Title:
Vorrichtung zum Leiten von elektrischer und/oder thermischer Energie
Kind Code:
A1


Abstract:

Vorrichtung (1) zum Leiten von elektrischer und/oder thermischer Energie, aufweisend wenigstens ein elektrisch und/oder thermisch leitfähiges Leiterelement (2), wobei das wenigstens eine Leiterelement (2) aus zu wenigstens einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen gebildet ist oder zu wenigstens einem Textil zusammengefasste nanoskalige Kohlenstoffstrukturen umfasst.




Inventors:
Dölling, Andre (91056, Erlangen, DE)
Hartmann, Werner (91085, Weisendorf, DE)
Krämer, Hans-Peter (91058, Erlangen, DE)
Kuhnert, Anne (90765, Fürth, DE)
Kummeth, Peter (91074, Herzogenaurach, DE)
Schacherer, Christian (91352, Hallerndorf, DE)
Application Number:
DE102014202153A
Publication Date:
08/06/2015
Filing Date:
02/06/2014
Assignee:
Siemens Aktiengesellschaft, 80333 (DE)
International Classes:



Claims:
1. Vorrichtung (1) zum Leiten von elektrischer und/oder thermischer Energie, aufweisend wenigstens ein elektrisch und/oder thermisch leitfähiges Leiterelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Leiterelement (2) aus zu wenigstens einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen gebildet ist oder zu wenigstens einem Textil zusammengefasste nanoskalige Kohlenstoffstrukturen umfasst.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen wenigstens teilweise zu wenigstens einem Textilgarn und/oder wenigstens teilweise zu wenigstens einem Textilband zusammengefasst sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem wenigstens einen Textilgarn, insbesondere mehreren Textilgarnen, und/oder dem wenigstens einen Textilband, insbesondere mehreren Textilbändern, wenigstens ein, insbesondere gewebe-, gewirke- oder gestrickartiger, Textilkörper gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen zumindest abschnittsweise in einer durch wenigstens ein Matrixmaterial gebildeten Matrix (3) enthalten sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Matrixmaterial ein Metall oder ein Kunststoff ist oder ein Metall oder einen Kunststoff umfasst.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen zumindest abschnittsweise in einem Aufnahmeraum (4) eines durch wenigstens ein Aufnahmeelementmaterial gebildeten Aufnahmeelements (5) aufgenommen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Aufnahmeelementmaterial ein Metall, ein Halbleiter, ein Kunststoff, eine Keramik oder ein Glas ist oder ein Metall, einen Halbleiter, einen Kunststoff, eine Keramik oder ein Glas umfasst.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeelement (5) die zu einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen diese unmittelbar kontaktierend zumindest abschnittsweise umschließt und/oder zwischen den Aufnahmeraum begrenzenden Wänden des Aufnahmeelements (5) und den nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen zumindest abschnittsweise wenigstens ein, insbesondere zumindest abschnittsweise mit einem Füllmaterial gefüllter, Spaltraum gebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise kontinuierlich oder diskontinuierlich verlaufende elektrisch und/oder thermisch leitfähige Kontaktbereiche zwischen den zu einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen und dem Aufnahmeelement (5) ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen zumindest abschnittsweise auf ein Trägerelement (7) aufgebracht sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (7) zumindest abschnittsweise als ein wenigstens einen Hohlraum (8) begrenzender Hohlkörper ausgebildet ist, wobei der wenigstens eine Hohlraum (8) von einem Kühlfluid durchströmbar oder durchströmt ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer der zu einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen wenigstens ein elektrisch und/oder thermisch leitfähiges Kontaktelement (6) zur elektrischen und/oder thermischen Kontaktierung mit wenigstens einem Drittgegenstand angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine elektrisch und/oder thermisch leitfähige Kontaktelement (6) aus einem aus, insbesondere nanoskalige, Kohlenstoffstrukturen, insbesondere Graphit, gebildeten Kontaktelementmaterial gebildet ist oder wenigstens ein solches umfasst.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen in röhrenförmigen oder kugeligen Strukturen ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen mechanisch vorgespannt sind.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Leiten von elektrischer und/oder thermischer Energie, aufweisend wenigstens ein elektrisch und/oder thermisch leitfähiges Leiterelement.

