專利名稱：柔性的高壓電纜的制作方法
相關的專利申請這份申請要求其全部教導在此通過引證被并入的2002年5月3日申請的美國專利臨時申請第60/377,909號的權益。
本發明的現有技術醫學儀器、工業設備和科學儀器的很多部件需要遞送來自外部高壓電源的高電壓。為了遞送這些高電壓，專用的高壓電纜(例如，以內部電場大于大約4000V/mm為特色的電纜)已經為這個目的被研制出來。一般地說，高壓電纜以良好的絕緣特性為特征是符合需要的。同時，電纜擁有足以在高壓電源和儀器部件之間的路徑中維持彎曲和翻轉以及在操作期間允許電纜彎曲的柔性往往也是需要的。
傳統上，柔性的高壓電纜已經采用由諸如乙丙橡膠(EPR)或乙烯-丙稀-二烯單體(EPDM)之類的橡膠彈性體材料制成的內部絕緣材料。這些材料為電纜提供良好的柔性。然而，這些橡膠絕緣的一個缺點是它們難以生產和成本高。制造這些橡膠絕緣通常需要專用的設施和昂貴的橡膠生產設備。諸如紙和油和塑料和油的層壓制品之類其它的替代材料在生產方面也是棘手的和昂貴的。
比較廉價的替代途徑是使用傳統的熱塑性材料加工技術和設備用熱塑性化合物生產絕緣材料。然而，這樣作的一個缺點是傳統熱塑性絕緣材料相對于橡膠絕緣體是非常僵硬的。因此，傳統的熱塑性絕緣對于柔性的高壓電纜是不理想的。
本發明的概述本發明涉及用來把高電壓從高壓電源傳送到需要高電壓操作的機器或儀器部件(例如，用于醫學或工業應用的X射線源、離子加速器、或醫學儀器、工業設備或科學儀器的相似部件)的柔性電纜。電纜包括由至少一根核心導體組成的電纜芯；至少一個裹住電纜芯的內部絕緣層，內部絕緣層包括交聯的極低密度聚乙烯材料；在內部絕緣層周圍的傳導性的屏蔽層和外部的絕緣套管。依照一個實施方案，極低密度聚乙烯材料還包括促進交聯的硅烷材料。依照另一方面，極低密度聚乙烯材料有小于3，優選小于大約2.3的介電常數。
本發明高壓電纜使用諸如聚乙烯之類的熱塑性材料作為內部絕緣體呈現超過已知的高壓電纜的得到顯著改善的柔性。同時，本發明的絕緣材料通常具有不遜于在高壓電纜中使用的相對介電常數通常的大約為3的傳統的橡膠絕緣體的低的相對介電常數(例如，小于3，優選小于大約2.3)。
本發明的絕緣體的低介電常數為高壓電纜提供重大優勢。就高壓電纜而言，低介電常數對于內部的絕緣體是需要的，因為這將減少電纜的電容。由于電容較低，在電纜中儲存的能量比較少，這將減少起因于電纜、儀器設備或高壓電源的故障的嚴重損害的危險。同時，較小的電容意味著電纜電壓(并因此儀器電壓)能比傳統的電纜快得多地完全充放電。
此外，本發明的極低密度聚乙烯絕緣材料擁有傳統的橡膠絕緣材料的預期特性(即，高柔性)，但是不像橡膠絕緣體，它能使用傳統的熱塑性材料加工和制造技術容易地低成本地制造出來。
附圖簡要說明本發明上述的和其它的目的、特征和利益從下面關于在相似的參考符號在不同的視圖中處處表示同一部份的附圖中舉例說明的本發明的優選實施方案的更具體的描述將變得十分明顯。這些圖畫不必依比例繪制，而是把重點放在舉例說明本發明的原則上。除非另有說明，所有的份數和百分比都是按重量計算的。
圖1是高壓電源和機器之間的電連結的示意圖，這種連接是借助本發明的柔性高壓電纜實現的；圖2是本發明的高壓電纜的一個實施方案的截面圖。
本發明的詳細描述本發明的優選實施方案描述如下。
圖1示意地舉例說明一部機器10，它可能是用于醫學成像的X射線源、離子加速器、或需要高電壓操作的任何其它的醫學儀器、工業設備或科學儀器的部件。機器10借助柔性的高壓電纜20電連接到高壓電源30上。一般地說，高壓電纜能夠在沒有放電或故障的情況下以較高的應力維持電壓。同時，如圖1所示，電纜20擁有足以允許電纜在順著從高壓電源30鋪設到機器10的路徑鋪設的時候形成許多彎曲和轉折的柔性。一方面，本發明的電纜考慮到大約為電纜直徑的3倍的最小彎曲半徑。
