Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, ein Verfahren zur Fertigung eines Wärmeübertragers sowie einen elektrischen Wasserheizer.

Technischer Hintergrund:

Wärmeübertrager dienen typischerweise dazu, die Wärme eines Heizelementes an ein wärmeleitendes Medium zu übertragen. Üblicherweise sind derartige Wärmeübertrager in Heizgeräten verbaut, bei denen eine von einem Heizleiter erzeugte Wärme an ein Wärmeübertragungselement abgegeben wird, welches wiederum die Wärme an ein Medium überträgt. Als Medium wird hierbei beispielsweise Wasser bzw. Kühlmittel eingesetzt, weswegen die genannten Heizgeräte auch als Wasserheizer und im Falle eines elektrisch betriebenen Heizleiters, als elektrische Wasserheizer bezeichnet werden. Ein typisches Einsatzgebiet derartiger elektrischer Wasserheizer ist beispielsweise in Kraftfahrzeugen, bei denen damit der Fahrgastraum geheizt werden soll.

Um eine elektrische Isolierung zwischen dem Heizleiter und dem Wärmeübertragungselement sowie insbesondere dem Medium zu erreichen, ist in den Heizgeräten üblicherweise ein Isolationselement angeordnet. Dieses Isolationselement, auch als Isolationsschicht bezeichnet, soll wie bereits erwähnt, zum einen elektrisch isolierend wirken aber zum anderen auch gut wärmeleitend sein.

Dadurch kommen nur wenige Werkstoffe infrage. Meist sind es Kunststoffe oder Keramiken, die jedoch meist ein Mismatch in der Wärmeausdehnung aufweisen, d.h. beim Aufheizen im Betrieb und bei Fertigungsprozessen kommt es zu unterschiedlichen Längenausdehnungen wodurch sich die Isolationsschicht ablösen kann und/oder sich Risse bilden können.

Darstellung der Erfindung: Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager, ein Verfahren sowie einen elektrischen Wasserheizer anzugeben, mit deren Hilfe mechanische Spannungen im Betrieb des Heizgerätes zumindest reduziert werden.

Mit Blick auf den Wärmeübertrager wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Mit Blick auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Fertigen eines Wärmeübertragers mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Mit Blick auf den elektrischen Wasserheizer wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen elektrischen Wasserheizer mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Ferner wird im Rahmen dieser Anmeldung noch ein Kraftfahrzeug oder Baumaschine oder Wasserfahrzeug offenbart und beansprucht, das einen erfindungsgemäßen elektrischen Wasserheizer aufweist.

Bevorzugte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf den Wärmeübertrager aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Verfahren sowie auf den elektrischen Wasserheizer zu übertragen und umgekehrt.

Der Begriff des Wasserheizer ist in den vorliegenden Unterlagen breit zu verstehen. Unter dem Begriff Wasserheizer ist ein Heizgerät gemeint, welches mit jeglicher Art von Wasser als Medium betrieben werden kann, d.h. bzw. auch mit Kühlmittel (Wasser-Ethylenglykol- Mischung).

Konkret wird die Aufgabe gelöst durch einen Wärmeübertrager für einen elektrischen Wasserheizer, der einen Heizleiter sowie ein Wärmeübertragungselement aufweist. Bei dem Heizleiter kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Heizleiter handeln. Bei dem Wärmeübertragungselement kann es sich beispielweise um ein metallisches Wärmeübertragungselement handeln.

Ferner weist der Wärmeübertrager ein Isolationselement auf, das zwischen dem Heizleiter und dem Wärmeübertragungselement angeordnet ist. Diese Anordnung kann auch als „Sandwich“-Bauweise bezeichnet werden. Das Isolationselement dient zur elektrischen Isolierung des Heizleiters von dem Wärmeübertragungselement und umgekehrt, sodass zwischen diesen beiden Komponenten kein elektrischer Kurzschluss entstehen kann. Des Weiteren ist das Isolationselement mittels eines wärmeleitenden und elastischen Klebstoffs auf dem Wärmeübertragungselement angeordnet.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass durch den sowohl wärmeleitenden als auch elastischen Klebstoff zum einen eine geforderte Wärmeleitung des Wärmeübertragers durch den Klebstoff nicht beeinträchtig ist. Zum anderen werden durch die elastische Eigenschaft des Klebstoffes mechanische Spannungen zwischen den einzelnen Komponenten und insbesondere zwischen dem Isolationselement und dem Wärmeübertragungselement ausgeglichen, die im Betrieb und der damit verbundenen Erhitzung des Wärmeübertragers auftritt. Mit anderen Worten kann das Isolationselement durch den Einsatz des elastischen Klebstoffs direkt auf dem Wärmeübertragungselement angeordnet werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen dem Wärmeübertragungselement und dem Isolationselement ein Fügespalt ausgebildet, in dem der Klebstoff angeordnet ist. Hierdurch wird die bereits eingangs notwendige und beschriebene „Sandwich“-Bauweise des Wärmeübertragers nicht beeinträchtig und zum anderen eine exakte Platzierung des Klebstoffs ermöglicht.

