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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.
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EP 4 243 568 A1 offenbart eine elektrische Heizvorrichtung mit zumindest zwei Heizmodulen und einem Steuergehäuse mit einer darin angeordneten Leistungselektronik, wobei die elektrisch leitfähige äußere Hülle des jeweiligen Heizmoduls an einer in das Innere des Steuergehäuse ragenden Seitenfläche der äußeren Hülle durch eine elektrische Leiteranordnung mit dem Boden des Steuergehäuses elektrisch leitend verbunden wird. Die elektrische Leiteranordnung umfasst zumindest ein elektrisch leitendes Zwischenelement sowie eine Abdeckung, die das Zwischenelement in zum Boden des Steuergehäuses entgegengesetzter Richtung abdeckt. Offenbart wird ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung der beschriebenen Heizvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit der beschriebenen Heizvorrichtung.
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US 2004 / 0 112 884 A1 offenbart ein elektrisches Heizsystem für Kraftfahrzeuge mit einem oder mehreren elektrischen Heizelementen, einer in einem Gehäuse angeordneten Steuerschaltung mit einem oder mehreren auf der Steuerschaltung angebrachten Leistungshalbleitern zur Steuerung der von den Heizelementen abgestrahlten Leistung und mit einer als Massenpotential vorgesehenen Metallplatte, welche auf der vom Leistungshalbleiter abgewandten Seite der Leiterplatte angeordnet ist und mit der Leiterplatte fest verbunden sowie von den auf der Unterseite der Leiterplatte befindlichen Leiterbahnen elektrisch isoliert ist. Ein oder mehrere Kühlkörper sind außerhalb des Gehäuses vorgesehen und die Metallplatte ist mit dem zumindest einen außerhalb des Gehäuses angeordneten Kühlkörper durch wärmeleitende Steckverbinder verbunden.
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CN 1 03 179 700 A offenbart ein wärmeerzeugendes Element mit einem Positionsrahmen, der eine Aufnahme ausbildet, in der wenigstens ein PTC-Element aufgenommen ist, und zwei an gegenüberliegenden Seiten des PTC-Elementes anliegenden Kontaktblechen sowie einer mit dem Positionierrahmen verbundenen Blechabdeckung des PTC-Elementes. Ferner wird eine elektrische Heizvorrichtung offenbart, mit einem Rahmen, der an gegenüberliegenden Seiten eine Öffnung für den Durchtritt eines zu erwärmenden Mediums ausbildet, und einem in dem Rahmen angeordneten Schichtaufbau, der Lagen von Wellrippen- und Wärme erzeugenden Elementen umfasst, wobei das Wärme erzeugende Element wenigstens ein zwischen zwei parallelen Kontaktblechen angeordnetes PTC-Element hat und beidseitig mit einer zwischen den Wellrippenelementen und dem Kontaktblech angeordneten Blechabdeckung versehen ist.
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EP 4 242 547 A1 offenbart eine elektrische Heizvorrichtung mit mindestens zwei Heizmodulen, einem Steuergehäuse und einer darin angeordneten Leistungselektronik für die elektrische Versorgung der Heizmodule sowie eine elektrisch leitende Leiteranordnung mit einer Schiene, aus der ein Arm hervorsteht, welcher eine elektrisch leitende Außenschale des jeweiligen Heizmoduls mit dem Gehäuse elektrisch leitend verbindet. Offenbart wird ferner ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Heizeinrichtung.
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KR 10 1 115 952 B1 offenbart eine Stromversorgungsstruktur für ein elektronisches Heizgerät mit mehreren Flachrohren, wobei ein Abschnitt der äußeren Oberfläche des Flachrohres aus einem Rahmen hervorsteht und wobei jeweils ein erster Draht mit der hervorstehenden äußeren Oberfläche der Flachrohre derart verbunden ist, dass daran ein Minus-Pol angelegt werden kann. Das Flachrohr weist ferner darin eingebauten Heizmittel und ein um eine vorgegebene Länge hervorstehendes Heizmittel-Verbindungsstück auf, wobei ein zweiter Draht mit dem hervorstehenden Heizmittel-Verbindungsstück derart verbunden ist, dass daran ein Plus-Pol angelegt werden kann. Ein Isolierelement ist auf der Außenfläche des Rahmens derart angeordnet, dass die elektrische Anschlussposition des ersten Drahtes und des zweiten Drahtes durch deren Positionierung über bzw. unter dem Isolierelement getrennt werden.
