专利名称：柔性的高压电缆的制作方法
相关的专利申请这份申请要求其全部教导在此通过引证被并入的2002年5月3日申请的美国专利临时申请第60/377,909号的权益。
本发明的现有技术医学仪器、工业设备和科学仪器的很多部件需要递送来自外部高压电源的高电压。为了递送这些高电压，专用的高压电缆(例如，以内部电场大于大约4000V/mm为特色的电缆)已经为这个目的被研制出来。一般地说，高压电缆以良好的绝缘特性为特征是符合需要的。同时，电缆拥有足以在高压电源和仪器部件之间的路径中维持弯曲和翻转以及在操作期间允许电缆弯曲的柔性往往也是需要的。
传统上，柔性的高压电缆已经采用由诸如乙丙橡胶(EPR)或乙烯-丙稀-二烯单体(EPDM)之类的橡胶弹性体材料制成的内部绝缘材料。这些材料为电缆提供良好的柔性。然而，这些橡胶绝缘的一个缺点是它们难以生产和成本高。制造这些橡胶绝缘通常需要专用的设施和昂贵的橡胶生产设备。诸如纸和油和塑料和油的层压制品之类其它的替代材料在生产方面也是棘手的和昂贵的。
比较廉价的替代途径是使用传统的热塑性材料加工技术和设备用热塑性化合物生产绝缘材料。然而，这样作的一个缺点是传统热塑性绝缘材料相对于橡胶绝缘体是非常僵硬的。因此，传统的热塑性绝缘对于柔性的高压电缆是不理想的。
本发明的概述本发明涉及用来把高电压从高压电源传送到需要高电压操作的机器或仪器部件(例如，用于医学或工业应用的X射线源、离子加速器、或医学仪器、工业设备或科学仪器的相似部件)的柔性电缆。电缆包括由至少一根核心导体组成的电缆芯；至少一个裹住电缆芯的内部绝缘层，内部绝缘层包括交联的极低密度聚乙烯材料；在内部绝缘层周围的传导性的屏蔽层和外部的绝缘套管。依照一个实施方案，极低密度聚乙烯材料还包括促进交联的硅烷材料。依照另一方面，极低密度聚乙烯材料有小于3，优选小于大约2.3的介电常数。
本发明高压电缆使用诸如聚乙烯之类的热塑性材料作为内部绝缘体呈现超过已知的高压电缆的得到显著改善的柔性。同时，本发明的绝缘材料通常具有不逊于在高压电缆中使用的相对介电常数通常的大约为3的传统的橡胶绝缘体的低的相对介电常数(例如，小于3，优选小于大约2.3)。
本发明的绝缘体的低介电常数为高压电缆提供重大优势。就高压电缆而言，低介电常数对于内部的绝缘体是需要的，因为这将减少电缆的电容。由于电容较低，在电缆中储存的能量比较少，这将减少起因于电缆、仪器设备或高压电源的故障的严重损害的危险。同时，较小的电容意味着电缆电压(并因此仪器电压)能比传统的电缆快得多地完全充放电。
此外，本发明的极低密度聚乙烯绝缘材料拥有传统的橡胶绝缘材料的预期特性(即，高柔性)，但是不像橡胶绝缘体，它能使用传统的热塑性材料加工和制造技术容易地低成本地制造出来。
附图简要说明本发明上述的和其它的目的、特征和利益从下面关于在相似的参考符号在不同的视图中处处表示同一部份的附图中举例说明的本发明的优选实施方案的更具体的描述将变得十分明显。这些图画不必依比例绘制，而是把重点放在举例说明本发明的原则上。除非另有说明，所有的份数和百分比都是按重量计算的。
图1是高压电源和机器之间的电连结的示意图，这种连接是借助本发明的柔性高压电缆实现的；图2是本发明的高压电缆的一个实施方案的截面图。
本发明的详细描述本发明的优选实施方案描述如下。
图1示意地举例说明一部机器10，它可能是用于医学成像的X射线源、离子加速器、或需要高电压操作的任何其它的医学仪器、工业设备或科学仪器的部件。机器10借助柔性的高压电缆20电连接到高压电源30上。一般地说，高压电缆能够在没有放电或故障的情况下以较高的应力维持电压。同时，如图1所示，电缆20拥有足以允许电缆在顺着从高压电源30铺设到机器10的路径铺设的时候形成许多弯曲和转折的柔性。一方面，本发明的电缆考虑到大约为电缆直径的3倍的最小弯曲半径。
