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Anwendungsgebiet und Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Induktionskochfeld mit mindestens einer Induktionsspule, vorteilhaft mehreren Induktionsspulen, wobei mindestens eine Induktionsspule eine Kochstelle bilden bzw. definieren kann. Derartige Induktionskochfelder mit Induktionsspulen sind beispielsweise aus der
EP 1601236 A2 bekannt.
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Ein Problem ist die Entstehung von Wärme in einem Induktionskochfeld, und zwar sowohl durch die Verlustleistung der Leistungselektronik zur Versorgung der Induktionsspule als auch in der Induktionsspule selbst. Die vornehmlich aus Kupfer oder aus mit Kupfer beschichtetem Aluminium bestehende Induktionsspule wird sowohl aufgrund der ohmschen Verluste warm, als auch durch das wärmere Kochgeschirr darüber. Wegen des positiven Temperaturkoeffizienten von Kupfer nimmt der ohmsche Verlust mit steigender Temperatur zu, weswegen auch die Induktionsspulen gekühlt werden müssen. Dies ist aus der vorgenannten
EP 1601236 A2 bekannt.
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Aus der
DE 4224405 A1 ist allgemein ein Induktionskochfeld bekannt. Um eine zu hohe Erwärmung von Induktionsspulen des Induktionskochfeldes zu vermeiden, sind nach oben hin zur Kochfeldplatte, auf der ein üblicherweise sehr heißer, durch die Induktionsspule erhitzter Topf steht, Scheiben zur thermischen Dämmung darauf angebracht.
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Aus der
DE 3723077 A1 ist ein Kochfeld mit Strahlungsheizkörpern bekannt, wobei der Strahlungsheizkörper eine Halogenlampe aufweist. Unter der Halogenlampe verlaufen parabelähnliche Zylinderabschnitte als Reflektoren. Sie sollen zur Erhöhung der Effizienz die von der Halogenlampe nach unten abgestrahlte Wärmestrahlung nach oben umleiten, um sie in ein über den Strahlungsheizkörpern auf einer Kochfeldplatte des Kochfeldes aufgestelltes Kochgefäß einzuleiten.
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Aus der
DE 10360593 B3 ist ein Kochfeld bekannt, welches in einer Arbeitsplatte einer Küchenzeile eingebaut wird. Es weist ein kastenartiges Gehäuse auf, wobei eine Gehäuseunterseite derart bearbeitet ist, dass ihr Emissionsgrad für Wärmestrahlung relativ hoch ist, beispielsweise beschichtet ist. So kann Wärme besser abgestrahlt werden zur Kühlung des Kochfelds.
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Aufgabe und Lösung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Induktionskochfeld mit mindestens einer Induktionsspule zu schaffen, mit dem es möglich ist, den Aufwand zur Kühlung der Induktionsspule zu verringern bzw. für bessere Kühlung der Induktionsspule zu sorgen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Induktionskochfeld mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen hervor und werden im Folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Es ist vorgesehen, dass ein Induktionskochfeld mindestens eine Induktionsspule aufweist, die aus einem Leitermaterial gewickelt bzw. aufgebaut ist, und zwar vorteilhaft auf bekannte Art und Weise. Das Leitermaterial weist mindestens eine untere und eine obere Beschichtung auf. Zum einen ist das Leitermaterial vorteilhaft elektrisch isoliert bzw. weist eine elektrisch isolierende Beschichtung auf. Des Weiteren ist das Leitermaterial erfindungsgemäß mit der unteren Beschichtung versehen, die zur Optimierung der thermischen Abstrahlung ausgebildet ist. Dazu weist die untere Beschichtung ein Abstrahlspektrum bzw. Emissionsspektrum auf, das auf das Absorptionsspektrum von Luft derart abgestimmt ist, dass eine maximale Abstrahlung von Wärme von der Induktionsspule möglich ist, so dass diese Wärme von der Luft aufgenommen werden kann. So kann ein Teil der in der Induktionsspule beim Betrieb entstehenden Wärme von der Induktionsspule abgenommen werden, und zwar an die Luft abgegeben werden. Ein möglicherweise immer noch zur Kühlung der Induktionsspule vorgesehener Lüfter kann dann entweder kleiner ausgelegt werden oder er braucht nicht so häufig zu arbeiten.
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Die obere Beschichtung ist bei der Erfindung dafür ausgelegt, bei Strahlung entsprechend einer Temperatur höher als 200°C, vorzugsweise höher als 250°C, zu mindestens 75% reflektierend zu sein, also mindestens 75% der eingestrahlten Energie zurückzustrahlen bzw. zu reflektieren. Dies kann auch für etwas höhere Temperaturen gelten, vorzugsweise höher als 300°C, insbesondere maximal 500°C oder 600°C. Dies sind Maximaltemperaturen von Topfböden oder Kochfeldplatten. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die obere Beschichtung sogar dafür ausgebildet sein, in dem genannten Temperaturbereich zu mindestens 90% oder sogar 95% reflektierend ausgebildet zu sein. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Wärmestrahlung eines Bodens eines auf eine Kochfeldplatte über der Induktionsspule aufgesetzten Topfes großteils bzw. möglichst weitgehend zu reflektieren. So kann vermieden werden, dass der von der Induktionsspule aufgeheizte Topf eine Erwärmung der Induktionsspule bewirkt. Die Optimierung bzw. Erhöhung der Reflektion der Induktionsspule ist ein weiteres Mittel zusätzlich zur vorgenannten Optimierung bzw. Erhöhung der Abstrahlung von Wärme, das insgesamt die Erwärmung der Induktionsspule gering halten soll.
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Die obere Beschichtung nimmt die obere Hälfte einer Außenfläche der Induktionsspule ein und die untere Beschichtung die untere Hälfte der Außenfläche.
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Bei Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 3 μm und 12 μm, vorzugsweise zwischen 5 μm und 10 μm, wobei diese Wellenlänge im Infrarot-Bereich liegt, hat das Absorptionsspektrum von Luft ein Maximum bzw. in diesem Bereich kann die Luft maximal Wärme über Strahlung aufnehmen. Die Abstrahlung der Induktionsspule liegt durch die untere Beschichtung in diesem Wellenlängenbereich.
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Bei der Erfindung ist nicht eine einzige Beschichtung mit den vorgenannten Eigenschaften, insbesondere mit sowohl gut abstrahlenden als auch gut reflektierenden Eigenschaften, vorgesehen ist, sondern zwei unterschiedliche Beschichtungen. Jede dieser Beschichtungen ist für ihren Zweck optimiert. So ist an einer Oberseite der Induktionsspule die obere Beschichtung vorgesehen, die überwiegend reflektierende Eigenschaften aufweist. Somit kann der zuvor beschriebene Einfluss einer Wärmerückstrahlung von einem oberhalb der Induktionsspule befindlichen Topf mit heißem Boden nach unten reduziert werden, vorteilhaft möglichst weitgehend. An einer Unterseite der Induktionsspule werden solche überwiegend reflektierende Eigenschaften nicht benötigt. Deswegen weist hier die untere Beschichtung vor allem überwiegend abstrahlende Eigenschaften auf, so dass hier vor allem Wärme von der Induktionsspule abgegeben wird.
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Einerseits ist es möglich, dass zur Herstellung der Induktionsspule bzw. ihrer Beschichtungen die überwiegend abstrahlende Beschichtung zuerst vollständig auf die Induktionsspule aufgebracht wird. Dann wird nur an der Oberseite der Induktionsspule zu einer darüber angeordneten Kochfeldplatte hin die überwiegend reflektierende obere Beschichtung auf die Induktionsspule und die abstrahlende Beschichtung aufgebracht. Somit muss nur der zweite Beschichtungsschritt selektiv sein, während der erste einfacher gehalten sein kann.
