DE10315609A1

DE10315609A1 - Datenübertragungskabel

Info

Publication number: DE10315609A1
Application number: DE2003115609
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Dipl.-Ing. Grögl; Thomas Mann
Original assignee: Nexans SA
Current assignee: Nexans SA
Priority date: 2003-04-05
Filing date: 2003-04-05
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-04-06
Also published as: DE10315609B4

Abstract

Es wird ein Datenübertragungskabel angegeben, das aus mindestens zwei miteinander verseilten Adern (1, 2) besteht, von denen jede einen von einer Isolierung (4) umgebenen Leiter (3) aufweist. Die beiden Adern (1, 2) sind von einem gemeinsamen elektrischen Schirm (8) umgeben. Sie weisen eine massive, ungeschäumte Isolierung auf und sind gemeinsam mit zwei aus geschäumtem Isoliermaterial bestehenden Strängen (5, 6) zu einer Seele (S) verseilt. Die Seele (S) ist von einer aus geschäumtem Isoliermaterial bestehenden Folie (7) umgeben und um die Folie (7) ist als Schirm (8) ein zu einer rohrförmig geschlossenen Hülle geformtes, elektrisch leitfähiges Kunststoffvlies herumgeformt, das mit einem elektrisch gut leitenden Metall durchdringend beschichtet ist, welches durch Abscheiden aus der Dampfphase auf und in das Kunststoffvlies gebracht ist.

Description

Datenübertragungskabel, bestehend aus mindestens zwei miteinander verseilten Adern, von denen jede einen von einer Isolierung umgebenen Leiter aufweist, bei welchem die beiden Adern von einem gemeinsamen elektrischen Schirm umgeben sind.

Derartige Datenübertragungskabel – im folgenden kurz „Kabel" genannt – können beispielsweise in Gebäuden fest installierte Kabel sein. Es können auch wenig bewegte Kabel zum Verbinden von Geräten sein. Ein weiteres Einsatzgebiet als flexible Kabel ist die Verbindung von ortsveränderlichen Geräten mit einer Spannungs- bzw. Signalquelle. Im folgenden wird das Einsatzgebiet „Anschluß an ortsveränderliche Geräte" berücksichtigt, stellvertretend für alle anderen Einsatzgebiete des Kabels. Ortsveränderliche Geräte können beispielsweise Kräne, Werkzeugmaschinen und Roboter sein. Die Kabel müssen mechanisch hoch belastbar sein, mit einer auf Dauer gleichbleibenden Biege- und Torsionsfestigkeit. Sie müssen auch in einem weiten Temperaturbereich flexibel bleiben, der beispielsweise zwischen –40 °C und +80 °C liegt. Die Elemente dieser Kabel müssen außerdem so aufgebaut sein, daß die Übertragung von Daten mit erhöhten Datenraten nicht beeinträchtigt wird. Das gilt insbesondere für Datenraten ab 100 Mbit/sec. Neben einer möglichst geringen Dämpfung der zu übertragenden Daten ist auch eine ausreichende elektrische Schirmung erforderlich, damit die Datenübertragung nicht durch äußere Felder beeinflußt werden kann und damit ein solches Kabel keine Störstrahlung abgibt.

Bei bekannten, auf dem Markt erhältlichen Kabeln sind die Leiter mit geschäumtem Material isoliert, um eine möglichst niedrige Dielektrizitätskonstante zu erhalten. Das ist zwar aus elektrischen Gründen sinnvoll, führt aber zu einer Verschlechterung der mechanischen und dadurch oft auch der elektrischen Eigenschaften eines solchen Kabels. Die geschäumten Isolierungen mit Wanddicken im Bereich von 0,2 mm sind relativ weich und können bei häufig wechselnden Biege- und Torsionsbeanspruchungen leicht eingedrückt werden. Solche Kabel haben außerdem einen als Geflecht aus Kupferdrähten ausgeführten Schirm, der bei höheren Frequenzen bzw. Datenraten elektrisch in der Regel ausreichend dicht ist, so daß es nicht zu passiven und aktiven Störungen der Kabel kommt. Ein solcher Schirm ist aber für Kabel im Anwendungsbereich Roboter nur bedingt geeignet. Er kann bei den häufig wechselnden Biege- und Torsionsbeanspruchungen leicht zerstört werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs geschilderte Kabel so zu gestalten, daß es bei Datenraten bis und über 100 Mbit/sec eine dämpfungsarme und störungsfreie Datenübertragung mit wirksamer Schirmung gewährleistet, und zwar auch bei häufig wechselnder Biege- und Torsionsbeanspruchung.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

