ИЗОЛИРОВАННЫЙ КОМПОЗИТНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
INSULATED COMPOSITE ELECTRIC CABLE AND METHOD OF ITS MANUFACTURING AND USE

Ссылки на патентные заявки, имеющие отношение к настоящей
Настоящая заявка претендует на приоритет предварительных патентных заявок США 61/226 151 и 61/226 056 (обе поданы 16 июля 2009 года), которые включены в данную заявку посредством ссылки в полном объеме.
Область применения
Настоящее изобретение в общем относится к изолированным композитным электрическим кабелям и способам их изготовления и использования. Настоящее изобретение дополнительно относится к изолированным закрученным электрическим кабелям, включающим спирально закрученные композитные провода, способам их изготовления и использования в качестве кабелей подземных или подводных линий электропередачи.
Уровень техники
В недавнее время в практику были внедрены новые типы кабелей, которые изготавливаются из композитных материалов и поэтому не могут быть легко пластически деформированы для принятия ими новой формы. Примеры таких материалов включают композиты, армированные волокнами, которые обладают таким преимуществом, как улучшенная механическая прочность по отношению к металлам, но при этом они являются более упругими на растяжение. Предложены, например, композитные кабели, содержащие армированные волокнами полимерные провода, а также композитные кабели, содержащие металлические провода, армированные керамическими волокнами (смотри, например, патенты США 6559385 и 7093416, а также публикацию WO 97/00976).
Одним из примеров использования композитных кабелей (например, кабелей, содержащих композитные провода с полимерной матрицей или металлической матрицей) является их использование в качестве армирующего элемента в голых (то есть не изолированных) кабелях, используемых в воздушных линиях электропередачи. И хотя не изолированные кабели для передачи электрической мощности, включающие композитные провода с алюминиевой матрицей, достаточно широко применяются, остается потребность в такого типа кабелях, обладающих еще лучшими свойствами. С другой стороны, не изолированные кабели для передачи электрической мощности в целом считаются непригодными для приложений, связанных с передачей электрической мощности под водой или под землей.
Кроме того, в некоторых приложениях может быть желательным использование скрученных композитных кабелей для передачи электрической мощности. Под «скрученным» подразумевается кабель, в котором отдельные пластичные провода уложены спирально (смотри, например, патенты США 5171942 и 5554826). Спирально скрученные кабели для передачи электрической мощности обычно изготавливаются из пластичных металлов, таких, как сталь, алюминий или медь. В некоторых случаях, например, в не изолированных кабелях для воздушных линий электропередачи, сердцевина из спирально скрученных проводов окружена слоем проводящих проводов. Сердцевина из спирально скрученных проводов в таких кабелях содержит провода из пластичного металла, изготовленные из первого материала, такого, как, например, сталь а внешний проводящий слой, обеспечивающий передачу электрической мощности, может содержать провода из пластичного металла, изготовленные из второго материала, например, алюминия. В некоторых случаях сердцевина из спирально скрученных проводов может быть предварительно изготовленным скрученным кабелем, используемым как заготовка для последующего изготовления кабеля для передачи электрической мощности большего диаметра. Спирально скрученные кабели могут содержать от 7 отдельных проводов до (что используется наиболее часто) 50 и даже более проводов.
Специалистами в данной области техники постоянно проводится поиск улучшенных конструкций композитных кабелей для использования в подземных и подводных линиях электропередачи. Ведутся также поиски улучшенных конструкций скрученных композитных кабелей для передачи электрической мощности, а также способов их изготовления и использования.
Сущность изобретения
В некоторых приложениях существует потребность в дальнейшем улучшении конструкции композитных кабелей и способов их изготовления. В некоторых приложениях существует потребность в повышении устойчивости композитного кабеля, используемого для передачи электрической мощности, против короткого замыкания, влажности и/или химических веществ. В некоторых приложениях требуется наличие вокруг композитного кабеля, используемого для передачи электрической мощности, изоляционной оболочки, чтобы кабель можно было использовать для передачи электрической мощности под землей или под водой.
В других приложениях существует потребность в улучшении физических свойств скрученных кабелей, например, их упругости на растяжение и предела растяжения до наступления разрыва. В некоторых приложениях существует дополнительная потребность в обеспечении удобного средства для удержания спиральной укладки скрученных композитных проводов до их последующего встраивания в готовое изделие, такое, как, например, кабель для передачи электрической мощности. Такого средства для удержания спиральной укладки не требовалось в более ранних конструкциях кабелей, содержащих сердцевину из пластически деформируемых пластичных металлических проводов, или проводов, которые могут отвердевать или давать усадку после их спиральной укладки.
Целью некоторые воплощений настоящего изобретения является предложить изоляционную оболочку, окружающую кабель, используемый для передачи электрической мощности. Целью еще некоторых воплощений настоящего изобретения является предложить скрученные композитные кабели, а также способы спиральной укладки слоев из композитных проводов в одном направлении, что обеспечивает значительное повышение прочности на растяжение композитного кабеля по сравнению с композитными кабелями, в которых используется чередующееся направление спиральной укладки проводов от слоя к слою. Такого увеличения прочности на растяжение не наблюдается у кабелей из обычных пластичных проводов (например, металлических или изготовленных из прочих не композитных материалов), все слои которых закручены в одном направлении. Кроме того, в обычном кабеле из пластичных проводов закручивание проводов всех слоев одном направлении является нежелательным потому, что такие кабели легко подвергаются пластической деформации. Для ее предотвращения приходится использовать очень малый шаг укладки, но более предпочтительно в таких случаях использовать чередующееся направлении укладки проводов соседних слоев для обеспечения достаточной структурной прочности кабеля.
Поэтому в одном воплощений настоящего изобретения предлагается изолированный композитный электрический кабель, содержащий сердцевину из проводов, определяющую общую продольную ось, множество композитных проводов вокруг сердцевины из проводов, и изоляционную оболочку, окружающую множество композитных проводов. В некоторых воплощениях по меньшей мере часть множества композитных проводов расположена вокруг одиночного провода, определяющего общую продольную ось, в виде по меньшей мере одного цилиндрического слоя, сформированного вокруг общей продольной оси. В других воплощениях сердцевина проводов содержит по меньшей мере один металлический проводящий провод или композитный провод. В некоторых воплощениях сердцевина из проводов содержит по меньшей мере одно оптическое волокно.
Еще в некоторых воплощениях множество композитных проводов вокруг сердцевинного провода расположено в виде по меньшей мере двух цилиндрических слоев с осью, определяемой общей продольной осью. В некоторых воплощениях по меньшей мере одни из по меньшей мере двух цилиндрических слоев содержит только композитные провода. В некоторых воплощениях по меньшей мере один из по меньшей мере двух цилиндрических слоев дополнительно содержит по меньшей мере один провод из пластичного металла.
В некоторых воплощениях по меньшей мере часть множества композитных проводов закручена вокруг сердцевинного провода, вокруг общей продольной оси. В некоторых воплощениях по меньшей мере часть множества композитных проводов спирально закручена. В других воплощениях каждый из цилиндрических слоев спирально закручен со своим углом укладки и в направлении укладки, которое совпадает с направлением укладки проводов соседних цилиндрических слоев. В некоторых предпочтительных воплощениях относительная разность межу углами укладки проводов соседних цилиндрических слоев не превышает примерно 4°. В некоторых воплощениях композитные провода имеют форму поперечного сечения, выбранную из группы, состоящей из круглой, эллиптической, овальной, прямоугольной или трапециевидной формы.
В других воплощениях каждый из композитных проводов является композитным проводом, армированным волокнами. В некоторых воплощениях по меньшей мере один из композитных проводов, армированных волокнами, армирован жгутом волокон либо однонитевым волокном. В некоторых воплощениях каждый из композитных проводов выбран из группы, состоящей из композитного провода с металлической матрицей и полимерного композитного провода. В некоторых воплощениях полимерный композитный провод содержит по меньшей мере одно непрерывное волокно в полимерной матрице. В некоторых воплощениях упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит метал, уголь, керамику, стекло или их сочетание.
Еще в некоторых воплощениях упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит титан, вольфрам, бор, сплав с памятью формы, углерод, углеродные нанотрубки, графит, карбид кремния, арамид, поли(р-фенилен-2,6-бензобисоксазол или их сочетания. В некоторых воплощениях полимерная матрица содержит (со)полимер, выбранный из группы, состоящей из эпоксидной смолы, сложного эфира, сложного винилового эфира, полиимида, сложного полиэфира, сложного эфира циановой кислоты, фенольной смолы, бис-малеимидной смолы, полиэфирэфиркетона, фторополимера (включая частично или полностью фторированные сополимеры), и их сочетаний.
Еще в некоторых воплощениях композитный провод с металлической матрицей содержит по меньшей мере одно непрерывное волокно в металлической матрице. В некоторых воплощениях металлическая матрица содержит алюминий, цинк, олово, магний, их сплавы или их сочетания. В некоторых воплощениях металлическая матрица содержит алюминий, и упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит керамическое волокно. В некоторых воплощениях упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит материал, выбранный из группы, состоящей из керамики, стекла, углерода, углеродных нанотрубок, карбида кремния, бора, железа, стали, железных сплавов, вольфрама, титана, сплавов с памятью формы и их сочетаний.
3
В некоторых предпочтительных воплощениях металлическая матрица содержит алюминий, и упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит керамическое волокно. Подходящие керамические волокна предлагаются 3М Company (Сент-Пол, штат Миннесота, США) под торговым наименованием NEXTEL, St. Paul. MN), и включают, например, керамические волокна NEXTEL 312. В некоторых предпочтительных воплощениях керамическое волокно содержит поликристаллический α-AlO.
Еще в некоторых воплощениях изоляционная оболочка образует внешнюю поверхность изолированного композитного электрического кабеля. В некоторых воплощениях изоляционная оболочка содержит материал, выбранный из группы, состоящей из стекла, сополимера и их сочетаний.
В другом типе воплощений изобретения предлагается способ изготовления изолированного композитного электрического кабеля, содержащий этапы: (а) обеспечения сердцевины из проводов, определяющей общую продольную ось, (b) расположения множества композитных проводов вокруг сердцевины из проводов, и (с) окружения множества композитных проводов изоляционной оболочкой. В некоторых воплощениях по меньшей мере часть множества композитных проводов расположена вокруг одиночного провода, определяющего общую продольную ось, в виде по меньшей мере одного цилиндрического слоя, сформированного вокруг общей продольной оси. В некоторых воплощениях по меньшей мере часть множества композитных проводов спирально закручена вокруг сердцевины из проводов, вокруг общей продольной оси. В некоторых предпочтительных воплощениях каждый цилиндрический слой закручен с определенным углом укладки в направлении укладки, противоположном направлению укладки проводов в соседних с ним цилиндрических слоях. В некоторых предпочтительных воплощениях относительная разность между углами укладки проводов любых двух соседних слоев не превышает примерно 4°.
Еще в одном типе воплощений настоящего изобретения предлагается способ использования изолированного композитного электрического кабеля, описанного выше, содержащий закапывание по меньшей мере части изолированного композитного электрического кабеля, описанного выше, под землей.
Изолированные композитные электрические кабели в соответствии с воплощениями настоящего изобретения имеют различные черты и характеристики, позволяющие их использовать в различных приложениях, и обеспечивающие те или иные преимущества. Так, например, изолированные композитные электрические кабели в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения могут характеризоваться меньшей подверженностью преждевременным разломам или разрывам при малых силах растяжения, приложенных к кабелю, например, в процессе его производства, по сравнению с прочими композитными кабелями. Кроме того, изолированные композитные электрические кабели в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения могут обладать большей устойчивостью к коррозии и различным факторам окружающей среды (например, ультрафиолетовому излучению или влажности), менее подвержены потере прочности при высоких температурах, имеют более высокую устойчивость против ползучести, а также относительно высокий модуль упругости, низкий удельный вес, низкий коэффициент теплового расширения, высокую электрическую проводимость, более высокую устойчивость против провисания и более высокую прочность по сравнению с обычными кабелями с закрученными проводами из пластичных металлов.
