ELEKTRISCHE HEIZUNGSVORRICHTUNG FÜR EIN FAHRZEUG

Querverweis zu verwandten Anmeldungen:

Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der nationalen deutschen Patentanmeldungen Nr. 10 2022 128 488.3 sowie Nr. 10 2022 128 489.1 in Anspruch, die am 27. Oktober 2022 beim Deutschen Patent- und Markenamt angemeldet wurden und deren Offenbarungsgehalt hierin vollumfänglich und für alle Zwecke durch Bezugnahme eingeschlossen ist.

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft eine Heizanordnung sowie ein Heizgerät, vorzugsweise ein Hochvolt- Heizgerät, für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug.

Technischer Hintergrund:

Heizungsvorrichtungen kommen regelmäßig in Fahrzeugen zur Beheizung eines Innenoder Fahrgastraums oder von Komponenten wie etwa Batterien etc. zur Anwendung. In Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden üblicherweise elektrische Heizungsvorrichtungen eingesetzt, wobei als Wärmeübertragungsmedien bzw. -fluide Luft oder Wasser verwendet werden, weil die Nutzung von Abwärme mangels eines Verbrennermotors nicht mehr in Frage kommt und solche auf Brennstoff basierende Stand - oder Zusatzheizungen in diesem Fall weder technisch sinnvoll noch wirtschaftlich sind. Andere Wärmeübertragungsmedien als die genannten sind ebenso möglich.

Elektrische Heizungsvorrichtungen können insbesondere durch den bei rein oder hybrid elektrisch betriebenen Fahrzeugen implementierten Hochvoltbereich besonders sinnvoll betrieben werden. Anders als bei konventionellen Fahrzeugen mit brennstoffbetriebenen Motoren, bei welchen das Energie-Bordnetz ausschließlich aus 12 Volt-Bleiakkumulatoren gespeist wird, finden bei elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen Fahrzeugbatterien als Energiespeicher Einsatz, die den Betrieb bei höheren Spannungen erlauben und damit einhergehend durch höhere Leistungen der Verbraucher überhaupt erst einen sinnvollen Antrieb ermöglichen. Für größere Verbraucher in Fahrzeugen mit Leistungen von z.B. 3 kW und mehr wie etwa Start-Stopp-Funktionen (einschl. Rekuperation), elektrisch betriebene Klimakompressoren und Heizgeräte etc. hat sich schon seit einiger Zeit die 48 Volt-Ebene etabliert. Diesen Ebenen steht als Bordnetzarchitektur in rein oder hybrid elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen mit hier erheblich vergrößerten Aggregaten (z.B. größer als 12 kW) der Hochvoltbereich gegenüber. Im Automobilsektor sind dabei Bordnetzspannungen von 250 - 800 V und mehr üblich. Ein Wert von 60 V wird z.B. allgemein als untere Grenze für den Hochvoltbereich angesehen (Vgl. "Spannungsklassen in der Elektromobilität", Hrsg.: Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. (ZVEI), Frankfurt, Dezember 2013).

Für entsprechende Fahrzeuge, die mit einem Hochvolt-Bordnetz ausgestattet sind, sind Hochvolt-Heizgeräte zur elektrischen Beheizung eines Medien- bzw. Fluidkreislaufs über einen Wärmeübertrager bzw. Wärmetauscher) weithin bekannt. Elektrische Energie kann hierbei z.B. durch als Schichtwiderstände ausgebildete Heizelemente mit hohem Wirkungsgrad in Wärme umgewandelt werden. Die Schichtwiderstände kontaktieren direkt oder mittelbar den Wärmeübertrager, um die erzeugte Wärme auf ein durchströmendes Fluid zu übertragen, welches nachfolgend zu dem Ort oder derjenigen Komponente geleitetet wird, wo die Wärme wieder abgegeben werden kann.

Die Versorgung der Heizelemente mit elektrischer Leistung sowie die Steuerung erfolgt üblicherweise durch eine Steuervorrichtung. Beispielsweise können die Heizelemente von der Steuervorrichtung durch Pulsweitenmodulation bei einer Versorgung mit Gleichspannung im Hochvoltbereich betrieben werden, um gezielt eine bestimmte Heizleistung zu bewirken, insbesondere im Fall einer Heizungsregelung. Die entsprechenden Schaltfrequenzen der hierzu erforderlichen Leistungsschaltelemente können im Kiloherzbereich liegen, ohne Beschränkung der Allgemeinheit z.B. im Bereich von 1 bis 250 kHz.

Die Kombination aus hohen Spannungen und teils hochfrequenten Schaltzyklen erfordern regelmäßig Maßnahmen hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV), insbesondere in Fahrzeugen, in welchen Störungen bzw. Wechselwirkungen mit anderen elektronischen Einrichtungen auftreten könnten. Neben als solchen bekannten schaltungstechnischen Maßnahmen ist hierbei auch eine ausreichende Abschirmung zu berücksichtigen. Üblicherweise werden die elektronischen Komponenten des Hochvolt-Heizgeräts daher in einem Metallgehäuse verbaut, wobei das Metallgehäuse regelmäßig auf dem Grundpotential der Leistungsversorgung liegt, um auch den Sicherheitsanforderungen zu genügen. Als Materialien können Aluminium-Druckguss oder tiefgezogene Stahlblechkonstruktionen etc. eingesetzt werden.

Solche Gehäuse, welche gleichzeitig auch einen Feuchtigkeits- und Verschmutzungsschutz für die enthaltenen elektronischen Bauteile und damit einen gewissen Grad an Dichtigkeit bereitstellen müssen, können aber auch einen komplexen Aufbau besitzen, um die verschiedenen Anforderungen zu erfüllen. Dies kann einen vielteiligen Aufbau erforderlich machen, insbesondere im Hinblick auf die beschränkte Formgebungsmöglichkeiten bei den Herstellungsverfahren, die erforderlichen bzw. gewünschten Leitungsdurchführungen und deren Isolation, welches im Allgemeinen die Kosten und den Herstellungsaufwand von Hochvolt-Heizgeräten erhöht.

Darstellung der Erfindung:

Es ist daher eine Aufgabe, eine elektrische Heizungsvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, bereitzustellen, welche der Komplexität hinsichtlich Anforderungen an den Gehäuseaufbau Rechnung trägt und dabei die Nachteile hinsichtlich Kosten und Aufwand reduziert.

Einem Aspekt zufolge wird eine elektrische Heizungsvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, vorgeschlagen, die ein Heizungsvorrichtungsgehäuse, wenigstens ein Heizelement, das für einen Heizbetrieb bei einer Betriebsspannung im Hochvoltbereich ausgelegt ist, einen Wärmeübertrager, welcher mit dem wenigstens einen Heizelement in thermischer Wirkverbindung steht, um die vom Heizelement erzeugte Wärme an ein den Wärmeübertrager durchfließendes Medium abzugeben; und ein Steuermodul umfasst, das eine Steuervorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, das wenigstens eine Heizelement mit der Betriebsspannung im Hochvoltbereich zu versorgen und den Heizbetrieb des wenigstens einen Heizelements zu steuern. Das Steuermodul weist dabei ein erstes Modulgehäuse auf, das Teil des Heizungsvorrichtungsgehäuses und aus einem Kunststoff gebildet ist und die Steuervorrichtung in sich aufnimmt.

Unter einem Fahrzeug sind grundsätzlich alle möglichen mobilen Anwendungen zu verstehen, insbesondere Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Baumaschinen, Luftfahrzeuge und Wasserfahrzeuge. Dies umfasst z.B. auch Baumaschinen oder Kräne sowie Anhänger wie Wohnwägen, die durch andere Fahrzeuge gezogen und transportiert werden können. Ein Grundgedanke dieses Aspekts besteht darin, zumindest einen die Steuervorrichtung umfassenden Teil der als Hochvolt-Heizgerät ausgebildeten elektrischen Heizungsvorrichtung mit einem Gehäuse aus Kunststoff zu versehen. In der Breite des allgemeinen Erfindungsgedankens kann das erste Modulgehäuse auch umfassender Bestandteil des Heizungsvorrichtungsgehäuses sein und weitere Komponenten wie das Heizelement und/oder den Wärmeübertrager mit einschließen. Spezielle Ausführungsformen, die nachfolgend beschrieben sind, sehen vor, das erste Modulgehäuse als ein von einem weiteren (zweiten) Modulgehäuse des Wärmeübertragers und/oder Heizelements separates, aber als Bestandteil des Heizungsvorrichtungsgehäuses mit dem weiteren Modulgehäuse fest verbundenes einzurichten, wobei die beiden Modulgehäuse als Bauteile das Heizungsvorrichtungsgehäuse gemeinsam ausbilden.

