FINDEISEN, Jörg (Obere Bergstrasse 12, Dresden, 01156, DE)
| Patentansprüche 1. Kabel (10) mit zumindest einem sich in Kabellangsrichtung erstreckenden elektrisch leitfahigen Leiter (20, 100, 110, 120) und einem Isolationsmaterial (30), in dem der Leiter eingebettet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der elektrisch leitfahige Leiter Nanoteilchen (40, 50) aufweist, die in Kabellangsrichtung ausgerichtet sind und - außerdem weitere Nanoteilchen (60) vorhanden sind, die quer zur Kabellangsrichtung ausgerichtet sind. 2. Kabel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass sich die weiteren Nanoteilchen in dem Isolationsmaterial oder sowohl in dem Isolationsmaterial als auch in dem elektrisch leitfahigen Leiter befinden. 3. Kabel nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Kabel zumindest zwei elektrisch leitfahige Leiter aufweist und die Leiter drehsymmetrisch angeordnet sind. 4. Kabel nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Kabel drei elektrisch leitfahige Leiter (100, 110, 120) aufweist, und die Leiter drehsymmetrisch bezuglich der Drehwinkel von 120 Grad und 240 Grad angeordnet sind. 5. Kabel nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Kabel im Querschnitt betrachtet einen Mittelpunkt aufweist und die weiteren Nanoteilchen bezuglich dieses Mittelpunktes radial nach außen ausgerichtet sind. 6. Kabel nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Kabel eine sich zumindest abschnittsweise entlang der Ka- bellangsrichtung erstreckende Ausrichtstruktur (200) aufweist, die ein Einbringen eines Feldes in das Kabel zum Aus- richten der weiteren Nanoteilchen quer zur Kabellangsrichtung ermöglicht . 7. Kabel nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ausrichtstruktur einen elektrisch leitfahigen oder magne- tisierbaren Mittelleiter (210) aufweist, der sich entlang der Kabellangsrichtung erstreckt und sich in der Kabelmitte befindet . 8. Kabel nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der zumindest eine Leiter eine Hullschicht (70) aufweist, die auf der dem Leiter abgewandeten Außenseite (80) glatter als auf der dem Leiter zugewandten Innenseite (90) ist. 9. Kabel nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der zumindest eine Leiter eine Hullschicht aus einem Halbleitermaterial aufweist. 10. Kabel nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Konzentration der in Kabellangsrichtυng ausgerichteten Nanoteilchen in dem elektrisch leitfähigen Leiter entlang der Kabellangsrichtung unterschiedlich ist und entlang der Kabellangsrichtung zumindest zwei unterschied- lieh große Konzentrationsbereiche mit in Kabellangsrichtung ausgerichteten Nanoteilchen vorhanden sind. 11. Kabel nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Kabel eine kreisrunde Querschnittsflache aufweist und der oder die Leiter innerhalb der runden Querschnittsflache drehsymmetrisch und/oder mittig angeordnet sind. 12. Verfahren zum Herstellen eines Kabels (10), bei dem zu- mindest ein elektrisch leitfahiger Leiter (20, 110, 110, 120) in einem Isolationsmaterial (30) eingebettet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in dem elektrisch leitfahigen Leiter Nanoteilchen (40, 50) in Kabellangsrichtung ausgerichtet werden und - weitere Nanoteilchen (60) quer zur Kabellangsrichtung ausgerichtet werden. 13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h q e k e n n z e i c h n *- I die weiteren Nanoteilchen quer zur Kabellangsrichtung ausgerichtet werden, indem an das Kabel ein Feld angelegt wird. 14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - in dem Kabel entlang der Kabellangsrichtung zumindest abschnittsweise eine Ausrichtstruktur hergestellt wird und an die Ausrichtstruktur ein Feld angelegt wird, mit dem die weiteren Nanoteilchen quer zur Kabellangsrichtung ausgerichtet werden. 15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 12-14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Konzentration der in Kabellangsrichtung ausgerichteten Nanoteilchen in dem elektrisch leitfahigen Leiter entlang der Kabellangsrichtung variiert wird und entlang der Kabellangsrichtung zumindest zwei unterschiedlich große Konzentrationsbereiche mit in Kabellangsrichtung ausgerichteten Nanoteilchen hergestellt werden. 16. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 12-15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Dielektrizitätskonstante in der Isolation durch die Wahl der Konzentration und Ausrichtung der Nanoteilchen in der Isolation an die Erfordernisse des elektrischen Feldes ange- passt wird und/oder die Leitfähigkeit im Leiter durch die Wahl der Konzentration und Ausrichtung der Nanoteilchen im Leiter an die Erfordernisse der elektrischen Leitfähigkeit angepasst wird, wobei die Anpassung der Konzentration der Na- noteilchen sowohl in Schichten als auch kontinuierlich erfolgen kann. |
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Kabel anzugeben, das bessere elektrische und mechanische Eigenschaf- ten aufweist als bisherige Kabel.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch ein Kabel mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemaßen Kabels sind in Unteranspru- chen angegeben.
