DE102018122613A1

DE102018122613A1 - Device and method for data and / or energy transmission via an electrical line, which are arranged in the interior of a component

Info

Publication number: DE102018122613A1
Application number: DE102018122613.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Rudloff; Dietmar Telschow; Alexander Kahnt; Susanne Kirmse; Otto Grauer; Emanuel Lägel; Klaus Holschemacher; Tilo Heimbold
Original assignee: Hochschule fur Technik Wirtsch und Kultur Leipzig; Hochschule fur Technik Wirtschaft und Kultur Leipzig
Current assignee: Hochschule fur Technik Wirtsch und Kultur Leipzig; Hochschule fur Technik Wirtschaft und Kultur Leipzig
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2018-09-16
Publication date: 2019-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Daten- und/oder Energieübertragung über elektrische Leiter, die im Inneren eines ein Matrixmaterial umfassenden Bauteils angeordnet sind. Nach der Erfindung liegen die elektrischen Leitungen aus elektrisch leitfähigen textilen Garnen, Fasern oder Rovings im Inneren des Bauteils vor und sind mit dem mineralischen oder organischen Matrixmaterial fest vergossen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil, umfassend eine Bewehrung aus elektrisch leitfähigen textilen Garnen, Fasern oder Rovings, sowie ein Verfahren zur Auswahlkonfiguration von Carbonfasern, Carbongarnen oder Carbonrovings zur Ausbildung einer Carbonstruktur und zur Funktionalisierung für eine Verwendung in einer Vorrichtung zur Daten- und/oder Energieübertragung über elektrische Leitungen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Verwendung einer Bewehrung aus leitfähigen Filamenten, sodass eine Datenübertragung und/oder eine Energieübertragung ermöglicht werden.

The invention relates to a device and a method for data and / or energy transmission via electrical conductors, which are arranged in the interior of a component comprising a matrix material. According to the invention, the electrical leads are made of electrically conductive textile yarns, fibers or rovings in the interior of the component and are sealed with the mineral or organic matrix material. The invention further relates to a component comprising a reinforcement of electrically conductive textile yarns, fibers or rovings, and a method for selecting configuration of carbon fibers, carbon fibers or carbon rovings for forming a carbon structure and for functionalization for use in a device for data and / or Energy transmission via electrical lines. A further aspect of the invention relates to the use of a reinforcement made of conductive filaments, so that a data transmission and / or an energy transmission are made possible.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Daten- und/oder Energieübertragung über wenigstens eine elektrische Leitung, die im Inneren eines ein Matrixmaterial umfassenden Bauteils angeordnet ist, und weiterhin ein bewehrtes Bauteil, ein Bauwerk sowie ein Verfahren zur Übertragung von Daten und/oder Energie. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Auswahlkonfiguration von Carbonfasern, Carbongarnen oder Carbonrovings zur Funktionalisierung für eine Verwendung in einer Vorrichtung zur Daten- und/oder Energieübertragung über wenigstens eine elektrische Leitung, die im Inneren eines Bauteils angeordnet ist. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zudem eine Verwendung einer Bewehrung, die zumindest teilweise aus leitfähigen Filamenten oder anderen langgestreckten textilen Fasern besteht. Insbesondere ist die Funktionalisierung von Carbonrovings zur Übertragung von Daten- und Energie in Gebäuden, Infrastrukturbauwerken und anderen baulichen Anlagen vorgesehen.The invention relates to a device for data and / or energy transmission via at least one electrical line, which is arranged in the interior of a component comprising a matrix material, and also an armored component, a building and a method for transmitting data and / or energy. The invention also relates to a method for the selection configuration of carbon fibers, carbon fibers or carbon rovings for functionalization for use in a device for data and / or energy transmission via at least one electrical line which is arranged inside a component. The subject of the present invention is also a use of a reinforcement, which consists at least partially of conductive filaments or other elongated textile fibers. In particular, the functionalization of carbon rovings for the transmission of data and energy in buildings, infrastructure structures and other structures is provided.

Bisher werden für die Installation von Daten- und Energieleitungen getrennte und nachträglich installierte Kabel, meist auf Kupferbasis, verwendet. Das bedeutet, eine Doppelnutzung im Sinne der Statik sowie der Digitalisierung der bereits Verwendung findenden und zumeist elektrisch leitfähigen Bewehrung, ganz gleich ob Stahl- oder Textilarmierung mit beispielsweise Carbonrovings, findet nicht statt. Die Stahlbewehrung eignet sich, anders als eingesetzte Carbonrovings, nur sehr begrenzt als direkter ungeschirmter Datenleiter in einem Betonverbund. Dafür müsste entweder eine zusätzliche, als Strom- und Datenleiter ausgeführte Carbongarnstruktur hinzugefügt werden oder eine kombinierte Mischstruktur geschaffen werden. Carbongarn besteht ebenso wie ein Carbonroving aus einer Vielzahl von Carbonfasern, den Einzelfilamenten. Sofern nachfolgend nur das bevorzugt eingesetzte Carbongarn genannt ist, so ist dennoch auch eine Verwendung von Carbonfasern oder Carbonrovings vorgesehen. Carbonfasern, Carbongarn oder Carbonrovings kommen beispielsweise auch in Fertigteilen bzw. Bauteilen mit organischer Matrix, beispielsweise faserverstärktem Kunstharz, zum Einsatz.Until now, separate and subsequently installed cables, mostly copper-based, have been used for the installation of data and power cables. This means that a double use in the sense of statics and the digitization of already used and mostly electrically conductive reinforcement, no matter whether steel or textile reinforcement with carbon rovings, for example, does not take place. The steel reinforcement is, unlike carbon rovings used, only very limited as a direct unshielded data conductor in a concrete composite. For this, either an additional carbon yarn structure designed as a current and data conductor would have to be added or a combined mixed structure would have to be created. Carbon yarn, like a carbon roving, consists of a large number of carbon fibers, the individual filaments. If, in the following, only the preferably used carbon yarn is mentioned, it is nonetheless also intended to use carbon fibers or carbon rovings. Carbon fibers, carbon yarn or carbon rovings are also used, for example, in prefabricated parts or components having an organic matrix, for example fiber-reinforced synthetic resin.

Es sind aus dem Stand der Technik bereits Lösungen bekannt, bei denen eine weitergehende Nutzung von Carbonfasern, die als Bewehrung zum Einsatz kommen, und ihre Verwendung für elektrische Effekte vorgeschlagen wird. Die Druckschrift DE 10 2016 101 919 A1 hat eine Bewehrung und ein bewehrtes Bauteil oder Fertigteil, wie es nachfolgend auch genannt ist, zum Gegenstand, wobei die angebotene Lösung insbesondere auf die thermische und elektrische Energiespeicherung in tragenden Strukturen abzielt. Eine für den Fachmann nacharbeitbare Lösung für eine Daten- bzw. Energieübertragung wird nicht angeboten.Solutions are already known from the prior art, in which a wider use of carbon fibers, which are used as reinforcement, and their use for electrical effects is proposed. The publication DE 10 2016 101 919 A1 has a reinforcement and a reinforced component or finished part, as it is also referred to below, the subject, wherein the proposed solution is aimed in particular at the thermal and electrical energy storage in supporting structures. A solution that can be reprocessed by a person skilled in the art for a data or energy transmission is not offered.

Die Druckschrift DE 10 2016 118 711 A1 befasst sich konkreter mit einem Bauteil mit elektrisch leitfähiger Bewehrung. Die Bewehrung ist als ein Leiter verlegt und eine induktiv und/oder piezoelektrisch erzeugte Spannung ist in dem Leiter mittels Anschlusskontakten an dem Bauteil abgreifbar. Über die abgegriffene Spannung können ein Fahrzeugverkehr über das Bauteil und die Belastung des Bauteils überwacht oder elektrische Energie in geringerem Umfang für bestimmte Anwendungen erzeugt werden. Eine Lösung für eine Daten- bzw. Energieübertragung wird nicht angeboten.The publication DE 10 2016 118 711 A1 deals more specifically with a component with electrically conductive reinforcement. The reinforcement is laid as a conductor and an inductively and / or piezoelectrically generated voltage can be tapped in the conductor by means of connection contacts on the component. The tapped voltage can be used to monitor vehicle traffic via the component and the load on the component, or generate electrical energy to a lesser extent for specific applications. A solution for a data or energy transfer is not offered.

Bauteile bzw. Fertigteile auf Basis einer mineralischen oder organischen Matrix, wie z. B. Carbon- oder Textilbetonbauteile oder auch Kunstharzbauteile, werden derzeit nicht- oder selbsttragend ausgeführt, jedoch immer ohne die Nutzung der elektrischen Leitfähigkeit der Bewehrungsfasern zur Daten- bzw. Energieübertragung vorzusehen. Die derzeitigen Lösungen sind somit nicht als ganzheitliches Bausystem mit integrierter digitaler Infrastruktur entwickelt. Bisher muss immer zusätzliches Material, beispielsweise Kupferkabel, als Aufputz- bzw. Unterputzinstallation in das Bauteil eingebracht werden. Im Bauwesen müssen dafür beispielsweise bei der Unterputzinstallation Kabelschlitze eingeschnitten werden, was einen erheblichen zusätzlichen Aufwand darstellt. Das Einlassen ungeschirmter, nicht ummantelter Kupferstrukturen zur Daten- oder Energieversorgung kann zur Korrosion der Kabel führen. Damit steigt das Risiko, dass gefährliche Kriechströme bis hin zum Kurzschluss bei feuchten Bauteilstrukturen entstehen.Components or finished parts based on a mineral or organic matrix, such. As carbon or textile concrete components or synthetic resin components, are currently running non-self-supporting or, but always without the use of electrical conductivity of the reinforcing fibers to provide data or energy transfer. The current solutions are thus not developed as a holistic building system with integrated digital infrastructure. So far, additional material, such as copper cable, must always be installed in the component as a surface or flush installation. In construction, for example, in the flush installation cable slots must be cut, which is a considerable additional expense. The inclusion of unshielded, unjacketed copper structures for data or power supply can lead to corrosion of the cables. This increases the risk of dangerous creepage currents leading to short circuits in wet component structures.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die verbesserte und vereinfachte Übertragung von Daten und Energie, v. a. in Form von Kleinspannung, in bewehrten bzw. faserverstärkten Bauteilen vorzuschlagen.It is therefore an object of the present invention to provide improved and simplified transmission of data and energy, viz. a. in the form of low voltage, to propose in reinforced or fiber reinforced components.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Daten- und/oder Energieübertragung über wenigstens eine elektrische Leitung bzw. einen Leiter, die bzw. der im Inneren eines ein Matrixmaterial umfassenden Bauteils angeordnet ist. Erfindungsgemäß liegt die elektrische Leitung, die bevorzugt als eine Nachbildung kabelähnlicher Strukturen vorgesehen ist, aus elektrisch leitfähigen textilen Garnen, Fasern oder Rovings im Inneren des Bauteils vor. Sie ist mit der das Bauteil ausbildenden mineralischen Matrix, z. B. Beton, oder der organischen Matrix fest vergossen. Als organische Matrices können z. B. Kunststoffe, Bitumen oder Holz, vorgesehen werden. Dadurch wird eine gezielte Funktionalisierung dieser Strukturen bei gleichzeitig niedrigem Gewicht und hoher Korrosionsbeständigkeit ermöglicht. Dies bringt einen erheblichen Mehrwert durch eine deutlich vereinfachte Handhabung während der Endmontage solcher Strukturen. Die Nutzung der sensorischen Eigenschaften einer so bereits integrierten Struktur bringt ebenfalls einen deutlichen Mehrwert gegenüber einer nachträglichen Sensorinstallation und einer häufig damit verbundenen Strukturschädigung oder -schwächung.The object is achieved by a device for data and / or energy transmission via at least one electrical line or a conductor which is arranged in the interior of a component comprising a matrix material. According to the invention, the electrical line, which is preferably provided as a replica of cable-like structures, consists of electrically conductive textile yarns, fibers or rovings in the interior of the component. It is with the component forming mineral matrix, z. Concrete, or the organic matrix. As organic matrices z. As plastics, bitumen or wood, are provided. This allows targeted functionalization of these structures while maintaining low weight and high corrosion resistance. This brings a significant added value by a much simplified handling during the final assembly of such structures. The use of the sensory properties of such an already integrated structure also brings a significant added value compared to a subsequent sensor installation and often associated structural damage or weakening.

