CN100450759C - 铝导体复合芯增强电缆以及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝导体复合芯增强电缆(ACCC)(300)以及制造方法。ACCC电缆具有由至少一层铝导体(306、308)环绕的复合芯(302、304)。复合芯包括至少一种纵向定向且基本连续的增强纤维，该增强纤维在热固性树脂基体中，所述芯能够在大约90至大约230℃的范围内工作，有至少50%纤维体积率，在大约160至大约240Ksi的拉伸强度，在大约7至30Msi范围内的弹性模量，以及在大约0至大约6×10^-6m/m/C范围内的热膨胀系数。

Description

铝导体复合芯增强电缆以及制造方法

优先权

对于本国际申请，申请人要求在先美国临时申请No.60/374879的优先权，该美国临时申请No.60/374879在美国专利和商标局的申请日为2002年4月23日。

技术领域

本申请涉及一种铝导体复合芯(ACCC)增强电缆以及制造方法。更具体地说，本发明涉及一种用于供电的电缆，该电缆有由铝导体包围的增强纤维热固性树脂复合芯，并能够在升高温度下有更大安培容量。

背景技术

本发明涉及一种复合芯部件和由该复合芯部件制成的铝导体复合芯(ACCC)增强电缆产品。本发明还涉及铝导体复合芯(ACCC)增强电缆的形成方法。在普通的铝导体钢增强电缆(ACSR)中，铝导体输送电，钢芯设计成承载传递的负载。

在ACCC电缆中，ACSR电缆的钢芯由复合芯代替，该复合芯包括在热固性树脂基体中的至少一种增强纤维。代替钢芯有很多优点。ACCC电缆能够使工作温度保持在大约90至大约230℃的范围内，同时没有在普通ACSR电缆中引起的相应下垂。而且，为了增加安培容量，ACCC电缆可以有更高弹性模量和更小热膨胀系数。

本发明涉及一种铝导体复合芯增强电缆，它适于在较高工作温度下工作，同时不受在用于供电的其它电缆中固有的电流工作极限的限制，其中，供电包括配电电缆和传输电缆。在导体的物理性能(涉及拉伸强度减小)没有明显变化的情况下，普通ACSR电缆可以在直到100℃的温度下连续工作。该温度极限将普通230kV电线(排列有795kcmil ACSR“Drake”导体)的发热率限制为大约400MVA，相当于1000A电流。

导体电缆受到部件的、限制安培容量的固有物理特征的限制。更具体地说，安培容量是通过该电缆送电的能力的测量值，其中，增加的电能使得导体的工作温度升高。过多的热量使得电缆下垂至低于允许高度。因此，为了增加传输电缆的负载承载能力，电缆自身必须利用具有能够在不引起过度下垂的情况下承受增大安培容量的固有性质的部件来设计。

尽管安培容量增益可以通过增加包围传输电缆的芯的导体面积来实现，但是增加导体重量将增加电缆的重量，并导致下垂。而且，增加的重量需要电缆在电缆支承基础结构中使用增大的拉伸力。这样的较大负载增加通常需要结构增强或替换，而这样的基础结构变化通常在经济上是不可行的。因此，经济的目的是增加输电电缆的负载能力，同时使用现有的传输线路。

欧洲专利申请No.EP1168374A3公开了一种复合芯，该复合芯包括增强玻璃纤维和热塑性树脂中的一种。目的是：提供一种输电电缆，该输电电缆利用增强塑料复合芯作为电缆中的承载元件；以及提供一种通过输电电缆传送电流的方法，该输电电缆采用内部增强塑料芯。该复合芯不能实现这些目的。一个包括玻璃纤维的纤维系统不具有所需的硬度来吸收传递负载和防止电流下垂。第二，包括玻璃纤维的热塑性树脂的复合芯不能满足增加安培容量所需的工作温度(即在90和230℃之间)。

利用碳环氧树脂复合芯设计的复合芯也有内在困难。碳环氧树脂芯的柔性非常有限，且成本很高。具有碳环氧树脂芯的电缆产品没有足以能够缠绕和运输的柔性。而且，与市场上的其它纤维相比，碳纤维的成本较高。碳纤维的成本在$5至$37每磅的范围内，而玻璃纤维的成本在$0.36至$1.20每磅的范围内。因此，只由碳纤维构成的复合芯在经济上不可行。

复合芯的物理性质还由处理方法限制。现有的处理方法不能获得较高的纤维/树脂比(体积比或重量比)。这些方法不能产生富含纤维的芯，而富含纤维的芯将有与钢芯相当的强度。而且，现有处理方法的处理速度受到处理自身的固有特征的限制。例如，普通的拉挤成型模为大约36英寸，具有恒定截面。因此将增加在复合和模之间的摩擦，从而减慢处理时间。对于环氧树脂，在该系统中的处理时间在大约6英寸/分钟至大约12英寸/分钟，这在经济上并不可行。而且，这些处理不允许复合结构，且不能在处理过程中进行调节，其中，该调节包括改变纤维/树脂比。

因此，希望设计经济可行的ACCC电缆，该ACCC电缆有在热固性树脂基体中的至少一种增强纤维，它包括有利于增加安培容量且不会使相应电缆下垂的固有物理特征。还希望使用这样的方法来处理复合芯，该方法允许复合芯结构，并能够在处理过程中进行调节，且能够在大约9ft/分钟至50ft/分钟的速度范围内进行处理。

发明内容

通过采用铝导体复合芯(ACCC)增强电缆，可以增大安培容量。ACCC增强电缆是高温、低下垂导体，它能够在高于100℃的温度下工作，同时有稳定的拉伸强度和蠕变伸长特征。还希望能够实现直到230℃的实际温度极限。在180℃下使用ACCC增强电缆(该增强电缆的直径与原来的电缆相同)也将在没有明显结构负载变化的情况下使线路的额定功率增加50％。当替换的导体的热伸长率小于原来的电缆时，支承结构将不必进行升高或增强。

特别是，用包括纤维和树脂并具有相对较高弹性模量和相对较低热膨胀系数的复合强度部件代替配电和传输导体电缆的芯，这样将有利于增加导体电缆的安培容量。还希望设计具有较长使用寿命的复合芯，从而使复合强度部件能够在增加安培容量的温度下(大约90至230℃)工作至少六十年，更优选是七十年，同时不必增加复合芯的直径或导体的外径。这又能有更大的物理空间来布置更多的铝，且能够使机械和物理性能满足下垂限制，同时不增加导体重量。

而且，本发明能够形成具有更小芯尺寸的复合芯。更小的芯尺寸使得导体电缆能够容纳更大体积的铝，其中，ACCC电缆的强度和重量特征与没有复合芯的导体电缆相同。

为了获得合适的安培容量增益，本发明的复合芯还可以使具有较低弹性模量的纤维与具有较高弹性模量的纤维组合，以便增加芯的硬度和降低伸长百分比。通过组合纤维，可以获得新的特性组，包括不同弹性模量、热膨胀、密度和成本。当先进的复合与较低模量增强纤维(固有物理性能在玻璃纤维的相同范围内)组合时，下垂相对温度的计算显示可获得安培容量增益。

根据对增强纤维种类和具有合适固有物理性质的热固性树脂的选择，本发明的复合芯满足某些物理特征。本发明的复合芯具有很低的热膨胀系数和很高的拉伸强度，并能够承受较低范围的环境温度，还有很高的介电特性和足以进行缠绕的柔韧性。特别是，本发明的复合芯的拉伸强度在大约160至大约240Ksi范围内，弹性模量在大约7至大约30Msi范围内，工作温度在大约90至大约230℃，且热膨胀系数在大约0至大约6×10^-6m/m/C。这些范围可以通过一种增强纤维或多种增强纤维的组合来实现。理论上，尽管只通过一种纤维可以获得这些特征，但是实际上，在本发明范围内的大部分芯包括两种或更多不同的增强纤维。此外，根据在最终复合芯中所希望的物理特征，复合芯容纳的纤维的相对量可以改变。

本发明的复合芯可以通过B阶段成型工艺而形成，在该B阶段成型工艺中，纤维由树脂浸湿，并通过处理中的多个区域连续拉出。B阶段成型工艺通常涉及复合芯部件的制造，特别是涉及用于制造树脂浸渍纤维复合芯部件的改进装置和处理。更具体地说，根据优选实施例，多相B阶段处理将纤维和树脂形成复合芯部件，该复合芯部件具有比现有芯部件更优的强度、更高的安培容量、更低的电阻和更轻的重量。该处理能够形成复合芯部件，该复合芯部件的纤维树脂比使得复合的强度最大，特别是挠曲强度、压缩强度和拉伸强度。在还一实施例中，复合芯部件由具有较高电导性的铝包围，以便使ACCC电缆具有很高强度和很高硬度特征。

