DE10047905A1 - Elektrischer Isolierstoff und mit diesem Stoff isolierter elektrischer Leiter - Google Patents

Abstract

Isolierstoff zur Isolation eines elektrischen Leiters (10), mit einem im Isolierstoff enthaltenen Indikator (2), der sich temperaturabhängig optisch verändert und mit einem solchen Isolierstoff isolierter elektrischer Leiter (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Isolierstoff zur Isolation eines elektrischen Leiters und einen mit dem Isolierstoff isolier­ ten elektrischen Leiter.

Kurzschluss, permanente Überlast und/oder ähnliche Schaltzu­ stände in einem elektrischen System können zu Übertemperatur oder zu einem Brand, im schlimmsten Fall zu Personenschaden führen. Überlast bei einem isolierten elektrischen Leiter eines solchen Systems führt zudem zu einem raschen Altern des den Leiter isolierenden Isolierstoffs und zu einer Erhöhung der Schadenswahrscheinlichkeit.

Gegenwärtig wird in einem elektrischen System die Temperatur z. B. mit einer Thermochromfarbe, die von außen auf einen Iso­ lierstoff aufgetragen wird, mit direkter Temperaturmessung über einen Sensor oder durch aufwendige Infrarotthermografie erfasst. Ein solches Verfahren wird ausschließlich an einem eigens präparierten System und nicht an einem Produktsystem angewandt. Eine tatsächliche Überwachung eines Produktsystems findet in der Regel nicht statt.

Daneben werden in einem elektronischen System häufig ein oder mehrere Temperatursensoren mit zugehöriger Auswerteelektronik eingebaut, die aber nicht eine Übertemperatur in z. B. einem elektrischen Kabel oder einer sonstigen Installation des Sys­ tems registrieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie an einem elektrischen Leiter auf einfache Weise die Temperatur über­ wacht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merk­ male gelöst, wonach die Erfindung in einem Isolierstoff zur Isolation eines elektrischen Leiters mit einem im Isolier­ stoff enthaltenen Indikator, der sich temperaturabhängig op­ tisch verändert, besteht.

Mit dem erfindungsgemäßen Isolierstoff kann auf einfache Wei­ se an einer sicherheitssensitiven elektrischen Isolierung die Temperatur überwacht, eine Übertemperatur bei einem routine­ mäßigen Test erkannt und dadurch einem entstehenden Schaden vorgebeugt werden. Die Lösung ist sowohl vom wirtschaftlichen Aspekt als auch vom Personensicherheitsaspekt von großem Vor­ teil.

Unter der optischen Veränderung des Indikators ist jede Ver­ änderung zu Verstehen, die optisch gemessen und/oder mit dem Auge wahrgenommen werden kann. Die Veränderung kann bei­ spielsweise in einer Änderung einer optischen Wellenlänge und/oder eines optischen Spektrums und/oder einer optischen Intensität und/oder einer Lumineszenzeigenschaft und/oder einer sonstigen optischen Eigenschaft des Indikators beste­ hen. Die Veränderung ist nicht auf den sichtbaren optischen Bereich beschränkt, sondern kann auch im Ultraviolettbereich und/oder im Infrarotbereich stattfinden und dort beispiels­ weise mit einem Sensor gemessen werden.

Die optische Veränderung des Indikators muss allerdings ab­ hängig von der Temperatur eintreten, d. h., eine optische Ei­ genschaft des Indikators muss sich abhängig von der Tempera­ tur ändern, beispielsweise mit steigender Temperatur kontinu­ ierlich und/oder mehr oder weniger schlagartig, wenn die steigende Temperatur einen bestimmten Wert erreicht.

Bei einer vorteilhaften und bevorzugten Ausgestaltung des er­ findungsgemäßen Isolierstoffs weist der Indikator ein Lumi­ neszenzmittel, d. h. einen chemischen Stoff, in welchem durch optische Bestrahlung des Stoffs eine Lumineszenz anregbar ist, auf, wobei das Lumineszenzmittel so beschaffen ist, dass sich eine bestimmte Lumineszenzeigenschaft, beispielsweise eine Lumineszenzwellenlänge und/oder eine Lumineszenzabkling­ zeit nach Anregung der Lumineszenz temperaturabhängig verän­ dert.

