DE102017213441A1

DE102017213441A1 - Elektrische Leitung

Info

Publication number: DE102017213441A1
Application number: DE102017213441.0A
Authority: DE
Inventors: Erwin Köppendörfer; Markus Schill
Original assignee: Leoni Kabel GmbH
Current assignee: Leoni Kabel GmbH
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2019-02-07
Also published as: US20190043643A1; KR20190014473A; CN109390097A

Abstract

Die elektrische Leitung weist einen Leitungskern aus mehreren einzelnen Leitungselementen auf und ist von einem mehrlagigen Mantel umgeben, die durch Extrusion aufgebracht sind, wobei eine innere Lage aus einem quellfähigen Material besteht und die äußere Lage diese umgibt, sodass bei Eindringen von Feuchtigkeit das quellfähige Material der inneren Lage aufquillt und Zwischenräume zwischen den Leitungselementen ausfüllt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Leitung mit einem Leitungskern aus mehreren einzelnen strangförmigen Leitungselementen, wobei der Leitungskern von einem Mantel umgeben ist.
Bei elektrischen Leitungen und Kabeln besteht allgemein das Problem, dass aufgrund von Undichtigkeiten, beispielsweise in Anschlussbereichen, an Steckern oder auch bei einer Verletzung des Mantels, Feuchtigkeit in das Innere der Leitung oder des Kabels eindringen und sich dort in Längsrichtung entlang der einzelnen Leitungselemente ausbreiten kann. Speziell besteht das Problem, dass die Feuchtigkeit teilweise auch in enge Zwischenräume und Zwickelbereiche zwischen den einzelnen Leitungselementen eindringt und sich aufgrund des Kapillareffekts auch bis an weit entfernte Stellen von der Eintrittsstelle ausbreitet.
Dieses Problem der sogenannten Längswasserdichtigkeit ist allgemein bekannt und es gibt vielfältige Ansätze, um Leitungen, Kabel oder auch gesamte Kabelsätze möglichst längswasserdicht zu gestalten.
Alle diese Maßnahmen sind mehr oder weniger mit einem erhöhten Aufwand verbunden und führen mitunter nicht immer zuverlässig zu einer sicheren Längsabdichtung.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Leitung mit einem Leitungskern und einem diesen umgebenden Mantel anzugeben, bei der das Ausbreiten von Feuchtigkeit innerhalb der Leitung möglichst unterbunden ist.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine elektrische Leitung mit einem Leitungskern aus mehreren einzelnen strangförmigen Leitungselementen, wobei der Leitungskern von einem Mantel umgeben ist, welcher aus mehreren Lagen besteht und eine innere Lage sowie eine diese umgebende äußere Lage aufweist. Die beiden Lagen sind als extrudierte Lagen ausgebildet, also durch einen Extrusionsprozess aufgebracht. Die innere Lage umgibt dabei den Leitungskern unmittelbar, also ohne Zwischenlage einer weiteren Lage. Die innere Lage besteht weiterhin aus einem quellfähigen Material, sodass bei Eindringen von Feuchtigkeit das quellfähige Material der inneren Lage aufquillt und Zwischenräume zwischen den Leitungselementen ausfüllt.
Die beiden Lagen des Mantels werden dabei beispielsweise durch Koextrusion hergestellt. Insgesamt wird dadurch eine Leitung geschaffen, die einfach und kostengünstig mit herkömmlichen Produktionsmethoden herzustellen ist. Gleichzeitig wird die Leitung durch den speziellen Aufbau mit der inneren Lage aus einem quellfähigen Material längswasserdicht ausgebildet, insofern als dass im Falle eines Eindringens von Feuchtigkeit das quellfähige Material aufquillt und die Zwischenräume ausfüllt, die zwischen den einzelnen Leitungselementen im Ausgangszustand bestehen. Hierdurch wird also eine Abdichtung erzielt und das Ausbreiten der eingedrungenen Feuchtigkeit innerhalb der Leitung ist zuverlässig verhindert. Durch die Ausgestaltung als extrudierte Mantellage ist die innere Lage zuverlässig und prozesssicher mit herkömmlichen Methoden aufbringbar.
Bei den Leitungselementen handelt es sich insbesondere um elektrische Leitungselemente, die also zur Übertragung von elektrischer Spannung / elektrischem Strom ausgebildet sind. Hierbei kann es sich sowohl um Leitungselemente zur Datenübertragung als auch zur Leistungsversorgung handeln. Ergänzend können neben den elektrischen Leitungselementen noch weitere Leitungselemente, beispielsweise optische Leitungselemente wie Lichtwellenleiter, integriert sein.
