ES2278642T3

ES2278642T3 - Cable trenzado y metodo de fabricacion.

Info

Publication number: ES2278642T3
Application number: ES00982188T
Authority: ES
Inventors: Douglas E. Johnson; Tracy L. Anderson
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2020-11-21
Also published as: KR20030016398A; JP5551327B2; AU2001219251A1; WO2002007170A1; US6559385B1; CA2413187C; EP1301930A1; JP2013149621A; KR100721885B1; EP1301930B1; CN1224982C; DE60032948T2; CN1454386A; CA2413187A1; DE60032948D1; JP2004508660A

Abstract

Un cable trenzado, que comprende: una pluralidad de hilos frágiles, en la que dichos hilos frágiles están trenzados alrededor de un eje longitudinal común y en la que dichos hilos frágiles presentan una cantidad significativa de deformación de flexión elástica y medios adhesivos para mantener dicha deformación de flexión elástica de dichos hilos.

Description

Cable trenzado y método de fabricación.

Campo técnico

La presente invención se refiere en general a cables trenzados y a su método de fabricación. En particular, la invención se refiere a cables trenzados que comprenden hilos frágiles enrollados en espiral y a su método de fabricación. Dichos cables trenzados son útiles en cables de transmisión de energía y otras aplicaciones.

Antecedentes de la invención

El trenzado de cables es un procedimiento en que se combinan hilos individuales, típicamente en una disposición helicoidal, para producir un cable terminado. Véanse, por ej., las patentes de EE.UU. Nos. 5.171.942 y 5.554.826. El cable trenzado o cable metálico resultante proporciona una flexibilidad mucho mayor que lo que sería posible a partir de una varilla sólida de área transversal equivalente. La disposición trenzada también es beneficiosa debido a que el cable trenzado mantiene su conformación transversal redondeada completa cuando se somete al cable a flexión en la manipulación, instalación y uso. Dichos cables trenzados se usan en una variedad de aplicaciones tales como: cables izadores, cables para aviación y cables de transmisión de energía.

Dichos cables trenzados en espiral se producen típicamente a partir de metales tales como: acero, aluminio o cobre. En algunos casos, tales como cables de transmisión de energía aéreos, desnudos, el núcleo trenzado en espiral podía comprender un primer material tal como acero, por ejemplo, y la porción conductora de energía, externa, podía comprender otro material tal como aluminio, por ejemplo. En este caso, el núcleo puede ser un cable trenzado previamente usado como material de entrada para la fabricación del cable de transmisión de energía de diámetro más grande.

Los cables trenzados en espiral pueden comprender tan pocos como 7 hilos individuales para construcciones más comunes que contengan 50 o más hilos. Previamente a ser enrollados en espiral juntos, los hilos individuales se proporcionan en bobinas separadas que después se colocan en una serie de carros accionados por motor del equipo de trenzado. Típicamente, hay un carro para cada capa del cable trenzado terminado. Los hilos de cada capa se llevan juntos a la salida de cada carro y se disponen sobre el hilo central o sobre la capa precedente. Durante el procedimiento de trenzado de cables, el hilo central o el cable trenzado no terminado, intermedio, que tendrá una o más capas adicionales enrolladas a su alrededor, se saca por el centro de los diversos carros, añadiendo cada carro una capa al cable trenzado. Los hilos individuales que se tienen que añadir como una capa se sacan simultáneamente de sus respectivas bobinas mientras se están rotando alrededor del eje central del cable por el carro accionado por motor. Esto se hace en secuencia para cada capa deseada. El resultado es un cable trenzado en espiral que se puede cortar y manipular convenientemente sin pérdida de conformación o sin desmoronamiento. Se puede suponer este atributo pero es una característica extremadamente importante. El cable mantiene su disposición trenzada en espiral debido a que durante la fabricación, los hilos metálicos están sometidos a tensiones más allá de la tensión crítica del material de los hilos pero por debajo de la última o tensión de rotura. Esta tensión se imparte a medida que el hilo se enrolla en espiral alrededor del radio relativamente pequeño de la capa precedente o hilo central. Se imparten tensiones adicionales en la boquilla de cierre que aplica fuerzas radiales y esfuerzos de cizallamiento al cable durante la fabricación. Los hilos por lo tanto se deforman plásticamente y mantienen su conformación trenzada en espiral.

Se han introducido recientemente artículos de cable útiles a partir de materiales que son frágiles y así no se pueden deformar plásticamente fácilmente a una nueva conformación. Los ejemplos comunes de estos materiales incluyen materiales compuestos reforzados de fibra que son atractivos debido a sus propiedades mecánicas mejoradas en relación con metales pero son principalmente elásticos en su respuesta a la deformación por tensión. Se conocen en la técnica cables de material compuesto que contienen hilos de polímeros reforzados de fibra, como son cables de material compuesto que contienen hilos metálicos reforzados de fibra de cerámica, véase, por ej., la patente internacional WO 97/00976.

En el caso de hilos de matriz polimérica reforzados de fibra, los hilos individuales en el cable se pueden fijar térmicamente después de trenzado para mantener una disposición helicoidal. En dicha disposición, los cables enrollados en espiral no requieren ningún medio para mantener la disposición helicoidal. Por ejemplo, en la patente de EE.UU. Nº 5.126.167 se describe un procedimiento para la fabricación de un cable armado de plástico reforzado de fibra. En este procedimiento, se impregnan fibras reforzadas largas con una resina termoestable no curada y se forman en una conformación predeterminada para obtener una pluralidad de miembros similares a una varilla manteniéndose la resina termoestable no curada. Después se hacen pasar los miembros similares a una varilla, no curados, por una boquilla de un extrusor de masa fundida, por el que cada uno de los miembros similares a una varilla se recubre con una capa de resina termoplástica. Las capas recubiertas de los miembros similares a una varilla se enfrían inmediatamente para formar simultáneamente una pluralidad de hilos armados de plástico reforzado de fibra, manteniéndose la resina termoestable no curada. Los hilos armados así obtenidos se enrollan alrededor de un cable que se alimenta mientras se está rotando. El cable que se ha estado enrollando en los hilos se hace pasar por una porción de boquilla de un extrusor de masa fundida, por el que el cable está envuelto con una capa de resina termoestable que se enfría inmediatamente y solidifica. El cable envuelto se guía a un tanque de curado usando un líquido como un medio de calentamiento para curar la resina termoestable en los hilos armados.