Weitere wesentliche Vorteile liegen in der elektrotechnischen Funktionalität. Beispielsweise arbeiten die üblichen und bekannten Lösungen im Bauwesen im Bereich von 230 Volt. Damit gehen zusätzliche Risiken bei Beschädigungen oder Kriechströmen und erhöhte Preise der Installationstechnik einher. Ein großer Teil von Geräten erfordert keine hohe Spannung, sondern ist bereits mit Kleinspannung betreibbar. Genau in diesem Bereich ist der Einsatz eines leitfähigen textilen Garns, von Fasern oder Rovings in besonders hohem Maße vorteilhaft, wie sich überraschend zeigte.Other significant advantages are in the electrotechnical functionality. For example, the usual and known solutions in construction work in the range of 230 volts. This is accompanied by additional risks of damage or leakage currents and increased prices of the installation technology. A large part of devices does not require high voltage, but is already operable with low voltage. It is precisely in this area that the use of a conductive textile yarn, fibers or rovings is particularly advantageous, as was surprisingly found.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn als textile Fasern, Garne oder Rovings Carbonfasern, Carbongarne oder Carbonrovings vorgesehen sind. Bereits durch den Einsatz von z. B. Textilbeton können bis zu 50 % der Ressourcen bei Herstellung und Transport eingespart werden. Durch die gezielte Funktionalisierung und Nutzung der Carbonrovings als Daten- und Energieleiter für Anwendungen im Kleinspannungsbereich können so zusätzliche Ressourcen aus dem Bereich der Installationstechnik in deutlichem Umfang eingespart werden.It has proved to be particularly advantageous if carbon fibers, carbon fibers or carbon rovings are provided as textile fibers, yarns or rovings. Already by the use of z. B. Textile concrete can be saved up to 50% of resources during production and transport. The targeted functionalization and use of carbon rovings as data and energy conductors for applications in the low-voltage area can thus save considerable additional resources in the field of installation technology.

Die Verwendung von Carbonfasern weist jedoch einige Besonderheiten auf, die berücksichtigt werden müssen. Die Carbonfaser besitzt einen im Vergleich zu Kupfer viel höheren Widerstand. Das bedeutet, dass der Leiterquerschnitt durch die Parallelschaltung einer größeren Anzahl an Fasern erhöht werden muss, um den elektrischen Widerstand zu verkleinern. Mit Fasern, die einen spezifischen Widerstand von 3 Ohm x Quadratmillimeter pro Meter aufweisen, wird ein elektrischer Widerstand erreicht, der um den Faktor 100 über dem von Kupfer liegt. Um also eine übliche Kabelstruktur adäquat durch Carbonfasern zu ersetzen, würde ein Leiterquerschnitt von 150 mm² benötigt, um dieselbe Stromtragfähigkeit zu erreichen. Damit ergibt sich ein Durchmesser von ca. 14 mm. In vielen spezialisierten Anwendungsgebieten ist eine höhere Stromtragfähigkeit jedoch gar nicht notwendig, wie sich überraschend gezeigt hat, sodass neben den besonderen Vorteilen, wie nachfolgend näher ausgeführt, bislang bestehende Hindernisse für die erfindungsgemäße Verwendung sich als überwindbar erwiesen haben.However, the use of carbon fibers has some peculiarities that need to be considered. The carbon fiber has a much higher resistance than copper. This means that the conductor cross-section must be increased by the parallel connection of a larger number of fibers in order to reduce the electrical resistance. With fibers that have a resistivity of 3 ohms x square millimeters per meter, an electrical resistance is achieved by the factor 100 above that of copper. Thus, to adequately replace a common cable structure with carbon fibers, a conductor cross section of 150 mm ^{2 would be} needed to achieve the same current carrying capacity. This results in a diameter of about 14 mm. In many specialized application areas, however, a higher current-carrying capacity is not necessary, as has surprisingly been found, so that in addition to the particular advantages, as explained in more detail below, hitherto existing obstacles to the inventive use have proven to be surmountable.

Sollten darüber hinaus in Zukunft einmal Fasern mit einem spezifischen Widerstand von ≤ 1 Ohm*mm²/m erhältlich sein, fällt die Leistungsbilanzbetrachtung hinsichtlich des Preises in Bezug auf das Gewicht noch deutlicher zu Gunsten der Carbonfaser aus. Eine solche Entwicklung wird als möglich erachtet, da es sich bei den Carbonleitern um einen vollsynthetischen Werkstoff handelt.In addition, if fibers with a resistivity of ≤ 1 ohm * mm ² / m are available in the future, the current account consideration of the price in terms of weight will be even more pronounced in favor of the carbon fiber. Such a development is considered possible because the carbon conductors are a fully synthetic material.

Für eine weitreichende Funktionalität und zur Anpassung der Carbonfasern, Carbongarne oder Carbonrovings, nachfolgend auch als Carbonleiter bezeichnet, an die jeweils vorherrschenden Anforderungen werden diese mit definierten Leitungsparametern ausgestattet oder ausgewählt. Als diese Leitungsparameter kommen insbesondere in Betracht:For a far-reaching functionality and for adapting the carbon fibers, carbon fibers or carbon rovings, hereinafter also referred to as carbon conductors, to the prevailing requirements, these are equipped or selected with defined cable parameters. As these line parameters are particularly considered:

Spezifischer elektrischer Widerstand: Der für den jeweiligen Anwendungsfall notwendige spezifische elektrischer Widerstand der Carbonleiter wird durch Verwendung spezieller Carbongarne, die die erforderlichen elektrischen Leitungseigenschaften aufweisen, erreicht. Besonders bevorzugt sind niederohmige Carbonfasern mit einem spezifischen Widerstand kleiner gleich 3 Ohm*mm²/m je Meter vorgesehen.Specific electrical resistance: The specific electrical resistivity of the carbon conductors required for the particular application is achieved by using special carbon fibers that have the required electrical conductivity. Particular preference is given to low-resistance carbon fibers with a specific resistance of less than or equal to 3 ohm * mm ² / m per meter.

Leitungsquerschnitt: Die Carbonfasern, insbesondere aber die Carbongarne oder Carbonrovings, werden mit definiertem, zuvor berechnetem anwendungsspezifischem Leitungsquerschnitt hergestellt. Dies kann auch durch Auswahl von Carbonfasern mit bestimmtem Durchmesser und einem daraus gefertigten Garn oder Roving mit einer bestimmten Anzahl von Fasern erfolgen.Cable cross-section: The carbon fibers, but especially the carbon fibers or carbon rovings, are manufactured with a defined, previously calculated, application-specific cross-section. This can also be done by selecting carbon fibers of certain diameter and a yarn or roving made therefrom with a certain number of fibers.

Abstände zwischen Hin- und Rückleitern: Die Festlegung definierter Abstände zwischen den Carbonleitern, insbesondere den bevorzugt als Carbongarne ausgeführten Hin- und Rückleitern, erfolgt zur Definierung notwendiger Kabelkapazitäten.Distances between forward and return ladders: The definition of defined distances between the carbon conductors, in particular the return and return conductors, which are preferably designed as carbon yarns, takes place in order to define necessary cable capacities.

Isoliervermögen: Eine Einstellung des notwendigen Isoliervermögens zwischen Hin- und Rückleiter sowie der umgebenden mineralischen oder organischen Matrix erfolgt bevorzugt durch Beschichtung oder Tränkung des Carbongarns bzw. Carbonrovings mit einem geeigneten Dielektrikum unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Permeabilität und Permittivität.Insulating capacity: An adjustment of the necessary insulating capacity between the return conductor and the surrounding mineral or organic matrix preferably takes place by coating or impregnating the carbon yarn or carbon roving with a suitable dielectric, taking into account the resulting permeability and permittivity.

Vorbereitung zur Kontaktierung: Die Vorbereitung der Carbongarne oder -rovings ist zur Kontaktierung einzelner Segmente bzw. Leiter, die in der mineralischen oder organischen Matrix eingebettet sind, erforderlich, um eine Kontaktierung für die Kopplung mit anzuschließenden Nutzelementen, wie z. B. Schalter, Taster, Sensoren und Aktoren, zu ermöglichen. Dadurch wird eine beliebig wiederholbare und sichere Kontaktierung beliebiger Nutzelemente entlang der informationstragenden Carbongarne oder Carbonrovings, beispielsweise durch Schneidklemm- und Durchdringungstechnik, ermöglicht.Preparation for contacting: The preparation of the carbon fibers or rovings is required for contacting individual segments or conductors embedded in the mineral or organic matrix, in order to make a contact for the coupling with useful elements to be connected, such. As switches, buttons, sensors and actuators to allow. This allows any repeatable and secure contacting of any useful elements along the information-carrying carbon fibers or Carbonrovings, for example by insulation displacement and penetration technology allows.

Vorteilhafterweise erfolgt weiterhin in einer Ausführungsform eine Beschichtung des Carbongarns, um die mechanische Aktivierung alle Filamente durch Anbindung an die Matrix sicherzustellen, sodass das Carbongarn statische Aufgaben übernehmen kann. Es ist zur optimalen Lastabtragung erforderlich, dass eine möglichst große Vielzahl von Carbonfasern unmittelbar an das Matrixmaterial angebunden ist, damit sich die in ein Bauteil eingetragene Last entsprechend auf die Fasern möglichst gleichmäßig verteilen kann. Advantageously, furthermore, in one embodiment, a coating of the carbon yarn takes place in order to ensure mechanical activation of all filaments by attachment to the matrix, so that the carbon yarn can assume static tasks. It is necessary for optimal load transfer, that as large a variety of carbon fibers is connected directly to the matrix material, so that the registered in a component load can be distributed as evenly as possible on the fibers.

Eine vorteilhafte Anwendung der vorliegenden Erfindung sieht eine Datenübertragung insbesondere zwischen den elektrischen Kontakten vor, bevorzugt über ein Bussystem, wobei ein digitales Trägermodulationsverfahren eingesetzt wird. Ein Trägersignal, oder kurz Träger (engl. carrier) genannt, ist eine sich periodisch ändernde technische Größe (z. B. eine Wechselspannung oder eine Funkwelle) mit konstanten charakteristischen Parametern (z. B. Frequenz, Amplitude, Tastgrad, Phasenlage). Träger kommen zur Anwendung beim Transport eines Nutzsignals mittels eines Trägerfrequenzverfahren; dabei wird das Nutzsignal in einem oder mehreren der genannten Parameter des Trägersignals abgebildet (moduliert). Beim Empfänger ist das Trägersignal das Bezugssignal zur Demodulation eines zuvor modulierten Trägers. Mit dessen Hilfe wird das Nutzsignal vom Trägersignal getrennt.An advantageous application of the present invention provides for data transmission in particular between the electrical contacts, preferably via a bus system, wherein a digital carrier modulation method is used. A carrier signal, or carrier for short, is a periodically changing technical quantity (eg an alternating voltage or a radio wave) with constant characteristic parameters (eg frequency, amplitude, duty cycle, phase position). Carriers are used when transporting a payload signal by means of a carrier frequency method; In this case, the useful signal is mapped (modulated) in one or more of said parameters of the carrier signal. At the receiver, the carrier signal is the reference signal for demodulating a previously modulated carrier. With its help, the useful signal is separated from the carrier signal.

