DE102007010145A1 - Elektrischer Leiter - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter (25), der zumindest anteilig aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist. Es ist vorgesehen, dass der elektrische Leiter (25) zumindest teilweise mit einer Schutzschicht (11) versehen ist, die ebenfalls zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist, die aber zumindest lokal eine niedrigere spezifische elektrische Leitfähigkeit aufweist als das elektrisch leitfähige Material des Leiters (25).

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie seine Verwendung in Heizelementen, Sensoren, Sitzen und Fahrzeugen.
• Stand der Technik
• Es ist bekannt, Leiter aus Kupfer zu versilbern, um sie gegen Korrosion zu schützen. Ist das Silber jedoch nicht porendicht aufgetragen, kann das Kupfer trotzdem angegriffen werden. Außerdem diffundiert das Silber mit der Zeit in das Kupfer. Dadurch bildet sich eine Grenzschicht aus einer Ag-Cu-Legierung, die sehr spröde ist. Brüche dieser Grenzschicht bilden Anfangsrisse, die den Leiter ebenfalls gefährden.
• Um diesem Problem abzuhelfen, können sog. Manteldrähte verwendet werden, bei denen elektrische Leiter mit einem Stahlkern versehen sind, die einen Kupfermantel wie in DE 196 38 372 A1 oder DE 102 06 336 A1 aufweisen. Ein Manteldraht aus einem Mantel aus Platin und einem Kern aus einem edelmetallhaltigen Werkstoff ist aus DE 38 32 342 C1 bekannt. Ein bedeutender Nachteil dieser Materialkombinationen besteht in hohen Kosten. Außerdem ist die Korrosionsbeständigkeit der Kupferumhüllung für manche Einsatzzwecke immer noch nicht ausreichend.
• Aus JP 2001-217058 ist ein Heizleiter bekannt, bei dem eine Vielzahl von Kohlenstoff-Fasern von einem Schrumpfschlauch ummantelt sind. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht sehr bruchfest.
• DE 20 2004 020 425.8 beschreibt einen Leiter mit einer Kunststoff-Seele und einer metallischen Beschichtung. Die Korrosionsbeständigkeit eines solchen Leiters soll durch die vorliegende Erfindung weiter verbessert werden.
• Gegenstand der Erfindung
• Zur Bereicherung des Standes der Technik wird deshalb ein elektrischer Leiter nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Dieser ist durch seinen besonderen Aufbau auch bei Betrieb in feuchter und salzhaltiger Umgebung vor Beeinträchtigung seiner Funktion durch Korrosion geschützt. Denn eine leitfähige Schutzschicht bewirkt Korrosionsbeständigkeit und Belastbarkeit.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmbar.
• Figuren
• Im Folgenden werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Diese Ausführungen sollen die Erfindung verständlich machen. Sie haben jedoch nur beispielhaften Charakter. Selbstverständlich lassen sich im Rahmen der Erfindung einzelne oder mehrere beschriebene Merkmale auch weglassen, abwandeln oder ergänzen. Auch können die Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen selbstverständlich untereinander kombiniert werden. Nachfolgend wird Bezug genommen auf:
• 1 Seitenansicht eines Fahrzeuges im teilweisen Aufriß mit einem Heizelement und Sensor
• 2 Draufsicht auf ein elektrisches Heizelement nach 1
