Titel

Elektrospule und Verwendung einer Elektrospule

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Elektrospule nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen

Elektrospule.

Eine Elektrospule nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist als Bestandteil eines Kraftstoff! njektors zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine aus der Praxis bereits bekannt. Insbesondere dient die Elektrospule dazu, mittel- oder unmittelbar ein Einspritzglied, beispielsweise in Form einer Düsennadel, zu betätigen, um im Kraftstoffinjektor ausgebildete Einspritzöffnungen zu verschließen bzw. freizugeben.

Übliche Elektrospulen weisen einen aus Kunststoff bestehenden Spulenkörper auf, auf den eine große Anzahl von Windungen eines Spulendrahts aufgewickelt ist. Der Spulendraht besteht üblicherweise aus einem Drahtkern aus Kupfer, der von einer Isolatorschicht, zum Beispiel Backlack, umgeben ist. Die Verwendung von Kupfer als Drahtkern hat zwar den Vorteil eines relativ niedrigen spezifischen Widerstandes, jedoch ist dieser Wderstand temperaturabhängig, derart, dass bei steigender Temperatur sich auch der Wderstand des Kupferdrahts erhöht. Dies hat zur Folge, dass bei einem Betrieb beispielsweise eines Kraftstoff! njektors, der in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist, sich die

Temperatur des Kraftstoff! njektors und somit auch die Temperatur der

Elektrospule erhöht, was zu einem erhöhten elektrischen Widerstand des Spulendrahts führt. Dies hat eine mit zunehmender Temperatur geringer werdende Magnetkraft zur Folge, so dass die einwandfreie Funktion

beispielsweise eines Einspritzglieds bei hohen Temperaturen kritisch sein kann. Aus diesem Grund ist es üblich, die Packungs- bzw. Leistungsdichte derartiger Elektrospulen zu erhöhen. Dies erfolgt beispielsweise durch einen Profildraht, mit dem es ermöglicht wird, den Füllgrad der Drahtwicklungen auf einen

Spulenkörper zu erhöhen.

Da die Tendenz bei zukünftigen Einspritzsystemen mehr und mehr zu hohen Systemdrücken und damit auch zu höheren erforderlichen Betätigungskräften für ein Einspritzglied geht, sind zukünftige Anforderungen ohne eine Erhöhung der Baugröße einer Elektrospule immer schwieriger mit konventionellen

Elektrospulen gemäß dem Stand der Technik zu erfüllen.

Offenbarung der Erfindung

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektrospule nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die beim Stand der Technik stark

temperaturabhängige Widerstandcharakteristik der Elektrospule verringert wird. Darüber hinaus soll eine möglichst hohe Leistungsdichte, d.h. bei einer bestimmten Baugröße eines Spulenkörpers eine möglichst hohe magnetische Betätigungskraft erzielt werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Elektrospule mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Drahtkern des Spulendrahts aus Aluminium sowie mit dem Aluminium in elektrisch leitendem Kontakt angeordneten Graphen besteht. Ein derartiger Materialmix hat den Vorteil, dass es eine Kombination aus der von Aluminium bekannten relativ geringen Wderstandsänderung über dem Temperaturverlauf und einem insgesamt gesehen relativ geringen spezifischen Widerstand, ähnlich der Verwendung von Kupfer, aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Elektrospule sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.

Um die angesprochene, erfindungsgemäße Materialkombination zu realisieren, ist es in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das

Graphen zumindest im Wesentlichen homogen im Querschnitt des Drahtkerns im Aluminium verteilt und in Stromleitungsrichtung orientiert angeordnet ist. Hierzu sei angemerkt, dass Graphen üblicherweise in Form von Plättchen, d.h. einen sehr dünnen Querschnitt aufweisenden Elementen ausgebildet ist, so dass es wesentlich ist, dass die Orientierung des Graphen in Stromleitungsrichtung erfolgt. Dabei kann es möglich sein, dass in Stromleitungsrichtung betrachtet die einzelnen Graphenelemente örtlich voneinander getrennt sind, oder aber, besonders vorteilhaft, einander überlappend angeordnet sind, so dass in Stromleitungsrichtung eine durchgehend leitende Graphenschicht erzielt wird. Für den Fall, dass die einzelnen Graphenelemente in Stromleitungsrichtung voneinander getrennt sind, findet eine elektrische Leitung zwischen den

Graphenelementen durch das in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Graphen angeordneten Aluminiums statt. Daher ist es auch von Bedeutung bzw.

wesentlich, dass innerhalb des Querschnitts zumindest im Wesentlichen keine, die Stromleitung reduzierende Effekte, wie beispielsweise Lufteinschlüsse oder ähnliches, vorhanden sind.