附图说明

通过参考下面的详细说明并阅读附图，可以更好地理解本发明的这些和其它特征，附图中：

图1是用于形成本发明的增强纤维复合芯部件的B阶段成型工艺的示意图。

图2是衬套的示意图，表示了充分隔开的通道，用于将纤维以预定图形插入，以便引导纤维通过本发明的B阶段成型工艺。

图3是衬套的结构的示意图，所述视图表示了根据本发明用于形成和压缩增强纤维束的通道。

图4是两种不同衬套的示意图，表示了通道从一个衬套向另一个减小，以便在根据本发明形成复合芯时将纤维形成和压紧成束。

图5表示了根据本发明的30种可能的复合芯截面几何图形。

图6是在顶部彼此重叠的多个衬套的多维剖视图，表示了随各衬套减小的通道尺寸。

图7是多个衬套的多相示意图，表示了根据本发明，随各连续衬套的通道移动以及通道的尺寸减小。

图8是本发明的复合芯的一个实施例的剖视图。

图9是根据本发明的炉处理的示意图，该炉处理有交叉循环空气流，以便保持空气温度恒定。

图10是图9所示的炉中的加热元件的剖视图，表示了根据本发明在加热元件中的各加热器。

图11是铝导体复合芯(ACCC)增强电缆的一个本发明实施例的示意图，表示了由两层铝导体包围的内部改进复合芯和外部低模量芯。

具体实施方式

下面将参考附图更充分地介绍本发明，附图中表示了本发明的优选实施例。不过，本发明也可以以多种不同形式来实施，并不局限于这里所述实施例；而是，提供了这些实施例这样，说明书能够使本领域技术人员充分理解本发明的范围。在全部附图中，相同的参考标号表示相同元件。附图并不必须按比例画出，但是将设置为清楚表示本发明。

本发明涉及一种增强复合芯部件，该增强复合芯部件由埋入高温树脂中的增强纤维制成，以便在用于配电的铝导体复合芯(ACCC)增强电缆中使用，其中，配电包括配电电缆和传输电缆。图11表示了ACCC增强电缆300的典型实施例。图11表示了ACCC增强电缆，该ACCC增强电缆有增强碳纤维/环氧树脂复合内部芯302和增强玻璃纤维/环氧树脂复合外部芯304，该外部芯304由第一层铝导体306包围，其中，多个梯形铝股线环绕复合芯缠绕，并有第二层铝导体308，其中，多个梯形铝股线环绕第一铝层306缠绕。

本发明的复合芯包括以下特征：至少一种增强纤维，各种增强纤维的相对量可变，增强纤维为很小直径种类，增强纤维为基本连续长度，复合芯有很高填充密度，增强纤维束在填充密度内有相对间距，体积率为至少50％，纤维重量率为大约60和大约75％之间，可调节体积率，很低的热膨胀系数、很高的拉伸强度，能够承受很高的工作温度范围，能够承受很低的环境温度，可以定制复合芯树脂特性，很高的介电特性，可以有多种几何截面形状，并有足以使连续长度的复合芯进行缠绕的柔性。

本发明的复合芯的拉伸强度在大约160至大约240Ksi范围内，弹性模量在大约7至大约30Msi范围内，工作温度在大约90至大约230℃范围内，热膨胀系数在大约0至大约6×10^-6m/m/C范围内。为了实现这些物理特征，本发明的复合芯可以包括一种增强纤维，该增强纤维的固有物理特性使得复合芯能够满足所需的物理规定。实际上，在本发明范围内的大部分电缆包括至少两种不同的增强纤维。

与通常用于输电系统中的电缆的材料相比，将两种或更多增强纤维组合在复合芯部件中能够大大改进强度和比重。纤维可以从以下组中选择，该组例如包括：碳纤维-HM和HS(基于沥青)、Kevlar纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺、硼纤维、液晶纤维、高性能聚乙烯纤维和碳纳米纤维。各种碳纤维、硼纤维、Kevlar纤维和玻璃纤维都可由市场上获得。各种纤维具有各种亚类特征，它们可以进行不同组合，以便获得特殊复合。应当知道，只给出了满足本发明特定特征的纤维实例，本发明并不只局限于这些纤维。满足本发明所需物理特征的其它纤维也可以使用。

优选是，本发明的复合芯包括纤维束，该纤维束具有相对较小的码数或K数。纤维束是未扭绞的连续微纤维束，其中，束的组分由它的码数或K数表示。例如，12K束有12000个微纤维。理想情况下，微纤维由树脂浸湿，这样，树脂覆盖在束内的各微纤维的外周。浸湿可能受到束大小(也就是在束中的微纤维数目)和各微纤维尺寸的影响。由于包含在束中的纤维数目，更大的束将更难浸湿在束中的各个纤维，而更小纤维直径增加了树脂在各纤维束内的各纤维周围的分布。对于所形成的复合的性能，纤维束在复合中的浸湿和渗透将非常重要。不完全的浸湿导致在纤维复合中的缺陷或干点，从而减小了复合产品的强度和耐久性。纤维束也可以根据能够处理的纤维束大小来选择，以便能够形成具有最佳物理特征的复合。一种用于形成本发明的复合芯的处理成为B阶段成型工艺。本发明的碳纤维束优选是选择在大约4K至大约50K的范围内，玻璃纤维束优选是选择在大约800至大约1200码。

本发明的各增强纤维的尺寸优选是，玻璃纤维的直径在大约8至大约15μm的范围内，最优选是大约10μm，而碳纤维的直径优选是在大约5至大约10μm内，最优选是大约7μm。对于其它种类的纤维，合适尺寸范围将根据所希望的物理特性来确定。该范围根据最佳湿透特征和可行性来选择。例如，小于大约5μm的纤维的直径很小，以致于它们对于处理它们的人有一定的健康危险。另一方面，接近25μm直径的纤维很难加工，因为它们更硬且更脆。

本发明的复合芯包括长度基本连续的纤维束。实际上，根据线轴的尺寸，本发明的碳纤维束优选是长度在大约1000和3000米之间。不过，根据线轴的长度，玻璃纤维长度可以达到36km。更优选是，纤维选择为在1000至33000米的范围。最优选是，选择处理设备能容纳的最长纤维，因为不用接合纤维以形成超过6000英尺的连续复合芯。纤维端部可以端对端地胶接，从而形成基本连续的纤维束段。连续束将纤维纵向定向成沿电缆。

相对于其它导体电缆芯，本发明的复合芯包括具有较高填充效率的纤维。特别是，普通钢导体电缆通常包括几个圆钢丝。由于钢丝的圆形，因此钢丝不能紧密充装，并只能获得大约74％的填充效率。使钢芯有100％填充效率的方法只能是有实心钢杆，而不是几个圆钢丝。这是不可能的，因为最终的电缆将太硬且不能完全。在本发明中，各纤维纵向定向，其中，各纤维涂覆有树脂并固化形成具有100％填充效率的混杂复合芯部件。更高的填充效率使得复合的强度大于给定体积的其它电缆。此外，更高的填充效率使得能够形成更小直径的复合芯，从而增加能够环绕复合导体芯缠绕的铝导体材料的量。

本发明的复合芯包括具有很高耐热性的增强纤维。耐热性使得ACCC电缆能够传输更大电能，因为复合芯能够承受更高工作温度。用于本发明的纤维能够承受在大约90和大约230℃之间的工作温度。更优选是，本发明的纤维能够承受在大约170至大约200℃之间的工作温度。而且，用于本发明的纤维优选是能够承受在大约-40至大约90℃之间的环境温度范围。也就是，在环境条件下没有电流流入ACCC电流时，复合芯能够在不损害物理特征的情况下承受低至大约-40℃的温度。

各种增强纤维的相对量根据复合电缆的所希望物理特征来选择。例如，具有更低弹性模量的纤维能够形成高强度、较硬的复合芯。碳纤维的弹性模量优选是在大约22至大于37Msi之间，而玻璃纤维被认为是低模量的增强纤维。两种纤维可以组合，以便充分利用各纤维的固有物理特征，从而产生较高强度、较高硬度的复合芯，同时有柔性。例如在一个实施例中，复合芯包括：内部的碳/树脂芯，它的面积为0.037平方英寸，而纤维树脂重量比为大约70/30；外部的玻璃/树脂层，它的面积为0.074平方英寸，纤维/树脂重量比为大约75/25。