Las cintas se envuelven alrededor de los cables trenzados por diversas razones: como cubierta eléctrica, como protección del medio ambiente tal como agua o humedad, como material eléctricamente aislante en particular en conductores subterráneos o aéreos aislados, como una capa con blindaje protector o como una capa térmicamente aislante para aplicaciones de alta temperatura. En la solicitud de patente japonesa HEI 3-12606 se explica un cable de energía aéreo que tiene plásticos reforzados de fibra ("FRP, por sus siglas en inglés") como el miembro de resistencia del núcleo. El fundamento de la solicitud '606 dice que se han sugerido previamente cables de plástico reforzados de fibra como un miembro de resistencia para cables de energía aéreos para incrementar la corriente y reducir el corrimiento, pero presenta las deficiencias de que el plástico reforzado de fibra presenta baja resistencia al calor y baja flexión y resistencia al impacto. La patente pretende superar estas limitaciones envolviendo un hilo de plástico reforzado de fibra con una cinta de metal o un recubrimiento resistente al calor. La solicitud '606 describe una realización en que se forma un revestimiento de metal hecho de una cinta de metal, alrededor del hilo de FRP. Se refiere que la cinta de metal actúa como una capa amortiguadora y para reducir la fragilidad del hilo de FRP en la flexión o bajo impacto. La solicitud '606 refiere que al mismo tiempo, se puede evitar eficazmente el deterioro térmico de la resina en el interior y se puede producir un cable de aluminio reforzado con FRP con fiabilidad a largo plazo. La solicitud '606 también propone una realización para proteger los hilos de plástico reforzados de fibra, individuales, envolviendo cada hilo de plástico con una cinta de metal (mostrado en la Figura 4) o recubriéndolo con un aglutinante resistente al
calor.

En la patente internacional WO 97/00976 se describe en una realización una disposición de hilos de material compuesto reforzados de fibra, que forma un núcleo. El núcleo está rodeado por una envoltura de hilos metálicos monolíticos que sirven como un conductor para un cable de transmisión de energía. Véanse las Figuras 2a y 2b de la publicación '976. Los hilos en el núcleo comprenden una matriz de metal de fibras de \alpha-Al_{2}O_{3} policristalino, encapsuladas dentro de una matriz de aluminio elemental sustancialmente puro o una aleación de aluminio elemental y hasta aproximadamente 2% de cobre. Estos hilos son frágiles y no son susceptibles de deformación plástica
significativa.

Sumario de la invención

Mientras muchos de los enfoques anteriores disfrutan de algún grado de éxito, es deseable mejorar además la construcción del núcleo trenzado en espiral y su método de fabricación. Por ejemplo, es deseable proporcionar un cable trenzado en espiral que incluya hilos frágiles. Es deseable proporcionar un medio conveniente para mantener la disposición helicoidal de los hilos frágiles previamente a la incorporación del núcleo en un artículo posterior tal como un cable de transmisión de energía. Dicho medio para mantener la disposición helicoidal no ha sido necesario en núcleos previos con hilos plásticamente deformables o con hilos que se puedan curar o fijar después de ser dispuestos en espiral.

En un aspecto, la presente invención proporciona un cable trenzado. El cable comprende una pluralidad de hilos frágiles en que los hilos frágiles están trenzados alrededor de un eje longitudinal común. Los hilos frágiles presentan una cantidad significativa de deformación de flexión elástica. El cable también incluye medios adhesivos para mantener la deformación de flexión elástica de los hilos. En una realización preferida, los medios adhesivos comprenden una cinta adhesiva envuelta alrededor de la pluralidad de hilos frágiles. La cinta adhesiva puede comprender un adhesivo sensible a la presión. En otra realización preferida, el medio de mantenimiento comprende un aglutinante. El aglutinante puede comprender un adhesivo sensible a la presión.

En otro aspecto, la presente invención proporciona una realización alternativa de un cable trenzado. El cable trenzado comprende una pluralidad de hilos frágiles trenzados alrededor de un eje longitudinal común. Los hilos frágiles presentan una cantidad significativa de deformación de flexión elástica. El cable trenzado también incluye medios de mantenimiento para mantener la deformación de flexión elástica de los hilos, en que el diámetro externo del cable trenzado incluyendo los medios de mantenimiento no es mayor que 110% del diámetro externo de la pluralidad de hilos frágiles trenzados excluyendo los medios de mantenimiento. En una realización preferida, los medios de mantenimiento comprenden una cinta envuelta alrededor de la pluralidad de hilos frágiles. Preferiblemente, la cinta comprende una cinta adhesiva. En otra realización preferida, los medios de mantenimiento comprenden un aglutinante adherido a la pluralidad de hilos frágiles. Preferiblemente, el aglutinante comprende un adhesivo sensible a la presión.

En cualquiera o en ambas de las dos realizaciones anteriores de cables trenzados, se pueden emplear las siguientes realizaciones:

En una realización preferida, los hilos frágiles comprenden cada uno un material compuesto de una pluralidad de fibras continuas en una matriz. La matriz comprende preferiblemente una matriz de metal. Más preferiblemente, la matriz de metal comprende aluminio y las fibras continuas comprenden \alpha-Al_{2}O_{3} policristalino.

En otra realización preferida, los hilos frágiles son continuos y tienen al menos 150 m de largo. Más preferiblemente, los hilos frágiles continuos tienen al menos 1.000 m de largo.

En otra realización preferida, los hilos frágiles presentan un diámetro de 1 mm a 4 mm.

En otra realización preferida, los hilos frágiles están trenzados en espiral para tener un factor de paso de 10 a 150.

En otra realización preferida, hay al menos 3 hilos frágiles trenzados. Más preferiblemente, el cable incluye un hilo central y los hilos frágiles trenzados se trenzan en una capa alrededor del hilo central. Aún más preferiblemente hay al menos dos capas de los hilos frágiles trenzados.

