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Die Erfindung betrifft ein Abstandsgewirke mit zwei Gewirkelagen und mit die Gewirkelagen verbindenden Abstandsfäden, wobei eine Gewirkelage zumindest teilweise und zumindest ein Teil der Abstandsfäden von Metalllitze gebildet sind. Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren eine Verwendung eines solchen Abstandsgewirkes.
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Abstandsgewirke zeichnen sich durch einen leichten, luftdurchlässigen Aufbau aus, wobei Abstandsgewirke durch die zwischen den beiden Gewirkelagen verlaufenden Abstandsfäden in Richtung ihrer Dicke in der Regel eine Elastizität aufweisen. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Abstandsgewirke häufig als weiche, elastische und eine Luftzirkulation ermöglichende Schichten bei Matratzen, Polstermöbeln, Bekleidungsstücken oder Schuhen vorgesehen. Ein herkömmliches Abstandsgewirke ist aus der
DE 90 16 062 U1 bekannt.
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Neben solchen klassischen Anwendungen im Consumer-Bereich werden Abstandsgewirke häufig auch als technische Textilien für hochspezialisierte Anwendungsfälle eingesetzt. So werden Abstandsgewirke auch im Automobilbereich, beispielsweise für Klimasitze unter den Sitzbezügen, eingesetzt, wobei Abstandsgewirke aufgrund ihrer Polstereigenschaften und des sehr guten Rückstellverhaltens trotz des insgesamt geringen Flächengewichtes eine gute Konturanpassung ermöglichen.
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Gemäß der
DE 10 2015 114 778 A1 wird zu Heizzwecken ein Abstandsgewirke vorgeschlagen, bei dem leitfähige Fäden einer flächigen Gewirkelage aus einem mit einer leitfähigen Beschichtung versehenen Kunststoff-Monofilamentgarn gebildet sind. Das Monofilamentgarn hat den Vorteil, dass es trotz der leitfähigen und insbesondere metallischen Beschichtung der einzelnen Filamente noch relativ gut beweglich ist und somit eine Verarbeitung in einem Wirkprozess möglich ist. Die leitenden Fäden sind in einer der beiden flächigen Gewirkelagen angeordnet, welche üblicherweise einem Benutzer zugewandt ist.
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Schließlich ist ein gattungsgemäßes Abstandsgewirke aus der
DE 10 2006 038 612 A1 bekannt. Auch dieses Abstandsgewirke ist zur Verwendung als Sitzheizungselement vorgesehen, wobei eine Gewirkelage vollständig aus Metalllitze als Leiterfäden gebildet sein kann. Optional kann auch ein Teil der Abstandsfäden aus Metalllitze gebildet sein, wobei dann jedoch die Abstandsfäden bevorzugt mit einer Isolierung versehen sind.
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Das als Sitzheizungselement vorgesehene Abstandsgewirke hat sich in der Praxis nicht durchgesetzt. Um den gewünschten Heizeffekt im Sinne einer Widerstandsheizung zu erreichen, ist gerade bei einer Ausgestaltung einer Gewirkelage vollständig aus Metalllitze der spezifische Widerstand zu gering, sodass unerwünschte Energie- und Wärmeverluste in den Zuleitungen sowie an den Kontaktstellen nicht vernachlässigt werden können. Darüber hinaus ist das Material aufgrund des hohen Metallanteils sehr kostspielig und im Vergleich zu anderen auch zuvor genannten Abstandsgewirken für Sitzheizungen, welche lediglich einen Anteil an metallischen Fäden und/oder beschichtete Kunststofffäden aufweisen, wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig.
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Ein alternativer Ansatz für ein Sitzheizungselement ist in der
DE 10 2007 054 541 A1 beschrieben. Um eine Aufheizung zu erreichen, sind bei einem optional als Textil ausgeführten flexiblen Flächengebilde Abstandsfäden vorgesehen, welche eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen und insbesondere aus einem Halbleitermaterial gebildet sind. Das Halbleitermaterial ist dazu vorgesehen, unter Ausnutzung des Peltier-Effektes eine thermoelektrische Temperierung zu erreichen. Um die Abstandsfäden in Form von Halbleiterelementen zu kontaktieren, sind eine obere Lage und eine untere Lage des Flächengebildes leitfähig ausgestaltet.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Abstandsgewirke anzugeben, welches ein erweitertes Einsatz- und Nutzungsspektrum aufweist. Des Weiteren sollen auch bevorzugte Verwendungen angegeben werden.
