| Dokumentenidentifikation |
DE102004011514A1 06.10.2005 |
| Titel |
Elektrischer Leiter und Verfahren zu seiner Herstellung sowie elektrisches Leiterelement |
| Anmelder |
W.E.T. Automotive Systems AG, 85235 Odelzhausen, DE |
| Erfinder |
Weiß, Michael, 83671 Benediktbeuern, DE; Köhler, Simone, 80797 München, DE |
| DE-Anmeldedatum |
08.03.2004 |
| DE-Aktenzeichen |
102004011514 |
| Offenlegungstag |
06.10.2005 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
06.10.2005 |
| IPC-Hauptklasse |
H05B 3/34
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| IPC-Nebenklasse |
H05B 3/12
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| Zusammenfassung |
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement (20) mit einem elektrischen Leiter (10) mit einem fadenförmigen Kern (12) aus Kunststoff und einer metallhaltigen Ummantelung (14). Es ist vorgesehen, dass die Ummantelung (14) zumindest anteilig aus Gold und/oder Silber besteht.
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| Beschreibung[de] |
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Zur Herstellung von elektrisch beheizbaren Sitzen oder Lenkrädern
werden elektrische Heizelemente benötigt, die in der Regel eine Vielzahl von Heizdrähten
aufweisen. Diese Heizdrähte können bspw. aus Kupfer oder aus einem anderen geeigneten
Leitermaterial mit ausreichender elektrischer Leitfähigkeit bestehen und können
ggf. durch eine äußere Isolierung abgeschirmt und/oder verstärkt sein. Heizdrähte,
die zumindest teilweise aus Kupfer bestehen, sind jedoch nur begrenzt mechanisch
belastbar, so dass nach länger dauernder Benutzung Störungen durch Materialermüdungen
und/oder -brüchen auftreten können. Dies liegt in erster Linie an der nur ungenügenden
Biege-Wechsel-Belastbarkeit des Kupfermaterials.
Um diesem Problem abzuhelfen, können sog. Manteldrähte verwendet werden,
bei denen elektrische Leiter mit einem Stahlkern versehen sind, die einen Kupfermantel
aufweisen. Ein Manteldraht aus einem Mantel aus Platin und einem Kern aus einem
edelmetallhaltigen Werkstoff ist aus der DE
38 32 342 C1 bekannt. Der Kern kann auf Kriterien wie Flexibilität, Reiß-
und Zugfestigkeit und Biege-Wechsel-Festigkeit abgestimmt werden, während der Mantel
hinsichtlich der gewünschten elektrischen Eigenschaften optimiert werden kann.
Ein Manteldraht mit einem Kern aus rostfreiem Stahldraht und einem
Mantel aus Kupfer ist aus der DE 196 38
372 A1 bekannt. Ein Manteldraht, bei dem der Mantel aus Stahl und der Kern
aus Kupfer oder wahlweise umgekehrt bestehen kann, ist schließlich in der
DE 102 06 336 A1 beschrieben.
Ein bedeutender Nachteil dieser bekannten Materialkombinationen besteht
in den relativ hohen Kosten und der nur begrenzten Korrosionsbeständigkeit der Manteldrähte.
Die Kupferumhüllung leitet zwar den elektrischen Strom für die meisten Anwendungsfälle
ausreichend gut, doch ist es für manche Einsatzzwecke nicht ausreichend gegen Korrosion
beständig.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Heizelement
mit einem elektrischen Leiter zur Verfügung zu stellen, der ausreichend dauerbelastbar
und korrosionsbeständig ist und der kostengünstig herzustellen ist.
Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs erreicht. Dem gemäß weist ein elektrischer Leiter mit einem fadenförmigen
Kern aus Kunststoff eine Ummantelung auf, die zumindest anteilig aus Gold und/oder
Silber besteht. Die Ummantelung kann auch eine Gold-Silber-Legierung aufweisen.
Ein solcher elektrischer Leiter zeichnet sich durch einen sehr geringen elektrischen
Widerstand und eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit aus. Der fadenförmige Kern
des elektrischen Leiters besteht aus einem Kunststoff, der ausreichend zug- und
bruchfest ist. Als Kunststoff kann insbesondere ein Polyamidkunststoff zum Einsatz
kommen, der neben der mechanischen Festigkeit über eine ausgeprägte Temperaturbeständigkeit
verfügt, so dass es für den vorgesehenen Einsatzzweck, insbesondere für einen Heizdrahtes
o. dgl. ideal geeignet ist. Die Ummantelung aus Gold, Silber oder einer Gold-Silber-Legierung
ist sehr duktil. Daher kann dieser Verbund einer Biegewechselbelastung auch über
eine lange Zeit hervorragend widerstehen.
