EP0442990B1 - Elektrische leitung mit zugfestem element - Google Patents

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EP0442990B1
EP0442990B1 EP90912765A EP90912765A EP0442990B1 EP 0442990 B1 EP0442990 B1 EP 0442990B1 EP 90912765 A EP90912765 A EP 90912765A EP 90912765 A EP90912765 A EP 90912765A EP 0442990 B1 EP0442990 B1 EP 0442990B1
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wires
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carbon fibre
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Wolfgang Diegmann
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Delphi Automotive Systems Deutschland GmbH
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Kabelwerke Reinshagen GmbH
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    • H01B7/18—Protection against damage caused by wear, mechanical force or pressure; Sheaths; Armouring
    • H01B7/182—Protection against damage caused by wear, mechanical force or pressure; Sheaths; Armouring comprising synthetic filaments
    • H01B7/1825—Protection against damage caused by wear, mechanical force or pressure; Sheaths; Armouring comprising synthetic filaments forming part of a high tensile strength core
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    • D07B—ROPES OR CABLES IN GENERAL
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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    • D07B2205/30—Inorganic materials
    • D07B2205/3007—Carbon

Definitions

  • the invention relates to an electrical line with insulation, with a multi-wire conductor made of metal formed into a strand or a rope and with a tensile, fibrous element arranged centrally in the conductor.
  • DE 25 19 687 A 1 shows a method for producing a stranded conductor for electrical mains connection lines and the like, in which a thin thread of glass silk thread is stranded centrally when the individual wires are stranded.
  • the stranded conductors consist of approximately 30 to 60 individual conductors which are choked together.
  • the centrally inserted glass thread in particular increases the tensile strength of the strands without significantly increasing their cross-section, since it is embedded in the cavities (gusset) between the individual conductors when stranded.
  • an electrical line according to the preamble of claim 1 is known. It comprises insulation with a multi-wire metal conductor formed into a strand or a rope, and a tensile, fibrous support element formed centrally in the conductor from a bundle of carbon fiber filaments which are firmly connected to one another with a high-molecular, crosslinked resin.
  • the impregnation and firm connection with the high-molecular, cross-linked polymer resin reduce the elasticity of the support element and increase the breaking strength.
  • a reduction in the flexibility of the support element and thus the electrical line must be accepted.
  • the invention has for its object to provide an electrical line that withstands a small cross-section of an extreme tensile load, is easy to manufacture and process. Furthermore, if desired, it should be able to be designed to be longitudinally watertight in a simple and permanent manner.
  • the fibrous element is formed from a bundle of carbon fiber filaments (carbon fibers) according to claim 1.
  • Advantageous embodiments of the invention are characterized in the further claims.
  • the carbon fiber can optimally distribute 0.007 millimeters in the inner gusset and fill all cavities. The highest tensile forces are absorbed if the bundle shows no rotation.
  • the carbon fiber filaments can be formed into a yarn with a twist of up to 20 d / m (twists per meter).
  • the bundle is treated with a size, e.g. B. on a polymer basis, which holds the individual filaments together, in particular glued together at their points of contact or lines. Such a size can already be applied by the manufacturer of the bundle.
  • the conductor is constructed from an annular layer of at least 6 individual wires or the like, which surround the bundle with radial pressure, so that the inner gusset is completely filled with the individual filaments of the bundle.
  • Additional wires or other line components can also be applied over the layer of individual wires. If the demands on the line are increased, the bundle can be filled with a liquid, pasty or powdery material. Such a filler greatly reduces the friction between the individual filaments, and therefore has a positive effect on the flexibility of the line and on the durability of the filaments in the event of bending loads. Fillers can be used which also provide a longitudinal sealing of the line by forming a barrier to the liquid when water or any other liquid enters through swelling, foaming or another reaction. Such fillers are based on petroleum jelly, petro jelly, silicone, cellulose and other materials.
  • a method for producing a line according to the invention provides that at least one layer of wires is stranded or stranded around a central bundle of carbon fiber filaments, that the inner wires lie tightly around the bundle and that insulation is arranged around the wires.
  • other wire layers or other line components for. B. for reinforcement, shielding and the like.
  • the method steps according to claim 6 are provided for producing a filled line.
  • the bundle can be filled according to claim 7. If further line elements are introduced, they would either have to be free of voids or should also be provided with an appropriate filling compound.
  • the bundle is passed through a filling device immediately before the (first) layer of wires is applied, in which the bundle is soaked with the filler.
  • the invention creates an electrical line that can be made extremely thin or withstands extreme tensile loads. It can be produced economically, can be further processed without problems and can be designed to be longitudinally watertight and resistant to bending. Further advantages result from the example description below.