In einer weiteren Ausführungsform ist eine geometrische Abmessung des Fügespaltes basierend auf zumindest einem der nachfolgenden Parameter ausgelegt: einer Wärmeleitung des Klebstoffs; einer Wärmedehnung des Isolationselementes und des Wärmeübertragungselementes; einer Dehnbarkeit des Klebstoffs; einer Betriebstemperatur des Wärmeübertragers; einer Dauerbetriebstemperatur des Klebstoffs sowie einer Haftungseigenschaft des Klebstoffs auf den Materialien des Isolationselementes sowie des Wärmeübertragungselementes. Unter dem Begriff „Wärmeleitung des Klebstoffs“ kann im Sinne dieser Anmeldung das allgemeine Wärmeleitungsvermögen des Klebstoffs verstanden werden. Je wärmeleitender der Klebstoff beispielsweise ist, umso dicker kann der Fügespalt ausgebildet sein, um möglichst viel Klebstoff für eine mechanische Fixierung der Komponenten in den Fügespalt einbringen zu können.

Unter dem Begriff „Wärmedehnung des Isolationselementes und des Wärmeübertragungselementes“ kann im Sinne dieser Anmeldung verstanden werden, wie stark sich diese beiden Komponenten im Betrieb, also bei einer Erhitzung, ausdehnen. Je stärker die Wärmedehnung der Komponenten, umso elastischer muss der Klebstoff sein, um die mechanischen Spannungen ausgleichen zu können.

Unter dem Begriff „Dehnbarkeit des Klebstoffs“ kann im Sinne dieser Anmeldung verstanden werden, wie elastisch der Klebstoff ist, um diesen dann entsprechend der auftretenden oder zu erwartenden mechanischen Spannungen auswählen zu können und dahingehend den Fügespalt auszulegen.

Unter dem Begriff „Betriebstemperatur des Wärmeübertragers“ kann im Sinne dieser Anmeldung verstanden werden, wie heiß der Wärmeübertrager im Betrieb wird. Je heißer dieser wird, umso höher muss die Wärmebeständigkeit des Klebstoffs sein bzw. ist dann mit einer stärkeren Ausdehnung der Komponenten zu rechnen, auf die der Fügespalt angepasst sein muss. Typische Beispiele für Temperaturen sind -40 Grad Celsius als thermische Untergrenze und als thermische Obergrenze die maximale Arbeitstemperatur des Heizleiters.

Unter dem Begriff „Dauerbetriebstemperatur des Klebstoffs“ kann im Sinne dieser Anmeldung verstanden werden, welcher dauerhaften Temperatur man den Klebstoff aussetzen kann, ohne dass dieser sowohl seine wärmeleitende als auch elastische Eigenschaft bis auf hinnehmbare Toleranzen verliert.

Unter dem Begriff „Haftungseigenschaft“ kann im Sinne dieser Anmeldung verstanden werden, dass der Klebstoff derart ausgebildet sein muss, auf unterschiedlichen Materialien, beispielsweise Keramik und Metall, zu haften.

Um den bereits erwähnten „Sandwich“-Aufbau zu optimieren, ist das Wärmeübertragungselement an einer ersten Seite des Isolationselementes angeordnet und der Heizleiter an einer zweiten Seite des Isolationselementes angeordnet, wobei die erste Seite der zweiten Seite gegenüberliegt.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Isolationselement eine Keramik auf oder ist aus einer Keramik gefertigt. Insbesondere kann das Isolationselement als keramisches Substrat (z.B. als plattenförmiges Trägerelement), beispielsweise aus AI2O3, mit auf dem Substrat siebgedruckter Heizleiter-Schicht ausgeführt sein. Das Isolationselement mit darauf angeordnetem Heizleiter bildet dann ein Heizelement aus. Hierbei kann der Heizleiterbeispielsweise als Metallisierung aus einer Widerstandslegierung ausgebildet sein, welche den entsprechenden Heizwiderstand darstellt. In Betracht kommt 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.

Der Wärmeübertrager kann bevorzugt auch mehrere Heizelemente aufweisen. In diesem Fall ist jedes einzelne Heizelement bzw. das zugehörige Isolationselement mittels des Klebstoffs auf dem Wärmeübertragungselement angeordnet.

Ferner kann das Wärmeübertragungselement aus Stahl oder Aluminium gebildet sein, bevorzugt aus Aluminium. Das Wärmeübertragungselement kann ein tiefgezogenes Bodenbauteil und ein ebenes, als Trägerplatte ausgebildetes Deckelbauteil aufweisen. Die Trägerplatte kann ebenfalls tiefgezogen sein, um darin Ausführungsbeispielen zufolge nachfolgende zu beschreibende Noppen ausbilden. Ein flacher umlaufender Rand des Bodenbauteils ist mit dem Deckelbauteil verlötet oder verschweißt, um eine dazwischen ausgebildete flache Fluidkammer abzuschließen, welche von dem Kühlmittel bzw. Wasser durchströmt wird. In der Fluidkammer kann ein Turbulator eingesetzt sein, der das durchströmende Fluid vermischt und die Wärmeübertragung auf das Fluid unterstützt. Das Fluid kann durch einen Fluideinlass in die Fluidkammer einströmen und nach Erwärmung durch den Fluidauslass wieder ausströmen.

Einer speziellen Ausführungsform zufolge kann eine geometrische Abmessung des Fügespaltes, insbesondere eine Dicke desselben oder einer darin angeordneten Schicht aus dem Klebstoff, durch eine Anzahl von Abstandshaltern festgelegt sein. Die Abstandshalter können als Glasperlen im Klebstoff, als Folienpartikel, oder Noppen im bzw. Vorsprünge am Wärmeübertragungselement ausgebildet sein. Die Abstandshalter können im verklebten Zustand im (ausgehärteten) Klebstoff eingebettet sein oder in vom Klebstoff freigehaltenen Bereichen angeordnet sein. Die Abstandshalter können Auflageflächen oder Auflagepunkte für das Isolationselement ausbilden. Beim Verpressen des Klebstoffs durch das Isolationselement, das beispielsweise bei der Herstellung gegen das Wärmeübertragungselement gedrückt wird, können die Abstandshalter als AnschlagpunkteZ-flächen für das Isolationselement dienen und dadurch den Fertigungsprozess unterstützen und vereinfachen. Die Abstandshalter können auch durch das Material des Klebstoffs selbst ausgebildet sein, wenn durch lokales Aufträgen und Aushärten aus dem Klebstoff vor der Durchführung des eigentlichen Applikationsschrittes zur Bildung der Klebstoffschicht einzelne erhabene Elemente auf der Oberfläche des Wärmeübertragungselements ausgebildet werden.