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US 2021 / 0 045 194 A1 offenbart eine elektrische Heizvorrichtung umfassend ein Gehäuse mit einer Trennwand, die eine Anschlusskammer von einer Heizkammer zur Abgabe von Wärme trennt und von der zumindest ein PTC-Heizelement mit einem Heizelementgehäuse in Richtung auf die Heizkammer abragt, in dem zumindest ein PTC-Element und zur Bestromung des PTC-Elementes mit unterschiedlicher Polarität mit diesem elektrisch leitend verbundene Leiterbahnen, die in der Anschlusskammer elektrisch angeschlossen sind, isoliert abgestützt sind, sowie ein das Heizelementgehäuse umgreifendes Halteelement, das mit der Trennwand an ihrer der Heizkammer zugewandten Seite und mit dem Heizelementgehäuse verbunden ist. Offenbart wird ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Heizvorrichtung.
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US 2005 / 0 205 552 A1 offenbart eine elektrische Heizvorrichtung mit einer Vielzahl von Strahlungselementen, die jeweils eine Strahlungsrippe und eine die Strahlungsrippe umgebende Strahlungsrippenstützplatte aufweisen, die Hartlöten integral mit der Strahlungsrippe ausgebildet ist, eine Vielzahl von Flachrohren, die zwischen den Strahlungselementen angeordnet sind und darin Heizmittel zur Erzeugung von Wärme bei Zufuhr elektrischer Energie aufweisen, sowie erste und zweite Stützrahmen, die gegenüberliegend an den Seiten der äußersten Strahlungselemente angeordnet sind, um die Strahlungselemente und die Flachrohre zu stützen und zu fixieren, und erste und zweite Kappen zur Abstützung der beiden Endabschnitte des ersten und zweiten Stützrahmens sowie beider Endabschnitte der Flachrohre.
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EP 1 338 451 A2 offenbart eine elektrische Luftheizungsvorrichtung insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit elektrischen Heizelementen zum Erwärmen der Luft und einem Gehäuse, das einen Masseanschluss, einen elektrischen Versorgungsanschluss und eine elektronische Schaltung zum Steuern der Versorgung der Heizelemente aufweist. Im Gehäuse sind die Heizelemente in einem elektrischen Kontakt mit den Masseanschluss und dem elektrischen Versorgungsanschluss angeordnet. Das Gehäuse besteht aus einem elektrisch leitenden Material und ist in einem Stück mit dem angeformten Masseanschluss ausgebildet. Die Heizelemente und die elektronische Schaltung sind in einem direkten elektrischen Kontakt mit dem Gehäuse angeordnet.
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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.
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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.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, den beschriebenen elektrischen Heizer modular und damit flexibel anpassbar an die Anforderungen von unterschiedlichen Fahrzeuganwendungen zu gestalten. Gleichzeitig besteht die Aufgabe in der Verbesserung der Sicherheit von Personen, insbesondere die Verringerung der Gefahr eines Stromunfalls durch Berühren von stromführenden Bauteilen bei Fehlfunktionen.
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Die Erfindung hat einen elektrischen Heizer für ein Fahrzeug zur Erwärmung eines Fluids zum Gegenstand, wobei der Heizer aus mehreren Heizmodulen besteht, die jeweils von einem Leiterelement elektrisch mit dem Masseanschluss des Fahrzeugs verbunden sind. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung des besagten elektrischen Heizers Gegenstand der Erfindung.
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Die Erfindung hat einen elektrischen Heizer für ein Fahrzeug zum Gegenstand, der mindestens zwei Heizmodule aufweist, wobei jedes 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. Außerdem weist der elektrische Heizer ein Elektronikgehäuse auf, in dem eine Leistungselektronik angeordnet ist, wobei die zumindest zwei Heizmodule durch Öffnungen im Gehäuse zumindest teilweise in das Gehäuse hineinragen und zumindest eine Öffnung, durch die ein Heizmodul hineinragt, durch eine Dichtung abgedichtet wird. Ferner weist der Heizer zumindest zwei Leiterelemente auf, die im Inneren des Gehäuses angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist zumindest ein Heizmodul durch ein Leiterelement elektrisch mit dem Gehäuse verbunden.
