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WO2019197648A1 - Elektrische heizeinrichtung für mobile anwendungen - Google Patents

Elektrische heizeinrichtung für mobile anwendungen Download PDF

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WO2019197648A1
WO2019197648A1 PCT/EP2019/059497 EP2019059497W WO2019197648A1 WO 2019197648 A1 WO2019197648 A1 WO 2019197648A1 EP 2019059497 W EP2019059497 W EP 2019059497W WO 2019197648 A1 WO2019197648 A1 WO 2019197648A1
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WO
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contacting structure
heating device
track
substrate
electric heating
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2019/059497
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Buckl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Webasto SE
Original Assignee
Webasto SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • H05B2203/023—Heaters of the type used for electrically heating the air blown in a vehicle compartment by the vehicle heating system

Definitions

  • the invention relates to an electrical heating device for mobile applications and to a vehicle, in particular a motor vehicle, comprising an electric heating device.
  • WO 2013/186106 A1 describes an electric heating device for a
  • the conductor track here has a worm shape, wherein deflection regions are provided, in which a deflection of the conductor track takes place respectively in the opposite direction. In the area of deflections in the
  • isolation areas are drop-shaped and should have a
  • This task is performed by an electric heater for mobile
  • an electric heater for mobile applications comprising: a substrate and one on the substrate
  • Isolation interruptions of separate, web sections is formed, wherein a plurality of (or all) track sections (only) indirectly, via at least one (separate) interconnect contacting structure, in particular a (separate) interconnect contact pad, are connected to each other (electrically conductive).
  • An essential aspect of the invention is that several web sections of the heating conductor are connected to one another only via at least one (separate) interconnect contacting structure, in particular a separate contact pad.
  • the conductor track can be structured comparatively easily, since it does not have to be taken into account that the individual track sections per se (ie by themselves) are also electrically connected to one another. A then required electrical connection is made possible by the (separate) interconnect contacting structures.
  • Several of the individual track sections are thus in particular not directly electrically conductively connected to a single further (individual) track section per se (by itself).
  • the electrical heating device or the heating conductor layer also has a plurality of track sections which are directly connected to one another. The advantages according to the invention are already achieved when there are a plurality of track sections which are not directly connected to each other or are not directly connected to any track section.
  • the invention allows a simple structuring (layout design), in particular laser structuring.
  • the (separate) interconnect contacting structures can be used to avoid (or reduce) hotspots or to achieve a uniform (or more uniform) temperature distribution within the heating conductor layer. It can (flexible) several heating circuits are formed. Overall, there are no additional
  • At least one terminal contacting structure in particular in the form of a terminal contact pad, is provided via which (via that) a power supply can take place.
  • the (respective) conductor track contacting structures described above (and below) are
  • a terminal contacting structure should be a contacting structure which is not only connected to at least or exactly one track section, but is also connected without detour via at least one track section per se to the power supply (current source).
  • Conductor-contacting structures simultaneously form terminal contacting structures, in particular in the sense that the respective interconnect contacting structure both at least two
  • connecting web sections is in each case directly in communication) as well (without detour via the connected web sections) is in communication with the power supply.
  • a contacting structure can also as
  • the at least one interconnect contacting structure and / or the at least one terminal contacting structure is preferably produced by applying a liquid or pasty starting material to the substrate or
  • the at least one interconnect contacting structure and / or the at least one terminal contacting structure can be integrally connected to the substrate (directly or indirectly, for example at least partially via the heating conductor and / or an insulating compound provided in the isolating interrupters) with the substrate.
  • At least one (or several or all) track section (s) may be formed in one piece, in particular monolithic.
  • At least one (or several or all) interconnect contacting structure (s) and / or at least one (or several or all) terminal contacting structure (s) may each be formed in one piece, in particular monolithic.
  • At least one (or more or all) wiring contacting structure (s) and / or at least one (or all or all) terminal contacting structure (s) are disposed at a web portion end of at least one web portion. This can be done in a simple manner, a compound of the individual track sections to the track. Furthermore, this has the advantage that through such arranged contacting structures, the temperature increase at corresponding path deflections can be reduced by a (locally) reduced (sometimes significantly reduced) resistance. This is the case in particular when the contacting structures have a greater thickness compared to the track sections.
  • the respective (separate) interconnect contacting structure connects
  • the track sections can be connected, for example, in groups by the track contacting structures (eg copper pads).
  • Multiple trace contacting structures may be arranged (geometrically) in a row.
  • a plurality of terminal contacting structures may be arranged in a row.
  • at least one conductor-contacting structure and at least one terminal contacting structure may be arranged in a row.
  • the contacting structures eg copper pads
  • the contacting structures can be arranged comparatively favorably at the same (height) level.
  • Multiple trace contacting structures may be connected in parallel (electrically). Alternatively or additionally, a plurality of terminal contacting structures (electrically) may be connected in parallel. Alternatively or additionally, at least one printed conductor contacting structure and
  • At least one terminal contacting structure (electrically) connected in parallel be.
  • a plurality of web sections can be connected in parallel (electrically).
  • a plurality of interconnect contacting structures may be connected in series.
  • a plurality of terminal contacting structures may be connected in series.
  • at least one interconnect contacting structure and at least one terminal contacting structure may be connected in series (electrically).
  • a plurality of track sections may be connected in series (electrically).
  • the at least one trace contacting structure and / or the at least one terminal contacting structure is thicker than the one or more
  • the contacting structure may be at least 1.2 times, preferably at least 1.5 times, more preferably at least 2 times, even more preferably at least 4 times and / or at most 100 times as large as a thickness of the (adjacent ) Track sections (s).
  • a temperature increase preferably at Bruumlenkitch be avoided or reduced by a locally (significantly) reduced resistance.
  • the at least one interconnect contacting structure and / or the at least one terminal contacting structure may have a reduced electrical resistance (in relation to the respectively adjoining web section (s)).
  • the electrical resistance considered here may in particular be the specific resistance.
  • a reduced electrical resistance can also be understood to mean that a resistance in the region of the respective contacting structure is less than the resistance of a (non-provided) comparison structure, which would be formed by the respective (adjacent) web sections thus (with constant thickness) would continue to cover the same area as the actually provided contacting structure. Also by it can be achieved that critical (possibly too high) temperatures are avoided.
  • the at least one interconnect contacting structure and / or the at least one terminal contacting structure may be one (opposite to the respectively adjacent one)
  • ком ⁇ онент (s)) reduced heat generation (in operation) have.
  • Reduced heat generation in this sense means, in particular, that a specific heat output (in particular a heat output per unit weight, eg milligrams) is greater at the (adjacent) web sections than at the respective contacting structure.
  • the at least one track contacting structure is formed of the same material as the at least one terminal contacting structure (eg, made of copper or a copper alloy).
  • the track sections may be formed of a different material than the at least one track bonding structure and / or terminal contacting structure. Possible materials as well as a possible production of the
  • the conductor track can have at least 3, preferably at least 5, preferably at least 10, (preferably geometrically parallel to one another, in particular in each case directly connected to no further track section)
  • the number can be set comparatively flexible, in particular due to the interconnect contacting structures.
  • the at least one interconnect contacting structure and / or the at least one terminal contacting structure may be arranged in sections on or above one or more interconnects. This can be done on the one hand a comparatively simple contact. On the other hand, the total thickness of the conductive structures is increased in the respective area, which the Resistance reduced (which is particularly advantageous in the range of deflections).
  • the at least one trace contacting structure may have a diameter and / or length that is at least 0.2 times,
  • the at least one terminal contacting structure may have a diameter and / or a length which is at least 0.2 times, preferably at least 0.5 times and / or at most 10 times, preferably at most 5 times , more preferably at most 3 times, more preferably at most 1, 5 times a width of one / the adjacent track sections (s) corresponds / correspond.
  • a diameter and / or a length which is at least 0.2 times, preferably at least 0.5 times and / or at most 10 times, preferably at most 5 times , more preferably at most 3 times, more preferably at most 1, 5 times a width of one / the adjacent track sections (s) corresponds / correspond.
