DE102020207875A1

DE102020207875A1 - Elektrische Heizanordnung und elektrische Heizvorrichtung mit einer solchen Heizanordnung

Info

Publication number: DE102020207875A1
Application number: DE102020207875.0A
Authority: DE
Inventors: Aurelian Kotlar
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2020-06-24
Filing date: 2020-06-25
Publication date: 2021-12-30
Also published as: WO2021259764A1

Abstract

Es wird eine elektrische Heizanordnung (2) mit zumindest einem, auf einem Substrat (14) flächig in Mäanderform angeordneten Widerstandsheizleiter (10) beschrieben, bei der über der von dem Widerstandsheizleiter (10) bedeckten Substratfläche (14) eine Fokussiereinrichtung sowie ein, im Fokus der Fokussiereinrichtung angeordneter Infrarotsensor (20) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizanordnung mit zumindest einem, auf einem Substrat flächig in Mäanderform angeordneten Widerstandsheizleiter. Sie betrifft außerdem eine elektrische Heizvorrichtung mit einer solchen Heizanordnung.
Eine solche elektrische Heizanordnung ist aus der DE 10 2011 057 108 A1 bekannt. Die dortige elektrische Fahrzeugheizanordnung weist einen elektrischen Widerstandsheizleiter auf, der an einer elektrischen Spannungsversorgung angeschlossen ist. Die elektrische Fahrzeugheizvorrichtung kann eine Mehrzahl solcher elektrischer Widerstandsheizleiter aufweisen. Ein elektrischer Widerstandsheizleiter ist ein ohmsches Heizelement, das elektrische Leistung unmittelbar in Heizleistung umwandelt. Der Widerstandsheizleiter der DE 10 2011 057 108 A1 ist als ein Hochvolt-Widerstandsheizleiter ausgebildet, der für einen Gleichspannungsbetrieb mit einer Versorgungsspannung größer als 100 Volt, bevorzugt größer als 150 Volt, insbesondere in einem Bereich zwischen 200 Volt bis 1.000 Volt, ausgelegt ist. Eine entsprechend hohe Gleichspannung wird im Betrieb der Fahrzeugheizvorrichtung durch die Spannungsversorgung, die insbesondere durch das Bordnetz eines zugehörigen Kraftfahrzeuges gebildet wird, angelegt.
Der Widerstandsheizleiter kann auf einer ebenen Oberfläche eines Substrats ausgebildet sein. Das Substrat weist einen integral ausgebildeten Wärmetauscher auf, der zur Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Medium ausgebildet ist. Das zu erwärmende Medium wird insbesondere durch die Flüssigkeit eines, innerhalb des jeweiligen Kraftfahrzeuges vorgesehenen Flüssigkeitskreislaufs (z.B. Kühlwasserkreislauf bzw. Kühlmittelkreislauf) gebildet. Der Wärmetauscher weist eine Oberfläche auf, die zur Wärmeübertragung unmittelbar mit dem zu erwärmenden Medium in Verbindung steht. Die Oberfläche des Wärmetauschers kann mit einer Mehrzahl von Rippen bzw. Vorsprüngen versehen sein, um einen verbesserten Wärmeübergang auf das zu erwärmende Medium zu erzielen. Das Substrat (einschließlich des Wärmetauschers) ist aus einem Metall (z.B. Aluminium, Kupfer, einer Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung) gebildet, so dass eine gute Wärmeleitung von dem Widerstandsheizleiter auf das Medium gewährleistet wird.
Das Substrat ist an der Oberfläche, auf welcher der Widerstandsheizleiter vorgesehen ist, flächig mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht aus Aluminiumoxid überzogen. Die Deckschicht kann mittels eines Spritzverfahrens auf die Oberfläche aufgetragen sein. Die Deckschicht weist eine (für einen elektrischen Isolator) vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Auf diese Deckschicht ist wiederum mittels einer Beschichtungstechnik eine elektrisch leitende Widerstandsheizschicht, welche den Widerstandsheizleiter bildet, aufgebracht, die als eine mäanderförmige Leiterbahn strukturiert ist. Die Widerstandsheizschicht ist als eine Dünnschicht ausgebildet. Diese kann z.B. mittels eines Verfahrens (z.B. Spritzverfahren) hergestellt sein, wie es in der EP 1 459 332 B1 beschrieben ist. Die Widerstandsheizschicht ist derart ausgestaltet, dass an diese eine elektrische Spannung (der Spannungsversorgung) anlegbar ist, um elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln. Die Widerstandsheizschicht ist deckseitig wiederum mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht aus Aluminiumoxid versehen, die ebenfalls mittels einer Beschichtungstechnik aufgebracht ist. Dabei ist die Deckschicht derart ausgebildet, dass auch der Zwischenraum zwischen der mäanderförmig verlaufenden Leiterbahn vollständig durch das Material der Deckschicht aufgefüllt ist, so dass eine ebene Oberfläche erhalten wird. Die Substrat-Widerstandsheizleiter-Anordnung, welche das Substrat, die Widerstandsheizschicht sowie die Deckschichten aufweist, bildet eine kompakt ausgeführte, zusammenhängende Baugruppe. Eine solche Baugruppe ist schematisch in der 1 dargestellt.
