second side.
  • the circuit board substrate can be arranged on the heat transfer element in the same way as the insulation element by means of the heat-conducting and elastic adhesive.
  • At least one temperature sensor is further arranged at a location on the second side of the circuit board substrate. One of the nubs is placed in a position on the first side of the circuit board substrate that is opposite the location of the temperature sensor.
  • an adhesive 10 with comparatively lower thermal conductivity can be used, which results in a cost advantage per amount of adhesive applied; away from the nubs, a larger layer thickness or thickness of the joining gap can be accepted, which results in increased process capability or a larger tolerance window for the layer thickness; the affected electronic components can be replaced by alternative components that, for example, bring with them lower costs or more power, which in turn is made possible by a higher permissible power loss; the service life of the thermally stressed electronic components can be increased;
  • Temperature sensors can be better connected to the point to be measured (e.g. heat exchanger), which ensures greater accuracy and response time of the measurement.
  • one (other) of the nubs can also be placed in a (different) position on the first side of the circuit board substrate, which is opposite a location at which one of the power switching elements is arranged on the second side of the circuit board substrate.
  • the water heater preferably has a heating output of at least 5 kW, preferably of at least 7 kW, for example of at least 9 kW.
  • the heating output is preferably less than or equal to 13 kW.
  • the operating voltage with which the water heater is operated which can be the same as the on-board voltage of an electrically powered vehicle, is greater than or equal to 400 V, preferably greater than or equal to 700 V, for example 800 V, 900 V or 1000 V.
  • a method for manufacturing a heat exchanger comprising the following steps:
  • the step of arranging a heating conductor on an insulation element preferably comprises applying the heating conductor to the insulation element using a screen printing process.
  • the insulation element with the applied heating conductor then forms a heating element.
  • the heat-conducting and elastic adhesive is preferably applied to the first side of the insulation element (the side opposite the heating conductor).
  • the method further comprises the steps:
  • the term “define” can be understood to mean that the joining gap is realized, for example, by a defined contact pressure in which the two elements are pressed together, for example in molds provided for this purpose.
  • the adhesive is applied to the insulation element, in particular to the first side of the insulation element (the side of the insulation element opposite the heating conductor).
  • the insulation element on which the heating conductor is arranged lies in an adhesive device in such a way that the heating conductor is directed downwards.
  • the heat transfer element is then placed on top, screwed to a frame and can also be loaded with weights in the middle.
  • spacers glass beads in the adhesive, film particles, nubs in the heat transfer element
  • the spacers are, for example, studs
  • they can be manufactured as described below: for example, the surface of the heat transfer element to be joined can be a deep-drawn plate-shaped sheet metal component.
  • the studs are embossed into this sheet metal component in a pressing or punching tool that has the corresponding features of the studs.
  • the formation of the nubs can be carried out very precisely using the manufacturing processes described, so that the local thicknesses can be set precisely. Furthermore, the production can be easily integrated into the manufacturing process of the heat transfer element, which saves costs and effort. Otherwise, the same advantages apply as described above.
  • the method further comprises the step:
  • Designing a geometric dimension of the joint gap based on at least one of the following parameters: a thermal conductivity of the adhesive; a thermal expansion of the insulation element and the heat transfer element; an extensibility of the adhesive; an operating temperature of the heat exchanger; a continuous operating temperature of the adhesive and an adhesion property of the adhesive on the materials of the insulation element and the heat transfer element.
  • Fig. 1 is a sketched section through a heat exchanger according to the invention
  • FIG. 2 starting from the general structure as shown in Fig. 1, a sketched section through the heat transfer element and the insulation element of the heat exchanger or heating element, according to an embodiment with spacers;
  • Fig. 3 is a cross-section through a heat transfer element with a nub formed therein as a spacer according to an embodiment compatible with Fig. 2;
  • Fig. 4 is a perspective view of a heat exchanger without heating element, in which knobs are formed as shown in Fig. 3;
  • Fig. 5 shows a top view of heating elements and a power switching component mounted on the heat exchanger from Fig. 4.
  • Fig. 1 shows a section through a heat exchanger 2 according to the invention for an electric water heater (not shown).
  • the heat exchanger 2 has a heating conductor 4, of which only the section of several turns is shown.
  • the heat exchanger 2 also has a heat transfer element 6.
  • An insulation element 8 is arranged between the heating conductor 4 and the heat transfer element 6, which serves to electrically insulate these two components.
  • the insulation element 8 is arranged on the heat transfer element 6 by means of a heat-conducting and elastic adhesive 10.
  • the adhesive 10 is specifically arranged in a joint gap 12 which is formed between the insulation element 8 and the heat transfer element 6.
  • the heat transfer element 6 is arranged on a first side 14 of the insulation element 8 and the heating conductor 4 is arranged on a second side 16 of the insulation element 8 in order to form the “sandwich” construction already mentioned at the beginning.
  • the electrical heating conductor 4 is heated and the heat is transferred to the insulation element 8, which is usually made of ceramic.
  • the heat is then transferred from the insulation element 8 via the heat-conducting adhesive 10 to the heat transfer element 6, which in turn transfers the heat to a medium 18, e.g. water, which is only sketched schematically.
  • FIG. 2 A further development of the embodiment shown above is shown in a schematic view in Fig. 2.
  • the insulation element 8 of the heating element and the heat transfer element 6 of the heat exchanger 2 are shown, between which the joint gap 12 with the adhesive 10 introduced therein extends.
  • the heating conductors 4 or the medium 18 from Fig. 1 are omitted in Fig. 2, for example.
  • spacers shown very schematically in Fig. 2 glass beads in the adhesive, film particles, knobs in or projections on the heat transfer element 6) can be used to adjust the joint gap 12.
  • these embodiments can be the same height.
  • spacers 20, 22 of different heights are provided.
  • Fig. 2 shows that spacers 22 on the outside (i.e. closer to the edge of the insulation element 8) have a greater height than spacers 20 on the inside (i.e. closer to the center).
  • This increases the thickness of the layer of adhesive 10 at precisely those critical points where the larger differences in length are recorded during thermal expansion and where this layer would therefore be subjected to the greatest stress.
  • This measure means that the strict requirements for tolerances for the flatness of the adhesive surfaces on the heat exchanger can be eliminated or at least reduced, while process reliability is improved and production is simplified overall.
  • the height H of the support points or surfaces 25 of the spacers can be manufactured very precisely. A deflection of the heating element resting on it - as shown slightly exaggerated in Fig. 2 - is entirely acceptable.
  • the smaller thickness of the joint gap 12 in the middle of the respective insulation element 8 results in more efficient heat transfer and thus a thermal relief of the heating elements.
  • the thickness can also be adjusted, among other things, by: the adhesive comprising a filler (eg glass beads) with a defined size and shape distribution, this filler serving as a mechanical spacer when pressing the adhesive 10 between the adjacent surfaces of the insulation element 8 and the heat transfer element 6; the device for pressing the adhesive 10 has a geometric stop outside the adhesive, which acts as a mechanical spacer; the device for pressing the adhesive 10 uses a defined force profile, which ultimately results in a defined layer thickness of the adhesive 10; or the adhesive 10 is brought to the defined layer thickness using an auxiliary device before pressing (e.g. doctor blade / screen printing) and is no longer geometrically changed during the subsequent pressing.
  • a filler eg glass beads
  • this filler serving as a mechanical spacer when pressing the adhesive 10 between the adjacent surfaces of the insulation element 8 and the heat transfer element 6
  • the device for pressing the adhesive 10 has a geometric stop outside the adhesive, which acts as a mechanical spacer
  • the device for pressing the adhesive 10 uses a defined force profile, which ultimately results in a defined
  • a particularly advantageous embodiment which is illustrated in Fig. 3, provides that the surface of the heat transfer element 6 to be joined is equipped with a number of knobs 24 as spacers 20 or 22, as can be seen abstractly in Fig. 2.
  • the knobs 24 are formed in one piece with the heat transfer element 6.
  • the opposite surface of the insulation element 8 of the heating element can now come to rest on these knobs when the adhesive 10 is pressed (corresponding to a positive connection).
  • the raised surfaces of the nubs 24 therefore serve as a chip or support surface 25 for the surface of the insulation element 8. It is possible that in the case of very small particles or beads (e.g. ceramic, etc. with diameters of e.g.
  • the nub height H determines the measure for the layer thickness of the adhesive 10.
  • Fig. 3 only shows the side of the heat transfer element 6; the insulation element 8 (not shown) is approached from the right in Fig. 3 and pressed on when the adhesive 10 is applied between them.