• 3 Draufsicht auf einen vergrößerten Ausschnitt eines textilen elektrischen Leiters
• 4 Querschnitt durch einen kapazitiven Sensor mit zwei textilen Elektroden
• Beschreibung der Erfindung
• 1 zeigt ein Fahrzeug 200.
• Darin können verschiedene Funktionselemente 5 vorgesehen sein, wie z. B. eine Sitzheizung, eine Sitzbelegt-Erkennungseinrichtung oder eine Tastatur 60, die in bestimmten Zonen des Innenraumes punktuell oder flächig eine bestimmte Funktion verfügbar machen, wie Heizen, Druckdetektion oder Schalten.
• Dazu ist mindestens eines der Funktionselemente 5 mit mindestens einem elektrischen Leiter 25 gemäß 2 und 3 versehen.
• Dieser Leiter kann bspw. ein Heizleiter 2, ein Kontaktleiter 3, eine elektrische Sicherung und/oder eine Verbindungsleitung 48 sein.
• Er ist an, in oder nahe bei der Funktionszone angeordnet, z. B. zumindest teilweise an und/oder in einem Sitzbezug 30.
• Er kann flächig oder gemäß den Ausführungsbeispielen von 2 und 3 strangförmig gestaltet sein. Ein Strang ist ein längliches Gebilde, dessen Längenabmessungen die Abmessungen seines Querschnittes bei weitem übertreffen. Vorzugsweise weisen die beiden Dimensionen des Querschnittes in etwa ähnliche Abmessungen auf. Vorzugsweise ist das Gebilde biegeelastisch, aber in einem festen Aggregatszustand.
• Mindestens ein Leiter 25 kann als Flächengebilde 100 ausgestaltet sein, z. B. als Folie. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist ein Vlies aus synthetischen Fasern vorgesehen. Vorzugsweise ist daran eine Vielzahl von Leitern 25 vorgesehen, die vorzugsweise mäandernd nebeneinander und/oder elektrisch parallel zueinander angeordnet sind. Sie sind z. B. durch Nähen oder Wirken am Vlies befestigt. Im Ausführungsbeispiel von 2 ist je ein Leiter 25 in einem mittleren Abstand von ca. 2 cm zum jeweils nächsten Leiter 25 und ungefähr parallel dazu angeordnet. Unter parallel wird verstanden, dass der Abstand zweier Leiter längs ihres Verlaufs im Mittel in etwa gleich bleibt.
• Es kann auch gemäß 3 eine Vielzahl von Leitern 25 vorgesehen sind, die zusammen ein Flächengebilde 100 zumindest teilweise bilden.
• Ein solches Flächengebilde 100 kann z. B. ein Textil, Gewirke, Gestrick, Gewebe, Vlies, ein biegsamer Thermoplast, ein luftdurchlässiges Material aufweisen und/oder zumindest teilweise aus einem solchen Material gebildet sein.
• Es ist zweckmäßig, wenn mindestens ein elektrischer Leiter 25 mindestens einen Träger 12 aufweist, um die mechanische Stabilität des Leiters 25 zu erhöhen. Er kann sich in mehrere Dimensionen erstrecken. Vorzugsweise weist er jedoch im Wesentlichen zwei oder wie in den 2 und 3 eine Haupt-Erstreckungsrichtung auf und ist z. B. als Seele eines Leiterstranges ausgestaltet.
• Es kann zweckmäßig sein, dass der Träger 12 zumindest anteilig aus einem – vorzugsweise elastischen, temperaturbeständigen und reißfesten – Kunststoff gefertigt ist, vorzugsweise zumindest anteilig – vorzugsweise vollständig – aus Carbonfasern, Polypropylen, einem Thermoplast oder Polyamid und/oder Glasseide, und/oder zumindest anteilig Kupfer und/oder aus Stahl. Ein Kunststoff ist jedes synthetische, in der Natur nicht auftretende Material, insbesondere Polymere und daraus abgeleitete Substanzen wie Carbonfasern.