  • Diameter of the respective contacting structure is in particular a maximum possible distance of a pair of points of the respective contacting structure among all possible pairs of points to understand (that is, for example, in a cuboid, the space diagonal).
  • a length is understood to mean a dimension which results in an axial preferred direction (for example in the case of a rectangle or an elliptical structure).
  • the "length" shall represent the dimension of the largest dimension (along the preferred direction at which the greatest extent is reached, if there are several preferential directions.)
  • the diameter is the circle diameter.
  • the at least one conductor-contacting structure and / or the at least one terminal contacting structure can be achieved by applying a
  • Starting material be prepared in a liquid or pasty state.
  • the path section and / or the (respective) interconnect contacting structure and / or the (respective) terminal contacting structure may be formed without wires, but may be connected to corresponding wires (in particular for power supply).
  • the web portions may be disposed at the same height from a surface of the substrate and / or have a same thickness (perpendicular to the substrate) Surface of the substrate).
  • a thickness of a respective web section (in particular of all web sections) can be constant. As far as here (as well as above and below) of a thickness of a respective structure is mentioned, this is preferably the thickness perpendicular to the surface of the substrate to understand. When such a thickness varies, it is preferable to use (for thickness comparison) the maximum and / or average thickness, or, additionally or alternatively, a thickness of the largest contiguous area of constant thickness.
  • the semiconductor layer preferably covers at least 50% of one
  • Substrate surface more preferably at least 80% of the substrate surface.
  • an electrically insulating material may be arranged.
  • the Schuetzbahn can be designed such that they have a
  • the track sections may be configured to be straight (per se) over a majority of their length, preferably over their entire length.
  • At least one further layer in particular insulating layer, may be formed on the heating conductor layer.
  • the electrical heating device is designed as a motor vehicle heating device.
  • the above object is further in particular by a vehicle, preferably a motor vehicle, more preferably an electric vehicle or
  • Hybrid vehicle solved, comprising an electric heater of the above type.
  • the above object is further achieved by the use of an electric heating device of the above type for a vehicle, in particular a motor vehicle (for example a car or truck), preferably an electric vehicle or hybrid vehicle.
  • Production of an electrical heating device comprising the steps of: applying a heating conductor layer to a substrate, structuring the heating conductor layer, in particular by laser structuring, a plurality being separated from one another by insulation breaks
  • Track sections is formed, wherein a plurality of the track sections
  • an electric heater which can effectively cover in particular the increasing demand for electrically driven vehicles.
  • electric heaters used for such mobile applications were predominantly so-called PTC heating elements which were operated with comparatively low supply voltages which are present in an on-board network of a conventional motor vehicle with an internal combustion engine.
  • PTC heating elements which were operated with comparatively low supply voltages which are present in an on-board network of a conventional motor vehicle with an internal combustion engine.
  • supply voltages that may be present in a corresponding high-voltage electrical system, such.
  • Voltage in a range between 150 volts and 900 volts, possibly even up to over 1,000 volts.
  • a heating device for mobile applications should be understood in particular to mean a heating device which is designed for use in mobile applications and adapted accordingly. This means, in particular, that it is transportable (even during its operation) (possibly permanently installed in a vehicle or not merely housed for transport therein) and not exclusively for permanent, stationary use, as for example in the heating of a building the case is designed. Such a heater must, in contrast to stationary
  • Heating devices especially during the journey of a corresponding vehicle work, ie in particular also with appropriate
  • a weight of the heater may be less than 500 kg, preferably less than 100 kg, more preferably less than 20 kg.
  • the heater may possibly fixed in a vehicle (land vehicle, ship, etc.), in particular in a
  • Land vehicle to be installed.
  • it can be used to heat a
  • Vehicle interior such as a land, water or
  • Aircraft as well as a (partial) open space, such as can be found, for example, on ships, especially yachts, be designed.
  • Heating device can also be used (temporarily) stationary, such as in large tents, containers (eg construction containers), et cetera.
  • the electric heater for mobile applications as a stationary or auxiliary heater for a land vehicle, such as for a
  • the substrate may have a plane or non-planar (eg, domed or curved) surface.
  • the plurality of (juxtaposed) web sections separated by insulation breaks are preferably located at (at least substantially) uniform height from the substrate surface.
  • the (interconnected or to be joined) track sections preferably run (at least in sections) parallel to each other (in the geometric sense).
  • a deflection of the current is preferably achieved via the correspondingly assigned conductor contacting structure, in particular by 180 degrees or at least approximately 180 degrees (i.e. in particular at least 170 degrees).
  • the at least one heating conductor can extend in a bifilar pattern on the substrate.
  • the heating trace can cover the surface provided by the substrate to a high degree with small void areas. Furthermore, the bifilar arrangement enables possible
  • flowable web sections are each arranged adjacent to each other.
  • at least substantially all provided for heating web sections of Schuleiterbahn be part of the bifilar arrangement.
  • the electromagnetic fields generated can at least partially cancel each other out.
  • connection areas for connection to an electrical power supply can also be arranged non-bifilarly. The remaining areas of the
  • an electrically insulating material is arranged in the insulation breaks.
  • the electrically insulating material may preferably also cover, in addition to the insulation interruptions, the surface of the heating conductor track or heating conductor tracks which faces away from the substrate.
  • the electrically insulating material may in particular preferably be deposited as a layer after the heating conductor track or the heating conductor tracks have been formed.
  • the electrically insulating material is preferably on the one hand electrically (comparatively good) insulating, on the other hand, thermally (comparatively good) conductive.
  • the heating conductor is designed such that at least over a portion of its length in each case two track sections adjacent with the same direction of current flow direction and possibly parallel to each other.
  • the two track sections can at their ends in particular via a common terminal contacting structure, for. B. contact pad, for connection to an electrical power supply.
  • a common terminal contacting structure for. B. contact pad
  • At least one further layer is formed on the heat conductor layer.
  • a plurality of layers may be formed on the heating conductor layer.
  • an insulating layer may be formed on the heat conductor layer, which optionally also fills the Isolierunterbrechungen between the web sections of the heating conductor.
  • On the insulating layer can preferably z.
  • B. also be formed a sensor layer for monitoring the function of the electric heater. A high level of safety can be provided via the insulating layer by additionally insulating current-carrying areas.
  • the heating conductor layer is preferably a surface on the substrate
  • the heating conductor layer can preferably be applied to the substrate by a thermal spraying method and then structured (for example by laser processing). In principle, however, other methods, such. As printing method, casting method or the like to form the Schuleiter für conceivable. Likewise, other methods of patterning are possible, such as etching, mechanical ablation, ultrasound or the like.
  • the heat conductor layer is preferably made of an electrically conductive, in particular metallic, material.
  • the heat conductor layer can be separated from the material of the substrate via an interposed, electrically insulating (and possibly thermally highly conductive) intermediate layer.
  • the heat conductor layer can be separated from the material of the substrate via an interposed, electrically insulating (and possibly thermally highly conductive) intermediate layer.
  • the substrate may preferably have a comparatively good thermal conductivity, in particular be made of a metal.
  • the respective heating conductor track and / or the respective track section may preferably have a width of a few millimeters, in particular a width between 2.5 mm and 5 mm, and a thickness (in the direction perpendicular to the substrate) in the range of 5 pm to 30 pm, in particular in the range of 10 pm to 25 pm.
  • the electric heater is designed as a high-voltage heater for an operating voltage in the range of preferably between 150 volts and 900 volts, more preferably between 200 volts and 600 volts. However, it may also be possible to design up to more than 1,000 volts. In this case, the electrical heating device can be used particularly advantageously, for example in an electric or hybrid vehicle, without the need for complex voltage transformers. Further embodiments emerge from the subclaims.