En otro aspecto, la presente invención proporciona un cable de transmisión de energía eléctrica que comprende un núcleo y una capa conductora alrededor del núcleo, en que el núcleo comprende cualquiera de los cables trenzados descritos anteriormente. En una realización preferida, el cable de transmisión de energía comprende al menos dos capas conductoras. En otra realización preferida, la capa conductora comprende una pluralidad de hilos conductores trenzados. En otra realización preferida, el cable de transmisión eléctrica comprende un cable de transmisión de energía eléctrica, aéreo.

En aún otro aspecto, la presente invención proporciona otra realización alternativa de un cable trenzado. El cable trenzado comprende una pluralidad de hilos frágiles. Los hilos frágiles están trenzados alrededor de un eje longitudinal común y presentan una cantidad significativa de deformación de flexión elástica. El cable trenzado también incluye un medio de mantenimiento para mantener la deformación de flexión elástica de los hilos. En esta realización, el cable trenzado no tiene capas conductoras de energía eléctrica alrededor de la pluralidad de hilos frágiles. Siempre que esta realización no tenga capas conductoras de energía eléctrica alrededor de la pluralidad de hilos frágiles, se puede emplear con esta realización cualquiera de las realizaciones preferidas descritas anteriormente.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se explicará además con referencia a las Figuras anexas, en las que las estructuras similares son referidas por números similares en todas las diversas vistas y en las que:

La Figura 1 es una vista desde un extremo de una primera realización de un cable trenzado de acuerdo con la presente invención, previa a la aplicación de un medio de mantenimiento alrededor de la pluralidad de hilos;

la Figura 2 es una vista lateral del cable trenzado de la Figura 1;

la Figura 3 es una vista lateral del cable trenzado de la Figura 2; con un medio de mantenimiento que comprende una cinta aplicada parcialmente al cable trenzado;

la Figura 4 es una vista desde un extremo del cable trenzado de la Figura 3;

la Figura 5 es una vista desde un extremo de una segunda realización de un cable trenzado de acuerdo con la presente invención; con una cinta alternativa aplicada a la pluralidad de hilos;

la Figura 6 es una vista desde un extremo de una tercera realización de un cable trenzado de acuerdo con la presente invención, con un aglutinante aplicado a la pluralidad de hilos;

la Figura 7 es una vista desde un extremo de una realización alternativa de un cable trenzado de acuerdo con la presente invención, previa a la aplicación de un medio de mantenimiento alrededor de la pluralidad de hilos y

la Figura 8 es una vista desde un extremo de una primera realización de un cable de transmisión eléctrica de acuerdo con la presente invención.

Descripción detallada de la invención

La presente invención proporciona un cable trenzado que incluye una pluralidad de hilos que soportan carga. Los hilos que soportan carga son frágiles, de manera que no se pueden deformar suficientemente durante los procedimientos de trenzado de cables convencionales de tal manera que se mantenga su disposición helicoidal. Por lo tanto, la presente invención proporciona medios para mantener la disposición helicoidal de los hilos en el cable trenzado. De esta manera, se puede proporcionar convenientemente el cable trenzado como un artículo intermedio o como un artículo final. Cuando se usa como artículo intermedio, se puede incorporar más tarde a un artículo final tal como un cable de transmisión de energía, aéreo.

Se usan ciertas terminologías en la descripción y las reivindicaciones que, mientras para la mayor parte son bien conocidas, pueden requerir alguna explicación. Se debería entender que, cuando se hace referencia a que un "hilo" es "frágil," esto significa que el hilo se romperá bajo carga de tracción con mínima deformación plástica. La terminología "elástico" cuando se usa para referirse a la deformación de un hilo, significa que el hilo volvería sustancialmente a su configuración no deformada, inicial, en la eliminación de la carga que causa la deformación. La terminología "flexión" cuando se usa para referirse a la deformación de un hilo incluye deformación de flexión bien bidimensional o tridimensional, tal como flexionar el hilo en espiral. Cuando se está haciendo referencia a que un hilo presenta deformación de flexión, esto no excluye la posibilidad de que el hilo también presente deformación como resultado de fuerzas de tracción y/o torsionales. Deformación de flexión elástica "significativa" quiere decir deformación de flexión que tiene lugar cuando se flexiona el hilo a un radio de curvatura hasta 10.000 veces el radio del hilo. Cuando se aplica a un hilo en sección transversal circular, esta deformación de flexión elástica significativa impartiría una deformación en la fibra externa del hilo de al menos 0,01%. Las terminologías "cableado" y "trenzado" se usan intercambiablemente, al igual que "cableado" y "trenzado."

La Figura 1 es una vista desde un extremo de una primera realización de un cable 10 trenzado de acuerdo con la presente invención, previa a la aplicación de un medio de mantenimiento alrededor de la pluralidad de hilos 12. Como se ilustra, el cable 10 trenzado incluye un hilo 12a central y una primera capa 13a de hilos 12 enrollados en espiral alrededor del hilo 12a central. En una realización preferida, cada uno de los hilos 12 frágiles comprende una pluralidad de fibras 14 continuas en una matriz 16, como se discutirá en más detalle más adelante. Los hilos 12 pueden estar trenzados o enrollados en espiral como se sabe en la técnica, en cualquier equipo de trenzado de cables adecuado, tales como trenzadores de cable planetarios disponibles de Cortinovis, Spa, de Bergamo, Italia y de Watson Machinery International, de Patterson, Nueva Jersey. La Figura 2 es una vista lateral del cable 10 trenzado de la Figura 1 en que se ve que los hilos 12 en la primera capa 13a están trenzados en espiral. Los hilos 12 frágiles trenzados están preferiblemente en una disposición helicoidal, aunque esto no se requiere.

