Elektrischer Anschluss, insbesondere für einen elektrisch beheizbaren Wabenkörper

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der elektrischen Komponenten in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Moderne Abgasreinigungs ^¬ anlagen enthalten häufig auch elektrische Komponenten, deren Zuleitungen elektrisch isoliert von außen in das Abgassystem geführt werden müssen. Insbesondere bei Komponenten, die relativ hohe Ströme erfordern, beispielsweise elektrisch beheizbaren Wabenkörpern und dergleichen, wird ein relativ massiver elektrischer Anschluss benötigt, damit genügend hohe Ströme hindurchgeführt werden können.

Ein typischer elektrisch beheizbarer Wabenkörper als elektrische Komponente ist aus der EP 0 783 621 Bl bekannt. Ein solcher Wabenkörper hat mindestens einen elektrischen Anschluss, der im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist und der sich durch einen Mantel des Abgassystems hindurch zum Wabenkörper erstreckt .

Aus der WO 97/47057 AI ist die spezielle Ausbildung eines solchen Anschlusses mit einem elektrischen Leiter und einer Durchführung, von der der elektrische Leiter mittels einer Isolierschicht elektrisch isoliert ist, bekannt. Der elektrische Leiter weist einen äußeren Verbindungsabschnitt mit einer Kontaktfläche zur Verbindung mit einem Anschlussstück einer Zuführleitung auf, wobei in dem beschriebenen Fall der Verbindungsabschnitt leicht konisch ausgestaltet ist.

Gerade bei dem Betrieb eines elektrischen Wabenkörpers über eine 48 Volt Spannungsversorgung treten bei den bekannten Anschlüssen Probleme auf. Insbesondere können Kriechströme auftreten, die die Isolierung zwischen dem elektrischen Leiter und der

Durchführung überbrücken. Ursache hierfür ist z. B. die geringe Resistenz der verwendeten, im Allgemeinen verpressten Materialien gegen den Einfluss von Feuchtigkeit sowie eine geringe Gasdichtheit. Weiterhin ist bekannt, dass diese Anschlüsse eine geringe Festigkeit bzgl. der zu übertragenden Drehmomente aufweisen, die z. B. bei der Befestigung einer Zuführleitung auftreten .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere sicherzustellen, dass eine Erhöhung der Be ^¬ ständigkeit gegen Kraftfahrzeugs-Betriebsmittel und korrosive Medien erreicht wird, eine Dichtheit gegenüber dem in dem Wabenkörper auftretenden Abgasdruck erzeugt wird, sowie dass eine Betriebsspannung von mindestens 48 Volt möglich ist. Weiterhin soll ein bauraumsparender elektrischer Anschluss vorgeschlagen werden, wobei die Herstellung dieses Anschluss für eine automatisierte Serienherstellung geeignet sein soll.

Diese Aufgaben werden gelöst mit einem elektrischen Anschluss gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängig formulierten Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausge ^¬ staltungen der Erfindung dargestellt werden.

Vorgeschlagen wird in diesem Zusammenhang ein elektrischer Anschluss für eine elektrische Komponente in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors, wobei das Abgassystem einen metal ^¬ lischen Mantel aufweist, durch den ein elektrischer Leiter hindurchgeführt ist, wobei der Anschluss zumindest den Leiter sowie eine den Leiter umgebende elektrische Isolierung und eine die Isolierung und den Leiter umgebende metallische Durchführung aufweist, die sich zusammen entlang einer Mittelachse erstrecken, wobei sich die Isolierung zumindest an einem ersten Ende des Anschlusses um eine Isolationsstrecke von mindestens 2 mm [Millimeter] , insbesondere von mindestens 3 mm, bevorzugt von mindestens 5 mm, über die Durchführung hinaus entlang der

Mittelachse erstreckt. Insbesondere ist die Isolationsstrecke sowohl in axialer als auch in radialer Richtung angeordnet und ergibt sich insbesondere als Summe aus axialer und radialer Komponente .

Das Abgassystem ist z. B. ein Abschnitt einer Abgasleitung eines Kraftfahrzeuges, in dem ein elektrisch beheizbarer Wabenkörper als elektrische Komponente angeordnet ist. Die Abgasleitung bildet den Mantel, durch den hindurch sich der Leiter erstreckt. Der Leiter dient der elektrischen leitenden Kontaktierung eines elektrisch leitenden Bauteils der Komponente. Außerhalb des Mantels ist der elektrische Anschluss an dem ersten Ende über einen Adapter und eine elektrische Leitung mit einer Spannungsversorgung verbunden.

Insbesondere sind der Leiter, die den Leiter umgebende Isolierung und die die Isolierung umgebende Durchführung koaxial zueinander angeordnet . Insbesondere ist die metallische Durchführung unmittelbar mit dem Mantel verbunden, bevorzugt über eine Schweiß- oder Löt ^¬ verbindung .

