成型绝缘局域网电缆的制作方法

专利名称：成型绝缘局域网电缆的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如LAN(局域网)电缆的电缆的绝缘。尤其是，本发明涉及电缆的成型绝缘，其具有更低的有效介电常数。
背景技术：
在电缆领域，例如LAN电缆，使用特定的普通绝缘体来形成绞合对的绝缘和外护套。通常使用的聚合物包括FEP(氟化乙丙烯)和PE(聚乙烯)。虽然这些绝缘提供了满足防火标准所需的良好的阻燃性，例如UL提升器(riser)和UL压力通风等级(plenum ratings)，但是它们具有相对高的介电常数，会在沿着电缆传输的信号中产生插入损失。
在现有技术中，用于减小绝缘体的介电常数的一个方法是在挤压(extrusion)过程中在聚合物绝缘中引入空气或气体以使绝缘层发泡。典型地，绝缘(介质)的化学发泡或物理发泡用来减小材料和改进数字通信电缆的传输性能。然而，发泡过程有多种限制。
典型地，介质的物理发泡包括在挤压机中在受热和受压下，在熔融聚合物中注入惰性气体例如氮气或二氧化碳。气体注入挤压机中螺杆的低压区域并被熔融的聚合物吸收。在熔融的聚合物中溶解时，气体经过挤压机流动直到聚合物离开挤压机。一旦在聚合物中捕获的气体暴露于大气压力，其就在成核点处结合并在绝缘中发泡。这个过程需要其它的设备例如将气体以临界速度注入聚合物中的气体加压单元，例如多级螺杆的复杂螺杆设计以及具有气体注入口的挤压桶。
还可使用不需要其它设备的化学发泡来在介质中产生气泡。然而，化学发泡不如物理发泡那样频繁地使用，因为该方法在加工过程中具有固有的缺点。化学发泡是通过在主要聚合物中以给定比例混合许多添加剂来进行的。典型地，将“成核剂”例如氮化硼加到主要聚合物中以提供气泡的形成点和生长点。使用或不使用位于挤压螺杆上的混合成分都可将成核剂分布到聚合物中。在聚合物中可以利用的点的数量的增加使得可以在更多地方开始发泡。另外，其它化学品混合到聚合物中以产生气体。这些添加剂，公知的是作为“发泡剂”与成核剂同时混合。发泡剂的熔点可以比主要聚合物的熔点低很多，这样，一旦材料达到给定温度，它就降解并在熔融体内产生气体(蒸汽)。该来自降解材料的蒸汽在最近的成核位置处形成气泡。化学发泡和气体注入挤压线路很难控制并且运行缓慢、产量低。
另外一个减小导体中介电常数的方法是只在围绕导体的绝缘中形成空腔。然而，现有技术在这个区域，尤其是对于绞合对中的每个单个导体的绝缘进行了尝试，结果不令人满意。例如，美国专利No.5,922,155示出了为同轴电缆提供的绝缘。这里，绝缘体被挤出，得到围绕同轴电缆的中心导体的绝缘呈车轮的形状的绝缘体。然而，这种工艺不能同样地应用到将绝缘体放置到由直径相当小的绞合对形成的单个导体中。No.5,922,155专利方法的另一缺点包括这样的事实，即使用的挤压模具是复杂的多部件模具，需要很好的保养。而且，在挤压过程中，如果不停车和重组工具就不能调整空腔中的压力。
所以，现有技术没有示出这两种方法在没有发泡绝缘所需的昂贵的添加剂的情况下，能减小绝缘的介电常数的方法，例如绞合对通信电缆的单个铜导体上的绝缘的介电常数。

发明内容
