ES2552694T3 - Cable y método para fabricarlo - Google Patents

Abstract

Un cable, que comprende: un núcleo longitudinal que tiene un coeficiente de expansión térmica y que comprende al menos uno de aramida, cerámica, boro, poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol), grafito, carbono, titanio, tungsteno o aleación con memoria de forma; y una pluralidad de alambres que tiene colectivamente un coeficiente de expansión térmica superior al coeficiente de expansión térmica del núcleo, en donde la pluralidad de alambres comprende al menos uno de alambres de aluminio, alambres de cobre, alambres de aleación de aluminio o alambres de aleación de cobre, y en donde la pluralidad de alambres se trenza alrededor del núcleo, en donde el cable tiene un parámetro de tensión no superior a 5 MPa, con la condición de que si el núcleo longitudinal comprende alambre de material compuesto de matriz metálica, el núcleo comprende por separado al menos uno de aramida, cerámica, boro, poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol), grafito, carbono, titanio, tungsteno o una aleación con memoria de forma.

Description

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DESCRIPCION

Cable y metodo para fabricarlo Antecedentes de la invencion

En general, se conocen los materiales compuestos (incluidos los materiales compuestos de matriz metalica [MMC]). Los materiales compuestos incluyen, de forma tipica, una matriz reforzada con fibras, particulas, filamentos o fibras (por ejemplo, fibras cortas o largas). Ejemplos de materiales compuestos de matriz metalica incluyen alambres de material compuesto con matriz de aluminio (p. ej., carburo de silicio, carbono, boro, o fibras de alumina alfa policristalinas incrustadas en una matriz de aluminio), cintas de material compuesto con matriz de titanio (por ejemplo, fibras de carburo de silicio incrustadas en una matriz de titanio), y cintas de material compuesto con matriz de cobre (por ejemplo, carburo de silicio o fibras de boro incrustadas en una matriz de cobre). Ejemplos de materiales compuestos de matriz polimerica incluyen fibras de carbono o de grafito en una matriz de resina epoxidica, fibras de vidrio o de aramida en una resina de poliester y fibras de carbono y de vidrio en una resina epoxidica.

Un uso de un alambre de material compuesto (por ejemplo, un alambre de material compuesto de matriz metalica) es como elemento de refuerzo en cables de transmision de energia electrica aereos desnudos. Una demanda tipica de cables surge de la necesidad de aumentar la capacidad de transferencia de electricidad en una infraestructura de transmision existente.

Las prestaciones deseables en los cables para aplicaciones de transmision aerea de electricidad incluyen resistencia a la corrosion, resistencia medioambiental (por ejemplo, UV y humedad), resistencia a la perdida de fuerza a temperaturas elevadas, resistencia a la fluencia, asi como modulo elastico relativamente alto, baja densidad, bajo coeficiente de expansion termica, alta conductividad electrica y alta resistencia. Aunque se conocen cables de transmision aerea de electricidad que incluyen alambres de material compuesto con matriz de aluminio, para algunas aplicaciones sigue existiendo una demanda de, por ejemplo, cables con propiedades de flechado mas deseables.

Sumario de la invencion

En un aspecto, la presente invencion proporciona un cable, que comprende:

un nucleo longitudinal que tiene un coeficiente de expansion termica y que comprende al menos uno de aramida, ceramica, boro, poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol), grafito, carbono, titanio, tungsteno, o aleacion con memoria de forma; y una pluralidad de alambres que tiene colectivamente un coeficiente de expansion termica superior al coeficiente de expansion termica del nucleo, en donde la pluralidad de alambres comprende al menos uno de alambres de aluminio, alambres de cobre, alambres de aleacion de aluminio, o alambres de aleacion de cobre, y en donde la pluralidad de alambres se trenza alrededor del nucleo, y en donde el cable tiene un parametro de esfuerzo no superior a 5 MPa, 4 MPa, 3 MPa, 2 MPa, 1 MPa, o incluso no superior a 0 MPa; en algunas realizaciones, en un intervalo de 0 MPa a 5 MPa, con la condicion de que si el nucleo longitudinal comprende alambre de material compuesto de matriz metalica, el nucleo comprende por separado (es decir, sin formar parte del alambre de material compuesto de matriz metalica) al menos uno de aramida, ceramica, boro, poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol), grafito, carbono, titanio, tungsteno o aleacion con memoria de forma. En algunas realizaciones, la pluralidad de alambres tiene una resistencia a la tension de ruptura de al menos 90 MPa, o incluso al menos 100 MPa (calculado segun la norma ASTM B557/B557M [1999]).

En algunas realizaciones, el nucleo comprende fibras (de forma tipica, fibras continuas) de al menos uno de aramida, ceramica, boro, poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol), grafito, carbono, titanio, tungsteno o aleacion con memoria de forma. En algunas realizaciones, el nucleo comprende un material compuesto que comprende fibras y un material de matriz (p. ej., de metal y/o material polimerico).

Segun la presente invencion, los siguientes terminos se definen como se ha indicado, a menos que se especifique lo contrario en la presente memoria:

“ceramica” significa vidrio, ceramica cristalina, vitroceramica y combinaciones de las mismas.

“fibra continua” se refiere a una fibra que tiene una longitud que es relativamente infinita en comparacion con el diametro medio de las fibras. De forma tipica, esto significa que la fibra tiene una relacion de aspecto (es decir, relacion de la longitud de la fibra con respecto al diametro medio de la fibra) de al menos 1 x 105 (en algunas realizaciones, al menos 1 x 106, o incluso al menos 1 x 107). De forma tipica, dichas fibras tienen una longitud del orden de al menos 50 metros, e incluso pueden tener longitudes del orden de kilometros o mas.

“aleacion con memoria de forma” se refiere a una aleacion de metal que experimenta una transformacion martensitica de manera que la aleacion de metal puede deformarse mediante un mecanismo de maclado interno por debajo de la temperatura de transformacion, en donde dicha deformacion es reversible cuando la estructura de la macla vuelve a la fase original al calentarla por encima de la temperatura de transformacion.

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Los cables segun la presente invencion son utiles, por ejemplo, como cables de transmision de electricidad. De forma tipica, los cables segun la presente invencion presentan propiedades de flechado mejoradas (es decir, flechado reducido).

Descripcion de los dibujos

Las Fig. 1-5 son vistas esquematicas, en seccion transversal de realizaciones ilustrativas de cables segun la presente invencion.

La Fig. 6 es una vista esquematica de un aparato de infiltracion ultrasonico ilustrativo usado para infiltrar fibras con metales fundidos segun la presente invencion.

Las Fig. 7, 7A, y 7B son vistas esquematicas de un aparato de trenzado ilustrativo utilizado para hacer cable segun la presente invencion.

La Fig. 8 es una representacion de los datos de flechado del cable para el Ejemplo ilustrativo.

La Fig. 9 es una representacion de los datos de flechado del cable para el Ejemplo ilustrativo y el Ejemplo profetico 1.

La Fig. 10 es una vista esquematica, en seccion transversal, de una realizacion ilustrativa de un cable segun la presente invencion.

Descripcion detallada

La presente invencion se refiere a cables y metodos de fabricacion de cables. Una vista en seccion transversal de un cable ilustrativo segun la presente invencion 10 se muestra en la Fig. 1. El cable 10 incluye un nucleo 12 y dos capas de alambres 14 trenzados redondos, en donde el nucleo 12 incluye alambres 16 (como se muestra, alambres de material compuesto).

Una vista en seccion transversal de otro cable ilustrativo segun la presente invencion 20 se muestra en la Fig. 2. El cable 20 incluye un nucleo 22 y tres capas de alambres trenzados 24, en donde el nucleo 22 incluye alambres 26 (como se muestra, alambres de material compuesto).

Una vista en seccion transversal de otro cable ilustrativo segun la presente invencion 30 se muestra en la Fig. 3. El cable 30 incluye un nucleo 32 y dos capas de alambres 34 trenzados trapezoidales, en donde el nucleo 32 incluye alambres 36 (como se muestra, alambres de material compuesto).

Una vista en seccion transversal de otro cable ilustrativo segun la presente invencion 40 se muestra en la Fig. 4. El cable 40 incluye un nucleo 42 y alambres trenzados 44.

En algunas realizaciones, el nucleo tiene un coeficiente de expansion termica longitudinal en un intervalo de

aproximadamente 5,5 ppm/'C hasta aproximadamente 7,5 ppm/'C en al menos un intervalo de temperatura de

aproximadamente -75 0C hasta aproximadamente 450 0C.

Ejemplos de materiales que comprenden el nucleo incluyen aramida, ceramica, boro, poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol), grafito, carbono, titanio, tungsteno, y/o aleaciones con memoria de forma. En algunas realizaciones, los materiales tienen forma de fibras (normalmente fibras continuas). En algunas realizaciones, los nucleos que comprenden aramida tienen un coeficiente de expansion termica longitudinal en un intervalo de aproximadamente -6 ppm/°C a aproximadamente 0 ppm/°C en al menos un intervalo de temperatura de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 200 °C. En algunas realizaciones, los nucleos que comprenden ceramica tienen un coeficiente de expansion termica longitudinal en un

intervalo de aproximadamente 3 ppm/°C a aproximadamente 12 ppm/°C en al menos un intervalo de temperatura de

aproximadamente 20 0C a aproximadamente 600 °C. En algunas realizaciones, los nucleos que comprenden boro tienen un coeficiente de expansion termica longitudinal en un intervalo de aproximadamente 4 ppm/°C a aproximadamente 6 ppm/°C en al menos un intervalo de temperatura de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 600 °C. En algunas realizaciones, los nucleos que comprenden poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol) tiene un coeficiente de expansion termica longitudinal en un intervalo de aproximadamente -6 ppm/'C a aproximadamente 0 ppm/'C en al menos un intervalo de temperatura de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 600 °C. En algunas realizaciones, los nucleos que comprenden grafito tienen un coeficiente de expansion termica longitudinal en un intervalo de aproximadamente -2 ppm/0C a aproximadamente 2 ppm/0C en al menos un intervalo de temperatura de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 600 °C. En algunas realizaciones, los nucleos que comprenden carbono tienen un coeficiente de expansion termica longitudinal en un intervalo de aproximadamente -2 ppm/'C a aproximadamente 2 ppm/'C en al menos un intervalo de temperatura de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 600 °C. En algunas realizaciones, los nucleos que comprenden titanio tienen un coeficiente de expansion termica longitudinal en un intervalo de aproximadamente 10 ppm/0C a 5 aproximadamente 20 ppm/'C en al menos un intervalo de temperatura de aproximadamente 20 0C a aproximadamente 800 °C. En algunas realizaciones, los nucleos que comprenden tungsteno tienen un coeficiente de expansion termica longitudinal en un intervalo de aproximadamente 8 ppm/0C a aproximadamente 18 ppm/'C en al menos

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un intervalo de temperatura de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 1000 ‘C. En algunas realizaciones, los nucleos que comprenden aleacion con memoria de forma tienen un coeficiente de expansion termica longitudinal en un intervalo de aproximadamente 8 ppm/°C a aproximadamente 25 ppm/°C en al menos un intervalo de temperatura de aproximadamente 20 0C a aproximadamente 1000 °C. En algunas realizaciones, los nucleos que comprenden vidrio tienen un coeficiente de expansion termica longitudinal en un intervalo de aproximadamente 4 ppm/°C a aproximadamente 10 ppm/°C en al menos un intervalo de temperatura de aproximadamente 20 0C a aproximadamente 600 °C.

Ejemplos de fibras para el nucleo incluyen fibras de aramida, fibras de ceramica, fibras de boro, fibras de poli(p- fenileno-2,6-benzobisoxazol), fibras de grafito, fibras de carbono, fibras de titanio, fibras de tungsteno y/o fibras de aleaciones con memoria de forma.

