DE3105138A1 - Verfahren zum herstellen eines hochspannungs-zuendkabels mit niedriger elektrostatischer kapazitaet - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines hochspannungs-zuendkabels mit niedriger elektrostatischer kapazitaet

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DE3105138A1 DE19813105138 DE3105138A DE3105138A1 DE 3105138 A1 DE3105138 A1 DE 3105138A1 DE 19813105138 DE19813105138 DE 19813105138 DE 3105138 A DE3105138 A DE 3105138A DE 3105138 A1 DE3105138 A1 DE 3105138A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungs-Zündkabels für die Unterdrückung von durch die elektrische Zündanlage einer . Brennkraftmaschine etwa in einem Fahrzeug od. dergl. hervorgerufenen Hochfrequenzstörungen«
Wenn an der Außenfläche des Mantels eines Zündkabels elektrisch leitende Stoffe, z.B. Streusalz, Schlamm od. dergl. anhaften, so daß sich die Impedanz in bezug auf das Massepotential verringert, kommt es je nach der elektrostatischen Kapazität zwischen einer Widerstandsleiterseele des Kabels und der Außenfläche des Mantels zu Strom- oder Spannungsverlusten.
Mit zunehmender elektrostatischer Kapazität ergibt sich eine.Verringerung der Zündspannung, wodurch der Zündvorgang beeinträchtigt wird. Um dies zu vermeiden, soll ein solches Zündkabel eine elektrostatische Kapazität von höchstens 80 pIP/m haben.
Eine Möglichkeit, die elektrostatische Kapazität zu verringern, besteht darin, den Außendurchmesser der Zündkabel zu vergrößern. Eine Vergrößerung über den für gebräuchliche Zündkabel üblichen Durchmesser von etwa 7 bis 8 mm hinaus ist jedoch nicht zweckmäßig, da ein solches dickeres Zündkabel nicht gegen vorhandene Zündkabel auswechselbar wäre.
Eine weitere Möglichkeit, die elektrostatische Kapazität zu verringern, ohne dabei den Außendurchmesser des Zündkabels zu vergrößern, besteht darin, den Außendurchmesser der Leiterseele zu verringern. Dies kann bei Zündkabeln herkömmlicher Art jedoch zu anderen Schwie-
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rigkeiten führen. Bei bekannten Zündkabeln enthält die Leiterseele gewöhnlich ein Glasfaserbündel, welches ihr die notwendige Zugfestigkeit verleiht. Wird nun der Außendurchmesser einer ein solches Zugglied in Form eines Glasfaserbündels enthaltenden Leiterseele verringert, um die elektrostatische Kapazität des Zündkabels zu verringern, so besteht die Gefahr, daß die Leiterseele beim Extrudieren und/oder Vulkanisieren der Isolierschicht oder des Mantels abreißt. Die Herstellung eines solchen Zündkabels wäre daher äußerst schwierig.
Die vorstehend genannten, bei der Verwendung einer Leiterseele mit einem Glasfaserbündel auftretenden Mängel ließen sich zwar dadurch vermeiden, daß man als Zugglied ein Bündel von aus einem aromatischen Polyamid bestehenden, hoch zugfesten lasern verwendet, um auf diese Weise ein Zündkabel mit einer niedrigen elektrostatischen Kapazität von höchstens ca. 80 pF/m zu erhalten.
Ein auf diese Weise gefertigtes Zündkabel weist auch eine niedrige elektrostatische Kapazität auf, ist dabei jedoch nicht ausreichend hochspannungsfest und hat daher eine ungenügende Betriebslebensdauer.
Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen eines Zündkabels, welches eine ausreichend niedrige elektrostatische Kapazität hat.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen eines Zünkabels von niedriger elektrostatischer Kapazität und hoher Hochspannungsfestigkeit, welche dadurch erzielbar ist, daß eine Isolierschicht des Kabels aus einem Polyolefinharz hergestellt und mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen eines eine niedrige elektrostatische Kapazität aufweisenden Hochspannungszündkabels mit einer Widerstandsleiterseele, einer Isolierschicht und einem Mantel ist das genannte Ziel gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß man aus einem .wenigstens auf seiner äußeren Umfangsflache mit einem Halbleitermaterial versehenen, ein Zugglied darstellenden Faserbündel eine Widerstandsleiterseele herstellt, daß man durch Extrudieren eines Polyolefinharzes eine. Isolierschicht auf die Umfangsflache der Widerstandsleiterseele aufbringt, daß man die Isolierschicht mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, um die Vernetzung des Harzes zu bewirken, daß man durch Extrudieren eines Polyolefinharzes ohne oder nach Aufbringen einer Verstärkungsschicht einen Mantel auf die vernetzte Isolierschicht aufbringt und daß man den Mantel mit einem Elektronenstrahl bestrahlt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das für die Isolierschicht verwendete Polyolefinharz ein Polymergemisch aus Polyäthylen und einem nicht kristallinen Polyolefinharz.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Widerstandsleiterseele hergestellt, indem man das Halbleitermaterial durch Extrudieren auf die Umfangsfläche des aus einem Bündel von aus einem aromatischen Polyamid bestehenden Fasern geformten Zugglieds aufbringt, so daß die fertige Widerstandsleiterseele einen Außendurchmesser von höchstens 1,2 mm erhält.
Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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Pig, 1 eine Schrägansicht eines unter Anwendung des erindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Zündkabels und
Pig. 2 eine schematisierte Darstellung einer. Versuchsanordnung zur Prüfung der Hochspannungsfestigkeit eines Zündkabels.
I1Ur die Unterdrückung von durch elektrische Zündung hervorgerufenen Hochfrequenzstörungen muß die Leiterseele eines Zündkabels einen Widerstand von ca. 16 ks/tn haben. In bekannten Zündkabeln wird deshalb gewöhnlich eine einen Durchmesser von ca. 1,8 mm aufweisende Leiterseele aus einem mit einer Kohlenstoffmasse imprägnierten Glasfaserbündel verwendet.
Palis man den Durchmesser der unter Verwendung eines Glasfaserbündels hergestellten Leiterseele verringert, um damit eine niedrigere elektrostatische Kapazität des Zündkabels zu erzielen, so besteht die Gefahr, daß die Leiterseele beim Extrudieren und/oder Vulkanisieren der Isolierschicht und/oder des Mantels abreißt. Dadurch ist die Herstellung eines solchen Zündkabels äußerst schwierig. .
Die bei der Verwendung eines Glasfaserbündels.auftretenden Schwierigkeiten lassen sich dadurch vermeiden, daß man für das der Leiterseele die notwendige Zugfestigkeit verleihende Zugglied ein Bündel von Fasern aus einem aromatischen Polyamid verwendet.
Das in Pig. 1 dargestellte Zündkabel hat eine Leiterseele mit einem Außendurchmesser von ca. 0,9 bis 1,2 mm aus einem eine Garnzahl von 1 500 Denier aufweisenden Bündel von Pasern aus einem aromatischen Polyamid,
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z.B. "Kevlar" der Hrma DuPont, v/elclies mit einer Beschichtung 2 aus einer kohlenstoffhaltigen Hasse versehen ist. Die Leiterseele 1, 2 ist von einer Isolierschicht 3 aus einem vernetzten Polymergeraisch aus Polyäthylen und einem nicht kristallinen Olefinpolymer umgeben. Auf einen die Isolierschicht 3 umgebenden Glasfaser-lflechtschlauch 4· ist ein Mantel 5 aus Äthylen-Propylengummi oder Silikongummi aufgebracht. Das Zündkabel hat eine äußerst niedrige elektrostatische Kapazität von ca. 80 pP/m oder darunter, welche durch die Verringerung des Außendurchmessers der Leiterseele auf 1,2 mm oder weniger erzielt ist.
Ein Zündkabel mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau hat zwar eine sehr niedrige elektrostatische Kapazität, weist dabei jedoch keine ausreichende Hochspannungsfestigkeit auf, so daß es eine ungenügende Betriebslebensdauer hat. Bei der Untersuchung eines solchen Kabels unter Verwendung einer Zündspule mit einer Spitzenspannung von 30 kV ist die ungenügende Hochspannungsfestigkeit in relativ kurzer Zeit feststellbar.
In ausgedehnten Versuchen zur Verbesserung der Hochspannungsfestigkeit wurde festgestellt, daß die Vernetzung der Isolierschicht und/oder des Mantels durch Anwendung einer Bestrahlung mit Elektronenstrahlen anstelle der üblichen Dampfvulkanisation sowie die Verwendung eines durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen vernetzten Polymergemischs aus kristallinem Polyäthylen und einem nicht kristallinen Olefinpolymer, z.B. Äthylen-Propylengummi und einem lthylen-^-01efinpolymer anstelle des üblicherweise verwendeten vernetzten Polyäthylens eine solche Verbesserung der Hochspannungsfestigkeit erbringen.
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Die vorstehend angeführten Erscheinungen sind bei einem Kabel mit einem herkömmlichen Leiter aus Kupfer gänzlich unerwartet. Es ist allgemein bekannt, daß ein Vergleich von durch Dampfvulkanisation vernetztem Polyäthylen mit durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen vernetzten Polyäthylen in beiden Fällen im wesentlichen die gleiche oder im letzteren Falle sogar eine etwa niedrigere Hochspannungsfestigkeit erweist.
