Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines elektrischen Kabels
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kabels sowie eine Vorrichtung zur Durch.
führung des Verfahrens.
Es ist bekannt, Kabel herzustellen, indem ein Mittelleiter, beispielsweise aus Kupferlitze, mit einer elektrostatischen Abschirmung wird aus Halbleitermaterial hergestellt und bildet eine gleichmässige Oberfläche, die, wenn eine Hochspannung auf den Leiter gegeben wird, eine Korona-Entladung von der relativ rauhen Oberfläche des Leiters verhindert. Eine weitere Aufgabe der aus einem Halbleiter bestehenden, elektrostatischen Abschirmung besteht darin, eine gleichmässige Oberfläche des Leiters im Innern der Isolationsschicht herzustellen, um die innere Oberfläche der Isolierschicht auf konstantem Potential zu halten. Diese zwei Massnahmen reduzieren die elektrische Erosion der Isolationsschicht, welche aus einem Polymer mit einer hohen Durchschlagfestigkeit besteht, auf ein Minimum.
Als letzter Schritt kann über das isolierte Kabel ein Mantel aus einer Polyvinyl-Chlorid-Verbindung aufgebracht werden, wobei dieser Mantel wasserabstossend ist und Schutz gegen mechanische Beschädigungen bietet. Zwischen dem.
Mantel und den Isolationsschichten ist üblicherweise ein Massekabel angeordnet, welches das Äussere der Isolationsschicht und die innere Oberfläche des Mantels auf einem gemeinsamen Potential hält. Durch die aus einem Halbleiter bestehende Abschirmung und durch die Anordnung des Massekabels sind die elektrischen Belastungen entlang der Isolationsschicht gleichmässig, wodurch die Möglichkeit von Isolationsschäden, welche durch elektrische Fehler auftreten, reduziert wird.
Bei dieser bisher üblichen Herstellung von Kabeln wurden die verschiedenen konzentrischen Schichten in separaten Verfahrensschritten aufgebracht, also nicht in einem kontinuierlichen Arbeitsgang. Diese Methode hat sich als unwirtschaftlich erwiesen, da durch das separate Aufbewahren und Zu- und Wegführen des Kabels während den verschiedenen Stufen des Prozesses die inneren Teile des Kabels beschädigt werden können. Ferner mussten verschiedene Vorrichtungen, da sie in verschiedenen Verfahrensschritten benutzt werden, mehrfach vorhanden sein.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, die ein kontinuierliches Herstellen eines solchen Kabels ermöglichen und damit viele der Nachteile von bekannten Verfahren und Vorrichtungen dieser Art vermeiden. Gleichzeitig sollen sich das Verfahren und die Vorrichtung zum Aufbringen einer Isolationsschicht und zum Kühlen des Kabels nach diesem Arbeitsgang eignen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die mit vulkanisierbarem Material beschichtete Kabelseele einer lokalen Wärme- und Druckbehandlung und in dem Gebiet der Wärme- und Druckbehandlung einem unter diesen Bedingungen nicht kondensierenden Gas ausgesetzt wird, welches die aufgebrachte Schicht unter den auftretenden Druckbedingungen nicht angreift, und dass das Gas mindestens auf eine Temperatur erhitzt wird, welche zum Vulkanisieren der Schicht ausreicht.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Seitenansicht einer zur kontinuierlichen Herstellung von Kabeln benutzten Vorrichtung;
Fig. 2 die schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Heizen und Kühlen während des Herstellungsprozesses;
Fig. 3 den vergrösserten Querschnitt durch ein nach dem beschriebenen Verfahren hergestelltes Kabel;
Fig. 4 ein vergrösserter Schnitt gemäss der Linie 4-4 aus Fig. 2;
Fig. 5 ein Schnitt entlang der Linie 5-5 gemäss Fig. 4; Fig. 6 ein vergrösserter Schnitt entlang der Linie 6-6 gemäss Fig. 2; und
Fig. 7 die Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Die Anordnung gemäss den Fig. 1 und 2 umfasst Extruderköpfe 9 und 10, welche an sich bekannt sind und welche mit nicht dargestellten, bekannten Extrudern verbunden sind. Dem Extruderkopf 9 wird eine Kabelseele 12 kontinuierlich zugeführt und dort mit einer dünnen Isolierschicht 11 aus einem Halbleiter-Thermoplast versehen, wobei sich die Schicht nach Zugabe eines geeigneten Vulkanisiermittels unter Wärmeeinwirkung bildet. Eine geeignete Zusammensetzung für die Isolierschicht 11 besteht aus 31 Teilen Kohlenstoff und 69 Teilen Äthylen-Propylen (Dienmonomer > Tri- polymer, wobei das Dienmonomer 1,4 Hexadien enthält. Die Dicke der Schicht 11 beträgt maximal etwa 0,13 mm.
Ihre Hauptaufgabe besteht darin, die innere Oberfläche der Isolationsschicht mit einer Halbleiterschicht zu versehen, so dass keine Gebiete mit einer starken elektrischen Beanspruchung zwischen dem Leiter und der Isolationsschicht entstehen können, welche eine Ionisation hervorrufen können. Der Vorteil der angegebenen Zusammensetzung für die Schicht 11 besteht darin, dass die Verbindung selbst von Vulkanisationsstoffen frei ist, wodurch Temperaturen von mindestens 221 0C am Extruderkopf auftreten können und die Viskosität des verwendeten Materials so stark herabgesetzt werden kann, dass sich die dünnen Schichten ohne Fehler herstellen lassen.
