Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Flüssigkeitsheizgerät, insbesondere Wasserheizgerät, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug.

Elektrische Wasserheizgeräte (insbesondere solche, die in mobilen Anwendungen eingesetzt werden) basieren zumeist auf keramischen Heiz-Elementen mit einem vergleichsweise stark temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, durch den eine Selbstregelung der Wärmeabgabe ermöglicht wird. Bei diesen Widerständen handelt es sich üblicherweise um PTC-Elemente (PTC für Positive Temperature Coefficient). Ein PTC-Element umfasst einen PTC-Widerstand, also einen temperaturabhängigen Widerstand mit einen positiven Temperaturkoeffizienten, der bei tiefen Temperaturen den elektrischen Strom besser leitet als bei hohen Temperaturen. Weiterhin sind elektrische Wasserheizgeräte bekannt, die auf sogenannten Drahtheizern basieren, die in der Regel mit Wärmeübertrager- Flächen verbunden sind.

Bei herkömmlichen Wasserheizgeräten mit Keramik-PTC-Elementen ist die Herstellung aufgrund einer komplizierten Wärmeübertrager-Fertigung und dem Einbau der Keramik-Elemente vergleichsweise aufwändig. Zumeist ist eine Sortierung der Keramik-Elemente aufgrund von Fertigungstoleranzen notwendig. Die Leistungsdichte im Heizelement-Wärmeübertrager-Verbund ist aufgrund von lokaler Wärmeerzeugung vergleichsweise unbefriedigend. Eine maximale

Heizleistung ist aufgrund der Dicke des PTC-Materials eingeschränkt (bzw.

aufgrund einer begrenzten Wärmeabfuhr aus der Keramik). Ein geringer geometrischer Abstand von Bauteilen mit hohem Spannungspotential führt eine Kurzschlussgefahr mit sich. Bei den oben erwähnten Drahtheizern liegt wiederum kein PTC-Effekt vor und somit ist keine Selbstregelung möglich, was mit einer entsprechenden Sicherheitsproblematik einhergeht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Flüssigkeitsheizgerät, insbesondere Wasserheizgerät, vorzuschlagen, das eine effektive Aufheizung der Flüssigkeit (des Wassers) ermöglicht. Insbesondere soll bei einem vergleichsweise geringen Bauraum eine hohe Leistungsdichte ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird insbesondere durch ein elektrisches Flüssigkeitsgerät, vorzugsweise Wasserheizgerät, nach Anspruch 1 gelöst.

Insbesondere wird die Aufgabe durch ein elektrisches Flüssigkeitsheizgerät, insbesondere Wasserheizgerät, vorzugsweise für ein Fahrzeug, weiter

vorzugsweise Kraftfahrzeug (wie Personen- oder Lastkraftwagen), gelöst, umfassend mindestens einen Flüssigkeitsaufnahmebehälter und mindestens einen Heizleiter, der eine leitfähige Polymerstruktur aufweist, zur Aufheizung von in dem Flüssigkeitsaufnahmebehälter aufgenommenen Flüssigkeit, insbesondere Wasser.

Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, ein elektrisches Flüssigkeitsheizgerät (insbesondere Wasserheizgerät) vorzuschlagen, bei dem ein

Flüssigkeitsaufnahmebehälter (Wasserbehälter) vorgesehen ist und die dort aufgenommene Flüssigkeit (bzw. das dort aufgenommene Wasser) durch eine leitfähige Polymerstruktur aufgeheizt wird. Die in dem Flüssigkeitsbehälter aufgenommene Wärme kann dann insbesondere über einen

Kühlflüssigkeitskreislauf weiteren Komponenten (insbesondere in einem

Kraftfahrzeug) zur Verfügung gestellt werden. Insgesamt kann eine effiziente Wärmeerzeugung und ein effizienter (direkter) Wärmeabtransport ermöglicht werden. Insgesamt wird eine sichere und effiziente Aufheizung ermöglicht. Ein beanspruchter Bauraum kann vergleichsweise kompakt sein.

Der Flüssigkeitsaufnahmebehälter weist vorzugsweise ein Gehäuse auf und (mindestens) einen Flüssigkeitseingang und (mindestens) einen

Flüssigkeitsausgang. Der Flüssigkeitsbehälter kann in mindestens zwei zueinander senkrechten Richtungen eine (maximale) Ausdehnung von 8 cm oder mehr - oder 12 cm oder mehr - aufweisen. Bei dem Flüssigkeitsaufnahmebehälter kann es sich (zumindest im Wesentlichen) um einen Polyeder oder um einen Zylinder

(insbesondere kreisrunder Zylinder) handeln. Eine Fläche einer Eintritts- und/oder Austrittsöffnung ist vorzugsweise deutlich geringer (beispielsweise um einen Faktor von mindestens 2 oder einen Faktor von mindestens 3) als eine Wandfläche des Flüssigkeitsaufnahmebehälters, auf der die Öffnung vorgesehen ist.