• Es kann zweckmäßig sein, wenn das Material des Trägers 12 spinnbar oder in Filamente oder Drähte (aus)ziehbar ist, vorzugsweise zu Filamenten mit einer Dicke von weniger als 100 μm, vorzugsweise weniger als 10 μm, vorzugsweise weniger als 1 μm, vorzugsweise weniger als 0,1 μm, vorzugsweise weniger als 0,01 μm.
• Es kann zweckmäßig sein, dass ein Träger eines Leiters 25, insbesondere eines Heizleiters wie in 2 zumindest anteilig, im Wesentlichen vollständig, aus einem thermoplastischen Material gebildet ist, vorzugsweise einem Kunststoff, vorzugsweise Polyamid, Polyester, Kapton oder wie hier Polyimid. Dies gestattet einen kostengünstigen Aufbau. Außerdem sind solche Fäden welch und weder spitz noch spröde. Dadurch ist der sichere Betrieb von Nachbarsystemen (z. B. Sitz-Besetz-Erkennung) möglich.
• Es kann zweckmäßig sein, dass die elektrische Leitfähigkeit mindestens eines elektrischen Leiters 25 zumindest zeitweise zumindest reduziert ist, wenn seine Temperatur zumindest lokal zwischen 200°C und 400°C, vorzugsweise zwischen 220°C und 280°C liegt. Dadurch kann eine unzulässig hohe Aufheizung der Umgebung des Heizelementes vermieden werden. Es kann zweckmäßig sein, dass der elektrische Leiter 25 zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, in dem genannten Temperaturbereich unterbrochen wird, vorzugsweise irreversibel.
• Es kann zweckmäßig sein, dass der elektrische Leiter 25 einen elektrischen Widerstand aufweist zwischen 0 und 3 Ω/m, vorzugsweise zwischen 0 und 2 Ω/m, vorzugsweise zwischen 0,1 und 3 Ω/m, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,5 Ω/m.
• Mindestens ein elektrischer Leiter 25 weist mindestens eine Leitschicht 14 auf.
• Diese Leitschicht 14 kann im Wesentlichen eben angeordnet sein, z. B. als Beschichtung einer Folie. Die Leitschicht 14 kann aber auch als Mantelschicht ausgeführt sein, die einen Innenstrang zumindest teilweise umgibt, z. B. einen fadenförmigen Träger 12.
• Unter Schicht wird jedes Gebilde, insbesondere Flächengebilde verstanden, das eine Ausdehnung in überwiegend zwei Dimensionen aufweist und das vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise flach und flexibel ist. Es bildet vorzugsweise eine zusammenhängende Fläche, kann aber auch durchbrochen sein, z. B. wie ein Abstandsgewirke, Netz, Schlauchsystem oder Schaum.
• Eine Mantelschicht ist eine Schicht, die direkt oder indirekt ein Objekt zumindest teilweise umhüllt, jedoch nicht zwangsweise die äußerste das Objekt umhüllende Schicht.
• Als Material für die Leitschicht 14 sind besonders geeignet Nickel, Gold, Silber, Kupfer oder eine Gold-Silber-Legierung. Diese können insbesondere auf galvanischem Weg aufgebracht sein. Die Umhüllung ist sehr duktil und damit über eine lange Betriebsdauer sehr biegewechselbeständig.
• Die Leitschicht 14 hat vorzugsweise eine Dicke zwischen ca. 0,01 μm und ca. 3 mm. Je nach Anwendung und gewünschtem Widerstand ist sie zwischen 0,1 μm und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 μm und 10 μm z. B. für Heizleiter, und zwischen 5 μm und 1 mm z. B. für Leiter mit niedrigem Gesamtwiderstand.
