DE3544801C2

DE3544801C2 - Elektrisches Kabel oder Leiter mit Mineralpulverisolierung

Info

Publication number: DE3544801C2
Application number: DE3544801A
Authority: DE
Inventors: Gilles Bailleul
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1985-12-18
Publication date: 1994-12-15
Anticipated expiration: 2005-12-19
Also published as: US4689443A; FR2575321B1; FR2575321A1; GB2169128B; GB8531165D0; DE3544801A1; GB2169128A; JPS61151907A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kabel oder Leiter mit Mineralpulverisolierung, das aus einem zentralen Metalleiter und einem diesen umgebenden zylindrischen hohlen Metallmantel besteht, zwischen denen eine verdichtete pulverförmige und feuerfeste Isolierung aus Magnesiumoxid (Magnesia, MgO) und einem weiteren Metalloxid angeordnet ist.

Anwendungsmöglichkeiten dieser Erfindung gibt es bei der Übertragung elektrischer Signale aus Aufnehmern für physikalische Größen sowie in elektronischen Meß- und Aufzeichnungssystemen.

Diese Kabel, die eine sehr große Länge haben können (< 20 m), sollen über ihre ganze Länge homogen sein. Diese Bedingung wird nur dann erfüllt, wenn das mineralische Isoliermittel, das pulverförmig zwischen dem zentralen Leiter und dem Mantel während des Herstellungsverfahrens eingeführt wird, gut "fließt" und sich gut über die ganze Länge verteilt, und wenn die Pulverkörner sehr homogen sind. Deswegen wurde bisher Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid mit sehr hoher Reinheit als Isoliermittel verwendet.

Zum Anpassen dieser Kabel an Geräte, mit denen sie verbunden werden, d. h. einerseits an Meßfühler und andererseits an Meß- und Aufzeichnungssysteme, müssen die zur Herstellung der Kabel benutzten Werkstoffe bestimmte Bedingungen erfüllen.

Zunächst müssen sie höhere Temperaturen aushalten können. Es wurde gefunden, daß dieses Problem nach dem Stand der Technik durch die Verwendung metallischer Leiter und Mäntel und durch die Verwendung eines feuerfesten Isoliermittels, wie z. B. Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid, gelöst wird.

Wellenwiderstände müssen einen gegebenen Wert, beispielsweise, 30, 50 oder 75 Ohm, aufweisen.

Es ist besonders schwierig, Kabel herzustellen, die Wellenwiderstände dieser Größenordnung bei Verwendung feuerfester mineralischer Isoliermittel besitzen. Faktisch ist der Wellenwiderstand eines Kabels eine invertierte Funktion der Quadratwurzel aus der Dielektrizitätskonstante des Isoliermittels sowie des Durchmessers des zentralen Leiters. Unter diesen Bedingungen, bei denen feuerfeste Isoliermittel wie Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid verwendet werden, die eine höhere Dielektrizitätskonstante aufweisen, ist man zum Erhalten des Wellenwiderstands im gewünschten Bereich gezwungen, einen zentralen Leiter mit sehr geringem Durchmesser zu verwenden. Dieser geringe Durchmesser erschwert die Herstellung und macht diese Herstellung also teuer.

Es wurde vorgeschlagen, als mineralisches Isoliermaterial äußerst reines SiO₂-Pulver zu verwenden, das zumindest 98 Gew.-% an SiO₂ enthält. Kabel mit einem derartigen SiO₂- Isoliermaterial arbeiten mit Ultrahochfrequenz statt der üblicheren Hochfrequenz. Kabel mit SiO₂-Isolierung sind schwer herstellbar. Für die Herstellung verwendet man ein sog. Extrusionsverfahren, bei dem ein mit einer Schicht von geschmolzenem SiO₂ versehener zentraler Draht gedehnt wird, bis der gewünschte Durchmesser des Drahtes und der Beschichtung erreicht ist. Der auf diese Weise mit einer SiO₂-Schicht versehene zentrale Leiter wird in ein hohles Rohr eingeführt, das in einem Ziehverfahren ebenfalls auf den gewünschten Durchmesser gebracht wird. Diese Verfahrensschritte verlaufen mühsam. Das endgültige Kabel hat eine hohe Porosität von etwa 60% (Luftprozentsatz im Außenleiter). Hierdurch ist der zentrale Leiter nicht gut fixiert und sehr bruchanfällig.