Las fibras de boro ilustrativas las comercializa, por ejemplo, Textron Specialty Fibers, Inc. de Lowell, MA, EE. UU. De forma tipica, dichas fibras tienen una longitud del orden de al menos 50 metros, e incluso pueden tener longitudes del orden de kilometros o mas. De forma tipica, las fibras continuas de boro tienen un diametro medio de fibra en un intervalo de aproximadamente 80 micrometros a aproximadamente 200 micrometros. De forma mas tipica, el diametro medio de fibra es no superior a 150 micrometros, de forma mas tipica se encuentra en un intervalo de 95 micrometros a 145 micrometros. En algunas realizaciones, las fibras de boro tienen una resistencia media a la traccion de al menos 3 GPa y/o incluso al menos 3,5 GPa. En algunas realizaciones, las fibras de boro tienen un modulo en un intervalo de aproximadamente 350 GPa a aproximadamente 450 GPa, o incluso en un intervalo de aproximadamente 350 GPa a aproximadamente 400 GPa.

En algunas realizaciones, las fibras de ceramica tienen una resistencia media a la traccion de al menos 1,5 GPa, 2 GPa, 3 GPa, 4 GPa, 5 GPa, 6 GPa y/o incluso al menos 6,5 GPa. En algunas realizaciones, las fibras de ceramica tienen un modulo en un intervalo de 140 GPa a aproximadamente 500 GPa, o incluso en un intervalo de 140 GPa a aproximadamente 450 GPa.

Las fibras de carbono ilustrativas las comercializa, por ejemplo, Amoco Chemicals, Alpharetta, GA, EE. UU., con el nombre comercial “THORNEL CARBON” en estopas de 2000, 4000, 5000 y 12 000 fibras; Hexcel Corporation, Stamford, CT, EE. UU; Grafil, Inc., Sacramento, CA, EE. UU. (subsidiaria de Mitsubishi Rayon Co.) con el nombre comercial “PYROFEL”; Toray, Tokio, Japon, con el nombre comercial “TORAYCA”; Toho Rayon of Japan, Ltd., con el nombre comercial “BeSfIGHT”, Zoltek Corporation, St. Louis, MO, EE. UU., con los nombres comerciales “PANEX” y “PYRON”; e Inco Special Products, Wyckoff, NJ, EE. UU., (fibras de carbono con recubrimiento de niquel), con los nombres comerciales “12K20” y “12K50”. De forma tipica, dichas fibras tienen una longitud del orden de al menos 50 metros, e incluso pueden tener longitudes del orden de kilometros o mas. De forma tipica, las fibras de carbono continuas tienen un diametro medio de fibra en un intervalo de aproximadamente 4 micrometros a aproximadamente 12 micrometros, de aproximadamente 4,5 micrometros a aproximadamente 12 micrometros, o incluso de aproximadamente 5 micrometros a aproximadamente 10 micrometros. En algunas realizaciones, las fibras de carbono tienen una resistencia media a la traccion de al menos 1,4 GPa, al menos 2,1 GPa, al menos 3,5 GPa, o incluso al menos 5,5 GPa. En algunas realizaciones, las fibras de carbono tienen un modulo superior a 150 GPa y no superior a 450 GPa, o incluso no superior a 400 GPa.

Las fibras de grafito ilustrativas las comercializa, por ejemplo, BP Amoco, Alpharetta, GA, EE. UU., con el nombre comercial “T-300”, en estopas de 1000, 3000, y 6000 fibras. De forma tipica, dichas fibras tienen una longitud del orden de al menos 50 metros, e incluso pueden tener longitudes del orden de kilometros o mas. De forma tipica, las fibras de grafito continuas tienen un diametro medio de fibra en un intervalo de aproximadamente 4 micrometros a aproximadamente 12 micrometros, de aproximadamente 4,5 micrometros a aproximadamente 12 micrometros, o incluso de aproximadamente 5 micrometros a aproximadamente 10 micrometros. En algunas realizaciones, las fibras de grafito tienen una resistencia media a la traccion de al menos 1,5 GPa, 2 GPa, 3 GPa, o incluso al menos 4 GPa. En algunas realizaciones, las fibras de grafito tienen un modulo en un intervalo de aproximadamente 200 GPa a aproximadamente 1200 GPa, o incluso de aproximadamente 200 GPa a aproximadamente 1000 GPa.

Las fibras de titanio ilustrativas las comercializa, por ejemplo, TIMET, Henderson, NV, EE. UU. De forma tipica, dichas fibras tienen una longitud del orden de al menos 50 metros, e incluso pueden tener longitudes del orden de kilometros o mas. De forma tipica, las fibras continuas de titanio tienen un diametro medio de fibra en un intervalo de 50 micrometros a aproximadamente 250 micrometros. En algunas realizaciones, las fibras de titanio tienen una resistencia media a la traccion de al menos 0,7 GPa, 1 GPa, 1,5 GPa, 2 GPa, o incluso al menos 2,1 GPa. En algunas realizaciones, las fibras de ceramica tienen un modulo en un intervalo de aproximadamente 85 GPa a aproximadamente 100 GPa, o incluso de aproximadamente 85 GPa a aproximadamente 95 GPa.

Las fibras de tungsteno ilustrativas las comercializa, por ejemplo, California Fine Wire Company, Grover Beach, CA, EE. UU. De forma tipica, dichas fibras tienen una longitud del orden de al menos 50 metros, e incluso pueden tener longitudes del orden de kilometros o mas. De forma tipica, las fibras de tungsteno continuas tienen un diametro medio de fibra en un intervalo de aproximadamente 100 micrometros a aproximadamente 500 micrometros, de aproximadamente 150 micrometros a aproximadamente 500 micrometros, o incluso de aproximadamente 200 micrometros a aproximadamente 400 micrometros. En algunas realizaciones, las fibras de tungsteno tienen una resistencia media a la traccion de al menos 0,7 GPa, 1 GPa, 1,5 GPa, 2 GPa, o incluso al

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menos 2,3 GPa. En algunas realizaciones, las fibras de tungsteno tienen un modulo superior a 400 GPa y no superior a aproximadamente 420 GPa, o incluso no superior a 415 GPa.

Las fibras de aleacion con memoria de forma ilustrativas las comercializa, por ejemplo, Johnson Matthey, West Whiteland, PA, EE. UU. De forma tipica, dichas fibras tienen una longitud del orden de al menos 50 metros, e incluso pueden tener longitudes del orden de kilometros o mas. De forma tipica, las fibras de aleaciones con memoria de forma continuas tienen un diametro medio de fibra en un intervalo de aproximadamente 50 micrometros a aproximadamente 400 micrometros, de aproximadamente 50 a aproximadamente 350 micrometros, o incluso de aproximadamente 100 micrometros a 300 micrometros. En algunas realizaciones, las fibras de aleaciones con memoria de forma tienen una resistencia media a la traccion de al menos 0,5 GPa y/o incluso al menos 1 GPa. En algunas realizaciones, las fibras de aleaciones de memoria de forma tienen un modulo en un intervalo de aproximadamente 20 GPa a aproximadamente 100 GPa, o incluso de aproximadamente 20 GPa a aproximadamente 90 GPa.

Las fibras de aramida ilustrativas las comercializa, por ejemplo, DuPont, Wilmington, DE, EE. UU., con el nombre comercial “KEVLAR”. De forma tipica, dichas fibras tienen una longitud del orden de al menos 50 metros, e incluso pueden tener longitudes del orden de kilometros o mas. De forma tipica, las fibras continuas de aramida tienen un diametro medio de fibra en un intervalo de aproximadamente 10 micrometros a aproximadamente 15 micrometros. En algunas realizaciones, las fibras de aramida tienen una resistencia media a la traccion de al menos 2,5 GPa, 3 GPa, 3,5 GPa, 4 GPa, o incluso al menos 4,5 GPa. En algunas realizaciones, las fibras de aramida tienen un modulo en un intervalo de aproximadamente 80 GPa a aproximadamente 200 GPa, o incluso de aproximadamente 80 GPa a aproximadamente 180 GPa.

Las fibras de poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol) ilustrativas las comercializa, por ejemplo, Toyobo Co., Osaka, Japon, con el nombre comercial “ZYLON”. De forma tipica, dichas fibras tienen una longitud del orden de al menos 50 metros, e incluso pueden tener longitudes del orden de kilometros o mas. De forma tipica, las fibras continuas de poli(p-fenileno-2,6- benzobisoxazol) tienen un diametro medio de fibra en un intervalo de aproximadamente 8 micrometros a aproximadamente 15 micrometros. En algunas realizaciones, las fibras de poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol) tienen una resistencia media a la traccion de al menos 3 GPa, 4 GPa, 5 GPa, 6 GPa, o incluso al menos 7 GPa. En algunas realizaciones, las fibras de poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol) tienen un modulo en un intervalo de aproximadamente 150 GPa a aproximadamente 300 GPa, o incluso de aproximadamente 150 GPa a aproximadamente 275 GPa.

Ejemplos de fibra de ceramica incluyen fibras de oxido de metal (por ejemplo, alumina), fibras de nitruro de boro, fibras de carburo de silicio, y la combinacion de cualquiera de estas fibras. De forma tipica, las fibras de oxido ceramico son ceramicas cristalinas y/o una mezcla de ceramica cristalina y vidrio (es decir, una fibra puede contener ambas fases de ceramica cristalina y de vidrio). De forma tipica, dichas fibras tienen una longitud del orden de al menos 50 metros, e incluso pueden tener longitudes del orden de kilometros o mas. De forma tipica, las fibras de ceramica continuas tienen un diametro medio de fibra en un intervalo de aproximadamente 5 micrometros a aproximadamente 50 micrometros, de aproximadamente 5 a 25 micrometros, de aproximadamente 8 micrometros a aproximadamente 25 micrometros, o incluso de aproximadamente 8 micrometros a aproximadamente 20 micrometros. En algunas realizaciones, las fibras de ceramica cristalina tienen una resistencia media a la traccion de al menos 1,4 GPa, al menos 1,7 GPa, al menos

2.1 GPa y/o incluso al menos 2,8 GPa. En algunas realizaciones, las fibras de ceramica cristalina tienen un modulo superior a 70 GPa y aproximadamente no superior a 1000 GPa, o incluso no superior a 420 GPa.

Ejemplos de fibras ceramicas de monofilamento incluyen fibras de carburo de silicio. De forma tipica, las fibras de carburo de silicio de monofilamento son cristalinas y/o una mezcla de ceramica cristalina y vidrio (es decir, una fibra puede contener fases tanto de ceramica cristalina como de vidrio). De forma tipica, dichas fibras tienen una longitud del orden de al menos 50 metros, e incluso pueden tener longitudes del orden de kilometros o mas. De forma tipica, las fibras continuas de carburo de silicio de monofilamento tienen un diametro medio de fibra en un intervalo de aproximadamente 100 micrometros a aproximadamente 250 micrometros. En algunas realizaciones, las fibras de ceramica cristalina tienen una resistencia media a la traccion de al menos 2,8 GPa, al menos 3,5 GPa, al menos

4.2 GPa y/o incluso al menos 6 GPa. En algunas realizaciones, las fibras de ceramica cristalina tienen un modulo superior a 250 GPa y aproximadamente no superior a 500 GPa, o incluso no superior a 430 GPa.

Ademas, las fibras de vidrio ilustrativas las comercializa, por ejemplo, Coming Glass, Coming NY, EE. UU. De forma tipica, las fibras continuas de vidrio tienen un diametro medio de fibra en un intervalo de aproximadamente 3 micrometros a aproximadamente 19 micrometros. En algunas realizaciones, las fibras de vidrio tienen una resistencia media a la traccion de al menos 3 GPa, 4 GPa y o incluso al menos 5 GPa. En algunas realizaciones, las fibras de vidrio tienen un modulo en un intervalo de aproximadamente 60 GPa a 95 GPa, o de aproximadamente 60 GPa a aproximadamente 90 GPa.