• Es ist zweckmäßig, wenn das Material des Leiterträgers 12 eine höhere Beständigkeit gegenüber Wechselbiegung und/oder eine geringere Zug- oder Druckfestigkeit aufweist als das Material der Leitschicht 14.
• Die Leitschicht 14 kann z. B. bei Fäden vor ihrer Weiterverarbeitung aufgebracht sein. Sie kann jedoch auch nach Fertigstellung z. B. eines Textils durch Sprühen oder Tauchen auf einen oder mehrere Träger 12 aufgebracht sein.
• Mindestens ein elektrischer Leiter 25 ist zumindest teilweise mit einer Schutzschicht 11 versehen. Die Schutzschicht 11 ist vorzugsweise zumindest anteilig aus einem Material gebildet, das chemisch, insbesondere elektrochemisch reaktionsträge ist. Darunter wird verstanden, dass dieses Material bei Vorliegen üblicher Betriebszustände seine chemische Zusammensetzung und seine Atomstruktur im Wesentlichen beibehält. Dadurch ist eine darunter liegende Leitschicht 14 vor Korrosion geschützt. Die Schutzschicht ist vorzugsweise mechanisch verschleißfest. Sie ist bspw. durch Extrudieren auf die Leitschicht 14 und/oder den Leiter 25 aufgebracht. Sie kann auch als Lack aufgetragen sein. Lack ist ein flüssiger oder auch pulverförmiger Beschichtungsstoff, der dünn auf Gegenstände aufgetragen wird und durch chemische oder physikalische Vorgänge (z. B. Verdampfen des Lösemittels) zu einem durchgehenden Film verfestigt wird. Besonders geeignet sind Pulverlacke, Suspensionen von Lackpartikelteilchen in Wasser, strahlenhärtende Lacksysteme oder Polyurethan-Lack.
• Die Schutzschicht 11 ist zumindest teilweise aus einem Material, das zumindest bedingt elektrisch leitfähig ist, vorzugsweise aus einem Material, das chemisch oder elektrochemisch reaktionsträge ist. Sie hat vorzugsweise zumindest partiell eine niedrigere (insbesondere spezifische) elektrische Leitfähigkeit als eine Leitschicht 14 des Leiters 25. Vorzugsweise ist ihr Widerstand in Querschnittsrichtung des Leiters 25 zumindest abschnittsweise ähnlich hoch wie der Widerstand des Leiters 25 in seiner Längsrichtung. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung elektrolytischer Reaktionen auf der gesamten Leiteroberfläche bewirkt und eine Stromkonzentration an eventuellen Fehlerstellen der Schutzschicht 11 vermieden. Geeignet sind hier z. B. elektrisch leitfähige Kunststoffe (z. B. intrinsisch leitfähige Kunststoffe) Platin, Ruß, Graphit in Form von Kohle, Kohlefasern, Nanotubes oder Diamant, Edelstahl oder passivierte oder oxidierte Metalle. Das elektrisch leitfähige Material kann dabei wesentliche Anteile der Leitschicht bilden. Es kann aber auch in Form von Partikeln in einer Matrix eines anderen elektrochemisch reaktionsträgen Materials eingebettet sein. Die Partikel weisen eine Größe auf, bei deren eine ihrer Dimensionen, vorzugsweise ihr Durchmesser, in etwa zwischen 10^–6 und dem Doppelten der Dicke der Beschichtung entspricht, vorzugsweise zwischen 1 nm und 10 μm, vorzugsweise zwischen 50 nm und 1 μm. Die Partikel sind z. B. faserförmig oder kugelförmig.
