DE1765288A1

DE1765288A1 - Isoliertes Natriumkabel und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1765288A1
Application number: DE19681765288
Authority: DE
Inventors: Bailey Carl Asa; Isaacson Raymond Erick
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-05-09
Filing date: 1968-04-27
Publication date: 1971-07-15
Also published as: BE714829A; US3534132A; ES353645A1; FR1561864A; NL6806554A; JPS456742B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines isolierten Natriumkabels. Naoh der Entdeckung von Humphrey mit Mitarbeitern, veröffentlicht in "Insitute of Electrical and Electronics Engineers, Blätter Nr. 31 PP 66 443 und Hr. 31 PP 66 444, wird ein isoliertes Natriumkabel durch Extrudieren eines Polyäthylenschlauchs hergestellt, der gleichzeitig mit flüssigem Natrium gefüllt wird, wonach das erhaltene Gebilde durch, ein Kühlbad gezogen wird. Diese Erfindung bezieht sioh ausschliesslich auf thermoplastische Polyäthyleniaolierungsüberzüge und nicht auf eine wärmehärtbare oder vernetzte Polyäthylenkomposition. -

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Vernetzte Polymer-Kompositionen, besonders vernetztes Polyäthylen, haben beide Verbreitung als Isoliermaterial für Drähte und Kabel gefunden. Bei der Herstellung eines isolierten Kabels mit vernetztem Polyäthylen wird eine härtbare Polyäthylenkomposition um einen wechselmetallischen Leiter extrudiert und das Kabel durch einen Wärmeofen geleitet, wo das Polyäthylen unter einem Dampfdruck von 14 bis 18 kg/cm ausgehärtet wird. Das gleiche Vorgehen kann zur Herstellung eines isolierten Natriumleiters wegen der Gefahr beim Arbeiten mit Natrium in Gegenwart von V/asser nicht herangezogen werden. Darüberhinaus ist Natrium bei der-Bearbeitungstemperatur flüssig, der hohe Ofendruck würde die Kabelwand zusammendrücken und das Natrium aus der Isolierhülle herausquetschen.

Die Begriffe »Draht» und "Kabel", wie sie hier urfS in den nachfolgenden Patentansprüchen benutzt werden, sind als Synonyma zu betrachten und können abwechselnd benutzt werden. Die Probleme werden in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass das Kabel durch ein nichtwässriges Wärmeauetauschmedium geführt wird, das eine Temperatur aufweist, die ausreicht, das Polymere zu härten und das gehärtete Kabel auf eine Temperatur zu kühlen, bei der dae Natrium fest wird. Die Einzelheiten der .Erfindung werden nun im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt die bei der Erfindung benutzte Apparatur.

Figur 2 schematisiert nähere Einzelheiten der Apparatur aus Figur 1.

Figur 3 ist der Teilquerschnitt eines Extruderkopfes, der für die Herstellung des erfindungsgemässen Kabele herangezogen werden kann.

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Figur 4 ist der Querschnitt eines Kabels, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden .Erfindung hergestellt wurde.

Figur 5 ist der Querschnitt eines Kabels, das eine Alternativ lösung der Erfindung zeigt.