Indem das erste Modulgehäuse aus Kunststoff gebildet ist, können mit geringem Aufwand komplexere Formen für das Modulgehäuse realisiert werden. Spritzgussverfahren eröffnen hier weitaus größere Freiheitsgrade bei der geometrischen Ausgestaltung als jene für die Metallbearbeitung zur Verfügung stehenden Verfahren. Ferner sind die Herstellungskosten niedriger, insbesondere auch, was die Materialkosten betrifft. Außerdem ist die Haltbarkeit bzw. Wiederverwendbarkeit beispielsweise von Gusswerkzeugen im Fall von Kunststoffspritzguss deutlich größer als im Fall von Aluminium-Druckguss, so dass auch hierdurch eine Kostenreduktion erzielt wird.

Was die elektromagnetische Verträglichkeit betrifft, wurde gefunden, dass den entsprechenden Anforderungen durch eine Berücksichtigung elektrisch leitfähiger Materialien Rechnung getragen werden kann, die im Kunststoff eingebettet sind und auf diese Weise für eine ausreichende elektromagnetische Abschirmung sorgen können. Speziellen Ausführungsformen zufolge können dies Metalleinleger einerseits und/oder elektrisch leitfähige Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern, andererseits sein, welches nachfolgend näher beschrieben ist.

Der Einsatz von Kunststoff - insbesondere dessen Eigenschaft, die Einrichtung elektrisch leitfähiger Bereiche und elektrisch isolierender Bereiche im gleichen Formgussprozess zu erlauben - erhöht die Flexibilität bei der Gestaltung des ersten Modulgehäuses und ermöglicht zudem eine lokal elektrisch isolierte Durchleitung von Spannung führenden Leitungen, vorzugsweise im Niedervoltbereich, so dass in einem solchen Fall auf zusätzliche Dichtungen und passgenaue Steckereinsätze verzichtet werden kann. Die Steuervorrichtung kann eine Leiterplatte aufweisen oder durch eine solche implementiert sein, auf welcher ein oder mehrere Mikrocontroller sowie weitere elektronische Bauteile angeordnet sind. Der eine oder die mehreren Mikrocontroller können beispielsweise eine Kommunikation mit einem Bordnetzgerät (BCM) oder mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) ermöglichen. Entsprechende Leitungsanschlüsse können auf der Leiterplatte realisiert sein. Ferner können Anschlüsse für eine Verbindung mit einer externen Energiequelle (Fahrzeugbatterie) implementiert sein. Darüber hinaus kann der eine oder die mehreren Mikrocontroller die Steuerung von Leistungsschaltelementen (z.B. Leistungs-MOSFETs oder IGBTs) ausführen, die ebenfalls auf dieser oder einer weiteren Leiterplatte etc. platziert sein können. Im Fall einer weiteren Leiterplatte kann diese getrennt von der Steuervorrichtung als Leistungsschaltbauteil im Umfeld der Heizelemente und optional außerhalb des ersten Modulgehäuses angeordnet sein.

Die Steuervorrichtung kann eingerichtet sein, eine Heizungsregelung durchzuführen. Eine oder mehrere Temperatursensoren können am Wärmeübertrager oder zumindest in dessen Nähe platziert und mit der Steuervorrichtung elektrisch leitend verbunden sein, um Temperaturen des Fluids zu erfassen und entsprechende Signale an die Steuervorrichtung weiterzuleiten. Die Steuervorrichtung bzw. ein Mikrocontroller derselben kann die Temperatur oder von dieser abgeleitete Werte mit einem Schwell- oder Zielwert vergleichen und abhängig von dem Ergebnis die Heizleistung einstellen, um eine gewünschte Zieltemperatur im Fluid z.B. am Fluidauslass einzustellen.

Zur Steuerung der Heizleistung kann die Steuervorrichtung die Leistungsschaltelemente mittels Pulsweitenmodulation betreiben. Die Betriebsspannung im Hochvoltbereich ist zu diesem Zweck bevorzugt eine Gleichspannung.

Es ist anzumerken, dass die elektrische Heizungsvorrichtung gemäß den hier beschriebenen Aspekten und Ausführungsformen insbesondere eine Flüssigkeitsheizung sein kann. Flüssigkeitsheizung bedeutet, dass das den Wärmeübertrager der Heizungsvorrichtung durchfließende Medium flüssig ist. Das Medium kann insbesondere flüssiges Kühlmittel eines Fahrzeuges sein, welches Wärme im Fahrzeug transportiert und an verschiedenen Stellen abgeben kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Flüssigkeitsheizung z.B. auch Bestandteil einer Wärmepumpe eines Fahrzeuges sein, so dass das Wärmeträgermedium z.B. ein Kältemittel einer Wärmepumpe sein oder umfassen kann. Dabei kann es sein, dass das Kältemittel nur unter bestimmten Bedingungen und nur temporär oder vielleicht auch nie in vollständig flüssiger Form vorliegt und ansonsten auch teilweise oder vollständig gasförmig ist. Dennoch wird auch darunter eine Flüssigkeitsheizung verstanden.

Die Flüssigkeitsheizung kann bevorzugt eine Heizleistung von mindestens 5 kW aufweisen, bevorzugt von mindestens 7 kW, beispielsweise von mindestens 9 kW. Die Heizleistung ist jeweils bevorzugt weniger als oder gleich 13 kW.

Die Betriebsspannung, mit der die Fahrzeugheizung (bzw. das oder die Heizelemente) betrieben wird, welche gleich der Bord- bzw. Versorgungspannung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges sein kann, kann größer oder gleich 60 V, vorzugsweise 400 V, weiter bevorzugt größer oder gleich 700 V, beispielsweise 800 V, 900 V oder 1000 V sein.

Die Flüssigkeitsheizung weist mindestens ein Heizelement auf. Die Steuervorrichtung kann auch mehrere der Heizelemente unabhängig voneinander oder parallel betreiben. Das oder die Heizelemente können eine Heizleiterschicht aufweisen, die als Schichtwiderstand wirken. Bevorzugt weist die Flüssigkeitsheizung mindestens zwei Heizelemente, besonders bevorzugt mindestens drei Heizelemente auf.

Eine Heizleiterschicht kann bevorzugt entsprechende Heizleiterbahnen aufweisen. Die Heizleiterschichten und Heizleiterbahnen können dabei auf einem einzigen Trägerelement gemeinsam angeordnet sein. Bevorzugt ist jede Heizleiterschicht bzw. jede Heizleiterbahn auf einem eigenen, separaten Trägerelement aufgebracht. Bei dem Trägerelement kann es sich auch um eine Wand oder Platte des Wärmeübertragers handeln, so dass sich Wärmeübertrager und Heizelement einzelne Elemente teilen können.

Das Heizelement beziehungsweise die Heizleiterschicht kann auf verschiedene Weise implementiert sein und die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausführungsformen derselben beschränkt. Das Heizelement kann beispielsweise aus thermisch gespritzten Schichten bestehen. Bei der Herstellung kann atmosphärisches Plasmaspritzen z.B. als Beschichtungsverfahren zur Anwendung kommen. Es ist auch möglich, beidseitig, also auch auf einer Deckelwand und einer Bodenwand des Wärmeübertragers, Heizelemente zu applizieren. Als Schichtaufbau ergibt sich, ausgehend von einer ebenen Platte, die durch eine Deckeloder Bodenwand des Wärmeübertragers gebildet wird, zunächst ein optionaler Haftgrund, weiters eine Isolationskeramik, die eigentliche Heizleiterschicht und gegebenenfalls eine Deckschicht beziehungsweise Versiegelung. Die Heizleiterschicht kann durch Laser oder mittels Maskierung strukturiert sein. Bei dem Material des Heizleiters kann es sich ein solches mit Linear- oder PTC-Widerstandsverhalten handeln.