  • Fig. 3 shows a sectional view through the heat transfer element 6 including the fluid chamber 32 formed by it with the medium 18 or fluid (e.g. water) flowing therein and a turbulator 26 arranged therein for mixing the medium 18 and for enhancing the heat transfer.
  • the medium 18 or fluid e.g. water
  • the surface of the heat transfer element 6 to be joined can be a deep-drawn plate-shaped sheet metal component.
  • the studs 24 are embossed into this sheet metal component in a pressing or punching tool which has corresponding features to the studs 24.
  • the production of the studs 24 in a process with aluminum casting and CNC post-processing is also conceivable.
  • the studs can be Embodiment have a height H of 0.32 mm, the diameter of the support surface 25 can be 1 mm, the total stud diameter (including flanks) 2.31 mm.
  • the inclination of the surfaces it is possible to adjust the inclination of the surfaces to be joined to one another by setting the height H of the studs 24 in particular.
  • This allows the above-mentioned local, variable adjustment of the layer thickness, e.g. the increased thickness in the area close to the edges 30 of the insulation element 8 in order to compensate for the shearing during thermal expansion between the joined surfaces.
  • the thickness (due to the height H of the studs) of the adhesive 10 is designed to be lower in order to increase the heat conduction.
  • the formation of the studs 24 can also be carried out very precisely using the manufacturing methods described, so that the local thicknesses can be set precisely. Furthermore, the production can be very well integrated into the manufacturing process of the heat exchanger 2, which saves costs and effort.
  • Fig. 4 shows a perspective view of the heat exchanger 2 without heating element or of the heat transfer element 6, wherein the viewing direction is directed towards the largely flat carrier plate 60 of the heat transfer element 6, which forms the surface for joining with the insulation element 8 of the heating element.
  • 3 heating elements i.e. 3 insulation elements 8 are attached, as well as a circuit board that provides a power switching component for operating the heating elements (not shown).
  • a number of studs 24 are arranged as spacers 20 and 22 in the carrier plate 60 of the heat transfer element 6, distributed over its surface.
  • the position of the first side 14 of one of the three insulation elements 8 is also shown in dashed lines when it is joined to the heat transfer element 6. It can be seen that the first studs 24 and spacers 20 (here two per heating element) are positioned near the middle of the first side 14, while the second studs 24 and spacers 22 (here four per heating element) are positioned near their edges 30.
  • the two edges 30 at the long ends of the insulation elements are relevant here, since the shearing has a greater effect in the longer longitudinal extension than in the transverse direction.
  • Fig. 4 also shows a nozzle 34 for the fluid inlet or outlet as well as several through-openings for the passage of electrical conductor tracks. from a control module (not shown) to the power switching component (not shown in the carrier plate 60.
  • the embodiment of Fig. 4 also shows a further, independent aspect of the present invention, which can be implemented separately from the basic idea of the embodiment of Fig. 2.
  • the nubs 24 (25) in Fig. 4 are considered purely as an example. These are arranged within an outline (shown in dashed lines in Fig. 4) on the heat transfer element 6, which corresponds to the power switching component 45 to be attached, which is designed as a circuit board substrate 46 with power switching elements 47 arranged thereon (shown only schematically) for operating the heating elements 9 (see Fig. 5).
  • the power switching component 45 comprises, for example, an FR4 substrate or similar as a circuit board substrate 46, which is glued to the largely flat carrier plate 60 of the heat transfer element 6 in a similar way to the heating elements 9, and, like the latter, dissipates the heat generated by the power switching elements 47 during operation via the thermally conductive adhesive 10 and the heat transfer element 6 to the medium flowing through the fluid chamber 32.
  • the basic idea is to place the nubs 24 (25) that directly contact the circuit board substrate or the insulation element under those areas that correspond to the greatest heat release of the joined electronic assembly (in the exemplary embodiments, the heating element 9 or the power switching component 45). These areas are thus better thermally connected or cooled locally than their surroundings.
  • the power switching component 45 for example, such an area corresponds exactly to the power switching elements 47 (power MOS-FETs or IGBTs).
  • the heating elements are more or less completely covered with heating conductors, so that there are fewer local differences in the heat release here, but even here, depending on the structure, heat peaks can be recorded, which can be efficiently reduced with suitable placement of the nubs.
  • Fig. 5 shows the three heating elements 9 and the power switching component 45 in the state attached to the carrier plate 60 of the heat exchanger 2 in plan view.
  • the heating elements 9 are designed in the embodiment as a ceramic substrate (as a carrier element), for example made of Al 2 O 3 , with a screen-printed heating conductor layer.
  • the heating conductor layer is a metallization made of a resistance alloy and provides the corresponding heating resistance. An insulation break ensures the structuring of long heating conductors 4.
  • the power switching component 45 has the circuit board substrate 46 with a first side 54 facing the heat transfer element 6 and an opposite second side, as well as a number of power switching elements 47 which are formed on the second side of the circuit board substrate, for example IGBTs or power MOSFETs, with which the heating elements 9 can be operated in a PWM-controlled manner.
  • corresponding connection pads of the heating conductor 4 or connection points on the heating conductor 4 are connected to the power switching elements on the power switching component 45 via bond connections 50.
  • the power switching component 45 also has the temperature sensors 38 arranged on the second side of the circuit board substrate 46, which can detect a temperature for the purpose of regulating the heating operation.
  • their position on the power switching component 45 or on the second side 55 of the circuit board substrate 46 is comparatively close to the fluid inlet and the fluid outlet (see the nozzle 34 in Fig. 4) on the back of the carrier plate 25 in order to be able to detect temperature values that are representative of the fluid temperatures at the fluid inlet and at the fluid outlet, as a result of which a current heating of the fluid can be determined.
  • the power switching component 45 is connected via further bonding connections 51 to respective connections which are set up on three stamped grids 48 which are assigned to the respective heating elements 9.
  • the bonding connections 51 contain electrical lines for the power supply (in the high-voltage range, e.g. 60 V or more, preferably 400 V or more, more preferably 800 V or more, e.g. 900 V or 1,000 V), for controlling the power switching elements 47 and for communicating with the temperature sensors.
  • the stamped grids 48 are arranged in through-openings 36 of the carrier plate 60.
  • the temperature sensors 38 from Fig. 5 are assigned to the knobs 24 (25) from Fig. 4 on the back of the power switching component 45, ie their corresponding positions on the first side 54 and on the second side 55 match.
  • the temperature sensors 38 are not concerned with heat release, but rather with the opposite. for efficient heat supply via the knobs 24 (25), because the temperature sensors 38 should measure the temperature as precisely as possible, especially at the fluid outlet.
  • This aspect of the invention results in the following advantages: - an adhesive 10 with comparatively lower thermal conductivity can be used, which results in a cost advantage per amount of adhesive applied; away from the knobs, a larger layer thickness or thickness of the joining gap can be accepted, which results in increased process capability or a larger tolerance window for the layer thickness; - the affected electronic components can be replaced by alternative components which, for example, bring with them lower costs or more performance, which in turn is made possible by a higher permissible power loss; the service life of the thermally stressed electronic components can be increased; - temperature sensors can be better connected to the point to be measured (e.g. heat exchanger), which thus ensures greater accuracy and response time of the measurement.

Landscapes

  • Instantaneous Water Boilers, Portable Hot-Water Supply Apparatuses, And Control Of Portable Hot-Water Supply Apparatuses (AREA)
  • Details Of Fluid Heaters (AREA)

Abstract

Es wird ein Wärmeübertrager (2) für einen elektrischen Wasserheizer angegeben, der einen Heizleiter (4), ein Wärmeübertragungselement (6) sowie ein Isolationselement (8), das zwischen dem Heizleiter (4) und dem Wärmeübertragungselement (6) angeordnet ist und zur elektrischen Isolierung des Heizleiters (4) von dem Wärmeübertragungselement (6) und umgekehrt dient, aufweist, wobei das Isolationselement (8) mittels eines wärmeleitenden und elastischen Klebstoffs (10) auf dem Wärmeübertragungselement (6) angeordnet ist.

Description

WÄRMEÜBERTRAGER, VERFAHREN ZUR FERTIGUNG EINES WÄRMEÜBERTRAGERS SOWIE ELEKTRISCHER WASSERHEIZER
Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, ein Verfahren zur Fertigung eines Wärmeübertragers sowie einen elektrischen Wasserheizer.