In einer konkreten Ausführungsform ist der Heizleiter ein Heizkabel (insbesondere Polymer-PTC-Kabel). Das Heizkabel kann mindestens einen elektrischen Anschluss (beispielsweise ein, insbesondere innenliegendes, Paar von elektrischen, vorzugsweise metallischen, Anschlussleitern) aufweisen. An Anschlusselemente angrenzend (insbesondere Anschlussdrähte umgebend) kann die Polymerstruktur vorgesehen sein. Diese kann per se kabelartig (biegsam) ausgebildet werden. Ein Querschnitt der Polymerstruktur kann beispielsweise einem (abgerundeten) Rechteck entsprechen oder elliptisch, ggf. (kreis-)rund ausgebildet sein. Um die Polymerstruktur kann insbesondere eine Ummantelung vorgesehen sein. Die Ummantelung kann beispielsweise eine erste (isolierende) Polymerkomponente (um die leitfähige Polymerstruktur herum) aufweisen. Die erste isolierende Polymerkomponente kann vorzugsweise (modifiziertes) Fluorpolymer umfassen. Um die erste isolierende Polymerkomponente kann wiederum optional eine (leitfähige, insbesondere metallische) Ummantelung (beispielsweise aus einer Kupferlegierung oder aus, vorzugsweise rostfreiem, Stahl) vorgesehen sein und/oder eine zweite isolierende Polymerkomponente (ggf. als äußerste

Ummantelung), umfassend aus einem (modifizierten) Polymer, insbesondere (modifiziertem) Polyolefin und/oder einem Fluorpolymer. Die elektrischen

Anschlüsse können aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (ggf. nickelbeschichtet) ausgebildet werden.

Im Allgemeinen ist der Heizleiter vorzugsweise formbar (nicht form-stabil gegenüber äußeren Kräften, wie z. B. Biegekräften), insbesondere biegbar.

Vorzugsweise ist der Heizleiter mäandrierend angeordnet (weist also mindestens eine Biegung, vorzugsweise mindestens drei oder mindestens fünf Biegungen auf). Weiter vorzugsweise kann der mäandrierende Heizleiter durch Führungen in dem Flüssigkeitsaufnahmebehälter (bzw. einem entsprechenden Wärmetauscher) positioniert werden. Insgesamt kann dadurch eine effektive Wärmeübertragung ermöglicht werden.

Das Flüssigkeitsheizgerät ist insbesondere für den Betrieb im Hochvoltbereich ausgelegt, kann aber auch für den Niedervoltbereich eingesetzt werden. Unter Hochvoltbereich ist vorzugsweise ein Bereich von über 100 Volt, weiter vorzugsweise mehr als 400 Volt zu verstehen. Unter einem Niedervoltbereich ist vorzugsweise ein Bereich von < 100 Volt, vorzugsweise < 60 Volt zu verstehen.

Vorzugsweise ist der Heizleiter (direkt) in Kontakt mit der in dem

Flüssigkeitsaufnahmebehälter aufgenommenen Flüssigkeit bzw. (zumindest teilweise) innerhalb des Flüssigkeitsbehälters angeordnet. Dadurch kann ein guter Wärmeübergang zur Flüssigkeit (insbesondere aufgrund des direkten Kontaktes) ermöglicht werden. Es erfolgt ein direkter Wärmeabtransport (bzw. kein

Wärmetransport über eine zusätzliche Wärmeleitung).

In Ausführungsformen weist die leitfähige Polymerstruktur eine (ggf. isolierende) Polymerkomponente und eine leitfähige Kohlenstoffkomponente auf.

Die Kohlenstoffkomponente kann in Partikelform und/oder als Kohlenstoffgerüst vorliegen.

Die Kohlenstoffkomponente kann in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren vorliegen.

Die Polymerkomponente kann in Form einer elektrisch isolierenden

Polymerkomponente ausgebildet sein und/oder eine erste Polymer- Teilkomponente auf Basis von Ethylenacetat oder Ethylenacetat-Copolymer und/oder Ethylenacrylat oder Ethylenacrylat-Copolymer und/oder eine zweite Polymer-Teilkomponente auf Basis von Polyolefin, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, und/oder Polyester und/oder Polyamid und/oder

Fluorpolymer umfassen.