根据本发明，复合芯的物理特征可以通过调节各组成部分的纤维/树脂比来调节。也可选择，复合芯的物理特征可以通过调节在复合芯部件内的各组成部分的面积百分率来进行调节。例如，通过使碳的总面积从0.037平方英寸减小，并使玻璃的面积从0.074平方英寸增加，复合芯部件产品可以减小碳芯中的硬度，同时增加柔性。此外，用于玻璃与碳的束直径比较低，因此，所形成的复合芯的直径更小，从而当所形成的电缆尺寸相同时能够增加导体。也可选择，第三纤维(例如玄武岩)可以引入复合芯。添加的纤维改变了产品的物理特征。例如，通过用玄武岩代替一些碳纤维，芯可以增加介电特性，且芯硬度相对减小。

本发明的复合芯包括具有相对较高拉伸强度的增强纤维。在高架输电电缆中的下垂程度随跨距长度的平方变化，并与电缆的拉伸强度成反比变化，因此，增加拉伸强度能够有效减小ACCC电缆的下垂。碳纤维选择为拉伸强度优选是在大约350至大约750Ksi的范围内。更优选是在710Ksi至750Ksi范围内。玻璃纤维选择为拉伸强度优选是在大约180Ksi至大约220Ksi范围内。复合的拉伸强度通过使具有更低拉伸强度的玻璃纤维与具有更高拉伸强度的碳纤维组合而增强。两种纤维的性质组合形成具有更合适的物理特征组的新电缆。

本发明的复合芯包括埋入树脂基体中的纵向纤维，且纤维/树脂体积率比例至少为50∶50％。体积率是纤维面积除以截面的总面积，其中，纤维的重量将确定最终的重量百分率比例。根据本发明，优选是，在纤维/树脂复合中的纤维体积率在大约50至大约57％的范围内。更优选是，根据纤维的重量，体积率计算为形成72％的纤维/树脂重量比。

根据本发明，复合芯根据ACCC增强电缆的所希望物理特征来设计。更优选是，复合芯设计为具有内部增强芯部件，该芯部件包括由多个外部柔性层包围的先进复合。先进复合是具有连续纤维的复合，该纤维的体积率大于50％，机械性能超过玻璃纤维的机械性能。而且，优选是具有外层低模量复合，该低模量复合的机械性能在玻璃纤维的范围内。低模量纤维的机械特征在玻璃纤维的范围内。玻璃纤维的机械特征适于接合，而先进的复合更脆，并不能很好地接合。

形成先进复合的纤维优选是选择为具有大约350至大约750Ksi范围的拉伸强度；弹性模量优选是在大约22至大约37Msi范围内；热膨胀系数在大约-0.7至大约0m/m/C范围内；屈服伸长百分率在大约1.5至3％范围内；介电特性在大约0.31W/m·K至大约0.04W/m·K范围内；密度在大约0.065lb/in³至大约0.13lb/in³。

形成环绕先进复合的外部低模量层的纤维优选是具有大约180至大约220Ksi范围的拉伸强度；热膨胀系数在大约5×10^-6至大约10×10^-6m/m/C范围内；屈服伸长百分率在大约3至大约6％范围内；介电特性在大约0.034W/m·K至大约0.04W/m·K范围内；密度在大约0.065lb/in³至大约0.13lb/in³。

具有内部芯的复合芯部件包括具有上述优选范围值组的先进复合，该复合由具有上述优选范围值组的外部低模量层环绕，该复合芯部件的安培容量比其它导体电缆增加大约0至大约200％。特别是，最终的复合芯具有以下优选物理特征。拉伸强度在大约160至大约240Ksi范围的拉伸强度。更优选是，拉伸强度为大约185Ksi。弹性模量优选是在大约7至大约30Msi范围内。更优选是，弹性模量为大约14Msi。工作温度在大约90至大约230℃范围内。更优选是，复合芯能够承受至少大约190℃的工作温度。热膨胀系数在大约0大约6×10^-6m/m/C范围内。更优选是，芯的热膨胀系数为大约2.5×10^-6m/m/C。

优选是，根据增强纤维的固有物理性质来选择增强纤维的特殊组合，以便产生具有特殊物理性质的复合芯产品。特别是，为了设计能够承受安培容量增益的ACCC电缆，复合芯包括较高弹性模量和较低热膨胀系数。优选是，纤维不导电，而是有很高的介电特性。ACCC电缆在更高工作温度下工作，同时不相应增加下垂。下垂相对温度的计算需要输入弹性模量、热膨胀系数、复合强度部件的重量和导体重量。因此，在复合芯的设计中考虑这些物理特征。

尽管优选是形成具有内部先进复合的复合芯，低模量复合环绕该复合芯，但是也可以形成包括散布的较高弹性模量纤维和较低弹性模量纤维的复合芯。根据应变：失效比，为了在运输轮上形成合适的导体绕组，这种芯可能必须分段。而且，复合芯设计成具有在内部芯中的增加弹性模量纤维，该内部芯由具有更低弹性模量的纤维环绕，以便减小在内部芯上的应变程度。

例如，碳选择为具有在大约22至大约37Msi范围内的较高弹性模量，在大约-0.7至大约0m/m/C范围内的较低热膨胀系数，且伸长百分率在大约1.5至大约3％的范围内。玻璃纤维选择为具有较低弹性模量，在大约55×10^-6至大约10×10^-6m/m/C范围内的较低热膨胀系数，且伸长百分率在大约3至大约6％范围内。复合的应变能力将与组成部分的固有物理性质液晶组成部分的体积率相关联。在选定纤维/树脂复合之后，确定各纤维/树脂复合的应变失效比。根据本发明，树脂可以进行定制，以便实现特定处理特征和在最终产品中实现所希望的物理特性。例如，碳/环氧树脂的应变失效比为2.1％，而玻璃纤维/环氧树脂的应变失效比为1.7％。因此，复合芯设计成具有在内部芯中的碳/环氧树脂的硬度以及在外部芯中的、更柔软的玻璃纤维/环氧树脂，以便形成具有所需柔性和较低热膨胀系数的复合芯。

也可选择，具有超过玻璃纤维的机械特性的另一先进复合可以代替碳纤维的一部分，而具有玻璃纤维的机械特性范围的另一纤维代替玻璃纤维。例如，玄武岩有以下特性：在大约701.98Ksi范围内(玻璃纤维在大约180至大约500Ksi范围内)的较高拉伸强度，在大约12.95Msi范围内的较高弹性模量，在大约8.0ppm/C范围内(玻璃纤维为大约5.4ppm/C)的较低热膨胀系数，以及在大约3.15％范围内(玻璃纤维在大约3至大约6％范围内)伸长百分率。玄武岩纤维提供了增加的拉伸强度，弹性模量在碳和玻璃纤维之间，且伸长百分比接近碳纤维。还一优点是，玄武岩的介电特性优于碳。优选是，复合芯包括不导电的内部强度部件。通过设计成使先进复合芯具有固有物理特征的纤维，并由低模量纤维外部芯环绕，可以获得复合芯的新特性组。

相对于温度的下垂将通过考虑弹性模量、热膨胀系数、复合强度部件重量以及导体重量来确定。在所形成的复合芯中的更高弹性模量和更低热膨胀系数使得ACCC电缆能够承受安培容量增益，且工作温度在大约90至大约230℃之间。

本发明的复合芯包括热固性树脂，该热固性树脂的物理特性调节为能够实现本发明的目的。根据预期电缆用途，合适的热固性树脂选择为合适电缆特性的函数，以便使复合芯能够在较高工作温度下具有很长使用寿命。合适的热固性树脂也可以根据形成复合芯的方法来选择，以便在处理过程中减少摩擦、增加处理速度和优选的粘性，以便在最终的复合芯中实现合适纤维/树脂比。

本发明的复合芯包括树脂，该树脂具有良好机械特性以及在长时间暴露时的抗化学药品性，以便使用至少大约60年。更优选是，本发明的复合芯包括树脂，该树脂具有良好机械特性以及在长时间暴露时的抗化学药品性，以便使用至少大约70年。而且，本发明的复合芯包括树脂，该树脂优选是在大约90至大约230℃的范围内工作。更优选是，树脂在大约170至大约200℃范围内工作。

本发明的复合芯包括树脂，该树脂足够坚韧，以便能进行接合操作，同时不会使复合本体破裂。本发明的基本元件能够接合最终电缆产品中的复合芯部件。本发明的复合芯包括树脂，该树脂的净树脂断裂韧性优选是在大约0.87INS-lb/in至大约1.24INS-lb/in的范围内。

本发明的复合芯包括具有较低热膨胀系数的树脂。较低的热膨胀系数减小了所形成的电缆的下垂量。优选是，本发明的树脂在大约15×10^-6C至大约42×10^-6C的范围内工作。本发明的复合芯包括伸长大于大约4.5％的树脂。

