DE102023111558A1

DE102023111558A1 - Elektrischer Heizer für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102023111558A1
Application number: DE102023111558.8A
Authority: DE
Inventors: Mathieu Hildenbrand; Alain CMELIK
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2023-05-04
Filing date: 2023-05-04
Publication date: 2024-11-07
Anticipated expiration: 2043-05-05
Also published as: DE102023111558B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Heizer für ein Fahrzeug, welcher zumindest ein Heizmodul (101) aufweist, wobei das Heizmodul (101) zumindest ein Heizelement (106) umfasst, das zwischen zwei Kontaktelektroden (107) angeordnet ist und durch eine Isolierung (108) von einem umgebenden Rohr (109) elektrisch isoliert ist, wobei auf der Außenfläche des Rohrs (109) wärmeübertragende Elemente (110) angebracht sind, sowie ein Elektronikgehäuse (102) aufweist, wobei das Heizmodul (101) durch zumindest eine Öffnung (112) in das Elektronikgehäuse (102) hineinragt und wobei die Öffnung (112) durch zumindest eine Dichtung (111) abgedichtet wird, sowie zumindest ein Leiterelement (103) aufweist, das im Inneren des Elektronikgehäuses (102) angeordnet ist und das Heizmodul (101) mit dem Elektronikgehäuse (102) elektrisch verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (103) das Heizmodul (101) an einer Stirnseite (104) des Heizmoduls (101) elektrisch kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Heizer für ein Fahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung desselben nach der Gattung des nebengeordneten Patentanspruchs beansprucht.
EP 3 904 781 A1 offenbart eine elektrische Heizvorrichtung zur Erwärmung eines Fluids, die ein Heizmodul sowie ein Steuergehäuse umfasst, wobei das Heizmodul eine äußere Hülle aus Metall oder einer Legierung aufweist und zumindest ein Heizelement umgibt, und wobei das Steuergehäuse eine Leistungselektronik für die elektrische Versorgung des Heizmoduls enthält. Gemäß dieser Anmeldung weist das Steuergehäuse eine Durchgangsöffnung auf, durch die das Heizmodul geführt ist und eine in der Durchgangsöffnung angeordnete Dichtungsanordnung, die Leistungselektronik fluidisch gegen das Fluid abdichtet und das Steuergehäuse von der Heizmodulhülle elektrisch isoliert.
EP 3 493 650 A1 offenbart eine elektrische Heizvorrichtung mit einem Rahmen, in dem ein Leistungsteil angeordnet ist, das Wellrippenelemente und wärmeerzeugende Elemente aufweist, die jeweils zumindest ein zwischen Kontaktblechen angeordnetes PTC-Element umfassen, das außenseitig von einer Isolierung abgedeckt und in einem Flachrohr aufgenommen ist, wobei die Wellrippenelemente an der Außenseite der Flachrohre an ihrer Anschlussseite abgedichtet durch ein Steuergehäuse hindurchgeführt sind und wobei dem Steuergehäuse ein Leiterelement vorgesehen ist, das mehrere Flachrohre elektrisch miteinander verbindet.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, die Sicherheit von Personen während des Betriebs des beschriebenen elektrischen Heizers zu verbessern, insbesondere was die Verringerung der Gefahr eines Strom unfalls durch Berühren von stromführenden Bauteilen bei Fehlfunktionen betrifft. Im Speziellen adressiert die Erfindung die Problematik einer sicheren Kontaktierung trotz thermischer Ausdehnung der heizenden Bauteile. Gleichzeitig besteht die Aufgabe in der modularen Gestaltung und Anpassbarkeit des Heizers an die Anforderungen von unterschiedlichen Fahrzeuganwendungen.
Die Erfindung hat einen elektrischen Heizer für ein Fahrzeug zur Erwärmung eines Fluids zum Gegenstand, der mindestens ein fluidführendes Element aufweist, welches im Wärmeaustausch mit dem Fluid steht.
Die Erfindung hat einen elektrischen Heizer für ein Fahrzeug zum Gegenstand, der zumindest ein Heizmodul aufweist, wobei das Heizmodul zumindest ein Heizelement umfasst, das zwischen zwei Kontaktelektroden angeordnet ist und durch eine Isolierung von einem umgebenden Rohr elektrisch isoliert ist, wobei auf der Außenfläche des Rohrs wärmeübertragende Elemente angebracht sind. Ferner weist der elektrische Heizer ein Elektronikgehäuse auf, wobei das Heizmodul durch zumindest eine Öffnung in das Elektronikgehäuse hineinragt und wobei die Öffnung durch zumindest eine Dichtung abgedichtet wird. Außerdem weist der Heizer zumindest ein Leiterelement auf, das im Inneren des Elektronikgehäuses angeordnet ist und das Heizmodul mit dem Elektronikgehäuse elektrisch verbindet, wobei das Leiterelement erfindungsgemäß das Heizmodul an einer Stirnseite des Rohres elektrisch kontaktiert.