Bei der Polymerstruktur handelt es sich vorzugsweise um einen PTC-Widerstand. Dadurch kann eine Selbstregelung der Wärmeabgabe ermöglicht werden, was die Steuerung vereinfacht und insbesondere die Sicherheit beim Betrieb erhöht.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch die Verwendung eines Flüssigkeitsheizgerätes, insbesondere Wasserheizgerätes, der obigen Art zum Aufheizen von Flüssigkeit, insbesondere Wasser, vorzugsweise für ein Fahrzeug, weiter vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, weiter vorzugsweise für einen

Kraftfahrzeuginnenraum (insbesondere eines Personen- oder Lastkraftwagens).

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch die Verwendung eines Heizleiters, der eine leitfähige Polymerstruktur aufweist, zur Aufheizung von in einem Flüssigkeitsaufnahmebehälter aufgenommenen Flüssigkeit, insbesondere Wasser, vorzugsweise in einem Fahrzeug, weiter vorzugsweise einem

Kraftfahrzeug, weiter vorzugsweise für einen Kraftfahrzeuginnenraum

(insbesondere eines Personen- und/oder Lastkraftwagens).

Die leitfähige Polymerstruktur kann durch (ionisierende bzw. hochenergetische) Strahlung, wie a-, ß- oder, vorzugsweise, Elektronenstrahlung vernetzt werden.

Der Heizleiter oder zumindest die leitfähige Polymerstruktur ist vorzugsweise nicht-formstabil (kann jedoch auch formstabil ausgebildet sein). Dadurch wird eine entsprechende Anordnung des Heizleiters entsprechend vereinfacht.

Die Kohlenstoffkomponente kann so ausgebildet bzw. angeordnet sein, dass sie einen Stromfluss erlaubt, z. B. in Partikelform (wobei sich die Partikel

entsprechend berühren oder nahe beieinanderliegen) und/oder als

Kohlenstoffgerüst.

Die Polymerstruktur kann eine elektrisch isolierende Polymerkomponente aufweisen.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Fahrzeug umfassend ein Flüssigkeitsheizgerät, insbesondere Wasserheizgerät, der oben beschriebenen Art oder hergestellt nach dem oben beschriebenen Verfahren.

Polymerkomponente und Kohlenstoffkomponente sind vorzugsweise miteinander vermengt bzw. ineinander verflochten. Beispielsweise kann die

Polymerkomponente ein (skelettartiges) Gerüst ausbilden, in dem die

Kohlenstoffkomponente aufgenommen ist oder umgekehrt.

Vorzugsweise umfasst die Polymerstruktur mindestens 5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 10 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 15 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 20 Gew.-% und/oder weniger als 50 % aus Kohlenstoff (ggf. ohne Berücksichtigung eines Kohlenstoffanteils des Polymers als solchen) bzw. aus der Kohlenstoffkomponente, wie z. B. den Kohlenstoffpartikeln.

Vorzugsweise umfasst die Kohlenstoffkomponente mindestens 70 Gew.-%

Kohlenstoff.

In Ausführungsformen kann die Polymerkomponente eine erste Polymer- Teilkomponente auf Basis von Ethylenacetat (-Copolymer) und/oder

Ethylenacrylat (-Copolymer) aufweisen und/oder eine zweite Polymer- Teilkomponente auf Basis von Polyolefin, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, und/oder Polyester und/oder Polyamid und/oder Fluorpolymer umfassen. Der Begriff„Teilkomponente" soll hier insbesondere zur

Unterscheidung zwischen erster und zweiter Polymer-Teilkomponente verwendet werden. Die jeweilige Teilkomponente kann entweder teilweise oder auch vollständig die Polymerkomponente ausbilden. Bei dem Ethylenacrylat kann es sich um Ethyl-Methyl-Acrylat oder Ethylen-Ethyl-Acrylat handeln. Bei dem

Ethylenacetat kann es sich um Ethylenvinylacetat handeln. Bei dem Polyethylen kann es sich um HD (High Density)-Polyethylen, MD (Medium Density)- Polyethylen, LD (Low Density)-Polyethylen, handeln. Bei dem Fluorpolymer kann es sich um PFA (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorpropyl-Vinylester) MFA (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorvinylester), FEP (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen), ETFE (Copolymer aus Ethylen und Tetrafluorethylen) oder PVDF (Polyvinyliden-Fluorid) handeln.

In Ausführungsformen kann die erste Polymer-Teilkomponente, wie in

WO 2014/188190 AI (als first electrically insulating material) beschrieben, ausgebildet sein. Die zweite Polymer-Teilkomponente kann ebenfalls, wie in WO 2014/188190 AI (als second electrically insulating material) beschreiben, ausgebildet sein.