本发明的复合芯包括埋入高温树脂内的纤维，该纤维有至少50％的体积率。纤维与树脂的比例影响复合芯部件的物理特性。特别是，强度、电导性和热膨胀系数是复合芯的纤维体积的函数。通常，在复合中的纤维体积率越高，所形成的复合的拉伸强度越高。本发明的、纤维与树脂的体积率优选是在大约50至57％范围内，相对于优选是在大约62至大约75％(重量)。更优选是，在本发明中，纤维/树脂重量比例为大约65至72％。更优选是，在本发明中的纤维体积率满足或超过大约72％(重量)。

复合芯的各种纤维相对于其它纤维有不同的纤维/树脂重量比。这通过选择合适数目的各种纤维和合适种类的树脂来实现，以便获得合适比例。例如，具有由外部玻璃/环氧树脂层环绕的碳/环氧树脂内部芯的复合芯部件可以包括126线轴的玻璃纤维和在50℃时粘性为大约2000至大约6000cPs的环氧树脂，它们形成大约75/25的预定纤维/树脂重量比。优选是，树脂可以调节，以便获得适于处理的粘性。复合还可以有16线轴的碳纤维和在50℃时粘性为大约2000至大约6000cPs的环氧树脂，它们形成大约70/30的预定纤维/树脂重量比，从而改变复合芯产品的物理特征。改变纤维线轴的数量改变了纤维/树脂的重量比率，因此，改变了复合芯产品的物理性能。也可选择，树脂可以进行调节，从而增加或减小树脂粘性，以便改变纤维/树脂比例。

根据本发明制成的复合电缆具有这样的物理性质，其中，某些物理性质可以通过在复合芯成型工艺过程中改变参数来控制。更具体地说，复合芯成型工艺可进行调节，以便在最终ACCC电缆中获得合适的物理特征。

根据本发明，多相B阶段成型工艺由长度基本连续的合适纤维束和可热处理的树脂来制造复合芯部件。在还一步骤中，复合芯部件由高电导性的铝缠绕。

根据本发明用于制成ACCC电缆的复合芯的工艺介绍如下。参考图1，本发明的导体芯B阶段成型工艺总体由参考标号10表示。B阶段成型工艺10用于由合适的纤维束或粗纱以及可热处理树脂来制成连续长度的复合芯部件。所形成的复合芯部件包括混杂同心芯，它有均匀分布的基本平行纤维的内层和外层。

在开始操作时，拉动和缠绕线轴机构进行驱动，以便开始拉动。未浸渍的原始纤维束从在区域9中的冷却部分的出口端伸出，作为在开始操作时的引出线，以便拉动纤维束12从线轴11通过纤维束引导件18和复合芯处理系统。

在图1中，多个纤维束12线轴装入机架系统14内，有各纤维束12的端部，从线轴11导出，并穿过纤维束引导件18。纤维进行切向拉动，以便防止纤维扭绞。优选是，在装置端部的拉动器16拉动纤维通过装置。各分配机架14包括能够调节各线轴11的拉紧力的装置。例如，各机架14可以有在分配机架处的较小制动器，以便单独调节各线轴的拉紧力。拉紧力调节能在纤维运行时减小纤维的吊线和交叉。束12穿过引导件18拉入预热炉20，该预热炉20去除水汽。预热炉20使用连续循环空气流和加热元件，以便保持温度恒定。

纤维束12拉入浸湿槽22。浸湿槽22充满树脂，以便浸渍纤维束12。在离开浸湿槽22的过程中，过多的树脂从纤维束12上除去。纤维束12从浸湿槽22拉向第二系统(B阶段炉24)。B阶段炉将树脂加热至使得液体阶段的树脂变成半固化阶段。B阶段固化树脂是粘性阶段，该粘性阶段使得纤维束能够弯曲、变化、压缩和成形。粘性通过控制树脂种类、纤维种类、纤维的线支数和尺寸以及炉温来控制。通过引导件18而保持分离的纤维束12拉入第二B阶段炉26中，该第二B阶段炉26包括多个连续衬套，以便压缩和构成束12。在第二B阶段炉26中，纤维束12通过由衬套提供的多个通道来引导。连续通道连续压缩纤维束12，并使纤维束12形成于最终的均匀复合芯部件内。

优选地，复合芯部件从第二B阶段炉26被拉向下一个炉处理系统28。在该炉处理系统28中，复合芯部件固化并被拉向下一个冷却系统30进行冷却。冷却之后，复合芯部件被拉向下一个炉处理系统32，在更高的温度下进行后固化。后固化工艺能够促进树脂基体中的交联，从而提高了复合芯部件的物理性能。这种工艺一般允许在加热和冷却系统与拉动设备36之间有间隔，自然或者通过对流来冷却产品，这样，用来抓住并拉动产品的拉动器34就不会损坏产品。在该工艺过程中，拉动机构以精确的控制速度拉产品。

再来更详细地参照图1。在一个优选实施例中，这种工艺从系统的左侧向右侧经一系列的在此被成为区域的阶段，连续地拉动纤维。每个区域完成不同的处理功能。在这个具体的实施例中，工艺包括9个区域。这个工艺开始于一系列的纤维分配机架14，从而拉动器34连续地将纤维12拉过各个区域。这种拉动器系统的一个优点是，与传统的往复式系统不同，这种拉动器系统用作由电机驱动的连续拉动系统。本拉动器系统使用双皮带系统，这两个皮带在产品的上下部分上行进，挤压二者之间的产品。相应地，这种拉动器系统体现了一种简化均匀拉动系统，以精确的控制速度工作，仅仅使用一种装置，取代了用来在工艺中推进品的多样相互作用的部件。另外，往复系统可以用来在该工艺中拉动纤维。

工艺在区域1中开始。区域1包括一种纤维分配系统。可以采用的纤维例如有：玻璃纤维、碳纤维、HM和HS(基于沥青)、玄武岩纤维、芳族聚酰胺、液晶纤维、Kevlar纤维、硼纤维、高性能聚乙烯纤维和碳纳米纤维(CNF)。在一个实施例中，纤维分配系统包括两个机架13，各机架包含多个线轴11，这些线轴11包含纤维束12。而且，根据复合芯部件的所希望特征，线轴11可互换，以便适应各种种类的纤维束12。

例如，通过B阶段成型工艺而形成的优选复合芯部件包括由玻璃/树脂外部芯层环绕的碳/树脂内部芯。优选是，使用高强度和高质量的碳。树脂基体也防止纤维受到表面损害，并通过提高防破裂性的纤维来防止破裂。导体芯B阶段成型工艺10产生用于拉动纤维的系统，从而在纤维之间实现合适程度的粘接，以便产生具有最佳复合特性的复合部件。

如前所述，复合芯的组成部分根据所希望的复合芯特征来选择。这种工艺的一个优点是能够调节复合的组成部分，以便使复合芯实现最终ACCC电缆的所希望目标，即该电缆能够承载电流，同时不会有引起下垂的不合适热膨胀，且不会减小拉伸强度。优选是组合多种纤维，以便组合各纤维的物理特征。通过形成具有增加强度和硬度的芯，并与更柔软的外层连接，可以提高性能。这种工艺通过防止粗纱扭绞而增加了复合的最佳特征，从而导致更均匀地浸湿和强度特征。

例如，在复合芯部件的优选实施例中，复合芯包括玻璃和碳。通过采用B阶段成型工艺，机架13保持126个玻璃线轴11和16个碳线轴11。从线轴11导出的纤维束12穿过纤维束引导件18，其中，纤维束通道布置成提供用于形成具有均匀碳芯和外部玻璃层的复合芯部件。碳层的特征在于高强度和硬度，并为弱导电体，而外部的低模量玻璃层更柔软，且不导电。具有外部玻璃层提供了在碳和高电导性铝(缠绕在最终的复合导体产品中)之间的外部绝缘层。

纤维分配系统分配从纤维包中切向拉出的纤维。从线轴上切向拉出将使得纤维不会扭绞。中心拉出方法将导致扭绞纤维的数目增加。扭绞纤维将偶尔布置在其它扭绞纤维的顶部，并产生具有多个干纤维点的复合。优选是，采用切向拉动来避免干点，并优化纤维的浸湿能力。