La Figura 3 es una vista lateral del cable trenzado de la Figura 2, con un medio de mantenimiento que comprende una cinta 18 aplicada parcialmente al cable trenzado. La cinta 18 puede comprender un forro 20 con o sin una capa 22 adhesiva opcional. La cinta 18 se puede envolver de manera que cada envoltura sucesiva quede en contacto con la envoltura previa sin un hueco y sin superposición, como se ilustra en la Figura 3. Alternativamente, las envolturas sucesivas pueden estar espaciadas de manera que dejen un hueco entre cada envoltura o de manera que se superponga la envoltura previa. En una realización preferida, la cinta 18 se envuelve de manera que cada envoltura se superponga con la envoltura precedente por aproximadamente 1/3 a 1/2 del ancho de la cinta. Cuando la cinta 18 es un forro 20 sin adhesivo, los materiales adecuados para el forro 20 incluyen hojas de metal, en particular aluminio; poliéster y forros reforzados de vidrio; siempre que la cinta 18 sea suficientemente fuerte para mantener la deformación de flexión elástica y sea capaz de retener su configuración envuelta por sí misma o esté suficientemente restringida si es necesario. Un forro 20 preferido en particular es el aluminio. Dicho forro presenta preferiblemente un espesor entre 0,002 y 0,005 pulgadas (0,05 a 0,13 mm) y una anchura seleccionada basada en el diámetro del cable 10 trenzado. Por ejemplo, para un cable 10 trenzado con dos capas tal como se ilustra en la Figura 7 y con un diámetro de aproximadamente 0,5 pulgadas (1,3 cm), se prefiere una cinta de aluminio con una anchura de 1,0 pulgada (2,5 cm). La Figura 5 es una vista desde un extremo del cable trenzado de la Figura 3 en que la cinta 18 comprende un forro 20 sin adhesivo.

Alternativamente, la cinta 18 puede ser una cinta adhesiva que incluya forro 20 y adhesivo 22. En esta realización, los materiales adecuados para forro 20 incluyen cualquiera de los justo descritos, siendo un forro preferido un forro de aluminio con un espesor de entre 0,002 y 0,005 pulgadas (0,05 a 0,13 mm) y una anchura de 1,0 pulgada (2,54 cm). Los adhesivos sensibles a la presión adecuados incluyen adhesivos a base de (met)acrilato, adhesivos de poli(alfa olefina), adhesivos a base de copolímeros de bloque, adhesivos a base de caucho natural, adhesivos a base de silicona y adhesivos sensibles a la presión de masa fundida en caliente. Algunas cintas comercialmente disponibles, preferidas, incluyen las siguientes Cintas de Hoja de Metal disponibles de 3M Company: cinta 438, un forro de aluminio de 0,005 pulgadas (0,13 mm) de espesor con adhesivo acrílico y un espesor de cinta total de 0,0072 pulgadas (0,18 mm); cinta 431, un forro de aluminio de 0,0019 pulgadas de espesor (0,05 mm) con adhesivo acrílico y un espesor total de cinta de 0,0031 pulgadas (0,08 mm) y cinta 433, un forro de aluminio de 0,002 pulgadas de espesor (0,05 mm) con adhesivo de silicona y un espesor de cinta total de 0,0036 pulgadas (0,09 mm). Una cinta forrada de poliéster, adecuada, incluye Cinta de Poliéster 8402 disponible de 3M Company, con un forro de poliéster de 0,001 pulgadas de espesor (0,03 mm), un adhesivo a base de silicona y un espesor de cinta total de 0,0018 pulgadas (0,03 mm).

Cuando se usa la cinta 18 como medio de mantenimiento, bien con o sin adhesivo, la cinta se puede aplicar al cable trenzado con un aparato para envolver cinta convencional, como se sabe en la técnica. Las máquinas de cinta adecuadas incluyen las disponibles de Watson Machine, International, Patterson, Nueva Jersey, tales como Cabezal Concéntrico para Encintar, modelo número CT-300. La estación de envoltorio total de cinta está colocada a la salida del aparato de trenzado de cables y se aplica a los hilos 12 trenzados en espiral previamente a que se esté enrollando al cable 10 sobre un carrete tensor. La cinta 18 se selecciona de manera que se mantenga la disposición trenzada de los hilos 12 deformados elásticamente.

En una realización alternativa, se puede aplicar un aglutinante 24 al cable 10 trenzado para mantener los hilos 12 en su disposición trenzada. Los aglutinantes adecuados incluyen composiciones de adhesivo sensible a la presión que comprenden uno o más homopolímeros, copolímeros, terpolímeros y tetrapolímeros, de poli(alfa olefina), procedentes de monómeros que contienen 6 a 20 átomos de carbono y agentes de reticulación fotoactivos, como se describe en la patente de EE.UU. Nº 5.112.882 (Babu et al.). El curado por radiación de estos materiales proporciona películas de adhesivo con un equilibrio ventajoso de propiedades de despegue y adhesivas de cizallamiento. Alternativamente, el aglutinante 24 puede comprender materiales termoestables, incluyendo pero no limitándose a resinas epoxídicas. Para algunos aglutinantes, es preferible extruir o de otro modo recubrir el aglutinante 24 en el cable 10 trenzado mientras los hilos están saliendo de la máquina de cableado, como se discutió anteriormente. Alternativamente, se puede aplicar el aglutinante 24 en forma de un adhesivo suministrado como una cinta de transferencia. En este caso, el aglutinante 24 se aplica a una lámina de transferencia o de liberación. La lámina de liberación se envuelve alrededor de los hilos 12 del cable 10 trenzado. Después se retira el forro, dejando la capa de adhesivo detrás como el aglutinante 24.

La Figura 7 ilustra aún otra realización del cable 10 trenzado. En esta realización, el cable trenzado incluye un hilo 12a central y una primera capa 13a de hilos que se han trenzado en espiral alrededor del hilo 12a central. Esta realización incluye además una segunda capa 13b de hilos 12 que se han enrollado en espiral alrededor de la primera capa 13a. Esta disposición también se puede cablear o enrollar en máquinas de trenzado de cables convencionales, como se sabe en la técnica. Se puede incluir cualquier número adecuado de hilos 12 en cualquier capa. Además, se pueden incluir más de dos capas en el cable 10 trenzado si se desea. En cables 10 multicapa, cada capa puede estar trenzada en la dirección bien a la derecha o a la izquierda, independientemente de la dirección de otras capas. En una realización preferida de dos capas, las capas están trenzadas en direcciones opuestas. Se puede usar cualquiera de los medios de mantenimiento de la cinta o el aglutinante descritos anteriormente, con la realización de la Figura 7. Además, se puede aplicar un adhesivo alrededor de cada capa o entre cualquier capa adecuada como se desee.