Так, изолированные композитные электрические кабели, изготовленные в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения, могут иметь модуль упругости на растяжение, на 10% или даже более превосходящий модуль упругости композитных кабелей в соответствии с существующим уровнем техники. Изолированные композитные электрические кабели в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения могут быть изготовлены при меньших производственных затратах, например, за счет большей легкости скручивания кабеля при сохранении требуемой прочности на растяжение, что важно в некоторых критических приложениях, например, при использовании кабеля в для воздушных линий электропередачи.
Выше были кратко описаны основные типы воплощений настоящего изобретения и их преимущества. В приведенном выше кратком описании не подразумевалось описать каждое из возможных воплощений настоящего изобретения. Для более подробного объяснения различных предпочтительных воплощений настоящего изобретения, общие принципы которых описаны выше, ниже приводится подробное описание изобретения, сопровождаемое прилагаемыми к нему чертежами.
Краткое описание чертежей
Ниже приводится более подробное описание воплощений настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1A-1G. Поперечное сечение изолированного композитного электрического кабеля в соответствии с различными воплощениями настоящего изобретения.
Фиг.2А-2Е. Сечения различных изолированных композитных электрических кабелей, включающих пластичные металлические проводники, в соответствии с различными воплощениями настоящего изобретения.
Фиг.3А. Вид сбоку скрученного композитного кабеля, содержащего удерживающее средство, наложенное поверх сердцевины из скрученных композитных проводов, который может использоваться для изготовления воплощений изолированных скрученных композитных электрических кабелей в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3B-3D. Поперечные сечения различных воплощений скрученных композитных кабелей, включающих различные удерживающие средства вокруг сердцевины из скрученных композитных проводов, которые могут использоваться для изготовления изолированных скрученных композитных электрических кабелей в соответствии с воплощениями настоящего изобретения.
Фиг.4. Сечение воплощения изолированного скрученного композитного кабеля, включающего удерживающее средство, наложенное поверх сердцевины из скрученных композитных проводов, и один или более слоев, содержащих множество пластичных металлических проводников, закрученных вокруг сердцевины из скрученных композитных проводов, который может использоваться для изготовления воплощений изолированных скрученных композитных электрических кабелей в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5. Поперечное сечение изолированного скрученного кабеля, включающего один или более слоев, содержащих множество индивидуально изолированных композитных проводов, закрученных вокруг сердцевины, содержащей множество индивидуально изолированных не композитных проводов в соответствии с другим воплощением настоящего изобретения.
Аналогичные номера позиций на чертежах обозначают аналогичные элементы. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, и размеры тех или иных компонентов на чертежах могут быть изменены для того, чтобы подчеркнуть те или иные их особенности.
Подробное описание изобретения
Некоторые термины, используемые в настоящем описании и в формуле изобретения, несмотря на то, что большинство из них является хорошо известным, тем не менее требуют некоторого разъяснения.
В частности, следует понимать, что термин «хрупкий» в отношении термина «провод» означает, что провод под растягивающей нагрузкой допускает минимальную пластическую деформацию растяжения и терпит разрыв.
Термин «провод» включает пластичные металлические провода, композитные провода с металлической матрицей, композитные провода с полимерной матрицей, оптоволоконные провода и пустотелые шланги для переноса текучих сред.
Термин «пластичный», употребляемый в отношении деформации провода, означает, что провод при его изгибании в сущности претерпевает пластическую деформацию, не разрываясь и не разламываясь.
Термин «композитный провод» означает нить, сформированную из сочетания материалов, отличающихся друг от друга по составу или форме, которые скреплены друг с другом, и имеющему хрупкие или не пластичные свойства.
Термин «композитный провод с металлической матрицей» означает композитный провод, содержащий один или более волокнистых армирующих материалов, скрепленных между собой так, что они образуют матрицу, состоящую из одного или более пластичных металлических компонентов.
Термин «композитный провод с полимерной матрицей» подобным образом означает композитный провод, содержащий один или более волокнистых армирующих материалов, скрепленных между собой так, что они образуют матрицу, состоящую из одного или более полимерных компонентов.
Термин «оптоволоконный провод» означает нить, включающую по меньшей мере один волокнистый элемент, пропускающий свет в продольном направлении, для использования в оптоволоконных коммуникационных сетях.
Термин «пустотелый трубчатый провод» означает пустотелый трубопровод (трубку), используемый для переноса текучей среды.
Термин «изгиб», употребляемый в отношении деформации провода, включат двухмерную и/или трехмерную деформацию изгиба, которую он претерпевает, например, при скручивании по спирали. Если упоминается, что провод претерпевает деформацию изгиба, это не исключает возможности, что он одновременно претерпевает также деформацию под действиями сил растяжения или скручивания.
Термин "в значительной мере упругий изгиб" означает деформацию, которая происходит при изгибе провода до радиуса кривизны, составляющего до 10000 радиусов сечения провода. В отношении провода круглого сечения деформация «в значительной мере упругого изгиба» соответствует растяжению внешнего волокна провода по меньшей мере 0,01%.
Термины «закручивание» и «скручивание» используются как взаимно заменяющие друг друга, равно как и термины «закрученный» и «скрученный».
Термин «укладка» означает расположение проводов, при котором провода скрученного слоя спирально скрученного кабеля наматываются по спирали.
Термин «направление укладки» означает направление закручивания проводов в спирально скрученном слое. Направление укладки проводов в слое спирально закрученных проводов определяется следующим образом: необходимо посмотреть на спирально скрученные провода, уходящие от обозревателя. Если скрученные провода, уходя от обозревателя, поворачиваются по часовой стрелке, такой кабель именуется кабелем «правосторонней укладки». Если скрученные провода, уходя от обозревателя, поворачиваются против часовой стрелке, такой кабель именуется кабелем «левосторонней укладки».
Термины «центральная ось» и «центральная продольная ось» используются как взаимно заменяющие друг друга для обозначения общей продольной оси многослойного спирально скрученного кабеля, проходящей через центр любого его поперечного сечения.
Термин «угол укладки» означает угол между касательной к закрученному по спирали проводу и центральной продольной осью спирально закрученного кабеля.
Термин «угол пересечения» означает относительную (абсолютную) разность между углами укладки смежных слоев проводов кабеля, содержащего спирально закрученные провода.
Термин «шаг укладки» означает длину кабеля, содержащего закрученные провода, на которой единичный провод слоя из спирально закрученных проводов образует один полный виток спирали вокруг центральной продольной оси кабеля, содержащего спирально закрученные провода.
Термин «керамический» означает стекло, кристаллическую керамику, стеклокерамику и их сочетания.
Термин «поликристаллический» означает материал, имеющий преобладающую структуру из множества кристаллических зерен, размер которых меньше диаметра волокна, в котором данные зерна присутствуют.
5
6
7
Термин «непрерывное волокно» означает волокно, имеющее длину, бесконечно большую по отношению к среднему диаметру волокна. Как правило, это означает, что отношение длины волокна к среднему диаметру волокна составляет по меньшей мере 1×10 (в некоторых воплощениях по меньшей мере 1×10, или даже по меньшей мере 1×10). Как правило, такие волокна имеют длину от по меньшей мере примерно 15 см до по меньшей мере нескольких метров, и даже могут иметь длину в несколько километров, или даже более.
В ряде воплощений настоящего изобретения предлагается изолированный композитный кабель, пригодный для использования в качестве подводного или подземного кабеля для передачи электрической мощности. В некоторых воплощениях изолированный композитный кабель включает множество скрученных композитных проводов. Композитные провода в целом являются хрупкими и непластичными, поэтому при формировании скрученного кабеля их невозможно скрутить в такой степени, чтобы скрученная конфигурация сохранилась, так как разрыв проводов наступает раньше. Поэтому в некоторых воплощениях настоящего изобретения обеспечивается скрученный композитный кабель, характеризующийся более высокой прочностью на растяжение, или, еще в некоторых воплощениях, - средство для удержания спирально скрученного расположения проводов кабеля. В связи с этим предлагаемый скрученный кабель может использоваться как промежуточное изделие (заготовка) или готовое изделие. При использовании в качестве заготовки скрученный композитный кабель может быть на более позднем этапе встроен в готовое изделие, например, в изолированный композитный кабель для линий электропередачи, например, в подводный или подземный кабель для передачи электрической мощности.
Ниже описаны различные воплощения настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. В различные воплощения настоящего изобретения могут быть внесены различные изменения без отхода от идеи и масштабов настоящего изобретения. Соответственно следует понимать, что воплощения настоящего изобретения не ограничены описанными ниже примерами, а ограничены воплощениями, сформулированными в формуле изобретения и их эквивалентами.
В одном из воплощений настоящего изобретения предлагается изолированный композитный электрический кабель, содержащий сердцевину из проводов, определяющую общую продольную ось, множество композитных проводов вокруг сердцевины из проводов, и изоляционную оболочку, окружающую множество композитных проводов. В некоторых воплощениях по меньшей мере часть множества композитных проводов расположена вокруг одиночного провода, определяющего общую продольную ось. В других воплощениях сердцевина из проводов содержит по меньшей мере металлический проводящий провод и/или композитный провод. В некоторых воплощениях по меньшей мере один из по меньшей мере двух цилиндрических слоев содержит только композитные провода. В некоторых воплощениях по меньшей мере один из по меньшей мере двух цилиндрических слоев дополнительно содержит по меньшей мере один пластичный металлический провод.
На фиг.1A-1G показаны поперечные сечения композитных кабелей (например, 10, 11, 10′ и 11′), которые могут быть скрученными или предпочтительно спирально скрученными кабелями, и которые могут использоваться для формирования рассчитанных на работу под водой или под землей изолированных композитных кабелей в соответствии с различными не ограничивающими воплощениями настоящего изобретения. Так, например, в воплощениях, изображенных на фиг.1А и 1C, изолированный композитный кабель 10 (10′) может включать одиночный композитный провод 2, определяющий центральную продольную ось, первый слой, содержащий первое множество композитных проводов 4, которые могут быть закручены (предпочтительно спирально закручены) вокруг одиночного композитного провода 2 в первом направлении укладки; второй слой, содержащий второе множество композитных проводов 6, которые могут быть закручены (предпочтительно спирально закручены) вокруг первого множества композитных проводов 4 в первом направлении укладки; и изоляционную оболочку 9, окружающую множество композитных проводов.
Дополнительно, как показано на фиг.1C, вокруг второго множества композитных проводов 6 в первом направлении укладки может быть закручен (предпочтительно спирально закручен) третий слой, содержащий третье множество композитных проводов 8, перед нанесением изоляционной оболочки 9, в результате чего может быть сформирован композитный кабель 10'.
Вокруг третьего множества композитных проводов 8 в первом направлении может быть дополнительно закручен (предпочтительно спирально закручен) четвертый слой (не показан) и даже более слоев композитных проводов, в результате чего может быть сформирован композитный кабель.
Как показано на фиг.1В и 1D, в других воплощениях композитный кабель 10 (11, 11′) может включать одиночный пластичный металлический провод 1, определяющий продольную центральную ось, первый слой, содержащий первое множество композитных проводов 4, которые могут быть закручены (предпочтительно спирально закручены) вокруг одиночного пластичного металлического провода 1 в первом направлении укладки; второй слой, содержащий второе множество композитных проводов 6, которые могут быть закручены (предпочтительно спирально закручены) вокруг первого множества композитных проводов 4 в первом направлении укладки; и изоляционную оболочку 9, окружающую множество композитных проводов.
Как показано на фиг.1D, вокруг второго множества композитных проводов 6 в первом направлении укладки может быть закручен третий слой, содержащий третье множество композитных проводов 8, в результате чего может быть сформирован композитный кабель 11'. Вокруг третьего множества композитных проводов 8 в первом направлении укладки может быть дополнительно закручен (предпочтительно спирально закручен) четвертый слой (не показан) и даже более слоев композитных проводов, в результате чего может быть сформирован композитный кабель.