Bei derartigen Vorrichtungen handelt es sich z.B. um elektrische Leitungen. An derartige Vorrichtungen werden, insbesondere im Bereich von Hochstromanwendungen, stetig wachsende Anforderungen gestellt:
So werden z.B. hohe Stromtragfähigkeiten, worunter der maximale Stromfluss bezogen auf die Querschnittsfläche zu verstehen ist, gefordert. Hohe Stromtragfähigkeiten ermöglichen einen geringeren Materialaufwand und erweitern so die „Designfreiheiten“ von jeweilige Vorrichtungen implementierenden Anwendungen.

Daneben werden geringe Verlustleistungen gefordert, d.h. der elektrische Widerstand der entsprechenden Vorrichtungen zugehörigen Leiterelemente sollte möglichst klein sein. Im Hinblick auf die Querschnittsfläche entsprechender Leiterelemente und den damit verbundenen Materialaufwand sollten die Leiterelemente sonach einen möglichst geringen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen.

Gleichermaßen werden gute mechanische Eigenschaften sowie ein geringes Gewicht gefordert, um derartige Vorrichtungen in mechanisch hoch beanspruchenden Anwendungen, wie z.B. als Oberleitung für Schienenfahrzeuge, in Schaltanlagen sowie in mobilen Anwendungen, wie z.B. in mobilen Elektromotoren, mobilen Schalteinrichtungen etc., einsetzen zu können.

Analoge Anforderungen werden an Vorrichtungen zum Leiten von thermischer Energie, d.h. Wärme, wie z.B. Heiz- oder Wärmeleitungen, gestellt.

Bisher werden die Leiterelemente derartiger Vorrichtungen üblicherweise aus Metallen, d.h. insbesondere Aluminium, Kupfer oder entsprechenden Legierungen, gebildet. Diese Materialen genügen den vorgenannten Anforderungen in der Regel nicht oder nur zum Teil.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Leiten von elektrischer und/oder thermischer Energie anzugeben.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass das wenigstens eine Leiterelement aus zu wenigstens einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen gebildet ist oder zu wenigstens einem Textil zusammengefasste nanoskalige Kohlenstoffstrukturen umfasst.

Das erfindungsgemäße Prinzip betrifft eine besondere Vorrichtung zum Leiten bzw. Übertragen von elektrischer Energie, d.h. insbesondere elektrischem Strom, und/oder thermischer Energie, d.h. insbesondere Wärme. Konkret kann die Vorrichtung sonach z.B. als ein elektrisch leitfähiges Kabel bzw. Kontaktelement und/oder ein thermisch leitfähiges Kabel bzw. Kontaktelement ausgebildet sein bzw. ein solches umfassen.

Die Vorrichtung weist wenigstens ein elektrisch bzw. thermisch leitfähiges Leiterelement auf. Das Leiterelement ist also strukturell derart ausgebildet, dass es elektrisch leitfähige bzw. thermisch leitfähige Eigenschaften aufweist. Das Leiterelement weist einen besonderen strukturellen Aufbau auf, als es aus zu wenigstens einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen gebildet ist oder zu wenigstens einem Textil zusammengefasste nanoskalige Kohlenstoffstrukturen umfasst. Ein entsprechendes Leiterelement ist sonach als Textil ausgebildet bzw. umfasst ein Textil.

Entsprechende Textilien können z.B. Textilgarne oder Textilbänder sein. Die zu einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen können sonach wenigstens teilweise zu wenigstens einem Textilgarn zusammengefasst sein. Die Textilgarne können zumindest abschnittsweise in sich verdreht („getwistet“) sein. Alternativ oder ergänzend können die zu einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen wenigstens teilweise zu wenigstens einem Textilband zusammengefasst sein. Mithin können entsprechende Leiterelemente zumindest teilweise, insbesondere vollständig, als Textilgarne oder Textilbänder vorliegen bzw. solche umfassen.

Die zu einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen weisen in der Variante des Textilgarns in der Regel rundliche und in der Variante des Textilbands in der Regel viereckige, insbesondere rechteckige, Querschnitte auf. Der Querschnitt der zu einem Textil zusammengefassten nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen ist insbesondere im Hinblick auf eine konkrete Anwendung der Vorrichtung zu wählen.

Es ist im Weiteren denkbar, dass aus wenigstens einem entsprechenden Textilgarn, insbesondere mehreren Textilgarnen, und/oder wenigstens einem entsprechenden Textilband, insbesondere mehreren Textilbändern, wenigstens ein, insbesondere gewebe-, gewirke- oder gestrickartiger, Textilkörper gebildet ist. Entsprechende Textilgarne oder Textilbänder können sonach zu textilen Flächengebilden weiterverarbeitet sein, was im Hinblick auf bestimmte Anwendungen der Vorrichtung zweckmäßig sein kann. Mithin können entsprechende Leiterelemente auch als Textilkörper vorliegen bzw. solche umfassen.

