EP2193528B1 - Elektrische leistung mit kohlenstoffnanoröhren - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine schichtartig aufgebaute elektrische Leitung mit einer ersten Schicht aus einem Komposit mit Kohlenstoffnanoröhren.
• Kohlenstoffnanoröhren, auch mit CNT (Carbo-Nano-Tube) abkürzend bezeichnet, sind mikroskopisch kleine röhrenförmige Gebilde aus Kohlstoff. Insbesondere für die Elektro- und Elektronikindustrie sind Kohlenstoffnanoröhren aufgrund ihrer extrem hohen Strombelastbarkeit und Wärmeleitfähigkeit interessant. So besitzen Kohlenstoffnanoröhren eine ca. tausendmal höhere Strombelastbarkeit als Kupferdrähte, und ihre Wärmeleitfähigkeit liegt mit ca. 6.000 $\frac{W}{m\cdot K}$

  

  beinahe doppelt so hoch wie die von Diamant.
• Reine Kohlenstoffnanoröhren sind heute lediglich in geringen Mengen erhältlich. Somit ist es zurzeit noch schwer vorstellbar, industriell eingesetzte, ausgedehnte elektrische Leiter rein aus Kohlenstoffnanoröhren herzustellen.
• Jedoch ist aus der US 2007/70151744 A1 ein Leiter aus einem Komposit aus einem Metall und einer zugemischten Menge von Kohlenstoffnanoröhren im Bereich von 0,2 bis 2 % bekannt. Die Kompositschicht bildet den Kern des Leiters, der von einer Isolierschicht, einer schirmenden Schicht und einer Schutzschicht umgeben ist. Auch die elektromagnetisch abschirmende Schicht enthält Kohlenstoffnanoröhren.
• Aus US 2005/0064647 ist die Verwendung und Herstellung von elektrischen Leitern aus Materialien bekannt, welche Kohlenstoffnanoröhren beinhalten, wobei die beschriebenen Leiter aus mehreren Schichten aufgebaut sein können und insbesondere eine äußere, isolierende Schicht aufweisen.
• Die GB 319,792 beschreibt einen elektrischen Leiter mit einer wärmeleitenden Schicht um die Stromtragfähigkeit des Leiters zu verbessern.
  Auch der GB 1,002,525 kann man ein elektrisches Kabel das unter Verwendung von bestimmten Materialien eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweist, entnehmen.
• Die Verbreitung von Kompositmaterialien auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren wird zurzeit durch die erheblichen Kosten gebremst, die für diese Materialien im Verhältnis zu herkömmlichen Leitermaterialien wie Kupfer und Aluminium aufgebracht werden müssen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Materialkosten eines auf Kohlenstoffnanoröhren basierenden elektrischen Leiters zu reduzieren.
• Diese Aufgabe wird durch eine schichtartig aufgebaute elektrische Leitung gelöst gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.
  Die Leitung hat eine erste Schicht aus einem ersten Material mit Kohlenstoffnanoröhren und eine zweite Schicht, wobei die zweite Schicht aus einem wärmeleitenden zweiten Material besteht und an die erste Schicht unmittelbar angrenzt, wobei eine der beiden Schichten die andere Schicht an deren Umfang zumindest teilweise derart umschließt, dass eine in der ersten Schicht aufgrund eines durch die erste Schicht fließenden Stromes erzeugte Verlustwärme zu wesentlichen Teilen an die zweite Schicht abgegeben wird. Die erste Schicht umschließt dabei die zweite Schicht an deren Umfang vollständig. Unter dem als wärmeleitend bezeichneten zweiten Material ist in diesem Zusammenhang ein Material mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von 100 $\frac{W}{m\cdot K}$

