DE102011121451B4 - Heating device for a motor vehicle and a motor vehicle with such a heating device and a method for producing such a heating device - Google Patents
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Abstract
Heizvorrichtung (10), die zum elektrischen Anschließen an ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, mit- einem Trägerelement (12),- einem elektrothermischen Heizelement (14), das an dem Trägerelement (12) angeordnet ist, wobei das Heizelement (14) aus einer Beschichtung gebildet ist, die Kohlenstoffnanoröhren umfasst, wobei- zwischen dem Trägerelement (12) und dem Heizelement (14) ein thermisches Isolierungselement (16) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass- das thermische Isolierungselement (16) als Beschichtung auf das Trägerelement (12) aufgebracht ist und- zwischen dem Trägerelement (12) und dem thermischen Isolierungselement (16) ein Reflexionselement (18) angeordnet ist.Heating device (10) which is designed for electrical connection to an on-board network of a motor vehicle, with- a carrier element (12),- an electrothermal heating element (14) which is arranged on the carrier element (12), the heating element (14) being made of is formed from a coating which comprises carbon nanotubes, wherein- a thermal insulation element (16) is arranged between the carrier element (12) and the heating element (14), characterized in that- the thermal insulation element (16) is applied as a coating to the carrier element (12 ) is applied and- a reflection element (18) is arranged between the carrier element (12) and the thermal insulation element (16).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung, die zum elektrischen Anschließen an ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Über dies betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung, die zum elektrischen Anschließen an ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.The present invention relates to a heating device which is designed for electrical connection to an on-board network of a motor vehicle. About this, the present invention relates to a motor vehicle. Finally, the present invention relates to a method for producing a heating device which is designed for electrical connection to an on-board network of a motor vehicle.
In Kraftfahrzeugen wird eine Vielzahl von elektrischen Heizvorrichtungen verwendet, die mit elektrischer Energie aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs versorgt werden. Solche Heizvorrichtungen können beispielsweise im Innenraum des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Darüber hinaus werden entsprechende Heizvorrichtungen im Motorraum des Kraftfahrzeugs verwendet, um beispielsweise die Betriebsflüssigkeiten zu erwärmen. Diese Heizvorrichtungen umfassen üblicherweise ein elektrothermisches Heizelement bzw. ein Widerstandsheizelement. Diese Heizelemente bestehen aus einem leitfähigen Material mit einem hohen elektrischen Widerstand, das von einem elektrischen Strom durchflossen wird und sich dadurch erwärmt. Nachteilig an diesen Heizelementen ist allerdings, das diese einen hohen Energieverbrauch und üblicherweise eine ungleichmäßige Wärmeverteilung aufweisen.A large number of electrical heating devices are used in motor vehicles, which are supplied with electrical energy from the on-board network of the motor vehicle. Such heating devices can be arranged, for example, in the interior of the motor vehicle. In addition, appropriate heating devices are used in the engine compartment of the motor vehicle, for example to heat the operating fluids. These heaters typically include an electrothermal or resistance heating element. These heating elements consist of a conductive material with a high electrical resistance, through which an electric current flows and which heats up as a result. A disadvantage of these heating elements, however, is that they consume a lot of energy and usually have an uneven distribution of heat.
Um einen geringeren Energieverbrauch und eine gleichmäßigere Wärmeverteilung zu gewährleisten, sind elektrische Heizbeschichtungen bekannt. Beispielsweise bietet die Firma FutureCarbon unter dem Produktnamen „Carbo e-Therm“ eine entsprechende Heizbeschichtung auf Basis von Kohlenstoff-Nanomaterialien an, die einfach auf unterschiedliche Oberflächen angebracht werden kann.Electrically heated coatings are known to ensure lower energy consumption and more even heat distribution. For example, the company FutureCarbon offers a corresponding heating coating based on carbon nanomaterials under the product name "Carbo e-Therm", which can be easily applied to different surfaces.
Die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Heizvorrichtung, die mit elektrischer Energie aus einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs versorgt wird, bereitzustellen, die energieeffizient betreiben werden kann.The object of the present invention is to provide an electrical heating device which is supplied with electrical energy from an on-board network of a motor vehicle and which can be operated in an energy-efficient manner.