En algunas realizaciones, las fibras de ceramica y de carbono estan en estopas. Las estopas son conocidas en la tecnica de la fibra y se refieren a una pluralidad de fibras (individuales) (de forma tipica, al menos 100 fibras, de forma mas tipica, al menos 400 fibras) recogidas en forma de mecha. En algunas realizaciones, las estopas comprenden al menos 780 fibras individuales por estopa, y en algunos casos, al menos 2600 fibras individuales por estopa. Las estopas de fibras ceramicas estan disponibles en una variedad de longitudes, que incluyen 300 metros, 500 metros, 750 metros, 1000 metros, 1500 metros, 1750 metros y mas largas. Las fibras pueden

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tener una forma de seccion transversal que sea circular o eliptica. En algunas realizaciones de fibras de carbono, las estopas comprenden al menos 2000, 5000, 12.000, o incluso al menos 50.000 fibras individuales por estopa.

Las fibras de alumina se describen, por ejemplo, en US-4.954.462 (Wood et al.) y US-5.185/29 (Wood et al.). En algunas realizaciones, las fibras de alumina son fibras policristalinas de alumina alfa y comprenden, sobre una base teorica de oxido, mas del 99 por ciento en peso de Al2O3 y 0,2-0,5 por ciento en peso de SiC>2, basado en el peso total de las fibras de alumina. En otro aspecto, algunas fibras policristalinas de alumina alfa deseables comprenden alumina alfa que tiene un tamano medio de grano de menos de 1 micrometro (o incluso, en algunas realizaciones, de menos de 0,5 micrometros). En otro aspecto, en algunas realizaciones, las fibras policristalinas de alumina alfa tienen una resistencia media a la traccion de al menos 1,6 GPa (en algunas realizaciones, al menos 2,1 GPa, o incluso, al menos 2,8 GPa). Las fibras de alumina alfa ilustrativas se comercializan con el nombre comercial “NEXTEL 610” de 3M Company, St. Paul, MN, EE. UU.

Las fibras de aluminosilicato se describen, por ejemplo, en US-4.047.965 (Karst et al). Las fibras de aluminosilicato las comercializa 3M Company of St. Paul, MN, EE. UU., con los nombres comerciales “NEXTEL 440”, “NEXTEL 550”, y “NEXTEL 720”.

Las fibras de aluminoborosilicato se describen, por ejemplo, en US-3.795.524 (Sowman). Las fibras de aluminoborosilicato ilustrativas las comercializa 3M Company con el nombre comercial “NEXTEL 312”.

Las fibras de nitruro de boro se pueden hacer, por ejemplo, como se describe en US-3.429.722 (Economy) y US- 5.780.154 (Okano et al.).

Las fibras de carburo de silicio ilustrativas las comercializa, por ejemplo, COI Ceramics, San Diego, CA, EE. UU, con el nombre comercial “NICALON” en estopas de 500 fibras; Ube Industries, Japon, con el nombre comercial “TYRANNO”; y Dow Corning, Midland, MI, EE. UU., con el nombre comercial “SYLRAMIC”.

Las fibras de monofilamento de carburo de silicio ilustrativas las comercializa, por ejemplo, Textron Specialty Materials, Lowell, MA, EE. UU., con el nombre comercial “SCS-9”, “SCS-6” y “Ulra-SCS”, y Atlantic Research Corporation, Gainesville, VA, EE. UU., con el nombre comercial “Trimarc”.

Las fibras comercializadas incluyen, de forma tipica, un encolado de material organico anadido a la fibra durante la fabricacion para proporcionar lubricidad y para proteger las hebras de las fibras durante su manipulacion. El encolado tambien puede ayudar en la manipulacion durante la extrusion por estirado con polimeros para hacer alambres con un nucleo de material compuesto polimerico. El encolado puede eliminarse, por ejemplo, disolviendo o quemando el encolado para separarlo de las fibras. De forma tipica, es deseable eliminar el encolado antes de formar alambres de material compuesto de matriz metalica.

Las fibras pueden tener revestimientos utilizados, por ejemplo, para mejorar la humectabilidad de las fibras, para reducir o evitar la reaccion entre las fibras y el material de matriz de metal fundido. Dichos revestimientos y tecnicas para proporcionar dichos revestimientos son conocidos en la tecnica de las fibras y del material compuesto.

En algunas realizaciones, al menos el 85% en numero (en algunas realizaciones, al menos el 90%, o incluso al menos el 95%) de las fibras del nucleo son continuas.

Los materiales de matriz ilustrativos para nucleos y alambres de material compuesto incluyen polimeros (por ejemplo, epoxis, esteres, esteres de vinilo, poliimidas, poliesteres, esteres de cianato, resinas fenolicas, resinas de bismaleimida y termoplasticos) y metal(es) (p. ej., de alta pureza, [p. ej., superior al 99,95%] de aluminio elemental o aleaciones de aluminio puro con otros elementos, como el cobre). De forma tipica, se selecciona el material de matriz metalica de forma que el material de la matriz no reaccione quimicamente con la fibra de forma significativa (es decir, es relativamente inerte frente a las sustancias quimicas con respecto al material de fibra), por ejemplo, para eliminar la necesidad de proporcionar una capa protectora sobre la fibra exterior. Los materiales de matriz metalica ilustrativos incluyen aluminio, zinc, estano, magnesio y sus aleaciones (p. ej., una aleacion de aluminio y cobre). En algunas realizaciones, el material de matriz incluye, deseablemente, aluminio y sus aleaciones.

En algunas realizaciones, la matriz metalica comprende al menos un 98 por ciento en peso de aluminio, al menos un 99 por ciento en peso de aluminio, mas de un 99,9 por ciento en peso de aluminio, o incluso mas de un 99,95 por ciento en peso de aluminio. Las aleaciones de aluminio ilustrativas de aluminio y cobre comprenden, al menos, un 98 por ciento en peso de A1 y hasta un 2 por ciento en peso de Cu. En algunas realizaciones, las aleaciones utiles son aleaciones de aluminio de serie 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 y/u 8000 (designaciones de la Aluminum Association de EE. UU.). Aunque los metales con mayor pureza tienden a ser deseables para la fabricacion de alambres con mayor resistencia a la traccion, tambien son utiles los metales con formas menos puras.

Existen metales adecuados que pueden obtenerse comercialmente. Por ejemplo, Alcoa, Pittsburgh, PA, EE. UU., comercializa aluminio con el nombre comercial “SUPER PURE ALUMINIUM; 99,99% Al”. Las aleaciones de aluminio (por ejemplo, Al-2% en peso de Cu [0,03% en peso de impurezas]) pueden obtenerse, por ejemplo, en Belmont Metals,

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Nueva York, NY, EE. UU. El zinc y el estano los comercializa, por ejemplo, Metal Services, St. Paul, MN, EE. UU., (“zinc puro”; 99,999% de pureza y “estano puro”; 99,95% de pureza). Por ejemplo, Magnesium Elektron, Manchester, Inglaterra, comercializa magnesio con el nombre comercial “PURE”. Las aleaciones de magnesio (por ejemplo, WE43A, EZ33A, AZ81A, y ZE41A) pueden obtenerse, por ejemplo, en TIMET, Denver, CO, EE. UU.

Los nucleos y alambres de material compuesto comprenden, de forma tipica, al menos un 15 por ciento en volumen (en algunas realizaciones, al menos un 20, 25, 30, 35, 40, 45, o incluso un 50 por ciento en volumen) de fibras, basado en el volumen total combinado del material de las fibras y de la matriz. De forma mas tipica, los nucleos y alambres de material compuesto comprenden un intervalo del 40 al 75 (en algunas realizaciones, del 45 al 70) por ciento en volumen de fibras, basado en el volumen total combinado del material de las fibras y de la matriz.

De forma tipica, el diametro medio del nucleo esta en un intervalo de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 15 mm. En algunas realizaciones, el diametro medio deseable del nucleo es de al menos 1 mm, al menos 2 mm, o incluso hasta aproximadamente 3 mm. De forma tipica, el diametro medio del alambre de material compuesto esta en un intervalo de aproximadamente 1 mm a 12 mm, 1 mm a 10 mm, de 1 a 8 mm, o incluso de 1 mm a 4 mm. En algunas realizaciones, el diametro medio deseable del alambre de material compuesto es de al menos 1 mm, al menos 1,5 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm, 10 mm, 11 mm, o incluso al menos 12 mm.

Los nucleos y alambres de material compuesto pueden fabricarse usando procedimientos conocidos en la tecnica. El alambre de material compuesto de matriz metalica continua puede fabricarse, por ejemplo, mediante procesos de infiltracion de matriz metalica continua. Se describe un proceso adecuado, por ejemplo, en US-6.485.796 (Carpenter et al.). Los alambres que comprenden polimeros y fibra pueden fabricarse mediante procesos de estirado por extrusion que son conocidos en la tecnica.

Se muestra un esquema de un aparato ilustrativo 60 para la fabricacion de un alambre de matriz metalica continua en la Fig. 6. Se proporcionan estopas de fibras continuas 61 desde las bobinas 62 de suministro, que se coliman en un haz circular mientras las fibras, que se limpian por calor, pasan a traves de un horno tubular 63. Las estopas de fibras 61 se evacuan entonces en una camara 64 de vacio antes de entrar en un crisol 67 que contiene una masa fundida 65 de material de matriz metalica (tambien denominado aqui como “metal fundido”). Las estopas de fibras 61 se extraen de las bobinas 62 de suministro por un estirador 70. Se coloca una sonda ultrasonica 66 en la sustancia fundida 65 cerca de la fibra para ayudar en la infiltracion de la masa fundida 65 en las estopas de fibras 61. El metal fundido del alambre 71 se enfria y se solidifica despues de salir del crisol 67 a traves de una matriz 68 de salida, aunque parte del enfriado puede ocurrir antes de que el alambre 71 salga totalmente del crisol 67. El enfriado del alambre 71 se refuerza mediante corrientes de gas o liquido distribuidas a traves de un dispositivo 69 de enfriado que inciden en el alambre 71. El alambre 71 se recoge en la bobina 72.

Como se ha mencionado, la limpieza de la fibra mediante calor elimina o reduce la cantidad de encolado, agua absorbida y otros materiales fugitivos o volatiles que puedan estar presentes en la superficie de las fibras. De forma tipica, es deseable limpiar las fibras mediante calor hasta que el carbono contenido en la superficie de las fibras sea inferior al 22% en fraccion de area. De forma tipica, la temperatura del horno tubular 63 es de al menos 300 0C, de forma mas tipica, de al menos 1000 0C, y la fibra reside en el horno tubular 63 durante al menos varios segundos a una temperatura, aunque la(s) temperatura(s) particular(es) y el (los) tiempo(s) pueden depender, por ejemplo, de las necesidades de limpieza de la fibra particular que se este utilizando.

En algunas realizaciones, las estopas de fibras 61 se evacuan antes de llegar a introducirse en la masa fundida 67, puesto que se ha observado que el uso de dicha evacuacion tiende a reducir o eliminar la formacion de defectos, tales como regiones localizadas con fibras secas (es decir, regiones de fibras sin infiltracion de la matriz). De forma tipica, las estopas de fibras 61 se evacuan en un vacio no superior a 3 kPa (20 torr), no superior a 1 kPa (10 torr), no superior a 0,1 kPa (1 torr), o incluso no superior a 0,09 kPa (0,7 torr) en algunas realizaciones.

