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Anwendungsgebiet und Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spule sowie eine solche elektrische Spule.
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Aus der
EP 2120508 A2 ist es bekannt, eine Spule bzw. Induktionsspule für eine Induktionsheizeinrichtung dadurch herzustellen, dass eine Dickschichtpaste mit einem hohen Anteil von Carbon-Nanotubes auf einen Träger, beispielsweise aus Keramik, aufgebracht wird. Dies kann beispielsweise durch Drucken erfolgen.
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Aufgabe und Lösung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spule sowie eine damit hergestellte elektrische Spule zu schaffen, mit denen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere ein praxistaugliches sowie serientechnisch gut beherrschbares Verfahren geschaffen werden kann zur Herstellung von solchen Spulen, vorzugsweise von Induktionsspulen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine mit diesem Verfahren hergestellte elektrische Spule mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindungen sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden naher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für das Verfahren oder nur für die damit hergestellte elektrische Spule genannt. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Verfahren als auch für die elektrische Spule gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Bei dem Verfahren wird eine Dickschichtpaste auf einen Träger mit der für die Spule gewünschten Geometrie aufgebracht. In einer ersten erfindungsgemäßen Alternative werden dabei einer Dickschichtpaste Nano-Partikel beigemischt und die so angereicherte Dickschichtpaste auf den Träger aufgebracht, getrocknet und anschließend eingebrannt. Bei diesem Verfahren kann also der etwas aufwendigere Schritt der Anreicherung der Dickschichtpaste mit den Nano-Partikeln vor dem Aufbringen erfolgen. Dabei sind unter Umständen bestimmte Grenzen für die maximal mögliche Beimengung von Nano-Partikeln zu der Dickschichtpaste zu beachten.
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In einer zweiten erfindungsgemäßen Alternative wird eine an sich übliche Dickschichtpaste, wie sie beispielsweise aus der vorgenannten
EP 2120508 A2 bekannt ist, auf den Träger in der gewünschten Geometrie aufgebracht. Sie kann zwar auch Nano-Partikel aufweisen, vorteilhaft aber noch nicht. Nach dem Aufbringen, insbesondere mit nur sehr kurzer zeitlicher Verzögerung bzw. direkt danach, wird die Oberfläche der aufgebrachten Dickschichtpaste mit Nano-Partikeln angereichert. Durch spezielle Art und Dauer des Anreicherungsverfahrens bzw. Aufbringungsverfahrens kann der Anteil der Nano-Partikel beeinflusst werden. Danach wird die Dickschichtpaste mit den aufgebrachten Nano-Partikeln getrocknet und eingebrannt. Beim Einbrennen ergibt sich dann eine homogen durchmischte Schicht, die einen bestimmten Anteil der Nano-Partikel enthält.
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Durch die Erfindung ist es in beiden Alternativen möglich, den Prozentsatz von Nano-Partikeln in der fertigen Spule zu erhöhen. Grundsätzlich ist es bei der Erfindung möglich und vorteilhaft, die Dickschichtpaste mittels Siebdruck auf den Träger aufzubringen in der gewünschten Form bzw. mit dem gewünschten Verlauf. Dies ist aber nicht unbedingt zwingend, auch andere Druckverfahren, beispielsweise nach Art eines Tintenstrahldruckers, oder andere Verfahren sind möglich.
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Vorteilhaft werden bei der zweiten Alternative mit dem nachträglichen Aufbringen der Nano-Partikel auf die Oberfläche der Dickschichtpaste die Nano-Partikel in einem Wirbelschichtverfahren auf die Dickschichtpaste bzw. deren Oberfläche aufgebracht zur Anreicherung. Damit können relativ hohe Anteile von Nano-Partikeln an dem fertigen Leitermaterial erreicht werden. Vor allem ist es dadurch auch gut möglich, die Nano-Partikel in einer bestimmten vorgegebenen Dicke auf die Oberfläche aufzubringen. So kann letztlich im fertigen Leitermaterial eine bestimmte vorgegebene Konzentration von Nano-Partikeln im Leitermaterial erreicht werden. Dadurch können auch Probleme von möglicherweise für ein Siebdruck- oder sonstiges Aufbringungsverfahren ungünstigen Viskositäten in der Dickschichtpaste vermieden werden. Bei einem solchen Wirbelschichtverfahren haften die Nano-Partikel an der Oberfläche der Dickschichtpaste an. Deswegen wird dieses Verfahren besonders bevorzugt mit einer noch feuchten Dickschichtpaste durchgeführt, also insbesondere sehr kurz oder sogar direkt nach dem Aufbringen der Dickschichtpaste selbst.
