DE60017699T2

DE60017699T2 - Wärmeschutzhülse für einen elektrischen kabelbaum

Info

Publication number: DE60017699T2
Application number: DE60017699T
Authority: DE
Inventors: Michel Dunand
Original assignee: Labinal SA
Current assignee: Safran Electrical and Power SAS
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: EP1110225A1; WO2001004912A1; EP1110225B1; DE60017699D1; FR2796198B1; FR2796198A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeschutzhülse für einen elektrischen Kabelbaum des Typs, der carbonisierbare oxidierte organische Fasern enthält.
Aus Sicherheitsgründen ist es bei bestimmten elektrischen Installationen notwendig, dass die elektrischen Draht- oder Kabelbündel unmittelbar sehr starken Wärmebeanspruchungen widerstehen können, die insbesondere durch direkte Anwendung einer Flamme verursacht werden.
Insbesondere gelten solche Auflagen bei Luftfahrzeugen.
Es wird auferlegt, dass Elektrodrähte ihre elektrische Leitungsfunktion für eine bestimmte Dauer fortsetzen können müssen. Genauer gesagt, wird für elektrische Bündel eines Flugzeugs gefordert, das der Isolationswiderstand zwischen zwei Drähten des gleichen Bündels für fünf Minuten bei mehr als 10 kΩ verbleibt und/oder dass die Temperatur der Drähte für dreieinhalb Minuten bei weniger als 250°C verbleibt, wenn das Bündel mit einer Flamme von 1100°C mit einer Leistung von 116 kW/m² zusammengebracht wird.
Das Dokument FR-A-2.708.781 beschreibt eine Feuerschutzhülle und ihr Herstellungsverfahren. Die beschriebene Feuerschutzhülle wird im Wesentlichen aus einem Geflecht von synthetischen Fasern hergestellt, die durch Cracken und Verspinnen einer Aramidfaser und einer carbonisierbaren oxidierten organischen Faser erhalten werden. So werden die Aramidfasern und die carbonisierbaren oxidierten organischen Fasern in einer gleichen Abschirmungsbildungsschicht gemischt.
Obwohl diese Wärmeschutzhülse einen zufriedenstellenden Schutz von Leitern bis zu einer Temperatur von etwa 850°C gewährleistet, ist sie für Flammentemperaturen in der Größenordnung von 1100°C unzureichend.
So ist die Aufgabe der Erfindung die Bereitstellung einer Wärmeschutzhülse, die gegenüber Flammentemperaturen in der Größenordnung von 1100°C beständig ist und eine zufrie denstellende Funktion elektrischer Drähte, die durch die Hülse geschützt sind, für einen erheblichen Zeitraum gewährleistet.
Zu diesem Zweck ist die Aufgabe der Erfindung eine Wärmeschutzhülse für einen elektrischen Kabelbaum der vorstehend genannten Typs, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine innere Abschirmung, die aus mindestens einer Schicht gebildet wird, die zum größten Teil aus carbonisierbaren oxidierten organischen Fasern besteht, und eine äußere Abschirmung enthält, die mindestens eine Schicht enthält, die aus Keramikfasern gebildet wird, die um die innere Abschirmung herum abgelagert sind.
Gemäß besonderen Ausführungsformen besitzt die Wärmeschutzhülse eines oder mehrere der folgenden Merkmale:

– die innere Abschirmung enthält mindestens 85 Gew.-% carbonisierbare oxidierte organische Fasern;
– die carbonisierbaren oxidierten organischen Fasern der inneren Abschirmung basieren auf oxidiertem Polyacrylnitril;
– die innere Abschirmung enthält Chlorofibres;
– die innere Abschirmung enthält mindestens zwei übereinander liegende Schichten aus carbonisierbaren oxidierten organischen Fasern;
– die innere Abschirmung umfasst eine Übereinanderschichtung von geflochtenen Schichten mit einer Gesamtdicke zwischen 2 und 6 mm;
– die Keramikfasern bestehen aus Aluminiumborsilikat;
– sie besitzt unter der inneren Abschirmung eine ergänzende Wärmeschutzschicht, die größtenteils KEVLAR umfasst und
– sie enthält um die äußere Abschirmung herum eine mechanische Schutzschicht, die größtenteils Aramid umfasst.

