EP0485920A1 - Câble électrique à vitesse de propagation élevée - Google Patents

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EP0485920A1
EP0485920A1 EP91119172A EP91119172A EP0485920A1 EP 0485920 A1 EP0485920 A1 EP 0485920A1 EP 91119172 A EP91119172 A EP 91119172A EP 91119172 A EP91119172 A EP 91119172A EP 0485920 A1 EP0485920 A1 EP 0485920A1
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EP
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conductors
rod
rods
conductor
insulating
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EP91119172A
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Daniel Prudhon
Victor Da Silva
Pierre Frieden
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Filotex SA
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Filotex SA
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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B11/00—Communication cables or conductors
    • H01B11/002—Pair constructions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/02—Disposition of insulation
    • H01B7/0233—Cables with a predominant gas dielectric
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/02—Disposition of insulation
    • H01B7/0241—Disposition of insulation comprising one or more helical wrapped layers of insulation

Definitions

  • the invention relates to an electrical cable with high propagation speed, such as those used for transmitting data from one computer machine to another.
  • To produce a cable having a high propagation speed it is known to reduce the linear capacity existing between two conductors of this cable, by increasing the distance between these conductors and the distance between these conductors and the screen; and by reducing the average value of the permittivity of the dielectrics located between these two conductors along the cable.
  • This cable is bulky because the insulating core has a diameter much greater than the diameter of each of the 4 conductors. It maintains a predetermined distance between the conductors, so as to reduce the linear capacity between the conductors.
  • the core and the first insulating layer may be made of polytetrafluoroethylene expanded.
  • the object of the invention is to provide a cable having a high propagation speed, without having the disadvantages of cables of known types.
  • the object of the invention is an electric cable with a high propagation speed comprising a plurality of conductors and means for maintaining a predetermined distance between said conductors; characterized in that two insulating rods enclosing two neighboring conductors rotate in the same direction and have the same constant pitch, and are nested, the rod enclosing a conductor also bears against the other conductor.
  • the object of the invention is also a cable characterized in that two insulating rods enclosing two neighboring conductors rotate in opposite directions and have different pitches, not multiple from one another, so as never to be nest.
  • the turns of rod 1 and rod 4 respectively enclose conductors 2 and 3.
  • Each of rods 3 and 4 is made from a straight cylindrical rod with circular section which is wound around one of conductors 2 or 3.
  • Each rod 1 and 4 therefore encloses one of the conductors in these turns.
  • the two rods 1 and 4 are wound with the same pitch which is constant and which is much greater than the diameter of the section of each rod, so that the free volume between the turns is much greater than the volume occupied by the turns.
  • the conductors 2 and 3, enclosed in the rods 1 and 4 are brought together by nesting the turns of the rods, so that the rod 1 enclosing the conductor 2 is also in abutment against the conductor 3.
  • the rod 4 enclosing the conductor 3 is also in abutment against the conductor 2.
  • FIG. 2 represents a section of this exemplary embodiment, in the direction of view II II. This section shows that the two conductors, 2 and 3, are kept at a predetermined distance by the diameter of the section of the rod 1 and the rod 4. The geometric envelope of these turns is shown in dotted lines. The distance between the axes of conductors 2 and 3 is substantially equal to the sum of the diameter of a conductor and the diameter of the section of each of the rods 1 and 4.
  • the diameter of the rods can be chosen so as to separate the conductors, to reduce the linear capacity. But, above all, this type of cable makes it possible to reduce the linear capacity by reducing the average permittivity.
  • the turns of the rods 1 and 4 occupy only a small portion of the volume located between the two conductors 2 and 3, the rest being filled with air because the insulating material constituting the envelope 5 does not penetrate into the space located between the turns. Consequently, the average permittivity of this volume is lower than that of the polyethylene constituting the two rods.
  • the average permittivity obtained is 1 , 2 while that of solid polyethylene is 2.28.
  • the characteristic impedance is 150 ohms for frequencies above 1 MHz.
  • the cable according to the invention can have a smaller footprint than a cable of known type, at equal speed, with equal attenuation, and with equal impedance.
  • This exemplary embodiment can be coated with an electrical screen of a conventional type, and it can be twisted like a conventional pair.
  • Alternative embodiments may consist in replacing the sheath 5 of extruded polyethylene by an insulating tape wound in a helix. It is possible to prevent the effect of the humidity of the air contained in the cavities between the turns of rods 1 and 4, by depositing in these cavities a small amount of a powder which swells while absorbing moisture, and which is conventionally used to protect, from humidity, the interior of coaxial cables comprising a solid dielectric having a helical shape.
  • the two embodiments described above only have one pair of conductors, but the scope of the invention is not limited to this type of cable.
  • To make a cable with four conductors it is within the reach of ordinary skill in the art to nest four conductors each provided with a rod of helical shape, the axes of the four conductors being preferably placed in a square. It is also possible to produce a multiconductor cable by placing conductors, each provided with a helical rod, so that the axes of the conductors are in the same plane.
  • this cable is similar to those of the cable described with reference to Figure 1, but the two rods do not rotate in the same direction and have different pitches. In addition, the steps are different from a multiple of each other, so that the two rods cannot overlap.
  • a turn of the rod 1 '' and a turn of the rod 4 '' are in contact at a point 6, while the neighboring turns are not in contact because of the difference in pitch .
  • the turns in contact are numerous enough to separate the two rods, and therefore the two conductors.
  • Figure 5 shows a sectional view of this third embodiment, in the direction of view VV.
  • the rods 1 '' and 4 '' each having a cross section which is circular, the width of the space which separates the conductors 2 '' and 3 '' is substantially equal to twice the diameter of this cross section. If we compare the linear capacity between the conductors of the third embodiment, and the linear capacity of the conductors of the first embodiment, the capacity is divided by 2, for identical conductors and rods having an identical diameter of their cross section.
  • the rod 22 is wound in the opposite direction to the direction of stranding of the conductors 21. Its function is to separate the conductors 21 from the screen 23 without the permittivity of the space between the conductors 21 and the screen 23 being very different that of air, unlike conventional solutions consisting in using polyester, polyethylene or polypropylene insulating tapes, solid or expanded.
  • Each conductor 21 can be isolated individually by a continuous sheath, made of polyethylene for example, but it can also be isolated by a rod of helical shape similar to those described above with reference to FIG. 1 and to FIG. 4. Many variants are within the reach of ordinary skill in the art, such as for example the use of a screen placed lengthwise, instead of a screen placed helically.
  • Figure 7 shows a sectional view of the third embodiment, in the direction of view VII VII. It shows that the rod 22 separates all of the conductors 21 of the screen 23 by a space whose width is substantially equal to the diameter of the cross section of the rod 22. As shown in these figures, the proportion of insulating material present between the conductors 21 and the screen 23 is low, therefore the average permittivity of this space remains close to that of air.
  • the cable By appropriately choosing the characteristics of the rod, or rods, it is possible to give the cable an average density of less than 1 so that the cable can float.