Weiterhin ist allgemein bekannt, daß ein Polymergemisch aus Polyäthylen und Äthylen-Propylengummi im allgemeinen eine niedrigere Hochspannungsfestigkeit aufweist als Polyäthylen für sich allein.
Im Gegensatz zu diesen bekannten Tatsachen ergibt sich jedoch bei Verwendung einer Leiterseele aus einem Widerstandsleiter.anstelle eines Leiters aus Kupfer und bei Vernetzung durch Bestrahlung mit Elektronen- !strahlen im Vergleich zur Vernetzung durch Dampfvilkanisation eine beträchtliche Verbesserung der Hochspannungsfestigkeit, selbst bei der Verwendung von Polyäthylen für sich allein für die Isolierschicht des Zündkabels, insbesondere jedoch bei Verwendung eines durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen vernetzten Polymergemischs aus Polyäthylen und Äthylen-Propylengummi oder einem Äthylen- -olefin-Copolymer. Unter Ausnützung dieser gänzlich unerwarteten Erscheinungen ermöglicht die Erfindung die Herstellung eines Zündkabels mit ausreichend niedriger elektrostatischer Kapazität und verbesserter Hochspannungsfestigkeit.
Die Zusammensetzung und Abmessungen des Faserbündels 1, der Halbleiterbeschichtung 2, der Isolierschicht 3> der Verstärkung 4- und des Mantels 5 des Kabels nach Fig. 1 sind nachstehend in Tabelle 1 zusammengefaßt.
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Tabelle 1
Aufbau von Zündkabeln mit niedriger elektrostatischer Kapazität
O O cn
Element Material
Seele
Halbleiterschient
Faserbündel 1 500 den aromatisches Polyamid
Halbleitermasse
scMcS" Polyolefinharz
Verstärkung Glasfaser
Ausführung I
Dicke Außen-
(mm) durchm. (mm)
0,5 ■
0,9
Mantel
Olefinharz
0,20
1,85
0,10
1,1
4,6
4,8
7,0
Ausführung II
Dicke Außen-
(mm) durchm. (mm)
0,5
1,2
0,35
1,80
0,10
1,00
4,8 5,0
7,0
Bei der Herstellung eines Zündkabels der in Fig. 1 gezeigten Art xd.rd ein eine Garnzahl von 1 500 Denier aufweisendes Faserbündel aus "Kevlar" wiederholt mit einem Halbleiter-Anstrichmittel beschichtet. Dieses wird durch Beimengung einer leitenden Substanz, z.B. Ruß, Graphit, Silber- oder Kuperpulver zu einer Gummi- oder Kunststoffmasse hergestellt. Die nacheinander aufgebrachten Beschichtungen v/erden getrocknet, bis ein Außendurchmesser von ca. 0,9 bis 1,2 mm erzielt ist.
Auf die so geformte Leiterseele wird ein Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante, z.B. Polyäthylen, ein Äthylen-Propylen-Copolymer, ein Äthylen~ Propylen-Dien-Terpolymer, ein Äthylen-oi-olefin-Copolymer oder ein Gemisch aus solchen Polymeren,zur Bildung einer Isolierschicht durch Extrudieren aufgebracht und durch Bestrahlen mit Elektronenstrahlen vernetzt, wobei man einen Außendurchmesser von ca. 4,6 bis 4,8 mm erhält.
Nach Aufbringen eines Glasfaser-Gewebeschlauchs als Verstärkung wird dann ein Äthylen-Propylengummi oder Silikongummi durch Extrudieren aufgebracht, wobei man einen Außendurchraesser von 7,0 mm erhält.
Zusammensetzungen des Materials für die Isolierschicht sind nachstehend in Tabelle II angegeben.
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Tabelle II
Zusammensetzung des Materials der Isolierschicht und des
Mantels
Kennung		 Kristallines
Polyäthylen		 EP* Toughmer A-£ Vernetzungs-
u.Stabilisierungs
mittel
A 80 20 — geringer
Zusatz
B 60 40 It
G 50 50 — Il
D 80 — 20 tt
E 60 — ' 40 It
50 — 50 Il
G- 100 — .— It
H 100 Il
*: Äthylen-Propylengummi ·
■$: Äthylen-OC-olefin-Copolymer (Mitsui Petrochemical Co.)
Die elektrostatische Kapazität und Hochspannungsfestigkeit der so gefertigten Zündkabel sind in Tabelle III wiedergegeben.
