CN111095442B - 耐火级的射频电缆 - Google Patents

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Abstract

提供了一种同轴电缆(10)，该同轴电缆包括外屏障(12，14，16)，外屏障将同轴电缆(10)从空气密封，并且防止电缆的导体(18，20)在火中氧化。这种外保护屏障(12，14，16)可以包括阻燃带。电介质(22)将导体(18，20)分离，并且可以包括嵌入在电介质材料(25)中的陶瓷(23)或在编织陶瓷网(120，55)中的陶瓷珠(110，53)。

Description

耐火级的射频电缆
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年09月08日提交的美国临时申请号62/556296的优先权，并且通过引用以其整体并入本文。
背景技术
同轴电缆用于传输电信号。同轴电缆由被螺旋缠绕的电介质绝缘材料(以下简称为“电介质”)或电介质的任何其他合适的挤出形式封装的中心(或内)导体组成。电介质覆盖有呈环形或螺旋形波纹状的外导体。电介质用于维持内导体与外导体之间的间距(或间隙)，在此该间距对于获得同轴电缆的规定特征阻抗是必需的。该间隙通常被称为“空气间隙”，因为尽管存在电介质(其本身用作间隔器)的存在，但还是期望空气成为内导体与外导体之间的分离器。整个组件可以被装在外保护套内。
这种电缆(也被称为射频(RF)同轴电缆)用于建筑物内通信，并且通常用于紧急通信系统。考虑它们的紧急通信的用途，现在要求这种RF同轴电缆通过国际建筑法规(IBC)/国际消防法规(IFC)、本地建筑法规/本地消防法规、国家消防协会(NFPA)72第24章，NFPA1221并且潜在地通过NFPA 5000。
但是，常规使用的电介质不能承受火灾期间出现的极端高温条件(例如，温度约为1850°F)，因为这种常规电介质在300°F附近开始熔化。当电介质熔化时，它在使内导体和外导体保持分离的目的方面失败。结果，内导体将与外导体短路。当发生这种情况时，同轴电缆将不再可用于通信。
一些其他已知的电介质可以承受火灾的温度，并且具有足够的强度来维持特征阻抗，但由于在正常温度下会显著衰减经由同轴电缆传输的信号，而不适合。
通常，为了满足防火法规，电缆需要通过在非常高的温度下的2小时的燃烧测试(根据保险商实验室(UL)2196)、水管喷射测试和随后的功能测试。当前，行业中不存在符合这些标准的RF同轴电缆，因为这种RF同轴电缆无法在极高的温度下承受两个小时的时间，以便获得UL2196认证。相反，如上所述，现有的电缆将会燃烧或变形，从而它们的内导体与外导体形成短路。此外，使用铜导体的现有电缆易于氧化，从而使得铜与空气反应形成氧化铜，这使导体非常脆。结果，导体趋于容易断裂，实际上使导体成为不可操作的电断路。
一种尝试的解决方案是使用建筑物本身内部具有阻燃带或耐火建筑材料的UL级导管，并在其内部布线增压同轴电缆。例如，RF同轴电缆可以被放置在昂贵的酚醛导管中。然而，该装置尚未被测试，并且不太可能通过NFPA 72第24章、NFPA 1221或不太可能满足NFPA 5000要求，因为这种导管内部的温度将会太高，例如在1850°F左右，使得塑料电介质材料熔化，从而导致在内导体和外导体之间形成短路，因此使电缆不可操作，并且它同样不太可能承载任何紧急通信。
满足上述规格的其他先前尝试不容易制造，和/或导致电缆非常硬。
发明内容
我们已经认识到，根据本公开的原理，可以通过包含外保护结构或屏障以将同轴电缆组件从空气密封并且防止内导体和外导体在火灾中氧化的新的同轴电缆，来克服同轴电缆不能满足上述要求和不能保持功能的问题。在本公开的说明性实施例中，这种外保护屏障可以由阻燃带制成，阻燃带诸如是以下中的一种或多种：a)在两侧上涂覆有阻燃化合物的编织玻璃基板，例如云母带，b)不锈钢，例如304不锈钢、316不锈钢，或钢带，例如A606钢带，c)铜带，例如110铜带，其可以与用于外导体的合金相同，d)包覆有不锈钢带的铜或e)玻璃编织带。有利地，金属带层和阻燃层(如果包含的话)用于密封电缆以防止空气侵入，从而防止外/内铜导体的氧化和由此引起的降级(例如，它们转化为氧化铜)，同时在火灾期间以及在本发明的电缆经受喷水喷雾时(例如在电路完整性UL 2196测试结束时)还用于增强电缆的结构。