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Ein elektrischer Heizer dient der Erwärmung von Fluiden, die während des Betriebs eines Fahrzeugs zum Einsatz kommen, beispielsweise Luft oder Kühlmittel. Hierzu werden Heizelemente mit einer elektrischen Spannung versorgt, wodurch diese sich erwärmen. Das Heizelement kann sowohl ein keramischer Stein mit PTC Effekt sein oder 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. 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.
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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 ist vorzugsweise eine Leitungselektronik untergebracht, welche zur Steuerung und Spannungsversorgung der jeweiligen Heizmodule dient. Alternativ kann die Leistungselektronik auch außerhalb des Elektronikgehäuses angeordnet sein. 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 der Leistungselektronik und den Heizmodulen zu ermöglichen, weist das Elektronikgehäuse darüber hinaus eine Anzahl Öffnungen auf, die vorzugsweise der Anzahl der Heizmodule entsprechen. Die zumindest zwei Heizmodule ragen durch die Öffnungen zumindest teilweise in den Elektronikinnenraum hinein und sind dort elektrisch mit der Leistungselektronik verbunden. Der Raum zwischen Öffnung und 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.
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Ferner sind zumindest zwei Leiterelemente im Inneren des Gehäuses erfindungsgemäß derart angeordnet, dass ein erstes Heizmodul durch ein erstes Leiterelement und ein zweites Heizmodul durch ein zweites Leiterelement elektrisch mit dem Gehäuse verbunden sind. Vorzugsweise entspricht die Anzahl an Leiterelementen der Anzahl der Heizmodule, sodass jedes Heizmodul durch ein ihm zugeordnetes Leiterelement elektrisch mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Leiterelemente können baugleich sein und/oder an die Geometrie des Heizmoduls, des Elektronikgehäuses oder eines anderen Bauteils angepasst sein. Ferner können die Leiterelemente sich geometrisch oder hinsichtlich des verwendeten Werkstoffes unterscheiden. Das Leiterelement besteht funktionsbedingt aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise einem Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Vorzugsweise ist das Leiterelement als dünne Platte ausgeführt, beispielsweise als Stanz- oder Pressteil.
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Die erfindungsgemäße Anordnung von Heizmodul und Leiterelement erlaubt es, dass elektrische Heizer für unterschiedliche Fahrzeuganwendungen durch Verwendung des gleichen Heizmoduls hergestellt werden könne, ohne dass spezielle Leiterelemente für jede Fahrzeuganwendung konstruiert werden müssen. Stattdessen kann je nach erforderlicher Heizleistung die Anzahl der Heizmodule angepasst werden, wobei lediglich das Elektronikgehäuse an die Anzahl der Heizmodule angepasst werden muss.
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Alternativ 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 die zumindest zwei Leiterelemente elektrisch in Kontakt mit der Busbar anstelle dem Elektronikgehäuse selbst stehen und durch die Busbar mit dem Masseanschluss des Fahrzeugs verbunden sind. 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 aber als Beschichtung auf das Elektronikgehäuse aufgebracht werden.
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In einer ersten vorteilhaften Ausführung weist zumindest eines der zumindest zwei Leiterelement eine oder mehrere Kontaktfahnen auf. Diese dienen zur elektrischen Kontaktierung des Leiterelements mit beispielsweise dem Gehäuse oder dem Heizmodul oder aber auch zur mechanischen Fixierung des Leiterelements selbst. Hierbei sind viele Ausführungsformen denkbar, sodass die einzelnen Leiterelemente eine unterschiedliche Anzahl und Ausführung von Kontaktfahnen aufweisen können. Bevorzugt weist zumindest eines der zumindest zwei Leiterelemente zumindest eine Modul-Kontaktfahne auf, mit der das Leiterelement mit einem Heizmodul elektrisch verbunden ist. Alternativ oder ergänzend weist das Leiterelement zumindest eine Gehäuse-Kontaktfahne auf, mit der das Leiterelement mit dem Elektronikgehäuse elektrisch verbunden ist.
