[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine elektrische Leitungsader wie sie
beispielsweise in mehradrigen, flexiblen elektrischen Kabeln Verwendung finden kann.
Die Erfindung betrifft darüberhinaus auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Leitungsader und ein flexibles elektrisches Kabel, das zumindest eine solche Ader
umfaßt.
[0002] Flexible Kabel finden beispielsweise überall dort Verwendung, wo ortsveränderliche,
elektrische Verbraucher mit Energie versorgt werden müssen. Sie werden dabei oft extremen
Einsatzbedingungen ausgesetzt; starke Temperaturschwankungen, die Einwirkung von Feuchtigkeit,
Öl und Chemikalien sowie eine starke Biegewechselbeanspruchung seien hier nur beispielhaft
genannt. Typische flexible Kabel (Leitungen) zeigen folgenden Aufbau:
[0003] Eine oder mehrere elektrische Leitungsadern, jeweils bestehend aus einer Litze und
einer diese umhüllenden Aderisolierung, sind, ggf. gemeinsam mit einem parallel verlaufenden
Tragorgan (Kernbeilauf) von einem Innenmantel umgeben. Auf diesen Innenmantel ist
eine Bewehrung aufgebracht, beispielsweise in Form eines Textil-Stützgeflechtes, und
nach außen den Abschluß des Kabels bildend schließt sich an diese Bewehrung ein flexibler
Außenmantel an.
[0004] Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Leitungsader sowie ein entsprechendes
Kabel mit jeweils erhöhter Flexibilität und Haltbarkeit (Nutzungsdauer) anzugeben.
Die Leitungsader bzw. das Kabel sollten dabei vorzugsweise halogenfrei sein und möglichst
geringe Biegeradien besitzen. Die elektrischen und die Isolier-Eigenschaften der Leitungsader
bzw. des Kabels sollten dabei für einen gegebenen Verwendungszweck mit den Eigenschaften
der herkömmlichen elektrischen Leitungsadern bzw. Kabel konkurrenzfähig sein.
[0005] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Leitungsader mit den in
Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie ein entsprechendes elektrisches Kabel gelöst.
[0006] Die Erfindung beruht dabei auf der überraschenden Erkenntnis, daß es möglich ist,
einen elektrischen Leiter mit rauher Außenfläche, typischerweise eine Litze, unter
Ausbildung einer Leitungsader so mit einem thermoplastischen Kunststoff zu umhüllen,
daß die Kunststoffumhüllung einerseits reibschlüssig an den am weitesten außen befindlichen
Leiterflächen anliegt, andererseits aber nicht in die außenliegenden Freiräume des
Leiters eingreift.
[0007] Außenliegende Zwickel der Leiterlitze einer typischen erfindungsgemäßen Leitungsader
werden also beispielsweise von der isolierenden Umhüllung (nachfolgend auch einfach
Isolierung genannt) überspannt und nicht ausgefüllt. Die Litze ist deshalb innerhalb
der Isolierung in Längsrichtung verschiebbar (beispielsweise bei Biegebeanspruchung),
ist jedoch nicht so lose innerhalb der Isolierung angeordnet, daß sie ohne besondere
Kraftanstrengung aus ihr herausgezogen werden könnte.
[0008] Diese besondere Anordnung der Litze bewirkt also insbesondere, daß sie bei Biegebeanspruchung
eine kontrollierte Relativbewegung innerhalb der Isolierung durchführen kann. Die
Litze wird deshalb beim Biegen nicht unter der Isolierung gestaucht, weshalb die Nutzungsdauer
der Ader, die sonst regelmäßig durch den sogenannten Litzenbruch limitiert ist, enorm
hoch ist. Die Gleitfähigkeit der Litze innerhalb der Isolierung ermöglicht überdies
eine leichte Abisolierung der Ader, was beispielsweise bei der Anbringung elektrischer
Garnituren vorteilhaft ist.