Technischer Hintergrund:
Wärmeübertrager dienen typischerweise dazu, die Wärme eines Heizelementes an ein wärmeleitendes Medium zu übertragen. Üblicherweise sind derartige Wärmeübertrager in Heizgeräten verbaut, bei denen eine von einem Heizleiter erzeugte Wärme an ein Wärmeübertragungselement abgegeben wird, welches wiederum die Wärme an ein Medium überträgt. Als Medium wird hierbei beispielsweise Wasser bzw. Kühlmittel eingesetzt, weswegen die genannten Heizgeräte auch als Wasserheizer und im Falle eines elektrisch betriebenen Heizleiters, als elektrische Wasserheizer bezeichnet werden. Ein typisches Einsatzgebiet derartiger elektrischer Wasserheizer ist beispielsweise in Kraftfahrzeugen, bei denen damit der Fahrgastraum geheizt werden soll.
Um eine elektrische Isolierung zwischen dem Heizleiter und dem Wärmeübertragungselement sowie insbesondere dem Medium zu erreichen, ist in den Heizgeräten üblicherweise ein Isolationselement angeordnet. Dieses Isolationselement, auch als Isolationsschicht bezeichnet, soll wie bereits erwähnt, zum einen elektrisch isolierend wirken aber zum anderen auch gut wärmeleitend sein.
Dadurch kommen nur wenige Werkstoffe infrage. Meist sind es Kunststoffe oder Keramiken, die jedoch meist ein Mismatch in der Wärmeausdehnung aufweisen, d.h. beim Aufheizen im Betrieb und bei Fertigungsprozessen kommt es zu unterschiedlichen Längenausdehnungen wodurch sich die Isolationsschicht ablösen kann und/oder sich Risse bilden können.
Darstellung der Erfindung: Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager, ein Verfahren sowie einen elektrischen Wasserheizer anzugeben, mit deren Hilfe mechanische Spannungen im Betrieb des Heizgerätes zumindest reduziert werden.
Mit Blick auf den Wärmeübertrager wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Mit Blick auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Fertigen eines Wärmeübertragers mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Mit Blick auf den elektrischen Wasserheizer wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen elektrischen Wasserheizer mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Ferner wird im Rahmen dieser Anmeldung noch ein Kraftfahrzeug oder Baumaschine oder Wasserfahrzeug offenbart und beansprucht, das einen erfindungsgemäßen elektrischen Wasserheizer aufweist.
Bevorzugte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf den Wärmeübertrager aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Verfahren sowie auf den elektrischen Wasserheizer zu übertragen und umgekehrt.
Der Begriff des Wasserheizer ist in den vorliegenden Unterlagen breit zu verstehen. Unter dem Begriff Wasserheizer ist ein Heizgerät gemeint, welches mit jeglicher Art von Wasser als Medium betrieben werden kann, d.h. bzw. auch mit Kühlmittel (Wasser-Ethylenglykol- Mischung).
Konkret wird die Aufgabe gelöst durch einen Wärmeübertrager für einen elektrischen Wasserheizer, der einen Heizleiter sowie ein Wärmeübertragungselement aufweist. Bei dem Heizleiter kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Heizleiter handeln. Bei dem Wärmeübertragungselement kann es sich beispielweise um ein metallisches Wärmeübertragungselement handeln.
Ferner weist der Wärmeübertrager ein Isolationselement auf, das zwischen dem Heizleiter und dem Wärmeübertragungselement angeordnet ist. Diese Anordnung kann auch als „Sandwich“-Bauweise bezeichnet werden. Das Isolationselement dient zur elektrischen Isolierung des Heizleiters von dem Wärmeübertragungselement und umgekehrt, sodass zwischen diesen beiden Komponenten kein elektrischer Kurzschluss entstehen kann. Des Weiteren ist das Isolationselement mittels eines wärmeleitenden und elastischen Klebstoffs auf dem Wärmeübertragungselement angeordnet.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass durch den sowohl wärmeleitenden als auch elastischen Klebstoff zum einen eine geforderte Wärmeleitung des Wärmeübertragers durch den Klebstoff nicht beeinträchtig ist. Zum anderen werden durch die elastische Eigenschaft des Klebstoffes mechanische Spannungen zwischen den einzelnen Komponenten und insbesondere zwischen dem Isolationselement und dem Wärmeübertragungselement ausgeglichen, die im Betrieb und der damit verbundenen Erhitzung des Wärmeübertragers auftritt. Mit anderen Worten kann das Isolationselement durch den Einsatz des elastischen Klebstoffs direkt auf dem Wärmeübertragungselement angeordnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen dem Wärmeübertragungselement und dem Isolationselement ein Fügespalt ausgebildet, in dem der Klebstoff angeordnet ist. Hierdurch wird die bereits eingangs notwendige und beschriebene „Sandwich“-Bauweise des Wärmeübertragers nicht beeinträchtig und zum anderen eine exakte Platzierung des Klebstoffs ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine geometrische Abmessung des Fügespaltes basierend auf zumindest einem der nachfolgenden Parameter ausgelegt: einer Wärmeleitung des Klebstoffs; einer Wärmedehnung des Isolationselementes und des Wärmeübertragungselementes; einer Dehnbarkeit des Klebstoffs; einer Betriebstemperatur des Wärmeübertragers; einer Dauerbetriebstemperatur des Klebstoffs sowie einer Haftungseigenschaft des Klebstoffs auf den Materialien des Isolationselementes sowie des Wärmeübertragungselementes. Unter dem Begriff „Wärmeleitung des Klebstoffs“ kann im Sinne dieser Anmeldung das allgemeine Wärmeleitungsvermögen des Klebstoffs verstanden werden. Je wärmeleitender der Klebstoff beispielsweise ist, umso dicker kann der Fügespalt ausgebildet sein, um möglichst viel Klebstoff für eine mechanische Fixierung der Komponenten in den Fügespalt einbringen zu können.
Unter dem Begriff „Wärmedehnung des Isolationselementes und des Wärmeübertragungselementes“ kann im Sinne dieser Anmeldung verstanden werden, wie stark sich diese beiden Komponenten im Betrieb, also bei einer Erhitzung, ausdehnen. Je stärker die Wärmedehnung der Komponenten, umso elastischer muss der Klebstoff sein, um die mechanischen Spannungen ausgleichen zu können.
Unter dem Begriff „Dehnbarkeit des Klebstoffs“ kann im Sinne dieser Anmeldung verstanden werden, wie elastisch der Klebstoff ist, um diesen dann entsprechend der auftretenden oder zu erwartenden mechanischen Spannungen auswählen zu können und dahingehend den Fügespalt auszulegen.
Unter dem Begriff „Betriebstemperatur des Wärmeübertragers“ kann im Sinne dieser Anmeldung verstanden werden, wie heiß der Wärmeübertrager im Betrieb wird. Je heißer dieser wird, umso höher muss die Wärmebeständigkeit des Klebstoffs sein bzw. ist dann mit einer stärkeren Ausdehnung der Komponenten zu rechnen, auf die der Fügespalt angepasst sein muss. Typische Beispiele für Temperaturen sind -40 Grad Celsius als thermische Untergrenze und als thermische Obergrenze die maximale Arbeitstemperatur des Heizleiters.
Unter dem Begriff „Dauerbetriebstemperatur des Klebstoffs“ kann im Sinne dieser Anmeldung verstanden werden, welcher dauerhaften Temperatur man den Klebstoff aussetzen kann, ohne dass dieser sowohl seine wärmeleitende als auch elastische Eigenschaft bis auf hinnehmbare Toleranzen verliert.
Unter dem Begriff „Haftungseigenschaft“ kann im Sinne dieser Anmeldung verstanden werden, dass der Klebstoff derart ausgebildet sein muss, auf unterschiedlichen Materialien, beispielsweise Keramik und Metall, zu haften.
Um den bereits erwähnten „Sandwich“-Aufbau zu optimieren, ist das Wärmeübertragungselement an einer ersten Seite des Isolationselementes angeordnet und der Heizleiter an einer zweiten Seite des Isolationselementes angeordnet, wobei die erste Seite der zweiten Seite gegenüberliegt.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Isolationselement eine Keramik auf oder ist aus einer Keramik gefertigt. Insbesondere kann das Isolationselement als keramisches Substrat (z.B. als plattenförmiges Trägerelement), beispielsweise aus AI2O3, mit auf dem Substrat siebgedruckter Heizleiter-Schicht ausgeführt sein. Das Isolationselement mit darauf angeordnetem Heizleiter bildet dann ein Heizelement aus. Hierbei kann der Heizleiterbeispielsweise als Metallisierung aus einer Widerstandslegierung ausgebildet sein, welche den entsprechenden Heizwiderstand darstellt. In Betracht kommt unter anderem eine Eisen-Nickel- Legierung oder eine Nickel-Chrom-Legierung. Eine Isolierunterbrechung sorgt für die Strukturierung langer Leiterbahnen aus der ansonsten flächig aufgetragenen und später eingebrannten Schicht und kann beispielsweise bereits beim Aufträgen mittels eines Siebdruckprozesses erzeugt werden. Das keramische Substrat kann eine keramische Trägerplatte sein. Diese Ausführungsform eines Heizelements ist Aspekten der Erfindung zufolge bevorzugt.