Danach ist erfindungsgemaß vorgesehen, dass der elektrisch leitfahige Leiter Nanoteilchen aufweist, die in Kabellangsrichtung ausgerichtet sind und außerdem weitere Nanoteilchen vorhanden sind, die quer zur Kabellangsrichtung ausgerichtet sind.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemaßen Kabels besteht darin, dass dieses sowohl sehr gute elektrische als auch sehr gute thermische Eigenschaften aufweist. Die elektrischen Eigenschaften werden durch die im elektrisch leitfahigen Leiter vorgesehenen Nanoteilchen bewirkt, die in Kabellangsrichtung ausgerichtet sind. Durch die Ausrichtung der Nanoteilchen entlang der Kabellangsrichtung wird die elektrische Leitfa- higkeit des Leiters verbessert und somit sein elektrischer Widerstand reduziert. Dies fuhrt auch zu einer Reduktion der im Kabel entstehenden Abwarme. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemaßen Kabels besteht in der durch die weiteren Nanoteilchen hervorgerufenen Warmeabfuhr; die Warmeabfuhr wird dadurch bewirkt, dass die weiteren Nanoteilchen quer zur Kabellangsrichtung ausgerichtet sind und die in dem oder in den leitfahigen Lei- tern entstehende Abwarme gezielt durch das Isolationsmaterial nach außen ableiten. Das erfindungsgemaße Kabel weist aufgrund der quer zur Kabellangsrichtung ausgerichteten Nanoteilchen also eine optimierte Wärmeableitung nach außen auf, so dass es insgesamt elektrisch belastbarer ist als vorbe- kannte Kabel.
Ein dritter wesentlicher Vorteil des erfindungsgemaßen Kabels ist darin zusehen, dass bei diesem durch die vorhandenen Nanoteilchen die mechanische Festigkeit des Kabels deutlich er- höht wird. Das erfindungsgemaße Kabel ist bei gleicher Dimensionierung und bei gleichem Gewicht somit mechanisch deutlich fester und belastbarer als vergleichbare Kabel vorbekannter Bauart. Durch die erhöhte mechanische Festigkeit und Belastbarkeit lassen sich mit dem erfj ndungsgemaßen Kabel somit deutlich größere Abspannweiten zwischen Masten und Stutzelementen erreichen, als dies bei bisherigen Kabeln möglich ist. Der Einsatz des erfindungsgemaßen Kabels bei elektrischen Energieubertragungsanlagen fuhrt somit zu geringeren Installationskosten.
Die Nanoteilchen sind vorzugsweise länglich; unter länglichen Nanoteilchen werden dabei solche Nanoteilchen verstanden, deren Lange großer, insbesondere mindestens 10-mal großer, als deren Durchmesser ist. Längliche Nanoteilchen sind beispielsweise Nanorohrchen, Nanonadeln oder Nanostangen.
Die Nanoteilchen können einwandig, zweiwandig oder mehrwandig sein. Bei den Nanoteilchen kann es sich beispielsweise um Kohlenstoffnanorohrchen bzw. Kohlenstoffnanonadeln oder um Bornitridnanoteilchen handeln. Das Isolationsmaterial kann beispielsweise aus einem Kunststoff wie Polyamid oder einer Keramik bestehen bzw. eines oder mehrere solcher Materialien zumindest auch enthalten.
Die weiteren, also die quer zur Kabellangsrichtung ausgerichteten Nanoteilchen befinden sich vorzugsweise entweder ausschließlich in dem Isolationsmaterial oder alternativ sowohl in dem Isolationsmaterial als auch in dem elektrisch leitfa- higen Leiter.
