EP2880664B1

EP2880664B1 - Koaxialkabel für hochleistungsanwendungen

Info

Publication number: EP2880664B1
Application number: EP13733949.5A
Authority: EP
Inventors: Erwin Köppendörfer
Original assignee: Leoni Kabel Holding GmbH
Current assignee: Leoni Kabel GmbH
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2013-06-12
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2033-06-12
Also published as: EP2880664A1; DE102012014944A1; WO2014019635A1

Description

Ein derartiges Koaxialkabel ist aus der US 5 298 682 A zu entnehmen.
Bei der Übertragung von hohen Leistungen im Wechselstrombereich ist der sogenannte Skin-Effekt bekannt, welcher zu einer Verdrängung des über den Leiter transportierten Stroms an den Rand des Leiters sorgt. Der Skin-Effekt ist hierbei frequenzabhängig und nimmt mit höheren Frequenzen zu. Insbesondere bei Leitungen, die für die Übertragung von sehr hohen Frequenzen von > 1 MHz ausgelegt sind, führt dies dazu, dass nur noch der äußerste Querschnitt des Leiters zur Stromübertragung beiträgt. Sollen zugleich hohe elektrische Leistungen übertragen werden, so muss der Leiter entsprechend groß gewählt werden um einen ausreichenden Querschnitt für den Stromtransport zur Verfügung zu stellen.
Um hier keine massiven Innenleiter bei Koaxialkabeln zu verwenden sind bei Hochleistungs-Koaxialkabeln die Verwendung beispielsweise von Wellrohren oder auch Kupferrohren bekannt, die von einem Dielektrikum und anschließend von dem Außenleiter umgeben sind. Die Außenleiter sind hierbei üblicherweise ebenfalls aus einem (Well-) Rohr ausgebildet. Derartige Hochleistungs-Koaxial-Kabel weisen eine entsprechend hohe Steifigkeit auf.
Gemäß der US 5 298 682 A ist der Innenleiter demgegenüber als ein Geflechtschirm ausgebildet, welcher auf einem strangförmigen Kernelement aus Kunststoff aufgebracht ist.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Koaxialkabel für Hochleistungsanwendungen mit verbesserten Eigenschaften anzugeben.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Koaxialkabel für Hochleistungsanwendungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Koaxialkabel weist einen Innenleiter auf, der konzentrisch von einem Dielektrikum sowie von einem Außenleiter umgeben ist, wobei der Innenleiter als ein flexibler, röhrenförmiger Schirm aus einer Vielzahl von Schirmdrähten ausgebildet ist.
Der Schirm selbst ist aufgrund seiner Ausgestaltung aus vergleichsweise nur lose miteinander verbundenen Schirmdrähten nicht eigenstabil, d.h. er ist in radialer Richtung nicht druckstabil und wird bereits bei geringen radialen äußeren Drücken zusammengedrückt. Um die gewünschte röhrenförmige Ausgestaltung beizubehalten weist der Schirm daher in seinem Innenhohlraum ein oder mehrere Stützelemente auf, die für die Aufrechterhaltung eines ringförmigen Querschnitts des Schirmes sorgen. Über die gesamte Länge des Innenleiters ist daher ein sich kontinuierlich erstreckender Füller als Stützelement eingebracht.
Durch die Bereitstellung eines Innenhohlraums durch den Schirm besteht die Möglichkeit, diesen zur Aufnahme von Funktionselementen zu verwenden. Vorliegend bildet der Füller einen thermischen Energiespeicher vorzugsweise mit einer kurzfristigen Wärmeleistung im Bereich von einigen kW. Durch diese Ausgestaltung können thermische Belastungsspitzen aufgrund hoher elektrischer Leistungsspitzen abgefangen werden, ohne dass es zu einer Schädigung oder Beeinträchtigung des Koaxialkabels kommt. Bei dem Füller handelt es sich dabei insbesondere um ein Material, was zur reversiblen Aufnahme und Abgabe von Wärme ausgebildet ist.
Durch die Ausgestaltung des Innenleiters als ein flexibler, röhrenförmiger Schirm weist das Koaxialkabel eine hohe Biege-Flexibilität auf und ist zugleich für die Übertragung von hohen Leistungen bei hohen Frequenzen beispielsweise von 1 MHz und größer geeignet.
Gleichzeitig ist der notwendige Materialeinsatz für den Innenleiter minimiert. Darüber hinaus kann auf etablierte, herkömmliche Technologien zurückgegriffen werden, da derartige Schirme vielfältig zu Abschirmungszwecken von elektrischen Leitern, insbesondere auch als Außenleiter bei Koaxialkabeln eingesetzt werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante ist der Füller als Latentwärmespeicher ausgebildet. Bei derartigen Latentwärmespeichern erfolgt allgemein bei einer definierten Temperatur eine Phasenumwandlung, bei der bei konstanter Temperatur Wärme, zum Beispiel Schmelzwärme, aufgenommen bzw. später wieder abgegeben wird.