本发明意在通过为绞合对导体和相应的护套提供成型绝缘(profiledinsulation)来解决与现有技术相关的缺点以及相应的制造方法。
为了这一目的，本发明旨在提供用于生产该成型绝缘的装置。提供一种制造成型绝缘的装置，该装置具有挤压模具。该挤压模具具有挤压末端和围绕该挤压末端的聚合物腔。该聚合物腔中具有至少一个空气腔。该空气腔保持定位，并通过从挤压末端向外延伸的垂直肋片连接到挤压模具的外部。
当熔融聚合物流过围绕所述空气腔的聚合物腔时，在聚合物中引入开口使得随着聚合物从挤压模具排出而形成成型绝缘，其具有与由至少一个空气腔形成的开口位置对应的纵向空腔。
而且，本发明旨在提供一种用于生产成型绝缘的方法。制造成型绝缘的方法包括在挤压模具的聚合物腔中设置形成绝缘的熔融聚合物。该挤压模具具有挤压末端。该聚合物围绕聚合物腔中的一个或多个空气腔流动，并且形成具有与空气腔的位置对应的纵向空腔的成型绝缘。
本发明的另一个目的是提供一种成型绝缘，该成型绝缘具有中间开口和具有一厚度外周，其中含有至少一个纵向空腔，该纵向空腔基本上在0.0025”和0.0004”之间。


本发明的主题特别指出并清楚地表示在说明书的结论部分。然而，通过阅读附图，参考以下的详细描述，本发明的结构和操作方法，以及特点、目的和优点一起可以被很好地理解。
图1A到图1F表示根据本发明的一项实施例的成型绝缘；图2表示根据本发明的一项实施例，具有图1B的成型绝缘的单个绞合对导体；图3表示根据本发明的一项实施例，具有图1A到1C的成型绝缘的多个绞合对的电缆；图4表示根据本发明的一项实施例，具有图1D到1F的成型绝缘的多个绞合对的电缆；图5表示根据本发明的一项实施例，具有图1A到1C的成型绝缘的多个绞合对的异型护套的电缆；图6表示根据本发明的一项实施例，用来制造绞合对的异型电缆护套和成型绝缘的挤压模具；图7表示根据本发明的一项实施例，在图6的挤压模具中用来支撑空气腔的肋片。
图8是根据本发明的一项实施例，制造从图1A到1F的成型绝缘的流程图；以及图9表示根据本发明的一项实施例，具有破坏(collapsed)空腔的成型绝缘。
具体实施例方式
在本发明的一项实施例中，如图1A到1F所示，提供成型绝缘10。成型绝缘通常指绝缘体，典型地是用在绞合对的导体上。与通常的固态(通常是圆柱形)聚合物绝缘不同，本发明的成型绝缘10具有与下面所述的其形状有关的其它物理特性。
成型绝缘10优选由热塑性聚合物绝缘(电介质)构成，例如FEP(氟化乙丙烯)，然而，根据成型绝缘10的预期绝缘性能、耐火性能、机械强度或预期生产率的任何一项，可以使用任何合适的聚合物。
每个成型绝缘10设置有一个或多个沿绝缘10的纵轴延伸的空腔12。空腔12本身设置在绝缘内部，并可以具有圆形截面，如图1A到1C所示，梯形截面，如图1D到1F所示，或者出于其他结构强度考虑可以具有椭圆形截面(未示出)。
在本发明的一项实施例中，将成型绝缘10用做绞合对中的电线的覆层。如图2所示，绞合对14优选由一对以相同的节距彼此绞合的铜导体/电线16构成。两根铜电线16的每一个密封在成型绝缘10中。可以理解，绞合对14可以由任何在绞合对中使用的合适的金属来构成，然而，为示意起见，使用铜来描述电线16。典型地，使用一对或多对绞合对14来形成通信电缆，这将在下面结合图3到5进行详细讨论。
