BRPI1001326A2 - Isolamento perfilado aperfeiçoado e processo para produzir o mesmo - Google Patents

Abstract

Isolamento perfilado aperfeiçoado e processo para produzir o mesmo a presente invenção refere-se a um fio, tendo um condutor e um isolamento, extrudado no condutor. O isolamento tem uma pluralidade de platôs e vales alternados formando um perfil ao longo da circunferência externa, em que a razão de circunferências, de uma circunferência externa do dito isolamento na espessura integral dos ditos platôs relativa à parte da circunferência externa do isolamento, que está na espessura reduzida de vales, é substancialmente igual ou superior a 1,5.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ISOLAMENTO PERFILADO APERFEIÇOADO E PROCESSO PARA PRODUZIR O MESMO”.

CAMPO DA INVENÇÃO O presente pedido de patente refere-se ao campo de cabos e produção de cabos. Mais particularmente, o presente pedido de patente se refere um isolamento perfilado para cabos e a um processo para a produção dos mesmos.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

Os cabos de cobre são usados para várias tarefas, tais como na transmissão de energia e na transmissão de sinais. Nas tarefas de transmissão de sinais, a seleção do isolamento é de interesse particular. Por exemplo, pares torcidos de condutores de cobre, usados em cabos para dados (por exemplo, cabos para LAN - Rede de Área Local), devem satisfazer certos padrões de segurança e ser de um custo efetivo, enquanto minimizando a degradação dos sinais. Esta degradação dos sinais pode ser provocada por fatores, tais como interferência com condutores adjacentes, e indutância com o isolamento.

Desse modo, no desenvolvimento de cabos para sinais de cobre, tendo, frequentemente, múltiplos pares torcidos de fio de cobre dentro do mesmo invólucro, há interesses competitivos de minimização de custo, enquanto maximizando-se as intensidade e clareza dos sinais.

Para que o cabo funcione adequadamente, a medida de impe-dância entre os dois condutores de cobre de um par torcido deve ser mantida com precisão. Isto é obtido por isolamento do condutor com um material dielétrico. No entanto, o material dielétrico tem um impacto negativo no sinal elétrico e contribui para as perdas de sinais, bem como outros fenômenos elétricos indesejáveis. Além disso, este material dielétrico agrega custo à construção do cabo, e tem, frequentemente, um impacto negativo no desempenho em fogo do cabo, tal como no teste UL® (Underwriters Laboratories). Desse modo, é desejável encontrar modos para reduzir a quantidade de material dielétrico nas proximidades do condutor de cobre, sem afetar a im- pedância entre os dois condutores de cobre formando o par torcido. Várias abordagens foram feitas no passado para reduzir a quantidade de material dielétrico nas proximidades dos condutores de cobre, sem reduzir a impedância do par torcido, feito dos ditos condutores de cobre. Por exemplo, alguns fabricantes têm substituído o isolamento dielétrico de fios de cobre por um isolamento dielétrico espumado, que incorpora um componente gasoso ao isolamento. Isto produz uma redução na quantidade de material dielétrico necessário para manter a impedância do par torcido. É conhecido que os gases típicos, usados para materiais dielétricos de espuma, têm uma constante dielétrica próxima de 1 (mais desejável), enquanto que os materiais dielétricos conhecidos, sem o componente gasoso, têm uma constante dielétrica substancialmente superior a 1, de modo que esta abordagem vai parecer, à primeira vista, ajudar a resolver as necessidades. No entanto, este processo não apenas aumenta bastante a complexidade do processo de extrusão, mas requer, frequentemente, equipamento de fabricação adicional. É também mais difícil fabricar um cabo de comunicações de dados, com boas propriedades elétricas, usando este tipo de processo.

Outro processo para reduzir a quantidade de isolamento, enquanto mantendo simultaneamente a impedância entre um par torcido de condutores, é o de incorporar aberturas (cheias de ar ou gás inerte) dentro do próprio isolamento. No entanto, os processos da técnica anterior para a produção deste isolamento com aberturas longitudinais para ar/gás falharam completamente, devido aos projetos de extrusão que não produzem os resultados intencionados, ou, de outro modo, produziram resultados inefetivos, devidos às inconsistências na produção estável das aberturas.