Die Erfindung wird beim Lesen der folgenden Beschreibung besser verstanden, die nur als Beispiel gegeben wird und auf Zeichnungen Bezug nimmt, in denen:
1 eine schematische Ansicht eines Kabelbaums ist, der durch eine erfindungsgemäße Hülse geschützt wird;
2 eine Querschnittsansicht des Bündels der 1 entlang der Linie II-II ist;
die 3 und 4 Kurven sind, die für zwei erfindungsgemäßen Wärmeschutzhülsen mit unterschiedlichen Dicken jeweils die Entwicklung der Temperatur der Leitungsdrähte und ihres Isolationswiderstands zeigen.
Das in den 1 und 2 dargestellte Leitungselement umfasst einen Kabelbaum 10, der von einer erfindungsgemäßen Wärmeschutzhülse 12 umgeben ist.
Der Kabelbaum 10 besteht aus einer Gruppe von elektrischen Kabeln oder Drähten, die einzeln durch eine Schutzhülse isoliert sind. Diese elektrischen Drähte sind beispielsweise für den Transport von Befehlsinformationen für die Navigationsorgane eines Raumträgers oder eines Flugzeugs bestimmt.
Die Wärmeschutzhülse 12 umfasst im Wesentlichen eine innere Abschirmung 14, die aus mehreren Schichten gebildet wird, die größtenteils carbonisierbare oxidierte organische Fasern umfassen, und eine äußere Abschirmung 16, die eine Schicht umfasst, die aus Keramikfasern, insbesondere auf Basis von Aluminiumborsilikat, gebildet wird. Die äußere Abschirmung 16 ist direkt um die innere Abschirmung 14 herum abgelagert, ohne dass ein Zwischenmaterial dazwischen eingebracht wird.
Außerdem umfasst die Schutzhülse 12 unter der inneren Abschirmung 14 eine ergänzende Wärmeschutzschicht 18, die größtenteils von Du Pont de Nemours vertriebenes KEVLAR umfasst.
Schließlich weist die Hülse 12 um die äußere Abschirmung 16 herum eine mechanische Schutzschicht 20 auf, die beispielsweise auf Basis von geflochtenen Aramidfasern hergestellt wird.
Die äußere Abschirmung 14 besteht vorteilhafterweise aus mindestens zwei Schichten, die im Wesentlichen carbonisierbare oxidierte organische Fasern umfassen. Vorzugsweise sind drei bis sieben Schichten übereinander geschichtet, so dass die Gesamtdicke der inneren Abschirmung 14 zwischen 2 und 6 mm beträgt.
Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Beispiel besteht die innere Abschirmung 14 aus drei identischen, übereinander geschichteten Schichten, die als 14A, 14B, 14C bezeichnet sind.
Jede Schicht ist vorteilhafterweise geflochten, und die aufeinander folgenden Schichten sind durch Überflechtung hergestellt.
Die Flechtung ist daran angepasst, dass eine erhebliche Menge Luft in der inneren Abschirmung 14 eingeschlossen sein kann.
Vorzugsweise besteht die innere Abschirmung 14 aus mehr als 85 Gew.-% carbonisierbaren oxidierten organischen Fasern. Diese Fasern basieren beispielsweise auf oxidiertem Polyacrylnitril (PANO).
Die hauptsächlichen Fasern, welche die innere Abschirmung 14 bilden, sind beispielsweise von der Firma RK Carbon Fibers vertriebenes PANOX oder von der Firma SIGRI vertriebenes SIGRAFIL.
Vorteilhafterweise umfasst die innere Abschirmung 14 außer carbonisierbaren oxidierten organischen Fasern andere Fasern, wie die unter dem Namen CHLOROFIBRE vertriebenen, von der Firma RHOVIL hergestellten Fasern.