– daß die beiden Adern eine massive, ungeschäumte Isolierung aufweisen und gemeinsam mit zwei ersten, aus geschäumtem Isoliermaterial bestehenden Strängen zu einer Seele verseilt sind,
– daß die Seele von einer aus geschäumtem Isoliermaterial bestehenden Folie umgeben ist und
– daß um die Folie als Schirm ein zu einer rohrförmig geschlossenen Hülle geformtes, elektrisch leitfähiges Kunststoffvlies herumgeformt ist, das mit einem elektrisch gut leitenden Metall durchdringend beschichtet ist, welches durch Abscheiden aus der Dampfphase auf und in das Kunststoffvlies gebracht ist.

Bei diesem Kabel sind die elektrischen Leiter der Adern mit massivem, nicht geschäumtem Material isoliert. Die Isolierung der Adern ist daher so stabil, daß sie auch bei ständig wechselnder Biege- und Torsionsbeanspruchung nicht verdrückt werden kann. Eine ausreichend niedrige Dielektrizitätskonstante wird für jedes aus zwei miteinander verseilten Adern bestehende Paar durch die auch zur weiteren Stabilität und Rundheit des Paares beitragenden, mit den Adern mitverseilten Stränge aus geschäumtem Isoliermaterial und die jedes Paar umgebende Folie aus ebenfalls geschäumtem Isoliermaterial erreicht. Das eine geschlossene metallische Hülle bildende, metallisierte Kunststoffvlies stellt einen elektrisch wirksamen Schirm dar, der eine insbesondere bei höheren Frequenzen bzw. Datenraten dichte Abschirmung sicherstellt. Der Schirm ist außerdem sehr gut biegbar, so daß er gegebenenfalls häufig wechselnde Biege- und Torsionsbeanspruchungen unbeschadet aushält. Diese gute Biegbarkeit des Schirms wird im wesentlichen durch das aus Kunststoff, vorzugsweise aus Polyester, bestehende Vliesmaterial bestimmt, die auch nach dem Aufbringen und Einbringen des elektrisch gut leitenden Metalls nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Das Metall, bei dem es sich vorzugsweise um Kupfer handelt, wird aus der Dampfphase abgeschieden. Es schlägt sich nicht nur auf der äußeren Oberfläche des Vliesmaterials nieder, sondern dringt auch in dasselbe ein und umhüllt dessen innere Fasern, die bekanntermaßen ungeordnet im Vliesmaterial zusammengehalten sind. Das Kunststoffvlies ist dann also „durchdringend" beschichtet. Es hat dadurch eine zwar poröse, aber trotzdem nahezu vollständige geschlossene Metallschicht, die eine Bedeckung der umschlossenen Seele des Kabels mit elektrisch wirksamem, metallischem Material von > 85 % ergibt.

Der Schirm kann durch aufgeseilte bzw. aufgeflochtene Kupferdrähte, die auch verzinnt sein können, komplettiert werden, durch welche das darunter liegende Kunststoffvlies von außen abgestützt und damit stabilisiert wird.