Ainda uma outra maneira para manter a impedância entre um par torcido de condutores, enquanto reduzindo a quantidade de material de isolamento usando dentro de um cabo para sinais, é usar o que é denominado isolamento "perfilado". O isolamento perfilado se refere a um isolamento que é proporcionado em torno de um condutor de fio de cobre, cuja seção transversal é diferente de substancialmente circular. Estes exemplos de isolamento perfilado podem incluir estruturas de dentes de serra, ou de outros desenhos similares intencionados para tanto separar os condutores entre si, quanto usando menos isolamento do que um isolante sólido de diâmetro similar, mas produzindo a mesma impedância entre os pares torcidos de condutores. Um exemplo deste tipo de isolamento pode ser encontrado no pedido de patente U.S. 2008/0296042 pendente.

No entanto, mesmo com este processo há várias deficiências. Primeiro, é difícil obter as formas desejadas do isolamento contornado. Muitas das formas de isolamento desejadas são muito difíceis ou impossíveis de produzir, sob as condições da linha de extrusão de isolamento de fio de cobre típicas. Ainda que um projeto particular possa ser feito para o olho, são, tipicamente, gerados de uma maneira que proporciona um produto inconsistente.

Além do mais, devido a estas necessidades de extrusão, é difícil proporcionar um produto cuja forma final seja estável por um determinado comprimento de cabo, de modo que as medidas das propriedades eletrônicas se mantêm consistentes. Por exemplo, alguns projetos da técnica anterior de isolamento perfilado, ainda que buscando reduzir material e interferência dielétrica, resultam, algumas vezes, em fios de cobre de um par particular movimentando-se mais próximos e mais longe entre si, ao longo de um comprimento de cabo, pois as várias formas de perfis de um condutor se entretecem/se aninham umas dentro das outras. Consultar, por exemplo, a Figura 1 mostrando um par torcido da técnica anterior tendo isolamento perfilado, em que as cristas do perfil são "aninhadas" umas dentro das outras, fazendo com que os condutores de cobre fiquem mais próximos entre si do que o desejado.

OBJETIVOS E SUMÁRIO A presente invenção busca superar as deficiências associadas com a técnica anterior e proporciona um isolamento perfilado e um processo para produzir o mesmo. O isolamento perfilado é dimensionado de modo a produzir os resultados ótimos, equilibrando a necessidade de obter um valor de impedância desejado entre um par torcido de condutores de cobre dentro de um cabo, com a necessidade para quantidades menores de isolamento, para impedir perda indutiva. Adicionalmente, o isolamento perfilado é de uma dimensão tal que pode ser fabricado de uma maneira efetiva em custo (menor isolamento total por comprimento de cabo) e reprodutível comercialmente (isto é, com propriedades elétricas consistentes), sob extrusão de linha de fio de cobre, enquanto mantendo propriedades de transmissão elétrica consistentes ao longo do comprimento do cabo.

Para esta finalidade, a presente invenção proporciona um fio, tendo um condutor e um isolamento extrudado no condutor. O isolamento tem uma pluralidade platôs e vales alternados, formando um perfil ao longo da circunferência externa, em que uma razão da circunferência de uma circunferência externa do isolamento na espessura integral dos platôs, em relação à parte da circunferência externa do isolamento, que está na espessura reduzida dos vales, é substancialmente igual ou superior a 1,5.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 1 é uma ilustração de um par torcido tendo isolamento perfilado, de acordo com a técnica anterior. A Figura 2 é uma ilustração de uma matriz de extrusão, de acordo com uma concretização. A Figura 3 mostra um isolamento perfilado obtido por uso da matriz da Figura 2, de acordo com uma concretização. A Figura 4 é um diagrama esquemático do isolamento da Figura 3. A Figura 5 é uma ilustração de um par torcido tendo isolamento perfilado, de acordo com a Figura 3. A Figura 6 ilustra um cabo LAN tendo quatro pares torcidos, dois dos quais têm o orifícios da Figura 3, de acordo com uma concretização. A Figura 7 ilustra um cabo LAN tendo quatro pares torcidos circundando um enchimento transversal, todos tendo o isolamento perfilado da Figura 3, de acordo com uma concretização. A Figura 8 é uma matriz para a formação de isolamento perfilado, de acordo com uma outra concretização. A Figura 9 é um isolamento perfilado obtido por uso da matriz da Figura 8, de acordo com uma concretização. A Figura 10 é uma ilustração de um par torcido tendo isolamento perfilado, de acordo com a Figura 9.