Ferner kommen Heizelemente auf Polymerbasis mit PTC-Verhalten in Betracht. Hierbei kann es sich um Heizelemente aus Kunststofffolien handeln. Die Heizelemente bestehen in der Regel aus einem extrudierten oder laminierten Polymermatrix, in die ein Heizleiter und eine Plus- und Minus-Elektrode eingebettet ist.

Des Weiteren können die Heizelemente auch keramische Heizelemente mit PTC-Verhalten (Kaltleiter) sein.

Darüber hinaus kann das Heizelement als Dickschicht-Heizelement ausgeführt sein. Hierbei kann das Trägerelement wiederum eine Platte des Wärmeübertragers sein. Auf dieses bzw. dieser wird das Dickschicht-Heizelement appliziert, bei dem es sich um ein Dielektrikum und einen Heizleiter zur Darstellung eines flächigen Heizwiderstands handeln kann.

Außerdem kann das Heizelement als keramisches Substrat (als Trägerelement), beispielsweise aus AI2O3, mit siebgedruckter Heizleiterschicht ausgeführt sein. Hierbei kann die Heizleiterschicht beispielsweise als Metallisierung aus einer Widerstandslegierung ausgebildet sein, welche den entsprechenden Heizwiderstand darstellt. In Betracht kommen unter anderem eine Eisen-Nickel-Legierung oder eine Nickel-Chrom-Legierung. Eine Isolierunterbrechung sorgt für die Strukturierung langer Leiterbahnen aus der ansonsten flächig aufgetragenen und später eingebrannten Schicht und kann beispielsweise bereits beim Aufträgen mittels eines Siebdruckprozesses erzeugt werden. Das keramische Substrat kann eine keramische Trägerplatte sein. Diese Ausführungsform eines Heizelements ist Aspekten der Erfindung zufolge bevorzugt.

Im Fall des beschriebenen Heizelements auf Polymerbasis mit PTC-Verhalten, des keramischen Heizelements mit PTC-Verhalten oder des Heizelements als keramisches Substrat mit siebgedruckter Heizleiterschicht kann das flächige Heizelement auf eine Außenseite der im Regelfall als ebene Platte ausgeführten Deckel- oder Bodenwand mittels eines thermischen Vermittlers als Haftschicht appliziert werden, z.B. thermisch leitfähiger Klebstoff. Der thermische Vermittler kann aber auch in Kombination mit einer Anpressvorrichtung eingesetzt werden. Es ist anzumerken, dass gemäß Ausführungsformen der Erfindung auch eine beidseitige Applikation von Heizelementen am Wärmeübertrager vorgesehen sein kann, also an der Deckelwand und an der Bodenwand.

Der Wärmeübertrager selbst kann z.B. aus Stahl oder Aluminium gefertigt sein, bevorzugt auch als Blechwärmeübertrager. Speziellen Ausführungsformen zufolge umfassen die eine flache Fluidkammer des Wärmeübertragers ausbildenden Begrenzungswände eine Deckelwand, eine der Deckelwand gegenüberliegende Bodenwand sowie diese verbindende schmale Seitenwände, die zum Beispiel durch wannenartiges Tiefziehen der deckel- oder Bodenwand gebildet sind, wobei ein Fluideinlass und ein Fluidauslass z.B. in der Bodenwand ausgebildet sind. Die Deckelwand und die Bodenwand sind vorzugsweise flächig ausgebildet und erstrecken im Wesentlichen entlang einer vom Wärmeübertrager festgelegten Ebene.

Die beschriebene, rein beispielhafte, aber vorteilhafte Ausführung des Wärmeübertragers beinhaltet, dass eine Bauhöhe senkrecht zur Deckelwand, an welcher das Heizelement angebracht sein kann, oder welche das Heizelement mit ausbildet, deutlich geringer ist als eine Breite und Länge, mit der er sich parallel zur Deckelwand erstreckt.

Der Wärmeübertrager kann gemäß Ausführungsbeispielen bevorzugt zweiteilig ausgebildet sein. Er kann ein Bodenteil und ein Deckelteil aufweisen, die zusammen mit einem darin eingelegten Turbulator miteinander stoff- und ggf. auch form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind, insbesondere durch Löten oder Schweißen. Die Bodenwand kann zusammen mit den Seitenwänden Teil des Bodenteils sein und die Deckelwand kann Teil eines vorzugsweise als ebene Platte ausgebildeten Deckelteils sein. Deckelwand und Deckelteil können identisch sein.

Der Turbulator kann eine vorzugsweise filigrane Struktur aufweisen und eine Gitterstruktur beinhalten. Er steht vorzugsweise wenigstens mit der Deckelwand in thermisch leitendem Kontakt, um die über diese übertragene Wärme in die umströmten Gitterstrukturen zu leiten, damit das Fluid aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen dem Fluid und dem Gitter die Wärme effizient aufnimmt. Der Turbulator kann die Fluidströmung in dem Innenraum hin zu einer turbulenten Strömung verändern, so dass das durch den Innenraum strömende Medium bzw. Fluid besser durchmischt wird, wodurch die Effizienz des Wärmeübertragers weiter gesteigert wird. Der gitterartige Turbulator kann beispielsweise aus einem einzigen Blech gefertigt sein. Zur Herstellung können zunächst Schlitze in das Blech gestanzt werden. Anschließend kann z.B. durch ein „Ziehharmonika-artiges“ Falten eine gitterartige Struktur des Turbulators entstehen. Der Turbulator kann aus dem gleichen Material gefertigt sein, wie die Boden- und/oder die Deckelwand. Bevorzugt ist der Turbulator auch an der Bodenwand befestigt, um bei den hohen Drücken des durchströmenden Fluids ein dynamisches Aufwölben und damit ein Verändern der hydrodynamischen Verhältnisse zu vermeiden. Alternativ zum Einlegen eines zusammenhängenden gitterartigen Turbulators kann auch vorgesehen sein, dass die Bodenwand und/oder die Deckelwand eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweisen, die im zusammengesetzten Zustand in den Innenraum hineinragen und dort somit ebenfalls einen gitterartigen Turbulator ausbilden. Andere Ausführungsformen für einen wärmeübertragenden Mechanismus sind ebenso möglich.

Einer speziellen Ausführungsform der Erfindung zufolge bilden der Wärmeübertrager und das wenigstens eine Heizelement ein Wärmeübertragermodul aus und sind von einem zweiten Modulgehäuse aufgenommen. Sie bilden eine in Bezug auf das Steuermodul separate Einheit, sind aber mit diesem strukturell und elektrisch mit diesem verbunden. Das erste Modulgehäuse ist hierbei ein von dem zweiten Modulgehäuse verschiedenes Bauteil. Das zweite Modulgehäuse kann gemäß den oben angeführten Ausführungsformen durch das wannenförmige Bodenteil des Wärmeübertragers und ein einem daran beziehungsweise an dem ebenen Deckelteil des Wärmeübertragers angebrachten Gehäusedeckel zum Einhausen des oder der Heizelemente (und optional eines zugeordneten Leistungsschalbauteils) gebildet sein. Insbesondere kann das zweite Modulgehäuse aus Stahlblech und/oder Aluminium-Druckguss etc. gebildet sein.

Einer besonderen Weiterbildung der beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen zufolge weist das erste Modulgehäuse eine erste Schicht aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial auf. Unter einer Schicht wird hier eine flächige Struktur verstanden. Es ist in der Breite dieses Aspekts nicht notwendig, dass diese Schicht eine nahezu vollständige Einhüllung eines Innenraums bereitstellt, Durchlässe und ausschließlich isolierende Wandbereiche sind auch möglich, wie weitergehende Ausführungsformen es vorsehen, die unten beschrieben sind.