Unter nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen sind insbesondere so genannte Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, kurz CNT) zu verstehen. Mithin liegen die nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen typischerweise in röhrenförmigen Strukturen vor bzw. sind als solche ausgebildet. Gleichermaßen ist es jedoch denkbar, dass die nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen in anderen, d.h. z.B. kugeligen, Strukturen vorliegen bzw. als solche ausgebildet sind. Bei den nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen kann es sich sonach z.B. auch um Fullerene handeln.

Der Begriff „nanoskalig“ deutet auf die Abmessungen bzw. Molekülgröße der zu entsprechenden Textilien zusammenzufassenden Kohlenstoffstrukturen hin, welche typischerweise in einem Bereich zwischen 1 und 100 nm liegen. Selbstverständlich sind Ausnahmen, insbesondere nach oben, denkbar.

Im Weiteren ist unter einer „Kohlenstoffstruktur“ stets eine zu wenigstens einem Textil zusammengefasste nanoskalige Kohlenstoffstruktur zu verstehen. Dabei gilt, dass eine entsprechende Kohlenstoffstruktur grundsätzlich als Textilgarn, Textilband oder entsprechender Textilkörper vorliegen kann.

Die Verwendung entsprechender Kohlenstoffstrukturen im Zusammenhang mit der Ausbildung entsprechender Leiterelemente bedingt eine Reihe von Vorteilen, insbesondere im Hinblick auf die eingangs genannten, an entsprechende Vorrichtungen gestellten Anforderungen.

So bieten entsprechende Kohlenstoffstrukturen insbesondere sehr hohe elektrische wie auch thermische Leitfähigkeiten, d.h. umgekehrt sehr geringe elektrische wie auch thermische Widerstände. Außerdem zeigen entsprechende Kohlenstoffstrukturen einen geringen Widerstandstemperaturkoeffizienten sowie eine hohe chemische, mechanische, d.h. insbesondere die Zugfestigkeit betreffende, und thermische Stabilität. Daneben weisen entsprechende Kohlenstoffstrukturen bedingt durch ihre vergleichsweise geringe Dichte ein vergleichsweise geringes Gewicht auf.

Alles in allem ist durch das erfindungsgemäße Prinzip sonach eine verbesserte Vorrichtung zum Leiten von elektrischer und/oder thermischer Energie realisiert.

Im Weiteren werden beispielhafte Ausführungsformen der Vorrichtung im Einzelnen näher dargestellt. Neben der Ausführungsform, gemäß welcher die Vorrichtung wenigstens ein zumindest abschnittsweise freiliegend vorliegendes Leiterelement umfasst, bestehen insbesondere folgende Ausführungsformen:
So ist es beispielsweise denkbar, dass die Kohlenstoffstrukturen zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, in einer durch wenigstens ein Matrixmaterial gebildeten Matrix eingebettet bzw. enthalten sind. Das Matrixmaterial umgibt die Kohlenstoffstrukturen dabei unmittelbar. Die Matrix kann als ein Schutz der Kohlenstoffstrukturen gegenüber, insbesondere mechanischen, Beanspruchungen dienen.

Als entsprechende Matrixmaterialien kommen sowohl elektrisch leitfähige als auch elektrisch isolierende Materialien in Frage. Bei einem elektrisch leitfähigen Matrixmaterial kann es sich z.B. um ein Metall oder eine Metalllegierung handeln, wobei lediglich beispielhaft auf Aluminium oder Kupfer bzw. entsprechende Legierungen verwiesen wird. Ein elektrisch leitfähiges Matrixmaterial kann selbstverständlich auch ein elektrisch leitfähig ausgebildeter Kunststoff sein. Bei einem elektrisch isolierenden Matrixmaterial kann es sich z.B. um einen duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff handeln, wobei lediglich beispielhaft auf duroplastische Epoxidharze verwiesen wird.

Gleichermaßen ist es denkbar, dass die Kohlenstoffstrukturen zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, in einem Aufnahmeraum eines durch wenigstens ein Aufnahmeelementmaterial gebildeten Aufnahmeelements aufgenommen sind. Die Kohlenstoffstrukturen können mittels eines entsprechenden Aufnahmeelements sonach gekapselt vorliegen. Bei einem derartigen Aufnahmeelement kann es sich z.B. um ein rohr-, hüllen- oder hülsenartiges Bauteil handeln.