Bevorzugt sind die im Leiter befindlichen Nanoteilchen überwiegend (also zu mindestens 50%, besonders bevorzugt zu min- destens 75%) entlang der Kabellangsrichtung und die im Isolationsmaterial befindlichen Nanoteilchen überwiegend (also zu mindestens 50%, besonders bevorzugt zu mindestens 75%) quer zur Kabellangsrichtung ausgerichtet. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der elektrisch leitfahige Leiter - im Querschnitt betrachtet - zumindest einen Querschnittsabschnitt aufweist, in dem die Nanoteilchen überwiegend (also zu mindestens 50%, besonders bevorzugt zu mindestens 75%) in Kabellangsrichtung ausgerich- tet sind, und zumindest einen weiteren Querschnittsabschnitt aufweist, in dem die Nanoteilchen überwiegend (also zu mindestens 50%, besonders bevorzugt zu mindestens 75%) quer zur Kabellangsrichtung ausgerichtet sind. Besonders bevorzugt weist der elektrisch leitfahige Leiter im Querschnitt mehrere Querschnittsabschnitte, in denen die Nanoteilchen überwiegend in Kabellangsrichtung ausgerichtet sind, und mehrere weitere Querschnittsabschnitte, in denen die Nanoteilchen überwiegend quer zur Kabellangsrichtung ausgerichtet sind, auf.
Die in Kabellangsrichtung ausgerichteten Nanoteilchen sind vorzugsweise elektrisch leitfahiger als die weiteren, also die quer zur Kabellangsrichtung ausgerichteten Nanoteilchen, und/oder die weiteren, quer zur Kabellangsrichtung ausgerich- teten Nanoteilchen sind vorzugsweise thermisch lextfahiger als die entlang der Kabellangsrichtung ausgerichteten Nanoteilchen .
Im Übrigen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Kabel zumindest zwei elektrisch leitfahige Leiter aufweist und die Leiter drehsymmetrisch angeordnet sind.
Für eine Energieübertragung in einem dreiphasigen Energie- ubertragungssystem weist das Kabel vorzugsweise drei elekt- risch leitfahige Leiter auf, die drehsymmetrisch bezuglich der Drehwinkel von 120 Grad und 240 Grad angeordnet sind.
Im Querschnitt ist in dem Kabel bevorzugt ein Mittelpunkt vorhanden, und die weiteren Nanoteilchen sind bezuglich die- ses Mittelpunktes vorzugsweise radial nach außen ausgerichtet.
Auch wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Kabel eine sich zumindest abschnittsweise entlang der Kabellangsrichtung erstreckende Ausrichtstruktur aufweist, die - wahrend des
Hersteilens des Kabels oder nach der Fertigstellung des Kabels - ein Einbringen eines Feldes in das Kabel zum Ausrichten der weiteren Nanoteilchen quer zur Kabellangsrichtung ermöglicht. Eine solche Ausrichtstruktur wird vorzugsweise ei- nen elektrisch leitfahigen oder magnetisierbaren Mittelleiter umfassen, der sich entlang der Kabellangsrichtung erstreckt und sich beispielsweise in der Kabelmitte befindet. Um lokale Felduberhohungen bzw. Feldstarkespitzen zu vermeiden, wird es darüber hinaus als vorteilhaft angesehen, wenn der zumindest eine Leiter eine Hullschicht aufweist, die auf der dem Leiter abgewandeten Außenseite glatter als auf der dem Leiter zugewandten Innenseite ist und/oder aus einem Halbleitermaterial besteht oder ein Halbleitermaterial zumindest auch enthalt.
Das halbleitende Material und/oder das Isolationsmaterial können beispielsweise vulkanisierbar sein.
Um eine Strombegrenzung in Kabellangsrichtung und somit einen Schutz des Kabels gegen elektrische Uberbeanspruchung zu erreichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Konzentration der in Kabellangsrichtung ausgerichteten Nanoteilchen in dem elektrisch leitfahigen Leiter entlang der Kabellangsrichtung unterschiedlich ist und entlang der Kabellangsrichtung zumindest zwei unterschiedlich große Konzentrationsbereiche mit in Kabellangsrichtung ausgerichteten Nanoteilchen vorhanden sind. Diese Ausgestaltung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass der elektrische Strom primär durch die in
Längsrichtung ausgerichteten Nanoteilchen fließen wird, so dass eine Konzentrationsreduktion den Stromfluss lokal auf ein vorgegebenes Maß begrenzen wird, ohne dabei die elektrischen Verluste, zumindest nicht signifikant, zu erhohen.