Ein elektrischer Heizer dient der Erwärmung von Fluiden, die während des Betriebs eines Fahrzeugs temperiert werden müssen, beispielsweise Luft für die Fahrerkabine oder Kühlmittel. Hierzu werden Heizelemente mit einer elektrischen Spannung versorgt, wodurch diese sich erwärmen. Das Heizelement kann beispielsweise als Keramik mit PTC Effekt ausgeführt ein oder als eine Widerstandsheizschicht, welche auf ein isolierendes Substrat aufgebracht ist. Um einen effizienten Übergang der Wärme in das Fluid zu gewährleisten und gleichzeitig die Betriebssicherheit und Haltbarkeit zu gewährleisten, sind die Heizelemente in Heizmodulen untergebracht. Ein Heizmodul umfasst zumindest ein Heizelement, das zwischen zwei Kontaktelektroden angeordnet ist und durch eine Isolierung von einem umgebenden Rohr, beispielsweise ein Flachrohr, elektrisch isoliert ist. Jede Kontaktelektrode weist zumindest eine Anschlussfahne auf, die auf einer Seite des Rohrs hinausragt und die zur elektrischen Spannungsversorgung dient. Auf der Außenseite des Rohrs ist zumindest ein wärmeübertragendes Element angebracht, beispielsweise eine Wellrippe, welches vom Fluid umströmt wird und im Wärmeaustausch mit dem Fluid steht. Jedes Rohr weist ein oberes und ein unteres Ende auf, welche jeweils für sich fluidisch abgedichtet sein können, beispielsweise durch einen Stopfen, eine Dichtung oder ein Bauteil, das mehrere Rohre zueinander ausrichtet und gleichzeitig abdichtet. Das obere Ende ist dabei dasjenige Ende, bei dem die Anschlussfahnen der Kontaktelektroden aus dem Rohr hinausragen. Jedes Ende weist dabei eine Stirnfläche auf, welche überwiegend in Längsrichtung des Rohres ausgerichtet ist. Demgegenüber ist die Außenfläche derart definiert, dass Sie zur Längsachse des Rohres gesehen überwiegend orthogonal dazu ausgerichtet ist. Das Rohr ist bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einer Aluminiumlegierung, hergestellt, um einen idealen Wärmeübergang vom Heizelement zum wärmeübertragenden Element zu gewährleisten. Die Isolierung zwischen den Kontaktelektroden und dem Rohr kann beispielsweise durch eine Keramikplatte oder eine Folie erfolgen und sorgt im Regelfall dafür, dass sowohl das Rohr als auch das wärmeübertragende Element im Betrieb spannungsfrei sind. Allerdings kann es im Störungsfall dazu kommen, dass diese Isolierung unzureichend funktioniert, beispielsweise durch Beschädigung der Isolierung oder durch unbeabsichtigtes Eindringen des Fluids in das Rohr, wodurch das Rohr bzw. das wärmeübertragende Element zu stromführenden Bauteilen werden und dies im Fall einer Berührung durch eine Person zu einem Stromunfall führen können.
Des Weiteren weist der elektrische Heizer ein Elektronikgehäuse auf, welches vorzugsweise fluiddicht mit einem Elektronikgehäusedeckel abschließend einen Elektronikinnenraum definiert. Das Elektronikgehäuse weist vorzugsweise einen elektrisch leitfähigen Werkstoff auf, besonders bevorzugt ein Metall, beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
Alternativ kann das Elektronikgehäuse auch aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff ausgeführt sein, beispielsweise einem Kunststoff. In diesem Fall ist das Elektronikgehäuse zumindest teilweise mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung oder einem anderen elektrischen Leiter ausgeführt, um den erfindungsgemäßen elektrischen Kontakt mit dem Neutralleiter bzw. Masseanschluss des Fahrzeugs herzustellen.
Im Elektronikinnenraum können Bauteile untergebracht sein, welche zur Steuerung und Spannungsversorgung der jeweiligen Heizmodule dienen, beispielsweise eine Leitungselektronik oder eine Busbar. Als Spannungsquelle kann beispielsweise eine Batterie dienen. Die Spannung zum Betrieb des Heizers liegt bevorzugt im Hochspannungsbereich, also oberhalb von 48V, besonders bevorzugt oberhalb von 240V.
Um die elektrische Kontaktierung zwischen Leistungselektronik und Heizmodulen zu ermöglichen, weist das Elektronikgehäuse darüber hinaus eine Anzahl Öffnungen auf, die vorzugsweise der Anzahl der Heizmodule entsprechen. Zumindest ein Heizmodule ragt zumindest teilweise durch die Öffnung in den Elektronikinnenraum hinein und ist dort elektrisch über die Anschlussfahnen der Kontaktelektroden mit der Leistungselektronik verbunden. Der Raum zwischen der Öffnung und dem Heizmodul ist durch ein Dichtelement, beispielsweise eine Silikondichtung, fluidisch abgedichtet, um den Elektronikinnenraum vom Fluid und der Umgebung abzudichten. Vorzugsweise ist das Elektronikgehäuse aus einem metallischen Material hergestellt, welches elektrisch leitend ist. Um zu vermeiden, dass am Elektronikgehäuse im Fall einer Fehlfunktion eine Spannung anliegt, ist das Elektronikgehäuse mit dem Neutralleiter bzw. Masseanschluss des Fahrzeugs verbunden. Somit wird verhindert, dass dieser Fall bei Berührung durch eine Person zu einem Stromunfall führen kann.