Eine Höhe der Abstandshalter kann in einem Bereich von 100 pm bis 450 pm liegen, bevorzugt zwischen 200 pm und 350 pm. Im Beispielfall der Noppen oder Vorsprünge ist die Höhe ein Abstand zwischen dem Auflagepunkt für das Isolationselement (bzw. dessen erste Seite, die einer zweiten Seite gegenüberliegt, auf welcher der oder die Heizleiter angeordnet sind) und einer Oberfläche des Wärmeübertragungselements bzw. gemäß Ausführungsbeispielen der diese ausbildenden, ebenen Trägerplatte des Wärmeübertragungselements. Im Fall der Glasperlen, oder der Folienpartikel, kann die Höhe einem Durchmesser derselben entsprechen.

Eine Weiterbildung dieses Aspekts sieht vor, dass die Abstandshalter wie beschrieben Auflagepunkte oder -flächen besitzen und wenigstens zwei unterschiedliche Bauhöhen aufweisen, wobei erste Abstandshalter, die näher zu einer Mitte des Isolationselements angeordnet sind, eine vergleichsweise geringere Bauhöhe besitzen, und zweite Abstandshalter, die näher zu einer der Kanten des Isolationselements liegen, eine im Vergleich dazu größere Bauhöhe besitzen, so dass eine Schichtdicke des Klebstoffs nahe der Kanten größer ist als nahe der Mitte.

Durch diese Maßnahme können die strengen Anforderungen an Toleranzen für die Ebenheit der Klebeflächen auf dem Wärmeübertrager entfallen oder zumindest reduziert werden, während die Prozesssicherheit verbessert und die Herstellung insgesamt vereinfacht ist. Ferner ergibt sich mit Vorteil durch die geringere Dicke des Fügespalts in der Mitte des jeweiligen Isolationselements, also entfernt von dessen äußeren Kanten, eine effizientere Wärmeübertragung und dadurch eine thermische Entlastung der Heizelemente. Gemäß Ausführungsbeispielen können die Abstandshalter wie oben erwähnt als in einer Oberfläche des Wärmeübertragungselements ausgebildete Noppen ausgebildet sein. Die Noppen können dabei auch durch den Klebstoff selbst ausgebildet sein, wie oben beschrieben etwa durch den Auftrag von Klebstoffnoppen auf die Oberfläche des Wärmeübertragungselements mit anschließendem Aushärten, während erst nachfolgend der großflächige Auftrag des Klebstoffs zur Herstellung der eigentlichen Klebstoffschicht unter Bildung des Fügespalts ausgeführt wird. Alternativ können die Noppen durch das Wärmeübertragungselement selbst gebildet sein, beispielsweise durch Tiefziehen der entsprechenden Trägerplatte. In diesem Fall können die Noppen einstückig bzw. integral mit dem Wärmeübertragungselement gebildet sein.

Diese Ausführungsform bietet einige Vorteile: die Bildung der Noppen kann mit den beschriebenen Herstellungsverfahren zum einen sehr präzise erfolgen, so dass die lokalen Dicken genau eingestellt werden können. Ferner kann die Herstellung sehr gut in den Fertigungsprozess des Wärmeübertragungselements integriert werden, was Kosten und Aufwand spart.

Werden die Aspekte der mit Hilfe von Abstandshaltern von der Mitte zu den Kanten des Isolationselements variierenden (sich vergrößernden) Schichtdicken mit dem Konzept der Noppen kombiniert, entstehen besondere Vorteile: die lokale, veränderliche Einstellung der Schichtdicke, z.B. die erhöhte Dicke im Bereich nahe an den Kanten des Isolationselements erlaubt es, die Scherung bei thermischer Ausdehnung zwischen den gefügten Oberflächen auszugleichen bzw. zu kompensieren. In den mittleren Bereichen wird die Dicke (durch die Bauhöhe H der Noppen) des Klebstoffs niedriger ausgelegt, um die Wärmeleitung zu erhöhen. Darüber hinaus können die Noppen selbst bei mehr oder weniger direktem Kontakt mit dem Isolationselement die Wärmeleitung erhöhen.

Der zuletzt genannte Vorteil kann einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung zufolge ausgenutzt werden. Dieser Aspekt sieht vor, dass den Noppen eine erste Seite des Isolationselements zugewandt ist und der Heizleiter auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Isolationselements angeordnet ist. In dem Heizleiter kann ferner ein Ort festgelegt sein, an welchem im Betrieb eine größte Wärmefreisetzung feststellbar ist, d.h. ein lokales Maximum (Peak) oder ein Maximum für das betreffende Heizelement überhaupt. Eine der Noppen kann nun in diesem Fall in einer Position an der ersten Seite platziert sein, die dem Ort der größten Wärmefreisetzung auf der zweiten Seite gegenüberliegt. Durch diese Maßnahme kann eine homogenere Wärmeverteilung und dadurch verringerte thermische Spannungen in dem Isolationselement (Keramik), eine reduzierte lokale Wärmelast im Heizleiter sowie ein effizienterer Wärmeübertrag auf das Wärmeübertragungselement erzielt werden.