In einer bevorzugten Ausbildung ist der Füller als ein Compound aus mehreren Komponenten mit unterschiedlicher Schmelztemperatur ausgebildet. Hierunter wird eine Mischung aus verschiedenen Kunststoff-Materialien verstanden, die zumindest auf mikroskopischer Ebene weiterhin getrennt sind, so dass sie in dem Compound-Verbund zumindest lokal bei unterschiedlichen Temperaturen aufschmelzen. Hierbei handelt es sich insbesondere um zumindest eine reversibel aufschmelz- und wieder erstarrungsfähige Komponente. Die Schmelztemperaturen sind daher vorzugsweise deutlich beispielsweise um mehr als 20°C bis 50°C verschieden. Der Effekt beruht darauf, dass die niedrig schmelzende Komponente bei Erreichen ihrer Schmelztemperatur aufschmilzt und hierbei Wärme aufnimmt. Gleichzeitig bleibt die höher schmelzende Komponente in ihrem festen Ausgangszustand, so dass insgesamt der Füller seine Geometrie beibehält und nicht "zerfließt".
Als Schirm wird in zweckdienlichen Ausgestaltungen wahlweise ein Geflechtschirm mit miteinander verflochtenen Schirmdrähten oder auch ein sogenannter Wendelschirm eingesetzt, bei dem die einzelnen Drähte wendelförmig parallel nebeneinander verlaufen.
Um eine hohe Flexibilität zu erreichen zeigt der Schirm vorzugsweise eine sogenannte optische Abdeckung < 100%. Die optische Abdeckung liegt dabei insbesondere etwa bei 90%. Unter optischer Abdeckung wird hierbei die Überdeckung des vom Schirm umgegebenen Innenhohlraums in geometrischer Sicht verstanden. Bei einer 100%-Abdeckung ist also die gesamte Mantelfläche des Schirms durch Schirmdrähte gebildet. Bei einer geringeren optischen Abdeckung sind in der Mantelfläche des Schirms Lücken enthalten. Bei einer 90%igen Abdeckung bedeutet dies, dass etwa 10% der Fläche des Mantels des Schirms nicht von Schirmdrähten überdeckt ist. Eine geringere Abdeckung führt zu einer höheren Biegeflexibilität.
Die Variation der optischen Abdeckung lässt sich herstellungstechnisch bei der Herstellung von Geflechtschirmen aber auch von Wendelschirmen vergleichsweise einfach einstellen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Füller selbst wiederum mehrteilig ausgebildet. Hierdurch können spezielle Eigenschaften für den Füller und das gesamte Koaxialkabel, wie beispielsweise mechanischer Eigenschaften, gezielt eingestellt werden. So besteht beispielsweise die Möglichkeit in den Innenhohlraum des Schirms ein zugfestes Element, umgeben von einem leichten Füllmaterial einzubinden. In zweckdienlicher Ausgestaltung ist entsprechend auch vorgesehen, dass der Füller ein Faserbündel umfasst oder auch durch ein solches Faserbündel gebildet ist. Bei dem Faserbündel handelt es sich um ein Faserbündel aus (Baum-) Wollfasern oder auch Kunststofffasern. Bei dem Faserbündel kann es sich auch um ein textiles Gebilde wie beispielsweise einen Zopf etc. handeln.
Alternativ oder ergänzend weist der Füller einen extrudierten Kunststoffstrang auf, an dem der Schirm anliegt. Da ein derartiger extrudierter Kunststoffstrang eine vergleichsweise gute Formbeständigkeit aufweist ist sichergestellt, dass der Innenleiter seine gewünschte ringförmige Ausgestaltung beibehält.
Zweckdienlicherweise ist der Kunststoffstrang dabei als ein Hohlstrang mit Innenhohlraum ausgebildet. Dieser ist wiederum in zweckdienlicher Weise mit dem bereits erwähnten Faserbündel ausgefüllt.
Ergänzend zu der Integration eines Füllers im Innenhohlraum des Schirms ist in diesem in zweckdienlicher Weiterbildung eine Funktionsleitung geführt. Hierunter wird verstanden, dass innerhalb des Schirms eine Leitung zur Bereitstellung einer technischen Funktionalität, wie beispielsweise eine Versorgungsleitung oder auch eine Kühlleitung integriert ist. Der freie Innenhohlraum wird daher in besonders effizienter Weise genutzt.
Zweckdienlicherweise wird im Schirm dabei eine Signal- oder Datenleitung geführt. Diese Funktionsleitung bildet dabei vorzugsweise ohne weitere Komponenten den Füller. Grundsätzlich können auch mehrere unterschiedliche Funktionsleitungen innerhalb des Innenhohlraums geführt werden. Die Signalleitungen selbst wiederum können elektrische Signalleitungen oder auch optische Signalleitungen sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt in einer vereinfachten Querschnittsdarstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Koaxialkabels mit einem Schirm als Innenleiter.