Diese Aufgabe wird durch eine Heizvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 4 gelöst. In gleicher Weise wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a heating device according to claim 1 and by a motor vehicle according to claim 4. This object is solved by a method according to claim 6 in the same way. Advantageous developments of the present invention are specified in the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung, die zum elektrischen Anschließen an ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, umfasst ein Trägerelement und ein elektrothermisches Heizelement, das an dem Trägerelement angeordnet ist, wobei das Heizelement aus einer Beschichtung gebildet ist, die Kohlenstoffnanoröhren umfasst und wobei zwischen dem Trägerelement und dem Heizelement ein thermisches Isolierungselement angeordnet ist.The heating device according to the invention, which is designed for electrical connection to an on-board network of a motor vehicle, comprises a carrier element and an electrothermal heating element which is arranged on the carrier element, the heating element being formed from a coating which comprises carbon nanotubes and between the carrier element and the Heating element, a thermal insulation element is arranged.
Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung, die entsprechende elektrische Kontaktelemente bzw. Anschlusselemente aufweist, so dass sie mit einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs verbunden werden kann, umfasst ein Trägerelement. Dieses Trägerelement ist bevorzugt aus einem elektrisch nicht leitenden Material, wie z. B. einem Kunststoff, einer Keramik oder einem Zellstoff gefertigt. Ebenso kann das Trägerelement aus einem Verbundwerkstoff gebildet sein. Des Weiteren umfasst die Heizvorrichtung ein Heizelement, das in Form einer Beschichtung aufgebracht ist. Diese Beschichtung beinhaltet Nanopartikel aus Kohlenstoff bzw. aus Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes). Diese Beschichtung kann beispielsweise durch Streichen, Sprühen oder Drucken einfach auf verschiedenen Oberflächen und unterschiedliche Geometrien aufgebracht werden.The heating device according to the invention, which has corresponding electrical contact elements or connection elements so that it can be connected to an on-board network of a motor vehicle, comprises a carrier element. This support element is preferably made of an electrically non-conductive material, such as. B. made of a plastic, a ceramic or a pulp. Likewise, the carrier element can be formed from a composite material. Furthermore, the heating device includes a heating element that is applied in the form of a coating. This coating contains nanoparticles made of carbon or carbon nanotubes (carbon nanotubes). This coating can be easily applied to different surfaces and different geometries, for example by brushing, spraying or printing.
Die Heizvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Trägerelement und dem Heizelement ein thermisches Isolierungselement vorgesehen ist. Dieses thermische Isolierungselement reduziert den Wärmefluss von dem Heizelement in Richtung zu dem Trägerelement. Somit kann erreicht werden, dass die Wärmestrahlung des Heizelements vorgegeben wird. Folglich weist die Heizvorrichtung eine Vorzugsrichtung auf, in die die Wärmeenergie abgegeben wird. Dies hat zur Folge, dass die Heizvorrichtung mit einer geringeren elektrischen Energie betrieben werden kann und damit Energie eingespart werden kann.The heating device is characterized in that a thermal insulation element is provided between the carrier element and the heating element. This thermal insulation element reduces the flow of heat from the heating element towards the support element. It can thus be achieved that the thermal radiation of the heating element is predetermined. Consequently, the heating device has a preferred direction in which the thermal energy is emitted. The consequence of this is that the heating device can be operated with less electrical energy and energy can therefore be saved.