Es wurde aber gefunden, dass durch die erste Schicht aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial eine weitgehende Abschirmung in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit gerade auch im vorliegenden Heizbetrieb Hochvoltbereich erreicht werden kann, wenn sich diese Schicht über zumindest große bzw. wesentliche Teile der Modulgehäusewand erstreckt. Im Hinblick auf EMV kann sie daher durchaus das konventionelle Metallgehäuse in der Wirkung ersetzen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das elektrisch leitfähige Kunststoffmaterial ein mit Kohlenstofffasern verstärkter Kunststoff. Der Masseanteil an Kohlenstofffasern kann Weiterbildungen zu folge zwischen 10% und 80 % liegen, bevorzugt zwischen 20 % und 60 %, weiter bevorzugt zwischen 30 % und 50%, noch weiter bevorzugt zwischen 35 % und 45 %, idealerweise etwa 40 %. In letzterem Fall werden am meisten befriedigende Ergebnisse hinsichtlich gleichzeitiger Festigkeit, elastischem Verhalten, Dauerhaftigkeit, Spritzgusseigenschaften, elektrischen und thermischen Eigenschaften erhalten.

Bei dem verwendeten Kunststoff, in welchen die Kohlenstofffasern eingebracht bzw. eingebettet sind, handelt es sich bevorzugt um einen temperaturbeständigen, wärmewiderstandsfähigen Kunststoff, insbesondere einen thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise PPS (Polyphenylensulfid). Bei den Kohlenstofffasern kann es sich um beliebige Fasertypen handeln, u.a. HT - hochfest (High Tenacity), UHT - sehr hochfest (Ultra High Tenacity), LM - Low Modulus, IM - intermediate (Intermediate Modulus), HM - hochsteif (High Modulus), UM - (Ultra Modulus), UHM - (Ultra High Modulus), UMS - (Ultra Modulus Strength), HMS - hochsteif/hochfest (High Modulus / High Strain). Die Filamentgröße sowie die Dicht von Filamenten bzw. Fasern in der Polymermatrix ist so gewählt, dass unter anderem auch die gewünschten elektrischen Eigenschaften für die vorliegende Anwendung erreicht werden.

Eine weitergehende Ausführungsform sieht vor, dass das erste Modulgehäuse eine zweite Schicht aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial aufweist. Durch eine solche zweite Schicht wird es insbesondere in Kombination mit der ersten Schicht aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial möglich, gleichzeitig den Anforderungen an die EMV im Hochvoltbereich (erste Schicht) Rechnung zu tragen und Wandbereiche im ersten Modulgehäuse des Steuermoduls zu schaffen, die durch vollständige Isolation (nur die zweite Schicht ausgebildet) eine einfache Durchführung von Leitungen durch die Gehäusewand zu erlauben (z.B. für in die Wand integrierte Niedervoltstecker).

Besonders hervorzuheben ist aber, dass, weil die erste Schicht trotz elektrischer Leitfähigkeit einen im Vergleich beispielsweise zu einem Aluminium-Druckguss deutlich höheren spezifischen Widerstand aufweist, eine außenoberflächlich auf der ersten Schicht angebrachte zweite Schicht die Sicherheit von das Heizgerät berührenden Personen (etwa bei der Wartung des Heizgeräts oder benachbart angeordneter Komponenten) vor gesundheitsgefährdenden Stromschlägen erhöht. Einer Weiterbildung dieser Aspekte zufolge kann das elektrisch isolierende Kunststoffmaterial einen mit Glasfasern verstärkter Kunststoff sein. Der Masseanteil an Glasfasern kann Weiterbildungen zu folge zwischen 10% und 80 % liegen, bevorzugt zwischen 20 % und 60 %, weiter bevorzugt zwischen 30 % und 50%, noch weiter bevorzugt zwischen 35 % und 45 %, idealerweise etwa 40 %. In letzterem Fall werden am meisten befriedigende Ergebnisse hinsichtlich gleichzeitiger Festigkeit, elastischem Verhalten, Dauerhaftigkeit, Spritzgusseigenschaften, elektrischen und thermischen Eigenschaften erhalten, insbesondere auch im Zusammenspiel mit den entsprechenden Eigenschaften der ersten Schicht.

Das erste Modulgehäuse kann den oben beschriebenen Beispielen zufolge dementsprechend einen 2-Komponentenaufbau aufweisen, wobei die zweite Schicht außenliegend eine freiliegende Außenoberfläche des ersten Modulgehäuses ausbildet und die erste Schicht relativ zur zweiten Schicht innenliegend einen Innenraum des Modulgehäuses weitgehend umgibt, wobei vorzugsweise die erste Schicht die zweite Schicht aneinander angeformt sind und ein einstückiges Bauteil ausbilden. Die erste Schicht kann dabei optional auch eine einen Innenraum des erste Modulgehäuses festlegende Oberfläche ausbilden, kann aber ggf. auch selbst wieder ganz oder teilweise zum Innenraum hin beschichtet sein. Es ist anzumerken, dass der Innenraum mit einer die darin angebrachten Komponenten schützenden (Feuchtigkeit, mechanische Beschädigungen, Wärmeableitung) Verguss- oder Füllmasse zumindest teilweise verfüllt sein kann. Wichtig ist, dass die erste Schicht für die EMV- Abschirmung wirksam eingerichtet ist und zu diesem Zweck den Innenraum mit darin angebrachten Komponenten in einem Ausmaß, d.h. weitgehend, umgibt, so dass diese Ziel erreicht wird. Die Auslassung einzelner Öffnungen oder einzelner kleinerer isolierender Wandbereiche kann dabei tolerierbar sein, solange die EMV-Abschirmung nicht beeinträchtigt ist. Einzelne Beispiele werden weiter unten beschrieben.

Dies schließt nicht aus, dass das erste Modulgehäuse bei der Herstellung vor dem Zusammenfügen aus einem Grundbauteil und einem Deckel gebildet ist. Beide Teile sind aus den Komponenten vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren hergestellt und können anschließend (nach Installation weitere Bauteile wie insbesondere die Steuervorrichtung (Leiterplatte) etc.) durch Ultraschallwscheißen, Kleben oder einem anderen dichtenden Fügeverfahren zusammengefügt werden.

In dem ersten Modulgehäuse der elektronischen Heizvorrichtung kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Hochvolt-Steckverbinderabschnitt als separates, nachträglich montiertes Bauteil eingerichtet sein, welcher von einem mit einem Grundpotential verbundenen Metallring zumindest teilweise umschlossen ist, wobei der Metallring in der ersten Schicht aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial und/oder zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht eingebettet ist - jedenfalls in Kontakt mit der ersten Schicht ist. Der Metallring kann vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder Stahlblech gebildet sein.

Es wurde nämlich gefunden, dass insbesondere bei dem 2-Komponentenspritzguss eine Dichte der Kohlenstofffasern nach einem Rand der Gussform prozessbedingt verringert sein kann. Eine in dem ersten Modulgehäuse ausgebildete Öffnung, die erst nachträglich durch Einbringen des separaten Steckverbinderabschnitts verschlossen wird, bildet einen solchen Rand aus. Der Hochvolt-Steckverbinderabschnitt bildet allerdings (ggf unter anderem) elektrische Leitungen zur Bereitstellung einer Hochvolt-Bordnetz- bzw. Versorgungsspannung aus, die vorzugsweise ebenfalls einer besonderen Abschirmung bedarf. Der Metallring kann an dieser Stelle als „neuralgischen Punkt“ folglich die Abschirmung weiter unterstützen. Durch Einbetten in die erste Schicht aus elektrisch leitfähigem Material ist er bereits an dem leitfähigen Teil des Gehäuses angeschlossen.

