Die Erfindung betrifft einen Öl-Wasser-Wärmetauscher nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Öl-Wasser-Wärmetauschers nach Anspruch 11.

Beispielsweise EP 2 466 241 A1 und WO 02/04879 A1 beschreiben einen Öl-Wasser-Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit mehreren aufeinandergestapelten und miteinander verlöteten Wannenelementen. Derartige Öl-Wasser-Wärmetauscher werden üblicherweise in den Kühlkreislauf von Verbrennungsmotoren integriert und können beispielsweise zum Kühlen des Motoröls verwendet werden.

Ein weiterer Öl-Wasser-Wärmetauscher ist in US 2015/0176913 A1 gezeigt.

In einer besonderen Ausführungsform wird dort ein elektrischer Heizer in einem Innenraum des Wärmetauschers vorgeschlagen, um eines der miteinander wechselwirkenden Fluide des Wärmetauschers zu erwärmen.

Grundsätzlich wird es bei den bekannten Öl-Wasser-Wärmetauschern als nachteilig empfunden, dass bei diesen entweder gar nicht oder nur vergleichsweise aufwändig und ineffektiv (insbesondere langsam) ein Vorheizen erfolgen kann. Insbesondere wird die Reduktion von Schadstoffen, die entstehen, wenn das Motoröl nicht auf Betriebstemperatur ist, als verbesserungswürdig angesehen.

Weiterhin sei hinsichtlich des Standes der Technik grundsätzlich auf WO 2013/186106 A1 und WO 2013/030048 A1 verwiesen. Dort werden Heizungen beschrieben, die eine elektrische Heizschicht aufweisen, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung (bzw. dem Fließen eines Stroms) erwärmt.

WO 02/04879 betrifft zudem einen Plattenwärmetauscher mit einem Stapel von Plattenelementen. Jedes Plattenelement ist dabei doppelwandig ausgebildet und umfasst zwei wärmeübertragende Platten, die nahe beieinander liegen, aber dennoch einen Raum zwischen ihren einander zugewandten Oberflächen abgrenzen und es ermöglichen, dass ein Wärmeaustauschfluid, das durch ein Loch in der einen Wärmeübertragungsplatte austritt, zwischen den Wärmeübertragungsplatten zu dem Randteil der Plattenelemente geleitet wird. In dem Zwischenraum ist in mindestens einem der erwähnten Plattenelemente ein Schichtelement, das eine elektrische Widerstandsschicht aufweist, die eine elektrische Beheizung des Schichtelements ermöglicht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das Öl eines Öl-Wasser-Wärmetauschers auf einfache und zuverlässige Art und Weise zu erwärmen, so dass die Entstehung von Schadstoffen reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Insbesondere wird die Aufgabe durch einen Öl-Wasser-Wärmetauscher, insbesondere zum Anschließen an einen Verbrennungsmotor gelöst, umfassend mindestens eine elektrische Heizbeschichtung, die an einer Außenseite und/oder im Inneren des Wärmetauschers aufgebracht ist, wobei die Heizbeschichtung auf einem Wärmetauscherdeckel des Öl-Wasser-Wärmetauschers angeordnet ist.

Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, die an sich beispielsweise aus WO 2013/186106 A1 oder WO 2013/030048 A1 bekannten elektrischen Heizbeschichtungen (im Folgenden wird eine elektrische Heizbeschichtung kurz als "Heizbeschichtung" bezeichnet werden) in bzw. an einem Öl-Wasser-Wärmetauscher einzusetzen. Dabei hat es sich auf überraschende Weise gezeigt, dass (selbst bei Niedervolt-Anwendungen - insbesondere unter 100 V - von beispielsweise 12 oder 24 oder 28 Volt) eine zufriedenstellende und insbesondere schnelle Erwärmung des Öls erfolgen kann. Die Notwendigkeit eines separaten Heizers (wie beispielsweise in US 2015/0176913 A1 vorgeschlagen) entfällt damit. Dies reduziert Herstellungskosten und den Bauraum des Öl-Wasser-Wärmetauschers. Insbesondere in der Niedervolt-Anwendung (insbesondere unter 100 V) kann auch dadurch eine vergleichsweise kostengünstige Herstellung gewährleistet werden, dass nicht so "exakt" gearbeitet werden muss, wie in Hochvolt-Anwendungen (wie beispielsweise in WO 2013/186106 A1 beschrieben).

