DE1765957B1

DE1765957B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von elektrischen Leitern

Info

Publication number: DE1765957B1
Application number: DE19681765957
Authority: DE
Inventors: Merrell Edwin J
Original assignee: Phelps Dodge Copper Products Corp
Current assignee: Phelps Dodge Copper Products Corp
Priority date: 1967-11-28
Filing date: 1968-08-16
Publication date: 1969-12-11
Also published as: US3582416A; JPS4817829B1; GB1220724A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von mit einer Kunststoff-Isolierhülle versehenen elektrischen Leitern, die mit Kunststoff umspritzt und anschließend zu deren Vernetzung wärmebehandelt sind.

Zylindrische, aus Kunststoff bestehende Isolierhüllen für Koaxialkabel od. dgl. werden im allgemeinen durch Umspritzen eines metallischen Mittelleiters mit erhitztem, in geschmolzenem Zustand befindlichem Kunststoff hergestellt. Die ununterbrochene Herstellung solcher isolierter Leiter ging bisher wegen des begrenzten Wärmeübergangs bei der Wärmebehandlung und Kühlung des Kunststoffs relativ langsam vor sich. Außerdem weicht die aus Kunststoff bestehende Isolierhülle bei den bekannten Herstellungsmethoden oft von der zylindrisch gespritzten, symmetrisch um den Mittelleiter liegenden Form ab, wenn der Leiter einer zur Wärmebehandlung oder zum Vernetzen des Kunststoffs notwendigen, relativ hohen Temperatur ausgesetzt worden ist. Die entstehende Exzentrizität verursacht unerwünschte Veränderungen der elektrischen Eigenschaften des fertigen Leiters.

Bei früheren Verfahren zur Herstellung von isolierten Leitern wurde der gespritzte (extrudierte) Kunststoff durch eine Kühlzone geführt, die ein homogenes Kühlmittel von relativ niedriger Temperatur enthielt. Bei einer solchen Verfahrensweise wird der Kunststoff stark abgeschreckt, wodurch die Bildung von Hohlräumen oder Ungleichmäßigkeiten im am Leiter anliegenden Teil der Isolierhülle auftreten können. Diese Ungleichmäßigkeiten sind sehr nachteilig für die Durchschlagsfestigkeit der Isolationshülle.

Um eine exzentrische Verlagerung der Isolierhülle auf dem Leiter zu verhindern, wurde bereits ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem über der durch Strangspitzen aufgebrachten Isolierhülle ein Mantel aus einem Kunststoff mit einer über der Vernetzungstemperatur des Materials der Isolierhülle liegenden Warmformbeständigkeit aufgebracht ist. Dieser Mantel, der z. B. ebenfalls durch Strangspitzen aufgebracht werden kann, soll beispielsweise aus einer Neoprenemischung bestehen. Die Ausführung dieses Verfahrens erfordert wegen der Verwendung von zwei verschiedenen Kunststoffen, die konzentrisch um den Leiter herumgespritzt werden müssen, komplizierte Spritzvorrichtungen, die die Herstellung von derart isolierten Leitern aufwendig und störanfällig machen und dementsprechend verteuern.

Der Erfinder hat sich demgegenüber die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu schaffen, welches es erlaubt, in einfacher und billiger Weise mit Isolierhüllen aus vernetzten! polymerisiertem Kunststoff ummantelte Leiter im kontinuierlichen Verfahren mit hoher Geschwindigkeit herzustellen, wobei eine exzentrische Verlagerung von Leiter und Isolierhülle während der Wärmebehandlung weitgehend ausgeschlossen ist, so daß der isolierte Leiter eine relativ hohe Durchschlagfestigkeit hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vernetzung des Kunststoffs zunächst unter Dampf hohen Drucks und hoher Temperatur eingeleitet und daran anschließend in einer unter Druck stehenden, erhitzten Flüssigkeit mit einem spezifischen Gewicht, welches ungefähr dem spezifischen Gewicht des Kunststoffs entspricht, beendet wird und daß die anschließende Abkühlung stufenweise bei abnehmenden Temperaturen erfolgt.

Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung sind im folgenden an Hand der ein Ausführungsbeispiel wiedergebenden Zeichnung beschrieben.

Das in der Zeichnung schematisch gezeigte System weist eine Kabeltrommel 10 zum Zuführen eines metallischen Leiters 11 zu einer Umspritzvorrichtung 12 bekannter Bauart auf. Eine Vorratsquelle 15 führt der Umspritzvorrichtung 12 geschmolzenen, nicht wärmebehandelten Kunststoff zu. Die Umspritzvorrichtung umgibt den Leiter mit einer gleichmäßigen Isolierhülle 13 aus Kunststoff. Als Kunststoff 13 kann beispielsweise Polyäthylen verwendet werden, welches nach dem Umspritzvorgang wärmebehandelt werden kann, um eine molekulare Vernetzung zu erzielen. Den Fachleuten sind aber auch andere geeignete Isoliermaterialien aus Kunststoff bekannt.

