WO1991004563A1 - Elektrische leitung mit zugfestem element - Google Patents

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Wolfgang Diegmann
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    • D07B2205/30—Inorganic materials
    • D07B2205/3007—Carbon

Definitions

  • the invention relates to an electrical line with insulation, with a multi-wire conductor made of metal formed into a strand or a rope and with a tension-resistant, fibrous element arranged centrally in the conductor.
  • DE-25 19 687-A 1 shows a method for producing a stranded conductor for electrical mains connection lines and the like, in which a thin thread of glass thread is stranded centrally when the individual wires are stranded.
  • the line conductors consist of approximately 30 to 60 individual conductors which are choked together.
  • the centrally inserted glass thread increases the tensile strength of the strands in particular without appreciably increasing their cross-section, since it is embedded in the cavities (gusset) between the individual conductors when stranded.
  • the invention has for its object to provide an electrical line that can withstand an extreme tensile load with a small cross section, is easy to manufacture and can be further processed. Furthermore, if desired, it should be able to be designed to be longitudinally watertight in a simple and permanent manner.
  • the fibrous element is formed from a bundle of carbon fiber filaments (carbon fibers).
  • Advantageous embodiments of the invention are characterized in the other claims. If the bundle is divided into at least 800, but depending on the design, also 1,000 to 12,000 individual filaments with a diameter of max.
  • the carbon fiber can optimally distribute 0.007 millimeters in the inner gusset and fill all cavities. The highest tensile forces are absorbed when the bundle shows no rotation.
  • the carbon fiber filament can be formed into a yarn with a twist of up to about 60 d / m (twists per meter).
  • the bundle can be treated with a size, e.g. B.
  • the conductor is constructed from an annular layer of at least 6 individual wires or the like, which surround the bundle with radial pressure, so that the inner gusset is completely filled with the individual filaments of the bundle. Additional wires or other line components can also be applied over the layer of individual wires. If the demands on the line are increased, the bundle can be filled with a liquid, pasty or powdery material. Such a filler greatly reduces the friction between the individual filaments and therefore has a positive effect on the flexibility of the line and on the durability of the filaments in the event of bending loads.
  • Fillers can be used, which also provide a longitudinal sealing of the line by forming a barrier to the liquid when water or any other liquid enters through swelling, foaming or another reaction.
  • Such fillers are based on petroleum jelly, petro jelly, silicones, cellulose and other materials.
  • a method for producing a line according to the invention provides that at least one layer of wires is stranded or stranded around a central bundle of carbon fiber filaments, that these wires lie tightly around the bundle and that insulation is arranged around the wires. Additional wire layers or other line components, e.g. B. for reinforcement, shielding and the like.
  • the method steps according to claim 9 are provided for producing a filled line.
  • the bundle can be filled according to claim 10. If further line elements are introduced, they would either have to be free of voids or should also be provided with an appropriate filling compound. It is recommended that the bundle is passed through a filling device immediately before the (first) layer of wires is applied, in which the bundle is soaked with the filler.
  • the invention creates an electrical line that can be made extremely thin or withstands extreme tensile loads. It can be produced economically, can be further processed without problems and can be designed to be longitudinally watertight and resistant to bending. Further advantages result from the example description below.
  • Figure 1 shows a conventional electrical line in cross section.
  • Figure 2 shows an electrical line according to the invention in cross section.
  • Figure 3 shows a section of the central, fibrous element with 3 individual filaments.
  • an electrical line 1 which consists of a stranded copper strand 2 with the structure 1 + 6 + 12 wires 3 with a diameter of 0.18 mm and an insulation 4 made of polyvinyl chloride.
  • the diameter of the line is 1.5 mm and its cross-sectional area is 1.77
  • FIG. 2 shows an electrical line 10, which consists of a central carbon fiber bundle 11 with a diameter of approximately 0.2 mm, which consists of approximately 1,000 individual filaments 12 with a diameter of approximately 7,000ths of a millimeter.
  • the individual filaments 12 have a size 13 based on polymer, which allows the individual filaments 12 to adhere to one another, and about 7 d / m (rotations per m).
  • the bundle 11 is surrounded by a layer 14 made of six copper wires 15.
  • the copper wires 15 have a diameter of about 0.2 mm, so that a conductor cross-section
  • the layer 14 of the copper wires 12 is insulated
  • Tear strength is 120 Newtons.
  • the new line accordingly shows a reduction in the diameter by 21% and the cross-sectional area by 38% with approximately the same tear strength. These are values which represent a significant advantage in special applications in which space or weight savings are important.
  • the new line can be processed without any problems since the central carbon fiber does not interfere. Cutting, stripping, crimping, welding and soldering are still possible without impairment, so that this line is particularly suitable for the production of all types of cable sets.
  • the six copper wires 15 and the carbon fiber bundle 11 are fed to a stranding device. Before the stranding point, the bundle 11 is filled and coated with a filling compound 16 in a stuffing device. In the stranding device, the wires 15 are stranded around the centrally entering bundle 11. The lay length is approx. 15 mm.
  • the individual filaments 12 of the bundle 11 are pressed together radially by the wires 15, so that all inner gussets or the entire space enclosed by the wires 15 are bundled by the bundle 11, ie by the individual filaments 12 and the filler 16 is filled out.
  • the resulting rope structure is then passed through an extruder and coated with plastic insulation 17 such as PVC under radial pressure.
  • the insulating material fills all outer gussets 18 without any cavities.
  • the exemplary embodiment described shows only a simple application of the invention.
  • the invention is also applicable to multi-core, round or flat cables which can serve a wide variety of purposes, e.g. B. for energy or message transmission, for control or measurement purposes.

