DE19621007A1 - Elektrische Leitungsader, Verfahren zu deren Herstellung sowie flexibles elektrisches Kabel - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine elektrische Lei­ tungsader wie sie beispielsweise in mehradrigen, flexiblen elektrischen Kabeln Verwendung finden kann. Die Erfindung betrifft darüberhinaus auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leitungsader und ein flexibles elektrisches Kabel, das zumindest eine solche Ader umfaßt.

Flexible Kabel finden beispielsweise überall dort Verwendung, wo orts­ veränderliche, elektrische Verbraucher mit Energie versorgt werden müssen. Sie werden dabei oft extremen Einsatzbedingungen ausgesetzt; starke Tempe­ raturschwankungen, die Einwirkung von Feuchtigkeit, Öl und Chemikalien sowie eine starke Biegewechselbeanspruchung seien hier nur beispielhaft genannt. Typische flexible Kabel (Leitungen) zeigen folgenden Aufbau:

Eine oder mehrere elektrische Leitungsadern, jeweils bestehend aus ei­ ner Litze und einer diese umhüllenden Aderisolierung, sind, ggf. gemeinsam mit einem parallel verlaufenden Tragorgan (Kernbeilauf) von einem Innenman­ tel umgeben. Auf diesen Innenmantel ist eine Bewehrung aufgebracht, bei­ spielsweise in Form eines Textil-Stützgeflechtes, und nach außen den Ab­ schluß des Kabels bildend schließt sich an diese Bewehrung ein flexibler Außenmantel an.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Leitungsader sowie ein entsprechendes Kabel mit jeweils erhöhter Flexibilität und Halt­ barkeit (Nutzungsdauer) anzugeben. Die Leitungsader bzw. das Kabel sollten dabei vorzugsweise halogenfrei sein und möglichst geringe Biegeradien besitzen. Die elektrischen und die Isolier-Eigenschaften der Leitungsader bzw. des Kabels sollten dabei für einen gegebenen Verwendungszweck mit den Eigenschaften der herkömmlichen elektrischen Leitungsadern bzw. Kabel kon­ kurrenzfähig sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Leitungsader mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie ein entsprechendes elek­ trisches Kabel gelöst.

Die Erfindung beruht dabei auf der überraschenden Erkenntnis, daß es möglich ist, einen elektrischen Leiter mit rauher Außenfläche, typischerwei­ se eine Litze, unter Ausbildung einer Leitungsader so mit einem thermopla­ stischen Kunststoff zu umhüllen, daß die Kunststoffumhüllung einerseits reibschlüssig an den am weitesten außen befindlichen Leiterflächen anliegt, andererseits aber nicht in die außenliegenden Freiräume des Leiters ein­ greift.

Außenliegende Zwickel der Leiterlitze einer typischen erfindungs­ gemäßen Leitungsader werden also beispielsweise von der isolierenden Umhüllung (nachfolgend auch einfach Isolierung genannt) überspannt und nicht ausgefüllt. Die Litze ist deshalb innerhalb der Isolierung in Längsrichtung verschiebbar (beispielsweise bei Biegebeanspruchung), ist jedoch nicht so lose innerhalb der Isolierung angeordnet, daß sie ohne besondere Kraft­ anstrengung aus ihr herausgezogen werden könnte.

Diese besondere Anordnung der Litze bewirkt also insbesondere, daß sie bei Biegebeanspruchung eine kontrollierte Relativbewegung innerhalb der Isolierung durchführen kann. Die Litze wird deshalb beim Biegen nicht unter der Isolierung gestaucht, weshalb die Nutzungsdauer der Ader, die sonst regelmäßig durch den sogenannten Litzenbruch limitiert ist, enorm hoch ist. Die Gleitfähigkeit der Litze innerhalb der Isolierung ermöglicht überdies eine leichte Abisolierung der Ader, was beispielsweise bei der Anbringung elektrischer Garnituren vorteilhaft ist.