Auch wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Kabel eine kreisrunde Querschnittsflache aufweist und der oder die Leiter innerhalb der runden Querschnittsflache drehsymmetrisch und/oder mittig angeordnet sind. Das Kabel kann beispielsweise ein elektrisches Energieuber- tragungskabel sein, das für Spannungen von mindestens 100 V und Strome von mindestens 1 A ausgelegt und dimensioniert ist.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Herstellen eines Kabels, bei dem zumindest ein elektrisch leitfahiger Leiter in einem Isolationsmaterial eingebettet wird. Erfindungsgemaß ist vorgesehen, dass in dem elektrisch leitfahigen Leiter Nanoteilchen in Kabellangsrichtung ausgerichtet werden und weitere Nanoteilchen quer zur Kabellangsrichtung ausgerichtet werden. Bezuglich der Vorteile des erfindungsgemaßen Verfahrens wird auf die obigen Ausfuhrungen im Zusammenhang mit dem erfin- dungsgemaßen Kabel verwiesen, da die Vorteile des erfindungs- gemaßen Kabels denen des erfindungsgemaßen Verfahrens im Wesentlichen entsprechen.
Besonders einfach und damit vorteilhaft lassen sich die weiteren Nanoteilchen quer zur Kabellangsrichtung ausrichten, indem an das Kabel ein Feld angelegt wird. Das Feld kann beispielsweise zwischen den Leitern des Kabels oder zwischen ei- nem Leiter des Kabels und einer äußeren Abschirmung des Kabels angelegt werden.
Um das Anlegen eines Feldes zu ermöglichen, das unabhängig von der Anordnung der Leiter innerhalb des Kabels ist und die gewünschte Ausrichtung der weiteren Nanoteilchen bewirken kann, wird vorzugsweise in dem Kabel entlang der Kabellangsrichtung - zumindest abschnittsweise - eine Ausrichtstruktur hergestellt und es wird an diese Ausrichtstruktur ein Feld angelegt, mit dem die weiteren Nanoteilchen quer zur Kabel- langsrichtung ausgerichtet werden.
Das Anlegen eines Feldes wird vorzugsweise durchgeführt, so- lange das Isolationsmaterial des Kabels noch nicht vollständig ausgehartet ist, also vor oder wahrend der Aushartphase des Isolationsmaterials.
Um eine Ausrichtung der weiteren Nanoteilchen quer zur Kabel- langsrichtung zu erreichen, kann alternativ oder zusatzlich auch zumindest ein Wachstumskeim eingesetzt werden, der beim Auftragen des noch nicht ausgeharteten, beispielsweise noch flussigen, Isolationsmaterials eine Ausrichtung der in dem Isolationsmaterial vorhandenen Nanoteilchen bewirkt und im ausgeharteten Isolationsmaterial zu einem Einbetten der Nanoteilchen mit einer Orientierung quer zur Kabellangsrichtung fuhrt. Als Wachstumskeim kann beispielsweise einer der im Isolationsmaterial einzubettenden Leiter herangezogen werden. Auch kann eine auf dem Leiter bzw. den Leitern aufgebrachte Leiterhulle als Wachstumskeim genutzt werden.
Auch können gezielt separate Wachstumskeime wahrend der Kabelherstellung in das Kabel, vorzugsweise in das Isolations- material, eingebracht werden, die zu einem Einbetten der Na- noteilchen mit einer Orientierung quer zur Kabellangsrichtung fuhren. Vorzugsweise wird ein Wachstumskeim in der Kabelmitte vorgesehen.
Um eine Strombegrenzung im Kabel zu bewirken, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Konzentration der in Kabellangsrichtung ausgerichteten Nanoteilchen in dem elektrisch leitfahigen Leiter entlang der Kabellangsrichtung variiert wird und entlang der Kabellangsrichtung zumindest zwei unter- schiedlich große Konzentrationsbereiche mit in Kabellangs- richtung ausgerichteten Nanoteilchen hergestellt werden.