Weiterhin kann auf eine Abschirmung (Isolierung nach außen) der elektrischen Heizbeschichtung im vorliegenden Anwendungsfall ggf. vollständig verzichtet werden.

In einer ersten Ausführungsform ist die Heizbeschichtung mittelbar, insbesondere über eine Isolationsschicht vermittelt, auf dem Öl-Wasser-Wärmetauscher aufgebracht. Eine derartige Isolationsschicht kann beispielsweise durch eine Haftvermittlerschicht gebildet werden oder über eine solche auf dem Öl-Wasser-Wärmetauscher angebracht sein. Bevorzugt kann für die Isolationsschicht ein Polymermaterial oder ein keramisches Material (z.B. Al₂O₃) verwendet werden. Vorzugsweise wird die Isolierschicht jedoch durch eine Passivierung, insbesondere ein Oxidieren, insbesondere Eloxieren (von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung) bereitgestellt. Bei dem Untergrund kann es sich ggf. um das Gehäuse des Öl-Wasser-Wärmetauschers, insbesondere einen Deckel, handeln. Insgesamt wird (gerade in Niedervolt-Anwendungen) eine einfache und dennoch ausreichende elektrische Isolierung bereitgestellt. Alternativ kann die Heizbeschichtung sogar unmittelbar auf dem Öl-Wasser-Wärmetauscher, insbesondere einem Gehäuse des Öl-Wasser-Wärmetauschers, aufgebracht sein (beispielsweise in Niedervolt-Anwendungen und/oder wenn der Untergrund nicht oder nur schlecht elektrisch leitend ist). Die Heizbeschichtung und/oder Isolationsschicht ist vorzugsweise (voll-)flächig auf dem Öl-Wasser-Wärmetauscher aufgebracht. Weiterhin kann die Heizbeschichtung und/oder die Isolationsschicht eine (zumindest im Wesentlichen) konstante Schichtdicke aufweisen. Die Heizbeschichtung oder die Isolationsschicht kann unmittelbar auf dem Öl-Wasser-Wärmetauscher aufgebracht sein. Die Heizbeschichtung und/oder die Isolationsschicht kann/können per se forminstabil (bzw. nicht-selbsttragend) ausgebildet sein. Auf ein Substrat kann verzichtet werden, so dass die Heizbeschichtung (und eine optionale Isolationsschicht) ggf. frei von einem Substrat ausgebildet ist. Ein ggf. notwendige Trage- und/oder Stützstruktur kann durch den Öl-Wasser-Wärmetauscher bereitgestellt werden. Insgesamt kann ein komplizierterer Aufbau, umfassend eine Heizschicht, eine aufwändige Isolierschicht sowie eine zusätzliche Haftvermittlerschicht vermieden werden. Grundsätzlich kann die Heizbeschichtung stoffschlüssig mit einer Oberfläche oder einer Innenfläche des Öl-Wasser-Wärmetauschers verbunden sein.

Besonders bevorzugt ist die Heizbeschichtung zum Betrieb im Niedervoltbereich, vorzugsweise für 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt ausgelegt. Entsprechende elektrische und/oder elektronische Komponenten des Öl-Wasser-Wärmetauschers sind dann vorzugsweise ebenfalls für einen solchen Niedervoltbereich (12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt) ausgelegt. Insbesondere bei einer Anwendung im Niedervoltbereich kann auf synergistische Art und Weise eine effektive Vorheizung mit einfachen Mitteln realisiert werden. Unter "Niedervoltbereich" soll vorzugsweise eine Betriebsspannung von unter 100 V, insbesondere unter 60 V (Gleichstrom) verstanden werden.

In einer konkreten Ausführungsform ist die Heizbeschichtung auf einem Wärmetauscherdeckel des Öl-Wasser-Wärmetauschers angeordnet.