Die Datenübertragung über Carbonleiter, insbesondere Carbonfasern, Carbongarn oder Carbonrovings, führt zu einer geringeren elektromagnetischen Abstrahlung und ebenso zu einer Verringerung der Einkopplung externer Störsignale, wie sich überraschend gezeigt hat. Folge dessen ist somit eine erhebliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) bei der Datenübertragung. Damit kann folglich die elektromagnetische Abstrahlung in Räumen nahezu vermieden sowie die Störanfälligkeit der Systeme stark verbessert werden. Ein herausragender Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt somit in der ab- und einstrahldämpfenden Wirkung. Dieser Effekt zeigt sich besonders deutlich, wenn nach einer bevorzugten Ausführungsform die Carbonfasern als Medium zur frequenzmodulierten Datenübertragung vorgesehen sind. Nicht zuletzt wegen des vorgenannten Effekts erweist sich die Verwendung von Carbonleitern auch im Sinne ein herkömmliches Kabel als vorteilhaft, unabhängig von ihrem Einbau in eine Matrixstruktur oder von einer gleichzeitigen Verwendung als Bewehrung. Sofern die Carbonleiter als Verstärkungsfasern bzw. Bewehrung genutzt werden, ist neben dem Bauwesen auch ein Einsatz in anderen Industrien vorgesehen, wie im Automobilbau, im Flugzeugbau oder im Maschinenbau in den dort verwendeten Bauteilen. Dies betrifft gleichermaßen die unten beschriebenen Effekte und Anwendungen.The data transmission via carbon conductors, in particular carbon fibers, carbon yarn or carbon rovings, leads to a lower electromagnetic radiation and also to a reduction in the coupling of external interference signals, as has surprisingly been found. Consequently, there is a significant improvement in the signal-to-noise ratio (SNR) during data transmission. Thus, the electromagnetic radiation in rooms can be almost avoided and the susceptibility of the systems can be greatly improved. An outstanding advantage of the present invention is thus in the ab- and Einstrahldämpfenden effect. This effect is particularly evident when, according to a preferred embodiment, the carbon fibers are provided as a medium for frequency-modulated data transmission. Not least because of the aforementioned effect, the use of carbon conductors in the sense of a conventional cable proves to be advantageous, regardless of their incorporation into a matrix structure or of a simultaneous use as a reinforcement. Insofar as the carbon conductors are used as reinforcing fibers or reinforcements, in addition to construction, they are also intended for use in other industries, such as in the automotive industry, in aircraft construction or in mechanical engineering in the components used there. This equally applies to the effects and applications described below.

Als ein weiterer vorteilhafter Einsatz der Carbonfasern im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden diese genutzt, um eine Veränderung des physischen Informationskanals festzustellen. Eine solche Veränderung kann beispielsweise durch Anschalten oder Entfernen von Komponenten, durch Störungen von außen oder durch direkte Veränderungen an dem Carbonleiter, wie z. B. Quetschung oder Stauchung, hervorgerufen werden. Im Ergebnis ist dies als eine Veränderung des physischen Informationskanal zu detektieren, indem zu einer frequenzmodulierten Datenübertragung eine vom Signal-Rausch-Verhältnis-(SNR)-abhängige Datenträgerverteilung vorgenommen wird. Eine Veränderung des Übertragungskanals führt immer zu einer Veränderung des SNR im einzelnen eingesetzten Informationsträger. Dadurch ergibt sich die Eigenschaft einer von der Topologie abhängigen Trägerverteilung. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um die oben genannte Veränderung des physischen Informationskanals zu detektieren und ermöglicht eine Funktion als sensorisches Element in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten. Eine Detektion von Strukturveränderungen in leitenden Elementen kann helfen, Alterung und Verschleiß oder unzulässige Zugriffe festzustellen und somit die physische Zugriffssicherheit verschiedenster Applikationen zu erhöhen. Als Vorteile sind eine verbesserte Sicherheit und die Möglichkeit eines Monitoring zu nennen.As another advantageous use of the carbon fibers in the present invention, they are used to detect a change in the physical information channel. Such a change, for example, by turning on or removing components, by external interference or by direct changes to the carbon conductor, such. As crushing or compression, caused. As a result, this is to be detected as a change in the physical information channel by making a signal to noise ratio (SNR) dependent volume distribution to a frequency modulated data transmission. A change in the transmission channel always leads to a change in the SNR in the individual information carrier used. This results in the property of a carrier distribution dependent on the topology. This property can be used to detect the above-mentioned change in the physical information channel and enables a function as a sensory element in a wide variety of application areas. Detecting structural changes in conductive elements can help to identify aging and wear or improper access, thereby increasing the physical access security of a wide variety of applications. Advantages include improved safety and the possibility of monitoring.

Im dem Zusammenhang ist es nach der Erfindung auch vorgesehen, die die Carbonleiter, z. B. die Carbonfasern bzw. den Carbonroving, als sensorisches Element in Bezug auf Detektierung von Kapazitäts- und Widerstandsänderungen bei Berührung oder Verformung einzusetzen. Damit können Steuerungssignale u. a. auch durch Multi-Touch-Gesten gänzlich ohne Schalter in Bauteile eingebracht und durch die ebenfalls mögliche Kontaktierung entsprechend weitergeleitet werden.In this context, it is also provided according to the invention, the carbon conductors, z. As the carbon fibers or the carbon roving to use as a sensory element in relation to detection of capacitance and resistance changes in contact or deformation. Thus, control signals u. a. also be introduced by multi-touch gestures entirely without switches in components and passed through the also possible contacting accordingly.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, die Carbonfasern, das Carbongarn oder den Carbonroving als einen Aktor auszugestalten. Dazu werden bevorzugt die Carbonfasern, das Carbongarn oder der Carbonroving als Wicklung um einen ferromagnetischen Metallkern, insbesondere einen weichmagnetischen Eisenkern, angeordnet, welcher in der mineralischen oder organischen Matrix beweglich angeordnet ist. Möglich wären damit Schaltungen bzw. Bewegungen von z. B. Schlössern oder elektrischen Schaltern bei vollständiger galvanischer Entkopplung.A further advantageous embodiment provides to design the carbon fibers, the carbon yarn or the carbon roving as an actuator. For this purpose, the carbon fibers, the carbon yarn or the carbon roving are preferably arranged as a winding around a ferromagnetic metal core, in particular a soft magnetic iron core, which is movably arranged in the mineral or organic matrix. It would be possible circuits or movements of z. B. locks or electrical switches with complete galvanic decoupling.

Um die oben bereits erwähnte elektrische Kontaktierung der Carbonleiter zu erreichen, sind aus dem Bauteil nach außen reichende und von außerhalb des Bauteils zugängliche elektrische Kontakte vorgesehen und mit den Carbonleitern zumindest elektrisch verbunden.In order to achieve the above-mentioned electrical contacting of the carbon conductors are provided from the component to the outside and accessible from outside the component electrical contacts and connected to the carbon conductors at least electrically.

Die als Carbonleiter dienenden Carbonfasern, -garne oder -rovings sind insbesondere auch als Bewehrung für ein Bauteil, umfassend das Matrixmaterial, vorgesehen. Da die Bauteile, die eine mineralische Matrix, wie z. B. bei Textilbeton, aufweisen, auch bei extremen Anforderungen und Expositionsklassen keine Bewehrungskorrosion im Laufe ihrer Lebensdauer aufweisen, können so auch im widrigsten Umfeld die Langlebigkeit und dauerhafte Funktionsfähigkeit von Anlagen der Kleinspannungsinstallation deutlich gesteigert werden. The carbon fibers, yarns or rovings serving as carbon conductors are in particular also provided as reinforcement for a component comprising the matrix material. Since the components that a mineral matrix, such. As in textile, have, even with extreme requirements and exposure classes no reinforcement corrosion in the course of their life, so the longevity and long-term functionality of systems of low voltage installation can be significantly increased even in the most adverse environment.

Damit soll es möglich sein, optional auch die statische Funktion der Carbonfasern, des Carbongarns oder des Carbonrovings nutzbar zu machen. Dies ermöglicht schließlich eine Dreifachnutzung des Garns. Damit könnte in bisher unvergleichlicher Weise extrem strukturintegriert konstruiert werden, v. a. mit einer Leiterstruktur, die deutlich leichter ist. Denn die Dichte von Carbongarn beträgt ca. 1800 kg/m³, vergleichbare Daten- oder Energieleiter aus Kupfer ca. 9000 kg/m³.This should make it possible to optionally also use the static function of carbon fibers, carbon yarn or carbon roving. This finally allows a triple use of the yarn. In this way, it would be possible to construct an extremely structurally integrated system in a hitherto incomparable manner, above all with a ladder structure that is significantly lighter. Because the density of carbon yarn is about 1800 kg / m ³ , comparable data or energy conductors made of copper about 9000 kg / m ³ .

Es erfolgt eine Kombination verschiedener Vorteile von Carbonrovings (Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Gewicht usw.). So kann in Konstruktionselementen und anderen Bauteilen die statisch wirksame Funktion der Carbonstruktur auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen (bspw. Feuchtigkeit, Vermeidung von magnetischen Strukturen, usw.) überlagert werden mit der Nutzung der Carbonrovings zum Übertragen von Daten und/oder Energie.There are a combination of different advantages of carbon rovings (tensile strength, corrosion resistance, weight, etc.). Thus, in structural elements and other components, the statically effective function of the carbon structure can be superimposed even under difficult environmental conditions (eg moisture, avoidance of magnetic structures, etc.) with the use of carbon rovings for transmitting data and / or energy.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, umfassend eine funktionell aufgewertete Bewehrung, wie zuvor beschrieben. Das Bauteil ist beispielsweise als industriell vorgefertigtes Wandelement für ein Gebäude ausgebildet oder auch anderen Bereichen als dem Bauwesen, z. B. im Fahrzeug- oder Maschinenbau.Another aspect of the present invention relates to a component comprising a functionally upgraded reinforcement as described above. The component is formed, for example, as an industrially prefabricated wall element for a building or other areas than the building, z. B. in vehicle or mechanical engineering.

Die Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Auswahlkonfiguration von Carbonleitern, z. B. Carbonrovings, zur Funktionalisierung, wie sie oben beschrieben wurde. Erfindungsgemäß wird eine Konfiguration bestimmter Parameter vorgenommen, so dass die gewünschte Funktionalisierung für den jeweiligen Einsatzzweck des Carbonleiters erreicht wird, wobei Variationen der folgenden Eigenschaften des carbonbasierten Grundmaterials, z. B. Carbongarn, zum Tragen kommen:The invention is further solved by a method for selecting configuration of carbon conductors, e.g. As carbon rovings, for functionalization, as described above. According to the invention, a configuration of certain parameters is made so that the desired functionalization for the particular application of the carbon conductor is achieved, wherein variations of the following properties of the carbon-based base material, for. B. Carbongarn, come into play:

Elektrische Eigenschaften:

• Fasertyp,
• spezifischer elektrischer Widerstand,
• Durchmesser der Einzelfilamente und der sich daraus ergebenden Faserbündel,
• Länge der Struktur (die Länge des sich ergebenden Einzelleiters),
• Abstand der Leitungen bzw. Leiter (spezifiziert letztlich die Kabelkapazität), Kreuzungspunkte (ausschlaggebend für eine unerwünschte Fremdeinkopplung bzw. ein Übersprechen),
• Stromtragfähigkeit (ergibt sich aus Widerstand und Temperaturkoeffizienten der erstellten Struktur);

Electrical Properties:

• fiber type,
Specific electrical resistance,
The diameter of the individual filaments and the resulting fiber bundles,
Length of the structure (the length of the resulting individual conductor),
• Distance of the cables or conductors (ultimately specifies the cable capacitance), points of intersection (decisive for an unwanted external interference or crosstalk),
• Current carrying capacity (results from resistance and temperature coefficients of the created structure);

Volumenanteil pro Struktureinheit:

• Anzahl Fasern,
• Lage der Fasern zueinander;

Volume fraction per structural unit:

• number of fibers,
• position of the fibers to each other;

Beschichtung von Faserverbünden:

• Garn eingewebt in vorgefertigte Strukturen wie Trägerfolien oder wasserlösliche Fixierungsstrukturen (beispielsweise ein Stoffband) zur besseren maschinellen Handhabbarkeit und industriellen Verarbeitung, um die vorher festgelegten Kabeleigenschaften der zu verwendenden Garne bei der Einbringung in den Beton zu garantieren,
• mit Faden umgarnt als isolierende und strukturfestigende Ummantelung,
• Gummibeschichtung als isolierende und strukturfestigende Ummantelung,
• Epoxidharz (Einbettung/Verbund),
• besandet (verbesserte Kraftübertragung in die Matrix),
• feuerbeständige Beschichtung;