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Gegenstand der Erfindung und Lösung der Aufgabe sind ein Abstandsgewirke gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Verwendung gemäß Patentanspruch 11.
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Ausgehend von einem gattungsgemäßen, lediglich für Sitzheizungen nach Art einer elektrischen Widerstandsheizung vorgesehenen Abstandsgewirke ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass beide Gewirkelagen Metallitze aufweisen, welche derart angeordnet ist, dass an beiden Gewirkelagen eine flächige elektrische und thermische Leitung durch die Metalllitze bereitgestellt wird, wobei die Gewirkelagen mit den aus Metalllitze gebildeten Abstandsfäden elektrisch und thermisch leitend verbunden sind.
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Während bei einem für eine Sitzheizung vorgesehenen Abstandsgewirke eine Aufheizung der von einem Benutzer abgewandten Gewirkelage nicht zweckmäßig ist und bei einer leitfähigen Ausgestaltung sogar der ohnehin zu geringe Widerstand noch weiter abgesenkt würde, steht im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine optimale elektrische und thermische Leitfähigkeit, insbesondere auch in Dickenrichtung im Vordergrund. Das Abstandsgewirke soll dabei im Rahmen der Erfindung für eine thermische und/oder elektrische Leitung - im Gegensatz zu einer Widerstandsheizung - einen möglichst geringen Widerstand aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist in den Gewirkelagen die Metalllitze so angeordnet, dass sich eine flächige elektrische und thermische Leitung durch einen direkten metallischen Kontakt ergibt. Damit ist gemeint, dass zwischen zwei beliebigen Stellen der Gewirkelagen, an denen die Metalllitze vorhanden ist, eine elektrische und thermische Leitung durch direkten Metallkontakt möglich ist. Eine solche Leitung ist also entlang einer Produktionsrichtung, einer Querrichtung und auch beliebig schräg dazu in den Gewirkelagen möglich, welche in diesem Zusammenhang auch als eben oder im Wesentlichen eben angenommen werden können. Selbstverständlich ist die Metalllitze wie ein üblicher Faden verarbeitet, sodass - wie bei Gewirken üblich - an den einzelnen Maschen Öffnungen und Zwischenräume verbleiben, an denen innen dann selbstverständlich keine Wärme und kein Strom durch einen direkten Kontakt übertragen werden. Bei einer vereinfachten Betrachtung ist die Metalllitze in den beiden Gewirkelagen zumindest so angeordnet, dass in der entsprechenden Ebene eine Art Gitter oder Netz gebildet wird.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, wenn die beiden Gewirkelagen vollständig aus Metallllitze gebildet sind.
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Durch den Einsatz von Metalllitze, die aus einer Vielzahl von Einzeldrähten gebildet ist, ist die Herstellung eines Abstandsgewirkes durch Maschenbildung möglich, während einzelne Drähte mit einem gleichen Querschnitt wie die Metalllitze nicht oder nicht wirtschaftlich in dem Wirkprozess verarbeitet werden können.
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Da die beiden Gewirkelagen und die Abstandsfäden zumindest teilweise aus Metallitze gebildet sind, ergibt sich insgesamt eine sehr hoher Metallanteil von üblicherweise zumindest 70 Gew.-% und vorzugsweise zumindest 80 Gew.-%. Das Flächengewicht beträgt typischerweise zwischen 0,25 kg/m2 (Kilogramm pro Quadratmeter) und 2,5 kg/m2. Insbesondere kann das Flächengewicht zwischen 1 kg/m2 und 2 kg/m2, beispielsweise bei etwa 1,8 kg/m2 liegen. Durch den hohen Metallanteil von bis zu 100 % und das hohe Flächengewicht ergeben sich auch vergleichsweise hohe Herstellungskosten.