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Abstract

Un exemple de réalisation comporte : deux conducteurs nus parallèles (2, 3) en bronze; deux joncs isolants (1, 4) ayant une forme hélicoïdale à spires non jointives; les deux joncs étant imbriqués de telle sorte qu'ils maintiennent une distance prédéterminée entre les deux conducteurs (2, 3); une gaine de protection (5) isolante; Le pas de la forme hélicoïdale des joncs étant très supérieur au diamètre de leur section, le volume séparant les deux conducteurs (2, 3) est rempli majoritairement par de l'air, ce qui procure une permittivité réduite et donc une vitesse de propagation élevée. Application aux câbles de transmission de données pour machines informatiques. <IMAGE>

Description

  • L'invention concerne un câble électrique à vitesse de propagation élevée, tels que ceux utilisés pour transmettre des données d'une machine informatique à une autre. Pour réaliser un câble ayant une vitesse de propagation élevée, il est connu de réduire la capacité linéique existant entre deux conducteurs de ce câble, en augmentant la distance entre ces conducteurs et la distance entre ces conducteurs et l'écran; et en réduisant la valeur moyenne de la permittivité des diélectriques situés entre ces deux conducteurs tout au long du câble.
  • Il est connu de réduire la valeur moyenne de la permittivité du diélectrique séparant deux conducteurs d'un câble, en utilisant une matière plastique expansée. Par exemple, le polyéthylène a une permittivité de 2,28 lorsqu'il est massif et une permittivité réduite à 1,6 ou 1,5 lorsqu'il est expansé. Cependant les matériaux diélectriques expansés ont pour inconvénient une faible résistance mécanique qui provoque un déplacement relatif des conducteurs lorsque le câble est soumis à une flexion ou à une torsion. Ce déplacement provoque localement une altération des caractéristiques électriques du câble.
  • Par exemple, la demande de brevet européen n° 296 692 décrit un câble pour la transmission de données, comportant :
    • une âme isolante ayant une forme cylindrique et creusée de 4 sillons longitudinaux régulièrement répartis et spiralés;
    • 4 conducteurs nus placés dans ces sillons;
    • une première couche isolante entourant l'ensemble des conducteurs et de l'âme;
    • un écran métallique entourant la couche isolante;
    • et une seconde couche périphérique isolante protègeant mécaniquement l'ensemble du câble.
  • Ce câble est encombrant car l'âme isolante a un diamètre très supérieur au diamètre de chacun des 4 conducteurs. Elle maintient une distance prédéterminée entre les conducteurs, de façon à réduire la capacité linéique entre les conducteurs. L'âme et la première couche isolante peuvent être en polytétrafluoréthylène expansé.
  • Le but de l'invention est de proposer un câble présentant une vitesse de propagation élevée, sans avoir les inconvénients des câbles de types connus.
  • L'objet de l'invention est un câble électrique à vitesse de propagation élevée comportant une pluralité de conducteurs et des moyens pour maintenir une distance prédéterminée entre les dits conducteurs; caractérisé en ce que deux joncs isolants enserrant deux conducteurs voisins tournent dans le même sens et ont un même pas constant, et sont imbriqués, le jonc enserrant un conducteur étant en appui aussi contre l'autre conducteur.
  • L'objet de l'invention est en outre un câble caractérisé en ce que deux joncs isolants enserrant deux conducteurs voisins tournent en sens inverse et ont des pas différents, non multiples l'un de l'autre, de manière à ne jamais s'imbriquer.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres détails apparaîtront à l'aide de la description ci-dessous et des figures l'accompagnant :
    • la figure 1 montre un premier exemple de réalisation d'un câble selon l'invention;
    • la figure 2 montre une section de ce premier exemple de réalisation;
    • la figure 3 montre une section d'un second exemple de réalisation, qui est une variante du premier exemple;
    • la figure 4 représente un deuxième exemple de réalisation du câble selon l'invention;
    • la figure 5 représente une vue en coupe de ce deuxième exemple de réalisation;