如前所提到的，绞合对导体上的聚合物绝缘的一个缺点是固态FEP的介电常数高，使得沿电线/导体16传输的信号中断。本发明的成型绝缘10减少了用来使绞合对14的电线16绝缘的FEP或其它聚合物的量，从而减小与固态聚合物绝缘相关的有效介电常数。而且，空腔12减小了形成成型绝缘10使用的FEP或其它聚合物的量，同时还减小了成型绝缘10的重量和形成与固态聚合物绝缘相关的聚合物所需的量。
因此，在本发明的一项实施例中，如图1A-1F所示，相对于同样材料的固态聚合物绝缘，成型绝缘10具有减小的介电常数。例如，具有涂覆有固态FEP绝缘的铜电线16的绞合对14基本上具有2.095的介电常数，而由FEP制成的成型绝缘10的介电常数基本上为1.964，经过计算，总的FEP基本上减少15.95％(基于图1A所示的6个圆形空腔12)。对该产品试验显示FEP降低了接近27.70％。
在本发明的另一项实施例中，通过增加或降低变形图1B-1C中所示的空腔12的数量还可以进一步调整成型绝缘10的介电常数。例如，其它的试验已经示出介电常数基本上减小到1.881，计算所得的总的FEP基本上减小了26.61％(基于图1B所示的10个圆形空腔12)，对该产品试验示出多至30.87％的减小。介电常数基本上减小到1.747，以及计算所得总的FEP基本上减小41.74％是基于图1C所示的17个圆形空腔12得到的。
在允许成型绝缘10的可变物理强度要求(机械强度)时，这样的设置对提供减小的介电常数是有用的。在希望介电常数得到很大的减小，但绝缘10的物理强度不重要时，这样的设置是有益的，反之也成立。应该理解，在成型绝缘10的直径满足预期的介电常数和重量要求的基础上，可以将每个成型绝缘10的空腔12的数量调整到任何合理的数量。
在本发明的另一项实施例中，空腔12的形状可以是如图1D和1F所示的梯形。例如，使用图1D所示的6个梯形空腔12，介电常数基本上减小到1.425，计算所得的总的FEP基本上减小68.78％，使用图1E所示的10个梯形空腔12，介电常数基本上减小到1.501，计算所得的总的FEP基本上减小63.35％，使用图1F所示的17个梯形空腔12，介电常数基本上减小到1.572，计算所得的总的FEP基本上减小了57.65％。下表1示出了图1A-1F所示的产品的计算结果和一些试验结果。

表1
相对于固态FEP绝缘，这样的设置导致绝缘10有效介电常数的减小，而同时显著地减少了制造绝缘10所需的FEP的量。而且，不需要借助于复杂的化学或机械发泡过程，该过程能够获得可以与发泡FEP相媲美的介电常数。例如，如图1A所示的本发明的成型绝缘10具有与10％发泡的FEP相媲美的介电常数。而且，如图1B所示的成型绝缘10具有与16.5％发泡的FEP相媲美的介电常数，如图1C所示的本发明的成型绝缘10具有与27.25％发泡的FEP相媲美的介电常数，如图1D所示的成型绝缘10具有与55.1％发泡的FEP相媲美的介电常数，如图1E所示的本发明的成型绝缘10具有与48.2％发泡的FEP相媲美的介电常数，如图1F所示的本发明的成型绝缘10具有与42％发泡的FEP相媲美的介电常数.