Coating of fiber composites:

Yarn woven into prefabricated structures such as carrier sheets or water-soluble fixing structures (for example a fabric tape) for better machinability and industrial processing in order to guarantee the predetermined cable properties of the yarns to be used in the concrete,
• wrapped in thread as an insulating and structuring sheath,
• rubber coating as an insulating and structuring sheath,
• epoxy resin (embedding / composite),
• sanded (improved transmission of force into the matrix),
• fire-resistant coating;

Matrix-Einbettung:

• in Bauteilebene (mineralische oder organische Matrix wie Beton, Innenputz, Estrich, Kunstharz, Bitumen, Holz usw.) oder in funktionalisierte Garne bzw. Leiter innerhalb eines faserverstärkten Bewehrungsstabes,
• in Mantelebene (Ummantelung der Rovingbündel: verschiedene Materialien sind vorgesehen, insbesondere thermoplastische Materialien wie PC, TPU, PUR, PET, W-PVC, H-PVC, EVOH, EVA, ABS, HDPE, LDPE, MDPE, LLDPE, TPE, TPV, PP, PS, PA, PMMA, POM, PEEK, Schmelzkleber, Haftvermittler, glasfaserverstärkte Materialien, kreidegefüllte Polyolefine, Fluorpolymere oder auch Gewebeschläuche aus Folie, Fiberglas, Siliziumfasern);
• in Kernebene (verbindende Matrix zwischen den Garnen): verschiedene Materialien sind vorgesehen, insbesondere leitende Beschichtungen, ausgeführt als Coatings, Kupferbeschichtungen, elektrisch leitende Dispensierungsmaterialien, elektrisch leitende Kleber und elektrisch leitende Dichtmassen. Dies kann unter Umständen notwendig sein, um die Leitungsparameter gezielt zu beeinflussen, eine bessere Beständigkeit und/oder eine bessere Verarbeit- und Handhabbarkeit zu erzielen.

Matrix embedding:

• in component level (mineral or organic matrix such as concrete, interior plaster, screed, synthetic resin, bitumen, wood, etc.) or in functionalized yarns or conductors within a fiber-reinforced reinforcing bar,
• at sheath level (wrapping of roving bundles: different materials are planned, in particular thermoplastic materials such as PC, TPU, PUR, PET, W-PVC, H-PVC, EVOH, EVA, ABS, HDPE, LDPE, MDPE, LLDPE, TPE, TPV , PP, PS, PA, PMMA, POM, PEEK, hotmelt adhesives, adhesion promoters, glass-fiber reinforced materials, chalk-filled polyolefins, fluoropolymers or fabric hoses made of film, fiberglass, silicon fibers);
• in core level (connecting matrix between the yarns): various materials are provided, in particular conductive coatings, carried out as coatings, copper coatings, electrically conductive dispensing materials, electrically conductive adhesives and electrical conductive sealants. Under certain circumstances, this may be necessary in order to influence the line parameters in a targeted manner, to achieve better durability and / or better workability and handling.

Je nach gewünschter Zielapplikation sind als Grundanforderungen zumindest die geometrischen Abmessungen der Struktur und die an die Geometrie der gesamten Carbonstruktur anzuschließenden elektrischen Teilnehmer (Input, Output) der Anwendung festzulegen. Anhand dieser Einordnung erfolgt dann nach definierten Grundprinzipien die Klassifizierung der notwendigen elektrischen Kontaktierung der Carbongarnstruktur.Depending on the desired target application, at least the geometric dimensions of the structure and the electrical participants (input, output) of the application to be connected to the geometry of the entire carbon structure are to be defined as basic requirements. On the basis of this classification, the classification of the necessary electrical contacting of the carbon yarn structure then takes place according to defined basic principles.

Die Konfiguration der Carbonrovings bzw. der Carboneigenschaften basiert auf einem Auswahlalgorithmus als wichtige Grundlage für die erfindungsgemäße Funktionalisierung. Hierbei werden Entscheidungen zur Ausbildung der jeweiligen Carbonstruktur, unter Berücksichtigung von z. B. Materialeigenschaften, Materialkombination, Konstruktion usw., in Beziehung gesetzt. Dem künftigen Anwender der vorliegenden Erfindung wird mittels der Daten ermöglicht, das Produkt so auszuwählen, dass die gewünschte Funktion in die jeweilige Anwendung, z. B. in ein Konstruktionselement, integriert wird. Um vor diesem Hintergrund die komplexen Datenverknüpfungen und Auswahlentscheidungen nutzerfreundlich zu gestalten, wird bevorzugt oder alternativ eine rechnergestützten Produktparametrisierung vorgesehen.The configuration of the carbon rovings or the carbon properties is based on a selection algorithm as an important basis for the functionalization according to the invention. In this case, decisions to train the respective carbon structure, taking into account z. As material properties, material combination, construction, etc., related. The prospective user of the present invention is enabled by the data to select the product so that the desired function in the particular application, for. B. in a construction element, is integrated. In order to make the complex data connections and selection decisions user-friendly in this context, computer-aided product parameterization is preferably or alternatively provided.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur gleichzeitigen Übertragung von Daten und Energie. Basierend auf den passend konfigurierten Eigenschaften kann die Carbonfaser somit zur Durchführung des Verfahrens kontrolliert funktionalisiert werden und in verschiedenste Strukturen, insbesondere mineralische oder organische Matrices, integriert werden und sich somit ein essentieller Mehrwert für den Einsatz dieses Werkstoffes, Carbon in Form der Carbonleiter, ergeben. Die Kombination der Daten- und Energieübertragung mittels Carbonleiter, z. B. Carbongarnen, ermöglicht einige integrierte Funktionalitäten.The invention further relates to a method for the simultaneous transmission of data and energy. Based on the suitably configured properties, the carbon fiber can thus be functionalized for carrying out the process and integrated into a wide variety of structures, in particular mineral or organic matrices, thus resulting in an essential added value for the use of this material, carbon in the form of carbon conductors. The combination of data and energy transfer by means of carbon conductors, z. As carbon yarns, allows some integrated functionality.

Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Verwendung einer Bewehrung aus leitfähigen Filamenten zu einer Datenübertragung und/oder eine Energieübertragung, wie oben näher erläutert. Damit wird eine synergetische Dreifachnutzung erreicht. Die vorliegende Erfindung kann damit viele der oben im Stand der Technik benannten Nachteile vermeiden und alle Komponenten für die Nutzbarmachung z. B. der Carbonrovings als Bewehrungselement mit gleichzeitiger Daten- und Energieleitung, insbesondere mit Niederspannungsleiterfunktionalität, bereitstellen.According to the invention, furthermore, a use of a reinforcement made of conductive filaments for a data transmission and / or an energy transmission, as explained in more detail above. This achieves a synergetic triple use. The present invention can thus avoid many of the above-mentioned in the prior art disadvantages and all components for the utilization z. As the Carbonrovings as a reinforcing element with simultaneous data and power line, in particular with low-voltage conductor functionality, provide.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, für viele Anwendungsfälle geeignete Carbonleiterstrukturen zu entwickeln, die im vordefinierten Rahmen sowohl Daten als auch Elektroenergie, wie z. B. Kleinspannung, durch ein und denselben Carbonleiter übertragen können und dabei gleichzeitig den steigenden ökologischen Anforderungen entsprechen. Dadurch kann dem Carbonleiter eine Dreifachfunktion als Daten- und Energieleiter für die Gebäudeautomation sowie als Bewehrung der Baukonstruktion zugeordnet werden. Die erfindungsgemäßen Bauteile sollen kostengünstig und durch automatisierte Verfahren fertigbar sein sowie zu keiner weiteren nachträglichen Materialeinbringung, wie sie durch zusätzliche Verkabelung nötig wird, und einer damit verbundenen Strukturschwächung, z. B. durch Kabelschlitzung, führen oder gar in eine Verdickung der Baukonstruktionen münden.The aim of the present invention is in particular to develop suitable carbon fiber structures for many applications, in the predefined framework both data and electrical energy such. B. low voltage, can transmit through one and the same carbon fiber and at the same time meet the increasing environmental requirements. As a result, the carbon conductor can be assigned a triple function as data and energy manager for building automation as well as reinforcement of the building construction. The components according to the invention should be inexpensive and manufacturable by automated methods and no further subsequent material introduction, as required by additional wiring, and an associated structural weakening, z. B. by cable slitting, lead or even lead to a thickening of the structures.

Bevorzugt erfolgt eine gezielte Nachbildung kabelähnlicher Strukturen aus Carbonrovings in der Bewehrungsstruktur mit definierten Leitungsparametern wie:

• spez. elektrischer Widerstand durch Verwendung spezieller Carbongarne,
• Herstellung definierter und vorher berechneter anwendungsspezifischer Leitungsquerschnitte,
• Festlegung definierter Abstände der als Garne ausgeführten Hin- und Rückleiter zur Definierung notwendiger Kabelkapazitäten,
• Erstellung des notwendigen Isoliervermögens zwischen Hin- und Rückleiter sowie der umgebenden Struktur (mineralische Matrix) durch Beschichtung bzw. Tränkung des Carbonrovings mit einem geeigneten Dielektrikum unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Permeabilität und Permittivität,
• Vorbereitung der Carbonrovings zur Kontaktierung einzelner Segmente aus mineralischer Matrix bzw. Kontaktierung anzuschließender Nutzelemente (Schalter, Taster, Sensoren und Aktoren) durch gezielte Galvanisierung der Rovingenden,
• Nutzbarmachung der Schneidklemm- und Durchdringungstechnik zur beliebig wiederholbaren und sicheren Kontaktierung beliebiger Nutzelemente entlang der informationstragenden Carbonrovings,
• Festlegen, ob das Carbongarn statische Aufgaben übernehmen soll, hierzu
• Definition der Beschichtung des Carbongarns, um die Aktivierung alle Filamente sicherzustellen.

Preference is given to a targeted replication of cable-like structures made of carbon rovings in the reinforcement structure with defined line parameters such as:

• spec. electrical resistance by using special carbon fibers,
• production of defined and previously calculated application-specific cable cross-sections,
Definition of defined distances of the outgoing and return conductors designed as yarns for defining necessary cable capacities,
Creation of the necessary insulating capacity between the return conductor and the surrounding structure (mineral matrix) by coating or impregnating the carbon roving with a suitable dielectric, taking into account the resulting permeability and permittivity.
Preparation of the carbon rovings for contacting individual segments of mineral matrix or contacting useful elements to be connected (switches, buttons, sensors and actuators) by targeted galvanization of the roving ends.
• Utilization of insulation displacement and penetration technology for any repeatable and secure contacting of any useful elements along the information-carrying carbon rovings,
• Determine whether the carbon yarn should perform static tasks, see
• Definition of the carbon yarn coating to ensure activation of all filaments.

Die so erstellten funktionalisierten Carbonleiter, z. B. Carbongarne oder auch Rovings, zur Daten- und Energieübertragung werden dann z. B. in den automatisierten Herstellungsprozess oder auf der Baustelle integriert und mit Strukturen aus rein tragenden Garnen gemischt. Dabei kann die Ausgestaltung entweder nach kundenindividualisierbarer Funktionalität des Bauteils oder einem universell einsetzbarem Bauteil als Massenprodukt entschieden werden. Bereits während des Herstellungsprozesses wird ein Koppelmodul, eine Schnittstelle, zur Anbindung an das oder die nächsten Segmente z. B. in ein Betonwandsegment, welches an ein weiteres Betonwandsegment anschließt, integriert. Damit soll sichergestellt werden, dass immer eine definierte Verbindung unterschiedlichster Segmente hergestellt werden kann. Durch die Nutzung von Schneidklemm- und Durchdringungstechnik wird es im Nachgang ermöglicht, z. B. Aktorik (wie einfache LED-Module) und Sensorik an frei wählbaren Positionen an einen digitalen Datenbus anzukoppeln.The thus created functionalized carbon conductors, z. As carbon fibers or rovings to Data and energy transfer are then z. B. integrated into the automated manufacturing process or on the site and mixed with structures of purely supporting yarns. In this case, the configuration can be decided either as a mass product according to customizable functionality of the component or a universally applicable component. Already during the manufacturing process, a coupling module, an interface for connection to the or the next segment z. B. in a concrete wall segment, which connects to another concrete wall segment integrated. This is to ensure that always a defined connection of different segments can be made. Through the use of insulation displacement and penetration technology, it is possible in the subsequent, z. B. Actuators (such as simple LED modules) and sensors to connect freely selectable positions to a digital data bus.