Das Aufnahmeelement kann aus einem elektrisch leitfähigen, elektrisch isolierenden oder halbleitenden Aufnahmeelementmaterial gebildet sein. Auch in diesem Zusammenhang wird insbesondere auf Metalle und Kunststoffe verwiesen. Daneben sind zur Ausbildung des Aufnahmeelements jedoch auch andere Materialien bzw. Materialgruppen, wie z.B. Gläser und Keramiken, denkbar.

Das Aufnahmeelement kann die Kohlenstoffstrukturen zumindest abschnittsweise umschließen, wobei es diese unmittelbar kontaktiert. Mithin kann zwischen den den Aufnahmeraum begrenzenden Wänden des Aufnahmeelements und den Kohlenstoffstrukturen ein unmittelbarer, insbesondere elektrisch bzw. thermisch leitfähiger, Kontakt bestehen.

Denkbar ist es jedoch auch, dass zwischen den Aufnahmeraum begrenzenden Wänden des Aufnahmeelements und den nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen zumindest abschnittsweise wenigstens ein Spaltraum gebildet ist. Der Aufnahmeraum bzw. der Spaltraum kann dabei zumindest abschnittsweise mit einem beliebigen festen, flüssigen oder gasförmigen Füllmaterial befüllt sein. Dabei ist es auch, gegebenenfalls ergänzend, möglich, dass in dem Aufnahmeraum bzw. Spaltraum ein bestimmtes Druckniveau, d.h. insbesondere ein Über- oder Unterdruck, anliegt. Der Aufnahmeraum bzw. Spaltraum kann daher auch evakuiert sein.

Eine, sofern gewünschte, elektrische und/oder thermische Kontaktierung zwischen den Kohlenstoffstrukturen und dem Aufnahmeelement kann sonach auf unterschiedliche Weise realisiert sein. Einerseits ist es möglich, dass zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, kontinuierlich verlaufende elektrisch und/oder thermisch leitfähige Kontaktbereiche zwischen den Kohlenstoffstrukturen und dem Aufnahmeelement ausgebildet sind. Andererseits ist es denkbar, dass zumindest abschnittsweise diskontinuierlich verlaufende elektrisch und/oder thermisch leitfähige Kontaktbereiche zwischen den Kohlenstoffstrukturen und dem Aufnahmeelement ausgebildet sind. Die Kontaktbereiche können in diesem Fall z.B. über bezogen auf die Längsachse des wenigstens einen Leiterelements axial verteilte, sich zwischen den Kohlenstoffstrukturen und den den Aufnahmeraum begrenzenden Wänden des Aufnahmeelements erstreckende Kontaktstege gebildet sein.

Neben der vorstehend beschriebenen Aufnahme entsprechender Kohlenstoffstrukturen in ein Aufnahmeelement ist es auch möglich, dass die Kohlenstoffstrukturen zumindest abschnittsweise auf ein Trägerelement aufgebracht sind. Die Kohlenstoffstrukturen können sonach z.B. auf einer freiliegenden Außenfläche eines Trägerelements aufgebracht sein. Die Aufbringung beinhaltet eine stabile, d.h. vermittels form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssiger Befestigungstechniken realisierte, Befestigung der Kohlenstoffstrukturen auf dem Trägerelement.

Bedingt durch deren textile Struktur kann das Trägerelement sonach z.B. abschnittsweise mit den Kohlenstoffstrukturen umwickelt sein. Eine Befestigung der Kohlenstoffstrukturen auf dem Trägerelement kann z.B. über Kleben, Klemmen oder Löten erfolgen.

Ein entsprechendes Trägerelement kann massiv ausgeführt sein. Denkbar ist es jedoch auch, dass das Trägerelement zumindest abschnittsweise als ein wenigstens einen Hohlraum begrenzender Hohlkörper ausgebildet ist. Das als Hohlkörper ausgebildete Trägerelement kann sonach einen oder mehrere, gegebenenfalls miteinander kommunizierende, Hohlräume begrenzen.