  • Figure 1 shows a conventional electrical line in cross section.
  • Figure 2 shows an electrical line according to the invention in cross section.
  • Figure 3 shows a section of the central, fibrous element with 3 individual filaments.
  • an electrical line 1 which consists of a stranded copper strand 2 with the structure 1 + 6 + 12 wires 3 with a diameter of 0.18 mm and an insulation 4 made of polyvinyl chloride.
  • the diameter of the line is 1.5 mm
  • the cross-sectional area is 1.77 mm2.
  • the conductor cross-sectional area is 0.5 mm2, the tensile strength is approx. 130 Newtons.
  • FIG. 2 shows an electrical line 10, which consists of a central carbon fiber bundle 11 with a diameter of approximately 0.2 mm, which consists of approximately 1,000 individual filaments 12 with a diameter of approximately 7,000th of a millimeter.
  • the individual filaments 12 have a size 13 based on polymer, which allows the individual filaments 12 to adhere to one another, and about 7 d / m (twists per m).
  • the bundle 11 is surrounded by a layer 14 made of six copper wires 15.
  • the copper wires 15 have a diameter of approximately 0.2 mm, so that there is a conductor cross-sectional area of approximately 0.2 mm2. All cavities within the layer 14 of the wires 15 and between the individual filaments 13 of the bundle 11 are filled with a filler 16 based on petroleum jelly.
  • the layer 14 of the copper wires 12 is surrounded by insulation 17 made of polyvinyl chloride, which completely fills the outer gusset 18.
  • the diameter of the line 10 is 1.19 mm, its cross-sectional area 1.11 mm2.
  • the tear strength is 120 Newtons.
  • the new line therefore shows a reduction in diameter by 21% and in cross-sectional area by 38% with approximately the same tear strength. These are values that represent a significant advantage in special applications where space or weight savings are important.
  • the new line can be easily processed because the central carbon fiber does not interfere. Cutting, stripping, crimping, welding and soldering are still possible without any impairment, so that this cable is particularly suitable for the production of all types of cable sets.
  • the six copper wires 15 and the carbon fiber bundle 11 are fed to a stranding device. Before the stranding point, the bundle 11 is filled with a filling compound 16 in a stuffing device and coated. In the stranding device, the wires 15 are stranded around the centrally incoming bundle 11. The lay length is approx. 15 mm. The individual filaments 12 of the bundle 11 are radially compressed by the wires 15, so that all inner gussets or the entire space enclosed by the wires 15 is filled by the bundle 11, ie by the individual filaments 12 and the filler 16. The stranded structure produced is then passed through an extruder and coated with a plastic insulation 17, such as PVC, under radial pressure. The insulating material fills all outer gussets 18 without voids.
  • a plastic insulation 17 such as PVC
  • the exemplary embodiment described shows only a simple application of the invention.
  • the invention is also applicable to multi-core, round or flat cables that can serve a wide variety of purposes, e.g. B. for energy or message transmission, for control or measurement purposes.

Landscapes

  • Insulated Conductors (AREA)
  • Ropes Or Cables (AREA)
  • Non-Insulated Conductors (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

Zur Minimierung der Querschnittsfläche bzw. des Durchmessers einer zugbelastbaren elektrischen Leitung wird ein zentrales faserförmiges Element aus einem Karbonfaserbündel (11) vorgeschlagen. Diese Ausführung läßt sich längswasserdicht ausgestalten und problemlos, z.B. zu Kabelsätzen, weiterverarbeiten.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Leitung mit einer Isolierung, mit einem mehrdrähtigen, zu einer Litze oder einem Seil geformten Leiter aus Metall und mit einem zentral im Leiter angeordneten, zugfesten, faserförmigen Element.
  • Elektrische Leitungen der vorgenannten Art sind bekannt. So zeigt die DE 25 19 687 A 1 ein Verfahren zur Herstellung eines Litzenleiters für elektrische Netzanschlußleitungen und dergleichen, bei dem beim Verseilen der Einzeldrähte zentral ein dünner Faden aus Glasseidenzwirn mit verlitzt wird. Bei derartigen Leitungen bestehen die Litzenleiter aus etwa 30 bis 60 Einzelleitern, die miteinander verwürgt werden. Der zentral eingeführte Glasfaden erhöht insbesondere die Zugfestigkeit der Litzen, ohne ihren Querschnitt merklich zu vergrößern, da er beim Verlitzen in die Hohlräume (Zwickel) zwischen den Einzelleitern eingebettet wird.