Bei der elektrischen Leitung handelt es sich dabei insbesondere um eine sogenannte Mantelleitung, das heißt der aus den beiden Lagen gebildete Mantel bildet einen Außenmantel. Ein derartiger Außenmantel ist üblicherweise dadurch charakterisiert, dass er nicht von einer weiteren konzentrisch angeordneten Mantellage umgeben ist. Häufig ist ein derartiger Mantel direkt den Umgebungseinflüssen ausgesetzt. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, dass mehrere derartige (Mantel-)Leitungen gegebenenfalls auch mit weiteren Kabelelementen einen Kabelaufbau bilden, der typischerweise zusätzlich noch von einem Kabelmantel umgeben ist.
In zweckdienlicher Weiterbildung besteht die äußere Lage aus einem härteren Material als die innere Lage. Durch diese Maßnahme wird quasi eine äußere steife Mantellage ausgebildet, die gewährleistet, dass im Falle des Aufquellens der inneren Mantellage die Volumenzunahme infolge des Aufquellens zumindest hauptsächlich in Richtung zum Leitungskern orientiert ist. Die äußere Lage bildet daher quasi einen steifen Ring, welcher sich nicht oder nur kaum radial aufweiten lässt.
Zweckdienlicherweise ist der Aufbau der Leitung bestehend aus Leitungselementen und den zwischen den Leitungselementen befindlichen Zwischenräumen sowie der inneren Lage und der äußeren Lage derart gewählt, dass im Falle des Eindringens von Feuchtigkeit und einem angenommenen vollständigen Aufquellen des quellfähigen Materials die Volumenänderung der inneren Lage zu mehr als 50%, vorzugsweise zu mehr als 75% radial nach innen in Richtung zum Leitungskern orientiert ist und daher nicht oder nur kaum zu einer radialen Aufweitung der Leitung führt. Ein Außendurchmesser der Leitung, definiert durch den Außendurchmesser der äußeren Lage, verändert sich daher selbst bei aufgequollener innerer Lage nicht oder nur unwesentlich. Dieser äußere Durchmesser verändert sich beispielsweise lediglich maximal um 5% oder maximal um 2%. Bevorzugt ist jedoch die äußere Lage derart gewählt, dass keine radiale Expansion der äußeren Lage auftritt. Durch diese Maßnahme ist eine hohe Formstabilität erreicht.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die äußere Lage dabei um zumindest den Faktor 1,5, vorzugsweise um zumindest den Faktor 2 oder auch um den Faktor 3 härter als die innere Lage.
Die innere Lage weist dabei insbesondere eine Shore-Härte im Bereich von 35 Shore-A bis 50 Shore-D und insbesondere im Bereich von 65 Shore-A bis 40 Shore-D auf.
Weiterhin weist zweckdienlicherweise die äußere Lage eine Shore-Härte im Bereich von 92 Shore-A bis 85 Shore-D und insbesondere im Bereich von 95 Shore-A bis 65 Shore-D auf.
Um das radiale Aufweiten zu unterbinden weisen die innere Lage und die äußere Lage vorzugsweise unterschiedliche Wandstärken auf, wobei die Wandstärke der äußeren Lage größer ist als die der inneren erste Lage. Sie ist dabei beispielsweise um zumindest den Faktor 1,2 und vorzugsweise um zumindest den Faktor 1,5 oder auch um zumindest den Faktor 2 größer als die Wandstärke der inneren Lage. Maximal ist die Wandstärke der äußeren Lage vorzugsweise um den Faktor 3 oder 4 größer als die der inneren Lage.
Im Hinblick auf die gewünschte einfache Fertigung durch Extrusion besteht die innere Lage aus einem Compound, welche einen Superabsorber sowie ein thermoplastisches Material aufweist. Bei dem thermoplastischen Material handelt es sich insbesondere um ein thermoplastisches Elastomer.
Superabsorber (SAP) sind allgemein bekannt und ohne weiteres kommerziell erhältlich. Bei diesen handelt es sich um spezielle Kunststoffe, die in der Lage sind, ein Vielfaches ihres Eigengewichts oder ihres Volumens an polaren Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser, aufzusaugen. Bei der Aufnahme der Flüssigkeit quillt ein solcher Superabsorber auf und bildet ein Hydrogel. Derartige Superabsorber werden beispielsweise im Hygienebereich oder auch bei Baustoffen eingesetzt.
Als besonders geeignet hat sich ein Superabsorber auf Basis eines quervernetzten Natriumpolyacrylats erwiesen.
Durch die Integration derartiger Superabsorber in ein thermoplastisches Material, insbesondere ein thermoplastisches Elastomer, wird also ein gut verarbeitbares, insbesondere extrudierbares, quellfähiges Material bereitgestellt.
Der Anteil des Superabsorbers liegt dabei insbesondere im Bereich von 10 Vol% bis 80 Vol% und insbesondere im Bereich von 20 Vol% bis 60 Vol% und beispielsweise bei 50 Vol%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Compounds. Hierdurch ist zum einen eine gute Verarbeitbarkeit, insbesondere Extrudierbarkeit, bei gleichzeitig hohem Quellvermögen des Compounds erreicht.