Bei den Zeichnungen sind vergleichbare Teile durchweg mit den selben Bezugszeichen versehen, die Trommel 10 dient als Vorratsgefäss zur Zuführung des flüssigen Natriums 12 zur Extruderpresse 14. Die Trommel wird auf herkömmliche Weise erhitzt, zum Beispiel durch eine Heizspirale , um das Natrium im flüssigen Zustand zu halten. Das Natrium wird der Trommel aus einem geeigneten Behälter (entweder diskontinuierlich oder kontinuierlich) zugeführt. Über das flüssige Natrium in der Trommel wird eine Ölschicht gelagert, um das Natrium vor den Einflüssen der Atmosphäre zu schützen. Der Ölpegel in der Trommel, der durch eine auf verschiedene Geschwindigkeiten einstellbare Pumpe kontrolliert wird, reguliert auch den Druck, mit welchem das Natrium dem Extruder zugeführt wird. Die polymere Isolationsverbindung gelangt in den Extruder 14 über den Einfüllstutzen 20. Bei dem Verfahren werden sowohl das Polymere als auch das flüssige Natrium gleichzeitig solchermassen extrudiert, dass das Polymere das flüssige Natrium umhüllt. Figur 3 zeigt detailliert den Extruderkopf 22 mit einer zylindrisch ausgebildeten Düse 24, die in der Mitte des Extruderkopfes liegt und mit der Natriumquelle in Verbindung steht. Die Öffnung zwischen Düse und Spritzform 25 bestimmt die Wanddicke des Überzugs. Das flüssige Natrium wird durch die Bohrung 26 der

Spritzdüse 25 mit einer Geschwindigkeit gedrückt, die dar Extrusion des Iaolationsschlauches entspricht; dabei wird der Schlauch mit Natrium gefüllt und dieser ist seinerseits von der Isolationsschicht vollständig umgeben. Die Überzugsmischung muss bei einer Temperatur extrudiert werden, die das Material plastisch erhält, jedoch unter der

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Zersθtzungstemperatür des Aushärtungshilfsstoffes liegt, um eine beginnende Aushärtung zu vermeiden. Zum Beispiel wird eine Polyäthylenkomposition mit mineralischen Füllstoffen und einem organischen Peroxid, wie #-Cumylperoxid als Härtungsmittel bei 105 bis 140⁰C, vorzugsweise zwischen 120 bis 135⁰C extrudiert. Die gleichzeitige Extrusion von zwei Komponenten, wie hier beschrieben, ist in der Technik gut bekannt und bildet keinen Teil dieser .Erfindung.

Nach dem Austreten aus dem Extruder und noch im plastischen Zustand, wird das gebildete Kabel 28 durch ein langes Rohr 30 geleitet, das ein wärmeaustauschendes Medium 31 enthält. Das Rohr 30 ist mit einer Abflussvorrichtung versehen, die mit einem geeigneten Ventil (nicht gezeichnet) ausgestattet ist. Das wärmeaustauschende Medium wird bei erhöhter Temperatur gehalten, so dass eine Härtung des Polymerisats in situ möglich ist. Die erforderliche Temperatur hängt von dem verwendeten Härtungsstoff ab, wird z.B. ein organisches Peroxid benutzt, so muss die Temperatur zwischen etwa 150 und 245⁰C liegen. Die Länge des Rohrs 30 und der Vorschub soll eine genügende Verweildauer für die ausreichende Härtung des Polymerisats sichern, die Verhältnisse werden vom Erfahrenen leicht erfasst. Das Rohr 30 wird durch eine Heizspirale oder auf andere V/eise erhitzt. Anstelle des Rohrs 30 können auch andere Gefässe, wie Tank oder Bottich verwendet werden, jedoch hat sich das Rohr als zweckmässig und praktisch erwiesen, es erfordert ein Minimum an Apparaturen und wärmeaustauschendem Med ium.

Das Rohr 30 endet in dem Gehäuse 33, welches durch das Abzugsrohr 34 mit Ventilator 35 entlüftet wird. Auf diese Weise werden die während des Härtens entstandenen Gase dauernd abgeführt, sodaes Gaseinschlüsse in der Isolierschicht weitgehend vermieden werden. Im Gehäuse 33 ist eine Winde 36 installiert,