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Im Hinblick auf eine gute Wärmeleitung und/oder elektrische Leitfähigkeit kann als Material für die Metalllitze Kupfer oder eine Kupferlegierung vorgesehen sein. Kupferlegierungen sind Legierungen mit Kupfer als Hauptbestandteil und anderen Metallen oder Halbmetallen in unterschiedlichen Mischverhältnissen. Bekannte Kupferlegierungen sind beispielsweise Bronze (Kupfer-Zinn) und Messing (Kupfer-Zink). Im Gegensatz zu reinem oder weitgehend reinem Kupfer weisen Kupferlegierungen in der Regel eine schlechtere Leitfähigkeit auf. Gerade im Hinblick auf die Bildung von besonders dünnen Drähten für die erfindungsgemäß vorgesehene Metalllitze können Kupferlegierungen jedoch zweckmäßig sein. Zur besseren Lesbarkeit wird nachfolgend ausschließlich der Begriff Kupfer verwendet, wobei dann stets Kupferlegierungen mit zu lesen sind. Die nachfolgend in Bezug auf Kupfer selbst beschriebenen Eigenschaften und Vorteile gelten in der Regel - zumindest in einem gewissen Maße - auch für die üblichen Kupferlegierungen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Metalllitze aus zweckmäßigerweise verzinnten Einzeldrähten aus Kupfer gebildet. Kupfer zeichnet sich durch eine sehr gute thermische und elektrische Leitfähigkeit aus und ist im Vergleich zu edleren Metallen wie beispielsweise Silber und Gold kostengünstig. Wenn die Einzeldrähte der Metalllitze zusätzlich verzinnt sind, ergibt sich auch ein guter Schutz gegen Korrosion. Darüber hinaus kann die Metalllitze dann auch - wie nachfolgend im Detail beschrieben - auf besonders einfache Weise verlötet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jede der beiden Gewirkelagen einerseits und die Abstandsfäden andererseits mit jeweils zwei Legeschienen gebildet sind. Im Rahmen einer solchen Ausgestaltung wird dann zumindest auf fünf Legeschienen die Metalllitze verarbeitet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorzugsweise ein erster Teil der Abstandsfäden aus Metalllitze und ein zweiter Teil der Abstandsfäden aus polymerem Monofilamentgarn gebildet, um gewünschte Rückstelleigenschaften zu erreichen. Während die Metalllitze als erster Teil der Abstandsfäden keine oder nur eine geringe rückstellende Elastizität bei einer Druckbelastung erzeugt, kann das für ein Abstandsgewirke typische Verhalten einer elastischen Rückstellung in Dickenrichtung durch das polymere Monofilamentgarn erreicht werden. Die Herstellung ist dann besonders einfach, wenn das Monofilamentgarn einerseits und die Metalllitze andererseits auf verschiedenen Legeschienen verarbeitet werden, sodass dann die jeweiligen Legeschienen komplett mit dem Monofilamentgarn bzw. mit der Metalllitze bestückt sind.
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Im Rahmen einer solchen Ausgestaltung ist dann das Verhältnis der Dichte der Abstandsfäden aus Metalllitze zu der Dichte der Abstandsfäden aus Monofilamentgarn 1:1. Gemeint ist dabei nicht die Materialdichte des Metalls sowie des Kunststoffes, sondern die Dichte der Abstandsfäden, also die Anzahl der Abstandsfäden bezogen auf eine vorgegebene Flächeneinheit.
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Grundsätzlich sind jedoch auch andere Verhältnisse der Dichte, beispielsweise zwischen 3:1 und 1:3, möglich, wozu dann entweder mit zusätzlichen Legeschienen gearbeitet werden kann, auf den einzelnen Legeschienen Fäden weggelassen werden und/oder auf den Legeschienen jeweils unterschiedliche Fäden zugeführt werden.
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Die Monofilamentgarne können bevorzugt einen Durchmesser zwischen 50 µm und 300 µm aufweisen. Als Material ist Polyester und insbesondere Polyethylenterephthalat (PET) geeignet, wobei aber auch andere Materialien, wie beispielsweise Polyamid in Betracht kommen.