Die Einlagerung der Nanoteilchen im Leiter und/oder die Ein- lagerung der weiteren Nanoteilchen im Leiter und/oder im Isolationsmaterial können beispielsweise durch Elektrophorese erfolgen oder unterstutzt werden. Dabei kann durch eine Abstimmung zwischen der Teilchengroße und der Porenweite eines als Tragermedium dienenden Gels eine Schichtung verschiedener Nanopartikel herbeigeführt werden, wobei das Gel als Moleku- larsieb dient. Auch können mittels Elektrophorese Kanten geglättet oder Abschirmungen gebildet werden.
Zur Verbesserung der Warmeabfuhr nach außen wird es darüber hinaus als vorteilhaft angesehen, wenn eine Rippenstruktur oder eine oval abgeflachte äußere Form des beziehungsweise der im Kabel vorhandenen Leiter vorgesehen wird. Eine solche Struktur kann beispielsweise derart gestaltet sein, dass Nanoteilchen mit guter Wärmeleitfähigkeit und hohem elektri- sehen Widerstand nicht nur in Isolationen des Kabels eingebracht werden, sondern darüber hinaus derart angeordnet werden, dass sie den Transport der Warme auch in diese die Oberflache vergrößernden Bereiche übernehmen. Zur Erzielung einer feuchtigkeit- und/oder schmutzabweisenden Oberflache des Kabels ist die Bildung einer nanopartikelnut- zenden, schmutzabweisenden Beschichtung an der Oberflache der äußeren Umhüllung des Kabels denkbar. Beispielsweise kann eine Nanopartikel enthaltende Folie oder ein Nanopartikel ent- haltender Lack außen auf dem Kabel aufgebracht werden.
Im Übrigen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn durch eine Reduzierung der Anzahl der parallel zur Kabellangsrichtung verlaufenen Nanoteilchen in einem Ubergangsbereich mit vor- zugsweise guter thermischer Anbindung das Kabel vor zu hohen Kurzschlussstromen geschützt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfuhrungsbeispie- len naher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
Figur 1 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel für ein erfindungs- gemaßes Kabel mit einem einzigen elektrischen Leiter,
Figur 2 ein zweites Ausfuhrungsbeispiel für ein erfin- dungsgemaßes Kabel mit einem einzigen elektrischen Leiter, wobei dieser mit einer Umhüllung versehen ist,
Figur 3 ein Ausfuhrungsbeispiel für ein erfindungsgemaßes
Kabel mit drei elektrischen Leitern,
Figur 4 ein Ausfuhrungsbeispiel für ein erfindungsgemaßes
Kabel mit drei elektrischen Leitern und einer Ausrichtstruktur zur Ausrichtung der weiteren Nano- teilchen,
Figur 5 ein fünftes Ausfuhrungsbeispiel für ein erfin- dungsgemaßes Kabel mit drei elektrischen Leitern sowie einem Wachstumskern, der eine Ausrichtung der im Isolationsmaterial des Kabels vorhandenen Nanoteilchen wahrend der Herstellung des Isolationsmaterials bewirkt,
Figur 6 ein sechstes Ausfuhrungsbeispiel für ein erfin- dungsgemaßes Kabel mit einem Leiter mit Nanorohr- chen, Figur 7 ein siebents Ausfuhrungsbeispiel für ein erfin- dungsgemaßes Kabel mit drei leitenden Schichten und drei Isolationsschichten, Figur 8 ein achtes Ausfuhrungsbeispiel für ein erfindungs- gemaßes Kabel mit zwei leitenden Schichten und drei Isolationsschichten und
Figur 9 ein neuntes Ausfuhrungsbeispiel für ein erfin- dungsgemaßes Kabel mit einer Nanoteilchen enthaltenden Matrix in der Isolation.
Der Übersicht halber werden für identische oder vergleichbare Komponenten in den Figuren stets dieselben Bezugszeichen ver- wendet.
In der Figur 1 erkennt man ein elektrisches Kabel 10, das mit einem einzigen elektrisch leitfahigen Leiter 20 ausgestattet ist. Der Leiter 20 befindet sich in einem Isolationsmaterial 30, das aus einem elektrisch nicht leitfahigen Material besteht.