Der wenigstens eine oder ein bestimmter Hohlraum kann von einem Kühlfluid, d.h. einer Kühlflüssigkeit, wie z.B. Wasser, oder einem Kühlgas, wie z.B. gekühltes Kohlendioxid, durchströmbar oder durchströmt sein. Das Trägerelement respektive die auf diesem aufgebrachten Kohlenstoffstrukturen können sonach gut gekühlt werden, was im Hinblick auf bestimmte Betriebsbedingungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zweckmäßig sein kann. Durch eine Kühlung lässt sich insbesondere die so genannte „Engineering Stromdichte“, d.h. die Stromtragfähigkeit bezogen auf den gesamten Querschnitt der Vorrichtung, erhöhen.

Eine konkrete Ausführungsform eines Trägerelements kann z.B. ein flexibles Textilband, ein Seil oder ein Rohr sein. Ganz allgemein gilt, dass die die Leiterelemente der Vorrichtung bildenden Kohlenstoffstrukturen mit elektrischen und/oder thermischen Kontaktelementen kontaktiert sein können. Mithin kann an wenigstens einer Kohlenstoffstruktur wenigstens ein elektrisch und/oder thermisch leitfähiges Kontaktelement zur elektrischen und/oder thermischen Kontaktierung mit wenigstens einem Drittgegenstand angeordnet sein.

In diesem Zusammenhang ist insbesondere auf Klemm- und/oder Presskontakte zu verweisen, wobei gegebenenfalls Zwischenschichten aus elektrisch leitfähigen bzw. thermisch leitfähigen Materialien, wie z.B. Indium(legierungen), vorgesehen sein können. Gleichermaßen kann eine entsprechende Kontaktierung z.B. über elektrisch und/oder thermisch leitfähige Klebe- bzw. Lötverbindungen, Schleifkontakte etc. realisiert sein.

Zweckmäßig ist ein entsprechendes Kontaktelement aus Kohlenstoff bzw. Kohlenstoffverbindungen bzw. auf Kohlenstoff bzw. Kohlenstoffverbindungen basierend gebildet oder umfasst diese. Das Kontaktelement kann sonach z.B. aus Graphit gebildet sein oder Graphit umfassen. Insbesondere ist es denkbar, dass das Kontaktelement diejenigen Kohlenstoffstrukturen, welche auch das Leiterelement bilden bzw. umfasst, umfasst, wobei diese in einer, z.B. aus Graphit gebildeten, Struktur eingebettet sind. Konkret können entsprechende Kohlenstoffstrukturen sonach, etwa im Rahmen eines Sinterprozesses, in einen Graphitblock eingebettet worden sein.

Mit dem Zweck die elektrische bzw. thermische Leitfähigkeit der Kohlenstoffstrukturen und somit der Vorrichtung gezielt zu beeinflussen, kann es vorgesehen sein, dass die nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen mechanisch vorgespannt sind. An den nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen liegt sonach eine bestimmte Zugkraft an, welche in der Regel eine Erhöhung der elektrischen bzw. thermischen Leitfähigkeit bedingt. Die Vorspannung der nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen kann durch Vorspannen dieser vor deren Zusammenfassen zu einem Textil erfolgen, mithin können vorgespannte, nanoskalige Kohlenstoffstrukturen zu einem Textil zusammengefasst sein. Alternativ kann die Vorspannung der nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen erst in dem zu einem Textil zusammengefassten Zustand erfolgen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

18 jeweils eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

1 zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung 1 zum Leiten bzw. Übertragen von elektrischer und/oder thermischer Energie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung 1 kann daher als Kabel oder Leitung zum Leiten von elektrischer Energie, d.h. insbesondere elektrischem Strom, und/oder thermischer Energie, d.h. insbesondere Wärme, vorliegen.

Die Vorrichtung 1 weist ein Leiterelement 2 auf. Das Leiterelement 2 ist aus einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material gebildet. Konkret handelt es sich dabei um nanoskalige Kohlenstoffstrukturen, insbesondere Kohlenstoffnanoröhren. Die nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen sind zu einem Textil zusammengefasst. Bei dem Textil handelt es sich um ein Textilgarn. Das Leiterelement 2 liegt sonach als Textilgarn vor. Das Textilgarn kann zumindest abschnittsweise in sich verdreht („getwistet“) sein.

Denkbar wäre es auch, die nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen zu einem Textil in Form eines Textilbands zusammenzufassen. Das Leiterelement 2 läge in diesem Fall demzufolge als Textilband vor.

