CN103619084B - 一种可消除固体线热膨胀系数影响的电热电缆 - Google Patents

Abstract

本发明的一种可消除固体线热膨胀系数影响的电热电缆，属于电加热的技术领域。结构自内向外有发热导体（23）、与三股发热导体（23）相间绞合的聚四氟乙烯管状的隔离股（29）、在发热导体（23）中间的轴心股（28）、发热导体（23）和隔离股（29）外侧顺次缠绕四氟乙烯薄膜（26）、内保护套（22）、电磁波屏蔽层（21）、云母带（25）和外保护套（20）；在电磁波屏蔽层（21）内外两侧和四氟乙烯薄膜（26）内分别拖带滑石粉（24）。本发明从多方面进行设计，解决了电热电缆线性热膨胀造成的影响的问题，减少了由此产生的故障，构成一种新型长寿命低故障电热电缆。

Description

一种可消除固体线热膨胀系数影响的电热电缆

技术领域

本发明属于电加热的技术领域，特别涉及是一种可消除固体线热膨胀系数影响的电热电缆。

背景技术：

电地热采暖具有无大气污染、无噪音、室温可自动控制、没有水管爆裂及泄露问题等优点。

但是，电地热采暖工程安装结构，如图1电地热采安装剖面图所示。在基层2里预埋钢筋1，基层2的上面铺装一层聚苯板3，在聚苯板3的上面铺装一层聚脂镀铝膜4，聚脂镀铝膜4上安装电热电缆5，在电热电缆5的上面及两侧用混凝土6覆盖凝固固定，混凝土6的上面有水泥找平层7覆盖，找平层7上面铺装一层聚脂膜8，在聚脂膜8上面再铺装木质地板9。由于在电热电缆5的上面要覆盖混凝土层，再覆盖一层找平层水泥，上面再加装地板，如果电热电缆5出现故障，检测和维修的工作量是非常大的，维修的工时比安装电热电缆的工时还要多，给用户和企业带来很多麻烦和经济损失。从而，影响电热电缆的推广和应用。人们希望的电地热采暖无故障运行时间在50年，与房屋土建寿命相同是无法保证的。

故障产生的根本原因是电热电缆的线膨胀系数物理量的变化。电热电缆安装电路图如图2所示，由市电220V单项交流电做电源15，电源15向电热电缆5供电。首先，供电电源15与温度控制器11相连接，温度控制器11再与冷热导体连接端12相连接，冷热导体连接端12的另一端与电热电缆5相连接，电热电缆5经过另一个冷热导体连接端12，再与供电电源15的回路端相连接，构成一个串联电路。在电热电缆5上相隔相等的距离用卡钉13固定电热电缆5。以免在浇灌混凝土6时，电热电缆5产生滑动偏离。根据房间面积和长、宽比例，在电热电缆5的铺设中做若干个180度的转弯14。电热电缆的长度在几十米至上百米长，如一根150m长，电功率3000W的电热电缆，在房间内要做几十个180度的转弯，并在150m长电热电缆用混凝土全覆盖凝固固定下。而且，150m长电热电缆需在温度控制器的控制下运行，为使房间内达到一定的恒温效果，电热电缆的通电与断电在频繁的切换，即电热电缆温度在室温到65℃不断的交替变换，因此电热电缆温度的交替变换，将直接导致150m长电热电缆线膨胀系数物理量的交替变化。在电热电缆线膨胀系数交替变化影响下，电热电缆使用寿命将会缩短。电热电缆发生故障多发生在以下几个方面，①冷热导体连接处接触不良，该故障比较好维修。②在180度的转弯处，发生发热导体与屏蔽层导体短路故障，或发生发热导体断路故障，故障的位置是很难确定的。且地板、找平层的水泥和混凝土层都要拆除，维修工作量和难度相当大。③电热电缆在制造时产生的缺欠和安装不当所产生的应力集中地方。发生发热导体与屏蔽层导体短路故障，或发生发热导体断路故障，维修难度与在180度转弯处的故障都是相当大的。