Vom Austritt der Umspritzvorrichtung 12 läuft der Leiter 11 und die mit ihm verbundene Isolierhülle 13 durch eine nach unten geneigte kettenlinienförmige

ao Kammer oder ein kettenlinienförmig gebogenes Rohr 14 und werden dann durch einen abgedichteten Wasserauffangbehälter 70 zu einer Aufspulkabeltrommel 73 geführt, die mittels einer geeigneten Antriebsverbindung 77 von einem Motor 75 angetrieben wird. Das Rohr 14 ist insofern kettenförmig, als seine Durchmesser und seine Schrägstellung (in der Zeichnung ist es gerade und abfallend gezeigt) derart sind, daß es sich der natürlichen kettenlinienförmigen Lage des isolierten Leiters 11, 13 ohne wesentlichen Kontakt zwischen dem Leiter und dem Rohr anpaßt.

Dampf aus einer Dampfquelle 20 beaufschlagt das Rohr 14 nahe dem Auslaß der Umspritzvorrichtung 12 über eine Einlaßleitung 21. Durch eine Auslaßleitung 22 wird ein geschlossenes Dampfumlaufsystem geschaffen. Die Dampf quelle 20 führt Dampf von relativ hoher Temperatur und hohem Druck zu, um eine Wärmebehandlung in der Isolierhülle 13 einzuleiten, wenn diese durch die Zone« des Rohrs 14 hindurchläuft. Der Dampf in dieser Dampfwärmebehandlungszone kann beispielsweise einen Druck von 42,2 kg/cm² (600 psi) und eine im Sättigungsbereich liegende Temperatur von ungefähr 25O⁰C haben.

Rechts von der relativ kurzen Dampfbehandlungszone α ist eine weitere Wärmebehandlungszone b für den Kunststoff vorgesehen, in welcher mittels einer Flüssigkeit ein Wärmeaustausch vorgenommen wird. Im einzelnen wird eine Heizvorrichtung 30 und eine Pumpe 32 verwendet, um das unter Druck stehende, auf oberhalb der Behandlungstemperatur des Kunststoffs aufgeheizte Heizmedium in der Zone b des Rohrs 14 zwischen einer Einlaßleitung 34 und einer Auslaßleitung 35 schnell umzuwälzen.

Die in der Zone b umgewälzte Flüssigkeit (und ebenso, wie im folgenden beschrieben wird, die im restlichen Rohrteil zirkulierende Flüssigkeit) ist so ausgewählt, daß sie ein spezifisches Gewicht hat, welches ungefähr dem spezifischen Gewicht der Isolierhülle 13 entspricht, d. h., beispielsweise in einem Bereich von 0,86 bis 1,1 liegt. In diesen Bereich fällt eine große Anzahl von Polymeren und speziell Polyäthylen mit 0,93. Wasser mit einem spezifischen Gewicht von 1,0 ist deshalb für diesen Zweck sehr gut geeignet.

Beim Fehlen einer geeigneten Flüssigkeit im kettenlinienförmigen Rohr 14 würde der Einfluß der Schwerkraft auf den geschmolzenen gespritzten Kunststoff im Rohr 14 in der Nähe der Umspritz-

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vorrichtung 12 ein Absacken des Kunststoffs relativ stehendem Wasser von 250° C arbeitende Zone b zum Leiter verursachen. Der Leiter 11 würde also kann alternativ bis zur Umspritzvorrichtung 12 erexzentrisch in der Isolierhülle eingebettet sein. Eine streckt werden, wobei sie dann das ganze Wärmesolche Ausbildung eines isolierten Leiters würde behandlungsmedium enthält. Dabei genügt der innere nachteilige Veränderungen der elektrischen Eigen- 5 Spritzdruck der Umspritzvorrichtung, um die ge-

schaften des Kabels, z. B. eine verminderte Durch- wünschte Abdichtung zu erzielen. Der schnelle

Schlagsspannung und einen veränderten Kenndämp- Flüssigkeitsstrom in der Wärmebehandlungszone b