Lumineszenzmittel der genannten Art sind für sich genommen beispielsweise aus der Literatur (siehe z. B. R. Reisfeld: "Spectroscopy and Applications of Molecules in Glasses", Journ. of Non-Crystalline Solides 121 (1990), S. 254-266, North-Holland; I. P. McClean et al.: "High Temperature Thick and Thin Film Thermographic Sensor', 1997, Sensor and Trans­ ducer Conference at MTEC Measurement Technology, Birmingham, UK, 22.-23. Jan. 1997; S. A. McElhaney et al.: " Passive (Self-Powered) Fiber Optic Sensors", Conf. Record of the 1993 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conferen­ ce, S.101-103) bekannt, jedoch geht aus diesen Dokumenten nichts hervor, was eine Anwendung eines solchen Lumineszenz­ mittels in einem Isolierstoff zur Isolation eines elektri­ schen Leiters als Indikator zur Temperaturüberwachung am Lei­ ter nahe legen könnte.

Insbesondere kann beim erfindungsgemäßen Isolierstoff vor­ teilhafterweise ein Lumineszenzmittel verwendet werden, das sich dadurch auszeichnet, dass eine Übertemperatur auch noch nach längerer Zeit aus der veränderten Lumineszenzeigenschaft ablesbar ist, z. B. dadurch, dass sich durch erhöhte Tempera­ tur die chemische Zusammensetzung des Lumineszenzmittels oder die chemische Umgebung von Molekülen des Lumineszenzmittels verändert hat und damit die Lumineszenz verschwindet oder auch verstärkt wird. Damit ist es dann möglich, in einem elektrischen System bei Routineuntersuchungen durch den er­ findungsgemäßen Isolierstoff Überlastprobleme zu erkennen und geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen.

Die Temperaturauswertung erfolgt beispielsweise durch Anre­ gung von Molekülen des Indikators mit einer passenden Lichtquelle und der anschließenden qualitativen (per Auge) oder quantitativen (per Sensor) Auswertung der temperaturabhängi­ gen Lumineszenz.

Bei einer weiteren vorteilhaften und bevorzugten Ausgestal­ tung des erfindungsgemäßen Isolierstoffs, die mit der oben erwähnten Ausgestaltung kombiniert werden kann, weist der In­ dikator ein Farbmittel auf, dessen Farbe sich temperaturab­ hängig verändert. Das Farbmittel kann ein Farbstoff oder ein Pigment sein. Zweckmäßig ist es, wenn sich die Farbe bei Übertemperatur bleibend verändert, so dass eine Stelle, bei der einmal eine Übertemperatur aufgetreten ist, jederzeit an der veränderten Farbe des Isolierstoffs erkannt werden kann.

Der Indikator kann im Isolierstoff an einer oder mehreren Stellen, beispielsweise direkt unter der Oberfläche des Iso­ lators konzentriert sein. Nicht zuletzt aus Gründen einer möglichst einfachen Herstellung des Isolators ist es jedoch zweckmäßig, wenn der Indikator im Isolierstoff verteilt ist, beispielsweise über den ganzen Querschnitt des Isolators.

Durch den erfindungsgemäßen Isolierstoff werden literaturbe­ kannte Lumineszenzmittel- und/oder Farbmitteleigenschaften und Methoden der Farbstoffchemie auf elektrische Isolations­ systeme angewendet.

Durch die Erfindung ist auch ein einem erfindungsgemäßen Iso­ lierstoff isolierter elektrischer Leiter bereitgestellt. Ein Beispiel eines solchen Leiters ist ein isoliertes elektri­ sches Kabel, dessen Isolierung aus dem erfindungsgemäßen Iso­ lierstoff besteht.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert.