纤维束12穿过引导系统18。优选是，引导件18包括聚乙烯和钢衬套，该衬套有多个成预定图形的通道，这些通道引导纤维，以便防止纤维交叉。参考图2，引导件包括衬套，该衬套具有充分隔开的通道，用于使纤维插入预定图形。通道包含在内部正方形部分40内。通道布置成变化数目的排，其中，更大直径的碳纤维通过中心的两排通道42，更小直径的玻璃纤维通过在碳通道42两侧的外部两排44。拉紧装置(优选是在各线轴上)调节拉动的纤维的拉紧力，并保证直着将纤维拉过引导件18。

至少两个纤维拉过引导件18中的各通道。例如，包括26通道的引导件18拉过52个纤维，其中，各通道有两个纤维。当一对中的一个纤维断开时，检测系统对复合芯B阶段成型工艺10发出警告，表明该成型工艺10有断开纤维，并停止拉动器34。也可选择，在一个实施例中，根据断开发生位置，工艺将对断开纤维发出警告，并可以在不停止工艺的情况下在飞轮上进行维修。为了进行维修，新纤维从机架13中拉出，并粘在新纤维的断开端上。在修理纤维之后，再次开始导体芯B阶段成型工艺。

在优选形式中，纤维分组成多排平行结构。例如，在图2中，有六个平行排的通道。外部两排包括32个通道，两个内部排包括31个通道，而两个中心排各包括4个通道。纤维每次至少两个地拉入各通道内，并拉入区域2。

区域2包括炉处理系统，该炉处理系统预热干纤维，以便去除水汽。本发明的纤维优选是在大约150至250°F范围内进行加热，以便蒸发水汽。

炉处理系统包括炉部分，其中，该炉部分设计成促使交叉循环气流逆着材料流。图9表示了炉系统的典型实施例。炉总体表示为60。纤维沿从上游向下游的方向流过炉，空气沿相反方向通过。炉处理系统包括加热驱动系统壳体64，该壳体64容纳吹风机68，该吹风机68由电动机70提供动力，它位于加热器组件66的上游，以便使空气沿下游方向流过气流管62。加热驱动系统壳体容纳在加热器组件66上游的吹风机68。该吹风机68推动空气横过加热器组件66并通过炉系统。空气向下游流向弯曲的肘管72。该弯曲肘管72使气流转向90度，向上进入进口管78和通过炉进口76。通过该进口，气流转向90度，逆着纤维的拉动方向而向上游流过炉60。在炉60的端部，气流转向90度，并向下通过炉出口80、通过出口管74和通过电机70，返回加热驱动系统壳体64内。电机70包括在加热驱动系统外部的电动机，以便防止过热。电机70包括滑轮，该滑轮有正时皮带，该正时皮带使得有叶片的吹风机68运动。优选是，系统为计算机控制，从而能够在合适温度形成连续空气循环。更优选是，工艺能够在任何时间根据处理需要来改变温度。

例如，计算机检测到温度低于所需温度，并起动加热元件，或者当温度太高时关闭加热器。吹风机吹动空气横过下游的加热元件。系统迫使空气在闭环环路中运动，从而连续地通过炉循环，以便保持温度恒定。

图10是加热元件66的优选实施例的更详细视图。在一个实施例中，加热器组件包括9个水平的钢电加热器82。各加热器单元与其它加热器分开且不同。各加热器单元通过间隙分开。优选是，在检测到温度差之后，计算机起动多个加热器，以便提供足够热量。当系统需要时，计算机起动9个加热器中的一个。也可选择，根据处理需要，计算机起动加热器组件中的每隔一个加热器。在另一实施例中，计算机起动加热器组件中的全部加热器。在还一可选实施例中，计算器起动加热器组件中的一部分加热器，或者关闭全部加热器。

在可选实施例中，电磁场穿透处理材料，以便加热纤维和去除任何水汽。在另一实施例中，脉冲微波加热纤维并去除任何水汽。在另一实施例中，电子束处理使用电子作为离子化辐射，以便去除任何多余水汽。

在另一实施例中，拉动器将纤维从区域2拉向区域3(纤维浸渍系统)。区域3包括浸湿槽22。在优选实施例中，浸湿槽22包含能够使纤维在浸湿过程中重新定向的装置。优选是，装置位于槽的中心，并使纤维垂直于拉动方向垂直地上下运动，从而使得纤维偏转，以便从圆形结构重新构成扁平结构。该扁平结构使得纤维能够并排布置，并使纤维能够更完全地由树脂浸湿。

在本领域公知的各种可选技术可用于用树脂涂布或浸渍纤维。该技术例如包括喷溅、浸入、反向涂覆、刷和树脂喷射。在可选实施例中，超声波驱动用作振动，以便提高纤维的浸湿能力。

通常，可固化热固性聚合物树脂组成部分的任何已知加热都可以用于本发明。该树脂例如可以是PEAR(聚醚酰胺树脂)、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、液晶聚合物(LCP)、以及基于液晶技术的高温环氧树脂或类似树脂材料。树脂可以根据处理液晶复合芯中所希望的物理特征来选择。

而且，树脂的粘性影响成型速率。为了获得用于形成复合芯部件的所希望纤维/树脂比例，优选是在20℃时粘性在大约200至大约1500厘泊的范围内。树脂选择为具有良好的机械性质和优良的抗化学药品性，以便使暴露时间延长为至少60年，更优选是，在大约230℃时能工作至少70年。本发明的特殊优点是，这种工艺能够适应使用低粘性树脂。根据本发明，优选是使纤维/树脂重量比在62-75％的范围内。更优选是，纤维/树脂重量比在72-75％的范围内。低粘性树脂将充分润湿用于复合芯部件的纤维。优选的聚合物能抗广谱化学药品侵蚀。还优选是，聚合物满足ASTME595的脱气要求和UL94可燃性测试，并能够在220和280℃的温度范围内间歇工作，同时不会对强度部件产生热或机械损害。

为了获得合适的纤维树脂比例，浸湿槽的上游侧包括多个重新定向擦杆。当纤维拉过浸湿槽时，纤维对着一系列擦杆进行上下调节，从而除去多余树脂。也可选择，重新定向系统包括擦拭器系统，以便擦去由纤维带出槽的多余树脂。优选是，多余树脂收集在浸湿槽22内并重新使用。

也可选择，浸湿槽使用一系列挤出衬套，以便除去多余树脂。在浸湿处理过程中，各束纤维包含三倍的最终产品所希望树脂。为了在复合芯部件的截面中获得恰好的纤维树脂比例，计算纯纤维的量。挤出衬套设计成除去预定百分率的树脂。例如，当衬套的通道面积为纤维截面面积的两倍大时，使浓度大于50％的树脂不能拉过衬套，多余树脂将除去。也可选择，衬套可以设计为能够通过100％纤维和20％树脂。

优选是，回收盘在浸湿槽22下面纵向延伸，以便捕获流出的树脂。更优选是，浸湿槽有辅助槽，该辅助槽有流出能力。流出的树脂利用重力并通过管道而返回辅助槽。也可选择，槽的出流由流出槽道捕获，并通过重力返回槽。在还一可选实施例中，工艺使用排出泵系统，以便使树脂从辅助槽回收至浸湿槽内。优选是，计算机系统控制槽内的树脂液面。传感器检测较低树脂液面，并起动泵，以便将树脂从辅助混合槽泵入处理槽。更优选是，有位于浸湿槽区域内的混合槽。树脂在混合槽中混合，并泵入树脂浸湿槽。

拉动器将纤维从区域3拉向区域4(B阶段区域)。区域4包括炉处理系统24。优选是，炉处理系统24是具有计算机系统的炉，该计算机系统控制空气温度，并保持气流恒定，其中，该炉与区域2中的炉相同。

拉动器将纤维从区域3拉向区域4。炉通过推动器加热系统而使空气沿下游至上游的循环方向流动。计算机系统控制温度，以便将湿纤维加热成B阶段。优选是，处理确定温度。本发明的B阶段温度为从大约200至250°F。本发明中的B阶段半固化处理的一个优点是能够在连续处理过程中在很短时间内(大约1-1.5分钟)将树脂加热至半固化阶段。优点是该加热步骤不会影响系统的处理速度。B阶段处理能够通过从浸湿阶段中除去多余树脂而进一步调节纤维/树脂比例。而且，B阶段使得纤维/树脂基体在处理过程中进一步压紧和成形。因此，该处理与使用预浸渍半固化的现有处理不同。使纤维加热半固化至发粘阶段。

更具体地说，在传统复合工艺中，浸湿的纤维逐渐加热至半固化阶段。不过，加热处理通常花费一小时或更长时间以便达到半固化阶段。而且，复合必须立即缠绕和冷冻，以便使复合保持半固化阶段，并防止固化至最终阶段。因此，处理将分段，因为需要从生产线中取出产品，以便使该产品成形。

