DE102015202708A1 - Kabel und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Kabel sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kabels.
- Das Kabel ist insbesondere ein Datenkabel, das sich in einer Längsrichtung erstreckt und eine Anzahl von Leitungen aufweist sowie ein in Längsrichtung verlaufendes Strukturelement, zur Versteifung des Kabels, wobei die Leitungen in das Strukturelement eingebettet sind.
- Ein solches Kabel wird regelmäßig bei Anwendungen verwendet, bei denen das Kabel geschoben werden muss, beispielsweise bei sogenannten Abwasserkanal-Kameras oder Rohr-Kameras. Hierbei muss das Kabel eine gewisse mechanische Stabilität aufweisen, da es nicht lediglich verlegt wird, sondern häufig auch zum Schieben eines daran angebrachten Gerätes, beispielsweise einer Kamera oder anderer Sensorik dient. Daher wird das Kabel zum Einen besonders durch in Längsrichtung wirkende Kräfte beansprucht. Zum Anderen ergeben sich anwendungsbedingt häufig auch gebogene Pfade, sodass das Kabel zusätzlich entsprechenden Biegebelastungen unterliegt.
- Um zusätzliche, anwendungsbedingte Kräfte aufnehmen zu können und eine möglichst hohe mechanische Stabilität bei möglichst hoher Flexibilität zu gewährleisten, ist es allgemein bekannt, das Kabel mit einem zusätzlichen Strukturelement zu versehen, das aus einem Material mit hoher Steifigkeit bei gleichzeitig hoher Bruchdehnung gefertigt ist. Besonders glasfaser- oder kohlefaserverstärkte Kunststoffe oder Glas- bzw. Kohlefasern verbunden mit Harzen o. Ä. kommen hier zum Einsatz und werden häufig als Fasern oder Stäbe in Längsrichtung in das Kabel eingebunden.
- Das Kabel weist dann einen Aufbau auf, bei dem eine Anzahl von Strukturelementen mit einer Anzahl von Leitungen zum Kabel zusammengefügt ist. Die Leitungen sind dabei regelmäßig Daten- oder Signalleitungen, die gegen Störsignale geschirmt sind. Zur Herstellung des Kabel werden dann die jeweils fertigen Leitungen mit den Strukturelementen zum Kabel kombiniert, beispielsweise werden die Leitungen oder auch Adern oder andere Komponenten um das Strukturelement, das aus einer Vielzahl von Endlosfasern gebildet wird, verseilt. Diese Anordnung wird dann üblicherweise mit einem gemeinsamen Außenmantel versehen.
- Besonders geschirmte Leitungen weisen jedoch im Vergleich zu ungeschirmten Leitungen häufig einen deutlich größeren Durchmesser auf, da zur Gewährleistung bestimmter elektrischer Eigenschaften, insbesondere eines bestimmten Wellenwiderstands, ein Schirm der Leitung in entsprechendem Abstand zum Leiter angeordnet sein muss. Die Leitung weist demnach eine Isolation mit einer entsprechend großen Wandstärke auf welche dann auch zu einem entsprechend erhöhten Raumbedarf der Leitung im Kabel führt. Mit anderen Worten: der Durchmesser geschirmter Leitungen ist insbesondere aufgrund einer erhöhten Isolationswandstärke im Vergleich zu ungeschirmten Leitungen vergrößert. Entsprechend muss dann auch ein größeres Strukturelement ausgewählt werden, um die Leitungen unterzubringen und gleichzeitig die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften des Strukturelements nutzen zu können. Der erhöhte Raumbedarf der Leitungen im Strukturelement bedingt dann eine entsprechend dickere Ausbildung desselben, um weiterhin ein Brechen oder Bersten zu vermeiden.
- Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kabel anzugeben, das einen kompakteren Aufbau aufweist, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Kabeln mit Strukturelement und geschirmten Leitungen.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kabel mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kabels gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die im Folgenden gemachten Ausführungen bezüglich des Kabels sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
- Das Kabel ist insbesondere ein Datenkabel, das sich in einer Längsrichtung erstreckt und eine Anzahl von Leitungen aufweist sowie ein in Längsrichtung verlaufendes Strukturelement, zur Versteifung des Kabels. Dabei sind die Leitungen in das Strukturelement eingebettet und diese, nämlich die Leitungen und das Strukturelement, sind von einem gemeinsamen Schirm aus einem leitenden Material umgeben.
- Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht insbesondere darin, dass das gesamte Strukturelement mit den darin eingebetteten Leitungen in besonders einfacher Weise durch lediglich einen einzigen Schirm geschirmt ist und daher die Leitungen mit deutlich reduziertem Durchmesser insbesondere gegenüber herkömmlichen Ausführungen fertigbar sind. Ein bestimmter Wellenwiderstand einer jeweiligen Leitung wird und ist dann im Wesentlichen durch den gemeinsamen Schirm eingestellt, sodass in vorteilhafter Weise eine separate Schirmung der Leitungen nicht mehr notwendig ist. Die Leitungen sind dadurch dann insbesondere mit jeweils deutlich reduzierter Isolationswandstärke herstellbar, wodurch wiederum der Raumbedarf der Leitungen im Kabel vorteilhaft reduziert ist und das Strukturelement entsprechend stabiler ist. Im Querschnitt des Kabels betrachtet, ermöglicht der geringere Raumbedarf der Leitung, genauer der Isolierung der Leitung, ein entsprechendes Auffüllen mit Material des Strukturelements. Entsprechend wird dann vorteilhaft eine Vergrößerung des Gesamtdurchmessers des Kabels vermieden. Insbesondere im Vergleich zu einem herkömmlichen Kabel mit gleichen elektrischen Eigenschaften ist das hier vorgestellte Kabel kompakter hinsichtlich dessen Durchmesser bei zumindest gleicher oder sogar verbesserter mechanischer Stabilität.
- Durch die Anordnung des Schirms um das Strukturelement herum, ergibt sich zudem insbesondere ein im Vergleich zu separat geschirmten Leitungen vergrößerter Abstand des Schirms zu den eingebetteten Leitungen, sodass es auch möglich ist, die Adern mit besonders geringer Wandstärke auszuführen.
- Insbesondere da mit dem gemeinsamen Schirm eine geeignete Schirmung der Leitungen realisiert ist, wird vorzugsweise auf Einzelschirme für die Leitungen verzichtet. Mit anderen Worten: Die Leitungen sind vorzugsweise ungeschirmt ausgebildet, insbesondere lediglich als Leiter oder als isolierter Leiter, d.h. als Ader. Durch den Verzicht auf eine solche Einzelschirmung oder separate Schirmung der Leitungen ist es möglich, deren Isolierung mit besonders geringer Wandstärke auszubilden oder sogar gänzlich wegzulassen, wodurch der Raumbedarf der entsprechenden Leitung im gesamten Kabel deutlich reduziert ist. Mit anderen Worten: durch Ausbilden des gemeinsamen, direkt auf das Strukturelement aufgetragenen Schirms und Verzicht auf eine jeweils separate Schirmung der Leitungen ist eine deutliche Reduktion des Durchmessers der Leitungen möglich.
- Die Leitungen sind insbesondere Daten- oder Signalleitungen, beispielsweise USB-, Firewire- oder Ethernet-Leitungen oder Stromleitungen, zur Versorgung eines Verbrauchers, beispielsweise einer Kamera oder allgemein eines Sensors. Eine jeweilige Datenleitung dient dann beispielsweise der Übertragung von Digitalsignalen, eine Stromleitung zur Übertragung einer insbesondere geringen Leistung, beispielsweise im Bereich von wenigen 10 Watt. Die Leitungen weisen somit jeweils vorzugsweise einen Leiter auf, mit einem Querschnitt im Bereich von etwa 0,03 mm2 bis 0,5 mm2 insbesondere bei Datenleitungen und bis etwa 2,5 mm2 insbesondere bei Stromleitungen. In einer geeigneten Weiterbildung sind eine Anzahl dieser Leiter jeweils von einer zusätzlichen Isolierung umgeben. Der Durchmesser einer einzelnen Leitung liegt hierbei insbesondere etwa im Bereich von 0,4 bis 2,2 mm insbesondere bei Datenleitungen und bis etwa 3 mm insbesondere bei Stromleitungen.
- Der Schirm ist aus einem leitenden Material gefertigt, beispielsweise aus Kupfer, und vorzugsweise als Geflecht, Umlegung oder Umspinnung ausgeführt, wodurch der Schirm besonders einfach herzustellen ist. In einer geeigneten Ausgestaltung ist der Schirm direkt auf das Strukturelement aufgebracht und wird beispielsweise um dieses herum geflochten. Vorzugsweise weist der Schirm eine Schirmdicke auf, welche im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm liegt.
