Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Flüssigkeitsheizgerät, insbesondere Wasserheizgerät, vorzugsweise für ein Fahrzeug, weiter 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). Diese sind in der Regel mit Wärmeübertrager-Flächen verbunden. 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.

Nachteile von herkömmlichen Wasserheizgeräten mit Keramik-PTC-Elementen sind u.a. eine aufwändige Herstellung durch eine vergleichsweise komplizierte

Wärmeübertrager-Fertigung und der Einbau der Keramik-Elemente, eine üblicherweise notwendige Sortierung der Keramik-Elemente aufgrund von

Fertigungstoleranzen, eine vergleichsweise ungünstige Leistungsdichte in einem Heizelement-Wärmeübertrager-Verbund durch eine lokale Wärmeerzeugung, eine vergleichsweise starke Einschränkung einer maximalen Heizleistung durch eine Dicke des PTC-Materials (aufgrund einer begrenzten Wärmeabfuhr aus der Keramik) sowie eine vergleichsweise hohe Kurzschlussgefahr, insbesondere aufgrund eines geringen geometrischen Abstands von Bauteilen mit einem hohen Spannungspotential.

Weiterhin sind sogenannte Drahtheizer bekannt. Derartige Drahtheizer weisen jedoch keinen PTC-Effekt auf und sind somit nicht selbstregulierend (was sicherheitstechnisch problematisch ist). Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Flüssigkeits-, insbesondere Wasserheizgerät vorzuschlagen, das eine effektive Aufheizung von Wasser (für mobile Anwendungen) ermöglicht. Insbesondere soll bei einem vergleichsweise geringen Bauraum eine hohe Leistungsdichte erreicht werden.

Diese Aufgabe wird insbesondere durch ein Flüssigkeits-, vorzugsweise

Wasserheizgerät nach Anspruch 1 gelöst.

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

vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, gelöst, umfassend mindestens eine erste leitfähige Schicht (insbesondere erste Metallschicht), eine zweite leitfähige Schicht (insbesondere zweite Metallschicht), und eine Polymerschicht, die eine Polymerkomponente und eine leitfähige Kohlenstoffkomponente enthält und zwischen der ersten und der zweiten leitfähigen Schicht angeordnet ist, wobei Flüssigkeitskanäle zum Durchleiten der zu heizenden Flüssigkeit, insbesondere Wasser, vorgesehen sind, die sich von einer ersten, der ersten leitfähigen Schicht zugewandten Seite der Polymerschicht bis zu einer zweiten, der zweiten leitfähigen Schicht zugewandten Seite der Polymerschicht erstrecken.

Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, eine Kombination von zwei leitfähigen Schichten (Metallschichten) und einer zwischen den leitfähigen Schichten

(Metallschichten) angeordneten Polymerschicht mit einer Polymerkomponente und einer leitfähigen Kohlenstoffkomponente, als Bestandteil (Heiz-Element) eines elektrischen Wasserheizgerätes vorzuschlagen. Erfindungsgemäß kann eine vergleichsweise große Kontaktierungsfläche zwischen den leitfähigen Schichten (Zuleitungen, ggf. Metallplatten) und der Polymerschicht (Heizleiter-Schicht) erreicht werden, was eine vergleichsweise große Leistungsdichte (im Vergleich zu herkömmlichen Konzepten, bei denen die Kontaktierung möglicherweise seitlich auf die Heizschicht angebracht wird) ermöglicht. Insgesamt wird eine hohe Leistungsdichte bei einem vorhandenen Bauraum durch eine vergleichsweise hohe Kontaktierungsfläche zwischen den leitfähigen Schichten und der Polymerschicht erreicht. Dabei kann eine vergleichbare Sicherheit, wie bei herkömmlichen PTC- Wasserheizgeräten, durch eine selbstregelnde Polymerschicht (Heizschicht) erreicht werden. Insgesamt kann ein robustes Design erzielt werden, das vergleichsweise einfach in der Herstellung ist. Ein teilweise ähnlicher Schichtaufbau ist auch in WO 2014/188190 AI beschrieben worden; allerdings nicht für ein Flüssigkeits-, insbesondere Wasserheizgerät mit entsprechenden Flüssigkeitskanälen, sondern für einen Flächenheizer. Flüssigkeits-, insbesondere Wasserheizgeräte unterscheiden sich jedoch, insbesondere aufgrund der dort vorgesehenen Vielzahl von Flüssigkeitskanälen, konzeptionell deutlich von Flächenheizern.

Einer oder mehrere (oder alle) der Flüssigkeitskanäle können sich durch die erste und/oder die zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) hindurcherstrecken.

Alternativ oder zusätzlich können sich einer oder mehrere (oder alle) der

Flüssigkeitskanäle nicht durch die erste und/oder die zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) hindurcherstrecken, beispielsweise zumindest im Wesentlichen parallel zu der ersten und/oder zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht) verlaufen.