Die elektrostatische Kapazität wurde nach JIS C-3004 "Rubber Insulated Cable Testing Method" ermittelt, wobei die Probe"in Wasser versenkt und-geerdet wird und die elektrostatische Kapazität zwischen dem Leiter und dem . Wasser nach dem Wechselspannungs-Brückenverfahren bei einer Frequenz von 1 000 Hz gemessen und als ein auf den Meter Länge bezogener Wert angegeben wird.
Die in S1Xg. 2 dargestellte, für die Bestimmung der Hochspannungsfestigkeit verwendete Versuchsanordnung umfaßt einen Ständer 11, einen Motor 12, eine Zündspule 13» einen Zünder 14 v einen mit einer Drehzahl von
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1 000 U/min angetriebenen Verteiler 155 einen Antriebs- ' riemen 16, Masseanschlüsse .17» 17' und Zündkabel 18, 18'. Die Oberfläche der Zündkabel wird mit Silberbronze bestrichen und an Masse gelegt. Über einen Spalt zwischen dem Leiter des Kabels 18' und dem Masseanschluß 17' werden Entladungen mit einer Spannung von 30 kV erzeugt. Die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengefaßt.
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CaJ CD
cn
σ cn
Il A Vernetzung Machart Tabelle III I Elektrostatische Hochspannungs- (pF/m) festigkeit
II A . El-St.* Mantel II Kapazität (2000 h gut f.
II B 11 Kennung I 70 >5 Prüfstücke
V
Il C II . 0 I 80 ti
I! C Il G niedriger elektrostatischer Kapazität II 71 Il
It D II C I 70 Il
W D Il σ II 80 Il
Il E ι; ρ I 71 Il
Eigenschaften von Zündkabeln mit Il F Il σ I 79 Ι« ί
Il .F Il C Vernetzung Ausführung II 70 ti ;
Il G Il G El-St; I 69. Il
Material und (Vergl) G tt C 11 II 78 18 h DS+ 1 Protfe
2000 h gut 4 Pr!.
Isolierschicht G . It C U I 68 27 h Ds 1 Probe
2000 h gut 4 Pr.
Beispiel Kennung Dv** G ti 78 2-30 h Ds 3 Pr.
2000 h gut 1 Pr.;
1 (Erfdg.) " G "
Elektronenbestrahlung *..*:		 σ Il 69 5-29 h Ds 4 Pr.
2000 h gut 1 Pr.
CO
C")
2 H II II 78
+: Durchschlag		 cn
3 Il CO
OO
4 It
5 Il
6 Il
7 Il
8 11
9 Dv
10 H "
Dampfvulkanisation
11
12
13
*.
.·
,,J
Wie man aus den in Tabelle III zusammengefaßten Ergebnissen erkennt, erfüllen zwar sämtliche erfindungsgemäßen sowie Vergleichs-Prüfstücke die Forderung nach einer elektrostatischen Kapazität von höchstens 80 pF/m, im Hinblick auf die Hochspannungsfestigkeit ist jedoch die Vernetzung durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen der Vernetzung durch Dampfvulkanisation überlegen. Weitere Vorteile erbringt die Verwendung eines Polymergemischs aus einem kristallinen Polyolefin, z.B. Polyäthylen, und einem nicht kristallinen Polyolefin, z.B. Äthylen-Propylengummi oder einem Äthylen- -olefin-Copolymer, etwa dem von der Firma Mitsui Petrochemical Industries unter der Bezeichnung Toughmer hergestellten Äthylen-4-Methylpenten-i-Copolymer, gegenüber einem Polyolefin für sich allein.
Die gemäß der Erfindung erzielte Verbesserung der Hochspannungsfestigkeit beruht wahrscheinlich auf der Tatsache, daß die Oberfläche des Zündkabels bei der herkömmlichen Dampfvulkanisation unter Einwirkung von Hitze und Druck einsinkt oder schrumpft und dadurch ungleichförmig wird, wenngleich auch bei Verwendung eines kupfernen Leiters ein solches Schrumpfen nicht auftritt, während das Zündkabel bzw. die Leiterseele bei Vernetzung durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen eine glatte Oberfläche behält, selbst wenn die Leiterseele aus einem Material besteht, welche unter Einwirkung von Hitze und Druck bei der Vernetzung verformbar wäre.
Das eine niedrige elektrostatische Kapazität aufweisende Zündkabel gemäß der Erfindung ist daher kaum, anfällig für due Streusalz od. dergl. hervorgerufene Schwierigkeiten.