  • Fig. 1 is a schematic plan view of an electrical according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic plan view of a different embodiment of the heating device according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic plan view of an inventive
  • Heating device This comprises a substrate 10, optionally an electrically insulating layer (not shown) arranged on the substrate 10 (not shown), a (discontinuous) heating conductor layer 12 (directly) arranged on the substrate 10 or the electrically insulating layer and optionally directly on the heat conductor layer arranged further insulating layer (not shown).
  • the electrically insulating layer on the substrate is in particular then
  • the electric heater according to FIG. 1 is preferably designed to heat a fluid in a vehicle.
  • the fluid may be formed in particular by air to be heated or by a liquid in a fluid circuit of the vehicle.
  • the electric heater is designed in particular as a high-voltage heater for operation with an operating voltage in the range between 150 volts and 900 volts, in particular in the range between 200 volts and 600 volts. However, it is also possible, for example, a design to over 1,000 volts.
  • the substrate 10 is in particular at the same time as a heat exchanger for
  • the substrate 10 may preferably be formed from a metallic material having a high heat transfer coefficient (in a cost-effective manner in terms of manufacturing technology), in particular made of aluminum or an aluminum alloy. In principle, however, it is also possible to produce the substrate 10 from an electrically insulating material, in particular with high thermal conductivity, in particular from a corresponding ceramic.
  • the (optional) electrically insulating layer on the substrate has
  • the electrically insulating layer is preferably formed from aluminum oxide. Furthermore, the electrically insulating layer may be deposited on the substrate 10 in a thermal spraying process. In particular, in the case where the substrate is formed of aluminum or an aluminum alloy, the electrically insulating layer may be formed by, for example, selectively oxidizing the surface of the substrate 10. The electrically insulating layer is designed to electrically insulate the substrate 10 from the heating conductor layer 12 (at the same time, however, to allow a good heat transfer to the material of the substrate 10).
  • the heating conductor layer 12 is preferably deposited on the substrate 10 (or on the insulating layer).
  • the heating conductor layer 12 may be made of a metallic material (in particular of a nickel-chromium alloy)
  • the heating conductor layer 12 is deposited in a thermal spraying process.
  • the heat conductor layer 12 is preferably structured so that at least one heat conductor 14 is formed with a plurality of web portions 15a-15h adapted to release ohmic heat when between them
  • terminals may be provided for connecting the Schuleiterbahnen with an electrical power supply.
  • Such terminals can be electrically isolated from each other (For example, next to each other), possibly over an edge of the substrate 10 may be arranged.
  • a first connection for electrically contacting the heating conductor path and applying a first electrical potential may be formed, and a second connection for electrically contacting the heating conductor path and applying another, second potential may be formed.
  • a desired potential difference can be applied to the respective heating conductor path via the two connections.
  • the Schuetzstoff 12 forms in Fig. 1 a Bankrete 14, which in turn has a plurality by Isolierunterbrechungen 16 separate web sections 15a-15h.
  • the individual track sections 15a-15h are here completely separated from one another (ie, opposite the or the next track section (s)) and are not electrically conductively connected to one another per se.
  • An electrical connection is achieved via corresponding interconnect contacting structures 30 in the form of contact pads.
  • terminal contacting structures 31 are provided, via which a connection to a current source (or corresponding poles of the current source) can take place.
  • the current flow from the central terminal contacting structure 31 in FIG. 1 can take place both to the right-most terminal contacting structure 31 shown in FIG. 1 on the left-most and FIG. 1 (or vice versa).
  • two conductor circuits are formed.
  • the dashed lines (right in FIG. 1) are intended to indicate that even more conductor circuits and / or
  • Track sections 15 may be provided. Overall, it can be seen with reference to FIG. 1 that dimensioned in a simple manner of different sizes
  • Heating devices can be realized.
  • the track sections 15a-15h are concretely separated from each other by insulation breaks 16 and thus electrically insulated from each other.
  • Isolation interruptions may preferably be formed in that the heating conductor layer 12 is first deposited on the substrate 10 in a planar manner and then in the region of the insulation breaks the material of the
  • the insulation breaks 16 preferably have (over their longitudinal extent) an (at least substantially) constant width. In this way is achieved that the web sections 15a-15h of the heating conductor 14 the
  • Surface of the substrate can cover a large area, so that the available area can be utilized optimally for the formation of heating power-providing web sections.
  • a length of the track portions 15a-15h is shorter than an extension of an area of a sum of the track portions 15a-15h in one of the
  • Length direction of the individual track sections vertical direction.
  • a length of the track portions 15a-15f is longer than an extension of an area of a sum of the track portions 15a-15f in a direction perpendicular to the length direction of the individual track portions.
  • Terminal contacting structures terminal contacting pads 31 illustrated.
  • the terminal contacting structures 31 must be connected in accordance with the appropriate poles of the power source, so that a total of a current flow can take place.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Substrat (10) undeiner auf dem Substrat (10) ausgebildeten Heizleiterschicht (12),wobei die Heizleiterschicht (12) zumindest eine Heizleiterbahn (14) aufweist, die auf dem Substrat (10) angeordnet ist,wobei die Heizleiterbahn (14) derart strukturiert ist, dass eine Vielzahl durch Isolierunterbrechungen (16) voneinander getrennter Bahnabschnitte (15a-15h) ausgebildet ist,wobei mehrere der Bahnabschnitte (15a-15h) nurmittelbar, über mindestens eine separate Leiterbahn- Kontaktierungsstruktur (30), insbesondere ein separates Leiterbahn-Kontaktpad, miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

Description

Elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen sowie ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Heizeinrichtung.
WO 2013/186106 Al beschreibt eine elektrische Heizeinrichtung für ein
Kraftfahrzeug mit einem als Leiterbahn auf einem Substrat ausgebildeten
Heizwiderstand. Die Leiterbahn weist hier eine Schneckenform auf, wobei Umlenkbereiche vorgesehen sind, in welchen eine Umlenkung der Leiterbahn jeweils in die Gegenrichtung erfolgt. Im Bereich von Umlenkungen in die
Gegenrichtungen sind jeweils verbreiterte Isolationsbereiche vorgesehen.
Diese Isolationsbereiche sind tropfenförmig ausgebildet und sollen einen
Stromfluss im Bereich der Umlenkungen über möglichst die gesamte Breite der Leiterbahn zwingen.
Insgesamt wird die Herstellung entsprechender Leiterstrukturen bei diesem Stand der Technik als vergleichsweise aufwändig und wenig flexibel angesehen.
Weiterhin wird auch die Temperaturverteilung, insbesondere im Bereich der Umlenkungen, als verbesserungswürdig angesehen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Heizeinrichtung sowie ein entsprechendes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, vorzuschlagen, wobei Heizleiterstrukturen der elektrischen Heizeinrichtung vergleichsweise einfach und flexibel herstellbar sein sollen und insbesondere eine vergleichsweise homogene Temperaturverteilung erreicht werden soll.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Heizeinrichtung für mobile
Anwendungen nach Anspruch 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen mit: einem Substrat und einer auf dem Substrat
ausgebildeten Heizleiterschicht, wobei die Heizleiterschicht zumindest eine Heizleiterbahn aufweist, die auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die
Heizleiterbahn derart strukturiert ist, dass eine Vielzahl, durch
Isolierunterbrechungen voneinander getrennter, Bahnabschnitte ausgebildet ist, wobei mehrere der (oder alle) Bahnabschnitte (nur) mittelbar, über mindestens eine (separate) Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur, insbesondere ein (separates) Leiterbahn-Kontaktpad, miteinander (elektrisch leitend) verbunden sind.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, dass mehrere Bahnabschnitte der Heizleiterbahn nur über mindestens eine (separate) Leiterbahn- Kontaktierungsstruktur, wie insbesondere ein separates Kontaktpad, miteinander verbunden sind. Dadurch kann die Leiterbahn vergleichsweise einfach strukturiert werden, da nicht darauf Rücksicht genommen werden muss, dass die einzelnen Bahnabschnitte per se (also durch sich selbst) auch elektrisch miteinander verbunden sind. Eine dann erforderliche elektrische Verbindung wird durch die (separaten) Leiterbahn-Kontaktierungsstrukturen ermöglicht. Mehrere der einzelnen Bahnabschnitte sind also insbesondere zu keinem einzigen weiteren (einzelnen) Bahnabschnitt per se (durch sich selbst) unmittelbar elektrisch leitend verbunden. Grundsätzlich ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass die elektrische Heizeinrichtung bzw. die Heizleiterschicht auch mehrere Bahnabschnitte aufweist, die unmittelbar miteinander verbunden sind. Die erfindungsgemäßen Vorteile werden bereits dann erreicht, wenn eine Mehrzahl von Bahnabschnitten vorliegt, die (jeweils) nicht unmittelbar miteinander verbunden sind bzw. nicht unmittelbar mit (irgend-)einem weiteren Bahnabschnitt verbunden sind.