Wie sich in der Figur 1 darüber hinaus erkennen lasst, befinden sich in dem Leiter 20 Nanoteilchen, die überwiegend, vor- zugsweise zu mindestens 90 %, in Kabellangsrichtung, also in der Figur 1 senkrecht zur Blattrichtung ausgerichtet sind. Die Richtung der Nanoteilchen ist dabei beliebig: sie können also senkrecht zur Bildebene in diese hineinragen oder aus dieser herausragen. Bei der Darstellung gemäß der Figur 1 ra- gen die mit dem Bezugszeichen 40 bezeichneten Nanoteilchen in die Bildebene hinein, wohingegen die Nanoteilchen mit dem Bezugszeichen 50 aus der Bildebene herausragen. In der Figur 1 erkennt man darüber hinaus, dass es weitere Nanoteilchen gibt, die überwiegend, vorzugsweise zu mindestens 90 %, quer zur Kabellangsrichtung ausgerichtet sind und sich somit parallel zur Bildebene in der Figur 1 erstrecken. Die weiteren Nanoteilchen sind mit dem Bezugszeichen 60 gekennzeichnet; die weiteren Nanoteilchen 60 befinden sich ausschließlich in dem Isolationsmaterial 30 des Kabels 10, sie können aber auch - ganz oder zum Teil - in dem Leiter 20 angeordnet sein.
In der Figur 2 ist ein zweites Ausfuhrungsbeispiel für ein Kabel 10 gezeigt. Das Kabel gemäß Figur 2 entspricht im Wesentlichen dem Kabel gemäß Figur 1. Im Unterschied dazu ist lediglich der elektrische Leiter 20 mit einer Hullschicht um- schlössen, die mit dem Bezugszeichen 70 gekennzeichnet ist. Die Funktion der Hullschicht 70 besteht darin, den elektrischen Leiter nach außen hin glatter zu machen und somit elektrische Felduberhohungen zu vermeiden. Die Hullschicht 70 ist somit vorzugsweise auf der Außenseite 80 glatter als auf der dem Leiter 20 zugewandten Innenseite 90. Die Hullschicht 70 kann beispielsweise aus einem Halbleitermaterial bestehen.
In der Figur 3 ist ein Ausfuhrungsbeispiel für ein Kabel 10 gezeigt, dass mit drei elektrischen Leitern 100, 110 und 120 ausgestattet ist. Die Anordnung der drei Leiter 100, 110 und 120 ist drehsymmetrisch, so dass die drei Leiter um Drehwinkel von 120 Grad und / oder 240 Grad gedreht werden können, ohne dass sich deren Anordnung im Kabel 10 ändert. Der Figur 3 lasst sich darüber hinaus entnehmen, dass die drei Leiter 100, 110 und 120 jeweils mit Nanoteilchen versehen sind, die sich - zumindest überwiegend - senkrecht zur Bildebene erstrecken, also in die Bildebene hineinragen oder aus dieser herausragen. Die Nanoteilchen sind mit den Bezugszeichen 40 und 50 gekennzeichnet.
Das Isolationsmaterial 30 des Kabels 10 ist ebenfalls mit Na- noteilchen ausgestattet, wobei sich diese jedoch quer zur Ka- bellangsrichtung erstrecken und somit in der Bildebene der Figur 3 liegen. Die quer zur Kabellangsrichtung ausgestatteten Nanoteilchen in der Isolationsschicht 30 sind mit dem Bezugszeichen 60 gekennzeichnet.
Im übrigen entspricht das Kabel gemäß der Figur 3 den Kabeln den Figuren 1 und 2.
In der Figur 4 ist ein viertes Ausfuhrungsbeispiel für ein Kabel gezeigt. Auch dieses Kabel weist drei elektrische Leiter 100 und 110 und 120 auf und entspricht insoweit dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 3. Im Unterschied zum Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 3 ist eine zusatzliche Ausrichtstruktur 200 vorhanden, die einen elektrisch leitfahigen oder magnetisierbaren Mittelleiter 210 aufweist, der sich zumindest abschnittsweise entlang der Kabellangsrichtung erstreckt und sich vorzugsweise in der Kabelmitte befindet. Die Ausrichtstruktur 200 ermöglicht es, wahrend der Herstellung des Kabels 10, insbesondere beim Aufbringen des Isolationsmateri- als 30 beziehungsweise beim Ausharten des Isolationsmaterials 30 ein elektrisches oder magnetisches Feld im Kabel 10 hervorzurufen, mit dem die in dem Isolationsmaterial 30 vorhandenen Nanoteilchen 60 quer zur Kabellangsrichtung, also parallel zur Bildebene, ausgerichtet werden.