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über die das Kabel in ein langes Kühlrohr 38 läuft. Das Kühlrohr wird bei einer Temperatur gehalten, bei der das Natrium erstarrt. Normalerweise reicht es aus, das Kühlrohr bei Zimmertemperatur zu halten, wobei der Ventilator 35 Luft im Gegenstrom durch das Kühlrohr, in dem das Kabel läuft, zieht. Wenn gewünscht, können noch andere Vorrichtungen zur Abkühlung des Kabels und der Überführung des Natriumsin den festen Zustand angewendet werden. Das Kühlrohr kann z.3. mit einem Mantel versehen werden, durch den ein Kühlmittel läuft oder das Kühlrohr kann selbst eine Flüssigkeit enthalten, die die gewünschte niedrige Temperatur aufrechterhält. Auch hier kann anstelle des Kühlrohrs 38 ein Tank oder ein Bottich * verwendet werden. In der Grube 40 im Kühlrohr 38 können sich Flüssigkeiten sammeln, die aus dem Rohr 30 mitgeführt wurden. Das entstandene Kabel wird auf einer Aufnahmewalze 42, versehen mit einem Traversalmechanismus 44, so aufgewickelt, daee die Schichtung des Kabels lagenweise erfolgt.

Figur 4 zeigt ein in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestelltes Kabel. Das Kabel enthält einen leitenden Kern aus Natrium 46 und eine Isolierhülle aus einem vernetzten Polymerisat 48, z.ß. Polyäthylen.

Entsprechend der Abänderung gemäss Abbildung 5 werden eine ^ Halbleiterschicht 50 und eine Isolierschicht 52 gleichzeitig mit dem Natriumkern 54 extrudiert. Die innere Halbleiterecaicht kann aus Polyäthylen, Äthylen-Propylen-Kautschuk oder einem anderen Polymeren, das gegen flüssiges Natrium widerstandsfähig ist, bestehen und enthält einen hohen Anteil Russ und einen Härtungsstoff, wie ein organisches Peroxid. Die äussere Halbleiterschicht 56, bestehend aus einer extrudierten Lage aus Polyäthylen oder Polyvinylchlorid oder einem Butylenband liegt über der Isolierschicht. Das Kabel wird aussen mit einem geerdeten Leiter 58, wie z.B. schraubenförmig gewickelten, verzinnten Kupferdraht versehen.

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Um eine ordnungsgemässe Füllung das Isolierschlauches mit dem gewünschten Kabeldurchmesser zu gewährleisten, wird das Verfahren unter einem Druckdifferential (Verhältnis vom Druck des wärmeübertragenden Mediums zum Druck des flüssigen Natriums) ausgeführt, welches weniger als 0,07 kg/cm , vorzugsweise 0,02 kg/cm oder weniger betragen soll.

Eine grosse Anzahl von wärmeübertragenden Materialien, die der Isolierung gegenüber inert sind, können verwendet werden, wie organische Flüssigkeiten, geschmolzene Salze und Salzlösungen, sowie geschmolzene Metall-Legierungen. Ein Polyalkylenglykol, entweder wasserlöslich oder wasserunlöslich, mit einem Viskosi- · tätsbereich zwischen 50 000 und 90 000 Saybolt Universal Seconds bei 37⁰C (wie solche die unter dem Handelsnamen UCON fluids verkauft werden) wird bevorzugt. Andere geeignete organische Flüssigkeiten sind zum Beispiel Glyceriu und seine Ester und Propylenglykol und seine Ester.

In Übereinstimmung mit einem Teil der Erfindung, kann das wärmeübertragende Medium im Wärmerohr bei verschiedenen Temperaturen in zwei oder mehr Temperaturzonen längs der Tafelbahn durch das Härtungsbad gehalten werden. Das Kabel muss beim Austritt aus dem Extruder eine Temperatur unter der Zersetzungstemperatur des Aushärtungestoffes aufweisen, um die beginnende Aushärtung zu verhindern. Tritt das Kabel in die erste Zone ein, so wird das Polymerisat beschleunigt gehärtet, ohne dass dabei eine übermaesige Gasentwicklung auftritt, es bildet sich dabei unmittelbar eine relativ steife und stabile Schicht. Die übrige Zone oder die übrigen Zonen werden bei niedrigerer Temperatur gehalten als die erste Zone und sichern eine ausreichende Verweildauer für die Vervollständigung der Auehärtung des Polymerisats. Die für die verschiedenen Zonen erforderlichen Temperaturbedingungen hängen im wesentlichen von der Art des verwendeten Härtungestoffes, dem Typ des Polymeren und der Kabelgrösse ab. Bei der Herstellung eines isolierten