Darüber hinaus weist der elektrische Heizer zumindest ein Leiterelement auf, welches das Heizmodul, elektrisch mit dem Elektronikgehäuse und infolgedessen mit dem Neutralleiter bzw. Masseanschluss des Fahrzeugs verbindet. Erfindungsgemäß erfolgt der Kontakt des Leiterelements mit dem Heizmodul an einer Stirnseite des Heizmoduls, vorzugsweise an der Stirnseite des Rohrs, besonders bevorzugt am oberen Ende des Rohrs. Das Leiterelement ist zu diesem Zweck vorzugsweise im Elektronikinnenraum angeordnet. Der elektrische Kontakt kann dabei durch einen Punkt- Linien- oder Flächenkontakt zwischen Leiterelement und Heizmodul bzw. Leiterelement und Elektronikgehäuse hergestellt werden. Das Leiterelement weist funktionsbedingt zumindest teilweise einen elektrisch leitenden Werkstoff auf, vorzugsweise ein Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Der Ort, an dem das Leiterelement in elektrischem Kontakt mit dem jeweiligen Bauteil, also dem Heizmodul bzw. dem Elektronikgehäuse steht, wird im Folgenden auch pauschal als „Kontaktfläche“ bezeichnet, wobei auch Punkt- und Linienkontakte eingeschlossen sind.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Elektronikgehäuse aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff, vorzugsweise einem nichtmetallischen Werkstoff, beispielsweise einem Kunststoff, bestehen. In diesem Fall weist das Elektronikgehäuse eine elektrisch leitende Busbar auf, die derart angeordnet ist, dass das Leiterelement elektrisch in Kontakt mit der Busbar anstelle dem Elektronikgehäuse selbst steht und durch die Busbar mit dem Masseanschluss des Fahrzeugs verbunden ist. Die Busbar kann dabei aus einem metallischen Werkstoff bestehen und als separates Bauteil auf das Elektronikgehäuse angebracht oder form- bzw. stoffschlüssig mit dem Elektronikgehäuse verbunden sein, beispielsweise durch Eingießen bzw. Umspritzen, oder als Beschichtung auf das Elektronikgehäuse aufgebracht werden.
In einer ersten vorteilhaften Ausführung ist das Leiterelement in Längsrichtung des Rohrs gesehen vollständig oberhalb des Heizmoduls angeordnet. Als oberhalb wird als der Bereich definiert, welcher in Längsrichtung des Heizmoduls betrachtet auf das obere Ende Heizmoduls bzw. des Rohrs folgt und dabei in orthogonaler Richtung auch über die projizierte bzw. fortgesetzte Außengeometrie des Heizmoduls bzw. des Rohres hinausgehen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das Leiterelement einstückig mit dem Elektronikgehäuse ausgeführt oder einstückig mit dem Heizmodul ausgeführt. Hierbei kann die Verbindung zwischen Leiterelement und dem entsprechenden Bauteil beispielsweise durch eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung erzielt werden. Dabei kann die elektrische Verbindung zwischen dem Leiterelement und dem entsprechenden Bauteil entweder sowohl die einstückige Verbindung erfolgen als auch über ein Kontaktelement, welches als Teil des Leiterelements mit einem elektrisch leitfähigen Bereich des entsprechenden Bauteils verbunden ist. Eine formschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch eine Schraub-, Clip-, oder Steckverbindung realisiert werden, eine stoffschlüssige Verbindung beispielsweise durch Kleben, verschweißen oder Umspritzen/Umgießen des Leiterelements.
Bevorzugt ist das Leiterelement nur mit einem benachbarten bzw. zugeordneten Heizmodul elektrisch verbunden. Vorzugswese entspricht dabei die Anzahl der Leiterelemente der Anzahl der Heizmodule, wodurch jedem Heizmodul ein entsprechendes Leiterelement zugeordnet werden kann, sodass bei einem Heizer mit einer Vielzahl von Heizmodulen eine, vorzugsweise äquivalente, Vielzahl von Leiterelementen zum Einsatz kommt. Das Heizmodul, welches die geringste räumliche Entfernung zum Leiterelement aufweist ist als das benachbarte Heizmodul anzusehen. Diese Ausführungsform erlaubt einen modularen Aufbau des Heizers, da eine einmalig konstruierte Heizmodul- und Leiterelementbauform mehrfach verwendet werden kann. Damit können unterschiedliche Leistungsanforderungen verschiedener Fahrzeuganwendungen allein durch Variation der Heizmodulanzahl erfüllt werden, wodurch lediglich das Elektronikgehäuse neu konstruiert werden muss. Eine solche Strategie der Verwendung von gleichen Bauteilen erlaubt eine kostengünstige und effiziente Herstellung der Bauteile sowie eine einfachere Montage des Heizers selbst.