В дополнительных воплощениях изобретения, изображенных на фиг.1E-1F один или более композитных проводов могут иметь индивидуальную изоляционную оболочку. Так, например, как показано на фиг.1Е, композитный кабель 11′ включает одиночный сердцевинный провод 1 (который может быть, например, пластичным металлическим проводом, композитным проводом с металлической матрицей, композитным проводом с полимерной матрицей, оптоволоконным проводом или пустотелым трубчатым проводом для переноса текучей среды), определяющий центральную продольную ось; первый слой, содержащий первое множество композитных проводов 4 (которые могут быть закручены, предпочтительно спирально закручены вокруг одиночного сердцевинного провода 1 в первом направлении укладки); второй слой, содержащий второе множество композитных проводов 6 (которые могут быть закручены, предпочтительно спирально закручены, вокруг первого множества композитных проводов 4 в первом направлении укладки); и изоляционную оболочку 9, окружающую множество композитных проводов, причем каждый отдельный провод 4, 6 имеет индивидуальную изоляционную оболочку 9, и, в качестве дополнительной возможности, одиночный сердцевинный провод 1 также может иметь индивидуальную изоляционную оболочку 9.
В качестве альтернативы, один или более композитных проводов может иметь индивидуальную изоляционную оболочку, и в дополнение к этому может быть выполнена общая изоляционная оболочка вокруг всего множества композитных проводов. Так, например, композитный кабель 11′′′ изображенный на фиг.IF, включает одиночный сердцевинный провод 1 (который может быть, например, пластичным металлическим проводом, композитным проводом с металлической матрицей, композитным проводом с полимерной матрицей, оптоволоконным проводом или пустотелым трубчатым проводом для переноса текучей среды), определяющим центральную продольную ось; первый слой, содержащий первое множество композитных проводов 4 (которые могут быть закручены, предпочтительно спирально закручены вокруг одиночного сердцевинного провода 1 в первом направлении укладки); второй слой, содержащий второе множество композитных проводов 6 (которые могут быть закручены, предпочтительно спирально закручены вокруг первого множества композитных проводов 4 в первом направлении укладки); и изоляционную оболочку 9, окружающую все множество композитных проводов, и дополнительную изоляционную оболочку 9, окружающую каждый отдельный композитный провод (4, 6), и возможно также, одиночный сердцевинный провод 1.
Кроме того, на фиг.1F отображено использование дополнительно возможного изоляционного заполнителя (поз. 3 на фиг.1G - будет более подробно описан ниже), который в сущности заполняет все полости, остающиеся между отдельными проводами (1, 4 и 6) и изоляционной оболочкой 9′, окружающей все множество проводов (1, 4, 6).
Еще в некоторых воплощениях изобретения, композитный кабель 11′′′ (фиг.1G) может включать одиночный сердцевинный провод 1 (который может быть, например, пластичным металлическим проводом, композитным проводом с металлической матрицей, композитным проводом с полимерной матрицей, оптоволоконным проводом или пустотелым трубчатым проводом для переноса текучей среды), определяющим центральную продольную ось; первый слой, содержащий первое множество композитных проводов 4 (которые могут быть закручены, предпочтительно спирально закручены вокруг пластичного металлического провода 1 в первом направлении укладки); второй слой, содержащий второе множество композитных проводов 6 (которые могут быть закручены, предпочтительно спирально закручены вокруг первого множества композитных проводов 4 в первом направлении укладки); и изоляционную инкапсулирующую оболочку, содержащую изоляционный заполнитель 3 (который может быть связующим 24, как будет описано ниже со ссылкой на фиг.3D, или который может быть изоляционным материалом, таким, как, например, электрически не проводящее твердое вещество или жидкость), окружающий множество композитных проводов и в сущности заполняющим все пустоты, оставшиеся между отдельными проводами (1, 4, 6).
Особенно подходящие твердые заполнители 3 включают органические и неорганические порошки, в частности, керамические порошки (например, порошки оксида алюминия, кремния и им подобные), стеклянные полнотелые или пустотелые шарики, сополимерные порошки (например, фторополимерные), волокна, пленки и им подобные материалы. Особенно подходящие жидкие заполнители 3 включают диэлектрические жидкости, имеющие низкую электропроводность и диэлектрическую постоянную примерно 20 или менее, более предпочтительно - масла (например, силиконовые масла, перфторированные жидкости и им подобные).
Как было сказано выше, в некоторых воплощениях изолированные композитные кабели содержат множество композитных проводов. В некоторых воплощениях по меньшей мере часть множества композитных проводов закручена вокруг сердцевины из проводов вокруг общей продольной оси. Подходящие способы, конфигурации и материалы для закручивания описаны в патенте США 2010/0038112(автор Grether).
Так, например, в некоторых воплощениях закрученные композитные кабели (например, кабели 10 и 11 на фиг.1А и 1В соответственно) содержат одиночный композитный провод 2 или сердцевинный провод 1, определяющий центральную продольную ось; первое множество композитных проводов 4, закрученных вокруг единственного композитного провода 2 в первом направлении укладки под первым углом укладки относительно центральной продольной оси и с первым шагом укладки, и второе множество композитных проводов 6, закрученных вокруг первого множества композитных проводов 4 в первом направлении укладки под вторым углом укладки относительно центральной продольной оси и со вторым шагом укладки.
В некоторых воплощениях закрученный композитный кабель (например, кабели 10′ и 11′ на фиг.1C и 1D соответственно) дополнительно содержит третье множество композитных проводов, закрученных вокруг второго множества композитных проводов 6 в первом направлении укладки под третьим углом укладки относительно центральной продольной оси и с третьим шагом укладки, причем относительная разность между вторым углом укладки и третьим углом укладки составляет не более, чем примерно 4°.
В дополнительных воплощениях изобретения (не показаны) закрученный кабель может дополнительно содержать и дополнительные (четвертый, пятый, шестой и так далее) слои композитных проводов, закрученных вокруг третьего множества композитных проводов 8 в первом направлении укладки, которые характеризуются своими углами укладки относительно центральной продольной оси и своими шагами укладки, причем разность между третьим углом укладки и четвертым углом укладки (или углами укладки любых двух последующих слоев) не превышает примерно 4°. В воплощениях с четырьмя или более слоями закрученных композитных проводов, предпочтительно используются композитные провода диаметром 0,5 мм или менее.
В некоторых воплощениях относительная (абсолютная) разность между первым углом укладки и вторым углом укладки больше, чем 0°, и не больше, чем 4°. В некоторых воплощениях относительная (абсолютная) разность между первым углом укладки и вторым углом укладки и/или вторым углом укладки и третьим углом укладки не больше, чем примерно 4°, не больше, чем 3°, не больше, чем 2°, не больше, чем 1°, или не больше, чем 0,5°. В некоторых воплощениях первый угол укладки равняется второму углу укладки, и/или второй угол укладки равняется третьему углу укладки, и/или каждый последующий угол укладки равняется углу укладки предыдущего слоя.
В дополнительных воплощениях изобретения первый шаг укладки меньше или равен второму шагу укладки, и/или второй шаг укладки меньше или равен третьему шагу укладки, четвертый шаг укладки меньше или равен шагу укладки следующего слоя, и/или шаг укладки каждого предыдущего слоя меньше или равен шагу укладки следующего слоя. В других воплощениях первый шаг укладки равен второму шагу укладки, и/или второй шаг укладки равен третьему шагу укладки, и/или шаг укладки каждого предыдущего слоя равен шагу укладки следующего слоя. В некоторых воплощениях может быть предпочтительно использовать параллельную укладку, как известно сведущим в данной области техники.
В некоторых воплощениях изолированные композитные кабели могут дополнительно содержать по меньшей мере один, а в некоторых воплощениях множество не композитных проводов. В некоторых предпочтительных воплощениях скрученный кабель, полностью композитный, частично композитный или полностью не композитный, может быть спирально скручен. В некоторых воплощениях каждый из цилиндрических слоев закручен под углом укладки и в направлении укладки, совпадающим с направлением укладки соседнего цилиндрического слоя. В некоторых предпочтительных воплощениях относительная разность между углами укладки соседних цилиндрических слоев не превышает примерно 4°. В различных воплощениях изобретения композитные провода и/или не композитные провода имеют форму поперечного сечения, выбираемую из круглой, эллиптической и трапециевидной.
В некоторых воплощениях изолированные композитные кабели могут дополнительно содержать множество пластичных металлических проводов. На фиг.2А-2Е показаны воплощения скрученных композитных кабелей (например, 10′ и 10′′), в которых один или более дополнительных слоев пластичных проводов (например 28, 28′, 28′′), например, пластичных металлических проводов-проводников, закручены, а предпочтительно спирально закручены вокруг воплощения сердцевины композитного кабеля, изображенной на фиг.1А. Следует, однако, понимать, что настоящее изобретение не ограничено упомянутыми выше воплощениями, и что воплощения, в которых используются другие сердцевины композитного кабеля, также входят в масштаб настоящего изобретения.
Так, например, в воплощении, изображенном на фиг.2А, изолированный скрученный композитный кабель 30 содержит первое множество пластичных проводов 28, закрученных вокруг сердцевины, представляющей собой скрученный не изолированный композитный кабель 10, изображенный на фиг.1А; и изоляционную оболочку 9, окружающую множество композитных и пластичных проводов. В дополнительном воплощении, изображенном на фиг.2В, скрученный композитный кабель 40 содержит второе множество пластичных проводов 28′, закрученных вокруг первого множества пластичных проводов 28 скрученного не изолированного композитного кабеля 10, изображенного на фиг.1А; и изоляционную оболочку 9, окружающую множество композитных и пластичных проводов. Еще в одном воплощении, изображенном на фиг.2С, изолированный скрученный композитный кабель 50 содержит третье множество пластичных проводов 28′′, закрученных вокруг второго множества пластичных проводов 28′ не изолированного скрученного композитного кабеля 10, изображенного на фиг.1А; и изоляционную оболочку 9, окружающую множество композитных и пластичных проводов.
В воплощениях, изображенных на фиг.2А-2С, изолированные скрученные композитные кабели 30, 40, 50 имеют не изолированную композитную сердцевинуЮ, соответствующую скрученному, но не изолированному композитному кабелю 10, изображенному на фиг.1А, который включает одиночный провод 2, определяющий центральную продольную ось, первый слой, включающий первое множество композитных проводов 4, закрученных вокруг одиночного композитного провода 2 в первом направлении укладки, второй слой, содержащий второе множество композитных проводов 6, закрученных вокруг первого множества композитных проводов 4 в первом направлении укладки. В некоторых воплощениях первое множество пластичных проводов 28 закручено в направлении укладки, противоположном направлению укладки соседнего с ним в радиальном направлении слоя, например, второго слоя, содержащего второе множество композитных проводов 6.
В иных воплощениях изобретения первое множество пластичных проводов 28 закручено в направлении укладки, совпадающем с направлением укладки соседнего с ним в радиальном направлении слоя, например, второго слоя, содержащего второе множество композитных проводов 6. Еще в некоторых воплощениях по меньшей мере одно из первого множества пластичных проводов 28, второго множества пластичных проводов 28′ и третьего множества пластичных проводов 28′′, закручено в направлении укладки, противоположном направлению укладки соседнего с ним в радиальном направлении слоя, например, второго слоя, содержащего второе множество композитных проводов 6.