Weiter verbessert wird die Abschirmung, wenn der Metallring über eine erste, in dem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial eingebettete Metallleitung mit einer metallischen T rägerplatte des Wärmeübertragermoduls (vorzugsweise der ebenen Deckelwand, die Ausführungsbeispielen zufolge seitlich über die eigentlich Fluidkammer übersteht und dadurch einen Anbringabschnitt festlegt) elektrisch leitend verbunden ist. Dies verbessert auch die Grundpotentialanbindung der ersten Schicht, in die der Ring und die Metallleitung eingebettet ist, die sozusagen eine „Abflusskanal“ für elektrische Ladung zum Potentialausgleich ausbildet. Gleichermaßen kann der Metallring zusätzlich oder alternativ über eine zweite, in dem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial eingebettete Metallleitung mit einem Masseanschluss einer Leiterplatte der Steuervorrichtung verbunden sein. Der Effekt ist hier analog.

Außerdem kann wie oben angedeutet in einem Abschnitt des ersten Modulgehäuses ein Niedervolt-Steckverbinderabschnitt eingerichtet sein, wobei sich in dem Abschnitt die erste Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial nicht erstreckt, so dass eine Wand des ersten Modulgehäuses im Bereich dieses Abschnitts im Wesentlichen nur durch die zweite Schicht aus dem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial ausgebildet wird. Wie beschrieben ermöglicht es dies, einen in der Gehäusewand integrierten isolierten Steckerabschnitt auszubilden, welches zusätzliche Teile und Komponenten einspart.

Desweiteren sieht ein Ausführungsbeispiel vor, dass in dem ersten Modulgehäuse wenigstens eine Apertur zum Hindurchführen einer elektrischen Verbindung zwischen der Steuervorrichtung in dem ersten Modulgehäuse und einem Leistungsschaltteil zum Schalten des Heizelements in dem zweiten Modulgehäuse ausgebildet ist. In der wenigstens einen Apertur kann in diesem Fall jeweils ein Stanzgitter mit in einem gemeinsamen Kunststoffbauteil eingebetteten Leiterbahnen angeordnet sein, wobei die Leiterbahnen entsprechende Anschlussstellen auf einer die Steuervorrichtung ausbildenden Leiterplatte kontaktieren.

Die Stanzgitter ermöglichen eine robuste elektrische Verbindung mit den Leistungsschaltelementen und/oder mit den Heizelementen, und erlauben einen platzsparenden Wechsel der Seiten des Wärmeübertragers, denn die Anbringung des ersten Gehäusemoduls an dem zweiten Gehäusemodul erfolgt bevorzugt in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zu einer Ebene des Wärmeübertragers, so dass die Stutzen (Fluideinlass, Fluidauslass) sowie auch die Steckverbinderabschnitte (Hochvolt, Niedervolt) in einem in Fahrzeug verbauten Zustand von der gleichen Seite erfolgen können. Dies wiederum erfordert es aber, dass das oder die Heizelemente auf einer gegenüberliegende Seite des flachen Wärmeübertragers angeordnet sind. Die Durchgangsöffnungen in der Trägerplatte des Wärmeübertragers ermöglichen daher einen direkten Zugang in das zweite Modulgehäuse auf der Seite des oder der Heizelemente.

Mit Vorteil kann sich das Stanzgitter und eine in der Trägerplatte gebildete Durchgangsöffnung und eine im ersten Modulgehäuse gebildete und auf die Durchgasöffnung ausgerichtete Apertur in einen Innenraum des ersten Modulgehäuses hinein erstrecken, wo es mit wenigstens einem Positioniermittel, insbesondere einem Positionierstift, an der die Steuervorrichtung ausbildenden Leiterplatte fixiert ist.

Für die gegenseitige Fixierung der beiden Modulgehäuse können Befestigungsmittel, insbesondere eine oder mehrere Schrauben, bereitgestellt sein, um eine T rägerplatte des Wärmeübertragermoduls an dem ersten Modulgehäuse zu befestigen, wobei die Trägerplatte die Durchgangsöffnung aufweist, die auf die wenigstens eine Apertur im ersten Modulgehäuse ausgerichtet ist, so dass sich das Stanzgitter durch die Durchgangsöffnung der Trägerplatte hindurch erstreckt und auf deren gegenüberliegenden Seite Kontaktanschlüsse für seine Leiterbahnen bereitstellt.

Zwischen den einander zugewandten Oberflächen des ersten Modulgehäuses und der Trägerplatte des zweiten Modulgehäuses (des Wärmeübertragers) kann dabei eine Dichtung eingerichtet sein, welche die wenigstens eine Durchgangsöffnung beziehungsweise die wenigstens Apertur umschließt (im Falle mehrerer Durchgangsöffnungen und zugeordneter Aperturen diese gemeinsam umschließt) und dadurch den Innenraum des ersten Modulgehäuses sowie einen das Leistungsschaltteil und das Heizelement umfassenden Innenraum des zweiten Modulgehäuses vor Feuchtigkeitseintritt schützt.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht eine elektrische Hochvolt-Heizvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Figur 2 in Draufsicht eine Anordnung von Heizelementen auf einer T rägerplatte eines Wärmeübertragers der Heizvorrichtung aus Figur 1 ;

Figur 3 in perspektivscher Ansicht das Steuermodul der Heizvorrichtung aus Figur 1 , mit Blick auf die äußere zweite Schicht aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial;

Figur 4 wie Figur 3, aber mit ausgeblendetem Hochvolt-Steckverbinderabschnitt;

Figur 5 wie Figur 4, aber mit Blick auf die innere erste Schicht aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial bei ausgeblendeter zweiter Schicht;

Figur 6 wie Figur 5, aber mit ausgeblendeter erster und zweiter Schicht (nur Grundbauteil, Deckel weiterhin sichtbar);

Figur 7 in isolierter Darstellung die Positionierung von Stanzgittern, Befestigungsschrauben, Blecheinleger und Dichtung;

Figur 8 in perspektivischer Ansicht einen Blick in den Innenraum des ersten Modulgehäuses gemäß dem Ausführungsbeispiel;

Figur 9 in perspektivischer Ansicht das erste Modulgehäuse von hinten, mit zweiter Schicht als Außenoberfläche;

Figur 10 wie Figur 9, aber mit ausgeblendeter zweiter Schicht, d.h. mit Blick auf die innere erste Schicht;

Figur 11 wie Figur 8, aber mit allen elektronischen Komponenten einschließlich Steuervorrichtung im verbauten Zustand aber bei ausgeblendetem Deckel;

Figur 12 wie Figur 11 , aber mit ausgeblendeter Steuervorrichtung (ausgeblendete Leiterplatte und Verguss- bzw. Füllmaterial); Figur 13 eine perspektivische Ansicht des ersten Modulgehäuses von unten, ohne Stanzgitter;

Figur 14A eine perspektivische Ansicht eines der Stanzgitter;

Figur 14B eine weitere perspektivische Ansicht des Stanzgitters aus Fig. 14A.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsform(en):

In der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ist zu berücksichtigen, dass die vorliegende Offenbarung der verschiedenen Aspekte nicht auf die Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren dargestellt sind. Das Ausführungsbeispiel kann auf verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es ist des Weiteren zu berücksichtigen, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie lediglich zum Zweck der konkreten Beschreibung verwendet wird und diese sollten nicht durch den Fachmann als solche in einschränkender Weise ausgelegt werden. Ferner bezeichnen in nachfolgender Beschreibung gleiche Bezugszeichen in dem Ausführungsbeispiel oder den Figuren gleiche oder ähnliche Merkmale oder Gegenstände, so dass in einigen Fällen auf eine wiederholte detaillierte Beschreibung derselben verzichtet wird, um die Kompaktheit und Übersichtlichkeit der Darstellung zu bewahren.

In der Fig. 1 ist in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Heizvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Es handelt sich hierbei insbesondere um eine Hochvolt-Flüssigkeitsheizung für elektrisch oder hybrid betriebene Fahrzeuge.