Die Leiterelemente können dabei baugleich sein und/oder an die Geometrie des Heizmoduls, des Elektronikgehäuses oder eines anderen Bauteils sowie abhängig von der jeweiligen Einbaulage angepasst sein. Ferner können die Leiterelemente sich geometrisch oder hinsichtlich des verwendeten Werkstoffes unterscheiden.
In einer alternativen Ausführung sind zumindest zwei Leiterelemente miteinander durch ein nichtleitendes Element verbunden. Vorzugsweise ist das nichtleitende Element mechanisch mit einem weiteren Bauteil des elektrischen Heizers verbunden, beispielsweise dem Elektronikgehäuse. Diese mechanische Verbindung kann beispielsweise durch eine Schraub-, Niet-, Clip-, Press- oder anderweitige form- bzw. kraftschlüssige Verbindung erfolgen. Das nichtleitende Element kann unter anderem der Positionssicherung der Leiterelemente zueinander oder innerhalb des Elektronikgehäuses dienen. Ferner kann das nichtleitende Element auch eine abdichtende Funktion für andere Bauteile erfüllen. Vorzugsweise besteht das nichtleitende Element aus einem nichtleitenden Werkstoff, vorzugsweise einem nichtmetallischen Werkstoff, beispielsweise einem Kunststoff.
In einer besonders bevorzugten Ausführung weist das Leiterelement zumindest ein Federelement auf, welches im Einbauzustand gespannt ist und durch die daraus resultierende Federkraft einen elektrischen Kontakt zwischen dem Leiterelement und dem anliegenden Bauteil sicherstellt.
Das Federelement kann zumindest teilweise an der Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Heizmodul und dem Elektronikgehäuse beteiligt sein. In diesem Fall weist das Federelement einen elektrisch leitfähigen Werkstoff auf. Allerdings sind auch Ausführungen denkbar, bei denen das Federelement lediglich jeweils einen elektrisch leitenden Werkstoff auf die Kontaktoberflächen des Heizmoduls und des Elektronikgehäuses drückt und durch Einbringen der Federkraft für einen kraftschlüssigen Kontakt sorgt.
Vorzugsweise ist das Federelement derart ausgebildet, dass ein stärkeres Einführen des Heizmoduls in das Gehäuse zu einer zusätzlichen Auslenkung bzw. Spannung der Feder führt. Besonders bevorzugt ist das Federelement als Drehfeder oder Schenkelfeder, alternativ auch als Spiralfeder oder Torsionsfeder ausgebildet. Hierbei sind die beiden Kontaktflächen über zumindest zwei Schenkel mit einer spiralförmig angeordneten Rotationsfeder bzw. einem Torsionsstab angebunden. Eine Auslenkung führt damit zu einer Änderung des Winkels zwischen den Schenkeln, was je nach Richtung zu einer Erhöhung oder Reduzierung der Federkraft führt. In der hier genannten
Besonders bevorzugt entspricht die Richtung des Federkraftvektors in der zuvor genannten Ausführungsform überwiegend der Längsachse des Rohrs des Heizmoduls. Hierdurch führt eine Längenänderung des Heizmoduls, welche beispielsweise aus der thermischen Deformation des Rohres entsteht, lediglich zu einer Erhöhung der Federkraft und hat somit keine negativen Auswirkungen auf die Qualität der elektrischen Verbindung zwischen dem Leiterelement und dem Heizmodul. Eine solche Bauform stellt demnach den elektrischen Kontakt zwischen dem Heizmodul und dem Masseanschluss bzw. Neutralleiter des Fahrzeugs auch im Fall von thermischen Deformationen des Heizmoduls während des Betriebs. Im Allgemeinen kann eine thermische Deformation des Rohres selbstverständlich zu einer geringen Verschiebung der Kontaktfläche entlang der Stirnseite des Rohres führen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist der elektrische Heizer zusätzlich ein Abdeckungselement auf, welches im Elektronikgehäuse derart angeordnet ist, dass es das Heizmodul zu der Leiterbahn hin abgrenzt. Vorzugsweise dichtet das Abdeckungselement darüber hinaus auch das obere Ende des Rohres fluiddicht ab, wobei entsprechende Öffnungen für die Kontaktelektroden bzw. die Anschlussfahnen der Kontaktelektroden des Heizmoduls zur Leistungselektronik hin vorgesehen sind, um einen elektrischen Kontakt zwischen den Kontaktelektroden und der Leistungselektronik zu ermöglichen. Besonders bevorzugt ist das Abdeckungselement mit dem Elektronikgehäuse mechanisch verbunden, beispielsweise durch eine Schraub- oder Clipverbindung. Ferner kann das Abdeckungselement auch als Positionierhilfe einer Vielzahl von Heizmodulen zueinander und/oder einer Vielzahl von Leiterelementen zueinander und/oder einer Vielzahl von Heizmodule und einer Vielzahl von Leiterelementen zueinander während des Herstellprozesses dienen. Vorzugsweise ist das Abdeckungselement derart gestaltet, dass die Leistungselektronik das Abdeckungselement berührt oder sich darauf zumindest teilweise abstützt. Das Abdeckungselement ist bevorzugt aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff, bevorzugt einem nichtmetallischen Werkstoff, beispielsweise Kunststoff, ausgeführt.