En una realización preferida, los medios de mantenimiento no se añaden significativamente al diámetro total del cable 10 trenzado. Preferiblemente, el diámetro externo del cable trenzado incluyendo los medios de mantenimiento no es mayor que 110% del diámetro externo de la pluralidad de hilos 12 trenzados excluyendo los medios de mantenimiento, más preferiblemente no mayor que 105% y lo más preferiblemente no mayor que 102%.

Se reconocerá que los hilos 12 frágiles presentan una cantidad significativa de deformación de flexión elástica cuando se trenzan en equipo de cableado convencional. Esta deformación de flexión elástica significativa causaría que los hilos volvieran a su conformación no trenzada o no flexionada si no hubiera un medio de mantenimiento para mantener la disposición helicoidal de los hilos. Por lo tanto, los medios de mantenimiento se seleccionan de manera que se mantenga la deformación de flexión elástica significativa de los hilos 12 frágiles.

Debido a que los hilos 12 son frágiles, no toman una deformación plástica durante la operación de cableado, que sería posible con hilos dúctiles. Por ejemplo, en disposiciones de la técnica anterior incluyendo hilos dúctiles, se podía llevar a cabo el procedimiento de cableado convencional de manera que se deformaran plásticamente permanentemente los hilos 12 en su disposición helicoidal. La presente invención permite el uso de hilos 12 frágiles que puedan proporcionar características deseadas superiores comparado con hilos no frágiles convencionales. Los medios de mantenimiento permiten que el cable 10 trenzado se manipule convenientemente como un artículo final o se manipule convenientemente antes de que se incorpore en un artículo final posterior.

Una realización preferida para los hilos 12 frágiles comprende una pluralidad de fibras 14 continuas en una matriz 16. En una realización preferida, la matriz comprende una matriz de metal. Preferiblemente, la matriz de metal comprende aluminio. Una fibra preferida comprende \alpha-Al_{2}0_{3} policristalino. Estas realizaciones preferidas para los hilos 12 frágiles presentan preferiblemente una tensión de tracción a la rotura de al menos 0,4%, más preferiblemente al menos 0,7%.

Otros hilos frágiles que se podían usar con la presente invención incluyen hilos de material compuesto de carburo de silicio/aluminio; hilos de material compuesto de carbono/aluminio; hilos de material compuesto de carbono/resina epoxídica e hilos de material compuesto de vidrio/resina epoxídica.

La presente invención se lleva a cabo preferiblemente de manera que se proporcionen cables trenzados muy largos. También es preferible que los hilos 12 frágiles dentro del cable 10 trenzado, mismos, sean continuos por toda la longitud del cable trenzado. En una realización preferida, los hilos 12 frágiles son continuos y tienen al menos 150 metros de largo. Más preferiblemente, los hilos 12 frágiles son continuos y tienen al menos 250 metros de largo, más preferiblemente al menos 500 metros, aún más preferiblemente al menos 750 metros y lo más preferiblemente al menos 1.000 metros de largo en el cable 10 trenzado.

Mientras se puede usar cualquier hilo frágil de tamaño adecuado, se prefiere para muchas realizaciones y muchas aplicaciones que los hilos 12 frágiles presenten un diámetro de 1 mm a 4 mm, sin embargo se pueden usar hilos 12 más grandes o más pequeños.

En una realización preferida, el cable 10 trenzado incluye una pluralidad de hilos 12 frágiles trenzados que están trenzados en espiral para presentar un factor de paso de 10 a 150. El "factor de paso" de un cable trenzado se determina dividiendo la longitud del cable trenzado en que un hilo 12 único completa una revolución helicoidal dividido por el exterior nominal del diámetro de la capa que incluye ese torón. Preferiblemente, hay al menos tres de dichos hilos 12 trenzados en espiral. Más preferiblemente, el cable trenzado incluye además un hilo 12a central y los hilos frágiles trenzados se enrollan alrededor de ese hilo central. Como se ve en las Figuras 1-6, puede ser una única capa 13a de hilos 12 enrollados en espiral alrededor del hilo 12a central. Alternativamente, como se ilustra en la Figura 7, puede ser una primera capa 13a y una segunda capa 13b enrolladas cada una en espiral alrededor del hilo 12a central. En una realización preferida, cada uno de los hilos 12 son de la misma construcción y conformación, sin embargo esto no se requiere. Además, el cable 10 trenzado puede incluir más de dos capas trenzadas de hilos.

Como se describió anteriormente, los hilos 12 frágiles se deforman elásticamente durante el procedimiento de cableado. Es posible incluir también dentro del cable 10 trenzado uno o más hilos deformados plásticamente o permanentemente de una composición diferente que los hilos 12 frágiles, tal como un hilo de metal dúctil.

Cuando se seleccionan los medios de mantenimiento para el uso en el cable 10 trenzado, se debería conseguir suficiente resistencia para mantener la disposición trenzada, como se describió anteriormente. Además, la aplicación deseada para el cable 10 trenzado puede sugerir que ciertos medios de mantenimiento sean más adecuados para la aplicación. Por ejemplo, cuando se usa el cable 10 trenzado como un núcleo en un cable de transmisión de energía, se debería seleccionar bien el aglutinante 24 o la cinta 18 de manera que no afecte adversamente al cable de transmisión a las temperaturas y otras condiciones experimentadas en esta solicitud. Cuando se usa una cinta 18 adhesiva se debería seleccionar tanto el adhesivo 22 como el forro 20 para que sean adecuados para la aplicación deseada.

Mientras la presente invención se puede practicar con cualquier hilo 12 frágil adecuado, una realización preferida de hilo 12 es un hilo de material compuesto de matriz de aluminio reforzada de fibra. Los hilos 12 de material compuesto de matriz de aluminio reforzada de fibra, comprenden preferiblemente fibras 14 continuas de \alpha-Al_{2}O_{3} policristalino, encapsuladas dentro de una matriz 16 de bien aluminio elemental sustancialmente puro o una aleación de aluminio puro con hasta aproximadamente 2% en peso de cobre, basado en el peso total de la matriz. Las fibras 14 preferidas comprenden granos equiáxicos menores que aproximadamente 100 nm de tamaño y un diámetro de fibra en el intervalo de aproximadamente 1-50 micrómetros. Se prefiere un diámetro de fibra en el intervalo de aproximadamente 5-25 micrómetros, siendo lo más preferido un intervalo de aproximadamente 5-15 micrómetros. Los materiales de material compuesto preferidos de acuerdo con la presente invención presentan una densidad de fibra de entre aproximadamente 3,90-3,95 gramos por centímetro cúbico. Entre las fibras preferidas están las conocidas a partir de la patente de EE.UU. Nº 4.954.462 (Wood et al., cedida a Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, MN). Las fibras preferidas están disponibles comercialmente bajo la denominación comercial fibras a base de alfa alúmina "NEXTEL 610" de 3M Company, St. Paul, MN. La matriz 16 de encapsulamiento se selecciona para que no reaccione químicamente significativamente con el material 14 de fibra (es decir, sea relativamente inerte químicamente con respecto al material de fibra, eliminándose de ese modo la necesidad de proporcionar un recubrimiento protector en el exterior de la fibra.

