EP4685817A1 - Werkstoffliches wärmeflussmanagement in gekühlten leitungen - Google Patents

Werkstoffliches wärmeflussmanagement in gekühlten leitungen

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Publication number
EP4685817A1
EP4685817A1 EP24190601.5A EP24190601A EP4685817A1 EP 4685817 A1 EP4685817 A1 EP 4685817A1 EP 24190601 A EP24190601 A EP 24190601A EP 4685817 A1 EP4685817 A1 EP 4685817A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cable
conductor
heat transfer
transfer layer
metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24190601.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel DEYERLER
Sebastian GOSS
Felix WALDRAB
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leoni Kabel GmbH
Original Assignee
Leoni Kabel GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leoni Kabel GmbH filed Critical Leoni Kabel GmbH
Priority to EP24190601.5A priority Critical patent/EP4685817A1/de
Publication of EP4685817A1 publication Critical patent/EP4685817A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/17—Protection against damage caused by external factors, e.g. sheaths or armouring
    • H01B7/29—Protection against damage caused by extremes of temperature or by flame
    • H01B7/292—Protection against damage caused by extremes of temperature or by flame using material resistant to heat
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/42—Insulated conductors or cables characterised by their form with arrangements for heat dissipation or conduction
    • H01B7/421—Insulated conductors or cables characterised by their form with arrangements for heat dissipation or conduction for heat dissipation
    • H01B7/423—Insulated conductors or cables characterised by their form with arrangements for heat dissipation or conduction for heat dissipation using a cooling fluid
    • H01B7/425—Insulated conductors or cables characterised by their form with arrangements for heat dissipation or conduction for heat dissipation using a cooling fluid the construction being bendable

Definitions

  • the present invention relates to a cooled cable with a heat transfer layer that enables material-based heat flow management in the cable.
  • the unmodified polymers commonly used as hose materials are generally poor thermal conductors, with a thermal conductivity in the range of 0.2 W / mK . This creates a barrier in the overall heat flow of the pipe, significantly hindering the targeted coupling of thermal energy into the cooling medium and allowing heat to dissipate into other pipe components.
  • the patent specification CN 106366621 A proposes an improvement in heat dissipation through the use of a mixture of a thermoplastic polyurethane elastomer, polyvinyl chloride and other compounds, including a small proportion of aluminum oxide and nitride, in a cable.
  • Another thermally conductive material for use in a cable reveals CN 110452443 A Boron nitride is embedded in a matrix of cross-linked polyethylene with a weight fraction of 14.5 - 35.9 wt.%.
  • a key element of the present invention is the incorporation of a mineral filler with a matrix-active surface modification, which on the one hand increases the thermal conductivity to a sufficient level, while on the other hand, through the physical binding of the filler into the polymer matrix, sufficiently maintains the mechanical properties.
  • the fundamental electrical properties of the material remain unaffected due to the mineral nature of the filler. This combination of properties enables the present invention to implement a thermal management concept through the targeted control of heat flow in flexible, current-carrying applications.
  • the present invention therefore enables a significant increase in the current-carrying capacity of the conductor while maintaining the conductor geometry.
  • the invention relates to a cable with a heat transfer layer that ensures effective heat transfer from the current-carrying conductors of the cable to the coolant guide, and thus enables a high current-carrying capacity while adhering to specified maximum surface temperatures of the cable.
  • the invention relates to a cable containing a hose according to the invention.
  • the present invention describes a cable with at least one core and at least one coolant channel.
  • the at least one core comprises a conductor and core insulation surrounding the conductor.
  • the cable includes an electrically insulating heat transfer layer with at least one polymer and one or more inorganic fillers, wherein one or more fillers have a hydrophobic surface modification.
  • the heat transfer layer serves as the sheathing material of the at least one coolant channel and as core insulation.
  • the coolant guide is designed in such a way that a coolant can be contained and/or transported within it.
  • coolant and cooling medium are used synonymously.
  • the heat transfer layer is electrically insulating and comprises one or more polymers and one or more inorganic fillers.
  • the heat transfer layer is used as the sheathing material of the at least one coolant conductor, as conductor insulation of the at least one conductor, and/or as a solid cable filler material.
  • the conductors contained within a cable can be current-carrying conductors, used for transmitting energy and/or power.
  • the cable can also contain other conductors that serve as signal lines, carrying information signals.
  • Information signals are electrical impulses that transmit information, not energy.
  • a conductor comprises an electrical conductor, such as a metal, and insulation made of an electrically insulating plastic.
  • a conductor may also include a coolant channel. The transmission of energy in the form of electric current in a current-carrying conductor leads to heating of the conductor and thus to heating of the conductor itself. The generated heat is dissipated via the coolant in the coolant channel. For this purpose, the heat dissipates through the components of the cable.
  • the heat transfer layer improves the heat transfer between the cable components.
  • the heat transfer layer comprises at least one polymer and at least one inorganic filler with a weight fraction of 35–65 wt.%, preferably 40–60 wt.%, and particularly preferably 40–50 wt.%.
  • the heat transfer layer can also include the at least one polymer with a weight fraction of 35–65 wt.%, preferably 40–60 wt.%, and particularly preferably 50–60 wt.%.
  • the heat transfer layer is characterized by a higher thermal conductivity than the corresponding polymer without inorganic filler.
  • the thermal conductivity measured according to DIN EN ISO 22007-1:2018-03 (method using a heat flow plate device; preferably measured with a TA test device) Instruments FOX 50), can be more than 0.2 Wm -1 K -1 , preferably more than 0.3 Wm -1 K -1 , and particularly preferably more than 0.35 Wm -1 K -1 .
  • the heat transfer layer is electrically insulating. It can have a specific volume resistance of at least 10 G ⁇ mm, preferably at least 12 G ⁇ mm, and particularly preferably at least 15 G ⁇ mm at 20 °C, measured according to ISO 19642.
  • the addition of inorganic filler is expected to impair the mechanical properties of the polymer used, such as its tensile strength.
  • the tensile strength of the heat transfer layer measured according to DIN EN 60811-501: 2019; test on a standard-sized rod; thickness 1 mm; tensile speed 25 mm/min for PE-X; 250 mm/min for all other materials, can be at least 10 MPa, preferably at least 12 MPa, and particularly preferably at least 15 MPa. If the heat transfer layer is used as a coolant guide for the cable, the tensile strength of the coolant guide, measured using a method as described above, can be at least 10 MPa, preferably at least 12 MPa, and particularly preferably at least 15 MPa.
  • the heat transfer layer is used in the cable as conductor insulation of the at least one conductor, as sheathing material of the at least one coolant channel and/or as cable filling material that surrounds the at least one conductor and the at least one coolant channel.
  • the cable of the present invention can comprise a cable filling material.
  • the cable filling material is a solid material and encloses the at least one conductor and the at least one coolant channel of the cable and can consist of the heat transfer layer.
  • Possible embodiments include the use of the heat transfer layer as conductor insulation of the at least one conductor, or as sheath material of the at least one coolant channel, or as cable filling material, or as conductor insulation of the at least one conductor and as sheath material of the at least one coolant channel, or as conductor insulation of the at least one conductor and as cable filling material, or as sheath material of the at least one coolant channel and as cable filling material, or as conductor insulation of the at least one conductor and as sheath material of the at least one coolant channel and as cable filling material.
  • the heat transfer layer can be in direct contact with the conductor of at least one wire. Additionally or independently, the heat transfer layer can be in direct contact with the coolant contained within the coolant guide, particularly if the sheathing material of the coolant guide encompasses the heat transfer layer.
  • Direct contact between the heat transfer layer and the conductor and/or the coolant enables improved heat transfer from the conductor, which acts as a heat source during cable operation and from which heat needs to be dissipated, to the coolant, which acts as a heat sink during cable operation. This allows for improved heat dissipation from the conductor to the coolant during cable operation.
  • the coolant typically has a lower temperature than the conductor of at least one core.
  • the coolant is located in the cavity of the coolant guide and is optionally actively pumped through the coolant guide during cable operation.
  • the coolant guide comprises or consists of sheathing material and forms a tube.
  • the coolant guide contains the coolant in its cavity, which is enclosed by the sheathing material.
  • the sheathing material comprises a polymeric material and may preferably consist of the heat transfer layer. If the sheathing material consists of the heat transfer layer, improved heat transfer within the cable is enabled.
  • the coolant guide can optionally be located within a conductor, in which case the coolant guide may be surrounded by the conductor of the conductor, and the conductor, together with the coolant guide, may be enclosed by the conductor insulation.