Еще в некоторых воплощениях каждый из пластичных проводов (28, 28′ или 28′′) имеет форму поперечного сечения, то есть сечения плоскостью, в сущности перпендикулярной центральной продольной оси, выбираемой из круглой, эллиптической, овальной, прямоугольной или трапециевидной формы. На фиг.2А-2С изображены воплощения, в которых каждый из пластичных проводов (28, 28′) имеет форму поперечного сечения, то есть сечения плоскостью, в сущности перпендикулярной центральной продольной оси, которая в сущности является круглой. В воплощении, изображенном на фиг.2D, скрученный композитный кабель 60 содержит первое множество в целом трапециевидной формы поперечного сечения пластичных проводов 28, закрученных вокруг сердцевины, соответствующей скрученному не изолированному композитному кабелю 10, изображенному на фиг.1А. В воплощении, изображенном на фиг.2Е, скрученный композитный кабель 10′′ дополнительно содержит второе множество в целом трапециевидной формы поперечного сечения пластичных проводов 28′, закрученных вокруг сердцевины, соответствующей скрученному не изолированному композитному кабелю 10, изображенному на фиг.1А. Еще в некоторых воплощениях некоторые или все из пластичных проводов (28, 28′) могут иметь Z- или S-образную форму поперечного сечения, то есть сечения плоскостью, в сущности перпендикулярной центральной продольной оси (не показано). Назначение таких проводов известно сведущим в данной области техники, и они могут, например, применяться для обеспечения взаимно блокирующегося с прочими структурами наружного слоя кабеля.
В некоторых воплощениях пластичные провода (28, 28′) содержат по меньшей мере один из металлов, выбираемых из группы, состоящей из меди, алюминия, железа, цинка, кобальта, никеля, хрома, титана, вольфрама, ванадия, циркония, марганца, кремния, их сплавов и сочетаний.
Их хотя на фиг.3А-3Е показано, что в данных воплощениях имеется одиночный композитный сердцевинный провод 2, определяющий центральную продольную ось, подразумевается, что в альтернативных воплощениях одиночный сердцевинный провод может быть пластичным металлическим проводом 1, как показано на фиг.1В и 1D. Подразумевается также, что каждый слой композитных проводов имеет шаг укладки, и шаг укладки каждого из слоев композитного провода может быть различным, или, что более предпочтительно, одним и тем же.
Более того, подразумевается, что в некоторых воплощениях каждый из композитных проводов имеет форму поперечного сечения, то есть сечения плоскостью, в сущности перпендикулярной центральной продольной оси, которая является в сущности круглой, эллиптической или трапециевидной. В некоторых воплощениях каждый из композитных проводов имеет форму поперечного сечения, которая в целом является круглой, и при этом диаметр каждого из композитных проводов составляет по меньшей мере примерно 0,1 мм, более предпочтительно по меньшей мере примерно 0,5 мм, еще более предпочтительно по меньшей мере примерно 1 мм, еще более предпочтительно по меньшей мере примерно 2 мм, и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 3 мм; и не более, чем 15 мм, предпочтительно не более 10 мм, еще более предпочтительно не более 5 мм, еще более предпочтительно не более 4 мм, и наиболее предпочтительно не более 3 мм. В других воплощениях диаметр каждого из композитных проводов может быть менее 1 мм или более 5 мм.
Как правило, средний диаметр одиночного центрального провода, в целом имеющего круглое сечение, составляет от примерно 0,1 мм до примерно 15 мм. В некоторых воплощениях средний диаметр одиночного центрального провода предпочтительно составляет по меньшей мере примерно 0,1 мм, по меньшей мере 0,5 мм, по меньшей мере 1 мм, по меньшей мере 2 мм, по меньшей мере 3 мм, по меньшей мере 4 мм, или даже примерно до 5 мм. В других воплощениях средний диаметр центрального провода меньше, чем примерно 0,5 мм, меньше 1 мм, меньше 3 мм, меньше 5 мм, меньше 10 мм, или меньше 15 мм.
Еще в некоторых воплощениях, не изображенных на фиг.2А-2Е, скрученный композитный кабель может включать более чем три слоя композитных проводов, закрученных вокруг одиночного провода, определяющего центральную продольную ось. В некоторых воплощениях каждый из композитных проводов в каждом слое композитного кабеля может иметь одну и то же конструкцию и форму, однако данное условие не является обязательным для достижения преимуществ настоящего изобретения.
В настоящем изобретении предлагаются также различные воплощения скрученного кабеля для передачи электрической мощности, содержащего композитную сердцевину и проводящий слой вокруг композитной сердцевины, и в котором композитная сердцевина содержит любой из описанных выше закрученных композитных кабелей. В некоторых воплощениях предлагаемый кабель для передачи электрической мощности может использоваться как кабель для воздушных, подземных, подводных линий электропередачи, или как компонент такого кабеля. Примеры кабелей для подводных линий электропередачи и возможные их приложения описаны в предварительной патентной заявке США 61/226,056 «Рассчитанные на работу под водой композитные кабели, способы их изготовления и использования», поданной 16 июля 2009 года одновременно с настоящей заявкой.
В некоторых воплощениях проводящий слой содержит металлический слой, окружающий сердцевинный кабель, а в некоторых воплощениях контактирующий в сущности со всей поверхностью композитной сердцевины кабеля. В других воплощениях проводящий слой содержит множество пластичных металлических проводящих проводов, закрученных вокруг композитной сердцевины кабеля.
В некоторых воплощениях скрученных композитных кабелей, содержащих множество композитных проводов (например, 2, 4, 6), и возможно, пластичных металлических проводников (например, 28, 28', 28''), может быть желательно, чтобы композитные провода (например, по меньшей мере второе множество композитных проводов 6 во втором слое на фиг.1A-1D или 2А-2Е) удерживались друг с другом во время или после их скручивания, с помощью удерживающего средства, например, за счет обмотки лентой, с адгезивом или без него, или с помощью связующего (смотри, например патент США 6559385 B1 (Johnson с соавторами)). На фиг.3A-3D и 4 показаны различные воплощения, в которых используется удерживающее средство в форме ленты 18 для удержания композитных проводов друг с другом после их закручивания. В некоторых воплощениях лента 18 может выполнять функцию электроизоляционной оболочки 32, окружающей скрученные композитные провода.
На фиг.3А показан вид сбоку закрученного композитного кабеля 10, изображенного на фиг.1А, в котором удерживающее средство содержит ленту 18, частично наложенную на закрученный композитный кабель 10 вокруг композитных проводов 2, 4, 6). Как показано на фиг.3 В, лента 18 может содержать подложку 20 и клейкий слой 22. В качестве альтернативы, как показано на фиг.3С, лента 18 может содержать только подложку 20, без адгезива. В некоторых воплощениях лента 18 может служить электроизоляционной оболочкой 32, окружающей скрученные композитные провода.
В некоторых воплощениях лента 18 может быть обернута таким образом, что каждый последующий ее виток ложится встык к предыдущему витку, без зазоров и перекрывания, как показано на фиг.3А. В альтернативных воплощениях последующие витки могут быть наложены с небольшим зазором от предыдущих витков, или с нахлестом на предыдущие витки. В одном из предпочтительных воплощений лента 18 накладывается таким образом, что нахлест на предыдущие витки составляет примерно от 1/3 до 1/2 ширины ленты.
На фиг.3В показано поперечное сечение скрученного обернутого лентой композитного кабеля 32, изображенного на фиг.3А, в котором удерживающее средство является лентой 18, содержащей подложку 20 с адгезивом 22. В данном воплощении подходящие адгезивы включают, например, адгезивы на основе метакрилатных сополимеров, поли(α-олефиновые) адгезивы, адгезивы на основе блочных сополимеров, натурального каучука и силикона, а также термоклеи. В некоторых воплощениях предпочтительными могут быть адгезивы, чувствительные к давлению. В некоторых воплощениях лента 18 может выполнять функцию электроизоляционной оболочки, окружающей композитный кабель.
В различных воплощениях подходящие материалы для ленты 18 или подложки 20 включают металлическую фольгу, в частности, алюминиевую; сложные полиэфиры, полиимиды; фторополимерные пленки (включая пленки, содержащие полностью и частично фторированные сополимеры), подложки, армированные стеклом, и их сочетания, при условии, что лента 18 является достаточно прочной и способна выдерживать упругую деформацию изгиба, а также может сохранять свое свернутое состояние, сама по себе, или, если это необходимо, с помощью дополнительных средств. Одним из особо предпочтительных материалов подложки 27 является алюминий. Такая подложка предпочтительно имеет толщину от 0,002 до 0,005 дюймов (от 0,05 до 0,13 мм), и ширину, выбираемую исходя из диаметра скрученного композитного кабеля 10. Так, например, для скрученного композитного кабеля 10, в котором имеются два слоя закрученных композитных проводов, как показано на фиг.3А, и имеющего диаметр примерно 0,5 дюйма (1,3 см), предпочтительной является лента из алюминиевой фольги шириной 1,0 дюйма (2,5 см).
Предпочтительные примеры имеющихся в продаже лент включают следующие типы лент из металлической фольги производства 3М Company (Сент-Пол, Миннесота, США): ленту №438 (подложка из алюминиевой фольги толщиной 0,005 дюйма (0,13 мм) с акриловым адгезивом, суммарной толщиной 0,0072 дюйма (0,18 мм)); ленту №431 (подложка из алюминиевой фольги толщиной 0,0019 дюйма (0,05 мм) с акриловым адгезивом, суммарной толщиной 0,0031 дюйма (0,08 мм)), и ленту №433 (подложка из алюминиевой фольги толщиной 0,002 дюйма (0,05 мм) с силиконовым адгезивом, суммарной толщиной 0,0036 дюйма (0,09 мм)). Подходящей лентой типа металлическая фольга/стеклоткань является лента №363 производства 3М Company (Сент-Пол, Миннесота, США), которая будет подробна описана в примерах. Подходящие ленты с подложкой из сложного полиэфира включают ленту №8402 производства 3М Company (Сент-Пол, Миннесота, США), с подложкой из сложного полиэфира толщиной 0,001 дюйма (0,03 мм) и адгезивом на основе силикона, так что суммарная толщина ленты составляет 0,0018 дюйма (0,03 мм).
На фиг.3С показан срез еще одного воплощения закрученного обернутого лентой композитного кабеля 32', соответствующего фиг.3А, в котором лента 18 содержит подложку 20 без адгезива. В таких случаях, когда лента 18 фактически представляет собой подложку 20 без адгезива, подходящие материалы для подложки 27 включают те же материалы, что упоминались выше для ленты с адгезивом, и предпочтительным из них является алюминиевая подложка толщиной от 0,002 до 0,005 дюйма (от 0,05 до 0,13 мм) и шириной 1,0 дюйм (2,54 см). В некоторых воплощениях лента 18 может выполнять функцию электроизоляционной оболочки, окружающей скрученные композитные провода, как было описано выше в отношении поз.3 на фиг.1F-G.
Лента 18, используемая как удерживающее средство, содержащая или не содержащая адгезив 22, может быть уложена на закрученный кабель с помощью обычного аппарата для намотки ленты, известного сведущим в данной области техники. Подходящие станки для обмотки кабеля лентой включают, например, станок СТ-300 производства Watson Machine International (Паттерсон, штат Нью-Джерси, США). Станок для обмотки лентой обычно устанавливается на выходе станка скручивания кабеля, и лента укладывается поверх спирально скрученных композитных проводов до намотки кабеля 10 на приемную катушку. Лента 18 подбирается таким образом, чтобы она сохраняла укладку в скрученном виде упруго деформированных композитных проводов.
На фиг.3D представлено еще одно альтернативное воплощение закрученного инкапсулированного композитного кабеля 34 в котором используется удерживающее средство в виде связующего 24, нанесенного на не изолированный закрученный композитный кабель 10 (изображенный фиг.1А) для удержания композитных проводов (2, 4, 6) в скрученном состоянии. В некоторых воплощениях связующее 24 может выполнять функцию электроизоляционной оболочки 3, окружающей закрученные композитные провода, как было описано выше со ссылкой на фиг.1F-1G.
Подходящие связующие 24 (которые в некоторых воплощениях могут использоваться как изоляционные заполнители 3 на фиг.1F-1G) включают клейкие составы, чувствительные к давлению, содержащие один или более из следующих типов веществ: поли-α-олефиновые гомополимеры, сополимеры и тетраполимеры из мономеров, содержащих от 6 до 20 атомов углерода и светочувствительные вещества для образования поперечных связей, описанные в патенте США 5,112,882 (Babu с соавторами). В результате отвердевания данных материалов под действием облучения образуется пленка адгезива, обеспечивающая оптимальный баланс прочности склеивания на сдвиг и отрыв.