Die herausragenden Vorzüge der vorliegenden Erfindung bestehen in der Dreifachnutzung von Carbonleitern zur Verwendung als Bewehrungselement sowie als Daten- und/oder Energieübertragungsmedium in Segmenten, basierend auf einer mineralischen oder organischen Matrix, wie z. B. Beton. Gerade auch die Kombination aus Datenübertragung und Energieübertragung stellt eine vorteilhafte Besonderheit der Erfindung dar. Synergetisch können also individuell die Bewehrungsfunktion, die Funktion der Datenübertragung und/oder die Energieübertragung kombiniert werden. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Kombination von mindestens zwei der vorgenannten drei Funktionen erwiesen.The outstanding advantages of the present invention are the triple use of carbon conductors for use as a reinforcing element and as a data and / or energy transfer medium in segments based on a mineral or organic matrix, such as. Concrete. Especially the combination of data transmission and energy transfer represents an advantageous peculiarity of the invention. Thus synergetically the reinforcement function, the function of the data transfer and / or the energy transfer can be combined individually. To be particularly advantageous, a combination of at least two of the aforementioned three functions has been found.

All das kann zukünftig automatisiert auf einer Fertigteilumlaufanlage hergestellt werden. Die gefertigten und somit bereits vollständig verkabelten Einzelbauteile können auf der Baustelle zu einem Bausystem zusammengefügt werden. Damit können komplett mit digitaler Infrastruktur (Smart-Home) ausgestattete Bauwerke durch das vorliegende System realisiert werden.All this can be automated in the future on a precast circulation system. The finished and thus already fully wired individual components can be assembled on the construction site to form a construction system. In this way, buildings completely equipped with digital infrastructure (smart home) can be realized by the present system.

Die bereits als Stützstruktur in Bauteilen mit mineralischer Matrix, z. B. Textilbeton, eingesetzten Carbonleiter werden gleichzeitig als Medium für die Übertragung von Daten und benötigter Versorgungsenergie im Niederspannungsbereich, z. B. für die Hausautomation in Gebäuden und Infrastrukturbauwerken, genutzt. Dafür soll ein frequenzmodulierter Kommunikationsbus als Grundlage dienen, um über leitfähige und in den Übertragungseigenschaften angepasste Carbonrovings z. B. die Teilnehmer einer Hausautomation, unter dem Stichwort Smart-Home, miteinander zu vernetzen und gleichzeitig mit Energie zu versorgen.Already as a support structure in components with mineral matrix, eg. As textile concrete, used carbon conductors are used simultaneously as a medium for the transmission of data and required supply energy in the low voltage range, eg. B. for home automation in buildings and infrastructure structures used. For a frequency-modulated communication bus should serve as a basis for using conductive and adapted in the transmission properties Carbonrovings z. As the participants in a home automation, under the keyword smart home to network with each other and at the same time to provide energy.

Die vorliegende Erfindung kombiniert die Vorteile von Carbonleitern, insbesondere Carbonrovings und anderen Formen von Carbonfasern, in Bezug auf die Verwendung im Bereich der Statik und der Nutzung als Daten- und/oder Energieübertragungsmedium. Als Ergebnis steht ein flexibel einsetzbares Bewehrungssystem für Innen- und Außenbauteile, welches den Ansprüchen des Marktes in höchstem Maß gerecht wird, weil damit sowohl eine Statik- und Gewichtsverbesserung sowie die Nutzung als Daten- und Energieübertragungselement im gleichen System umgesetzt werden können. Zusätzlich soll bereits bei z. B. der Betonbauteilherstellung erstmalig über die Verbindung von Carbonrovings mit der bereits beschriebenen sensorischen Eigenschaft der eingesetzten frequenzmodulierten Übertragungstechnik ein Schutz vor ungewolltem externen Eingriff in die digitale Datenübertragungsstruktur integriert werden.The present invention combines the advantages of carbon conductors, in particular carbon rovings and other forms of carbon fibers, with respect to the use in the field of statics and the use as data and / or energy transmission medium. The result is a flexibly applicable reinforcement system for interior and exterior components, which meets the requirements of the market to the highest degree, because it can be used in the same system both a statics and weight improvement and use as a data and energy transfer element. In addition, should already at z. As the concrete component manufacturing for the first time via the connection of carbon rovings with the already described sensory property of the frequency-modulated transmission technique used a protection against unwanted external interference in the digital data transmission structure can be integrated.

Die vorliegende Erfindung kann viele der Nachteile des Stands der Technik beheben und alle Komponenten für die Nutzbarmachung der Carbonrovings als Bewehrungselement mit gleichzeitiger Daten- und Niederspannungsleiterfunktionalität bereitstellen.The present invention can overcome many of the disadvantages of the prior art and provide all the components for harnessing carbon rovings as a reinforcing element with simultaneous data and low-voltage conductor functionality.

Es ergeben sich damit erhebliche planungstechnische Vorteile sowie mehr Sicherheit und Reproduzierbarkeit der Einzelsegmente durch Vermeidung nachträglicher Installationsschritte durch ausführende Gewerke, aber auch deutliche Gewichtsreduzierungen der vollständig vorverkabelten Segmente aus mineralischer Matrix, wie z. B. Textilbeton, gegenüber Alternativen auf Kupferbasis. Denn die Erfindung ermöglicht den Aufbau von Bauteilen mit deutlich weniger Ressourcen, da die bereits eingesetzte Bewehrung zusätzlich als Daten- und Energieleiter verwendet wird. Dies führt zu der bereits erwähnten Gewichts- und Installationsersparnis. Durch den Einsatz einer automatisierten industriellen Fertigung ergibt sich hier eine vereinfachte Smart-Home-Vorinstallation von Sensorik und Aktorik, wie am Beispiel der Integration von Schaltern, Sensoren und Lichtelementen in Bauteilsegmente erkennbar. Als positiver Nebeneffekt kann zusätzlich die Eigenschaft einer verbesserten elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und einer geringeren Ab- bzw. Einstrahlung bei Verwendung einer hochfrequenten Datenübertragung über die textilen Carbonleiter, insbesondere die Carbonrovings, -fasern oder -garne, im Vergleich zur Kupferinstallation gesehen werden.This results in considerable planning advantages and more safety and reproducibility of the individual segments by avoiding subsequent installation steps by exporting trades, but also significant weight reductions of completely pre-wired segments of mineral matrix, such. As textile concrete, over alternatives based on copper. Because the invention enables the construction of components with significantly fewer resources, since the already used reinforcement is also used as a data and energy manager. This leads to the already mentioned weight and installation savings. The use of automated industrial manufacturing results in a simplified smart home pre-installation of sensors and actuators, as shown by the example of the integration of switches, sensors and lighting elements in component segments. As a positive side effect, in addition the property of improved electromagnetic compatibility (EMC) and less radiation or radiation when using a high-frequency data transmission over the textile carbon conductors, in particular carbon rovings, fibers or yarns, compared to the copper installation can be seen.

Das Anwendungsfeld ist durch die mögliche Integration in verschiedene Matrices offen. Im Fall der Betonbauteilherstellung ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung besonders sinnvoll. Bei Kombination von Carbonstruktur mit Beton erhält der Anwender ein flexibel einsetzbares und zugleich multifunktionales Bewehrungssystem für Innen- und Außenbauteile, welches den Ansprüchen des Marktes in höchstem Maß gerecht wird. Damit können sowohl eine Statik- und Gewichtsverbesserung sowie die Nutzung als Daten- und Energieübertragungselement im gleichen System umgesetzt und damit auch der Installationsaufwand deutlich verringert werden. Erfindungsgemäß wird über die Verbindung von Carbonrovings mit den sensorischen Eigenschaften einer frequenzmodulierten Übertragungstechnik ein Schutz vor ungewolltem externem Eingriff in die digitale Datenübertragungsstruktur integriert. Nachträgliche unerwünschte Bauteilveränderungen lassen sich somit in Echtzeit auswerten. Neben Betonbauteilen findet die vorliegende Erfindung gleichermaßen Einsatz anderen Bauteilen, z. B. aus faserverstärktem Kunststoff, wie sie in vielen Gebieten, als Beispiele seien der Fahrzeug- und der Maschinenbau genannt, zum Einsatz kommen.The field of application is open due to the possible integration into different matrices. In the case of concrete component manufacturing, the use of the solution according to the invention is particularly useful. When combining carbon structure with concrete, the user receives a flexibly applicable and at the same time multifunctional reinforcement system for interior and exterior components, which meets the demands of the market to the highest degree. With that you can both a statics and weight improvement as well as the use as a data and energy transfer element in the same system implemented and thus the installation costs are significantly reduced. According to the invention, the connection of carbon rovings with the sensory properties of a frequency-modulated transmission technology provides protection against unintentional external intervention in the digital data transmission structure. Subsequent undesired component changes can thus be evaluated in real time. In addition to concrete components, the present invention is equally used other components, such. B. made of fiber-reinforced plastic, as they are in many areas, as examples of vehicle and mechanical engineering, are used.

Weitere Vorteile liegen darin, dass ein mit Wechselspannung beaufschlagter Carbonleiter nicht oder deutlich geringer als andere in Frage kommende Materialien elektromagnetisch abstrahlt und seinerseits kaum Störstrahlung absorbiert. Dadurch wird auch das Problem des Übersprechens von benachbarten Leitungen vermindert.Further advantages are that an ac voltage acted upon carbon fiber does not radiate or significantly less than other candidate materials electromagnetically and in turn hardly absorbs spurious radiation. This also reduces the problem of crosstalk from adjacent lines.

Mit einer automatisierten Herstellung von Betonbauteilen auf einer Fertigteilumlaufanlage können die gefertigten und somit bereits vollständig verkabelten Einzelbauteile und Komponenten während der Endmontage zu einem bereits funktionsfähigen Bausystem zusammengefügt werden. Durch die vorliegende Erfindung können mit bereits digital ausgestalteter Infrastruktur (z. B. Smart-Home) vorgerüstete Bauteile schneller und einfacher zu bereits komplett elektrisch erschlossenen Bausystemen führen.With an automated production of concrete components on a precast circulation system, the manufactured and thus already completely wired individual components and components can be assembled during the final assembly to an already functioning construction system. By virtue of the present invention, components which have already been equipped with a digitally configured infrastructure (eg smart home) can lead faster and more easily to building systems which are already completely electrically connected.

Denn die Erfindung ermöglicht z. B. im Bauwesen den Aufbau von Bauteilen mit deutlich weniger Ressourcen, da die bereits eingesetzte Bewehrung zusätzlich als Daten- und Energieleiter verwendet wird. Dies führt zu der bereits erwähnten Gewichts- und Installationsersparnis. Durch den Einsatz einer automatisierten industriellen Fertigung ergibt sich hier eine vereinfachte Smart-Home Vorinstallation von Sensorik und Aktorik (Beispiel Integration von Schaltern, Sensoren und Lichtelementen in Bauteile wie Fertigteilsegmente). Als positiver Nebeneffekt kann zusätzlich die zuvor erwähnte Eigenschaft einer verbesserten EMV und einer geringeren Ab-/Einstrahlung bei Verwendung einer hochfrequenten Datenübertragung über die textilen Carbonleiter im Vergleich zur Kupferinstallation gesehen werden.Because the invention allows z. B. in construction, the construction of components with significantly fewer resources, since the already used reinforcement is also used as a data and energy manager. This leads to the already mentioned weight and installation savings. The use of automated industrial manufacturing results in a simplified Smart Home pre-installation of sensors and actuators (example integration of switches, sensors and lighting elements in components such as precast segments). As a positive side effect, in addition, the aforementioned property of improved EMC and less radiation / radiation when using a high-frequency data transmission over the textile carbon conductors in comparison to the copper installation can be seen.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele für unterschiedliche Anwendungen mit genauen Dimensionen beschrieben.Hereinafter, preferred embodiments for different applications with accurate dimensions will be described.