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Erfindungsgemäß sind die aus Metallitze gebildeten Abstandsfäden elektrisch und thermisch mit den beiden vorzugsweise vollständig aus Metalllitze gebildeten Gewirkelagen verbunden. Da die einzelnen Fäden bzw. Stränge aus Metalllitze durch den Wirkprozess miteinander verschlungen sind, reicht dafür aus, wenn diese blank und unisoliert sind, und somit alleine durch das gegenseitige Aufliegen der elektrische und thermische Kontakt erreicht wird.
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Die Metalllitze weist typischerweise zwischen 5 und 15 Einzeldrähte mit jeweils einem Durchmesser zwischen 15 µm und 100 µmauf.
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Wie nachfolgend noch beschrieben, ist das Abstandsgewirke im besonderen Maße als Wärmeleitungsschicht geeignet, welche zur Wärmeabfuhr vorgesehen ist und insbesondere an eine elektrische Komponente angeschlossen ist. Sowohl die offene Struktur als auch die Komprimierbarkeit des Abstandsgewirkes können dann auf besonders vorteilhafte Weise zur Wärmeübertragung und -abfuhr eingesetzt werden.
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Die Dicke des Abstandsgewirkes liegt typischerweise zwischen 2 mm und 20 mm, wobei aber gerade auch bei dem Einsatz des Abstandsgewirkes als eine Art Kühlkörper ohne weiteres größere Dicken realisiert werden können.
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Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des zuvor beschriebenen Abstandsgewirkes als Wärmeleitungsschicht, welche zur Wärmeabfuhr an eine elektrische Komponente angeschlossen ist. Üblicherweise ist das Abstandsgewirke flächig mit einer der Gewirkelagen an der zu kühlenden elektrischen Komponente angeschlossen, wobei das Abstandsgewirke entweder lediglich an der zu kühlenden elektrischen Komponente anliegt oder vorzugsweise stoffschlüssig mit der elektrischen Komponente verbunden ist. Für die stoffschlüssige Verbindung kann dabei ein Verbindungsmittel vorgesehen sein, wobei herkömmlicher Klebstoff oder im Hinblick auf eine gute Wärmeleitung bevorzugt Wärmeleitpaste oder Lot (Lötzinn) geeignet sind. Bei der Verwendung eines metallischen Lotes wird auch eine gute elektrische Kontaktierung erreicht, wobei für eine elektrisch leitende Verbindung auch elektrisch leitende Klebstoffe und Pasten bekannt sind.
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Wenn das Abstandsgewirke zur Wärmeabfuhr an eine elektrische Komponente angeschlossen ist, kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung einer solchen Verwendung das Abstandsgewirke beispielsweise wärmeleitend in einem Spalt zwischen einem Gehäuse und der elektrischen Komponente angeordnet sein, wodurch der Spalt überbrückt wird. Das Abstandsgewirke kann also dann dazu genutzt werden, um herstellungsbedingte Toleranzen auszugleichen und eine optimale Kühlung der elektrischen Komponente über das umliegende Gehäuse zu ermöglichen.
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Gemäß einer alternativen Fortbildung der erfindungsgemäßen Verwendung ist das Abstandsgewirke als Kühlkörper an ein elektronisches Bauteil als elektrische Komponente angeschlossen. Herkömmliche Kühlkörper für elektronische Bauteile sind in der Regel als Frästeile oder Spritzgussteile ausgebildet, wobei durch Kühlrippen eine möglichst große Oberfläche bereitgestellt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Abstandsgewirke kann bei dem Einsatz als Kühlkörper eine besonders große Oberfläche mit einem vergleichsweise geringen Gewicht erreicht werden, wobei auch die Durchströmbarkeit mit einem Fluidstrom, insbesondere einem Luftstrom, noch verbessert ist. Insgesamt kann das erfindungsgemäße Abstandsgewirke bei der Verwendung als Kühlkörper eines elektrischen Bauteils sowohl zu einer Gewichts- als auch Kostenreduzierung beitragen.