根据本发明，B阶段加热专用于高效经济用途，其中快速进行半固化。优选是，树脂设计成能够快速B阶段半固化，该半固化在整个处理中保持恒定，从而能形成和构成产品，并能进一步压紧产品。

拉动器将纤维从B阶段区域4拉向区域5，区域5用于形成复合芯部件。区域5包括下一个炉处理系统26，该炉处理系统26有多个衬套。衬套用于形成纤维束12的截面。优选是，衬套串联设置，从而包括彼此平行的结构。在本实施例中，在炉处理系统26中有一组7个横向隔开的衬套。优选是，衬套的间距可以根据处理进行调节。衬套可以彼此等距离或变距离隔开。

在区域5中的一系列衬套减小了摩擦力，因为相对较薄衬套的厚度在大约3/8至大约3/4英寸范围内。减小摩擦力有助于增大处理速度。

本发明的区域4、5和6在大约30-45英尺的范围内延伸。最优选是，区域4、5和6延伸至少30英尺。该拉动距离以及用于薄衬套板而减小的摩擦力有助于获得在大约9ft/min至大约50ft/min范围内的合适拉动速度。最优选是大约20ft/min。用于高纤维/树脂比例，处理速度进一步增加。

例如，参考图3，衬套90包括扁平钢板，该钢板有多个通道，纤维束12拉过这些通道。扁平板钢衬套90优选是厚度在3/8英寸至1/2英寸范围内(由工艺确定)。衬套90有相对较薄的壁，以便减小摩擦，必须通过加热和冷却处理而添加或除去热量，以便获得使纤维树脂基体有效固化所需的温度变化。优选是，衬套90的厚度为所需的最小厚度，该厚度提供承受由经过衬套的材料施加在衬套90上的力所需的结构强度。特别是，衬套90的厚度优选是就衬套壁变形限制为容许水平所需的最小值，该容许水平将并不干涉材料通过系统的拉动。

优选是，衬套90的设计和尺寸相同。更优选是，在沿上游方向的各连续衬套90中，在各衬套90中的通道减小尺寸和改变位置。图3表示了衬套90的优选实施例。衬套90包括两个挂钩部分94和内部的优选正方形部分92。该内部正方形部分92容纳通道，拉动机构通过该通道拉动纤维。外部挂钩部分94形成支承系统，因此衬套90布置在区域5中的炉内。外部挂钩部分94与炉内的互锁长钢梁连接，该长钢梁用于支承衬套90。

区域5包括一系列8个连续衬套。这些衬套有两个功能：(1)在最终产品的结构中引导纤维；以及(2)成形和压缩纤维。在一个实施例中，衬套90在炉内隔开布置地支承在挂钩结构上。衬套90用于连续压缩纤维和形成复合芯，在本实施例中，复合芯包括碳和玻璃，而处理在合适拉紧力下进行，以便在不混合纤维的情况下同心和均匀地分配纤维。衬套90可以设计为形成多个几何形状的束。例如，图5表示了复合部件的截面变化。各截面由不同衬套90设计而形成。

在各连续衬套90中的通道减小尺寸，以便进一步压紧纤维束。例如，图6表示了在顶部彼此重叠的各衬套90。对于各连续衬套90，显然有几个变化。首先，各交叠衬套90显示各通道的尺寸减小。其次，重叠图表示了用于压紧芯元件的中心孔的外观。第三，该图表示了外部拐角通道朝着中心位置移动。

参考图4，图中表示了两个衬套。第一衬套100表示为结构与引导衬套18相同。第二衬套104是用于压缩和形成复合芯的一系列衬套中的第一个。第一衬套100包括内部正方形部分92，该内部正方形部分92有预先布置的多个通道102，纤维拉过这些通道。通道102设计成使纤维在第二衬套104中对齐成组，该第二衬套104有四个外部纤维组106和四个内部纤维组108。衬套100的内部正方形部分包括六排通道110。根据复合芯部件的所希望截面几何形状，通道110的布置方式可以设置成任意多种结构。顶部和底部排112和114分别包含相同数目的通道。紧接着顶部和紧接着底部的排116和118分别包含相同数目的通道，两个内部排120和122包含相同数目的通道。

在优选实施例中，顶部和底部排各包含32个通道。紧接着的下一排各包含31个通道。中部排各包含4个通道。拉动机构使两个纤维通过各通道。例如，参考图4，拉动机构拉动126个玻璃纤维通过排112、114、116和118。进一步，拉动机构拉动16个碳纤维通过排120和122。

参考图7，下一个衬套130(在系列中的第三衬套)包括内部正方形部分131，该内部正方形部分131有四个外部拐角通道132a、132b、132c和132d以及四个内部通道134a、134b、134c和134d。纤维离开第二衬套，并分成相等部分拉过第三衬套。在第三衬套中的各通道包括拉过第二衬套的特定种类纤维的四分之一。更具体地说，第二衬套的顶部和底部的顶部两排分半，因此，顶部两排纤维的右半部分拉过第三衬套的右侧外部拐角。顶部两排纤维的左半部分拉过第三衬套的左上拐角132a。顶部两排纤维的右半部分拉过第三衬套的右上拐角132b。底部两排纤维的右半部分拉过第三衬套的右下拐角132c。底部两排纤维的左半部分拉过第三衬套的左下拐角132d。第一衬套的内部两排分半，因此，顶部中间排纤维的顶部右半部分拉过第三衬套130的内部上侧右拐角134b。顶部中间排纤维的左半部分拉过第三衬套130的内侧上部左拐角134a。底部中间排纤维的右半部分拉过第三衬套130的内侧底部右拐角134c。底部中间排纤维的左半部分拉过第三衬套130的内侧底部左拐角134d。因此，第三衬套130产生八束浸渍纤维，这些浸渍纤维将通过下面的一系列衬套而连续压。

拉动器拉动纤维通过第三衬套130至第四衬套140。第四衬套140包括与第三衬套130相同的结构。第四衬套140包括正方形的内部部分141，该内部部分141有四个外部拐角通道142a、142b、142c和142d以及四个内部通道144a、144b、144c和144d。优选是，四个外部拐角通道142a-d和四个内部通道144a-d的尺寸稍微小于第三衬套130中的相同结构通道。第四衬套140压缩拉过第三衬套的纤维。

拉动器拉动纤维从第四衬套140至第五衬套150。优选是，四个外部拐角通道152a、152b、152c和152d以及四个内部通道154a、154b、154c和154d的尺寸稍微小于第四衬套140中的相同结构通道。第五衬套150压缩拉过第四衬套140的纤维。

对于各个连续衬套，各衬套产生直径越来越小的纤维束。优选是，各更小衬套擦去多于树脂，以便接近优选和合适的树脂纤维组成部分比例。

拉动器拉动纤维从第五衬套150至第六衬套160。优选是，四个外部拐角通道162a、162b、162c和162d以及四个内部通道164a、164b、164c和164d的尺寸稍微小于第五衬套150中的相同结构通道。第六衬套160压缩拉过第五衬套150的纤维。

第七衬套170包括内部正方形部分171，具有四个外部拐角通道172a、172b、172c和172d以及一个内部通道174。拉动器拉动纤维从第六衬套160的四个内部通道164通过第七衬套170中的单个内部通道174。该处理将产品压紧成最终的均匀同心芯。优选是，纤维在压紧的同时拉过第七衬套170的四个外部拐角172a、172b、172c、172d。

拉动器拉动纤维通过第七衬套170至第八衬套180。拉动器拉动内部压紧芯，且四个外部拐角182a、182b、182c、182d向内移动接近芯184。优选是，外部纤维使得内部芯和外部拐角之间的距离减小一半。

拉动器拉动纤维通过第八衬套180至第九衬套190。第九衬套190是用于形成复合芯的最后衬套。拉动器拉动四个外部纤维束和压紧芯通过第九衬套190中心处的通道192。

优选是，第九衬套190压紧外部部分和内部部分，从而产生内部部分的碳和外部部分的玻璃纤维。例如，图8表示了复合电缆的截面。实例表示了复合芯部件200，该复合芯部件200有由外部增强玻璃纤维复合部分204环绕的内部增强碳纤维复合部分202。

温度在整个区域5中保持恒定。温度由工艺确定，其足够高，以便使树脂保持半固化状态。在区域5的端部，产品包括最终的紧凑性和最终直径。

拉动器拉动纤维从区域5至区域6，该区域6为固化阶段，优选是包括具有恒定热量和气流的炉，与区域5、4和2中相同。炉采用与区域5、区域4和区域2中相同的恒定加热和横向循环气流。工艺确定固化加热。在整个固化处理中，固化加热保持恒定。在本发明中，用于固化的优选温度范围为从350°F至大约400°F。优选是，固化处理跨距为大约8至大约15英尺范围内。更优选是，固化处理跨距为大约10英尺长。区域6的高温导致最终固化形成硬树脂。

