CN1068236A

CN1068236A - 自动控温加热电缆

Info

Publication number: CN1068236A
Application number: CN 91104074
Authority: CN
Inventors: 葛景滂; 程锡圭; 成永红; 张士华
Original assignee: Xi'an Cable Factory No 1 Branch Factory; Xian Jiaotong University
Current assignee: Xi'an Cable Factory No 1 Branch Factory; Xian Jiaotong University
Priority date: 1991-06-22
Filing date: 1991-06-22
Publication date: 1993-01-20
Anticipated expiration: 2006-06-22
Also published as: CN1022213C

Abstract

一种自动控温加热电缆，属于欧姆电阻加热的可弯曲的加热电缆。两根并行的输电母线供电给并联于其间的具有正电阻温度系数的BaTiO₃半导体瓷加热元件，经玻璃丝带填充平整后，包覆以绝缘层、铠装和护套。也可采用BaTiO₃半导体瓷加热元件和线性ZnO加热元件串并联共同发热的结构。本发明的电缆长期性能稳定可靠，使用寿命长，耐高温和低温性好，控温精确，发热功率大，加热速度快，无功功率可以忽略。

Description

本发明是一种自动控温加热电缆，属于欧姆电阻加热的可弯曲的加热电缆，采用无机的BaTiO₃半导体瓷体作自动控温加热材料，并根据需要采用线性ZnO作为加热材料。

自动控温加热电缆是一种新型的特种电线，不同于恒定功率加热电缆（US4733059）和集肤电流加热电缆（CN87101301），由两根平行的输电母线供电给置于其间的具有正电阻温度系数（PTC）的半导体发热或加热用材料，由于其电阻值随本身温度的增加而增加，相应地电热功率随着温度升高而下降，所以能自动控制和调节温度。US4200973专利公开一种自动控温加热电缆的制造方法，采用有机材料中添加碳黑使其半导体化，利用其在熔点附近高分子结构变化产生渗流作用，使其电阻对温度呈现正电阻温度系数关系，而起到自动控温和一定的加热作用。其不足之处是：

（1）有机材料不能用于特别寒冷地区，如冬季平均最低温度在零下30℃以下的地区，电缆容易产生开裂，使其使用性能变坏。

（2）有机材料最高使用温度比较低，一般只有200℃左右，遇到瞬间高温热冲击，会使电缆破坏。

（3）有机材料的PTC效应是利用熔点附近渗流作用而产生的，材料长期处于熔点附近其高分子是很不稳定的，使得长期老化性能不好。

（4）有机材料自动控温加热电缆控温不准确，有时会产生几十度的波动，只是广义上控温，并不能真正控温。

（5）有机材料自动控温加热电缆发热功率小，对保温层要求高，难以满足大功率的要求。

（6）有机材料自动控温加热电缆保温控温范围窄，对需要保温在150℃以上时无法满足要求。

（7）为使有机材料的结构稳定性能有所改善，需要进行辐照交联，辐照产生的射线和臭氧化对环境产生污染，危害居民和工人的健康。

（8）生产设备投资大，生产成本高，必须具备辐照电子加速器等专用大型设备，不利于自动控温加热电缆在工业与民用上的普及与推广。

本发明的目的在于克服上述现有技术（US4200973）中的不足之处而提供一种采用无机的BaTiO₃半导体瓷和线性ZnO作加热材料的自动控温加热电缆，要求提高自动控温加热电缆的各方面性能，简化生产设备与工艺，降低生产成本。

本发明的任务是以如下方式完成的：本发明中具有PTC特性的无机的半导体加热材料为采用Sb和Nb进行掺杂的BaTiO₃半导体瓷;作加热用的线性ZnO进行以Mg为主的掺杂，具有负电阻温度系数（NTC）的特性。通过改变掺杂元素（如Pb或Sr）和掺杂剂量来改变BaTiO₃半导体瓷的居里点，以改变这种加热材料的稳定工作点，满足不同温度等级加热的需要;通过改变掺杂元素（Mn）的掺杂剂量来改变BaTiO₃半导体瓷的室温电阻率，以改变发热功率，满足不同的防冻和保温的要求。本发明中采用单独的BaTiO₃半导体瓷或BaTiO₃半导体瓷和线性ZnO配合使用，来调节发热功率。

BaTiO₃半导体瓷和线性ZnO加热材料在本发明的电缆中是以两面具有电极和引线的方形或圆形薄的元件形式使用的。在两根平行输电母线间沿长度方向均匀地以并联方式焊上这种无机加热元件，经玻璃丝带填充平整后，再加绝缘层，铠装和护套，就成为本发明的自动控温加热电缆。

以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1是本发明中所用的BaTiO₃半导体瓷的典型的全温谱阻温特性曲线图（居里温度Tc为120℃）。