Die in die Zusammensetzung der inneren Abschirmung 14 eingebrachten Fasern besitzen eine Beständigkeit gegenüber einer Temperatur von etwa 800°C.
Die äußere Abschirmung 16 besteht aus verflochtenen kontinuierlichen Filamenten. Diese kontinuierlichen Filamente sind Keramikfilamente, die beispielsweise auf Basis von Siliziumdioxid hergestellt werden. Diese Filamente sind vorteilhafterweise Aluminiumborsilikate (ABS), wie NEXTEL-Fasern, die von der Firma 3M vertrieben werden.
Diese Filamente sind derart angepasst, dass sie gegenüber sehr hoher Temperatur und insbesondere einer Temperatur von etwa 1200°C beständig sind.
Diese Filamente, die hauptsächlich in die Zusammensetzung der inneren Abschirmung 14 eingebracht werden, können ebenfalls aus Nextel-Fasern hergestellt sein.
Die innere Schutzschicht 18 ist um das Drahtbündel 10 herum abgelagert. Diese Schicht 18 besteht aus einem Geflecht oder einer Bandisolierung aus KEVLAR oder einem Gemisch von KEVLAR und Chlorofibre.
Die ergänzende Wärmeschutzschicht 18 ist wahlfrei. Wird diese hergestellt, wird die Dicke der innere Abschirmung 14 verringert. Tatsächlich hat KEVLAR bessere Wärmeisolationseigenschaften als oxidiertes Polyacrylnitril bei Temperaturen nahe 450°C.
So ermöglicht die Herstellung der ergänzenden Wärmeschutzschicht 18 auf Basis von KEVLAR eine Verringerung der Dicke der inneren Abschirmung 14 und somit einer Verringerung der Gesamtdicke der Hülse.
Die äußere mechanische Schutzschicht 20 wird vorteilhafterweise auf Basis geflochtener Aramidfasern und insbesondere aus von der Firma Du Pont de Nemours vertriebenem NOMEX hergestellt.
Die mechanische Schutzschicht 20, die um die innere Abschirmung 16 herum abgelagert wird, ist wahlfrei. Diese mechanische Schutzschicht ermöglicht es, die Freisetzung von Faserrückständen, die aus der äußeren Abschirmung 16 stammen, zu vermeiden. Tatsächlich haben Aluminiumborsilikat-Fasern und insbesondere NEXTEL die Neigung, aufgrund des Herstel lungsverfahrens durch Verflechtung zu fusseln und unerwünschte Partikel freizusetzen, die beispielsweise mit der Verwendung der Schutzhülse in einem Reinraum unverträglich sind. Die mechanische Schutzschicht schützt auch den Benutzer der Verkabelung vor Fusseln von Keramikfasern, die mit der Haut oder den Augen in Kontakt kommen können.
Im Hinblick auf die Beständigkeit gegenüber eventuellen chemischen Angriffen ist die Hülse vorteilhafterweise mit einem Dichtungsmaterial und insbesondere einem Schrumpfschlauch oder einem selbstamalgamierenden Band, wie beispielsweise den von der Firma RAYCHEM unter dem Namen THERMOFIT-Hülsen vertriebenen wärmeeinziehbaren Hülsen und den von der Firma NITTO vertriebenen auto-amalgamierenden Silikonbändern, umgeben.
Man stellt fest, dass die hier beschriebene Hülse sehr gute Wärmeschutzeigenschaften für Kabelbäume 10 gegenüber einer Flamme aufweist. Diese guten erhaltenen Ergebnisse lassen sich durch Zusammenwirken der jeweiligen Eigenschaften der inneren und äußeren Abschirmung erklären.
Insbesondere zeigt die äußere Abschirmung 16 die wesentliche Eigenschaft, dass sie bei hoher Temperatur eine Wärmebarriere bildet, was folgendes begünstigt:

– die Ableitung des Wärmestroms durch Bildung eines Deflektors;
– eine Hochtemperaturisolationsbarriere;
– das mechanische Halten der Verbrennungsrückstände der inneren Produkte.

Die innere Abschirmung 14 bildet:

– eine Isolationsbarriere gegenüber höherer Temperatur durch ihre geringe Wärmeleitfähigkeit, die auch durch das Vorhandensein von Luft bedingt ist;
– eine Isolationsbarriere durch ihre Infrarotfiltereigenschaften;
– eine Isolationsbarriere durch ihre endothermen Eigenschaften aufgrund von physikalischer oder chemischer Umwandlung.

Tatsächlich stellt man bei Anwendung von Hitze fest, dass die innere Hülse 14 durch einen Pyrolyseeffekt carbonisiert. Diese Zustandsänderung ermöglicht einen erheblichen Verbrauch von Wärmeenergie, was die Hitze verringert, die auf das zu schützende Bündel übertragen wird.
Die durchgeführten Tests und deren Ergebnisse sind in den 3 und 4 dargestellt, die die Beständigkeitseigenschaften zeigen, die mit der erfindungsgemäßen Wärmeschutzhülse erhalten werden.
Es wurden zwei Hülsen mit unterschiedlichen Dicken verwendet. Diese, als A und B bezeichneten Hülsen zeigen die in der folgenden Tabelle zusammengefassten Eigenschaften.
Somit hat die Hülse A eine kleinere Dicke als Hülse B.
Die in den 3 und 4 dargestellten Kurven wurden mit einem normalisierten Brenner gemäß ISO 2685 hergestellt.
So wurden gleiche Kabelbäume, die mit den Schutzhülsen A und B ausgestattet waren, in einem Abstand von 75 mm von einem normalisierten Gasbrenner von 0,018 m² mit einem Durchmesser von 150 mm untergebracht. Die Temperatur der normalisierten Flamme betrug 1100°C ± 80°C, und die Wärmestromdichte war gleich 116 ± 10 kW/m².
Der Kabelbaum mit einem Durchmesser von 6,7 mm umfasst sechs bewehrte, eingehülste Paare.
In der 3 ist zu erkennen, dass für eine Expositionsdauer gegenüber der Flamme von 3 min 30 s im Fall der Hülse B die Temperatur der elektrischen Drähte kleiner als 250°C und insbesondere kleiner als 200°C ist. Außerdem gilt, dass obwohl bei einer kleineren Dicke der Hülse, die der Kurve A entspricht, die Temperatur am Ende von 3 min 30 s größer als 250°C ist, diese während 2 min 30 s kleiner als 250°C bleibt.
In 4 ist zu erkennen, dass die Hülsen A und B für eine Expositionsdauer gegenüber der Flamme von 5 min Isolationswiderstände zwischen zwei benachbarten Drähten aufweisen, die viel höher als 10 kΩ sind.

Claims

Wärmeschutzhülse (12) für einen elektrischen Kabelbaum des Typs, der carbonisierbare oxidierte organische Fasern umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine innere Abschirmung (14), die aus mindestens einer Schicht besteht, die größtenteils carbonisierbare oxidierte organische Fasern umfasst, und eine äußere Abschirmung (16) umfasst, die mindestens eine Schicht umfasst, die aus Keramikfasern hergestellt ist, die um die innere Abschirmung (14) herum abgelagert sind.
Wärmeschutzhülse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Abschirmung (14) mindestens 85 Gew.-% carbonisierbare oxidierte organische Fasern umfasst.
Wärmeschutzhülse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die carbonisierbaren oxidierten organischen Fasern der inneren Abschirmung (14) auf oxidiertem Polyacrylnitril basieren.
Wärmeschutzhülse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Abschirmung (14) Chlorofibres umfasst.
Wärmeschutzhülse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Abschirmung (14) mindestens zwei übereinander liegende Schichten aus carbonisierbaren oxidierten organischen Fasern umfasst.
Wärmeschutzhülse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Abschirmung (14) eine Übereinander lagerung von geflochtenen Schichten mit einer Gesamtdicke zwischen 2 und 6 mm umfasst.
Wärmeschutzhülse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikfasern aus Aluminiumborsilkat bestehen.
Wärmeschutzhülse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie um die äußere Abschirmung (16) herum eine mechanische Schutzschicht (20) umfasst, die größtenteils Aramid umfasst.