Mit besonderem Vorteil wird das elektrisch leitende Kunststoffvlies dann eingesetzt, wenn mindestens zwei von einer geschäumten Folie umgebene Seelen eines Kabels mit dem beschriebenen Aufbau zu einem übergeordneten Kabel verseilt werden. Ein solches übergeordnetes Kabel kann einen alle Seelen umgebenden gemeinsamen Schirm haben, der aus dem elektrisch gut leitenden Kunststoffvlies besteht. Die Seelen benötigen dann nicht unbedingt einen eigenen Schirm. Wenn die Seelen jeweils einen eigenen Schirm aus dem elektrisch leitenden Kunststoffvlies haben, wird nicht unbedingt ein gemeinsamer Schirm benötigt. Es kann auch dann aber ein gemeinsamer Schirm vorhanden sein, der beliebig ausgeführt, aber auch aus dem elektrisch leitenden Kunststoffvlies bestehen kann. Bei dieser Ausführungsform des übergeordneten Kabels liegen alle Schirme aneinander an, so daß eine zentrale Erdung möglich ist. Besonders vorteilhaft macht sich bei diesem Kabelaufbau das elektrisch leitende Kunststoffvlies bemerkbar, welches schon oberhalb von 2 MHz bis 3 MHz gegenüber herkömmlichen elektrischen Schirmen zu kleineren Werten des Kopplungswiderstandes führt, mit einem deutlichen Minimum in höheren Frequenzbereichen. Es werden bei Frequenzen über 100 MHz wesentlich erhöhte Schirmdämpfungswerte erreicht. Das ist besonders bei der schnellen Datenübertragung von Vorteil. Neben der verbesserten Schirmung einer einzelnen Seele ergibt sich außerdem eine verbesserte Nebensprechdämpfung zwischen zwei oder mehr geschirmten Seelen. Das führt zu verbesserten Übertragungseigenschaften bei der hochfrequenten Datenübertragung und gegebenenfalls zu einer größeren Reichweite der Übertragung.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt eines Kabels nach der Erfindung mit einem Paar von isolierten Leitern.
2 einen Querschnitt durch ein Kabel mit zwei Paaren.
3 und 4 Querschnitte durch ein Kabel mit vier Paaren in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen.
Das Kabel nach 1 hat zwei Adern 1 und 2, die jeweils einen aus Kupfer bestehenden Leiter 3 aufweisen, der von einer Isolierung 4 aus massivem, nicht geschäumtem Isoliermaterial umgeben ist. Die Adern 1 und 2 sind zu einem Paar verseilt. Zusammen mit den Adern 1 und 2 sind zwei erste Stränge 5 und 6 verseilt, die aus geschäumtem Isoliermaterial bestehen. Die Stränge 5 und 6 können einteilig als Fäden, aber auch mehrteilig als Kordeln ausgeführt sein. Die Adern 1 und 2 und die Stränge 5 und 6 bilden eine Seele S des Kabels. Um die Seele S ist eine Folie 7 aus geschäumtem Isoliermaterial herumgelegt. Durch die ersten Stränge 5 und 6 sowie die Folie 7 wird die Seele S mit hohem Luftanteil insgesamt stabilisiert. Die Stränge 5 und 6 füllen die Zwickel zwischen den beiden Adern 1 und 2 auf, so daß die Folie 7 aus geschäumtem Isoliermaterial eine etwa kreisrunde Unterlage hat. Sie kann längseinlaufend um die Seele S herumgeformt oder um dieselbe herumgewickelt sein.
Die Leiter 3 der Adern 1 und 2 sind in bevorzugter Ausführungsform als Litzenleiter ausgeführt. Sie können aber auch als massive Drähte ausgebildet sein. Für die Isolierung 4 der Adern 1 und 2 können vorzugsweise Hochdruckpolyethylen, Polypropylen oder Fluorpolymere, wie Fluorethylenpropylen und Polytetrafluorethylen, verwendet werden. Die Isolierung 4 kann jeweils auch aus zwei fest miteinander verbundenen Schichten bestehen, und zwar aus einer weicheren, an den Leitern 3 liegenden Innenschicht und einer dieselbe umgebenden härteren Außenschicht. Die Adern 1 und 2 haben beispielsweise einen maximalen Außendurchmesser von 1,0 mm. Sie sind dann für übliche Steckersysteme, wie beispielsweise RJ-45, verwendbar. Die ersten Stränge 5 und 6 können vorzugsweise aus geschäumtem Polyethylen oder Polypropylen bestehen. In bevorzugter Ausführungsform wird für die Folie 7 hoch aufgeschäumtes Polytetrafluorethylen verwendet. Dieses Material sichert gute elektrische Werte. Es ist außerdem zugfest und hat gute Gleiteigenschaften.
Die aus den Adern 1 und 2 sowie den ersten Strängen 5 und 6 bestehende und mit der Folie 7 ausgerüstete Seele S ist mechanisch stabil. Sie kann auch sich häufig ändernde Biege- und Torsionsbeanspruchungen ohne Beschädigung aushalten. Trotzdem hat die Seele S – wie bereits erwähnt – auch gute elektrische Eigenschaften, da mit den ersten Strängen 5 und 6 und der Folie 7 aus hoch aufgeschäumtem Material sehr viel Luft in derselben vorhanden ist.
Über der Folie 7 ist ein Schirm 8 angebracht, der aus einem metallisierten Kunststoffvlies besteht, das zu einer rohrförmig geschlossenen Hülle geformt ist. Dazu kann ein Band aus dem Vliesmaterial längseinlaufend um die Folie 7 herumgelegt werden. In bevorzugter Ausführungsform wird das Band aber mit überlappenden Kanten um die Folie 7 herumgewickelt.