In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, dass das Graphen als eine von dem Aluminium separate und mit dem Aluminium elektrisch leitend verbundene, in Stromrichtung vorzugsweise durchgehende Schicht, vorzugsweise an einer Oberfläche des Drahtkerns, ausgebildet ist. Bei einer derartigen Ausführungsform wird als vorteilhaft angesehen, dass die beiden der Stromleitung dienenden Bestandteile, das Aluminium und das Graphen, ggf. in separaten Herstellungsverfahren bzw. Herstellungsschritten ausgebildet werden können, die anschließend elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Alternativ ist es auch möglich, auf eine bereits vorhandene

Aluminiumschicht bzw. einem Aluminiumträger das Graphen anzuordnen bzw. abzuscheiden. Somit dient das Aluminium als Trägermaterial zur Anordnung bzw. Ausbildung des Graphens. Beim Stand der Technik weisen die üblicherweise verwendeten Isolierschichten aus Kunststoff (z.B. Backlack) bei der Verwendung von Kupferdrähten eine Dicke von ca. 50μηι auf. Da die Isolationsschicht nicht der Stromleitung dient, ergibt sich mit einer zunehmenden Dicke der Isolationsschicht eine abnehmende Packungsdichte bzw. Leistungsfähigkeit der Elektrospule. Aus diesem Grund ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Isolierschicht eine Aluminium-Oxidschicht mit einer Dicke zwischen 1 μηι und 10μηι, vorzugsweise zwischen 2μηι und 5μηι ist. Eine Oxidschicht hat gegenüber der Verwendung von Kunststoff insbesondere den Vorteil, dass diese eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und somit auch eine relativ effektive Abfuhr der Wärme des Spulendrahts ermöglicht. Darüber hinaus wird durch die besonders dünne Ausbildung der Isolierschicht im Vergleich zu einer aus Kunststoff bestehenden Isolierschicht die Leistungsfähigkeit der Elektrospule durch einen erhöhten Füllfaktor vergrößert. Die Beschichtung bzw. Ausbildung mit

Aluminiumoxid erfolgt insbesondere durch anodische Oxidation (Eloxal- Verfahren). Die anodische Oxidation ist ein elektrolytisches Verfahren, durch das eine Oxidschicht auf einer Oberfläche erzeugt wird, welche gegenüber einer natürlich gebildeten (Oxid-)Schicht um etwa das Hundertfache verstärkt ist, so dass bei ausreichender Spannungsdurchschlagsfestigkeit in der Praxis eine 4μηι dicke Isolierschicht ausreicht. Eine besonders Ausgestaltung der Isolierschicht sieht vor, dass die Isolierschicht das Graphen lediglich teilweise überdeckt. Dies ist insbesondere dann

vorgesehen, wenn Aluminiumbänder verwendet werden, bei denen das Graphen auf eine Seite als Beschichtung aufgebracht ist. Da das Graphen der

Stromleitung dient und einen sehr geringen elektrischen Wderstand aufweist, ist es dabei wesentlich, das beim Übereinanderwickeln des Spulendrahts jeweils eine Isolierschicht die darunter liegende, teilweise freiliegende Graphenschicht überdeckt.

Ganz besonders bevorzugt ist darüber hinaus eine geometrische Ausgestaltung des Spulendrahts, bei der dieser zumindest im Wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Eine derartige Ausbildung erhöht den Füllfaktor und somit die Leistungsdichte der Elektrospule in besonders hohem Maße und ermöglicht daher bei einer bestimmten Leistung besonders klein bzw. kompakt bauende Elektrospulen.

