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Die Erfindung betrifft eine Kabelanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Kabelanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
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Aus der
DE 10 2017 117 434 A1 ist eine Hochspannungserdkabelanordnung für einen Betrieb mit Spannungen von mindestens 110 kV mit einem Kabel bekannt. Das Kabel weist einen elektrischen Leiter, eine Isolationsmaterialschicht, die den elektrischen Leiter umgibt, und einen Kabelmantel, der die Isolationsmaterialschicht umgibt, auf. Die Hochspannungserdkabelanordnung weist zur Wärmeableitung an Erdreich, das die Hochspannungserdkabelanordnung umgibt, eine profilierte Außenumfangsoberfläche auf. Die Profilierung der Außenumfangsoberfläche ist gebildet durch mehrere Erhebungen, die von der Außenumfangsoberfläche abstehen, mehrere Vertiefungen, die in der Außenumfangsoberfläche ausgebildet sind, und eine Vielzahl von durch Aufrauen der Außenumfangsoberfläche entstandenen Oberflächenunebenheiten in Form von Schuppen oder Fäden. Die Erhebungen weisen die Gestalt von der Außenumfangsoberfläche abstehenden Rippen auf und die Vertiefungen weisen die Gestalt von in der Außenumfangsoberfläche ausgebildeten Nuten auf, wobei die Rippen und Nuten längs der Hochspannungserdkabelanordnung verlaufen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Kabelanordnung und ein neuartiges Verfahren zur Herstellung einer Kabelanordnung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kabelanordnung, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren, welches die im Anspruch 4 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Kabelanordnung umfasst zumindest einen elektrischen Leiter und einen den elektrischen Leiter umgebenden und elektrisch isolierend ausgebildeten Kabelmantel.
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Erfindungsgemäß ist der Kabelmantel zumindest abschnittsweise von einem nachträglich auf diesen aufgebrachten Wärmeleitmaterial umgeben. Das Wärmeleitmaterial weist an seiner Außenseite mehrere Erhebungen, die von einer Oberfläche des Wärmeleitmaterials abstehen, und/oder mehrere Vertiefungen, die in der Oberfläche ausgebildet sind, und/oder eine Vielzahl von Oberflächenunebenheiten in Form von Schuppen auf.
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Eine Kühlung von Hochvolt-Steckern, Hochvolt-Kabeln und Hochvolt-Stromanschlüssen für Elektrofahrzeuge stellt eine große Herausforderung dar. Eine Grenztemperatur für einen eingangsseitigen Hochvolt-Stromanschluss beträgt beispielsweise 85 °C und für ein zugehöriges Hochvolt-Kabel 180 °C. Durch diese Grenztemperaturen ist ein maximaler Ladestrom, welcher von dem Hochvolt-Stromanschluss und dem Hochvolt-Kabel geführt werden kann, begrenzt, so dass eine Ladezeit eines Energiespeichers des Elektrofahrzeugs erhöht ist.
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Mittels des nachträglich aufgebrachten Wärmeleitmaterials wird eine für eine passive Kühlung der Kabelanordnung maßgebliche Oberfläche signifikant erhöht, so dass eine Strombelastbarkeit ebenfalls erhöht wird. Bei einer Verwendung der vorliegenden Kabelanordnung an einem Hochvolt-Anschluss eines Elektrofahrzeugs kann so eine Ladezeit zur Ladung des Energiespeichers signifikant verringert werden. Dabei ist die Strombelastbarkeit der Kabelanordnung beispielsweise um ca. 25 % erhöht. Da das Wärmeleitmaterial in einfacher Weise nachträglich aufgebracht werden kann, ist in ebenfalls einfacher und kostengünstiger Weise auch eine Nachrüstung bereits bestehender Kabelanordnungen mit dem Wärmeleitmaterial möglich.