Die Isolationsstrecke ist das Maß, um das sich die Isolierung über die Durchführung hinaus (hier in Richtung hin zum ersten Ende) mindestens erstreckt. Ein entlang der Isolierung fließender Kriechstrom kann so verhindert werden, gerade auch bei Anlegen einer Spannung an dem Leiter von 48 Volt. Bei höheren Spannungen ist ggf. die Isolationsstrecke weiter zu erhöhen.

Insbesondere erstreckt sich die Isolierung auch an einem zweiten Ende des Anschlusses um eine Isolationsstrecke von mindestens 2 mm, insbesondere von mindestens 3 mm, bevorzugt von mindestens 5 mm, über die Durchführung hinaus entlang der Mittelachse.

Das zweite Ende ist insbesondere innerhalb des Mantels angeordnet und mit einem elektrisch leitenden Bauteil der Komponente elektrisch leitend verbunden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Isolierung ein Glas oder eine Keramik, ggf. eine Emaille. Insbesondere Glas, aber auch Emaille hat den Vorteil, aufgrund geringer Porosität besonders gasdicht zu sein, so dass eine Aufnahme von Feuch ^¬ tigkeit in der Isolierung selbst unterbunden ist. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt eine möglichst porenfreie Keramik einzusetzen, d.h. mit einem Porenanteil kleiner 1%, bevorzugt kleiner 0,1%. Insbesondere werden dafür folgende Werkstoffe vorgeschlagen :

a) Keramiken wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkonoxid b) Hochtemperaturgläser und Glaskeramik. Insbesondere wird die Isolierung in einem viskosen Zustand in einem Zwischenraum zwischen der Durchführung und dem Leiter angeordnet und ggf. verdichtet sowie ausgehärtet. Infolge der Anordnung in einem viskosen Zustand kann eine formschlüssige Verbindung zwischen der ausgehärteten Isolierung und dem Leiter und/oder der Durchführung erreicht werden. Dafür können geeignete Oberflächenstrukturen vorgesehen werden.

Die Anordnung der Isolierung in einem viskosen Zustand ermöglicht die Herstellung des Anschlusses in einer Serienherstellung. Gerade im Vergleich zum Verbinden von jeweils festen Komponenten ist hier eine aufwändige Einstellung und Überwachung von hochgenauen Passungstoleranzen nicht erforderlich.

Insbesondere bei Verwendung einer Keramik sollte vor dem Fügen ein Sintern der keramischen Komponenten erfolgen, da das Material einer Schwindung unterliegt. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass eine keramische Isolierung metallisiert und dann z. B. mit einem stoffschlüssigen Verbindungsverfahren, z. B. einem Lötprozess, mit dem Leiter und/oder der Durchführung gefügt wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Leiter an einer mit der Isolierung verbundenen ersten Oberfläche eine erste Oberflächenstruktur und/oder die Durchführung an einer mit der Isolierung verbundenen zweiten Oberfläche eine zweite Oberflächenstruktur auf.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Isolierung eine mit der ersten oder zweiten Oberflächenstruktur zusammenwirkende dritte Oberflächenstruktur auf, so dass eine in Richtung der Mittelachse oder in einer Umfangsrichtung formschlüssige Verbindung zwischen der Isolierung und dem Leiter und/oder zwischen der Isolierung und der Durchführung hergestellt ist. Die hin zum Leiter weisende dritte Oberflächen ^¬ struktur kann anders als oder gleichartig wie die hin zur Durchführung weisende dritte Oberflächenstruktur ausgebildet sein .

Insbesondere sind die Oberflächenstrukturen Rauigkeiten der Oberfläche, die z. B. durch eine Aufrauhung der Oberflächen (z. B. durch Sandstrahlen o.ä.) eingestellt werden können. Es können aber auch konkrete Formen an den Oberflächen bereitgestellt werden, z. B. Gewinde oder längs liegende bzw. ringförmige Strukturen . Formschlüssige Verbindungen entstehen durch das Ineinandergreifen von mindestens zwei Verbindungspartnern. Dadurch können sich die Verbindungspartner auch ohne oder bei unterbrochener Kraftübertragung nicht lösen. Anders ausgedrückt ist bei einer formschlüssigen Verbindung der eine Verbindungspartner dem anderen im Weg. Durch die Oberflächenstrukturen kann die Gasdichtigkeit des Anschlusses verbessert werden. Die Oberflächenstrukturen, insbesondere in der Umfangsrichtung verlaufende Oberflächenstrukturen, bilden eine Art von Labyrinthdichtung.

