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Title:
JOINT CONNECTION OF AT LEAST TWO ELECTRIC CONDUCTORS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/166240
Kind Code:
A1
Abstract:
Electric conductors are known which comprise a composite of fibers, in particular in the form of a thread, and in which the fibers have a plurality of carbon nanotubes (CNT) and/or layers made of graphen. Such electric conductors, further referred to as carbon conductors, are indirectly connected together in the prior art in that a metal element that is made of metal or a metal alloy is provided as a connection element to which the carbon conductors are secured by means of soldering for example. Disadvantageously, this indirect electric connection of the two carbon conductors has a comparably high contact or transition resistance. In the joint connection according to the invention, the electric contact resistance is reduced. According to the invention, a joint connection of at least two electric conductors (2) is provided, wherein each of the electric conductors (2) is formed as a composite of fibers (3), in particular in the form of a thread, the fibers (3) comprise a plurality of carbon nanotubes and/or layers made of graphen, and the joint connection (1) of the two electric conductors (2) is produced substantially or solely by van der Waals forces.

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Inventors:
KOEHNE, Martin (Wassily-Kandinsky-Weg 13, Asperg, 71679, DE)
NEUBAUER, Achim (Hausmattweg 9b, Sinzheim-Vormberg, 76547, DE)
Application Number:
EP2019/053799
Publication Date:
September 06, 2019
Filing Date:
February 15, 2019
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
H02K3/02; H01B1/04; H01R4/58
Foreign References:
US20150360949A12015-12-17
US20110053393A12011-03-03
DE102014208399A12015-11-12
Other References:
JIANG K ET AL: "Spinning continuous carbon nanotube yarns", NATURE, MACMILLAN JOURNALS LTD, LONDON, 24 October 2002 (2002-10-24), pages 801, XP002317394, ISSN: 0028-0836, DOI: 10.1038/419801A
None
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Claims:
Ansprüche

1. Fügeverbindung von zumindest zwei elektrischen Leitern (2), die jeweils als

Verbund von Fasern (3), insbesondere als Garn, ausgebildet sind, wobei die

Fasern (3) eine Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren und/oder von Schichten aus Graphen umfassen, wobei die Fügeverbindung (1) der beiden elektrischen Leiter (2) im wesentlichen oder ausschließlich durch Van der Waals- Kräfte gebildet ist. 2. Fügeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen

Leiter (2), insbesondere an ihrem Ende (2.1), jeweils einen Verbindungsabschnitt (2.2) zur Verbindung des jeweiligen elektrischen Leiters (2) mit einem der anderen elektrischen Leiter (2) aufweisen, wobei die Verbindungsabschnitte (2) vor dem Fügen jeweils eine Oberflächenstruktur haben, die geeignet ist, mit der

Oberflächenstruktur des jeweils anderen Verbindungsabschnitts (2.2)

ineinandergreifend und/oder verzahnend zusammenzuwirken.

3. Fügeverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die

Verbindungsabschnitte (2.2) flächig, flach oder eben ausgebildet sind.

4. Elektrische Maschine mit einer elektrischen Wicklung umfassend zwei elektrische Leiter (2), die eine Fügeverbindung (1) nach einem der vorhergehenden

Ansprüche aufweisen. 5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine

Anordnung von drei elektrischen Leitern (2) vorgesehen ist, wobei einer der drei elektrischen Leiter (2) als Verbindungselement (4) zur Verbindung der anderen zwei elektrischen Leiter (2) dient und über jeweils eine Fügeverbindung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit den beiden anderen elektrischen Leitern (2) verbunden ist.

6. Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei elektrische Leiter (2), insbesondere mit ihren Verbindungsabschnitten (2.2), derart zusammengepresst werden, dass eine Fügeverbindung (1) entsteht, die im Wesentlichen oder ausschließlich durch Van der Waals- Kräfte gebildet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche der Verbindungsabschnitte (2.2) der elektrischen Leiter (2) vor dem Fügen jeweils eine Oberflächenstruktur hergestellt wird, die geeignet ist, mit der Oberflächenstruktur des Verbindungsabschnitts (2.2) des anderen elektrischen Leiters (2)

ineinandergreifend und/oder verzahnend zusammenzuwirken.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Verbindungsabschnitte (2.2) der elektrischen Leiter (2) vor dem Fügen durch physikalische Behandlung vergrößert wird.

Description:
Beschreibung Titel

Fügeverbindung von zumindest zwei elektrischen Leitern

Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Fügeverbindung von zumindest zwei elektrischen Leitern nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es sind schon elektrische Leiter bekannt, die einen Verbund von Fasern, insbesondere als Garn ausgebildet, umfassen und bei denen die Fasern eine Vielzahl von

Kohlenstoffnanoröhren (CNT) und/oder von Schichten aus Graphen aufweisen.

Derartige elektrische Leiter, im weiteren auch als Kohlenstoff- Leiter bezeichnet, werden im Stand der Technik mittelbar miteinander verbunden, indem ein

Metallelement, das aus Metall oder einer Metalllegierung hergestellt ist, als

Verbindungselement vorgesehen ist, an dem die Kohlenstoff- Leiter beispielsweise durch Löten befestigt sind. Nachteilig ist, dass diese mittelbare elektrische Verbindung der beiden Kohlenstoff- Leiter einen vergleichsweise hohen Kontakt- bzw.

Übergangswiderstand aufweist. Darüber hinaus verschlechtert diese mittelbare, Metall umfassende elektrische Verbindung die Korrosionsbeständigkeit.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Fügeverbindung von zumindest zwei Kohlenstoff- Leitern mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der elektrische Kontaktwiderstand verringert wird, indem die beiden Kohlenstoff- Leiter unmittelbar miteinander verbunden sind und deren Fügeverbindung im

Wesentlichen oder ausschließlich durch Van der Waals- Kräfte gebildet ist. Bei dem erfindungsgemäßen Fügen kommt es durch das Aneinanderpressen der Kohlenstoff- Leiter zu einem Ineinandergleiten der Grenzschichten der elektrischen Leiter, so dass die Van der Waals- Kräfte als wesentliche Bindungskräfte wirksam werden. Ein weiterer Vorteil resultiert daraus, dass kein Metall oder keine Metalllegierung in dauerhaften Kontakt mit den Kohlenstoff- Leitern steht. Dadurch ist die

Verbindungstechnik gegenüber korrosiven Fluiden, wie z.B. Salznebel oder

Batteriesäure, beständig. Denn Kohlenstoff- Leiter sind im Gegensatz zu den meisten Metallen, gegen korrosive Medien mit Ausnahme von Supersäuren sehr beständig.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte

Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen

Fügeverbindung möglich.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die elektrischen Leiter, insbesondere an ihrem Ende, jeweils einen Verbindungsabschnitt zur Verbindung des jeweiligen elektrischen Leiters mit einem der anderen elektrischen Leiter aufweisen, wobei die Verbindungsabschnitte vor dem Fügen jeweils eine Oberflächenstruktur haben, die geeignet ist, mit der Oberflächenstruktur des anderen Verbindungsabschnitts ineinandergreifend und/oder verzahnend zusammenzuwirken. Auf diese Weise wird die Festigkeit der

Fügeverbindung weiter erhöht.

Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Verbindungsabschnitte flächig, flach oder eben ausgebildet sind, da die Verbindungsabschnitte der beiden elektrischen Leiter auf diese Weise mit großer Kontaktfläche aneinandergepresst werden können. Dadurch ergibt sich eine besonders gute und feste Fügeverbindung.

Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer elektrischen Wicklung umfassend zwei elektrische Leiter, die die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Fügeverbindung aufweisen.

Sehr vorteilhaft ist es, wenn an der elektrischen Maschine eine Anordnung von drei elektrischen Leitern vorgesehen ist, wobei einer der drei elektrischen Leiter als

Verbindungselement zur Verbindung der anderen zwei elektrischen Leiter dient und über jeweils eine erfindungsgemäße Fügeverbindung mit den beiden anderen elektrischen Leitern verbunden ist.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung, bei dem zwei elektrische Leiter, insbesondere mit ihren Verbindungsabschnitten, derart zusammengepresst werden, dass eine Fügeverbindung entsteht, die im Wesentlichen oder ausschließlich durch Van der Waals- Kräfte gebildet ist.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf der Oberfläche der

Verbindungsabschnitte der elektrischen Leiter vor dem Fügen jeweils eine

Oberflächenstruktur hergestellt, die geeignet ist, mit der Oberflächenstruktur des Verbindungsabschnitts des anderen elektrischen Leiters ineinandergreifend und/oder verzahnend zusammenzuwirken. Dazu kann die Oberfläche der Verbindungsabschnitte der elektrischen Leiter vor dem Fügen durch entsprechende physikalische Behandlung vergrößert werden. Die physikalische Behandlung schließt sowohl mechanische Behandlung wie z.B. Aufrauen oder Strukturieren als auch die Schwächung der Van- der- Waals- Kräfte durch geeignete Sorbentien wie z.B. Chlorosulfonsäure ein. Diese Sorbentien werden nach dem Fügen durch ein Spülbad wieder weitgehend aus der Fügestelle entfernt.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig.l zeigt zwei elektrische Kohlenstoff- Leiter nach einem ersten

Ausführungsbeispiel vor (Fig.la) und nach dem Fügen (Fig.lb) und

Fig.2 eine Anordnung von drei elektrischen Kohlenstoff- Leitern nach einem zweiten Ausführungsbeispiel vor (Fig.2a) und nach dem Fügen (Fig.2b).

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig.l zeigt zwei elektrische Kohlenstoff- Leiter nach einem ersten Ausführungsbeispiel vor (Fig.la) und nach dem Fügen (Fig.lb).

Die erfindungsgemäße Fügeverbindung 1 umfasst zumindest zwei elektrische

Kohlenstoff- Leiter 2, die über die Fügeverbindung 1 elektrisch miteinander verbunden sind und jeweils als Verbund von Fasern 3, insbesondere als Garn, beispielsweise als Flachgarn oder Band, ausgebildet sind. Die Fasern 3 weisen eine Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren, sogenannte Carbon-Nanotubes bzw. CNT’s, und/oder Schichten aus Graphen auf.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Fügeverbindung 1 der beiden elektrischen Kohlenstoff- Leiter 2 im Wesentlichen oder ausschließlich durch Van der Waals-Kräfte gebildet.

Die elektrischen Kohlenstoff- Leiter 2 haben, insbesondere an ihrem Ende 2.1, jeweils einen Verbindungsabschnitt 2.2 zur Verbindung des jeweiligen Leiters 2 mit einem der anderen elektrischen Leiter 2. Die Verbindungsabschnitte 2.2 können vor dem Fügen jeweils eine Oberflächenstruktur aufweisen, die geeignet ist, mit der

Oberflächenstruktur des Verbindungsabschnitts des jeweils anderen elektrischen Leiters 2 ineinandergreifend und/oder verzahnend zusammenzuwirken. Die

Verbindungsabschnitte 2.2 sind beispielsweise flächig, flach oder eben ausgebildet.

Die erfindungsgemäße Fügeverbindung 1 kann beispielsweise bei elektrischen Maschinen eingesetzt werden, bei denen die elektrische Wicklung aus

Kohlenstoffnanoröhren- oder Graphenfasern gebildet ist und mit anderen

Kohlenstoffnanoröhren- oder Graphenfasern verbunden werden soll.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Fügeverbindung 1 werden die zwei elektrischen Kohlenstoff- Leiter 2, insbesondere mit ihren Verbindungsabschnitten 2.2, derart zusammengepresst, dass eine Fügeverbindung entsteht, die im Wesentlichen oder ausschließlich durch Van der Waals- Kräfte gebildet ist. Vor dem

Zusammenpressen der Verbindungsabschnitte 2.2 kann auf der Oberfläche der Verbindungsabschnitte 2.2 der elektrischen Leiter 2 jeweils eine Oberflächenstruktur hergestellt werden, die geeignet ist, mit der Oberflächenstruktur des

Verbindungsabschnitts 2.2 des jeweils anderen elektrischen Leiters 2

ineinandergreifend und/oder verzahnend zusammenzuwirken. Weiterhin kann die Oberfläche der Verbindungsabschnitte 2.2 der elektrischen Leiter 2 vor dem Fügen durch entsprechende physikalische Behandlung vergrößert werden. Eine solche physikalische Behandlung könnte beispielsweise wie nachfolgend beschrieben erfolgen: Zwei Kohlenstoff- Leiter- Bänder 2 mit einer Breite von beispielsweise 2 cm und einer Dicke von beispielsweise 30 pm werden an dem Verbindungsabschnitt 2.2 auf einer Seite mit einem Schleifpapier aufgeraut. Dabei wird das Schleifpapier nur in Längsrichtung zum Bandende hin bewegt. Dadurch wird die Oberfläche gereinigt und die Strukturen in Oberflächenbereich gelockert. Anschließend werden die

Verbindungsabschnitte 2.2 mit einer Mischung aus Ethanol und Aceton im Verhältnis 1:1 beispielsweise dreifach gespült. Dazu werden die Verbindungsabschnitte 2.2 dreimal in frische Ethanol-Acetonmischung getaucht und mit einem Glasstab in dem Lösemittel beispielsweise drei Minuten lang bewegt.

Fig.2 zeigt eine Anordnung von drei elektrischen Kohlenstoff- Leitern nach einem zweiten Ausführungsbeispiel vor (Fig.2a) und nach dem Fügen (Fig.2b).

Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Anordnung von drei elektrischen Kohlenstoff- Leitern 2 vorgesehen, die beispielsweise auch bei elektrischen Maschinen Anwendung finden kann. Die drei elektrischen Kohlenstoff- Leiter 2 umfassen wie im ersten Ausführungsbeispiel Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen. Bei dieser Anordnung dient einer der drei elektrischen Leiter 2 als Verbindungselement 4 zur Verbindung der anderen zwei elektrischen Leiter 2. Dabei ist das

Verbindungselement 4 zwischen den zwei anderen elektrischen Leitern 2 vorgesehen und über jeweils eine erfindungsgemäße Fügeverbindung nach dem ersten

Ausführungsbeispiel mit den beiden anderen elektrischen Leitern 2 verbunden. Die Anordnung umfasst daher zwei erfindungsgemäße Fügeverbindungen 1.

Das Herstellungsverfahren nach dem zweiten Ausführungsbeispiel könnte die nachfolgenden Schritte aufweisen: Die Verbindungsabschnitte 2.2 werden, beispielsweise auf Stoß, in eine Pressform mit entsprechenden Maßen gelegt. Von oben wird in gleicher Art und Weise ein vorbehandeltes Verbindungsstück aus CNT- Band auf die Verbindungsabschnitte 2.2 aufgelegt. Dieses Verbindungsstück ist beispielsweise ebenfalls 2 cm breit und besitzt beispielsweise eine Länge von 4 cm. Dann wird die Form in die Presse gelegt und der Pressstempel in die Form gefahren. Der Pressstempel wird mit einer Kraft von beispielsweise 960 kN beaufschlagt. Dies entspricht einem Druck von 1,2 GPa. Nach beispielsweise einer Minute wird der Pressstempel aus der Form gefahren und die stoffschlüssig verbundene Anordnung aus der Form genommen.