Die Polymerstruktur und/oder eine entsprechender auszuformender Stoff (z. B. Paste) zu deren Herstellung kann/können (als insbesondere kristallines

Bindemittel) mindestens ein Polymer umfassen, vorzugsweise basierend auf mindestens einem Olefin; und/oder mindestens einem Copolymer von mindestens einem Olefin und mindestens einem Monomer, das damit copolymerisiert werden kann, z. B. Ethylen/Acrylsäure und/oder Ethylen/Ethylacrylat und/oder

Ethylen/Vinylacetat; und/oder mindestens einem Polyalkenamer (Polyacetylen bzw. Polyalkenylen), wie z. B. Polyoctenamer; und/oder mindestens einem, insbesondere schmelzverformbaren, Fluorpolymer, wie z. B. Polyvinylidenfluorid und/oder Copolymere davon.

Im Allgemeinen kann/können die Polymerstruktur bzw. eine zur Herstellung der Polymerstruktur verwendeter Stoff (Paste), wie in DE 689 23 455 T2 beschrieben, ausgebildet sein. Dies gilt insbesondere auch für deren Herstellung und/oder konkrete Zusammensetzung. Beispielsweise gilt dies auch für mögliche

Bindemittel (insbesondere gemäß S. 4, 2. Absatz und S. 5, 1. Absatz der

DE 689 23 455 T2) und/oder Lösungsmittel (insbesondere gemäß S. 5, 2. Absatz und S. 6 2. Absatz der DE 689 23 455 T2).

Bei der Polymerstruktur handelt es sich vorzugsweise um einen PTC-Widerstand. Dadurch kann eine Selbstregelung der Wärmeabgabe ermöglicht werden, was die Steuerung vereinfacht und insbesondere die Sicherheit beim Betrieb erhöht.

Der Heizleiter (insbesondere das Heizkabel) kann vorzugsweise wie in

WO 2014/188190 AI beschrieben, ausgebildet sein.

Der Begriff„leitfähig", insbesondere hinsichtlich der Polymerstruktur soll als Abkürzung für„elektrisch leitfähig" verstanden werden.

Unter einem elektrisch isolierenden Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, das bei (bei Raumtemperatur von insbesondere 25 °C) eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10 ^"1 S ¹ irr ¹ (ggf. weniger als 10 ^"8 S ¹ m ^"1 ) aufweist. Entsprechend ist unter einem elektrischen Leiter bzw. einem Material (oder Beschichtung) mit elektrischer Leitfähigkeit ein Material zu verstehen, das eine elektrische Leitfähigkeit von vorzugsweise mindestens 10 S ¹ irr ¹ , weiter vorzugsweise mindestens 10 ³ S ¹ m ^"1 (bei Raumtemperatur von insbesondere 25 °C) beträgt.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das anhand der beigefügten Figuren näher erläutert wird. Hierbei zeigen :

Fig. 1 eine schematische Schrägansicht eines erfindungsgemäßen

Heizleiters; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen

Wasserheizgerätes.

In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schrägansicht (mit teilweise freigegebener Ansicht von inneren Komponenten), eines erfindungsgemäßen Heizleiters 10.

Der Heizleiter 10 umfasst zwei elektrisch leitfähige (metallische) Leitungen I Ia, I Ib. Diese werden von einer leitfähigen Polymerstruktur 12 bzw. einem

entsprechenden Polymerkern umgeben. Die Polymerstruktur 12 wiederum wird (optional) durch einen inneren Mantel 13 aus einem isolierenden Material

(beispielsweise Polymer, insbesondere Fluorpolymer) umgeben. Der innere Mantel 13 wird wiederum von einer leitfähigen (metallischen) Ummantelung 14 umgeben. Die Ummantelung 14 wird wiederum (optional) durch einen äußeren Mantel 15 umgeben, der vorzugsweise aus einem isolierenden Material, insbesondere

Polymer (vorzugsweise umfassend Polyolefin und/oder Fluorpolymer) gebildet wird.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Flüssigkeitsheizgerätes (Wasserheizgerätes). Dort ist erkennbar, dass der

Heizleiter 10 in einem Flüssigkeitsaufnahmebehälter 16 mäandrierend angeordnet ist. Dazu können entsprechende Führungen an einer Wärmetauscherfläche positioniert werden.

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. Bezugszeichenliste

10 Heizleiter

I Ia Leitung

I Ib Leitung

12 Polymerstruktur

13 innerer Mantel

14 Ummantelung

15 äußerer Mantel

16 Gehäuse