- Das Strukturelement, auch als Tragorgan bezeichnet, ist insbesondere aus einem Fasermaterial gefertigt, genauer gesagt aus einer Vielzahl von Fasern, insbesondere Endlosfasern. Zur Herstellung des Kabels werden vorzugsweise die Leitungen gemeinsam mit einer Vielzahl solcher Fasern zu einem gemeinsamen Verbund gebündelt, der dann durch ein Harzbad gezogen wird, um die verbleibenden Zwischenräume im Verbund aufzufüllen und eine besonders feste Verbindung der Fasern miteinander zu erzielen. Anschließend erfolgt zweckmäßigerweise eine Wärmebehandlung, beispielsweise in einem Ofen, zur Aushärtung des Harzes. In einer Variante ist das Strukturelement aus einer Vielzahl an zerteilten Fasern gefertigt, die in Kombination mit einem Füllmaterial beispielsweise über einen Extrusionsprozess zum Strukturelement zusammenbracht werden.
- Um eine besonders gleichmäßige Belastbarkeit des Kabels in radialer Richtung, das heißt in allen Richtungen senkrecht zur Längsrichtung zu erzielen, ist das Strukturelement vorzugsweise zentral geführt. Darunter wird insbesondere verstanden, dass das Strukturelement bezüglich des gesamten Kabelaufbaus zentral angeordnet ist und sich entsprechend in Längsrichtung erstreckt.
- Zweckmäßiger Weise weist das Strukturelement senkrecht zur Längsrichtung, d.h. in radialer Richtung eine kreisrunde Umfangskontur auf. Auf diese Weise ist das Kabel optimal für Anwendungen geeignet, bei denen das Kabel geschoben wird und dann aufgrund der runden Form entsprechend nicht verkantet. Die kreisrunde Umfangskontur ist insbesondere auch hinsichtlich der Verteilung von Kräften bei einer Biegebelastung des Kabels von Vorteil.
- In einer zweckmäßigen Variante ist das Strukturelement als Zylinder ausgebildet, in den die Leitungen eingebettet sind. Dadurch sind diese besonders optimal gegen Umwelteinflüsse von außen geschützt, da die Leitungen komplett vom Strukturelement umgeben werden. Insbesondere werden hierbei auch eventuell von den Leitungen gebildete Zwickel vom Strukturelement ausgefüllt. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht insbesondere darin, dass auch durch eine zentrale Anordnung der Leitungen ein entsprechend maximaler Abstand des Schirms zu den Leitungen hergestellt ist und auf diese Weise die Leitungen besonders dünn ausführbar sind, bei gleichzeitig ähnlichen elektrischen Eigenschaften, d.h. insbesondere Wellenwiderstand. Das Strukturelement weist hierbei beispielsweise einen Außendurchmesser von etwa 6 mm auf und der Innenraum weist einen Innenraumdurchmesser von lediglich etwa 1,5 mm auf, sodass sich eine Wandstärke von etwa 2,2 mm ergibt.
- In einer geeigneten Alternative sind die Leitungen in einer radialen Richtung jeweils in einem äußersten Abschnitt des Strukturelements angeordnet. In einer Variante ist hierbei das Strukturelement insbesondere als Zylinder ausgebildet, insbesondere mit zentral angeordneten Fasern. Durch die äußere Lage der Leitungen lassen sich diese besonders geeignet zueinander beabstanden, um auch eine Beeinflussung der Leitungen untereinander zu minimieren.
- Vorzugsweise sind die Leitungen in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet. Dadurch ergibt sich zum einen eine besonders geringe Beeinflussung der Leitungen untereinander; zum anderen ergibt sich die Unterbringung der Leitungen im Strukturelement zwangsweise eine entsprechende Anzahl von Ausnehmungen, in denen jeweils eine Leitung und gerade kein Material des Strukturelements angeordnet ist. Die dadurch möglicherweise jeweils entstehenden Schwachstellen des Strukturelements sind dann in optimaler Weise ebenfalls gleichmäßig verteilt, wodurch wiederum die Stabilität des gesamten Strukturelementes deutlich verbessert ist.
- In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst zumindest eine Leitung mehrere voneinander isolierte Leiter, die miteinander verseilt sind. Die Leitung ist entsprechend als mehradrige Leitung ausgebildet und dient beispielsweise als zweipolige Stromleitung oder zweiadrige Datenleitung.
- Zur Ausbildung eines besonders formsteifen Strukturelements, ist dieses in einer bevorzugten Ausgestaltung aus einem glasfaserverstärkten oder kohlefaserverstärkten Material gefertigt. Solche verstärkten Materialien weisen eine besonders hohe Bruchfestigkeit auf und zugleich eine besonders hohe Biegeflexibilität. Hierbei ist das Material beispielsweise ein Harz oder ein Kunststoff, mittels dessen die Fasern miteinander zum Strukturelement verbunden werden.