  • the coolant guide can have a tensile strength, measured according to the method described above, of at least 10 MPa, preferably at least 15 MPa, and particularly preferably at least 20 MPa.
  • the coolant routing can exhibit sufficient cold flexibility to pass a cold winding test according to ISO 19642 at -40 °C.
  • the coolant can be a liquid suitable for use in cooling systems.
  • the coolant can include water.
  • the coolant can include alcoholic compounds.
  • the heat transfer layer comprises at least one polymer.
  • the phrase "at least one polymer" means that more than one type of polymer may be present.
  • the polymer can be polyurethane, polyvinyl chloride, polyethylene, cross-linked Polyethylene, polypropylene, styrene-isoprene rubber, polyethylene terephthalate, polyamide, polystyrene, polyester, polyether, polycarbonate, or a mixture thereof.
  • the heat transfer layer comprises at least one inorganic filler with a hydrophobic surface modification.
  • the inorganic material predominates by weight over the surface modification.
  • the inorganic fillers are present in the heat transfer layer in a total proportion of 35 to 65 wt.% relative to the heat transfer layer.
  • the inorganic filler can have a specific thermal conductivity, measured according to DIN EN ISO 22007-1:2018-03 (method using a heat flow plate device; preferably measured with a TA Instruments FOX 50 test device), of at least 25 W/ (m ⁇ K).
  • the bulk-forming inorganic material of the inorganic filler can be selected from the group consisting of metal oxides, metal hydroxides, metal nitrides, metal carbonates, metal sulfates, metal phosphates and mixtures thereof, preferably comprising or, more preferably, consisting of metal hydroxides, metal oxides and mixtures thereof, and preferably comprising aluminum oxide.
  • the metal in the inorganic material can be selected from the group consisting of Al, Mg, Ca, B, Si, Zn, Ba, Sr, Fe, Mn, Cr, Sb, and Pb, and preferably includes Al.
  • the inorganic material of the inorganic filler does not contain any hydrocarbon compounds.
  • the inorganic filler can have a particle size distribution with D50 of 1.3–2.0 ⁇ m, preferably 1.4–1.8 ⁇ m, and particularly preferably 1.6 ⁇ m, and with D100 of 15–25 ⁇ m, preferably 18–22 ⁇ m, and particularly preferably 20 ⁇ m, measured by laser diffraction, preferably with a Malvern Panalytical Mastersizer 2000 using 95% ethanol as the eluent.
  • the inorganic filler can have a specific surface area of 2.0–5.0 m2 /g, preferably 2.5–4.5 m2 /g, and particularly preferably approximately 3.5 m2 /g, measured according to ISO 9277:2010 using nitrogen ( N2 ).
  • the inorganic filler has a hydrophobic surface modification.
  • the surface modification can be achieved by treating the surface of the inorganic material of the inorganic filler with a suitable reagent.
  • the reagent can comprise a silane with at least one silicon-carbon bond, and preferably vinylsilane.
  • the reagent reacts with an oxygen or nitrogen atom on the surface of the inorganic material of the inorganic filler, preferably forming a covalent bond.
  • the covalent bond can be formed between the silicon of the reagent and oxygen on the surface, or between the silicon of the reagent and nitrogen on the surface.
  • a surface modification is formed.
  • This modification can comprise a silane with at least one silicon-carbon bond, and preferably a vinylsilane.
  • the surface modification can preferably be covalently bonded to the surface of the inorganic material of the inorganic filler, forming either a silicon-oxygen bond or a silicon-nitrogen bond, depending on the nature of the inorganic material of the inorganic filler.
  • the hydrophobic surface modification has a different chemical composition than the inorganic material of the inorganic filler to which it is bonded. The use of such a surface modification allows the maintenance of mechanical properties despite high levels of inorganic filler in the polymer. Depending on the type of polymer used, it may be necessary to adapt the surface modification of the inorganic filler.
  • the reagent for forming the surface modification must be selected according to the polymer used. Choosing an inorganic filler and a polymer with similar hydrophobicity is advantageous. A suitable combination is characterized by a homogeneous mixture of fill
  • the heat transfer layer can be produced by compounding the polymer with the filler, preferably on a machine with a co-rotating twin screw.
  • a cable according to the invention described herein enables an increase in the achievable current power in the cable by efficiently dissipating the waste heat generated in the conductor, whereby the surface temperature of the cable during operation is lower than in an identical cable without a heat transfer layer.
  • a cable according to the invention can be designed such that at a power current of 525 A, measured on a cable with Nominal conductor cross-section of at least 25 mm2 , a temperature of 70 °C, preferably 60 °C, particularly preferably 55 °C, is not exceeded.
  • the cable according to the invention can be used in mobile applications, in particular as a traction cable and as a charging cable for electric vehicles and electric aircraft.
  • electrical energy is conducted through the cable and preferably a coolant is transported through the coolant channel.
  • the present invention further describes a hose comprising a polymer comprising or consisting of polyurethane, polyvinyl chloride, polyethylene, cross-linked polyethylene, polypropylene, styrene-isoprene rubber, polyethylene terephthalate, polyamide, polystyrene, polyester, polyether, polycarbonate, or a mixture thereof.
  • the hose comprises one or more inorganic fillers in a proportion of 35 to 65 wt.%, based on the weight of the hose, comprising or consisting of at least one selected from the group consisting of metal oxides, metal hydroxides, metal nitrides, metal carbonates, metal sulfates, metal phosphates and mixtures thereof, preferably metal hydroxides, metal oxides and mixtures thereof, and preferably aluminum oxide.
  • the one or more inorganic fillers have a hydrophobic surface modification, wherein the surface modification comprises a silane with at least one silicon-carbon bond, and preferably vinylsilane.
  • the hose has a specific thermal conductivity, measured according to DIN EN ISO 22007-1:2018-03 (method using a heat flux plate device; preferably measured with a TA Instruments FOX 50 test device), of more than 0.2 W / mK , preferably more than 0.3 W / mK , and particularly preferably more than 0.35 W / mK .
  • the hose has a specific volume resistivity, measured according to ISO 19642, of at least 10 G ⁇ mm at 20 °C, preferably at least 12 G ⁇ mm, and particularly preferably at least 15 G ⁇ mm at 20 °C.
  • the hose has a tensile strength, measured according to DIN EN 60811-501, of at least 10 MPa, preferably at least 15 MPa, and particularly preferably at least 20 MPa.
  • the hose exhibits sufficient cold flexibility to pass a cold coiling test according to ISO 19642 at -40 °C.
  • the hose is leak-proof and therefore suitable for conveying and containing gases and/or liquids.
  • the coolant line is a hose as described above.
  • the present invention further relates to a cable containing one or more hoses according to the invention as described above.
  • a coolant preferably a cooling liquid, can be transported in the at least one hose.
  • the present invention relates to a cable according to the invention, preferably comprising an outer sheath made of an insulating plastic, which encloses the at least one conductor and the at least one cooling hose.
  • the present invention also describes a method for heat flow management of a cable according to the invention.
  • the cable is provided in an embodiment as described herein, electrical energy is transmitted through the cable, and a suitable coolant, preferably a cooling liquid, is actively transported through the at least one coolant channel during operation of the cable.
  • a suitable coolant preferably a cooling liquid
  • Figure 1 shows an internally cooled single conductor (1) with a coolant guide (4) that encloses a cavity (5) through which a coolant can be transported.
  • the coolant guide (4) consists of the heat transfer layer and is shaped like a tube.
  • the coolant guide (4) is surrounded by a conductor (3).
  • the single conductor (1) is enclosed by conductor insulation (2).
  • Figure 2 shows a cable (6) according to the present invention with two internally cooled conductors (1).
  • the internally cooled conductors comprise a conductor (3) that surrounds the coolant guide (4).
  • the coolant guide (4) consists of the heat transfer layer and is a tube.
  • the cable further comprises another conductor (9) with a conductor (3) and conductor insulation.
  • the cable contains several signal lines (8).
  • the cable is enclosed by an outer sheath (7).
  • Figure 3 shows a cable (10) according to the present invention with several externally cooled conductors (9), each comprising a conductor (3) and conductor insulation.
  • the cable contains three coolant channels (4), each enclosing a cavity (5).
  • the coolant channels (4) consist of the heat transfer layer and each form a tube.
  • the cable contains several signal lines (8).
  • the cable is enclosed by an outer sheath (7).
  • Laser diffraction optionally Mastersizer 2000 (Malvern Panalytical) or CILAS 1064 (3P Instruments); Eluent Ethanol 95%.
  • TPE-U compound Elastollan 3090 HPM from BASF Polyurethanes, which is used, for example, as a sheathing material for cables of temperature class D according to ISO 6722.