Der Wärmeübertrager kann bevorzugt auch mehrere Heizelemente aufweisen. In diesem Fall ist jedes einzelne Heizelement bzw. das zugehörige Isolationselement mittels des Klebstoffs auf dem Wärmeübertragungselement angeordnet.
Ferner kann das Wärmeübertragungselement aus Stahl oder Aluminium gebildet sein, bevorzugt aus Aluminium. Das Wärmeübertragungselement kann ein tiefgezogenes Bodenbauteil und ein ebenes, als Trägerplatte ausgebildetes Deckelbauteil aufweisen. Die Trägerplatte kann ebenfalls tiefgezogen sein, um darin Ausführungsbeispielen zufolge nachfolgende zu beschreibende Noppen ausbilden. Ein flacher umlaufender Rand des Bodenbauteils ist mit dem Deckelbauteil verlötet oder verschweißt, um eine dazwischen ausgebildete flache Fluidkammer abzuschließen, welche von dem Kühlmittel bzw. Wasser durchströmt wird. In der Fluidkammer kann ein Turbulator eingesetzt sein, der das durchströmende Fluid vermischt und die Wärmeübertragung auf das Fluid unterstützt. Das Fluid kann durch einen Fluideinlass in die Fluidkammer einströmen und nach Erwärmung durch den Fluidauslass wieder ausströmen.
Einer speziellen Ausführungsform zufolge kann eine geometrische Abmessung des Fügespaltes, insbesondere eine Dicke desselben oder einer darin angeordneten Schicht aus dem Klebstoff, durch eine Anzahl von Abstandshaltern festgelegt sein. Die Abstandshalter können als Glasperlen im Klebstoff, als Folienpartikel, oder Noppen im bzw. Vorsprünge am Wärmeübertragungselement ausgebildet sein. Die Abstandshalter können im verklebten Zustand im (ausgehärteten) Klebstoff eingebettet sein oder in vom Klebstoff freigehaltenen Bereichen angeordnet sein. Die Abstandshalter können Auflageflächen oder Auflagepunkte für das Isolationselement ausbilden. Beim Verpressen des Klebstoffs durch das Isolationselement, das beispielsweise bei der Herstellung gegen das Wärmeübertragungselement gedrückt wird, können die Abstandshalter als AnschlagpunkteZ-flächen für das Isolationselement dienen und dadurch den Fertigungsprozess unterstützen und vereinfachen. Die Abstandshalter können auch durch das Material des Klebstoffs selbst ausgebildet sein, wenn durch lokales Aufträgen und Aushärten aus dem Klebstoff vor der Durchführung des eigentlichen Applikationsschrittes zur Bildung der Klebstoffschicht einzelne erhabene Elemente auf der Oberfläche des Wärmeübertragungselements ausgebildet werden.
Eine Höhe der Abstandshalter kann in einem Bereich von 100 pm bis 450 pm liegen, bevorzugt zwischen 200 pm und 350 pm. Im Beispielfall der Noppen oder Vorsprünge ist die Höhe ein Abstand zwischen dem Auflagepunkt für das Isolationselement (bzw. dessen erste Seite, die einer zweiten Seite gegenüberliegt, auf welcher der oder die Heizleiter angeordnet sind) und einer Oberfläche des Wärmeübertragungselements bzw. gemäß Ausführungsbeispielen der diese ausbildenden, ebenen Trägerplatte des Wärmeübertragungselements. Im Fall der Glasperlen, oder der Folienpartikel, kann die Höhe einem Durchmesser derselben entsprechen.
Eine Weiterbildung dieses Aspekts sieht vor, dass die Abstandshalter wie beschrieben Auflagepunkte oder -flächen besitzen und wenigstens zwei unterschiedliche Bauhöhen aufweisen, wobei erste Abstandshalter, die näher zu einer Mitte des Isolationselements angeordnet sind, eine vergleichsweise geringere Bauhöhe besitzen, und zweite Abstandshalter, die näher zu einer der Kanten des Isolationselements liegen, eine im Vergleich dazu größere Bauhöhe besitzen, so dass eine Schichtdicke des Klebstoffs nahe der Kanten größer ist als nahe der Mitte.
Durch diese Maßnahme können die strengen Anforderungen an Toleranzen für die Ebenheit der Klebeflächen auf dem Wärmeübertrager entfallen oder zumindest reduziert werden, während die Prozesssicherheit verbessert und die Herstellung insgesamt vereinfacht ist. Ferner ergibt sich mit Vorteil durch die geringere Dicke des Fügespalts in der Mitte des jeweiligen Isolationselements, also entfernt von dessen äußeren Kanten, eine effizientere Wärmeübertragung und dadurch eine thermische Entlastung der Heizelemente. Gemäß Ausführungsbeispielen können die Abstandshalter wie oben erwähnt als in einer Oberfläche des Wärmeübertragungselements ausgebildete Noppen ausgebildet sein. Die Noppen können dabei auch durch den Klebstoff selbst ausgebildet sein, wie oben beschrieben etwa durch den Auftrag von Klebstoffnoppen auf die Oberfläche des Wärmeübertragungselements mit anschließendem Aushärten, während erst nachfolgend der großflächige Auftrag des Klebstoffs zur Herstellung der eigentlichen Klebstoffschicht unter Bildung des Fügespalts ausgeführt wird. Alternativ können die Noppen durch das Wärmeübertragungselement selbst gebildet sein, beispielsweise durch Tiefziehen der entsprechenden Trägerplatte. In diesem Fall können die Noppen einstückig bzw. integral mit dem Wärmeübertragungselement gebildet sein.
Diese Ausführungsform bietet einige Vorteile: die Bildung der Noppen kann mit den beschriebenen Herstellungsverfahren zum einen sehr präzise erfolgen, so dass die lokalen Dicken genau eingestellt werden können. Ferner kann die Herstellung sehr gut in den Fertigungsprozess des Wärmeübertragungselements integriert werden, was Kosten und Aufwand spart.
Werden die Aspekte der mit Hilfe von Abstandshaltern von der Mitte zu den Kanten des Isolationselements variierenden (sich vergrößernden) Schichtdicken mit dem Konzept der Noppen kombiniert, entstehen besondere Vorteile: die lokale, veränderliche Einstellung der Schichtdicke, z.B. die erhöhte Dicke im Bereich nahe an den Kanten des Isolationselements erlaubt es, die Scherung bei thermischer Ausdehnung zwischen den gefügten Oberflächen auszugleichen bzw. zu kompensieren. In den mittleren Bereichen wird die Dicke (durch die Bauhöhe H der Noppen) des Klebstoffs niedriger ausgelegt, um die Wärmeleitung zu erhöhen. Darüber hinaus können die Noppen selbst bei mehr oder weniger direktem Kontakt mit dem Isolationselement die Wärmeleitung erhöhen.
Der zuletzt genannte Vorteil kann einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung zufolge ausgenutzt werden. Dieser Aspekt sieht vor, dass den Noppen eine erste Seite des Isolationselements zugewandt ist und der Heizleiter auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Isolationselements angeordnet ist. In dem Heizleiter kann ferner ein Ort festgelegt sein, an welchem im Betrieb eine größte Wärmefreisetzung feststellbar ist, d.h. ein lokales Maximum (Peak) oder ein Maximum für das betreffende Heizelement überhaupt. Eine der Noppen kann nun in diesem Fall in einer Position an der ersten Seite platziert sein, die dem Ort der größten Wärmefreisetzung auf der zweiten Seite gegenüberliegt. Durch diese Maßnahme kann eine homogenere Wärmeverteilung und dadurch verringerte thermische Spannungen in dem Isolationselement (Keramik), eine reduzierte lokale Wärmelast im Heizleiter sowie ein effizienterer Wärmeübertrag auf das Wärmeübertragungselement erzielt werden.