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In der bereits erwähnten alternativen Ausführungsform, bei der das Elektronikgehäuse aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff besteht, ist die Gehäuse-Kontaktfahne vorzugsweise derart ausgeführt, dass Sie das Elektronikgehäuse an der dort vorgesehenen Busbar elektrisch kontaktiert.
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Bevorzugt besteht die zumindest eine Kontaktfahnen eines Leiterelements aus zumindest einer Blechfeder, welche im Einbauzustand gespannt ist und die daraus resultierende Federkraft einen elektrischen Kontakt zwischen dem Leiterelement und dem anliegenden Bauteil sicherstellt.
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Die Kontaktfahne ist vorzugsweise als dünner Metallstreifen ausgeführt, welcher im Laufe des Einbaus in Kontakt mit dem Heizmodul kommt und hierdurch elastisch gebogen wird. Da die Biegung im elastischen Bereich des Metallstreifens stattfindet, wird der Metallstreifen durch die Federkraft kontinuierlich gegen die äußere Oberfläche des Heizmoduls gedrückt, wodurch der elektrische Kontakt zwischen Heizmodul und Leiterelement zu jeder Zeit sichergestellt wird. Die Kontaktfahne wirkt demnach wie ein Federblech. Bei der Dimensionierung des Metallstreifens ist darauf zu achten, dass durch die Biegung während des Einbauprozesses keine überwiegend plastische Deformation auftritt.
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Besonders bevorzugt ist die zumindest eine Kontaktfahne zumindest eines Leiterelements derart gestaltet, dass der Federkraftvektor der gespannten Kontaktfahne überwiegend senkrecht zur Oberfläche des mit dem Leiterelement elektrisch verbundenen Bauteils, beispielsweise der Außenfläche des Heizmoduls oder der Oberfläche des Elektronikgehäuses, steht. Hierdurch wir der elektrische Kontakt zwischen den Bauteilen auch im Fall von Relativbewegungen sichergestellt.
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Besonders bevorzugt ist das zumindest eine Leiterelement geometrisch derart gestaltet, dass es das mit ihm elektrische verbundene Heizmodul zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend und besonders vorzugsweise vollständig umgreift. Dies kann bei einem beispielsweise rechteckigen Rohrquerschnitt des Heizmoduls bei einer Betrachtungsrichtung entlang der Längsachse des Heizmoduls durch eine L-bzw. U-bzw. O-Form des Leiterelements realisiert werden.
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Ein derart gestaltetes Leiterelement bietet den Vorteil, dass das Heizmodul an mehreren Seiten, im hier genannten Beispiel also an zwei bzw. drei bzw. vier Seitenflächen, kontaktiert werden kann. Ferner erlaubt dies eine bevorzugte Anordnung mehrerer Kontaktfahnen derart, dass die Federkraftvektoren mehrerer Kontaktfahnen eines Leiterelements sich in einem Punkt treffen, wodurch das Leiterelement in seiner Lage relativ zum Heizmodul stabilisiert wird.
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In einer bevorzugten Ausführung des elektrischen Heizers sind die zumindest zwei Leiterelemente miteinander durch ein elektrisch nichtleitendes Element verbunden. Vorzugsweise ist das nichtleitende Element mechanisch mit einem weiteren Bauteil des elektrischen Heizers verbunden, beispielsweise dem Elektronikgehäuse. Die mechanische Verbindung mit dem weiteren Bauteil 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 und/oder zur Aufrechterhaltung der Auslenkung der Kontaktfahnen und damit des elektrischen Kontakts. 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.