因此，根据上述设置，提供用于使导体绝缘的成型绝缘10，该导体与绞合对中的单个铜导体一样小。应该理解，可以以预期的重量和预期的介电常数为基础，对成型绝缘10中的空腔12的数量和形状进行多种改变。
在如图3和4所示的本发明的另一项实施例中，示出了在外护套22中有四个绞合对14的典型电缆20。与图2中所示的一个相似，每个绞合对14由一对由诸如图1A所示成型绝缘10的成型绝缘10包围的电线16组成。交叉填充元件24设置在电缆护套22中，电缆护套22设置为将绞合对14彼此分开以减小电缆20中的内部串扰。图4示出了相似的电缆20，其具有护套22、交叉填充料24和四个绞合对14。在图4中，绞合对14由被成型绝缘10包围的电线16形成，如图1E中的梯形成型绝缘10。
在如图5所示的本发明的另一项实施例中，示出的电缆30与图3和4中所示的电缆20相似。电缆30在外护套32内具有四个绞合对14。每个绞合对14与图2中所示的一个相似，由被成型绝缘10包围的一对电线16组成，例如图1B中所示的成型绝缘10。交叉填充元件(未示出)可以设置在电缆护套32中，电缆护套32设置为将绞合对14彼此分开以减小电缆30的内部串扰。
在该设置中，外护套32形成为异型护套，该异型护套具有一系列沿着护套的长轴延伸的纵向空腔33。纵向空腔的这一结构不仅减小了外护套的介电常数，而且还减小了电缆30最终重量，降低了制造成本并改进其电性特征。
如下详细所述，具有纵向空腔33的护套32的制造过程与制造成型绝缘10的过程相似。
在本发明的一项实施例中，如图6所示，提供了挤压模具50。挤压模具50优选由硬化金属例如商品名为InconelTM或HastelloyTM出售的镍合金构成，然而，无论硬化或者不硬化，可以使用任何合适的金属。挤压模具50优选使用黄铜线切割工艺例如黄铜线腐蚀和电火花腐蚀来制得，然而，可以使用任何相似的有效的制造工艺。
挤压模具50具有挤压尖端52，空腔53穿过该尖端延伸。空腔53允许基底或零件被挤压的绝缘层覆盖以穿过挤压模具50。为便于描述，挤压模具50和涂覆成型绝缘10的过程和用来形成具有成型绝缘10的绞合对14的电线16一起讨论。然而，可以理解，相似的装置和过程同样可以用于制造具有空腔33的护套32。
挤压模具50还具有聚合物腔54，以在它们穿过挤压尖端52的空腔53的末端时引导熔融的聚合物进入围绕电线16的位置。如上所述，使用的聚合物一般是FEP，然而，任何相似的预期的聚合物也可以穿过聚合物腔54。
如图6所示，在聚合物腔54中，示出了在空腔53周围的许多间隔均匀的空气腔56。空气腔56通常是具有成形突起的中空管，其悬挂在聚合物腔54中，以与如下将更详细描述的成型绝缘10中形成的空腔12相对应。空气腔56优选从挤压模具10的开口端延伸，并向后在挤压模具50的聚合物腔54中延伸近1/2″英寸，但是必要时其可以延伸或缩短以形成空腔12。而且，空气腔56优选具有0.035″直径，以在如图1A-1C所示的直径在0.003″和0.004″之间的成型绝缘10中产生空腔12。由空气腔56产生的空腔12的尺寸(直径)的变化还可以如下所述根据流过空腔56的空气流动态地控制。
空气腔56可以形成具有圆形截面或梯形的结构，该结构在成型绝缘10中产生如图1A-1F所示的空腔12。可以使用其它形状的空气腔56从而可选择地产生成形空腔12。空气腔56的形状通常与成型绝缘10中的空腔12的形状完全相对应。
如图7所示，附接到每个空气腔56的后端的是垂直肋片58，其通过气孔57从挤压模具50的中心向外径向延伸。优选地，肋片58的直径为0.030″英寸，虽然在这方面没有限制。根据从挤压模具50的外部流到空气腔56中的空气的预期速度，可以使用其它的直径。本发明在聚合物腔54中具有设计得较薄的肋片58和空气腔56这样的设置使得聚合物可以流动得更好，使得在制得的成型绝缘10中的聚合物更好地分布。这里，肋片58和空气腔56的形状是这样的，在挤压过程中，流入空气进入腔12的流量和体积可以通过气孔57小心地控制。
例如，气孔57允许来自挤压模具50外部的空气通过肋片58进入空气腔56，允许空气进入聚合物腔54中以保持形成为成型绝缘10的空腔12的稳定性。这种结构允许在以下讨论的挤压过程中，在空腔12所占的空间内配置环境空气压力。