  • This is a thermoplastic polyurethane for continuous operating temperatures up to 150 °C with excellent resistance to hydrolysis; its soft phase is based on a macromolecular carbonate ester. It therefore possesses the necessary low-temperature flexibility as well as thermal resistance.
  • the objective is to achieve an optimal compromise between increased thermal conductivity and mechanical properties (tensile strength, elongation at break).
  • the TPE-U compound Elastollan 3090 HPM was supplemented with aluminum oxide (Martoxid TM-2250) from Martinswerk, which featured a compatibilizing surface modification based on vinylsilane, at concentrations of 40, 50, 60, and 70 wt%.
  • Aluminum oxide Martoxid TM-2250
  • Martinswerk which featured a compatibilizing surface modification based on vinylsilane, at concentrations of 40, 50, 60, and 70 wt%.
  • the following changes resulted with regard to the property spectrum described above: Fill level, wt.% 0 40 50 60 70
  • Thermal conductivity 0.22 0.36 0.49 0.58 0.69 Wm -1 K -1
  • Example 2 Cold coil test and electrical breakdown test
  • the heat transfer layer according to the invention consists of 50 wt% of the polymer TPE-U 1195 A10 and 50 wt% of the filler material TM-2250 and has the form of a conductor insulation.
  • a conductor insulation made of the same polymer without filler was used for comparison.
  • Example 1 The potential of the present invention disclosure will be demonstrated with specific reference to the hose materials shown in Example 1, using thermal simulations of selected cooled conduit designs. This involves an internally cooled single-core cable of the type "Hivocar Cool". ( Fig. 1 ), to use a multi-core EVC (Electric Vehicle Charging) charging cable with internally cooled power conductors ( Fig. 2 ) as well as with externally cooled power lines ( Fig. 3 ).
  • EVC Electrical Vehicle Charging
  • the use of the heat transfer layer as hose material results in an improvement in current carrying capacity of 45 - 80% compared to the state without a heat transfer layer.
  • Example 3 Based on the reasons outlined in Example 3, two variants of an internally cooled single conductor were manufactured and measured, each with a nominal conductor cross-section of 25 mm2 .
  • Type A was fitted with the standard "XLPE T4-POLYEV " tubing from supplier ACI, while the cooling tubing of Type B was filled with the TPE-U described in Example 1, filled with 50% by weight. The following reductions in surface temperature were observed under current-energized measurement at defined current values.
  • the inventive concept of material-based thermal management for cooled pipes is fundamentally based on replacing conventional, poorly thermally conductive hose materials with comparable polymer types possessing similar mechanical and electrical properties, but with significantly improved heat dissipation achieved through modification with a highly thermally conductive filler.
  • Example 1 demonstrates, using a TPE-U as an example, that such a modification was achieved while largely maintaining or even improving the tested mechanical properties. Since compatibility is based on the selection of the respective surface modifier for the filler, the available data indicate that the inventive concept is applicable to other hose materials (e.g., XLPE, PVC, SiR).
  • Examples 3 and 4 demonstrate the feasibility and potential of the concept both theoretically and practically, also illustrating the necessary targeted heat conduction: Simply replacing the tubing material of an externally cooled EVC cable results in a relatively small increase in current-carrying capacity compared to internally cooled types. Further improvement can be achieved by creating a heat conduction path, for example, using a thermally conductive cable filler.

Landscapes

  • Insulated Conductors (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft unter Anderem ein Kabel umfassend:
a) mindestens eine Ader, wobei jede Ader einen Leiter und eine den Leiter umgebende Aderisolierung aufweist,
b) mindestens eine Kühlmittelführung,

wobei das Kabel eine elektrisch isolierende Wärmetransferschicht umfasst, wobei diese Wärmetransferschicht umfasst:
i) mindestens ein Polymer, und
ii) einen oder mehrere anorganische Füllstoffe in einem Anteil von 35 bis 65 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht der Wärmetransferschicht,
wobei der eine oder die mehreren anorganischen Füllstoffe eine hydrophobierende Oberflächenmodifikation aufweisen,
wobei die Wärmetransferschicht (i) als Mantelmaterial der mindestens einen Kühlmittelführung, (ii) als Aderisolierung der mindestens einen Ader und/oder (iii) als festes Kabelfüllmaterial, das die mindestens eine Ader und die mindestens eine Kühlmittelführung umschließt, verwendet wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein gekühltes Kabel mit einer Wärmetransferschicht, die ein werkstoffliches Wärmeflussmanagement im Kabel ermöglicht.
    • Stand der Technik
  • Abhängig von der Leitungsgeometrie kann ab gewissen hohen, über die Leitung geführten Strömen, wie sie beispielsweise im Bereich von Ladeleitungen und Hochvoltleitungen von Elektrofahrzeugen vorkommen, die auftretende Verlustwärme nicht mehr passiv über die Isolation und den Mantel abgeführt werden. Auch eine Reduktion der Verlustwärme durch Erhöhung des Leiterquerschnitts ist aufgrund von Schwierigkeiten im Handling und Bauraumlimitierung nicht sinnvoll. Daher werden diese Leitungen aktiv mittels eines oder mehrerer, von Kühlmedium durchflossener Schläuche aktiv gekühlt. Bislang stand im Hinblick auf Optimierung der Kühlleistung hierbei in erster Linie der generelle Leitungs- sowie im Speziellen der geometrische Schlauchaufbau im Fokus.
  • Die als Schlauchwerkstoff üblichen, unmodifizierten Polymere sind in der Regel schlechte Wärmeleiter, deren Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,2 Wm-1K-1 liegt. Hierdurch stellen sie im Gesamtwärmefluss der Leitung eine Barriere dar, die die gezielte Einkopplung der Wärmeenergie in das Kühlmedium deutlich erschwert und den Wärmefluss auch in andere Leitungsbestandteile dissipieren lässt.
  • Insbesondere bei Hochvoltleitungen führt eine schlechte Abfuhr von Verlustwärme zu einer Verringerung der potenziellen Stromtragfähigkeit der Leitung, da definierte Grenzwerte für bspw. Oberflächen- oder Leitertemperatur früher erreicht und überschritten werden. Durch gezielte Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Schlauchmaterials ließe sich der Wärmefluss besser lenken und die Abfuhr der Verlustwärme in das Kühlmedium deutlich verbessern. Dies ist für elektrische Leitungen nach aktuellem Stand der Technik nicht ohne weiteres möglich, da klassische Füllstoffe, welche die Wärmeleitfähigkeit polymerer Materialien erhöhen entweder metallischen Charakter haben und daher elektrische Eigenschaften, zuvorderst den Durchgangswiderstand und die Durchschlagfestigkeit, welche für einen sicheren Betrieb der Leitung zwingend erforderlich sind, massiv verschlechtern, oder mineralischen Ursprungs sind und daher in der nötigen, hohen Beimischung die mechanischen Eigenschaften des eingesetzten Materials, beispielsweise die Flexibilität soweit verschlechtern, dass ein sinnvoller Einsatz in einer Leitung nicht mehr möglich ist.
  • Die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit in einem Kabel durch den Einsatz metallischer Bauelemente wird in EP 2 652 754 B1 und DE 10 2017 105 985 A1 beschrieben.
  • In CN 114342009 A wird ein aktiv gekühltes Ladekabel beschrieben, in dem die Abfuhr der Verlustwärme durch Einbringen eines flüssigen Silicon-Polymers zwischen das leitende Metall des Kabels und den Schlauch der Kühlflüssigkeit verbessert wird. Weiterhin werden wärmeleitfähige Pasten mit anorganischen Zusätzen in JP 2010 278 115 A sowie in JP 2 930 298 B1 beschrieben.
  • Die Patentschrift CN 106366621 A schlägt eine Verbesserung der Wärmeabfuhr durch die Verwendung einer Mischung eines thermoplastischen Polyurethan Elastomer, Polyvinylchlorid und weiteren Verbindungen, inkl. in geringem Anteil Aluminiumoxid und -nitrid, in einem Kabel vor.
  • Ein weiteres wärmeleitfähiges Material für den Einsatz in einem Kabel offenbart CN 110452443 A . Bornitrid wird dabei mit einem Gewichtsanteil von 14,5 - 35,9 Gew.-% in einer Matrix aus quervernetztem Polyethylen eingebettet.
  • Die Verwendung von anorganischem Füllstoff, der mit Organosilanen behandelt wurde, in Kombination mit einem Ethylen-basierten Polymer für den Einsatz als Isoliermaterial von elektrischen Leitungen wurde in US3802913 beschrieben. Die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit wurde dabei nicht betrachtet.