Insgesamt kann durch die Erfindung eine einfache Strukturierung (Layout- Gestaltung), insbesondere Laserstrukturierung erfolgen. Durch die (separaten) Leiterbahn-Kontaktierungsstrukturen können Hotspots vermieden (oder reduziert) werden bzw. eine gleichmäßige (bzw. gleichmäßigere) Temperaturverteilung innerhalb der Heizleiterschicht erreicht werden. Es können (flexibel) mehrere Heizkreise ausgebildet werden. Insgesamt sind dazu keine zusätzlichen
Herstellungsprozesse, insbesondere Beschichtungsprozesse notwendig. Es können auch auf besonders einfache Art und Weise Heizkreise mit unterschiedlichen Widerständen hergestellt werden.
In Ausführungsformen ist mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur, insbesondere in Form eines Anschluss-Kontaktpads vorgesehen, über die (über das) eine Stromversorgung erfolgen kann. Die weiter oben (und nachfolgend) beschriebenen (jeweiligen) Leiterbahn-Kontaktierungsstrukturen sind
vorzugsweise nicht (unmittelbar) mit einer Stromversorgung verbunden, was insbesondere bedeutet, dass diese nur die jeweiligen Bahnabschnitte miteinander verbinden und nur über diese Bahnabschnitte dann auch mit der Stromversorgung an sich verbunden sind. Demgegenüber soll es sich bei einer Anschluss- Kontaktierungsstruktur um eine Kontaktierungsstruktur handeln, die nicht nur mit mindestens oder genau einem Bahnabschnitt verbunden ist, sondern auch ohne Umweg über mindestens einen Bahnabschnitt per se mit der Stromversorgung (Stromquelle) verbunden ist. Es ist weiterhin jedoch auch möglich, dass
Leiterbahn-Kontaktierungsstrukturen gleichzeitig Anschluss- Kontaktierungsstrukturen ausbilden, insbesondere in dem Sinne, dass die jeweilige Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur sowohl mindestens zwei
Bahnabschnitte miteinander verbindet (indem diese mit den beiden zu
verbindenden Bahnabschnitten jeweils unmittelbar in Verbindung ist) als auch (ohne Umweg über die verbundenen Bahnabschnitte) mit der Stromversorgung in Verbindung steht. Eine derartige Kontaktierungsstruktur kann auch als
Leiterbahn-Anschluss-Kontaktierungsstruktur bezeichnet werden.
Die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur und/oder die mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur wird vorzugsweise dadurch hergestellt, dass ein flüssiges oder pastöses Ausgangsmaterial auf das Substrat bzw.
(zumindest teilweise) auf die auf dem Substrat befindliche Heizleiterbahn aufgebracht wird und sich dort verfestigt. Im Allgemeinen kann die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur und/oder die mindestens eine Anschluss- Kontaktierungsstruktur stoffschlüssig mit dem Substrat (unmittelbar oder mittelbar, beispielsweise zumindest teilweise über die Heizleiterbahn und/oder eine in den Isolierunterbrechungen vorgesehene Isoliermasse) mit dem Substrat verbunden sein.
Vorzugsweise verlaufen mehrere oder alle Bahnabschnitte zueinander (im geometrischen Sinne) parallel. Eine derartige Struktur kann besonders einfach hergestellt werden.
Mindestens ein (oder mehrere oder alle) Bahnabschnitt(e) kann (können) jeweils einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet sein. Mindestens eine (oder mehrere oder alle) Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur(en) und/oder mindestens eine (oder mehrere oder alle) Anschluss- Kontaktierungsstruktur(en) kann (können) jeweils einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet sein.
In Ausführungsformen ist mindestens eine (oder mehrere oder alle) Leiterbahn- Kontaktierungsstruktur(en) und/oder mindestens eine (oder mehrere oder alle) Anschluss-Kontaktierungsstruktur(en) an einem Bahnabschnittsende mindestens eines Bahnabschnittes angeordnet. Dadurch kann auf einfache Art und Weise eine Verbindung der einzelnen Bahnabschnitte zu der Leiterbahn erfolgen. Weiterhin hat dies den Vorteil, dass durch derartig angeordnete Kontaktierungsstrukturen die Temperaturerhöhung an entsprechenden Bahnumlenkungen durch einen (lokal) reduzierten (mitunter deutlich reduzierten) Widerstand gesenkt werden kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Kontaktierungsstrukturen im Vergleich zu den Bahnabschnitten eine größere Dicke aufweisen.
Die jeweilige (separate) Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur verbindet
vorzugsweise mindestens oder genau zwei Bahnabschnitte miteinander oder mindestens (oder genau) drei Bahnabschnitte miteinander. Die Bahnabschnitte (Heizleiterstreifen) können beispielsweise in Gruppen durch die Leiterbahn- Kontaktierungsstrukturen (z. B. Kupferpads) verbunden werden.
Mehrere Leiterbahn-Kontaktierungsstrukturen können (geometrisch) in einer Reihe angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können mehrere Anschluss- Kontaktierungsstrukturen (geometrisch) in einer Reihe angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur und mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur (geometrisch) in einer Reihe angeordnet sein. Dadurch kann eine vergleichsweise einfache Herstellung erfolgen. Insbesondere können die Kontaktierungsstrukturen (z. B. Kupferpads) vergleichsweise günstig auf gleichem (Höhen-) Niveau angeordnet werden.
Mehrere Leiterbahn-Kontaktierungsstrukturen können (elektrisch) parallel geschaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können mehrere Anschluss- Kontaktierungsstrukturen (elektrisch) parallel geschaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur und
mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur (elektrisch) parallel geschaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können mehrere Bahnabschnitte (elektrisch) parallel geschaltet sein.
Alternativ oder zusätzlich können mehrere Leiterbahn-Kontaktierungsstrukturen (elektrisch) seriell geschaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können mehrere Anschluss- Kontaktierungsstrukturen (elektrisch) seriell geschaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur und mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur (elektrisch) seriell geschaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können mehrere Bahnabschnitte (elektrisch) seriell geschaltet sein.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur und/oder die mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur dicker als der/die
entsprechende Bahnabschnitt(e) (mit dem/denen die jeweilige
Kontaktierungsstruktur verbunden ist). Eine Dicke der jeweiligen
Kontaktierungsstruktur kann mindestens 1,2-mal, vorzugsweise mindestens 1,5- mal, noch weiter vorzugsweise mindestens 2-mal, noch weiter vorzugsweise mindestens 4-mal und/oder höchstens 100-mal so groß sein wie eine Dicke der/des (benachbarten) Bahnabschnitte(s). Durch eine derartige Aufdickung gegenüber den eigentlichen Bahnabschnitten (Heizleiterstreifen) kann
insbesondere eine Temperaturerhöhung, vorzugsweise an Bahnumlenkungen, durch einen lokal (deutlich) reduzierten Widerstand vermieden bzw. reduziert werden.