翻到图2，本发明的高压电缆20的横截面被展示出来。在一个实施方案中，电缆包括三根核心导体40，包括被热塑性橡胶(TPR)或其它适当的材料的绝缘层41覆盖的两根导电材料(例如，铜)的导体。这个实施方案还包括第三根未被绝缘的核心导体。三根核心导体40拧在一起形成电缆芯。然而，人们将理解，各种不同的修改方案能在电缆芯的设计中实现，而且本发明倾向于包括有单一的核心导体或多重核心导体的电缆，其中若干导体可以非必选地包括在这里展示的绝缘层41。
电缆芯可以被三个连续的硅烷固化的聚乙烯材料层50、60、70覆盖，下面将予以更详细的描述。一般地说，聚乙烯层50和70是为了提供半导体特性与碳结合的极低密度聚乙烯材料的半导体层。层60包括起绝缘层作用的尚未与碳结合的极低密度聚乙烯。金属屏蔽层80是在外部的半导体层70上编织的，而且在一个实施方案中电缆被聚氯乙烯(PVC)套管90覆盖着。
现在描述制造图2的柔性高压电缆20的方法。首先，单股的金属丝拧在一起形成每根核心导体40。然后，两根导体通过在第一根导体上挤制TPR(或其它适当的绝缘体)的第一层41和在第二根导体上挤制TPR(或其它适当的绝缘体)的第二层41被绝缘。然后，两根被绝缘的导体和第三根(未绝缘的)导体拧在一起形成电缆芯。
接下来，将包括三层极低密度聚乙烯材料50、60、70的绝缘系统加到电缆芯上，例如，通过挤塑成形。一般地说，极低密度聚乙烯材料是用极低密度聚乙烯材料作为它的主要成份(即，优选大约70％以上)制成的均匀混合物。这种混合物还可以包括含量为混合物的大约30％以下的另一种树脂。一般地说，极低密度聚乙烯材料的密度小于大约0.90g/cm3。优选的是，极低密度聚乙烯材料的密度小于大约0.88g/cm3。这种均匀的混合物另外包括促进聚乙烯树脂在挤塑到电缆上之后交联的硅烷化合物的接枝。在本发明中使用的适当的硅烷接枝的极低密度聚乙烯材料是从AEICompounds，Ltd.，Gravesend，Kent，UK购买的。
为了生产绝缘系统的第一半导体层50，硅烷接枝的极低密度聚乙烯半导体材料被引进适当的挤塑机，例如，在热塑性材料的加工和制造领域中众所周知的挤塑机。然后在电缆芯上挤制这种半导体聚乙烯混合物的第一层50。然后，通过把硅烷接枝的极低密度聚乙烯绝缘材料引进挤塑机并且在第一层50上挤塑这种材料来生产第二层厚的绝缘层60。第三层薄的半导体层70是通过把硅烷接枝的极低密度聚乙烯半导体材料引进挤塑机并且在绝缘层60上挤塑这种半导体材料生产的。
然后，通过把有挤出的聚乙烯层的电缆放在既温暖又潮湿的环境中使聚乙烯材料交联。在优选实施方案中，电缆浸没在温度介于大约60℃和80℃之间的热水浴中。在这种环境中，硅烷材料促进极低密度聚乙烯材料的交联。优选的是，交联后聚乙烯绝缘材料的凝胶含量(交联程度)介于大约65％和75％之间。
在将电缆从热水浴中取出之后，在交联的聚乙烯半导体层70上编织金属(例如，铜)的屏蔽层80。然后，在屏蔽层80上挤出绝缘套管90。
将交联的极低密度聚乙烯材料用于绝缘层允许生产非常柔软的电缆，同时提供低的相对介电常数(K)。在高压电缆中使用介电常数低的绝缘体是有利的，因为低的介电常数减少电缆中的电容，并因此减少其中储存的能量。一般地说，本发明的交联的极低密度聚乙烯绝缘体的相对介电常数小于大约3，优选小于大约2.3。相对介电常数为2.3的绝缘体的运用得到电容比橡胶电缆少大约23％的电缆。
尽管这项发明已参照其优选实施方案予以具体的展示和描述，但是熟悉这项技术的人将理解在形式和细节方面各种不同的变化可以在不脱离权利要求书所囊括的本发明的范围的情况下实现。
权利要求