As Figuras 11 e 11A mostram uma matriz para extrusão de isolamento, sob pressão de extrusão, de acordo com uma outra concretização. DESCRIÇÃO DETALHADA

Em uma concretização, a Figura 2 ilustra uma matriz de extrusão 10, usada para a extrusão de isolamento perfilado em condutores, para uso em fios, tais como fios para sinais de telecomunicações/eletrônicos. A matriz de extrusão 10 é utilizada em um formato típico de linha de extrusão, com o que um fio condutor é estirado pela matriz 10, na qual o isolante/polímero fundido é aplicado. Para fins ilustrativos, o presente pedido de patente considera que os condutores sendo revestidos são condutores de fios, tais como fios de cobre, e o isolamento é FEP (etileno propileno fluorado), para uso em fios de comunicação de pares torcidos usados em cabos LAN (Rede de Área Local). No entanto, deve-se entender que as concretizações descritas no presente relatório descritivo são igualmente aplicáveis a outros isolamentos poliméricos, tais como isolamentos de MFA, PVC e EFEP, bem como ambas as extrusões de estiramento e sob pressão (usando PP ou PP, por exemplo, como descrito abaixo no relatório descritivo).

Em outra concretização, deve-se notar que o isolamento perfilado, descrito no presente relatório descritivo, é ilustrado por meio de exemplo como um isolamento aplicado diretamente a um condutor. No entanto, este não é intencionado para ser de modo algum limitante. Considera-se que um isolamento perfilado construído de forma similar pode ser usado, parcial ou inteiramente, em encamisamento externo de cabo, bem como em itens de enchimento transversal extrudados.

Como mostrado na Figura 2, a matriz 10 inclui uma abertura 12, pela qual o condutor e o polímero em fusão escoam durante a extrusão. De-ve-se notar que a Figura 2 apenas mostra a própria matriz 10, que forma basicamente as dimensões da circunferência externa do isolamento extru-dado eventual. A ponta de extrusão, que vai se encaixar pela matriz 10, su- portando o condutor e formando a circunferência interna do isolamento (contra o condutor), não é mostrada. Na presente disposição, a ponta usada para formar os isolamentos, como descrito abaixo, é uma ponta de extrusão típica usada com extrusão do tipo estiramento. A abertura 12 da matriz 10 inclui uma pluralidade de projeções 14, dispostas uniformemente em torno da circunferência da abertura 12. Em uma disposição, as projeções 14 são, tipicamente, projeção encurtadas, que se estendem radialmente para dentro, no sentido do centro da abertura 12. Todas as projeções 14 são na forma de um "botão" circular 16, na extremidade de uma parte espiga afilada curta 18. Na disposição mostrada na Figura 2, oito projeções espaçadas uniformemente 14 são usadas. No entanto, deve-se notar que o número e o espaçamento das projeções 14 podem ser alterados para acomodar diferentes projetos de isolamento final.

De acordo com uma disposição, como mostrado na Figura 3, o isolamento 20 é o isolamento resultante produzido por extrusão de estiramento usando a matriz 10 (mostrada com o condutor removido). O isolamento 20 tem uma circunferência interna 22, que fica adjacente a um condutor (mostrado e descrito abaixo) e a uma circunferência "perfilada" externa 24. A circunferência externa 24 do isolamento 20 tem platôs 26 e vales 28 repetindo-se periodicamente, cujas dimensões se correlacionam com as projeções 14 da matriz 10. Por exemplo, os vales 28 no isolamento 20 são formados durante o processo de extrusão pela matriz 10 e correspondem aos locais das projeções 14, enquanto que os platôs 26 se correlacionam com aqueles nos quais o isolamento passou entre as projeções 14, diretamente contra a circunferência interna da abertura 12 da matriz 10.