Eine Anordnung der eingangs genannten Art ist durch die US-PS 23 51 056 bekannt. Dort ist einer im wesentlichen aus MgO bestehenden feuerfesten Isolierung 25 bis 40% CaO beigemischt, wobei auch 1% B₂O₃ zugesetzt werden kann.

Durch die GB-PS 12 25 073 ist eine Anordnung der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher die Isolierung aus einer Mischung von Al₂O₃ (z. B. 14,6%) und MgO (z. B. 85,4%) besteht.

Durch die US-PS 30 31 522 ist es bekannt, einen Leiter mit einem feuerfesten Gemisch zu isolieren, welches 10 bis 30% Glaspartikel enthält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mineralische feuerfeste Isoliermischung für Metallmantelkabel zur Verfügung zu stellen, die bei der Realisierung von vorgegebenen Wellenwiderstandswerten die Verwendung von zentralen Leitern mit ausreichender Dicke (einfachere und sichere Handhabung bei der Herstellung!) und zudem eine gute Fixierung derselben ermöglicht.

Die Lösung gelingt dadurch, daß die Mineralpulverisolierung aus einer Mischung aus 10 bis 30 Gew.-% Magnesiumoxid und 70 bis 90 Gew.-% Siliciumdioxid (SiO₂) besteht und die Porosität (Lufteinschlüsse) dieser Mischung 20 bis 30% beträgt.

Bei einem Ausführungsbeispiel besteht der zentrale Leiter aus Kupfer, der Metallmantel aus einer Aufeinanderfolge von Eisenschichten, Kupfer und rostfreiem Stahl, und das mineralische Isoliermittel aus Magnesiumoxid (MgO) und Siliziumoxid (SiO₂) im Verhältnis von 20 bzw. 80 Gew.-%.

Erfindungsgemäß sind Wellenwiderstände gebräuchlicher Größenordnung auch mit vorteilhaft großen Durchmessern des zentralen Leiters erreichbar, ohne daß man selbst bei hoher Leistung Isoliermittel mit sehr hoher Reinheit benötigt.

Das erfindungsgemäße Kabel kann auf einfache Weise in einem Ziehverfahren hergestellt werden. Dabei wird ein hohler Metallaußenleiter mit großem Durchmesser verwendet, der bereits mit dem zentralen Innenleiter und mit dem pulverförmigen Isoliermittel versehen ist. Die Gesamtheit wird gezogen (gedehnt) bis die gewünschten Durchmesserabmessungen erreicht werden. Die Porosität ist niedriger als 30 bis 35%, üblicherweise etwa 20%. Der zentrale Leiter ist gut fixiert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein mit einem erfindungsgemäßen mineralischen Isoliermittel abgeschirmtes Kabel,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein mit einem erfindungsgemäßen mineralischen Isoliermittel abgeschirmtes Kabel,

Fig. 3 die Kurve der Schwankungen in der Dielektrizitätskonstante des mineralischen Isoliermittels in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Mischung MgO-SiO₂, wenn diese Mischung 30% Luft enthält.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 und 2 besteht das erfindungsgemäße Kabel aus einem zentralen Metallleiter 1 mit dem Durchmesser D₁, aus einem zylindrischen Mantel 2 mit einem Innendurchmesser D₂ und aus einem feuerfesten Isoliermittel 3 zwischen dem zentralen Leiter und dem Mantel. Der Mantel ist beispielsweise mit den Abschlüssen 4 an den Enden abschließbar.

Der Wellenwiderstand Z_C des Kabels ist durch folgende Gleichung gegeben:

worin ε die Dielektrizitätskonstante des Isoliermittels ist.

Der Kapazitätswert des Kabels ist durch nachstehende Gleichung gegeben:

Aus diesen Gleichungen ist ersichtlich, daß für einen gegebenen Wellenwiderstand, beispielsweise 50 Ohm, der Durchmesser des zentralen Leiters bei größerer Dielektrizitätskonstante des Isoliermittels klein sein soll.

Es ist aber nicht möglich, ohne Bruchgefahr während der Herstellung den Durchmesser des zentralen Leiters außerhalb bestimmter Grenzen zu verringern.

Es muß also mit der Dielektrizitätskonstante des Isoliermittels gearbeitet werden. Aber man stößt dabei auf ein anderes technologisches Problem, denn das Isoliermittel muß zunächst feuerfest gewählt werden. Dies schließt die Möglichkeit zur Verwendung organischer Isoliermittel aus, die zwar eine niedrige Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 1 aufweisen, aber die höheren Temperaturen nicht aushalten.