Das Koaxialkabel 2 weist wie allgemein üblich einen als Geflechtschirm 4 ausgebildeten Innenleiter auf, welcher konzentrisch von einem Dielektrikum 6 aus einem geeigneten Kunststoff sowie einem Außenleiter 8 umgeben ist. Der Außenleiter 8 ist im Ausführungsbeispiel zweilagig ausgebildet aus einem inneren Schirm 8A und einem äußeren Schirm 8B, die beide konzentrisch zum Geflechtschirm 4 angeordnet sind. Der innere Schirm 8A ist dabei ebenfalls als ein Geflechtschirm aus einer Vielzahl von metallischen Einzeldrähten ausgebildet. Der äußere Schirm 8B ist im Ausführungsbeispiel eine metallische Folie. Der Außenleiter 8 wird insgesamt konzentrisch von einem Isolationsmantel 10 aus einem geeigneten elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial umgeben.
Von besonderer Bedeutung bei dem hier beschriebenen Koaxialkabel 2 ist die Ausbildung des Innenleiters als Schirm 4, insbesondere Geflechtschirm aus einer Vielzahl von einzelnen metallischen Drähten. Der Schirm 4 besteht grundsätzlich aus einer Vielzahl dieser mehr oder weniger lose miteinander verbundenen und insbesondere miteinander verflochtenen Einzeldrähten. Der besondere Vorteil ist darin zu sehen, dass hierdurch im Vergleich zu Innenleiter, die als steife Metallrohre ausgebildet sind, eine deutlich höhere (Biege-) Flexibilität erreicht ist. Die Flexibilität wird hierbei vorzugsweise durch die Wahl von Flechtparametern, wie beispielsweise die sogenannte Abdeckung, Maschenweite etc. in Abhängigkeit der gewünschten Anforderungen eingestellt. Insgesamt ist dadurch ein Koaxialkabel 2 mit einem Höchstmaß an Flexibilität ausgebildet, das sich auch in vergleichsweise engen Biegeradien verlegen lässt. ohne dass die elektrischen / mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt werden.
Der Geflechtschirm 4 weist allgemein einen ringförmigen Querschnitt auf und definiert dadurch einen Innenhohlraum. Dieser ist mit einem Füller 12 angefüllt, der eine ausreichend hohe Eigensteifigkeit hat, so dass er eine formstabile kreisrunde Querschnittfläche definiert, um die gewünschte Ringform des Geflechtschirms 4 festzulegen.
Im Ausführungsbeispiel ist der Füller 12 zweiteilig ausgebildet mit einem Zentralstrang 12A insbesondere aus einem Faserbündel beispielsweise aus Baumwollfasern und einem den Zentralstrang 12A umgebenden Füllrohr 12B. Dieses ist insbesondere ein extrudiertes Rohr aus Kunststoff mit guter Formbeständigkeit bei gleichzeitig hoher Biegeelastizität.
Weiterhin besteht das Füllrohr 12B vorzugsweise aus einem Material, welches zur Speicherung von thermischer Energie geeignet ist. Durch diese Maßnahme wird eine gewisse Überlastsicherheit geschaffen bei zumindest kurzfristiger elektrischer Überlast, die zu einem Temperaturanstieg führt. Alternativ zu der dargestellten Ausgestaltung ist der Füller 12 daher zur Ausbildung eines derartigen thermischen Energiespeichers insgesamt als Vollstrang aus geeignetem Material ausgebildet. Beispielsweise bietet sich hier ein Compound aus den beiden Kunststoffen Polypropylen und Polyethylen an. Polypropylen schmilzt bei höheren Temperaturen als Polyethylen. Erreicht die Temperatur die Schmelztemperatur des Polyethylen, so schmilzt Polyethylen auf. Der Füller 12 selbst wird jedoch aufgrund des weiterhin festen Polypropylen in seiner Form gehalten. Es erfolgt lediglich eine Erweichung des Füllers 12. Gleichzeitig kann der Füller 12 durch diese Maßnahme viel Wärmeenergie aufnehmen. Dadurch kann das Koaxialkabel 2 auch bei einem zumindest kurzfristig hohen Wärmeeintrag aufgrund hoher elektrischer Leistung in seinem Nenntemperaturbereich gehalten werden. Dadurch kann insgesamt die Auslegung des Koaxialkabels für geringere Lastspitzen vorgenommen werden, so dass insgesamt das Koaxialkabel günstig gestaltet werden kann.
Das hier beschriebene Koaxialkabel 2 ist insbesondere zur Übertragung von höherfreqenten elektrischen Strömen mit einer Frequenz zumindest > 50 Hz und vorzugsweise > einige 100 KHz bis in den MHz-Bereich geeignet. Gleichzeitig dient dieses Koaxialkabel 2 zur Übertragung von hohen elektrischen (Puls-) Leistungen, beispielsweise im Bereich von 50 bis 2500 Watt.
Die geometrischen Abmessungen des Koaxialkabels sowie der einzelnen jeweils konzentrisch zueinander angeordneten Komponenten (4, 6, 8, 10, 12) werden je nach gewünschter Anforderung geeignet gewählt.