В качестве альтернативы связующее 24 может содержать термоотверждаемые материалы, включая, но не ограничиваясь ими, эпоксидные составы. При некоторых типах связующих предпочтительным является экструдирование связующего 24 (или нанесение его иным образом в виде покрытия) на не изолированный скрученный композитный сердцевинный кабель на выходе проводов из устройства формирования кабеля, как было описано выше. В качестве альтернативы, связующее 24 может наноситься в виде адгезива в форме переводной ленты. В данном случае адгезив 24 сначала наносится на переводную (отделяемую) пленку (не показана). После этого пленка с адгезивом оборачивается вокруг композитных проводов закрученного композитного кабеля 10. После этого пленка удаляется, и на кабеле остается слой адгезива в виде связующего 24.
В некоторых воплощениях адгезив 22 или связующее 34 могут дополнительно накладываться вокруг каждого отдельного провода, или, в соответствии с необходимостью, между любыми слоями композитных и пластичных металлических проводов. Так, в воплощении, изображенном на фиг.4, закрученный композитный кабель 90 содержит первое множество пластичных проводов 28, закрученных вокруг обмотанной лентой композитной сердцевины 32′, изображенной на фиг.3С, и второе множество пластичных проводов 28′, закрученных вокруг первого множества пластичных проводов 28. Лента 18 обмотана вокруг не изолированной скрученной композитной сердцевины 10, изображенной на фиг.1А и включающей одиночный композитный провод 2, определяющий центральную продольную ось, первый слой, содержащий первое множество композитных проводов 4, которые могут быть закручены вокруг одиночного композитного провода 2 в первом направлении укладки, и второй слой, содержащий второе множество композитных проводов 6, которые могут быть закручены вокруг первого множества композитных проводов 4 в первом направлении укладки. Лента 18 образует электроизоляционную оболочку 32', окружающую скрученные композитные провода (2, 4, 6). Вторая изоляционная оболочка 9 окружает множество композитных проводов (например, 2, 4 и 6) и множество пластичных проводов (например, 28 и 28'').
В одном из предпочтительных воплощений настоящего изобретения удерживающее средство существенно не увеличивает суммарный диаметр скрученного композитного кабеля 10. Предпочтительно, чтобы диаметр скрученного композитного кабеля, включающего удерживающее средство, составлял не более 110% внешнего диаметра заготовки из множества скрученных композитных проводов (2, 4, 6, 8) без удерживающего средства, более предпочтительно - не более 105%, и наиболее предпочтительно - не более 102%.
Следует учитывать, что композитные провода подвергаются значительной упругой деформации изгиба при их скручивании на обычном оборудовании для формирования кабелей. Наличие значительной упругой деформации изгиба означает, что в отсутствие средства, удерживающего спирально скрученную укладку проводов, они вернулись бы в свое не согнутое и не скрученное состояние. Поэтому в некоторых воплощениях удерживающее средство выбирается таким образом, чтобы оно сохраняло укладку множества скрученных композитных проводов несмотря на возникающую в них значительную упругую деформацию изгиба.
Более того, предполагаемая область применения скрученного композитного кабеля может накладывать дополнительные требования на удерживающее средство. Так, например, если скрученный композитный кабель используется в качестве кабеля для передачи электрической энергии под водой или под землей, то связующее 24 или лента 18 без адгезива 22 должны быть выбраны таким образом, чтобы не ухудшались характеристики передачи электрической мощности кабелем при температурах, на глубинах и в других условиях, ожидаемых в данном приложении. Если в качестве удерживающего средства используется клейкая лента 18, то и адгезив 22, и подложка 20 должны соответствовать особенностям данного приложения.
Еще в одном альтернативном воплощении, изображенном на фиг.5, изолированный композитный кабель 100 включает один или более слоев, содержащих множество индивидуально изолированных проводов, и дополнительно возможную оболочку, окружающую все множество композитных проводов. Таким образом, как показано на фиг.5, изолированный композитный кабель 100 включает одиночный сердцевинный провод 1 (который может быть, например, пластичным металлическим проводом, композитным проводом с металлической матрицей, композитным проводом с полимерной матрицей, оптоволоконным проводом или пустотелым трубчатым проводом для переноса текучей среды), определяющий центральную продольную ось;
по меньшей мере первый слой, содержащий первое множество сердцевинных проводов 5, как было описано выше (которые могут быть закручены, предпочтительно спирально закручены вокруг одиночного сердцевинного провода 1 в первом направлении укладки; дополнительно возможный второй слой, содержащий второе множество композитных проводов 6, которые могут быть закручены (предпочтительно спирально закручены) вокруг первого множества композитных проводов 4 в первом направлении укладки; изоляционную оболочку 9', окружающую все множество композитных проводов, и дополнительно возможную изоляционную оболочку 9, окружающую каждый провод (1, 4, 5, 6 и т.д.) по отдельности.
Кроме того, на фиг.5 показано применение дополнительно возможного изоляционного заполнителя 3 (который может быть связующим 24, которое будет подробно обсуждаться ниже со ссылкой на фиг.3D, или который может быть изоляционным материалом, например, электрически не проводящим твердым веществом или жидкостью), как было описано выше, для заполнения в сущности всех полостей, остающихся между отдельными проводами (1, 2, 4 и 6) и изоляционной оболочкой 9′, окружающей все множество проводов (1, 2, 4, 6 и т.д.).
В некоторых воплощениях каждый из скрученных композитных проводов содержит множество непрерывных волокон, образующих матрицу, как будет более подробно описано ниже. Так как провода являются композитными, они в целом не допускают пластической деформации при операциях формирования или скручивания кабеля, что было бы возможно в случае использования пластичных металлических проводов. А именно, в соответствии существующим уровнем техники, при скручивании кабелей, содержащих пластичные провода, многие из данных проводов, будучи спирально скручены, претерпевают перманентную пластическую деформацию Настоящее изобретение делает возможным использование композитных проводов вместо обычно используемых пластичных металлических проводов, и за счет этого могут быть получены кабели со значительно лучшими характеристиками. Использование удерживающего средства позволяет получить композитный кабель, легкий в обращении при его встраивании в конечный продукт, такой, как, например, подводный или подземный композитный кабель.
В некоторых воплощениях изобретения каждый из композитных проводов является проводом, армированным волокнами. В некоторых воплощениях по меньшей мере один из композитных проводов, армированных волокнами, армирован жгутом волокон либо однонитевым волокном. В некоторых воплощениях каждый из композитных проводов выбран из группы, состоящей из композитного провода с металлической матрицей и полимерного композитного провода. В некоторых воплощениях одни композитные провода могут быть композитными проводами с металлической матрицей, а другие композитные провода могут быть композитными проводами с полимерной матрицей. В других воплощениях все композитные провода могут быть только композитными проводами с металлической матрицей, или же композитными проводами с полимерной матрицей.
В некоторых воплощениях полимерный композитный провод содержит по меньшей мере одно непрерывное волокно в полимерной матрице. В некоторых воплощениях упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит металл, углерод, керамику, стекло или их сочетания. В особо предпочтительных воплощениях упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит титан, вольфрам, бор, сплавы с памятью формы, углерод, углеродные нанотрубки, графит, карбид кремния, арамид, поли(р-фенилен-2,6-бензобисоксазол или их сочетания. В некоторых воплощениях полимерная матрица содержит (со)полимер, выбранный из группы, состоящей из эпоксидной смолы, сложного эфира, сложного винилового эфира, полиимида, сложного полиэфира, сложного эфира циановой кислоты, фенольной смолы, бис-малеимидной смолы, полиэфир-эфиркетона и их сочетаний.
3
Еще в некоторых воплощениях композитный провод с металлической матрицей содержит по меньшей мере одно непрерывное волокно в металлической матрице. В некоторых воплощениях упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит материал, выбранный из группы, состоящей из керамики, стекол, углерода, углеродных нанотрубок, карбида кремния, бора, железа, стали, железных сплавов, вольфрама, титана, сплавов с памятью формы и их сочетаний. В некоторых воплощениях металлическая матрица содержит алюминий, цинк, олово, магний, их сплавы или их сочетания. В некоторых воплощениях металлическая матрица содержит алюминий, и упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит керамическое волокно. В некоторых предпочтительных воплощениях керамическое волокно содержит поликристаллический α-AlO.
В некоторых воплощениях, в которых в качестве бронирующего и/или усиливающего элемента используется композитный провод с металлической матрицей, волокна предпочтительно выбраны из полиарамидных волокон, керамических волокон, борных волокон, углеродных волокон, металлических волокон, стеклянных волокон и их сочетаний. В некоторых воплощениях бронирующий элемент содержит множество проводов, окружающих сердцевинный композитный кабель в виде цилиндрического слоя. Провода предпочтительно выбираются из металлических бронирующих проводов, композитных проводов с металлической матрицей, композитных проводов с полимерной матрицей и их сочетаний.
В некоторых воплощениях, изображенных на фиг.6А-6С, скрученный композитный кабель и/или электропроводящий не композитный кабель, содержащий сердцевину (11, 11′, 11′′), содержит по меньшей мере один пластичный металлический провод, а предпочтительно множество пластичных металлических проводов. В различных воплощениях каждый из множества металлических проводов имеет форму поперечного сечения, выбранную из группы, состоящей из круглой, эллиптической, трапециевидной, S-образной и Z-образной формы. В некоторых предпочтительных воплощениях множество металлических проводов содержит по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из железа, стали, циркония, меди, олова, кадмия, алюминия, марганца, цинка, кобальта, никеля, хрома, титана, вольфрама, ванадия, их сплавов друг с другом, их сплавов с другими металлами, их сплавов с кремнием и их сочетаний.
В некоторых воплощениях по меньшей мере один из композитных кабелей является скрученным композитным кабелем, содержащим множество цилиндрических слоев композитных проводов, закрученных вокруг центральной продольной оси по меньшей мере одного композитного кабеля. В некоторых воплощениях по меньшей мере один скрученный композитный кабель спирально скручен. В некоторых предпочтительных воплощениях изобретения каждый цилиндрический слой закручен с определенным углом укладки в направлении укладки, совпадающем с направлением укладки каждого из соседних с ним цилиндрических слоев. В некоторых предпочтительных воплощениях изобретения относительная разница между углами укладки соседних цилиндрических слоев больше 0° и не больше 3°.
В различных воплощениях композитные провода имеют форму поперечного сечения, выбранную из группы, состоящей из круглой, эллиптической и трапециевидной. В некоторых воплощениях каждый из композитных проводов является композитным проводом, армированным волокнами. В некоторых воплощениях по меньшей мере один из композитных проводов, армированных волокнами, армирован жгутом волокон либо однонитевым волокном. В некоторых воплощениях некоторые из композитных проводов выбираются из композитных проводов с металлической матрицей и полимерных композитных проводов. В некоторых воплощениях полимерный композитный провод содержит по меньшей мере одно непрерывное волокно в составе полимерной матрицы. В некоторых воплощениях упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит металл, углерод, керамику, стекло или их сочетание.
В некоторых воплощениях упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит титан, вольфрам, бор, сплавы с памятью формы, углерод, углеродные нанотрубки, графит, карбид кремния, полиарамид, поли(р-фенилен-2,6-бензобизоксазол) или их сочетания. В некоторых воплощениях полимерная матрица содержит сополимер, выбранный из группы, состоящей из эпоксидной смолы, сложного эфира, винилового сложного эфира, полиимида, сложного полиэфира, эфира циановой кислоты, фенольной смолы, бис-малеимидной смолы, полиэфирэфиркетона, фторополимеров (включая полностью и частично фторированные сополимеры) и их сочетаний.