Un sistema 64 de vacio adecuado ilustrativo tiene un tubo de entrada dimensionado para que coincida con el diametro del haz de estopas de fibras 61. El tubo de entrada puede ser, por ejemplo, un tubo de acero inoxidable o un tubo de alumina, y de forma tipica mide al menos, aproximadamente, de 20-30 cm de largo. Una camara 64 de vacio adecuada tiene, de forma tipica, un diametro en el intervalo de aproximadamente 2-20 cm, y una longitud en el intervalo de aproximadamente 5-100 cm. La capacidad de la bomba de vacio es, en algunas realizaciones, al menos de aproximadamente 0,2-1 metros cubicos/minuto. Las estopas de fibras 61 evacuadas se insertan en la masa fundida 65 a traves de un tubo en el sistema 64 de vacio que penetra en el bano de metal (es decir, el haz evacuado de estopas de fibras 61 estan en vacio cuando se introducen en la masa fundida 65), aunque la masa fundida 65 esta, de forma tipica, a presion atmosferica. El diametro interior del tubo de salida coincide, esencialmente, con el diametro del haz de estopas de fibras 61. Una parte del tubo de salida se sumerge en el metal fundido. En algunas realizaciones, se sumerge en el metal fundido alrededor de 0,5-5 cm del tubo. El tubo se selecciona para que sea estable en el material de metal fundido. Ejemplos de tubos que son adecuados de forma tipica incluyen tubos de nitruro de silicio y de alumina.

La infiltracion de metal fundido 65 en un haz de estopas de fibras 61 se refuerza, de forma tipica, por el uso de ultrasonidos. Por ejemplo, el cilindro vibrador 66 se coloca en el metal fundido 65 para que este muy proximo al haz de estopas de fibras 61.

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En algunas realizaciones, el cilindro 66 se acciona para que vibre en el intervalo de aproximadamente 19,520,5 kHz y una amplitud en el aire de aproximadamente 0,13-0,38 mm (0,005-0,015 pulg.). Ademas, en algunas realizaciones, el cilindro se conecta a una guia de ondas de titanio que, a su vez, se conecta al transductor ultrasonico (comercializado, por ejemplo, por Sonics & Materials, Danbury, GT, EE. UU).

En algunas realizaciones, los haces de estopas de fibras 61 se encentran a aproximadamente 2,5 mm (en algunas realizaciones hasta aproximadamente 1,5 mm) de la punta del cilindro. La punta del cilindro se hace, en algunas realizaciones, de niobio o aleaciones de niobio, como 95% en peso de Nb-5% en peso de Mo y 91% en peso de Nb- 9% en peso de Mo, y puede obtenerse, por ejemplo, en PMTI, Pittsburgh, PA, EE. UU. La aleacion puede moldearse, por ejemplo, en un cilindro de 12,7 cm de longitud (5 pulg.) y 2,5 cm de diametro (1 pulg.). Se puede sintonizar el cilindro en una frecuencia de vibracion deseada (p. ej. de aproximadamente 19,5-20,5 kHz) alterando su longitud. Para detalles adicionales con respecto al uso de ultrasonidos para fabricar articulos de material compuesto de matriz metalica, consultese, por ejemplo, US-4.649.060 (Ishikawa et al.), US-4.779.563 (Ishikawa et al.), y US- 4.877.643 (Ishikawa et al.), US-6.180.232 (McCullough et al.), US-6.245.425 (McCullough et al.), US-6.336.495 (McCullough et al.), US-6.329.056 (Deve et al.), US-6.344.270 (McCullough et al.), US-6.447.927 (McCullough et al.), US-6.460.597 (McCullough et al.), US-6.485.796 (Carpenter et al.), y US-6.544.645 (McCullough et al.); Solicitud US- 09/616.741, presentada el 14 de julio de 2000; y solicitud PCT con Numero de Publicacion WO 02/06550, publicada el 24 de enero 2002.

De forma tipica, el metal fundido 65 se desgasifica (p. ej., reduciendo la cantidad de gas [por ejemplo, hidrogeno en aluminio] disuelto en el metal fundido 65 durante y/o antes de la infiltracion. Las tecnicas para la degasificacion del metal fundido 65 son muy conocidas en la tecnica de procesamiento de metal. La degasificacion de la masa fundida 65 tiende a reducir la porosidad producida por el gas en el alambre. Para el aluminio fundido, la concentracion de hidrogeno de la masa fundida 65 es, en algunas realizaciones, inferior a aproximadamente 0,2, 0,15, o incluso inferior a aproximadamente 0,1 cm3/100 gramos de aluminio.

La matriz 68 de salida esta configurada para proporcionar el diametro de alambre deseado. De forma tipica, se desea tener un alambre uniformemente redondo a lo largo de su longitud. Por ejemplo, el diametro de una matriz de salida de nitruro de silicio para un alambre de aluminio de material compuesto que contenga un 58 por ciento en volumen de fibras de alumina es igual que el diametro del alambre 71. En algunas realizaciones, la matriz 68 de salida se hace, de forma deseada, de nitruro de silicio, aunque pueden servir otros materiales. Otros materiales que han sido utilizados como matrices de salida en la tecnica incluyen alumina convencional. Sin embargo, los solicitantes han descubierto que las matrices de salida de nitruro de silicio se desgastan significativamente menos que las matrices de alumina convencionales, y por ello son mas utiles para proporcionar la forma y el diametro deseados del alambre, particularmente con longitudes de alambre muy grandes.

De forma tipica, el alambre 71 se enfria despues de salir de la matriz 68 de salida poniendo en contacto el alambre 71 con un liquido (por ejemplo, agua) o gas (por ejemplo, nitrogeno, argon, o aire) distribuido a traves de un dispositivo 69 de enfriado. Este enfriado ayuda a proporcionar las caracteristicas deseables de redondez, uniformidad y ausencia de huecos. El alambre 71 se recoge en la bobina 72.

Se sabe que la presencia de imperfecciones en el alambre de material compuesto de matriz metalica, como fases intermetalicas; fibra seca; porosidad como resultado de, por ejemplo, una contraccion o huecos internos producidos por un gas (p. ej., hidrogeno o vapor de agua); etc. puede disminuir las propiedades, como la resistencia del alambre. Por lo tanto, es deseable reducir o minimizar la presencia de tales caracteristicas.

Para nucleos compuestos por alambres, en algunas realizaciones, es deseable mantener los alambre juntos, por ejemplo, mediante una cinta de recubrimiento, con o sin adhesivo, o mediante un aglutinante (vease, p. ej., US- 6.559.385 B1 [Johnson et al]). Por ejemplo, en la Fig. 5 se muestra una vista en seccion transversal de otro cable ilustrativo segun la presente invencion 50, que tiene un nucleo envuelto con una cinta. 5. El cable 50 incluye un nucleo 52 y dos capas de alambres trenzados 54, en donde el nucleo 52 incluye alambres 56 (como se muestra, alambres de material compuesto) envueltos con una cinta 55. Por ejemplo, el nucleo puede fabricarse trenzando (por ejemplo, devanando de forma helicoidal) una primera capa de alambres alrededor de un alambre central utilizando tecnicas conocidas en la tecnica. De forma tipica, los nucleos devanados helicoidalmente tienden a comprender tan solo de 7 a 50 alambres individuales, o mas. El equipo de trenzado es conocido en la tecnica (p. ej., cableadoras planetarias, como las que comercializa Cortinovis, Spa, Bergamo, Italia, y Watson Machinery Internacional, Patterson, Nueva Jersey, EE. UU.). Antes de devanarlos juntos de forma helicoidal, los alambres individuales se colocan en las bobinas separadas que luego se disponen en diversos carros accionados por motor del equipo de trenzado. De forma tipica, hay un carro para cada capa de cable trenzado acabado. Los alambres de cada capa se unen en la salida de cada carro y se disponen sobre el primer alambre central o sobre la capa anterior. Durante el proceso de trenzado del cable, el alambre central, o el cable trenzado intermedio sin terminar que tendra una o mas capas adicionales enrolladas alrededor de el, se arrastra a traves del centro de los diversos carros, con cada carro anadiendo una capa al cable trenzado. Los alambres individuales que se van a anadir como capa se arrastran simultaneamente desde sus respectivas bobinas mientras giran alrededor del eje central del cable mediante el carro accionado por motor. Esto se hace de forma secuencial para cada capa deseada. Se puede

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aplicar una cinta, por ejemplo, al nucleo trenzado resultante, que ayude a mantener unidos los alambres trenzados. Una maquina ilustrativa para aplicar una cinta seria la que comercializa Watson Machine International (p. ej., el modelo 300 Concentric Taping Head). Las cintas ilustrativas incluyen cinta de hoja de metal (por ejemplo, cinta de papel de aluminio [disponible, por ejemplo, en 3M Company, St Paul, MN, EE. UU con el nombre comercial “Foil/Glass Cloth Tape 363”]), cinta con soporte de poliester y cinta con soporte reforzado de vidrio. En algunas realizaciones, la cinta tiene un grosor en un intervalo de 0,05 mm a 0,13 mm (0,002 a 0,005 pulgadas).

En algunas realizaciones, la cinta se envuelve de manera que cada envoltura sucesiva quede en contacto con la envoltura anterior sin un hueco y sin solapamiento. En algunas realizaciones, por ejemplo, la cinta puede envolverse de manera que las envolturas sucesivas esten espaciadas para dejar un hueco entre cada envoltura.

Los nucleos, alambres de material compuesto, cables, etc., tienen una longitud de al menos 100 metros, de al menos 200 metros, de al menos 300 metros, de al menos 400 metros, de al menos 500 metros, de al menos 600 metros, de al menos 700 metros, de al menos 800 metros, o incluso de al menos 900 metros.

En la tecnica son conocidos los alambres para trenzar alrededor de un nucleo para proporcionar un cable segun la presente invencion. Loa alambres de aluminio los comercializa, por ejemplo, Nexans, Weyburn, Canada o Southwire Company, Carrolton, GA, EE. UU, con los nombres comerciales “1350-H19 ALUMINUM” y “1350-H0 ALUMINUM”. De forma tipica, el alambre de aluminio tiene un coeficiente de expansion termica en un intervalo de aproximadamente 20 ppm/0C a aproximadamente 25 ppm/0C durante al menos un intervalo de temperatura de aproximadamente 20 0C a aproximadamente 500 0C. En algunas realizaciones, los alambres de aluminio (por ejemplo, “1350-H19 ALUMINUM”) tienen una resistencia a la traccion de al menos 138 MPa (20 ksi), al menos 158 MPa (23 ksi), al menos 172 MPa (25 ksi) o al menos 186 MPa (27 ksi), o al menos 200 MPa (29 ksi.). En algunas realizaciones, los alambres de aluminio (por ejemplo, “1350-H0 ALUMINUM”) tienen una resistencia a la traccion superior a 41 MPa (6 ksi) hasta no superior a 97 MPa (14 ksi), o incluso no superior a 83 MPa (12 ksi). Los alambres de aleacion de aluminio los comercializa, por ejemplo, Sumitomo Electric Industries, Osaka, Japon, con el nombre comercial “ZTAL”, o Southwire Company, Carrolton, GA, EE. UU, con la designacion “6201”. En algunas realizaciones, los alambres de aleacion de aluminio tienen un coeficiente de expansion termica en un intervalo de aproximadamente 20 ppm/0C a aproximadamente 25 ppm/0C en un intervalo de temperatura de aproximadamente 20 0C a aproximadamente 500 0C. Los alambres de cobre los comercializa, por ejemplo, Southwire Company, Carrolton, GA, EE. UU. De forma tipica, los alambres de cobre tienen un coeficiente de expansion termica en un intervalo de aproximadamente 12 ppm/0C a aproximadamente 18 ppm/0C en un intervalo de temperatura de al menos aproximadamente 20 0C a aproximadamente 800 0C. Los alambres de aleaciones de cobre (por ejemplo, bronces de cobre como Cu-Si-X, Cu-Al-X, Cu-Sn-X, Cu-Cd; donde X = Fe, Mn, Zn, Sn y/o Si; los comercializa, por ejemplo, Southwire Company, Carrolton, GA, EE. UU.; el cobre resistente a la dispersion de oxido lo comercializa, por ejemplo, OMG Americas Corporation, Research Triangle Park, NC, EE. UU., con el nombre “GLIDCOP”). En algunas realizaciones, los alambres de aleacion de cobre tienen un coeficiente de expansion termica en un intervalo de aproximadamente 10 ppm/0C a aproximadamente 25 ppm/0C en un intervalo de temperatura de al menos aproximadamente 20 0C a aproximadamente 800 0C. Los alambres pueden tener varias formas (por ejemplo, circular, eliptica y trapezoidal).