Die Figur zeigt in perspektivischer Darstellung ein Stück ei­ nes isolierten elektrischen Kabels, dessen Isolierung aus dem erfindungsgemäßen Isolierstoff besteht.

Das in der Figur dargestellte und generell mit 1 bezeichnete beispielhafte Stück elektrisches Kabel weist einen zylinder­ förmigen elektrischen Leiter 10 aus Metall und eine elektri­ sche Isolierung in Form eines Mantels 11 aus elektrischem Isolierstoff auf, der eine äußere Umfangsfläche 101 des Lei­ ters 10 geschlossen umgibt.

Der Isolierstoff besteht beispielsweise aus einem Grundmate­ rial aus Kunststoff, in das erfindungsgemäß ein Indikator 2 eingebettet ist, der sich temperaturabhängig optisch verän­ dert.

Der Indikator 2 befindet sich demgemäß im Innern des Grundma­ terials und somit auch des Mantels 11.

Als Indikator 2 ist prinzipiell jeder chemische Stoff geeig­ net, der sich temperaturabhängig optisch verändert und dessen optische Veränderung mit dem Auge wahrnehmbar ist und/oder beispielsweise mit einem Sensor gemessen werden kann.

In der Figur ist der eingebettete Indikator 2 durch Punkte 20 im Mantel 11 dargestellt, die einzelne Moleküle oder Molekül­ verbände, beispielsweise Partikel des chemischen Stoffs an­ deuten, aus dem der Indikator 2 besteht.

Der Indikator 2 auf verschiedene Weise in den Mantel 11 ein­ gebettet werden.

Ein besonders einfaches Verfahren besteht beispielsweise dar­ in, einem flüssigen härtbaren isolierenden Kunststoff den In­ dikator 2 beizumischen, den Leiter 10 mit diesem Kunststoff zu beschichten und danach den Kunststoff auf dem Leiter 10 sich vernetzen zu lassen. Im flüssigen Kunststoff kann eine sehr gleichmäßige Verteilung des Indikators 2 erhalten wer­ den, die dann auch im Mantel 11 bestehen bleibt. In der Figur ist eine solche Verteilung durch die gleichmäßige Verteilung der Punkte 20 über den Querschnitt 111 des Mantels 11 ange­ deutet.

Ein anderes einfaches Verfahren besteht darin, den Indikator 2 erst nachträglich in den Mantel 11 durch dessen äußere Um­ fangsfläche 110 eindringen zu lassen oder zu implantieren. In diesem Fall ist eine gleichmäßige Verteilung des Indikators 2 im Mantel 11 aus herstellungstechnischen Gründen nicht wün­ schenswert. Besser ist es, wenn der Indikators 2 unter der Umfangsfläche 110 des Mantels 11 konzentriert ist. Bezogen auf die Figur würde dies beispielsweise bedeuten, dass die Dichte der Punkte 20 an oder in der Nähe der Umfangsfläche 110 maximal ist und von da in Richtung radial nach innen ab­ nimmt.

Um festzustellen, welche Temperatur in einem mit einem erfin­ dungsgemäßen Isolierstoff isolierten elektrischen Leiter herrscht, wird eine temperaturabhängige optische Eigenschaft des in diesem Isolierstoff enthaltenen Indikators festge­ stellt und danach die Temperatur ermittelt, die zu dieser er­ mittelten optischen Eigenschaft aufgrund der Abhängigkeit ge­ hört.

Die Genauigkeit der Temperaturermittlung hängt davon ab, wie genau die optische Eigenschaft des Indikators als Funktion der Temperatur bekannt ist. Bei elektrischen Anlagen spielt indes eine hohe Genauigkeit bei der Temperaturermittlung kaum eine Rolle, vielmehr will man nur wissen, bei welchen elekt­ rischen Leitern der Anlage unzulässig hohe Temperaturen, wel­ che die Anlage in Gefahr bringen, auftreten. Zu diesem Zweck genügt eine grobe oder qualitative Temperaturermittlung.