Datenübertragung via Carbonfaser:Data transmission via carbon fiber:

Es werden Fasern mit einem spezifischen Widerstand von 3 Ohm*mm²/m und einem Leiterquerschnitt von 20 mm² (entspricht einem Durchmesser des Faserbündels von 5 mm - 255.000 Einzelfasern = 42 x 6.000er Garne) eingesetzt. Bei 5 V Signalspannung und 130 mA Sendestrom entsteht bei 25 m Leitungslänge am Ende ein Spannungsabfall von ca. 1 V (entsprechen bei 10 V Sendepegel: 9 V Empfangspegel). Das bedeutet, es kommt ein Signal mit nur noch 4 V an, unproblematisch bei einer Punkt-zu-Punkt Verbindung.Fibers with a resistivity of 3 ohm * mm ² / m and a conductor cross section of 20 mm ² (corresponding to a fiber bundle diameter of 5 mm - 255,000 individual fibers = 42 x 6,000 yarns) are used. At 5 V signal voltage and 130 mA transmission current, a voltage drop of approx. 1 V occurs at a cable length of 25 m (corresponding to a 9 V reception level at 10 V transmission level). This means that a signal with only 4 V arrives, unproblematic for a point-to-point connection.

Energieübertragung via Carbonfaser:Energy transmission via carbon fiber:

Es werden Fasern mit einem spezifischen Widerstand von 3 Ohm*mm²/m (Leiterquerschnitt 40 mm², einem Durchmesser des Faserbündels von 7 mm, was 510.000 Einzelfasern = ca. 85 x 6.000er Garne entspricht, eingesetzt. Bei 30 V Versorgungsspannung und einer Leistungsaufnahme von 2,5 A entsteht bei 25 m Leitungslänge am Ende ein Spannungsabfall von ca. 9,4 V. Das bedeutet, es liegen am Leitungsende nur noch 20,62 V an. Über die Leitung werden somit ca. 23,5 Watt in Form von Wärme vernichtet.Fibers with a resistivity of 3 ohm * mm ² / m (conductor cross section 40 mm ² , a fiber bundle diameter of 7 mm, which corresponds to 510,000 individual fibers = about 85 x 6,000 yarns) are used Power consumption of 2.5 A results in a 25 m cable length at the end of a voltage drop of about 9.4 V. This means that there are only 20.62 V at the end of the line over the line thus about 23.5 watts in Form of heat annihilated.

Für größere Leistungen werden hier daher auch deutlich größere Querschnitte benötigt.For larger services, therefore, significantly larger cross sections are required here.

Daten- und Energieübertragung via Carbonfaser: Data and energy transmission via carbon fiber:

Es werden Fasern mit einem spezifischen Widerstand von 3 Ohm*mm²/m, einem Leiterquerschnitt von 30 mm² (entspricht einem Durchmesser des Faserbündels von 6 mm - 380.000 Einzelfasern = ca. 63 x 6.000er Garne) eingesetzt. Bei einem industriellen Bussystem mit 30 V Versorgungsspannung, einer angestrebten Leitungslänge von 50 m und einer minimal tolerierten Eingangsspannung der angeschlossenen Teilnehmer von 20 V ergibt sich ein maximaler Nennstrom von 1 A für die vorliegende Installation. Bei durchschnittlich 62,5 mA Stromaufnahme jedes Teilnehmers ergibt sich ein Maximalausbau mit 16 Teilnehmern. Wird die Leitungslänge auf 25 m halbiert, kann man das System auch mit dem doppelten Strom (entspricht auch doppelter Anzahl Teilnehmer) belasten. Alternativ wird bei 50 m Länge der Querschnitt verdoppelt, kann dann auch mit dem doppelten Strom belastet werden.Fibers with a specific resistance of 3 ohm * mm ² / m, a conductor cross section of 30 mm ² (corresponding to a diameter of the fiber bundle of 6 mm - 380,000 individual fibers = approx. 63 x 6,000 yarns) are used. With an industrial bus system with 30 V supply voltage, a desired line length of 50 m and a minimum tolerated input voltage of the connected devices of 20 V, this results in a maximum rated current of 1 A for the present installation. With an average power consumption of 62.5 mA for each participant, this results in a maximum configuration with 16 participants. If the cable length is halved to 25 m, you can load the system with twice the current (which also corresponds to twice the number of participants). Alternatively, at 50 m length, the cross section is doubled, then can be charged with twice the current.

Carbonfaser als Sensorelement:Carbon fiber as sensor element:

Bei der Verwendung eines in entsprechender Weise in Schleifen bzw. Mäandern gelegten Carbonleiters als frequenzselektives Sensorelement sieht die Leistungsbilanz deutlich besser aus im Vergleich zur reinen Energieübertragung. Hier ist es recht unwahrscheinlich, dass große Leistungen über das Sensorelement übertragen werden müssen. Hier sollen lediglich höhere Spannungen mit darauf modulierten Datenträgern bei Sendeströmen unter 100 mA realisiert werden. Bei der Verwendung des Carbonleiters als bzw. in einem resistiven bzw. kapazitiven Sensorelement werden nur geringe Ströme durch das Faserbündel geleitet um eine relative Änderung (Widerstand bzw. Kapazität) zu detektieren.When using a corresponding laid in loops or meanders carbon fiber as a frequency-selective sensor element, the power balance looks much better compared to the pure energy transfer. Here it is quite unlikely that great benefits over the sensor element must be transmitted. Here only higher voltages with modulated data carriers are to be realized at transmission currents below 100 mA. When using the carbon conductor as or in a resistive or capacitive sensor element only small currents are passed through the fiber bundle to detect a relative change (resistance or capacitance).

Bei der Verwendung des Carbonleiters als bzw. in einem Elektromagneten (oder umgekehrt als Stromerzeuger ergeben sich Möglichkeiten für weitere Anwendungen. So könnte z.B. bei Brücken ein Schwingungsdämpfer vorgesehen werden, der gleichzeitig die Energie für die Strukturüberwachung der Brücke erzeugt.The use of the carbon conductor as or in an electromagnet (or vice versa as a power generator opens up possibilities for further applications: for example, bridges could be provided with a vibration damper which at the same time generates the energy for the structure monitoring of the bridge.

Der Carbonleiter kann als ein Grundelement für integriertes induktives Laden mittels Carbonrovings dienen. Ebenso ist eine Verwendung als in Beton integriertes elektromagnetisches Verschlusselement vorgesehen. Bei den Anwendungen ist die jeweils aufzubauende Struktur zu prüfen und in der Leistungsaufnahme in Bezug auf entstehende Wärmeenergie zu beschränken.The carbon conductor can serve as a basic element for integrated inductive charging by carbon roving. Likewise, a use as in concrete integrated electromagnetic closure element is provided. For applications, the structure to be built up should be checked and limited in terms of power consumption with regard to the heat energy generated.

Anhand der Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1: Kombinationsmöglichkeiten durch einen multifunktionalen Einsatz des Carbongarns in mineralischen oder organischen Matrices als Übersicht;
2: ein Carbongelege in Netzstruktur (Gitterstruktur) nach dem Stand der Technik;
3: ein Carbongelege in Netzstruktur (Gitterstruktur) mit Aufbau einer Carbonkabel-Struktur mit Einbindung in das Carbongelege;
4: Darstellung eines Bauteilsegments mit integrierter Carbongarndatenstruktur inkl.
schematisch dargestellten Abgriffelementen;
5: Aufbau einer Abgriffdose zur Integration in eine mineralische Matrix zur Verwendung der Schneid-Klemm- oder Durchdringungstechnik;
6: Aufbau einer Carbonkabel-Struktur schematisch in Beton;
7: Kontaktierung mittels über die Stirnseite in den Carbonleiter eingebrachten Dorn;
8: Kontaktierung mittels über die Stirnseite in den Carbonleiter eingebrachten gewinkelten Dorn;
9: Kontaktierung mittels über die Stirnseite in den Carbonleiter eingebrachten T-Dorn;
10: Kontaktierung mittels Durchdringungstechnik;
11: Kontaktierung mittels Schneid-Klemm-Technik;
12: Anwendung als Sensorelement: kapazitiver Sensor;
13: Anwendung zum Monitoring von Temperatur und Dehnung /Stauchung; und
14: Anwendung als Aktor: integrierte Wicklung als Elektromagnet.

On the basis of the description of further embodiments and their representation in the accompanying drawings, the invention is explained in detail. Show it:

1 : Combination possibilities by a multifunctional use of the carbon yarn in mineral or organic matrices as overview;
2 : a carbon mesh in mesh structure (lattice structure) according to the prior art;
3 : a carbon web in mesh structure (lattice structure) with structure of a carbon cable structure with integration into the carbon bridge;
4 : Representation of a component segment with integrated carbon fiber data structure incl.
schematically shown tapping elements;
5 Construction of a tap box for integration into a mineral matrix for use in the insulation displacement or piercing technique;
6 : Construction of a carbon cable structure schematically in concrete;
7 : Contacting by means of the mandrel introduced into the carbon conductor via the end face;
8th : Contacting by means of angled mandrel introduced into the carbon conductor via the end face;
9 : Contacting by means of the T-mandrel introduced into the carbon conductor via the front side;
10 : Contacting by means of penetration technology;
11 : Contacting by means of insulation displacement technology;
12 : Application as sensor element: capacitive sensor;
13 : Application for monitoring temperature and strain / compression; and
14 : Application as actuator: integrated winding as electromagnet.

1 zeigt in einer Übersicht die Kombinationsmöglichkeiten durch einen multifunktionalen Einsatz des Carbonleiters, der beispielsweise als Carbonfaser oder ebenso als ein Carbonroving oder ein Carbongarn ausgeführt sein kann, in mineralischen oder organischen Matrices. Der Carbonleiter ist so ausgewählt oder mit solchen Eigenschaften ausgestattet, dass er zur Stromübertragung, zur Datenübertragung, als Sensorelement und/oder mit Trageigenschaften ausgestattet ist, d. h. auch als Bewehrung zum Einsatz kommt. 1 shows an overview of the possible combinations by a multifunctional use of the carbon conductor, which may be embodied for example as carbon fiber or as well as a carbon roving or a carbon yarn, in mineral or organic matrices. The carbon conductor is selected or equipped with such properties that it is equipped for power transmission, for data transmission, as a sensor element and / or with carrying properties, ie also used as reinforcement.

2 zeigt schematisch in einer Ausführungsform ein Carbongelege in Netzstruktur (Gitterstruktur) nach dem Stand der Technik, wie es als Bewehrung beispielsweise in Textilbeton zum Einsatz kommt. 2 shows schematically in one embodiment a carbon mesh in mesh structure (lattice structure) according to the prior art, as it comes as reinforcement, for example, in textile concrete used.

Die Carbongarne 12, ebenso können Fasern oder Rovings zum Einsatz kommen, sind netzartig übereinandergelegt und bevorzugt an den Kreuzungspunkten verbunden, sodass ein Gelege gebildet wird, oder die Carbongarne 12 werden verwebt. Es bilden sich Maschenöffnungen 5, in die das Matrixmaterial beim Einsatz Carbongeleges 8 als Bewehrungsmatte eindringen kann. In ihrer Funktion der Carbonfasern 12 als Bewehrungsfasern, bzw. wenn sie als Carbongelege 8 eine Bewehrungsmatte ausbilden, nehmen die Carbongarne 12 Zuglasten auf, die in das textilbewehrte Bauteil bei dessen Einsatz eingetragen werden.The Carbongarne 12 Likewise, fibers or rovings can be used, are net-like superimposed and preferably connected at the crossing points, so that a clutch is formed, or the carbon fibers 12 are woven. It form mesh openings 5 into which the matrix material when using carbon gel 8th can penetrate as a reinforcement mat. In their function of carbon fibers 12 as reinforcing fibers, or if they are as carbon gels 8th train a reinforcement mat, take the carbon yarns 12 Tensile loads, which are registered in the textile-reinforced component during its use.