Weiterhin kann die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur und/oder die mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur einen (gegenüber dem/den jeweils angrenzenden Bahnabschnitt(en)) reduzierten elektrischen Widerstand aufweisen. Bei dem hier betrachteten elektrischen Widerstand kann es sich insbesondere um den spezifischen Widerstand handeln. Alternativ oder zusätzlich kann unter einem reduzierten elektrischen Widerstand jedoch auch verstanden werden, dass ein Widerstand im Bereich der jeweiligen Kontaktierungsstruktur geringer ist als der Widerstand einer (nicht-vorgesehenen) Vergleichsstruktur, die dadurch gebildet wäre, dass die jeweiligen (benachbarten) Bahnabschnitte so (mit konstanter Dicke) fortgesetzt wären, dass sie dieselbe Fläche überdecken würden, wie die tatsächlich vorgesehene Kontaktierungsstruktur. Auch dadurch kann erreicht werden, dass kritische (ggf. zu hohe) Temperaturen vermieden werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Leiterbahn- Kontaktierungsstruktur und/oder die mindestens eine Anschluss- Kontaktierungsstruktur eine (gegenüber dem/den jeweils angrenzenden
Bahnabschnitt(en)) reduzierte Wärmeerzeugung (im Betrieb) aufweisen. Unter einer reduzierten Wärmeerzeugung in diesem Sinne ist insbesondere zu verstehen, dass eine spezifische Wärmeabgabe (insbesondere eine Wärmeabgabe pro Gewichtseinheit, z. B. Milligramm) bei den (angrenzenden) Bahnabschnitten größer ist als bei der jeweiligen Kontaktierungsstruktur.
Konkret kann die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur und/oder die mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur aus Kupfer oder einer
Kupferlegierung gebildet sein.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur aus demselben Material gebildet wie die mindestens eine Anschluss- Kontaktierungsstruktur (z. B. aus Kupfer oder einer Kupferlegierung).
Die Bahnabschnitte können aus einem anderen Material als die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur und/oder Anschluss-Kontaktierungsstruktur gebildet sein. Mögliche Materialien sowie eine mögliche Herstellung der
Bahnabschnitte werden weiter unten beschrieben.
Die Leiterbahn kann mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5, vorzugsweise mindestens 10, (vorzugsweise geometrisch zueinander parallele, insbesondere jeweils mit keinem weiteren Bahnabschnitt unmittelbar verbundene)
Bahnabschnitte aufweisen. Die Anzahl kann vergleichsweise flexibel eingestellt werden, insbesondere aufgrund der Leiterbahn-Kontaktierungsstrukturen.
Die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur und/oder die mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur kann abschnittsweise auf bzw. oberhalb einer oder mehrerer Leiterbahnen angeordnet sein. Dadurch kann zum einen eine vergleichsweise einfache Kontaktierung erfolgen. Zum anderen wird die Gesamt- Dicke der leitenden Strukturen in dem jeweiligen Bereich erhöht, was den Widerstand reduziert (was insbesondere im Bereich von Umlenkungen vorteilhaft ist).
Die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur kann einen Durchmesser und/oder eine Länge aufweisen, der/die mindestens dem 0,2-fachen,
vorzugsweise mindestens dem 0,5-fachen und/oder maximal dem 5-fachen, vorzugsweise maximal dem 2-fachen, weiter vorzugsweise maximal dem 1,2- fachen einer Breite eines/der angrenzenden Bahnabschnitte(s)
entspricht/entsprechen. Die mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur kann einen Durchmesser und/oder eine Länge aufweisen, der/die mindestens dem 0,2-fachen, vorzugsweise mindestens dem 0,5-fachen und/oder maximal dem 10- fachen, vorzugsweise maximal dem 5-fachen, weiter vorzugsweise maximal dem 3-fachen, weiter vorzugsweise maximal dem 1, 5-fachen einer Breite eines/der angrenzenden Bahnabschnitte(s) entspricht/entsprechen. Unter einem
Durchmesser der jeweiligen Kontaktierungsstruktur ist insbesondere eine maximal mögliche Entfernung eines Punkte-Paares der jeweiligen Kontaktierungsstruktur unter allen möglichen Punkte-Paaren zu verstehen (also beispielsweise bei einem Quader die Raumdiagonale). Unter einer Länge ist insbesondere eine Dimension zu verstehen, die sich bei einer axialen Vorzugsrichtung ergibt (beispielsweise bei einem Rechteck oder einer elliptischen Struktur). Dann soll die„Länge" die Dimension der größten Ausdehnung (entlang der Vorzugsrichtung, bei der die größte Ausdehnung erreicht wird, wenn mehrere Vorzugsrichtungen vorliegen) darstellen. Bei einem Kreis ist der Durchmesser der Kreisdurchmesser.
Die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur und/oder die mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur kann durch Aufbringen eines
Ausgangsmaterials in flüssigem oder pastösem Zustand hergestellt sein.
Dies kann beispielsweise durch Löten erfolgen. Dadurch können auf einfache Art und Weise Kontaktierungsstrukturen hergestellt werden. Der (jeweilige)
Bahnabschnitt und/oder die (jeweilige) Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur und/oder die (jeweilige) Anschluss-Kontaktierungsstruktur kann/können ohne Drähte ausgebildet sein, jedoch an entsprechende Drähte angeschlossen sein (insbesondere zur Stromversorgung).
Die Bahnabschnitte können auf gleicher Höhe, gegenüber einer Oberfläche des Substrats, angeordnet sein und/oder eine gleiche Dicke (senkrecht zu der Oberfläche des Substrats) aufweisen. Eine Dicke eines jeweiligen Bahnabschnittes (insbesondere aller Bahnabschnitte) kann konstant sein. Soweit hier (sowie weiter oben und weiter unten) von einer Dicke einer jeweiligen Struktur die Rede ist, ist darunter vorzugsweise die Dicke senkrecht zu der Oberfläche des Substrats zu verstehen. Wenn eine derartige Dicke schwankt, soll (zum Dickenvergleich) vorzugsweise die (jeweilige) maximale und/oder durchschnittliche Dicke herangezogen werden oder, zusätzlich oder alternativ, eine (jeweilige) Dicke des größten zusammenhängenden Bereichs mit konstanter Dicke.
Die Halbleiterschicht bedeckt vorzugsweise zumindest 50 % einer
Substratoberfläche, weiter vorzugsweise zumindest 80 % der Substratoberfläche.
In den Isolierunterbrechungen kann ein elektrisch isolierendes Material angeordnet sein.
Die Heizleiterbahn kann derart ausgebildet sein, dass sie über einen
überwiegenden Anteil ihrer Länge gerade verläuft.
Die Bahnabschnitte wiederum können derart ausgebildet sein, dass sie (per se) über einen überwiegenden Anteil ihrer Länge, vorzugsweise über ihre gesamte Länge, gerade verlaufen.
Auf der Heizleiterschicht kann zumindest eine weitere Schicht, insbesondere Isolierschicht, ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die elektrische Heizeinrichtung als Kfz- Heizeinrichtung ausgebildet ist.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin insbesondere durch ein Fahrzeug, vorzugsweise Kraftfahrzeug, weiter vorzugsweise Elektromobil oder
Hybridfahrzeug, gelöst, umfassend eine elektrische Heizeinrichtung der obigen Art.
Die obige Aufgabe wird weiterhin gelöst durch die Verwendung einer elektrischen Heizeinrichtung der obigen Art für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug (z. B. PKW oder LKW), vorzugsweise Elektromobil oder Hybridfahrzeug. Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur
Herstellung einer elektrischen Heizeinrichtung, insbesondere der obigen Art, umfassend die Schritte: Aufbringen einer Heizleiterschicht auf ein Substrat, Strukturieren der Heizleiterschicht, insbesondere durch Laserstrukturieren, wobei eine Vielzahl durch Isolierunterbrechungen voneinander getrennter
Bahnabschnitte ausgebildet wird, wobei mehrere der Bahnabschnitte
(insbesondere zunächst) nicht miteinander (elektrisch) verbunden sind und (nur) mittelbar, über mindestens eine (separate) Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur, insbesondere Leiterbahn-Kontaktpad, miteinander (elektrisch leitend) verbunden werden. Weitere Verfahrensschritte ergeben sich aus der obigen Beschreibung der elektrischen Heizeinrichtung sowie dem Folgendem.