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Natriumkabels mit einer isolierschicht, enthaltend mineralisches Füllmaterial, Polyäthylen und ein organisches Peroxid als Härtungs stoff, wie Di-ct-cumylperoxid, wird die erste Zone bei einer Temperatur von etwa 200⁰C, vorzugsweise zwischen 200⁰C und 22O⁰C gehalten. Bei der Wanderung des Kabels durch das Härtungsbad nimmt die Temperatur zu. Deshalb wird die zweite oder Intermediärzone bei einer niedrigeren Temperatur als die erste gehalten, um das Kabel nicht zu überhitzen. Die Temperatur der zweiten Zone liegt zwischen 190 und 200⁰C. In der dritten oder letzten Zone liegt die Temperatur zwischen ä 175 und 190⁰C.

Die Isolierkomposition enthält ein härtbares olefinisches Polymeres, einen Härtungsstoff, ein verstärkendes Füllmaterial und wahlweise ein Antioxidans, wie polymerisiertes Trimethyläihydrochinolin; ein Gleitmittel, wie Kalziumstearat, um die Komposition ata Steckenbleiben während der Herstellung zu hindern; ein Flammschutzmittel, wia Antimonoxid; ein Vernetzungsmittel, wie Polybutadien und eine geringe Menge eines Pigments oder eines Farbstoffes. Die verwendeten Substanzen können stark schwanken, in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften dee Endprodukts können andere als die oben erwähnten eingesetzt werden. "

Das härtbare olefinische Polymere kann entweder ein Homopolymeres, ein Copolymeres oder eine Mischung von zwei oder mehreren Polymeren, z.B. Polyäthylen, Polypropylen, PoIybutylen, Äthylen-Propylen-Kautschuk, Äthylen-Propylen-Terpolymer, Polybutadien, Polyisopren und Copolymere eines Olefins mit einem anderen Monomeren, z.B. Vinylacetat, Äthylacrylat und Buten-1, sein, wobei das andere Monomere etwa 10 bis 25 Gew.-^ des Copolymeren ausmacht. Die Menge des benutzten Polyolefins im Copolymeren kann die Eigenschaften des Endproduktes etwas ändern, seine Menge muss im Hinblick

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auf die Eigenschaften des Endproduktes bestimmt werden. Das · olefinische Polymere kann mit einem oder mehreren anderen Polymeren gemischt werdenj wie Äthylen-Propylen-Kautschuk und Vinylacetat.

Die Aufgabe des Püllmaterials in polymeren Isolierkompositionen ist gut bekannt, die Menge des eingesetzten Füllmaterials muss in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften des gehärteten Produktes bestimmt werden. Der Gehalt an Füllmaterial kann zwischen 20 und 50 Gew.-^ der Komposition schwanken und liegt vorzugsweise zwischen 25 und 40 Gewichtsprozent.

Bei der bevorzugten Ausführung gemäss vorliegender Erfindung wird das Füllmaterial, das in diesem Falle kein Russ ist, mit 0,2 bis 3 Gew.-^ eines Alkoxysilans, vorzugsweise eines Alkoxysilans mit niederem Alkylrest, eines Alkenylalkoxysilane oder eines Alkynylalkoxysilane behandelt. Geeignete Alkoxyeilane sind z.B. Methyläthoxysilane, Methyl-tris-(2-methoxyäthoxy)-silan, Dimethyldiäthoxysilan und die Vinylsilane, wie Vinyltris-(2-methoxyäthoxy)-silan, Vinyltrimethoxysilan und Vinyltriäthoxysilan.