3 zeigt ein weiteres Gelege 10 auf Basis von Carbongarn 12, das ebenso wie in 2 in Netzstruktur (Gitterstruktur) ausgeführt ist. Zudem ist ein Aufbau einer Carbonkabel-Struktur mit Einbindung von Carbonleitern 22, 22' mit Stoffummantelung als Dielektrikum in das Carbongelege 10 dargestellt. Die hier nicht näher bezeichnete Stoffummantelung dient der Isolierung, aber auch der Fixierung im hier ebenfalls nicht dargestellten Matrixmaterial. Damit wird ein funktionalisiertes Carbongarngelege 10 ausgebildet, wobei anstelle von Carbongarn 12 ebenso ein Roving oder in anderer Weise angeordnete Carbonfasern bzw. Einzelfilamente vorgesehen werden können. 3 shows another clutch 10 based on carbon yarn 12 that as well as in 2 in network structure (lattice structure) is executed. In addition, there is a structure of a carbon cable structure with the involvement of carbon conductors 22 . 22 ' with material coating as a dielectric in the carbon lining 10 shown. The unspecified material coating is used for insulation, but also the fixation in the matrix material, also not shown here. This is a functionalized Carbongarngelege 10 formed, wherein instead of carbon yarn 12 a roving or otherwise arranged carbon fibers or individual filaments can be provided as well.

4 zeigt schematisch in einer Ausführungsform einen Ausschnitt eines Bauteils 6 mit integriertem Carbongelege 10, das vorliegend als eine Carbongarndatenstruktur ausgeführt ist, einschließlich schematisch dargestellter Abgriffelemente, hier ausgeführt als ein Leerdosenelement 40. Das Leerdosenelement 40 bleibt frei vom Matrixmaterial 30, das das Carbongelege 10 im Übrigen vollständig einschließt. Dadurch werden im Leerdosenelement 40 die isolierten Carbonleiter 22, 22' zugänglich und können dort elektrisch kontaktiert werden. 4 schematically shows in an embodiment a section of a component 6 with integrated carbon leg 10 , here embodied as a carbon fiber data structure, including schematically illustrated tapping elements, here embodied as an empty can element 40 , The empty can element 40 remains free of matrix material 30 that the carbon leg 10 otherwise completely includes. This will be in the empty box element 40 the isolated carbon ladder 22 . 22 ' accessible and can be contacted there electrically.

5 zeigt schematisch in einer Ausführungsform einen Aufbau einer Abgriffdose zur Integration in eine mineralische Matrix, hier ausgeführt als Leerdosenelement 40, bevorzugt zur Verwendung der Schneid-Klemm- oder Durchdringungstechnik. Damit können auf einfache Weise auch isolierte Carbonleiter 22, 22', die Isolation bzw. das Dielektrikum hier beispielsweise ausgeführt als Stoffummantelung, kontaktiert werden. 5 schematically shows in one embodiment a construction of a tap box for integration into a mineral matrix, embodied here as an empty can element 40 , preferably for use of the insulation displacement or penetration technique. This can be easily isolated and carbon fibers 22 . 22 ' , the insulation or the dielectric, for example, carried out here as a material coating, be contacted.

Die 6a bis 6c zeigen einen Aufbau einer Carbonkabel-Struktur schematisch in Beton als mineralisches Matrixmaterial 30. 6a zeigt den Aufbau eines Carbonleiters 22, 22' aus dem Carbonleiter 20, 20' mit einer Stoffummantelung 21 als Dielektrikum, die den Carbonleiter 22, 22' vollständig und elektrisch isolierend umgibt. Die 6b und 6c zeigen eine Einbausituation in einem Bauteil 6 aus Matrixmaterial 30, beispielsweise Beton, jeweils in Schnittdarstellung in Ansicht von oben und von vorn.The 6a to 6c show a structure of a carbon cable structure schematically in concrete as a mineral matrix material 30 , 6a shows the structure of a carbon conductor 22 . 22 ' from the carbon ladder 20 . 20 ' with a cloth coating 21 as a dielectric, the carbon conductor 22 . 22 ' completely and electrically insulating surrounds. The 6b and 6c show a mounting situation in a component 6 from matrix material 30 , for example concrete, in each case in a sectional view in top view and from the front.

Bei der Darstellung nach 6b sind die Carbonleiter 20, 20' unmittelbar in das Matrixmaterial 30 eingebunden und damit auch zur Lastabtragung geeignet. Allerdings müssen hierbei die elektrischen Eigenschaften des Matrixmaterials 30 beachtet werden, um elektrische Verluste zu vermeiden bzw. entsprechend zu berücksichtigen. Sofern als Matrixmaterial 30 beispielsweise Kunstharz, das eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist und damit gut isoliert, vorgesehen ist, ist dies unproblematisch. Anders liegt die Sache bei Beton, insbesondere wenn dieser Nässe ausgesetzt sein und durchfeuchtet werden kann.In the presentation after 6b are the carbon conductors 20 . 20 ' directly into the matrix material 30 integrated and thus suitable for load transfer. However, this must be the electrical properties of the matrix material 30 be observed in order to avoid electrical losses or to take into account accordingly. If used as matrix material 30 For example, synthetic resin, which has a low electrical conductivity and thus well insulated, is provided, this is not a problem. The situation is different with concrete, especially if it can be exposed to moisture and moistened.

In 6c sind stoffummantelte, isolierte Carbonleiter 22, 22' (vergleiche 6a) dargestellt. Bei diesen stellt die elektrische Leitfähigkeit des Matrixmaterials 30 kein Problem dar, jedoch ist eine Verwendung als Bewehrungsmaterial erschwert, da eine unmittelbare Anbindung zwischen Carbongarn 20, 20' und Bewehrung 30 nicht problemlos möglich ist und die Isolierung 21 die Lastabtragung unterbrechen kann.In 6c are fabric-coated, insulated carbon conductors 22 . 22 ' (see 6a) shown. In these, the electrical conductivity of the matrix material 30 not a problem, but a use as a reinforcing material is difficult because a direct connection between carbon yarn 20 . 20 ' and reinforcement 30 not easily possible and the insulation 21 can interrupt the load transfer.

7 zeigt schematisch eine Ausführungsform zur Kontaktierung mittels über die Stirnseite des Leiters 20, 20' eingebrachten Dorns, eines Kontaktierungsdorns 50. Da die Kontaktierung über die Stirnseite des Carbongarns 20, 20' erfolgt, die bedingt durch den Abschnitt ohnehin keine Isolierung 21 aufweist, stellt die Isolierung 21 kein Hindernis dar. Hierbei kommt die axiale Durchdringungstechnik zum Einsatz. Bevorzugt besteht der Kontaktierungsdorns 50 aus Kupfer, der Carbonleiter 20, 20' aus Carbongarn 12, das seinerseits Carbonfasern 7 umfasst. Diese Materialangaben gelten gleichermaßen für die Darstellungen in den 8 bis 11. 7 schematically shows an embodiment for contacting by means of the end face of the conductor 20 . 20 ' introduced mandrel, a Kontaktierungsdorns 50 , Since the contact on the front side of the carbon yarn 20 . 20 ' takes place, due to the section no isolation anyway 21 has, provides the insulation 21 no obstacle. Here, the axial penetration technique is used. The contacting mandrel preferably exists 50 made of copper, the carbon conductor 20 . 20 ' from carbon yarn 12 , which in turn is carbon fibers 7 includes. These material specifications apply equally to the illustrations in the 8th to 11 ,

8 zeigt schematisch eine Ausführungsform zur elektrischen Kontaktierung des Carbonfasern 7 umfassenden Leiters 20, 20', der Carbonfasern 7 umfasst, mit Isolierung 21 mittels eines über die Stirnseite in radialer Richtung eingebrachten gewinkelten Dorns, eines gewinkelten Kontaktierungsdorns 51. Hierbei kommt ebenfalls die axiale Durchdringungstechnik zum Einsatz. 8th schematically shows an embodiment for electrically contacting the carbon fibers 7 comprehensive leader 20 . 20 ' , the carbon fibers 7 includes, with insulation 21 by means of an introduced over the front side in the radial direction angled mandrel, an angled Kontaktierungsdorns 51 , Here also the axial penetration technique is used.

9 zeigt schematisch eine Ausführungsform zur elektrischen Kontaktierung des Leiters 20, 20', der Carbonfasern 7 umfasst, mittels über die Stirnseite eingebrachten T-Dorns, eines T-förmigen Kontaktierungsdorns 52. Hierbei kommt die axiale Durchdringungstechnik gleichfalls zum Einsatz. 9 shows schematically an embodiment for electrical contacting of the conductor 20 . 20 ' , the carbon fibers 7 comprises, by means of introduced via the front side T-mandrel, a T-shaped Kontaktierungsdorns 52 , Here, the axial penetration technique is also used.

10 zeigt schematisch eine Ausführungsform zur elektrischen Kontaktierung des Leiters 20, 20' mittels Durchdringungstechnik. Ein Kontaktierungskeil 53, der für die Durchdringung des Dielektrikums, der Stoffummantelung 21 geeignet ist, wird mit seiner Spitze 54 in radialer Richtung in den Carbonleiter 20, 20', beispielsweise aus Carbongarn 12 oder besonders vorteilhaft als Roving ausgeführt, eingedrückt und durchstößt dabei die Isolierung 21. Die Spitze 54 schiebt sich zwischen die Carbonfasern 7 und stellt damit einen leitenden Kontakt mit diesen hier. An den Kontaktierungskeil 53, der hierzu eine entsprechende abgewinkelte Lasche 55 aufweist, kann ein elektrischer Leiter angeschlossen und damit der elektrische Kontakt zum Carbonleiter 20, 20' hergestellt werden. Hierbei kommt die radiale Durchdringungstechnik zum Einsatz. 10 shows schematically an embodiment for electrical contacting of the conductor 20 . 20 ' by means of penetration technology. A contact wedge 53 , for the penetration of the dielectric, the material coating 21 is suitable, with his tip 54 in the radial direction in the carbon conductor 20 . 20 ' , for example, from carbon yarn 12 or carried out particularly advantageous as a roving, pressed and pierces the insulation 21 , The summit 54 pushes itself between the carbon fibers 7 and thus makes a conductive contact with these here. To the contact wedge 53 , the corresponding angled tab 55 has, an electrical conductor can be connected and thus the electrical contact to the carbon conductor 20 . 20 ' getting produced. Here, the radial penetration technique is used.

11 zeigt schematisch eine Ausführungsform zur elektrischen Kontaktierung des Carbonleiters 20, 20' mittels Schneid-Klemm-Technik. Hierzu kommt ein Schneiddorn 56 zum Einsatz. Dieser weist Schneidkanten 57 auf, die beidseits auf den isolierten Carbonleiter 22, 22' mit Stoffummantelung 21 oder einer anderen Isolierung bzw. einem anderen Dielektrikum aufgeschoben werden. Dabei schneiden die Schneidkanten 57 das Dielektrikum, die Stoffummantelung 21, auf und erreichen die Carbonfasern 7 im Inneren, die den Carbonleiter 20, 20' bilden. Damit besteht ein direkter elektrischer Kontakt mit dem Carbonleiter 20, 20', der über den Schneiddorn 56 elektrisch kontaktiert werden kann. Hierbei kommt im Unterschied zur vorher beschriebenen Durchdringungstechnik die Schneidklemmtechnik zum Einsatz. 11 schematically shows an embodiment for electrical contacting of the carbon conductor 20 . 20 ' using insulation displacement technology. For this comes a cutting mandrel 56 for use. This has cutting edges 57 on, on both sides on the isolated carbon conductor 22 . 22 ' with cloth coating 21 or another insulation or other dielectric be postponed. The cutting edges cut 57 the dielectric, the material coating 21 , on and reach the carbon fibers 7 inside, the carbon ladder 20 . 20 ' form. There is thus a direct electrical contact with the carbon conductor 20 . 20 ' that's about the cutting thorn 56 can be contacted electrically. Here comes in the In contrast to the previously described penetration technique, the insulation displacement technology is used.