  

  oder mehr bei Raumtemperatur zu verstehen.
• Der Kerngedanke der Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Stromtragfähigkeit eines Leiters nicht nur von der spezifischen Leitfähigkeit des leitenden Materials abhängt sondern auch von den Kühlbedingungen, unter denen der Stromtransport stattfindet. Bei gegebener Geometrie und ansonsten unveränderten Randbedingungen für die Temperaturen steigt die Stromtragfähigkeit eines Leiters lediglich mit der Wurzel des Faktors, mit dem die spezifische Leitfähigkeit erhöht wird. Wird also ein Material mit einer neunfach besseren Leitfähigkeit eingesetzt, so führt dies nur zu einer Verdreifachung des zulässigen Dauerstroms, der mit einer derartigen elektrischen Leitung geführt werden kann. In der Konsequenz führt dies dazu, dass in vielen Fällen gute elektrische Leitungseigenschaften nur ineffizient ausgenutzt werden können, da die in Leitern erzeugte Wärme nicht in ausreichender Menge abgeführt werden kann.
• Die von einer elektrischen Leitung abführbare Wärme pro Zeiteinheit hängt entscheidend von der effektiven Oberfläche des Leiters ab, die dieser zu diesem Zweck zur Verfügung stellen kann. Aufgrund der hohen Materialkosten, die für das kohlenstoffnanoröhrenhaltige Material der ersten Schicht aufgebracht werden müssen, wäre es sehr unwirtschaftlich, die Querschnittsfläche und damit die wärmeabführende Oberfläche eines aus dem ersten Material aufgebauten Leiters derart zu erhöhen, dass die hervorragenden elektrischen Leiteigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren voll ausgenutzt werden können. Erfindungsgemäß wird das Problem der Wärmeabfuhr durch eine wesentlich günstigere Lösung angegangen, bei der die zweite Schicht aus einem gut wärmeleitfähigen Material wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium dazu verwendet wird, den Querschnitt der elektrischen Leitung und damit deren wärmeabführende Oberfläche zu vergrößern. Aufgrund der hervorragenden Leiteigenschaften der ersten Schicht mit den Kohlenstoffnanoröhren wird sich der Stromfluss in erster Linie in der ersten Schicht konzentrieren. Die hierbei erzeugte Wärme kann aufgrund der ebenfalls noch als gut zu bezeichnenden Wärmeleitfähigkeit der zweiten Schicht von dieser geleitet und an die Oberfläche gebracht werden.
• Durch die zweite sehr viel preiswertere Schicht werden nicht nur die Wärmeleitfähigkeit und damit die Stromtragfähigkeit der elektrischen Leitung erhöht. Durch den größeren Querschnitt, der sich durch Hinzufügen der zweiten Schicht ergibt, erhält die elektrische Leitung auch eine vergleichsweise höhere Festigkeit. Der resultierende größere Querschnitt sorgt darüber hinaus für eine geringere Feldstärke an der Oberfläche der elektrischen Leitung. Aufgrund des durch die beiden Schichten eingebrachten Volumens kann auch die Kurzschlussstrombelastbarkeit der erfindungsgemäßen elektrischen Leitung erhöht werden, da sich eine höhere thermische Kapazität im Vergleich zu einem elektrischen Leiter gleicher Leitfähigkeit ergibt, der nur aus dem ersten Material besteht.
• Aufgrund der technologischen Schwierigkeiten und der damit verbundenen Herstellungskosten bei der Erzeugung eines Materials aus reinen Kohlenstoffnanoröhren, die mit zunehmender Leitungslänge ebenfalls signifikanter werden, ist eine Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, bei der das erste Material als Komposit ausgeführt ist. In diesem Komposit können die CNT zu einem gewissen Prozentsatz enthalten sein, um die gewünschten Leiteigenschaften zu erzeugen.
• Nicht nur die Wärmeleitfähigkeit auch die elektrische Leitfähigkeit kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weiter erhöht werden, wenn das wärmeleitende Material ein elektrischer Leiter, insbesondere ein metallischer Leiter, ist. In dem Fall wird auch ein Teil des von der elektrischen Leitung zu führenden Stromes über die zweite Schicht geführt, wodurch die erste Schicht entlastet wird.