Vorzugsweise wird/werden ein Flüssigkeitskanal oder mehrere (oder alle)

Flüssigkeitskanäle zumindest abschnittsweise durch ein (separates) Rohr

(insbesondere Metallrohr, vorzugsweise aus Aluminium oder einer

Aluminiumlegierung) ausgebildet. Dadurch kann/können insbesondere die

Dichtigkeit und ggf. Wärmeübertragungseigenschaften verbessert werden.

Insbesondere bei Hochvoltanwendungen kann eine verbesserte Isolierung dadurch erreicht werden, dass eine (optional vorgesehene) isolierende Schicht auf einer (Wand-)Oberfläche von Öffnungen (Kanälen) in der Polymerschicht durch das entsprechende Rohr besser geschützt ist bzw. von der zu erwärmenden Flüssigkeit getrennt wird.

Erste und/oder zweite leitfähige Schicht können als Platte, insbesondere

Metallplatte, ausgebildet sein oder eine solche umfassen. Alternativ oder zusätzlich können erste und/oder zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) ein Gitter, insbesondere Metallgitter, und/oder einen Streifen (oder mehrere

Streifen), insbesondere aus Metall, umfassen.

Erste und/oder zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) können eine Dicke von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,5 mm, weiter vorzugsweise mindestens 1,0 mm und/oder höchstens 5,0 mm, weiter vorzugsweise höchstens 3,0 mm aufweisen. Erste und/oder zweite leitfähige Schicht und/oder die Polymerschicht können (zumindest im Wesentlichen) plan ausgebildet sein. Falls Erhebungen oder Vertiefungen vorgesehen sind (abgesehen von Durchbrüchen in Form der Flüssigkeitskanäle), können diese weniger als 10 % einer (durchschnittlichen) Dicke der jeweiligen Schicht betragen.

Die Polymerschicht kann eine Dicke aufweisen, die größer ist als die

(durchschnittliche) Dicke der ersten und/oder zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht), insbesondere um den Faktor 1,5-mal, vorzugsweise 2,5-mal so groß.

Eine Dicke der Polymerschicht kann mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 3 mm und/oder höchstens 20 mm, vorzugsweise höchstens 10 mm betragen.

Bei der jeweiligen Dicke handelt es sich insbesondere um eine durchschnittliche Dicke oder um eine Dicke des größten Bereichs der jeweiligen Schicht mit konstanter Dicke.

Eine Summe der Querschnitte von Öffnungen an der ersten und/oder zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht) und/oder Polymerschicht (für die

Flüssigkeitskanäle) kann mindestens 2 %, vorzugsweise mindestens 5 %, und/oder höchstens 80 %, vorzugsweise höchstens 50 % eines Gesamt- Querschnitts der jeweiligen Schicht betragen. Die jeweiligen Querschnitte beziehen sich hier vorzugsweise auf die Querschnitte senkrecht zu einer Haupt- Strömungsrichtung der Flüssigkeit bzw. Querschnitte senkrecht auf einer Dickenrichtung des Flüssigkeitsheizgerätes. Durch einen derartigen Anteil der Querschnitte der (durch die Fluidkanäle) definierten Öffnungen kann ein effektives Aufheizen ermöglicht werden.

Die erste und/oder zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) kann aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sein.

Die Kohlenstoffkomponente kann so angeordnet sein, dass sie einen Stromfluss erlaubt, z. B. in Partikelform (wobei sich die Partikel entsprechend berühren oder nahe beieinanderliegen) und/oder als Kohlenstoffgerüst. Polymerkomponente und die Kohlenstoffkomponente sind vorzugsweise miteinander vermengt bzw. ineinander verflochten. Beispielsweise kann die Polymerkomponente ein (skelettartiges) Gerüst ausbilden, in dem die

Kohlenstoffkomponente aufgenommen ist oder umgekehrt.

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

Vorzugsweise umfasst die Kohlenstoffkomponente zu mindestens 50 Gew.-%, weiter vorzugsweise mindestens 80 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise

mindestens 90 Gew.-% Kohlenstoff.

Die Polymerkomponente ist insbesondere in Form einer elektrisch isolierenden Polymerkomponente ausgebildet.

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.

Erste und/oder zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) und/oder die

Polymerschicht können grundsätzlich, wie in WO 2014/188190 AI (als first conductor, second conductur und heating element) beschrieben, ausgebildet sein (abgesehen von den erfindungsgemäßen Flüssigkeitskanälen).

Die Polymerschicht ist vorzugsweise über zumindest 20 %, vorzugsweise zumindest 50 %, weiter vorzugsweise zumindest 80 % ihrer der ersten leitfähigen Schicht (Metallschicht) zugewandten Seite (ohne Berücksichtigung von

Fluidkanalöffnungen) mit der ersten leitfähigen Schicht (Metallschicht) in Kontakt. Alternativ oder zusätzlich kann die Polymerschicht über zumindest 20 %, vorzugsweise zumindest 50 %, weiter vorzugsweise zumindest 80 % ihrer der zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht) zugewandten Seite (ohne

Berücksichtigung von Fluidkanalöffnungen) mit der zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht) in Kontakt sein. Durch eine derartige (vergleichsweise große) Kontaktierungsfläche zwischen den leitfähigen Schichten (Metallschichten) (Metallplatten) und der Heizleiter-Schicht (Polymerschicht) kann eine

vergleichsweise hohe Leistungsdichte erzielt werden.