- Um die Stabilität des Kabels weiter zu verbessern, ist in einer bevorzugten Weiterbildung zwischen dem Strukturelement und dem Schirm eine Stabilisierungsschicht angeordnet. Diese wird insbesondere direkt auf das Strukturelement aufgetragen und anschließend von dem Schirm umgeben. Die Stabilisierungsschicht ist hierbei insbesondere aus den gleichen Fasern gefertigt wie das Strukturelement. Die Stabilisierungsschicht wird dann vorzugsweise radial um das Strukturelement (kreuz-)gewickelt und unterstützt auf diese Weise die im Wesentlichen längslaufenden Fasern des Strukturelementes. Die Stabilisierungsschicht wird insbesondere noch vor einem Eintauchen in ein Harzbad aufgebracht, sodass die Stabilisierungsschicht und das Strukturelement dann in fertigem Zustand eine Einheit bilden.
- In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfasst das Kabel einen Außenmantel, welcher den Schirm umgibt, d.h. insbesondre direkt auf diesen aufgetragen ist. Mittels des Außenmantels ist insbesondere ein verbesserter Schutz des Strukturelements und der Leitungen gegenüber Umwelteinflüssen realisiert.
- Aufgrund der besonders kompakten Bauweise des Kabels eignet sich dieses besonders zur Untersuchung von räumlich stark begrenzten Umgebungen. Da mittels des Strukturelements zudem eine besonders gute Druckfestigkeit, insbesondere in Längsrichtung gegeben ist, eignet sich das Kabel auch besonders für Anwendungen, bei denen das Kabel geschoben wird. Daher wird das Kabel vorzugsweise zur Untersuchung von Rohrleitungen verwendet und ist entsprechend in einem dazu geeigneten Kamerasystem eingesetzt. Ein solches Kamerasystem umfasst zusätzlich zu dem Kabel dann eine Kamera, die endseitig an das Kabel angebunden ist, insbesondere mechanisch sowie auch elektrisch. Das Kabel dient dann zum Einen der Versorgung der Kamera mit Strom, der Übermittlung von Daten von der Kamera an ein am anderen Ende des Kabels angeschlossenes Empfangs- und Steuergerät sowie zur Bewegung der Kamera. Das Kabel weist hierbei insbesondere eine Länge im Bereich von etwa 1 bis 100 m auf.
- Nachfolgende werden Ausführungsbeispiele anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
-
1 ein Kabel im Querschnitt und -
2 eine Variante des Kabels. - In
1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kabels2 gezeigt, welches ein zentral geführtes Strukturelement4 umfasst, in das eine Anzahl von hier vier Leitungen6 eingebettet ist. In der hier gezeigten Ausführungsform sind diese Leitungen6 in einem äußersten Abschnitt des Strukturelements4 angeordnet, d.h. radial außenliegend und innerhalb einer in Umlaufrichtung U verlaufenden Umfangskontur K des Strukturelements4 , insbesondere an diese angrenzend. Drei der hier dargestellten Leitungen6 sind als einfache Leiter8 ausgebildet und umfassen in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel keine weitere Isolierung10 oder Schirmung. Diese Leiter8 sind aus einem leitenden Material gefertigt, beispielsweise Kupfer oder Aluminium und stehen insbesondere in direktem Kontakt mit dem Strukturelement4 . Die vierte Leitung6 ist hier als Aderpaar ausgeführt und umfasst entsprechend zwei Leiter8 , die jeweils von einer Isolierung10 umgeben sind. Dadurch werden zwei Adern12 ausgebildet, die hier insbesondere miteinander verseilt sind. - Die Leitungen
6 sind jeweils ungeschirmt ausgeführt, d.h. weisen jeweils keinen separaten Schirm oder separate Schirmlage auf. Stattdessen ist das gesamte Strukturelement4 mit den darin eingebetteten Leitungen6 von einem gemeinsamen Schirm14 umgeben. Dieser ist insbesondere als Geflecht aus einem leitenden Material ausgeführt. - In dem hier gezeigten Beispiel weisen die Leiter
8 jeweils einen Durchmesser D1 von etwa 0,25 mm auf. Die Adern12 weisen jeweils einen Durchmesser D2 von etwa 0,8 mm auf. Das Strukturelement4 weist hier insbesondere einen Durchmesser D3 von etwa 6 mm auf, das gesamte Kabel2 weist dann einen Durchmesser D4 von etwa 8 mm auf. - Der Schirm