另外，在各种实施例中，阻燃热塑性护套材料还可以用于进一步增强本发明的电缆承受高温的能力并且提供附加的结构刚度。
在本公开的实施例中，可以包含阻燃带以保护护套材料免受任何包含的金属带的尖锐边缘的影响，并且在使用不锈钢带的情况下进行帮助。
根据又一实施例，本发明的电缆包括电介质，该电介质用于将内导体和外导体分离。有利地，这种电介质不受火的影响，并且可以在火以及与之相关的温度下保持其性能。
更详细地，在一个实施例中，同轴电缆可以包括内导体、提供在内导体周围的外导体、所提供的电介质，电介质包括布置在外导体周围的至少一层带，其中带层被配置成防止导体的氧化。
带层可以包括至少三层：(i)相对于外导体的近端阻燃带层，(ii)相对于外导体的远端阻燃带层，和(iii)例如在近端阻燃带层和远端阻燃带层之间的金属带层。
带层可以包括许多不同的阻燃材料或材料组合，例如钢、不锈钢、铜或包覆有不锈钢的铜、编织玻璃、在两侧上涂覆有阻燃化合物的编织玻璃基板。
电介质可以包括例如嵌入的陶瓷、利用阻燃带封装的陶瓷珠、封装在阻燃陶瓷纤维网中的(小)陶瓷珠，或插入在塑料电介质带中的陶瓷珠。例如，小陶瓷珠可以包括Al2O3，并且网可以包括Al2O3和SiO3。
在附加的实施例中，本发明的同轴电缆可以包括被环形地配置在带层周围的阻燃护套。例如，这种阻燃外套可以包括阻燃热塑性材料。当使用阻燃护套时，本发明的电缆可以进一步包括带层(例如，金属带层)和环形地配置在带层与阻燃护套之间的附加带层。
在又一实施例中，本发明的同轴电缆的外导体可以涂覆有膨胀型阻燃涂料，或者在膨胀型阻燃化合物的外导体之上形成的护套。
因此，根据本公开的实施例的同轴电缆被配置为在面对上述测试和条件时能够承受并起作用。
附图说明
在附图中：
图1示出了经受火情的外导体；
图2示出了根据本公开的原理配置的同轴电缆的说明性实施例；
图3示出了根据本公开的原理配置的同轴电缆的另一说明性实施例；
图4示出了根据本公开的原理的、用于分离内导体和外导体的电介质的说明性实施例，该电介质包括封装在阻燃陶瓷纤维网(例如Al2O3和SiO3)中的小陶瓷珠(例如Al2O3)；
图5示出了根据本公开的原理的电介质的另一说明性实施例，该电介质用于被进一步配置在封装的阻燃带中；
图6示出了根据本公开的原理的、用于分离内导体和外导体的电介质的另一说明性实施例，其中陶瓷珠被插入在塑料电介质带中；以及
图7示出了根据本公开的原理配置的同轴电缆的另一说明性实施例。
具体实施方式
以下仅说明本公开的原理。因此，可以理解，本领域技术人员将能够设计各种布置，该些各种布置尽管未在本文中明确描述或示出，但体现了本公开的原理并且被包括在其精神和范围内。另外，本文中叙述的所有示例和条件语言明确地主要旨在仅用于教学目的，以帮助读者理解本公开的原理和发明人为进一步发展本领域所贡献的概念，并且应当被解释为不限于这些具体叙述的示例和条件。而且，本文叙述本公开的原理、方面和实施例及其特定示例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能等同物。附加地，意图是这种等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即，开发的执行相同功能的任何元件，而与结构无关。
除非本文另有明确指定，否则附图未按比例绘制。
在说明书中，在附图的不同附图内相同编号的部件指代相同的部件。
图1示出了外导体1a、1b的示例，其中示出了在暴露于空气和高温(例如火情)的之前(1a)和之后(1b)的相同类型的导体。(1b)中所示的导体说明了由于这种条件导致的由铜形成氧化铜的效果。