翻到圖2，本發明的高壓電纜20的橫截面被展示出來。在一個實施方案中，電纜包括三根核心導體40，包括被熱塑性橡膠(TPR)或其它適當的材料的絕緣層41覆蓋的兩根導電材料(例如，銅)的導體。這個實施方案還包括第三根未被絕緣的核心導體。三根核心導體40擰在一起形成電纜芯。然而，人們將理解，各種不同的修改方案能在電纜芯的設計中實現，而且本發明傾向于包括有單一的核心導體或多重核心導體的電纜，其中若干導體可以非必選地包括在這里展示的絕緣層41。
電纜芯可以被三個連續的硅烷固化的聚乙烯材料層50、60、70覆蓋，下面將予以更詳細的描述。一般地說，聚乙烯層50和70是為了提供半導體特性與碳結合的極低密度聚乙烯材料的半導體層。層60包括起絕緣層作用的尚未與碳結合的極低密度聚乙烯。金屬屏蔽層80是在外部的半導體層70上編織的，而且在一個實施方案中電纜被聚氯乙烯(PVC)套管90覆蓋著。
現在描述制造圖2的柔性高壓電纜20的方法。首先，單股的金屬絲擰在一起形成每根核心導體40。然后，兩根導體通過在第一根導體上擠制TPR(或其它適當的絕緣體)的第一層41和在第二根導體上擠制TPR(或其它適當的絕緣體)的第二層41被絕緣。然后，兩根被絕緣的導體和第三根(未絕緣的)導體擰在一起形成電纜芯。
接下來，將包括三層極低密度聚乙烯材料50、60、70的絕緣系統加到電纜芯上，例如，通過擠塑成形。一般地說，極低密度聚乙烯材料是用極低密度聚乙烯材料作為它的主要成份(即，優選大約70％以上)制成的均勻混合物。這種混合物還可以包括含量為混合物的大約30％以下的另一種樹脂。一般地說，極低密度聚乙烯材料的密度小于大約0.90g/cm3。優選的是，極低密度聚乙烯材料的密度小于大約0.88g/cm3。這種均勻的混合物另外包括促進聚乙烯樹脂在擠塑到電纜上之后交聯的硅烷化合物的接枝。在本發明中使用的適當的硅烷接枝的極低密度聚乙烯材料是從AEICompounds，Ltd.，Gravesend，Kent，UK購買的。
為了生產絕緣系統的第一半導體層50，硅烷接枝的極低密度聚乙烯半導體材料被引進適當的擠塑機，例如，在熱塑性材料的加工和制造領域中眾所周知的擠塑機。然后在電纜芯上擠制這種半導體聚乙烯混合物的第一層50。然后，通過把硅烷接枝的極低密度聚乙烯絕緣材料引進擠塑機并且在第一層50上擠塑這種材料來生產第二層厚的絕緣層60。第三層薄的半導體層70是通過把硅烷接枝的極低密度聚乙烯半導體材料引進擠塑機并且在絕緣層60上擠塑這種半導體材料生產的。
然后，通過把有擠出的聚乙烯層的電纜放在既溫暖又潮濕的環境中使聚乙烯材料交聯。在優選實施方案中，電纜浸沒在溫度介于大約60℃和80℃之間的熱水浴中。在這種環境中，硅烷材料促進極低密度聚乙烯材料的交聯。優選的是，交聯后聚乙烯絕緣材料的凝膠含量(交聯程度)介于大約65％和75％之間。
在將電纜從熱水浴中取出之后，在交聯的聚乙烯半導體層70上編織金屬(例如，銅)的屏蔽層80。然后，在屏蔽層80上擠出絕緣套管90。
將交聯的極低密度聚乙烯材料用于絕緣層允許生產非常柔軟的電纜，同時提供低的相對介電常數(K)。在高壓電纜中使用介電常數低的絕緣體是有利的，因為低的介電常數減少電纜中的電容，并因此減少其中儲存的能量。一般地說，本發明的交聯的極低密度聚乙烯絕緣體的相對介電常數小于大約3，優選小于大約2.3。相對介電常數為2.3的絕緣體的運用得到電容比橡膠電纜少大約23％的電纜。
盡管這項發明已參照其優選實施方案予以具體的展示和描述，但是熟悉這項技術的人將理解在形式和細節方面各種不同的變化可以在不脫離權利要求書所囊括的本發明的范圍的情況下實現。
權利要求