Die Oberflächenstrukturen vergrößern zudem die Reibungsflächen der aneinandergrenzenden Oberflächen von Leiter, Isolation und Durchführung, so dass auch das aufzunehmende Drehmoment erhöht werden kann.

Insbesondere weist der elektrische Leiter an dem ersten Ende des Anschlusses ein Innengewinde und einen konisch geformten Verbindungsabschnitt auf, so dass der elektrische Leiter über eine Schraube mit einem entsprechend geformten Anschlussstück selbsthemmend verbindbar ist.

Hinsichtlich der selbsthemmenden Verbindung über die konisch geformten Verbindungsabschnitte wird auf die diesbezüglichen Ausführungen in der eingangs erwähnten WO 97/47057 AI verwiesen, die hiermit vollumfänglich in Bezug genommen wird.

Zur Verbindung des Anschlusses mit einer elektrischen Leitung über ein Anschlussstück kann durch die Schraube der Verbindungsabschnitt am Anschluss mit einem entsprechend konisch geformten Verbindungsabschnitt an dem Anschlussstück selbst ^¬ hemmend verbunden werden. Die Schraube kann insbesondere nach der Verbindung der Verbindungsabschnitte wieder entfernt werden.

Die Verbindung der Verbindungsabschnitte mit Hilfe des In- nengewindes ermöglicht eine kompakte und platzsparende Aus ^¬ führung des Anschlusses im Vergleich zu bekannten Lösungen mit Außengewinde .

Weiter wird eine Verwendung des erfindungsgemäßen elektrischen Anschlusses für eine elektrische Komponente in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, wobei das Abgassystem einen metallischen Mantel aufweist, durch den der elektrische Leiter des Anschlusses hindurchgeführt ist, wobei der elekt ^¬ rische Leiter innerhalb des metallischen Mantels ein elektrisch leitendes Bauteil der Komponente kontaktiert. Weiter werden drei Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen elektrischen Anschlusses vorgeschlagen, die sich insbesondere jeweils auf eine der oben genannten Werkstoff ^¬ gruppen beziehen.

a) Der Einsatz von Keramiken erfordert folgende Schritte (1. Verfahrensvariante) :

1) Bereitstellen eines elektrischen Leiters;

2) Bereitstellen einer metallischen Durchführung;

3) Anordnen des Leiters in der Durchführung und Bildung eines den elektrischen Leiter umgebenden Zwischenraums zwischen Leiter und Durchführung;

4) Bereitstellen eines gesinterten Keramikkörpers, der insbesondere zur späteren Erzeugung einer Verbindung zum Leiter und zur Durchführung metallisiert ausgeführt ist;

5) Einführen einer elektrischen Isolierung in Form des ge- sinterten Keramikkörpers in den Zwischenraum, die sich während des Einführens an eine erste Oberfläche des Leiters und an eine zweite Oberfläche der Durchführung anschmiegt, wobei insbe ^¬ sondere bei dem Fügeprozess eine Temperaturdifferenz zwischen den einzelnen Bauteilen vorliegt;

6) Verbinden der Isolierung mit dem Leiter und der Durchführung; z. B. durch Löten und/ oder durch Erzeugung einer Presspassung . b) Der Einsatz von Glas oder Glaskeramik erfordert folgende Schritte (2. Verfahrensvariante):

1) Bereitstellen eines elektrischen Leiters;

2) Bereitstellen einer metallischen Durchführung;

3) Anordnen des Leiters in der Durchführung und Bildung eines den elektrischen Leiter umgebenden Zwischenraums zwischen Leiter und Durchführung;

4) Bereitstellen einer Glasmasse z.B. als Schüttung, bevorzugt als Glaspressling, und Anordnen in dem Zwischenraum; 5) Aufschmelzen der Glasmasse, insbesondere des Presslings, zur Ausbildung der Verbindung mit der ersten Oberfläche des Leiters und der zweiten Oberfläche der Durchführung. In einer weiteren Ausführungsform (3. Verfahrensvariante) kann die Erzeugung des Presslings entfallen und in Schritt 4) die elektrische Isolierung in Form einer viskosen Glasmasse in den Zwischenraum eingeführt werden, wobei sich die Glasmasse während des Einführens an eine erste Oberfläche des Leiters und an eine zweite Oberfläche der Durchführung anschmiegt. In dem Schritt 5) würde dann die Aushärtung der Isolierung erfolgen. Verfahrensvariante 2. und 3. unterscheiden sich damit nur hinsichtlich der Schritte 4) und 5) . Die Ausführungen zu dem elektrischen Anschluss gelten in gleicher Weise für die vorgeschlagene Verwendung und die Verfahren und umgekehrt .