目前，背景技术所用的电热电缆如图3和图4所示。图3是背景技术电热电缆示意图，图4是背景技术电热电缆横剖面图。它的结构是由发热导体做线芯、内保护套、屏蔽层和外保护套构成。具体的结构是，电热电缆5的芯线是发热导体23，发热导体23多为单股，也有多股绞合的发热导体23。芯线发热导体23的外侧是内保护套22，内护套22的外侧是电磁波屏蔽层21，电磁波屏蔽层21的功能是在电热电缆5工作中消除电磁波对人体的辐射，电磁波屏蔽层21的最外侧是外保护套20。线芯多为单股发热导体23构成，也有无轴心股的多股绞合发热导体23构成。背景技术的电热电缆存在的共同问题，就是忽视电热电缆线膨胀系数所造成的故障因素。无轴心股的多股绞合发热导体也无法消除电热电缆线膨胀系数所造成的故障问题。因为，1）这些电热电缆内部没有润滑的介质、没有足够保护层厚度和空间。当电热电缆周围被混凝土凝固后，电热电缆的外部没有任何热膨胀空间，当电热导体在不断的伸长或缩短时，只能磨损电热导体与屏蔽层之间的内保护套，直到电热导体与屏蔽层短路或断路的故障发生。2）这些线芯为单股或多股发热导体，均没有轴心股。即便是多股绞合发热导体在没有轴心股的状况下，发热导体的螺旋角度（其形成螺线管的内径）很小，都无法将发热导体的线膨胀转移到螺旋发热导体的径向膨胀（电热电缆的体膨胀）。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，消除线性热膨胀系数对电热电缆工作时的影响，从而减少故障。

在温度升高时，固体中相邻原子间的平均距离增大是引起膨胀的主要原因。物体膨胀的程度用膨胀系数表示，固体线膨胀系数定义为：

$\mathrm{\α}=1/\mathrm{\ι}{(\∂\mathrm{\ι}/\∂T)}_P$

式中ι是固体的线度。T是温度，P是压强。线膨胀系数的物理意义是，温度每变化1度，固体线度的相对变化量。固体的线度可用近似式

L=L₀（1+αt）

式中L₀是室温下的固体的线度，t是通电时与断电时固体的温度差。

本发明所用电热电缆的发热导体是用镍铜铬合金制成。用德国NETZSCH公司生产的程序控制式固体线膨胀系数测量仪，对镍铜铬合金在模拟工作温度状态下，进行镍铜铬合金线膨胀系数测量。测量数据照片如图7所示。根据我国北方冬季室内采暖的室温标准最低温度是18℃，实际电热电缆在地面里的保温作用下，通电升温前的最低温度在20℃左右。当电热电缆通电后，电热电缆自身最高温度即可达到65℃。因此，在温度控制器的控制下，电热电缆在通电和断电的切换中，电热电缆自身的温度是在20℃至65℃反复变换。更具体说150m长发热导体的线膨胀在20℃至65℃间温度变换的作用下，交替地收缩或伸长。而且，发热导体在通电或断电的切换作用下，20℃至65℃的升温或降温速率是非常快的。如室外气温低和房屋密封保温差，交替地收缩或身长的频率将会增高。

根据德国NETZSCH公司生产的程序控制式固体线膨胀系数测量仪的测量数据，用镍铜铬合金制成的发热导体线膨胀系数为12.2×10^-6℃^-1。当L₀=150.000M时（安装时长度），即150.000M长发热导体的线膨胀在20℃至65℃间变换的作用下，L=150.082M。那么交替地收缩或伸长量为

L-L₀=150.082M-150.000M=82mm

即合金每米长度的改变量为

82mm×（1m÷150.000m）=0.547mm

式中括号内为每米长度占总体长度的比例。因为电热电缆每米的螺旋匝数为84匝，所以每匝的收缩或伸长量为

ΔC＝0.547mm÷84匝＝0.0651mm/匝

每匝的周长与半径的关系为

C=2πR

C+ΔC=2π（R+ΔR）

所以ΔC=2_πΔR

所以每匝的半径增加量为

ΔR=ΔC/2π=0.00651mm/2π=0.00104mm=1.04μm。

当每匝的半径增加量ΔR为已知量时，再设计出螺旋匝的半径R。则ΔR/R值越小,消除线性热膨胀系数对电热电缆的影响效果越好。

为了减少电热电缆在交替地收缩或伸长时，对内保护套的磨损，在发热导体的表面涂抹一层硅油，可使表面拖带一层滑石粉。可减小收缩或伸长的摩擦阻力，也可消除每匝的半径增加量ΔR的分布不均的问题。