区域6可以包括第十衬套，该第十衬套保证最终的纤维复合芯部件保持它的形状。此外，另一衬套防止芯在固化过程中bluming。

在下一阶段，复合芯部件产品拉过一系列加热和冷却阶段。后固化加热提高了树脂基体内的交联，从而提高了产品的物理特征。拉动器将纤维拉向区域7(冷却装置)。优选是，炉的机械结构与区域2、4、5和6中相同。更具体地说，装置包括使用冷却装置和吹风机的闭环循环空气系统。优选是，冷却装置包括多个盘管。也可选择，盘管可以上水平结构的冷却元件。在还一可选实施例中，冷却装置包括冷却螺旋管。吹风机布置在冷却装置的上游，并沿上游方向连续吹动冷却腔室中的空气。空气沿闭环循环方向通过装置循环，从而使全部空气都保持恒定温度。优选是，冷却温度范围在大约40至大约180°F。

拉动器拉动复合部件通过区域7至区域8(后固化阶段)。复合芯部件加热至后固化温度，以便提高复合芯部件产品的机械特性。

拉动器拉动复合芯部件通过区域8至区域9(后固化冷却阶段)。当复合芯重新加热后，在拉动器抓取压紧的复合芯之前冷却该复合芯。优选是，复合芯部件在到达拉动器之前通过空气对流冷却一定距离，该距离在大约8至大约15英尺的范围内。更优选是，冷却距离为大约10英尺。

拉动器拉动复合芯部件通过区域9(冷却阶段)至区域10(缠绕系统)，从而使纤维芯缠绕在用于储存的轮上。对于芯部件的强度，重要的是，绕组不能由于弯曲而使芯的应力过大。在一个实施例中，芯并不进行任何扭绞，且并不能弯曲一定程度。在另一实施例中，轮的直径为7英尺，并能处理6800英尺的完全固化复合芯部件。该轮设计为适应形成复合芯部件的B阶段硬度，同时不会使得芯部件形成太紧结构。在还一实施例中，缠绕系统包括用于防止轮从缠绕反转成开卷的装置。该装置可以为防止轮的方向反转，例如为制动系统。

在还一实施例中，处理包括多个控制系统，这些控制系统包括线检查系统。质量控制处理保证一致的产品。质量控制系统可以包括复合芯部件的超声波检查；记录在最终产品中的束的数目；监测树脂的质量；监测在各相中炉和产品的温度；测量形成物；测量拉动处理速度。例如，各批复合芯部件具有支持数据，以便保持执行最佳处理。也可选择，质量控制系统包括标记系统。在该标记系统中，标记系统将产品信息的特殊标签标记在复合芯部件上。而且，复合芯部件可以根据规定质量而进行不同分级，例如级A为很高等级，级B和级C。

用于处理复合芯部件的纤维可以互换，以便满足最终复合芯部件的所需规格。例如，本发明工艺能够用高等级的碳和E玻璃来代替复合芯部件(具有碳芯和玻璃纤维外部芯)中的纤维。由于所需的纤维和较小芯尺寸的组合，本发明工艺能够采用更昂贵、更好执行的纤维来代替更便宜的纤维。在一个实施例中，纤维的组合产生具有最小导电性的高强度内部芯，该内部芯由低模量不导电外部绝缘层环绕。在另一实施例中，外部绝缘层有助于复合芯部件的柔性，并使得芯部件能够缠绕、储存和运输。

本发明的另一实施例能够重新设计复合芯截面，以便适应变化的物理特征，并增加复合芯部件的柔性。再参考图5，不同的复合形状改变来复合芯部件的柔性。改变的芯设计能够使芯缠绕在更小直径的轮上。而且，改变复合芯设计可能影响内部芯的硬度和强度。作为一个优点，芯几何形状可以设计成在最终ACCC电缆中实现所希望的最佳物理特征。

在本发明的另一实施例中，芯直径大于0.375英寸。大于0.375英寸的芯不能弯曲成缠绕在7英尺的轮上。外部弯曲形状的潜在强度超过材料的强度，材料将断裂。1/2至5/8英寸的芯直径可能需要15英尺的炉直径，这在经济上不可行。为了增加复合芯的柔性，芯可以扭绞或分段，以便获得可接受的缠绕直径。当芯转一圈时，纤维方向扭转一个360度。也可选择，芯可以是扭绞和直纤维的组合。扭绞可以由轮直径极限来确定。如果极限不允许，那么扭绞一圈轮直径。在芯中的拉伸和压缩应力可以通过一圈而平衡。

通过产生分段的芯，缠绕应力减小。图5表示了分段芯的可能截面形状的一些实例。本发明工艺下的分段芯通过使作为分开件的部分固化而形成，其中，分开件再胶接在一起。分段的芯能够使得复合部件产品具有大于0.375英寸的芯，以便获得合适的绕组直径，同时没有在部件产品上的附加应力。

在复合芯部件中的截面的可变几何形状优选是作为多个流(stream)来处理。处理系统设计成适合形成并行的各个段。优选是，各段通过更换一系列连续衬套而形成。特别是，通道的尺寸可以变化，以便容纳更多或更少纤维，通道的布置方式可以变化，以便能够在最终产品中将纤维组复合不同结构，还可以在多个连续衬套中添加衬套，以便于在复合芯部件中形成各种几何截面。在处理系统端部，在5个处理流中的5个部分在处理结束时进行组合，以便形成复合电缆芯。也可选择，段可以进行扭绞，以便增加柔性和便于缠绕。最终的复合芯包入较轻重量的高电导性铝中，从而形成复合电缆。优选是，复合芯电缆包括：内部碳芯，该内部碳芯具有外部绝缘玻璃纤维复合层和两层梯形铝股线。

在一个实施例中，内层铝包括多个梯形铝段，这些梯形铝段沿逆时针方向环绕复合芯部件缠绕。各梯形部分设计成优化铝的量和增加电导性。梯形段的几何形状使得各段紧密装配在一起，并环绕复合芯部件。

在还一实施例中，外层铝包括多个梯形铝段，这些梯形铝段沿顺时针方向环绕复合芯部件缠绕。缠绕的相反方向防止最终形成的电缆扭绞。各梯形铝元件与梯形铝元件紧密配合，这些梯形铝元件环绕内部铝层缠绕。紧密配合优化了铝的量，并减少了高电导性所需的铝。

实例

下面将介绍本发明的具体实施例，其中，复合强度部件包括E玻璃和13号碳。E玻璃组合了合适性质：良好的抗化学药品和热稳定性以及良好地电阻性，并有很高强度。截面形状或剖面如图8中所示，其中，复合强度部件包括由玻璃纤维复合均匀层包封的同心碳芯。在优选实施例中，处理产生包括两种不同材料的混合芯部件。

在本特殊实施例中，纤维结构是126端E玻璃产品(900码，VeterotexAmer)和16端碳(Torayca T7DOS，24K码)。树脂使用Vantico的Aralite MY721。

在工作时，126个E玻璃纤维束和16个碳纤维束的端部穿过纤维束引导件，该纤维束引导件包括两排32通道、两排内部31通道和最靠内的两排4通道，并进入150°F预热阶段，以便除去任何水汽。在通过预热炉之后，纤维束拉过浸湿槽。在浸湿槽中，装置有效地使得纤维沿垂直方向上下运动，从而能够完全润湿纤维束。擦拭器系统位于在浸湿槽的上游侧，当纤维束从槽中拉出时，该擦拭器系统除去多余的树脂。多余树脂由树脂流出盘收集，并加回到树脂浸湿槽中。

纤维束从浸湿槽拉向B状态炉，该B状态炉使浸渍纤维束的树脂半固化成粘性阶段。在该阶段，纤维束可以进一步压紧，并在下一相中构成它们的最终形状。纤维束拉向在B阶段炉温度下的下一个炉，以便保持粘性状态。在该炉中，八个连续衬套用于压紧纤维束，并使纤维束构成最终的复合芯部件形状。两个纤维束的端部穿过在第一衬套的134个通道中的每一个，这些通道加工成预先计算的尺寸，以便在最终的复合芯部件中获得72％的纤维体积和28％的树脂体积。从顶部右侧的四分之一通道(包括两个顶部排的一半)中离开的纤维端部穿过下一个衬套的通道132；从顶部左侧的四分之一通道(包括两个顶部排的一半)中离开的纤维端部穿过下一个衬套的通道136；从底部右侧的四分之一通道(包括两个底部排的一半)中离开的纤维端部穿过下一个衬套的通道140；从底部左侧的四分之一通道(包括两个底部排的一半)中离开的纤维端部穿过下一个衬套的通道138；在中部上侧排的右侧和左侧四分之一通道分别穿过下一个衬套的通道142和144，而在中部下侧排的右侧和左侧四分之一通道分别穿过下一个衬套的通道134和146。