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Dabei sind gleiche Bauteile in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch:

Fig. 1: einen Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem in Explosionsdarstellung und in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 : einen elektrischen Anschluss in einer Seitenansicht im Schnitt; und

Fig. 3: die Verfahrensschritte 1. bis 5 der dritten Ver ^¬ fahrensvariante . Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 4 mit einem Abgassystem 3 in Explosionsdarstellung und in perspektivischer Ansicht. Das Abgassystem 3 ist ein Abschnitt einer Abgasleitung eines Kraftfahrzeuges, in dem ein elektrisch beheizbarer Wabenkörper als elektrische Komponente 2 angeordnet ist. Die Abgasleitung bildet den Mantel 5, durch den hindurch sich der Leiter 6 des elektrischen Anschlusses 1 entlang der Mittelachse 9 erstreckt. Der Leiter 6 dient der elektrischen leitenden Kontaktierung eines elektrisch leitenden Bauteils 26 der Komponente 2 innerhalb des Mantels 5. Außerhalb des Mantels 5 ist der elektrische Anschluss 1 an dem ersten Ende 10 über ein Anschlussstück 25 und eine elektrische Leitung mit einer Spannungsversorgung verbunden (siehe Fig. 2) .

Fig. 2 zeigt einen elektrischen Anschluss 1 in einer Seitenansicht im Schnitt. Der Anschluss 1 weist den Leiter 6 sowie eine den Leiter 6 umgebende elektrische Isolierung 7 und eine die Isolierung 7 und den Leiter 6 umgebende metallische Durchführung

8 auf, die sich zusammen entlang einer Mittelachse 9 erstrecken, wobei sich die Isolierung 7 an dem ersten Ende 10 des Anschlusses 1 um eine Isolationsstrecke llüber die Durchführung 8 hinaus entlang der Mittelachse 9 erstreckt. Das zweite Ende 12 ist innerhalb des Mantels 5 angeordnet und mit einem elektrisch leitenden Bauteil 26 der Komponente 2 elektrisch leitend verbunden. Der Leiter 6 weist an einer mit der Isolierung 7 verbundenen ersten Oberfläche 14 eine erste Oberflächenstruktur

16 und die Durchführung 8 an einer mit der Isolierung 7 ver- bundenen zweiten Oberfläche 15 eine zweite Oberflächenstruktur

17 auf.

Weiter weist die Isolierung 7 eine mit der ersten und zweiten Oberflächenstruktur 16, 17 zusammenwirkende dritte Oberflä- chenstruktur 18 auf, so dass eine in Richtung 19 der Mittelachse

9 und in Umfangsrichtung 20 formschlüssige Verbindung 21 zwischen der Isolierung 7 und dem Leiter 6 und zwischen der Isolierung 7 und der Durchführung 8 hergestellt ist. Der elektrische Leiter 6 weist an dem ersten Ende 10 des An ^¬ schlusses 1 ein Innengewinde 22 und einen konisch geformten Verbindungsabschnitt 23 auf, so dass der elektrische Leiter 6 über eine Schraube 24 mit einem entsprechend geformten An ^¬ schlussstück 25 (gestrichelt dargestellt) selbsthemmend ver ^¬ bindbar ist. Zur Verbindung des Anschlusses 1 mit einer elektrischen Leitung über das Anschlussstück 25 wird durch die Schraube 24 der Verbindungsabschnitt 23 am Anschluss 1 mit einem entsprechend konisch geformten Verbindungsabschnitt 23 an dem Anschlussstück 25 selbsthemmend verbunden.

Fig. 3 zeigt die Verfahrensschritte 1) bis 5) gemäß der dritten Verfahrensvariante. In Verfahrensschritt 1 ) wird der elektrische Leiter 6 bereitgestellt. In Verfahrensschritt 2.) wird die Durchführung 8 bereitgestellt. In Verfahrensschritt 3) wird der Leiter 6 in der Durchführung 8 koaxial angeordnet und so ein den elektrischen Leiter 6 umgebender Zwischenraum 27 zwischen Leiter 6 und Durchführung 8 gebildet. Der Leiter 6 weist an einer sich mit der Isolierung 7 verbindenden ersten Oberfläche 14 eine erste Oberflächenstruktur 16 und die Durchführung 8 an einer sich mit der Isolierung 7 verbindenden zweiten Oberfläche 15 eine zweite Oberflächenstruktur 17 auf.

In Verfahrensschritt 4) wird die elektrische Isolierung 7 in Form einer viskosen Masse 28 in den Zwischenraum 27 eingeführt (siehe Pfeil) , die sich während des Einführens an eine erste Oberfläche 14 des Leiters 6 und an eine zweite Oberfläche 15 der Durchführung 8 anschmiegt. Die viskose Masse 28 bildet während des Aushärtens gemäß Schritt 5) dritte Oberflächenstrukturen 18 aus (siehe Fig. 2) .