• Insbesondere dann, wenn durch die Wahl des ersten und zweiten Materials eine geringer Wärmeübergangswiderstand zwischen den beiden Schichten erzielt wird, ist eine Ausführung der Erfindung vorteilhaft, bei der eine der beiden Schichten die andere Schicht an deren Umfang vollständig umschließt. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Wärmeübergangswiderstand zwischen den Schichten geringer ist als der Wärmeübergangswiderstand der ersten Schicht zur Umgebung.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schichten koaxial zueinander angeordnet sind und eine der beiden Schichten einen axial verlaufenden Kern der Leitung bildet. Die der Wärmeabfuhr zur Verfügung stehende Oberfläche ist bei einer derartigen Ausführungsform durch die außen liegende Schicht bestimmt.
• Beispielsweise kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung eine große zur Wärmeabfuhr zur Verfügung stehende Oberfläche dadurch erzielt werden, dass die zweite Schicht die erste Schicht an deren Umfang vollständig umschließt. Hierbei kann die in der ersten Schicht durch den Stromtransport erzeugte Wärme an die zweite Schicht übertragen werden, die diese Wärme schließlich an die Umgebung über eine vergleichsweise große Oberfläche abgibt.
• Umgekehrt kann aber auch eine Ausführungsform der Erfindung zweckmäßig sein, bei der die erste Schicht die zweite Schicht an deren Umfang vollständig umschließt. Bei dieser Ausführungsform bildet die zweite, aus dem preiswerteren Material hergestellte Schicht den Kern der koaxialen Anordnung. Dieser Kern muss nur mit einer vergleichsweise dünnen Schicht des ersten, teureren Materials umhüllt werden.
• Ein derartiger rohrförmig ausgebildeter Leiter ist besonders dann vorteilhaft, wenn der zu führende Strom hochfrequente Anteile besitzt. Aufgrund der hohen Frequenzen kommt es zu einer Stromverdrängung, die bei dieser Ausführungsform dazu führt, dass die an die Oberfläche der elektrischen Leitung verdrängten Stromanteile im Bereich des extrem leitfähigen ersten Materials fließen. Somit ist die frequenzabhängige Widerstandserhöhung eines solchen Leiters relativ gering im Vergleich zu herkömmlichen Leitern, die nur aus einer leitfähigen Schicht bestehen.
• Elektrische Leitungen gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen können in vorteilhafter Weise zu einem Litzendraht kombiniert werden. Wird für die elektrische Leitung eine Ausführungsform gewählt, bei der die zweite Schicht die erste Schicht an deren kompletten Umfang umschließt, so kann auf eine zusätzlich Isolierung wie beispielsweise einen Lack verzichtet werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die elektrische Leitfähigkeit des ersten Materials derart hoch ist, dass sogar eine Kupfer- oder Aluminiumschicht, die den Kern umschließt, annähernd wie eine elektrische Isolation zwischen den Einzeldrähten wirken, da Leitwertunterschied der Schichten sehr hoch ist, obwohl beide Materialien der Gruppe der elektrischen Leiter zuzuordnen sind. Dadurch, dass bei einem solchen Litzendraht auf eine zusätzliche Lack- oder Kunststoffisolation verzichtet werden kann, erhöht sich auch die innere elektrische und thermische Leitfähigkeit der Litze und damit die Stromtragfähigkeit. Es ergibt sich ein höherer Füllfaktor, dass heißt ein relativ höherer Volumenanteil, der mit elektrisch und thermisch leitendem Material gefüllt ist, als es bei konventionell isolierten Litzendrähten der Fall ist.
• Mit der erfindungsgemäßen elektrischen Leitung bzw. einer der zuvor erwähnten Ausführungsformen können verschiedenste Anwendungsfelder erschlossen werden. Eine Anwendung derartiger Leiter ist insbesondere dort interessant, wo sehr hohe Ströme auf begrenztem Raum geführt werden sollen. Daher stellt eine Spulenwicklung insbesondere für eine elektrische Maschine umfassend schichtartig aufgebaute elektrische Leitungen nach einer der bereits erwähnten Ausführungsformen eine beispielhafte vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gedankens dar.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
• Es zeigen:

FIG 1

Den Querschnitt einer ersten elektrischen Leitung mit einem Kern aus einem Komposit mit Kohlenstoffnanoröhren,

FIG 2

den Querschnitt einer zweiten elektrischen Leitung mit einem Kern aus einem Komposit mit Kohlenstoffnanröhren,

FIG 3

den Querschnitt einer dritten elektrischen Leitung mit einer rohrförmigen Schicht aus einem Komposit mit Kohlenstoffnanoröhren,

FIG 4

den Querschnitt einer vierten elektrischen Leitung mit einer rohrförmigen Schicht aus einem Komposit mit Kohlenstoffnanoröhren,

FIG 5

eine Nut mit elektrischen Leitungen, die eine Schicht aus einem Komposit mit Kohlenstoffnanoröhren aufweisen und

FIG 6

einen Litzendraht mit elektrischen Leitungen, die eine Schicht aus einem Komposit mit Kohlenstoffnanoröhren aufweisen.

• FIG 1 zeigt den Querschnitt einer ersten elektrischen Leitung mit einem Kern aus einem Komposit mit Kohlenstoffnanoröhren. Die dargestellte elektrische Leitung ist schichtartig aufgebaut. Eine erste Schicht 1 der elektrischen Leitung wird durch das Kompositmaterial gebildet, in dem sich die extrem leitfähigen Kohlenstoffnanoröhren befinden. Aufgrund der Kosten dieses Materials ist die Querschnittsfläche und damit der Umfang der ersten Schicht 1 vergleichsweise gering. Da die elektrische Leitfähigkeit des Kompositmaterials sehr hoch ist, reicht die gegebene Querschnittsfläche für den Transport sehr hoher Ströme aus, wenn gewährleistet ist, dass die hierbei entstehende Wärme ausreichend nach außen abgeführt wird.
• Dies geschieht, in dem um die erste Schicht 1 herum eine zweite Schicht 2 koaxial zur ersten Schicht 1 angeordnet wird, die aus einem sehr gut leitfähigen Material besteht. Hierfür kommt beispielsweise ein Metall wie Kupfer oder Aluminium in Frage. Die Verwendung eines leitfähigen Metalls hat neben der guten Wärmeleitfähigkeit auch noch den Vorteil, dass ein Teil des Stromtransportes auch von der zweiten Schicht 2 übernommen werden kann.
• Zur elektrischen Isolierung wird die elektrische Leitung schließlich von einer Kunststoffisolation umgeben.
• FIG 2 zeigt den Querschnitt einer zweiten elektrischen Leitung mit einem Kern aus einem Komposit mit Kohlenstoffnanoröhren. Die dargestellte Anordnung entspricht im Wesentlichen der in FIG 1 gezeigten Anordnung. Anstelle der in FIG 1 gezeigten Kunststoffisolierung 3 ist hier eine Lackschicht 4 zur elektrischen Isolierung der gesamten elektrischen Leitung nach außen vorgesehen.
• FIG 3 zeigt den Querschnitt einer dritten elektrischen Leitung mit einer rohrförmigen Schicht aus einem Komposit mit Kohlenstoffnanoröhren. In diesem Fall befindet sich die erste Schicht 1 der elektrischen Leitung auf einem von der zweiten Schicht 2 gebildeten Kern. Auf diese Art und Weise besitzt die erste Schicht 1 selbst eine sehr große Oberfläche, über die sie die Wärme abgeben kann, ohne dass hierfür große Mengen des Kompositmaterials verwendet werden müssen. Nach außen isoliert wird die erste Schicht 1 wieder durch eine Kunststoffisolation 3, die wie in FIG 4 gezeigt ist, auch durch eine Lackschicht 4 ersetzt werden kann. Bis auf die äußere Isolationsschicht zeigt FIG 4 den gleichen strukturellen Aufbau der elektrischen Leitung wie FIG 3. Die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen der elektrischen Leitung haben insbesondere bei hohen Frequenzen des zu transportierenden Stroms Vorteile. Aufgrund der hohen Frequenzen kommt es bedingt durch den Skineffekt zu einer Stromverdrängung, so dass sich der Strom hauptsächlich im Außenbereich des elektrischen Leiters konzentriert, wo auch die extrem leitfähige Kompositschicht vorgesehen ist. Aufgrund dessen macht sich die frequenzabhängige Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit nicht so stark bemerkbar, wie es bei herkömmlich aufgebauten Leitungen der Fall ist.
• FIG 5 zeigt eine Nut 5 mit elektrischen Leitungen, die eine Schicht aus einem Komposit mit Kohlenstoffnanoröhren aufweisen. Wie FIG 5 veranschaulicht, können unter Verwendung der zweischichtig aufgebauten elektrischen Leitungen auch Wicklungspakete für elektrische Maschinen aufgebaut werden, die sich durch einen sehr niedrigen spezifischen Widerstand auszeichnen. Daher lassen sich mit den erfindungsgemäßen elektrischen Leitungen sehr viel höhere magnetische Feldstärken innerhalb dieser Maschinen erzeugen, als dies mit herkömmlichen Leitern der Fall ist.
• FIG 6 zeigt einen Litzendraht mit elektrischen Leitungen, die eine Schicht aus einem Komposit mit Kohlenstoffnanoröhren aufweisen. Die einzelnen Leitungen besitzen jeweils eine erste Schicht 1 aus den Kompositmaterial, welche den Kern der Leitungen bildet, und eine zweite Schicht 2 aus einem gut wärmeleitfähigen Material wie Kupfer oder Aluminium. Obwohl Kupfer und Aluminium als gute elektrische Leiter bekannt sind, ist deren spezifische elektrische Leitfähigkeit sehr viel geringer als die des Kompositmaterials. Aufgrund dessen wirkt die zweite Schicht 2 als Isolationsschicht, die die einzelnen elektrischen Leitungen der Litze voneinander ausreichend isoliert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Isoliermaterialien wie Kunststoffen oder Lack ist jedoch die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Schicht 2 sehr hoch, so dass die Wärme zwischen den einzelnen Adern des Litzendrahts ausgetauscht werden kann. Hierdurch kann die Stromtragfähigkeit des Litzendrahtes gegenüber herkömmlicher Litze deutlich erhöht werden.
• Abschließend sei erwähnt, dass die in den Figuren dargestellte runde Leitungsform nur eine von vielen alternativen zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Gedankens darstellt. So sind selbstverständlich auch eckige Leitungsformen mit zwei aneinandergrenzenden Schichten oder auch sehr viel komplizierter Geometrien unter Verwendung der erfindungsgemäßen Lehre denkbar und vom Schutzumfang umfasst.