Gegebenenfalls kann die Heizbeschichtung auf einer Außenseite des Wärmetauscherdeckels (alternativ auf einer Innenseite) angeordnet (aufgebracht) sein. Gerade bei einer Niedervoltanwendung ist auch bei einer Anordnung auf der Außenseite des Deckels (die beispielsweise im Hinblick auf die Kontaktierung vorteilhaft sein kann) ein ausreichend sicherer Gebrauch des Öl-Wasser-Wärmetauschers (selbst ohne weiteres Schutzelement) möglich. Insgesamt wird dadurch eine einfache und dennoch zuverlässig funktionierende Struktur vorgeschlagen.

In einer alternativen Ausführungsform ist die Heizbeschichtung als durchgehende (insbesondere unstrukturierte und/oder ununterbrochene) Schicht ausgebildet. Die Heizbeschichtung kann im Allgemeinen mindestens einen Abschnitt aufweisen, innerhalb dessen in zwei aufeinander senkrechten Richtungen über einen Weg von mindestens 1 cm, vorzugsweise mindesten 2 cm, noch weiter vorzugsweise mindestens 4 cm keine Unterbrechungen in der Heizbeschichtung vorliegen. Beispielsweise kann die Heizbeschichtung mindestens einen rechteckförmigen Abschnitt mit einer Länge und einer Breite von je mindestens 1 cm, vorzugsweise mindesten 2 cm, noch weiter vorzugsweise mindestens 4 cm umfassen, innerhalb dessen keine Unterbrechungen oder ggf. sonstigen Strukturen in der Heizbeschichtung vorliegen. Unter einer "Unterbrechung" innerhalb der Heizbeschichtung ist ein Abschnitt zu verstehen, durch den kein Strom fließen kann, beispielsweise da dieser Abschnitt (gänzlich) frei von Material bleibt und/oder (zumindest teilweise) durch einen Isolator ausgefüllt ist. Die Heizbeschichtung kann (thermisch) aufgespritzt werden (unabhängig davon, ob sie unstrukturiert oder strukturiert ist, im Endzustand). In diesem Zusammenhang hat es sich überraschend gezeigt, dass selbst eine derartig einfach ausgebildete Heizbeschichtung eine ausreichende Erwärmung des Öls bewirken kann.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Heizbeschichtung als strukturierte Schicht ausgebildet. Die Heizbeschichtung wird dabei vorzugsweise durch ein Maskierverfahren (vorzugsweise unter Verwendung von Silikon, das geprägt werden kann) strukturiert. Derartige bekannte Maskierverfahren, erlauben eine zufriedenstellende Strukturierung und sind weniger aufwändig als beispielsweise Laserverfahren zur Strukturierung, die gerade im Hochvoltbereich eingesetzt werden. Insgesamt werden daher auf synergistische Art und Weise die Vorteile eines Maskierverfahrens im Hinblick auf die vorliegende Heizbeschichtung ausgenutzt.

Die oben beschriebene Isolierschicht kann eine Dicke von mindestens 50 µm, vorzugsweise mindestens 200 µm und/oder höchstens 1000 µm, vorzugsweise höchstens 500 µm betragen.

Die Heizbeschichtung hat vorzugsweise eine Höhe (Dicke) von mindestens 5 µm, vorzugsweise mindestens 10 µm und/oder höchstens einem 1 mm, vorzugsweise höchstens 500 µm, noch weiter vorzugsweise höchstens 30 µm, noch weiter vorzugsweise höchstens 20 µm. Eine durch die Heizbeschichtung definierte Leiterbahn kann mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 3 mm, noch weiter vorzugsweise mindestens 5 mm, noch weiter vorzugsweise mindestens 10 mm, noch weiter vorzugsweise mindestens 30 mm breit sein. Unter "Breite" soll die Ausdehnung der Leiterbahn senkrecht zu ihrer Längserstreckung (die üblicherweise auch die Richtung des Stromflusses definiert) verstanden werden.