Einzelne Bereiche der Widerstandsheizleiter können aufgrund von Fertigungstoleranzen höhere Widerstandswerte aufweisen. In Kombination mit Alterungsvorgängen kann in solchen Bereichen eine gegenüber anderen Bereichen stärkere Erwärmung auftreten, was zu einer Überhitzung der elektrischen Heizanordnung führen kann.
Eine Überhitzung der Heizanordnung kann zu deren Zerstörung aber auch zu einem Verlust der Isolation zwischen den Versorgungszuleitungen und dem Gehäuse führen, da solche Heizanordnungen nur eine begrenzten Betriebstemperaturbereich haben.
Um eine Übertemperatur zu erkennen, kann ein Temperatursensor auf einem Widerstandsheizleiter angeordnet werden. Allerdings wird ein solcher Temperatursensor eine Überhitzung nur in einem begrenzten, ihn umgebenden Bereich detektieren können. Die Überhitzung kann in einem anderen Bereich erfolgen und daher vom Temperatursensor nicht oder zumindest nicht rechtzeitig erkannt werden.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine elektrische Heizanordnung und eine elektrische Heizvorrichtung mit einer solchen Heizanordnung anzugeben, bei denen eine Übertemperatur im gesamten Bereich der Widerstandsheizleiter detektiert werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Heizanordnung mit zumindest einem, auf einem Substrat flächig in Mäanderform angeordneten Widerstandsheizleiter und mit einer über der von dem Widerstandsheizleiter bedeckten Substratfläche angeordneten Fokussiereinrichtung sowie einem, im Fokus der Fokussiereinrichtung angeordneten Infrarotsensor.
Hierdurch kann der gesamte, mit Widerstandsheizleitern bedeckte Bereich auf der Oberfläche des Substrats mit nur einem Sensorelement überwacht werden.
In einer ersten Ausführungsform ist die Fokussiereinrichtung eine Linse. Wenn genügend Platz oberhalb der Substratfläche in dem Gehäuse ist, in dem die Heizanordnung oder eine gesamte Heizvorrichtung untergebracht ist, ist dies eine einfache und kostengünstige Variante.
In einer zweiten Ausführungsform ist die Fokussiereinrichtung ein Prisma.
Bei dieser Ausführung kann da Sensorelement seitlich oder gar auf dem Substrat angebracht werden, so dass weniger Bauhöhe erforderlich ist.
In einer Variante der zweiten Ausführungsform ist das Prisma ein Fresnel-Prisma.
Hierdurch kann weitere Bauhöhe eingespart werden.
In einer dritten Ausführungsform ist die Fokussiereinrichtung ein Spiegel.
Auch hierdurch kann Bauhöhe eingespart werden, außerdem kann in einer Weiterbildung der Spiegel in eine Abdeckung der Heizanordnung, beispielsweise in den Deckel eines Gehäuses integriert sein.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine elektrische Heizvorrichtung mit einer elektrischen Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Substrat auf einem wärmeleitenden Fluidgehäuse mit einem Eingangs- und einem Ausgangsanschluss für ein zu erwärmendes Fluid angeordnet ist, mit einer Steuereinrichtung, die Versorgungsanschlüsse aufweist, die mit dem zumindest einen Widerstandsheizleiter zu dessen Stromversorgung verbunden sind, und die zumindest einen Eingangsanschluss aufweist, der mit dem Infrarotsensor verbunden ist, und wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, ein Signal des Infrarotsensors mit einem vorgegebenen Schwellwert zu vergleichen und bei Überschreiten dieses Schwellwerts die Versorgung des zumindest einen Widerstandsheizleiters aufgrund einer Übertemperatur zu unterbrechen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Heizanordnung eine Mehrzahl von Widerstandsheizleitern auf und die Steuereinrichtung ist eingerichtet, bei Überschreiten dieses Schwellwerts durch das Signal des Infrarotsensors die einzelnen Widerstandsheizleiter einzeln und sukzessive mit Energie zu versorgen, um festzustellen, welcher Widerstandsheizleiter eine Übertemperatur aufweist.
Da die erfindungsgemäße Fokussiereinrichtung die abgegeben Infrarotwärmeenergie quasi über die gesamte mit Widerstandsheizleitern bedeckte Substratoberfläche integriert, kann bei einem Betrieb aller Widerstandsheizleiter nur in allgemeiner Weise eine Übertemperatur festgestellt werden. Durch die sukzessive Versorgung der einzelnen Widerstandsheizleiter mit Energie, insbesondere, nachdem zuvor eine allgemeine Übertemperatur festgestellt wurde, kann nun der Herd der Übertemperatur näher eingekreist werden.
Dabei kann in vorteilhafter Weise die Steuereinrichtung eingerichtet sein, den Schwellwert für das Signal des Infrarotsensors bei Versorgung von jeweils nur einem Widerstandsheizleiter an die geringere Wärmeenergie anzupassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen

1 eine elektrische Heizvorrichtung nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung einer Ansteuervorrichtung für eine elektrische Heizvorrichtung,
3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer elektrischen Heizanordnung,
4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer elektrischen Heizanordnung,
5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer elektrischen Heizanordnung, und
6 eine schematische Darstellung einer Variante der dritten Ausführungsform einer elektrischen Heizanordnung.

Die 1 zeigt in schematischer Weise eine elektrische Heizvorrichtung 1, die mit einer elektrischen Heizanordnung 2 und einer Steuereinrichtung 3 gebildet ist. Die Steuereinrichtung 3 wird dabei mit einer hohen Versorgungsspannung Vbat+ und einer niederen Versorgungsspannung Vbat- einer Batterie 4 versorgt. Die Batterie 4 ist eine Hochvoltbatterie und mit der Fahrzeug- oder Chassismasse GND verbunden. Die elektrische Heizanordnung 2 weist ein Substrat 14 auf, auf dem ein Widerstandsheizleiter 10 als elektrisch leitfähige, mäanderförmige Leitung angeordnet ist. In der schematischen Darstellung der 1 ist nur ein Widerstandsheizleiter 10 angedeutet, es können jedoch auch mehrere solche mäanderförmige Widerstandsheizleiter 10 nebeneinander oder auch in Matrixanordnung vorgesehen sein. Der oder die Widerstandsheizleiter 10 sind mit Versorgungsleitungen 7 verbunden, wie dies in der 2 näher dargestellt ist, die ihrerseits mit der Steuereinrichtung 3 zur Versorgung der Widerstandsheizleiter 10 mit Energie verbunden sind. Das Substrat 14 ist, wie der 2 zu entnehmen ist über ein thermisch leitendes Verbindungsmaterial mit einem Fluidgehäuse 16 verbunden, bzw. auf diesen angeordnet, welches einen Eingangsanschluss 5 und einen Ausgangsanschluss 6 für ein Fluid 17 aufweist. Dass das Fluidgehäuse 16 durchströmende Fluid 17 wird aufgrund der Erwärmung durch die Widerstandsheizleiter 10 erwärmt und soll zur Temperierung der Batterie 4 dienen.
Im Fluidgehäuse 16 sind Finnen 18 ausgebildet, die einen besseren Wärmeübergang von den Widerstandsheizleitern 10 zum Fluid 17 gewährleisten sollen.
Auf dem Substrat 14 oder am Fluidgehäuse 16 im Bereich der Einlassöffnung 5 ist ein erster Temperatursensor 11 und im Bereich des Ausgangsanschlusses 6 des Fluidgehäuses 16 ein zweiter Temperatursensor 12 angeordnet. Auf dem Substrat 14 kann ein dritter Temperatursensor 13 angeordnet sein. Die Temperatursensoren 11, 12, 13 sind über einen oder mehrere Signalleitungen 8 mit dem Steuergerät 3 verbunden, welches ausgebildet ist, aufgrund der mitgeteilten Temperatur die Energiezufuhr zu den Widerstandsheizleitern 10 zu regeln, so dass das Fluid 17 eine gewünschte Temperatur annimmt.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen aber auch aufgrund von Alterungserscheinungen können der oder die Widerstandsheizleiter 10 in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Widerstände annehmen, so dass die Temperaturverteilung auf dem Substrat 14 ungleichmäßig ist und es daher zu lokalen Überhitzungen kommen kann. Wenn dies nicht in der Nähe eines Temperatursensors 11, 12, 13 erfolgt ist es denkbar, dass dies nicht detektiert wird und die Überhitzung über eine zu lange Zeit erfolgt, so dass der Widerstandsheizleiter 10 beschädigt oder gar zerstört wird, was zu einem Totalausfall führen kann.