12 zeigt schematisch eine Ausführungsform zur Anwendung des Carbonleiters 20, 20' aus Carbongarn in einem Sensorelement 60, insbesondere ausgeführt als ein kapazitiver Sensor. Hier wird der Carbonleiter 20, 20' in entsprechender Weise in Mäandern verlegt und das Sensorelement 60 gebildet. Dieses ist geeignet zur Detektierung von Kapazitäts- und Widerstandsänderungen bei Berührung oder Verformung und kann z. B. für entsprechende Anwendungen im Gebäude eingesetzt werden. Damit können beispielsweise Steuerungssignale u. a. auch durch Multi-Touch-Gesten gänzlich ohne Schalter oder andere elektrische Bauelemente, die einem Verschleiß unterliegen, in Bauteile beispielsweise aus Beton als Matrixmaterial 30 eingebracht werden. 12 schematically shows an embodiment for the application of the carbon conductor 20 . 20 ' made of carbon yarn in a sensor element 60 , in particular embodied as a capacitive sensor. Here is the carbon ladder 20 . 20 ' similarly laid in meanders and the sensor element 60 educated. This is suitable for detecting capacitance and resistance changes in contact or deformation and can, for. B. be used for appropriate applications in the building. Thus, for example, control signals, inter alia, by multi-touch gestures entirely without switches or other electrical components that are subject to wear, in components such as concrete as a matrix material 30 be introduced.

Bei der Verwendung als resistives oder kapazitives Sensorelement werden nur geringe Ströme durch das Faserbündel, insbesondere die Carbongarnlage 62, die aus den Carbonleiter 20, 20' gebildet wird, geleitet um eine relative Änderung, im Speziellen des Widerstands bzw. der Kapazität, zu detektieren. Die Auswertung der ermittelten Werte erfolgt in einer Auswerteeinheit 64. Sensorische Eigenschaften einer so bereits in ein Bauteil 6 integrierten Struktur bringen ebenfalls einen deutlichen Mehrwert gegenüber einer nachträglichen Sensorinstallation und einer häufig damit verbundenen Strukturschädigung oder -schwächung.When used as a resistive or capacitive sensor element only small currents through the fiber bundle, in particular the Carbongarnlage 62 from the carbon ladder 20 . 20 ' is formed, guided by a relative change, in particular the resistance or the capacitance, to detect. The evaluation of the determined values takes place in an evaluation unit 64 , Sensory properties of one already in a component 6 integrated structure also bring a significant added value compared to a subsequent sensor installation and often associated structural damage or weakening.

13 zeigt schematisch eine Ausführungsform zur Anwendung des Carbonleiters 20, 20', hier bevorzugt aus Carbongarn, mit dem Ziel, ein Monitoring von Temperatur und Dehnung bzw. Stauchung in dem Bauteil 6, umfassend das Matrixmaterial 30, zu erreichen, indem die elektrische Leitfähigkeit des Carbonleiters, der hier als Carbonlage 72 ausgeführt ist, überwacht wird. Hierzu ist eine Auswerteeinheit 74 vorgesehen. Diese ändert sich sowohl mit der Temperatur, als auch im Zuge der Längen- und Querschnittsänderung bei Dehnung oder Stauchung. Damit können geänderte Temperaturen, beispielsweise bei Ausbruch eines Brands, oder auch erhöhte Lasten auf das Bauteil 6, wenn es in ein Gebäude eingebaut ist, festgestellt werden. 13 schematically shows an embodiment for the application of the carbon conductor 20 . 20 ' , here preferably made of carbon yarn, with the aim of monitoring the temperature and strain or compression in the component 6 comprising the matrix material 30 Achieve, by the electrical conductivity of the carbon conductor, here as a carbon layer 72 is executed is monitored. This is an evaluation unit 74 intended. This changes both with the temperature, as well as in the course of length and cross-sectional change during elongation or compression. This can change the temperature, for example, when a fire breaks out, or even increased loads on the component 6 if it is installed in a building, be determined.

14 zeigt schematisch eine Ausführungsform zur Anwendung eines weiteren Carbonleiters, hier im Beispiel aus Carbongarn, als Aktor 80. Gezeigt ist eine in das Bauteil 6 integrierte elektromagnetische Wicklung 82. Diese besteht aus einer Wicklung 82, einem gewickelten Carbongarnkörper unter Einsatz von dem Carbonleiter, angeschlossen über eine elektrische Zuleitung 83. Im Inneren der Wicklung 82 ist ein Kern 84 angeordnet, bevorzugt ausgeführt als eine bewegliche Struktur aus Weicheisen. Der Kern 84 kann beispielsweise mit einem elektrischen Schalter, zur Erzeugung von Schwingungen (behindertengerechte Signalisierung), einem Schloss oder einem anderen Bauelement für elektro-mechanische Anwendungen verbunden werden und beispielsweise entsprechende Schaltvorgänge auslösen. Die Ansteuerung der Wicklung 82 erfolgt über eine Steuer- und Auswerteeinheit 86, die bevorzugt als µC-basierte A/D-Auswerteeinheit ausgeführt ist. 14 schematically shows an embodiment for the application of another carbon conductor, here in the example of carbon yarn, as an actuator 80 , Shown is one in the component 6 integrated electromagnetic winding 82 , This consists of a winding 82 , a wound carbon yarn body using the carbon conductor connected via an electrical lead 83 , Inside the winding 82 is a core 84 arranged, preferably designed as a movable structure made of soft iron. The core 84 For example, it can be connected to an electrical switch, to generate vibrations (handicapped-accessible signaling), a lock or another component for electro-mechanical applications and, for example, trigger corresponding switching operations. The control of the winding 82 via a control and evaluation unit 86 , which is preferably designed as a μC-based A / D evaluation unit.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

55: Maschenöffnungmesh
66: Bauteilcomponent
77: Carbonfaser, EinzelfilamentCarbon fiber, single filament
88th: Carbongelegecarbon clutch
1010: Carbongelege, funktionalisiertCarbon gels, functionalized
1212: Carbongarncarbon yarn
20, 20'20, 20 ': positiver/ negativer Carbonleiterpositive / negative carbon conductor
2121: Stoffummantelung als DielektrikumCloth coating as a dielectric
22, 22'22, 22 ': positiver/ negativer Carbonleiter mit Stoffummantelung als Dielektrikumpositive / negative carbon conductor with material coating as dielectric
3030: Matrixmaterialmatrix material
4040: LeerdosenelementEmpty cans element
5050: Kontaktierungsdorn linearContacting mandrel linear
5151: Kontaktierungsdorn gewinkeltContacting mandrel angled
5252: Kontaktierungsdorn T-förmigContacting mandrel T-shaped
5353: Kontaktierungsdorn für DurchdringungContacting mandrel for penetration
5454: Kontaktierungsdorn für Schneid-Klemm-TechnikContacting mandrel for insulation displacement technique
5555: Lascheflap
5656: Spitzetop
5757: Schneidkantecutting edge
6060: Sensorelement, kapazitiver SensorSensor element, capacitive sensor
6262: CarbongarnlageCarbongarnlage
6464: Auswerteeinheitevaluation
7070: Monitoring von Temperatur und Dehnung /StauchungMonitoring of temperature and strain / compression
7272: CarbongarnlageCarbongarnlage
7474: Auswerteeinheitevaluation
8080: Aktoractuator
8282: Wicklungwinding
8383: Zuleitungsupply
84 84: weichmagnetischer Metallkern; bewegliche Struktur aus Weicheisensoft magnetic metal core; movable structure made of soft iron
8686: Auswerteeinheitevaluation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102016101919 A1 [0003]
DE 102016118711 A1 [0004]

Claims

Device for data and / or energy transmission via at least one electrical line which is arranged in the interior of a component comprising a matrix material, characterized in that the electrical line consists of at least electrically conductive textile yarns, fibers or rovings and in the interior of the component (6 ) and is firmly potted with the mineral or organic matrix material (30).

Device after Claim 1 in which carbon fibers (7), carbon fibers or carbon rovings are provided as textile fibers, yarns or rovings, each forming a carbon conductor (20, 20 ', 22, 22').

Device after Claim 2 , wherein the carbon conductors (20, 20 ', 22, 22') are equipped or selected with defined line parameters, these line parameters are • specific electrical resistance, • defined application-specific line cross-section, • distances between return and return conductors for defining necessary cable capacities, • creation the necessary insulating capacity between the return conductor and the surrounding mineral or organic matrix, • preparation of the carbon conductors (20, 20 ', 22, 22') for contacting individual components (6) of the matrix material (30) and contacting useful elements to be connected.

Device after Claim 2 or 3 , wherein a contacting takes place for at least one of the useful elements along the information-carrying carbon conductor (20, 20 ', 22, 22') via contacts which are produced by insulation displacement or axial or radial penetration technology with the carbon conductor (20, 20 ', 22, 22') connected is.

Device according to one of Claims 2 to 4 , wherein a coating of the carbon conductor (20, 20 ', 22, 22') is provided in order to ensure the mechanical activation of all filaments by attachment to the matrix, so that the carbon conductors (20, 20 ', 22, 22') assume static tasks can.

Device according to one of Claims 2 to 5 wherein the carbon conductor (20, 20 ', 22, 22') is implemented as a sensor element (60) for detecting changes in capacitance and resistance upon contact or deformation of the component (6).

Device according to one of the preceding claims, wherein the carbon conductor (20, 20 ', 22, 22') is designed as an actuator (80).

Device after Claim 7 wherein the carbon conductor (20, 20 ', 22, 22') is designed as a winding (82) and arranged around a soft-magnetic metal core (4) which is integrated in the matrix material (30).

Device according to one of the preceding claims, wherein the carbon conductor (20, 20 ', 22, 22') as a reinforcement for a component (6), comprising the matrix material (30) is provided, wherein out of the component (6) outwardly reaching and provided from outside the component (6) accessible electrical contacts and with the carbon conductors (20, 20 ', 22, 22') are connected.

Component comprising a reinforcement according to Claim 9 and / or a device according to one of Claims 1 to 8th ,

Building, comprising components according to Claim 10 , wherein an equipment of the building with digital infrastructure is provided, characterized in that the components are already prepared with the production with a wiring and are electrically connected during the construction of the building.

Method for transmitting data and / or energy, characterized in that the transmission by means of a device according to one of Claims 1 to 8th he follows.

Method according to Claim 12 , wherein the data transmission via the carbon conductor (20, 20 ', 22, 22') and takes place, wherein a carrier is used for the data transmission.

Method according to Claims 12 or 13 , wherein by means of the carbon conductor (20, 20 ', 22, 22') a frequency-modulated data transmission and an SNR-dependent data carrier distribution are made, so that a change of the physical information channel can be detected.

Method for selecting configuration of carbon fibers (7), carbon yarns or carbon rovings for forming a carbon structure and for functionalization as a carbon conductor (20, 20 ', 22, 22') for use in a device according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that a configuration of parameters is made so that the desired functionalization for the particular application of the carbon conductors (20, 20 ', 22, 22') is achieved, wherein variations of the following properties of the carbon-based base material are used: ◯ Electrical properties: fiber type, specific electrical resistance, diameter of individual filaments and fiber bundles resulting therefrom, length of structure, distance of conductors, crossing points, current carrying capacity; ◯ volume fraction per structural unit: number of fibers, position of the fibers relative to one another; ◯ Coating of fiber composites: Yarn woven into prefabricated structures, wrapped with thread as an insulating and structuring sheathing, rubber coating as an insulating and structuring sheathing, epoxy resin, sanded, fire-resistant coatings; ◯ matrix embedding: component level; Coat level; wherein, depending on the desired target application as basic requirements, at least the geometric dimensions of the carbon structure to be connected electrical participants of the application, which is based on this classification then the classification of the necessary electrical contacting of the carbon structure.

Use of a reinforcement, which consists at least partially of electrically conductive textile yarns, fibers or rovings, characterized in that via the electrically conductive textile yarns, fibers or rovings, a data transmission and / or energy transfer according to a method according to one of Claims 12 to 14 are provided.