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Elektronikgehäuse aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff ausgeführt. Anstelle oder zusätzlich zu der bereits beschriebenen Ausführungsform, bei der das Elektronikgehäuse eine elektrisch leitende Busbar aufweist, kann das Abdeckungselement ganz oder teilweise aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, beispielsweise einem metallischen Werkstoff ausgeführt sein und elektrisch mit dem Neutralleiter bzw. Masseanschluss des Fahrzeugs verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Abdeckungselement eine Busbar aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise einem metallischen Werkstoff, aufweisen. In dieser alternativen Ausführungsform ist das Leiterelemente derart angeordnet, dass das Heizmodul durch das Leiterelement mit dem elektrisch leitenden Bereich des Abdeckungselements bzw. der Busbar des Abdeckungselements anstelle des Elektronikgehäuses verbunden ist. Wie bereits zuvor beschrieben kann auch die Busbar des Abdeckungselements als separates Bauteil auf das Abdeckungselement angebracht oder form- bzw. stoffschlüssig mit dem Abdeckungselement verbunden sein, beispielsweise durch Eingießen bzw. Umspritzen, oder aber als Beschichtung auf das Abdeckungselement aufgebracht werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des elektrischen Heizers ist das Leiterelement mechanisch mit dem Abdeckungselement verbunden. Diese mechanische Verbindung kann entweder Formschlüssig erfolgen, beispielsweise durch entsprechend zueinander passend ausgeprägte Geometrien an Leiterelement und Abdeckelement wie ein Haken bzw. Schirmform und die dazu passende Öffnung, oder aber durch eine Schraub-, Clip-, oder Klemmverbindung. Auch eine einstückige Ausführung ist denkbar, in Frage kämen beispielsweise eine Kleb- oder Schweißverbindung oder aber das Einbetten des Leiterelements in das Abdeckelement durch Umspritzen. Besonders bevorzugt wird das Abdeckungselement als Montagehilfe für das Leiterelemente derart angewendet, als dass das Leiterelemente zunächst mit dem Abdeckungselement verbunden wird und anschließend die Baugruppe in den Gehäuseinnenraum eingebracht wird.
Beansprucht wird außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizers für ein Fahrzeug, das zumindest, aber nicht ausschließlich, die folgenden Schritte aufweist:

- Das Bereitstellen zumindest eines Heizmoduls, wobei das Heizmodul aus zumindest einem Heizelement besteht, welches zwischen zwei Kontaktelektroden angeordnet ist und durch eine Isolierung von einem darin untergebrachten und es umgebenden Rohr elektrisch isoliert ist, sowie zumindest einem auf der Außenseite des Rohres angebrachten wärmeübertragenden Elements.
- Das Ausrichten des Heizmodules zu einem Elektronikgehäuse, wobei das Heizmodul durch eine Öffnung in den Innenraum des Elektronikgehäuses ragt.
- Das Anbringen zumindest einer Dichtung in den Raum zwischen dem Elektronikgehäuse und der Außenseite des durch diese Öffnung ragenden Heizmoduls.
- Das Ausrichten und Einbringen zumindest eines Leiterelements gegenüber dem Heizmodul derart, dass das Leiterelement das Heizmodul an der Stirnseite des Heizmoduls bzw. des Rohres elektrisch kontaktiert und somit eine elektrische Verbindung zum Elektronikgehäuse herstellt.

Es versteht sich, dass die Schritte in ihrer Reihenfolge gegebenenfalls variiert werden können. Alternativ kann der Herstellschritt der Ausrichtung und Einbringung des Leiterelements durch die beiden folgenden Schritte ersetzt werden:

- Die Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen dem Leiterelement und einem Abdeckungselement.
- Das Einbringen des Abdeckungselements mit dem vormontierten Leiterelement in das Elektronikgehäuse derart, dass das Leiterelement das Heizmodul an der Stirnseite des Rohres elektrisch kontaktiert und somit eine elektrische Verbindung zum Elektronikgehäuse herstellt.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform weist das Herstellverfahren einen weiteren Schritt auf, bei dem zumindest zwei Leiterelemente vor dem Einbau durch ein elektrisch nichtleitendes Element verbunden werden, beispielsweise durch Umspritzen oder Umgießen. In diesem Fall muss zumindest ein zweites Heizmodul identischer Bauart erfolgen. Außerdem erfolgt anstelle der Ausrichtung und Einbringung der Leiterelemente gegenüber den zumindest zwei Heizmodulen folglich die Ausrichtung und Einbringung des nichtleitenden Elements, mit dem die zumindest zwei Leiterelemente verbunden sind, gegenüber den Heizmodulen, sodass diese über die jeweiligen Leiterelemente mit dem Elektronikgehäuse elektrisch leitend verbunden sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Diese zeigen, jeweils schematisch:

1 eine Darstellung der Hauptkomponenten des Heizers, die elektrisch miteinander verbunden sind,
2 den Querschnitt eines Heizmoduls für den elektrischen Heizer,
3 die Schnittansicht einer vereinfachten Ausführungsform des Heizers,
4 drei beispielhafte Ausführungsformen für die Befestigung des Leiterelements,
5 die Auswirkung der thermischen Ausdehnung des Heizmoduls bei gegenüberliegenden Kontaktseiten,
6 die Auswirkung der thermischen Ausdehnung des Heizmoduls bei nicht gegenüberliegenden Kontaktseiten,
7 den vereinfachten Querschnitt des Elektronikgehäuses des Heizmoduls und des Leiterelements einer beispielhaften Ausführungsform des Heizers.