Der Anteil des Peroxyd-Härtstoffes hängt im wesentlichen von den gewünschten mechanischen Eigenschaften des gehärteten Produktes ab, z.B. von der Wärmedehnbarkeit. Die meisten Ansprüche werden von einem Anteil zwischen 0,5 und 10 Gewichtsteilen des Peroxids pro 100 Teile des Polymeren befriedigt, normalerweise wird das Peroxid im Bereich von 2 bis 4 Teilen eingesetzt.

Folgendes Beispiel erläutert die Erfindung näher, wobei das Isoliermaterial zunächst auf herkömmliche Weise in einen Banbury-Mixer entsprechend den nachfolgenden Angaben, hergestellt wird:

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- Blatt	I Polyäthylen	9 -
j Aluminiumsilicat	61,80 Gewichtsprozent
Viny1-tris-(2-methoxy- äthoxy)-silan	50,90
Di-cC -cumylperoxid (90 i> aktiv)	0,93
Russ (Pigment)	2,20
- Polymerisiertes Trimethyl- dihydrochinolin	5,09
1,08

Das Material wurde bei einer Temperatur von etwa 130⁰C und einer Geschwindigkeit von 0,9 bis 1,5 m pro Minute extrudiert und der Schlauch gleichzeitig mit Natrium gefüllt. Das Kabel besaes einen äusseren Durchmesser von 19,7 Millimeter und eine Isolierschichtdicke von 4,4- mm.

Nach dem Austritt aus dem üxtruder trat das Kabel durch ein etwa 9 m langes Rohr, das mit einer elektrischen Heizspirale auf eine Temperatur von 160 bis 200⁰C erhitzt war. Das Rohr war mit einem Polyäthylenglykol UCON (eingetragenes Warenzeichen) gefüllt.- Bei einigen Versuchen wurde UCON LB-300-X (eingetragenes Warenzeichen), in anderen UCON 50-ELB-280-X (eingetragenes Warenzeichen) benutzt, die Flüssigkeiten besitzen eine Viskosität von 300 bzw. 280 Saybolt Universal Seconds. Das Kabel wurde dann durch ein etwa 9 m langes Kühlrohr geleitet, um das Kabel zu kühlen und um das Natrium in den festen Zustand überzuführen.

-lO-ZPatentansprüche: 109829/063S or_{1GINAUNSPE0TE0}

Claims

V/bb288 - Blatt 10 - Patentansprüche

1.) Verbessertes Verfahren zur Herstellung eines isolierten llatriumkabels durch iSxtrudieren einer Polymerschicht um einen Kern aus flüssigem Natrium und Abkühlen des Kabels, um Isolierschicht und Natrium erstarren zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht aus einem härtbaren, olefinischen Polymeren und einem Härtungsstoff besteht und das Kabel bei einer zur Aushärtung des olefinischen Polymeren geeigneten Temperatur durch ein nichtwässriges Wärmeaustauschmedium geleitet wird.

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2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschmedium eine organische Verbindung ist.

3.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschmedium ein Polyalkylenglykol ist.

4.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht eine halbleitende Polymerschicht zwischen dem Natriumkern und der Schicht des härtbaren olefinischen Polymeren enthält und dass beide Schichten gleichzeitig um den Kern eactrudiert werden.

5.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Zonen des WärmeaustauBchmediums auf verschiedenen Temperaturen gehalten

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T/65288

- Blatt 11 / Patentansprüche -

werden, wobei die Temperatur von der ersten Zone bis zur letzten Zone abnimmt und das Kabel zunächst durch die erste Zone geleitet wird.

6.) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur genügend hoch ist, um die Isolierschicht ohne übermässige Verflüchtigung der beim Härtprozess auftretenden Gase ausreichend zu härten.

7.) Isoliertes Natriumkabel, dadurch gekennzeichnet, dass es nach den Ansprüchen 1 bis 6 hergestellt wird.

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ORIGINAL INSPECTED