• Vorzugsweise ist die Schutzschicht 11 insbesondere in ihrer Dicke, ihrer Leitfähigkeit und thermischen Stabilität so gestaltet, dass der Leiter 25 und/oder das Flächengebilde 100 ohne Abisolation der Schutzschicht 11 und unter Durchströmung der Schutzschicht 11 z. B. durch Verbindungsleiter 48 oder Elektroden 4 elektrisch kontaktierbar oder kontaktiert sind. Die Schutzschicht 11 kann jedoch auch zumindest lokal entfernt sein, um einen besseren Kontakt mit der Leitschicht 14 sicherzustellen.
• Es kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche mindestens eines Leiters 25 zumindest teilweise mit einem elektrisch leitfähigen oder auch nicht leitfähigem Material beschichtet ist, insbesondere mit einem Kunststoff und/oder einem Lack und/oder zumindest anteilig mit Polyurethan, PVC, PTFE, PFA und/oder Polyester.
• 2 zeigt ein elektrisches Heizelement 20 mit einem flächigen Heizungsträger 8, mit einem Paar Elektroden 4, welche beabstandet und in etwa parallel zueinander daran angeordnet und über eine Vielzahl von Heizleitern 2 miteinander verbunden sind. Die Heizleiter 2 sind in etwa parallel zueinander am Heizungsträger 8 angeordnet und elektrisch parallel geschaltet. Vorgesehen ist, dass zumindest ein Teil der Heizleiter 2 untereinander vernetzt ist, indem zumindest ein Teil der Heizleiter 2 zwischen ihren Enden zumindest teilweise elektrisch leitfähig an Kontaktstellen 77 miteinander in Kontakt steht. Lokale Heizleiterstörungen, z. B. durch lokale Beschädigungen beim Einnähen oder Vandalismus, stören dadurch den Betrieb des Heizelementes 20 nicht, da bei lokalem Ausfall einzelner Heizleiter 2 der Heizstrom auf benachbarte Heizleiter verteilt wird. Die Elektroden 4 ihrerseits sind über elektrische Verbindungsleitungen 48 mit einer Stromquelle 70 verbunden.
• Das Heizelement weist außerdem sinnvoller Weise einen Temperatur-Sensor 80 auf, der eine Stromzufuhr zum Heizelement 20 bei Temperaturen zwischen 60°C und 80°C unterbricht.
• Es kann zweckmäßig sein, dass das Heizelement in einen Fahrzeugsitz, ein Lenkrad, eine Armauflage, eine Sitzauflage, eine Wärmedecke oder ähnliches eingebaut ist.
• 3 zeigt ein Flächengebilde 100, das zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen aus Leitern 25 gebildet ist. Solche elektrischen Leiter 25 weisen zumindest teilweise einen strangförmigen Träger 12 auf. Dieser ist von einer Leitschicht 14 ummantelt. Diese wiederum ist von einer Schutzschicht 11 umhüllt. Ein solches gewebtes, elektrisch leitfähiges Flächengebilde 100 kann als Sensor-Elektrode 35 in einem kapazitiven Sensor 50 eingesetzt werden.
• Ein Querschnitt durch einen solchen Sensor 50 ist in 4 dargestellt. Der Sensor 50 weist zwei als Sensor-Elektroden 35, 35' eines Kondensators dienende Flächengebilde 100 auf. Diese sind voneinander durch ein flächiges, flexibles Dielektrikum 55, bspw. aus Kunststoff-Folie oder Leder voneinander beabstandet. Der so gebildete Kondensator ist durch zwei Deckschichten 44 auf seiner Ober- und Unterseite umhüllt.
• Zur Detektion eines Benutzers auf einer zu überwachenden Fläche 32 eines Sitzes kann nun die Veränderung der Kapazität des Kondensators in Folge einer Kompression des Dielektriums 55 bestimmt werden. Es ist auch möglich, Feldveränderungen zu erfassen, die durch die Annäherung einer Person an eine der Sensor-Elektroden 35 erfolgt.