Claims (7)

1. Schichtartig aufgebaute elektrische Leitung mit einer ersten Schicht (1) aus einem ersten Material mit Kohlenstoffnanoröhren und einer zweiten Schicht (2), und
   die zweite Schicht (2) aus einem wärmeleitenden zweiten Material besteht und an die erste Schicht (1) unmittelbar angrenzt, wobei eine der beiden Schichten (1,2) die andere Schicht (1,2) an deren Umfang zumindest teilweise derart umschließt, dass eine in der ersten Schicht aufgrund eines durch die erste Schicht (1) fließenden Stromes erzeugte Verlustwärme zu wesentlichen Teilen an die zweite Schicht (1) abgegeben wird
   dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (1) die zweite Schicht (2) an deren Umfang vollständig umschließt..
2. Elektrische Leitung nach Anspruch 1,
   wobei das erste Material als Komposit ausgeführt ist.
3. Elektrische Leitung nach Anspruch 1 oder 2,
   wobei das wärmeleitende zweite Material ein elektrischer Leiter, insbesondere ein metallischer Leiter, ist.
4. Elektrische Leitung nach Anspruch 3,
   wobei die beiden Schichten (1,2) koaxial zueinander angeordnet sind und eine der beiden Schichten (1,2) einen axial verlaufenden Kern der Leitung bildet.
5. Litzendraht umfassend schichtartig aufgebaute elektrische Leitungen nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Litzendraht umfassend schichtartig aufgebaute elektrische Leitungen nach Anspruch 4, wobei die elektrischen Leitungen derart gestaltet sind, dass eine elektrische Isolation der einzelnen elektrischen Leitungen voneinander allein durch die zweite Schicht (2) bewirkt wird.
7. Spulenwicklung insbesondere für eine elektrische Maschine umfassend schichtartig aufgebaute elektrische Leitungen nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

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