In einer alternativen Ausführungsform ist über der Heizbeschichtung eine Schutzabdeckung, beispielsweise eine Silikon-Schutzschicht, angebracht. Alternativ kann jedoch auch (in einer besonders einfach herstellbaren Ausführungsform) die Heizbeschichtung eine Außenseite des Öl-Wasser-Wärmetauschers definieren.

In einer konkreten Ausführungsform weist der Öl-Wasser-Wärmetauscher mehrere Module, insbesondere Wannenelemente auf, die weiter vorzugsweise, wie in EP 2 466 241 A1 beschrieben, ausgebildet sein können. Grundsätzlich kann der Öl-Wasser-Wärmetauscher (abgesehen von der erfindungsgemäßen Heizbeschichtung) wie in EP 2 466 241 A1 oder US 2015/0176913 A1 beschrieben, ausgebildet sein. Die Offenbarung dieser Druckschriften wird hiermit durch Bezugnahme explizit aufgenommen. Wenn mehrere Module vorgesehen sind, kann mindestens eine Heizbeschichtung zwischen zwei Modulen angeordnet sein. Wenn der Öl-Wasser-Wärmetauscher mehrere Wannenelemente umfasst, kann ggf. mindestens eine Heizbeschichtung zwischen zwei dieser Wannenelemente (auf einem der Wannenelemente) angeordnet (aufgebracht) sein. Dadurch kann mit einfachen Mitteln die Vorheizung (Zuheizung) weiter verbessert werden.

Der Öl-Wasser-Wärmetauscher kann einen Turbulator aufweisen. In einem solchen Fall kann der Turbulator nahe, z. B. nicht weiter als 5 cm, insbesondere 2 cm, zu einer Heizbeschichtung ausgebildet sein und/oder mit einer Heizbeschichtung ausgestattet sein. Auch dies ist eine weitere Möglichkeit, auf einfache Art und Weise (nämlich ohne das Vorsehen weiterer Komponenten) die Erwärmung des Fluids zu verbessern. Dabei wird auf synergistische Art und Weise ausgenutzt, dass im Bereich eines Turbulators eine erhöhte Wärmeübertragung, aufgrund der erzeugten Turbulenzen, erfolgen kann.

Die obige Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Öl-Wasser-Wärmetauschers, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Öl-Wasser-Wärmetauschers, insbesondere der vorbeschriebenen Art (zunächst ohne die Merkmale betreffend die Heizbeschichtung) und Aufbringen einer elektrischen Heizbeschichtung auf den Öl-Wasser-Wärmetauscher (bzw. unmittelbares oder mittelbares Beschichten des Öl-Wasser-Wärmetauschers mit der elektrischen Heizbeschichtung). Zwischen den beiden genannten Schritten kann das Aufbringen einer Isolierschicht auf den Öl-Wasser-Wärmetauscher durchgeführt werden (bzw. ein unmittelbares oder mittelbares Beschichten des Öl-Wasser-Wärmetauschers mit der Isolierschicht), beispielsweise durch eine Passivierung (Oxidierung, insbesondere Eloxierung) eines Untergrundes, beispielsweise eines Wärmetauschergehäuses. Die elektrische Heizbeschichtung kann ggf. (thermisch) aufgespritzt werden. Insofern weiter oben (im Zusammenhang mit dem Öl-Wasser-Wärmetauscher) Merkmale beschrieben sind, die zumindest auch mit der Herstellung des Öl-Wasser-Wärmetauschers in Zusammenhang stehen, werden diese Verfahrensmerkmale auch als bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens vorgeschlagen.

Weiterhin wird die obengenannte Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Öl-Wasser-Wärmetauschers der oben beschriebenen Art oder hergestellt nach dem oben beschriebenen Verfahren als Öl-Wasser-Wärmetauscher, insbesondere für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor. Konkret kann der Öl-Wasser-Wärmetauscher für die Erwärmung (Vorerwärmung oder Zuerwärmung) des Öls, beispielsweise Motoröls, verwendet werden.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im Allgemeinen kann die Isolierschicht ein Keramikmaterial oder ein Polymermaterial sein oder aus einem solchen Material bestehen, wobei als Keramikmaterial beispielsweise Al₂O₃ in Frage kommt.