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Bei dieser zweiten erfindungsgemäßen Alternative kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass auf die mit Nano-Partikeln angereicherte Oberfläche noch eine zusätzliche Abdeckschicht bzw. Schutzschicht aufgebracht wird. Diese kann vor dem Einbrennen der Dickschichtpaste samt Nano-Partikeln aufgebracht werden und dann verhindern, dass lose Nano-Partikel in die Umgebungsluft gelangen und eine Gesundheitsgefährdung bewirken können. Ebenso kann damit eine Art Fixierung der Nano-Partikel auf der Dickschichtpaste erfolgen, bis diese beim Einbrennen quasi eingebunden und somit fixiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann nach dem. Einbrennen der Nano-Partikel in die Dickschichtpaste eine Abdeckschicht auf quasi den fertigen Leiter bzw. die fertige Spulenstruktur aufgebracht werden. Damit kann ein Schutz gegen Beschädigung von außen erreicht werden, eine elektrische Isolierung sowie ein Schutz gegen Oxidation. So kann schädlicher Sauerstoff von dem Leitermaterial bzw. den Nano-Partikeln ferngehalten werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Nano-Partikel Carbon-Nanotubes aufweisen oder sein, insbesondere auch ausschließlich.
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Alternativ weisen die beigemischten Nano-Partikel Nano-Metall-Pulver auf, vorzugsweise Kupfer, Silber oder Gold. Beide unterschiedlichen Materialgruppen können bei der zweiten Alternative des Herstellungsverfahrens verwendet werden. Bei der ersten Alternative bietet sich insbesondere die Beimischung von Nano-Metall-Partikeln an.
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Der Anteil der Nano-Partikel bzw. Nano-Metall-Partikel an der Dickschichtpaste kann beispielsweise bis zu 60% betragen, vorteilhaft sind es bis zu 40% oder 50%. Die Prozentangaben sind dabei auf Volumenprozent bezogen. Somit überwiegen bei der fertigen Spule ganz eindeutig die elektrischen Eigenschaften der Nano-Partikel.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, eine Resinat-Dickschichtpaste als Dickschichtpaste zu verwenden. So kann das Verhältnis der hochleitfähigen Nano-Partikel zum sonstigen Material der Spule, das hauptsächlich aus der üblichen Dickschichtpaste mit Leitermaterial besteht, erhöht werden. Auch dies trägt dazu bei, dass die Eigenschaften der fertigen Spule vor allem von den Nano-Partikeln dominiert werden.
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Zum Einbrennen der Dickschichtpaste mit den Nano-Partikeln kann entweder ein rein thermisches Verfahren verwendet werden. Unter Umständen kann noch eine Unterstützung durch Bestrahlung mit UV-Licht erfolgen.
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Die elektrische Spule kann grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen, wie sie mit einem vorbeschriebenen Aufbringungsverfahren, insbesondere einem Dickschichtverfahren, hergestellt werden kann. Vorteilhaft ist die Form günstig für den Verwendungszweck als Induktionsspule, also beispielsweise spiralig mit runder oder angenähert rechteckiger Form.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Figuren zeigen:
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1 eine Draufsicht auf eine fertige elektrische Spule als Induktionsspule für eine Induktionsheizeinrichtung mit spiraliger Form auf einem Träger,
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2 in mehreren Schritten ein Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäßen Spule gemäß der ersten grundsätzlichen Alternative mit Beimischung von Nano-Partikeln in die Dickschichtpaste und
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3 in mehreren Schritten das Herstellungsverfahren gemäß der zweiten grundsätzlichen Alternative mit nachträglichem Aufbringen der Nano-Partikel auf eine aufgedruckte Struktur aus Dickschichtpaste.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In
1 ist in Draufsicht ein Träger
11 mit einer Induktionsspule
12 darauf dargestellt. Sie bilden beispielsweise eine Heizeinrichtung für ein Induktionskochfeld. Da eine solche Induktionsspule beispielsweise aus der eingangs genannten
EP 2120508 A2 bekannt ist, braucht hierauf nicht näher eingegangen zu werden.
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In 2 ist für das eingangs beschriebene erste grundsätzliche Verfahren gemäß der Erfindung dargestellt, wie auf den Träger 11 mittels eines Drucksiebes 14 mit durch entsprechende Schraffur verdeutlichten Druckbereichen 15 die Induktionsspule 12 aufgebracht wird. Dazu wird mittels einer Auftragvorrichtung 17, wie sie für Siebdruckverfahren üblich ist, eine mit durch Punktierung dargestellten Nano-Partikeln versetzte Dickschichtpaste 18 auf das Drucksieb 14 und insbesondere die Druckbereiche 15 aufgebracht. Als Resultat entsteht die in 2 in der Mitte dargestellte, dem Verlauf der Induktionsspule 12 entsprechende Form einer Dickschichtpastenstruktur 20. Aufgrund der vorherigen Beimischung der Nano-Partikel in die Dickschichtpaste 18 sind sie bereits einigermaßen homogen darin verteilt.