本发明的电热电缆如图5和图6所示，图5是可消除线热膨胀系数影响的电热电缆左视图，图6是可消除线热膨胀系数影响的电热电缆主视图。具体技术方案如下。

一种可消除固体线热膨胀系数影响的电热电缆，结构自内向外包括三股绞合的发热导体23、内保护套22、电磁波屏蔽层21、外保护套20；其特征是，在三股绞合的发热导体23中间有实心的聚四氟乙烯材料制成的轴心股28，在三股绞合的发热导体23的两股之间有空心的聚四氟乙烯管状的隔离股29，隔离股29共有三股，绞合的发热导体23和隔离股29外侧缠绕四氟乙烯薄膜26；再顺次向外分别包有内保护套22、电磁波屏蔽层21、云母带25和外保护套20；在云母带25和电磁波屏蔽层21之间、电磁波屏蔽层21和内保护套22之间、四氟乙烯薄膜26内分别有滑石粉24。

在三股发热导体23和三股隔离股29外层涂抹有一层硅油，制作时用于拖带滑石粉。

云母带25绕制厚度在3～8μm；四氟乙烯薄膜26的绕制厚度在3～8μm。云母带25和四氟乙烯薄膜26最合适的厚度是3～4μm。

轴心股28的外侧用三股发热导体23和三股隔离股29的绞合螺旋匝数优选是84匝/米。

本发明的电热电缆的制作，包括各个部件制作和组装成成品，都可以在现有的电线、电缆生产设备上完成。

本发明解决了如下技术问题：

1、本发明在电热电缆:的轴心处设计了轴心股，轴心股是由聚四氟乙烯材料制成的实心股，聚四氟乙烯材料具有耐高温的特性（250℃），且具有表面光滑摩擦力小的特点。设立轴心股的作用是：增加发热导体螺旋每匝的半径R，可使ΔR/R的比值减小，使发热导体的轴向（电热电缆轴向）收缩或伸长，转换为径向（电热电缆经向）的收缩或伸长，从而，消除线热膨胀系数对电热电缆的影响。

2、本发明在轴心股的外侧用三股发热导体和三股隔离股的绞合组成。隔离股用空心的聚四氟乙烯管制成，隔离股的作用是给发热导体的收缩或伸长提供空间。隔离股可使三股发热导体相互隔离，从而增加发热导体的散热面积。

3、本发明根据德国NETZSCH公司高精度的固体线膨胀系数测量仪的测量数据，经过计算得出每一米的电热电缆，在轴心股的外侧用三股发热导体和三股隔离股的绞合螺旋匝数为84匝/米。每匝的半径增加量仅为：1.04μm。ΔR为1.04μm的收缩或伸长量完全可被四氟乙烯薄膜的3μm厚度所吸收。

4、本发明在编织的金属电磁波屏蔽层表面涂抹一层硅油，可使表面拖带一层滑石粉，可减小电磁波屏蔽层的收缩或伸长的摩擦阻力，并在电磁波屏蔽层上面绕一层四氟乙烯薄膜，四氟乙烯薄膜层绕制厚度在3μm以上，能防止电磁波屏蔽层的收缩或伸长刺破电热电缆的外保护套，防止水蒸气的侵入导致电热电缆的短路。因为编织的电磁波屏蔽层成波纹壮，电磁波屏蔽层的编织材料固体线膨胀系数为12.0×10^-6℃^-1。

综合上述，本发明从多方面进行设计，解决了电热电缆线性热膨胀造成的影响的问题，减少了由此产生的故障，构成一种新型长寿命低故障电热电缆。

附图说明

图1为背景技术的电热电缆安装剖面图。

图2为电热电缆安装电路图。

图3为背景技术的电热电缆结构示意图。

图4为图3的横截面图。

图5为本发明的电热电缆结构示意图。

图6为图5的横截面图。

图7为用德国NETZSCH公司生产的程序控制式固体线膨胀系数测量仪在模拟工作温度状态下对镍铜铬合金线膨胀系数进行测量的数据照片。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体的实施方式。

本发明的可消除固体线热膨胀系数影响的电热电缆如图5和图6所示。图5和图6中，20为外保护套；21为电磁波屏蔽层；22为内保护套；23为发热导体；24为滑石粉；25为云母带；26为四氟乙烯薄膜；28为轴心股；29为隔离股。

实施例1、轴心股28

电热电缆5的轴心为轴心股28，轴心股28是由聚四氟乙烯材料制成的实心股，位于电热电缆5的中心轴位置。轴心股28的设立，增加发热导体23螺旋每匝的半径R，可使ΔR/R的比值减小,使发热导体23轴向的收缩或伸长，转换为径向的收缩或伸长，从而，消除线性热膨胀系数对电热电缆5轴向的收缩或伸长的影响。

实施例2、发热导体23、隔离股29和保护套22

在轴心股28的外侧用三股发热导体23和三股隔离股29的绞合组成。隔离股29用空心的聚四氟乙烯管制成，用空心管制成隔离股29的作用是给发热导体23的收缩或伸长提供空间。隔离股29可使三股发热导体23相互隔离，从而增强发热导体23的散热面积。