Ein analoger Aspekt betrifft die weitere Anbindung eines Leistungsschaltbauteils an das Wärmeübertragungselement. Der Wärmeübertrager kann dazu ferner dieses Leistungsschaltbauteil umfassen, das ein Leiterplattensubstrat mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite und auf der zweiten Seite angeordneten Leistungsschaltelementen umfasst. Das Leiterplattensubstrat kann auf gleiche Weise wie das Isolationselement mittels des wärmeleitenden und elastischen Klebstoffs auf dem Wärmeübertragungselement angeordnet sein. Wenigstens ein Temperatursensor ist des Weiteren an einem Ort auf der zweiten Seite des Leiterplattensubstrats angeordnet. Eine der Noppen ist in einer Position an der ersten Seite des Leiterplattensubstrats platziert, die dem Ort des Temperatursensors gegenüberliegt.
Durch diesen Aspekt der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile: es kann ein Klebstoff 10 mit vergleichsweise niedrigerer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, welches in einem Kostenvorteil je applizierter Klebstoffmenge resultiert; abseits der Noppen kann eine größere Schichtdicke bzw. Dicke des Fügespalts in Kauf genommen werden, welches in einer erhöhten Prozessfähigkeit bzw. einem größeren Toleranzfenster für die Schichtdicke resultiert; die betroffenen elektronischen Bauteile können durch alternative Bauteile ersetzt werden, die z.B. niedrigere Kosten oder mehr Leistung mit sich bringen, welches wiederum durch eine höhere zulässige Verlustleistung ermöglicht ist; die Lebensdauer der thermisch beanspruchten elektronischen Bauteile kann gesteigert werden;
Temperatur-Sensoren können besser an die zu messende Stelle (z.B. Wärmeübertrager) angebunden werden, welches somit eine höhere Genauigkeit und Reaktionszeit der Messung gewährleistet.
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine (andere) der Noppen in einer (anderen) Position an der ersten Seite des Leiterplattensubstrats platziert sein, die einem Ort gegenüberliegt, an welchem eines der Leistungsschaltelemente auf der zweiten Seite des Leiterplattensubstrats angeordnet ist. Der Vorteil ist der gleiche wie oben mit Bezug auf den Ort der größten Wärmefreisetzung beschrieben, weil das Hochvolt-Leistungsschaltelement im Betrieb selbst auch eine erhebliche Wärmequelle darstellt, die mit Vorteil durch die nahe Noppe abgeführt werden kann.
Der Wasserheizer hat bevorzugt eine Heizleistung von mindestens 5 kW, bevorzugt von mindestens 7 kW, beispielsweise von mindestens 9 kW. Die Heizleistung ist jeweils bevorzugt weniger als oder gleich 13 kW. Die Betriebsspannung, mit der der Wasserheizer betrieben wird, welche gleich der Bordspannung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges sein kann, ist größer oder gleich 400 V, bevorzugt größer oder gleich 700 V, beispielsweise 800 V, 900 V oder 1000 V.
Konkret wird die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Fertigen eines Wärmeübertragers, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Anordnen eines Heizleiters auf einem Isolationselement;
Bereitstellen eines Wärmeübertragungselementes
Aufbringen eines wärmeleitenden und elastischen Klebstoffs auf einer Seite des Wärmeübertragungselementes oder auf einer Seite des Isolationselementes auf der der Heizleiter nicht angeordnet ist;
Der Schritt Anordnen eines Heizleiters auf einem Isolationselement umfasst bevorzugt das Aufbringen des Heizleiters per Siebdruckverfahren auf das Isolationselement. Das Isolationselement mit aufgebrachtem Heizleiter bildet dann ein Heizelement aus.
Der wärmeleitende und elastische Klebstoff wird bevorzugt auf der ersten Seite des Isolationselementes (der dem Heizleiter gegenüberliegenden Seite) aufgebracht.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist dieses ferner die Schritte auf:
Definieren eines Fügespaltes zwischen dem Wärmeübertragungselement und dem Isolationselement sowie
Anordnen des Klebstoffes in dem Fügespalt. Unter dem Begriff „definieren“ kann im Sinne der vorliegenden Anmeldung verstanden werden, dass der Fügespalt zum Beispiel durch einen definierten Anpressdruck realisiert wird, in dem die beiden Elemente beispielsweise in dafür vorgesehenen Formen angepresst werden.
Bevorzugt wird der Klebstoff auf das Isolationselement, insbesondere auf die erste Seite des Isolationselementes (der dem Heizleiter gegenüberliegenden Seite des Isolationselementes), aufgebracht. Beispielsweise liegt das Isolationselement, auf welchem der Heizleiter angeordnet ist, derart in einer Klebevorrichtung, dass der Heizleiter nach unten gerichtet ist. Das Wärmeübertragungselement wird danach aufgesetzt, mit einem Rahmen verschraubt und kann noch zusätzlich in der Mitte mit Gewichten belastet werden.
Zusätzlich ist es denkbar, dass Abstandshalter (Glasperlen im Klebstoff, Folienpartikel, Noppen im Wärmeübertragungselement) wie oben beschrieben für die Einstellung des Fügespaltes eingesetzt werden.
Handelt es sich bei den Abstandshaltern beispielsweise um Noppen, kann die Herstellung wie nachfolgend beschrieben erfolgen: beispielsweise kann es sich bei der zu fügenden Oberfläche des Wärmeübertragungselements um ein tiefgezogenes plattenförmiges Blechbauteil handeln. In dieses Blechbauteil werden in einem Press- oder Stanzwerkzeug, welches den Noppen entsprechende Ausprägungen aufweist, die Noppen eingeprägt. Alternativ ist aber auch die Herstellung der Noppen in einem Prozess mit Aluminium-Guss und CNC-Nachbearbeitung denkbar.
Die Bildung der Noppen kann mit den beschriebenen Herstellungsverfahren sehr präzise erfolgen, so dass die lokalen Dicken genau eingestellt werden können. Ferner kann die Herstellung sehr gut in den Fertigungsprozess des Wärmeübertragungselements integriert werden, was Kosten und Aufwand spart. Im Übrigen ergeben sich die gleichen Vorteile wie oben beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner den Schritt auf:
Auslegen einer geometrischen Abmessung des Fügespaltes basierend auf zumindest einem der nachfolgenden Parameter: einer Wärmeleitung des Klebstoffs; einer Wärmedehnung des Isolationselementes und des Wärmeübertragungselementes; einer Dehnbarkeit des Klebstoffs; einer Betriebstemperaturen des Wärmeübertragers; einer Dauerbetriebstemperatur des Klebstoffs sowie einer Haftungseigenschaft des Klebstoffs auf den Materialien des Isolationselementes sowie des Wärmeübertragungselementes.
Kurze Beschreibung der Figuren:
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in teilweise stark vereinfachter Darstellung in:
Fig. 1 einen skizzierten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager;
Fig. 2 ausgehend von dem allgemeinen Aufbau wie in Fig. 1 gezeigt einen skizzierten Schnitt durch das Wärmeübertragungselement und das Isolationselement des Wärmeübertragers bzw. Heizelements, gemäß einem Ausführungsbeispiel mit Abstandshaltern;
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Wärmeübertragungselement mit einer darin als Abstandshalter ausgebildeten Noppe gemäß einem mit Fig. 2 kompatiblen Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Wärmeübertragers ohne Heizelement, in welchem Noppen wie in Fig. 3 gezeigt ausgebildet sind;
Fig. 5 in Draufsicht auf dem Wärmeübertrager aus Fig. 4 montierte Heizelemente und ei Leistungsschalbauteil.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen:
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 2 für einen nicht dargestellten elektrischen Wasserheizer. Der Wärmeübertrager 2 weist hierbei einen Heizleiter 4 auf, von dem lediglich der Schnitt mehrerer Windungen dargestellt ist. Ferner weist der Wärmeübertrager 2 ein Wärmeübertragungselement 6 auf. Zwischen dem Heizleiter 4 und dem Wärmeübertagungselement 6 ist ein Isolationselement 8 angeordnet, das zur elektrischen Isolation dieser beiden Komponenten dient. Das Isolationselement 8 ist mittels eines wärmeleitenden und elastischen Klebstoffs 10 auf dem Wärmeübertragungselement 6 angeordnet. Speziell ist der Klebstoff 10 im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 in einem Fügespalt 12 angeordnet, der zwischen dem Isolationselement 8 und dem Wärmeübertragungselement 6 ausgebildet ist.