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In einem weiteren Schritt entsprechend 2 unten wird die Dickschichtpaste 18 in ihrer Form entsprechend dem Dickschichtpastenverlauf 20 auf an sich übliche Art und Weise eingebrannt, so dass sie einerseits auf dem Träger 11 fest haftet und andererseits den elektrischen Leiter für die Induktionsspule 12 und somit die Induktionsspule 12 selbst bildet. Deutlich ist zu erkennen, dass natürlich das Volumen der fertigen Induktionsspule 12 erheblich geringer ist als dasjenige der Dickschichtpastenstruktur 20.
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Die Menge an Nano-Partikeln bleibt gleich und diese liegen dann eben mit einem bestimmten Anteil an dem Material der fertigen Induktionsspule 12 vor. Durch die eingangs genannten Beschränkungen bei Siebdruckverfahren oder auch bei anderen Aufbringungs- bzw. Druckverfahren kann ihr Anteil nur bis zu einem bestimmten Punkt erhöht werden. So ist auch die maximal erreichbare Konzentration von Nano-Partikeln in der fertigen Induktionsspule 12 begrenzt.
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In 3 ist eine alternative zweite grundsätzliche Ausgestaltung der Erfindung gemäß der Beschreibung am Anfang dargestellt. Auf einen Träger 11' wird wiederum mittels eines Drucksiebs 14' mit Druckbereichen 15' und einer Auftragvorrichtung 17' eine Dickschichtpaste 18' aufgebracht. In diesem Fall ist es gemäß einer Möglichkeit eine reine Dickschichtpaste, welche zumindest keine der vorbeschriebenen Nano-Partikel enthält. Gemäß einer anderen Möglichkeit der Erfindung kann ein gewisser Anteil an Nano-Partikeln vorgesehen sein, unter Umständen sogar bis zu einer maximal möglichen Sättigung, wie es auch für das vorherige Ausführungsbeispiel in der 2 möglich ist.
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In 3 in der Mitte ist zum einen zu erkennen, wie entsprechend 2 die Dickschichtpastenstruktur 20' auf dem Träger 11' vorhanden ist. Die reine Dickschichtpastenstruktur 20' ist ganz rechts in 3 Mitte dargestellt. Links daneben befindet sich über der Dickschichtpastenstruktur 20' eine weitere Auftragvorrichtung 22', mit der hier ebenfalls als dickere Punkte dargestellte Nano-Partikel 23' auf die Oberseite der Dickschichtpastenstruktur 20' aufgebracht werden. Ein Aufbringungsverfahren ist beispielsweise Aufstreuen, Aufblasen oder ein zuvor genanntes Wirbelschichtverfahren. Wie in 3 Mitte ganz links zu sehen ist, findet sich somit auf der Dickschichtpastenstruktur 20' bzw. ihrer Oberseite eine Ansammlung nach Art einer Schicht von Nano-Partikeln 23'.
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Nach dem Aufbringen der Nano-Partikel, was unter Umständen auch in mehreren Durchlaufen erfolgen kann, wird der Träger 11' wiederum erhitzt zum Einbrennen der Dickschichtpaste 20' und zur homogenen Vermischung mit den Nano-Partikeln 23'. Diese diffundieren dabei in das Pastenmaterial ein und verteilen sich darin einigermaßen gleichmäßig, vorzugsweise vollständig gleichmäßig.
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Entweder nach dem Einbrennen der Dickschichtpaste 20' zur Induktionsspule 12' oder sogar noch davor, also nach dem Aufbringen der Nano-Partikel 23' mit der Auftragvorrichtung 22', kann eine eingangs genannte Abdeckschicht aufgebracht werden. Dies ist aber bekannt und braucht deswegen nicht näher dargelegt zu werden.
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Das Aufbringen der Nano-Partikel 23' mit der Auftragvorrichtung 22' auf die Dickschichtpastenstruktur 20' erfolgt vorteilhaft möglichst bald nach dem Bedrucken. Dann ist die Dickschichtpastenstruktur 20' noch feucht und maximal viele Nano-Partikel 23' können auf der Oberseite anhaften und somit anschließend auch in das fertige Leitermaterial der Induktionsspule 12' eingebunden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2120508 A2 [0002, 0006, 0022]