Ein analoger Aspekt betrifft die weitere Anbindung eines Leistungsschaltbauteils an das Wärmeübertragungselement. Der Wärmeübertrager kann dazu ferner dieses Leistungsschaltbauteil umfassen, das ein Leiterplattensubstrat mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite und auf der zweiten Seite angeordneten Leistungsschaltelementen umfasst. Das Leiterplattensubstrat kann auf gleiche Weise wie das Isolationselement mittels des wärmeleitenden und elastischen Klebstoffs auf dem Wärmeübertragungselement angeordnet sein. Wenigstens ein Temperatursensor ist des Weiteren an einem Ort auf der zweiten Seite des Leiterplattensubstrats angeordnet. Eine der Noppen ist in einer Position an der ersten Seite des Leiterplattensubstrats platziert, die dem Ort des Temperatursensors gegenüberliegt.

Durch diesen Aspekt der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile: es kann ein Klebstoff 10 mit vergleichsweise niedrigerer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, welches in einem Kostenvorteil je applizierter Klebstoffmenge resultiert; abseits der Noppen kann eine größere Schichtdicke bzw. Dicke des Fügespalts in Kauf genommen werden, welches in einer erhöhten Prozessfähigkeit bzw. einem größeren Toleranzfenster für die Schichtdicke resultiert; die betroffenen elektronischen Bauteile können durch alternative Bauteile ersetzt werden, die z.B. niedrigere Kosten oder mehr Leistung mit sich bringen, welches wiederum durch eine höhere zulässige Verlustleistung ermöglicht ist; die Lebensdauer der thermisch beanspruchten elektronischen Bauteile kann gesteigert werden;

Temperatur-Sensoren können besser an die zu messende Stelle (z.B. Wärmeübertrager) angebunden werden, welches somit eine höhere Genauigkeit und Reaktionszeit der Messung gewährleistet.

Alternativ oder zusätzlich kann auch eine (andere) der Noppen in einer (anderen) Position an der ersten Seite des Leiterplattensubstrats platziert sein, die einem Ort gegenüberliegt, an welchem eines der Leistungsschaltelemente auf der zweiten Seite des Leiterplattensubstrats angeordnet ist. Der Vorteil ist der gleiche wie oben mit Bezug auf den Ort der größten Wärmefreisetzung beschrieben, weil das Hochvolt-Leistungsschaltelement im Betrieb selbst auch eine erhebliche Wärmequelle darstellt, die mit Vorteil durch die nahe Noppe abgeführt werden kann.

Der Wasserheizer hat bevorzugt eine Heizleistung von mindestens 5 kW, 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 der Wasserheizer betrieben wird, welche gleich der Bordspannung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges sein kann, ist größer oder gleich 400 V, bevorzugt größer oder gleich 700 V, beispielsweise 800 V, 900 V oder 1000 V.

Konkret wird die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Fertigen eines Wärmeübertragers, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Anordnen eines Heizleiters auf einem Isolationselement;

Bereitstellen eines Wärmeübertragungselementes

Aufbringen eines wärmeleitenden und elastischen Klebstoffs auf einer Seite des Wärmeübertragungselementes oder auf einer Seite des Isolationselementes auf der der Heizleiter nicht angeordnet ist;

Der Schritt Anordnen eines Heizleiters auf einem Isolationselement umfasst bevorzugt das Aufbringen des Heizleiters per Siebdruckverfahren auf das Isolationselement. Das Isolationselement mit aufgebrachtem Heizleiter bildet dann ein Heizelement aus.

Der wärmeleitende und elastische Klebstoff wird bevorzugt auf der ersten Seite des Isolationselementes (der dem Heizleiter gegenüberliegenden Seite) aufgebracht.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist dieses ferner die Schritte auf:

Definieren eines Fügespaltes zwischen dem Wärmeübertragungselement und dem Isolationselement sowie

Anordnen des Klebstoffes in dem Fügespalt. Unter dem Begriff „definieren“ kann im Sinne der vorliegenden Anmeldung verstanden werden, dass der Fügespalt zum Beispiel durch einen definierten Anpressdruck realisiert wird, in dem die beiden Elemente beispielsweise in dafür vorgesehenen Formen angepresst werden.

Bevorzugt wird der Klebstoff auf das Isolationselement, insbesondere auf die erste Seite des Isolationselementes (der dem Heizleiter gegenüberliegenden Seite des Isolationselementes), aufgebracht. Beispielsweise liegt das Isolationselement, auf welchem der Heizleiter angeordnet ist, derart in einer Klebevorrichtung, dass der Heizleiter nach unten gerichtet ist. Das Wärmeübertragungselement wird danach aufgesetzt, mit einem Rahmen verschraubt und kann noch zusätzlich in der Mitte mit Gewichten belastet werden.

Zusätzlich ist es denkbar, dass Abstandshalter (Glasperlen im Klebstoff, Folienpartikel, Noppen im Wärmeübertragungselement) wie oben beschrieben für die Einstellung des Fügespaltes eingesetzt werden.

Handelt es sich bei den Abstandshaltern beispielsweise um Noppen, kann die Herstellung wie nachfolgend beschrieben erfolgen: beispielsweise kann es sich bei der zu fügenden Oberfläche des Wärmeübertragungselements um ein tiefgezogenes plattenförmiges Blechbauteil handeln. In dieses Blechbauteil werden in einem Press- oder Stanzwerkzeug, welches den Noppen entsprechende Ausprägungen aufweist, die Noppen eingeprägt. Alternativ ist aber auch die Herstellung der Noppen in einem Prozess mit Aluminium-Guss und CNC-Nachbearbeitung denkbar.