Sowohl bezüglich eines entsprechenden Textilgarns als auch bezüglich eines entsprechenden Textilbands gilt, dass dieses bzw. mehrere solcher zu einem, beispielsweise gewebe-, gewirke- oder gestrickartigen, flächigen Textilkörper zusammengefasst sein können. Das Leiterelement 2 könnte demzufolge auch als ein solcher flächiger Textilkörper vorliegen.

Selbstverständlich ist es möglich, dass die Vorrichtung 1 entgegen der in 1 gezeigten Darstellung mehrere, der beschriebenen, d.h. gegebenenfalls auch unterschiedlicher, Leiterelemente 2 aufweist.

2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ersichtlich weist die Vorrichtung 1 hier mehrere, im Wesentlichen parallel ausgerichtete Leiterelemente 2 auf. Die Leiterelemente 2 sind in einer Matrix 3 enthalten und somit unmittelbar in ein Matrixmaterial eingebettet bzw. unmittelbar von einem Matrixmaterial umgeben.

Bei dem Matrixmaterial handelt es sich um ein elektrisch leitfähiges, metallisches Material, d.h. z.B. um Aluminium oder Kupfer. Denkbar ist es jedoch auch, dass es sich bei dem Matrixmaterial um einen, gegebenenfalls mit elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Partikeln, versetzten duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff handelt.

Die Herstellung der in 2 gezeigten Vorrichtung 1 kann beispielsweise über einen Extrusionsprozess, insbesondere über einen Ko-Extrusionsprozess, erfolgen. Gleichermaßen ist es beispielsweise denkbar, die Vorrichtung 1 durch Tauchen oder Tränken der Leiterelemente 2 in dem Matrixmaterial herzustellen.

Bedingt durch die textile Struktur der jeweiligen Leiterelemente 2 ist eine innige und stabile Verbindung dieser mit dem diese umgebenden Matrixmaterial möglich. Die textile Struktur der Leiterelemente 2 trägt sonach der bis dato schwierigen Ausbildung stabiler Verbindungen zwischen Metallen, d.h. insbesondere Aluminium und Kupfer, und einzeln, d. h. nicht als Textil, vorliegenden Kohlenstoffstrukturen Rechnung. Ohne eine entsprechende Verbindung ist der Übergang von elektrischer und/oder thermischer Energie von entsprechenden Kohlenstoffstrukturen auf das Matrixmaterial stark behindert, was die an sich vielversprechenden Möglichkeiten des Einsatzes nanoskaliger Kohlenstoffstrukturen aufhebt.

3 zeigt eine längsgeschnittene Ansicht einer Vorrichtung 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den in den 1, 2 gezeigten Ausführungsbeispielen befinden sich die Leiterelemente 2 hier in einem Aufnahmeraum 4 eines rohr- oder hülsenartigen Aufnahmeelements 5.

Das Aufnahmeelement 5 kann mehrteilig ausgeführt sein. Das Aufnahmeelement kann sonach aus mehreren Aufnahmeelementsegmenten gebildet sein, welche zur Ausbildung des Aufnahmeelements 5 miteinander verbunden werden.

Das grundsätzlich auch als Stützstruktur zu erachtende Aufnahmeelement 5 ist aus einem elektrisch leitfähigen, metallischen Aufnahmeelementmaterial, d.h. z.B. aus Aluminium oder Kupfer, gebildet. Selbstverständlich sind auch in diesem Zusammenhang, z.B. durch Zugabe elektrisch leitfähiger Partikel, elektrisch leitfähig ausgebildete Kunststoffe denkbar.

Die Herstellung der Vorrichtung 1 kann z.B. durch Einbringen der Leiterelemente 2 in den aufnahmeelementseitigen Aufnahmeraum 4 erfolgen.

In diesem Zusammenhang sind gleichermaßen Extrusionsprozesse, d. h. insbesondere Ko-Extrusionsprozesse, denkbar. Fertigungstechnisch kann die Vorrichtung 1 also derart hergestellt werden, dass ein in einem entsprechenden Aufnahmeelement 5 lose eingebrachtes Leiterelement 2 extrudiert wird. Im Rahmen der Extrusion wird, insbesondere durch eine Querschnittsreduzierung, eine Press- bzw. Quetschverbindung ausgebildet, welche das Leiterelement 2 über seine gesamte Länge kraft- und formschlüssig mit dem Aufnahmeelement 5 verbindet.