Landscapes

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

Abstract

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

Description

A
Elektrische Leitung mit zugfestem Element,
Die Erfindung betrifft eine elektrische Leitung mit einer Isolierung, mit einem mehrdrähtigen, zu einer Litze oder einem Seil geformten Leiter aus Metall und mit einem zen¬ tral im Leiter angeordneten, zugfesten, faserför igen Ele¬ ment.
Elektrische Leitungen der vorgenannten Art sind bekannt. So zeigt die DE-25 19 687-A 1 ein Verfahren zur Herstel¬ lung eines Litzenleiter für elektrische Netzanschlußlei¬ tungen und dergleichen, bei dem beim Verseilen der Einzel¬ drähte zentral ein dünner Faden aus Glasseidenzwirn mit verlitzt wird. Bei derartigen Leitungen bestehen die Lit¬ zenleiter aus etwa 30 bis 60 Einzelleitern, die miteinan¬ der verwürgt werden. Der zentral eingeführte Glasfaden er¬ höht insbesondere die Zugfestigkeit der Litzen, ohne ihren Querschnitt merklich zu vergrößern, da er beim Verlitzen in die Hohlräume (Zwickel) zwischen den Einzelleitern ein¬ gebettet wird.
Ein solcher zentraler Glasfaden läßt sich bei der Verar¬ beitung auf Schneidemaschinen sehr leicht herausziehen und führt dann zu Störungen im Arbeitsablauf. Des weiteren ist die Einbettung zwischen vielen Einzelleitern nicht von Dauer, wenn die fertige Leitung beim Gebrauch oft gebogen wird. Dann kann der mitverwürgte Glasfaden leicht aus dem Litzenverband austreten und zerbrechen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Leitung zu schaffen, die bei kleinem Querschnitt einer ex¬ tremen Zugbelastung standhält, leicht herzustellen und weiterzuverarbeiten ist. Des weiteren soll sie - falls gewünscht - in einfacher und dauerhafter Weise längswas¬ serdicht ausgebildet werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das faserför ige Element aus einem Bündel von Karbonfasern-Fi- lamenten (Kohlenstoff-Fasern) gebildet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprü¬ chen gekennzeichnet. Bei einer Aufteilung des Bündels in mindestens 800, je nach Ausführungsfall aber auch 1 000 bis 12 000 Einzelfilamenten mit einem Durchmesser von max. 0,007 Millimeter kann sich die Karbonfaser optimal im Innenzwickel verteilen und alle Hohlräume ausfüllen. Höchste Zugkräfte werden aufgenommen, wenn das Bündel keinerlei Drehung aufweist. Zur besseren Verarbeitbarkeit des Bündels können die Karbonfaserfila ente zu einem Garn mit einer Drehung bis zu etwa 60 d/m (Drehungen pro Meter) geformt sein. Zum gleichen Zweck kann das Bündel mit einer Schlichte, z. B. auf Polymer-Basis, versehen sein, welche die Einzelfilermente zusammenhält, insbesondere an ihren Berührungspunkten oder -linien miteinander verklebt. Eine solche Schlichte kann schon vom Hersteller des Bündels aufgebracht sein. In einfachster Ausführung ist der Leiter aus einer ringförmigen Lage aus mindestens 6 Einzeldrähten oder dergleichen aufgebaut, die das Bündel mit radialem Druck umschließen, so