    • la figure 6 représente un troisième exemple de réalisation du câble selon l'invention;
    • la figure 7 représente une vue en coupe de ce troisième exemple de réalisation.
  • Le premier exemple de réalisation, représenté sur la figure 1, comporte :
    • deux conducteurs nus parallèles, 2 et 3, en cuivre ou alliage conducteur, ayant une forme cylindrique, et de même diamètre;
    • deux joncs, 1 et 4, en polyéthylène extrudé, ayant chacun une forme hélicoïdale à spires non jointives, et tournant dans le même sens;
    • une gaine isolante et protectrice 5, en polyéthylène extrudé, recouvrant l'ensemble du câble, en ayant une épaisseur constante.
  • Les spires du jonc 1 et du jonc 4 enserrent respectivement les conducteurs 2 et 3. Chacun des joncs 3 et 4 est fabriqué à partir d'un jonc droit cylindrique à section circulaire qui est enroulé autour de l'un des conducteurs 2 ou 3. Chaque jonc 1 et 4 enserre donc l'un des conducteurs dans ces spires. Les deux joncs 1 et 4 sont enroulés avec un même pas qui est constant et qui est très supérieur au diamètre de la section de chaque jonc, de telle sorte que le volume libre entre les spires est très supérieur au volume occupé par les spires. Puis les conducteurs 2 et 3, enserrés dans les joncs 1 et 4, sont rapprochés en imbriquant les spires des joncs, de telle sorte que le jonc 1 enserrant le conducteur 2 est aussi en appui contre le conducteur 3. De même, le jonc 4 enserrant le conducteur 3 est aussi en appui contre le conducteur 2.
  • La figure 2 représente une section de cet exemple de réalisation, selon la direction de vue II II. Cette section montre que les deux conducteurs, 2 et 3, sont maintenus à une distance prédéterminée par le diamètre de la section du jonc 1 et du jonc 4. L'enveloppe géométrique de ces spires est représentée en pointillés. La distance entre les axes des conducteurs 2 et 3 est sensiblement égale à la somme du diamètre d'un conducteur et du diamètre de la section de chacun des joncs 1 et 4.
  • Le diamètre des joncs peut être choisi de façon à écarter les conducteurs, pour réduire la capacité linéique. Mais, surtout, ce type de câble permet de réduire la capacité linéique en réduisant la permittivité moyenne. Les spires des joncs 1 et 4 n'occupent qu'une faible portion du volume situé entre les deux conducteurs 2 et 3, le reste étant rempli d'air car la matière isolante constituant l'enveloppe 5 ne pénètre pas dans l'espace situé entre les spires. Par conséquent, la permittivité moyenne de ce volume est inférieure à celle du polyéthylène constituant les deux joncs.
  • Dans un exemple où le diamètre des conducteurs est de 0,65mm, le diamètre des joncs de 0,9mm, et le pas de 13,2mm, avec une couche périphérique 5 ayant une épaisseur nominale de 3mm, la permittivité moyenne obtenue est de 1,2 alors que celle du polyéthylène massif est de 2,28. L'impédance caractéristique est de 150 ohms pour des fréquences supérieures à 1 MHz. Réciproquement, le câble selon l'invention peut avoir un encombrement plus réduit qu'un câble de type connu, à vitesse égale, à atténuation égale, et à impédance égale.
  • Cette exemple de réalisation peut être revêtu d'un écran électrique d'un type classique, et il peut être torsadé comme une paire classique.
  • Des variantes de réalisation peuvent consister à remplacer la gaine 5 de polyéthylène extrudé par un ruban isolant enroulé en hélice. Il est possible de prévenir l'effet de l'humidité de l'air contenu dans les cavités entre les spires des joncs 1 et 4, en déposant dans ces cavités une petite quantité d'une poudre qui gonfle en absorbant l'humidité, et qui est utilisée classiquement pour protéger, de l'humidité, l'intérieur des câbles coaxiaux comportant un diélectrique solide ayant une forme hélicoïdale.
  • La figure 3 représente une section d'un second exemple de réalisation d'un câble selon l'invention, comportant :
    • deux conducteurs 11 et 13 protégés, de l'humidité, respectivement par deux couches isolantes, 10 et 12, en polyéthylène extrudé, ayant une faible épaisseur par rapport au diamètre de la section d'un jonc;
    • deux joncs 1' et 4' analogues aux joncs 1 et 4 décrits précédemment mais qui sont enroulés autour des couches 10 et 12 respectivement, au lieu d'être en contact direct avec les conducteurs 11 et 13;