Como se usa en la presente memoria, la terminología "policristalino" quiere decir un material que tiene predominantemente una pluralidad de granos cristalinos en que el tamaño de grano es menor que el diámetro de la fibra en que están presentes los granos. Se desea que la terminología "continua" quiera decir una fibra 14 con una longitud que sea relativamente infinita cuando se compara con el diámetro de la fibra. En términos prácticos, dichas fibras presentan una longitud del orden de aproximadamente 15 cm a al menos varios metros y pueden incluso tener longitudes del orden de kilómetros o más.

En las realizaciones preferidas de hilo 12, se ha mostrado que el uso de una matriz 16 que comprenda bien aluminio elemental sustancialmente puro o una aleación de aluminio elemental con hasta aproximadamente 2% en peso de cobre, basado en el peso total de la matriz, produce hilos con éxito. Como se usa en la presente memoria las terminologías "aluminio elemental sustancialmente puro", "aluminio puro" y "aluminio elemental" son intercambiables y se desea que quieran decir aluminio que contenga menos de aproximadamente 0,05% en peso de impurezas.

La infiltración de la matriz 16 en el haz 14 de filamentos de fibra se puede llevar a cabo por el uso de una fuente de energía ultrasónica como un auxiliar de infiltración de la matriz. Por ejemplo, en la patente de EE.UU. Nº 4.779.563 (Ishikawa et al., cedida a Agency of Industrial Science and Technology, Tokyo, Japón), se describe el uso de un aparato de vibración de ondas ultrasónicas para el uso en la producción de hilos preformados, láminas o cintas de materiales compuestos de metal reforzados de fibra de carburo de silicio. Se proporciona la energía de ondas ultrasónicas a las fibras vía un vibrador con un transductor y una "bocina" ultrasónica sumergida en el material de la matriz fundida en la proximidad de las fibras. La bocina se fabrica preferiblemente de un material con poca solubilidad, si hay, en la matriz fundida para evitar de ese modo la introducción de contaminantes en la matriz. En el caso presente, se ha encontrado que las bocinas de niobio comercialmente puro o de aleaciones de 95% de niobio y 5% de molibdeno, producen resultados satisfactoriamente. El transductor usado con ellas comprende típicamente titanio.

En una realización preferida, los hilos 12 comprenden entre aproximadamente 30-70% en volumen de fibras 14 de \alpha-Al_{2}O_{3} policristalino, basado en el volumen total de hilos 12 de material compuesto dentro de una matriz 16 de aluminio sustancialmente elemental. Se prefiere que la matriz 16 contenga menos de aproximadamente 0,03% en peso de hierro y lo más preferiblemente menos de aproximadamente 0,01% en peso de hierro, basado en el peso total de la matriz. Se prefiere un contenido en fibra de entre aproximadamente 40-60% de fibras de \alpha-Al_{2}O_{3} policristalino. Se ha encontrado que dichos hilos 12, formados con una matriz 16 con un límite elástico menor que aproximadamente 20 MPa y fibras 14 con una tensión de tracción longitudinal de al menos aproximadamente 2,8 GPa presentan excelentes características de resistencia.

La matriz 16 también puede estar formada de una aleación de aluminio elemental con hasta aproximadamente 2% en peso de cobre, basado en el peso total de la matriz. Como en la realización en que se usa una matriz de aluminio elemental sustancialmente puro, los hilos 12 de material compuesto con una matriz de aleación de aluminio/cobre comprenden preferiblemente entre aproximadamente 30-70% en volumen de fibras 14 de \alpha-Al_{2}O_{3} policristalino y más preferiblemente de allí aproximadamente 40-60% en volumen de fibras 14 de \alpha-Al_{2}O_{3} policristalino, basado en el volumen total del material compuesto. Además, la matriz 16 contiene preferiblemente menos de aproximadamente 0,03% en peso de hierro y lo más preferiblemente menos de aproximadamente 0,01% en peso de hierro basado en el peso total de la matriz. La matriz de aluminio/cobre presenta preferiblemente un límite elástico menor que aproximadamente 90 MPa y como anteriormente, las fibras de \alpha-Al_{2}O_{3} policristalino presentan una tensión de tracción longitudinal de al menos aproximadamente 2,8 GPa.

Se forman hilos 12 preferiblemente a partir de fibras 14 de \alpha-Al_{2}O_{3} policristalino, sustancialmente continuas, contenidas dentro de la matriz 16 de aluminio elemental sustancialmente puro o la matriz formada de la aleación de aluminio elemental y hasta aproximadamente 2% en peso de cobre, descrito anteriormente. Dichos hilos se preparan en general por un procedimiento en que un carrete de fibras 14 de \alpha-Al_{2}O_{3} policristalino, sustancialmente continuas, dispuestas en un torón de fibras, se saca por un baño de material 16 de matriz fundida. El segmento resultante se solidifica después, proporcionando de ese modo fibras encapsuladas dentro de la matriz. Se prefiere que una bocina ultrasónica, como se describió anteriormente, se baje en el baño de la matriz fundida y se use para ayudar a la infiltración de la matriz en los torones de fibras.