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Besonders bevorzugt ist die Verbindung zwischen dem nichtleitenden Element und den zumindest zwei Leiterelementen als stoffschlüssige Verbindung ausgeführt, beispielsweise durch Umspritzen bzw. Einbetten der Leiterelemente in das nichtleitende Element. In dieser Ausführungsform kann das nichtleitende Element als Montagehilfe dienen, da die Leiterelemente gegenüber dem nichtleitenden Element vorpositioniert sind und als ein Bauteil in das Gehäuse eingebaut werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist der elektrische Heizer ein Abdeckungselement auf, welches im Elektronikgehäuse derart angeordnet ist, dass es zumindest ein in das Gehäuse hineinragendes Heizmodul zu einer Leistungselektronik hin zumindest teilweise abdeckt. Vorzugsweise dichtet das Abdeckungselement dabei das in das Elektronikgehäuse hineinragende obere Ende des Heizmodul-Rohrs fluiddicht ab, wobei entsprechende Öffnungen für die Kontaktelektroden der Heizmodule zur Leistungselektronik hin vorgesehen sind, um einen elektrischen Kontakt zwischen den Bauteilen herzustellen. Besonders bevorzugt ist das Abdeckungselement mit dem Elektronikgehäuse mechanisch verbunden, beispielsweise durch eine Schraub- oder Clipverbindung. Ferner kann das Abdeckungselement auch als Positionierhilfe der zumindest zwei Heizmodule zueinander und/oder der zumindest zwei Leiterelemente zueinander und/oder der zumindest zwei Heizmodule und den zumindest zwei 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.
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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 sind die zumindest zwei Leiterelemente derart angeordnet, dass das zumindest erste und zweite Heizmodul jeweils durch das zumindest erste und zweite Leitermodul elektrische mit dem elektrisch leitenden Bereich des Abdeckungselements bzw. der Busbar des Abdeckungselements anstelle des Elektronikgehäuses verbunden sind. 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.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung des elektrischen Heizers ist zumindest ein Leiterelement über zumindest ein Halteelement mechanisch mit dem Abdeckungselement verbunden. Vorzugsweise ist das Halteelement ein Teil des Leiterelements, beispielsweise als gebogenes Blechelement, und ist am Ende derart geformt, dass eine Verbindung mit dem Abdeckungselement hergestellt werden kann, beispielsweise durch eine Haken-, Clip- oder Schirmform und entsprechende Gegenform zum Befestigen am Abdeckungselement. Alternativ kann auch beispielsweise eine Clip- oder Klemmverbindung verwendet werden. Besonders bevorzugt wird das Abdeckungselement als Montagehilfe für die zumindest zwei Leiterelemente derart angewendet, als dass die Leiterelemente zunächst mit dem Abdeckungselement verbunden werden und anschließend die Baugruppe in den Gehäuseinnenraum eingebracht wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung des Heizers weist das Abdeckungselement zumindest ein Distanzelement auf, das im eingebauten Zustand zwischen dem Abdeckungselement und zumindest einem Leiterelement angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Distanzelement ein Teil des Abdeckungselement. Alternativ oder zusätzlich ist das Distanzelement derart angeordnet, dass es das zumindest eine Leiterelement gegen das Elektronikgehäuse und bzw. oder gegen das mit ihm elektrisch verbundene Heizmodul drückt. Hierdurch kann der elektrische Kontakt zwischen dem Leiterelement und den elektrisch mit ihm verbundenen Bauteilen verbessert werden. Ferner kann hierdurch die Position des Leiterelements gesichert werden.
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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 zweier Heizmodule, wobei ein 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 der zumindest zwei Heizmodule zu einem Elektronikgehäuse, wobei die Heizmodule durch zumindest eine Öffnung in den Innenraum des Elektronikgehäuses ragen.
- - Das Anbringen zumindest einer Dichtung in den Raum zwischen dem Elektronikgehäuse und der Außenseite zumindest einem durch diese Öffnung ragenden Heizmoduls.
- - Das Ausrichten und Einbringen zumindest eines ersten Leiterelements gegenüber dem ersten Heizmodul und zumindest eines zweiten Leiterelements gegenüber dem zweiten Heizmodul derart, dass das erste Heizmodul durch das erste Leiterelement und das zweite Heizmodul durch das zweite Leiterelement elektrisch mit dem Elektronikgehäuse verbunden sind.
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Es versteht sich, dass die Schritte in ihrer Reihenfolge gegebenenfalls variiert werden können.
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Alternativ kann der Herstellschritt der Ausrichtung und Einbringung der zumindest zwei Leiterelemente durch die beiden folgenden Schritte ersetzt werden:
- - Die Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen den zumindest zwei Leiterelementen und einem Abdeckungselement.