Insgesamt wird eine elektrische Heizeinrichtung vorgeschlagen, die insbesondere den zunehmenden Bedarf für elektrisch angetriebene Fahrzeuge effektiv abdecken kann. In der Vergangenheit kamen als elektrische Heizeinrichtungen für derartige mobile Anwendungen überwiegend sogenannte PTC-Heizelemente zum Einsatz, die mit vergleichsweise niedrigen Versorgungsspannungen betrieben wurden, die in einem Bordnetz eines herkömmlichen Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor vorhanden sind. Insbesondere bei modernen Fahrzeugen, die vollständig oder teilweise elektrisch angetrieben werden, besteht der Bedarf, die Fahrzeuge auch elektrisch mit Versorgungsspannungen betreiben zu können, die ggf. in einem entsprechenden Hochvolt-Bordnetz vorliegen, wie z. B. einer
Spannung in einem Bereich zwischen 150 Volt und 900 Volt, ggf. sogar bis über 1.000 Volt.
Unter einer Heizeinrichtung für mobile Anwendungen ist im vorliegenden Kontext insbesondere eine Heizeinrichtung zu verstehen, die für den Einsatz in mobilen Anwendungen ausgelegt und dementsprechend angepasst ist. Dies bedeutet insbesondere, dass sie (auch während ihres Betriebes) transportabel ist (ggf. in einem Fahrzeug fest eingebaut bzw. nicht lediglich für den Transport darin untergebracht) und nicht ausschließlich für den dauerhaften, stationären Einsatz, wie es beispielsweise bei der Beheizung eines Gebäudes der Fall ist, ausgelegt ist. Eine derartige Heizeinrichtung muss im Unterschied zu stationären
Heizeinrichtungen insbesondere auch während der Fahrt eines entsprechenden Fahrzeuges funktionieren, also insbesondere auch bei entsprechenden
Beschleunigungen, Verzögerungen und/oder Erschütterungen funktionieren. Ein Gewicht der Heizeinrichtung kann unter 500 kg, vorzugsweise unter 100 kg, noch weiter vorzugsweise unter 20 kg liegen. Die Heizeinrichtung kann ggf. fest in einem Fahrzeug (Landfahrzeug, Schiff, etc.), insbesondere in einem
Landfahrzeug, installiert sein. Insbesondere kann sie zur Beheizung eines
Fahrzeug-Innenraums, wie beispielsweise eines Land-, Wasser- oder
Luftfahrzeugs, sowie eines (Teil-) offenen Raums, wie er beispielsweise auf Schiffen, insbesondere Yachten, aufzufinden ist, ausgelegt sein. Die
Heizeinrichtung kann auch (vorübergehend) stationär eingesetzt werden, wie beispielsweise in großen Zelten, Containern (z. B. Baucontainern), et cetera.
Insbesondere kann die elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen als Stand- oder Zuheizer für ein Landfahrzeug, wie beispielsweise für einen
Wohnwagen, ein Wohnmobil, einen Bus, einen PKW, etc., ausgelegt sein.
Das Substrat kann eine plane oder nicht-plane (beispielsweise gewölbte oder gekrümmte) Oberfläche aufweisen. Die Vielzahl der (nebeneinander verlaufenden) durch Isolierunterbrechungen voneinander getrennten Bahnabschnitte ist vorzugsweise auf einer (zumindest im Wesentlichen) gleichmäßigen Höhe gegenüber der Substratoberfläche angeordnet.
Die (miteinander verbundenen bzw. zu verbindenden) Bahnabschnitte verlaufen vorzugsweise (zumindest abschnittsweise) parallel (im geometrischen Sinne) zueinander. Eine Umlenkung des Stroms wird vorzugsweise über die entsprechend zugeordnete Leiter-Kontaktierungsstruktur, insbesondere um 180 Grad oder zumindest ungefähr 180 Grad (d.h. insbesondere mindestens 170°) erreicht.
Die zumindest eine Heizleiterbahn kann sich in einem bifilaren Muster auf dem Substrat erstrecken. Durch eine bifilare Anordnung kann die Heizleiterbahn, die durch das Substrat bereitgestellte Oberfläche mit geringen Leerflächen in hohem Maße überdecken. Ferner ermöglicht es die bifilare Anordnung, mögliche
Störstrahlungen durch die elektrische Heizeinrichtung zu minimieren. Bei der bifilaren Anordnung liegen Bahnabschnitte der Heizleiterbahn derart
nebeneinander vor, dass gegenläufig von Strom durchflossene bzw.
durchfließbare Bahnabschnitte jeweils nebeneinander verlaufend angeordnet sind. Bevorzugt können dabei zumindest im Wesentlichen sämtliche zum Erwärmen vorgesehene Bahnabschnitte der Heizleiterbahn Teil der bifilaren Anordnung sein. Dadurch können sich die erzeugten elektromagnetischen Felder zumindest teilweise gegenseitig aufheben. Es ist jedoch zu beachten, dass insbesondere Anschlussbereiche zum Verbinden mit einer elektrischen Leistungsversorgung auch nicht-bifilar angeordnet sein können. Die restlichen Bereiche der
Heizleiterbahn können bevorzugt zumindest im Wesentlichen bifilar angeordnet sein.
Optional ist in den Isolierunterbrechungen ein elektrisch isolierendes Material angeordnet. Das elektrisch isolierende Material kann bevorzugt neben den Isolierunterbrechungen auch die von dem Substrat abgewandte Oberfläche der Heizleiterbahn bzw. Heizleiterbahnen bedecken. Das elektrisch isolierende Material kann insbesondere bevorzugt nach dem Ausbilden der Heizleiterbahn bzw. der Heizleiterbahnen als Schicht abgeschieden sein. Das elektrisch isolierende Material ist bevorzugt einerseits elektrisch (vergleichsweise gut) isolierend, andererseits aber thermisch (vergleichsweise gut) leitend. Durch das elektrisch isolierende Material kann die Breite der Isolierunterbrechungen vergleichsweise klein gehalten werden, so dass die zur Verfügung stehende Oberfläche des Substrats effizient für die Heizleiterbahn bzw. Heizleiterbahnen ausgenutzt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Heizleiterbahn derart ausgebildet, dass zumindest über einen Anteil ihrer Länge jeweils zwei Bahnabschnitte mit gleichgerichteter Stromflussrichtung benachbart und ggf. parallel zueinander verlaufen. Die jeweils zwei Bahnabschnitte können an ihren Enden insbesondere über eine gemeinsame Anschluss-Kontaktierungsstruktur, z. B. Anschluss- Kontaktpad, zur Verbindung mit einer elektrischen Leistungsversorgung verbunden sein. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine besonders günstige Verteilung des in dem elektrischen Heizelement fließenden Stroms und somit eine besonders homogene Verteilung der Heizleistung. Ferner kann diese
Strukturierung in kostengünstig einfacher Weise gebildet und dabei die zur Verfügung stehende Oberfläche des Substrats gut ausgenutzt werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist auf der Heizleiterschicht zumindest eine weitere Schicht ausgebildet. Es können insbesondere auch mehrere Schichten auf der Heizleiterschicht ausgebildet sein. Bevorzugt kann auf der Heizleiterschicht eine Isolierschicht ausgebildet sein, die ggf. auch die Isolierunterbrechungen zwischen den Bahnabschnitten der Heizleiterbahn füllt. Auf der Isolierschicht kann bevorzugt z. B. auch noch eine Sensorschicht zur Überwachung der Funktion der elektrischen Heizeinrichtung ausgebildet sein. Über die Isolierschicht kann ein hohes Maß an Sicherheit bereitgestellt werden, indem stromführende Bereiche zusätzlich isoliert sind.