Als nächstes wird die Kabelseele 12 dem Extruderkopf 10 zugführt, wo das Kabel mit einer aus einem Polymer bestehenden Isolationsschicht 13 versehen wird, die innerhalb des Extruderkopfes Eigenschaften eines Thermoplastes aufweist, durch Anwendung von Wärme jedoch irreversibel ausgehärtet werden kann. Die Kabelseele 12, die dünne Schicht 11 und die Isolationsschicht 13 bilden das Kabel 14.
Es sind eine Reihe geeigneter Polymere mit hohem Isolationswiderstand zur Bildung der Isolationsschicht 13 bekannt, wie beispielsweise natürliche und synthetische Gummis und Polyäthylen mit geeigneten und bekannten Zusätzen von Vulkanisiermaterialien. Während des Herstellens der Iso lationsschicht 13 wird dabei das Vulkanisiermaterial zu einem Teil in die dünne Schicht 11 diffundieren.
Um die notwendige Wärme zum Vulkanisieren der Schichten 11 und 13 aufzubringen, kann die Kabelseele 12 durch ohmsche oder induktive Wärmequellen aufgeheizt werden, und zwar, entweder vor oder nach Durchlaufen des Extruderkopfes 9 und bevor sie dem Extruderkopf 10 zugeführt wird, so dass die in der Kabelseele enthaltene Wärme den nachfolgenden Härteprozess unterstützt.
Der Extruderkopf 10 führt das mit einem Polymer überzogene Kabel direkt in eine-Härte- oder Vulkanisierröhre 15, in welcher Stickstoff 16 enthalten ist, der mit Überdruck aus einer Gruppe von Stickstoffflaschen 17 zugeführt wird.
Der Druck innerhalb der Härte- oder Vulkanisierröhre 15 wird beispielsweise durch ein Reduzierventil 18 gesteuert, derart, dass auf das Kabel 14 ein Druck ausgeübt wird, der das Entstehen von Porositäten oder Blasen sowie anderer Unregelmässigkeiten innerhalb der Schicht 13 verhindert. Es hat sich herausgestellt, dass bei einem Druck von etwa 70 bis 300 psi der gewünschte Effekt eintritt, während bei höheren Drücken die Wände der Röhre 15 dicker ausgeführt sein müssen und die Röhren besondere Endabschlüsse aufweisen müssen. Bei den angegebenen Werten bleibt jedoch der einmal in die Röhre 15 eingeführte Stickstoff 16 im wesentlichen erhalten, da nur äusserst geringfügige Leckstellen vor handen sind.
Die Aufgabe des Stickstoffs 16 besteht darin, die Wärme durch Konvektion dem Kabel 14 zuzuführen sowie auf die erzeugten Schichten 11 und 13 einen Druck auszuüben. Da der Wärmeübergang im wesentlichen radial erfolgt, ist es nicht notwendig, dass der Stickstoff entlang der Achse der Röhre 15 bewegt wird, obwohl natürlich ein gewisses Mass einer solchen Zirkulationsbewegung unvermeidlich ist, welche durch den Vorschub der Kabelseele 12 hervorgerufen wird. Der Stickstoff 16 bleibt im wesentlichen in der Röhre enthalten, da, wie später beschrieben, die Ausflussmöglichkei ten auf ein Minimum reduziert sind. Durch diese Massnahmen tritt der wesentliche Effekt auf, dass der Wärmeübergang an den Enden der Röhre 15 stark reduziert ist, wodurch sich Gebiete im Gas mit weniger hoher Temperatur bilden, welche als Wärmeisolation dienen.
Dampfgefüllte Röhren können beispielsweise eine solche Wirkung nicht aufweisen, da der Dampf an jeder kälteren Oberfläche kondensiert und weiterer Dampf das Kondensat sofort ersetzt.
Gemäss Fig. 1 ist die Röhre 15 längs einer Kettenlinie verlaufend ausgeführt, wobei der höchste Punkt am Extruderkopf 10. und der tiefste Punkt im Gebiet 19 angeordnet ist. Diese Kettenlinienkonstruktion ist gewählt worden, um den -Durchhang des von dem Extruderkopf 10 kommenden Kabels zu beherrschen. Durch diese Konstruktion berühren das Kabel 14 und seine Isolationsschicht 13 an keiner Stelle die Wand der Röhre 15. Mit Hilfe eines Capstan-Getriebes 21 wird das Kabel 14 so gespannt, dass eine konstante Krümmung desselben erreicht wird. Die Kabelseele 12 wird in die Extruderköpfe 9 und 10 mit konstanter Geschwindigkeit durch eine weitere, nicht dargestellte, Capstan Kupplung eingeführt.
Durch die Führung des Kabels 14 in dieser Kettenlinie ist das untere Ende 23 der Röhre 15 sowie jede weitere Röhre oder Bearbeitungskammer von der Oberfläche des Kabels durch einen freien Raum 24 getrennt. Am Ende der Kettenlinie weist jedoch das Röhrenteil 26 einen Boden 27 auf, der um den freien Raum 24 gegenüber dem Boden 23 angehoben ist An dieser Stelle ist jedoch die Isolationsschicht 13 bereits abgekühlt, so dass das Kabel auf dem Boden 27 aufliegen kann und dadurch ein Auflagepunkt für das Kabel gebildet wird.
Der Stickstoff 16 innerhalb der Röhre 15 wird durch Heissluft und durch in einem Ofen 18 verbrennende Gase aufgeheizt. Die heissen Gase strömen durch die Teile 29a, 29b und 29c, welche einen Mantel um die Röhre 15 bilden.
Die heisse Luft wird dem Mantel über einen Krümmer 31, der durch einen Lüfter 32 betrieben wird, zugeführt und dem Ofen 28 über einen weiteren Krümmer 33 rückgeführt.