- - Das Einbringen des Abdeckungselements mit den vormontierten Leiterelementen in das Elektronikgehäuse derart, dass ein erstes Heizmodul durch ein erstes Leiterelement und ein zweites Heizmodul durch ein zweites Leiterelement jeweils elektrisch mit dem Elektronikgehäuse verbunden sind.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Herstellverfahrens weist das Verfahren einen weiteren Herstellschritt auf, bei dem die zumindest zwei Leiterelemente vor dem Einbau durch ein elektrisch nichtleitendes Element verbunden werden, beispielsweise durch Umspritzen oder Umgießen. In diesem Fall erfolgt anstelle der Ausrichtung und Einbringung der zumindest zwei Leiterelemente gegenüber den Heizmodulen folglich die Ausrichtung und Einbringung des nichtleitenden Elements, mit dem die zumindest zwei Leiterelemente verbunden sind, gegenüber den beiden Heizmodulen, sodass diese über die jeweiligen Leiterelemente mit dem Elektronikgehäuse elektrisch leitend verbunden sind.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der Hauptkomponenten des Heizers, die elektrisch miteinander verbunden sind,
- 2 den schematischen Querschnitt eines Heizmoduls für einen elektrischen Heizer,
- 3 eine schematischen Querschnittsansicht des Elektronikgehäuses, des Heizmoduls und des Leiterelements,
- 4 drei beispielhafte schematische Querschnitte (a, b, c) der Anordnung eines Leiterelements relativ zu einem Heizmodul,
- 5 den schematischen Querschnitt eines Leiterelements vor (5a) und nach (5b) dem Einbau des Leiterelements in den elektrischen Heizer,
- 6 den schematischen Querschnitt eines Leiterelements und den Ausschnitt eines Abdeckelements,
- 7 ausschnittsweise einige Bauteile einer beispielhaften Ausführungsform eines elektrischen Heizers.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der elektrisch miteinander verbundenen Hauptkomponenten eines elektrischen Heizers (100). Zu erkennen sind die Heizmodule (101, 101a, 101b), welche jeweils über eine Dichtung (103) mechanisch und fluiddicht mit dem Elektronikgehäuse (104) verbunden sind. Um die Beaufschlagung des Elektronikgehäuses mit einer elektrischen Spannung im Störungsfall zu vermeiden ist eine permanente Verbindung mit dem Neutralleiter bzw. dem Masseanschluss des Fahrzeugs (105) verbunden. Durch die elektrisch isolierende Wirkung der Dichtung (103) sind die Heizmodule (101, 101a, 101b) jedoch nicht abgesichert, wodurch im Störungsfall die anliegende Spannung nicht abgeführt werden kann. Die Leiterelemente (102, 102a, 102b) sind daher vorgesehen, um eine elektrische Verbindung zwischen dem jeweiligen Heizmodul (101a, 101b) und dem Elektronikgehäuse (104) herzustellen. Erfindungsgemäß wird dabei zumindest ein erstes Heizmodul (101a) durch ein erstes Leiterelement (102a) und ein zweites Heizmodul (101b) durch ein zweites Leiterelement (102b) elektrisch mit dem Elektronikgehäuse (104) und folglich auch mit dem Masseanschluss des Fahrzeugs (105) verbunden. Es versteht sich, dass auch Ausführungen mit mehr als zwei Heizmodulen denkbar sind, wobei vorzugsweise die Anzahl der Leiterelemente der Anzahl der Heizmodule entspricht.
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2 zeigt den schematischen Querschnitt durch ein Heizmodul (101) für einen elektrischen Heizer (100), aufweisend ein Heizelement (106), welches im 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 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 angebracht sind und mit dem sie umströmenden Fluid in wärmeübertragendem Kontakt stehen.