Die Heizleiterschicht ist vorzugsweise eine flächig auf dem Substrat
abgeschiedene und ggf. anschließend unter Materialabtrag strukturierte Schicht. Dies ermöglicht eine vergleichsweise kostengünstige Herstellung der jeweiligen Heizleiterbahn bzw. der jeweiligen Bahnabschnitte. Die Heizleiterschicht kann bevorzugt durch ein thermisches Spritzverfahren auf dem Substrat aufgebracht und anschließend (z. B. durch Laserbearbeitung) strukturiert sein. Grundsätzlich sind aber auch andere Verfahren, wie z. B. Druckverfahren, Gießverfahren oder Ähnliches zur Ausbildung der Heizleiterschicht denkbar. Ebenso sind andere Verfahren zur Strukturierung möglich, wie beispielsweise Ätzen, mechanisches Abtragen, Ultraschall oder Ähnliches. Die Heizleiterschicht ist bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Material gefertigt.
Weiterhin kann die Heizleiterschicht über eine zwischengelagerte, elektrisch isolierende (und ggf. thermisch gut leitfähige) Zwischenschicht von dem Material des Substrates getrennt sein. Insbesondere kann die Heizleiterschicht
beispielsweise aus einer Nickel-, Chrom-, oder Nickel-Chrom-Legierung gebildet sein und/oder über eine Aluminiumoxidschicht von einem Material des Substrates getrennt sein. Das Substrat kann vorzugsweise eine vergleichsweise gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, insbesondere aus einem Metall gefertigt sein. Die jeweilige Heizleiterbahn und/oder der jeweilige Bahnabschnitt kann bevorzugt eine Breite von einigen Millimetern aufweisen, insbesondere eine Breite zwischen 2,5 mm und 5 mm, und eine Dicke (in der Richtung senkrecht zum Substrat) im Bereich von 5 pm bis 30 pm, insbesondere im Bereich von 10 pm bis 25 pm.
In einer konkreten Ausführungsform ist die elektrische Heizeinrichtung als Hochvolt-Heizung für eine Betriebsspannung im Bereich von vorzugsweise zwischen 150 Volt und 900 Volt, weiter vorzugsweise zwischen 200 Volt und 600 Volt ausgelegt. Es ist jedoch ggf. auch eine Auslegung bis über 1.000 Volt möglich. In diesem Fall kann die elektrische Heizeinrichtung besonders vorteilhaft beispielsweise in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug zum Einsatz kommen, ohne dass aufwändige Spannungswandler erforderlich sind. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen :
Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen elektrischen
Heizeinrichtung; und
Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer abweichenden Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen
Heizeinrichtung. Diese umfasst ein Substrat 10, ggf. eine (unmittelbar) auf dem Substrat 10 angeordnete elektrisch isolierende Schicht (nicht gezeigt), eine (unmittelbar) auf dem Substrat 10 oder der elektrisch isolierenden Schicht angeordnete (unterbrochene) Heizleiterschicht 12 sowie ggf. eine unmittelbar auf der Heizleiterschicht angeordnete weitere Isolierschicht (nicht gezeigt). Die elektrisch isolierende Schicht auf dem Substrat ist insbesondere dann
vorgesehen, wenn das Substrat 10 aus einem leitfähigen Material, z. B. Metall, ausgebildet ist.
Die elektrische Heizeinrichtung gemäß Fig. 1 ist vorzugsweise dazu ausgelegt, in einem Fahrzeug ein Fluid zu beheizen. Das Fluid kann dabei insbesondere durch zu beheizende Luft oder durch eine Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf des Fahrzeugs gebildet sein. Die elektrische Heizeinrichtung ist dabei insbesondere als eine Hochvolt-Heizung für einen Betrieb mit einer Betriebsspannung im Bereich zwischen 150 Volt und 900 Volt, insbesondere im Bereich zwischen 200 Volt und 600 Volt ausgelegt. Es ist jedoch beispielsweise auch eine Auslegung bis über 1.000 Volt möglich.
Das Substrat 10 ist insbesondere gleichzeitig als ein Wärmetauscher zum
Übertragen einer freigesetzten Heizleistung auf das zu erwärmende Fluid ausgebildet. Insbesondere kann eine (nicht dargestellte) Unterseite mit einer Mehrzahl von Wärmetauscherrippen und/oder Kanälen versehen sein, über die das zu erwärmende Fluid geleitet wird. Das Substrat 10 kann vorzugsweise (in herstellungstechnisch kostengünstiger Weise) aus einem metallischen Material mit einem hohen Wärmeübertragungskoeffizienten gebildet sein, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, das Substrat 10 aus einem elektrisch isolierenden Material insbesondere mit hoher thermischer Leitfähigkeit zu fertigen, wie insbesondere aus einer entsprechenden Keramik.
Die (optionale) elektrisch isolierende Schicht auf dem Substrat weist
vorzugsweise eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Weiterhin ist die elektrisch isolierende Schicht vorzugsweise aus Aluminiumoxid gebildet. Weiterhin kann die elektrisch isolierende Schicht in einem thermischen Spritzverfahren auf dem Substrat 10 abgeschieden sein. Insbesondere in dem Fall, dass das Substrat aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist, kann die elektrisch isolierende Schicht beispielsweise auch durch gezieltes Oxidieren der Oberfläche des Substrates 10 gebildet werden. Die elektrisch isolierende Schicht ist dazu ausgebildet, das Substrat 10 elektrisch gegenüber der Heizleiterschicht 12 zu isolieren (gleichzeitig jedoch eine gute Wärmeübertragung auf das Material des Substrates 10 zu ermöglichen).
Die Heizleiterschicht 12 ist vorzugsweise auf dem Substrat 10 (bzw. auf der isolierenden Schicht) abgeschieden. Die Heizleiterschicht 12 kann aus einem metallischen Material (insbesondere aus einer Nickel-Chrom-Legierung)
ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Heizleiterschicht 12 in einem thermischen Spritzverfahren abgeschieden. Alternativ ist es aber beispielsweise auch möglich, die Heizleiterschicht 12 in einem Druck- oder Gießverfahren abzuscheiden.
Die Heizleiterschicht 12 ist vorzugsweise derart strukturiert, dass zumindest eine Heizleiterbahn 14 mit mehreren Bahnabschnitten 15a-15h ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, ohmsche Wärme freizusetzen, wenn zwischen ihren
entgegengesetzten Enden eine elektrische Spannung angelegt wird.
In einem Randbereich der elektrischen Heizeinrichtung können Anschlüsse zum Verbinden der Heizleiterbahnen mit einer elektrischen Leistungsversorgung vorgesehen sein. Derartige Anschlüsse können elektrisch voneinander isoliert (beispielsweise nebeneinander), ggf. über einem Rand des Substrates 10, angeordnet sein. Dabei kann ein erster Anschluss zum elektrischen Kontaktieren der Heizleiterbahn und Anlegen eines ersten elektrischen Potentials ausgebildet sein und ein zweiter Anschluss zum elektrischen Kontaktieren der Heizleiterbahn und Anlegen eines anderen, zweiten Potentials ausgebildet sein. Über die beiden Anschlüsse kann somit eine gewünschte Potentialdifferenz an die jeweilige Heizleiterbahn angelegt werden.
Die Heizleiterschicht 12 bildet in Fig. 1 eine Heizleiterbahn 14, die wiederum eine Vielzahl durch Isolierunterbrechungen 16 voneinander getrennte Bahnabschnitte 15a-15h aufweist. Die einzelnen Bahnabschnitte 15a-15h sind hier vollständig voneinander (also gegenüber dem oder den jeweils nächsten Bahnabschnitt(en)) getrennt und per se miteinander nicht elektrisch leitend verbunden. Eine elektrische Verbindung wird über entsprechende Leiterbahn- Kontaktierungsstrukturen 30 in Form von Kontaktpads erreicht. Weiterhin sind Anschluss-Kontaktierungsstrukturen 31 vorgesehen, über die ein Anschluss an eine Stromquelle (bzw. entsprechende Pole der Stromquelle) erfolgen kann.