2
3
В некоторых воплощениях композитный провод содержит по меньшей мере одно непрерывное волокно в металлической матрице. В других воплощениях композитный провод содержит по меньшей мере одно непрерывное волокно в полимерной матрице. В некоторых воплощениях упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит материал, выбранный из группы, состоящей из керамики, стекла, углерода, углеродных нанотрубок, карбида кремния, бора, железа, стали, железных сплавов, вольфрама, титана, сплавов с памятью формы и их сочетаний. В некоторых воплощениях металлическая матрица содержит алюминий, цинк, олово, магний, их сплавы или их сочетания. В некоторых воплощениях металлическая матрица содержит алюминий, и упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит керамическое волокно. В некоторых предпочтительных воплощениях керамическое волокно содержит поликристаллический α-AlO.
В некоторых воплощениях изоляционная оболочка образует внешнюю поверхность рассчитанного на работу под водой или под землей композитного кабеля. В некоторых воплощениях изоляционная оболочка содержит материал, выбираемый из группы, состоящей из керамики, стекла, сополимеров и их сочетаний.
В некоторых воплощениях оболочка может иметь требуемые характеристики. Так, например, в некоторых воплощениях оболочка может быть изоляционной (например, электроизоляционной и/или теплоизоляционной, и/или звукоизоляционной). В некоторых воплощениях оболочка обеспечивает некоторую защитную функцию в отношении заключенных под ней сердцевинного кабеля и дополнительно возможного множества электропроводящих не композитных кабелей. Защитной функцией может быть, например, повышенное сопротивление проколу, повышенная коррозионная стойкость, повышенная устойчивость против крайне высоких и крайне низких температур, повышенное сопротивление истиранию и прочие свойства.
Предпочтительно, чтобы оболочка содержала термопластический полимерный материал, более предпочтительно - термопластический полимерный материал, выбираемый из полиолефинов высокой плотности (например, полиэтилена высокой плотности), полиолефинов средней плотности (например, полиэтилена средней плотности) и/или термопластических фторполимеров. Подходящие фторополимеры включают фторированный этилен-пропиленовый сополимер (FEP), политетрафторэтилен (PTFE), этилен-тетрафторэтилен (ETFE), этилен-хлор-трифторэтилен (ECTFE), поливинилиден-фторид (PVDF), поливинил-фторид (PVF), тетрафторэтиленовый полимер (TFV). Особенно подходящими фторполимерами являются продукты 3М Company (Сент-Пол, штат Миннесота, США), предлагаемые под торговыми названиями «фторопласты DYNEON» типа THV, ETFE, FEP, и PVDF.
В некоторых воплощениях оболочка может дополнительно включать бронирующий элемент, который предпочтительно функционирует также как усиливающий элемент. Так, например, в некоторых воплощениях бронирующий и/или усиливающий элемент содержит множество проводов, окружающих сердцевинный кабель и уложенных в виде цилиндрического слоя.Провода предпочтительно выбираются из металлических (например, стальных) проводов, композитных проводов с металлической матрицей, композитных проводов с полимерной матрицей и их сочетаний.
В некоторых воплощениях изолированный композитный электрический кабель может дополнительно содержать бронирующий, или армирующий слой. В некоторых воплощениях бронирующий слой содержит один или более цилиндрических слоев, окружающих по меньшей мере композитную сердцевину (11, 11′′). В некоторых воплощениях бронирующий, или армирующий слой может быть выполнен в виде цилиндрического слоя из ленты или ткани, расположенного внутри изолированного композитного кабеля, и предпочтительно он содержит множество волокон, обернутых вокруг по меньшей мере композитной сердцевины, и соответственно, вокруг множества композитных проводов. Волокна предпочтительно выбираются из полиарамидных волокон, керамических волокон, борных волокон, угольных волокон, металлических волокон, стеклянных волокон и их сочетаний.
В некоторых воплощениях бронирующий и/или армирующий слой и/или оболочка могут также служить изоляционным элементом электропроводящего композитного или не композитного кабеля. В таких воплощениях бронирующий и/или армирующий слой и/или оболочка предпочтительно содержит изоляционный материал, более предпочтительно - изоляционный полимерный материал, как было описано выше.
И хотя настоящее изобретение может быть реализовано с любым композитным проводом, в некоторых воплощениях каждый из композитных проводов является композитным проводом, армированным волокнами, содержащим по меньшей мере непрерывный жгут волокон и/или непрерывное однонитевое волокно в составе матрицы.
2
3
Предпочтительное воплощение композитных проводов содержит множество непрерывных волокон в виде матрицы Предпочтительное волокно содержит поликристаллический α-AlO. Такие воплощения композитных волокон предпочтительно имеют предел прочности на растяжение (до наступления разрыва), составляющий по меньшей мере 0.4%, более предпочтительно - по меньшей мере 0.7%. В некоторых воплощениях по меньшей мере 85% (в некоторых воплощениях -по меньшей мере 90%, или даже по меньшей мере 95%) от числа волокон в металлической матрице композитной сердцевины являются непрерывными.
Прочие композитные провода, которые могут использоваться при реализации настоящего изобретения, включают композитные провода из стекла/эпоксидной смолы, карбида кремния/алюминия, углерода/алюминия, углерода/эпоксидной смолы, углерода/полиэфирэфиркетонов, углерода/сополимеров и сочетаний таких композитных проводов.
Примеры подходящих стекловолокон включают стекловолокна типов А, В, С, D, S, AR, R, фибергласс и парагласс, известные сведущим в данной области техники. Данный список не является ограничивающим, и могут также использоваться многие другие типы стекловолокон, предлагаемые, например, Coming Glass Company (Корнинг, штат Нью-Йорк, США).
В некоторых воплощениях предпочтительным является использование непрерывных стекловолокон. Как правило, стекловолокна имеют средний диаметр в диапазоне от примерно 4 мкм до примерно 19 мкм. В некоторых воплощениях стекловолокна имеют средний предел прочности на растяжение по меньшей мере 3 ГПа, 4 ГПа или даже 5 ГПа. В некоторых воплощениях стекловолокна имеют модуль упругости в диапазоне от примерно 60 ГПа до примерно 95 ГПа, или от примерно 60 ГПа до примерно 90 ГПа.
Примеры подходящих керамических волокон включают волокна из оксидов металлов (например, из глинозема), волокна из нитрида бора, волокна из карбида кремния и любые сочетания упомянутых волокон.
Как правило, керамические волокна представляют собой кристаллическую керамику и/или смесь кристаллической керамики и стекла (то есть волокно может содержать одновременно фазу кристаллической керамики и стекла). Как правило, такие волокна имеет длину по меньшей мере 50 метров, и она может достигать нескольких километров или даже более. Как правило, непрерывные керамические волокна имеют средний диаметр в диапазоне от примерно 5 мкм до примерно 50 мкм, от примерно 5 мкм до примерно 25 мкм, от примерно 8 мкм до примерно 25 мкм, или от примерно 8 мкм до примерно 20 мкм. В некоторых воплощениях волокна из кристаллической керамики имеют средний предел прочности на растяжение по меньшей мере примерно 1,4 ГПа, по меньшей мере 1,7 ГПа, по меньшей мере 2,1 ГПа, или даже по меньшей мере 2,8 ГПа. В некоторых воплощениях волокна из кристаллической керамики имеют модуль упругости больший, чем примерно 70 ГПа и не больший, чем примерно 1000 ГПа, или даже не больший, чем примерно 420 ГПа.
Промеры подходящих однонитевых волокон включают волокна из карбида кремния. Как правило, однонитевые волокна из карбида кремния представляют собой кристаллическую керамику и/или смесь кристаллической керамики и стекла (то есть волокно может содержать одновременно фазу кристаллической керамики и фазу стекла). Как правило, такие волокна имеет длину по меньшей мере 50 метров, и она может достигать нескольких километров или даже более. Как правило, непрерывные однонитевые волокна из карбида кремния имеют средний диаметр в диапазоне от примерно 100 мкм до примерно 250 мкм. В некоторых воплощениях однонитевые волокна из карбида кремния имеют средний предел прочности на растяжение по меньшей мере примерно 2,8 ГПа, по меньшей мере 3,5 ГПа, по меньшей мере 4,2 ГПа, или даже по меньшей мере 6 ГПа. В некоторых воплощениях однонитевые волокна из карбида кремния имеют модуль упругости, больший, чем примерно 250 ГПа и не больший, чем примерно 500 ГПа, или даже не больший, чем примерно 430 ГПа.
2
3
2
Подходящие волокна из оксида алюминия описаны, например, в патентах США 4954462 (Wood с соавторами) и 5185299 (Wood с соавторами). В некоторых воплощениях волокна из оксида алюминия являются поликристаллическими волокнами из α-оксида алюминия и содержат более 99% α-AlO и 0,2-0,5% SiO (по весу от суммарного веса волокна). В различных воплощениях поликристаллические волокна из α-оксида алюминия содержат зерна α-оксида алюминия, средний размер которых меньше 1 мкм (в некоторых воплощениях даже меньше, чем 0,5 мкм). В различных воплощениях поликристаллические волокна из α-оксида алюминия имеют средний предел прочности на разрыв по меньшей мере 1,6 ГПа (в некоторых воплощениях по меньшей мере 2,1 ГПа, или даже по меньшей мере 2,8 ГПа). Примерами подходящих волокон из α-оксида алюминия являются волокна производства 3М Company (Сент-Пол, штат Миннесота, США), предлагаемые под торговым наименованием NEXTEL 610.
Подходящие алюминосиликатные волокна описаны, например, в патенте США 4047965 (Karst с соавторами). Примерами подходящих алюминосиликатных волокон являются волокна производства 3М Company (Сент-Пол, штат Миннесота, США), предлагаемые под торговыми наименованиями NEXTEL 440, 550 и 720. Подходящие алюминоборосиликатные волокна описаны, например, в патенте США 3795524 (автор Sowman). Примерами подходящих алюминоборосиликатных волокон являются волокна производства 3М Company (Сент-Пол, штат Миннесота, США), предлагаемые под торговым наименованием NEXTEL 312. Волокна из нитрида бора могут быть изготовлены, например, как описано в патентах США 3429722 (автор Economy) и 5780154 (Okano с соавторами). Примеры подходящих волокон из карбида кремния предлагаются, например, COI Ceramics (Сан-Диего, штат Калифорния, США) под торговым наименованием NICALON в виде жгута из 500 волокон, Ube Industries (Япония) под торговым наименованием TYRANNO и Dow Coming (Мидлэнд, штат Мичиган) под торговым наименованием SYLRAMIC.
Подходящие углеродные волокна включают волокна производства ZOLTEK (Бриджтон, штат Миссури, США), предлагаемые под торговыми наименованиями PANEX и PYRON, волокна THORNEL производства CYTEC Industries, Inc. (Вест-Патерсон, штат Нью-Джерси, США), волокна HEXTOW производства HEXCEL, Inc. (Саусбери, штат Коннектикут, США) и волокна TORAYCA производства TORAY Industries, Ltd. (Токио, Япония). Данные углеродные волокна являются производными полиакрилонитрила (PAN). Прочие подходящие углеродные волокна включают PAN-IM, PAN-HM, PAN UHM, PITCH и некоторые побочные продукты производства вискозы, известные сведущим в данной области техники.
Прочие подходящие волокна включают ALTEX производства Sumitomo Chemical Company (Осака, Япония) и ALCEN производства Nitivy Company, Ltd. (Токио, Япония).
Подходящие волокна включают также волокна из сплавов с памятью формы. Сплавами с памятью формы называются сплавы, в которых происходят мартенситные превращения, а именно, при температуре ниже температуры превращения при деформации таких сплавов происходит образование кристаллов-двойников, поэтому при нагревании сплава обратно выше температуры превращения образовавшиеся структуры двойников обеспечивают возврат к исходной форме, то есть такая деформация является обратимой). Волокна из сплавов с памятью формы предлагаются, например, Johnson Matthey Company (Вест-Вайтлэнд, штат Пенсильвания, США).