  • Ein Kernelement der vorliegenden Erfindung ist das Einbringen eines mineralischen Füllstoffes mit einer matrixaktiven Oberflächenmodifikation, welche einerseits die Wärmeleitfähigkeit auf ein ausreichendes Maß erhöht, andererseits jedoch durch physikalisches Einbinden des Füllstoffes in die Polymermatrix die mechanischen Eigenschaften in ausreichendem Maße beibehält. Die grundlegenden elektrischen Eigenschaften des Materials bleiben hierbei aufgrund der mineralischen Natur des Füllstoffes unberührt. Durch diese Eigenschaftskombination lässt die vorliegende Erfindung die Realisierung eines Wärmemanagement-Konzeptes durch gezielte Lenkung des Wärmeflusses in flexiblen, stromführenden Anwendungen zu.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher eine deutliche Steigerung der Stromtragfähigkeiten der Leitung unter Beibehaltung der Leitungsgeometrie.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Kabel mit einer Wärmetransferschicht, die eine effektive Wärmeübertragung von den stromführenden Adern des Kabels zur Kühlmittelführung gewährleistet, und damit eine hohe Stromtragfähigkeit bei Einhaltung vorgegebener maximaler Oberflächentemperaturen des Kabels ermöglicht.
  • Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kabel umfassend:
    1. a) mindestens eine Ader, wobei jede Ader einen Leiter und eine den Leiter umgebende Aderisolierung aufweist,
    2. b) mindestens eine Kühlmittelführung,
    wobei das Kabel eine elektrisch isolierende Wärmetransferschicht umfasst, wobei diese Wärmetransferschicht umfasst:
    1. i) mindestens ein Polymer, und
    2. ii) einen oder mehrere anorganische Füllstoffe in einem Anteil von 35 bis 65 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht der Wärmetransferschicht,
    wobei der eine oder die mehreren anorganischen Füllstoffe eine hydrophobierende Oberflächenmodifikation aufweisen,
    wobei die Wärmetransferschicht (i) als Mantelmaterial der mindestens einen Kühlmittelführung, (ii) als Aderisolierung der mindestens einen Ader und/oder (iii) als festes Kabelfüllmaterial, das die mindestens eine Ader und die mindestens eine Kühlmittelführung umschließt, verwendet wird.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Schlauch, umfassend
    • ein Polymer umfassend oder bestehend aus Polyurethan, Polyvinylchlorid, Polyethylen, vernetztes Polyethylen, Polypropylen, Styrol-Isopren-Kautschuk, Polyethylenterephthalat, Polyamid, Polystyrol, Polyester, Polyether, Polycarbonat, oder einer Mischung daraus, und
    • einen oder mehrere anorganische Füllstoffe in einem Anteil von 35 bis 65 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht des Schlauchs, umfassend oder bestehend aus mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metalloxiden, Metallhydroxiden, Metallnitriden, Metallcarbonaten, Metallsulfaten, Metallphosphaten und Mischungen davon, bevorzugt Metallhydroxide, Metalloxide und Mischungen davon, und vorzugsweise Aluminiumoxid umfassend,
    • wobei der eine oder die mehreren anorganischen Füllstoffe eine hydrophobierende Oberflächenmodifikation aufweisen,
    • wobei die Oberflächenmodifikation ein Silan mit mindestens einer Silizium-Kohlenstoff-Bindung umfasst, und vorzugsweise Vinylsilan umfasst,
    • wobei der Schlauch
      1. i) eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,2 Wm-1K-1,
      2. ii) einen spezifischen Durchgangswiderstand von mindestens 10 GΩ·mm bei 20 °C, gemessen nach ISO 19642,
      3. iii) eine Zugfestigkeit, gemessen nach DIN EN 60811-501, von mindestens 10 MPa, und
      4. iv) eine ausreichende Kälteflexibilität aufweist, sodass der Schlauch einen Kältewickeltest nach ISO 19642 bei -40 °C besteht.
  • Zudem betrifft die Erfindung ein Kabel enthaltend einen erfindungsgemäßen Schlauch.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Wärmeflussmanagement eines Kabels, umfassend
    1. a) die Bereitstellung eines erfindungsgemäßen Kabels,
    2. b) die Übertragung elektrischer Energie durch das Kabel,
    3. c) den aktiven Transport eines geeigneten Kühlmittels, vorzugsweise einer Kühlflüssigkeit, durch die mindestens eine Kühlmittelführung während des Betriebs des Kabels,
    wobei die Oberflächentemperatur des Ladekabels bei einer Leistungsstromstärke von 525 A, gemessen an einem Kabel mit Leiternennquerschnitt von mindestens 25 mm2, eine Temperatur von 70 °C nicht übersteigt. Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung, wie auch in den Patentansprüchen definiert, beschreibt ein Kabel mit mindestens einer Ader und mindestens einer Kühlmittelführung. Die mindestens eine Ader weist einen Leiter und eine den Leiter umgebende Aderisolierung auf. Das Kabel umfasst eine elektrisch isolierende Wärmetransferschicht mit mindestens einem Polymer und einem oder mehreren anorganischen Füllstoffen, wobei der eine oder die mehreren Füllstoffe eine hydrophobierende Oberflächenmodifikation aufweisen. Die Wärmetransferschicht wird als Mantelmaterial der mindestens einen Kühlmittelführung, als Aderisolierung der mindestens einen Ader und/oder als festes Kabelfüllmaterial, das die mindestens eine Ader und die mindestens eine Kühlmittelführung umschließt, verwendet. Die Kühlmittelführung ist derart aufgebaut, dass ein Kühlmittel im Inneren enthalten und/oder transportiert werden kann. Die Begriffe Kühlmittel und Kühlmedium werden synonym verwendet.
  • Die Wärmetransferschicht ist elektrisch isolierend und umfasst ein oder mehrere Polymere und einen oder mehrere anorganische Füllstoffe. Im erfindungsgemäßen Kabel wird die Wärmetransferschicht als Mantelmaterial der mindestens einen Kühlmittelführung, als Aderisolierung der mindestens einen Ader, und/oder als festes Kabelfüllmaterial verwendet.
  • Die im Kabel enthaltenen Adern können stromführende Adern sein, die zur Übertragung von Energie und/oder Leistungsstrom dienen. Das Kabel kann neben besagten stromführenden Adern, die zur Energieübertragung dienen, weitere Adern enthalten, die als Signalleitung dienen und über die Informationssignale geleitet werden. Informationssignale sind elektrische Impulse, die nicht zur Übertragung von Energie, sondern zur Übertragung von Informationen dienen. Eine Ader umfasst einen elektrischen Leiter, beispielsweise ein Metall, und eine Aderisolierung aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff. Eine Ader kann weiterhin eine Kühlmittelführung umfassen. Die Energieübertragung in Form von elektrischem Strom in einer stromführenden Ader führt zu einer Erwärmung des Leiters der Ader und somit zu einer Erwärmung der Ader. Die erzeugte Wärme soll über das Kühlmittel in der Kühlmittelführung abgeführt werden. Dafür dissipiert die Wärme über die Bestandteile des Kabels. Die Wärmetransferschicht verbessert die Wärmeübertragung zwischen Bestandteilen des Kabels.
  • Die Wärmetransferschicht umfasst mindestens ein Polymer und mindestens einen anorganischen Füllstoff mit einem Gewichtsanteil an der Wärmetransferschicht von 35 - 65 Gew.-%, bevorzugt 40-60 Gew.-%, besonders bevorzugt 40-50 Gew.-%. Die Wärmetransferschicht kann das mindestens eine Polymer mit einem Gewichtsanteil an der Wärmetransferschicht von 35 - 65 Gew.-%, bevorzugt 40-60 Gew.-%, besonders bevorzugt 50-60 Gew.-%, umfassen.
  • Die Wärmetransferschicht zeichnet sich durch eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das entsprechende Polymer ohne anorganischen Füllstoff aus. Die Wärmeleitfähigkeit, gemessen nach DIN EN ISO 22007-1:2018-03 (Verfahren mittels Wärmestrommessplattengerät; vorzugsweise gemessen mit einem Prüfgerät TA Instruments FOX 50), kann mehr als 0,2 Wm-1K-1, bevorzugt mehr als 0,3 Wm-1K-1, und besonders bevorzug mehr als 0,35 Wm-1K-1 betragen.
  • Die Wärmetransferschicht ist elektrisch isolierend. Sie kann einen spezifischen Durchgangswiderstand von mindestens 10 GΩ·mm, bevorzugt mindestens 12 GΩ·mm, und besonders bevorzugt mindestens 15 GΩ·mm bei 20 °C, gemessen nach ISO 19642, aufweisen.