In erfindungsgemäßer Weise ist daher über der mit Widerstandsheizleitern 10 bedeckten Oberfläche des Substrats 14 eine Fokussiereinrichtung vorgesehen, die die aufgrund der erzeugten Wärme abgestrahlte Infrarotstrahlung auf eine Infrarotsensor 20 fokussiert. Der Infrarotsensor 20 kann dabei in gleicher Weise wie die anderen Temperatursensoren 11, 12, 13 seine Werte über die Signalleitung 8, die insbesondere als digitale serielle Signalleitung ausgebildet ist, an das Steuergerät 3 übertragen.
Die Fokussiereinrichtung kann dabei mehrere Formen annehmen, die in den 3 bis 6 in schematischer Weise dargestellt sind. Die 3 bis 6 zeigen jeweils die elektrische Heizanordnung 2 mit dem Substrat 14 und darauf angeordneten Widerstandsheizleitern 10. In der 3 ist als Fokussiereinrichtung eine Linse 19 vorgesehen, die die Infrarotstrahlung der Widerstandsheizleiter 10 auf den Infrarotsensor 20 fokussiert.
Falls keine ausreichende Bauhöhe in dem Gehäuse, in dem die elektrische Heizanordnung 2 angeordnet ist, vorhanden ist, kann es von Vorteil sein, statt der Linse 19 einen Spiegel 21, wie er in der 4 angedeutet ist, zu verwenden, der in besonders vorteilhafter Weise auch als Teil des Gehäusedeckels ausgebildet sein kann. Hier wird die Infrarotstrahlung über den Spiegel 21 zur Seite oder möglicherweise auch zurück auf die Substratoberfläche reflektiert, wodurch eine nur geringe Bauhöhe erreicht wird. Ein gleicher Vorteil kann auch mit dem Prisma 22 der 5 erreicht werden oder mit einem Fresnelprisma 23, wie es in der 6 angedeutet ist.
Durch die dargestellten Fokussiereinrichtungen der 3 bis 6 ist es also möglich die gesamte Infrarotstrahlung, die aufgrund der Wärmeentwicklung durch die Widerstandsheizleiter 10 auf der Substratoberfläche entsteht auf einen einzigen Infrarotsensor 20 zu fokussieren, wobei die Steuereinrichtung 3 den an sie übermittelten Temperaturwert mit einem Schwellwert vergleichen kann und somit erkennen kann, dass eine Übertemperatur vorliegt.
Allerdings ist es hierdurch noch nicht möglich, festzustellen welcher von mehreren Widerstandsheizleitern 10 die Übertemperatur aufweist. Die Steuereinrichtung 3 ist daher in vorteilhafterweise ausgebildet bei Erkennen der Übertemperatur im gesamten Bereich des Substrats 14 die einzelnen Widerstandsheizleiter 10 sukzessive mit Energie zu versorgen und auf diese Weise denjenigen oder diejenigen der Widerstandsheizleiter 10 aufzumachen, die eine Übertemperatur erzeugen. Da bei einer Beaufschlagung mit Energie nur eines einzigen Widerstandsheizleiters auch nur eine geringere Infrarotenergie abgestrahlt wird, ist die Steuereinrichtung 3 ausgebildet, den Schwellwert zum Vergleich mit der übermittelten Infrarotenergie entsprechend anzupassen. Die Werte für die Schwellwerte können in Experimenten ermittelt werden und in der Steuereinheit abgespeichert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011057108 A1 [0002]
EP 1459332 B1 [0004]