В некоторых воплощениях керамические волокна собраны в жгуты. Жгуты часто используются при производстве волокон и в различных приложениях их применения, и представляют собой множество из отдельных волокон (по меньшей мере 100 волокон, и более типично - по меньшей мере 500 волокон), собранных друг с другом в пучки. В некоторых воплощениях жгуты содержат по меньшей мере 780 отдельных волокон, по меньшей мере 2600 отдельных волокон или даже 5200 отдельных волокон. Жгуты из керамических волокон поставляются различной длины, включая 300 метров, 500 м, 750 м, 1000 м, 1500 м, 2500 м, 5000 м, 7500 м и даже более. Волокна могут иметь круглую или эллиптическую форму поперечного сечения.
Имеющиеся в продаже волокна могут включать органический материал для вощения волокон, предназначенный для их смазки и защиты при различных операциях обращения с волокнами. Материал вощения может быть удален с волокон растворением или выжиганием. Как правило, перед формированием композитного провода с металлической матрицей материал вощения желательно удалить. Волокна могут также иметь покрытие, используемое, например, для усиления смачиваемости волокон, или для уменьшения или предотвращения реакционного взаимодействия между волокнами и расплавленным материалом металлической матрицы. Виды покрытий и способы их формирования хорошо известны сведущим в областях производства волокон и композитных материалов.
В некоторых воплощениях каждый из композитных проводов является выбираемым из композитного провода с металлической матрицей или полимерного композитного провода. Подходящие композитные провода описаны, например, в патентах США 6180232; 6245425; 6329056; 6336495; 6344270; 6447927; 6 460 597; 6 544 645; 6 559 385 6 723 451 и 7 093 416.
2
3
Одним из предпочтительных воплощений композитного провода с металлической матрицей и армированием из волокон является композитный провод с алюминиевой матрицей и армированием из керамических волокон. Композитные провода с алюминиевой матрицей и армированием из керамических волокон предпочтительно содержат непрерывные волокна из поликристаллического α-AlO, заключенного в матрицу из в сущности чистого атомного алюминия или из сплава чистого алюминия с медью в количестве примерно до 2% по весу от суммарного веса матрицы. Предпочтительно волокна содержат равноосные зерна размером менее 100 нм, и диаметр таких волокон составляет от примерно 1 мкм до 50 мкм. Более предпочтительным является диаметр волокон в диапазоне от примерно 5 мкм до примерно 25 мкм, и наиболее предпочтительно - в диапазоне от примерно 5 мкм до примерно 15 мкм.
3
2
3
Предпочтительные волокна, используемые для армирования композитных проводов в соответствии с настоящим изобретением, имеют плотность примерно 3,90-3,95 г/см. Предпочтительные волокна включают волокна, описанные в патенте США 4 954 462 (Wood с соавторами, держатель патента Minnesota Mining and Manufacturing Company, (Сент-Пол, штат Миннесота, США)). Предпочтительные волокна предлагаются к продаже 3М Company (Сент-Пол, штат Миннесота, США) под торговым наименованием NEXTEL 610, представляющие собой волокна на основе α-α-AlO. Матрица, в которую заключаются волокна, выбирается таким образом, чтобы она не вступала в значительные химические реакции с материалом волокон, то есть была химически инертной по отношению к материалу волокон, что устраняет необходимость нанесения защитного покрытия на внешнюю поверхность волокон.
Было показано, что использование матрицы, содержащей либо в сущности чистый элементарный алюминий, либо сплав из элементарного алюминия с медью в количестве последней примерно 2% по весу от суммарного веса матрицы, позволяет получить достаточно успешные воплощения композитного провода. В контексте настоящего описания термины «в сущности чистый элементарный алюминий», «чистый алюминий» и «элементарный алюминий» используются как взаимно заменяющие друг друга, и подразумевается, что они означают алюминий, содержащий менее чем примерно 0,05% примесей по весу.
2
3
2
3
В одном из предпочтительных воплощений композитные провода содержат примерно 30-70% по объему волокон из поликристаллического α-AlO (от суммарного объема волокна), заключенных в матрицу из в сущности элементарного алюминия. Предпочтительно, чтобы матрица содержала менее, чем примерно 0,03% железа по весу, а наиболее предпочтительно - менее чем примерно 0,01% железа по весу от суммарного веса матрицы. Еще более предпочтительным является содержание волокон из волокон из поликристаллического α-AlO в количестве примерно 40-60%. Было определено, что такие композитные провода, содержащие волокна, имеющие предел прочности на растяжение в продольном направлении по меньшей мере 2,8 ГПа, и матрицу, имеющую предел текучести менее чем примерно 20 МПа, имеют превосходные характеристики прочности на растяжение.
2
3
2
3
2
3
Матрица может быть также сформирована из сплава элементарного алюминия и примерно до 2% по весу меди (от суммарного веса матрицы). Как и в воплощении, в котором используется матрица из в сущности чистого элементарного алюминия, композитные провода с матрицей из алюминиево-медного сплава предпочтительно содержат примерно 30-70% волокон из поликристаллического α-AlO, а более предпочтительно - примерно 40-60% волокон из поликристаллического α-AlO по объему, от общего объема композита. Кроме того, предпочтительно, чтобы матрица содержала менее, чем примерно 0,03% железа по весу, а наиболее предпочтительно -менее чем примерно 0,01% железа по весу от суммарного веса матрицы. Матрица из алюминиево-медного сплава предпочтительно имеет предел текучести, меньший, чем примерно 90 МПа, и как было указано выше, поликристаллические волокна из α-AlO должны иметь предел прочности на растяжение в продольном направлении по меньшей мере примерно 2,8 ГПа.
2
3
2
3
Композитные провода предпочтительно формируют из в сущности непрерывных поликристаллических волокон из α-AlO, заключенных внутри матрицы из в сущности чистого элементарного алюминия или сплава элементарного алюминия с медью, количество которой составляет примерно до 2% по весу, как было описано выше. Такие провода обычно формируются при помощи производственного процесса, в котором в сущности непрерывные поликристаллические волокна из α-AlO, собранные в жгут, разматываются с катушки и протягиваются через ванну с расплавленным материалом матрицы. После отвердевания расплавленного материала на волокнах получаются волокна, заключенные в матрицу.
Возможные материалы металлической матрицы включают чистые металлы, например, металлы высокой степени чистоты (более 99.95%), включая элементарный алюминий, цинк, олово, марганец и их сплавы, например, сплав алюминия и меди. Как правило, материал матрицы выбирается таким образом, чтобы он не вступал в значительные химические реакции с материалом волокон, то есть был химически инертным по отношению к материалу волокон, что устраняет необходимость нанесения защитного покрытия на внешнюю поверхность волокон. В некоторых воплощениях материал матрицы предпочтительно включает алюминий и его сплавы.
В некоторых воплощениях металлическая матрица содержит по меньшей мере 98% алюминия по весу, по меньшей мере 99% алюминия по весу, более 99,9% алюминия по весу или даже более 99.95% алюминия по весу. Алюминиево-медные сплавы, из которых изготовлена матрица, содержат по меньшей мере 98% по весу алюминия и до 2% по весу меди. В различных воплощениях изобретения могут использоваться алюминиевые сплавы серий 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 и/или 8000 (по классификации Aluminum Association). И хотя для изготовления проводов, имеющих высокую прочность на растяжение, более предпочтительно использовать металлы с высокой степенью чистоты, могут также использоваться металлы в менее чистом виде.
Примеры подходящих металлов, имеющихся в продаже, включают особо чистый алюминий (SUPER PURE ALUMINUM 99.99%) производства Alcoa (Питтсбург, штат Пенсильвания, США), алюминиево-медный сплав (2% меди и не более 0.03% примесей по весу) производства Belmont Metals (Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США), чистый цинк (99.999%) и чистое олово (99.95%) производства Metal Services (Сент-Пол, штат Миннесота, США), чистый магний производства Magnesium Elektron (Манчестер, Англия), магниевые сплавы WE43A, EZ33A, AZ81A и ZE41A производства TIMET (Денвер, штат Колорадо, США).
Композитные провода с металлической матрицей, как правило, содержат по меньшей мере 15% (в некоторых воплощениях по меньшей мере 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% или даже 50%) волокон по объему от суммарного объема материалов волокон и матрицы. Более типично композитные сердцевины и провода содержат от 45% до 75% (в некоторых воплощениях от 45% до 70%) волокон по объему от суммарного объема материалов волокон и матрицы.
Композитные провода с металлической матрицей могут быть изготовлены с помощью способов, традиционно применяемых в данной области техники. Непрерывный провод с металлической матрицей может быть изготовлен, например, с помощью непрерывного процесса инфильтрации металлической матрицы. Один из подходящих процессов описан, например, в патенте США 6 485 796 (Carpenter с соавторами). Провода, содержащие полимеры и волокна, могут быть изготовлены с помощью процесса получения одноосно ориентированного волокнистого пластика, известного сведущим в данной области техники.
Кроме того, в некоторых воплощениях могут использоваться полимерные композитные провода. Полимерные композитные провода содержат по меньшей мере одно непрерывное волокно, заключенное в полимерную матрицу. В некоторых воплощениях упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит металл, углерод, керамику, стекло и их сочетания. В некоторых воплощениях упомянутое по меньшей мере одно непрерывное волокно содержит титан, вольфрам, бор, сплав с памятью формы, углеродные нанотрубки, графит, карбид кремния, бор, полиарамид, поли(р-фенилен-2,6-бензобизоксазол), и их сочетания. В прочих предпочтительных воплощениях полимерная матрица содержит (со)полимер, выбираемый из группы, состоящей из эпоксидной смолы, сложного эфира, винилового сложного эфира, полиимида, сложного полиэфира, эфира циановой кислоты, фенольной смолы, бис-малеимидной смолы, полиэфирэфиркетона, фторополимеров (включая полностью или частично фторированные сополимеры), и их сочетаний.
В некоторых воплощениях для изготовления композитного кабеля в соответствии с настоящим изобретением, например, кабеля для передачи электрической мощности, используются провода из пластичных металлов, закручиваемые вокруг композитной сердцевины. Предпочтительные пластичные металлы включают железо, сталь, цирконий, медь, олово, кадмий, алюминий и цинк, их сплавы с другими металлами и/или кремнием, и прочие. Медные провода предлагаются, например, Southwire Company (Карролтон, штат Джорджия, США). Алюминиевые провода предлагаются, например, Nexans (Канада) или Southwire Company (Карролтон, штат Джорджия, США) под торговыми наименованиями 1350-Н19 и 1350-Н0.
-6
-6
-6
-6
Как правило, медные провода имеют коэффициент теплового расширения от примерно 12×10/°C до примерно 18×10/°C в диапазоне температур по меньшей мере от примерно 20°С до примерно 800°С. В продаже имеются также провода из медных сплавов (например, медных бронз состава Cu-Si-X, Cu-Al-X, Cu-Sn-X, Cu-Cd; где X=Fe, Mn, Zn, Sn и/или Si; предлагаемые, например, Southwire Company (Карролтон, штат Джорджия, США)); меди, усиленной оксидной дисперсией, предлагаемой, например, OMG Americas Corporation (штат Северная Каролина) под торговым наименованием GLIDCOP. В некоторых воплощениях провода из сплавов меди имеют коэффициент теплового расширения от примерно 10×10/°C до примерно 25×10/°C в диапазоне температур по меньшей мере от примерно 20°С до примерно 800°С.Провода могут иметь различную форму поперечного сечения (например, круглую, эллиптическую, трапециевидную).
-6
-6
2
2
2
2
2
2
2
Алюминиевые провода имеют коэффициент теплового расширения от примерно 20×10/°C до примерно 25×10/°C в диапазоне температур по меньшей мере от примерно 20°С до примерно 500°С. В некоторых воплощениях алюминиевые провода (например, 1350-Н19) имеют предел прочности на растяжение по меньшей мере 138 МПа (20 тысяч фунтов/дюйм), по меньшей мере 158 МПа (23 тысяч фунтов/дюйм), по меньшей мере 172 МПа (25 тысяч фунтов/дюйм), по меньшей мере 186 МПа (27 тысяч фунтов/дюйм) или по меньшей мере 200 МПа (29 тысяч фунтов/дюйм). В некоторых воплощениях алюминиевые провода (например, 1350-Н0) имеют предел прочности на растяжение более 41 МПа (6 тысяч фунтов/дюйм) и не более 97 МПа (14 тысяч фунтов/дюйм), или даже не более 83 МПа (12 тысяч фунтов/дюйм).