En general, un cable segun la presente invencion puede fabricarse trenzando alambres sobre un nucleo. El nucleo puede incluir, por ejemplo, un solo alambre o varios alambres trenzados (p. ej., devanados helicoidalmente). En algunas realizaciones, por ejemplo, 7, 19 o 37 alambres. Un aparato ilustrativo 80 para la fabricacion de un cable segun la presente invencion se muestra en las Figs. 7, 7A, y 7B. Se proporciona una bobina de material 81 de nucleo en la cabeza de una cableadora 80 planetaria convencional, en donde la bobina 81 gira libremente, con una tension capaz de aplicarse a traves de un sistema de frenado en el que la tension puede aplicarse al nucleo durante el desenrollado, en algunas realizaciones, en el intervalo de -0,9 kN (0-91 kg [(0-200 lb]). El nucleo 90 se hila a traves de carros 82, 83 de bobina, a traves de las matrices 84, 85 de cierre, alrededor de unas ruedas 86 de cabrestante y se une a la bobina 87 de recogida.

Antes de la aplicacion de las capas trenzadas superiores, se proporcionan los alambres individuales en bobinas 88 separadas que se colocan en varios carros 82, 83 accionados por motor del equipo cableador. En algunas realizaciones, el intervalo de tension requerida para tirar del alambre 89A, 89B de las bobinas 88 es, de forma tipica, 0,04-0,2 kN (4,5-22,7 kg [10-50 lb]). De forma tipica, hay un carro para cada capa de cable trenzado acabado. Los alambres 89A, 89B de cada capa se unen en la salida de cada carro en una matriz 84, 85 de cierre y se disponen sobre el alambre central o sobre la capa anterior. Las capas se trenzan de forma helicoidal en direcciones opuestas de forma que la capa exterior queda en una disposicion hacia la derecha. Durante el proceso de trenzado del cable, el alambre central, o el cable trenzado intermedio sin terminar que tendra una o mas capas adicionales enrolladas alrededor de el, se arrastra a traves del centro de los diversos carros, con cada carro anadiendo una capa al cable trenzado. Los alambres individuales que se van a anadir como capa se arrastran simultaneamente desde sus respectivas bobinas mientras giran alrededor del eje central del cable mediante el carro accionado por motor. Esto se hace de forma secuencial para cada capa deseada. El resultado es un cable trenzado 91 de forma helicoidal que puede cortarse y manipularse convenientemente sin que pierda su forma o se desenrede.

Esta capacidad de manejar el cable trenzado es una caracteristica deseable. Sin pretender imponer ninguna teoria, el cable mantiene su disposicion de trenzado helicoidal porque durante la fabricacion, los alambres metalicos se someten

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a tensiones, incluidas las tensiones de flexion, por encima de la tension de fluencia del material del alambre, pero por debajo de la tension de rotura o fallo. Esta tension se imparte mientras el alambre se devana helicoidalmente alrededor del radio relativamente pequeno de la capa anterior o del alambre central. Se imparten tensiones adicionales en las matrices 84, 85 de cierre que aplican al cable fuerza radial y fuerza transversal durante la fabricacion. Los alambres, por lo tanto, se deforman plasticamente y mantienen su forma helicoidalmente trenzada.

El material del nucleo y los alambres para una capa dada se ponen en contacto intimo a traves de las matrices de cierre. Con referencia a las Fig. 7A y 7B, las matrices 84A, 85A de cierre tienen unas dimensiones, de forma tipica, que minimizan las tensiones de deformacion en los alambres de la capa que se esta devanando. El diametro interno de la matriz de cierre se adapta al tamano del diametro de la capa externa. Para minimizar las tensiones en los alambres de la capa, la matriz de cierre tiene una dimension que se encuentra en el intervalo de 0-2,0% mas grande con respecto al diametro externo del cable, (es decir, los diametros interiores de la matriz se encuentran en el intervalo de 1,00 a 1,02 veces el diametro del cable exterior). Las matrices de cierre ilustrativas mostradas en las Figs. 7A y 7B son cilindros, y se mantienen en posicion, por ejemplo, utilizando pernos u otras fijaciones adecuadas. Las matrices pueden hacerse, por ejemplo, de acero endurecido para herramientas.

El cable resultante terminado puede pasar a traves de otras estaciones de trenzado, si se desea, y en ultima instancia devanarse en una bobina 87 de recogida de diametro suficiente para evitar danos en el cable. En algunas realizaciones, pueden ser deseables los procedimientos conocidos en la tecnica para enderezar el cable. Por ejemplo, el cable terminado puede pasarse a traves de un dispositivo enderezador compuesto por rodillos (cada rodillo midiendo, por ejemplo, 10-15 cm [4-6 pulgadas], y estando linealmente dispuesto en dos bancos, con, por ejemplo, 5-9 rodillos en cada banco. La distancia entre los dos bancos de rodillos puede variar de forma que los rodillos incidan justo en el cable o causen una flexion importante del cable. Los dos bancos de rodillos se colocan en los lados opuestos del cable, con los rodillos de un banco en correspondencia con los espacios creados por los rodillos opuestos del otro banco. Por lo tanto, los dos bancos pueden desplazarse entre si. Mientras el cable pasa a traves del dispositivo enderezador, el cable se flexiona hacia atras y hacia adelante sobre los rodillos, permitiendo que los hilos se estiren en el conductor hasta tener la misma longitud, reduciendo o eliminando con ello hilos holgados.

En algunas realizaciones, para facilitar el que se pueda aplicar al cable un parametro de tension inferior a cero, es deseable proporcionar el nucleo a una temperatura elevada (por ejemplo, al menos 25 0C, 50 0C, 75 0C, 100 0C, 125 0C, 150 0C, 200 0C, 250 0C, 300 0C, 400 0C, o incluso, en algunas realizaciones, al menos 500 0C) por encima de la temperatura ambiente (p. ej., 22 0C). El nucleo puede alcanzar la temperatura deseada, por ejemplo, calentando el nucleo bobinado (por ejemplo, el nucleo en metal [p. ej., acero] en un horno durante varias horas. El nucleo bobinado calentado se coloca en la bobina de desenrollado (vease, p, ej., la bobina 81 de desenrollado en la Fig. 7) de una cableadora. De forma deseada, la bobina esta en el proceso de trenzado a una temperatura elevada mientras que el nucleo todavia esta o se acerca a la temperatura deseada (de forma tipica alrededor de 2 horas). Ademas, puede ser deseable que los alambres de las bobinas de desenrollado que forman las capas exteriores del cable esten a temperatura ambiente. Es decir, es deseable tener un diferencial de temperatura entre el nucleo y los alambres que forman la capa exterior durante el proceso de trenzado.

En algunas realizaciones, puede ser deseable realizar el trenzado con una tension en el nucleo de al menos 1 kN, 2 kN, 5 kN, 10 kN (100 kg, 200 kg, 500 kg, 1000 kg), o incluso al menos 50 kN (5000 kg).

En algunas realizaciones de cables segun la presente invencion (p. ej., cables que tengan un parametro de tension inferior a cero) es deseable mantener juntos los cables que estan trenzados alrededor del nucleo, por ejemplo, mediante un recubrimiento de cinta, con o sin adhesivo, o un aglutinante. Por ejemplo, una vista en seccion transversal de otro cable ilustrativo segun la presente invencion 110 se muestra en la Fig. 10. El cable 110 incluye un nucleo 112 con un nucleo 116 de alambres y dos capas de alambres trenzados 114, en donde el cable 110 se envuelve con una cinta 118. Una cinta se puede aplicar, por ejemplo, al cable trenzado resultante para ayudar a mantener unidos los alambres trenzados. En algunas realizaciones, el cable se envuelve con cinta adhesiva usando un equipo de encintado convencional. Una maquina ilustrativa para aplicar una cinta seria la que comercializa Watson Machine International (p. ej., el modelo 300 Concentric Taping Head). Las cintas ilustrativas incluyen cinta de hoja de metal (por ejemplo, cinta de papel de aluminio (disponible, por ejemplo, en 3M Company, St Paul, Mn, EE. UU con el nombre comercial “Foil/Glass Cloth Tape 363”)), cinta con soporte de poliester y cinta con soporte reforzado de vidrio. En algunas realizaciones, la cinta tiene un grosor en un intervalo de 0,05 mm a 0,13 mm (0,002 a 0,005 pulgadas).

En algunas realizaciones, la cinta esta envuelta de forma que cada envoltura sucesiva se superponga con la anterior. En algunas realizaciones, la cinta se envuelve de manera que cada envoltura sucesiva quede en contacto con la envoltura anterior sin un hueco y sin solapamiento. En algunas realizaciones, por ejemplo, la cinta puede envolverse de manera que las envolturas sucesivas esten espaciadas para dejar un hueco entre cada envoltura.

En algunas realizaciones, el cable se envuelve mientras esta bajo tension durante el proceso de trenzado. Con referencia a la Fig. 7, por ejemplo, el equipo de encintado se encuentra entre la matriz 85 de cierre final y el cabrestante final 86.

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Metodo de medicion del flechado

Se selecciona una longitud de un conductor de 30-300 metros de longitud y se termina con accesorios expoxidicos convencionales, asegurando que las capas mantengan sustancialmente las mismas posiciones relativas que en el estado de fabricacion. Los cables exteriores se extienden a traves de los accesorios de epoxi y hacia fuera por el otro lado, y despues se reconstituyen para permitir la conexion a una alimentacion de CA usando conectores terminales convencionales. Los accesorios epoxi se vierten en unos receptaculos de aluminio y aleacion de cinc que estan conectados a tornillos tensores para mantener la tension. Por un lado, una celda de carga se conecta a un tornillo tensor y luego, en ambos extremos, los tornillos tensores se unen a unas argollas de traccion. Las argollas se conectaron a grandes pilares de hormigon, lo suficientemente grandes como para reducir al minimo las deflexiones finales del sistema cuando esta bajo tension. Para la prueba, la tension se estira hasta un valor en un intervalo del 10 al 30 por ciento de la resistencia a la rotura nominal del conductor. La temperatura se mide en tres zonas a lo largo de la longitud del conductor (a 1/4, 1/2 y % de la distancia del tramo total [de argolla de traccion a argolla de traccion]) usando nueve termopares. En cada zona, los tres termopares se colocan en tres posiciones radiales diferentes dentro del conductor; entre los hilos exteriores, entre los hilos internos, y adyacentes a (es decir, en contacto con) los alambres externos del nucleo. Los valores de flechado se miden en tres zonas a lo largo de la longitud del conductor (a /, / y % de la distancia del tramo) usando potenciometros de traccion del alambre (disponible en Space Age Control, Inc, Palmdale, CA, EE. UU.). Estos se disponen para medir el movimiento vertical de las tres zonas. La corriente CA se aplica al conductor para aumentar la temperatura al valor deseado. La temperatura del conductor se eleva de la temperatura ambiente (aproximadamente 20 °C [68 °F]) hasta aproximadamente 240 °C (464 °F) a una velocidad en el intervalo de 60120 °C/minuto (140-248 °F/minuto). La temperatura mas alta de todos los termopares se utiliza como control.