Se describen hilos adecuados, por ejemplo, en la publicación de la solicitud de patente internacional Número WO 97/00976 y en la solicitud de patente de EE.UU. Nº de Serie 09/616.589, certificado del abogado número 55675USA1A, titulada Method Of Making Metal Matrix Composites, presentada en igual fecha con esta; solicitud de patente de EE.UU. Nº de Serie 09/616.594, certificado del abogado número 55673USA4A, titulada Metal Matrix Composite Wires, Cables, and Method, presentada en igual fecha con esta; solicitud de patente de EE.UU. Nº de Serie 09/616.593, certificado del abogado número 55787USA3A, titulada Metal Matrix Composite Wires, Cables, and Method, presentada en igual fecha con esta y solicitud de patente de EE.UU. Nº de Serie 60/218.347, certificado del abogado número 55795USA89, titulada Metal Matrix Composites and Method, presentada en igual fecha con esta.

Los cables 10 trenzados de la presente invención son útiles en numerosas aplicaciones. Se cree que dichos cables 10 trenzados son particularmente deseables para el uso en cables 30 de transmisión de energía, aéreos, debido a su combinación de peso bajo, alta resistencia, buena conductividad eléctrica, bajo coeficiente de expansión térmica, altas temperaturas de uso y resistencia a la corrosión.

El porcentaje en peso de hilos 12 dentro del cable de cable 30 de transmisión dependerá del diseño de la línea de transmisión. En el cable 30 de transmisión, los hilos 36 conductores de aluminio o de aleación de aluminio pueden ser cualesquiera de los diversos materiales conocidos en la técnica de transmisión de energía aérea, incluyendo, pero no limitándose a, 1350 Al (ASTM B609-91), 1350-H19 Al (ASTM B230-89) o 6201 T-81 Al (ASTM B399-92).

Una vista desde un extremo de una realización preferida de dicho cable de transmisión de energía se ilustra en la Figura 8. Dicho cable de transmisión incluye un núcleo 32 que puede ser cualquiera de los cables trenzados descritos en la presente memoria. El cable 30 de transmisión de energía también incluye al menos una capa 34 conductora alrededor de dicho cable 10 trenzado. Como se ilustra, el cable de transmisión de energía incluye dos capas 34a y 34b conductoras. Se pueden usar más capas conductoras como se desee. Preferiblemente, cada capa 34 conductora comprende una pluralidad de hilos 36 conductores, como se sabe en la técnica. Los materiales adecuados para los hilos conductores incluyen aluminio y aleaciones de aluminio. Los hilos conductores se pueden cablear alrededor del núcleo 32 trenzado por equipo de trenzado de cables adecuado, como se conoce en la técnica. Para una descripción de cables y procedimientos de transmisión de energía eléctrica, adecuados, en que se pueda usar el cable trenzado de la presente invención, véase, por ejemplo, Standard Specification for Concentric Lay Stranded Aluminum Conductors, Coated, Steel Reinforced (ACSR) ASTM B232-92 o las patentes de EE.UU. Nos. 5.171.942 y 5.554.826. Una realización preferida del cable de transmisión de energía eléctrica es un cable de transmisión de energía eléctrica, aéreo. En estas aplicaciones se deberían seleccionar los materiales para los medios de mantenimiento para el uso a temperaturas de al menos 100ºC o 240ºC o 300ºC, dependiendo de la aplicación. Por ejemplo, los medios de mantenimiento no deberían corroer la capa conductora de aluminio o desprender gases no deseados o debilitar de otro modo el cable de transmisión a las temperaturas previstas durante su uso.

En otras aplicaciones en que se tiene que usar el cable trenzado como un artículo final mismo o en que se tiene que usar como un artículo o componente intermediario en un artículo posterior diferente, se prefiere que el cable trenzado no tenga capas conductoras de energía eléctrica alrededor de la pluralidad de hilos 12 frágiles.

El uso de la presente invención se describirá además con respecto a los siguientes ejemplos detallados. Estos ejemplos se ofrecen para ilustrar además las diversas realizaciones y técnicas específicas y preferidas.

Ejemplo 1

Se preparó un cable 10 trenzado envuelto con cinta 18 de hoja de aluminio como sigue. El cable se trenzó en equipo de trenzado comercialmente disponible, como se conoce en la técnica. Ciertos parámetros del cable 10 trenzado se señalan en la Tabla 1. Los hilos 12 de material compuesto incluyeron treinta y dos fibras 14 a base de alfa alúmina comercialmente disponibles bajo la denominación comercial "Nextel 610" de the 3M Company, St. Paul, MN, en una matriz 16 de aluminio de alta pureza. Los hilos 12 se tomaron de una serie de hilos que se midió que tenían las siguientes características medias: carga para rotura de 673 kg (1.484 lbs.), deformación a la rotura de 0,0062, fracción en volumen de fibra de 50% y un diámetro del hilo de 0,101 pulgadas (2,57 mm). Los hilos 12 en el cable 10 fueron continuos y no rotos. El cable 10 presentaba un hilo 12 en el centro, seis hilos 12 en la primera capa con un paso a la izquierda y doce hilos 12 en la segunda capa con un paso a la derecha (en general como se ilustra en la Figura 7).

El cable 10 se envolvió con cinta adhesiva usando equipo para Encintar comercialmente disponible, Cabezal Concéntrico para Encintar, modelo 300 de Watson Machine International. La cinta 18 era cinta de hoja de aluminio que tenía un adhesivo 22 acrílico sensible a la presión, disponible bajo la denominación comercial "Aluminum Foil Tape 438" de 3M Company. El forro 20 de la cinta tenía 0,005 pulgadas (0,13 mm) de espesor. El espesor total de la cinta 18 fue 0,0072 pulgadas (0,18 mm). La cinta 18 tenía una anchura de 1 pulgada (2,54 cm). La envoltura de la cinta se superpuso siendo una anchura de la superposición aproximadamente 1/3 de la anchura de la cinta.

Ejemplo 2

Se preparó un cable 10 trenzado con un aglutinante 24 como medio de mantenimiento como sigue. Ciertos parámetros del cable 10 se señalan en la Tabla 1. El ejemplo 2 se hizo en general de acuerdo con el Ejemplo 1, excepto el aglutinante 24 más bien que la cinta 18 y con otras diferencias como se señala en la Tabla 1. El aglutinante 24 adhesivo era un adhesivo de poli(alfa olefina) de poliocteno, pegajoso, similar al descrito en la patente de EE.UU. Nº 5.112.882 (Babu et al.). Una capa de espesor de 0,020 pulgadas (0,51 mm) del adhesivo se recubrió en un papel para transferencia. El papel para transferencia se cortó en tiras de aproximadamente 0,5 pulgadas (1,27 cm) de ancho y se envolvieron alrededor de la primera capa de hilos 12 previamente al trenzado de la segunda capa de doce hilos 12 alrededor del aglutinante 24 y la primera capa de hilos 12. Se estimó que la cantidad de adhesivo era suficiente para rellenar los espacios entre los hilos 12.