Ferner kann eine Temperaturabtast- und Steuereinheit 35 vorgesehen sein, welche auf ein Lüftungsloch 35a einwirkt und die Temperatur der rückströmenden Gase steuert.
Die äusseren Oberflächen der Mantelteile sowie der Krümmer sind mit starken, nicht dargestellten Isolationsschichten versehen. Es können daher der Anordnung sehr hohe Temperaturen, die nur durch die Baumaterialien der Röhre begrenzt sind, zugeführt werden, ohne dass der Innendruck des Stickstoffs 16 erhöht wird, wobei der Stickstoff durch ein Prüfventil 34 abgelassen werden kann, wenn dies erwünscht ist. Es ist besonders vorteilhaft, insbesondere bei hohen Temperaturen, ein inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff, zu verwenden, um die Wärme der Isolationsschicht 13 zuzuführen, da die Zufuhr von Luft bei hohen Temperaturen einen Oxydationseffekt des Polymers hervorrufen würde. Es ist jedoch einfacher, ein freies Gas, wie beispielsweise Luft, durch den Ofen 28 und die Krümmer 31, 33 zirkulieren zu lassen, wobei diese Systeme dann nicht in besonderer Weise abgedichtet werden müssen.
Ferner unterstützt auch diese Massnahme die sparsame Verwendung von Stickstoff, der wie bereits erwähnt, im wesentlichen innerhalb des Systems erhalten bleibt.
Eine wesentliche Verbesserung der Anordnung wird durch die Anordnung zur Wärmeübertragung zwischen der geheizten Röhre 15 und einer Kühlkammer 36 erreicht, durch welche gekühltes Wasser mit hoher Geschwindigkeit geleitet wird. Fig. 4 zeigt diese Anordnung in einem grösseren Massstab. Dort ist die Röhre 15 mit einem Flansch 37 an einen mit einem Flansch versehenen Zylinder 38 angesetzt, der an einen grösseren Sammelbehälter 39 angeschweisst ist. Ähnlich ist eine Röhre 40 mit Hilfe eines Flansches 41 an einem mit einem Flansch versehenen Zylinder 42 angesetzt, der an der anderen Seite des Sammelbehälters 39 angeschweisst ist.
Ausgehend von einer Eingangswand 43 ist ein Zylinder 44 angeschweisst, welcher in das Innere des Sammelbehälters 39 geführt ist und an dem eine Abdeckplatte 46 befe stigt ist. Ebenso ist von einer Ausgangswand 47 des Sammelbehälters 39 ausgehend ein Zylinder 48 angeschweisst, der eine Abdeckplatte 49 enthält. Die Abdeckplatten 46 und 49 dienen zusammen mit den Wänden 43 und 47 zur Halterung von Prallplatten 51a, 51b, 51c und 52a, 52b, 52c und 52d innerhalb der entsprechenden Zylinder 44 und 48. Die Platten 51a-51c und 52a-52d haben vertikale Seitenflächen 57, 58 gemäss Fig. 5, derart, dass sie an einer Rotation durch Führungsplatten 59a und 59b sowie 61a und einer nicht gezeigten gegenüberliegenden Führungsplatte gehindert sind.
Zylinder 48, Röhre 40, Röhrenteil 26 und der Sammelbehälter 39 bilden gemeinsam die oben erwähnte Kühlkammer 36, durch welche gekühltes Wasser geleitet wird.
Das Wasser wird der Kühlkammer 36 in Richtung des eingeführten Kabels über ein Rohr 53 gemäss Fig. 2 zugeführt und über ein Rohr 54 abgeführt, wobei dieses Rohr an einem Punkt 56 zwischen den mittleren Prallplatten 51c und 52a eingesetzt ist. Das Rohr 54 sowie der Sammelbehälter 39 stellen einen Sammelraum für das Kühlwasser dar, damit dieses die Röhre 15 nicht erreicht. Der Eintritt von Wasser in die Röhre 15 ist ausserdem durch die Prallplatten 52a-d verhindert, wobei diese Platten elliptische Öffnungen 56a-d aufweisen, welche gross genug sind, um sie mit der Isolationsschicht 13 nicht in Kontakt zu bringen, welche aber klein genug sind, um Wasser am Einströmen in die Röhre 15 zu hindern.
Die Form der Kettenlinie, die von dem Kabel beschrieben wird, wird in bekannter Weise durch ständige Steuerung und Variation der Spannung über die Capstan Kupplung 21 auf Grund einer Abtastvorrichtung innerhalb der Röhre 15 eingestellt. Diese Vorrichtung ist in den Zeichnungen nicht dargestellt, da sie als bekannt vorausgesetzt wird. Die Öffnungen 56a-d sind vertikal verlängert, um das Anheben der Kette zu ermöglichen, ohne dass das Kabel mit den Prallplatten in Kontakt kommt. Das Auslassrohr 54 ist gross genug, um einen natürlichen Abfluss des Wassers aus dem Sammelbehälter 39 vorzusehen, wobei das Wasser ausreicht, um selbst den grösstmöglichen Kabelquerschnitt ausreichend kühlen zu können.
Die Röhre 54 endet in einem Speichertank 62, der durch eine Verbindung 63 zur Stickstoffleitung auf dem notwendigen Druck gehalten wird. Der Tank 62 weist eine Vorrichtung auf, durch welche Stickstoff, der mit dem Wasser vermischt ist, in dem oberen Teil des Tanks ausgeschieden werden kann und in die Kammer 39 zurückkehren kann. Der Wasserstand innerhalb des Tanks 62 wird durch eine Pumpe 66 aufrecht erhalten, die an eine nicht dargestellte Quelle angeschlossen ist und deren Tätigkeit durch nicht dargestellte Vorrichtungen gesteuert wird, welche den Wasserstand im Tank 62 abtasten.