Neben diesem mechanischen Effekt tritt bei erfindungsgemäßen Leitungs­ adern noch ein überaus vorteilhafter elektrischer Effekt auf. Dies wurde bei Dielektrizitätsmessungen "an der Ader" bemerkt, bei denen für das thermo­ plastische Isoliermaterial regelmäßig deutlich niedrigere Dielektrizitäts­ zahlen festgestellt wurden als bei separaten Messungen am reinen, unver­ arbeiteten Kunststoff. Dieser Effekt ist natürlich äußerst vorteilhaft, denn bei elektrischen Kabeln sind niedrige effektive Dielektrizitätszahlen der Isolierenden Materialien regelmäßig erwünscht, beispielsweise um Wechsel­ wirkungen zwischen den benachbarten Adern eines mehradrigen Kabels zu unter­ binden. Die Ursachen der Verringerung der effektiven Dielektrizitätszahl sind momentan noch nicht genau bekannt, sie beruhen jedoch möglicherweise auf der Anwesenheit der luftgefüllten Hohlräume in den außenliegenden Zwickeln der umhüllten Litze. Die bei den erfindungsgemäßen Leitungsadern festgestellten effektiven Dielektrizitätszahl-Erniedrigungen führen dazu, daß thermoplastische Kunststoffe mit eigentlich nachteilig hoher Dielek­ trizitätszahl mit Kunststoffen konkurrenzfähig werden, die bereits von Hause aus eine niedrige Dielektrizitätszahl besitzen.

Mit den erfindungsgemäßen Adern lassen sich aufgrund der beschriebenen mechanischen und elektrischen Vorteile erfindungsgemäße Kabel herstellen, die - je nach Einsatzgebiet - einen bis zu 50% reduzierten Leitungsdurch­ messer und ein entsprechend reduziertes Gewicht im Vergleich zu herkömm­ lichen Kabeln mit Isoliermaterialien auf Gummi- und PVC-Basis besitzen. Es ist klar, daß die Reduzierung des Leitungsdurchmessers auch kleinere minimale Biegeradien ermöglicht, was natürlich in vielen praktischen Situationen günstig ist.

Zusammenfassend besitzen die erfindungsgemäßen Adern und Kabel also eine Reihe unerwarteter mechanischer und elektrischer Eigenschaften, die im Ergebnis zu einer beträchtlichen Materialersparnis und zu deutlich erhöhten Nutzungsdauern im Vergleich mit herkömmlichen Adern und Kabeln ansonsten gleicher Leistungsstufe führen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Isolierung aus einem thermo­ plastischen Polyester, vorzugsweise einem modifizierten Polybutylenter­ ephtalat (PBT), besteht. Die Ader besitzt dann eine besondere strukturelle Festigkeit und/oder Elastizität. Beispielsweise läßt sich bereits eine kreisförmig mit einem Außendurchmesser von 0,8 mm und einer Wanddicke von nur 0,15 mm um eine entsprechende Litze extrudierte PBT-Isolierung nur unter erheblichem, in der Praxis nur selten auftretendem Druck zusammenpressen, so daß im Gebrauchszustand praktisch kein äußerer Druck an die Litze wei­ tergegeben wird und somit keine zerstörerische mechanische Belastung der Litze innerhalb der Isolierung auftritt. Selbst beim Walken einer Ader wird also kein nachteiliger Staucheffekt erzeugt. In der nachfolgenden Tabelle sind für einige typische Adern die Aderdurchmesser und die zugehörigen Wanddicken angegeben.

Tabelle

Zweckmäßigerweise wird für die erfindungsgemäße Ader ein flammwidriger und/oder selbstverlöschender Isolier-Kunststoff ausgewählt. Derartige Adern sind besonders für brandgefährdete Bereiche geeignet.