图2是本发明中所用线性ZnO电阻率与温度的关系曲线图。

图3是本发明的自动控温加热电缆的典型结构图。

图4是本发明的自动控温加热电缆的剖面放大图。

本发明中BaTiO₃半导体瓷是利用BaTiO₃晶体掺杂使之半导体化，将室温电阻率降到10¹至10⁵Ω·cm数量级，且使其电阻率的PTC开关特性跨越5至6个数量级，其典型的阻温特性如图1所示。其基本配方是：

原料

BaTiO₃

Nb₂O₃

Sb₂O₃

MnO₂

Al₂O₃

SiO₂

TiO₂

重量比％

97.89

0.143

0.062

0.02

0.187

0.558

1.113

瓷中成份

主晶相

施主

受主

玻璃相

本发明生产的BaTiO₃半导瓷材料是按以下工艺生产的：

配料（BaTiO₃、Nb₂O₅、Sb₂O₃→球磨混料→干燥→预成型→预烧→二次配料（加入MnO₂、Al₂O₃、SiO₂、TiO2）→球磨混料→烘干造粒→压片成型→烧结→涂银电极→焊接引出线

以上涉及到的球磨、压片、造粒、烧结、镀电极等均为陶瓷材料加工工艺中的常见手段。本发明中采用下列方法：

球磨混料采用，料∶玛瑙球∶水＝1∶1∶1.5（重量比）。

干燥工艺采用，80℃24小时，预成型压力为500kg/cm²，预烧工艺为1000℃2小时。

造粒工艺为加入8%的聚乙烯醇溶液（重量的10%），过40或80目筛造粒，加2400kg/cm²压力压片成型。

烧结工艺为：在1250-1350℃烧结成瓷，保温1-2小时，然后在400℃下排胶半小时，后再保温1小时。

涂银电极是用低温银浆在400℃下1小时烧成。

焊接引出线根据不同的情况分别采用锡焊或点焊。

调节BaTiO₃居里点是通过添加Pb、Sr来实现的。每添加1%克分子浓度的Pb，可使居里点向高温区的移动率为：+3.7℃/（%mol）;而每添加1%克分子浓度的Sr，可使居里点向低温区的移动率为：-3.7℃/（%mol）。

可以通过改变材料自身的室温电阻率，来改变材料的发热功率。对于发热功率要求不大的场合，室温电阻率可以比较大，采用以上配方即可实现;对于发热功率要求比较大的场合，室温电阻率要求比较小，需要调节MnO₂在配方中的含量（重量比0.02-0.035之间）。MnO₂最低含量可至0.015。

以上掺杂后的BaTiO₃半导体瓷具有以下性能特点：

（1）该材料可以使用在低温-60℃以内，且具有加速升温的特点，可以保证在任何温度条件下启动和应用该电缆。

（2）该材料具有典型的PTC开关特性，在居里点附近电阻率随温度上升很快，相应地电流和功率减小很快，能很快起到限流和控温作用。

（3）该材料对温度的敏感性好，电阻率对温度的变化很敏感，不论是温度上升或下降，电阻率都能迅速地变化，能在几度范围内控制温度。

（4）发热功率大，可以根据需要自由调节电缆每米发热功率，最高可达100W/m数量级。

（5）无功功率可以忽略，并网使用对电网影响小。

（6）该材料耐压力性好，制得加热元件在30kg/cm的冲击力下不会破碎，可以满足电缆生产工艺的需要。

（7）耐电压高，可耐120至180V/mm，且耐压性能稳定。

本发明中作加热用的线性ZnO，是利用ZnO晶体中，进行以Mg为主的掺杂，使其电压电流呈现线性度，且电阻率随温度而变化，其基本配方为：

原料	ZnO	MgO
			摩尔比％	99.5	0.5

本发明的线性ZnO生产工艺为：

配料（ZnO、MgO）→球磨混料→干燥→造粒→压片成型→烧结→镀银电极→焊接引出线

线性ZnO的生产中球磨混料、干燥、造粒、压片成型、镀银电极、焊接引出线的工艺与BaTiO₃半导瓷的生产工艺一样。线性ZnO的烧结工艺是在1200℃下烧成瓷（保温1小时）。其电阻率与温度关系曲线如图2所示。