在三股发热导体23和三股隔离股29的绞合过程中，涂抹一层硅油，可使发热导体23和三股隔离股29的表面拖带一层滑石粉24，滑石粉24可减小发热导体23的收缩或伸长的摩擦阻力，并在滑石粉24上面绕上四氟乙烯薄膜26，四氟乙烯薄膜26的绕制厚度在3μm以上（最好在8μm以下，厚度太大会造成成本提高，使电热电缆直径变大），能防止发热导体23在收缩或伸长时磨破内保护套22与金属电磁波屏蔽层21短路。在四氟乙烯薄膜26的外侧有一层内保护套22保护。内保护套22可采用耐高温的铁氟龙材料制成。

将发热导体23用电弧炉融化成液态，浇注成直径为5mm，高度为6mm的柱体的测试样品。用德国NETZSCH公司的固体线膨胀系数测量仪，测量出发热导体23固体线膨胀系数的测量数据，经过计算得出每一米的发热导体23固体线膨胀系数所产生收缩或伸长的长度。在轴心股28的外侧用三股发热导体23和三股隔离股29的绞合螺旋匝数为84匝/米。每匝的半径增加量ΔR仅为1.04μm。ΔR为1.04μm的收缩或伸长量完全可被四氟乙烯薄膜26的3μm厚度和内保护套22所吸收。滑石粉24能使发热导体23每匝的半径增加量ΔR的均匀的分布。

实施例3、电磁波屏蔽层21、云母带25和外保护套20

在内保护套22的外侧，有一层编织的金属电磁波屏蔽层21。电磁波屏蔽层21表面涂抹一层硅油，可使内外表面拖带一层滑石粉24，滑石粉24可减小电磁波屏蔽层21的收缩或伸长的摩擦阻力，滑石粉24能使编织的电磁波屏蔽层21在每匝的半径增加量ΔR的均匀的分布。并在电磁波屏蔽层21上面绕上云母带25，云母带25绕制厚度在3μm以上（最好在8μm以下），能防止电磁波屏蔽层21的收缩或伸长刺破电热电缆5的外保护套20，防止水蒸气的侵入导致电热电缆5的短路。因为编织的电磁波屏蔽层21成波纹状，编织的金属电磁波屏蔽层21经过德国NETZSCH公司固体线膨胀系数测量仪的测量，电磁波屏蔽层21的固体线膨胀系数为12.0×10^-6℃^-1。测量数据经过理论计算，电磁波屏蔽层21的径向（电热电缆5经向）收缩或伸长完全可被云母带25的3μm厚度和外保护套20所吸收。。在云母带25的外侧有一层外保护套20保护。外保护套20可采用耐105℃高温的聚氯乙烯（PVC）材料制成。

综上所述，本发明的电热电缆5根据德国NETZSCH公司固体线膨胀系数测量仪的测量的数据及理论计算结果，设计了一种可消除线性热膨胀系数影响的电热电缆。

Claims (4)

1.一种可消除固体线热膨胀系数影响的电热电缆，结构自内向外包括三股绞合的发热导体（23）、内保护套（22）、电磁波屏蔽层（21）、外保护套（20）；其特征是，在三股绞合的发热导体（23）中间有实心的聚四氟乙烯材料制成的轴心股（28），在三股绞合的发热导体（23）的两股之间有空心的聚四氟乙烯管状的隔离股（29），隔离股（29）共有三股，绞合的发热导体（23）和隔离股（29）外侧缠绕四氟乙烯薄膜（26）；再顺次向外分别包有内保护套（22）、电磁波屏蔽层（21）、云母带（25）和外保护套（20）；在云母带（25）和电磁波屏蔽层（21）之间、电磁波屏蔽层（21）和内保护套（22）之间、四氟乙烯薄膜（26）内分别拖带有滑石粉（24）。

2.根据权利要求1所述的可消除固体线热膨胀系数影响的电热电缆，其特征是，在三股发热导体（23）和三股隔离股（29）外层涂抹有一层硅油。

3.根据权利要求1或2所述的可消除固体线热膨胀系数影响的电热电缆，其特征是，云母带（25）绕制厚度在3～8μm；四氟乙烯薄膜（26）的绕制厚度在3～8μm。

4.根据权利要求1或2所述的可消除固体线热膨胀系数影响的电热电缆，其特征是，轴心股（28）的外侧的三股发热导体（23）和三股隔离股（29）的绞合螺旋匝数是84匝/米。