fungswiderstand, verursachen. und ebenso in den Kühlzonen c, d . . . i hat einen

Durch die Verwendung einer geeigneten Flüssig- wirksamen Wärmeaustausch ohne stagnierende Zonen keit im Rohr 14 von angenähert demselben spezi- io auf der Isolierhülle zur Folge,
fischen Gewicht wie das Material der Isolierhülle Nachdem der isolierte Leiter 11, 13 von der Aufwird jedoch ein neutraler Auftrieb von der Flüssigkeit spulkabeltrommel 73 durch die Behandlungszone b erzeugt, der das unerwünschte Absacken unter Ein- geführt ist, durchläuft er nach und nach die in ihrer fluß der Schwerkraft im wesentlichen verhindert. Temperatur abgestuften Kühlzonen c, d ... i. Dieses Demgemäß wird über den größten Teil der Länge 15 stufenweise Abkühlen vermeidet ein Härten der des kettenförmigen Rohrs 14 (wenn nicht sogar, wie äußeren Oberfläche der Isolierhülle 13, während im folgenden beschrieben, über die ganze Länge des deren inneren Abschnitte sich noch im geschmolze-Rohrs) Wasser verwendet, um sicherzustellen, daß nen Zustand befinden, das z. B. bei einer einstufigen die elektrische Isolierhülle 13 symmetrisch um den schockartigen Abkühlung auftreten kann. Diese bei Leiterll angeordnet ist. ao bekannten Vorrichtungen verwendete schockartige

Rechts von den Kunststoffwärmebehandlungs- Abkühlung führt zu einem ungleichmäßigen Verzonena und b ist eine Mehrzahl von Kühlzonen c, netzen des Kunststoffs und verursacht Hohlräume d... i für die Isolierhülle aus Kunststoff vorgesehen, oder Verlagerungen in der Isolierhülle 13, weil der welche zum Abkühlen und Härten der Isolierhülle innere, in der Nähe des Leiters 11 befindliche Kunstohne Wärmeschock eine gleichmäßig abfallende 25 stoff während des Kühlens schrumpft, während der Temperaturabstufung haben. Genauer gesagt, die schon gehärtete, an der Oberfläche der Hülle 13 beZonen c, d...i weisen unter Druck stehende ge- findliche Kunststoff nicht mitschrumpfen kann. Solche schlossene Flüssigkeitszirkulationssysteme mit cha- Hohlräume vermindern die Durchschlagfestigkeit der rakteristischen Arbeitstemperaturen von 125, 100 ... Isolierhülle 13 und dadurch auch die Durchschlag-5° C auf. Sie haben jeweils eine Pumpe 42, 52, 62, 30 spannung eines zusammengesetzten Koaxialkabels eine Kühlvorrichtung 40, SO, 60 und Einlaß- und erheblich.

Auslaßleitungen 44 und 45, 54 und 55; 64 und 65. Nachdem der Leiter 11, 13 gekühlt und ausgehär-

Eine vorteilhafte Durchführung des erfindungs- tet ist, wird er von der letzten Kühlzone i durch einen

gemäßen Verfahrens wird erreicht, wenn die charak- Wasserauffangbehälter 70 zur angetriebenen Aufspul-

teristischen Temperaturen in ausgewählten Kühl- 35 kabeltrommel 73 geführt. Der Kabeleinlaß in den

zonen so eingestellt werden, daß sie mit den Tempe- Behälter 70 kann eine Reihe von hintereinanderge-

raturen übereinstimmen, bei welchen der Kunststoff schalteten Gummiringen mit einem Innendurchmes-

physikalischen Zustandsänderungen, z. B. an dem ser, der gerade gleich oder geringfügig kleiner als der

Punkt, bei dem Polyäthylen seinen gehärteten kristal- Nennaußendurchmesser der Isolierhülle ist, aufwei-

linen Zustand erreicht, unterliegt. 40 sen. Andere bekannte Dichtungen, die ein Durchfüh-

Während eines typischen Ablaufs des neuen Ver- ren des isolierten Leiters 11 bis 13 und ein Zurückfahrens wird der von der Vorratsquelle 15 gelieferte halten der unter Druck stehenden Kühlflüssigkeit geKunststoff für die Isolierhülle 13 von der Umspritz- statten, können im Einlaß des Behälters 70 alternativ vorrichtung um den Leiter 11 herumgespritzt. Der verwendet werden.

Kunststoff ist vorteilhafterweise so weit aufgeheizt, 45 Der Auftrieb des Wassers gleicht, wie oben erdaß er sich im geschmolzenen Zustand befindet, aber wähnt, die Schwerkrafteinflüsse aus und erzwingt die noch eine Temperatur hat, die geringer als die zur Beibehaltung der symmetrischen Anordnung der geErzeugung der Vernetzung von Polyäthylen oder an- schmolzenen oder noch weichen Isolierhülle 13 relativ deren Polymeren notwendige Temperatur ist. zum Leiter 11 während des größten oder sogar des

Der isolierte Leiter 11,13 wird zunächst durch die 50 ganzen Weges beim Wärmebehandeln und Kühlen im

mit Dampf arbeitende Zone α und die mit Heiß- kettenlinienförmigen Rohr 14. Demgemäß können

wasser arbeitende erste Zone b geführt, wo er einer mit der kettenlinienförmig ausgebildeten, in der

Temperatur von etwa 250° C ausgesetzt wird. Diese Zeichnung gezeigten Vorrichtung isolierte elektrische