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Andererseits ist es möglich, dass an der Oberseite der Induktionsspule keine abstrahlende Beschichtung vorgesehen ist, wo dann nachfolgend die überwiegend reflektierende obere Beschichtung aufgebracht wird. Dazu kann entweder die überwiegend abstrahlende untere Beschichtung selektiv nur an der Unterseite der Induktionsspule bzw. nicht an der Oberseite aufgebracht werden. Alternativ kann nach einem vollständigen Auftrag der überwiegend abstrahlenden Beschichtung auf die Induktionsspule an der Oberseite diese Beschichtung wieder entfernt werden.
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Vorteilhaft besteht das Leitermaterial der Induktionsspule aus Kupfer, und zwar entweder vollständig aus Kupfer oder aber, wie zuvor erwähnt, mit einem Aluminiumkern oder aus Aluminium. Das Leitermaterial liegt vornehmlich in Form von verdrillten Litzen vor. Deren Einzeldrähte können mit üblichem Isolierlack versehen sein, so dass danach eine Beschichtung mit abstrahlenden oder reflektierenden Eigenschaften aufgebracht wird. Alternativ kann diese Beschichtung mit den abstrahlenden oder reflektierenden Eigenschaften selbst elektrisch isolierend sein und direkt anstelle des Isolierlacks verwendet werden.
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Ein Bestandteil eines Beschichtungsmittels für das Leitermaterial bzw. der Litzen der Induktionsspule kann Polyamid sein. Vorteilhaft kann die untere und/oder die obere Beschichtung eine Mischung mehrerer Materialien sein, beispielsweise aus dem vorgenannten Polyamid mit weiteren Materialien mit abstrahlenden und/oder reflektierenden Eigenschaften.
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Um die genannten abstrahlenden und/oder reflektierenden Eigenschaften zu erreichen, können sogenannte polymere Systeme verwendet werden, die zu bestimmten Spektren passen. Diese werden beispielsweise von der Firma BASF unter den Namen Paliogen® Schwarz, Lumogen® Schwarz und Sicopal® Schwarz angeboten. Diese Pigmente sind vor allem wegen ihrer reflektierenden Eigenschaften vorteilhaft, aber auch wegen ihrer abstrahlenden. Weitere derartige Pigmente sind von der Firma Heubach als HEUCODUR® erhältlich.
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In Erweiterung der Erfindung ist es möglich, dass neben den jeweiligen Materialien im eigentlichen Sinn die abstrahlenden und/oder reflektierenden Eigenschaften auch durch die Partikelgröße der Materialien beeinflusst werden können. Bei den genannten Polymeren kann die Molekulargewichtsverteilung herangezogen werden, bei keramischen Füllstoffen die Korngrößenverteilung.
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Eine weitere Verbesserung der Wärmeabgabe der Induktionsspule kann dadurch erreicht werden, dass in der unteren und/oder in der oberen Beschichtung Partikel vorgesehen werden, welche die Wärmeleitfähigkeit zwischen den einzelnen Leitern bzw. Litzendrähten verbessern. Somit kann Wärme auch von innenliegenden Litzendrähten gut über außenliegende Litzendrähte zur äußeren optimal wärmeabstrahlende Beschichtung transportiert werden.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in Zwischen-Überschriften und einzelne Abschnitte beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Induktionskochfeld in der Seitenansicht,
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2 einen Schnitt durch einen Ausschnitt der Induktionsspule aus 1 mit Beschichtung,
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3 eine Schnittdarstellung durch eine Windung der Induktionsspule bestehend aus Litzendrähten mit Beschichtungsvorrichtung und
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4 das Absorptionsspektrum von Luft.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der 1 ist ein Induktionskochfeld 11 gemäß der Erfindung dargestellt, das eine Kochfeldplatte 12 aufweist. Darauf ist ein Topf 14 aufgestellt, und zwar an einer Kochstelle 15, die im Wesentlichen durch eine darunter angeordnete Induktionsspule 17 definiert ist. Die Induktionsspule 17 ist erkennbar einlagig aus mehreren Spulenwindungen 18 aufgebaut bzw. gewickelt, wobei die Spulenwindungen 18 auf einer Tragunterlage angeordnet sind. An deren Unterseite sind längliche Ferrite 23 angeordnet, wie dies allgemein von Induktionsspulen bekannt ist. Zur optionalen Kühlung ist rechts neben der Induktionsspule 17 ein Lüfter 25 vorgesehen. Für die Leistungsversorgung der Induktionsspule 17 ist eine Leistungselektronik 26 samt Steuerung 27 vorgesehen.