Das thermische Isolierungselement ist als Beschichtung auf das Trägerelement aufgebracht. Ebenso wie das Heizelement kann das thermische Isolierungselement als entsprechende Beschichtung ausgebildet sein. Somit kann das thermische Isolierungselement bzw. die thermische Dämmschicht besonders einfach auf unterschiedliche Materialien und Oberflächen aufgebracht werden. Somit kann auf einfache Weise eine energieeffiziente Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt werden.The thermal insulation element is applied to the carrier element as a coating. Like the heating element, the thermal insulation element can be designed as a corresponding coating. The thermal insulation element or the thermal insulation layer can thus be applied to different materials and surfaces in a particularly simple manner. An energy-efficient heating device for a motor vehicle can thus be provided in a simple manner.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das thermische Isolierungselement aus einem Aerogel gebildet. Insbesondere ist das thermische Isolierungselement aus einem Aerogel auf Silica-Basis gebildet. Solche Aerogele können im flüssigen Zustand aufgebracht werden. Nach dem Aushärten bildet sich ein Festkörper aus, der üblicherweise Poren im Größenbereich von einigen Nanometern aufweist. Aufgrund der Porosität des Aerogels eignet sich dieses besonders als thermisches Isolierungselement. Solche Aerogele sind beispielsweise aus der
Gemäß der Erfindung ist zwischen dem Trägerelement und dem thermischen Isolierungselement ein Reflektionselement angeordnet. Dieses Reflektionselement dient der Reflektion der Wärmestrahlung, die von dem Heizelement erzeugt wird. Durch dieses Reflektionselement kann die Ausbreitung der durch das Heizelement erzeugten thermischen Energie in Richtung des Trägerelements zusätzlich reduziert werden. Ein solches Reflektionselement kann beispielsweise aus einem entsprechenden Metall gebildet sein. Dieses Metall kann als Beschichtung und als separates Element auf dem Trägerelement aufgebracht sein. Das Reflektionselement sollte die thermische Strahlung, die von dem Heizelement erzeugte, möglichst vollständig reflektieren. Somit kann auf einfache Weise die Energieeffizienz der Heizvorrichtung gesteigert werden.According to the invention, a reflection element is arranged between the carrier element and the thermal insulation element. This reflection element is used to reflect the thermal radiation generated by the heating element. This reflection element can additionally reduce the propagation of the thermal energy generated by the heating element in the direction of the carrier element. Such a reflection element can be formed from a corresponding metal, for example. This metal can be applied as a coating and as a separate element on the carrier element. The reflection element should reflect the thermal radiation generated by the heating element as completely as possible. The energy efficiency of the heating device can thus be increased in a simple manner.
In einer Ausführungsform sind das Trägerelement und das thermische Isolierungselement einteilig und aus dem gleichen Material ausgebildet. Bei der Verwendung eines entsprechenden Materials kann dieses gleichzeitig als Trägerelement und thermisches Isolierungselement dienen. Bevorzugt wird hierbei ein elektrisch nicht leitfähiges Material verwendet. Hierbei kann bevorzugt ein Kunststoff, insbesondere Styropor, verwendet werden. Alternativ dazu können Aerogele oder entsprechende Keramiken eingesetzt werden. Ebenso denkbar ist die Verwendung von Zellstoffen oder Verbundwerkstoffen. Somit kann mit einem einfachen Aufbau einer energieeffizienten Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt werden.In one embodiment, the carrier element and the thermal insulation element are made in one piece and are made of the same material. If a corresponding material is used, it can simultaneously serve as a carrier element and thermal insulation element. An electrically non-conductive material is preferably used here. A plastic, in particular polystyrene, can preferably be used here. Alternatively, aerogels or corresponding ceramics can be used. The use of cellulose or composite materials is also conceivable. An energy-efficient heating device for a motor vehicle can thus be provided with a simple structure.