Das vom Tank 62 kommende Wasser wird durch eine weitere Pumpe 68 mit hoher Geschwindigkeit durch das Kühlsystem 67 in den Röhrenteil 26 und durch eine Gruppe von Druckdichtungen 71 gedrückt (Fig. 4 > . Das Wasser füllt den Röhrenteil 26, wodurch in diesem Teil die Kühlung des Kabels erreicht wird.
Am Ausgangsteil des Röhrenteils 26 können konventionelle Dichtungen verwendet werden, da die Isolationsschicht durch die Wirkung des Kühlwassers kalt und fest geworden ist. Ein Röhrenstück 72, das die Dichtungen 71 enthält, ist jedoch abgesetzt, so dass sein Boden 73 tiefer liegt als der Boden 27, so dass das auf dem Boden 27 liegende Kabel in die Mitte der Dichtungen 71 eingeführt wird.
Die Pumpe 68 wird kontinuierlich betrieben, um das Kühlwasser durch den Röhrenteil, den Sammelbehälter 39 und von dort in den Tank 62 zu befördern. Die parallel liegende Röhre 74 sowie das automatische Ventil 76 lassen überschüssiges Wasser durchströmen, wenn dieses nicht zum Kühlen der Kältekammer 36 benötigt wird. Eine automatische Steuerung des Ventils 76 und eines Ventils 77 in einer Röhre 53, welche am Verbindungspunkt 69 mit dem Röhrenteil 26 verbunden sind, wird wie folgt erreicht:
In der in Laufrichtung des Kabels hinter dem Sammelbehälter 39 angeordneten Röhre 40 ist ein Schwimmer 81 angeordnet, dessen Spitze über eine entsprechende Verbindung an die Spitze des Tanks 62 angeschlossen ist, so dass ein hoher Stickstoffdruck, dessen Wert dem Stickstoffsystem entspricht, oberhalb des Wasserspiegels vorhanden ist.
Im Schwimmer 81 ist ein Abtaster 79 angeordnet, der den Wasserstand im Verhältnis zum Gasdruck aufnimmt. Der Abtaster 79 beeinflusst die Ventile 76 und 77 und regelt durch diese Massnahme den Kühlmittelzufluss in Jen Rohrbereich 26, wodurch die vorbestimmte Wasserstandhöhe im Schwimmer 81 aufrecht erhalten wird. Mit Ausnahme des oberen Endes des Sammelbehälters 39 ist die Kammer 36 vollstständig mit Kühlmittel gefüllt, das aus schnell beweg tem Wasser besteht, welches über das Rohr 53 eingeführt und über das Rohr 54 abgeführt wird. Der Druck des Wassers in dem Rohrbereich 28 und im Sammelbehälter 39 ist daher höher als der Stickstoffdruck, und zwar um einen Faktor, der durch den Kopf des Schwimmers 81 bestimmt wird.
Dieser Überdruck genügt in Verbindung mit den Prallplatten 51a-c, um Stickstoff am Abfliessen aus dem Samrnelbehälter 39 zu hindern. Der Schwimmer 81 nimmt ferner Druckschwingungen des Wasserdrucks wahr und unterstützt daher die Prallplatten 52a-c, um den Überlauf von Wasser in das Rohr 15 zu verhindern. Es ist wichtig zu bemerken, dass bekannte Systeme, welche Dampf zum Vulkanisieren benutzen und in denen das den Dampf kühlende Wasser vorhanden ist, eine Vulkanisierröhre von unbestimmter Länge verwenden, da ständig Wasser in die mit Dampf gefüllte Röhre einströmt. Dieser Fehler wird durch die vorliegende Anordnung vermieden.
Mit Ausnahme kleiner Mengen von Stickstoff, welche in Wasser gelöst sind und daher die Dichtungen 71 durchdringen, gibt es im wesentlichen keinen Stickstoffverlust, wodurch die Menge des Stickstoffs im wesentlichen konstant bleibt und die Kosten dieses Gases nur die Auffüllung bei Inbetriebnahme der Anordnung betreffen. Der Stickstoff sorgt für den nötigen Druck auf die Isolationsschicht 13 während des Aushärtens und des Kühlens und für die Übertragung von Wärme mit Hilfe der zirkulierenden Heissluft. Ein Wärmeübergang von Stickstoff auf das Kühlwasser wird dadurch reduziert, dass ein Kontakt zwischen dem Stickstoff und dem Wasser auf die Bereiche des Sammelbehälters 39 beschränkt ist, da das Wasser so schnell durch sein eigenes Gewicht abfliesst, dass es nicht bis oberhalb der Prallplatten 52a-d gelangen kann.
Der Stickstoff in dem Sammelbehälter 39 wird schnell abgekühlt, und er dient als Wärmeisolator zwischen dem Wasser und dem heisseren Stickstoffteil. Der Unterschied zwischen der beschriebenen Anordnung und einer bekannten, mit Dampf arbeitenden, besteht in der möglichst guten Ausnutzung der Kühlwirkung des Wassers, denn bei Ersetzen des Stickstoffs durch Dampf würde nicht nur die Wärmeisolationswirkung des gekühlten Stickstoffs verloren gehen, sondern es würden auch die Verdampfungswärme und die Wärme des vom Dampf kondensierten Wassers zur Kühlfläche addiert werden müssen.