Die Bildung der Noppen kann mit den beschriebenen Herstellungsverfahren sehr präzise erfolgen, so dass die lokalen Dicken genau eingestellt werden können. Ferner kann die Herstellung sehr gut in den Fertigungsprozess des Wärmeübertragungselements integriert werden, was Kosten und Aufwand spart. Im Übrigen ergeben sich die gleichen Vorteile wie oben beschrieben.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner den Schritt auf:

Auslegen einer geometrischen Abmessung des Fügespaltes basierend auf zumindest einem der nachfolgenden Parameter: einer Wärmeleitung des Klebstoffs; einer Wärmedehnung des Isolationselementes und des Wärmeübertragungselementes; einer Dehnbarkeit des Klebstoffs; einer Betriebstemperaturen des Wärmeübertragers; einer Dauerbetriebstemperatur des Klebstoffs sowie einer Haftungseigenschaft des Klebstoffs auf den Materialien des Isolationselementes sowie des Wärmeübertragungselementes.

Kurze Beschreibung der Figuren:

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in teilweise stark vereinfachter Darstellung in:

Fig. 1 einen skizzierten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager;

Fig. 2 ausgehend von dem allgemeinen Aufbau wie in Fig. 1 gezeigt einen skizzierten Schnitt durch das Wärmeübertragungselement und das Isolationselement des Wärmeübertragers bzw. Heizelements, gemäß einem Ausführungsbeispiel mit Abstandshaltern;

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Wärmeübertragungselement mit einer darin als Abstandshalter ausgebildeten Noppe gemäß einem mit Fig. 2 kompatiblen Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Wärmeübertragers ohne Heizelement, in welchem Noppen wie in Fig. 3 gezeigt ausgebildet sind;

Fig. 5 in Draufsicht auf dem Wärmeübertrager aus Fig. 4 montierte Heizelemente und ei Leistungsschalbauteil.

Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen:

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 2 für einen nicht dargestellten elektrischen Wasserheizer. Der Wärmeübertrager 2 weist hierbei einen Heizleiter 4 auf, von dem lediglich der Schnitt mehrerer Windungen dargestellt ist. Ferner weist der Wärmeübertrager 2 ein Wärmeübertragungselement 6 auf. Zwischen dem Heizleiter 4 und dem Wärmeübertagungselement 6 ist ein Isolationselement 8 angeordnet, das zur elektrischen Isolation dieser beiden Komponenten dient. Das Isolationselement 8 ist mittels eines wärmeleitenden und elastischen Klebstoffs 10 auf dem Wärmeübertragungselement 6 angeordnet. Speziell ist der Klebstoff 10 im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 in einem Fügespalt 12 angeordnet, der zwischen dem Isolationselement 8 und dem Wärmeübertragungselement 6 ausgebildet ist.

Des Weiteren ist - wie aus Fig. 1 ersichtlich - das Wärmeübertragungselement 6 an einer ersten Seite 14 des Isolationselementes 8 und der Heizleiter 4 an einer zweiten Seite 16 des Isolationselementes 8 angeordnet, um die bereits eingangs erwähnte „Sandwich“-Bau- weise auszubilden.

Im Betrieb des Wärmeübertragers 2 wird der elektrische Heizleiter 4 erhitzt und die Wärme an das Isolationselement 8 abgegeben, das üblicherweise als eine Keramik ausgebildet ist. Anschließend wird die Wärme von dem Isolationselement 8 über den wärmeleitenden Klebstoff 10 an das Wärmeübertragungselement 6 weitergeleitet, welches wiederum die Wärme an ein lediglich schematisch skizziertes Medium 18, z.B. Wasser, abgibt.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Eine Weiterbildung des oben gezeigten Ausführungsbeispiels ist in schematischer Ansicht in Fig. 2 dargestellt. Der Einfachheit halber ist nur das Isolationselement 8 des Heizelements sowie das Wärmeübertragungselement 6 des Wärmeübertragers 2 eingezeichnet, zwischen denen sich der Fügespalt 12 mit dem darin eingebrachten Klebstoff 10 erstreckt. Die Heizleiter 4 oder das Medium 18 aus Fig. 1 sind z.B. in Fig. 2 weggelassen. Wie beschrieben können in Fig. 2 sehr schematisch dargestellte Abstandshalter (Glasperlen im Klebstoff, Folienpartikel, Noppen im bzw. Vorsprünge am Wärmeübertragungselement 6) für die Einstellung des Fügespaltes 12 eingesetzt werden. Grundsätzlich können diese Ausführungsbeispielen zufolge höhengleich sein. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind aber höhenverschiedene Abstandshalter 20, 22 vorgesehen. An und für sich wäre zur Herstellung eines nicht allzu dicken Fügespalts eine enge Toleranz für die Ebenheit der Klebeflächen auf dem Wärmeübertrager zu fordern, um eine hinreichende Prozesssicherheit zu bieten (homogene und großflächige Verteilung des Klebstoffs zwischen den Flächen). Tatsächlich ergeben sich aber bei Temperaturänderungen aufgrund möglicherweise unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten die größten Längendifferenzen zwischen dem das Isolationselement 8 und dem Wärmeübertragungselement 6 am Rand des Klebereichs, während die Mitte im Wesentlichen der Ausgangspunkt für die gegenseitigen Verschiebungen ist. Eine Grundidee des Ausführungsbeispiels ist es daher, den Fügespalt nahe den Kanten des Heizelements bzw. des Isolationselements 8 dicker und in der Mitte dazu vergleichsweise dünner auszulegen.