Durch eine solche Press- oder Quetschverbindung wird ebenso eine kontinuierliche elektrische wie auch thermische Kontaktierung zwischen dem Leiterelement 2 und dem Aufnahmeelement 5, d.h. den den Aufnahmeraum 4 begrenzenden Wänden des Aufnahmeelements 5, hergestellt. Es wird hier also ein kontinuierlicher Kontaktbereich zwischen dem Leiterelement 2 und den den Aufnahmeraum 4 begrenzenden Wänden des Aufnahmeelements 5 ausgebildet.

Die Abmessungen des Aufnahmeelements 5 sind dabei so zu wählen, dass die textile Struktur des Leiterelements 2 im Rahmen der Extrusion nicht beschädigt wird. Das aus den zu einem Textil zusammengefassten Kohlenstoffstrukturen gebildete Leiterelement 2 darf nicht reißen. Gleichermaßen darf dieses nicht so weit gedehnt werden, dass kein für die Leitung von elektrischer und/oder thermischer Energie erforderlicher Querschnitt verbleibt.

Alternativ zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel kann zwischen dem Leiterelement 2 und den den Aufnahmeraum 4 begrenzenden Wänden des Aufnahmeelements 5 auch ein sich senkrecht zu der Längsachse des Leiterelements 2 erstreckender Spaltraum gebildet sein. Der Spaltraum kann zumindest abschnittsweise mit elektrisch bzw. thermisch leitfähigen oder elektrisch bzw. thermisch isolierenden Materialien, d.h. z.B. mit Metallen, Kunststoffen, Keramiken oder Gläsern, gefüllt sein. Denkbar ist es auch, dass in einem solchen Spaltraum ein bestimmter Über- oder Unterdruck angelegt wird. Durch den Spaltraum kann gleichermaßen ein Kühlfluid zur Kühlung des Leiterelements 2 bzw. der Vorrichtung 1 geführt werden.

4 zeigt eine längsgeschnittene Ansicht einer Vorrichtung 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt hier in einem mittigen Bereich der Vorrichtung 1 keine kontinuierliche, sondern eine diskontinuierliche bzw. diskrete elektrische wie auch thermische Kontaktierung zwischen dem Leiterelement 2 und den den Aufnahmeraum 4 begrenzenden Wänden des Aufnahmeelements 5 vor. Mithin besteht hier abschnittsweise ein diskontinuierlicher Kontaktbereich zwischen dem Leiterelement 2 und den den Aufnahmeraum 4 begrenzenden Wänden des Aufnahmeelements 5.

Zur elektrischen wie auch thermischen Kontaktierung des Leiterelements 2 mit dem Aufnahmeelement 5 sind hier stegartige, elektrisch wie auch thermisch leitfähige Kontaktelemente 6 vorgesehen. Die Kontaktelemente 6 sind an bestimmten Positionen der Längsachse des Leiterelements 2 angeordnet und erstrecken sich radial zwischen dem Leiterelement 2 und den den Aufnahmeraum 4 begrenzenden Wänden des Aufnahmeelements 5.

Die Kontaktelemente 6 können aus nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen gebildet sein bzw. solche umfassen. Konkret können entsprechende Kontaktelemente 6 aus röhrenförmigen Kohlenstoffstrukturen welche, etwa im Rahmen eines Sinterprozesses, in einen Graphitblock eingebettet worden sind, gebildet sein. Denkbar ist es auch, entsprechende Kontaktelemente 6 in keramische oder metallische Materialien einzubetten.

5 zeigt eine längsgeschnittene Ansicht einer Vorrichtung 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den in den 3, 4 gezeigten Ausführungsbeispielen und ähnlich dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Leiterelement 2 hier weitgehend freiliegend. Die jeweiligen freien Enden des Leiterelements 2 sind elektrisch wie auch thermisch leitend mit klemmenartigen Kontaktelementen 6, so genannten Klemmkontakten, verbunden.

6 zeigt eine quergeschnittene Ansicht einer Vorrichtung 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Als erster Unterschied zu den in den vorigen Fig. gezeigten Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem Leiterelement 2 hier nicht um einen Textilgarn, sondern um einen flächigen Textilkörper in Form eines Gewebes. Als zweiter Unterschied zu den in den vorigen Fig. gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Leiterelement 2 hier außenumfangsseitig auf einem Trägerelement 7 aufgebracht. Die Aufbringung beinhaltet eine stabile, d.h. vermittels stoffschlüssiger Befestigungstechniken realisierte, Befestigung des Leiterelements 2 auf dem Trägerelement 7. Die Befestigung kann also über eine Klebe- oder Lötverbindung realisiert sein. Dabei werden insbesondere elektrisch wie auch thermisch leitfähige Klebe- bzw. Lötmittel eingesetzt.