Verfahrenstechnisch ist es besonders günstig, einen thermoplastischen Kunststoff einzusetzen, der einen effektiven Schmelzbereich ΔT 15°C, vorzugsweise 20°C besitzt. Solche Kunststoffe bieten den Vorteil, daß ihr Schmelzbereich ein größeres Temperaturintervall umfaßt als die Temperatur­ schwankungen an der Spritzdüse eines üblichen Extruders mit recht unpräziser Temperatursteuerung. Auch solche Extruder können deshalb in diesem Fall zur Extrusion eingesetzt werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß sich der thermoplastische Kunststoff aufgrund unkontrollierbarer Temperaturschwan­ kungen (zu weit) verflüssigt und dann beispielsweise in die Zwickel einer parallel hinausgeführten Litze eindringt. Ein praktisches Beispiel für einen besonders geeigneten PBT-Kunststoff mit einem effektiven Schmelzbereich ΔT 20°C ist der Kunststoff Vestodur X 4159 der Hüls AG, eine hochviskose teil­ kristalline -Formmasse. Unter dem Begriff "effektiver Schmelzbereich" wird im Rahmen dieser Beschreibung übrigens immer das Temperaturintervall ver­ standen, das nach oben hin durch die Verflüssigungstemperatur und nach unten hin durch den Übergang vom hartelastischen in den plastischen Zustand des jeweiligen Kunststoffs begrenzt wird.

Es soll noch betont werden, daß es sich bei den bevorzugt eingesetzten thermoplastischen Kunststoffen, also z. B. den modifizierten Polybutylen­ terephtalaten, nicht um Kunststoffe mit einem "Rückerinnerungsvermögen" oder "elastischen Formgedächtnis" handelt. Die erfindungsgemäßen Adern sind also mittels eines kontinuierlichen Extrusionsverfahrens ohne nachträgliche Wärmebehandlung erzeugbar und weisen auch auf großer Länge im wesentlichen gleichbleibende mechanische und elektrische Eigenschaften auf. Es ist aber klar, daß prinzipiell auch thermoplastische Kunststoffe mit elastischem Formgedächtnis zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Ader eingesetzt werden können. Es muß hierbei aber der Gefahr entgegengewirkt werden, daß der Kontakt zwischen Isolierung und elektrischem Leiter in Längsrichtung ungleichmäßig wird, also beispielsweise mit kurzem Abstand (im Bereich weniger Meter) alternierend ein zu starker Preßsitz (z. B. mit Eingriff in die Zwickel) und eine zu lose Umhüllung auftreten.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäßen Ader.

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnitt-Teilansicht der erfindungs­ gemäßen Ader aus Fig. 1 im Kontaktbereich zwischen elek­ trischem Leiter und Isolierung.

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch ein typisches Aus­ führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, trommelbaren Ka­ bels.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Leitungsader dargestellt, die in Fig. 1 insgesamt mit 1 bezeichnet ist. Die Ader 1 umfaßt als elektrischen Leiter eine Litze 3, und diese be­ steht aus einer großen Anzahl dünner metallischer Leitungsdrähte 5, die sich quer zur dargestellten Querschnittsebene in Ader-Längsrichtung erstrecken. Das Ensemble von Leitungsdrähten (die Litze) ist enggepackt und in seiner Gesamtheit von annähernd runder Gestalt. Da die Litze aber aus einzelnen Drähten gebildet ist, ist ihre Oberfläche (Außenfläche) nicht glatt, sondern rauh (konturiert); insbesondere besitzt sie zwischen zwei jeweils benach­ barten außenliegenden Leitungsdrähten Zwickel 7.

Die Litze ist von einer schlauchartigen Isolierung aus einer thermo­ plastischen Polyester-Formmasse auf Basis von modifiziertem Polybutylenter­ ephtalat (PBT) ummantelt. Als Formmasse besonders bewährt hat sich das Pro­ dukt Vestodur X4159 der Hüls AG. Die Innenoberfläche der Isolierung steht - bezogen auf die Längsrichtung der Ader - im wesentlichen kontinuierlich mit den lokal außenliegenden Flächenabschnitten der die äußerste Lage der Litze bildenden Leitungsdrähte im Reib- oder Rutscheingriff. Wie sich am besten aus der Fig. 2 ersehen läßt, werden die weiter innen liegenden konturbilden­ den Flächenabschnitte der zugehörigen Zwickel 7 stramm von der Isolierung überspannt, wobei sich Hohlräume bilden, die den Zwickeln im wesentlichen entsprechen.