  • Ein solcher zentraler Glasfaden läßt sich bei der Verarbeitung auf Schneidemaschinen sehr leicht herausziehen und führt dann zu Störungen im Arbeitsablauf. Des weiteren ist die Einbettung zwischen vielen Einzelleitern nicht von Dauer, wenn die fertige Leitung beim Gebrauch oft gebogen wird. Dann kann der mitverwürgte Glasfaden leicht aus dem Litzenverband austreten und zerbrechen. Darüber hinaus bilden sich beim Anschluß an Kontaktteile störende isolierende Zwischenschichten im Kontaktbereich.
  • Die DE 28 24 521 A 1 lehrt den Fachmann, bei einem Zwillings-Fernmeldekabel eine Zugentlastung aus mindestens zwei symmetrisch angeordneten Tragorganen aus hochfesten Fasern, z.B. aus Graphitfasern, anzuordnen. Der Aufbau der Verstärkungsfasern ist offengelassen.
  • Die DE 24 33 099 A 1 lehrt, daß hochfeste Kunststoff-Fasern von einer elastischen Hülle umgeben oder mit einem elastischen Material durchtränkt bzw. imprägniert sein können.
  • Die DE 33 30 096 C 2 lehrt, daß ein Kabel mit insbesondere konzentrisch um den.Leiter angeordneten Zugentlastungselementen versehen ist, die mit einem Quellpulver oder dergleichen gefüllt sind. Diese Entgegenhaltung betrifft nur spezielle Ausführungen der Erfindung.
  • Aus der EP 0287 515 A2 ist eine elektrische Leitung nach der Präambel des Patentanspruchs 1 bekannt. Sie umfaßt eine Isolierung mit einem mehrdrähtigen, zu einer Litze oder einem Seil geformten Leiter aus Metall und ein zentral im Leiter angeformtes, zugfestes, faserförmiges Tragelement aus einem Bündel von Karbonfaserfilamenten, die mit einem hochmolekularen, vernetzten Harz fest miteinander verbunden sind. Durch die Tränkung und feste Verbindung mit dem hochmolekularen, vernetzten Polymerharz wird die Dehnbarkeit des Tragelements verringert und die Bruchkraft erhöht. Jedoch muß dabei eine Verringerung der Flexibilität des Tragelements und damit der elektrischen Leitung in Kauf genommen werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Leitung zu schaffen, die bei kleinem Querschnitt einer extremen Zugbelastung standhält, leicht herzustellen und weiterzuverarbeiten ist. Des weiteren soll sie - falls gewünscht - in einfacher und dauerhafter Weise längswas- serdicht ausgebildet werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das faserförmige Element aus einem Bündel von Karbonfasern-Filamenten (Kohlenstoff-Fasern) nach Patentanspruch 1 gebildet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
  • Bei der Aufteilung des Bündels in mindestens 800, je nach Ausführungsfall aber auch 1 000 bis 12 000 Einzelfilamenten mit einem Durchmesser von max. 0,007 Millimeter kann sich die Karbonfaser optimal im Innenzwickel verteilen und alle Hohlräume ausfüllen. Höchste Zugkräfte werden aufgenommen, wenn das Bündel keinerlei Drehung aufweist. Zur besseren Verarbeitbarkeit des Bündels können die Karbonfaserfilamente zu einem Garn mit einer Drehung bis zu 20 d/m (Drehungen pro Meter) geformt sein. Zum gleichen Zweck ist das Bündel mit einer Schlichte, z. B. auf Polymer-Basis, versehen, welche die Einzelfilamente zusammenhält, insbesondere an ihren Berührungspunkten oder -linien miteinander verklebt. Eine solche Schlichte kann schon vom Hersteller des Bündels aufgebracht sein. In einfachster Ausführung ist der Leiter aus einer ringförmigen Lage aus mindestens 6 Einzeldrähten oder dergleichen aufgebaut, die das Bündel mit radialem Druck umschließen, so daß der Innenzwickel vollkommen von den Einzelfilamenten des Bündels ausgefüllt ist.