[0009] Neben diesem mechanischen Effekt tritt bei erfindungsgemäßen Leitungsdern noch ein
überaus vorteilhafter elektrischer Effekt auf. Dies wurde bei Dielektrizitätsmessungen
"an der Ader" bemerkt, bei denen für das thermoplastische Isoliermaterial regelmäßig
deutlich niedrigere Dielektrizitätszahlen festgestellt wurden als bei separaten Messungen
am reinen, unverarbeiteten Kunststoff. Dieser Effekt ist natürlich äußerst vorteilhaft,
denn bei elektrischen Kabeln sind niedrige effektive Dielektrizitätszahlen der isolierenden
Materialien regelmäßig erwünscht, beispielsweise um Wechselwirkungen zwischen den
benachbarten Adern eines mehradrigen Kabels zu unterbinden. Die Ursachen der Verringerung
der effektiven Dielektrizitätszahl sind momentan noch nicht genau bekannt, sie beruhen
jedoch möglicherweise auf der Anwesenheit der luftgefüllten Hohlräume in den außenliegenden
Zwickeln der umhüllten Litze. Die bei den erfindungsgemäßen Leitungsadern festgestellten
effektiven Dielektrizitätszahl-Erniedrigungen führen dazu, daß thermoplastische Kunststoffe
mit eigentlich nachteilig hoher Dielektrizitätszahl mit Kunststoffen konkurrenzfähig
werden, die bereits von Hause aus eine niedrige Dielektrizitätszahl besitzen.
[0010] Mit den erfindungsgemäßen Adern lassen sich aufgrund der beschriebenen mechanischen
und elektrischen Vorteile erfindungsgemäße Kabel herstellen, die - je nach Einsatzgebiet
- einen bis zu 50 % reduzierten Leitungsdurchmesser und ein entsprechend reduziertes
Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Kabeln mit Isoliermaterialien auf Gummi- und
PVC-Basis besitzen. Es ist klar, daß die Reduzierung des Leitungsdurchmessers auch
kleinere minimale Biegeradien ermöglicht, was natürlich in vielen praktischen Situationen
günstig ist.
[0011] Zusammenfassend besitzen die erfindungsgemäßen Adern und Kabel also eine Reihe unerwarteter
mechanischer und elektrischer Eigenschaften, die im Ergebnis zu einer beträchtlichen
Materialersparnis und zu deutlich erhöhten Nutzungsdauern im Vergleich mit herkömmlichen
Adern und Kabeln ansonsten gleicher Leistungsstufe führen.
[0012] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Isolierung aus einem thermoplastischen Polyester,
vorzugsweise einem modifizierten Polybutylenterephtalat (PBT), besteht. Die Ader besitzt
dann eine besondere strukturelle Festigkeit und/oder Elastizität. Beispielsweise läßt
sich bereits eine kreisförmig mit einem Außendurchmesser von 0,8 mm und einer Wanddicke
von nur 0,15 mm um eine entsprechende Litze extrudierte PBT-Isolierung nur unter erheblichem,
in der Praxis nur selten auftretendem Druck zusammenpressen, so daß im Gebrauchszustand
praktisch kein äußerer Druck an die Litze weitergegeben wird und somit keine zerstörerische
mechanische Belastung der Litze innerhalb der Isolierung auftritt. Selbst beim Walken
einer Ader wird also kein nachteiliger Staucheffekt erzeugt. In der nachfolgenden
Tabelle sind für einige typische Adern die Aderdurchmesser und die zugehörigen Wanddicken
angegeben.
TABELLE
Ader |
Durchmesser |
Wanddicke |
1 |
0,80 mm |
0,15 mm |
2 |
1,29 mm |
0,25 mm |
3 |
3,21 mm |
0,30 mm |
4 |
6,42 mm |
0,40 mm |
5 |
11,36 mm |
0,70 mm |
(Aderisolierung: VESTODUR X4159, s.u.) |
[0013] Zweckmäßigerweise wird für die erfindungsgemäße Ader ein flammwidriger und/oder selbstverlöschender
Isolier-Kunststoff ausgewählt. Derartige Adern sind besonders für brandgefährdete
Bereiche geeignet.