In einer weiteren Ausführungsform ist durch das Trägerelement ein Innenverkleidungselement des Kraftfahrzeugs gebildet oder das Trägerelement ist an einem Innenverkleidungselement des Kraftfahrzeugs angeordnet. Die Heizvorrichtung kann in Innenraum des Kraftfahrzeugs verwendet werden um entsprechende Bereiche des Innenraums zu heizen bzw. zu erwärmen. Beispielsweise kann eine entsprechende Heizvorrichtung an die Innenverkleidungen der Fahrzeugtüren angebracht werden. Hierbei ist es denkbar, dass die Türinnenverkleidung das Trägerelement für die Heizvorrichtung bildet. Auf dieses Trägerelement kann direkt das thermische Isolierungselement in Form einer Beschichtung aufgebracht werden. Anschließend kann auf das thermische Isolierungselement das Heizelement - ebenfalls in Form einer Beschichtung - aufgebracht werden. Somit kann auf einfache Weise eine Heizvorrichtung für einen Innenraum des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.In a further embodiment, an interior paneling element of the motor vehicle is formed by the carrier element or the carrier element is arranged on an interior paneling element of the motor vehicle. The heating device can be used in the interior of the motor vehicle in order to heat or warm up corresponding areas of the interior. For example, a corresponding heating device can be attached to the interior paneling of the vehicle doors. It is conceivable that the inner door paneling forms the carrier element for the heating device. The thermal insulation element can be applied directly to this carrier element in the form of a coating. The heating element can then be applied to the thermal insulation element, likewise in the form of a coating. A heating device for an interior of the motor vehicle can thus be provided in a simple manner.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst die zuvor beschriebene Heizvorrichtung. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Heizvorrichtung in einem Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Die Heizvorrichtung kann beispielsweise verwendet werden, um die Betriebsflüssigkeiten des Kraftfahrzeugs, wie das Motor- oder das Getriebeöl, zu erwärmen bzw. vorzuwärmen. Ebenso kann die Heizvorrichtung zum Erwärmen der Kühlflüssigkeiten genutzt werden. Hierbei kann es ebenso vorgesehen sein, das die Heizvorrichtung direkt mit dem Element in Kontakt steht, welches durch die Heizvorrichtung erwärmt werden soll. So kann das Heizelement der Heizvorrichtung beispielsweise direkt an einer Ölwanne angeordnet sein, um das darin befindliche Öl zu erwärmen. Durch die Verwendung der Heizvorrichtung mit dem thermischen Isolierungselement kann verhindert werden, dass zu große Mengen an thermischer Energie an die Umgebung abgegeben werden.The motor vehicle according to the invention includes the heating device described above. It is advantageous here if the heating device is arranged in an engine compartment of the motor vehicle. The heating device can be used, for example, to heat or preheat the operating fluids of the motor vehicle, such as engine oil or transmission oil. The heating device can also be used to heat the cooling liquids. It can also be provided here that the heating device is in direct contact with the element that is to be heated by the heating device. For example, the heating element of the heating device can be arranged directly on an oil pan in order to heat the oil located therein. Using the heating device with the thermal insulation element can prevent excessive amounts of thermal energy from being released into the environment.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung, die zum elektrischen Anschließen an ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, umfasst das Bereitstellen eines Trägerelements, das Aufbringen eines thermischen Isolierungselements auf das Trägerelement, das Aufbringen eines elektrothermischen Heizelements, das aus einer Beschichtung gebildet ist, die Kohlenstoffnanoröhren umfasst, auf das thermische Isolierungselement und das Bereitstellen zumindest eines elektrischen Kontaktelements, das mit dem Heizelement elektrisch gekoppelt ist, zum Beaufschlagen des Heizelements mit elektrischer Energie. Dabei wird das thermische Isolierungselement als Beschichtung auf das Trägerelement aufgebracht und zwischen dem Trägerelement und dem thermischen Isolierungselement wird ein Reflexionselement angeordnet.The method according to the invention for producing a heating device, which is designed for electrical connection to an on-board network of a motor vehicle, comprises the provision of a carrier element, the application of a thermal insulation element to the carrier element, the application of an electrothermal heating element, which is formed from a coating, the carbon nanotubes comprises, on the thermal insulation element and the provision of at least one electrical contact element, which is electrically coupled to the heating element, for applying electrical energy to the heating element. In this case, the thermal insulation element is applied as a coating to the carrier element and a reflection element is arranged between the carrier element and the thermal insulation element.
Bevorzugt wird das Heizelement mittels eines Beschichtungsverfahrens aufgebracht. Als Beschichtungsverfahren kann beispielsweise ein Sprühverfahren, ein Streichverfahren, ein Druckverfahren oder dergleichen verwendet werden. Somit kann auf besonders einfache Weise eine elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt werden.The heating element is preferably applied by means of a coating process. As the coating method, for example, a spraying method, a brushing method, a printing method, or the like can be used. Therewith an electric heating device for a motor vehicle can be provided in a particularly simple manner.
Wie zuvor im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Heizvorrichtungen genannten Vorteile und Weiterbildungen können in gleicher Weise auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden.The advantages and developments mentioned above in connection with the heating devices according to the invention can be transferred in the same way to the motor vehicle according to the invention and the method according to the invention.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Figur zeigt dabei eine schematische Darstellung der Heizvorrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht.The present invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. The figure shows a schematic representation of the heating device in a sectional side view.
Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.The exemplary embodiment described in more detail below represents a preferred embodiment of the present invention.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Heizvorrichtung 10 in einer geschnittenen Seitenansicht. Diese Heizvorrichtung 10 ist zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug ausgebildet. Dazu wird die Heizvorrichtung 10 mit elektrischer Energie aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs versorgt. Zu diesem Zweck weist die Heizvorrichtung 10 entsprechende elektrische Anschlüsse auf. Beispielsweise kann die Heizvorrichtung 10 im Innenraum des Kraftfahrzeugs verwendet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Heizvorrichtung 10 im Motorraum des Kraftfahrzeugs zu verwenden.The figure shows a schematic representation of a
Die Heizvorrichtung 10 umfasst ein Trägerelement 12. Das Trägerelement 12 ist bevorzugt aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere einem Kunststoff, gefertigt. Ebenso kann das Trägerelement 12 aus einer Keramik oder aus einem Zellstoff gefertigt sein. Zudem ist es denkbar, dass das Trägerelement 12 aus einem Verbundmaterial, beispielsweise einem Glasfaserverstärkten Kunststoff oder einem Kohlefaserverstärkten Kunststoff gefertigt ist. Dieses Trägerelement 12 kann auch durch das Innenverkleidungsteil oder ein sonstiges Bauelement eines Kraftfahrzeuges gebildet sein.The
Des Weiteren umfasst die Heizvorrichtung 10 ein Heizelement 14. Dieses Heizelement 14 ist in Form einer Beschichtung ausgebildet. Diese Beschichtung umfasst Kohlenstoff-Nanopartikel bzw. Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes). Diese Kohlenstoffnanoröhren sind elektrisch leitfähig und erwärmen sich, wenn sie von elektrischem Strom durchflossen werden. Die Beschichtung, durch die das Heizelement 14 gebildet ist, wird bevorzugt im flüssigen Zustand aufgetragen und entsprechend ausgehärtet. Somit können verschiedene Materialien und Oberflächen sowie unterschiedliche Geometrien beschichtet werden. Somit kann auf einfache Weise ein entsprechendes Heizelement 14 bereitgestellt werden.Furthermore, the
Zudem umfasst die Heizvorrichtung 10 ein thermisches Isolierungselement 16. Dieses thermische Isolierungselement 16 ist zwischen dem Heizelement 14 und dem Trägerelement 12 angeordnet. Das thermische Isolierungselement 16 ist aus einem Material gebildet, das eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist. Bevorzugt ist das thermische Isolierungselement 16 aus einem sogenannten Aerogel, insbesondere einen Aerogel auf Silica-Basis, gebildet. Solche Aerogele sind beispielsweise auch als Nanogele bekannt. Diese Aerogele werden ebenso flüssig, beispielsweise mit einem entsprechenden Sol-Gel-Verfahren, aufgebracht. Schließlich bildet sich nach der Synthese ein hochporöser Festkörper aus, der aufgrund der hohen Anzahl an Poren einen guten thermischen Isolator bildet.In addition, the
Schließlich umfasst die Heizvorrichtung 10 ein Reflektionselement 18. Dieses Reflektionselement 18 kann beispielsweise aus einem entsprechenden Metall gebildet sein. Das Reflektionselement 18 ist zwischen dem Trägerelement 12 und dem thermischen Isolierungselement 16 angeordnet. Das Reflektionselement 18 kann direkt auf das Trägerelement 12, beispielsweise mit einem entsprechenden Aufdampfverfahren oder dergleichen, auf das Trägerelement 12 aufgebracht sein. Ebenso kann das Reflektionselement 18 als separates Element auf das Trägerelement 12 aufgebracht sein. Durch das Reflektionselement 18 wird zusätzlich verhindert, das die von dem Heizelement 14 erzeugte Wärmeenergie in Richtung des Trägerelements 12 fließt.Finally, the
Alternativ zu der oben beschriebenen Verwendung im Kraftfahrzeug kann die Heizvorrichtung 10 in den unterschiedlichsten Bereichen verwendet werden. Beispiel hierfür sind Rohrleitungssysteme, Erdölpipelines oder Lüftungsanalgen.As an alternative to the use described above in the motor vehicle, the
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