Beispielsweise kann der Stromfluss von der in Fig. 1 mittleren Anschluss- Kontaktierungsstruktur 31 sowohl zur in Fig. 1 ganz linken als auch in Fig. 1 ganz rechten Anschluss-Kontaktierungsstruktur 31 erfolgen (oder umgekehrt). Es werden also zwei Leiterkreise ausgebildet. Die gestrichelten Linien (rechts in Fig. 1) sollen andeuten, dass auch noch mehr Leiterkreise und/oder
Bahnabschnitte 15 vorgesehen sein können. Insgesamt erkennt man anhand der Fig. 1, dass auf einfache Art und Weise verschieden groß dimensionierte
Heizeinrichtungen realisiert werden können.
Die Bahnabschnitte 15a-15h sind konkret durch Isolierunterbrechungen 16 voneinander getrennt und somit gegeneinander elektrisch isoliert. Die
Isolierunterbrechungen können bevorzugt dadurch ausgebildet sein, dass die Heizleiterschicht 12 zunächst flächig auf dem Substrat 10 abgeschieden wird und im Bereich der Isolierunterbrechungen anschließend das Material der
Heizleiterschicht 12 gezielt abgetragen wird, insbesondere durch
Laserbearbeitung.
Die Isolierunterbrechungen 16 weisen vorzugsweise (über ihre Längserstreckung) eine (zumindest im Wesentlichen) gleichbleibende Breite auf. In dieser Weise wird erreicht, dass die Bahnabschnitte 15a-15h der Heizleiterbahn 14 die
Oberfläche des Substrates großflächig überdecken können, so dass die zur Verfügung stehende Fläche möglichst optimal zur Ausbildung von Heizleistung bereitstellenden Bahnabschnitten ausgenutzt werden kann.
In Fig. 1 ist eine Länge der Bahnabschnitte 15a-15h kürzer als eine Ausdehnung einer Fläche einer Summe der Bahnabschnitte 15a-15h in einer zu der
Längenrichtung der einzelnen Bahnabschnitte senkrechten Richtung.
Der umgekehrte Fall ist in der Ausführungsform gemäß Fig. 2 gezeigt. Hier ist eine Länge der Bahnabschnitte 15a-15f länger als eine Ausdehnung einer Fläche einer Summe der Bahnabschnitte 15a-15f in einer zu der Längenrichtung der einzelnen Bahnabschnitte senkrechten Richtung.
Weiterhin sind in Fig. 2 verschiedene Möglichkeiten der Anordnung von
Leiterbahn-Kontaktierungsstrukturen (Leiterbahn-Kontaktpads) 30 sowie
Anschluss-Kontaktierungsstrukturen (Anschluss-Kontaktierungspads) 31 illustriert. Es sind grundsätzlich beliebige Variationen möglich. Weiterhin müssen natürlich die Anschluss-Kontaktierungsstrukturen 31 entsprechend mit den passenden Polen der Stromquelle verbunden werden, so dass insgesamt ein Stromfluss erfolgen kann.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den
Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichen
10 Substrat
12 Heizleiterschicht
14 Heizleiterbahn
15a-15h Bahnabschnitt
16 Isolierunterbrechung
30 Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur
31 Anschluss-Kontaktierungsstruktur

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit: einem Substrat (10) und einer auf dem Substrat (10) ausgebildeten Heizleiterschicht (12), wobei die Heizleiterschicht (12) zumindest eine Heizleiterbahn (14) aufweist, die auf dem Substrat (10) angeordnet ist, wobei die Heizleiterbahn (14) derart strukturiert ist, dass eine Vielzahl durch Isolierunterbrechungen (16) voneinander getrennter Bahnabschnitte (15a-15h) ausgebildet ist, wobei mehrere der Bahnabschnitte (15a-15h) nur mittelbar, über mindestens eine separate Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur (30), insbesondere ein separates Leiterbahn-Kontaktpad, miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
2. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1,
d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur (31), insbesondere Anschluss-Kontaktpad, vorgesehen ist, über die eine Stromversorgung erfolgen kann.
3. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
mehrere oder alle Bahnabschnitte (15a-15h) zueinander parallel verlaufen.
4. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
mindestens eine der separaten Leiterbahn-Kontaktierungsstrukturen (30) und/oder mindestens eine der Anschluss-Kontaktierungsstrukturen (31) an einem Bahnabschnittsende mindestens eines Bahnabschnitts (15a-15h) angeordnet ist/sind.
5. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
mindestens eine der separaten Leiterbahn-Kontaktierungsstrukturen (30) mindestens drei der Bahnabschnitte (15a-15h) miteinander elektrisch leitend verbindet.
6. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
mehrere Leiterbahn-Kontaktierungsstrukturen (30) und/oder Anschluss- Kontaktierungsstrukturen (31) in einer Reihe angeordnet sind.
7. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur (30) und/oder mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur (31) dicker ist als der/die jeweils zugeordnete(n) Bahnabschnitt(e) (15a-15h) und/oder einen, gegenüber dem/den jeweils zugeordneten Bahnabschnitt(en) (15a- 15h), reduzierten elektrischen Widerstand und/oder eine, gegenüber dem/den jeweils zugeordneten Bahnabschnitt(en) (15a-15h), reduzierte Wärmeerzeugung im Betrieb aufweist/aufweisen.
8. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur (30) aus demselben Material gebildet ist wie die mindestens eine Anschluss- Kontaktierungsstruktur (31) und/oder dass die Bahnabschnitte (15a-15h) aus einem anderen Material als die mindestens eine Leiterbahn- Kontaktierungsstruktur (30) und/oder Anschluss-Kontaktierungsstruktur (31) gebildet ist.
9. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur (30) und/oder die mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur (31) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist.
10. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
mindestens drei, vorzugsweise mindestens fünf, weiter vorzugsweise mindestens zehn, mit keinem weiteren Bahnabschnitt (15a-15h)
unmittelbar verbundene Bahnabschnitte (15a-15h) vorgesehen sind.
11. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur (30) und/oder die mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur (31) abschnittsweise oberhalb einer oder mehrerer Bahnabschnitte (15a-15h) angeordnet ist und/oder die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur (30) einen
Durchmesser und/oder eine Länge aufweist, der/die maximal dem 5- fachen, vorzugsweise maximal dem 2-fachen einer Breite der
angrenzenden Bahnabschnitte (15a-15h) entspricht/entsprechen und/oder die mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur (31) einen
Durchmesser und/oder eine Länge aufweist, der/die maximal dem 10- fachen, vorzugsweise maximal dem 3-fachen einer Breite der
angrenzenden Bahnabschnitte (15) entspricht/entsprechen und/oder die mindestens eine Leiterbahn-Kontaktierungsstruktur (30) und/oder die mindestens eine Anschluss-Kontaktierungsstruktur (31) durch Aufbringen in flüssigem oder pastösem Zustand hergestellt sind.
12. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
die Bahnabschnitte (15a-15h) auf gleicher Höhe, gegenüber einer
Oberfläche des Substrats (10), angeordnet sind und/oder eine gleiche Dicke, senkrecht zu einer/der Oberfläche des Substrats (10), aufweisen.
13. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
die Heizleiterschicht (12) zumindest 50 % einer Substratoberfläche bedeckt, bevorzugt zumindest 80 % der Substratoberfläche, und/oder wobei in den Isolierunterbrechungen (16) ein elektrisch isolierendes Material angeordnet ist und/oder wobei die Heizleiterbahn (14) derart ausgebildet ist, dass sie über einen überwiegenden Anteil ihrer Länge gerade verläuft, und/oder wobei die Bahnabschnitte (15a-15h) derart ausgebildet sind, dass sie über einen überwiegenden Anteil ihrer Länge, vorzugsweise über ihre gesamte Länge, gerade verlaufen und/oder wobei auf der Heizleiterschicht (12) zumindest eine weitere Schicht, insbesondere Isolierschicht, ausgebildet ist.
14. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Verwendung einer elektrischen Heizeinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 13 für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug.
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