Mit der beschriebenen Vorrichtung wurde die Länge der Kältekammer 36 um ein Drittel kürzer gegenüber bekannten Dampfvulkanisieranordnungen ausgelegt
Die Kombination von Sammelbehälter und Prallplatten an der Nahtstelle zwischen dem Heiz- und dem Kühlsystem lässt sich auch in dampfbetriebenen Anordnungen, und zwar entweder mit Normaldampf oder überhitztem Dampf, anstelle von Stickstoff, verwenden. In einem solchen Dampfsystem ist es zweckmässig, in der Röhre 54 eine Pumpenanordnung vorzusehen, um eine geringe Dampfmenge zusammen mit dem Wasser zu entziehen.
Nach Passieren der Dichtungen 71 wird das jetzt isolierte Kabel zunächst getrocknet, beispielsweise in einer schwammartigen Anordnung, wie sie im US-Patent 3386120 beschrieben ist. Danach wird es direkt in einen Mantel-Extruderkopf 82 geführt, in dem der Herstellungsprozess abgeschlossen wird. Die Behandlungsgeschwindigkeit innerhalb des Mantel-Extruderkopfes 82 ist im wesentlichen durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit welcher die Vulkanisation und das Abkühlen des Kabels zuvor stattfinden. In Fig. 6 ist der Kopf 83 der Anordnung 82 gezeigt, der einen Halbleiter-Polymerüberzug 84 aufbringt, in den achsial angeordnete Massedrähte eingebettet sind. Durch dieses Herstellungsverfahren werden die Massedrähte während des Extrudierens mit der Herstellungsgeschwindigkeit eingegeben, wodurch die Drähte sicher in das Halbleitermantel eingebettet werden.
Nach Verlassen des Kopfes 83 passiert das Kabel eine Anordnung 85, die allein aus einer Kühlvorrichtung bestehen kann, oder, wenn Vulkanisieren und Kühlen erforderlich ist, der zuvor beschriebenen Anordnung entsprechen kann.
Gemäss einem weiteren, anhand von Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Aufbringen des Mantels unmittelbar nach dem Aufbringen der Isolationsschicht vorgenommen. Es sind daher Extruderköpfe 9, 10 und 83 vorgesehen, wobei der letzte dicht mit der Vulkanisierröhre 15 abge- schlossen ist. Obwohl die Extruderköpfe in separater Darstellung gezeigt sind, kann ein einziger Mehrfachkopf verwendet werden. Vor dem Aufbringen der Isolatiosschicht kann die Kabelseele, wenn getrennte Köpfe verwendet werden, durch nicht gezeigte elektrische Induktionsvorrichtungen aufgeheizt werden, um die Eigenwärme der Kabelseele zu Unterstützung des Vulkanisiervorganges und der in der Röhre 15' zugeführten Wärme heranzuziehen. Die Röhre 15' ist ähnlich der zuvor beschriebenen Röhre 15. Sie ist mit einer der Kammer 36 ähnlichen Kühlkammer verbunden.
Besonders vorteilhaft in den beschriebenen Herstellungsverfahren ist die Einbeziehung des Herstellungsvorganges für den Mantel in den gesamten Herstellungsprozess für das Kabel. Beispielsweise wird in dem zuerst anhand der Fig.
1-6 beschriebenen Ausführungsbeispiel, in dem der Mantel nach dem Vulkanisieren und dem Kühlen der Isolationsschicht aufgebracht wird, durch den fortlaufenden Prozess eine sehr gute Haftung des Mantels auf der Isolationsschicht erreicht. Ein Grund für diese Tatsache besteht darin, dass die Isolation vollkommen frei von Wärmeausdehnungen oder Formänderungen sowie von Beschädigungen ist, welche während des Speicherns und Transportierens des isolierten Kabels vor einem erst späteren Aufbringen des Mantels auftreten können. In einem Verfahren, in dem die Herstel-' lung des Mantels einen Vulkanisationsschritt benötigt, kann die Verbindung zwischen dem Mantel und der Isolationsschicht weiter verbessert werden, indem die Isolationsschicht nur vorgehärtet wird und das endgültige Härten während des Vulkanisiervorganges für den Mantel vorgenommen wird.
Ein weiterer, nicht sofort ersichtlicher Vorteil besteht darin, dass die Metallseele des Kabels für eine längere Zeitspanne der relativ hohen Temperatur in der Vulkanisationsröhre 15 ausgesetzt ist. Wöhrend des Vulkanisiervorganges für die Isolationsschicht wird die Metallseele auf eine sehr hohe Temperatur gebracht, so dass selbst nach Durchlaufen des Kabels durch die Kühlkammer 36 eine Temperatur von beispielsweise 71 0C bestehen bleibt. Diese gespeicherte Wärme der Kabelseele ist für den nachfolgenden Herstellungsprozess des Mantels nützlich, indem für eine gute Haftung zwischen der Isolationsschicht und dem Mantel gesorgt ist.
Muss doch diese Verbindung frei von Blasen sein, damit später keine Koronaentladung auftreten Während Die gros sen Vorteile des guten IHaftens und des Schutzes der Isola- tionsschicht gegenüber den soeben beschriebenen Defekten sowie die Tatsache, dass der Mantel sofort nach dem Vulkanisations- und Kühlvorgang auf die Isolierschicht aufgebracht wird, treffen auch für den Fall zu, bei dem der Mantel vor dem Vulkanisieren der Isolationsschicht auf diese aufgebracht wird, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. In diesem Fall muss der Mantel natürlich aus einem Material bestehen, das sich zum Vulkanisieren eignet, wobei wegen der grösseren Schichtstärke der Vulkanisiervorgang etwas langsamer abläuft.
Method and device for manufacturing an electrical cable
The invention relates to a method for producing an electrical cable and a device for through.
conduct of the proceedings.