Vorzugsweise weist das Compound als plastisches Elastomer ein Ethylen-VinylAcetat (EVA) auf. Dieses thermoplastische Elastomer hat sich in Versuchen als besonders geeignet herausgestellt.
Die Superabsorber sind handelsüblich beispielsweise als Granulat erhältlich. Gleiches gilt typischerweise für thermoplastische Werkstoffe, welche für die Extrusion geeignet sind. Zur Compoundierung werden die Ausgangs-Werkstoffe insbesondere in Granulatform miteinander vermischt und es wird entweder ein compoundiertes Granulat erzeugt, welches später für die Extrusion verwendet wird oder die gemischten Granulate werden direkt dem Extruder für die Extrusion zugeführt.
Die innere Lage ist insgesamt vorzugsweise gebildet durch eine homogene Verteilung von Superabsorber-Partikel in einer Polymermatrix.
Insgesamt ist das Compound vorzugsweise zusammengesetzt aus 15 Vol% bis 25 Vol% eines Superabsorbers, insbesondere auf Basis des bereits erwähnten quer vernetzten Natriumpolyacrylats, aus 60 Vol% bis 95 Vol% des thermoplastischen Materials, insbesondere ein thermoelastisches Elastomer, wie beispielsweise Ethylen-Vinyl-Acetat sowie aus 0 bis 25 Vol% zusätzlicher Stoffe. Bei diesen handelt es sich beispielsweise um Additive, um andere gewünschte Eigenschaften einzustellen. Auch kann im Rahmen dieser zusätzlichen Zuschlagstoffe ein elastomerer Werkstoff beigefügt werden, um eine gewünschte Härte der inneren Lage einzustellen.
In zweckdienlicher Weiterbildung ist der äußere Mantel aus einem thermoplastischen Werkstoff ausgebildet. Speziell wird für den äußeren Mantel ein Polyethylen hoher Dichte (HD-PE) verwendet. Unter Polyethylen hoher Dichte wird ein Polyethylen verstanden, welches eine Dichte von typischerweise 0,94g/cm³ bis 0,97g/cm³ aufweist. Ein derartiges HD-PE weist typischerweise eine Shore-D-Härte im Bereich zwischen 50 bis 70 auf. Im Unterschied hierzu liegt die Shore-D-Härte von EVA typischerweise lediglich im Bereich zwischen 17 und 45, ist also deutlich weicher als HD-PE.
Grundsätzlich können für die äußere Lage auch andere herkömmliche Kunststoffe mit einer entsprechend hohen Härte herangezogen werden. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, EVA in der inneren Lage durch andere Kunststoffe zu ersetzen.
Bei dem Leitungskern handelt es sich gemäß einer ersten Variante um einen Litzenleiter. Die einzelnen Elemente sind also durch einzelne Litzendrähte gebildet. Bei dieser Ausführungsvariante quillt daher im Falle des Eindringens von Feuchtigkeit das quellfähige Material in einzelne Zwischenräume zwischen den einzelnen Litzendrähten ein. Vorzugsweise werden Litzenleiter mit maximal drei oder maximal zwei Lagen an Litzendrähten eingesetzt, vorzugsweise also Litzenleiter mit maximal 7 bis 16 einzelnen Litzendrähten.
Im Ausgangszustand nach der Produktion, wenn also noch keine Feuchtigkeit eingedrungen ist, liegt die innere Lage nach Art einer ringförmigen Lage, also nach Art eines Schlauches, vor. Das Material der inneren Lage dringt allenfalls teilweise in außenliegende Zwickelbereiche des Leitungskerns ein. Im Inneren des Leitungskerns liegen jedoch freie Hohlräume vor. Diese werden im Falle des Eintretens von Feuchtigkeit erst durch das aufquellende Material der inneren Lage vorzugsweise vollständig, zumindest, jedoch zu einem Großteil verschlossen.
In einer alternativen Variante weist der Leitungskern mehrere Adern als Leitungselemente auf und besteht vorzugsweise ausschließlich aus derartigen Adern. Eine jeweilige Ader ist dabei gebildet durch einen elektrischen Leiter und eine diesen unmittelbar umgebende Isolierung, die aufextrudiert ist. Der Leitungskern ist beispielsweise im Falle einer Datenleitung gebildet durch eine Anzahl von Adern, die beispielsweise miteinander verseilt, insbesondere paarweise miteinander verseilt sind.
Der äußere Mantel umgibt den inneren Mantel weiterhin zweckdienlicherweise unmittelbar, zwischen dem äußeren Mantel und dem inneren Mantel sind daher keine weiteren Elemente angeordnet. Hierdurch wird ein radiales Ausweichen der inneren Lage beim Aufquellen nach außen zuverlässig vermieden. Weiterhin handelt es sich bei dem äußeren Mantel wie bereits erwähnt in bevorzugter Ausgestaltung um einen Außenmantel.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in vereinfachten Darstellungen:

1 eine Querschnittsdarstellung durch eine Leitung im Ausgangszustand mit einer inneren Lage aus einem quellfähigen Material sowie
2 eine Querschnittsdarstellung der Leitung gemäß 1 im Fall, wenn Feuchtigkeit in das Innere der Leitung eingedrungen und das Material der inneren Lage aufgequollen ist.

Die elektrische Leitung 2 weist im Ausführungsbeispiel einen Leitungskern 4 auf, welcher von einem Mantel 6 umgeben ist. Der Mantel 6 ist als zweilagiger Mantel mit einer inneren Lage 6A und einer äußeren Lage 6B ausgebildet. Die innere Lage 6A umgibt den Leitungskern 4 unmittelbar und speziell nach Art eines Schlauches. Die äußere Lage 6B umgibt die innere Lage 6A wiederum unmittelbar. Die gesamte Leitung 2 weist einen Außendurchmesser D auf, der typischerweise im Bereich von 0,5 bis 5 mm oder auch darüber liegt.
Der Leitungskern 4 wiederum weist eine Mehrzahl von Leitungselementen 8 auf. Insbesondere weist der Leitungskern 4 zumindest zwei, vorzugsweise zumindest vier Leitungselemente 8 auf. Zweckdienlicherweise sind mehrere Lagen von Leitungselementen 8 ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein zweilagiger Aufbau des Leitungskerns 4 gezeigt mit einem zentralen Leitungselement 8, welches quasi die innere Lage bildet und eine aus sechs Leitungselementen 8 bestehende äußere Lage. Im Ausführungsbeispiel ist der Leitungskern 4 speziell durch einen Litzenleiter gebildet und die einzelnen Leitungselemente 8 sind als einzelne Litzendrähte ausgebildet, die vorzugsweise insgesamt einen Verseilverbund bilden. Alternativ werden als Leitungselemente 8 in hier nicht näher dargestellter Weise Adern eingesetzt.
Die innere Lage 6A weist eine erste Wandstärke w1 und die äußere Lage eine zweite Wandstärke w2 auf. Die zweite, äußere Wandstärke w2 ist vorzugsweise größer als die erste, innere Wandstärke w1.
Die innere Lage 6A besteht aus einem quellfähigen Material, welches bei Eindringen von Feuchtigkeit aufquillt. Das quellfähige Material weist dabei eine Härte auf, die vorzugsweise deutlich geringer ist als die Härte des Materials der äußeren Lage 6B.
Speziell wird für die innere Lage ein Compound aus einem Superabsorber mit einem thermoplastischen Elastomer verwendet. Zweckdienlicherweise liebt der Volumenanteil des Superabsorbers bei etwa 50 Vol% und der Volumenanteil des thermoplastischen Elastomers, insbesondere EVA, liegt bei 40 Vol% bis 50 Vol%.
Für die äußere Lage 6B wiederum wird ein vergleichsweise harter Werkstoff verwendet, beispielsweise ein Polyamid (PA), ein hartes PVC, ein Polyester-Elastomer oder ein HD-PE.
Durch diesen Aufbau, insbesondere durch die Wahl der höheren Härte der äußeren Lage 6B, speziell auch in Kombination mit der größeren Wandstärke, wird im Falle des Eindringens von Feuchtigkeit gewährleistet, dass sich das Material der inneren Lage 6A zumindest hauptsächlich und vorzugsweise lediglich nach innen ausweitet und somit Zwischenräume 10, die zwischen den einzelnen Leitungselementen vorliegen, zuverlässig mit dem Material der inneren Lage ausgefüllt werden.
Dieser Zustand ist in der 2 dargestellt. Hierbei ist gut zu erkennen, dass sämtliche Zwischenräume 10 mit dem quellfähigen Material der inneren Lage 6A ausgefüllt sind. Dadurch ist die Längswasserdichtigkeit gewährleistet.
Untersuchungen haben gezeigt, dass mit dem hier beschriebenen Aufbau die Längswasserdichtheit gemäß DIN EN 60794-1-22 (Verfahren F5B) erreicht werden kann.