Die Heizschicht kann beispielsweise in einem Plasmabeschichtungsverfahren, insbesondere Plasmaspritzen, oder in einem Siebdruckverfahren oder als Widerstandspaste, insbesondere auf die Isolierschicht, aufgetragen werden. In dem Plasmabeschichtungsverfahren kann beispielsweise zunächst eine elektrisch leitende Schicht, insbesondere auf die Isolierschicht, aufgetragen werden. Aus der elektrisch leitfähigen Schicht können anschließend Bereiche ausgeschnitten werden, so dass eine Leiterbahn oder mehrere Leiterbahnen übrigbleiben. Bevorzugt kommt jedoch eine Maskiertechnik zum Einsatz. Die Leiterbahnen können dann den Heizwiderstand oder mehrere Heizwiderstände bilden. Die genannten Bereiche können alternativ zu einer Maskiertechnik, beispielsweise mittels eines Lasers aus der leitfähigen Schicht herausgeschnitten werden. Die Heizbeschichtung kann beispielsweise eine Metallschicht sein und ggf. Nickel und/oder Chrom enthalten oder aus diesen Materialien bestehen. Beispielsweise können 70-90% Nickel und 10-30% Chrom verwendet werden, wobei ein Verhältnis von 80% Nickel und 20% Chrom als gut geeignet betrachtet wird.

Die Heizbeschichtung kann beispielsweise eine Fläche von mindestens 5 cm², vorzugsweise mindestens 10 cm² und/oder höchstens 200 cm², vorzugsweise höchstens 100 cm², einnehmen. Der Öl-Wasser-Wärmetauscher kann ein Gesamtvolumen von vorzugsweise mindestens 200 cm³, noch weiter vorzugsweise mindestens 500 cm³, noch weiter vorzugsweise mindestens 800 cm³ und/oder höchstens 5000 cm³, vorzugsweise höchstens 2000 cm³, aufweisen. Beispielsweise kann der Öl-Wasser-Wärmetauscher 15-25 cm lang und/oder 8-12 cm breit und/oder 3-7 cm hoch (dick) sein.

Der Öl-Wasser-Wärmetauscher weist vorzugsweise einen oder mehrere erste Fluidkanäle zum Führen des Öls und einen oder mehrere zweite Fluidkanäle zum Führen des Wassers auf.

Für eine Steuerung, insbesondere Regelung, der elektrischen Heizbeschichtung kann ein Bi-Metall-Schalter, evtl. mit zwei redundanten Schaltereinrichtungen, vorgesehen sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1

eine schematische Seitenansicht eines ersten Öl-Wasser-Wärmetauschers;

Fig. 2

eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Öl-Wasser-Wärmetauschers; und

Fig. 3

eine schematische Darstellung der elektrischen Heizbeschichtung auf einem Untergrund.

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

Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht einen Öl-Wasser-Wärmetauscher (wie er beispielsweise im Detail, wie in EP 2 466 241 A1 beschrieben, ausgebildet sein kann) mit mehreren (miteinander verlöteten) Wannenelementen 10, einem Boden 11 und einem Deckel 12. Auf dem Deckel 12 ist eine elektrische Heizbeschichtung 13 angeordnet.

In der alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind zwei elektrische Heizbeschichtungen 13 vorgesehen, nämlich einerseits am Boden 11 und andererseits zwischen zwei Wannenelementen 10. Andere Ausführungsformen sind denkbar, z.B. Heizbeschichtungen am Deckel und Boden oder nur im Inneren des Wärmetauschers, ggf. zischen zwei Wannen 10.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen Heizbeschichtung auf einem Untergrund, konkret (beispielsweise) dem Deckel 12. Zur Herstellung der Struktur gemäß Fig. 3 wird zunächst der Deckel 12 mit einer Passivierungsschicht (durch Oxidieren oder Eloxieren) hergestellt. Auf die Isolierschicht 14 wird dann die elektrische Heizbeschichtung 13 aufgebracht, beispielsweise (thermisch) aufgespritzt.

10

Wannenelement

11

Boden

12

Deckel

13

Elektrische Heizbeschichtung

14

Isolierschicht