Um einen Spulenkörper über dessen gesamte axiale Länge mit einem derartigen, einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Spulendraht bewickeln zu können, um eine möglichst hohe Leistungsdichte bzw. einen möglichst hohen Füllfaktor zu ermöglichen, ist es darüber hinaus in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass der Spulendraht eine Breite aufweist, die der Breite des Spulenkörpers in dessen Längsrichtung entspricht. Der gleiche Effekt kann alternativ jedoch auch dadurch erzielt werden, wenn der Spulendraht eine Breite aufweist, die einem 1/n-fachen der Breite des

Spulenkörpers in dessen Längsrichtung entspricht, und wenn zwei in

Längsrichtung des Spulenkörpers einander anschließende Spulendrähte elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

Die angesprochenen vorteilhaften Effekte der erfindungsgemäßen Elektrospule kommen immer dann besonders gut zur Geltung, wenn die Elektrospule zumindest zeitweise unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind, wobei bei Temperaturen von mehr als 150°C, insbesondere mehr als 200°C, die Vorteile gegenüber herkömmlichen Elektrospulen besonders groß sind.

Eine derartige erfindungsgemäße Elektrospule findet daher insbesondere als Bestandteil einer Kraftfahrtzeugspritzkomponente, insbesondere eines

Kraftstoffinjektors Verwendung, bei der der Kraftstoff! njektor bzw. dessen Elektrospule einerseits, beispielsweise bei einem Kaltstart, relativ tiefen

Temperaturen ausgesetzt ist, und andererseits während des Betriebs die angesprochenen hohen Temperaturen von bis zu über 200°C erreichen können. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Elektrospule bei allen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine besonders hohe Leistungsfähigkeit und/oder ein kleiner Bauraum für die Elektrospule erwünscht ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Elektrospule, bei der in

Längsrichtung betrachtet zwei Spulendrahteinheiten nebeneinander angeordnet sind, eine perspektivische Darstellung eines in Form einer Rolle ausgebildeten Spulendrahtelements, Fig. 3 einen Querschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes

Spulendrahtelement

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein gegenüber Fig. 3 modifiziertes

Spulendrahtelement und

Fig. 5 eine Darstellung des Widerstandsverlaufs unterschiedlicher

Materialien über der Temperatur. Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Elektrospule 10 dargestellt, wie Sie beispielsweise als Bestandteil einer Kraftfahrzeugeinspritzkomponente in Form eines Kraftstoffinjektors dient. Insbesondere dient die Elektrospule 10 dabei der zumindest mittelbaren Betätigung eines Einspritzventilglieds (Düsennadel) in den Kraftstoff! njektor.

Die Elektrospule 10 umfasst einen aus Kunststoff bestehenden, im

Spritzgussverfahren hergestellten Spulenkörper 11 in Form einer Hülse mit zwei seitlich angeordneten, den Spulenkörper 11 in Längsrichtung begrenzenden, radial umlaufenden Flanschen 12, 13 und einer konzentrisch zur Längsachse 14 des Spulenkörpers 11 in diesem angeordneten Ausnehmung 15. Zwischen den beiden Flanschen 12, 13 bildet der Spulenkörper 11 eine insbesondere kreisförmig ausgebildete Umfangsfläche 16 zur Anordnung wenigstens einer

Spulendrahteinheit 20 aus. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind in

Axialrichtung der Längsachse 14 betrachtet zwei Spulendrahteinheiten 20 auf dem Spulenkörper 11 vorgesehen, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind (nicht dargestellt), indem ein Drahtende der einen Spulendrahteinheit 20 mit einem Drahtende der anderen Spulendrahteinheit 20 verbunden ist.

Insbesondere beträgt die Breite b der beiden identisch ausgebildeten

Spulendrahteinheiten 20 in etwa die Hälfte der Breite B des Spulenkörpers 11 zwischen den beiden Flanschen 12, 13, so dass der Bauraum zwischen den beiden Flanschen 12, 13 zumindest nahezu vollständig ausgefüllt ist. Wie anhand einer Zusammenschau der Fig. 2 bis 4 erkennbar ist, besteht der Spulendraht 25, 25a der Spulendrahteinheit 20, der in Form einer Vielzahl von Windungen auf dem Spulenkörper 11 aufgewickelt ist, aus zwei

unterschiedlichen Materialen, aus Aluminium 21 sowie aus Graphen 22. Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 3 besteht der Spulendraht 25 mit einem

Drahtkern 23, bestehend aus Aluminium 21 . In Stromleitungsrichtung, d.h.

senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 3, sind in dem Aluminium 21 Plättchen aus Graphen 22 angeordnet, wobei die Plättchen senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 3 entweder alle miteinander unmittelbar in Form eines Bandes elektrisch leitend verbunden sind, oder aber mit Abständen zueinander angeordnet sind.