1.一種用來把高電壓從高壓電源傳送到需要高電壓操作的儀器部件的柔性電纜，其中包括傳導性的電纜芯；裹住電纜芯的絕緣層，絕緣層包括交聯的極低密度聚乙烯材料；在內部絕緣層周圍的傳導性的屏蔽層；以及外部的絕緣套管。
2.根據權利要求1的柔性電纜，其中絕緣層進一步包含硅烷材料。
3.根據權利要求1的柔性電纜，其中絕緣層有小于大約3的介電常數。
4.根據權利要求3的柔性電纜，其中絕緣層有小于大約2.3的介電常數。
5.根據權利要求1的柔性電纜，其中極低密度聚乙烯材料的密度小于大約0.90g/cm3。
6.根據權利要求5的柔性電纜，其中極低密度聚乙烯材料的密度小于大約0.88g/cm3。
7.根據權利要求1的柔性電纜，其中電纜有小于或等于大約三倍電纜直徑的最小彎曲半徑。
8.根據權利要求1的柔性電纜，其中絕緣層包括至少大約70％的極低密度聚乙烯材料。
9.根據權利要求1的柔性電纜，進一步包括與柔性電纜的一端電耦合的儀器部件。
10.根據權利要求9的柔性電纜，其中儀器部件包括X射線發生器。
11.一種用來把高電壓遞送給儀器部件的系統，其中包括儀器部件；以及具有第一端和第二端的柔性電纜，第一端與儀器部件電耦合，而第二端適合與高壓電源電耦合，柔性電纜包括傳導性的電纜芯；裹住電纜芯圍住的絕緣層，絕緣層包括交聯的極低密度聚乙烯材料；在內部絕緣層周圍的傳導性的屏蔽層；和外部的絕緣套管。
12.根據權利要求11的系統，其中儀器部件包括X射線發生器。
13.根據權利要求11的系統，其中儀器部件包括離子加速器。
14.根據權利要求11的系統，進一步包括與電纜的第二端電耦合的高壓電源。
15.一種把來自高壓電源的高電壓遞送給需要高電壓操作的儀器部件的方法，包括提供有第一端和第二端的柔性的電纜，第一端與儀器部件電耦合，第二端與高壓電源電耦合，柔性電纜包括傳導性的電纜芯；裹住電纜芯的絕緣層，絕緣層包括交聯的極低密度聚乙烯材料；在內部的絕緣層周圍的傳導性的屏蔽層；和外部的絕緣套管；以及把來自高壓電源的高電壓通過柔性電纜傳送到儀器部件。
16.一種制造柔性電纜的方法，包括提供傳導性的電纜芯；在電纜芯上形成絕緣層，絕緣層包括交聯的極低密度聚乙烯材料；在絕緣層上提供傳導性的屏蔽層；以及在傳導性的屏蔽層上提供絕緣套管。
17.根據權利要求16的方法，進一步包括使極低密度聚乙烯材料交聯。
18.根據權利要求17的方法，進一步包括把硅烷材料引進到極低密度聚乙烯材料之中，以促進交聯步驟。
19.根據權利要求17的方法，其中交聯是在溫暖又潮濕的環境中完成的。
20.根據權利要求17的方法，進一步包括在電纜芯上擠制極低密度聚乙烯材料，然后把電纜芯引進溫暖又潮濕的環境，以促進極低密度聚乙烯材料的交聯。
21.根據權利要求20的方法，其中把電纜芯引進溫暖潮濕環境的步驟包括把在電纜芯浸沒在溫度介于60℃和80℃之間的熱水浴之中。
22.根據權利要求16的方法，其中交聯的絕緣層的凝膠含量介于大約65％和75％之間。
全文摘要
一種把高電壓從高壓電源傳送到需要高電壓操作的機器或儀器部件(例如，用于醫學或工業應用的X射線源、離子加速器或醫學、工業或科學儀器的相似部件)的柔性電纜。這種電纜包括由至少一根核心導體組成的電纜芯、至少一個裹住電纜芯的內部絕緣層(內部絕緣層由交聯的極低密度聚乙烯材料組成)、在內部絕緣層周圍的傳導性的屏蔽層和外部的絕緣套管。依照一個實施方案，極低密度聚乙烯材料還包括用來促進交聯的硅烷材料。依照另一方面，極低密度聚乙烯材料可以有小于3，優選小于大約2.3的介電常數。
文檔編號H01B7/04GK1666304SQ03815445
公開日2005年9月7日 申請日期2003年5月2日 優先權日2002年5月3日
發明者杰麗·A·戈德盧斯特, 斯蒂芬·J·理格伯, 安德魯·薩比斯通 申請人:戴萊科特克科學有限公司