-6
-6
Провода из алюминиевых сплавов также имеются в продаже и включают, например, провода из алюминиево-циркониевых сплавов, предлагаемые Sumitomo Electric Industries (Осака, Япония) под торговыми названиями ZTAL, XTAL и KTAL, и провод марки 6201 производства Southwire Company (Карролтон, штат Джорджия, США). В некоторых воплощениях провода из алюминиевых сплавов имеют коэффициент теплового расширения от примерно 20×10/°C до примерно 25×10/°C в диапазоне температур по меньшей мере от примерно 20°С до примерно 500°С.
Процент композитных проводов (по весу или по площади в поперечном сечении) в составе изолированного композитного кабеля зависит от конструкции изолированного композитного кабеля и предполагаемых условий его использования. В некоторых приложениях, в которых в качестве компонента воздушного, подземного или подводного композитного кабеля используется изолированный и предпочтительно скрученный композитный кабель, предпочтительно, чтобы в скрученном кабеле не содержалось электропроводящих слоев вокруг множества композитных кабелей. В некоторых воплощениях рассчитанный на работу под водой или под землей кабель имеет предел удлинения до наступления разрыва, составляющий по меньшей мере 0,5%.
Настоящее изобретение позволяет изготовить очень длинные рассчитанные на работу под водой или под землей композитные кабели. Предпочтительно также, чтобы композитные провода в составе скрученного композитного кабеля 10 сами по себе были непрерывными по всей длине композитного кабеля. В одном из предпочтительных воплощений композитные провода в сущности непрерывны и имеют длину по меньшей мере 150 метров. Более предпочтительно, чтобы композитные провода были непрерывными и имели длину по меньшей мере 250 м, еще более предпочтительно - по меньшей мере 500 м, еще более предпочтительно - по меньшей мере 750 м, и наиболее предпочтительно - по меньшей мере 1000 м в составе скрученного композитного кабеля 10.
В другом типе воплощений настоящего изобретения предлагается способ изготовления изолированного композитного электрического кабеля, содержащий этапы: (а) обеспечения сердцевины из проводов, определяющей общую продольную ось; (b) расположения множества композитных проводов вокруг сердцевины из проводов; и (с) окружения множества композитных кабелей изоляционной оболочкой. В некоторых воплощениях по меньшей мере часть множества композитных проводов расположена вокруг одиночного провода, определяющего общую продольную ось в виде по меньшей мере одного цилиндрического слоя, сформированного вокруг общей продольной оси. В некоторых воплощениях по меньшей мере часть множества композитных проводов спирально закручена вокруг сердцевины из проводов, вокруг общей продольной оси. В некоторых предпочтительных воплощениях каждый цилиндрический слой закручен с углом укладки в направлении укладки, противоположном направлению укладки проводов любого из соседних цилиндрических слоев. В некоторых предпочтительных воплощениях относительная разность между углами укладки соседних цилиндрических слоев не превышает примерно 4°.
Еще в одном предпочтительном воплощении изобретения предлагается способ изготовления скрученных композитных кабелей, описанных выше, включающий закручивание первого множества композитных проводов вокруг одиночного провода, определяющего центральную продольную ось, причем закручивание первого множества композитных проводов производится в первом направлении укладки, под первым углом по отношению к центральной продольной оси, и с первым шагом укладки; и закручивание второго множества композитных проводов вокруг первого множества композитных проводов, причем закручивание второго множества композитных проводов производится в первом направлении укладки под вторым углом укладки по отношению к центральной продольной оси, и со вторым шагом укладки, и причем относительная разность между углами укладки первого множества и второго множества проводов и не превышает примерно 4°. В одном из предпочтительных воплощений изобретения способ дополнительно содержит закручивание множества пластичных проводов вокруг множества композитных проводов.
Скрученный композитный кабель, включающий или не включающий пластичные провода, расположенные вокруг композитной сердцевины, может быть затем покрыт изоляционной оболочкой. В некоторых воплощениях изоляционная оболочка образует внешнюю поверхность изолированного композитного электрического кабеля. В некоторых воплощениях изоляционная оболочка содержит материал, выбранный из стекла, керамики, сополимеров и их сочетаний.
Композитные провода могут быть закручены (спирально намотаны) с помощью любого подходящего оборудования для намотки кабелей, такого, как, например, планетарные станки для формирования кабелей производства Cortinovis (Бергамо, Италия) или Watson Machine International (Паттерсон, штат Нью-Джерси, США). В некоторых воплощениях может быть предпочтительным использование станков для жесткой намотки, известных сведущим в данной области техники.
И хотя в общем может использоваться композитный провод любого подходящего размера, для многих воплощений и приложений предпочтительно, чтобы композитные провода имели диаметр от 1 мм до 4 мм, хотя могут быть использованы композитные провода и большего, и меньшего диаметра.
В одном из предпочтительных воплощений закрученный композитный кабель включает множество закрученных композитных проводов, спирально закрученных в направлении укладки с коэффициентом укладки от 10 до 150. «Коэффициент укладки» определяется делением длины скрученного кабеля, на которой одиночный провод делает полный спиральный виток вокруг центральной продольной оси, на номинальный внешний диаметр слоя, включающего данный провод.
В процессе закручивания кабеля центральный провод, или заготовка, в которой имеется один или более дополнительных слоев, намотанных вокруг центрального провода, протягивается через центры различных кареток, на каждой из которой к закрученному кабелю добавляется один слой. Отдельные провода, которые добавляются в виде одного слоя, одновременно разматываются с соответствующих бобин, и кареткой, приводимой в движение от электродвигателя, поворачиваются вокруг центральной продольной оси кабеля. Так делается последовательно для каждого требуемого слоя. В результате получается спирально закрученная сердцевина. Дополнительно возможно наложение на полученную скрученную композитную сердцевину удерживающего средства, например, ленты, как было описано выше, способствующей удержанию закрученных проводов друг с другом.
В целом, закрученные композитные кабели в соответствии с настоящим изобретением могут быть изготовлены путем закручивания композитных проводов вокруг одиночного провода в одном и том же направлении укладки, как было описано выше. Одиночный провод может содержать композитный провод или пластичный провод. Путем закручивания композитных проводов вокруг сердцевины из одиночного провода формируется по меньшей мере два слоя композитных проводов, например, слои из 19 или 37 проводов, уложенных по меньшей мере в виде двух слоев, закрученных вокруг центрального единичного провода.
В некоторых воплощениях закрученные композитные кабели содержат закрученные композитные провода, имеющие длину по меньшей мере 100 м, по меньшей мере 200 м, по меньшей мере 300 м, по меньшей мере 400 м, по меньшей мере 500 м, по меньшей мере 1000 м, по меньшей мере 2000 м, по меньшей мере 3000 м, или даже по меньшей мере 4500 м или более.
Одной из желательных черт кабеля является способность сохранять закрученную конфигурацию при дальнейшей работе с ним. И хотя теоретически это не обязательно, кабель сохраняет спиральную укладку закрученных компонентов из-за того, что металлические провода кабеля подвергаются различного рода усилиям, ведущим к деформации, в том числе к деформации изгиба, выходящей за пределы текучести материала провода, но не выходящей за пределы, при которых наступает разрыв. Во время намотки провода по спирали относительно малого радиуса вокруг предыдущего провода или центрального провода проводу передается механическое напряжение. дополнительное напряжение сообщается при закрытии зажимов, которые сообщают кабелю напряжение как в радиальном, так и в продольном направлениях во время изготовления кабеля. В таких кабелях провода пластически деформируются и за счет этого сохраняют свою укладку по спирали.
В некоторых воплощениях может быть целесообразным выпрямление кабеля с помощью традиционно применяемых способов. Так, например, готовый кабель может быть пропущен через выпрямляющее устройство, содержащее ролики (каждый ролик может иметь диаметр примерно 10-15 см), линейно расположенные в виде двух наборов, например, по 5-9 роликов в каждом наборе. Расстояние между роликами двух наборов может быть переменным, так что одни ролики могут лишь немного нажимать на кабель, в то время как другие ролики могут вызывать значительный его изгиб. Наборы роликов расположены по противоположные стороны кабеля, причем ролики одного набора будут расположены напротив промежутков между роликами второго набора. При прохождении через выпрямляющее устройство кабель огибает ролики, позволяя нитям проводников вытянуться до одной и той же длины, уменьшая или устраняя зазоры между ними.
В некоторых воплощениях может быть желательно обеспечение повышенной температуры одиночного центрального провода (например, по меньшей мере 25°С, 50°С, 75°С, 100°С, 125°С, 150°С, 200°С, 250°С, 300°С, 400°С, или даже, в некоторых воплощениях, по меньшей мере 500°С) по сравнению с температурой внешнего воздуха (примерно 22°С). Температура центрального одиночного провода может быть повышена до требуемой величины, например, нагреванием смотанного в бухту провода (например, в печи в течение нескольких часов). Затем нагретый провод помещается на подающую катушку станка для закручивания кабеля. Предпочтительно, чтобы нагретая бухта провода расходовалась в процессе намотки кабеля, пока провод еще горячий, или его температура еще достаточно близка к требуемой (как правило, в течение примерно 2 часов.
В некоторых воплощениях может быть желательно, чтобы композитные провода на подающих катушках, из которых формируются внешние слои кабеля, находились при температуре воздуха. То есть, в некоторых воплощениях во время скручивания кабеля может быть желательным, чтобы в процессе скручивания кабеля была обеспечена разность температур между одиночным центральным проводом и композитными проводами, из которых формируются внешние композитные слои. В некоторых воплощениях может требоваться проведение намотки кабеля при напряжении, приложенном к одиночному проводу, составляющим по меньшей мере of 100 кг, 200 кг, 500 кг, 1000 кг, и даже по меньшей мере 5000 кг.
Еще в одном типе воплощений настоящего изобретения предлагается способ использования композитного электрического кабеля, описанного выше, содержащий закапывание по меньшей мере части изолированного композитного электрического кабеля, описанного выше, под землю.
Упоминание в настоящем описании «одного из воплощений», «некоторых воплощений», «одного или более воплощений» или «воплощения», независимо от того, используется ли термин «пример» перед словом «воплощение», означает, что та или иная черта, структура, характеристика или материал, описываемые на примере определенного воплощения, включены по меньшей мере в одно воплощение из некоторых примеров воплощений настоящего изобретения. То есть использование фраз «в одном или более воплощениях», «в некоторых воплощениях» или «в одном из воплощений» в различных местах настоящего описания не обязательно означает одно и то же воплощение из определенных примеров воплощений настоящего изобретения. Более того, те или иные черты, структуры, материалы или характеристик могут использоваться в любом подходящем сочетании друг с другом в одном или более воплощениях.
И хотя выше были описаны некоторые конкретные воплощения настоящего изобретения, сведущим в данной области техники после понимания описанного выше будут очевидны возможные изменения, которые могут быть внесены в описанные воплощения, а также различные эквиваленты описанных воплощений. Соответственно, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается воплощениями, описанными выше. В частности, упоминание в контексте настоящего описания диапазонов различных величин путем приведения их крайних значений подразумевает включение всех значений данной величины, находящихся в пределах указанного диапазона (например, диапазон «от 1 до 5» включает 1, 1,5, 2, 2,75, 3, 3,80, 4 и 5). Кроме того, подразумевается, что все численные значения следует рассматривать в сочетании с термином «примерно».
Кроме того, все публикации и патенты, на которые приведены совместные ссылки, цитируются целиком и в той же степени, как если бы были приведены индивидуальные ссылки на каждый упомянутый патент или упомянутую публикацию.
Выше были описаны примеры воплощений настоящего изобретения. Описанные воплощения, а также прочие воплощения, входят в масштаб настоящего изобретения, определяемый приведенной ниже формулой изобретения.