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Beispielsweise ist es so bei einer Verwendung der vorliegenden Kabelanordnung an einem Hochvolt-Anschluss eines Elektrofahrzeugs möglich, die Ladezeit signifikant zu reduzieren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch einen Querschnitt eines Kabels nach dem Stand der Technik,
- 2 schematisch einen Wärmestrom innerhalb des Kabels gemäß 1 zu dessen Umgebung in Abhängigkeit von dessen Radius,
- 3 schematisch einen Querschnitt einer Kabelanordnung,
- 4 schematisch einen Temperaturverlauf eines elektrischen Leiters für verschiedene Umgebungstemperaturen in Abhängigkeit eines Leiterstroms einer Kabelanordnung gemäß dem Stand der Technik,
- 5 schematisch einen Temperaturverlauf eines elektrischen Leiters für verschiedene Umgebungstemperaturen in Abhängigkeit eines Leiterstroms einer Kabelanordnung gemäß 3,
- 6 schematisch eine Draufsicht eines Ausschnitts einer Außenseite einer Kabelanordnung,
- 7 schematisch einen Querschnitt eines als Schrumpfschlauch ausgebildeten Wärmeleitmaterials,
- 8 schematisch eine Draufsicht eines Ausschnitts einer Kabelanordnung mit einem aufgebrachten Wärmeleitmaterial gemäß 7,
- 9 schematisch einen Querschnitt der Kabelanordnung gemäß 8,
- 10 schematisch einen Querschnitt eines bandförmig ausgebildeten Wärmeleitmaterials und
- 11 schematisch einen Querschnitt einer Kabelanordnung mit einem aufgebrachten Wärmeleitmaterial gemäß 10.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Kabel 1 nach dem Stand der Technik dargestellt. Das Kabel 1 weist einen elektrischen Leiter 2 und einen diesen umgebenden und elektrisch isolierend ausgebildeten Kabelmantel 3 auf.
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Der elektrische Leiter 2 weist einen Radius ri und das Kabel 1 einen Radius r auf, welcher sich aus der Summe des Radius ri des elektrischen Leiters 2 und einer Dicke d des Kabelmantels 3 ergibt.
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Bei zylindrischen und sphärischen Körpern erhöht eine Erhöhung der Dicke d der den Körper, in diesem Fall den elektrischen Leiter 2, umgebenden Isolierung auch deren äußere Oberfläche, woraus eine Verringerung des Konvektionswiderstands an der äußeren Oberfläche der Isolierung resultiert.
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Die Dicke d, bis zu der ein Wärmestrom zunimmt und nach deren Überschreitung der Wärmestrom abnimmt, wird als kritische Dicke bezeichnet. Bei zylindrischen Körpern, wie vorliegend dem Kabel 1, wird von einem kritischen Radius r
c gesprochen. Dieser kritische Isolationsradius ist dabei von der Wärmeleitfähigkeit k der Isolierung, das heißt vorliegend des Kabelmantels 3, und einem externen Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten h, das heißt einem Koeffizienten, welcher ein Wärmeübertragung mit der Umgebung beschreibt, abhängig gemäß
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2 zeigt einen Wärmestrom Q innerhalb des Kabels 1 gemäß 1 zu dessen Umgebung in Abhängigkeit von dessen Radius r.
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Wie zu sehen ist, nimmt dann, wenn der Radius r des Kabels 1 kleiner als der kritische Radius rc ist, ein Gesamtwärmewiderstand ab und der mögliche Wärmestrom Q vom Leiter 2 durch den Kabelmantel 3 zur Umgebung des Kabels 1 mit wachsender Dicke d des Kabelmantels 3 zu. Dieser Trend setzt sich fort, bis der äußere Radius r des Kabels 1 dem kritischen Radius rc entspricht, in dem der Wärmestrom Q sein Maximum erreicht.
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Dieser Trend ist für die Kühlung eines elektrischen Kabels 1 wünschenswert, da eine Erhöhung der Dicke d einer elektrischen Isolierung die Übertragung der im Kabel 1 abgeführten Wärme an die Umgebung unterstützt. Andererseits würde jede weitere Erhöhung der Dicke d der Isolierung über den kritischen Radius rc hinaus den Gesamtwärmewiderstand erhöhen und daher den Wärmestrom Q und somit die Wärmeabfuhr verringern.
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In 3 ist ein Querschnitt eines möglichen Ausführungsbeispiels einer Kabelanordnung 4 mit einem Kabel 1, welches beispielsweise gemäß dem in 1 dargestellten Kabel 1 ausgebildet ist, dargestellt.
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Zur Erhöhung einer Wärmeübertragung von dem Leiter 2 durch den Kabelmantel 3 an die Umgebung des Kabels 1 ist der Kabelmantel 3 zumindest abschnittsweise von einem nachträglich auf diesen aufgebrachten Wärmeleitmaterial 5 umgeben.