经全面性能研究本发明中作为加热用途的线性ZnO具有以下特点：

（1）发热功率大，可以根据需要自由调节每米发热功率，最高可达10²W/m数量级。这是由材料自身特性决定的。

（2）耐电压高，可耐120-180V/mm，且耐压性能稳定。

（3）时间常数小，电流衰减时间短，电阻随温度变化速度快，热响应高，加热速度快。

（4）无功功率可以忽略，并网使用对电网影响小。

本发明电缆设计中，可通过协调BaTiO₃半导瓷、线性ZnO的比例和工作状态来调节发热功率，满足防冻和保温的不同要求。对于一般防冻要求的，发热功率不大，采用BaTiO半导瓷即可满足;对于需要大功率或较高温度保温的，则需要采用BaTiO₃半导瓷和线性ZnO共同发热的结构设计，即BaTiO₃半导瓷和线性ZnO处于串并联结构，再与输电母线成并联结构，这样BaTiO₃半导瓷首先进行限流，起到控温作用，同时两者一起起到发热作用，这样单位长度的发热功率可大大提高。

输电母线采用镀锡、镀银的绞线，满足长期工作在高温条件下的耐高温要求同时满足电缆敷设时柔软的要求;根据电缆设计的最大电流计算导线截面，导线截面积介于1.0mm²-3.0mm²之间，根据需要采用多层束绞来实现，以满足不同流过导电母线的电流的要求。

图3和图4是本发明电缆的典型结构和剖面放大图。其中1为输电母线，2为BaTiO₃半导体瓷加热元件，3为绝缘层，4为护套层，5为铠装层（填充平整用材料没示出）。

下面结合各实施例对本发明作进一步详细描述：

实施一：

输电母线为七根0.5mm的镀锡束绞线，自动控温加热材料为居里点75℃、室温电阻率1000Ω·cm的BaTiO₃半导体瓷，试片尺寸为12×8×2mm，电极为先镀镍后镀银电极，电极引出线为单根1.0mm镀锡铜线。每米输电母线上焊接15片，采用锡焊。在挤交联聚乙烯绝缘层以前，先用玻璃丝带进行平整填充。挤塑机采用Φ80挤塑机，采用扁方形模口的模具，挤出交联聚乙烯绝缘层厚度为1.2mm。另外采用Φ0.1的镀锡铜丝5至10根为一组在金属编织机上交叉编织成铠装层。最后采用Φ80或Φ100挤塑机，采用扁方形模口的模具，挤出聚烯烃护套层（采用阻燃护套料或不延燃护套料）。该类以居里点为75℃的电缆适用于户外防冻保温等用途，自动控温加热材料的工作点在90至100℃之间，防冻保温系统的最高平衡点为60℃。每米最大发热功率为70W。

实施二：

输电母线为七根0.7mm的镀锡束绞线，自动控温加热材料为居里点120℃、室温电阻率1000Ω·cm的BaTiO₃半导体瓷（试片尺寸为12×8×2mm，电极为先镀镍后镀银电极，电极引出线为单根1.0mm镀锡铜线），每米焊20片，用锡焊。用玻璃丝带填充平整，氟塑料F₄₀挤出绝缘，绝缘层厚度1.5mm。金属丝编织铠装层，最外层为挤出的氟塑料F₄₀护套层。该类以居里点为120℃的电缆适用于防冻或保温系统，自动控温加热材料的工作点在140至150℃之间，防冻保温系统的最高平衡点为100℃。每米最大发热功率为90W。

实施三：

输电母线为七根0.7mm的镀银束绞线，自动控温加热材料为居里点200℃、室温电阻率为5000Ω·cm的BaTiO₃半导体瓷（试片尺寸为15×10×2mm，电极为先镀镍后镀银电极，电极引出线为单根1.0mm镀银铜线），每米焊接25片，用点焊。用玻璃丝带填充平整。在常规的编织机上用尼龙丝带编织绝缘，编织密度为85%。最后用皱纹铝管铠装。该类电缆用于作较高环境温度的保温系统中。自动控温加热材料的工作点在240℃左右，最高保温度为180℃。每米最大发热功率为40W。

实施四：

输电母线为20根0.4mm镀银束绞线，自动控温加热材料为居里点120℃、室温电阻率为1000Ω·cm的BaTiO₃半导体瓷和室温电阻率为10⁴Ω·cm的线性ZnO，分别起到控温和加热的作用。试片为BaTiO₃半导体瓷和线性ZnO并联焊接为一组，每个试片均为Φ10×2.0mm，每米共20组，均用点焊焊接。用玻璃丝带填充平整，绝缘层采用聚酰亚胺薄膜带（0.2mm厚，10mm宽）在绕包机上双向绕包，搭盖度为35%。皱纹铝管铠装。该类电缆的特点是恒定发热功率大，每米最大恒定发热功率可到400W，用于大功率加热的场合。

实施五：

输电母线为七根0.7mm的镀银束绞线，自动控温加热材料为居里点300℃、室温电阻率为1000Ω·cm的BaTiO₃半导体瓷（每片为Φ10×2.0mm，电极为先镀镍后镀银，电极引出线为1.0mm镀银线）。每米用点焊焊接20片。玻璃丝带填充平整，用0.5厚、8mm宽的云母带在常规的薄膜绕包机上绕包。用尼龙丝带编织护套层，皱纹铝管铠装。该类电缆适用于环境温度500℃以下，或控温在300℃以内的保温要求，最大发热功率每米80W。