Als Kunststoffkern eignen sich auch anderer Kunststoffmaterialien,
bspw. Polytetraflourethylen (PTFE), Polyurethan oder andere reißfeste und mechanisch
stabile Thermoplaste. Ggf. kann es von Vorteil sein, wenn der Kunststoffkern eine
Faserverstärkung aufweist. Hierdurch kann die Reißfestigkeit noch weiter erhöht
werden, ohne dass die Flexibilität darunter leiden muss.
Aufgrund seiner günstigen Eigenschaften kann der erfindungsgemäße
elektrische Leiter besonders vorteilhaft als übernähbare Heizlitze eingesetzt werden
kann. Zudem ist der Faden so niederohmig, dass er als Elektrode oder Heizdraht für
einen 12-Volt-Betrieb in Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Die Kosten für den erfindungsgemäßen
Leiter liegen im Bereich von normalen isolierten Heizlitzen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Leiter zu
einem Leiterbündel bzw. zu einer Litze zusammengefasst sind. Das extrem reiß- und
zugfeste Polyamid ist hierbei von der extrem duktilen Gold-Silber-Legierung umschlossen.
Ein derartiges Filament ist extrem biegewechselbelastbar und damit bruchfest. Der
elektrische Widerstand kann dabei zwischen ca. 60 und 370 Ohm pro Meter für ein
Filament liegen.
Mehrere derartige Filamente können einen Faden bilden. Drei oder mehr
Fäden können zu einem Zwirn verdreht werden. Eine Reihe dieser Zwirne können darüber
hinaus nochmals verdrillt werden und können dadurch zu einen elektrischen Leiter
mit einer Vielzahl von Einzelfilamenten verdreht werden, der einen ohmschen Widerstand
von ca. einem Ohm pro Meter oder weniger aufweist. Damit lässt sich der elektrische
Leiter vorteilhaft als Elektrode oder Heizleiter einsetzen. Wird dieser Zwirn übernäht,
so kann die Nähnadel durchaus einige dieser Filamente zerstören,
ohne dass die elektrische Funktion hierunter leidet. Die Nähnadel kann immer nur
sehr wenige der Vielzahl von vorhandenen Filamenten zerstören. Die Fixierung durch
den Nähfaden kann auch nicht zu einem mechanischen Bruch führen, da der Faden extrem
bruchfest ist.
Ein Ausgangsmaterial des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters ist
ein dünn versilberter Polyamidfaden. Dieser wird galvanisch mit der Gold-Silber-Legierung
verstärkt. Dadurch wird ein niedriger Widerstand von ca. 0,2 bis 1,2 Ohm pro Meter
erreicht und trotzdem bleibt der textile, dünne Charakter des Fadens erhalten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
Dabei zeigen
1 einen Querschnitt durch einen elektrischen
Leiter
2 eine Draufsicht auf ein elektrisches
Heizelement
1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen
elektrischen Leiters, der einen Kern aus Kunststoff und eine Umhüllung aus einem
Edelmetall aufweist.
Der elektrische Leiter 10 umfasst einen fadenförmigen Kern
12 aus Kunststoff, insbesondere aus Polyamid, der sehr bruchfest, reißfest
und temperaturbeständig ist. Der fadenförmige Kern 12 ist mit einer Umhüllung
14 aus einer Gold-Silber-Legierung umhüllt, die insbesondere auf galvanischem
Weg aufgebracht sein kann. Die Umhüllung 14 ist seht duktil und damit über
eine lange Betriebsdauer sehr biegewechselbeständig. Der Kern 12 ist sehr
reißfest und biegewechselbelastbar, so dass der elektrische Leiter 10 ideale
mechanische Eigenschaften und sehr gute elektrische Eigenschaften, bspw. für den
Einsatz als elektrischer Heizleiter o. dgl. aufweist.
Die Querschnittsflächen von Kern 12 und Mantel
14 können ungefähr gleich sein. Je nach Bedarf kann die Querschnittsfläche
des Kerns 12 größer oder kleiner als die des Mantels 14 sein.
Bei einem Leiter 10, der besonders starker mechanischer Beanspruchung ausgesetzt
ist, kann es bspw. sinnvoll sein, den Kerndurchmesser größer zu wählen, um einen
Bruch oder eine Verletzung des Leiters 10 bzw. des metallischen Mantels
14 zuverlässig auszuschließen.
Ggf. kann um die Ummantelung 14 eine zusätzliche Isolationsschicht
(nicht dargestellt) angeordnet sein, die vorzugsweise aus Kunststoff besteht.
Der Kerndurchmesser kann zwischen ca. 0,01 mm und ca. 1 mm betragen,
während ein sinnvoller Durchmesser für die Ummantelung 14 bei ca. 0,02
bis 3 mm liegen kann.