It is known to manufacture cables by using a central conductor, for example made of stranded copper, with an electrostatic shield is made of semiconductor material and forms a uniform surface that, when a high voltage is applied to the conductor, a corona discharge from the relatively rough surface of the Head prevented. A further task of the electrostatic shielding, which consists of a semiconductor, is to produce a uniform surface of the conductor in the interior of the insulating layer in order to keep the inner surface of the insulating layer at a constant potential. These two measures reduce the electrical erosion of the insulation layer, which consists of a polymer with a high dielectric strength, to a minimum.
As a last step, a sheath made of a polyvinyl chloride compound can be applied over the insulated cable, whereby this sheath is water-repellent and offers protection against mechanical damage. Between the.
Sheath and the insulation layers, a ground cable is usually arranged, which keeps the exterior of the insulation layer and the inner surface of the jacket at a common potential. As a result of the shielding made of a semiconductor and the arrangement of the ground cable, the electrical loads along the insulation layer are uniform, which reduces the possibility of insulation damage that may occur due to electrical faults.
In this production of cables that was customary up to now, the various concentric layers were applied in separate process steps, that is, not in one continuous operation. This method has been found to be inefficient because storing and feeding the cable separately during the various stages of the process can damage the internal parts of the cable. Furthermore, since they are used in different process steps, different devices had to be present several times.
It is the object of the invention to provide a method and a device of the type mentioned at the outset which enable such a cable to be manufactured continuously and thus avoid many of the disadvantages of known methods and devices of this type. At the same time, the method and the device should be suitable for applying an insulation layer and for cooling the cable after this operation.
This object is achieved according to the invention in that the cable core coated with vulcanizable material is exposed to a local heat and pressure treatment and, in the area of heat and pressure treatment, to a gas that does not condense under these conditions and does not attack the applied layer under the pressure conditions that occur, and that the gas is heated to at least a temperature which is sufficient to vulcanize the layer.
In the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to drawings.
Show it:
1 shows the schematic side view of an apparatus used for the continuous production of cables;
2 shows the schematic top view of a device for heating and cooling during the manufacturing process;
3 shows the enlarged cross section through a cable produced according to the method described;
FIG. 4 shows an enlarged section along the line 4-4 from FIG. 2;
FIG. 5 shows a section along the line 5-5 according to FIG. 4; 6 shows an enlarged section along line 6-6 according to FIG. 2; and
7 shows a view of a further exemplary embodiment.
The arrangement according to FIGS. 1 and 2 comprises extruder heads 9 and 10, which are known per se and which are connected to known extruders, not shown. A cable core 12 is continuously fed to the extruder head 9 and provided there with a thin insulating layer 11 made of a semiconductor thermoplastic, the layer being formed under the action of heat after a suitable vulcanizing agent has been added. A suitable composition for the insulating layer 11 consists of 31 parts of carbon and 69 parts of ethylene-propylene (diene monomer> tri-polymer, the diene monomer containing 1.4 hexadiene. The maximum thickness of the layer 11 is about 0.13 mm.
Their main task is to provide the inner surface of the insulation layer with a semiconductor layer so that no areas with strong electrical stress can arise between the conductor and the insulation layer, which can cause ionization. The advantage of the specified composition for the layer 11 is that the compound itself is free of vulcanization substances, whereby temperatures of at least 221 ° C. can occur at the extruder head and the viscosity of the material used can be reduced so much that the thin layers can be formed without defects can be produced.
Next, the cable core 12 is fed to the extruder head 10, where the cable is provided with an insulating layer 13 made of a polymer which has the properties of a thermoplastic within the extruder head, but can be irreversibly cured by the application of heat. The cable core 12, the thin layer 11 and the insulation layer 13 form the cable 14.
A number of suitable polymers with high insulation resistance for forming the insulation layer 13 are known, such as, for example, natural and synthetic rubbers and polyethylene with suitable and known additives of vulcanizing materials. During the production of the insulation layer 13, some of the vulcanizing material will diffuse into the thin layer 11.
In order to apply the necessary heat to vulcanize the layers 11 and 13, the cable core 12 can be heated by ohmic or inductive heat sources, either before or after passing through the extruder head 9 and before it is fed to the extruder head 10, so that the in the The heat contained in the cable core supports the subsequent hardening process.
The extruder head 10 feeds the cable coated with a polymer directly into a hardening or vulcanizing tube 15, in which nitrogen 16 is contained, which is supplied from a group of nitrogen bottles 17 with excess pressure.
The pressure inside the hardening or vulcanizing tube 15 is controlled, for example, by a reducing valve 18 in such a way that a pressure is exerted on the cable 14 which prevents porosities or bubbles and other irregularities from occurring within the layer 13. It has been found that the desired effect occurs at a pressure of about 70 to 300 psi, while at higher pressures the walls of the tube 15 must be made thicker and the tubes must have special end seals. At the specified values, however, the nitrogen 16 once introduced into the tube 15 is essentially retained, since only extremely minor leaks are present.
The task of the nitrogen 16 is to convey the heat to the cable 14 by convection and to exert a pressure on the layers 11 and 13 produced. Since the heat transfer takes place essentially radially, it is not necessary for the nitrogen to be moved along the axis of the tube 15, although a certain amount of such a circulation movement, which is caused by the advance of the cable core 12, is of course inevitable. The nitrogen 16 remains essentially contained in the tube since, as described later, the outflow possibilities are reduced to a minimum. As a result of these measures, the essential effect occurs that the heat transfer at the ends of the tube 15 is greatly reduced, as a result of which areas in the gas with a lower temperature are formed, which serve as thermal insulation.
Steam-filled tubes, for example, cannot have such an effect as the steam condenses on any colder surface and further steam immediately replaces the condensate.