Das Kunststoffvlies besteht in bevorzugter Ausführungsform aus Polyester. Es kann aber auch aus anderen geeigneten Kunststoffen bestehen. Seine Wandstärke bzw. Dicke liegt vorzugsweise zwischen 80 μm und 150 μm. Für seine Metallisierung wird ein elektrisch gut leitendes Metall verwendet, insbesondere Kupfer. Das Kupfer wird für die Metallisierung in den schmelzflüssigen Zustand überführt und aus der Dampfphase auf dem Vliesmaterial abgeschieden. Dabei dringt das Kupfer auch in das Vliesmaterial ein und umhüllt die dort befindlichen, ungeordnet zusammengehaltenen Fasern. Insgesamt wird auf und in dem Kunststoffvlies eine zwar poröse, aber nahezu geschlossene Kupferschicht erzeugt, die eine Bedeckung von > 85 % für einen umschlossenen Gegenstand – hier ist es die Folie 7 – ergibt.
Auf das Kunststoffvlies kann nach dem Abscheiden des Kupfers zusätzlich noch eine als Oxidationsschutz dienende Nickelschicht aufgebracht werden, und zwar in gleicher Weise wie das Kupfer aus der Dampfphase heraus.
Um den aus dem metallisierten Kunststoffvlies bestehenden Schirm 8 können zu seiner zusätzlichen Stabilisierung um denselben herum Kupferdrähte mit einer Bedeckung von ≥ 90 % aufgeseilt oder aufgeflochten sein. Über dem Schirm 8 ist ein Mantel 9 aus Isoliermaterial angeordnet. Er besteht beispielsweise aus Polyurethan. Zwischen dem Mantel 9 und dem Schirm 8 kann zum vereinfachten Abmanteln eine Trennschicht aus einem Faserband aufgewickelt sein, das aus einem Polyestervlies oder aus Zellulosepapier bestehen kann.
Das Kabel nach der Erfindung hat in bevorzugter Ausführungsform mindestens zwei von einer Folie 7 und einem Schirm 8 gemäß 1 umgebene Seelen S, die miteinander verseilt sind. Diese Verseilelemente werden im folgenden als „Einheiten 10" bezeichnet. Ein solches übergeordnetes Kabel mit zwei miteinander verseilten Einheiten 10 ist in 2 dargestellt. Die beiden Einheiten 10 sind gemeinsam mit zwei zweiten Strängen 11 verseilt. Die Stränge 11 können aus Kunststoff bestehen und beispielsweise als Kordeln aus Polypropylen ausgeführt sein. Sie können zur weiteren Verbesserung der Schirmung aber auch aus elektrisch gut leitendem Material bestehen und dabei als Kupferlitzen oder Kupferflechtelemente ausgebildet sein. Über der Verseileinheit aus Einheiten 10 und Strängen 11 ist ein Schirm 12 angebracht, der den gleichen Aufbau wie der Schirm 8 nach 1 hat. Die Stränge 11 liegen sowohl an den Schirmen 8 als auch am Schirm 12 an. Um den Schirm 12 kann eine Umseilung 13 aus Kupferdrähten herumgelegt sein, die von einer Trennschicht 14 und einem Mantel 15 aus Isoliermaterial umgeben ist, welcher dem Mantel 9 nach 1 entspricht. Die Trennschicht 14 kann aus einem Polyestervlies oder aus Zellulosepapier bestehen. Die Schirme 8 der Einheiten 10 und der gemeinsame Schirm 12 liegen aneinander an. Sie können daher sehr einfach gemeinsam geerdet werden. Das Kabel nach 2 sichert entsprechend den obigen Ausführungen eine hohe Nebensprechdämpfung.
In den 3 und 4 sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen eines übergeordneten Kabels mit vier miteinander verseilten Einheiten 10 dargestellt. Die vier Einheiten 10 sind hier gemeinsam mit vier zweiten Strängen 11 verseilt. Zentral zwischen den Einheiten 10 kann ein weiterer Strang 16 aus Isoliermaterial oder aus elektrisch gut leitendem Material angeordnet sein. Die Verseilelemente des Kabels nach den 3 und 4 sind so wie für 2 beschrieben von einem Schirm 12, einer Umseilung 13, einer Trennschicht 14 und einem Mantel 15 umgeben. Auch hier liegen alle Schirme 8 und 12 wieder direkt aneinander an.
Die Ausführungsform des Kabels nach 4 unterscheidet sich von der nach 3 dadurch, daß über den Schirmen 8 der Einheiten 10 zusätzlich Kupferdrähte 17 aufgeseilt bzw. aufgeflochten sind.
Um die gewünschte Biegewechselfestigkeit und Tordierbarkeit des Kabels mit erhöhter Sicherheit zu erreichen, ist es sinnvoll, daß alle Verseilelemente – das sind alle Adern, Stränge, Schirme und gegebenenfalls die Kupferdrähte – in der gleichen Richtung verseilt bzw. aufgewickelt sind. Das gilt auch für die Einzeldrähte der Leiter, wenn dieselben als Litzenleiter ausgeführt sind. In bevorzugter Ausführungsform werden alle angeführten Aufbauelemente des Kabels unter dem gleichen Winkel verseilt bzw. aufgewickelt.
In den dargestellten und beschriebenen übergeordneten Kabeln nach den 2 bis 4 haben alle Seelen S einen Schirm 8. Es ist außerdem stets ein gemeinsamer Schirm 12 dargestellt und beschrieben. Diese übergeordneten Kabel können auch so aufgebaut sein, daß nur ein gemeinsamer Schirm vorhanden ist, während die Seelen S keinen eigenen Schirm haben. Dieser gemeinsame Schirm besteht mit Vorteil aus dem oben beschriebenen leitfähigen Kunststoffvlies. Das übergeordnete Kabel kann aber auch ohne gemeinsamen Schirm aufgebaut sein, wenn alle Seelen S mit einem eigenen Schirm 8 entsprechend dem beschriebenen Aufbau versehen sind.