[0014] Verfahrenstechnisch ist es besonders günstig, einen thermoplastischen Kunststoff
einzusetzen, der einen effektiven Schmelzbereich ΔT ≥ 15 °C, vorzugsweise ≥ 20 °C
besitzt. Solche Kunststoffe bieten den Vorteil, daß ihr Schmelzbereich ein größeres
Temperaturintervall umfaßt als die Temperaturschwankungen an der Spritzdüse eines
üblichen Extruders mit recht unpräziser Temperatursteuerung. Auch solche Extruder
können deshalb In diesem Fall zur Extrusion eingesetzt werden, ohne daß die Gefahr
besteht, daß sich der thermoplastische Kunststoff aufgrund unkontrollierbarer Temperaturschwankungen
(zu weit) verflüssigt und dann beispielsweise in die Zwickel einer parallel hinausgeführten
Litze eindringt. Ein praktisches Beispiel für einen besonders geeigneten PBT-Kunststoff
mit einem effektiven Schmelzbereich ΔT ≥ 20 °C ist der Kunststoff Vestodur X 4159
der Hüls AG, eine hochviskose teilkristalline Formmasse. Unter dem Begriff "effektiver
Schmelzbereich" wird im Rahmen dieser Beschreibung übrigens immer das Temperaturintervall
verstanden, das nach oben hin durch die Verflüssigungstemperatur und nach unten hin
durch den Übergang vom hartelastischen in den plastischen Zustand des jeweiligen Kunststoffs
begrenzt wird.
[0015] Es soll noch betont werden, daß es sich bei den bevorzugt eingesetzten thermoplastischen
Kunststoffen, also z.B. den modifizierten Polybutylenterephtalaten, nicht um Kunststoffe
mit einem "Rückerinnerungsvermögen" oder "elastischen Formgedächtnis" handelt. Die
erfindungsgemäßen Adern sind also mittels eines kontinuierlichen Extrusionsverfahrens
ohne nachträgliche Wärmebehandlung erzeugbar und weisen auch auf großer Länge im wesentlichen
gleichbleibende mechanische und elektrische Eigenschaften auf. Es ist aber klar, daß
prinzipiell auch thermoplastische Kunststoffe mit elastischem Formgedächtnis zur Herstellung
einer erfindungsgemäßen Ader eingesetzt werden können. Es muß hierbei aber der Gefahr
entgegengewirkt werden, daß der Kontakt zwischen Isolierung und elektrischem Leiter
in Längsrichtung ungleichmäßig wird, also beispielsweise mit kurzem Abstand (im Bereich
weniger Meter) alternierend ein zu starker Preßsitz (z.B. mit Eingriff in die Zwickel)
und eine zu lose Umhüllung auftreten.
[0016] Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren
näher erläutert. Es stellen dar:
- Fig. 1
- einen schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Ader.
- Fig. 2
- eine vergrößerte Querschnitt-Teilansicht der erfindungsgemäßen Ader aus Fig. 1 Im
Kontaktbereich zwischen elektrischem Leiter und Isolierung.
- Fig. 3
- einen schematischen Querschnitt durch ein typisches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen,
trommelbaren Kabels.
[0017] In den Figuren 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leitungsader
dargestellt, die in Fig. 1 insgesamt mit 1 bezeichnet ist. Die Ader 1 umfaßt als elektrischen
Leiter eine Litze 3, und diese besteht aus einer großen Anzahl dünner metallischer
Leitungsdrähte 5, die sich quer zur dargestellten Querschnittsebene in Ader-Längsrichtung
erstrecken. Das Ensemble von Leitungsdrähten (die Litze) ist enggepackt und in seiner
Gesamtheit von annähernd runder Gestalt. Da die Litze aber aus einzelnen Drähten gebildet
ist, ist ihre Oberfläche (Außenfläche) nicht glatt, sondern rauh (konturiert); insbesondere
besitzt sie zwischen zwei jeweils benachbarten außenliegenden Leitungsdrähten Zwickel
7.
[0018] Die Litze ist von einer schlauchartigen Isolierung aus einer thermoplastischen Polyester-Formmasse
auf Basis von modifiziertem Polybutylenterephtalat (PBT) ummantelt. Als Formmasse
besonders bewährt hat sich das Produkt Vestodur X4159 der Hüls AG. Die Innenoberfläche
der Isolierung steht - bezogen auf die Längsrichtung der Ader - im wesentlichen kontinuierlich
mit den lokal außenliegenden Flächenabschnitten der die äußerste Lage der Litze bildenden
Leitungsdrähte im Reib- oder Rutscheingriff. Wie sich am besten aus der Fig. 2 ersehen
läßt, werden die weiter innen liegenden konturbildenden Flächenabschnitte der zugehörigen
Zwickel 7 stramm von der Isolierung überspannt, wobei sich Hohlräume bilden, die den
Zwickeln im wesentlichen entsprechen.