According to FIG. 1, the tube 15 is designed to run along a chain line, the highest point being arranged on the extruder head 10 and the lowest point in the region 19. This chain line construction has been chosen in order to control the sag of the cable coming from the extruder head 10. As a result of this construction, the cable 14 and its insulation layer 13 do not touch the wall of the tube 15 at any point. With the aid of a capstan gear 21, the cable 14 is tensioned so that a constant curvature thereof is achieved. The cable core 12 is introduced into the extruder heads 9 and 10 at constant speed through a further, not shown, capstan coupling.
By guiding the cable 14 in this chain line, the lower end 23 of the tube 15 as well as each further tube or processing chamber is separated from the surface of the cable by a free space 24. At the end of the chain line, however, the tube part 26 has a base 27 which is raised by the free space 24 with respect to the base 23. At this point, however, the insulation layer 13 has already cooled so that the cable can rest on the base 27 and thereby a Support point for the cable is formed.
The nitrogen 16 within the tube 15 is heated by hot air and by gases that burn in a furnace 18. The hot gases flow through the parts 29a, 29b and 29c, which form a jacket around the tube 15.
The hot air is fed to the jacket via a bend 31, which is operated by a fan 32, and is returned to the furnace 28 via a further bend 33.
Furthermore, a temperature sensing and control unit 35 can be provided which acts on a ventilation hole 35a and controls the temperature of the backflowing gases.
The outer surfaces of the casing parts as well as the bends are provided with strong insulation layers, not shown. Very high temperatures, limited only by the construction materials of the tube, can therefore be supplied to the assembly without increasing the internal pressure of the nitrogen 16, which nitrogen can be vented through a check valve 34 if so desired. It is particularly advantageous, especially at high temperatures, to use an inert gas, such as nitrogen, for example, in order to supply the heat to the insulation layer 13, since the supply of air at high temperatures would cause the polymer to oxidize. However, it is easier to circulate a free gas, such as air, through the furnace 28 and the bends 31, 33, in which case these systems do not have to be specially sealed.
Furthermore, this measure also supports the economical use of nitrogen, which, as already mentioned, is essentially retained within the system.
A substantial improvement of the arrangement is achieved by the arrangement for heat transfer between the heated tube 15 and a cooling chamber 36, through which cooled water is passed at high speed. Fig. 4 shows this arrangement on a larger scale. There the tube 15 is attached with a flange 37 to a cylinder 38 which is provided with a flange and which is welded to a larger collecting container 39. Similarly, a tube 40 is attached by means of a flange 41 to a cylinder 42 provided with a flange which is welded to the other side of the collecting container 39.
Starting from an entrance wall 43, a cylinder 44 is welded, which is guided into the interior of the collecting container 39 and on which a cover plate 46 is BEFE Stigt. A cylinder 48, which contains a cover plate 49, is also welded on from an exit wall 47 of the collecting container 39. The cover plates 46 and 49 together with the walls 43 and 47 serve to hold baffle plates 51a, 51b, 51c and 52a, 52b, 52c and 52d within the respective cylinders 44 and 48. The plates 51a-51c and 52a-52d have vertical side surfaces 57, 58 according to FIG. 5, in such a way that they are prevented from rotating by guide plates 59a and 59b as well as 61a and an opposing guide plate, not shown.
Cylinder 48, tube 40, tube part 26 and the collecting container 39 together form the above-mentioned cooling chamber 36, through which cooled water is passed.
The water is fed to the cooling chamber 36 in the direction of the inserted cable via a pipe 53 according to FIG. 2 and discharged via a pipe 54, this pipe being inserted at a point 56 between the middle baffle plates 51c and 52a. The pipe 54 and the collecting container 39 represent a collecting space for the cooling water so that it does not reach the pipe 15. The entry of water into the tube 15 is also prevented by the baffle plates 52a-d, these plates having elliptical openings 56a-d which are large enough not to bring them into contact with the insulation layer 13, but which are small enough to prevent water from flowing into the tube 15.
The shape of the chain line described by the cable is set in a known manner by constant control and variation of the tension via the capstan coupling 21 on the basis of a scanning device within the tube 15. This device is not shown in the drawings since it is assumed to be known. The openings 56a-d are extended vertically to allow the chain to be lifted without the cable coming into contact with the baffles. The outlet pipe 54 is large enough to provide a natural drainage of the water from the collecting container 39, the water being sufficient to be able to sufficiently cool even the largest possible cable cross-section.
The tube 54 ends in a storage tank 62 which is kept at the necessary pressure by a connection 63 to the nitrogen line. The tank 62 has a device by which nitrogen mixed with the water can be excreted in the upper part of the tank and returned to the chamber 39. The water level within the tank 62 is maintained by a pump 66 which is connected to a source (not shown) and whose activity is controlled by devices (not shown) which sense the water level in the tank 62.
The water coming from the tank 62 is pressed by a further pump 68 at high speed through the cooling system 67 into the tube part 26 and through a group of pressure seals 71 (Fig. 4>. The water fills the tube part 26, whereby the cooling in this part of the cable is reached.
Conventional seals can be used at the outlet part of the tube part 26, since the insulation layer has become cold and solid due to the action of the cooling water. A tube piece 72, which contains the seals 71, is, however, stepped so that its bottom 73 lies lower than the bottom 27, so that the cable lying on the bottom 27 is introduced into the center of the seals 71.
The pump 68 is operated continuously in order to convey the cooling water through the tube part, the collecting container 39 and from there into the tank 62. The parallel tube 74 and the automatic valve 76 allow excess water to flow through when it is not needed to cool the cold chamber 36. An automatic control of the valve 76 and a valve 77 in a tube 53, which are connected to the tube part 26 at the connection point 69, is achieved as follows:
A float 81 is arranged in the tube 40 located behind the collecting container 39 in the direction of travel of the cable, the tip of which is connected to the tip of the tank 62 via a corresponding connection so that a high nitrogen pressure, the value of which corresponds to the nitrogen system, is present above the water level is.