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Gemäß der Erfindung können Bündel von Fasern aus einem aromatischen Polymaid zur Herstellung des dem Zündkabel die notwendige Zugfestigkeit verleihenden Zugglieds um ein zentrales Faserbündel gleicher oder ähnlicher Art gewickelt oder geflochten sein. Die Widerstandsleiterseele des Zündkabels kann durch mehrmaliges Beschichten eines solchen Zugglieds mit einer Halbleitermasse und trocknen derselben hergestellt werden. Anderenfalls kann das Zugglied mit einer Schicht aus einer Halbleitermasse und einer auf diese aufgebrachten Zwischenschicht sowie einer oder mehreren Schichten eines durch Extrudieren aufgebrachten Halbleitermaterials auf Gummi- oder Kunststoffbasis versehen sein. Für die Herstellung der Zwischenschicht eignet sich eine Silikon-Streichmasse. Zur Bildung der Halblerterschicht kann eine leitende Substanz, z.B. Ruß, Graphit, Silber- oder Kupferpulver mit einem Gummi- oder Kunststoffträger gemischt werden.
Anstelle des Glasfasergewebeschlauchs kann für die Verstärkungsschicht auch ein poröses Bandmaterial verwendet werden. Gegebenenfalls kann die Verstärkungsschicht jedoch auch gänzlich wegfallen.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erlaubt die verschiedensten Abwandlungen derselben im Rahmen der Ansprüche.
13Q051/0594

Claims (1)

  1. PAT E NT A N WA LTE
    A. GRUNECKER
    H. KINKELDEY
    DR-ING.
    W. STOCKMAIR
    DR-INQ ■ A»e (CMTCCHl
    K. SCHUMANN
    OR HER NAT. · DWL-FHVS
    P. H. JAKOB
    DlPL-INa
    G. BEZOLD
    Dft PCAIUT' DIPL-CHeM.
    8 MÜNCHEN 22
    MAXIMILIANSTRASSe 43
    SUMITOMO ElECTRIC INDUSTRIES, HDD. .No. 15, Kitahama 5-ckome, Higashi-ku Osaka-shi, Osaka, Japan una
    NIPPONDENSO CO., LTD. No. 1, Showa-cho 1-chome, Kariya-shi, Aichi, Japan
    P 15 975
    12. Februar 1981
    Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungs-ZünöLkabels mit niedriger elektrostatischer Kapazität
    (1.V . Verfahren zum Herstellen eines eine niedrige
    elektrostatische Kapazität aufweisenden Hochspannungs-Zündkabels mit einer Widerstands-Leiterseele, einer
    Isolierschicht und einem Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß man aus einem vrenigstens auf seiner
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    telepon (öse) asasea
    TELBX OB-39380
    MONAPAT
    TELEKOPIERSR
    äußeren Umfangsfläche mit einem Halbleitermaterial versehenen, ein Zugglied darstellenden Faserbündel eine Widerstandsleiterseele herstellt, daß man durch Extrudieren eines Polyolefinharzes eine Isolierschicht auf die Umfangsfläche der Widerstandsleiterseele aufbringt, daß man die Isolierschicht mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, um die Vernetzung des Harzes zu bewirken, daß man durch Extrudieren eines Polyolefinharzes ohne oder nach Aufbringen einer Terstärkungsschicht einen Mantel auf die vernetzte Isolierschicht aufbringt, und daß man den Mantel mit einem Elektronenstrahl bestrahlt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Isolierschicht verwendete Polyolefinharz ein Polymergemisch aus Polyäthylen und einem nicht kristallinen Polyolefin ist.
    5- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht kristalline Polyolefin ein Äthylen-Propylengummi ist.
    4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht kristalline Polyolefin ein ithylen-oc-olefin-Copolymer ist.
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Äthylen-oc-olefin-Copolymer ein Äthylen-4—methylpenten-i-Copolymer ist.
    6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsleiterseele hergestellt wird, indem man ein Halbleitermaterial durch Extrudieren auf die Umfangsfläche eines Zugglieds in Form eines Bündels aus aus einem aromatischen Polyamid
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    bestehenden Fasern aufbringt, so daß sich ein Außendurchmesser von höchstens 1,2 mm ergibt.
    7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsleiterseele hergestellt wird, indem man ein Zugglied in Form eines Bündels aus aus einem aromatischen Polyamid bestehenden Fasern mit einer kohlenstoffhaltigen Masse beschichtet, das beschichtete Zugglied trocknet, eine Zwischenschicht darauf aufbringt und auf die Zwischenschicht eine Gummi- oder Kunststoff-Halbleiterschicht durch Extrudieren aufbringt, so daß die Widerstandsleiterseele einen Außendurchmesser von höchstens 1,2 mm erhält.
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