Insbesondere ist die Verteilung des Graphens 22 innerhalb des Drahtkerns 23 bzw. des Aluminiums 21 zumindest im Wesentlichen homogen.

Der einen rechteckigen Querschnitt der Breite b aufweisende Spulendraht 25 ist von einer insbesondere eine gleichmäßige Wanddicke a aufweisenden

Isolationsschicht 26 über den gesamten Querschnitt des Spulendrahts 25 umgeben. Die Isolationsschicht 26 ist als Aluminium-Oxidschicht 27 ausgebildet und beispielsweise im Eloxalverfahren erzeugt. Insbesondere beträgt die Wanddicke a der Isolationsschicht 26 zwischen 1 μιη und 10μιη, vorzugsweise zwischen 2μιη und 5μιη, ganz besonders bevorzugt 4μηι. Ein derartig hergestellter Spulendraht 25 lässt sich entsprechend der Darstellung der Fig. 2 in Form eines aufgespulten Bandes 28 bevorraten bzw. maschinell verarbeiten.

In der Fig. 4 ist ein gegenüber Fig. 3 modifizierter Spulendraht 25a dargestellt. Der Drahtkern 23 des Spulendrahts 25a besteht aus Aluminium 21 ohne

Graphen 22. Das Graphen 22 ist als bandförmige Schicht auf der Oberfläche bzw. auf der Oberseite 29 des Drahtkerns 23 aufgebracht und mit diesem elektrisch leitend verbunden. Die Isolationsschicht 26 besteht ebenfalls aus einer Aluminium-Oxidschicht 27, die den Drahtkern 23 im Bereich außerhalb des Graphens 22 vollständig umgibt. Im Bereich des Graphens 22 reicht die

Isolationsschicht 26 seitlich bis an das Graphen 22 heran, das Graphen 22 ist jedoch auf der dem Drahtkern 23 abgewandten Oberseite nicht von der

Isolationsschicht 26 umgeben bzw. abgedeckt.

Beim Bewickeln des Spulenkörpers 1 1 mittels des Spulendrahts 25a ist es wesentlich, dass mehrere Lagen des Spulendrahts 25a derart übereinander angeordnet bzw. aufgewickelt werden, dass auf das Graphen 22 einer radial unteren Schicht jeweils eine Isolationsschicht 26 einer oberhalb angeordneten Windung gewickelt wird.

In der Fig. 5 ist über der Temperatur T (x-Achse) der spezifische Widerstand R _s (Y-Achse) verschiedener Materialien dargestellt. Mit der Bezugsziffer 31 ist der Verlauf des spezifischen Wderstands R _s von Aluminium dargestellt, während die Bezugsziffer 32 den Verlauf des spezifischen Widerstand R _s von Kupfer verdeutlicht. Mit der Bezugsziffer 33 ist der spezifische Wderstand R _s der erfindungsgemäßen Materialkombination, bestehend aus Aluminium 21 und Graphen 22 dargestellt. Man erkennt, dass eine derartige Materialkombination bei steigender Temperatur einen nahezu konstanten bzw. lediglich leicht steigenden spezifischen Wderstand R _s aufweist, der hinsichtlich seines

Absolutbetrages in der Größenordnung von Kupfer bei relativ kleinen

Temperaturen liegt.

Die erfindungsgemäße Elektrospule 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Es ist beispielsweise denkbar, anstelle eines im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitts für den Spulendraht 25, 25a diesen Querschnitt auch quadratisch oder im Falle des im Aluminium 21 angeordneten Graphens 22 rund auszubilden. Auch sei nochmals darauf hingewiesen, dass der Einsatz der Erfindung nicht auf Elektrospulen 10 begrenzt sein soll, die als Bestandteil einer Kraftstoffeinspritzkomponente dienen.