1.一种用来把高电压从高压电源传送到需要高电压操作的仪器部件的柔性电缆，其中包括传导性的电缆芯；裹住电缆芯的绝缘层，绝缘层包括交联的极低密度聚乙烯材料；在内部绝缘层周围的传导性的屏蔽层；以及外部的绝缘套管。
2.根据权利要求1的柔性电缆，其中绝缘层进一步包含硅烷材料。
3.根据权利要求1的柔性电缆，其中绝缘层有小于大约3的介电常数。
4.根据权利要求3的柔性电缆，其中绝缘层有小于大约2.3的介电常数。
5.根据权利要求1的柔性电缆，其中极低密度聚乙烯材料的密度小于大约0.90g/cm3。
6.根据权利要求5的柔性电缆，其中极低密度聚乙烯材料的密度小于大约0.88g/cm3。
7.根据权利要求1的柔性电缆，其中电缆有小于或等于大约三倍电缆直径的最小弯曲半径。
8.根据权利要求1的柔性电缆，其中绝缘层包括至少大约70％的极低密度聚乙烯材料。
9.根据权利要求1的柔性电缆，进一步包括与柔性电缆的一端电耦合的仪器部件。
10.根据权利要求9的柔性电缆，其中仪器部件包括X射线发生器。
11.一种用来把高电压递送给仪器部件的系统，其中包括仪器部件；以及具有第一端和第二端的柔性电缆，第一端与仪器部件电耦合，而第二端适合与高压电源电耦合，柔性电缆包括传导性的电缆芯；裹住电缆芯围住的绝缘层，绝缘层包括交联的极低密度聚乙烯材料；在内部绝缘层周围的传导性的屏蔽层；和外部的绝缘套管。
12.根据权利要求11的系统，其中仪器部件包括X射线发生器。
13.根据权利要求11的系统，其中仪器部件包括离子加速器。
14.根据权利要求11的系统，进一步包括与电缆的第二端电耦合的高压电源。
15.一种把来自高压电源的高电压递送给需要高电压操作的仪器部件的方法，包括提供有第一端和第二端的柔性的电缆，第一端与仪器部件电耦合，第二端与高压电源电耦合，柔性电缆包括传导性的电缆芯；裹住电缆芯的绝缘层，绝缘层包括交联的极低密度聚乙烯材料；在内部的绝缘层周围的传导性的屏蔽层；和外部的绝缘套管；以及把来自高压电源的高电压通过柔性电缆传送到仪器部件。
16.一种制造柔性电缆的方法，包括提供传导性的电缆芯；在电缆芯上形成绝缘层，绝缘层包括交联的极低密度聚乙烯材料；在绝缘层上提供传导性的屏蔽层；以及在传导性的屏蔽层上提供绝缘套管。
17.根据权利要求16的方法，进一步包括使极低密度聚乙烯材料交联。
18.根据权利要求17的方法，进一步包括把硅烷材料引进到极低密度聚乙烯材料之中，以促进交联步骤。
19.根据权利要求17的方法，其中交联是在温暖又潮湿的环境中完成的。
20.根据权利要求17的方法，进一步包括在电缆芯上挤制极低密度聚乙烯材料，然后把电缆芯引进温暖又潮湿的环境，以促进极低密度聚乙烯材料的交联。
21.根据权利要求20的方法，其中把电缆芯引进温暖潮湿环境的步骤包括把在电缆芯浸没在温度介于60℃和80℃之间的热水浴之中。
22.根据权利要求16的方法，其中交联的绝缘层的凝胶含量介于大约65％和75％之间。
全文摘要
一种把高电压从高压电源传送到需要高电压操作的机器或仪器部件(例如，用于医学或工业应用的X射线源、离子加速器或医学、工业或科学仪器的相似部件)的柔性电缆。这种电缆包括由至少一根核心导体组成的电缆芯、至少一个裹住电缆芯的内部绝缘层(内部绝缘层由交联的极低密度聚乙烯材料组成)、在内部绝缘层周围的传导性的屏蔽层和外部的绝缘套管。依照一个实施方案，极低密度聚乙烯材料还包括用来促进交联的硅烷材料。依照另一方面，极低密度聚乙烯材料可以有小于3，优选小于大约2.3的介电常数。
文档编号H01B7/04GK1666304SQ03815445
公开日2005年9月7日 申请日期2003年5月2日 优先权日2002年5月3日
发明者杰丽·A·戈德卢斯特, 斯蒂芬·J·理格伯, 安德鲁·萨比斯通 申请人:戴莱科特克科学有限公司