DE102004011514B4

DE102004011514B4 - Elektrisches Heizelement

Info

Publication number: DE102004011514B4
Application number: DE200410011514
Authority: DE
Inventors: Michael Weiss; Simone Köhler
Original assignee: WET Automotive Systems AG
Current assignee: Gentherm GmbH
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: DE102004011514A1

Abstract

Elektrisches Heizelement (20) mit Heizleitern (40) und Elektroden (30), dadurch gekennzeichnet,
– dass das Heizelement (20) einen Faden mit einer Vielzahl von elektrischen Leitern (10) aufweist,
– dass ein solcher elektrischer Leiter (10) einen fadenförmigen Kern (12) aus Kunststoff mit einer metallhaltigen Ummantelung (14) aufweist,
– die zumindest anteilig aus Gold und/oder Silber besteht und
– dass um die metallische Ummantelung (14) eine Isolationsschicht aus Kunststoff angeordnet ist.

Description

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 aus reichend gut, doch ist es für manche Einsatzzwecke nicht ausreichend gegen Korrosion beständig.
Aus DE 291923 , EP 0758479 und EP 1063327 sind metallisierte Textilien aus Kunststofffäden bekannt, um elektromagnetische Felder abzuschirmen. Diese Textilien dienen jedoch nur der Schirmung, nicht der Heizung.
Aus DD 50915 ist ein Durchlauferhitzer bekannt, bei dem durch einen porösen, starren, bspw. aus metallisierten, organischen Fasern gebildeter Körper von einem Fluid durchströmt wird. Ein solches Heizelement ist jedoch starr und nicht für eine Verwendung in Polstern von bspw. Sitzen oder Lenkrädern geeignet.
Aus US 4983814 ist ein elektrischer Leiter bekannt, der aus einem Polymer mit Karbonbeimengungen gebildet ist. Solche Heizleiter sind jedoch für manche Anwendungsfälle zu unflexibel.
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

Claims

Elektrisches Heizelement (20) mit Heizleitern (40) und Elektroden (30), dadurch gekennzeichnet, – dass das Heizelement (20) einen Faden mit einer Vielzahl von elektrischen Leitern (10) aufweist, – dass ein solcher elektrischer Leiter (10) einen fadenförmigen Kern (12) aus Kunststoff mit einer metallhaltigen Ummantelung (14) aufweist, – die zumindest anteilig aus Gold und/oder Silber besteht und – dass um die metallische Ummantelung (14) eine Isolationsschicht aus Kunststoff angeordnet ist.
Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der fadenförmige Kern (12) aus einem elastischen, reißfesten und temperaturbeständigen Kunststoff, insbesondere einem Thermoplasten, insbesondere Polyamid besteht.
Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass der Faden als Elektrode oder als Heizleiter eingesetzt ist.