  • Durch den Zusatz von anorganischem Füllstoff ist zu erwarten, dass sich die mechanischen Eigenschaften des verwendeten Polymers, wie etwa die Zugfestigkeit, verschlechtern. Die Zugfestigkeit der Wärmetransferschicht, gemessen nach DIN EN 60811-501: 2019; Prüfung an Stabprobe (Normalgröße); Dicke Prüfbereich 1 mm; Zuggeschwindigkeit 25 mm/min für PE-X; 250 mm/min für alle anderen Werkstoffe, kann mindestens 10 MPa, bevorzugt mindestens 12 MPa, besonders bevorzugt mindestens 15 MPa, betragen. Sofern die Wärmetransferschicht als eine Kühlmittelführung des Kabels verwendet wird, kann die Zugfestigkeit der Kühlmittelführung, gemessen in einem Verfahren wie oben beschrieben, mindestens 10 MPa, bevorzugt mindestens 12 MPa, besonders bevorzugt mindestens 15 MPa, betragen.
  • Die Wärmetransferschicht wird im Kabel als Aderisolierung der mindestens einen Ader, als Mantelmaterial der mindestens einen Kühlmittelführung und/oder als Kabelfüllmaterial, das die mindestens eine Ader und die mindestens eine Kühlmittelführung umschließt, verwendet.
  • Das Kabel der vorliegenden Erfindung kann ein Kabelfüllmaterial umfassen. Das Kabelfüllmaterial ist ein festes Material und umschließt die mindestens eine Ader und die mindestens eine Kühlmittelführung des Kabels und kann aus der Wärmetransferschicht bestehen.
  • Mögliche Ausführungsformen sind die Verwendung der Wärmetransferschicht als Aderisolierung der mindestens einen Ader, oder als Mantelmaterial der mindestens einen Kühlmittelführung, oder als Kabelfüllmaterial, oder als Aderisolierung der mindestens einen Ader und als Mantelmaterial der mindestens einen Kühlmittelführung, oder als Aderisolierung der mindestens einen Ader und als Kabelfüllmaterial, oder als Mantelmaterial der mindestens einen Kühlmittelführung und als Kabelfüllmaterial, oder als Aderisolierung der mindestens einen Ader und als Mantelmaterial der mindestens einen Kühlmittelführung und als Kabelfüllmaterial.
  • Dabei kann die Wärmetransferschicht in direktem Kontakt mit dem Leiter der mindestens einen Ader stehen. Die Wärmetransferschicht kann zusätzlich oder unabhängig davon in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel stehen, das die Kühlmittelführung enthält, insbesondere dann, wenn das Mantelmaterial der Kühlmittelführung die Wärmetransferschicht umfasst.
  • Ein direkter Kontakt der Wärmetransferschicht mit dem Leiter und/oder des Kühlmittels ermöglicht eine verbesserte Wärmeübertragung von dem Leiter, der während des Betriebs des Kabels eine Wärmequelle darstellt, von der Wärme abgeführt werden soll, hin zum Kühlmittel, das während des Betriebs des Kabels eine Wärmesenke darstellt. Somit wird eine verbesserte Wärmeabfuhr während des Betriebs des Kabels von Leiter zum Kühlmittel ermöglicht. Während des Betriebs des Kabels hat das Kühlmittel üblicherweise eine niedrigere Temperatur als der Leiter der mindestens einen Ader.
  • Das Kühlmittel befindet sich im Hohlraum der Kühlmittelführung und wird optional während des Betriebs des Kabels aktiv durch die Kühlmittelführung gepumpt. Die Kühlmittelführung umfasst oder besteht aus Mantelmaterial und bildet einen Schlauch. Die Kühlmittelführung beinhaltet das Kühlmittel in ihrem Hohlraum, der vom Mantelmaterial umschlossen ist. Das Mantelmaterial umfasst einen polymeren Werkstoff und kann bevorzugt aus der Wärmetransferschicht bestehen. Wenn das Mantelmaterial aus der Wärmetransferschicht besteht, wird eine verbesserte Wärmeübertragung im Kabel ermöglicht. Die Kühlmittelführung kann optional in einer Ader liegen, wobei die Kühlmittelführung vom Leiter der Ader umgeben sein kann und der Leiter zusammen mit der Kühlmittelführung von der Aderisolierung umschlossen ist.
  • Die Kühlmittelführung kann eine Zugfestigkeit, gemessen nach dem Verfahren wie oben beschrieben, von mindestens 10 MPa, bevorzugt mindestens 15 MPa, und besonders bevorzugt mindestens 20 MPa, aufweisen.
  • Die Kühlmittelführung kann eine ausreichende Kälteflexibilität aufweisen, sodass sie einen Kältewickeltest nach ISO 19642 bei -40 °C besteht.
  • Das Kühlmittel kann eine Flüssigkeit sein, die sich für den Einsatz in Kühlsystemen eignet. Das Kühlmittel kann Wasser umfassen. Das Kühlmittel kann alkoholische Verbindungen umfassen.
  • Die Wärmetransferschicht umfasst mindestens ein Polymer. Der Ausdruck "mindestens ein Polymer" bedeutet, dass mehr als eine Polymerart enthalten sein kann. Das Polymer kann Polyurethan, Polyvinylchlorid, Polyethylen, vernetztes Polyethylen, Polypropylen, Styrol-Isopren-Kautschuk, Polyethylenterephthalat, Polyamid, Polystyrol, Polyester, Polyether, Polycarbonat, oder eine Mischung daraus umfassen.
  • Die Wärmetransferschicht umfasst mindestens einen anorganischen Füllstoff mit einer hydrophobierenden Oberflächenmodifikation. Die anorganischen Partikel des anorganischen Füllstoffs bilden zusammen mit der Oberflächenmodifikation einen Core-Shell-Aufbau mit einem volumenbildenden anorganischen Material im Inneren und einer äußeren Hülle bestehend aus der hydrophobierenden Oberflächenmodifikation, die üblicherweise einschichtig auf den Partikeln vorhanden ist. Im Gewichtsverhältnis zwischen anorganischem Material und Oberflächenmodifikation überwiegt das anorganische Material.
  • Die anorganischen Füllstoffe liegen in der Wärmetransferschicht in Summe in einem Anteil von 35 bis 65 Gew.-% bezogen auf die Wärmetransferschicht vor.
  • Der anorganische Füllstoff kann eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, gemessen nach DIN EN ISO 22007-1:2018-03 (Verfahren mittels Wärmestrommessplattengerät; vorzugsweise gemessen mit einem Prüfgerät TA Instruments FOX 50), von mindestens 25 Wm-1K-1 aufweisen. Das volumenbildende anorganische Material des anorganischen Füllstoffs kann mindestens eines sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metalloxiden, Metallhydroxiden, Metallnitriden, Metallcarbonaten, Metallsulfaten, Metallphosphaten und Mischungen davon, bevorzugt Metallhydroxide, Metalloxide und Mischungen davon umfassen oder, bevorzugt, daraus bestehen, und es umfasst vorzugsweise Aluminiumoxid.
  • Das Metall im anorganischen Material kann ausgewählt sein aus der Gruppe Al, Mg, Ca, B, Si, Zn, Ba, Sr, Fe, Mn, Cr, Sb, Pb, und umfasst vorzugsweise Al. Das anorganische Material des anorganischen Füllstoffs enthält keine Kohlenwasserstoffverbindung.
  • Der anorganische Füllstoff kann eine Partikelgrößenverteilung mit D50 von 1,3 - 2,0 µm, bevorzugt von 1,4 - 1,8 µm, und besonders bevorzugt von 1,6 µm, und mit D100 von 15 - 25 µm, bevorzugt von 18 - 22 µm, und besonders bevorzugt von 20 µm aufweisen, gemessen mit Laserlichtbeugung, bevorzugt gemessen mit einem "Mastersizer 2000" der Firma Malvern Panalytical mit Ethanol (95 %) als Eluent. Der anorganische Füllstoff kann eine spezifische Oberfläche von 2,0 - 5,0 m2/g, bevorzugt von 2,5 - 4,5 m2/g, besonders bevorzugt von ca. 3,5 m2/g aufweisen, gemessen nach ISO 9277:2010 mit Stickstoff (N2).
  • Der anorganische Füllstoff weist eine hydrophobierende Oberflächenmodifikation auf.