Bezugszeichenliste

2: Koaxialkabel
4: Schirm
6: Dielektrikum
8: Außenleiter
8A: innerer Schirm
8B: äußerer Schirm
10: Mantel
12: Füller
12A: Zentralstrang
12B: Füllrohr

Claims

Koaxialkabel (2) für Hochleistungsanwendungen mit einem Innenleiter, der konzentrisch von einem Dielektrikum (6) sowie von einem Außenleiter (8) umgeben ist, wobei der Innenleiter als ein flexibler röhrenförmiger Schirm (4) aus einer Vielzahl von Schirmdrähten ausgebildet ist und in einem durch den Schirm (4) gebildeten Innenhohlraum ein sich über die gesamte Länge des Innenleiters (4) kontinuierlich erstreckender Füller (12) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Füller (12) einen thermischen Energiespeicher bildet.
Koaxialkabel (2) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Ausbildung des thermischen Energiespeichers der Füller (12) ein Compound aus mehreren Komponenten mit unterschiedlicher Schmelztemperatur ist.
Koaxialkabel (2) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem Compound um eine Mischung aus verschiedenen Kunststoff-Materialien handelt, insbesondere um eine Mischung aus Polyetylen und Polypropylen.
Koaxialkabel (2) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schmelztemperaturen sich um mehr als 20°C bis 50°C unterscheiden.
Koaxialkabel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Füller (12) als Latentwärmespeicher ausgebildet ist.
Koaxialkabel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schirm (4) als Geflechtschirm oder als Wendelschirm ausgebildet ist.
Koaxialkabel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schirm (4) eine Abdeckung kleiner 100% und insbesondere etwa von 90% aufweist.
Koaxialkabel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Füller (12) mehrteilig ausgebildet ist.
Koaxialkabel (2) nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Füller (12) ein Füllrohr (12A) aufweist, das aus einem Material zur Speicherung von thermischer Energie geeignet ist und in dem ein Zentralstrang (12A) insbesondere aus einem Fasersbündel angeordnet ist.
Koaxialkabel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Füller (12) ein Faserbündel aufweist
Koaxialkabel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Füller (12) einen extrudierten Kunststoffstrang (12B) aufweist.
Koaxialkabel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schirm (4) eine Funktionsleitung geführt ist.
Koaxialkabel (2) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schirm (4) eine Signalleitung geführt ist.