Verfahren zur Herstellung einer Kabelader mit einem von einer Isolierung umgebenen Leiter für ein Kabel, insbesondere für ein Induktionskabel, sowie

Kabelader und Kabel

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kabelader mit einem von einer Isolierung umgebenen Leiter für ein Kabel, insbesondere für ein Induktionskabel. Die Erfindung betrifft weiterhin eine derartige Kabelader sowie ein Kabel, insbesondere ein Induktionskabel mit einer Mehrzahl derartiger Kabeladern. Die Kabeladern weisen jeweils einen von einer Isolierung umgebenen Leiter auf und sind in Kabellängsrichtung an vorgegebenen Längenpositionen an Trennstellen unterbrochen.

Ein derartiges Kabel dient insbesondere zur Verwendung als ein sogenanntes Induktionskabel zur Ausbildung eines oder mehrerer Induktionsfelder. Das Kabel ist insbesondere zur induktiven Heizung von Ölsand- und/oder Schwerstöllagerstät- ten vorgesehen. Eine derartige Anwendung eines solchen Induktionskabels ist beispielsweise aus der EP 2 250 858 B1 zu entnehmen. Die sich durch diese Anwendung ergebenden technischen Randbedingungen werden durch das nachfolgend beschriebene Kabel erfüllt.

Zum Aufbau der Induktionsfelder bzw. der induktiven Heizung ist es erforderlich, dass die einzelnen Adern des Kabels an definierten Trennstellen in einem Rastermaß mit definierter Länge von beispielsweise mehreren 10 m getrennt sind. Innerhalb des Kabels sind mehrere Adern vorzugsweise zu Leitergruppen zu- sammengefasst, wobei die Trennstellen oder Unterbrechungen der Adern einer jeweiligen Leitergruppe an der gleichen Längenposition liegt.

Ein derartiges Kabel wird im Boden (Ölsand) verlegt und dient zur induktiven Erwärmung des Ölsandes, um das im Ölsand gebundene Öl zu verflüssigen und geeignet aufzufangen.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Diese Technik ist noch vergleichsweise jung und befindet sich noch in der Erprobungsphase. Für großtechnische Anwendungen im industriellen Maßstab ist eine prozesstechnisch sichere und kostengünstige Herstellung eines derartigen Induktionskabels, das eine Länge von mehreren km haben kann, von Vorteil.

Entsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein prozesstechnisch sicheres und zuverlässiges Herstellen eines derartigen Kabels zu ermöglichen und ein entsprechendes Kabel anzugeben.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Kabelader mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Kabelader umfasst einen von einer Isolierung umgegebenen Leiter und ist für die Verwendung in einem Induktionskabel ausgebildet. Hierzu ist die Kabelader in Kabellängsrichtung an vorgegebenen Längenpositionen an Trennstellen unterbrochen. Zur Herstellung einer derartigen Kabelader wird zunächst eine Rohader fortlaufend, also in einem kontinuierlichen Prozess einer Bearbeitungsmaschine zugeführt. Die Rohader wird in der Bearbeitungsmaschine widerkehrend, insbesondere regelmäßig an vorgegebenen Längenpositionen, an einer jeweiligen Trennstelle getrennt, so dass zwei Aderenden vorliegen. Die freien Aderenden werden dabei von einem Greifelement der Bearbeitungsmaschine gegriffen und in Kabellängsrichtung auseinander gezogen. Anschließend werden die beiden Aderenden wieder mit einem Verbinder miteinander verbunden, so dass wieder ein durchgehender Strang hergestellt ist. Der Verbinder weist dabei ein isolierendes, insbesondere aus einem massiven Material gebildetes Zwischenstück auf, welches zwischen den beiden Aderenden angeordnet ist und diese um einen vorgegebenen Abstand voneinander trennt.

Durch diese Ausgestaltung ist ein prozesssicheres und automatisiertes Herstellverfahren für eine derartige Kabelader ermöglicht. Aus den derart vorbereiteten Kabeladern wird in einem sich daran anschließenden Verfahrensschritt das eigentliche Kabel hergestellt.