  • Die Oberflächenmodifikation kann durch Behandlung der Oberfläche des anorganischen Materials des anorganischen Füllstoffs mit einem geeigneten Reagenz erhalten werden. Das Reagenz kann ein Silan mit mindestens einer Silizium-Kohlenstoff-Bindung umfassen, und vorzugsweise Vinylsilan umfassen. Das Reagenz reagiert mit einem Sauerstoffatom oder Stickstoffatom auf der Oberfläche des anorganischen Materials des anorganischen Füllstoffs und bildet vorzugsweise eine kovalente Bindung aus. Die kovalente Bindung kann je nach Art des anorganischen Materials des anorganischen Füllstoffs zwischen dem Silizium des Reagenzes und Sauerstoff der Oberfläche oder zwischen dem Silizium des Reagenzes und Stickstoff der Oberfläche ausgebildet werden.
  • In diesem Verfahren wird die Oberflächenmodifikation gebildet. Diese kann ein Silan mit mindestens einer Silizium-Kohlenstoff-Bindung umfassen, und vorzugsweise ein Vinylsilan umfassen. Die Oberflächenmodifikation kann vorzugsweise kovalent an die Oberfläche des anorganischen Materials des anorganischen Füllstoffs gebunden sein, wobei je nach Art des anorganischen Materials des anorganischen Füllstoffs eine Silizium-Sauerstoff-Bindung oder eine Silizium-Stickstoff-Bindung ausgebildet wird. Die hydrophobierende Oberflächenmodifikation weist eine andere chemische Zusammensetzung auf als das anorganische Material des anorganischen Füllstoffs, auf dessen Oberfläche sie gebunden ist. Die Verwendung einer solchen Oberflächenmodifikation erlaubt die Beibehaltung mechanischer Eigenschaften trotz hoher Füllgrade an anorganischem Füllstoff im Polymer. Je nach Art des verwendeten Polymers kann es nötig sein, die Oberflächenmodifikation des anorganischen Füllstoffs anzupassen. Das Reagenz zur Ausbildung der Oberflächenmodifikation muss in Abhängigkeit des verwendeten Polymers ausgewählt werden. Die Wahl einer ähnlichen Hydrophobizität des anorganischen Füllstoffs und des verwendeten Polymers ist vorteilhaft. Eine geeignete Kombination zeichnet sich durch eine homogene Mischung aus Füllstoff und Polymer aus.
  • Die Wärmetransferschicht kann durch Compoundierung des Polymers mit dem Füllstoff, vorzugsweise auf einer Maschine mit gleichläufiger Doppelschnecke, hergestellt werden.
  • Das Kabel nach der hier beschriebenen Erfindung ermöglicht durch effiziente Abfuhr der Abwärme, die im Leiter entsteht, eine Steigerung der erzielbaren Stromleistung im Kabel, wobei die Oberflächentemperatur des Kabels während des Betriebs niedriger ist als in einem baugleichen Kabel ohne Wärmetransferschicht. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßes Kabel derart gestaltet sein, dass bei einer Leistungsstromstärke von 525 A, gemessen an einem Kabel mit Leiternennquerschnitt von mindestens 25 mm2, eine Temperatur von 70 °C, bevorzugt 60 °C, besonders bevorzugt 55 °C, nicht überschritten wird.
  • Das erfindungsgemäße Kabel kann in mobilen Anwendungen eingesetzt werden, insbesondere als Traktionsleitung und als Ladekabel für elektrische Fahrzeuge und elektrische Flugzeuge. Während des Betriebs des Kabels wird elektrische Energie durch das Kabel geleitet und vorzugsweise ein Kühlmittel durch die Kühlmittelführung transportiert.
  • Weiterhin beschreibt die vorliegende Erfindung einen Schlauch, umfassend ein Polymer umfassend oder bestehend aus Polyurethan, Polyvinylchlorid, Polyethylen, vernetztes Polyethylen, Polypropylen, Styrol-Isopren-Kautschuk, Polyethylenterephthalat, Polyamid, Polystyrol, Polyester, Polyether, Polycarbonat, oder einer Mischung daraus. Der Schlauch umfasst einen oder mehrere anorganische Füllstoffe in einem Anteil von 35 bis 65 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht des Schlauchs, umfassend oder bestehend aus mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metalloxiden, Metallhydroxiden, Metallnitriden, Metallcarbonaten, Metallsulfaten, Metallphosphaten und Mischungen davon, bevorzugt Metallhydroxide, Metalloxide und Mischungen davon, und umfasst vorzugsweise Aluminiumoxid. Der eine oder die mehreren anorganischen Füllstoffe weisen eine hydrophobierende Oberflächenmodifikation auf, wobei die Oberflächenmodifikation ein Silan mit mindestens einer Silizium-Kohlenstoff-Bindung umfasst, und vorzugsweise Vinylsilan umfasst. Der Schlauch hat eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, gemessen nach DIN EN ISO 22007-1:2018-03 (Verfahren mittels Wärmestrommessplattengerät; vorzugsweise gemessen mit einem Prüfgerät TA Instruments FOX 50), von mehr als 0,2 Wm-1K-1, bevorzugt mehr als 0,3 Wm-1K-1, und besonders bevorzug mehr als 0,35 Wm-1K-1. Der Schlauch hat einen spezifischen Durchgangswiderstand, gemessen nach ISO 19642, von mindestens 10 GΩ·mm bei 20 °C, bevorzugt mindestens 12 GΩ·mm, und besonders bevorzugt mindestens 15 GΩ·mm, bei 20 °C. Der Schlauch hat eine Zugfestigkeit, gemessen nach DIN EN 60811-501, von mindestens 10 MPa, bevorzugt mindestens 15 MPa, und besonders bevorzugt mindestens 20 MPa. Der Schlauch weist eine ausreichende Kälteflexibilität auf, sodass der Schlauch einen Kältewickeltest nach ISO 19642 bei -40 °C besteht. Der Schlauch ist dicht und damit geeignet zum Führen und Halten von Gasen und/oder Flüssigkeiten.
  • In einer Ausführungsform ist die Kühlmittelleitung ein Schlauch wie oben beschrieben.
  • Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Kabel, das einen oder mehrere erfindungsgemäße Schläuche wie oben beschrieben enthält. In dem mindestens einen Schlauch kann ein Kühlmittel, vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit, befördert werden.
  • Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein erfindungsgemäßes Kabel, zudem vorzugsweise eine äußere Mantelhülle aus einem isolierenden Kunststoff, die die mindestens eine Ader und den mindestens einen Kühlschlauch umschließt, umfassend.
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt auch ein Verfahren zum Wärmeflussmanagement eines erfindungsgemäßen Kabels. Das Kabel wird in einer Ausführung wie hierin beschrieben bereitgestellt, elektrische Energie wird durch das Kabel übertragen, und ein geeignetes Kühlmittel vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit wird während des Betriebs des Kabels durch die mindestens eine Kühlmittelführung aktiv transportiert.
    • Beschreibung der Figuren
    • Figur 1: Figur 1 zeigt eine innengekühlte Einzelader.
    • Figur 2: Figur 2 zeigt ein Kabel mit innengekühlten Adern.
    • Figur 3: Figur 3 zeigt ein Kabel mit außengekühlten Adern.
  • Figur 1 zeigt eine innengekühlte Einzelader (1) mit einer Kühlmittelführung (4), die einen Hohlraum (5) umschließt, durch den ein Kühlmittel transportiert werden kann. Die Kühlmittelführung (4) besteht aus der Wärmetransferschicht und stellt einen Schlauch dar. Die Kühlmittelführung (4) ist von einem Leiter (3) umgeben. Die Einzelader (1) ist von einer Aderisolierung (2) umschlossen.
  • Figur 2 zeigt ein Kabel (6) gemäß vorliegender Erfindung mit zwei innengekühlten Adern (1). Die innengekühlten Adern umfassen einen Leiter (3), der die Kühlmittelführung (4) umschließt. Die Kühlmittelführung (4) besteht aus der Wärmetransferschicht und stellt einen Schlauch dar. Das Kabel enthält ferner eine weitere Ader (9) mit Leiter (3) und Aderisolierung. Das Kabel enthält mehrere Signalleitungen (8). Das Kabel ist von einer äußeren Mantelhülle (7) umschlossen.
  • Figur 3 zeigt ein Kabel (10) gemäß vorliegender Erfindung mit mehreren außengekühlten Adern (9), die jeweils einen Leiter (3) und eine Aderisolierung umfassen. Das Kabel enthält drei Kühlmittelführungen (4), die jeweils einen Hohlraum (5) umschließen. Die Kühlmittelführungen (4) bestehen aus der Wärmetransferschicht und stellen jeweils einen Schlauch dar. Das Kabel enthält mehrere Signalleitungen (8). Das Kabel ist von einer äußeren Mantelhülle (7) umschlossen.