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Aus der Vergrößerung der 2 ist zu ersehen, dass die Spulenwindungen 18 eine Beschichtung aufweisen, und zwar in diesem Fall eine obere Beschichtung 29 und eine untere Beschichtung 30. Diese nehmen jeweils in etwa die Hälfte der Außenfläche ein, also die obere Hälfte und die untere Hälfte. Wie zuvor erläutert, ist die obere Beschichtung 29 reflektierend ausgebildet, und zwar derart, dass sie mindestens 75% bis 95% der auf sie gelangenden Wärmestrahlung reflektiert. Diese Wärmestrahlung kommt, wie an der 1 leicht nachvollzogen werden kann, von dem mittels der Induktionsspule 17 erhitzten Topf 14 auf der Kochstelle 15. Bei einem länger dauernden Kochvorgang kann ein Boden des Topfes 14 Temperaturen von 2000° bis 3000° erreichen, was dann natürlich eine entsprechende Wärmestrahlung nach unten an die Induktionsspule 17 bewirkt. Dazu kommt noch eine Wärmestrahlung der ebenfalls erwärmten Kochfeldplatte 12. Damit sich diese nicht zu stark aufheizt wegen der ansteigenden ohmschen Verluste, insbesondere auch aufgrund der PTC-Eigenschaften des Kupfermaterials der Spulenwindungen 18, sind hier eben vor allem reflektierende Eigenschaften der oberen Beschichtung 29 gefragt, die ja zum Topf 14 hin weist.
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Als weitere Maßnahme gemäß dem Kern der Erfindung ist eine untere Beschichtung 30 der Spulenwindungen 18 der Induktionsspule 17 mit weitgehend abstrahlenden Eigenschaften vorgesehen. Wie eingangs erläutert worden ist, ist die Beschichtung 30 so ausgebildet, dass sie vor allem mit Wellenlängen im Bereich zwischen 5 μm und 10 μm besonders gut abstrahlt bzw. besonders stark. Hierfür kann die untere Beschichtung 30 beispielsweise mit einer der eingangs genannten Beschichtungen wie beispielsweise Paliogen® Schwarz odgl. versehen sein. Während also die obere Beschichtung 29 bewirken soll, dass möglichst wenig Wärmestrahlung, insbesondere vom erhitzten und aufgesetzten Topf 15, in die Induktionsspule 17 eingetragen wird, soll die untere Beschichtung 30 bewirken, dass möglichst viel Wärme von der Induktionsspule 17 bzw. ihren Spulenwindungen 18 abgestrahlt wird, also weggeht. Die Aufteilung zwischen oberer Beschichtung 29 und unterer Beschichtung 30 muss nicht zwingend genau hälftig sein. Unter Umständen kann die obere Beschichtung 29 auch einen geringeren Anteil einnehmen, beispielsweise nur 40% oder sogar nur 30%. Vorteilhaft ist sie aber jeweils am obersten Bereich vorgesehen, also zur möglichen Wärmequelle hin.
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Als weitere Maßnahme zur besseren Kühlung der Induktionsspule 17 bzw. der einzelnen Spulenwindungen 18 sind in der flächigen Tragunterlage 20 durchgehende Löcher 21 vorgesehen. So kann eine Luftzirkulation und auch die Wärmeabstrahlung an der Induktionsspule 17 verbessert werden. Die Löcher 21 sind vorteilhaft nicht über den Ferriten 23 vorgesehen.