Im Sinne eines ökonomischen Herstellprozesses ist in besonders vorteilhafter Ausgestaltung ein Umspritzen der Aderenden zur Ausbildung des Verbinders vor- gesehen. Hierzu ist eine Spritzgussform als Teil der Bearbeitungsmaschine vorgesehen, die während des kontinuierlichen Prozesses die beiden voneinander getrennten Aderenden an der Trennstelle umschließt. Anschließend wird die Spritzgussmasse aus einem geeigneten Kunststoff-Isolationsmaterial eingespritzt, so dass der Verbinder mit dem isolierenden Zwischenstück zwischen den Aderenden und mit die Aderenden umgebende Hülsenabschnitte ausgebildet wird.

Im Hinblick auf das gewünschte Einsatzgebiet für die Verwendung in einem Induktionskabel sind die Aderenden innerhalb des Verbinders dicht einliegend umschlossen, insbesondere luftdicht und darüber hinaus auch luftleer. Die Aderenden sind daher innerhalb des Materials des Verbinders vollständig und ohne Gaseinschlüsse eingebettet. Dies wird durch das bevorzugte Spritzverfahren in besonders einfacher Weise erreicht.

Alternativ zu dem Spritzverfahren wird ein vorzugsweise ebenfalls als Spritzgussteil ausgebildeter Verbinder als vorgefertigtes Bauteil der Bearbeitungsmaschine zugeführt und die Aderenden werden in gegenüberliegende Hülsenabschnitten des Verbinders eingeführt und anschließend werden diese Hülsenabschnitte mit den Aderenden verbunden.

Im Hinblick auf die angestrebte dicht umschließende Anbindung des Verbinders an die Isolation wird diese mit dem Material des Verbinders vorzugsweise stofflich verbunden. Dies erfolgt insbesondere durch eine Wärmebehandlung und der Verwendung von geeigneten Materialien, die bei Erwärmung zumindest erweichen bzw. teilweise aufschmelzen. Als Material sowohl für den Verbinder als auch für die zumindest äußerste Lage der Isolierung der Kabelader wird daher vorzugsweise ein thermoplastisches Material verwendet.

Entsprechend wird daher auch für den Verbinder einerseits und für die Isolierung andererseits, zumindest für eine äußere Isolationslage, ein ähnliches und insbesondere ein gleiches Material eingesetzt. Dies ist insbesondere ein hochtemperaturbeständiger Kunststoff, vorzugsweise PFA (Perfluoralkoxy-Polymer). Der Verbinder sowie zumindest angrenzende Teilstücke der Ader, vorzugsweise die gesamte Ader werden, mit einer Bandierung, insbesondere aus PTFE

(Polytetrofluorethylen) umgeben. Diese wird vorzugsweise wiederrum einer Temperaturbehandlung, insbesondere einem Sinterprozess, unterzogen, um sie möglichst stoffschlüssig mit der Isolation der Ader sowie dem Verbinder zu verbinden. Dadurch wird insgesamt eine torsionssteife Leitungsader erzeugt, die an definierten Trennstellen elektrisch unterbrochen ist. An den Trennstellen sind die jeweiligen Aderenden über den jeweiligen Verbinder miteinander gekoppelt unter Freilassung des Isolationszwischenstückes, wodurch quasi ein Fenster gebildet ist. Durch das Einschmelzen der Aderenden in der Hülse insbesondere auch in Verbindung mit der aufgesinnterten PTFE-Bandierung ist neben der hohen Torsions- steifigkeit auch eine hohe Zugfestigkeit insbesondere im Bereich des Verbinders erzielt.

Im Hinblick auf ein möglichst ökonomisches Verfahren erfolgt die Herstellung der Kabelader im Laufe eines Umspulvorgangs. Die Rohader wird hierbei auf einer Abwickelspule als Endlos-Ware bereitgestellt und von dieser abgewickelt, durch die Bearbeitungsmaschine hindurch geführt und anschließend nach dem Anbringen der einzelnen Verbinder von einer Aufwickelspule wieder aufgerollt.