Des Weiteren ist - wie aus Fig. 1 ersichtlich - das Wärmeübertragungselement 6 an einer ersten Seite 14 des Isolationselementes 8 und der Heizleiter 4 an einer zweiten Seite 16 des Isolationselementes 8 angeordnet, um die bereits eingangs erwähnte „Sandwich“-Bau- weise auszubilden.
Im Betrieb des Wärmeübertragers 2 wird der elektrische Heizleiter 4 erhitzt und die Wärme an das Isolationselement 8 abgegeben, das üblicherweise als eine Keramik ausgebildet ist. Anschließend wird die Wärme von dem Isolationselement 8 über den wärmeleitenden Klebstoff 10 an das Wärmeübertragungselement 6 weitergeleitet, welches wiederum die Wärme an ein lediglich schematisch skizziertes Medium 18, z.B. Wasser, abgibt.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Eine Weiterbildung des oben gezeigten Ausführungsbeispiels ist in schematischer Ansicht in Fig. 2 dargestellt. Der Einfachheit halber ist nur das Isolationselement 8 des Heizelements sowie das Wärmeübertragungselement 6 des Wärmeübertragers 2 eingezeichnet, zwischen denen sich der Fügespalt 12 mit dem darin eingebrachten Klebstoff 10 erstreckt. Die Heizleiter 4 oder das Medium 18 aus Fig. 1 sind z.B. in Fig. 2 weggelassen. Wie beschrieben können in Fig. 2 sehr schematisch dargestellte Abstandshalter (Glasperlen im Klebstoff, Folienpartikel, Noppen im bzw. Vorsprünge am Wärmeübertragungselement 6) für die Einstellung des Fügespaltes 12 eingesetzt werden. Grundsätzlich können diese Ausführungsbeispielen zufolge höhengleich sein. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind aber höhenverschiedene Abstandshalter 20, 22 vorgesehen. An und für sich wäre zur Herstellung eines nicht allzu dicken Fügespalts eine enge Toleranz für die Ebenheit der Klebeflächen auf dem Wärmeübertrager zu fordern, um eine hinreichende Prozesssicherheit zu bieten (homogene und großflächige Verteilung des Klebstoffs zwischen den Flächen). Tatsächlich ergeben sich aber bei Temperaturänderungen aufgrund möglicherweise unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten die größten Längendifferenzen zwischen dem das Isolationselement 8 und dem Wärmeübertragungselement 6 am Rand des Klebereichs, während die Mitte im Wesentlichen der Ausgangspunkt für die gegenseitigen Verschiebungen ist. Eine Grundidee des Ausführungsbeispiels ist es daher, den Fügespalt nahe den Kanten des Heizelements bzw. des Isolationselements 8 dicker und in der Mitte dazu vergleichsweise dünner auszulegen.
In Fig. 2 ist gezeigt, dass außen liegende (d.h. näher zur Kante des Isolationselements 8 liegende) Abstandshalter 22 eine größere Höhe besitzen als innen liegende (d.h. näher zur Mitte liegende) Abstandshalter 20. Dadurch ist die Dicke der Schicht aus Klebstoff 10 genau jene kritischen Stellen erhöht, wo auch die größeren Längendifferenzen bei der Wärmeausdehnung zu verzeichnen sind und diese Schicht deshalb dort am stärksten belastet würde. Durch diese Maßnahme können die strengen Anforderungen an Toleranzen für die Ebenheit der Klebeflächen auf dem Wärmeübertrager entfallen oder zumindest reduziert werden, während die Prozesssicherheit verbessert und die Herstellung insgesamt vereinfacht ist. Es ist dabei anzumerken, dass die Bauhöhe H von Auflagepunkten bzw. -flächen 25 der Abstandshalter sehr genau herstellbar ist. Eine Durchbiegung des aufliegenden Heizelements - wie in Fig. 2 leicht übertrieben dargestellt - ist dabei durchaus akzeptabel. Ferner ergibt sich durch die geringere Dicke des Fügespalts 12 in der Mitte des jeweiligen Isolationselements 8 eine effizientere Wärmeübertragung und dadurch eine thermische Entlastung der Heizelemente.
Die Einstellung der Dicke kann Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge unter anderem aber auch bewerkstelligt werden, indem: der Klebstoff einen Füllstoff (z.B. Glasperlen) mit definierter Größen- und Formverteilung umfasst, wobei dieser Füllstoff als mechanischer Abstandshalter beim Verpressen des Klebstoffs 10 zwischen den angrenzenden Oberflächen von Isolationselement 8 und Wärmeübertragungselement 6 dient; die Vorrichtung zum Verpressen des Klebstoffs 10 außerhalb desselben einen geometrischen Anschlag aufweist, welcher als mechanischer Abstandshalter wirkt; die Vorrichtung zum Verpressen des Klebstoffs 10 ein festgelegtes Kraftprofil einsetzt, welches letztendlich in einer definierten Schichtdicke des Klebstoffs 10 resultiert; oder der Klebstoff 10 wird vor dem Verpressen mit einer Hilfsvorrichtung auf die definierte Schichtdicke gebracht (z.B. Rakeln / Siebdruck) und beim anschließenden Verpressen nicht mehr geometrisch verändert.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel, das in der Fig. 3 illustriert ist, sieht aber vor, die zu fügende Oberfläche des Wärmeübertragungselements 6 wird mit einer Anzahl von Noppen 24 als Abstandshalter 20 oder 22 auszustatten, wie abstrakt in Fig. 2 zu sehen sind. Die Noppen 24 sind einstückig mit dem Wärmeübertragungselement 6 ausgebildet. Auf diesen Noppen kann nun bei dem Verpressen des Klebstoffs 10 die gegenüberliegende Oberfläche des Isolationselements 8 des Heizelements zum Liegen kommen (entsprechend einem Formschluss). Die erhabenen Oberflächen der Noppen 24 dienen folglich als Abschlag bzw. Auflagefläche 25 für die Oberfläche des Isolationselements 8. Es ist möglich, dass im Fall von im Klebstoff vorhandenen sehr kleinen Partikeln oder Perlen (z.B. Keramik, etc. mit Durchmessern von z.B. 60 pm) diese im Endzustand der Verpressung zwischen der Auflagefläche der Abstandshalter und der ersten Seite (der Rückseite) des Isolationselements verbleiben (gewissermaßen „eingeklemmt“ werden) und nicht aus dem schmalen Spalt herausgetrieben werden. Die Klebstoffschichtdicke vergrößert sich dann entsprechend um einen geringen Wert. Insofern bestimmt die Noppenhöhe H das Maß für die Schichtdicke des Klebstoffs 10. Die Fig. 3 zeigt lediglich die Seite des Wärmeübertragungselements 6 das nicht gezeigte Isolationselement 8 wird in Fig. 3 von rechts angenähert und aufgepresst, wenn der Klebstoff 10 dazwischen appliziert ist.
Die Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht durch das Wärmeübertragungselement 6 einschließlich der durch dieses gebildeten Fluidkammer 32 mit dem darin strömenden Medium 18 bzw. Fluid (z.B. Wasser) und einem darin angeordneten Turbulator 26 zum Mischen des Mediums 18 und zum Verstärken der Wärmeübertragung.
Die Herstellung kann wie nachfolgend beschrieben erfolgen: beispielsweise kann es sich bei der zu fügenden Oberfläche des Wärmeübertragungselements 6 um ein tiefgezogenes plattenförmiges Blechbauteil handeln. In dieses Blechbauteil werden in einem Press- oder Stanzwerkzeug, welches den Noppen 24 entsprechende Ausprägungen aufweist, die Noppen 24 eingeprägt. Alternativ ist aber auch die Herstellung der Noppen 24 in einem Prozess mit Aluminium-Guss und CNC-Nachbearbeitung denkbar. Die Noppen können im Ausführungsbeispiel eine Bauhöhe H von 0,32 mm besitzen, der Durchmesser der Auflagefläche 25 kann 1 mm betragen, der Noppendurchmesser insgesamt (mit Flanken) 2,31 mm.
Zurückkehrend zu Fig. 2 ist es möglich, durch Festlegen insbesondere der Bauhöhe H der Noppen 24 die Neigung der zu fügenden Oberflächen zueinander einzustellen. Dies erlaubt die oben angesprochene lokale, veränderliche Einstellung der Schichtdicke, z.B. die erhöhte Dicke im Bereich nahe an den Kanten 30 des Isolationselements 8, um die Scherung bei thermischer Ausdehnung zwischen den gefügten Oberflächen auszugleichen. In den mittleren Bereichen wird die Dicke (durch die Bauhöhe H der Noppen) des Klebstoffs 10 niedriger ausgelegt, um die Wärmeleitung zu erhöhen. Die Bildung der Noppen 24 kann mit den beschriebenen Herstellungsverfahren zudem sehr präzise erfolgen, so dass die lokalen Dicken genau eingestellt werden können. Ferner kann die Herstellung sehr gut in den Fertigungsprozess des Wärmeübertragers 2 integriert werden, was Kosten und Aufwand spart.