In Fig. 2 ist gezeigt, dass außen liegende (d.h. näher zur Kante des Isolationselements 8 liegende) Abstandshalter 22 eine größere Höhe besitzen als innen liegende (d.h. näher zur Mitte liegende) Abstandshalter 20. Dadurch ist die Dicke der Schicht aus Klebstoff 10 genau jene kritischen Stellen erhöht, wo auch die größeren Längendifferenzen bei der Wärmeausdehnung zu verzeichnen sind und diese Schicht deshalb dort am stärksten belastet würde. Durch diese Maßnahme können die strengen Anforderungen an Toleranzen für die Ebenheit der Klebeflächen auf dem Wärmeübertrager entfallen oder zumindest reduziert werden, während die Prozesssicherheit verbessert und die Herstellung insgesamt vereinfacht ist. Es ist dabei anzumerken, dass die Bauhöhe H von Auflagepunkten bzw. -flächen 25 der Abstandshalter sehr genau herstellbar ist. Eine Durchbiegung des aufliegenden Heizelements - wie in Fig. 2 leicht übertrieben dargestellt - ist dabei durchaus akzeptabel. Ferner ergibt sich durch die geringere Dicke des Fügespalts 12 in der Mitte des jeweiligen Isolationselements 8 eine effizientere Wärmeübertragung und dadurch eine thermische Entlastung der Heizelemente.

Die Einstellung der Dicke kann Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge unter anderem aber auch bewerkstelligt werden, indem: der Klebstoff einen Füllstoff (z.B. Glasperlen) mit definierter Größen- und Formverteilung umfasst, wobei dieser Füllstoff als mechanischer Abstandshalter beim Verpressen des Klebstoffs 10 zwischen den angrenzenden Oberflächen von Isolationselement 8 und Wärmeübertragungselement 6 dient; die Vorrichtung zum Verpressen des Klebstoffs 10 außerhalb desselben einen geometrischen Anschlag aufweist, welcher als mechanischer Abstandshalter wirkt; die Vorrichtung zum Verpressen des Klebstoffs 10 ein festgelegtes Kraftprofil einsetzt, welches letztendlich in einer definierten Schichtdicke des Klebstoffs 10 resultiert; oder der Klebstoff 10 wird vor dem Verpressen mit einer Hilfsvorrichtung auf die definierte Schichtdicke gebracht (z.B. Rakeln / Siebdruck) und beim anschließenden Verpressen nicht mehr geometrisch verändert.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel, das in der Fig. 3 illustriert ist, sieht aber vor, die zu fügende Oberfläche des Wärmeübertragungselements 6 wird mit einer Anzahl von Noppen 24 als Abstandshalter 20 oder 22 auszustatten, wie abstrakt in Fig. 2 zu sehen sind. Die Noppen 24 sind einstückig mit dem Wärmeübertragungselement 6 ausgebildet. Auf diesen Noppen kann nun bei dem Verpressen des Klebstoffs 10 die gegenüberliegende Oberfläche des Isolationselements 8 des Heizelements zum Liegen kommen (entsprechend einem Formschluss). Die erhabenen Oberflächen der Noppen 24 dienen folglich als Abschlag bzw. Auflagefläche 25 für die Oberfläche des Isolationselements 8. Es ist möglich, dass im Fall von im Klebstoff vorhandenen sehr kleinen Partikeln oder Perlen (z.B. Keramik, etc. mit Durchmessern von z.B. 60 pm) diese im Endzustand der Verpressung zwischen der Auflagefläche der Abstandshalter und der ersten Seite (der Rückseite) des Isolationselements verbleiben (gewissermaßen „eingeklemmt“ werden) und nicht aus dem schmalen Spalt herausgetrieben werden. Die Klebstoffschichtdicke vergrößert sich dann entsprechend um einen geringen Wert. Insofern bestimmt die Noppenhöhe H das Maß für die Schichtdicke des Klebstoffs 10. Die Fig. 3 zeigt lediglich die Seite des Wärmeübertragungselements 6 das nicht gezeigte Isolationselement 8 wird in Fig. 3 von rechts angenähert und aufgepresst, wenn der Klebstoff 10 dazwischen appliziert ist.

Die Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht durch das Wärmeübertragungselement 6 einschließlich der durch dieses gebildeten Fluidkammer 32 mit dem darin strömenden Medium 18 bzw. Fluid (z.B. Wasser) und einem darin angeordneten Turbulator 26 zum Mischen des Mediums 18 und zum Verstärken der Wärmeübertragung.

Die Herstellung kann wie nachfolgend beschrieben erfolgen: beispielsweise kann es sich bei der zu fügenden Oberfläche des Wärmeübertragungselements 6 um ein tiefgezogenes plattenförmiges Blechbauteil handeln. In dieses Blechbauteil werden in einem Press- oder Stanzwerkzeug, welches den Noppen 24 entsprechende Ausprägungen aufweist, die Noppen 24 eingeprägt. Alternativ ist aber auch die Herstellung der Noppen 24 in einem Prozess mit Aluminium-Guss und CNC-Nachbearbeitung denkbar. Die Noppen können im Ausführungsbeispiel eine Bauhöhe H von 0,32 mm besitzen, der Durchmesser der Auflagefläche 25 kann 1 mm betragen, der Noppendurchmesser insgesamt (mit Flanken) 2,31 mm.