    • Beispiele
  • Im Folgenden werden die Materialanpassungen, die hieraus rechnerisch möglichen und die an einem Prototypen real gemessenen Verbesserungen hinsichtlich der Stromtragfähigkeit durch Anwendung des erfindungsgemäßen Konzeptes aufgezeigt.
    • Folgende Messmethoden wurden verwendet: Methode 1: Zugfestigkeit und Reißdehnung
  • Nach DIN EN 60811-501: 2019. Prüfung an Stabprobe (Normalgröße); Dicke Prüfbereich 1 mm; Zuggeschwindigkeit 25 mm/min für PE-X; 250 mm/min für alle anderen Werkstoffe.
    • Methode 2: Oberflächen-Bestimmung mit BET
  • Nach ISO 9277:2010. Messung mit Stickstoff.
    • Methode 3: Wärmeleitfähigkeit
  • Nach DIN EN ISO 22007-1: 2018-03. Verfahren mittels
    Wärmestrommessplattengerät; Prüfgerät TA Instruments FOX 50.
  • Alternativ Bestimmung mittels Wärmestrommessplattengerät (ISO8301; Heat Flow Meter "HFM")) und/oder Plattengerät (ISO8302; Guarded Hot Plate "GHP").
    • Methode 4: Partikelgrößenbestimmung
  • Laserlichtbeugung, wahlweise Mastersizer 2000 (Malvern Panalytical) oder CILAS 1064 (3P Instruments); Eluent Ethanol 95%.
    • Methode 5: Durchgangswiderstand
  • Nach ISO 19642
    • Methode 6: Kältewickeltest
  • Nach ISO 19642. 4 h bei -40 °C, Gewicht: 5 kg, Geschwindigkeit: 1 s-1, Dorn-Durchmesser: 21,5 mm.
    • Methode 7: elektrischer Durchschlagstest
  • Durchgeführt mit 1min/1kV.
    • Beispiel 1: Materialseitige Anpassungen
  • Ausgangspunkt für die beispielhaften Betrachtungen ist das TPE-U-Compound Elastollan 3090 HPM des Herstellers BASF Polyurethanes, welches beispielsweise als Mantelwerkstoff für Leitungen der Temperaturklasse D gemäß ISO-6722 zum Einsatz kommt. Dabei handelt es sich um ein thermoplastisches Polyurethan für Dauergebrauchstemperaturen bis 150 °C mit hervorragender Resistenz gegen Hydrolyse dessen Weichphase auf einem makromolekularen Carbonatester basiert. Es verfügt somit über die hierfür nötige Kälteflexibilität als auch thermische Beständigkeit.
  • Als betrachtetes Eigenschaftsspektrum für das TPE-U-Compound Elastollan 3090 HPM ergibt sich:
    Zugfestigkeit: 54 MPa, Reißdehnung: 525 %, Wärmeleitfähigkeit: 0,22 Wm-1K-1.
  • Um eine Anwendbarkeit als Kühlschlauch sicherzustellen, ist die Zielsetzung ein optimaler Kompromiss aus gesteigerter Wärmeleitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Reißdehnung).
  • Das Material TPE-U-Compound Elastollan 3090 HPM wurde hierfür mit Aluminiumoxid (Martoxid TM-2250) von der Fa. Martinswerk, welches eine kompatibilisierende Oberflächenmodifikation basierend auf Vinylsilan aufwies, zu 40, 50, 60 und 70 Gew.-% aufgefüllt. Es ergaben sich hinsichtlich des oben beschriebenen Eigenschaftsspektrums die folgenden Änderungen:
    Füllgrad, Gew.-% 0 40 50 60 70
    Zugfestigkeit, MPa 54 34 24 16 11,8
    Reißdehnung 525% 822% 709% 542% 58%
    Wärmeleitfähigkeit, 0,22 0,36 0,49 0,58 0,69
    Wm-1K-1
  • Es wurde somit eine Steigerung der Wärmeleitfähigkeit um 63 % bis zu 213 % erreicht. Zusätzlich ergab sich unerwarteter Weise für die Dosierungen 40 Gew.-% und 50 Gew.-% eine deutliche Verbesserung der Reißdehnung. Da Dosierungen oberhalb von 50 Gew.-% jedoch nur mit sehr geringem Durchsatz herstellen ließ und auch die Zugfestigkeit unter den Ausgangswert zurückfiel, wurden nur die Varianten 40 und 50 % für die weiteren Betrachtungen herangezogen.
    • Beispiel 2: Kältewickeltest und elektrischer Durchschlagtest
  • Die erfindungsgemäße Wärmetransferschicht besteht in diesem Beispiel zu 50 Gew.-% aus dem Polymer TPE-U 1195 A10 und zu 50 Gew.-% aus dem Füllmaterial TM-2250 und hat die Form einer Aderisolierung. Als Vergleichsgegenstand wurde eine Aderisolierung aus demselben Polymer ohne Füllstoff verwendet.
  • Sowohl an der erfindungsgemäßen Aderisolierung als auch am Vergleichsgegenstand traten beim Kältewickeltest keine Brüche auf und der elektrische Durchschlagstest wurde bestanden.
    Gegenstand Aderisolierung aus Wärmetransferschicht (Füllgrad 50 Gew.-%) Aderisolierung ohne Füllstoff
    nach Norm Type ISO 6722-1:2011 ISO 6722-1:2011
    FLY-6,0mm2 FLY-6,0mm2
    Vorgabe Messergebnis Vorgabe Messergebnis
    Methode 6 keine Risse, keine Brüche keine Risse, keine Brüche keine Risse, keine Brüche keine Risse, keine Brüche
    Methode 7 kein Durchschlag kein Durchschlag kein Durchschlag kein Durchschlag
    • Beispiel 3: Rechnerisch mögliche Verbesserungen
  • Es soll das Potenzial der vorliegenden Erfindungsmeldung unter spezifischem Bezug auf die unter Beispiel 1 dargestellten Schlauchmaterialien anhand von thermischen Simulationen ausgewählter gekühlter Leitungskonstruktionen aufgezeigt werden. Hierbei handelt es sich um eine innengekühlte Einzelader des Typs "Hivocar Cool" (Fig.1), um eine mehradrige EVC-Ladeleitung (Electric Vehicle Charging) mit innengekühlten Poweradern (Fig.2) sowie mit außengekühlten Poweradern (Fig.3).
  • Im Fall der innengekühlten Einzelader ergibt sich durch Einsatz der Wärmetransferschicht als Schlauchmaterial eine Verbesserung der Stromtragfähigkeit von 45 - 80 % gegenüber dem Zustand ohne Wärmetransferschicht.
  • Im Fall der innengekühlten EVC-Leitung ergibt sich eine rechnerische Verbesserung von 43 - 70 % gegenüber dem Zustand ohne Wärmetransferschicht.
  • Im Fall der außengekühlten EVC-Leitung ergibt sich eine rechnerische Verbesserung von ca. 7 - 10 % gegenüber dem Zustand ohne Wärmetransferschicht. Hier zeigt sich der deutlich negative Einfluss schlecht wärmeleitfähiger Polymere und der Nutzen des erfindungsgemäßen Konzeptes eines stofflichen Wärmemanagements. Wenn zusätzlich die Adern und Schläuche in einem gemeinsamen, erhöht wärmeleitfähigen polymeren Kabelfüllmaterial liegen, statt in einem losen Verseilverbund, ist durch verbesserte Einkopplung der Abwärme in die Schläuche eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Zustand ohne Wärmetransferschicht möglich.
  • Die angestellten Berechnungen und Simulationen zeigen deutlich die Vorteile des Konzeptes auf: Insbesondere bei direktem Kontakt zwischen Wärmequelle (Kupferleiter) und Kühlschlauch ist eine deutliche Erhöhung der Stromtragfähigkeit möglich. Dies unter Verwendung gängiger und bekannter Schlauchmaterialien, etwa TPE-U. Die angestellten Berechnungen werden im Folgenden an Prototypen verifiziert. Die innengekühlte Einzelader, wie in Fig.1 dargestellt, wurde untersucht.
    • Beispiel 4: Umsetzung des Konzeptes an einem ausgewählten Prototyp
  • Es wurden aus den unter Beispiel 3 aufgezeigten Beweggründen zwei Varianten einer innengekühlten Einzelader gefertigt und vermessen, wobei jeweils ein Leiternennquerschnitt von 25 mm2 gewählt wurde. Typ A wurde mit dem serienmäßigen Schlauch aus dem Material "XLPE T4-POLYEV" des Lieferanten ACI bestückt, der Kühlschlauch des Typs B mit dem 50 Gew.-% gefüllten, in Beispiel 1 beschriebenen TPE-U. Es ergaben sich unter bestromter Vermessung die folgenden Verringerungen in der Oberflächentemperatur bei definierten Leitungsstromstärken.