14 liegt hier nicht direkt am Strukturelement4 an, vielmehr ist zwischen diesen beiden Elementen eine Stabilisierungsschicht16 angeordnet, welche hier insbesondere ebenfalls als Geflecht aus den gleichen Fasern wie auch das Strukturelement4 ausgebildet ist und eine äußerste Schicht des Strukturelements4 bildet. Entsprechend sind die Leitungen6 jeweils insbesondere innerhalb der Stabilisierungsschicht16 angeordnet. In einer Alternative ist die Stabilisierungsschicht16 als Umwicklung ausgebildet. Als äußerste Schicht umfasst das Kabel2 schließlich einen Außenmantel18 , der als gemeinsamer Außenmantel18 um sämtliche Leitungen6 , das Strukturelement4 sowie den Schirm14 herum aufgetragen ist. -
2 zeigt eine Variante des Kabels2 , bei dem das Strukturelement4 als sich in Längsrichtung L, d.h. senkrecht zur radialen Richtung R, erstreckender Zylinder ausgebildet ist, in welchen eine Anzahl von Leitungen6 eingebettet ist. Die hier zwei Leitungen6 sind jeweils als Ader12 ausgebildet, mit einem Leiter8 und einer diesen jeweils umgebenden Isolierung10 . In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Leitungen6 nahe des Zentrums Z des Kabels2 geführt und somit maximal zum Schirm14 in radialer Richtung R beabstandet. Die Leitungen6 bilden zudem eine Anzahl von Zwickeln20 aus, die vom Strukturelement4 ausgefüllt sind. Wie schon in1 weist auch hier das Strukturelement4 eine kreisrunde Umfangskontur K auf. - Bezugszeichenliste
-
- 2
- Kabel
- 4
- Strukturelement
- 6
- Leitung
- 8
- Leiter
- 10
- Isolierung
- 12
- Ader
- 14
- Schirm
- 16
- Stabilisierungsschicht
- 18
- Außenmantel
- 20
- Zwickel
- D1, D2, D3, D4
- Durchmesser
- L
- Längsrichtung
- R
- radiale Richtung
- U
- Umfangsrichtung
- Z
- Zentrum
Claims (14)
- Kabel (
2 ), insbesondere Datenkabel, das sich in einer Längsrichtung (L) erstreckt und eine Anzahl von Leitungen (6 ) aufweist sowie ein in Längsrichtung (L) verlaufendes Strukturelement (4 ), zur Versteifung des Kabels (2 ), wobei die Leitungen (6 ) in das Strukturelement (4 ) eingebettet sind, wobei die Leitungen (6 ) und das Strukturelement (4 ) von einem gemeinsamen Schirm (14 ) aus einem leitenden Material umgeben sind. - Kabel (
2 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (6 ) jeweils ungeschirmt ausgebildet sind. - Kabel (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (4 ) zentral geführt ist. - Kabel (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (4 ) im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) eine kreisrunde Umfangskontur (K) aufweist. - Kabel (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (4 ) als Zylinder ausgebildet ist, in den die Leitungen (6 ) eingebettet sind. - Kabel (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (6 ) in einer radialen Richtung (R) jeweils in einem äußersten Abschnitt des Strukturelements (4 ) angeordnet sind. - Kabel (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (6 ) in Umfangsrichtung (U) gleichmäßig verteilt angeordnet sind. - Kabel (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Leitung (6 ) mehrere voneinander isolierte Leiter (8 ) umfasst, die miteinander verseilt sind. - Kabel (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (4 ) aus einem glasfaserverstärkten oder kohlefaserverstärkten Material gefertigt ist. - Kabel (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Strukturelement (4 ) und dem Schirm (14 ) eine Stabilisierungsschicht (16 ) angeordnet ist. - Kabel (
2 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsschicht (16 ) als Umwicklung oder Geflecht ausgeführt ist. - Kabel (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Außenmantel (18 ) aufweist, der den Schirm (14 ) umgibt. - Kabel (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses in einem Kamerasystem zur Untersuchung von Rohrleitungen eingesetzt ist. - Verfahren zur Herstellung eines Kabels (
2 ), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das sich in einer Längsrichtung (L) erstreckt und eine Anzahl von Leitungen (6 ) aufweist sowie ein in Längsrichtung (L) verlaufendes Strukturelement (4 ), zur Versteifung des Kabels (2 ), wobei die Leitungen (6 ) in das Strukturelement (4 ) eingebettet werden und anschließend die Leitungen (6 ) und das Strukturelement (4 ) von einem gemeinsamen Schirm (14 ) aus einem leitenden Material umgeben werden.
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