In der Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht des Wärmeübertragers 2 ohne Heizelement bzw. des Wärmeübertragungselements 6 gezeigt, wobei die Blickrichtung auf die weitgehend ebene Trägerplatte 60 des Wärmeübertragungselements 6 gerichtet ist, welcher die Oberfläche zum Fügen mit dem Isolationselement 8 des Heizelements ausbildet. Insgesamt werden in diesem Ausführungsbeispiel 3 Heizelemente (d.h. 3 Isolationselemente 8) angefügt, sowie auch eine Leiterplatte, die ein Leistungsschaltbauteil für den Betrieb der Heizelemente bereitstellt (nicht gezeigt).
In der Trägerplatte 60 des Wärmeübertragungselements 6 ist wie beschrieben eine Anzahl von Noppen 24 als Abstandshalter 20 bzw. 22 über deren Oberfläche hinweg verteilt eingerichtet. Strichliniert ist auch die Position der ersten Seite 14 eines der drei Isolationselemente 8 eingezeichnet, wenn dieses an das Wärmeübertragungselement 6 gefügt ist. Es ist zu erkennen das erste Noppen 24 bzw. Abstandhalter 20 (hier zwei Stück je Heizelement) in Bezug auf die erste Seite 14 nahe deren Mitte positioniert sind, während zweite Noppen 24 bzw. Abstandhalter 22 (hier vier Stück je Heizelement) nahe deren Kanten 30 positioniert sind. Relevant sind hier die beiden Kanten 30 an den längsseitigen Enden der Isolationselemente, da sich die Scherung in der längeren Längsausdehnung stärker auswirkt als in der Querrichtung.
Neben der Fluidkammer 32 sind in Fig. 4 auch ein Stutzen 34 für den Fluidein- oder -auslass sowie mehrere Durchgangsöffnungen für eine Durchführung von elektrischen Leiterbahnen von eine Steuermodul (nicht gezeigt) zu dem Leistungsschaltbauteil (nicht gezeigt in der Trägerplatte 60 angedeutet.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 zeigt außerdem noch einen weiteren, unabhängigen Aspekt der vorliegenden Erfindung, der getrennt von dem Grundgedanken des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 ausgeführt sein kann. Betrachtet werden hierbei rein beispielhaft die Noppen 24 (25) in Fig. 4. Diese sind innerhalb eines Umrisses (strichliniert in Fig. 4 gezeichnet) auf dem Wärmeübertragungselement 6 angeordnet, welcher dem anzufügenden Leistungsschaltbauteil 45 entspricht, das als Leiterplattensubstrat 46 mit darauf angeordneten Leistungsschaltelementen 47 (nur schematisch gezeigt) zum Betreiben der Heizelemente 9 (siehe Fig. 5) ausgeführt ist. Das Leistungsschaltbauteil 45 umfasst z.B. ein FR4-Substrat o.ä. als Leiterplattensubstrat 46, das ähnlich wie die Heizelemente 9 mit der weitgehend ebenen Trägerplatte 60 des Wärmeübertragungselements 6 verklebt wird, und ebenso wie jene die von den Leistungsschaltelementen 47 im Betrieb erzeugte Wärme über den wärmeleitenden Klebstoff 10 und das Wärmeübertragungselement 6 an das die Fluidkammer 32 durchströmende Medium abführt.
Bei dem vorliegend betrachteten Aspekt liegt die Grundidee nun darin, die das Leiterplattensubstrat oder das Isolationselement direkt kontaktierenden Noppen 24 (25) unter solchen Bereichen zu platzieren, die einer größten Wärmefreisetzung der gefügten elektronischen Baugruppe (in den Ausführungsbeispielen das Heizelement 9 oder das Leistungsschaltbauteil 45) entsprechen. Diese Bereiche werden dadurch lokal thermisch besser angebunden bzw. entwärmt als ihre Umgebung. Im Fall des Leistungsschaltbauteils 45 entspricht ein solcher Bereich beispielsweise genau den Leistungsschaltelementen 47 (Leistungs-MOS- FETs oder IGBTs). Die Heizelemente sind allerdings mehr oder weniger vollflächig mit Heizleitern bedeckt, so dass hier weniger lokale Unterschiede in der Wärmefreisetzung bestehen, aber auch hier können je nach Aufbau Wärmespitzen zu verzeichnen sein, die mit einer geeigneten Platzierung der Noppen effizient verringert werden können.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 entsprechen die Positionen der Noppen 24 (25) denjenigen der Temperatursensoren 38 auf dem Leistungsschaltbauteil 45, wie im Vergleich mit der Fig. 5 zu erkennen ist. Die Fig. 5 zeigt die drei Heizelemente 9 sowie das Leistungsschaltbauteil 45 in dem auf der Trägerplatte 60 des Wärmeübertragers 2 angebrachten Zustand in Draufsicht. Die Heizelemente 9 sind im Ausführungsbeispiel als keramisches Substrat (als Trägerelement), beispielsweise aus AI2O3, mit siebgedruckter Heizleiterschicht ausgeführt. Die Heizleiterschicht ist als Metallisierung aus einer Widerstandslegierung ausgebildet und stellt den entsprechenden Heizwiderstand bereit. Eine Isolierunterbrechung sorgt für die Strukturierung langer Heizleiter 4.
Das Leistungsschaltbauteil 45 weist das Leiterplattensubstrat 46 mit einer dem Wärmeübertragungselement 6 zugewandten ersten Seite 54 und einer gegenüberliegenden zweiten Seite sowie eine Anzahl von Leistungsschaltelementen 47 auf, die auf der zweiten Seite des Leiterplattensubstrats ausgebildet sind, beispielsweise IGBTs oder Leistungs-MOS- FETs, mit denen die Heizelemente 9 PWM-gesteuert betrieben werden können. Entsprechende Anschluss-Pads der Heizleiter 4 bzw. Anschlussstellen auf dem Heizleiter 4 sind zu diesem Zweck über Bondverbindungen 50 mit den Leistungsschaltelementen auf dem Leistungsschaltbauteil 45 verbunden.
Das Leistungsschaltbauteil 45 weist ferner die auf der zweiten Seite des Leiterplattensubstrats 46 angeordneten Temperatursensoren 38 auf, die zum Zweck einer Regelung des Heizbetriebs eine Temperatur erfassen können. Ihre Position auf dem Leistungsschaltbauteil 45 bzw. auf der zweiten Seite 55 des Leiterplattensubstrats 46 liegt im Ausführungsbeispiel jeweils entsprechend dem Fluideinlass und dem Fluidauslass (siehe den Stutzen 34 in Fig. 4) auf der Rückseite der Trägerplatte 25 vergleichsweise nahe, um Temperaturwerte erfassen zu können, die repräsentativ für die Fluidtemperaturen am Fluideinlass und am Fluidauslass sind, wodurch im Ergebnis eine aktuelle Erwärmung des Fluids bestimmbar ist.
Das Leistungsschaltbauteil 45 ist über weitere Bondverbindungen 51 mit jeweiligen Anschlüssen verbunden, die an drei Stanzgittern 48 eingerichtet sind, die den jeweiligen Heizelementen 9 zugeordnet sind. Die Bondverbindungen 51 beinhalten elektrische Leitungen für die Leistungsversorgung (im Hochvoltbereich, z.B. 60 V oder mehr, vorzugsweise 400 V oder mehr, weiter vorzugsweise 800 V oder mehr, z.B. 900 V oder 1 .000 V), für die Steuerung der Leistungsschaltelemente 47 sowie für die Kommunikation mit den Temperatursensoren. Die Stanzgitter 48 sind in Durchgangsöffnungen 36 der Trägerplatte 60 angeordnet.
Den Temperatursensoren 38 aus Fig. 5 sind hierbei die Noppen 24 (25) aus Fig. 4 auf der Rückseite des Leistungsschaltbauteils 45 zugeordnet, d.h. ihre entsprechenden Positionen an der ersten Seite 54 und auf der zweite Seite 55 stimmen überein. Hierbei geht es allerdings bei den Temperatursensoren 38 nicht um Wärmefreisetzung sondern im Gegenteil um eine effiziente Wärmezufuhr über die Noppen 24 (25), denn die Temperatursensoren 38 sollen möglichst präzise die Temperatur insbesondere am Fluidauslass erfassen.