Claims

Elektrische Heizanordnung (2) mit zumindest einem, auf einem Substrat (14) flächig in Mäanderform angeordneten Widerstandsheizleiter (10) und mit einer über der von dem Widerstandsheizleiter (10) bedeckten Substratfläche (14) angeordneten Fokussiereinrichtung sowie einem, im Fokus der Fokussiereinrichtung angeordneten Infrarotsensor (20).
Elektrische Heizanordnung (2) nach Anspruch 1, bei der die Fokussiereinrichtung eine Linse (19) ist.
Elektrische Heizanordnung (2) nach Anspruch 1, bei der die Fokussiereinrichtung ein Prisma (22) ist.
Elektrische Heizanordnung (2) nach Anspruch 3, bei der das Prisma (22) ein Fresnel-Prisma (23) ist.
Elektrische Heizanordnung (2) nach Anspruch 1, bei der die Fokussiereinrichtung ein Spiegel (21) ist.
Elektrische Heizanordnung (2) nach Anspruch 5, bei der der Spiegel (21) in eine Abdeckung der Heizanordnung (2) integriert ist.
Elektrische Heizvorrichtung (1) mit einer elektrischen Heizanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Substrat (14) auf einem wärmeleitenden Fluidgehäuse (16) mit einem Eingangs- (5) und einem Ausgangsanschluss (6) für ein zu erwärmendes Fluid (17) angeordnet ist, mit einer Steuereinrichtung (3), die Versorgungsanschlüsse (7) aufweist, die mit dem zumindest einen Widerstandsheizleiter (10) zu dessen Stromversorgung verbunden sind, und die zumindest einen Eingangsanschluss aufweist, der mit dem Infrarotsensor (20) verbunden ist, und wobei die Steuereinrichtung (3) eingerichtet ist, ein Signal des Infrarotsensors (20) mit einem vorgegebenen Schwellwert zu vergleichen und bei Überschreiten dieses Schwellwerts die Versorgung des zumindest einen Widerstandsheizleiters (10) aufgrund einer Übertemperatur zu unterbrechen.
Elektrische Heizvorrichtung (1) nach Anspruch 7, bei der die Heizanordnung (2) eine Mehrzahl von Widerstandsheizleitern (10) aufweist und bei der die Steuereinrichtung (3) eingerichtet ist, bei Überschreiten dieses Schwellwerts durch das Signal des Infrarotsensors (20) die einzelnen Widerstandsheizleiter (10) einzeln und sukzessive mit Energie zu versorgen, um festzustellen, welcher Widerstandsheizleiter (10) eine Übertemperatur aufweist.
Elektrische Heizvorrichtung (1) nach Anspruch 8, bei der die Steuereinrichtung (3) eingerichtet ist, den Schwellwert für das Signal des Infrarotsensors (20) bei Versorgung von jeweils nur einem Widerstandsheizleiter (10) an die geringere Wärmeenergie anzupassen.