daß der Innenzwickel vollkommen von den Einzelfilamenten des Bündels ausgefüllt ist. über der Lage aus Einzeldrähten können auch weitere Drähte oder andere Leitungsbauelemente aufgebracht sein. Bei er¬ höhten Anforderungen an die Leitung kann das Bündel mit einem flüssigen, pastenförmigen oder pulverigen Material gefüllt sein. Ein derartiges Füllmittel vermindert stark die Reibung zwischen den einzelnen Filamenten, wirkt sich demnach positiv auf die Flexibilität der Leitung und auf die Haltbarkeit der Filamente bei Biegebelastungen aus. Es können dabei Füllmittel verwendet werden, die zudem eine Längsabdichtung der Leitung bewirken, indem sie bei Zutritt von Wasser oder einer anderen beliebigen Flüssig¬ keit durch Quellen, Schäumen oder eine andere Reaktion eine Sperre für die Flüssigkeit bilden. Derartige Füllmit¬ tel gibt es auf der Basis von Vaseline, Petrojelly, Sili¬ kone, Zellulose und anderen Materialien. Ein Verfahren zur Herstellung einer Leitung nach der Erfindung sieht vor, daß mindestens eine Lage von Drähten um ein zentrales Bün¬ del aus Karbonfaserfilamenten verlitzt oder verseilt wird, daß diese Drähte eng um das Bündel anliegen und das eine Isolierung um die Drähte angeordnet wird. Dabei kön- nen zwischen der Drahtlage und der Isolierung noch weitere Drahtlagen oder andere Leitungsbauelemente, z. B. zur Be¬ wehrung, Abschirmung und dergleichen, eingebracht werden.
Zur Herstellung einer gefüllten Leitung werden die Verfah¬ rensschritte nach Patentanspruch 9 vorgesehen. Dabei kann die Füllung des Bündels nach Patentanspruch 10 erfolgen. Falls weitere Leitungselemente eingebracht werden, müßten diese entweder hohlraumfrei sein oder ebenfalls mit einer entsprechenden Füllmasse versehen werden. Dabei empfiehlt es sich, daß das Bündel unmittelbar vor dem Aufbringen der (ersten) Lage von Drähten durch eine Füllvorrichtung geführt wird, in der das Bündel mit dem Füllmittel getränkt wird.
Die Erfindung schafft eine elektrische Leitung, die extrem dünn ausgebildet werden kann, bzw. extremen Zugbelastungen standhält. Sie ist wirtschaftlich herstellbar, störungslos weiterzubearbeiten und kann längswasserdicht und biegefest ausgebildet werden. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beispielsbeschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im nachfolgenden näher beschrieben wird. Dabei wird die erfindungsgemäße Leitung mit einer herkömm¬ lichen Leitung mit gleicher Zugfestigkeit verglichen.
Figur 1 zeigt eine herkömmliche elektrische Leitung im Querschnitt.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Leitung im Querschnitt.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem zentralen, faser- för igen Element mit 3 Einzelfilamenten.
In Figur 1 ist eine elektrische Leitung 1 gezeigt, die aus einer verseilten Kupferlitze 2 mit dem Aufbau 1 + 6 + 12 Drähten 3 mit dem Durchmesser 0,18 mm und einer Isolierung 4 aus Polyvinylchlorid besteht. Der Durchmesser der Lei¬ tung beträgt 1,5 mm, deren Querschnittsfläche ist 1,77