Deve-se notar que a Figura 3 mostra, por meio de exemplo, a-penas sete vales, significando que ela corresponde a uma matriz 10 exempli-ficativa tendo sete projeções 14. Um isolamento 20 de amostra, extrudado por uso da matriz 10, como mostrado na Figura 3, tendo oito projeções 14 (não mostradas)vai ter oito vales correspondentes 28. De preferência, os projetos podem incluir uns poucos como três vales 28 e muitos como vinte e cinco, dependendo do projeto.

Deve-se também notar que as projeções 14 são ilustradas como de forma circular, embora, isto seja apenas exemplificativo. Outras formas podem ser usadas para as projeções 14, para ajustar a quantidade de redução (economias em custo) de polímero, enquanto mantendo a estabilidade (nenhum enredamento de isolamentos dentro um determinado par torcido).

Um desenho esquemático de um isolamento 20, tendo platôs 26 e vales 28 alternados, mostra as medidas necessárias para a determinação da razão de circunferências B/A, significando que a razão da circunferência externa 24, que está na espessura integral dos platôs 26, relativa à parte da circunferência externa 24, que está na espessura reduzida dos vales 28, deve ser substancialmente igual ou superior a 1,5. Usando-se esta razão para B/A, quando dois fios isolados são colocados um depois do outro, ambos tendo este isolamento perfilado 20, vai-se tanto reduzir a quantidade total de isolamento 20 usada, quanto vai-se impedir o "enredamento" dos dois fios, como mostrado na Figura 5. Isto permite que as características elétricas do par se mantenham substancialmente constantes ao longo do comprimento do par.

Também, mostra-se na Figura 4 a razão C/D, conferindo a altura da circunferência interna 22 a um platô 26 (C), relativa à altura da circunferência interna 22 para a parte de topo de um vale 28 (D). De preferência, a razão C/D deve ser substancialmente 2,0, mas não superior a 4,0. Em uma disposição, a razão C/D é, de preferência, entre 1,1 e 4,0, de modo a maximizar a resistência ao esmagamento do isolamento 20 e minimizar o espa-Ihamento dos lóbulos (platôs 26), sob a tensão da operação de torção (formando os pares torcidos).

Em uma disposição, o valor de C/D vai tender no sentido de 1,1, e, na maior parte dos casos, não excede 2,0.

Apresenta-se a seguir os dados de testes exemplificativos, mostrando os resultados obtidos com o isolamento 20, como descrito acima.

Por exemplo, em um teste, um condutor é selecionado, tal como em um condutor de fio de cobre tendo uma espessura de 0,057 cm (0,0224"), com um diâmetro do isolamento externo 20 de aproximadamente 0,098 cm (0,0386"). Este é obtido por uso de uma ponta de guia de extrusão, dimensionada a 0,508 cm (0,200"), e uma matriz de extrusão tendo uma a-bertura de 0,925 cm (0,364"), com um equilíbrio de estiramento de substancialmente 1,03 e uma razão de estiramento substancialmente de 85:1.

Usando-se uma matriz 10, como mostrado na Figura 2), tendo projeções 14 nela, dimensionadas de acordo com as faixas de razões B/A e C/D (medidas efetivas do teste: A = 0,01091184 cm (0,004296"), B = 0,0265938 cm (0,01047"), C = 0,020206 cm (0,007955"), D = 0,009939 cm (0,003913"), traduzidas em B/A = 2,44 e C/D = 2,03), uma redução em material de substancialmente 16,0% foi obtida relativa a uma matriz típica de dimensões similares, não tendo as mesmas projeções que teriam resultado, de outro modo, em um isolamento externo de superfície lisa.