Im Laufe dieses Herstellungsverfahrens wird in zweckdienlicher Weiterbildung die Kabelader einer Online-Qualitätskontrolle unterzogen, d.h. es wird kontinuierlich die Qualität der Verbindungen an den Trennstellen überprüft.

In erster Linie wird hierbei eine elektrische Überprüfung der Verbinder vorgenommen. Hierbei wird der Verbinder - nachdem er nach einer definierten Abkühlzeit aus der Spritzgussform entnommen wurde - einem Teilentladungstest unterzogen. Hierbei wird überprüft, ob der Verbinder bei einer vorgegebenen Spannung die gewünschten Isolationseigenschaften aufweist, bevor die Kabelader auf die Aufwickelspule aufgespult wird.

Ergänzend ist bei Bedarf eine mechanische (Zug-) Prüfeinrichtung in die Prozesskette integriert. Daneben sind vorzugsweise auch - soweit erforderlich - weitere Bearbeitungseinheiten in der Prozesskette integriert, wie beispielsweise eine zusätzliche Schweißeinheit oder auch eine Bandiereinheit. Ergänzend ist insbesondere auch eine zusätzliche Temperiereinheit insbesondere zur thermischen Behandlung (Sinterprozess) der aufgebrachten Bandierung angeordnet.

Am Ende dieses Herstellungsprozesses der Kabelader steht diese daher auf einer Spule aufgewickelt für die weitere Verarbeitung zur Verfügung. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt, der zu einem späteren Zeitpunkt und auch an einem anderen Ort erfolgen kann, werden dann die einzelnen Kabeladern zur Herstellung des eigentlichen Kabels herangezogen. Dieses weist am Ende mehrere derartige Kabeladern auf, die von einem gemeinsamen Kabelmantel umgeben sind. Zur Herstellung des Kabels werden die einzelnen Kabeladern dabei vorzugsweise ggf. auch mehrfach miteinander verseilt.

Die einzelnen Kabeladern werden dabei derart zueinander positioniert, dass die einzelnen Trennstellen zumindest einer Gruppe von Kabeladern an der gleichen Längenposition angeordnet sind. Es können mehrere Gruppen an Kabeladern vorgesehen sein, (beispielsweise 2 oder 3) deren Trennstellen jeweils an der gleichen Längenposition orientiert sind, wobei die Trennstellen der Kabeladern verschiedener Gruppen zueinander versetzt angeordnet sind.

Der Abstand zwischen den Verbinder und damit den Trennstellen liegt typischerweise bei mehreren Metern, insbesondere bei mehreren 10 Metern. Die Trennstellen sind dabei in einem vorgegebenen, insbesondere konstanten Rastermaß angeordnet.

Das Kabel umfasst dabei zweckdienlicherweise mehrere verseilte Elemente, die auf der einen Seite aus mehreren miteinander verseilten Kabeladern bestehen und selbst wiederum miteinander verseilt sind. Das derart hergestellte Kabel weist eine Länge von typischerweise zumindest mehreren 100m bis mehrere km auf. Vor dem Hintergrund des angestrebten Anwendungszweckes, nämlich als Induktionskabel zum Erwärmen von Ölsanden, ist es insgesamt hochtemperaturbestän- dig für eine Temperatur größer 200°C ausgebildet. Entsprechend sind auch die verwendeten Materialien für eine derart hohe Temperatur ausgebildet.

Durch dieses Verfahren ist daher ein vollautomatisiertes Herstellen eines derartigen Kabels ermöglicht, wobei auf herkömmliche Kabelherstellschritte, wie den Verseilprozess etc. zurückgegriffen wird.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch eine Kabelader mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie durch ein Kabel mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Die im Hinblick auf das Herstellverfahren angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Kabelader sowie das Kabel übertragbar.

Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in vereinfachten Darstellungen:

Fig 1 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer an einer Trennstelle über einen Verbinder verbundenen Kabelader gemäß einer ersten Variante,

Fig 2 eine zu Fig 1 vergleichbare Darstellung gemäß einer zweiten Variante,

Fig 3 eine Kabelader in Seitenansicht,

Fig 4 eine Querschnittansicht eines Induktionskabels, sowie

Fig 5 eine stark vereinfachte Produktionsstraße für die Herstellung der Kabelader.

Aus den Fig 1 bis 3 ist in verschiedenen Darstellungen eine Kabelader 2 dargestellt, die sich in Kabellängsrichtung 4 erstreckt, und die an periodisch widerkehrenden Trennstellen 6 jeweils einen Verbinder 8 aufweist. Die Trennstellen 6 sind in einem vorgegebenen Rastermaß a ausgebildet.

Die Kabelader 2 umfasst einen zentralen elektrischen Leiter 10, welcher von einer Isolierung 12 umgeben ist. Bei der Isolierung 10 handelt es sich vorzugsweise um eine mehrschichtige Isolierung 12 aus unterschiedlichen Isolierwerkstoffen, die jeweils hochtemperaturbeständig sind. Gemäß einer ersten Variante besteht die Isolierung aus lediglich einer Isolationsschicht vorzugsweise aus PFA. Gemäß einer zweiten Variante besteht die Isolierung 12 aus zwei Schichten, bevorzugt eine Schicht aus PFA und eine weitere aus einem PTFE, das insbesondere als Bandierung aufgebracht ist. Gemäß einer dritten Variante sind drei Schichten vorgesehen, wobei bevorzugt eine PTFE-Bandierung sandwichartig zwischen zwei PFA-Isolations-Schichten eingebettet ist. Schließlich ist gemäß einer vierten Variante ein insgesamt vierschichtiger Aufbau vorgesehen, bei dem wiederum in bevorzugter Ausgestaltung zwei Zwischenlagen zwischen zwei PFA-Beschichtungen eingebettet sind. Die beiden Zwischenlagen sind dabei vorzugsweise ein bandiertes PTFE sowie ein bandierter Glimmer. Die Varianten mit einer zwischen zwei PFA-Lagen eingebetteten und insbesondere als Bandierung ausgebildeten Zwischenlage zeigt eine besonders gute machanische Stabilität.

Als elektrischer Leiter 10 wird ein Draht, insbesondere ein Kupferdraht und vorzugsweise ein vernickelter Kupferdraht eingesetzt. Alternativ kann auch ein Litzendraht, beispielsweise ein Kupfer- oder ein vernickelter Kupfer-Litzendraht bestehend aus einer Vielzahl von einzelnen Drähten eingesetzt werden.

Aus einer Rohader 14 bestehend aus dem Leiter 10 und der Isolierung 12 ist die Kabelader 2 ausgebildet. Hierzu ist die Rohader 14 an den Trennstellen 6 unterbrochen, so dass zwei gegenüberliegende Aderenden 16 ausgebildet sind. Diese sind über den Verbinder 8 miteinander verbunden. In beiden Ausführungsvarianten der Fig 1 und 2 ist gemeinsam, dass der Verbinder 8 mit der Isolierung 12 der Aderenden 16 eine stoffschlüssige Verbindung eingeht. Ergänzend ist bei beiden Ausführungsvarianten noch eine zusätzliche Bandierung 18, insbesondere aus PTFE vorgesehen, mit der der Verbinder und die angrenzenden Teilstücke der Rohader 14 umwickelt sind. Auch diese Bandierung 18 ist vorzugsweise ebenfalls stoffschlüssig mit dem Verbinder 8 und der Isolierung 12 verbunden. Der Verbinder 8 ist in beiden Fällen gebildet durch ein massives Zwischenstück 20, an das sich jeweils gegenüberliegend Hülsenabschnitte 22 anschließen, in denen die Aderenden 16 gasfrei und gasdicht einhegen.