2

Heizleiter

3

Kontaktleiter

4

Elektroden

5

Funktionselemente

8

Heizungsträger

11

Schutzschicht

12

Träger

14

Leitschicht

20

Heizelement

25

Leiter

30

Sitzbezug

32

Zu überwachende Fläche

35

Sensor-Elektrode

44

Deckschicht

48

Verbindungsleitungen

50

Sensor

55

Dielektrikum

60

Tastatur

70

Stromquelle

77

Kontaktstellen

80

Temperatur-Sensor

100

Flächengebilde

150

Sitz

200

Fahrzeug

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - DE 19638372 A1 [0003]
• - DE 10206336 A1 [0003]
• - DE 3832342 C1 [0003]
• - JP 2001-217058 [0004]
• - DE 202004020425 [0005]

Claims (9)

1. Elektrischer Leiter (25), der zumindest anteilig aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (25) zumindest teilweise mit einer Schutzschicht (11) versehen ist, die ebenfalls zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist, die aber zumindest lokal eine niedrigere spezifische elektrische Leitfähigkeit aufweist als das elektrisch leitfähige Material des Leiters (25).
2. Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (25) zumindest teilweise die Form eines Flächengebildes (100), eines Textils, eines Vlieses, eines Gewirkes, einer Folie, eines Stranges, eines Fadens oder eines Netzes aufweist und/oder dass der Leiter (25) in ein Flächengebilde (100) eingearbeitet, darauf verlegt und mittels eines zusätzlichen Näh- oder Wirkfadens befestigt, dass er als Nähfaden darin eingebunden ist, und/oder dass er mit mindestens einem Flächengebilde verklebt und/oder zwischen zwei Flächengebilde eingeklebt ist und dass mindestens ein Flächengebilde ein Textil, eine Folie, ein Netz und/oder eine Kombination daraus aufweist, vorzugsweise im Wesentlichen daraus gebildet ist, und dass die Schutzschicht (11) zumindest auf Teilen oder Bestandteilen des Flächengebildes (100) aufgebracht ist.
3. Leiter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrischer Leiter (25) einen insbesondere strangförmigen Träger (12) aus einem allenfalls schwach elektrisch leitfähigen Material aufweist, insbesondere aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise Fasern oder Fäden aus Kunststoff, insbesondere PU, PP, PE, PA, PET, aus einem metallisierbaren Material, und/oder aus einem Material, welches zumindest bis 75°C, vorzugsweise bis 150°C, vorzugsweise bis 300°C, vorzugsweise bis 500°C, vorzugsweise bis 1000°C temperaturbeständig ist.
4. Leiter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (25) eine Leitschicht (14) aufweist, die elektrisch leitfähig ist, die zumindest anteilig aus einem Metall gebildet ist, vorzugsweise zumindest anteilig aus Gold, Silber, Nickel, Chrom, Kupfer, Platin, aus Nickel mit Phosphoranteilen, aus einer Legierung der vorstehenden Materialien und/oder einem Material, dessen Oberfläche passiviert, passivierbar oxidiert und/oder chromatiert ist, und/oder die galvanisch auf den Träger (12) aufgebracht ist und/oder stoffschlüssig mit dem Träger (12) verbunden ist.
5. Leiter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische elektrische Leitfähigkeit bei üblichen Betriebstemperaturen (ca. –20°C bis ca. 90°C) für die Leitschicht (12) und/oder die elektrisch leitfähigen Bestandteile des Leiters (25) und/oder für die Schutzschicht (11) zwischen 100 × 10⁶ S/m und 10^–8 S/m liegt, vorzugsweise zwischen 62 × 10⁶ S/m und 10^–3 S/m, und die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Schutzschicht (11) um mindestens das 10-fache, vorzugsweise das 100-fache, vorzugsweise das 1000-fache über der der Leitschicht (12) und/oder des Leiters (25) bzw. seiner leitfähigen Bestandteile liegt, vorzugsweise zwischen 10³ und 10^–3 S/m.
6. Elektrisches Heizelement (20), insbesondere für Fahrzeugsitze (150), dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen elektrischen Leiter (25) nach einem der voranstehenden Ansprüche aufweist.
7. Sensor (50), insbesondere zur Überwachung einer Fläche (32) eines Fahrzeuginnenraumes auf Berührung und/oder Druck, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Sensors, vorzugsweise mindestens eine seiner Sensor-Elektroden (35) einen elektrischen Leiter (25), ein Flächengebilde (100) und/oder ein Heizelement (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche aufweist.
8. Sitz (150), insbesondere für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass er einen elektrischen Leiter (25), ein Flächengebilde (100), ein Heizelement (20) und/oder einen Sensor (50) nach einem der voranstehenden Ansprüche aufweist.
9. Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es einen elektrischen Leiter (25), ein Heizelement (20), einen Sensor (50) und/oder einen Sitz (150) nach einem der voranstehenden Ansprüche aufweist.