Zurückkehrend zu Fig. 2 ist es möglich, durch Festlegen insbesondere der Bauhöhe H der Noppen 24 die Neigung der zu fügenden Oberflächen zueinander einzustellen. Dies erlaubt die oben angesprochene lokale, veränderliche Einstellung der Schichtdicke, z.B. die erhöhte Dicke im Bereich nahe an den Kanten 30 des Isolationselements 8, um die Scherung bei thermischer Ausdehnung zwischen den gefügten Oberflächen auszugleichen. In den mittleren Bereichen wird die Dicke (durch die Bauhöhe H der Noppen) des Klebstoffs 10 niedriger ausgelegt, um die Wärmeleitung zu erhöhen. Die Bildung der Noppen 24 kann mit den beschriebenen Herstellungsverfahren zudem sehr präzise erfolgen, so dass die lokalen Dicken genau eingestellt werden können. Ferner kann die Herstellung sehr gut in den Fertigungsprozess des Wärmeübertragers 2 integriert werden, was Kosten und Aufwand spart.

In der Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht des Wärmeübertragers 2 ohne Heizelement bzw. des Wärmeübertragungselements 6 gezeigt, wobei die Blickrichtung auf die weitgehend ebene Trägerplatte 60 des Wärmeübertragungselements 6 gerichtet ist, welcher die Oberfläche zum Fügen mit dem Isolationselement 8 des Heizelements ausbildet. Insgesamt werden in diesem Ausführungsbeispiel 3 Heizelemente (d.h. 3 Isolationselemente 8) angefügt, sowie auch eine Leiterplatte, die ein Leistungsschaltbauteil für den Betrieb der Heizelemente bereitstellt (nicht gezeigt).

In der Trägerplatte 60 des Wärmeübertragungselements 6 ist wie beschrieben eine Anzahl von Noppen 24 als Abstandshalter 20 bzw. 22 über deren Oberfläche hinweg verteilt eingerichtet. Strichliniert ist auch die Position der ersten Seite 14 eines der drei Isolationselemente 8 eingezeichnet, wenn dieses an das Wärmeübertragungselement 6 gefügt ist. Es ist zu erkennen das erste Noppen 24 bzw. Abstandhalter 20 (hier zwei Stück je Heizelement) in Bezug auf die erste Seite 14 nahe deren Mitte positioniert sind, während zweite Noppen 24 bzw. Abstandhalter 22 (hier vier Stück je Heizelement) nahe deren Kanten 30 positioniert sind. Relevant sind hier die beiden Kanten 30 an den längsseitigen Enden der Isolationselemente, da sich die Scherung in der längeren Längsausdehnung stärker auswirkt als in der Querrichtung.

Neben der Fluidkammer 32 sind in Fig. 4 auch ein Stutzen 34 für den Fluidein- oder -auslass sowie mehrere Durchgangsöffnungen für eine Durchführung von elektrischen Leiterbahnen von eine Steuermodul (nicht gezeigt) zu dem Leistungsschaltbauteil (nicht gezeigt in der Trägerplatte 60 angedeutet.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 zeigt außerdem noch einen weiteren, unabhängigen Aspekt der vorliegenden Erfindung, der getrennt von dem Grundgedanken des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 ausgeführt sein kann. Betrachtet werden hierbei rein beispielhaft die Noppen 24 (25) in Fig. 4. Diese sind innerhalb eines Umrisses (strichliniert in Fig. 4 gezeichnet) auf dem Wärmeübertragungselement 6 angeordnet, welcher dem anzufügenden Leistungsschaltbauteil 45 entspricht, das als Leiterplattensubstrat 46 mit darauf angeordneten Leistungsschaltelementen 47 (nur schematisch gezeigt) zum Betreiben der Heizelemente 9 (siehe Fig. 5) ausgeführt ist. Das Leistungsschaltbauteil 45 umfasst z.B. ein FR4-Substrat o.ä. als Leiterplattensubstrat 46, das ähnlich wie die Heizelemente 9 mit der weitgehend ebenen Trägerplatte 60 des Wärmeübertragungselements 6 verklebt wird, und ebenso wie jene die von den Leistungsschaltelementen 47 im Betrieb erzeugte Wärme über den wärmeleitenden Klebstoff 10 und das Wärmeübertragungselement 6 an das die Fluidkammer 32 durchströmende Medium abführt.

Bei dem vorliegend betrachteten Aspekt liegt die Grundidee nun darin, die das Leiterplattensubstrat oder das Isolationselement direkt kontaktierenden Noppen 24 (25) unter solchen Bereichen zu platzieren, die einer größten Wärmefreisetzung der gefügten elektronischen Baugruppe (in den Ausführungsbeispielen das Heizelement 9 oder das Leistungsschaltbauteil 45) entsprechen. Diese Bereiche werden dadurch lokal thermisch besser angebunden bzw. entwärmt als ihre Umgebung. Im Fall des Leistungsschaltbauteils 45 entspricht ein solcher Bereich beispielsweise genau den Leistungsschaltelementen 47 (Leistungs-MOS- FETs oder IGBTs). Die Heizelemente sind allerdings mehr oder weniger vollflächig mit Heizleitern bedeckt, so dass hier weniger lokale Unterschiede in der Wärmefreisetzung bestehen, aber auch hier können je nach Aufbau Wärmespitzen zu verzeichnen sein, die mit einer geeigneten Platzierung der Noppen effizient verringert werden können.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 entsprechen die Positionen der Noppen 24 (25) denjenigen der Temperatursensoren 38 auf dem Leistungsschaltbauteil 45, wie im Vergleich mit der Fig. 5 zu erkennen ist. Die Fig. 5 zeigt die drei Heizelemente 9 sowie das Leistungsschaltbauteil 45 in dem auf der Trägerplatte 60 des Wärmeübertragers 2 angebrachten Zustand in Draufsicht. Die Heizelemente 9 sind im Ausführungsbeispiel als keramisches Substrat (als Trägerelement), beispielsweise aus AI ₂ O ₃ , 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 Heizleiter 4.