纤维束连续拉过各连续衬套的外部和内部通道，从而进一步压紧和构成纤维束。在第七衬套处，拉过第六衬套的内部四个通道的纤维束进行组合，以便形成复合芯，而其余的外部通道继续使四个玻璃纤维束保持分开。第七衬套的四个外部通道在第八衬套中更靠内，接近内部碳芯。在第九衬套中，纤维束与内部碳芯组合，从而形成混合复合芯部件，该混合复合芯部件包括具有外部过滤层的内部碳芯。

复合芯部件从第九衬套拉向最后固化炉，该最后固化炉的380°F的升高温度，如特定树脂所需。复合芯部件从固化炉拉过冷却炉，以便冷却至150至180°F。在冷却之后，复合芯部件拉过后固化炉，该后固化炉处于升高温度，优选是将部件加热至至少B阶段温度。在后固化之后，部件由空气冷却至大约180°F。在通过履带拉动器抓至芯缠绕轮(该芯缠绕轮能储存6000英尺)上之前，部件进行冷却。

实例

本发明的ACCC增强电缆的实例如下。ACCC增强电缆包括四层组成部分：内部的碳/环氧树脂层、紧接着的玻璃纤维/树脂层和两层四面体形的铝股线。强度部件包括先进复合T700S碳/环氧树脂，它的直径为大约0.2165英寸，由R099-688玻璃纤维/环氧树脂外层环绕，该外层的层直径为大约0.375英寸。玻璃纤维/环氧树脂层由9个梯形铝股线的内层(该内层的直径为大约0.7415英寸)以及13个梯形铝股线的外层(该外层的直径为大约1.1080英寸)环绕。碳的总面积为大约0.037in²，玻璃为大约0.074in²，内部铝为大约0.315in²，而外部铝为大约0.5226in²。在内部碳强度部件中的纤维树脂重量比为70/30，外部玻璃层纤维树脂重量比为75/25。

特定规格如下表所述：

玻璃

碳(石墨)

环氧树脂基体系统

具有上述规格的ACCC增强电缆制造如下。用于形成本实例的复合电缆的工艺如图1所示。首先，126个玻璃纤维束12线轴和8个碳线轴设置在机架系统14中，且从线轴11引出的各纤维束12端部穿过纤维束引导件18。纤维进行切向拉动，以便防止纤维扭绞。在装置端部的拉动器16拉动纤维通过装置。各分配机架14有小制动器，以便独立地调节各线轴的拉紧力。束12拉过引导件18和拉入处于150°F的预热炉20，以便除去水汽。

束12拉入浸湿槽22。浸湿槽22充满Araldite MY 721/Hardener99-023/Accelerator DY070，以便浸渍纤维束12。在离开浸湿槽22的过程中，从纤维束12中除去多余树脂。纤维束12从浸湿槽22拉向B阶段炉24，并加热至200°F。通过引导件18而保持分离的纤维束12拉入第二B阶段炉26(也为200°F)，该炉26包括多个连续的衬套，以便使束12压缩和成形。在第二B阶段炉26中，纤维束12引导通过由衬套提供的多个通道。连续通道将连续压缩纤维束12，并使纤维束12构成最终的均匀复合芯部件。

第一衬套有两排32个通道、内部两排(每排)31通道以及最靠内的两排(每排)4通道。126个玻璃纤维束分别拉过外部两排32和31通道。碳纤维束分别拉过内部两排4通道。下一个衬套使顶部两排分半，且左侧部分拉过第二衬套中的左上外部拐角通道。右侧部分拉过第二衬套中的右上外部拐角通道。底部两排分半，且右侧部分拉过第二衬套中的右下外部拐角，左侧部分拉过第二衬套中的左下外部拐角。同样，碳的内部两排分半，且两个右上通道的纤维拉过第二衬套的右上内部拐角。左上通道的纤维拉过第二衬套的左上内部拐角。右下通道的纤维拉过第二衬套的右下内部拐角。左下通道的纤维拉过第二衬套的左下内部拐角。

纤维束拉过一系列七个衬套，从而连续压缩该束，并使束构成一个混合的均匀同心芯部件。

复合芯部件从第二B阶段炉26中拉出至下一个炉处理系统28(在330至370°F)，在该炉处理系统28中，复合芯部件固化，并拉向用于冷却的下一个冷却系统30(在30至100°F)。在冷却后，复合芯拉向用于后固化的下一个炉处理系统32(在330至370°F)。拉动机构拉动产品通过10英尺的空气冷却区域(在大约180°F)。

冷却后，9个梯形铝股线(每个铝股线的面积为0.0350，或者在芯中的总面积为0.315in²)缠绕在复合芯上。然后，13个梯形铝股线(每个铝股线的面积为0.0402，或者在芯中的总面积为0.5226in²)缠绕在内部铝层上。

应当知道，本发明并不局限于所示和所述的结构、操作、确切材料、或实施例的详细情况，在不脱离本发明的精神的情况下，本领域技术人员应当知道变化和等效情况。

Claims (15)

1.一种电缆的复合芯，包括：

内芯，其包括多根纵向定向且基本连续的纤维，所述纤维具有大于玻璃纤维的弹性模量的弹性模量；

外芯，其包括多根与所述内芯的所述纤维不同纤维类型的纵向定向且基本连续的纤维，所述外芯的纤维具有玻璃纤维的弹性模量或类似于玻璃纤维的弹性模量；以及

热固性树脂，包裹所述内芯和所述外芯的纤维，

其中固化所述热固性树脂以形成所述复合芯，且所述复合芯的芯拉伸强度至少为大约1103MPa。

2.一种电缆的复合芯，包括：

内芯，其包括多根纵向定向且基本连续的碳纤维；

外芯，其包括多根纵向定向且基本连续的玻璃纤维；以及

热固性树脂，包裹所述内芯和所述外芯的纤维，

其中固化所述热固性树脂以形成所述复合芯，且所述复合芯的芯拉伸强度至少为大约1103MPa。

3.根据权利要求1所述的复合芯，其中，所述内芯的纤维的弹性模量在大约151GPa至255GPa范围内，并且其热膨胀系数在大约-0.7至大约0m/m/C的范围内、其拉伸强度至少为大约2413MPa，并且所述外芯的纤维的拉伸强度小于2413MPa，并且其热膨胀系数在大约5×10^-6m/m/C到大约10×10^-6m/m/C的范围内。

4.根据权利要求1所述的复合芯，其中所述内芯包括碳纤维。

5.根据权利要求1或2所述的复合芯，其中，纤维/热固性树脂体积率在至少大约50％的范围内。

6.根据权利要求1或2所述的复合芯，其中，纤维/热固性树脂重量比至少大约为62％。

7.根据权利要求1所述的复合芯，其中，所述复合芯包括内部碳/热固性树脂层和外部玻璃纤维/热固性树脂层。

8.根据权利要求1或2所述的复合芯，其中，所述内芯和所述外芯形成同心芯。

9.根据权利要求1或2所述的复合芯，其中，所述内芯和所述外芯形成分段的同心芯。

10.根据权利要求1或2所述的复合芯，其中，在芯上缠绕有至少一层多个铝段。

11.根据权利要求10所述的复合芯，其中，芯上缠绕有第二层多个铝段。

12.一种输送电力的方法，包括以下步骤：

使用一种电缆，该电缆具有复合芯和包围该复合芯的至少一层铝导体，所述复合芯还包括：

内芯，其包括多根纵向定向且基本连续的纤维，所述纤维具有大于玻璃纤维的弹性模量的弹性模量；

外芯，其包括多根与所述内芯的所述纤维不同纤维类型的纵向定向且基本连续的纤维，所述外芯的纤维具有玻璃纤维的拉伸强度和弹性模量或类似于玻璃纤维的拉伸强度和弹性模量；以及

热固性树脂，包裹所述内芯和所述外芯的纤维，

其中固化所述热固性树脂以形成所述复合芯，且所述复合芯的芯拉伸强度至少为大约1103MPa，

通过该复合电缆输送电。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述内芯包括碳纤维且所述外芯包括玻璃纤维。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述复合芯包括在至少大约62％范围内的纤维/热固性树脂重量比。

15.根据权利要求1或2所述的复合芯，纤维的方向是扭曲的。

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