Befindet sich - wie gezeigt - der Mittelleiter 210 in der Kabelmitte, so kann gezielt eine radial bzw. strahlenförmig nach außen verlaufende Ausrichtung der Nanoteilchen 60 erreicht werden. Mit anderen Worten ermöglicht es also die Ausrichtstruktur 200 mit dem elektrisch leitfahigen oder magnetisierbaren Mittelleiter 210, die Konzentration der quer zur Kabellangsrich- tung ausgerichteten Nanoteilchen 60 im Kabel 10 zu erhohen.
In der Figur 5 ist ein fünftes Ausfuhrungsbeispiel für ein Kabel 10 gezeigt. Auch dieses Kabel ist mit drei elektrischen Leitern 100, 110 und 120 ausgestattet. In der Kabelmitte be- ziehungsweise zwischen den drei elektrischen Leitern befindet sich ein Wachstumskern 300, der wahrend der Kabelherstellung ein gezieltes Wachstum und/oder eine gezielte Ausrichtung der im Isolationsmaterial 30 eingebetteten Nanoteilchen 60 bewirkt. Konkret fuhrt der Wachstumskern 300 dazu, dass sich die Nanoteilchen 60 vorzugsweise quer zur Kabellangsrichtung orientieren beziehungsweise ausrichten, wahrend das Isolati- onsmaterial 30 aufgebracht wird und/oder aushärtet.
Befindet sich - wie gezeigt - der Wachstumskern 300 in der Kabelmitte, so kann zusatzlich gezielt eine radial bzw.
strahlenförmig nach außen verlaufende Ausrichtung der Nanoteilchen 60 erreicht werden.
Im übrigen entspricht das Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 5 dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 3, so dass diesbezüglich auf die obigen Ausfuhrungen verwiesen sei.
Die Figur 6 zeigt die Kombination einer axialen Ausrichtung der Kohlenstoffnanorohrchen für die Stromleitung und einer radialen Ausrichtung der Kohlenstoffnanorohrchen für den War- metransport nach außen innerhalb des leitfahigen Leiters 20 des Kabels 10. Das Bezugszeichen 51 stellt dabei die radial ausgerichteten Kohlenstoffnanorohrchen im Leiter dar. Bezug- lieh der übrigen Bezugszeichen sei auf die Ausführungen im Zusammenhang mit der Figur 1 verwiesen.
Die Figuren 7 und 8 zeigen beispielhaft die Anpassung der Konzentration und Ausrichtung von Nanorohrchen an die jeweiligen Erfordernisse.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung, wie sie die Figur 7 zeigt, ist die Isolation derart gestaltet, dass die Die- lektrizitatskonstante in Richtung abnehmender elektrischer
Feldstarke sinkt (oder alternativ ansteigt) . Diese Anpassung der Dielektrizitätskonstante an die Felderfordernisse wird zumindest teilweise durch Anpassung der Konzentration und Ausrichtung der Nanorohrchen vorgenommen. Die Änderung der Konzentration und Ausrichtung der Nanorohrchen kann dabei sowohl in Schichten als auch kontinuierlich erfolgen. Die Bezugszeichen 400, 410 und 420 zeigen beispielhaft Isolationsschichten mit wärmeleitenden, vorzugsweise quer zur Kabel- langsrichtung verlaufenden Nanorohrchen. Die Bezugszeichen 430, 440 und 450 bezeichnen Schichten des leitfahigen Leiters mit unterschiedlichen Konzentrationen an stromleitenden Kohlenstoffnanorohrchen oder anderen stromleitenden Nanorohrchen. Das Bezugszeichen 460 bezeichnet eine Hullschicht zwischen den Leiter- und den Isolationsschichten und das Bezugs- zeichen 470 den Mantel.