El valor de flechado del conductor (flechado total) se calcula a diversas temperaturas en intervalos de un grado desde la temperatura ambiente (aproximadamente 20 °C [68 °F]) hasta aproximadamente 240 °C (464 °F) usando la siguiente ecuacion:

, Flech ado,.. + Flechado... v

Flechado^ = Flechadom -(------------------------------) (1)

Donde:

Flechado 1/2 = Flechado medido a 1/2 de la distancia del tramo del conductor

Flechado 1/4 = Flechado medido a 1/4 de la distancia del tramo del conductor

Flechado 3/4 = Flechado medido a 3/4 de la distancia del tramo del conductor

La longitud efectiva del “tramo interno” es la distancia horizontal entre las posiciones / y %. Esta es la longitud

del tramo usada para calcular el flechado.

Derivation del parametro de tension

Los datos de la temperatura y el flechado medidos estan representados como un grafico de flechado frente a temperatura. Se ajusta una curva calculada a los datos medidos utilizando el metodo grafico Alcoa Sag10 disponible en un programa de software de Alcoa Fujikura Ltd., Greenville, SC, EE. UU., con el nombre comercial “SAG10” (version 3.0 actualization 3.9.7). El parametro de tension es un parametro de ajuste en “SAG10” denominado “tension de aluminio acumulada”, que puede alterarse para ajustarse a otros parametros si el material utilizado no es aluminio (por ejemplo, aleacion de aluminio), y que ajusta la position del punto de inflexion de la grafica predicha asi como la cantidad de flechado en un regimen de alta temperatura posterior al punto de inflexion. Se proporciona una description de la teoria del parametro de tension en el manual del usuario de Alcoa Sag10 (Version 2.0): Teoria de la tension de compresion en conductores de aluminio reforzado con acero ACSR. Se requieren los siguientes parametros del conductor para introducirlos en el software Sag10: area, diametro, peso por unidad de longitud, y resistencia a la rotura nominal. Se requieren las siguientes condiciones de carga de linea para introducirlas en el software Sag10: longitud del tramo, tension inicial a temperatura ambiente (20-25 °C). Se requieren los siguientes parametros para introducirlos en el software Sag10 para ejecutar el calculo de tension de compresion: tension acumulada del alambre, area del alambre (como fraction del area total), numero de capas de alambre en el conductor, numero de hilos en el conductor, numero de hilos del nucleo, relaciones de cableado de cada capa de alambre. Se requieren los coeficientes de tension- deformacion para introducirlos en el software “SAG10” como tabla (ver Tabla 1, a continuation).

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Tabla 1

Alambre inicial

A0

A1 A2 A3 A4 AF

Alambre final (10 anos de fluencia)

B0

B1 B2 B3 B4 a(A1)

Nucleo inicial

C0

C1 C2 C3 C4 CF

Nucleo final (10 anos de fluencia)

D0

D1 D2 D3 D4 A (nucleo)

Tambien se especifica un parametro TREF que es la temperatura a la que los coeficientes hacen referencia. Definicion de los polinomios de la curva de tension-deformacion

Los primeros cinco numeros A0-A4 son coeficientes de 4° orden polinominal que representan la relacion del area con respecto al tiempo del alambre inicial:

imagen1

AF es el modulo final del alambre

imagen2

En donde £ es la elongacion del conductor en % y a es la tension en psi

B0-B4 son coeficientes de 4° orden polinominal que representan la curva final de fluencia de 10 anos de la relacion del area con respecto a los tiempos del alambre.

imagen3

C a (A1) es el coeficiente de expansion termica del alambre.

C0-C4 son coeficientes de 4° orden polinominal que representan la curva inicial de la relacion del area con respecto a los tiempos solo del nucleo de material compuesto.

CF es el modulo final del alambre

D0-D4 son coeficientes de 4° orden polinominal que representan la curva final de fluencia de 10 anos de la relacion del area con respecto a los tiempos del nucleo de material compuesto.

a (nucleo) es el coeficiente de expansion termica del nucleo de material compuesto.

Ajustando los datos calculados y medidos, el mejor ajuste es aquel en el que coincide (i) la curva calculada con los datos medidos mediante la variacion del valor del parametro de tension, de manera que las curvas coincidan con altas temperaturas (140-240 °C), (ii) el punto de inflexion (knee-point) de la curva medida que se acerca

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bastante a la curva calculada, y (iii) se requiere que el flechado inicial calculado coincida con el flechado medido inicial. De esta manera se obtiene el valor del parametro de tension para lograr el mejor ajuste a los datos medidos. Este resultado es el “parametro de tension” del cable.

El cable segun la presente invencion se puede utilizar en una variedad de aplicaciones, incluida la de cables de transmision de energia electrica aereos.

Las ventajas y realizaciones de la presente memoria se ilustran ademas por los siguientes ejemplos, aunque los materiales y sus cantidades particulares citados en dichos ejemplos, asi como otras condiciones y detalles, no deberan interpretarse como una limitacion indebida de la presente invencion. Todas las partes y porcentajes estan expresados en peso a no ser que se indique lo contrario.

Ejemplos

Ejemplo ilustrativo

El alambre para el cable del Ejemplo ilustrativo se preparo de la siguiente manera. El alambre se hizo usando un aparato 60 mostrado en la Fig. 6. Once (11) estopas de fibras de 10.000 denier de alumina alfa (comercializadas por 3M Company, St. Paul, EE. UU., con el nombre comercial “NEXTEL 610”) se suministraron desde bobinas 62 de alimentacion colimadas en un haz circular y limpiadas mediante calor pasando a traves de un largo tubo 63 de alumina que mide 1,5 m (5 pies) calentado a 1100 °C a 305 cm/min (120 pulg./min). Las fibras 61 que se limpiaron con calor se evacuaron luego en una camara 64 de vacio antes de entrar en el crisol 67 que contenia masa fundida (metal fundido) 65 de material de matriz de aluminio metalica (99,99% Al) (obtenido de Beck Aluminum Co., Pittsburgh, PA, EE. UU.). Las fibras se arrastraron desde las bobinas 62 de suministro por estirador 70. Se coloco una sonda ultrasonica 66 en la masa fundida 65 cerca de la fibra para ayudar en la infiltracion de la masa fundida 65 en las estopas de fibras 61. El metal fundido del alambre 71 se enfrio y se solidifico despues de salir del crisol 67 a traves de una matriz 68 de salida, aunque parte del enfriado puede ocurrir antes de que el alambre 71 saliese totalmente del crisol 67. Ademas, el enfriado del alambre 71 se reforzo mediante corrientes de gas o liquido distribuidos a traves de un dispositivo 69 de enfriado, dichas corrientes incidieron en el alambre 71. El alambre 71 se recogio en la bobina 72.

Las fibras 61 se evacuaron antes de entrar en la masa fundida 67. La presion en la camara de vacio fue de aproximadamente 3 kPa (20 torr). El sistema 64 de vacio tenia un tubo de entrada de alumina de 25 cm de largo dimensionado para coincidir con el diametro del haz de fibras 61. La camara 64 de vacio media 21 cm de largo y 10 cm de diametro. La capacidad de la bomba de vacio era de 0,37 m3/minuto. Las fibras evacuadas 61 se introdujeron en la masa fundida 65 a traves de un tubo en el sistema 64 de vacio que penetro en el bano de metal (es decir, las fibras evacuadas 61 estaban en vacio cuando se introdujeron en la masa fundida 54). El diametro interior del tubo de salida coincide con el diametro del haz de fibras 61. Una porcion del tubo de salida se sumergio en el metal fundido a una profundidad de 5 cm.

La infiltracion del metal fundido 65 en las fibras 61 se realizo mediante un cilindro vibratorio 66 dispuesto en el metal fundido 65 de manera que se encontrara muy proximo a las fibras 61. Se acciono el cilindro 66 para que vibrara a 19,7 kHz con una amplitud en el aire de 0,18 mm (0,007 pulg.). El cilindro estaba conectado a una guia de ondas de titanio que, a su vez, estaba conectado al transductor ultrasonico (obtenido de Sonics & Materials, Danbury CT, EE. UU.).

Las fibras 61 se encontraban alrededor de 2,5 mm de la punta del cilindro. La punta del cilindro estaba hecha de una aleacion de niobio con una composicion de 91% en peso de Nb y 9% en peso de Mo (obtenido de PMTI, Pittsburgh, PA, EE. UU.). La aleacion se conformo en un cilindro de 12,7 cm de largo (5 pulg.) y 2,5 cm (1 pulg.) de diametro. El cilindro se sintonizo a una frecuencia de vibracion deseada de 19,7 kHz alterando su longitud.

El metal fundido 65 se desgasifico (por ejemplo, reduciendo la cantidad de gas [por ejemplo, hidrogeno] disuelto en metal fundido) antes de la infiltracion. Se utilizo una unidad de desgasificacion giratoria portatil comercializada por Brummund Foundry Inc, Chicago, IL, EE. UU. El gas utilizado fue argon, el caudal del argon fue de 1050 litros por minuto, la velocidad proporcionada por el caudal de aire al motor se fijo en 50 litros por minuto, y la duracion fue de 60 minutos.

La matriz 68 de salida de nitruro de silicio se configuro para proporcionar el diametro de alambre deseado. El diametro interno de la matriz de salida fue de 2,67 mm (0,105 pulg.).

El nucleo trenzado se trenzo en un equipo de trenzado en Wire Rope Company en Montreal, Canada. El cable tenia un alambre en el centro, y seis alambres en la primera capa con una disposicion hacia la derecha. Antes de devanarlos juntos de forma helicoidal, los alambres individuales se colocaron en bobinas separadas que luego se dispusieron en un carro accionado por motor del equipo de trenzado. El carro sostuvo las seis bobinas para la capa de cable trenzado acabado. Los alambres de la capa se unieron en la salida del carro y se dispusieron sobre el alambre central. Durante el proceso de trenzado del cable, el alambre central se saco por el centro del carro, anadiendo el carro una capa al cable trenzado. Los alambres individuales que se anadieron como una capa se arrastraron simultaneamente desde sus respectivas bobinas mientras giraban alrededor del eje central del cable mediante el carro accionado por motor. El resultado fue un nucleo trenzado helicoidalmente.

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El nucleo trenzado se envolvio con cinta adhesiva usando un equipo convencional de encintado (modelo 300 Concentric Taping Head de Watson Machine International, Paterson, NJ, EE. UU.). El soporte de la cinta era una cinta de papel de aluminio con fibra de vidrio, y tenia un adhesivo de silicona sensible a la presion (obtenida con el nombre comercial “Foil/Glass Cloth Tape 363” de 3M Company, St. Paul, MN, EE. UU.). El espesor total de la cinta 18 fue de 0,18 mm (0,0072 pulgadas). La cinta media 1,90 cm (0,75 pulgadas) de ancho.

El diametro medio del nucleo acabado fue de 0,324 pulgadas (8,23 mm) y la longitud de disposicion de la capa trenzada fue de 21,3 pulgadas (54,1 cm).