Desse modo, de acordo com esta disposição, uma redução substancial em material pode ser obtida ao longo de qualquer comprimento de isolamento determinado para um fio condutor, enquanto que impedindo simultaneamente o emaranhamento do isolamento entre dois fios adjacentes, tal como em um par torcido, como mostrado na Figura 5.

Em outra disposição, as faixas dos tamanhos dos condutores para o teste exemplificativo mencionado acima podem variar entre 0,045 e 0,061 cm (0,018" e 0,024"), com o isolamento externo variando, de preferência, entre 0,076 e 0,114 cm (0,030" e 0,045"). Estas dimensões de isolamento vão ser feitas com uma ponta de guia de extrusão tendo uma faixa de 0,254 a 0,889 cm (0,100" a 0,350") e uma matriz 10 tendo uma faixa de a-berturas 12 de substancialmente 0,635 a 1,397 cm (0,250" a 0,550"), empregando as razões de equilíbrio de estiramento na faixa de 0,95 a 1,05 e razões de estiramento de 50:1 a 250:1. Os ajustes dentro destas faixas podem resultar em uma redução de material entre 5% e 35%, e podem ser selecionados com base nos parâmetros desejados, desde que os platôs 26 e os vales 28 no isolamento resultante 20 sejam tais que impeçam o aninhamento em disposições em pares, como mostrado na Figura 5.

Em uma concretização, como mostrado na Figura 6, um cabo LAN de quatro pares típicos 30 é mostrado, usando fios tendo o isolamento 20, como descrito acima, obtendo uma ductilidade CAT 6, com uso reduzido de isolamento. O cabo 30 tem uma camisa 32, e quatro pares torcidos 34a -34d nele. Na presente disposição, dois pares 34a e 34b são feitos com fios condutores isolados típicos, enquanto que os dois pares 34c e 34d, dentro da camisa 30, incluem fios tendo o isolamento perfilado 20.

Em outro exemplo de um cabo LAN, ilustrado na Figura 7, como o cabo 30, outro cabo LAN de quatro pares dispostos tipicamente 30 é mostrado, usando fios tendo o isolamento 20 como descrito acima, obtendo-se uma ductilidade CAT 6 com menor uso de isolamento. O cabo 30 tem uma camisa 32, e quatro pares torcidos 34a - 34d nele. Nesta disposição, todos os quatro pares 34a - 34d incluem fios, tendo o isolamento perfilado 20 e um enchimento transversal 36 incluídos para reduzir a diafonia entre os pares.

Considera-se que outros possíveis usos de isolamento perfilado 20 em condutores de pares torcidos podem ser dentro de cabos LAN 30, para obter várias classificações de categoria, tirando vantagem do uso do isolamento nos condutores, enquanto ainda proporcionando características elétricas estáveis ao longo dos pares 34, desse modo, permitindo que o cabo 30 satisfaça as elevadas classificações de categoria, enquanto usando menores quantidades de isolamento polimérico.

Em outra concretização, mostrada na Figura 8, uma matriz 40 alternativa pode ser empregada, tendo também um diâmetro interno 42 e projeções 44. Nesta disposição, as projeções 44 são dimensionadas de modo a proporcionar um isolamento 50 tendo projeções em forma de T 52 sucessivas, dispostas nele, como mostrado na Figura 9. Da mesma forma que com a matriz 10 e o isolamento 20, as posições das projeções 44 correspondem aos espaços abertos entre as projeções em forma de T 52, devido às projeções 44, que bloqueiam o fluxo do polímero durante a extrusão.

Este isolamento 50, quando utilizado em conjunto com uma disposição de par torcido 60, como mostrado na Figura 10, vai permitir que várias projeções em forma de T 52, em fios opostos, se enredem uma dentro das outras. Esta disposição pode ser útil em vários projetos de cabos, com os pares que são engatados dentro do cabo, com a capacidade de ser sepa- rados depois, tal como durante o processo de conexão.