Claims

Elektrische Leitung mit einem Leitungskern aus mehreren einzelnen Leitungselementen, wobei der Leitungskern von einem Mantel umgeben ist, der aus mehreren Lagen besteht und eine innere Lage sowie eine diese umgebende äußere Lage aufweist, wobei die beiden Lagen durch Extrusion aufgebracht sind und die innere Lage den Leitungskern unmittelbar umgibt und aus einem quellfähigen Material besteht, derart, dass bei Eindringen von Feuchtigkeit das quellfähige Material aufquillt und Zwischenräume zwischen den Leitungselementen ausfüllt.
Elektrische Leitung nach Anspruch 1, bei der die äußere Lage aus einem härteren Material als die innere Lage besteht.
Elektrische Leitung nach Anspruch 2, bei der die äußere Lage härter um zumindest den Faktor 2 oder 3 härter ist als die innere Lage.
Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die innere Lage eine Shore-Härte im Bereich von 35 shore A bis 50 shore D, insbesondere im Bereich von 65 shore A bis 40 Shore D aufweist.
Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die äußere Lage eine Shore-Härte im Bereich von 92 Shore A bis 85 Shore D, insbesondere im Bereich von 95 Shore A bis 65 Shore D aufweist.
Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die innere Lage eine erste Wandstärke und die äußere Lage eine zweite Wandstärke aufweist, wobei die zweite Wandstärke größer ist als die erste Wandstärke, insbesondere um zumindest den Faktor 1,2, vorzugsweise um zumindest den Faktor 1,5 oder 2.
Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die innere Lage aus einem Compound besteht, das einen Superabsorber sowie einen thermoplastischen Werkstoff, insbesondere ein thermoplastisches Elastomer aufweist.
Elektrische Leitung nach Anspruch 7, bei dem der Anteil des Superabsorbers am Compound im Bereich von 10 Vol% bis 80 Vol% und insbesondere im Bereich von 20 Vol% bis 60 Vol% liegt.
Elektrische Leitung nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Compound als thermoplastisches Elastomer ein Ethylen-Vinylacetat aufweist.
Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das Compound Zusammengesetz ist aus - 35 Vol% bis 55Vol% eines Superabsorbers, insbesondere auf Basis eines quervernetzten Natriumpolyacrylat, - 40 Vol% bis 65 Vol% des thermoplastischen Materials, insbesondere ein Ethylen-Vinylacetat sowie - 0 bis 25 Vol% zusätzlicher Stoffe
Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der äußere Mantel aus einem thermoplastischen Material, insbesondere aus einem Polyethylen hoher Dichte besteht.
Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der der Leitungskern ein Litzenleiter ist und die Einzelelemente einzelne Litzendrähte sind.
Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der der Leitungskern aus mehreren Adern als Leitungselemente besteht, wobei eine jeweilige Ader gebildet ist durch einen Leiter und einen diesen umgebende Isolierung gebildet ist.
Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der der äußere Mantel den inneren Mantel unmittelbar umgibt.
Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der der äußere Mantel ein Außenmantel ist.