Bei einem für einen solchen Zweck geeigneten Beispiel eines erfindungsgemäßen Isolierstoffs besteht der Indikator 2 aus einem oder mehreren der aus den erwähnten Dokumenten bekann­ ten Lumineszenzmitteln, die überdies vorteilhafterweise in verschiedenste Matrixsysteme eingebettet werden können, z. B. aus einem oder mehreren Lumineszenzmitteln auf der Basis von Rhodamin 6G(1).

Bei einem solchen Lumineszenzmittel ändert sich beispielswei­ se die Lumineszenzwellenlänge oder die Lumineszenzabklingzeit nach Anregung der Lumineszenz abhängig von der Temperatur. Beispielsweise nimmt die Lumineszenzabklingzeit mit zunehmen­ der Temperatur ab.

Um die Temperatur in einem mit diesem beispielhaften Isolier­ stoff isolierten elektrischen Leiter, beispielsweise in dem Stück Kabel 1 zu ermitteln, wird der Isolierstoff, im Bei­ spielsfall der Mantel 11, mit einer optischen Strahlung 30 bestrahlt, die im Indikator 2 Lumineszenz anregt.

Die von der Temperatur T des Isolierstoffs und damit des elektrischen Leiters abhängige Lumineszenzwellenlänge λ(T) der vom Isolierstoff abgestrahlten Lumineszenzstrahlung 40 und/oder die ebenfalls von der Temperatur T des Isolierstoffs abhängige Lumineszenzabklingzeit Δt(T) der Lumineszenzstrah­ lung 40 nach Abschaltung der die Lumineszenz anregenden Strahlung 30 werden/wird beispielsweise mittels eines optoe­ lektrischen Sensors 4 festgestellt und danach die Temperatur T ermittelt.

Weist die festgestellte Lumineszenzwellenlänge λ(T) und/oder die festgestellte Lumineszenzabklingzeit Δt(T) einen vorge­ geben kritischen Wert auf, ist die dazu gehörige Temperatur T des Isolierstoffs unzulässig hoch.

Bei einem für den erwähnten Zweck geeigneten anderen Beispiel eines erfindungsgemäßen Isolierstoffs besteht der Indikator 2 aus einem Farbmittel, dessen Farbe temperaturabhängig verändert. Das Farbmittel kann ein Pigment und/oder ein Farbstoff sein.

Um die Temperatur in dem mit diesem anderen beispielhaften Isolierstoff isolierten elektrischen Leiter, beispielsweise in dem Stück Kabel 1 zu ermitteln, wird der Isolierstoff, im Beispielsfall der Mantel 11, mit sichtbarem, vorzugsweise weißen Licht 30' bestrahlt, das die Farbe des Indikators 2 mit dem Auge erkennen lässt.

Die von der Temperatur T des Isolierstoffs und damit des elektrischen Leiters abhängige Lumineszenzwellenlänge F(T) des Indikators 2 wird mit dem Auge festgestellt und danach die Temperatur T ermittelt.

Hat die festgestellte Farbe F(T) einen vorgegeben kritischen Farbwert, ist die dazu gehörige Temperatur T des Isolier­ stoffs unzulässig hoch.

Claims (5)

1. Isolierstoff zur Isolation eines elektrischen Leiters (10), mit einem im Isolierstoff enthaltenen Indikator (2), der sich temperaturabhängig optisch verändert.

2. Isolierstoff nach Anspruch 1, wobei der Indikator (2) ein Lumineszenzmittel, bei dem sich eine Lumineszenzeigenschaft temperaturabhängig verändert, aufweist.

3. Isolierstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Indikator (2) ein Farbmittel aufweist, dessen Farbe sich temperaturab­ hängig verändert.

4. Isolierstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo­ bei Indikator (2) im Isolierstoff verteilt ist.

5. Mit einem Isolierstoff nach einem der vorhergehenden An­ sprüche isolierter elektrischer Leiter (10).