1 zeigt eine schematische Darstellung der Hauptkomponenten eines elektrischen Heizers (100), welche elektrisch miteinander verbunden sind. Zu erkennen sind insbesondere ein Heizmodul (101) sowie das Elektronikgehäuse (102), welches mit dem Neutralleiter bzw. Masseanschluss des Fahrzeugs verbunden ist. Das Leiterelement (103) verbindet das Heizmodul (101) elektrisch mit dem Elektronikgehäuse (102), wobei der Kontakt zwischen dem Heizmodul (101) und dem Leiterelement (103) an der Stirnseite (104) des Heizmoduls (101) erfolgt. Ebenfalls zu erkennen ist die Hauptrichtung der thermischen Ausdehnung (105) des Heizmoduls (101). Diese zeigt die Richtung an, in die sich das Heizmodul (101) überwiegend ausdehnt infolge der Erwärmung der in dieser Ansicht nicht sichtbaren Heizelemente (106). Um ebendiese thermische Ausdehnung kompensieren zu können ist das Leiterelement (103) als Federelement ausgeführt.
2 zeigt den schematischen Querschnitt durch ein Heizmodul (101) für einen elektrischen Heizer (100), aufweisend ein Heizelement (106), welches im gezeigten Ausführungsbeispiel als quaderförmiger PTC-Stein ausgeführt ist. Das Heizelement (106) ist auf zwei gegenüberliegenden Seiten elektrisch mit Kontaktelektroden (107) verbunden, welche die Spannungsversorgung des Heizelements (106) gewährleisten. Durch die angeschlossene Isolierung (108), hier dargestellt als keramische Isolierplatten, erfolgt eine elektrische Isolierung gegenüber dem Rohr (109), hier dargestellt als Flachrohr. Ebenfalls dargestellt sind die wärmeübertragenden Elemente (110), welche an der Außenseite des Rohrs (109) angebracht sind und mit dem sie umströmenden Fluid in wärmeübertragendem Kontakt stehen.
3 zeigt die vereinfachte Schnittansicht eines Teils des Elektronikgehäuses (102). Zu erkennen ist eine Öffnung (112) im Elektronikgehäuse (102), durch die ein Heizmodul (101) teilweise in das Elektronikgehäuse (102) hineinragt. Der Raum in der Öffnung zwischen Heizmodul (101) und Elektronikgehäuse (102) wird von einer Dichtung (111) ausgefüllt und sorgt für eine fluiddichte Abdichtung. Ferner ist das Leiterelement (103) erkennbar, welches das Heizmodul (101) und das Elektronikgehäuse (102) elektrisch miteinander verbindet, wobei der elektrische Kontakt zwischen Heizmodul (101) und Leiterelement (103) an der Stirnseite (104) des Heizmoduls (101) erfolgt. Um eine thermische Ausdehnung entlang der Hauptrichtung (105) des Heizmoduls (101) kompensieren zu können, ist das Leiterelement (103) in dieser Abbildung als Drehfeder ausgeführt, welche über zwei Schenkel jeweils mit den beiden Körpern elektrisch in Kontakt steht.
4 zeigt schematisch drei beispielhafte Ausführungsformen (4a, 4b, 4c) für die Befestigung bzw. den Ort der Befestigung (113) des Leiterelements (103), welches jeweils als Drehfeder mit zwei Schenkeln dargestellt ist. In der ersten beispielhaften Ausführungsform 4a ist das Leiterelement (103) überwiegend drehbar mit dem Heizmodul (101) verbunden, beispielsweise durch eine Stift- oder Clipverbindung, wodurch eine Relativbewegung zwischen Leiterelement (103) und Heizmodul (101) verhindert wird. Ein Ausgleich der thermischen Ausdehnung in Hauptrichtung (105) erfolgt somit durch eine Auslenkung des Schenkels, der das Leiterelement (103) elektrisch mit dem Elektronikgehäuse (102) verbindet. In der zweiten beispielhaften Ausführungsform 4b ist das Leiterelement (103) überwiegend drehbar mit dem Elektronikgehäuse (102) verbunden, beispielsweise durch eine Stift- oder Steckverbindung. Hierdurch werden Relativbewegungen zwischen dem Leiterelement (103) und dem Elektronikgehäuse (102) verhindert. Ein Ausgleich der thermischen Ausdehnung in Hauptrichtung (105) erfolgt somit durch eine Auslenkung des Schenkels, der das Leiterelement (103) elektrisch mit dem Heizmodul (101) verbindet. In der dritten Ausführungsform 4c ist das Leiterelement (103) überwiegend schwimmend drehbar gelagert, wodurch das Leiterelement (103) eine Relativbewegung sowohl gegenüber dem Heizmodul (101) als auch dem Elektronikgehäuse (102) ausführen kann, es jedoch gegen ein ungewolltes Herausfallen gesichert ist. Dies kann beispielsweise durch zwei begrenzende Führungswände oder eine Führungsschiene realisiert werden, welche sich entweder am Heizmodul (101) oder am Elektronikgehäuse (102) oder einem dritten Bauteil befinden können und das Leiterelement (103) lediglich eingeschoben bzw. eingeclipt wird.