[0019] Einerseits besteht also eine gute Haftung zwischen Litze und Isolierung, andererseits
werden die Zwickel 7 nicht durch die Isolierungs-Formmasse ausgefüllt. Die Leitungsader
1 läßt sich deshalb besonders leicht abisolieren, aber dies ist nicht der einzige
Vorteil. Die strukturelle Eigenschaft der Ader erlaubt es nämlich auch, daß sich Litze
3 und Isolierung 9 in Längsrichtung bei einer Biegebeanspruchung relativ zueinander
verschieben. Dies ist insbesondere wichtig, wenn man die Ader mit geringem Krümmungsradius
aufwickeln oder auftrommeln will. Es kommt dann nämlich vorteilhafterweise nicht zu
einer Stauchung der Litze unter der Isolierung, die ursprünglich vorzugsweise weichgeglühten
Leitungsdrähte erhärten nicht, und es kommt somit nicht zu einem Brechen der außenliegenden
Einzeldrähte mit anschließendem Litzenbruch. In der Praxis kommt deshalb ein unerwünschter
Ausfall der erfindungsgemäßen Ader nur äußerst selten vor.
[0020] Im Vergleich zu konventionellen Isolierungen ist die in Fig. 1 und 2 dargestellte
Isolierung der dargestellten erfindungsgemäßen Ader 1 besonders dünnwandig. Damit
Ist eine Meterialeinsparung bis zu 50 % möglich, ohne daß dabei die Aderqualität im
Vergleich mit herkömmlichen Adern reduziert wäre, die um eine baugleiche Litze herum
eine herkömmliche PVC- oder Gummiisolierung tragen.
[0021] Die Herstellung der erfindungsgemäßen Adern geschieht vorzugsweise durch eine porenfreie
Extrusion im Schlauchverfahren. Die Aderisolierung erhält dadurch eine hohe strukturelle
Festigkeit, bleibt aber elastisch und gegen Schlageinwirkung und Biegeermüdungen beständig.
Die hohe Zugfestigkeit der bevorzugt eingesetzten Polybutylenterephtalat-Formmassen
(neben Vestodur X4159 hat sich auch Vestodur X7292 hervorragend bewährt) gewährleistet
zusätzlich, daß eine während des Einsatzes ggf. auftretende Zugbelastung von der Aderisolierung
und nicht von der Litze aufgenommen wird. Die hohe Druckbeständigkeit der bevorzugt
eingesetzten Materialien bewirkt, daß die Aderisolierung auch bei vergleichsweise
hohen Drücken noch rund bleibt und verhindert so, daß beim Walken einer Ader ein zusätzlicher
Reib- oder Staucheffekt der Litze auftritt. Die herkömmlichen Isoliermaterialien wie
Gummi, PVC oder PE besitzen im Vergleich hierzu erheblich schlechtere Zugfestigkeiten
und Druckbeständigkeit.
[0022] Überdies haben sich bei Messungen an erfindungsgemäßen Adern des in den Figuren 1
und 2 dargestellten Typs außergewöhnlich geringe effektive Dielektrizitatszahlen ε
R messen lassen. Diese niedrigen Dielektrizitätszahlen sind keine reine Stoffeigenschaft
der Isolierungs-Formmasse - daher der Zusatz "effektiv" -, sondern sie ergeben sich
erst durch die erfindungsgemäße Art der Litzenummantelung. Wahrscheinlich sind es
die (überspannten) luftgefüllten Zwickel-Hohlräume, die beispielsweise für Vestodur
X4159, dessen Dielektrizitätszahl vom Hersteller mit 4 angegeben wird, zu einer Erniedrigung
der effektiven Dielektrizitätszahl an der Ader auf ca. 2,6 - 2,8 führen. Damit ist
diese effektive Dielektrizitätszahl mit der von unverarbeitetem Polyethylen (PE) vergleichbar.