    • une gaine isolante 5', analogue à la gaine 5, enveloppant l'ensemble du câble.
  • Les deux exemples de réalisation décrits précédemment ne comportent qu'une paire de conducteurs, mais la portée de l'invention n'est pas limitée à ce type de câble. Pour réaliser un câble à quatre conducteurs, il est à la portée de l'homme de l'art d'imbriquer quatre conducteurs munis chacun d'un jonc de forme hélicoïdale, les axes des quatre conducteurs étant placés préférentiellement en carré. Il est possible aussi de réaliser un câble multiconducteurs en plaçant des conducteurs, munis chacun d'un jonc de forme hélicoïdale, de telle sorte que les axes des conducteurs soient dans un même plan.
  • La figure 4 représente un deuxième exemple de réalisation du câble selon l'invention, qui comporte :
    • deux conducteurs nus parallèles, 2'' et 3'';
    • deux joncs 1'' et 4'', ayant chacun une forme hélicoïdale à spires non jointives;
    • une gaine isolante et protectrice 5'', recouvrant l'ensemble du câble en ayant une épaisseur constante.
  • Les éléments constitutifs de ce câble sont analogues à ceux du câble décrit en référence à la figure 1, mais les deux joncs ne tournent pas dans le même sens et ont des pas différents. En outre, les pas sont différents d'un multiple l'un de l'autre, de telle sorte que les deux joncs ne peuvent s'imbriquer. Dans l'exemple représenté sur la figure 4, une spire du jonc 1'' et une spire du jonc 4'' sont en contact en un point 6, alors que les spires voisines ne sont pas en contact à cause de la différence de pas. Les spires en contact sont suffisamment nombreuses pour écarter les deux joncs, et par conséquent les deux conducteurs.
  • La figure 5 montre une vue en coupe de ce troisième exemple de réalisation, selon la direction de vue VV. Les joncs 1'' et 4'' ayant chacun une section droite qui est circulaire, la largeur de l'espace qui sépare les conducteurs 2'' et 3'' est sensiblement égale à deux fois le diamètre de cette section droite. Si on compare la capacité linéique entre les conducteurs du troisième exemple de réalisation, et la capacité linéïque des conducteurs du premier exemple de réalisation, la capacité est divisée par 2, pour des conducteurs identiques et des joncs ayant un diamètre identique de leur section droite.
  • La figure 6 représente un troisième exemple de réalisation du câble selon l'invention, qui comporte :
    • une pluralité de conducteurs 21 isolés individuellement et toronnés;
    • un jonc isolant 22 de forme hélicoïdale et ayant une section droite qui est circulaire;
    • un écran électrique 23, constitué par exemple d'un ruban métallique enroulé en hélice;
    • et une gaine isolante 24 recouvrant et protégeant l'ensemble du câble.
  • Le jonc 22 est enroulé en sens opposé au sens de toronnage des conducteurs 21. Il a pour fonction de séparer les conducteurs 21 de l'écran 23 sans que la permittivité de l'espace entre les conducteurs 21 et l'écran 23 soit très différente de celle de l'air, contrairement aux solutions classiques consistant à utiliser des rubans isolants en polyester, polyéthylène, ou polypropylène, massifs ou expansés.
  • Chaque conducteur 21 peut être isolé individuellement par une gaine continue, en polyéthylène par exemple, mais il peut aussi être isolés par un jonc de forme hélicoïdale analogue à ceux décrits précédemment en référence à la figure 1 et à la figure 4. De nombreuses variantes sont à la portée de l'homme de l'art, telles que par exemple l'utilisation d'un écran posé en long, au lieu d'un écran posé en hélice.
  • La figure 7 représente une vue en coupe du troisième exemple de réalisation, selon la direction de vue VII VII. Elle montre que le jonc 22 sépare l'ensemble des conducteurs 21 de l'écran 23 par un espace dont la largeur est sensiblement égale au diamètre de la section droite du jonc 22. Comme le montre ces figures, la proportion de matière isolante présente entre les conducteurs 21 et l'écran 23 est faible, par conséquent la permittivité moyenne de cet espace reste proche de celle de l'air.
  • En choisissant convenablement les caractéristiques du jonc, ou des joncs, il est possible de donner au câble une densité moyenne inférieure à 1 pour que le câble puisse flotter.

Claims (6)

  1. Câble électrique à vitesse de propagation élevée, comportant une pluralité de conducteurs et des moyens pour maintenir une distance prédéterminée entre lesdits conducteurs;
       lesdits moyens comportant, autour d'au moins un conducteur (2, 3), un jonc isolant (1, 4) ayant une forme hélicoïdale à spires non jointives, dont l'axe longitudinal est confondu avec celui dudit conducteur, chaque spire enserrant ledit conducteur;
       caractérisé en ce que deux joncs isolants (1, 4) enserrant deux conducteurs voisins (2, 3) tournent dans le même sens et ont un même pas constant, et sont imbriqués, le jonc (1) enserrant un conducteur (2) étant en appui aussi contre l'autre conducteur (3).
  2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux joncs isolants (1'', 4'') enserrant deux conducteurs voisins (2'', 3'') tournent en sens inverse et ont des pas différents, non multiples l'un de l'autre, de manière à ne jamais s'imbriquer.
  3. Câble selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque conducteur (11, 12) qui est enserré par un jonc de forme hélicoïdale (1, 4), est muni d'une gaine isolante cylindrique (10, 12) dont l'axe de symétrie de révolution est confondu avec l'axe longitudinal dudit conducteur, ladite gaine entourant ledit conducteur et étant elle-même entourée par les spires dudit jonc isolant (1, 4).
  4. Câble selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une gaine isolante (5) enveloppant l'ensemble des joncs imbriqués (1, 4), et ayant une épaisseur constante.
  5. Câble selon l'une des revendications 1 ou 2, comportant un écran électrique (23) entourant une pluralité de conducteurs (21), caractérisé en ce qu'un jonc (22) entoure l'ensemble des conducteurs (21) et les sépare de l'écran électrique (13).
  6. Câble selon la revendication 5, caractérisé en ce que les conducteurs (20) sont isolés individuellement au moyen d'un jonc de forme hélicoïdale.
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