根据本公开的原理，提出了一种新的同轴电缆，其包括外结构或屏障，该外结构或屏障用于将同轴电缆从空气密封并且保护外导体和内导体在火灾期间不被氧化。在本公开的说明性实施例中，这种外保护屏障可以包括阻燃带，阻燃带包括以下中的一种或多种：a)在两侧上涂覆有阻燃化合物的编织玻璃基板，例如云母带，b)不锈钢，例如304不锈钢、316不锈钢，或钢带，例如A606钢带，c)铜带，例如110铜带，其可以与用于外导体的合金相同，d)包覆有不锈钢带的铜或e)玻璃编织带。有利地，金属带层和阻燃带层(如果包含的话)用于密封电缆以防止空气侵入，从而防止外/内铜导体的氧化和由此引起的降级(即，防止或最小化它们到氧化铜的转化)，同时在火灾期间和/或在本发明的电缆经受喷水喷雾时(例如在UL 2196测试结束时)还用于增强电缆的结构。
图2-图3和图5-图7示出了根据本公开的原理的本发明的同轴电缆的各种配置，而图4图示了合适的电介质的示例性配置。
图2示出了根据本公开的一个实施例的说明性的本发明的电缆10。以示意图(a)、图示(b)和图示(b)的剖视图(c)示出了本发明的电缆10，该三个视图结合起来图示了电缆10的发明方面。如所示的，外屏障可以包括在不锈钢带16(例如，304、316类型)的任一侧上的阻燃带(例如，基于云母的带)的两个层，表示为12和14。还示出了内导体18和外导体20，其中电介质22被设置在内导体18和外导体20之间的间隙中。视图(c)最佳地图示了电介质22的位置。电介质22可以包括被封装在阻燃带25内的陶瓷珠23。电介质22用于将中心导体18相对于外导体20保持在适当位置。应当理解，可以使用其他形式的陶瓷珠，例如Al2O3。
屏障可以进一步包括被配置成围绕阻燃带层12的阻燃护套材料24。在一个实施例中，不锈钢带层16可以包括具有1400℃-1455℃(2550°F-2651°F)的熔化温度的材料，这远远高于纯铜导体的熔化温度(1083℃，1981°F)。注意，UL 2196测试温度为1010℃(1850°F)，并且因此非常接近外铜导体20的熔化温度。
在一个实施例中，不锈钢带16用于屏蔽外导体20使其不直接暴露于热和空气，并且显著增强了电缆10的结构完整性。
外铜导体20与不锈钢带16之间的阻燃带14用于在极端温度下将外导体20从空气密封，以防止氧化铜的形成。阻燃带12用于保护护套材料24免受不锈钢带16的尖锐边缘的影响，并且还屏蔽不锈钢带16。
总之，阻燃带12和阻燃带14与阻燃护套24的组合用于增强电缆10并且防止铜导体18、铜导体20氧化和降级。
现在参考图3，示出了根据本公开的一个实施例的另一说明性电缆30。电缆30包括两层的阻燃带32、34(例如，基于云母的带、陶瓷带(Al2O3和SiO3)、硅带(SiO3)或网状编织物(包括Al2O3和SiO3)，等等)，两者之间是钢带36(例如，A606合金)。电缆30还包括阻燃护套材料38(例如，阻燃热塑性弹性体)，其被配置成围绕外阻燃带32。与图2的布置类似，阻燃带32和阻燃带34、钢带36和阻燃护套38的组合用于保护铜导体40、铜导体42免受降级和氧化的影响。中心导体40由电介质44保持在适当位置，该电介质44螺旋地围绕导体40，并且可以包括例如陶瓷绳。但是，应当理解，可以使用其他形式的陶瓷。
在本公开的实施例中，可以使用基本上纯铜带代替钢带或不锈钢带。在这种实施例中，由于铜具有低于任何钢带的熔化温度的熔化温度，因此铜带在经受火的极端温度时可以开始粘结自身。这种自粘结用于在外导体42周围形成紧密密封的铜管。在内导体40远端的外阻燃带32用于与铜带形成粘结，并且减慢氧化铜的形成。
在一个实施例中，被提供在铜带36与外导体42之间的内阻燃带34用于将两个铜层粘结，并且形成紧密的密封以防止内导体40和外导体42的氧化。
在附加的实施例中，阻燃热塑性护套38(例如弹性体)还用于进一步增强本发明的电缆承受高温的能力并且提供附加结构刚度。在本公开的实施例中，附加的阻燃带(未示出)可以被包括，并且该附加的阻燃带用于保护护套38不受任何金属带的尖锐边缘的影响并且帮助屏蔽该带。