2 2 mm . Die Leiterguerschnittsflache beträgt 0,5 mm , die Reißkraft beträgt ca. 130 Newton. Es gibt Anwendungs älle, bei denen ein solcher Leiterquer- schnitt lediglich aus Gründen der Zugbeanspruchung und/oder der Flexibilität gewählt wurde. Für die elektri¬ sche Übertragung würde ein viel geringerer Leiterquer¬ schnitt ausreichen.
Figur 2 zeigt eine elektrische Leitung 10, die aus einem zentralen Karbonfaserbundel 11 mit ca. 0,2 mm Durchmesser, das aus ca. 1 000 Einzelfilamenten 12 mit einem Durchmes¬ ser von ca. 7 OOOstel Millimeter besteht. Die Einzelfila- mente 12 weisen eine Schlichte 13 auf Polymerbasis auf, welche die Einzelfilamente 12 aneinander haften läßt, sowie ca. 7 d/m (Drehungen pro m) auf.
Das Bündel 11 ist von einer Lage 14 aus sechs Kupferdräh¬ ten 15 umgeben. Die Kupferdrähte 15 haben einen Durchmes¬ ser von ca. 0.2 mm, so daß sich eine Leiterquerschnitts-
2 fläche von ca. 0,2 mm ergibt. Alle Hohlräume inner¬ halb der Lage 14 der Drähte 15 und zwischen den Einzelfi- lamenten 13 des Bündels 11 sind von einem Füllmittel 16 auf der Basis von Vaseline ausgefüllt.
Die Lage 14 der Kupferdrähte 12 ist von einer Isolierung
17 aus Polyvinylchlorid umgeben, welche die Außenzwickel
18 vollkommen ausfüllt. Der Durchmesser der Leitung 10 be-
2 trägt 1,19 mm, deren Querschnittsfläche 1,11 mm . Die
Reißkraft beträgt 120 Newton. Die neue Leitung zeigt demnach bei etwa gleicher Reißkraft eine Verminderung des Durchmessers um 21 % und der Quer¬ schnittsfläche um 38 %. Dieses sind Werte, die bei spe¬ ziellen Anwendungsfällen, bei denen es auf Raum- oder Ge¬ wichtseinsparung ankommt, einen bedeutenden Vorteil dar¬ stellen. Die neue Leitung läßt sich problemlos weiterver¬ arbeiten, da die zentrale Karbonfaser nicht stört. Schnei¬ den, Abisolieren, Crimpen, Schweißen und Löten sind wei¬ terhin ohne Beeinträchtigung möglich, so daß diese Leitung besonders für die Herstellung von Kabelsätzen jeder Art geeignet ist.
Zur Herstellung der Leitung 10 werden die sechs Kupfer¬ drähte 15 und das Karbonfaserbundel 11 einer Verseilvor¬ richtung zugeführt. Vor dem Verseilpunkt wird das Bündel 11 in einer Stopfvorrichtung mit einer Füllmasse 16 ge¬ füllt und beschichtet. In der Verseilvorrichtung werden die Drähte 15 um das zentral einlaufende Bündel 11 ver¬ seilt. Die Schlaglänge beträgt ca. 15 mm. Dabei werden die Einzelfila ente 12 des Bündels 11 von den Drähten 15 ra¬ dial zusammengedrückt, so daß alle Innenzwickel bzw. der ganze von den Drähten 15 eingeschlossene Raum von dem Bün¬ del 11, d. h. von den Einzelfilamenten 12 und dem Füll¬ mittel 16 ausgefüllt ist. Danach wird das erzeugte Ver¬ seilgebilde durch einen Extruder geführt und unter ra¬ dialem Druck mit einer Kunststoffisolierung 17. wie PVC beschichtet. Dabei füllt das Isoliermaterial alle Außen¬ zwickel 18 hohlraumfrei aus. Das beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt nur einen ein¬ fachen Anwendungsfall der Erfindung. Die Erfindung ist auch anwendbar bei mehradrigen, runden oder flachen Lei¬ tungen, die unterschiedlichsten Zwecken dienen können, z. B. zur Energie- oder Nachrichtenübertragung, zu Steuer¬ oder Meßzwecken.