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Eine besonders gute Kühlung, das heißt ein Wärmeaustausch mit der Umgebung, kann erreicht werden, wenn das Abstandsgewirke mit einem Luftstrom beaufschlagt wird. Das Abstandsgewirke kann also von einem Lüfter angeblasen werden oder in geeigneter Weise in einem Luftstrom positioniert sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Lüfter an das Abstandsgewirke anzuschließen, wobei dieser dann sogar durch die elastisch federnden Eigenschaften des Abstandsgewirkes in einem gewissen Maße stoßgedämpft ist. Gerade unter rauen Einsatzbedingungen kann somit die Lebensdauer eines Lüfters wesentlich verlängert werden.
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Wie bereits zuvor erläutert, kann gerade bei dem Einsatz von einer Metalllitze aus verzinnten Einzeldrähten eine besonders zuverlässige und gut leitende Verbindung durch ein Verlöten erreicht werden. Es kann dann sogar in vielen Fällen hingenommen werden, wenn bei einer solchen thermischen Belastung die polymeren Monofilamentgarne zumindest teilweise aufschmelzen und zerstört werden. Wenn lediglich einzelne Teilbereiche verlötet werden und einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind, verbleiben die Monofilamentgarne zumindest an den übrigen Bereichen und können dort auch weiterhin die elastischen Eigenschaften sicherstellen. Bei einer flächigen oder vollflächigen Zerstörung der Monofilamentgarne durch ein Verlöten oder einen anderweitigen Temperatureintrag dienen die polymeren Monofilamentgarne zumindest bis zu dem Verlöten als eine Art Transportsicherung oder Montagehilfe.
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Neben der bevorzugten Verwendung als Wärmeleitungsschicht, welche zur Wärmeabfuhr an eine elektrische Komponente angeschlossen ist, sind auch andere Anwendungsfälle möglich. Beispielsweise kann auch die gute elektrische Leitfähigkeit des Abstandsgewirkes genutzt werden, wobei - im Gegensatz zu einer Widerstandsheizung - gerade keine Verluste an dem Abstandsgewirke selbst auftreten sollen. Das Abstandsgewirke kann beispielsweise als elastische und flexible elektrische Kontaktschicht vorgesehen sein. Darüber hinaus kann es auch gewünscht sein, das Abstandsgewirke zur Erdung und/oder Abschirmung einzusetzen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen
- 1 die Ansicht eines erfindungsgemäßen Abstandsgewirkes,
- 2 eine Teilansicht der Abstandsfäden des erfindungsgemäßen Abstandsgewirkes,
- 3 eine Anordnung mit einem Gehäuse, einer elektrischen Komponente und dem Abstandsgewirke als thermisch leitende Zwischenschicht,
- 4 ein elektronisches Bauteil als elektrische Komponente mit dem Abstandsgewirke als Kühlkörper.
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Die 1 zeigt ein Abstandsgewirke mit zwei Gewirkelagen 1 und mit die Gewirkelagen 1 verbindenden Abstandsfäden 2a, 2b, wobei beide Gewirkelagen 1 vollständig sowie ein erster Teil der Abstandsfäden 2a aus Metalllitze gebildet sind. Es wird somit ein dreidimensionales, thermisch und elektrisch gut leitfähiges Gebilde bereitgestellt, wobei die Leitfähigkeit sowohl flächig an den beiden Gewirkelagen 1 als auch durch den ersten Teil der Abstandsfäden 2a in Dickenrichtung sichergestellt ist. Die thermisch und elektrisch leitende Verbindung des ersten Teils der Abstandsfäden 2a mit den Gewirkelagen 1 wird dadurch erreicht, dass die Metalllitze blank und unisoliert bereitgestellt wird und die durch Maschenbildung abgewinkelten Fäden bzw. Stränge der Metalllitze aneinander anliegen.
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Insbesondere in der 2 ist zu erkennen, dass neben dem ersten Teil der Abstandsfäden 2a ein zweiter Teil der Abstandsfäden 2b vorgesehen ist, welcher aus polymerem Monofilamentgarn gebildet ist. Durch das polymere Monofilamentgarn werden elastische Eigenschaften erreicht, welche die beiden Gewirkelagen 1 auf Abstand halten.