在本公开的各种实施例中，电缆30可以进一步包括被提供在外导体42之上的隔热层46，该隔热层46可以由带42、带44的外保护层保持在适当的位置，以减慢电缆30的内芯温度升高的速率。这种隔热层在温度的极端上升期间增加电缆的性能。在某些实施例中，隔热层46可以包括膨胀型阻燃涂料，或包括被布置在外导体42上的膨胀型阻燃化合物的单独护套。
根据另一实施例，电缆30可以包括电介质44，该电介质44用于将内导体40与外导体42分离，其中该电介质可以包括例如嵌入的陶瓷。
图4示出了电介质100的说明性实施例，电介质100用于将内导体与外导体分离(导体在图4中未被图示，但是在图2和图3中被清楚地示出)。电介质100可以包括多个小陶瓷珠110a-110n，其中“n”指示最后一个珠。在一个实施例中，每个珠可以包括Al2O3。
电介质100可以进一步包括例如阻燃陶瓷纤维网120(例如，由Al2O3和SiO3制成)，其中网120可以被编织。这种电介质100用作分离器的使用有助于确保：即使由于火在相关联的同轴电缆内部存在极端温度的情况下，中心导体和外导体之间的所需间隙(例如，空气间隙)也保持基本恒定。
参考图5，示出了电缆50的另一说明性实施例，电缆50包括电介质52，电介质52用于将外导体54与内导体56分离。在该实施例中，电介质52可以包括纤维网55中的小陶瓷珠53，纤维网55可以被进一步封装在阻燃带58中。
图6示出了电缆60的另一说明性实施例，电缆60包括电介质62，电介质62用于将外导体64与内导体66分离。电介质62可以包括陶瓷珠63，陶瓷珠63可以被插入在塑料阻燃电介质带65中。电介质62可以包括Al2O3和SiO3(或仅Al2O3)，并且可以被配置成绳或网。在火灾的情况下，塑料电介质带65将熔化，但是例如由氧化铝陶瓷制成的珠63将不会熔化。相反，珠63将用于维持外导体64与内导体66之间的必要间隔，并且防止两者之间产生短路。
此外，与现有的电缆相比，电介质62用于将内导体66和外导体64保持在适当位置，并且即使在极端温度下也允许RF信号通过。
更详细地，为了允许在同轴电缆上电信号的正确传输，应当维持电缆的中心(内)导体与外导体之间的空气间隙，以便实现电缆的某个特征阻抗。在由发明人进行的实验测量中，包括电介质的本发明的电缆的样品的电压驻波比的改变不超过值1.23，该电介质包括被封装在阻燃带内的陶瓷珠。
RF电缆的配置确定了RF信号的衰减。另外，由于电介质引起的衰减与通过相关联的电缆传输的RF信号的频率成比例地增加。实际上，衰减与电缆尺寸无关，并且仅由电介质材料的数量和质量确定。
发明人还对包含厚空气电介质的7/8”或1/2”同轴电缆进行了测试。对不锈钢带和阻燃带的包含为电缆提供了保护(即，使降级最小化)。
图7示出了根据本公开的原理配置的同轴电缆70的另一说明性实施例。在图7的实施例中，电缆70不是包括外铜导体以及阻燃带和金属带(例如，不锈钢)的两个层，而是包括带72，带72包括铜包层72a的层和不锈钢带72b的层。带72用于反射和抵抗例如由火产生的热量。带72可以被环形地配置在内导体74周围，以使铜包层72a接近(即面对)内导体74，而不锈钢带72b接近(面对)外屏障(未示出)。电缆70还可以包括如本文其他地方描述的电介质78。在一个实施例中，电介质78可以包括99.9％的石英氧化硅(SiO3)或3M Nextel 440陶瓷(Al2O3和SiO3)绳。
本领域技术人员将容易地认识到，除了各种外护套材料和隔热电介质的性能考虑之外，同轴电缆还必须足够柔韧以能够在例如安装在建筑物内期间穿过狭窄的空间。因此，本文公开的各种实施例可以被配置成满足工业指定的弯曲规格并且可以被大量生产。

Claims (24)

1.一种同轴电缆，包括：
内导体；
外导体，环形地布置在所述内导体周围；
电介质分离器，布置在所述内导体的至少一部分周围，以保持所述外导体与所述内导体基本分离并且维持所述外导体与所述内导体之间的空气间隙，其中所述电介质分离器包括陶瓷珠；以及
带层，包括环形地布置在所述外导体周围的至少一带层，其中所述带层在着火的情况下防止空气进入所述电缆；