Die elektrische Heizvorrichtung 1 umfasst im Wesentlichen drei Komponenten, nämlich einen Wärmeübertrager 2, eine Wärmeumwandlungseinheit 3 und ein Steuermodul 4. Der Wärmeübertrager 2 und die Wärmeumwandlungseinheit 3 lassen sich baulich zu einem Wärmeübertragermodul 5 zusammenfassen, an welchem das Steuermodul 4 befestigt ist. Das Wärmeübertragermodul 5 besitzt einen im wesentlichen flachen Aufbau mit rechteckförmigem Grundriss in Draufsicht.

Der Wärmeübertrager 2 ist in Fig. 1 nach oben orientiert und weist ein tiefgezogenes Bodenbauteil 24 auf, das zusammen mit einem flachen bzw. ebenen Deckelbauteil 25 eine ebenfalls flache Fluidkammer 26 ausbildet (in Fig. 1 liegt das Bodenbauteil oben, das Deckelbauteil unten). Ein flacher umlaufender Rand des Bodenbauteils ist mit dem Deckelbauteil verlötet oder verscheißt, um die Fluidkammer seitlich abzuschließen. Da das Bodenbauteil 24 in Fig. 1 auf dem Deckelbauteil 25 (nur durch Pfeil gekennzeichnet) aufliegt, ist das Deckelbauteil 25 kaum sichtbar. In der Fluidkammer 26 ist ein (nicht in den Figuren gezeigter) Turbulator eingesetzt, der wie beschrieben das durchströmende Fluid vermischt und die Wärmeübertragung auf das Fluid unterstützt. Das Fluid kann durch einen Fluideinlass 21 in die Fluidkammer einströmen und nach Erwärmung durch den Fluidauslass 22 wieder ausströmen.

Die Wärmeumwandlungseinheit 3 weist drei Heizelemente 34 sowie ein Leistungsschaltbauteil 35 auf, die von einem Gehäusedeckel 31 abgedeckt sind, der an dem ebenen Deckelbauteil 25 (bzw. dem daran gelöteten oder verschweißten Rand des Bodenbauteils 24) mit Hilfe von gefalteten Laschen 33 befestigt ist. Vom Gehäusedeckel 31 stehen in der durch den Wärmeübertrager 2 festgelegten Ebene seitlich nach außen gerichtete und integral mit dem Gehäusedeckel 31 ausgebildete Anbringelemente 23 vor, die eine Befestigung in einem Fahrzeug erlauben.

Das Deckelbauteil 25 ist als ebene Platte ausgebildet und wird nachfolgend als Trägerplatte 25 bezeichnet. Das Bodenbauteil 24 des Wärmeübertragers 2 und der Gehäusedeckel 31 der Wärmeumwandlungseinheit 3 bilden zusammengenommen in dem speziellen Ausführungsbeispiel ein zweites Modulgehäuse 42 für das Wärmübertragungsmodul 5.

Die Fig. 2 zeigt die Heizelemente 34 sowie das Leistungsschaltbauteil 35 in dem auf der Trägerplatte 25 des Wärmeübertragers 2 angebrachten Zustand in Draufsicht. Die Heizelemente sind im Ausführungsbeispiel als keramisches Substrat (als T rägerelement), beispielsweise aus AI2O3, mit siebgedruckter Heizleiterschicht ausgeführt. Die Heizleiterschicht ist als Metallisierung aus einer Widerstandslegierung ausgebildet und stellt den entsprechenden Heizwiderstand bereit. Eine Isolierunterbrechung sorgt für die Strukturierung langer Leiterbahnen 36. Das keramische Substrat kann über eine wärmeleitende Haftschicht (nicht gezeigt) an der ebenen Trägerplatte 25 angebracht sein.

Die Heizleiterbahnen 36 sind hinsichtlich ihrer Widerstände (Festgelegt durch Dicke, Länge, Breite und spezifischem Schichtwiderstand des verwendeten Materials) solchermaßen ausgelegt, dass sie bei der bereitgestellten Betriebsspannung im Hochvoltbereich, im Ausführungsbeispiel 800 V, die gewünschte Heizleistung erzeugen können, vorzugsweise im Bereich von zusammengenommen 5 - 13 kW. Das Leistungsschaltbauteil 35 ist als Leiterplatte ausgeführt und weist eine Anzahl nicht gezeigter Leistungsschaltelemente auf, beispielsweise IGBTs oder Leistungs-MOSFETs, mit denen die Heizelemente 34 PWM-gesteuert betrieben werden können. Entsprechende Anschluss-Pads der Heizleiterbahnen 36 sind zu diesem Zweck über Bondverbindungen 37 mit den Leistungsschaltelementen auf dem Leistungsschaltbauteil 35 verbunden.

Das Leistungsschalbauteil 35 weist ferner Temperatursensoren 38 auf, die zum Zweck einer Regelung des Heizbetriebs eine Temperatur erfassen können. Ihre Position auf dem leis- tungsbauteil entspricht im Ausführungsbeispiel dem Fluideinlass 21 und dem Fluidauslass 22 auf der Rückseite der Trägerplatte 25.

Das Leistungsschaltbauteil 35 ist über weitere Bondverbindungen 39 mit jeweiligen Anschlüssen verbunden, die an drei Stanzgittern 8 eingerichtet sind, die den jeweiligen Heizelementen 34 zugeordnet sind. Die Bondverbindungen 39 beinhalten elektrische Leitungen für die Leistungsversorgung (Hochvolt), für die Steuerung der Leistungsschaltelemente sowie für die Kommunikation mit den Temperatursensoren. Die Stanzgitter 8 sind in Durchgangsöffnungen 27 der Trägerplatte 25 angeordnet, die in einem Anbringbereich 52 der Trägerplatte 25 zum Anbringen und Fixieren des Steuermoduls 4 eingerichtet sind.

Das Steuermodul 4 umfasst eine Steuervorrichtung 40, ein diese aufnehmendes erstes Modulgehäuse 41 , sowie einen darin angeordneten Hochvolt-Steckverbinderabschnitt 6 und einen Niedervolt-Steckverbinderabschnitt 7. Das erste Modulgehäuse 41 besitzt einen grob quaderförmigen Aufbau. Die Abschnitte 7 und 8 sind hier als Einbaustecker ausgebildet, in welche Kupplungen eines entsprechenden fahrzeugseitigen Hochvolt- und Niedervoltanschlusses einsteckbar sind.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen genauere Details des Aufbaus des Steuermoduls 4, wobei in der Perspektive der Fig. 1 sukzessive Elemente ausgeblendet sind, um einen Blick in das Innere des Steuermoduls 4 zu gestatten.

In Fig. 3 ist lediglich noch das Steuermodul 4 und das mit der Steuervorrichtung 40 verbundene Leistungsschaltbauteil 35 gezeigt. Darin ist zu sehen, dass das erste Modulgehäuse 41 ein Grundbauteil 411 mit komplexer Geometrie und einen dessen (in Fig. 3 nach hinten gerichtete) Öffnung verschließenden, und daran durch Ultraschallschweißen fixierten, im wesentlichen flachen Deckel 412 aufweist. Grundbauteil 411 und Deckel 412 legen einen (in Fig. 3 nicht gezeigten) Innenraum 413 fest, in welchem die Steuervorrichtung 40 angeordnet ist. Zu sehen sind in Fig. 3 ferner die Bondverbindungen 37 von den (in Fig., 3 ausgeblendeten) Heizelementen 34 zum Leistungsschaltbauteil 35 sowie ansatzweise die weiteren Bondverbindungen 39 vom Leistungsschaltbauteil 35 zu den Stanzgittern 8, die wiederum mit der Steuervorrichtung 40 verbunden sind.

In Fig. 3 ist ferner noch eine Druckausgleichsöffnung 419 gezeigt, die eine äußere Umgebung mit dem Innenraum 413 des ersten Modulgehäuses 41 verbindet. Innenseitig ist eine an dieser Stelle eine Gore-Tex-Membran 491 angebracht (z.B. durch Ultraschallschweißen), um einem Feuchtigkeitseintritt vorzubeugen, vgl. Fig. 8 (nur Gehäuse mit Druckausgleichsöffnung 419, ohne weitere Elemente) und Fig. 12 (mit Membran 491 ).