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In der 1 ist dargestellt, dass die bevorzugt gleich ausgestalteten Gewirkelagen 1 Öffnungen 3 aufweisen, welche jeweils von einer Vielzahl von Maschen gebildet sind. Durch die Öffnungen 3 wird eine besonders offene und luftige Struktur erreicht.
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Die Metalllitze kann beispielsweise zwischen 5 und 15, in dem Ausführungsbeispiel 7 Einzeldrähte aufweisen, wobei der Durchmesser typischerweise zwischen 15 µmund 100 µm, beispielsweise bei etwa 70 µmliegen kann. Besonders bevorzugt ist die Metalllitze aus verzinnten Einzeldrähten aus Kupfer gebildet, wodurch sich eine besonders gute Wärmeleitung bei vergleichsweise niedrigen Gestehungskosten ergibt. Durch die Ummantelung aus Zinn können die Einzeldrähte aus Kupfer auch leicht verlötet werden. Das den zweiten Teil der Abstandsfäden 2b bildende polymere Monofilamentgarn kann aus Polyester, insbesondere Polyethylenterephthalat (PET) gebildet sein und weist üblicherweise einen Durchmesser zwischen 50 µmund 300 µmauf.
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Das in der 1 dargestellte Abstandsgewirke ist mit insgesamt sechs Legeschienen gebildet, wobei jeweils zwei Legeschienen den beiden Gewirkelagen 1 und den Abstandsfäden 2a, 2b zugeordnet sind. Der erste Teil der Abstandsfäden 2a und der zweite Teil der Abstandsfäden 2b ist daher unterschiedlichen Legeschienen zugeordnet, sodass sich bei einer vollen Belegung der Legeschienen ein Verhältnis der Dichte der Abstandsfäden 2a, 2b von 1:1 ergibt.
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Die Dicke des Abstandsgewirkes kann beispielsweise zwischen 2 mm und 20 mm betragen.
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Die 3 zeigt die Verwendung des Abstandsgewirkes als Wärmeleitungsschicht, welche zur Wärmeabfuhr an eine elektrische Komponente 4a angeschlossen ist. Konkret ist das Abstandsgewirke wärmeleitend in einem Spalt 5 zwischen einer Gehäusewand 6 und der elektrischen Komponente 4a angeschlossen, sodass unterschiedliche Spaltmaße thermisch überbrückt werden können.
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Bei der elektrischen Komponente 4a kann es sich beispielsweise um ein Akkumulatormodul, einen Motor oder dergleichen handeln.
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Die 4 zeigt eine alternative Verwendung des erfindungsgemäßen Abstandsgewirkes als Kühlkörper, der an ein elektronisches Bauteil als elektrische Komponente 4b angeschlossen ist. Das Abstandsgewirke ersetzt dabei weitgehend massive, mit Rippen ausgestaltete metallische Kühlkörper, welche üblicherweise durch Spritzguss oder durch Fräsen gebildet sind. Um das Abstandsgewirke als Kühlkörper mit einem Luftstrom zu beaufschlagen, ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Lüfter 7 vorgesehen, der gegenüberliegend des elektronischen Bauteils als elektrische Komponente 4b auf dem Abstandsgewirke angeordnet ist. Es ergibt sich dann der zusätzliche Vorteil, dass der Lüfter 7 durch die elastischen Eigenschaften des Abstandsgewirkes auch in einem gewissen Maße gegen Erschütterungen und Stöße geschützt ist.
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Das Abstandsgewirke ist mit der elektrischen Komponente 4b mit einem Verbindungsmittel 8 stoffschlüssig verbunden. Als Verbindungsmittel kommen beispielsweise Klebstoff, eine Wärmeleitpaste oder ein metallisches Lot in Betracht. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass bei einer Ausgestaltung der Metalllitze aus verzinnten Einzeldrähten ein Verlöten mit metallischem Lot leicht möglich ist, wobei eine besonderes zuverlässige und dauerhafte Verbindung erreicht wird, welche sowohl thermisch als auch elektrisch leitfähig ist.