Zum anderen kann das Isoliermittel aus einem Pulver mit regelmäßigen Korngrößen bestehen, das sich auf regelmäßige und homogene Weise zwischen dem Leiter und dem Mantel verteilen kann, und außerdem unter Beibehaltung der Homogenität bei den Bearbeitungen des Drahtziehens und der thermischen Behandlung, die während der Herstellung des Kabels durchgeführt werden, sehr kompakt werden kann.

Geeignete Komponenten wie Magnesium- oder Aluminiumoxid haben höhere Dielektrizitätskonstanten, wie in der Tabelle I angegeben.

Tabelle I

Wie ebenfalls in der Tabelle I angegeben, besitzt dagegen das Siliziumoxid eine niedrige Dielektrizitätskonstante.

Jedoch hatte man bis jetzt nicht die Möglichkeit zur Verwendung des Siliziumoxids als Isoliermittel, weil die Qualität der auf diese Weise verwirklichten Kabel völlig unzulänglich war. Die Verteilung des Isoliermittels zwischen dem Leiter und dem Mantel ist nicht homogen und das Kabel hält die höheren Temperaturen mangelhaft aus.

Erfindungsgemäß kann ein Kabel für hohe Leistungen, die den Leistungen mit dem Isoliermittel aus Magnesiumoxid allein vergleichbar sind, durch die Verwendung eines Isoliermittels bestehend aus einer Mischung von Magnesiumoxid und Siliziumoxid verwirklicht werden.

Es besteht dabei ein Gesetz für die Zusammensetzung von Dielektrizitätskonstanten in Mischungen.

Dieses Gesetz wird mit folgender Gleichung ausgedrückt:

lg ε = Σ Ci.lg ε_i,

worin Ci die Volumenkonzentration ist.

Wenn z. B. in einem mit SiO₂ abgeschirmten Kabel die Porosität in der Größenordnung von 30% ist (was ein normaler Wert ist), ergibt sich also die Dielektrizitätskonstante mit der Gleichung

lg ε = 0,7 lg 3,6
zu ε = 2,45.

Wenn das Kabel mit einer Pulvermischung verwirklicht wird, wird folgende Gleichung erhalten:

Für die Pulvermischung aus Magnesiumoxid (MgO) und Siliziumoxid (SiO₂) mit 30% Luft zeigt die Kurve nach Fig. 3 die Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit vom Gehalt der Mischung, wobei die Komponenten in Gewichtswerten ausgedrückt werden.

Aus dieser Kurve ist ersichtlich, daß die Dielektrizitätskonstante der Mischung wenig ansteigt, wenn der Prozentsatz an Magnesiumoxid 30 Gew.-% nicht überschreitet.

Es wird also vorteilhaft sein, eine Magnesiumoxid (MgO)-Siliziumoxid (SiO₂)-Mischung mit 10 bis 30% Magnesiumoxid zu verwenden. Unter diesen Bedingungen ist die Dielektrizitätskonstante niedrig, der Durchmesser des zentralen Leiters behält einen vorteilhaften Wert und damit wird der gewünschte Wellenwiderstand erreicht.

Bei einem Herstellungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kabels

- besteht der zentrale Leiter aus Kupfer;
- der Metallmantel ist aus einer Aufeinanderfolge von Schichten aus Eisen, Kupfer und rostfreiem Stahl aufgebaut;
- das mineralische Isoliermittel besteht aus folgenden Gewichtsverhältnissen: 20% Magnesiumoxid und
80% Siliziumoxid; und
- die Dielektrizitätskonstante des Isoliermittels beträgt 2,67.

Bei einem Mantel mit einem Innendurchmesser von D₂ = 4,6 mm besitzt der zentrale Leiter einen Durchmesser von D₁ = 0,6 mm und der Wellenwiderstand des Kabels beträgt 75 Ohm.

Claims

1. Elektrisches Kabel oder Leiter mit Mineralpulverisolierung, das aus einem zentralen Metalleiter und einem diesen umgebenden zylindrischen hohlen Metallmantel besteht, zwischen denen eine verdichtete pulverförmige und feuerfeste Isolierung aus Magnesiumoxid (Magnesia, MgO) und einem weiteren Metalloxid angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mineralpulverisolierung aus einer Mischung aus 10 bis 30 Gew.-% Magnesiumoxid und 70 bis 90 Gew.-% Siliciumdioxid (SiO₂) besteht und die Porosität (Lufteinschlüsse) dieser Mischung 20-35% beträgt.