5 zeigt schematisch die Auswirkung der thermischen Ausdehnung des Heizmoduls entlang der Hauptrichtung (105) des Heizmoduls (101) bei überwiegend gegenüberliegenden Kontaktseiten. Gegenüberliegende Kontaktseiten liegen dann vor, wenn die Stirnseite (104) des Heizmoduls überwiegend parallel zur Kontaktseite des Elektronikgehäuses (102), also der Seite, an der das Leiterelement (103) elektrisch mit dem Elektronikgehäuse (102) in Kontakt steht, orientiert ist. Zu erkennen ist der kalte (links) und warme (rechts) Zustand des Heizmoduls (101) sowie die daraus resultierenden Abstände d₁ und d₂ zwischen der Stirnseite (104) und der Kontaktseite des Heizmoduls (101). Durch die Erwärmung des Heizmoduls (101) reduziert sich der Abstand im kalten Zustand d₁ (links) um die Differenz Δd zum Abstand im warmen Zustand d₂ (rechts).
6 zeigt schematisch die Auswirkung der thermischen Ausdehnung des Heizmoduls (101) entlang der Hauptrichtung (105) des Heizmoduls (101) bei überwiegend nicht gegenüberliegenden Kontaktseiten. Im Gegensatz zu 5 ist dabei Kontaktseite des Elektronikgehäuses (102) nicht parallel zur Stirnseite (104) des Heizmoduls (101). Im gezeigten Beispiel ist die Orientierung nahezu orthogonal, wobei jedoch auch andere Ausrichtungen denkbar sein können. Erkennbar ist das Elektronikgehäuse (102) und ein Leiterelement (103), welches im gezeigten Beispiel erneut als Drehfeder ausgeführt ist und drehbar mit dem Elektronikgehäuse (102) verbunden ist, wodurch Relativbewegungen zwischen Leiterelement (103) und Elektronikgehäuse (102) verhindert werden. Das Leiterelement (103) weist zwei Schenkel auf, mit denen es jeweils elektrisch mit dem Elektronikgehäuse (102) und der Stirnseite (104) des Heizmoduls (101) in Kontakt steht. Beide Schenkel schließen einen Winkel α ein. Ferner erkennt man einen vereinfachten Querschnitt des Heizmoduls (101), welcher das Rohr (109) und die beiden Anschlussfahnen (114) des Heizmoduls (101) zeigen. Darüber hinaus erkennt man eine Differenz Δd, welche durch die thermische Ausdehnung entlang der Hauptrichtung (105) des Heizmoduls (101) hervorgerufen wird. Diese bewirkt eine Veränderung des Winkels α vom kalten Zustand α₁ zum warmen Zustand α₂ hin.
7 zeigt den vereinfachten Querschnitt des Elektronikgehäuses (102), des Heizmoduls (101) und des Leiterelements (103) einer beispielhaften Ausführungsform des elektrischen Heizers (100). Das Elektronikgehäuse (102) bildet dabei zusammen mit dem Elektronikgehäusedeckel (115) einen Elektronikinnenraum (116) aus. Erkennbar sind das Heizmodul (101) welches durch die Öffnung (112) in das Elektronikgehäuse (102) bzw. den Elektronikinnenraum (116) hineinragt, wobei eine Dichtung (111) die Öffnung (112) fluiddicht verschließt. Ein Abdeckelement (118) ist an einer Auflagefläche (119) mit dem Elektronikgehäuse (102) verbunden und vorzugsweise mit diesem mechanisch verbunden, beispielsweise durch eine Schraub- oder Clipverbindung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen sowohl das Abdeckelement (118) als auch das Elektronikgehäuse (102) ein elektrisch leitfähiges Material auf, wodurch die Bauteile über die Auflagefläche (119) auch elektrisch verbunden sind. Erkennbar ist weiter eine Leiterplatte (117), welche über eine Auflagefläche (120) auf dem Abdeckelement (118) aufgelegt ist und im gezeigten Fall mechanisch mit diesem verbunden ist, beispielsweise durch eine Schraubverbindung. Die Leiterplatte (117) ist ferner über die Anschlussfahnen (114) des Heizmoduls (101) elektrisch in Kontakt. Dadurch können die Kontaktelektroden (107) des Heizmoduls (101) mit Spannung versorgt werden, was wiederum zur Versorgung und Steuerung des Heizelements (106) genutzt wird. Um den Kontakt zu ermöglichen, sind Aussparungen im Abdeckelement (118) im Bereich um die Anschlussfahnen (114) erkennbar. Abgesehen von diesen Aussparungen deckt das Abdeckelement (118) das Heizmodul (101) zur Leiterplatte (117) hin ab, vorzugsweise fluiddicht. Erkennbar ist darüber hinaus ein Leiterelement (103), welches als Drehfeder mit zwei Schenkeln ausgeführt ist und drehbar mit dem Abdeckelement (118) verbunden ist, wodurch eine Relativbewegung zwischen dem Abdeckelement (118) und dem Leiterelement (103) verhindert wird. Einer der Schenkel des Leiterelements (103) ist mit der Stirnseite (104) des Heizmoduls (101) in elektrischem Kontakt. Dadurch ergibt sich eine elektrische Verbindung des Heizmoduls (101) über das Leiterelement (103) und das Abdeckelement (118) mit dem Elektronikgehäuse (102), welches wiederum mit dem Neutalleiter bzw. Masseanschluss des Fahrzeugs verbunden ist.