Bei beiden Verbindern 8 handelt es sich um Spritzgussteile. Als Material wird vorzugsweise das gleiche Material wie die äußerste Hülle der Isolierung 12 verwendet, insbesondere PFA. Aufgrund der Verwendung eines Thermoplasten lässt sich die gewünschte stoffschlüssige Verbindung in einfacher Weise durch die Einbringung von Wärme erzielen.

In prozesstechnisch besonders günstiger Weise geschieht dies bei der Ausführungsvariante gemäß Fig 1 dadurch, dass der Verbinder 8 direkt an der Rohader 14 mit den getrennten Aderenden 16 durch einen Spritzgussprozess ausgebildet wird.

Im Unterschied hierzu ist bei der Ausführungsvariante der Fig 2 beim Herstellpro- zess ein vorgefertigter Verbinder 8 bereitgestellt, in den die Aderenden 16 jeweils eingeführt werden und anschließend werden die Hülsenabschnitte 22 mit den Aderenden 16 beispielsweise durch Pressen und/oder Wärmebehandlung stoffschlüssig verbunden.

Der Verbinder 8 weist insgesamt eine Länge vorzugsweise von mehreren cm, beispielsweise im Bereich von 5 cm bis 15 cm auf. Die Länge des Zwischenstücks 20 liegt dabei im Bereich von 5 mm bis 20 mm. Der Durchmesser der Rohader 14 und damit in etwa der Innendurchmesser der Hülsenabschnitte 22 liegt vorzugsweise etwa im Bereich von 1 mm bis 3 mm. Die Wandstärke der Hülsenabschnitte 22 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,3 mm bis 1 mm. Insgesamt ist der Verbinder 8 symmetrisch aufgebaut. Das Rastermaß a zwischen den Verbindern 8 liegt im Bereich von mehreren 10 m.

Ein beispielhafter Leiteraufbau eines Induktionskabels 24 ist in Fig 4 dargestellt. Das Induktionskabel 24 weist danach insgesamt drei Elemente 26 auf, die jeweils aus einer Mehrzahl von miteinander verseilten Kabeladern 2 gebildet sind. Jedes Element 26 weist im Ausführungsbeispiel eine zentrale Lichtwellenleiter-Faser 28 auf, die von einer ersten Adernlage mit sechs Kabeladern 2 konzentrisch umgeben ist. Diese erste Adernlage wird anschließend von einer zweiten Adernlage im Ausführungsbeispiel bestehend aus zwölf einzelnen Kabeladern 2 umgeben. Die einzelnen Adernlagen sind in einem Verseilprozess hergestellt. Im Zwickel der drei Elemente 26 ist noch ein Füllelement 30 insbesondere aus Glasseide oder Aramid angeordnet. Die erste Lage mit den sechs miteinander verseilten Kabeladern 2 kann - wie im Ausführungsbeispiel dargestellt - von einem Zwischenmantel 32, beispielsweise aus Silikon umgeben sein. Die drei derart aufgebauten Elemente 26 werden wiederrum miteinander verseilt und anschließend mit einem Kabelmantel 34, insbesondere aus Silikon, umgeben. Die Elemente 26 weisen dabei jeweils beispielsweise einen Durchmesser von etwa 10 mm auf. Das gesamte Kabel 24 weist einen Durchmesser beispielsweise von etwa 25 mm auf.

Grundsätzlich eignet sich dieses Induktionskabel 24 auch für andere Anwendungen, z. B. für eine Verlegung in einem Hallenboden einer Produktionswerkstätte zur Steuerung von Industrierobotern, die auf dem Hallenboden verfahren. Oder zur Beheizung von beispielsweise öltransportierenden Rohren (Pipeline).