A scanner 79 is arranged in the float 81 and records the water level in relation to the gas pressure. The scanner 79 influences the valves 76 and 77 and, by means of this measure, regulates the coolant flow into the pipe area 26, as a result of which the predetermined water level in the float 81 is maintained. With the exception of the upper end of the collecting container 39, the chamber 36 is completely filled with coolant, which consists of rapidly moving system water, which is introduced via the pipe 53 and discharged via the pipe 54. The pressure of the water in the pipe area 28 and in the collecting tank 39 is therefore higher than the nitrogen pressure, namely by a factor which is determined by the head of the swimmer 81.
This overpressure is sufficient in connection with the baffle plates 51a-c to prevent nitrogen from flowing out of the collection container 39. The float 81 also senses pressure oscillations of the water pressure and therefore supports the baffle plates 52a-c in order to prevent the overflow of water into the pipe 15. It is important to note that known systems which use steam for vulcanizing and in which the water cooling the steam is present, use a vulcanizing tube of indefinite length, since water constantly flows into the tube filled with steam. This error is avoided by the present arrangement.
With the exception of small amounts of nitrogen, which are dissolved in water and therefore penetrate the seals 71, there is essentially no loss of nitrogen, whereby the amount of nitrogen remains essentially constant and the cost of this gas only relates to the replenishment when the arrangement is started up. The nitrogen provides the necessary pressure on the insulation layer 13 during curing and cooling and for the transfer of heat with the aid of the circulating hot air. A heat transfer from nitrogen to the cooling water is reduced by the fact that contact between the nitrogen and the water is limited to the areas of the collecting container 39, since the water flows off so quickly by its own weight that it does not reach above the baffle plates 52a-d can arrive.
The nitrogen in the sump 39 is rapidly cooled and it serves as a heat insulator between the water and the hotter nitrogen part. The difference between the described arrangement and a known one that works with steam is the best possible use of the cooling effect of the water, because replacing the nitrogen with steam would not only lose the thermal insulation effect of the cooled nitrogen, but also the heat of evaporation and the heat of the water condensed by the steam must be added to the cooling surface.
With the device described, the length of the cold chamber 36 was designed to be one third shorter than known steam vulcanizing arrangements
The combination of sump and baffle plates at the interface between the heating and cooling systems can also be used in steam-powered arrangements, either with normal steam or superheated steam instead of nitrogen. In such a steam system it is expedient to provide a pump arrangement in the pipe 54 in order to extract a small amount of steam together with the water.
After passing the seals 71, the now insulated cable is first dried, for example in a sponge-like arrangement, as described in US Pat. No. 3,386,120. It is then fed directly into a jacket extruder head 82, in which the manufacturing process is completed. The rate of treatment within the jacket extruder head 82 is essentially determined by the rate at which the vulcanization and the cooling of the cable previously take place. FIG. 6 shows the head 83 of the arrangement 82, which applies a semiconductor polymer coating 84 in which axially arranged ground wires are embedded. With this manufacturing method, the ground wires are inputted during the extrusion at the manufacturing speed, whereby the wires are securely embedded in the semiconductor jacket.
After leaving the head 83, the cable passes an arrangement 85 which can consist solely of a cooling device or, if vulcanization and cooling is required, can correspond to the arrangement described above.
According to a further exemplary embodiment shown with reference to FIG. 7, the sheath is applied immediately after the insulation layer has been applied. Extruder heads 9, 10 and 83 are therefore provided, the last being sealed with the vulcanizing tube 15. Although the extruder heads are shown separately, a single multiple head can be used. Before the insulation layer is applied, the cable core, if separate heads are used, can be heated by electrical induction devices (not shown) in order to use the inherent heat of the cable core to support the vulcanization process and the heat supplied in the tube 15 '. The tube 15 'is similar to the tube 15 previously described. It is connected to a cooling chamber similar to the chamber 36.
The inclusion of the manufacturing process for the jacket in the entire manufacturing process for the cable is particularly advantageous in the manufacturing method described. For example, in the first based on FIG.
1-6 described embodiment, in which the jacket is applied after vulcanization and cooling of the insulation layer, a very good adhesion of the jacket to the insulation layer is achieved by the continuous process. One reason for this fact is that the insulation is completely free of thermal expansion or changes in shape as well as damage which can occur during storage and transport of the insulated cable before the sheath is only applied later. In a process in which the production of the jacket requires a vulcanization step, the connection between the jacket and the insulation layer can be further improved by only pre-hardening the insulation layer and performing the final curing during the vulcanization process for the jacket.
Another advantage, which is not immediately apparent, is that the metal core of the cable is exposed to the relatively high temperature in the vulcanization tube 15 for a relatively long period of time. During the vulcanization process for the insulation layer, the metal core is brought to a very high temperature, so that a temperature of, for example, 71 ° C. remains even after the cable has passed through the cooling chamber 36. This stored heat of the cable core is useful for the subsequent manufacturing process of the sheath by ensuring good adhesion between the insulation layer and the sheath.
This connection has to be free of bubbles so that no corona discharge occurs later. The great advantages of the good adhesion and protection of the insulation layer against the defects just described, as well as the fact that the jacket is on the surface immediately after the vulcanization and cooling process Insulating layer is applied also apply to the case in which the jacket is applied to the insulating layer before vulcanization, as shown in FIG. 7. In this case, of course, the jacket must consist of a material that is suitable for vulcanizing, the vulcanizing process being somewhat slower due to the greater layer thickness.