Los primeros alambres de aleacion de aluminio trapezoidales se prepararon a partir de una varilla de aluminio/circonio (9,53 mm [0,375 pulgadas] de diametro; obtenida de Lamifil NV, (Hemiksem, Belgica con el nombre comercial “ZTAL”) con una resistencia a la traccion de 153,95 MPa (22.183 psi), un alargamiento del 13,3%, y una conductividad electrica de 60,4% IACS. El segundo alambre trapezoidal se fabrico a partir de una varilla de aluminio/circonio de 9,53 mm (0,375 pulgadas) de diametro (“ZTAL”) con una resistencia a la traccion de 132,32 MPa (19.191 psi), un alargamiento del 10,4%, y una conductividad electrica de 60,5% IACS. Las varillas se trefilaron a temperatura ambiente usando cinco matrices intermedias como se conoce en la tecnica, y finalmente una matriz de conformado de forma trapezoidal. Las matrices de trefilado estaban hechas de carburo de tungsteno. La geometria de la matriz de carburo de tungsteno tenia un angulo de entrada de 60°, un angulo de reduccion de 16-18 °, una longitud de apoyo de 30% del diametro de la matriz, y un angulo de alivio posterior de 60°. La superficie de la matriz estaba muy pulida. La matriz se lubrico y se enfrio usando un aceite de trefilado. El sistema de trefilado distribuyo el aceite a una velocidad ajustada en el intervalo de 60-100 litros por minuto por matriz, con la temperatura ajustada en el intervalo de 40-50 0C. La ultima matriz de formacion se componia de dos aceros endurecidos horizontales (60 RC de dureza) formando rodillos, con superficies de trabajo muy pulidas. El diseno de las ranuras de los rodillos se baso en el perfil trapezoidal requerido. Los rodillos se instalaron en un soporte de rodillos que se coloco entre la caja de estiraje y el bloque de estiraje exterior. La reduccion final del rodillo de conformacion redujo el area del alambre aproximadamente un 23,5%. La cantidad de reduccion del area fue suficiente para mover el metal a las esquinas de las ranuras del rodillo y llenar adecuadamente el espacio entre los rodillos de conformacion. Los rodillos de conformacion se alinearon e instalaron de forma que el remate de los alambres trapezoidales estaba orientado hacia las superficies del bloque de estiraje y del tambor de la bobina. Despues de la formacion, se comprobo el perfil del alambre y se verifico usando una plantilla.

A continuacion, este alambre se enrollo en bobinas. En la siguiente Tabla 2 se indican propiedades del alambre resultante. El “diametro efectivo” de la forma trapezoidal se refiere al diametro de un circulo que tiene la misma area que el area de seccion transversal de la forma trapezoidal. Habia 20 bobinas cargadas en el equipo de trenzado (8 de los primeros alambres para trenzar la primera capa interior), 12 de los segundos alambres para trenzar la segunda capa exterior) y el alambre se tomo de un subconjunto de estas, que fueron las “bobinas para la toma de muestras” para probarlo.

Tabla 2

Diametro efectivo, mm (pulgadas) Resistencia a la tension, MPa (psi) Elongacion, % Conductividad, % IACS

Capa interna

Alambre 1a Bobina

4,54 (0,1788) 168,92 (24.499) 5,1 59,92

Alambre 4a Bobina

4,54 (0,1788) 159,23 (23.095) 4,3 60,09

Alambre 8a Bobina

4,54 (0,1788) 163,39 (23.697) 4,7 60,18

Capa externa

Alambre 1a Bobina

4,70 (0,1851) 188,32 (27.314) 4,7 60,02

Alambre 4a Bobina

4,70 (0,1851) 186,27 (27.016) 4,3 60,09

Alambre 8a Bobina

4,70 (0,1851) 184,73 (26.793) 4,3 60,31

Alambre 12a Bobina

4,70 (0,1851) 185,50 (26.905) 4,7 59,96

Nexans, Weyburn, SK, EE. UU., hizo un cable usando una cableadora planetaria convencional y el nucleo y los alambres (interior y exterior) descritos anteriormente para el Ejemplo comparativo. Se muestra un esquema del aparato 80 para fabricar cable en las Figs. 7, 7A y 7B.

La bobina del nucleo 81 se dispuso en la cabeza de una maquina de trenzado planetaria convencional 80, en donde la bobina 81 estaba libre para girar, con una tension que podia aplicarse a traves de un sistema de frenado. La tension aplicada al nucleo durante el desenrollado fue de 0,4 kN (45 kg [100 lb]). El nucleo se sometio a temperatura ambiente (aproximadamente 23 0C [73 0F]). El nucleo se hilo a traves del centro de los carros 82, 83 de bobina, a traves de las matrices 84, 85 de cierre, alrededor de las ruedas 86 del cabrestante y se unio a la bobina 87 de recogida convencional (152 cm [60 pulg.] de diametro).

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Antes de la aplicacion de las capas 89 de trenzado superiores, se proporcionaron alambres individuales en bobinas 88 separadas que estaban dispuestas en varios carros 82, 83 accionados por motor del equipo de trenzado. El rango de tension requerido para tirar del alambre 89 de las bobinas 88 se fijo en el intervalo de 0,110,14 kN (11-14 kg [25-30 lb]). Las estaciones de trenzado estan formadas por un carro y una matriz de cierre. En cada estacion de trenzado, los alambres 89 de cada capa se unen en la salida de cada carro en cada una de las matrices 84, 85 de cierre, respectivamente, y se dispusieron sobre el alambre central o sobre la capa anterior, respectivamente. Por lo tanto, el nucleo paso a traves de dos estaciones de trenzado. En la primera estacion 8 los alambres se trenzaron sobre el nucleo con una disposicion hacia la izquierda. En la segunda estacion 12 los alambres se trenzaron sobre la capa anterior con una disposicion hacia la derecha.

El material del nucleo y los alambres para una capa dada se pusieron en contacto a traves de una matriz 84, 85 de cierre, segun procediera. Las matrices de cierre eran cilindros (ver Figs. 7A y 7B) y se mantuvieron en posicion mediante pernos. Las matrices se hicieron de acero para herramientas endurecido, y se pudieron cerrar completamente.

El cable terminado se paso a traves de las ruedas 86 del cabrestante, y en ultima instancia se devanaron en una bobina 87 de enrollado (de 91 cm de diametro [36 pulgadas]). El cable terminado se paso a traves de un dispositivo enderezador compuesto por rodillos (cada rodillo midiendo, por ejemplo, 12,5 cm [5 pulgadas]), y se dispusieron linealmente en dos bancos, con 7 rodillos en cada banco. La distancia entre los dos bancos de rodillos se ajusto de forma que los rodillos solo incidieran en el cable. Los dos bancos de rodillos se colocaron en los lados opuestos del cable, con los rodillos de un banco en correspondencia con los espacios creados por los rodillos opuestos en el otro banco. Por lo tanto, los dos bancos se desplazaban entre si. Mientras el cable pasaba a traves del dispositivo enderezador, el cable se flexiono hacia atras y hacia adelante sobre los rodillos, permitiendo que los hilos se estirasen en el conductor hasta tener la misma longitud, eliminando hilos holgados.

La capa interna estaba formada por 8 alambres trapezoidales con una capa de diametro exterior de 15,4 mm (0,608 pulg.), una masa por unidad de longitud de 353 kg/km (237 lb/Kft.) con disposicion hacia la izquierda 20,3 cm (8 pulg.). Los bloques de cierre (hechos de acero endurecido para herramientas; dureza 60 Rc) para la capa interna se ajustaron con un diametro interno de 15,4 mm (0,608 pulg.). Por lo tanto, los bloques de cierre se fijaron exactamente con el mismo diametro que el diametro del cable.

La capa externa estaba formada por 12 alambres trapezoidales con una capa de diametro exterior de 22,9 mm (0,9015 pulg.), una masa por unidad de longitud de 507,6 kg/km (341,2 lb/Kft.) con la disposicion hacia la derecha 25,9 cm (10,2 pulg.). La masa total por unidad de longitud de alambres de aleacion de aluminio fue de 928,8 kg/km (624,3 lb/Kft.), la masa total por unidad de longitud del nucleo fue de 136,4 kg/km (91,7 lb/Kft.) y la masa total del conductor por unidad de longitud fue de 1065 kg/km (716,0 lb/Kft.). Los bloques de cierre (hechos de acero endurecido para herramientas; dureza 60 Rc) para la capa externa se ajustaron con un diametro interno de 0,9015 pulg. (22,9 mm). Por lo tanto, los bloques de cierre se fijaron con exactamente el mismo diametro que el diametro del cable final.

La tension del alambre interior y del alambre exterior (como bobinas de desenrollado) se midio utilizando un dinamometro manual (comercializado por McMaster-Card, Chicago, IL, EE. UU.) y se ajustaron en el intervalo de 0,132-0,15 kN (13,5-15 kg [29-33 lb]) y la tension de desenrollado del nucleo se ajusto utilizando el mismo metodo de medicion que el de las bobinas en aproximadamente 0,9 kN (90 kg [198 lb]). Ademas, no se utilizo ningun enderezador, y el cable no se bobino, sino que se estiro y se dispuso en el suelo. El nucleo se sometio a temperatura ambiente (aproximadamente 23 0C [73 0F]).

La cableadora se hizo funcionar a 15m/min. (49 pies/min.), controlada mediante ruedas de cabestrantes convencionales, un dispositivo estandar de enderezamiento y una bobina de recogida convencional de 152 cm (60 pulg.) de diametro.

El conductor resultante se probo usando el siguiente “Metodo de Prueba de Corte Final”. Se coloco una seccion del conductor de prueba estirado en el suelo, y se sujeto una subseccion de 3,1-4,6 m (10-15 pies) de largo por ambos extremos. A continuacion, el conductor se corto para aislar la seccion, todavia sujeta a ambos extremos. Despues, se solto una abrazadera y no se observo ningun movimiento en la capa. Entonces, se inspecciono la seccion del conductor para comprobar el movimiento relativo de las capas. Se midio el movimiento de cada capa con una regla para determinar la cantidad de movimiento en relacion con el nucleo. Las capas exteriores de aluminio se retrajeron en relacion con el nucleo de material compuesto; tomando el nucleo como la posicion de referencia cero, la capa interna de aluminio se retrajo 4 mm (0,16 pulg.) y la capa exterior se retrajo 8 mm (0,31 pulg.).

El cable del Ejemplo Ilustrativo tambien se evaluo por Kinectrics, Inc. Toronto, Ontario, Canada, utilizando el siguiente “Metodo de Prueba de Flechado I”. Se termino una longitud de conductor con accesorios epoxi convencionales, asegurando que las capas mantuvieran sustancialmente sus posiciones relativas como en la etapa de fabricacion, excepto los alambres de aluminio/circonio que se extendieron a traves de los accesorios epoxi y hacia fuera por el otro lado, y despues se reconstituyeron para permitir la conexion a una alimentacion de CA usando conectores terminales convencionales. Los accesorios de epoxi se vertieron en unos receptaculos de aluminio y aleacion de cinc que estaban conectados a un tornillo tensor para mantener la tension. Por un lado, se conecto una celda de carga (5000 kilogramos [kg] de capacidad) a un tornillo tensor y luego los tornillos tensores se unieron a unas argollas traccion por ambos extremos. Las argollas se conectaron a grandes pilares de hormigon, lo

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suficientemente grandes como para reducir al minimo las deflexiones finales del sistema cuando esta bajo tension. Para la prueba, la tension se estiro hasta el 20% de la resistencia a la rotura nominal del conductor. Asi, se aplicaron al cable 20,42 kN (2.082 kg [4.590 lb]). La temperatura se midio en tres zonas a lo largo de la longitud del conductor (a 1/4, 1/2 y % de la distancia del tramo total [de argolla de traccion a argolla de traccion]) usando nueve termopares (tres en cada zona; de tipo J comercializados por Omega Corporation, Stamford, CT, EE. UU.). En cada zona, los tres termopares se dispusieron en tres posiciones radiales diferentes dentro del conductor; entre los hilos de aluminio exteriores, entre los hilos de aluminio interiores, y adyacentes a (es decir, en contacto con) los alambres externos del nucleo. Los valores de flechado se midieron en tres zonas a lo largo de la longitud del conductor (a /, / y % de la distancia del tramo) usando potenciometros de traccion del alambre (comercializados por Space Age Control, Inc, Palmdale, CA, EE. UU.). Estos se dispusieron para medir el movimiento vertical de las tres zonas. La corriente alterna se aplico al conductor para incrementar la temperatura al valor deseado. La temperatura del conductor se elevo de la temperatura ambiente (aproximadamente 20 °C [68 °F]) a aproximadamente 240 °C (464 °F) a una velocidad en el rango de 60-120 °C/minuto (140-248 °F/minuto). La temperatura mas alta de todos los termopares se utilizo como control. Se necesitaron alrededor de 1.200 amperios para alcanzar 240 °C (464 °F).