Die Fig. 4 zeigt die gleiche Ansicht wie die Fig. 3, jedoch mit ausgeblendeten Hochvolt- Steckverbinderabschnitt 6. Zu erkennen ist dadurch eine Öffnung 414 für den darin einzusetzenden und mit Schrauben 415 zu fixierenden Hochvolt-Steckverbinderabschnitt 6, der als eigenständiges Bauteil ausgebildet ist.

Das erste Modulgehäuse 41 ist zu einem Großteil aus zweikomponentigem Kunststoffmaterial gebildet. Insbesondere umfasst das erste Modulgehäuse 41 eine innere erste Schicht 44 und eine zweite äußere Schicht 45. In den Fig. 3 und 4 ist der Blick auf die Außenoberfläche des ersten Modulgehäuses gerichtet, so dass die äußere zweite Schicht 45 erkennbar ist. Die zweite äußere Schicht 45 ist aus elektrisch isolierendem Kunststoff gebildet. Es handelt sich hierbei insbesondere um einen mit Glasfasern verstärkten thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise PPS. Der Anteil (Masse) an Glasfasern in dem Material beträgt 40 %.

In der Fig. 5 ist die gleiche Perspektive des ersten Modulgehäuses 41 wie in Fig. 3 oder 4 gezeigt, jedoch mit ausgeblendeter zweiter Schicht 45, so dass der Blick auf die innere erste Schicht 44 aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial freigegeben ist. Bei dem Kunststoffmaterial handelt es sich um mit Kohlenstofffasern verstärkten thermoplastischen Kunststoff. Der Anteil (Masse) an Kohlenstofffasern beträgt 40 %. Der thermoplastische Kunststoff ist auch hier beispielsweise PPS, so dass beide Schichten ähnliche und damit kompatibel thermische Eigenschaften aufweisen. PPS gilt als flammsicher und ist dadurch besonders geeignet für die Anwendung im Heizgerät.

Zur Herstellung des ersten Modulgehäuses 41 werden die beiden Kunststoffmaterialzusammensetzungen zeitlich unmittelbar hintereinander spritzgegossen. Als erstes wird das Kunststoffmaterial der ersten Schicht 44 spritzgegossen, und anschließend, solange die Temperatur noch etwas über 100 Grad liegt, wird diese mit dem Drehteller entnommen und mit dem Kunststoffmaterial zur Bildung der zweiten Schicht verspritzt. Die Temperatur sorgt dafür, dass eine gute Haftung entsteht, aber kein gegenseitiges Verschmelzen und Vermischen verursacht wird. Um die gegenseitige Haftung weiter zu verbessern und damit die dauerhafte Einstückigkeit zu gewährleisten ist, wie in Fig. 5 gezeigt ist, eine beim Spritzgießen eingeformte Riffelung 415 in der ersten Schicht 44 zu sehen, die sich entsprechend auch in der daran angespritzten zweiten Schicht 45 widerspiegelt (nicht gezeigt).

Ferner ist in Fig. 5 zu erkennen, dass sich die erste Schicht 44 nicht in einem Abschnitt 442 erstreckt, in welchem der Niedervolt-Steckverbinderabschnitt 7 ausgebildet ist. Dieser wird dagegen von der zweiten Schicht 45 ausgefüllt, so dass der Niedervolt-Steckverbinderabschnitt 7 in dem ersten Modulgehäuse 41 integriert ausgebildet ist (und kein nachträglich zu fixirendes Bauteil darstellt). Wie in der perspektivischen Ansicht des Innenraum 413 des ersten Modulgehäuses 41 in der Fig. 12 zu erkennen ist, erstrecken sich die Pins 71 des Niedervolt-Steckverbinderabschnitts 7 unmittelbar durch die zweite Schicht 45 und sind dadurch voneinander isoliert.

Ebenfalls in Fig. 5 sichtbar ist, dass dort, wo in Fig. 4 selbstschneidende Schrauben 415 für die Fixierung des Hochvolt-Steckverbinderabschnitts 7 (siehe Fig 3) jeweils ein vergleichsweise kleines Loch 451 in der zweiten Schicht 44 ausbilden, die erste Schicht ebenfalls ausgenommen ist, vgl. die größeren Löcher 441 in Fig. 5. Dadurch ist gewährleistet, dass über die Schrauben 415 keine Hochvolt-Spannung an die Oberfläche gelangt, die aufgrund des Materials der ersten Schicht 44 nicht schnell genug abgebaut werden kann.

Desweiteren ist in Fig. 5 um die Öffnung 414 für den Hochvolt-Steckverbinderabschnitt 6 herum eine Ausnehmung 443 in der ersten Schicht 44 zu erkennen. In dieser ist ein in Fig. 5 ausgeblendeter, aber in Fig. 6 gezeigter Metallring 91 eines Blecheinlegers 9 eingebettet, welcher der Abschirmung im Bereich der Öffnung 414 dient, wenn dort der Hochvolt-Steckverbinderabschnitt 6 eingesetzt ist und der Heizbetrieb läuft. Mit dem in das Zweikompo- nenten-Kunststoffmaterial integrierten Blecheinleger handelt es sich bei dem Grundbauteil 411 um zumindest ein Dreikomponenten-Material.

Der Blecheinleger 9 besitzt ferner eine erste Metallleitung 92 und eine zweite Metallleitung 93, wie am besten in der Fig. 7 zu erkennen ist, die gleichfalls mindestens teilweise in die erste Schicht 44 eingebettet sind. Die erste Metallleitung 92 erstreckt sich von dem Metallring 91 zu einem Anschluss an der Trägerplatte 25, der durch eine von vier Befestigungsschrauben 28 zur Fixierung des Steuermoduls 4 an der Trägerplatte 25 gebildet wird. Die zweite Metallleitung 93 erstreckt sich von dem Metallring 91 hin zu einem Anschluss auf der Leiterplatte 401 der Steuervorrichtung 40. Mithin liegt der Metallring 91 sicher auf Grundpotential. Die Fig. 8 zeigt teils zum Innenraum 413 hin in der inneren ersten Schicht 44 freiliegende Oberflächen des Blecheinlegers 9.

Die Fig. 9 und 10 zeigen das Steuermodul von der Rückseite her, d.h. insbesondere den Deckel 412 des Modulgehäuses 41. In Fig. 9 ist der Blick auf die äußere zweite Schicht gerichtet, die auch die äußere Oberfläche bildet, und in Fig. 10 ist der Blick auf die innere erste Schicht 44 freigegeben (die zweite Schicht ist in der Fig. 10 ausgeblendet).

Der Deckel 412 ist durch Ultraschallschweißen an dem Grundbauteil 411 irreversibel fixiert, wozu eine Nut 418 in dem Deckel 412 vorgesehen sein kann (siehe Fig. 6), in welche eine umlaufende Nase 417 (siehe Fig. 8) des Grundbauteils 411 eingesteckt und verschweißt wird.

Die Steuervorrichtung 40 ist am besten in Fig. 11 zu erkennen. Sie wird durch eine Leiterplatte 401 mit darauf angeordneten elektronischen Bausteinen, insbesondere einem oder mehreren Mikrocontrollern (nicht gezeigt) ausgebildet. Eine Vergussmasse 402 stabilisiert und schützt die Steuervorrichtung 40 in dem Innenraum 413 des ersten Modulgehäuses 41 . In Fig. 8 sind vier Positionierpins 407 gezeigt, die sich von dem ersten Gehäusemodul 41 aus (als integral ausgebildeter Teil desselben) in den Innenraum 413 erstrecken und sich im verbauten Zustand durch Löcher (nicht gezeigt) in der Leiterplatte 401 erstrecken und mit ihr heißverstemmt sind, so dass die Leiterplatte 407 fest im Innenraum 413 positioniert und gelagert ist.