    Oberflächentemperatur
    Leitungsstromstärke 400 A 500 A 525 A
    XLPE T4-POLYEV (Mittelwert) 46 °C 63 °C 67 °C
    TPE-U - 50 % gefüllt 37 °C 48 °C 51 °C
    Erwärmungsänderung -37% -35% -35%
    • Zusammenfassung
  • Das erfindungsgemäße Konzept eines stofflichen Wärmemanagements für gekühlte Leitungen beruht grundlegend auf dem Austausch klassischer, schlecht wärmeleitfähiger Schlauchmaterialien durch vergleichbare Polymertypen mit gleichartigem mechanischen und elektrischen Eigenschaftsspektrum, jedoch mit einer durch Modifikation mit einem hoch wärmeleitfähigen Füllstoff deutlich verbesserten Wärmeabfuhr. In Beispiel 1 ist exemplarisch für ein TPE-U aufgezeigt, dass eine solche Modifikation unter weitgehender Beibehaltung bzw. Verbesserung des geprüften mechanischen Eigenschaftsspektrums erreicht wurde. Da die Kompatibilisierung auf der Auswahl des jeweiligen Oberflächenmodifikators für den Füllstoff basiert, ist aufgrund der vorliegenden Daten das erfindungsgemäße Konzept auf weitere Schlauchmaterialien (z.B. XLPE, PVC, SiR) anwendbar.
  • Die Beispiele 3 und 4 zeigen sowohl theoretisch als auch praktisch die Umsetzbarkeit und die Potentiale des Konzeptes auf, wobei auch die notwendige zielgerichtete Wärmeleitung verdeutlicht werden konnte: Bei reinem Austausch des Schlauchmaterials einer außengekühlten EVC-Leitung ist der Zuwachs an Stromtragfähigkeit gegenüber innengekühlten Typen vergleichsweise gering. Durch Schaffung eines Wärmeleitpfades, beispielsweise über ein wärmeleitfähiges Kabelfüllmaterial, kann eine weitere Verbesserung erzielt werden.

Claims (15)

  1. Kabel umfassend:
    a) mindestens eine Ader, wobei jede Ader einen Leiter und eine den Leiter umgebende Aderisolierung aufweist,
    b) mindestens eine Kühlmittelführung,
    wobei das Kabel eine elektrisch isolierende Wärmetransferschicht umfasst, wobei diese Wärmetransferschicht umfasst:
    i) mindestens ein Polymer, und
    ii) einen oder mehrere anorganische Füllstoffe in einem Anteil von 35 bis 65 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht der Wärmetransferschicht,
    wobei der eine oder die mehreren anorganischen Füllstoffe eine hydrophobierende Oberflächenmodifikation aufweisen,
    wobei die Wärmetransferschicht (i) als Mantelmaterial der mindestens einen Kühlmittelführung, (ii) als Aderisolierung der mindestens einen Ader und/oder (iii) als festes Kabelfüllmaterial, das die mindestens eine Ader und die mindestens eine Kühlmittelführung umschließt, verwendet wird.
  2. Das Kabel nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren anorganischen Füllstoffe eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von mindestens 25 Wm-1K-1 aufweist und/oder die Wärmetransferschicht in direktem Kontakt mit dem Leiter der mindestens einen Ader und/oder dem Kühlmittel der mindestens einen Kühlmittelführung steht.
  3. Das Kabel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmetransferschicht eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,2 Wm-1K-1 aufweist.
  4. Das Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmetransferschicht einen spezifischen Durchgangswiderstand von mindestens 10 GΩ·mm bei 20 °C, gemessen nach ISO 19642, aufweist.
  5. Das Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmetransferschicht und/oder die Kühlmittelführung eine Zugfestigkeit, gemessen nach DIN EN 60811-501, von mindestens 10 MPa aufweist.
  6. Das Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlmittelführung eine ausreichende Kälteflexibilität aufweist, sodass besagte Kühlmittelführung einen Kältewickeltest nach ISO 19642 bei -40 °C besteht.
  7. Das Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polymer Polyurethan, Polyvinylchlorid, Polyethylen, vernetztes Polyethylen, Polypropylen, Styrol-Isopren-Kautschuk, Polyethylenterephthalat, Polyamid, Polystyrol, Polyester, Polyether, Polycarbonat, oder eine Mischung daraus umfasst oder daraus besteht.
  8. Das Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmetransferschicht das Polymer in einem Anteil von 35 bis 65 Gew.-% basierend auf dem Gewicht der Wärmetransferschicht umfasst; und/oder wobei der anorganische Füllstoff umfasst oder besteht aus mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metalloxiden, Metallhydroxiden, Metallnitriden, Metallcarbonaten, Metallsulfaten, Metallphosphaten und Mischungen davon, bevorzugt Metallhydroxide, Metalloxide und Mischungen davon, und vorzugsweise Aluminiumoxid umfasst.
  9. Das Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der anorganische Füllstoff eine Partikelgrößenverteilung mit D50 von 1,3 - 2,0 µm und mit D100 von 15 - 25 µm, gemessen mit Laserlichtbeugung, aufweist und/oder eine spezifische Oberfläche von 2,0 - 5,0 m2/g, gemessen nach ISO 9277:2010 mit Stickstoff, aufweist.
  10. Das Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenmodifikation des anorganischen Füllstoffs ein Silan mit mindestens einer Silizium-Kohlenstoff-Bindung umfasst, und vorzugsweise Vinylsilan umfasst; und/oder wobei die Oberflächenmodifikation kovalent an die Oberfläche des anorganischen Füllstoffs gebunden ist.
  11. Das Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächentemperatur des Kabels bei einer Leistungsstromstärke von 525 A, gemessen an einem Kabel mit Leiternennquerschnitt von mindestens 25 mm2, eine Temperatur von 70 °C nicht übersteigt.
  12. Das Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, für den Einsatz in mobilen Anwendungen, insbesondere als Traktionsleitung und als Ladekabel für elektrische Fahrzeuge und elektrische Flugzeuge.
  13. Schlauch umfassend
    ein Polymer umfassend oder bestehend aus Polyurethan, Polyvinylchlorid, Polyethylen, vernetztes Polyethylen, Polypropylen, Styrol-Isopren-Kautschuk, Polyethylenterephthalat, Polyamid, Polystyrol, Polyester, Polyether, Polycarbonat, oder einer Mischung daraus, und
    einen oder mehrere anorganische Füllstoffe in einem Anteil von 35 bis 65 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht des Schlauchs, umfassend oder bestehend aus mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metalloxiden, Metallhydroxiden, Metallnitriden, Metallcarbonaten, Metallsulfaten, Metallphosphaten und Mischungen davon, bevorzugt Metallhydroxide, Metalloxide und Mischungen davon, und vorzugsweise Aluminiumoxid umfassend,
    wobei der eine oder die mehreren anorganischen Füllstoffe eine hydrophobierende Oberflächenmodifikation aufweisen,
    wobei die Oberflächenmodifikation ein Silan mit mindestens einer Silizium-Kohlenstoff-Bindung umfasst, und vorzugsweise Vinylsilan umfasst,
    wobei der Schlauch
    i) eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,2 Wm-1K-1,
    ii) einen spezifischen Durchgangswiderstand von mindestens 10 GΩ·mm bei 20 °C, gemessen nach ISO 19642,
    iii) eine Zugfestigkeit, gemessen nach DIN EN 60811-501, von mindestens 10 MPa, und
    iv) eine ausreichende Kälteflexibilität aufweist, sodass der Schlauch einen Kältewickeltest nach ISO 19642 bei -40 °C besteht.
  14. Kabel enthaltend einen Schlauch nach Anspruch 13.
  15. Verfahren zum Wärmeflussmanagement eines Kabels, umfassend
    a) die Bereitstellung eines Kabels nach einem der Ansprüche 1-12,
    b) die Übertragung elektrischer Energie durch das Kabel,
    c) den aktiven Transport eines geeigneten Kühlmittels, vorzugsweise einer Kühlflüssigkeit, durch die mindestens eine Kühlmittelführung während des Betriebs des Kabels,
    wobei die Oberflächentemperatur des Ladekabels bei einer Leistungsstromstärke von 525 A, gemessen an einem Kabel mit Leiternennquerschnitt von mindestens 25 mm2, eine Temperatur von 70 °C nicht übersteigt.
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