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3 zeigt den schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels des elektrischen Heizers (100). Erkennbar sind ein Heizmodul (101), welches durch eine Öffnung (115) im Elektronikgehäuse (104) teilweise in den Elektronikinnenraum (113) hineinragt, welcher vom Elektronikgehäuse (104) und dem Elektronikgehäusedeckel (114) beschränkt wird. Die Dichtung (103) sorgt für einen fluiddichten Verschluss der Öffnung (115) zwischen Heizmodul (101) und Elektronikgehäuse (104). Ebenfalls erkennbar sind die Heizmodul-Anschlüsse (111), welche das Heizmodul (101) mit einer Leistungselektronik (112) elektrisch kontaktieren. Auf der Leistungselektronik (112) sind Elemente zur Steuerung und Spannungsversorgung der Heizmodule (101) angebracht, hier nicht dargestellt. Das erfindungsgemäße Leiterelement (102) umschließt das Heizmodul (101) im dargestellten Ausführungsbeispiel von zwei Seiten. Erkennbar sind die Kontaktfahnen (116) des Leiterelements (102), wobei die Modul-Kontaktfahne (117) das Heizmodul (101) elektrisch mit dem Leiterelement (102) verbindet und die Gehäuse-Kontaktfahne (118) das Leiterelement (102) elektrisch mit dem Elektronikgehäuse (104) verbindet. Ferner zeigt die 3 ein Abdeckelement (119), welches im Elektronikinnenraum (113) angeordnet ist und das Heizmodul (101) zum Elektronikinnenraum (113) abdeckt, wobei Aussparungen im Abdeckelement (119) vorgesehen sind, die eine elektrische Verbindung zwischen den Heizmodul-Anschlüssen (111) und der Leistungselektronik (112) erlauben. Das Abdeckelement (119) liegt an einer Auflagefläche (120) des Elektronikgehäuses (104) auf, welche zur Abstützung und/oder Befestigung, beispielsweise durch Kleben oder Verschrauben, des Abdeckelements (119) innerhalb des Elektronikinnenraums (113) dienen kann. Das Abdeckelement (119) weist im dargestellten Ausführungsbeispiel außerdem eine Auflagefläche (121) für die Leistungselektronik (112) auf, die zur Abstützung und/oder Befestigung, beispielsweise durch Kleben oder Verschrauben, der Leistungselektronik (112) innerhalb des Elektronikinnenraums (113) dienen kann. Um das Leiterelement (102) in seiner Position zu sichern und/oder den elektrischen Kontakt sicherzustellen zeigt 3 außerdem ein Distanzelement (122), welches im dargestellten Ausführungsbeispiel als Teil des Abdeckelements (119) ausgeführt ist, jedoch auch als separates Bauteil mit dem Abdeckelement (119) verbunden sein kann.
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4a bis 4c zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen des Leiterelements (102), welches ein Heizmodul (101) mit quadratischem Querschnitt umschließt, jeweils als Querschnitt in Richtung entlang des Heizmoduls betrachtet. In 4a ist das Leiterelement (102) in einer L-Form ausgeführt, wobei die Modul-Kontaktfahnen (117) das Heizmodul (101) an zwei verbundenen Außenseiten kontaktieren. In 4b weist das Leiterelement (102) eine C- oder U-Form auf und umschließt das Heizmodul (101) an drei Außenseiten, wobei die Modul-Kontaktfahnen (117) das Heizmodul an ebendiesen Außenseiten das Heizmodul (101) elektrisch mit dem Leiterelement (102) verbinden. 4c schließlich beschreibt ein vollständiges Umschließen des Heizmoduls (101) durch das Leiterelement (102), welches als O-Form ausgebildet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Modul-Kontaktfahnen (117) dargestellt, wobei jeweils eine Modul-Kontaktfahne (117) jeweils eine Außenseite des Heizmoduls (101) elektrisch mit dem Leiterelement (102) verbinden. Denkbar sind jedoch auch Ausführungen, bei denen mehr oder weniger als die vier dargestellten Modul-Kontaktfahnen (117) vorgesehen sind und welche beispielsweise nur an zwei gegenüberliegende Außenflächen des Heizmoduls (101) die elektrische Verbindung herstellen. Auch die Anordnung der Gehäuse-Kontaktfahnen (118) - sowohl hinsichtlich der Anzahl als auch der Anordnung bezogen auf das Leiterelement (102) - sind nur als beispielhafte Ausführung anzusehen, wobei die Vielzahl von möglichen weiter Variationen hier nicht abschließend dargestellt werden können.