In den Fig. 6 und 7 und in größerem Detail in den Fig. 14A und 14B sind die oben erwähnten drei Stanzgitter 8 dargestellt. Diese weisen aus einem Blech gestanzte Leiterbahnen auf, die in einem Kunststoffbauteil eingebettet sind. Die Leiterbahnenkontaktieren entsprechende Anschlussstellen auf der die Steuervorrichtung 40 ausbildenden Leiterplatte 401. Die relative Positionierung wird durch domartige Positionierstifte 85 erzielt, die in entsprechende Löcher einrasten, die in der Leiterplatte 401 ausgebildet sind (nicht gezeigt).

Die Stanzgitter 8 sind räumlich in jeweils entsprechenden Aperturen 43 angeordnet, die in einem unteren Bereich des ersten Modulgehäuses 41 eingerichtet sind, wie in den Fig. 8 und 13 zu erkennen ist. Im zusammengebauten Zustand sind die Aperturen 43 des ersten Modulgehäuses 41 und die Durchgangsöffnungen 27 in der Trägerplatte 25 aufeinander ausgerichtet, so dass sich die Stanzgitter 8 durch beide hindurch erstrecken und in ihrer Position fixiert sind.

Wie in Fig. 14A und 14B gezeigt ist, weisen die Stanzgitter 8 Leiterbahnen mit Anschlüssen an den beiden Enden auf. Die Anschlüsse 81 dienen zum Kontaktieren der Bondverbindungen 39, mit denen die elektrische Verbindung zum Leistungsschaltbauteil 35 realisiert wird. Die Anschlüsse 83 sind pin-artig gestaltet und sind im zusammengebauten Zustand in THT- Technologie (Durchsteckmontage) an Kontaktstellen der Leiterplatte 401 fixiert (gelötet), d.h. mit der Steuervorrichtung verbunden.

In der Fig. 13 ist gezeigt, dass auf der Unterseite des ersten Modulgehäuses 41 neben den Aperturen 43 für die Stanzgitter 8 im Bereich von vier Wandverstärkungen 493 (vgl. Fig. 12) im ersten Modulgehäuse 41 jeweils Löcher 494 von selbstschneidenden Befestigungsschrauben 28 eingebracht sind, die in ihrer Position relativ zum Modulgehäuse in den Fig.6 und 7 dargestellt sind. Zu sehen ist in den Fig. 13 auch eine Dichtung 492, die die wenigstens eine Durchgangsöffnung 27 beziehungsweise die Apertur 43 umschließt und dadurch den Innenraum 413 des ersten Modulgehäuses 41 sowie einen das Leistungsschaltteil 35 und das Heizelement 34 aufnehmenden Innenraum des zweiten Modulgehäuses 42 vor Feuchtigkeitseintritt schützt. Zum Zusammenbauen werden die Befestigungsschrauben 28 durch entsprechende Löcher (nichtgezeigt) in der Trägerplatte 25 gesteckt und in die in Fig. 13 gezeigten Wandverstärkungen 493 geschraubt. Die Dichtung ist zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Trägerplatte 25 und des ersten Modulgehäuses gelegt oder in eine am ersten Modulgehäuse vorgesehene Nut an dieses angespritzt und wird durch die Fixierung verpresst. Insbesondere kann die Dichtung vorteilhaft an das Grundbauteil 411 unmittelbar durch Anspritzen angeformt sein. Bei dieser Variante handelt es sich somit bei dem Grundbauteil 411 aufgrund der zwei verschiedenen Kunststoffe, dem Blecheinleger und der Dichtung um zumindest ein Vierkomponenten-Material.

Wie beschrieben wird der Offenbarungsgehalt der nationalen deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2022 128 489.1 , eingereicht bei Deutschen Patent- und Markenamt am 27. Oktober 2022, deren Priorität vorliegende in Anspruch genommen wird, durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung eingeschlossen. Die in den dortigen Figuren 1 bis 7 gezeigte Ausführungsform einer dort als Heizanordnung (dort mit Bezugszeichen 100) bezeichneten Heizungsvorrichtung kann ebenso auch ein Ausführungsbeispiel für eine Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen, soweit das Steuerungsgehäuse jener Anmeldung aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.

Insbesondere kann das Steuerungsgehäuse (Bezugszeichen 30, Fig. 1 und 4 - 7) aus jener Anmeldung (DE‘489) dem ersten Modulgehäuse der vorliegenden Beschreibung entsprechen. Der Trägerkörper (Bezugszeichen 10) jener Anmeldung (DE‘489) kann der Trägerplatte der vorliegenden Beschreibung entsprechen. Die Steuereinheit (Bezugszeichen 3) jener Anmeldung kann dem Steuermodul der vorliegenden Beschreibung entsprechen. Die Steuerplatine (Bezugszeichen 31 ) aus jener Anmeldung (DE‘489) kann der Leiterplatte vorliegenden Beschreibung entsprechen. Die in jener Anmeldung (DE‘489) beschriebene Wärmeübertragungsseite 11 und Beheizungsseite 12 (vgl. Figuren 1 bis 6 der Prioritätsanmeldung) in Bezug auf den Trägerkörper bzw. die Trägerplatte sind auch in vorliegender Figur 1 eingezeichnet. Der in jener Anmeldung beschrieben Deckkörper (Bezugszeichen 17) kann dem tiefgezogenen Bodenbauteil 24 des Wärmeübertragers der vorliegenden Beschreibung entsprechen. Ferner ist in der obigen Beschreibung des Ausführungsbeispiels das Stanzgitter 8 als ein Bauteil mit in einem gemeinsamen Kunststoffbauteil eingebetteten Leiterbahnen angegeben. In der Prioritätsanmeldung (DE‘489). In der Prioritätsanmeldung (DE‘489) ist es als eine von einem Kunststoffeinsatz teilweise umschlossene Leiterbahn beschrieben, die Stanzgitter bezeichnen dabei aber den gleichen Gegenstand mit gleichen Funktionen, wie Fig. 1 , 2, 4 und 6 - 7 der Prioritätsanmeldung (DE‘489) zeigt.

Bezugszeichenliste

1 elektrische Heizvorrichtung

11 Wärmeübertragungsseite

12 Beheizungsseite

2 Wärmeübertrager

21 Fluideinlass

22 Fluidauslass

24 Bodenbauteil, tiefgezogen

25 Deckelbauteil, plattenförmig und eben, Trägerplatte

26 Fluidkammer

27 Durchgangsöffnung

28 Befestigungsschrauben (für Steuermodul an Trägerplatte)

3 Wärmeumwandlungseinheit

31 Gehäusedeckel

32 Anbringelement

33 Lasche

34 Heizelemente

35 Leistungsschaltbauteil

36 Heizleiterbahn

37 Bondverbindung

38 Temperatursensoren

39 Bondverbindung

4 Steuermodul

40 Steuervorrichtung

401 Leiterplatte

402 Vergussmasse

407 Positionierpins

41 erstes Modulgehäuse

411 Grundbauteil

412 Deckel

413 Innenraum

414 Öffnung für Hochvolt-Steckverbinderabschnitt

415 Riffelung

417 Nase

418 Nut 419 Druckausgleichsöffnung

42 zweites Modulgehäuse

43 Apertur in erstem Modulgehäuse

44 erste Schicht aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial

441 Löcher in erster Schicht

442 ausgenommener Abschnitt in erster Schicht

443 Ausnehmung für Metallring in erster Schicht

45 zweite Schicht aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial

491 Gore-Tex-Membran

492 Dichtung (zwischen Steuermodul und Trägerplatte)

493 Verstärkung (Modulgehäuse)

494 Schraubloch

5 Wärmeübertragermodul

52 Anbringbereich (für Steuermodul)

6 Hochvolt-Steckverbinderabschnitt

7 Niedervolt-Steckverbinderabschnitt

8 Stanzgitter

81 Anschlüsse für Steuervorrichtung

83 Anschlüsse für Bondverbindung

85 domartige Positionierstifte

9 Blecheinleger

91 Metallring

92 erste Metallleitung

93 zweite Metallleitung