Zur Herstellung des elektrischen Leiters 10 kann ein Kunststofffaden,
bspw. aus Polyamid, der ggf. zuvor dünn versilbert werden kann, mit einer galvanisch
aufgebrachten Schicht aus Gold oder einer Gold-Silber-Legierung versehen werden.
Die elektrischen Leiter 10 entsprechend 1
können in vorteilhafter Weise zu einem Leiterelement bzw. zu einem Zwirn verdreht
werden. So können bspw. 30 bis 50 Einzelfilamente (Leiter
10) zu einem Faden verzwirnt werden, von denen wiederum mehrere zu einem
elektrischen Leiterelement verzwirnt werden können. So kann ein Leiterelement mit
einer Vielzahl von Einzelfilamenten gebildet werden, das sich problemlos vernähen
lässt. Wird das Leiterelement von einer Nähnadel durchstoßen, so werden nur einzelne
der Filamente verletzt, ohne dass dies die Gesamtfunktion oder die elektrischen
oder mechanischen Eigenschaften des Leiterelements nennenswert beeinflusst. Die
Fixierung durch einen Nähfaden kann zudem nicht zu einem mechanischen Bruch führen,
da der Faden sehr bruchfest ist.
Der elektrische Leiter 10 bzw. das erfindungsgemäße Leiterelement,
das aus einer Vielzahl von verzwirnten elektrischen Leitern 10 besteht,
eignet sich zur Bildung von elektrischen Heizelementen, insbesondere zum Einbau
in Fahrzeugsitzen oder in Lenkrädern.
2 zeigt ein elektrisches Heizelement
(20) mit einem Paar Elektroden (30), welche über eine Vielzahl
von Heizleitern (40) miteinander verbunden sind. Die Elektroden (30)
ihrerseits sind über elektrische Verbindungsleitungen (50) mit einer nicht
dargestellten Stromquelle verbunden. Im Betrieb strömt Strom aus der Stromquelle
über die eine Elektrode (30) in die Vielzahl von Heizleitern (40).
Von dort fließt er über die andere Elektrode (30) wieder zur Stromquelle
zurück. Bei diesem Heizelement weisen vorzugsweise sowohl die Elektroden als auch
die Heizleiter erfindungsgemäße Leiter mit Kunststoffkern und Gold-Silber-Beschichtung
auf. Dabei sind die Heizleiter zur entsprechenden Erhöhung ihres Widerstandes mit
einer dünneren Edelmetallbeschichtung ausgestattet als die Elektrodenleiter.
10- elektrischer Leiter
12- Kern
14- Umhüllung/Ummantelung
20- elektrisches Heizelement
30- Elektrode
40- Heizleiter
50- Verbindungsleitungen
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| Anspruch[de] |
- Elektrisches Heizelement (20) mit einem elektrischen Leiter
(10) mit einem fadenförmigen Kern (12) aus Kunststoff und einer
metallhaltigen Ummantelung (14), dadurch gekennzeichnet, dass die
Ummantelung (14) zumindest anteilig aus Gold und/oder Silber besteht.
- Heizelement (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ummantelung (14) zumindest anteilig aus einer Legierung, umfassend
Gold und/oder Silber, besteht, vorzugsweise im wesentlichen vollständig aus Silber
und Gold.
- Heizelement (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der fadenförmige Kern (12) aus einem elastischen, reißfesten und temperaturbeständigen
Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff besteht.
- Heizelement (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der fadenförmige Kern (12) im Wesentlichen aus Polyamid
besteht.
- Heizelement (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der fadenförmige Kern (12) aus Kunststoff
eine Faserverstärkung aufweist.
- Heizelement (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass um die metallische Ummantelung (14) eine Isolationsschicht
angeordnet ist.
- Heizelement (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die umhüllende Isolationsschicht aus Kunststoff besteht.
- Heizelement (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass Kern (12) und Ummantelung (14) Querschnittsflächen
in einem Verhältnis zwischen 1 : 4 bis 10 : 1 aufweisen.
- Heizelement (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass Kern (12) und Ummantelung (14) ungefähr
gleich große Querschnittsflächen aufweisen.
- Heizelement (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kerndurchmesser ungefähr 0,01 bis 1 mm beträgt.
- Heizelement (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Ummantelung (14) ungefähr
0,02 bis 3 mm beträgt.
- Heizelement (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement mindestens zwei elektrische Leiter
(10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.
- Heizelement (20) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Leiter (10) in einem Leiterbündel angeordnet sind.
- Heizelement (20) nach Anspruch 12 oder 13, bei dem verschiedenartige
Leiter (10) in einem Leiterbündel angeordnet sind.
- Heizelement (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (10) als Elektrode
und/oder als Heizleiter dient.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen
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