在可选设置中，气孔57的出口还可以连接到加压装置59以在空气腔56中引入正或负的气压。在挤压过程中可以使用正气压来支撑空腔12的结构。可选择地，可以使用负气压来破坏由空气腔56形成的空腔12以形成如下更加详细讨论的脊形成型绝缘10。
使用以上为挤压模具50所确定的基本元件，根据本发明，下面概述成型绝缘10的制造过程。
在如图8所示的本发明的一项实施例中，在第一步骤100，使用者首先获得一基板，在该基板上涂覆成型绝缘10。为示意性目的，其上设置有成型绝缘10的基板是图2中所示的绞合对14中的铜线16，其已在上面描述。可以使用相似的过程来形成图5中的异型护套32，其中该基板是电缆30的所有内部元件。
在步骤102中，一旦选择了基板、电线16，其通过挤压尖端52的空腔53进料并从挤压模具50的前开口拉出。接着，在步骤104，该加热的熔融聚合物，例如FEP进入挤压模具50的聚合物腔54中。
在步骤106，当聚合物进入到挤压模具50的前端并在前端排出时，聚合物围绕空气腔56(以及垂直肋片58)移动，使得在聚合物12中形成相应数量的空腔12。
作为可选步骤108，通过垂直肋片58和气孔57由气压装置59引入或除去气压，在空腔12中进一步增加或降低气压。可选择地，垂直肋片58仅仅允许围绕挤压模具50的环境空气通过气孔57进入空气腔50，从而进入聚合物中的空腔12。当通过气压装置59引入压力时，优选使用空气、氮气或氦气，然而，如果需要可以使用任何有益的和不起反应的气体。
在本发明的一项实施例中，例如在产生图1B的绝缘10中的空腔12时，使用具有728cc/min的氮流量，压力为2psi的气压装置59来产生10个孔，每个孔的直径为0.003″，工具的拉伸比(tooling draw down ratio)为127∶1，计算得到的有效介电常数为1.930。将氮流量变为612cc/min，压力同样为2psi时，产生绝缘中的孔的直径为0.0025″，工具拉伸比为127∶1，产生的有效介电常数为1.978。
该步骤108提供了相对于现有技术的明显优势。这里，通过气孔57、肋片58和空气腔56在空腔12中引入可以改变的气压，在挤压过程中气压可以动态变化，从而使成型绝缘10的有效介电常数也发生变化。在挤压过程中由压力装置59引起的气压的这一动态变化省去了挤压装置的高成本的关闭和重整工具，使得可以在运转中调整/校正最终的成型绝缘的介电常数。
在步骤110，电线16(基板)和聚合物在挤压模具50的前端排出。这里应该指出的是，挤压模具50的工具比由该过程得到的最终的成型绝缘10大。挤压模具开口的尺寸与最终成型绝缘产品10的尺寸之比公知为拉伸比。该尺寸差使得熔融聚合物在远离挤压模具50的前出口的距离“拉伸”到电线16上。优选地，该拉伸比DDR是120，但可以在50到200之间变化。DDR是绝缘的横截面积与聚合物离开工具时的截面积之比。
进行该拉伸过程以保持空腔12的完整性，这在压力挤压环境中是不可能的。聚合物的拉伸帮助在绝缘中获得更小的孔，因为该模具管可以制成比绝缘孔必须具有的外径大的外径。假定在步骤108引入的气压是正的，或者如果允许环境空气通过垂直肋片58流入空气腔56，该过程获得的产品是在其上具有如图1A-1F所示的成型绝缘的电线16。两个这样的电线16可以形成为如图2所示的预期的绞合对14，四个这样的绞合对14可以形成如图3-5中所示的电缆20或30。
应该指出，负气压例如环境空气流的阻塞会在通过阻止环境空气流出的方法使聚合物从管中挤出时产生真空。这导致产生例如图9中所示的脊形成型绝缘10。该脊形成型绝缘10不用呈现空腔12，但相反，会有一系列的峰13和谷15，这仍旧会导致用作绝缘的聚合物的量的减少，因此具有相同的减小的介电常数和减小的重量。然而，交替的峰13和谷15提供具有不同机械强度轮廓的脊形成型绝缘10，这对某些用途来说可能会更合适。
这里只是对本发明的某些特点进行了说明和描述，现在，对本领域技术人员来说会作出许多修改、替换、改变或等价物。因此，可以理解，本申请旨在覆盖落在本发明的真正的精神范围内的所有的这些修改和改变。
权利要求