  • Über der Lage aus Einzeldrähten können auch weitere Drähte oder andere Leitungsbauelemente aufgebracht sein. Bei erhöhten Anforderungen an die Leitung kann das Bündel mit einem flüssigen, pastenförmigen oder pulverigen Material gefüllt sein. Ein derartiges Füllmittel vermindert stark die Reibung zwischen den einzelnen Filamenten, wirkt sich demnach positiv auf die Flexibilität der Leitung und auf die Haltbarkeit der Filamente bei Biegebelastungen aus. Es können dabei Füllmittel verwendet werden, die zudem eine Längsabdichtung der Leitung bewirken, indem sie bei Zutritt von Wasser oder einer anderen beliebigen Flüssigkeit durch Quellen, Schäumen oder eine andere Reaktion eine Sperre für die Flüssigkeit bilden. Derartige Füllmittel gibt es auf der Basis von Vaseline, Petrojelly, Silikone, Zellulose und anderen Materialien. Ein Verfahren zur Herstellung einer Leitung nach der Erfindung sieht vor, daß mindestens eine Lage von Drähten um ein zentrales Bündel aus Karbonfaserfilamenten verlitzt oder verseilt wird, daß die inneren Drähte eng um das Bündel anliegen und das eine Isolierung um die Drähte angeordnet wird. Dabei können zwischen der Drahtlage und der Isolierung noch weitere Drahtlagen oder andere Leitungsbauelemente, z. B. zur Bewehrung, Abschirmung und dergleichen, eingebracht werden.
  • Zur Herstellung einer gefüllten Leitung werden die Verfahrensschritte nach Patentanspruch 6 vorgesehen. Dabei kann die Füllung des Bündels nach Patentanspruch 7 erfolgen. Falls weitere Leitungselemente eingebracht werden, müßten diese entweder hohlraumfrei sein oder ebenfalls mit einer entsprechenden Füllmasse versehen werden.
  • Dabei empfiehlt es sich, daß das Bündel unmittelbar vor dem Aufbringen der (ersten) Lage von Drähten durch eine Füllvorrichtung geführt wird, in der das Bündel mit dem Füllmittel getränkt wird.
  • Die Erfindung schafft eine elektrische Leitung, die extrem dünn ausgebildet werden kann, bzw. extremen Zugbelastungen standhält. Sie ist wirtschaftlich herstellbar, störungslos weiterzubearbeiten und kann längswasserdicht und biegefest ausgebildet werden. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beispielsbeschreibung.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im nachfolgenden näher beschrieben wird. Dabei wird die erfindungsgemäße Leitung mit einer herkömmlichen Leitung mit gleicher Zugfestigkeit verglichen.
  • Figur 1 zeigt eine herkömmliche elektrische Leitung im Querschnitt.
  • Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Leitung im Querschnitt.
  • Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem zentralen, faserförmigen Element mit 3 Einzelfilamenten.
  • In Figur 1 ist eine elektrische Leitung 1 gezeigt, die aus einer verseilten Kupferlitze 2 mit dem Aufbau 1 + 6 + 12 Drähten 3 mit dem Durchmesser 0,18 mm und einer Isolierung 4 aus Polyvinylchlorid besteht. Der Durchmesser der Leitung beträgt 1,5 mm, deren Querschnittsfläche ist 1,77 mm² . Die Leiterquerschnittsfläche beträgt 0,5 mm², die Reißkraft beträgt ca. 130 Newton.
  • Es gibt Anwendungsfälle, bei denen ein solcher Leiterquerschnitt lediglich aus Gründen der Zugbeanspruchung und/oder der Flexibilität gewählt wurde. Für die elektrische Übertragung würde ein viel geringerer Leiterquerschnitt ausreichen.
  • Figur 2 zeigt eine elektrische Leitung 10, die aus einem zentralen Karbonfaserbündel 11 mit ca. 0,2 mm Durchmesser, das aus ca. 1 000 Einzelfilamenten 12 mit einem Durchmesser von ca. 7 000stel Millimeter besteht. Die Einzelfilamente 12 weisen eine Schlichte 13 auf Polymerbasis auf, welche die Einzelfilamente 12 aneinander haften läßt, sowie ca. 7 d/m (Drehungen pro m) auf.
  • Das Bündel 11 ist von einer Lage 14 aus sechs Kupferdrähten 15 umgeben. Die Kupferdrähte 15 haben einen Durchmesser von ca. 0,2 mm, so daß sich eine Leiterquerschnittsfläche von ca. 0,2 mm² ergibt. Alle Hohlräume innerhalb der Lage 14 der Drähte 15 und zwischen den Einzelfilamenten 13 des Bündels 11 sind von einem Füllmittel 16 auf der Basis von Vaseline ausgefüllt.
  • Die Lage 14 der Kupferdrähte 12 ist von einer Isolierung 17 aus Polyvinylchlorid umgeben, welche die Außenzwickel 18 vollkommen ausfüllt. Der Durchmesser der Leitung 10 beträgt 1,19 mm, deren Querschnittsfläche 1,11 mm². Die Reißkraft beträgt 120 Newton.