Einerseits besteht also eine gute Haftung zwischen Litze und Isolie­ rung, andererseits werden die Zwickel 7 nicht durch die Isolierungs-Form­ masse ausgefüllt. Die Leitungsader 1 läßt sich deshalb besonders leicht abisolieren, aber dies ist nicht der einzige Vorteil. Die strukturelle Eigenschaft der Ader erlaubt es nämlich auch, daß sich Litze 3 und Isolie­ rung 9 In Längsrichtung bei einer Biegebeanspruchung relativ zueinander verschieben. Dies ist insbesondere wichtig, wenn man die Ader mit geringem Krümmungsradius aufwickeln oder auftrommeln will. Es kommt dann nämlich vorteilhafterweise nicht zu einer Stauchung der Litze unter der Isolierung, die ursprünglich vorzugsweise weichgeglühten Leitungsdrähte erhärten nicht, und es kommt somit nicht zu einem Brechen der außenliegenden Einzeldrähte mit anschließendem Litzenbruch. In der Praxis kommt deshalb ein unerwünsch­ ter Ausfall der erfindungsgemäßen Ader nur äußerst selten vor.

Im Vergleich zu konventionellen Isolierungen ist die in Fig. 1 und 2 dargestellte Isolierung der dargestellten erfindungsgemäßen Ader 1 besonders dünnwandig. Damit ist eine Materialeinsparung bis zu 50% möglich, ohne daß dabei die Aderqualität im Vergleich mit herkömmlichen Adern reduziert wäre, die um eine baugleiche Litze herum eine herkömmliche PVC- oder Gummiisolie­ rung tragen.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Adern geschieht vorzugsweise durch eine porenfreie Extrusion im Schlauchverfahren. Die Aderisolierung erhält dadurch eine hohe strukturelle Festigkeit, bleibt aber elastisch und gegen Schlageinwirkung und Biegeermüdungen beständig. Die hohe Zugfestigkeit der bevorzugt eingesetzten Polybutylenterephtalat-Formmassen (neben Vestodur X4159 hat sich auch Vestodur X7292 hervorragend bewährt) gewährleistet zu­ sätzlich, daß eine während des Einsatzes ggf. auftretende Zugbelastung von der Aderisolierung und nicht von der Litze aufgenommen wird. Die hohe Druckbeständigkelt der bevorzugt eingesetzten Materialien bewirkt, daß die Aderisolierung auch bei vergleichsweise hohen Drücken noch rund bleibt und verhindert so, daß beim Walken einer Ader ein zusätzlicher Reib- oder Staucheffekt der Litze auftritt. Die herkömmlichen Isoliermaterialien wie Gummi, PVC oder PE besitzen im Vergleich hierzu erheblich schlechtere Zugfestigkeiten und Druckbeständigkelt.

Überdies haben sich bei Messungen an erfindungsgemäßen Adern des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Typs außergewöhnlich geringe effektive Dielektrizitätszahlen ER messen lassen. Diese niedrigen Dielektrizitäts­ zahlen sind keine reine Stoffeigenschaft der Isolierungs-Formmasse - daher der Zusatz "effektiv" -, sondern sie ergeben sich erst durch die erfindungs­ gemäße Art der Litzenummantelung. Wahrscheinlich sind es die (überspannten) luftgefüllten Zwickel-Hohlräume, die beispielsweise für Vestodur X4159, dessen Dielektrizitätszahl vom Hersteller mit 4 angegeben wird, zu einer Erniedrigung der effektiven Dielektrizitätszahl an der Ader auf ca. 2,6-2,8 führen. Damit ist diese effektive Dielektrizitätszahl mit der von unver­ arbeitetem Polyethylen (PE) vergleichbar.