Das Verfahren zur Herstellung der Kabelader 2 wird anhand der Fig 5 näher erläutert. Die Rohader 14 wird auf einer Abwickelspule 36 bereitgestellt und von dieser über verschiedene Umlenkrollen einer Bearbeitungsmaschine 38 zu und durch diese hindurch geführt, anschließend durch mehrere teilweise fakultative weitere Bearbeitungs- und Überwachungsstationen 40 geführt und am Ende des Herstellprozesses sogleich wieder von einer Aufwickelspule 42 als fertig hergestellte Kabelader 2 aufgewickelt. Diese Kabelader 2 steht dann für den eigentlichen Herstellvorgangs des Kabels 24 durch Verseilprozesse zur Verfügung.

Die Herstellung der Kabelader 2 aus der Rohader 14 erfolgt daher insgesamt in einem kontinuierlichen, laufenden Verfahren während eines Umspulvorgangs. Innerhalb der Bearbeitungsmaschine 38 erfolgt das Trennen der Rohader 14 und das anschließende Verbinden mit dem Verbinder 8. In der bevorzugten Ausführungsvariante enthält die Bearbeitungsmaschine 38 ein Spritzgusswerkzeug zur Online-Ausbildung des Verbinders 8 durch einen Spritzgießprozess. Hierzu wird zunächst die Rohader 14 an der vorgesehenen Trennstelle 6 von zwei Greifelementen gehalten, anschließend getrennt, wobei dann die beiden Aderenden 16 um einen gewünschten Abstand von 1 cm bis 2 cm auseinander gezogen werden. Schließlich werden die Aderenden 16 in die Spritzgussform eingelegt. Hierzu weist diese vorzugsweise zwei Schalenhälften auf, die senkrecht zur Kabellängsrichtung 4 an die Aderenden 16 heranfährt und diese umschließt. Anschließend wird die Spritzgussmasse eingebracht. Nach einer gewissen Abkühlzeit öffnet die Spritzgussform wieder und die Kabelader 2 wird weitergeführt. Nach diesem Prozess des Anbringens des Verbinders 8 erfolgt noch in bevorzugter Ausgestaltung die Anbringung der Bandierung 18 mit anschließendem Sintern zur stoffschlüssigen Befestigung der Bandierung 18. Dies erfolgt beispielsweise in einer der nachfolgenden Bearbeitungsstationen 40. Eine weitere Bearbeitungsstation 40 ist als Überprüfungsstation zur Online-Qualitätskontrolle ausgebildet. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei der hier gewählten Ausgestaltung mit dem unmittelbaren Umspritzen der Aderenden 16 eine sehr gute mechanische Verbindung erzielt wird, so dass auf eine separate mechanische Zugprüfung für den jeweiligen Verbinder 8 verzichtet wird.

Auch bei der Ausgestaltung der Fig 2 wird ein zumindest ähnlicher Hersteilprozess eingesetzt. Anstelle des Online-Umspritzens wird hier jedoch in der Bearbeitungsmaschine 38 der vorgefertigte Verbinder 8 bereitgestellt. Die Aderenden 16 werden mit Hilfe der Greifelemente in die Hülsenabschnitte 22 eingeführt. In einem nachfolgenden Prozessschritt erfolgt beispielsweise durch Erwämren und

Verpressen das stoffschlüssige Verbinden der Aderenden 16 innerhalb des Verbinders 8. Der gesamte Hersteilprozess wie er in Fig 5 dargestellt ist, wird beispielsweise durch eine Steuereinheit 44 gesteuert. Bezugszeichenliste

2 Kabelader

4 Kabellängsrichtung

6 Trennstelle

8 Verbinder

10 Leiter

12 Isolierung

14 Rohader

16 Aderende

18 Bandierung

20 Zwischenstück

22 Hülsenabschnitt

24 Induktionskabel

26 Element

28 Lichtwellenleiter-Faser

30 Füllelement

32 Zwischenmantel

34 Kabelmantel

36 Abwickelspule

38 Bearbeitungsmaschine

40 Bearbeitungsstation/Überwachungsstation

42 Aufwickelspule

44 Steuereinheit

a Rastermaß