Bei der Polymerschicht 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 Polymerschich(en) und/oder eine entsprechende 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. Grundsätzlich ist der Begriff„leitfähig" hinsichtlich der leitfähigen Komponenten des Flüssigkeitsheizgerätes als Abkürzung für„elektrisch leitfähig" zu verstehen.

Die (jeweilige) kohlenstoffhaltige Beschichtung ist vorzugsweise eine leitfähige Schicht mit PTC-Verhalten.

Das Flüssigkeitsheizgerät ist vorzugsweise für einen Betrieb im Niedervoltbereich (z. B. < 100 Volt oder < 60 Volt) ausgelegt.

Alternativ kann das Flüssigkeitsheizgerät für den Hochvoltbereich (z. B. > 100 Volt, vorzugsweise > 400 Volt) ausgelegt sein.

Die Polymerschicht kann mit einer elektrisch isolierenden Schicht zumindest teilweise, insbesondere zumindest in den Bereichen der Fluidkanäle (bzw.

entsprechenden Wandflächen der Fluidkanäle), bedeckt sein, insbesondere bei einer Auslegung für den Hochvoltbereich.

Die Polymerschicht kann durch Auftragen einer entsprechenden Kohlenstoff- Heizpaste aufgebracht werden. Beispielsweise kann diese Heizpaste, wie in Tabelle I auf Seite 11 der DE 689 23 455 T2 vorgeschlagen ausgebildet sein.

Im Allgemeinen kann die kohlenstoffhaltige Beschichtung bzw. eine zur

Herstellung der kohlenstoffhaltigen Beschichtung verwendeten 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).

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur

Herstellung eines Flüssigkeitsheizgerätes, insbesondere Wasserheizgerätes, vorzugsweise der obigen Art, wobei eine Polymerschicht, die eine

Polymerkomponente und eine leitfähige Kohlenstoffkomponente enthält, zwischen einer ersten leitfähigen Schicht (insbesondere ersten Metallschicht) und einer zweiten leitfähigen Schicht (insbesondere zweiten Metallschicht) angeordnet wird, wobei Flüssigkeitskanäle zum Durchleiten der zu heizenden Flüssigkeit, insbesondere des Wassers, vorgesehen sind, die sich von einer ersten, der ersten leitfähigen Schicht (Metallschicht) zugewandten Seite der Polymerschicht bis zu einer zweiten, der zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht) zugewandten Seite der Polymerschicht erstrecken. Vorzugsweise wird die Polymerschicht in

passender Form auf die erste und/oder zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) aufgebracht, insbesondere unmittelbar aufgebracht (alternativ über eine

Zwischenschicht zwischen Polymerschicht und erster bzw. zweiter leitfähiger Schicht, insbesondere Metallschicht).

Die Öffnungen für die Flüssigkeitskanäle können durch Laserschneiden und/oder Stanzen eingebracht werden, und/oder in einem Extrusions- und/oder

Spritzgussprozess hergestellt werden.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum

Betreiben eines Flüssigkeitsheizgerätes, insbesondere Wasserheizgerätes, der obigen Art, wobei Flüssigkeit, insbesondere Wasser, durch die Flüssigkeitskanäle strömt und dabei aufgeheizt wird.

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

Unter einem elektrisch isolierenden Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, das (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 zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schrägansicht eines elektrischen

Wasserheizgerätes gemäß der Erfindung.

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

Fig. 1 zeigt eine schematische Schrägansicht eines erfindungsgemäßen

elektrischen Wasserheizgerätes. Dieses Wasserheizgerät weist eine erste leitfähige Schicht (Metallschicht) 10, eine zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) 11 sowie eine (dazwischen angeordnete) Polymerschicht 12 auf. Erste und zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) sind mit elektrischen Kontakten 15a, 15b verbunden. Flüssigkeitskanäle 13 ermöglichen es, Wasser von einer der

Polymerschicht 12 abgewandten Fläche der ersten leitfähigen Schicht

(Metallschicht) 10 zu einer der Polymerschicht 12 abgewandten Fläche der zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht) zu leiten. Bei der Polymerschicht handelt es sich um ein Heizelement auf Basis von Polymer mit einem

Kohlenstoffanteil. Die Polymerschicht weist ein PTC-Verhalten auf. Ein Pfeil 14 zeigt die Strömungsrichtung des Wassers an.

Das elektrische Heizelement kann ein Gehäuse 18 (vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung) aufweisen.

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 erste leitfähige Schicht (Metallschicht)

11 zweite leitfähige Schicht (Metallschicht)

12 Polymerschicht

13 Flüssigkeitskanal Pfeila Kontaktb Kontakt

Gehäuse