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In der 3 ist zu ersehen, wie eine Spulenwindung 18 aus einer Vielzahl von Litzendrähten 19 gebildet ist, wie es an sich bekannt ist. Diese Litzendrähte 19 bestehen vorteilhaft aus Kupfer oder einem mit Kupfer überzogenen Aluminiumkern. Sie sind auf bekannte Art und Weise gegeneinander elektrisch isoliert, was üblicherweise mit einem Isolierlack erfolgt. Dies kann aber auch erfindungsgemäß mit einer weitgehend gut abstrahlenden und/oder weitgehend gut reflektierenden Beschichtung erfolgen, die elektrisch isolierend ist. Dann kann ein nachfolgendes Aufbringen einer zusätzlichen vorgenannten Beschichtung entfallen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Litzendrähte 19 elektrisch isoliert sind und dann die gesamte Spulenwindung 18 beschichtet wird, wozu in der 3 eine obere Beschichtungsvorrichtung 32 und eine untere Beschichtungsvorrichtung 33 vorgesehen sind. Diese ermöglichen es, an der oberen Seite eine obere Beschichtung 29 und an der unteren Seite eine untere Beschichtung 30 vorzusehen, wie es die 2 zeigt. Die beiden Beschichtungen weisen dann die vorgenannten unterschiedlichen Eigenschaften auf. Alternativ können die beiden Beschichtungsvorrichtungen 32 und 33 auch dazu dienen, insgesamt eine vollständige Beschichtung der Spulenwindung 18 zu bewirken. Alternativ zu einer hier dargestellten sprühenden oder spritzenden Beschichtungsvorrichtung kann auch ein Tauchen erfolgen.
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In der 4 ist das Absorptionsspektrum von Luft über dem Kehrwert der Wellenlänge der Strahlung dargestellt. Hieraus ist zum einen zu erkennen, dass Luft kein kontinuierliches Spektrum aufweist. Des Weiteren gibt es klare Absorptionsbanden. Das Spektrum zeigt ein klares Maximum zwischen 1000 cm–1 und 3000 cm–1. Das bedeutet, dass die Luft neben der Konvektionswärmeübertragung auch noch Wärme über Strahlung übertragen kann. Dabei wird die Wärme besonders gut aufgenommen, wenn die Abstrahlung in diesem Wellenlängenbereich liegt, was etwa 4 μm oder 5 μm bis 9 μm oder 10 μm beträgt. Somit ist eine möglichst geringe Erwärmung der Induktionsspule 17 bzw. ihrer Spulenwindungen 18 möglich. Dadurch kann ein Betrieb des Lüfters 25 möglichst selten erfolgen oder sogar entfallen.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann in einer der Beschichtungen 29 oder 30, unter Umständen auch in einem Isolierlack für die einzelnen Litzendrähte 19, ein Anteil von Partikeln vorgesehen sein, die besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Damit kann dann, wie anhand der 2 und 3 leicht vorstellbar ist, Wärme aus dem Inneren bzw. dem Kern einer Spulenwindung 18 besser an die Außenseiten transportiert werden, von wo aus sie besser abgeführt bzw. abgestrahlt werden kann.
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Bei den Partikeln kann es sich um keramische Stoffe wie beispielsweise AlN oder Si3N4 handeln. Stoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind dem Fachmann bekannt. Die Korngröße kann dabei im nm-Bereich bis μm-Bereich liegen, da Strahlung typischerweise besonders effektiv gestreut wird, wenn Wellenlänge und Korngröße korrelieren (siehe Mie-Streuung).
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Es kann sich grundsätzlich auch um metallische Stoffe wie beispielsweise Cu, Ag oder Al handeln. Dabei muss allerdings beachtet werden, dass die metallischen Stoffe im Lack in einer Konzentration unterhalb der sogenannten Perkolationsschwelle vorhanden sind. Alternativ können die Stoffe in höherer Konzentration auch außerhalb der ersten Isolierschicht vorhanden sein. Die Korngrößen sollten ebenfalls mit der Wellenlänge korrelieren (siehe Mie-Streuung).
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Als weitere Materialklasse mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit können Fasern auf Basis von Kohlenstoffnanostrukturen verwendet werden wie beispielsweise Single walled, double walled oder multiwalled Carbon nanotubes, Graphene, Carbon nanohorns oder andere faserartige Stoffe auf Basis von Kohlenstoff, beispielsweise Dialead® Pitch-CF (K13D2U) von Mitsubishi Plastics, Inc..