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5a und 5b zeigen schematisch den Querschnitt eines Leiterelements (102) und insbesondere den Bereich der Kontaktfahnen (116) im ausgebauten (5a) und im eingebauten (5b) Zustand, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils der Bereich um die Modul-Kontaktfahne (117) dargestellt ist. Im eingebauten Zustand gemäß 5b wird die Kontaktfahne (116) durch den Einbau in den elektrischen Heizer ähnlich wie eine Blechfeder aus einer Neutralposition (5a) um den Winkel α (123) gebogen bzw. ausgelenkt. Die Stärke der Auslenkung wird durch entsprechende Dimensionierung der Kontaktfahne (116) derart vorgesehen, dass sie sich innerhalb des elastischen Bereichs des Werkstoffes befindet. Durch die Auslenkung entsteht eine Rückstellkraft bzw. Federkraft FF (124), welche in Richtung der Oberfläche wirkt, an der die Kontaktfahne (116) anliegt. Im Ausführungsbeispiel in 5b wird die Modul-Kontaktfahne (117) im eingebauten Zustand gezeigt, welche an der Außenfläche eines Heizmoduls (101) anliegt, wobei die Federkraft FF (124) senkrecht zur Außenfläche des Heizmoduls (101) wirkt.
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6 zeigt schematisch ein Leiterelement (102), welches mit einem Halteelement (125) an dem Abdeckungselement (119) befestigt ist. In der gezeigten Ausführungsform hat das Halteelement (125) die Form eines Hakens, der durch eine Öffnung des Abdeckungselements (119) geführt wird und am oberen, hakenförmigen Ende eine mechanische Verbindung zum Abdeckungselement (119) herstellt. Vorzugsweise ist das Leiterelement (102) an zumindest zwei, besonders bevorzugt an vier Stellen mit einem Halteelement (125) an dem Abdeckungselement (119) befestigt, um eine stabile Positionierung zu gewährleisten. Neben der im Ausführungsbeispiel dargestellten Hakenform des Halteelements (125) kommen darüber hinaus auch andere Formen in Frage, beispielsweise eine Klammer-, Klemmkeil- oder Schirmform.
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7 zeigt ausschnittsweise einige Bauteile einer Ausführungsform eines elektrischen Heizers (100), bei der sechs Öffnungen (113) im Elektronikgehäuse (104) für sechs Heizmodule (101) - nicht dargestellt - vorgesehen sind. Die sechs Leiterelemente (102) sind O-Förmig ausgestaltet, sodass Sie im Endzustand die Heizmodule (101) vollständig umschließen. Jedes Leiterelement (102) ist mit vier Modul-Kontaktfahnen (117) und zwei Gehäuse-Kontaktfahnen (118) ausgestattet, um den elektrischen Kontakt mit dem jeweiligen Bauteil herzustellen. Des Weiteren verfügt jedes Leiterelement (102) über zwei Halteelemente (125), die in jeweils zueinander diagonal gegenüberliegenden Seiten des Leiterelements (102) angebracht sind. Das Abdeckungselement (119) ist der Übersicht halber Versetzt dargestellt, um die Leiterelemente (102) sichtbar zu machen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Elektrischer Heizer
- 101
- Heizmodul
- 101a
- Heizmodul 1
- 101b
- Heizmodul 2
- 102
- Leiterelement
- 102a
- Leiterelement 1
- 102b
- Leiterelement 2
- 103
- Dichtung
- 104
- Elektronikgehäuse
- 105
- Neutralleiter bzw. Masseanschluss des Fahrzeugs
- 106
- Heizelement
- 107
- Kontaktelektrode
- 108
- Isolierung
- 109
- Rohr
- 110
- Wärmeübertragendes Element
- 111
- Heizmodul-Anschluss
- 112
- Leistungselektronik
- 113
- Elektronikinnenraum
- 114
- Elektronikgehäusedeckel
- 115
- Öffnung im Elektronikgehäuse
- 116
- Kontaktfahne
- 117
- Modul-Kontaktfahne
- 118
- Gehäuse-Kontaktfahne
- 119
- Abdeckungselement
- 120
- Auflagefläche am Elektronikgehäuse für Abdeckungselement
- 121
- Auflagefläche am Abdeckungselement für Leistungselektronik
- 122
- Distanzelement
- 123
- Auslenkungswinkel α
- 124
- Federkraft FF
- 125
- Halteelement