Der in Fig. 3 dargestellte Querschnitt eines erfindungsgemäßen trommelbaren Kabels 20 besitzt ein mittig angeordnetes Tragorgan, das von insgesamt sieben erfindungsgemäßen Leitungsadern 21 umringt ist. Um die Anordnung aus Tragorgan und Adern herum verläuft ein vierlagiger Mantel. Die innenliegende Lage des Mantels besteht aus einer Polyester-Gleitfolie 24, die ein Gleiten der Adern 21 innerhalb des Mantels ermöglicht. Nach außen hin schließt sich an diese Gleitfolie ein Innenmantel 26 aus Polyurethan an, der vor allem bei höheren Nennspannungen zweckmäßig ist. Bei der nach außen hin nächsten Lage handelt es sich um ein Textil-Stützgeflecht 28, das für eine hohe Querstabilität (Verdrehungsfestigkeit) des Kabels 20 sorgt. Zu­ äußerst befindet sich schließlich ein Außenmantel 30 aus Polyurethan. Das in Fig. 3 dargestellte Kabel ist somit halogenfrei.

Die Adern 21 sind in Längsrichtung des Kabels 20 mit kurzer Schlag­ länge um das vorzugsweise textile Tragorgan 22 verseilt. In den großvolumi­ gen Zwickeln zwischen den Adern können sich bei Bedarf Polyesterfüllfäden befinden (nicht dargestellt). Das Stützgeflecht besteht vorzugsweise aus Kunstseide.

Die Litzen innerhalb der Adern 21 können in der Praxis beispielsweise feinstdrähtig mit Querschnittsflächen von 1,5 mm²-35 mm² oder feindrähtig mit Querschnittsflächen von 60 mm²-120 mm² sein. Gegenüber den bisher eingesetzten trommelbaren Kabeln läßt sich dann bei vergleichbaren elek­ trischen Eigenschaften eine Reduzierung des Leitungsdurchmessers um bis zu 50% erreichen, wobei sich natürlich auch kleinere Biegeradien ergeben. Eine Gewichtsreduzierung von bis zu 50% ist möglich.

Das in Fig. 3 dargestellte Kabel läßt sich selbstverständlich auf vielerlei Weise variieren. Wesentlich für seine Eigenschaften ist jedoch in jedem Fall die Verwendung von einer oder mehreren erfindungsgemäßen Adern.

Es wurde bereits erwähnt, daß erfindungsgemäße Adern vorzugsweise im Schlauchverfahren hergestellt werden. Dabei werden die zweckmäßigerweise zumindest annähernd auf Formenmasse-Temperatur vorgewärmten Litzen (vgl. 3, Fig. 1) oder sonstigen Leiter (Seile etc.) durch eine zentrale Bohrung in der Pinole des Extruders zugeführt. Für die extrudierte, bereits recht zähe Isolierungs-Formmasse wird ein kurzer Kegel eingestellt, und sie legt sich bei dieser Einstellung wie zuvor beschrieben eng an die Litze an.

Claims (9)

1. Leitungsader, umfassend einen elektrischen Leiter (3) mit rauher Außen­ fläche und eine schlauchartige Isolierung (9) aus einem thermoplastischem Kunststoff, wobei die Innenoberfläche (11) der Isolierung (9) im wesentlichen kontinuierlich mit lokal außenliegenden Flächenabschnitten des Leiters (3) im Reib- oder Rutscheingriff steht und weiter innen liegende Außenflächenab­ schnitte des Leiters (3) unter Ausbildung von Hohlräumen überspannt.

2. Ader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter eine Litze aus dünnen metallischen Leitungsdrähten (5) umfaßt und die Isolierung (9) nicht wesentlich in die Zwickel (7) der Litze eingreift.

3. Ader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung (9) aus einem thermoplastischen Polyester besteht.

4. Ader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyester ein modifiziertes Polybutylenterephtalat umfaßt.

5. Ader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff flammwidrig und/oder selbstverlöschend ist.

6. Ader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff einen effektiven Schmelzbereich ΔT 15°C, vorzugsweise 20°C besitzt.

7. Ader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch ein kontinuierliches Extrusionsverfahren ohne nachträgliche Wärmebehandlung erzeugbar ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Ader nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß ein thermoplastischer Kunststoff im Schlauch­ verfahren um den Leiter herum extrudiert und anschließend unterhalb seiner Fließtemperatur in Anlage an diesen gebracht wird.

9. Elektrisches Kabel, umfassend zumindest eine Ader nach einem der An­ sprüche 1-7 sowie einen Kabelinnenmantel und/oder einen Kabelaußenmantel aus Polyurethan.