In einer besonderen Ausfuhrungsform werden zur Warmeabfuhr radial ausgerichtete Kohlenstoffnanorohrchen benutzt, welche in der der Leitermitte zugewandten Richtung nur in geringer Konzentration vorhanden sind und deren Konzentration nach außen zunimmt. Dies ermöglicht die Nutzung der guten thermischen Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanorohrchen zur Wärmeableitung. Die in der Isolation an sich nachteilige elektrische Leitfähigkeit der konventionellen Kohlenstoffnanorohrchen lasst sich durch eine geringe Konzentration in den Bereichen hoher elektrischer Feldstarke ausgleichen.
Die Figur 8 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel mit zwei Leiterbe- reichen 500 und 510 mit unterschiedlicher Konzentration an stromleitenden Kohlenstoffnanorohrchen und Isolationsschichten 520, 530 und 540 mit unterschiedlicher Konzentration an wärmeleitenden Kohlenstoffnanorohrchen oder anderen wärmeleitenden Nanorohrchen.
Die Figur 9 zeigt beispielhaft eine Matrix mit wärmeleitenden und/oder stromleitenden Nanorohrchen, beispielsweise Kohlenstoffnanorohrchen oder anderen Nanorohrchen, in der Isolation oder dem Leiter eines Kabels. Dabei bezeichnen
- das Bezugszeichen 600 Kohlenstoffnanorohrchen zum Stromtransport (bevorzugt axial ausgerichtet) ,
das Bezugszeichen 610 Nanorohrchen, also zum Beispiel Kohlenstoffnanorohrchen oder andere Nanorohrchen, zum Warme- transport (bevorzugt radial ausgerichtet) und
- die Bezugszeichen 620 und 630 Kohlenstoffnanorohrchen zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit (Ausrichtung nach dem jeweiligen Festigkeitsbedarf) . Dabei handelt es sich bei den Kohlenstoffnanorohrchen mit dem Bezugszeichen 620 beispielsweise um zirkulär ausgerichtete Kon] pnstoffnanorohr- chen, welche die Schaffung einer mechanisch festen Gurtstruktur zur Bildung eines Kabelmantels unterstutzen.
Zusammenfassend ist den Ausfuhrungsbeispielen gemäß den Figuren 6 bis 9 gemeinsam, dass ein Kabel durch eine Matrix ver- schiedener Materialien gebildet wird, welche zumindest teilweise Nanorohrchen verschiedener elektrischer, warmetechni- scher und mechanischer Eigenschaften enthalten. Dadurch kann berücksichtigt werden: eine Anpassung der Konzentration an Kohlenstoffnanoröhr- chen an die im jeweiligen Bereich des Kabels und/oder Leiters erforderliche Stromdichte,
eine Anpassung des Ausrichtungsgrades der Kohlenstoffnano- rohrchen an die im jeweiligen Bereich des Kabels und/oder
Leiters erforderliche Stromdichte,
- eine Anpassung der Konzentration der wärmeleitenden Nano- rohrchen an die im jeweiligen Bereich der Anordnung erforderliche Warmestromdichte,
- eine Anpassung des Ausrichtungsgrades der Nanorohrchen an die im jeweiligen Bereich der Anordnung erforderliche Warmestromdichte,
eine Einlagerung von Nanorohrchen besonderer mechanischer Eigenschaften (z.B. Zugfestigkeit ) in bestimmten Bereichen (z.B. zur Aufnahme von Zugkräften bei der Verwendung als Leiterseil) ,
eine Bildung von mechanischen Spannelementen durch Einbringen einer mit Nanorohrchen versetzten Gurtstruktur zur Aufnahme von Kurzschlusskraften und/oder Übertragung der Gewichtskraft zu mechanischen Befestigungselementen und/oder zur Bildung einer festen und stabilen Ummantelung des Kabels.
Bezugszeichen
10 elektrisches Kabel
20 elektrisch leitfähiger Leiter 30 Isolationsmaterial
40,50 Nanoteilchen
51 Kohlenstoffnanoröhrchen
60 weitere Nanoteilchen
70 Hüllschicht
80 Außenseite
90 Innenseite
100,110,120 elektrischer Leiter
200 Ausrichtstruktur
210 Mittelleiter
300 Wachstums kern
400,410,420 Isolationsschicht
430,440,450 Schicht
460 Hüllschicht
470 Mantel
500,510 Leiterbereich
520,530,540 Isolationsschicht
600 Kohlenstoffnanoröhrchen
610 Nanoröhrchen
620, 630 Kohlenstoffnanoröhrchen