[0023] Der in Fig. 3 dargestellte Querschnitt eines erfindungsgemäßen trommelbaren Kabels
20 besitzt ein mittig angeordnetes Tragorgan, das von insgesamt sieben erfindungsgemäßen
Leitungsadern 21 umringt ist. Um die Anordnung aus Tragorgan und Adern herum verläuft
ein vierlagiger Mantel. Die innenliegende Lage des Mantels besteht aus einer Polyester-Gleitfolie
24, die ein Gleiten der Adern 21 innerhalb des Mantels ermöglicht. Nach außen hin
schließt sich an diese Gleitfolie ein Innenmantel 26 aus Polyurethan an, der vor allem
bei höheren Nennspannungen zweckmäßig ist. Bei der nach außen hin nächsten Lage handelt
es sich um ein Textil-Stützgeflecht 28, das für eine hohe Querstabilität (Verdrehungsfestigkeit)
des Kabels 20 sorgt. Zuäußerst befindet sich schließlich ein Außenmantel 30 aus Polyurethan.
Das in Fig.3 dargestellte Kabel ist somit halogenfrei.
[0024] Die Adern 21 sind in Längsrichtung des Kabels 20 mit kurzer Schlaglänge um das vorzugsweise
textile Tragorgan 22 verseilt. In den großvolumigen Zwickeln zwischen den Adern können
sich bei Bedarf Polyesterfüllfäden befinden (nicht dargestellt). Das Stützgeflecht
besteht vorzugsweise aus Kunstseide.
[0025] Die Litzen innerhalb der Adern 21 können in der Praxis beispielsweise feinstdrähtig
mit Querschnittsflächen von 1,5 mm
2 - 35 mm
2 oder feindrähtig mit Querschnittsflächen von 50 mm
2 - 120 mm
2 sein. Gegenüber den bisher eingesetzten trommelbaren Kabeln läßt sich dann bei vergleichbaren
elektrischen Eigenschaften eine Reduzierung des Leitungsdurchmessers um bis zu 50
% erreichen, wobei sich natürlich auch kleinere Biegeradien ergeben. Eine Gewichtsreduzierung
von bis zu 50 % ist möglich.
[0026] Das in Fig. 3 dargestellte Kabel läßt sich selbstverständlich auf vielerlei Weise
variieren. Wesentlich für seine Eigenschaften ist jedoch in jedem Fall die Verwendung
von einer oder mehreren erfindungsgemäßen Adern.
[0027] Es wurde bereits erwähnt, daß erfindungsgemäße Adern vorzugweise im Schlauchverfahren
hergestellt werden. Dabei werden die zweckmäßigerweise zumindest annähernd auf Formenmasse-Temperatur
vorgewärmten Litzen (vgl. 3, Fig. 1) oder sonstigen Leiter (Seile etc.) durch eine
zentrale Bohrung in der Pinole des Extruders zugeführt. Für die extrudierte, bereits
recht zähe Isolierungs-Formmasse wird ein kurzer Kegel eingestellt, und sie legt sich
bei dieser Einstellung wie zuvor beschrieben eng an die Litze an.
1. Leitungsader, umfassend einen elektrischen Leiter 3 mit rauher Außenfläche und eine
schlauchartige Isolierung 9 aus einem thermoplastischem Kunststoff, wobei die Innenoberfläche
11 der Isolierung 9 im wesentlichen kontinuierlich mit lokal außenliegenden Flächenabschnitten
des Leiters 3 im Reib- oder Rutscheingriff steht und weiter innen liegende Außenflächenabschnitte
des Leiters 3 unter Ausbildung von Hohlräumen überspannt.
2. Ader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter eine Litze
aus dünnen metallischen Leitungsdrähten 5 umfaßt und die Isolierung 9 nicht wesentlich
in die Zwickel 7 der Litze eingreift.
3. Ader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung
9 aus einem thermoplastischen Polyester besteht.
4. Ader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyester ein modifiziertes
Polybutylenterephtalat umfaßt.
5. Ader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff
flammwidrig und/oder selbstverlöschend ist.
6. Ader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff
einen effektiven Schmelzbereich ΔT ≥ 15 °C, vorzugsweise ≥ 20 °C besitzt.
7. Ader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch
ein kontinuierliches Extrusionsverfahren ohne nachträgliche Wärmebehandlung erzeugbar
ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer Ader nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet,
daß ein thermoplastischer Kunststoff im Schlauchverfahren um den Leiter herum extrudiert
und anschließend unterhalb seiner Fließtemperatur in Anlage an diesen gebracht wird.
9. Elektrisches Kabel, umfassend zumindest eine Ader nach einem der Ansprüche 1 - 7 sowie
einen Kabelinnenmantel und/oder einen Kabelaußenmantel aus Polyurethan.