Das Leistungsschaltbauteil 45 weist das Leiterplattensubstrat 46 mit einer dem Wärmeübertragungselement 6 zugewandten ersten Seite 54 und einer gegenüberliegenden zweiten Seite sowie eine Anzahl von Leistungsschaltelementen 47 auf, die auf der zweiten Seite des Leiterplattensubstrats ausgebildet sind, beispielsweise IGBTs oder Leistungs-MOS- FETs, mit denen die Heizelemente 9 PWM-gesteuert betrieben werden können. Entsprechende Anschluss-Pads der Heizleiter 4 bzw. Anschlussstellen auf dem Heizleiter 4 sind zu diesem Zweck über Bondverbindungen 50 mit den Leistungsschaltelementen auf dem Leistungsschaltbauteil 45 verbunden.

Das Leistungsschaltbauteil 45 weist ferner die auf der zweiten Seite des Leiterplattensubstrats 46 angeordneten Temperatursensoren 38 auf, die zum Zweck einer Regelung des Heizbetriebs eine Temperatur erfassen können. Ihre Position auf dem Leistungsschaltbauteil 45 bzw. auf der zweiten Seite 55 des Leiterplattensubstrats 46 liegt im Ausführungsbeispiel jeweils entsprechend dem Fluideinlass und dem Fluidauslass (siehe den Stutzen 34 in Fig. 4) auf der Rückseite der Trägerplatte 25 vergleichsweise nahe, um Temperaturwerte erfassen zu können, die repräsentativ für die Fluidtemperaturen am Fluideinlass und am Fluidauslass sind, wodurch im Ergebnis eine aktuelle Erwärmung des Fluids bestimmbar ist.

Das Leistungsschaltbauteil 45 ist über weitere Bondverbindungen 51 mit jeweiligen Anschlüssen verbunden, die an drei Stanzgittern 48 eingerichtet sind, die den jeweiligen Heizelementen 9 zugeordnet sind. Die Bondverbindungen 51 beinhalten elektrische Leitungen für die Leistungsversorgung (im Hochvoltbereich, z.B. 60 V oder mehr, vorzugsweise 400 V oder mehr, weiter vorzugsweise 800 V oder mehr, z.B. 900 V oder 1 .000 V), für die Steuerung der Leistungsschaltelemente 47 sowie für die Kommunikation mit den Temperatursensoren. Die Stanzgitter 48 sind in Durchgangsöffnungen 36 der Trägerplatte 60 angeordnet.

Den Temperatursensoren 38 aus Fig. 5 sind hierbei die Noppen 24 (25) aus Fig. 4 auf der Rückseite des Leistungsschaltbauteils 45 zugeordnet, d.h. ihre entsprechenden Positionen an der ersten Seite 54 und auf der zweite Seite 55 stimmen überein. Hierbei geht es allerdings bei den Temperatursensoren 38 nicht um Wärmefreisetzung sondern im Gegenteil um eine effiziente Wärmezufuhr über die Noppen 24 (25), denn die Temperatursensoren 38 sollen möglichst präzise die Temperatur insbesondere am Fluidauslass erfassen.

Durch diesen Aspekt der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile: - es kann ein Klebstoff 10 mit vergleichsweise niedrigerer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, welches in einem Kostenvorteil je applizierter Klebstoffmenge resultiert; abseits der Noppen kann eine größere Schichtdicke bzw. Dicke des Fügespalts in Kauf genommen werden, welches in einer erhöhten Prozessfähigkeit bzw. einem größeren Toleranzfenster für die Schichtdicke resultiert; - die betroffenen elektronischen Bauteile können durch alternative Bauteile ersetzt werden, die z.B. niedrigere Kosten oder mehr Leistung mit sich bringen, welches wiederum durch eine höhere zulässige Verlustleistung ermöglicht ist; die Lebensdauer der thermisch beanspruchten elektronischen Bauteile kann gesteigert werden; - Temperatur-Sensoren können besser an die zu messende Stelle (z.B. Wärmeübertrager) angebunden werden, welches somit eine höhere Genauigkeit und Reaktionszeit der Messung gewährleistet.

Bezugszeichenliste

2 Wärmeübertrager

4 Heizleiter

6 Wärmeübertragungselement

8 Isolationselement

9 Heizelemente

10 wärmeleitender und elastischer Klebstoff

12 Fügespalt

14 erste Seite des Isolationselementes

16 zweite Seite des Isolationselementes

18 Medium

20 Abstandshalter (innen)

22 Abstandshalter (außen)

24 Noppen (als Abstandshalter)

25 Auflagefläche

26 Turbulator

30 Kanten des Isolationselements

32 Fluidkammer

34 Stutzen, Fluideinlass oder Fluidauslass

36 Durchgangsöffnung

38 Temperatursensor

45 Leistungsschaltbauteil

46 Leiterplattensubstrat

47 Leistungsschaltelement

48 Stanzgitter

50 Bondverbindungen

51 Bondverbindungen

54 erste Seite (Leiterplattensubstrat)

55 zweite Seite (Leiterplattensubstrat)

60 Trägerplatte des Wärmeübertragungselements