Da Karbonfasern elektrisch leitfähig sind, können sich in anzuschließenden Kontaktteilen keine störenden Isolier¬ schichten ausbilden, wie dies bei anderen, nichtmetalli¬ schen Verstärkungsfasern der Fall ist.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Leitung (10) mit einer Isolierung (17), mit einem mehrdrähtigen, zu einer Litze oder einem Seil geformten Leiter (14) aus Metall und einem zen¬ tral im Leiter (14) angeordneten zugfesten, faserför- migen Element (11), dadurch gekennzeichnet, daß das faserförmige Element (11) aus einem Bündel von Karbon- faserfilamenten (12) (Kohlenstoffasern) gebildet ist.
2. Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel (11) aus mindestens 800 Karbonfaserfila¬ menten (12) besteht, die je einen Durchmesser von 0,007 Millimeter oder weniger aufweisen.
3. Leitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Karbonfaserfila ente (12) des Bündels (11) eine Drehung von 0 bis 20 Drehungen pro Meter aufweisen.
4. Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel (11) mit einer Schlichte (13) versehen ist, welche die Einzel- filamente (12) zusammenhält.
5. Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Leiter (14) eine ringförmige La¬ ge aus mindestens sechs Einzeldrähten (15), -litzen oder -seilen aufweist, die das Bündel (11) ringsum mit radialem Druck umschließen.
6. Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Bündel (11) mit einem flüssigen, pastenförmigen oder pulverigen Material (16) gefüllt ist.
7. Leitung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmittel (16) bei Zutritt von Flüssigkeit durch Quellen, Schäumen oder eine andere Reaktion eine Sper¬ re bildet.
8. Verfahren zur Herstellung einer Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß minde¬ stens eine Lage (14) von Drähten (15) so um ein zen¬ trales Bündel (11) aus Karbonfaserfilamenten (12) verlitzt oder verseilt wird, daß die inneren Drähte
(15) eng um das Bündel (11) anliegen, und daß eine Isolierung (17) um die Drähte (15) angeordnet wird.
9. Verfahren zur Herstellung einer Leitung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Lage (14) von Drähten (15) so um ein mit Füllmittel
(16) versehenes Bündel (11) aus Karbonfaserfilamenten (12) verlitzt oder verseilt wird, daß die inneren Drähte (15) eng an dem Bündel (11) anliegen, und daß eine Isolierung (17) unter radialem Druck so um die Drähte aufgebracht wird, daß alle Außenzwickel (18) der Drähte (15) ausgefüllt sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel (11) unmittelbar vor dem Aufbringen der inneren Drähte (15) durch eine Füllvorrichtung geführt wird, in der das Bündel (11) mit dem Füllmittel (16) getränkt und beschichtet wird.
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