Bezugszeichenliste

100: Elektrischer Heizer
101: Heizmodul
102: Elektronikgehäuse
103: Leiterelement
104: Stirnseite
105: Hauptrichtung der thermischen Ausdehnung
106: Heizelement
107: Kontaktelektrode
108: Isolierung
109: Rohr
110: Wärmeübertragendes Element
111: Dichtung
112: Öffnung im Elektronikgehäuse
113: Lagerungspunkt des Leiterelements
114: Anschlussfahne des Heizmoduls
115: Elektronikgehäusedeckel
116: Elektronikinnenraum
117: Leiterplatte
118: Abdeckungselement
119: Auflagefläche für das Abdeckungselement am Elektronikgehäuse
120: Auflagefläche für die Leiterplatte am Abdeckungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3 904 781 A1 [0002]
EP 3 493 650 A1 [0003]

Claims

Ein elektrischer Heizer (100) für ein Fahrzeug, aufweisend - zumindest ein Heizmodul (101), wobei das Heizmodul (101) zumindest ein Heizelement (106) umfasst, das zwischen zwei Kontaktelektroden (107) angeordnet ist und durch eine Isolierung (108) von einem umgebenden Rohr (109) elektrisch isoliert ist, wobei auf der Außenfläche des Rohrs (109) wärmeübertragende Elemente (110) angebracht sind, - ein Elektronikgehäuse (102), wobei das Heizmodul (101) durch zumindest eine Öffnung (112) in das Elektronikgehäuse (102) hineinragt und wobei die Öffnung (112) durch zumindest eine Dichtung (111) abgedichtet wird, sowie - zumindest ein Leiterelement (103), das im Inneren des Elektronikgehäuses (102) angeordnet ist und das Heizmodul (101) mit dem Elektronikgehäuse (102) elektrisch verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (103) das Heizmodul (101) an einer Stirnseite (104) elektrisch kontaktiert.
Heizer (100) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (103) in Längsrichtung des Heizmoduls (101) gesehen vollständig oberhalb des Heizmoduls (101) angeordnet ist.
Heizer (100) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (103) einstückig mit dem Elektronikgehäuse (102) oder einstückig mit dem Heizmodul (101) ausgeführt ist.
Heizer (100) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Leiterelement (103) ein ihm benachbartes Heizmodul (101) elektrisch mit dem Elektronikgehäuse (102) verbindet.
Heizer (100) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (103) zumindest ein Federelement aufweist, welches im Einbauzustand gespannt ist und durch die daraus resultierende Federkraft einen elektrischen Kontakt zwischen dem Leiterelement (103) und dem anliegenden Bauteil (101, 102) sicherstellt.
Heizer (100) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (103) derart gestaltet ist, dass der Federkraftvektor des gespannten Federelements überwiegend parallel zur Ausdehnungsrichtung des Heizmoduls (101) wirkt.
Heizer (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend ein Abdeckungselement (118), welches das in das Elektronikgehäuse (102) hineinragende Heizmodul (101) zu einer Leiterplatte (117) hin zumindest teilweise abdeckt.
Heizer (100) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Leiterelement (103) mechanisch mit dem Abdeckungselement (118) verbunden ist, beispielsweise durch eine Schraub- oder Clipverbindung.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizers für ein Fahrzeug, aufweisend die folgenden Schritte: - Bereitstellen zumindest eines Heizmodules (101), aufweisend zumindest ein Heizelement (106), welches zwischen zwei Kontaktelektroden (107) angeordnet ist und durch eine Isolierung (108) von einem umgebenden Rohr (109) elektrisch isoliert ist, wobei auf der Außenseite des Rohrs (109) wärmeübertragende Elemente (110) angeordnet sind, - Ausrichten des Heizmodules (101) zu einem Elektronikgehäuse (102), wobei das Heizmodul (101) zumindest teilweise durch eine Öffnung (112) des Elektronikgehäuses (102) ragt, - Anbringen zumindest einer Dichtung (111) in die Öffnung (112) zwischen dem Elektronikgehäuse (102) und dem Heizmodul (101), - Ausrichtung und Anbringung eines Leiterelements (103) derart, dass das Leiterelement (103) das Heizmodul (101) an der Stirnseite (104) des Heizmoduls (101) elektrisch kontaktiert und somit eine elektrische Verbindung zum Elektronikgehäuse (102) herstellt.