Em outra concretização, como discutida acima, o isolamento perfilado 20 pode ser produzido por uso de PE ou PP, com a utilização de técnicas de extrusão sob pressão. A extrusão sob pressão difere da extrusão do tipo de estiramento, pelo fato de que o isolamento 20 é extrudado sob pressão, e existe a matriz de mesmas ou de praticamente mesmas dimensões, na qual vai eventualmente esfriar. Como tal, as dimensões de uma matriz, tal como a matriz 70, mostrada nas Figuras 11 e 11A (vista expandida 50X) são iguais às dimensões de um isolamento perfilado 20, que existe nela. Formando-se o isolamento 20 usando extrusão sob pressão, é possível obter as mesmas vantagens discutidas acima, em velocidades de linha de extrusão mais altas, usando polímeros que podem suportar estas tensões de extrusão.

Ainda que certos aspectos da invenção tenham sido ilustrados e descritos no presente relatório descritivo, muitas modificações, substituições, variações ou equivalentes vão então ocorrer àqueles versados na técnica. Deve-se, portanto, entender que este pedido de patente é intencionado para cobrir todas estas modificações e variações, que se encaixam dentro do verdadeiro espírito da invenção.

Claims (14)

1. Fio, o dito fio compreendendo: um condutor; e um isolamento, extrudado no dito condutor, o dito isolamento tendo uma pluralidade de platôs e vales alternados formando um perfil ao longo da circunferência externa, em que a razão de circunferências, de uma circunferência externa do dito isolamento na espessura integral dos ditos platôs relativa à parte da circunferência externa do isolamento, que está na espessura reduzida de vales, é substancialmente igual ou superior a 1,5.

2. Fio de acordo com a reivindicação 1, em que a dita razão da altura da circunferência interna para um platô, relativa à altura da circunferência interna, para a parte de topo de um vale, é, substancialmente, na faixa de 1,1 a 4,0.

3. Fio de acordo com a reivindicação 2, em que a dita razão da altura da circunferência interna para um platô, relativa à altura da circunferência interna, para a parte de topo de um vale, é, substancialmente, na faixa de 1,1 a 2,0.

4. Fio de acordo com a reivindicação 2, em que os ditos vales no dito isolamento resultam em uma redução de material de substancialmente 16%, relativo a um isolamento de mesmas dimensões sem os ditos vales.

5. Fio de acordo com a reivindicação 2, em que o dito isolamento é extrudado a uma razão de equilíbrio de estiramento substancialmente na faixa de 0,95 a 1,05.

6. Fio de acordo com a reivindicação 2, em que o dito isolamento é extrudado a razões de estiramento de 50:1 a 250:1.

7. Fio de acordo com a reivindicação 2, em que uma razão de circunferências de uma circunferência externa do dito isolamento na espessura integral dos ditos platôs, relativa à parte da circunferência externa do isolamento, que está na espessura reduzida de vales, é substancialmente 2,44, e em que a dita razão da altura da circunferência interna para um platô, relativa à altura da circunferência interna da parte de topo de um vale, é substancialmente em torno de 2,03.

8. Fio de acordo com a reivindicação 1, em que o dito isolamento é selecionado do grupo consistindo em FEP, MFA, PVC e EFEP.

9. Fio de acordo com a reivindicação 1, em que o dito isolamento é feito de PE ou PP, nas condições de extrusão sob pressão.

10. Par torcido de fios, compreendendo dois fios construídos como definidos na reivindicação 1, em que, quando um primeiro fio dos ditos dois fios é colocado depois de um segundo fio dos ditos dois fios, os ditos platôs na dita circunferência externa não se aninham uns dentro dos outros.

11. Cabo LAN, o dito cabo compreendendo pelo menos um par torcido como definido na reivindicação 10, em que o dito cabo LAN satisfaz as especificações CAT 6.

12. Cabo de acordo com a reivindicação 11, o dito cabo compreendendo ainda um enchimento cruzado.

13. Cabo LAN, o dito cabo compreendendo uma pluralidade de pares torcidos como definidos na reivindicação 10, em que o dito cabo LAN satisfaz as especificações CAT 6.

14. Cabo de acordo com a reivindicação 13, o dito cabo compreendendo ainda um enchimento transversal.