1.一种用于制造成型绝缘的装置，所述装置包括挤压模具，所述挤压模具具有挤压末端和围绕所述挤压末端的聚合物腔；所述聚合物腔中具有至少一个空气腔，所述空气腔设置定位，并通过从所述挤压末端向外延伸的垂直肋片连接到所述挤压模具的外侧；其中，当熔融聚合物流过围绕所述空气腔的所述聚合物腔时，在所述聚合物中引入开口使得所述成型绝缘随着所述聚合物离开所述挤压模具而形成，该成型绝缘具有纵向空腔，其与通过所述至少一个空气腔形成的开口的位置相对应。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述挤压模具在所述聚合物腔中具有6个、10个和17个空气腔中的任一个。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述空气腔的形状是圆形或梯形。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述空气腔直径基本上为0.035″。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述空气腔终止于所述聚合物腔内侧，距所述挤压末端的开口端1/2″处。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述肋片在与所述空气腔连接的点处具有基本上为0.030″的直径。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括连接到所述肋片的气压装置，用来向所述成型绝缘的所述空腔中提供加压气体。
8.一种具有中心开口和具有一厚度的外周的成型绝缘，其中，具有利用权利要求1的装置形成的至少一个纵向空腔。
9.一种通过挤压过程制造成型绝缘的方法，所述方法包括步骤提供熔融的聚合物，所述聚合物在挤压模具的聚合物腔中形成绝缘，所述挤压模具具有挤压末端；所述聚合物在所述聚合物腔中围绕一个或多个空气腔流动；以及形成具有与所述空气腔的位置对应的纵向空腔的成型绝缘。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括在所述空气腔中通过气压装置引入正压力的步骤，该空气压力装置连接到外部肋片，该肋片又连接到所述空气腔。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述正压力利用压缩空气、氮气和氦气的中的任何一种而获得。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述正压力基本上以2psi引入。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述气体基本上以728cc/min或612cc/min引入。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述正压力在所述挤压过程中动态变化，使得所引入气体的压力和流量的变化动态地改变所述成型绝缘中的所述空腔的直径。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，还包括阻塞所述空气腔的步骤，由此产生真空，使得从所述挤压模具的所述末端挤出的绝缘形成一成型绝缘，该成型绝缘具有与所述空气腔的位置相对应的纵向破坏空腔。
16.一种具有中心开口和具有一厚度的外周的成型绝缘，其中，具有利用权利要求9的方法形成的至少一个纵向空腔。
17.一种成型绝缘，其包括中心开口；以及具有一厚度的外周，其中具有至少一个纵向空腔，所述纵向空腔基本上处于0.0025″和0.0004″之间。
全文摘要
本发明公开一种用于制造成型绝缘的装置，所述装置包括挤压模具，所述挤压模具具有挤压末端和围绕所述挤压末端的聚合物腔。所述聚合物腔中具有至少一个空气腔。所述空气腔设置定位，并通过从所述挤压末端向外延伸的垂直肋片连接到所述挤压模具的外侧。当熔融聚合物流过围绕所述空气腔的所述聚合物腔时，在所述聚合物中引入开口使得所述成型绝缘随着所述聚合物离开所述挤压模具而形成，该成型绝缘具有纵向空腔，其与通过所述至少一个空气腔形成的开口的位置相对应。
文档编号B29C47/00GK101093740SQ20061017192
公开日2007年12月26日 申请日期2006年10月27日 优先权日2005年10月27日
发明者格里格·赫夫纳 申请人:尼克桑斯公司