Ersichtlich ist das Trägerelement 7 als Hohlkörper ausgebildet, d.h. es begrenzt einen Hohlraum 8. Bedingt durch den runden Querschnitt handelt es sich bei dem Trägerelement 7 sonach um ein Rohr. Der Hohlraum 8 ist von einem Kühlfluid, d. h. einer Kühlflüssigkeit, wie z. B. Wasser, oder einem Kühlgas, wie z.B. gekühltem Kohlendioxid, durchströmt. Das Trägerelement 7 respektive das auf diesem aufgebrachte Leiterelement 2 können sonach gekühlt werden.

7 zeigt eine quergeschnittene Ansicht einer Vorrichtung 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Trägerelement 7 hier massiv ausgeführt, d.h. es begrenzt keinen Hohlraum 8. Bei dem Trägerelement 7 kann es sich sonach z.B. um eine Stange handeln. Denkbar wäre auch eine Ausführung des Trägerelements 7 als flexibles Textilband oder Seil.

Schlussendlich zeigt 8 eine quergeschnittene Ansicht einer Vorrichtung 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Um die Leitung bzw. Übertragung von hohen elektrischen und/oder thermischen Energien bzw. Strömen zu ermöglichen, sind hier mehrere, jeweils in ein entsprechendes Aufnahmeelement 5 eingebrachte Leiterelemente 2 (vgl. das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel) in bezüglich ihrer Längsachse paralleler Ausrichtung in ein Hüllelement 9 eingebracht. Derart ist ein mechanisch hoch stabiler, massiver Leiter mit einer hohen elektrischen wie auch thermischen Tragfähigkeit ausgebildet.

Sofern auf ein entsprechendes Hüllelement 9 verzichtet wird, können entsprechende Leiterelemente 2, z. B. nach Art eines geflochtenen Seils, ineinander verdreht sein.

In beiden Fällen kann ein gewünschter Querschnitt und somit eine gewünschte elektrische wie auch thermische Tragfähigkeit der Vorrichtung 1 durch eine geeignete Anzahl an entsprechenden Leiterelementen 2 realisiert werden.

Anhand von 8 lässt sich sonach zeigen, dass grundsätzlich mehrere der in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 1 zusammengefasst zu einem elektrischen bzw. thermischen Leiter ausgebildet sein können.

Für sämtliche in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiele gilt, dass die nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen mechanisch vorgespannt sein können. An den nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen kann sonach eine Zugkraft anliegen, welche eine Erhöhung der elektrischen bzw. thermischen Leitfähigkeit bedingt. Derart können die elektrischen wie auch die thermischen Eigenschaften der Leiterelemente 2 bzw. der Vorrichtung 1 insgesamt gezielt beeinflusst werden.

Für sämtliche in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiele gelten folgende, mit dem erfindungsgemäßen Prinzip gegebenen Vorteile:
Es lässt sich eine geringere Erwärmung bei gleichem Querschnitt der Vorrichtung 1, d.h. bei gleichem Leiterquerschnitt, realisieren. Entsprechend kann der Leiterquerschnitt bei gleicher verlustleistungsbedingter Erwärmung der Vorrichtung 1 reduziert werden. Eine Reduzierung des Leiterquerschnitts führt ferner grundsätzlich zu erweiterten anwendungsbezogenen „Designfreiheiten“.

Es ergibt sich insgesamt eine verbesserte thermische Leitfähigkeit, was insbesondere auch in einer verbesserten Abführung von Verlustwärme resultiert.

Es ergibt sich insgesamt eine höhere mechanische Belastbarkeit bzw. Stabilität. Derart kann die Vorrichtung 1 ohne Weiteres in mechanisch hoch beanspruchenden Anwendungen, wie z.B. als Oberleitung für Schienenfahrzeuge, eingesetzt werden.

Durch die vergleichsweise geringe Dichte bzw. das vergleichsweise geringe Gewicht entsprechender Kohlenstoffstrukturen sowie den geringen Materialbedarf kann das Gewicht entsprechender Vorrichtungen 1 erheblich reduziert werden. Hieraus ergeben sich insbesondere Vorteile im Hinblick auf Handling und Transport entsprechender Vorrichtungen 1.

Schließlich ist die Verwendung von nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen im Hinblick auf die Umwelt- und Gesundheitsverträglichkeit für Mensch und Tier unbedenklich.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.