El valor de flechado del conductor (flechado total) se calculo a varias temperaturas utilizando la siguiente ecuacion:

, Flech ado,.. + Flechado... v

Flechado = Flechado,K -(-----------------------------------)

Donde:

Flechado 1/2 = Flechado medido a 1/2 de la distancia del tramo del conductor

Flechado 1/4 = Flechado medido a 1/4 de la distancia del tramo del conductor

Flechado 3/4 = Flechado medido a 3/4 de la distancia del tramo del conductor

La Tabla 3 (a continuacion) resume los parametros de la prueba de entrada fijos. Tabla 3

Parametro

Valor

Longitud total del tramo

68,6 m (225 pies)

Longitud efectiva del tramo* - m (pies)

65,5 m (215 pies)

Altura del punto fijo del Norte

2,36 m (93,06 pulg.)

Altura del punto fijo del Sur

2,47 m (97,25 pulg.)

Peso del conductor

1,083 kg/m (0,726 lb/pies.)

Tension inicial (a 20% RTS*)

20,42 kN (2082 kg [4590 lb])

Capacidad de carga de la celda

Carga de la celda 49 kN (5000 kg [1100 lb])

* resistencia a la tension nominal

Se determinaron los datos resultantes de flechado y temperatura (“Datos resultantes” para el Ejemplo ilustrativo) y despues se ajusto una curva calculada usando el metodo grafico Alcoa Sag10 disponible en un programa de software de Alcoa Fujikura Ltd., Greenville, SC, EE. UU., con el nombre comercial “SAG10 ’’(version 3.0 actualization 3.9.7). El parametro de tension fue un parametro de ajuste en “SAG10” denominado “tension de aluminio acumulada” que ajusto la position del punto de inflexion de la grafica predicha y tambien la cantidad de flechado en un regimen de elevada temperatura y posterior al punto de inflexion. Se proporciono una description de la teoria del parametro de tension en el manual del usuario de Alcoa Sag10 (Version 2.0): Teoria de la tension de compresion en conductores de aluminio reforzado con acero ACSR. Se introdujeron los parametros de conductor para el cable de 675 kcmil, como se muestra en las Tablas 4-7 (a continuacion) en el software Sag10. El mejor ajuste unio (i) la curva calculada a los “datos resultantes” mediante la variation del valor del parametro de tension, para que las curvas se unieran a altas temperaturas (140240 °C), y (ii) el punto de inflexion (knee-point) de la curva de “datos resultantes” se uniera cerca de la curva calculada, y (iii) el flechado calculado inicial se necesito para unir el flechado inicial de los “datos resultantes” (es decir, la tension inicial a 22 °C [72 °F] es 20,42 kN [2082 kg], produciendo 27,7 cm [10,9 pulgadas] de flechado). Para este ejemplo, el valor de 3,5 MPa (500 psi) para el parametro de tension proporciono el mejor ajuste para los “datos resultantes”. Fig. 8 muestra el flechado calculado por Sag10 (linea 82) y el flechado medido (datos determinados 83).

Los siguientes datos de los conductores se metieron en el software “SAG10”:

Tabla 4

Parametros del conductor en SAG10

Area

Diametro

Peso

RTS:

Tabla 5

Condiciones de carga lineal

Longitud de tramo

Tension inicial (a 22 °C [72 °F])

Tabla 6

381,6 mm2 (0,5915 pulg2)

2,3 cm (0,902 pulg.)

1,083 kg/m (0,726 lb/pies) 99.636 N (10.160 kg [22.400 lb])

65,5 m (215 pies)

20,42 kN (2082 kg [4.590 lb])

Opciones para el calculo del esfuerzo de compresion Tension intrinseca del aluminio Area de aluminio (como fraccion del area total) Numero de capas de aluminio:

Numero de hilos de aluminio Numero de hilos en el nucleo Relaciones de las disposiciones de trenzado Capa externa Capa interna

(3,5 MPa [500 psi])

0,8975

2

20

7

11

13

Parametros de tension-deformacion para Sag10; TREF = 22 °C (71 °F)

Parametros de entrada para la ejecucion en el software (ver Tabla 7, a continuacion) Tabla 7

5

Aluminio inicial

A0

A1 A2 A3 A4 AF

17,7

56350,5 -10910,9 -155423 173179,9 79173,1

Aluminio final (10 anos de fluencia)

B0

B1 B2 B3 B4 a (A1)

0

27095,1 -3521,1 141800,8 -304875,5 0,00128

Nucleo inicial

C0

C1 C2 C3 C4 CF

-95,9

38999,8 -40433,3 87924,5 -62612,9 33746,7

Nucleo final (10 anos de fluencia)

D0

D1 D2 D3 D4 a(nucleo)

-95,9

38999,8 -40433,3 87924,5 -62612,9 0,000353

10

15

Definicion de los polinomios de la curva de tension-deformacion

Los primeros cinco numeros A0-A4 son coeficientes de 4° orden polinominal que representan la relacion del area con respecto al tiempo del aluminio inicial:

/\

Alambre

A

cl,I =A0+Me + A2e + + A4e‘

total

AF es el modulo final de aluminio

imagen4

En donde £ es la elongacion del conductor en % y a es la tension en psi

5

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40

45

50

55

B0-B4 son coeficientes de 4° orden polinominal que representan la curva final de fluencia de 10 anos de la relacion del area con respecto a los tiempos del aluminio.

imagen5

C a (A1) es el coeficiente de expansion termica del aluminio.

C0-C4 son coeficientes de 4° orden polinominal que representan la curva inicial de la relacion del area con respecto a los tiempos solo del nucleo de material compuesto.

CF es el modulo final del alambre

D0-D4 son coeficientes de 4° orden polinominal que representan la curva final de fluencia de 10 anos de la relacion del area con respecto a los tiempos del nucleo de material compuesto.

a (nucleo) es el coeficiente de expansion termica del nucleo de material compuesto.

Ejemplo profetico 1

Se haria un cable como se describe en el Ejemplo ilustrativo excepto lo siguiente: los alambres trenzados de material compuesto para formar el nucleo consistirian en alambres de material compuesto de fibra de carbono (fibras de carbono en una matriz de resina de amida bismaleica). Estos alambres los comercializa Tokyo Rope Manufacturing Company, Ltd., Tokio, Japon, con el nombre comercial “CFCC”. Los alambres de material compuesto tendrian el mismo diametro que los alambres de material compuesto del Ejemplo ilustrativo.

Ejemplo

El modelo Alcoa Sag10 Method descrito en el ejemplo ilustrativo se utilizo para predecir el comportamiento del flechado frente a la temperatura de los cables descritos en el Ejemplo profetico 1. Se generaron las curvas de flechado en funcion de la temperatura utilizando el modelo Sag10 y el metodo del Ejemplo ilustrativo. Los parametros del conductor que se muestran en las Tablas 8-11 (abajo) se introdujeron en el Software Sag10. El valor para el parametro de tension de compresion del Ejemplo profetico 1 fue 3,5 MPa (500 psi). Ademas se genero una curva de flechado en funcion de la temperatura para un valor de tension de compresion de 55 MPa (8000 psi). Fig. 9 muestra las curvas de flechado frente a la temperatura del Ejemplo ilustrativo y del Ejemplo Profetico 1. Los datos medidos del Ejemplo ilustrativo se muestran como datos trazados 93 en el grafico y la curva calculada del Ejemplo ilustrativo se muestra como la linea 92. La curva calculada para el Ejemplo profetico 1, que utilizo un parametro de tension de 3,5 MPa (500 psi), se muestra como la linea 94. La curva adicional calculada con un parametro de tension de 55 MPa (8000 psi), se muestra como la linea 96.

Los siguientes datos de los conductores se metieron en el software “SAG10”:

Tabla 8

Parametros del conductor en SAG10

Area

Diametro

Peso

RTS:

Tabla 9

Condiciones de carga lineal

Longitud de tramo Tension inicial (a 72 °F)

381,6 mm2 (0,677 pulg.2)

2,3 cm (0,902 pulg.)

1,007 kg/m (0,677 lb/pies)

108,31 kN (11.045 kg [24.350 lb])

65,5 m (215 pies)

20,42 kN (2082 kg [4590 lb])

Tabla 10

Opciones para el calculo del esfuerzo de compresion Valores de tension intrinsecos del aluminio

500 (Ejemplo profetico 1) 8000 (curva adicional)

Area de aluminio (como fraccion del area total)

0,8975

Numero de capas de aluminio:

2

Numero de hilos de aluminio:

20

Numero de hilos en el nucleo

7

Relaciones de las disposiciones de trenzado

Capa externa

11

Capa interna

13

Parametros de tension-deformacion para Sag10; TREF =

y CNJ CM (71 0F)

Tabla 11

Aluminio inicial

A0

A1 A2 A3 A4 AF

17,7

56350,5 -10910,9 -155423 173179,9 79173,1

Aluminio final (10 anos de fluencia)

B0

B1 B2 B3 B4 a(A1)

0

27095,1 -3521,1 141800,8 -304875,5 0,00128

Nucleo inicial

C0

C1 C2 C3 C4 CF

0

23575 0 0 0 23575

Nucleo final (10 anos de fluencia)

D0

D1 D2 D3 D4 a(nucleo)

0

23575 0 0 0 0,000033

10

Claims (9)

1. REIVINDICACIONES

   1.

   10

   15
2. 2.
3. 3.

   20
4. 4.
5. 5.

   25
6. 6.

   30 7.
7. 8.

   35
8. 9.
9. 10. 40

   Un cable, que comprende:

   un nucleo longitudinal que tiene un coeficiente de expansion termica y que comprende al menos uno de aramida, ceramica, boro, poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol), grafito, carbono, titanio, tungsteno o aleacion con memoria de forma; y

   una pluralidad de alambres que tiene colectivamente un coeficiente de expansion termica superior al coeficiente de expansion termica del nucleo, en donde la pluralidad de alambres comprende al menos uno de alambres de aluminio, alambres de cobre, alambres de aleacion de aluminio o alambres de aleacion de cobre, y en donde la pluralidad de alambres se trenza alrededor del nucleo, en donde el cable tiene un parametro de tension no superior a 5 MPa, con la condicion de que si el nucleo longitudinal comprende alambre de material compuesto de matriz metalica, el nucleo comprende por separado al menos uno de aramida, ceramica, boro, poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol), grafito, carbono, titanio, tungsteno o una aleacion con memoria de forma.

   El cable segun la reivindicacion 1, en donde el cable tiene un parametro de tension no superior a 3 MPa.

   El cable segun la reivindicacion 1, en donde el cable tiene un parametro de tension no superior a 1 MPa.

   El cable segun la reivindicacion 1, en donde el cable tiene un parametro de tension no superior a 0 MPa.

   El cable segun la reivindicacion 1, en donde el cable tiene un parametro de tension en un intervalo de 0 MPa a 5 MPa.

   El cable segun la reivindicacion 1, en donde el nucleo comprende material compuesto que comprende fibras continuas de al menos uno del/la aramida, ceramica, boro, poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol), grafito, carbono, titanio, tungsteno o aleacion con memoria de forma en una matriz polimerica.

   El cable segun la reivindicacion 1, en donde el nucleo comprende material compuesto que comprende ceramica continua en una matriz polimerica.

   El cable segun la reivindicacion 1, en donde los alambres y el nucleo son continuos y al menos 150 metros de largo.

   El cable segun la reivindicacion 1, en donde el en donde el nucleo comprende alambres que tienen un diametro de 1 mm a 12 mm.

   El cable segun la reivindicacion 1, en donde los alambres del nucleo se trenzan helicoidalmente de manera que presenten un factor de paso de 10 a 150.