其中所述带层包括被设置在多个阻燃带子层之间的金属带子层。
2.根据权利要求1所述的同轴电缆，其中所述带层包括至少三个不同的子层：相对于阻燃材料的所述外导体的近端阻燃带子层、相对于所述阻燃材料的所述外导体的远端阻燃带子层、以及设置在所述近端阻燃带子层和所述远端阻燃带子层之间的金属带子层。
3.根据权利要求2所述的同轴电缆，其中所述金属带子层包括选自由钢、铜和包覆有不锈钢的铜组成的组的材料。
4.根据权利要求3所述的同轴电缆，其中所述金属带子层包括不锈钢。
5.根据权利要求1所述的同轴电缆，其中所述带层包括以下至少一项：钢带层、铜带层、以及包覆有不锈钢的铜带层。
6.根据权利要求5所述的同轴电缆，其中所述带层包括不锈钢带层。
7.根据权利要求1所述的同轴电缆，其中所述带层包括以下至少一项：在两侧涂覆有阻燃化合物的编织玻璃基板以及编织玻璃。
8.根据权利要求1所述的同轴电缆，其中所述带层是阻燃的。
9.根据权利要求1所述的同轴电缆，还包括环形地布置在所述带层周围的阻燃护套。
10.根据权利要求9所述的同轴电缆，其中所述阻燃护套还包括阻燃热塑性材料。
11.根据权利要求9所述的同轴电缆，其中所述带层包括金属带层，还包括环形地布置在所述金属带层与所述阻燃护套之间的附加带层。
12.根据权利要求1所述的同轴电缆，其中所述电介质分离器包括被嵌入在电介质材料中的陶瓷。
13.根据权利要求1所述的同轴电缆，其中所述电介质分离器包括被封装在阻燃带内的陶瓷珠。
14.根据权利要求1所述的同轴电缆，其中所述电介质分离器包括被封装在阻燃陶瓷纤维网中的陶瓷珠。
15.根据权利要求1所述的同轴电缆，其中所述外导体涂覆有膨胀型阻燃材料。
16.根据权利要求15所述的同轴电缆，其中所述膨胀型阻燃材料是施加在所述外导体的外部表面上的涂料涂层。
17.根据权利要求15所述的同轴电缆，其中所述膨胀型阻燃材料包括被设置以围绕所述外导体的护套化合物。
18.根据权利要求1所述的同轴电缆，其中所述电介质分离器和所述带层使得所述同轴电缆被配置为通过保险商实验室(UL)2196测试。
19.一种同轴电缆，包括：
内导体；
外导体，环形地布置在所述内导体周围；
电介质分离器，布置在所述内导体的至少一部分周围，以保持所述外导体与所述内导体基本分离并且维持所述外导体与所述内导体之间的空气间隙；以及
带层，至少包括第一带层和第二带层，所述第一带层和所述第二带层环形地布置在所述外导体周围；
其中所述带层包括被设置在多个阻燃带子层之间的金属带子层；
其中所述第一带层由以下组中的至少一个构成：编织玻璃和云母带；以及
所述第二带层是邻近并缠绕所述第一带层的金属层，其中所述第二带层部分地自身重叠并在火中加热时自粘结从而密封自身从而防止空气进入所述电缆。
20.根据权利要求19所述的同轴电缆，其中所述第二带层由铜带构成。
21.根据权利要求19所述的同轴电缆，其中所述电介质分离器包括陶瓷珠。
22.一种同轴电缆，包括：
内导体；
外导体，环形地布置在所述内导体周围，其中所述外导体由包覆有不锈钢的铜带层组成，并布置成使铜面向所述内导体；
电介质分离器，布置在所述内导体的至少一部分周围，以保持所述外导体与所述内导体基本分离并且维持所述外导体与所述内导体之间的空气间隙；以及
带层，包括环形地布置在所述外导体周围的、邻近所述外导体的不锈钢的至少一带层，
其中所述带层包括邻近所述外导体的材料层，所述材料层是以下组中的至少一个：编织玻璃和云母带；
其中所述带层在着火的情况下防止空气进入所述电缆；以及
其中所述带层包括被设置在多个阻燃带子层之间的金属带子层。
23.根据权利要求22所述的同轴电缆，其中所述电介质分离器包括陶瓷珠。
24.根据权利要求22所述的同轴电缆，其中所述带层还包括邻近并缠绕在所述至少一带层的外部的金属层，所述至少一带层环形地布置在所述外导体周围，所述金属层被布置为自身重叠并在火中加热时部分地自粘结从而密封自身从而防止空气进入所述电缆。
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