Durch diesen Aspekt der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile: - es kann ein Klebstoff 10 mit vergleichsweise niedrigerer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, welches in einem Kostenvorteil je applizierter Klebstoffmenge resultiert; abseits der Noppen kann eine größere Schichtdicke bzw. Dicke des Fügespalts in Kauf genommen werden, welches in einer erhöhten Prozessfähigkeit bzw. einem größeren Toleranzfenster für die Schichtdicke resultiert; - die betroffenen elektronischen Bauteile können durch alternative Bauteile ersetzt werden, die z.B. niedrigere Kosten oder mehr Leistung mit sich bringen, welches wiederum durch eine höhere zulässige Verlustleistung ermöglicht ist; die Lebensdauer der thermisch beanspruchten elektronischen Bauteile kann gesteigert werden; - Temperatur-Sensoren können besser an die zu messende Stelle (z.B. Wärmeübertrager) angebunden werden, welches somit eine höhere Genauigkeit und Reaktionszeit der Messung gewährleistet.
Bezugszeichenliste
2 Wärmeübertrager
4 Heizleiter
6 Wärmeübertragungselement
8 Isolationselement
9 Heizelemente
10 wärmeleitender und elastischer Klebstoff
12 Fügespalt
14 erste Seite des Isolationselementes
16 zweite Seite des Isolationselementes
18 Medium
20 Abstandshalter (innen)
22 Abstandshalter (außen)
24 Noppen (als Abstandshalter)
25 Auflagefläche
26 Turbulator
30 Kanten des Isolationselements
32 Fluidkammer
34 Stutzen, Fluideinlass oder Fluidauslass
36 Durchgangsöffnung
38 Temperatursensor
45 Leistungsschaltbauteil
46 Leiterplattensubstrat
47 Leistungsschaltelement
48 Stanzgitter
50 Bondverbindungen
51 Bondverbindungen
54 erste Seite (Leiterplattensubstrat)
55 zweite Seite (Leiterplattensubstrat)
60 Trägerplatte des Wärmeübertragungselements

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Wärmeübertrager (2) für einen elektrischen Wasserheizer, aufweisend: einen Heizleiter (4); ein Wärmeübertragungselement (6) sowie ein Isolationselement (8), das zwischen dem Heizleiter (4) und dem Wärmeübertragungselement (6) angeordnet ist, zur elektrischen Isolierung des Heizleiters (4) von dem Wärmeübertragungselement (6) und umgekehrt; wobei das Isolationselement (8) mittels eines wärmeleitenden und elastischen Klebstoffs (10) auf dem Wärmeübertragungselement (6) angeordnet ist.
2. Wärmeübertrager (2) nach Anspruch 1 , wobei zwischen dem Wärmeübertragungselement (6) und dem Isolationselement (8) ein Fügespalt (12) ausgebildet ist, in dem der Klebstoff (10) angeordnet ist.
3. Wärmeübertrager (2) nach Anspruch 2, wobei eine geometrische Abmessung des Fügespaltes (12), insbesondere eine Dicke desselben oder einer darin angeordneten Schicht aus dem Klebstoff (10) durch eine Anzahl von Abstandshaltern (20, 22) festgelegt ist.
4. Wärmeübertrager (2) nach Anspruch 3, wobei die Abstandshalter (20, 22) Auflagepunkte oder -flächen (25) besitzen und wenigstens zwei unterschiedliche Bauhöhen (H) aufweisen, wobei erste Abstandshalter (20), die näher zu einer Mitte des Isolationselements (8) angeordnet sind, eine vergleichsweise geringere Bauhöhe besitzen, und zweite Abstandshalter (22), die näher zu einer der Kanten (30) des Isolationselements (8) liegen, eine im Vergleich dazu größere Bauhöhe (H) besitzen, so dass eine Schichtdicke des Klebstoffs (10) nahe der Kanten (30) größer ist als nahe der Mitte.
5. Wärmeübertrager (2) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Abstandshalter (20, 22) als in einer Oberfläche des Wärmeübertragungselements (6) ausgebildete Noppen (24) ausgebildet sind.
6. Wärmeübertrager (2) nach Anspruch 5, wobei den Noppen (24) eine erste Seite (14) des Isolationselements (8) zugewandt ist und der Heizleiter (4) auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite (16) des Isolationselements (8) angeordnet ist; wobei in dem Heizleiter (4) ein Ort festgelegt ist, an welchem im Betrieb eine größte Wärmefreisetzung feststellbar ist, wobei eine der Noppen (24) in einer Position an der ersten Seite platziert ist, die dem Ort der größten Wärmefreisetzung auf der zweiten Seite gegenüberliegt.
7. Wärmeübertrager (2) nach Anspruch 5 oder 6, ferner umfassend ein Leistungsschaltbauteil (45), das ein Leiterplattensubstrat (46) mit einer ersten Seite (54) und einer zweiten Seite (55) umfasst, das auf gleiche Weise wie das Isolationselement (8) mittels des wärmeleitenden und elastischen Klebstoffs (10) auf dem Wärmeübertragungselement (6) angeordnet ist; wobei wenigstens ein Leistungsschaltelement (47) oder wenigstens ein Temperatursensor (38) an einem Ort auf der zweiten Seite (55) des Leiterplattensubstrats (46) angeordnet ist; wobei eine der Noppen (25) in einer Position an der ersten Seite (54) des Leiterplattensubstrats platziert ist, die dem Ort des Temperatursensors (38) oder des Leistungsschaltelements (47) gegenüberliegt.
8. Wärmeübertrager (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine geometrische Abmessung des Fügespaltes (12) basierend auf zumindest einem der nachfolgenden Parameter ausgelegt ist: einer Wärmeleitung des Klebstoffs (10); einer Wärmedehnung des Isolationselementes (8) und des Wärmeübertragungselementes (6); einer Dehnbarkeit des Klebstoffs (10); einer Betriebstemperatur des Wärmeübertragers (2); einer Dauerbetriebstemperatur des Klebstoffs (10) sowie einer Haftungseigenschaft des Klebstoffs (10) auf den Materialien des Isolationselementes (8) sowie des Wärmeübertragungselementes (6).
9. Wärmeübertrager (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeübertragungselement (6) an einer ersten Seite (14) des Isolationselementes (8) angeordnet ist und der Heizleiter (4) an einer zweiten Seite (16) des Isolationselementes (8) angeordnet ist, wobei die erste Seite (14) der zweiten Seite (16) gegenüberliegt.
10. Wärmeübertrager (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Isolationselement (8) eine Keramik aufweist oder aus einer Keramik gefertigt ist.
11. Elektrischer Wasserheizer mit einem Wärmeübertrager (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Verfahren zum Fertigen eines Wärmeübertragers (2), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das Verfahren aufweisend die folgenden Schritte:
Anordnen eines Heizleiters (4) auf einem Isolationselement (8);
Bereitstellen eines Wärmeübertagungselementes (6);
Aufbringen eines wärmeleitenden und elastischen Klebstoffs (10) auf einer Seite des Wärmeübertragungselementes (6) oder auf einer Seite des Isolationselementes (8) auf der der Heizleiter (7) nicht angeordnet ist;
Anordnen und Verkleben des Wärmeübertragungselementes (6) mit dem Isolationselement (8) mittels des aufgebrachten Klebstoffs (10).
13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend die Schritte:
Definieren eines Fügespaltes (12) zwischen dem Wärmeübertragungselement (6) und dem Isolationselement (8) sowie
Anordnen des Klebstoffes (10) in dem Fügespalt (12).
14. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend den Schritt:
Auslegen einer geometrischen Abmessung des Fügespaltes (12) basierend auf zumindest einem der nachfolgenden Parameter: einer Wärmeleitung des Klebstoffs (10); einer Wärmedehnung des Isolationselementes (8) und des Wärmeübertragungselementes (6); einer Dehnbarkeit des Klebstoffs (10); einer Betriebstemperatur des Wärmeübertragers (2); einer Dauerbetriebstemperatur des Klebstoffs (10) sowie einer Haftungseigenschaft des Klebstoffs (10) auf den Materialien des Isolationselementes (8) sowie des Wärmeübertragungselementes (6).
15. Kraftfahrzeug oder Baumaschine oder Wasserfahrzeug mit einem elektrischen Wasserheizer gemäß Anspruch 11.
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