实施六：

输电母线为七根0.5镀锡束绞线;自动控温加热材料为Φ10mm、厚2.0mm的室温电阻率为55Ω·cm、居里点为120℃的BaTiO₃半导体瓷，每米焊接25片;绝缘层采用尼龙丝带填充和编织。金属丝编织铠装。该类电缆适用于低压供电的特殊场合，电压为20V时每米发热功率最高为80W;电压为10V时每米发热功率最高为30W。

对以上各项实施进行各种实际使用模拟试验，分别按单根直线、单根螺旋敷设在Φ50mm的管道上，外采用25mm石棉保温层。试验结果为：

（1）低温启动性：从-30℃开始供电，电缆能够正常工作，丝毫不影响使用性能。

（2）升温速度：自动控温加热材料自身达到工作点附近是瞬间完成的，系统达到稳定平衡温度点约为4-5小时。

（3）环境温度的影响：系统热平衡温度受环境温度的影响约为2℃左右（无风状态），这与保温层厚度、材料隔热性密切相关。

（4）冷热冲击：经多次瞬时高温和低温循环以后，系统仍可恢复到原稳定温度点。

（5）不同敷设方式：通过降低电压使电缆对外的恒定发热功率为30W/m时测定不同敷设方式对稳定温度点的影响：单根直线敷设稳定温度点为21.5℃，单根螺旋敷设（螺旋节距为100mm）稳定温度点为30.5℃。

（6）长期工作稳定性：经3000小时的长期工作，测得单根直线敷设始终稳定在22±0.5℃，单根螺旋敷设始终稳定在32±0.5℃，其中正负误差是受环境温度的影响。测试是在电缆对外恒定发热的功率为30W/m下进行的。

电缆中由于输电母线上的输电电压经一定长度后存在电压降，同时在电缆中陶瓷材料是以元件的形式并联在导电母线上的，因而电缆存在一个最大制造长度，通常以电压下降不超过10%为一衡量标准，根据实际使用要求一般取电缆最大制长度为300m。

本发明的以无机材料为主体的自动控温加热材料具有有机自动控温加热材料所不可比拟的优点：

（1）长期工作性能稳定可靠，耐老化性好，这是由于无机陶瓷材料自身性能所决定的。

（2）耐高温性好，可用于高于有机材料使用温度的场合，因而可以设计成广谱控温的自动控温加热电缆。

（3）耐低温性能好，在-60℃以内任何温度状态下启动，而有机材料做不到这点。

（4）控温精确、稳定。可以几度范围内控制温度，而有机材料自动控温加热电缆有时控温波动范围达几十度，实际只是相对具有控制温度的作用。

（5）发热功率大，加热速度快，无功功率可忽略。

（6）生产中不污染环境，不需要经过辐照交联处理。

Claims

1、一种自动控温加热电缆，属于欧姆电阻加热的可弯曲的加热电缆，由两根平行输电母线(1)供电给置于其中的具有PTC特性的加热材料，两根输电母线(1)和具有PTC特性的加热材料外为绝缘层(3)、铠装层(5)和护套层(4)，本发明的特征是：

(1、1)具有PTC特性的加热材料为采用Sb和Nb进行掺杂的BaTiO₃半导体瓷，高温区工作的BaTiO₃半导体瓷再含有Pb；低温区工作的BaTiO₃半导体瓷再含有Sr，不同发热功率的BaTiO₃半导体瓷的MnO₂含量不同(0.015至0.035重量百分比)；

(1、2)与BaTiO₃半导体瓷串并联配合使用的加热材料为采用以Mg为主掺杂的线性ZnO；

(1、3)输电母线(1)为镀锡或镀银的束绞线；

(1、4)均匀焊上加热材料的电极引线的两根输电线(1)外为填充平整用的玻璃丝带；

(1、5)填充平整用的玻璃丝带外的绝缘层(3)可为下列绝缘形式之一：

(1、5、1)交联聚乙烯挤出绝缘；

(1、5、2)氟塑料挤出绝缘；

(1、5、3)尼龙丝带编织绝缘；

(1、5、4)聚酰亚胺薄膜带双向绕包绝缘；

(1、5、5)云母带绕包绝缘；

(1、6)铠装层(5)可为下列形式之一：

(1、6、1)金属丝编织铠装层；

(1、6、2)皱纹金属管铠装层；

(1、7)护套层(4)可为下列形式之一：

(1、7、1)氟塑料；

(1、7、2)聚烯烃护套料(阻燃护套料；不延燃护套料)；

(1、7、3)尼龙丝带编织护套。