Claims

Datenübertragungskabel, bestehend aus mindestens zwei miteinander verseilten Adern, von denen jede einen von einer Isolierung umgebenen Leiter aufweist, bei welchem die beiden Adern von einem gemeinsamen elektrischen Schirm umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, – daß die beiden Adern (1, 2) eine massive, ungeschäumte Isolierung aufweisen und gemeinsam mit zwei ersten, aus geschäumtem Isoliermaterial bestehenden Strängen (5, 6) zu einer Seele (S) verseilt sind, – daß die Seele (S) von einer aus geschäumtem Isoliermaterial bestehenden Folie (7) umgeben ist und – daß um die Folie (7) als Schirm (8) ein zu einer rohrförmig geschlossenen Hülle geformtes, elektrisch leitfähiges Kunststoffvlies herumgeformt ist, das mit einem elektrisch gut leitenden Metall durchdringend beschichtet ist, welches durch Abscheiden aus der Dampfphase auf und in das Kunststoffvlies gebracht ist.
Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfähige gemachte Kunststoffvlies zusätzlich mit Nickel durchdringend beschichtet ist, das durch Abscheiden aus der Dampfphase aufgebracht ist.
Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vervollständigung des Schirms (8) über dem elektrisch leitfähigen Kunststoffvlies eine Umseilung aus Kupferdrähten mit einer Bedeckung von ≥ 85 % angebracht ist.
Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vervollständigung des Schirms (8) über dem elektrisch leitfähigen Kunststoffvlies ein Geflecht aus Kupferdrähten mit einer Bedeckung von ≥ 85 % angebracht ist.
Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (7) aus hoch aufgeschäumtem Polytetrafluorethylen besteht.
Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, – daß mindestens zwei von einer Folie (7) aus geschäumtem Isoliermaterial umgebene Seelen (S) zusammen mit mindestens zwei zweiten Strängen (11) zu einer Einheit verseilt sind, und – daß die Einheit von einem gemeinsamen, elektrisch gut leitfähigen Schirm (12) umgeben sind.
Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß um jede der Seelen (S) ein Schirm (8) aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoffvlies angebracht ist.
Kabel nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Stränge (11) aus elektrisch gut leitendem Material bestehen und sowohl an den Schirmen (8) der Seelen (S) als auch an dem gemeinsamen Schirm (12) anliegen.
Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei von einer Folie (7) aus geschäumtem Isoliermaterial und einem Schirm (8) aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoffvlies umgebene Seelen (S) zusammen mit mindestens zwei zweiten Strängen (11) verseilt sind.
Kabel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Stränge (11) aus elektrisch gut leitendem Material bestehen und an den Schirmen (8) der jeweils benachbarten Seelen (S) anliegen.
Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß alle Verseilelemente unter dem gleichen Winkel verseilt bzw. aufgewickelt sind.
Verwendung eines Kabels nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Anschlußkabel für ortsveränderliche Geräte.
Verwendung eines Kabels nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für Übertragungsraten von mindestens 100 Mbit/sec.