Ejemplo 3

Se trenzaron hilos 34 conductores de aluminio sobre el cable 10 unido de manera adhesiva del Ejemplo 2 para producir un cable 30 de transmisión de energía. Los hilos 36 conductores fueron aluminio 1350 H19 que presenta una conductividad de 61,2% ICAS (especificación ASTM B230 -89).

Ejemplo 4

Un cable 10 trenzado con una cinta 24 de aluminio como medio de mantenimiento se preparó en general de acuerdo con el Ejemplo 1, excepto como sigue. El cable 10 se envolvió con cita adhesiva usando equipo para encintar. La cinta 18 era cinta de hoja de aluminio que tenía un adhesivo 22 acrílico sensible a la presión, disponible bajo la denominación comercial "Aluminum Foil Tape 431" de 3M Company. El forro 20 de cinta tenía un espesor de 0,0019 pulgadas (0,05 mm). El espesor total de la cinta 18 fue 0,0031 pulgadas (0,08 mm). La cinta 18 tenía una anchura de 1 pulgada (2,54 cm). La envoltura de la cinta se superpuso siendo una anchura de superposición 1/2 de la anchura de la cinta.

Ejemplo 5

Se trenzaron hilos 34 conductores de aluminio sobre el cable 10 envuelto de cinta del Ejemplo 4 para producir un cable 30 de transmisión de energía. Se preparó el Ejemplo 5 en general de acuerdo con el Ejemplo 3, excepto la construcción del núcleo de cable trenzado.

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TABLA 1 Cable 10 trenzado

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TABLA 2 Cable 30 de Transmisión de Energía

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La presente invención se ha descrito ahora con referencia a diversas realizaciones de la misma. La descripción detallada y los ejemplos anteriores se han dado sólo para claridad de entendimiento. No se tienen que entender limitaciones innecesariamente de la misma. Será evidente para los expertos en la materia que se pueden hacer muchos cambios en las realizaciones descritas sin apartarse del alcance de las reivindicaciones. Así, no se debería limitar el alcance de la presente invención a los detalles y estructuras exactos descritos en la presente memoria, sino más bien por las estructuras descritas en las reivindicaciones.

Claims

1. Un cable trenzado, que comprende:

una pluralidad de hilos frágiles, en la que dichos hilos frágiles están trenzados alrededor de un eje longitudinal común y en la que dichos hilos frágiles presentan una cantidad significativa de deformación de flexión elástica y

medios adhesivos para mantener dicha deformación de flexión elástica de dichos hilos.

2. El cable trenzado según la reivindicación 1, en el que dichos medios adhesivos comprenden una cinta adhesiva envuelta alrededor de dicha pluralidad de hilos frágiles.

3. El cable trenzado según la reivindicación 2, en el que dicha cinta adhesiva comprende un adhesivo sensible a la presión.

4. Un cable trenzado, que comprende:

medios de mantenimiento para mantener dicha deformación de flexión elástica de dichos hilos, en los que el diámetro externo de dicho cable trenzado incluyendo dichos medios de mantenimiento no es mayor que 110% del diámetro externo de dicha pluralidad de hilos frágiles trenzados excluyendo dichos medios de mantenimiento.

5. Un cable de transmisión de energía eléctrica que comprende un núcleo y una capa conductora alrededor de dicho núcleo, en el que dicho núcleo comprende dicho cable trenzado según cualquiera de las reivindicaciones 1-4.

6. El cable de transmisión de energía eléctrica según la reivindicación 5, en el que dicho cable de transmisión eléctrica comprende un cable de transmisión de energía eléctrica, aéreo.

7. Un cable trenzado, que comprende:

medios de mantenimiento para mantener dicha deformación de flexión elástica de dichos hilos; en los que dicho cable trenzado no tiene capas conductoras de energía eléctrica alrededor de dicha pluralidad de hilos frágiles.

8. El cable trenzado según cualquiera de las reivindicaciones 4 ó 7, en el que dichos medios de mantenimiento comprenden una cinta envuelta alrededor de dicha pluralidad de hilos frágiles.

9. El cable trenzado según la reivindicación 8, en el que dicha cinta comprende una cinta adhesiva.

10. El cable trenzado según cualquiera de las reivindicaciones 1, 4 ó 7, en el que dichos medios de mantenimiento comprenden un aglutinante.

11. El cable trenzado según la reivindicación 10, en el que dicho aglutinante comprende un adhesivo sensible a la presión.

12. El cable trenzado según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en el que dichos hilos frágiles comprenden cada uno un material compuesto de una pluralidad de fibras continuas en una matriz.

13. El cable trenzado según la reivindicación 12, en el que dicha matriz comprende una matriz de metal.

14. El cable trenzado según la reivindicación 13, en el que dicha matriz de metal comprende aluminio y dichas fibras continuas comprenden \alpha-Al_{2}0_{3} policristalino.

15. El cable trenzado según cualquiera de las reivindicaciones 1-14, en el que dichos hilos frágiles son continuos y tienen al menos 150 m de largo.

16. El cable trenzado según cualquiera de las reivindicaciones 1-15, en el que dichos hilos frágiles presentan un diámetro de 1 mm a 4 mm.

17. El cable trenzado según cualquiera de las reivindicaciones 1-16, en el que dichos hilos frágiles están trenzados en espiral para presentar un factor de paso de 10 a 150.

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18. El cable trenzado según cualquiera de las reivindicaciones 1-17, en el que hay al menos 3 hilos frágiles trenzados.

19. El cable trenzado según la reivindicación 18, incluyendo además un hilo central, en el que dichos hilos frágiles trenzados están trenzados alrededor de dicho hilo central.

20. El cable trenzado según la reivindicación 19, en el que hay al menos dos capas de dichos hilos frágiles trenzados.