  • Die neue Leitung zeigt demnach bei etwa gleicher Reißkraft eine Verminderung des Durchmessers um 21 % und der Querschnittsfläche um 38 %. Dieses sind Werte, die bei speziellen Anwendungsfällen, bei denen es auf Raum- oder Gewichtseinsparung ankommt, einen bedeutenden Vorteil darstellen. Die neue Leitung läßt sich problemlos weiterverarbeiten, da die zentrale Karbonfaser nicht stört. Schneiden, Abisolieren, Crimpen, Schweißen und Löten sind weiterhin ohne Beeinträchtigung möglich, so daß diese Leitung besonders für die Herstellung von Kabelsätzen jeder Art geeignet ist.
  • Zur Herstellung der Leitung 10 werden die sechs Kupferdrähte 15 und das Karbonfaserbündel 11 einer Verseilvorrichtung zugeführt. Vor dem Verseilpunkt wird das Bündel 11 in einer Stopfvorrichtung mit einer Füllmasse 16 gefüllt und beschichtet. In der Verseilvorrichtung werden die Drähte 15 um das zentral einlaufende Bündel 11 verseilt. Die Schlaglänge beträgt ca. 15 mm. Dabei werden die Einzelfilamente 12 des Bündels 11 von den Drähten 15 radial zusammengedrückt, so daß alle Innenzwickel bzw. der ganze von den Drähten 15 eingeschlossene Raum von dem Bündel 11, d. h. von den Einzelfilamenten 12 und dem Füllmittel 16 ausgefüllt ist. Danach wird das erzeugte Verseilgebilde durch einen Extruder geführt und unter radialem Druck mit einer Kunststoffisolierung 17, wie PVC, beschichtet. Dabei füllt das Isoliermaterial alle Außenzwickel 18 hohlraumfrei aus.
  • Das beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt nur einen einfachen Anwendungsfall der Erfindung. Die Erfindung ist auch anwendbar bei mehradrigen, runden oder flachen Leitungen, die unterschiedlichsten Zwecken dienen können, z. B. zur Energie- oder Nachrichtenübertragung, zu Steuer- oder Meßzwecken.
  • Da Karbonfasern elektrisch leitfähig sind, können sich in anzuschließenden Kontaktteilen keine störenden Isolierschichten ausbilden, wie dies bei anderen, nichtmetallischen Verstärkungsfasern der Fall ist.

Claims (7)

  1. Elektrische Leitung (10) mit-einer Isolierung (17), mit einem mehrdrähtigen, zu einer Litze oder einem Seil geformten Leiter (14) aus Metall und einem zentral im Leiter (14) angeordneten, zugfesten, faserförmigen Element (11) aus einem Bündel von Karbonfaserfilamenten (12), die mit einem Polymer versehen sind, das die Einzelfilamente zusammenhält, wobei die Karbonfaserfilamente parallel verlaufen oder Drehungen aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    a) das Bündel aus mindestens 800 Karbonfaserfilamenten (12) besteht, die je einen Durchmesser von 0,007 Millimeter oder weniger aufweisen,
    b) die Karbonfaserfilamente (12) des Bündels (11) eine Drehung von 0 bis 20 Drehungen pro Meter aufweisen und
    c) das Polymer eine Schlichte (13) ist.
  2. Leitung nach Anspruch 1, deren Leiter (14) eine ringförmige Lage aus mindestens sechs Einzeldrähten (15), - litzen oder -seilen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldrähte (15) das Bündel (11) ringsum mit radialem Druck umschließen.
  3. Leitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel (11) mit einem flüssigen, pastenförmigen oder pulverigen Material (16) gefüllt ist.
  4. Leitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmittel (16) bei Zutritt von Flüssigkeit durch Quellen, Schäumen oder eine andere Reaktion eine Sperre bildet.
  5. Verfahren zur Herstellung einer Leitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Lage (14) von Drähten (15) so um ein zentrales Bündel (11) aus Karbonfaserfilamenten (12) verlitzt oder verseilt wird, daß die inneren Drähte (15) eng um das Bündel (11) anliegen, und daß eine Isolierung (17) um die Drähte (15) angeordnet wird.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Leitung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Lage (14) von Drähten (15) so um ein mit Füllmittel (16) versehenes Bündel (11) aus Karbonfaserfilamenten (12) verlitzt oder verseilt wird, daß die inneren Drähte (15) eng an dem Bündel (11) anliegen, und daß eine Isolierung (17) unter radialem Druck so um die Drähte aufgebracht wird, daß alle Außenzwickel (18) der Drähte (15) ausgefüllt sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel (11) unmittelbar vor dem Aufbringen der inneren Drähte (15) durch eine Füllvorrichtung geführt wird, in der das Bündel (11) mit dem Füllmittel (16) getränkt und beschichtet wird.
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