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Das Wärmeleitmaterial 5 weist an seiner Außenseite mehrere Erhebungen E1 bis En auf, die von einer Oberfläche des Wärmeleitmaterials 5 abstehen. Alternativ oder zusätzlich weist das Wärmeleitmaterial 5 in nicht näher dargestellter Weise mehrere Vertiefungen, die in der Oberfläche ausgebildet sind, und/oder eine Vielzahl von in 6 dargestellten Oberflächenunebenheiten in Form von Schuppen S1 bis Sm auf.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Wärmeleitmaterial 5 zwölf Erhebungen E1 bis En auf.
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4 zeigt schematisch einen Verlauf einer Temperatur t eines elektrischen Leiters in Abhängigkeit eines Leiterstroms IL einer Kabelanordnung gemäß dem Stand der Technik.
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5 zeigt schematisch einen Verlauf der Temperatur t eines elektrischen Leiters 2 in Abhängigkeit eines Leiterstroms IL einer Kabelanordnung 4 gemäß 3. Es ist erkennbar, dass sich die Strombelastbarkeit durch die erfindungsgemäße Lösung um etwa 25% erhöht.
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In 6 ist eine Draufsicht eines Ausschnitts einer Außenseite einer Kabelanordnung 4 dargestellt, die eine Vielzahl von Oberflächenunebenheiten in Form von Schuppen S1 bis Sm aufweist. Die Schuppen S1 bis Sm, die ähnlich wie Fischschuppen ausgebildet sein können, werden um das Kabel 1 gewunden und entspannen sich, wenn das Kabel 1 in einem Fahrzeug angeordnet wird. Dies kann beim Verpacken und beim Transport hilfreich sein.
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7 zeigt schematisch einen Querschnitt eines als Schrumpfschlauch, insbesondere flexibler Schrumpfschlauch, ausgebildeten Wärmeleitmaterials 5 mit Schuppen S1 bis Sm vor einem Schrumpfvorgang.
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8 zeigt schematisch eine Draufsicht eines Ausschnitts einer Kabelanordnung 4 mit einem als Schrumpfschlauch aufgebrachten Wärmeleitmaterial 5 gemäß 7. Der flexible Schrumpfschlauch richtet die Schuppen S1 bis Sm beim Schrumpfen, insbesondere unter Wärmeeinwirkung, auf. 9 zeigt schematisch einen Querschnitt der Kabelanordnung 4 gemäß 8 mit dem geschrumpften Schrumpfschlauch und den aufgerichteten Schuppen S1 bis Sm.
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10 zeigt schematisch einen Querschnitt eines bandförmig ausgebildeten Wärmeleitmaterials 5 mit Schuppen S1 bis Sm, die weitgehend an der Oberfläche des Wärmeleitmaterials 5 anliegen. Das insbesondere flexible, bandförmig ausgebildete Wärmeleitmaterial 5 kann um ein herkömmliches Kabel 1 gewickelt werden. Dabei richten sich die Schuppen S1 bis Sm auf. 11 zeigt schematisch einen Querschnitt einer Kabelanordnung 4 mit dem aufgebrachten Wärmeleitmaterial 5 aus 10.
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Es kann ein Verfahren zur Herstellung einer Kabelanordnung 4 vorgesehen sein, umfassend zumindest einen elektrischen Leiter 2 und einen den elektrischen Leiter 2 umgebenden und elektrisch isolierend ausgebildeten Kabelmantel 3, wobei an dem Kabelmantel 3 zumindest abschnittsweise ein diesen umgebendes Wärmeleitmaterial 5, welches an seiner Außenseite mehrere Erhebungen E1 bis En, die von einer Oberfläche des Wärmeleitmaterials 5 abstehen, und/oder mehrere Vertiefungen, die in der Oberfläche ausgebildet sind, und/oder eine Vielzahl von Oberflächenunebenheiten in Form von Schuppen S1 bis Sm aufweist, aufgebracht wird.
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Das Wärmeleitmaterial 5 kann als Schrumpfschlauch ausgebildet sein und dieser kann nach einem Aufbringen an dem Kabelmantel 3 erwärmt und auf diesen aufgeschrumpft werden.
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Alternativ kann das Wärmeleitmaterial 5 bandförmig ausgebildet sein und um den Kabelmantel 3 gewickelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kabel
- 2
- Leiter
- 3
- Kabelmantel
- 4
- Kabelanordnung
- 5
- Wärmeleitmaterial
- d
- Dicke
- E1 bis En
- Erhebung
- IL
- Leiterstrom
- Q
- Wärmestrom
- r
- Radius des Kabels
- rc
- kritischer Radius
- ri
- Radius des Leiters
- S1 bis Sm
- Schuppe
- t
- Temperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017117434 A1 [0003]