Temperatur genügt, um die Vernetzung des Kunst- Leiter hoher Qualität relativ schnell hergestellt wer-

stoffmaterials einzuleiten, wobei die vorher endo- 55 den. Solch eine kettenlinienförmige Vorrichtung un-

thermen Umwandlungsvorgänge im Kunststoff wäh- terscheidet sich vorteilhaft von den teuren und relativ

rend der molekularen Vernetzung exotherm ver- langsam arbeitenden Vorrichtungen mit senkrechter

laufen. Die Wärmebehandlungszone b ist relativ lang Kühlkammer, von denen oft Anwendung gemacht

und kann z.B. 60% der Länge des kettenlinien- wird, um das Absacken oder die Exzentrizität der

förmigen Rohrs 14 (die Zone b ist in den Zeichnun- 60 Isolierhülle zu vermeiden, die durch den Einfluß der

gen zum Zwecke des besseren Verständnisses relativ Schwerkraft bei waagerechten oder kettenlinienför-

kurz gezeigt) betragen. Hier ist zu bemerken, daß die mig gekrümmten Vorrichtungen auftreten können,

mit Dampf arbeitende Zone α zur Abdichtung des Das Verfahren und die Vorrichtung können z. B.

Auslasses der Umspritzvorrichtung 12 gegen die auch verwendet werden, um isolierte elektrische

unter Druck stehenden, mit Wasser gefüllten Zonen 65 Leiter für direkte Verwendung oder zur Verwendung

verwendet wird und daß Dampf ein bei der Her- in anderen elektrischen Leitern herzustellen. Solche

stellung elektrischer Leiter im allgemeinen zur Ver- anderen elektrischen Leiter können beispielsweise

fügung stehendes Heizmittel ist. Die mit unter Druck Koaxialkabel mit konzentrischen, von Isolierschich-

ten getrennten Leitern sein oder Kabel, bei denen eine Vielzahl von isolierten Leitern in einer gemeinsamen äußeren Hülle angeordnet ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von mit einer Kunststoff-Isolierhülle versehenen elektrischen Leitern, die mit Kunststoff umspritzt und anschließend zu deren Vernetzung wärmebehandelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vernetzung des Kunststoffs (13) zunächst unter Dampf hohen Drucks und hoher Temperatur eingeleitet und daran anschließend in einer unter Druck stehenden, erhitzten Flüssigkeit mit einem spezifischen Gewicht, welches ungefähr dem spezifischen Gewicht des Kunststoffs (13) entspricht, beendet wird und daß die anschließende Abkühlung stufenweise(c...i) bei abnehmenden Temperaturen erfolgt.

2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zur Herstellung von mit einer Kunststoff-Isolierhülle versehenen elektrischen Leitern, gekennzeichnet durch eine Umspritzvorrichtung (12) zum Aufbringen von nicht wärmebehandeltem Kunststoff auf den Leiter (11), eine mit dem Auslaß der Umspritzvorrichtung (12) verbundene langgestreckte Kammer und eine Anzahl von mit benachbarten Teilabschnitten der Kammer verbundenen Einrichtungen zur Schaffung einer entsprechenden Anzahl von benachbarten Wärmeaustauschzonen (bbzw. c...i).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer ein dem Durchhang des Leiters angepaßtes, gekrümmtes Rohr (14) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Wärmeaustauschzonen (b) Vorrichtungen (30, 32, 34, 35) zur Erzeugung einer für eine Wärmebehandlung der Kunststoff-Isolierhülle (13) genügend hohe Behandlungstemperatur aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine zwischen der Umspritzvorrichtung (12) und den Wärmeaustauschzonen (b bzw. c... i) gelegene Wärmebehandlungszone (ä) mit einer Zuführungseinrichtung (20, 21) für Dampf von einer zum Einleiten der Wärmebehandlung der Isolierhülle (13) ausreichend hohen Temperatur.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wärmeaustauschzone (b bzw. c... i) Einrichtungen (32, 42, 52, 62) zum Umwälzen eines Wärmetauschermediums, eine mit dem Rohr (14) verbundene Einlaßleitung (34, 44, 54, 64) und eine Auslaßleitung (35, 45, 55, 65) sowie eine zwischen der Einlaß- und der Auslaßleitung angeordnete Wärmeaustauscheinrichtung (30, 40, 50, 60) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Wärmeaustauschzonen (b bzw. c... i) eine mit der Wärmeaustauscheinrichtung (30, 40, 50, 60) verbundene Pumpe (32, 42, 52, 62) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch eine Aufspulkabeltrommel (73) zum Hindurchziehen des Leiters (22) und der Isolierhülle (13) durch das Rohr (14).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rohr (14) und der Aufspulkabeltrommel (73) eine Abdichtungseinrichtung (7Q) vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen