CN110462754A - 低烟无卤自动调节发热电缆 - Google Patents

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Abstract

一种低烟无卤自调节发热电缆，包括半导体发热芯和嵌入半导体发热芯内并由半导体发热芯分隔的两根导线。电缆还包括包围半导体芯的初级护套、包围初级护套的编织物和包围编织物的终极护套。初级护套和终极护套中的至少一个包括低烟无卤材料。

Description

低烟无卤自动调节发热电缆
相关申请的交叉引用
本申请是一个非临时申请，要求2017年2月1日以相同的名称提交美国临时专利申请序列号No.62/453,259的权益，该非临时专利申请以全文引用的方式并入到本文中。
背景技术
自调节发热电缆通常包括嵌入发热芯中的两根导线，该发热芯由电阻率为正温度系数的半导体聚合物(即“PTC材料”)制成。芯在导线之间形成电路径，并且当电流通过导线之间的这些电路径时，在PTC材料中产生热量。然而，导线之间的电路径数量会随着温度波动而变化。特别是，当环境温度下降时，芯微观地收缩。这种收缩减小了芯的电阻，并在导线之间形成了多个电路径。然后电流流过这些路径来温热芯。相反，随着环境温度的升高，芯在微观上膨胀，增加了导线之间的电阻，从而存在更少电路径，并产生了更少的热量。
发热芯由多层包围，包括电和热绝缘层、接地平面层、机械和化学屏蔽等。许多自调节发热电缆在不同的层中使用配方中含有卤素的材料作为阻燃剂。尽管它们具有阻燃特性，但当这种含卤素产品点燃时(例如在火灾期间)，它们会释放有毒和腐蚀性气体，并导致高烟产生。需要一种符合现有安全标准并具有合乎需要的制造和操作特性的低烟无卤自调节发热电缆。
发明内容
上述需求通过用于提供低烟无卤自调节发热电缆的方法、设备和/或系统来满足。
在本公开的一个实施例中，提供了低烟无卤自调节发热电缆。电缆包括半导体发热芯和嵌入半导体发热芯中并被半导体发热芯分隔的两根导线。电缆还包括包围半导体芯的初级护套、包围初级护套的编织物和包围编织物的终极护套。初级护套和终极护套中的至少一个包括低烟无卤材料。
根据本公开的另一个实施例，提供了一种自调节发热电缆。该电缆包括间隔件、被间隔件分隔的两根导线以及缠绕在两根导线和间隔件周围的自调节纤维发热元件。电缆还包括包围自调节纤维发热元件的初级护套、包围初级护套的编织物和包围编织物的终极护套。初级护套和终极护套中的至少一个包括低烟无卤材料。
通过以下描述，本公开的这些和其他方面将变得显而易见。在说明书中，参考了构成说明书一部分的附图，其中示出了本发明的实施例。这样的实施例不一定代表本发明的全部范围，因此参考这里的权利要求来解释本发明的范围。
附图说明
图1是自调节发热电缆的截面图。
图2是根据本发明一个实施例的低烟无卤(LSZH)自调节发热电缆的透视剖视图。
图3是根据本发明另一实施例的LSZH自调节发热电缆的透视剖视图。
图4是示出在常规自调节发热电缆和图2的LSZH自调节发热电缆的烟密度测试期间随时间变化的光透射百分比的曲线图。
图5是示出第一LSZH材料、第二LSZH材料和含卤素阻燃材料随温度变化的热导率的曲线图。
图6是示出26瓦/米(W/m)LSZH自调节发热电缆和常规26W/m自调节发热电缆随温度变化的功率输出的曲线图。
图7是示出31W/m LSZH自调节发热电缆和常规31W/m自调节发热电缆随温度变化的功率输出的曲线图。
图8A是根据本发明一个实施例的用于LSZH电缆的挤出工艺中的流道和模具的顶部截面图。
图8B是图8A的流道和模具的侧截面图。
图8C是图8A的流道和模具的后视图。
图9是根据本发明一个实施例的LSZH自调节纤维缠绕发热电缆的透视剖视图。
具体实施方式
在进一步详细描述根据本公开的设备的示例实施例之前，应当理解，本公开不限于所描述的特定方面。还应当理解，这里使用的术语仅用于描述特定方面的目的，而不是限制性的。本公开中描述的发明的范围将仅受权利要求限制。除非上下文另有明确指示，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数方面。
对于本领域技术人员来说，显而易见的是，在不脱离本发明概念的情况下，除了已经描述的修改之外，许多附加的修改是可能的。在解释本公开时，所有术语应该以与上下文一致的尽可能广泛的方式来解释。术语“包括”、“包含”或“具有”的变型应该被解释为以非排他性的方式指代元件、部件或步骤，因此所提及的元件、部件或步骤可以与未明确提及的其他元件、部件或步骤组合。除非上下文另有明确指示，被称为“包括”、“包含”或“具有”某些元件的方面也被认为是“基本上由这些元件组成”和“由这些元件组成”。应当理解，除非上下文另有明确指示，关于系统描述的本公开的各方面适用于方法，反之亦然。
这里公开的数值范围包括它们的端点。例如，介于1和10之间的数值范围包括值1和10。当针对给定值公开了一系列数值范围时，本公开明确设想了包括这些范围的上限和下限的所有组合的范围。例如，介于1与10之间或介于2和9之间的数值范围旨在包括介于1和9之间以及介于2和10之间的数值范围。
图1示出了自调节发热电缆10。如图1所示，电缆10包括平行导线12、芯14、初级护套16、可选屏蔽层18、编织物20和终极护套22。导线12可以由镀镍铜制成，并且被芯14包围，芯14可以由半导体聚合物材料制成。更具体地，芯14可以由包含与导电炭黑或另一种导电填料混合的一种或多种聚合物的PTC材料制成。这种材料的掺混物可以产生用于沿着电缆10的长度在平行导线12之间传导电流的电路径，其中电路径的数量可以响应于环境温度波动而改变。特别是，随着环境温度下降，芯14微观地收缩。这种收缩减小了芯的电阻，并在导线12之间产生了多个电路径。然后电流可以流过导线12之间的这些路径，以温热芯14。相反，随着环境温度的升高，芯14微观地膨胀，增加了导线12之间的电阻，从而存在更少的电路径并且产生更少的热量。
回到图1，芯14可以被涂覆初级护套16，初级护套16可以是电绝缘聚合物化合物。在一个实施例中，初级护套16可以具有大约0.033英寸的标称厚度。然而，在其他实施例中，可以设想到其他厚度。在初级护套16的顶部，可选的屏蔽层18可以充当内部部件的屏蔽(例如，保护它们免受水和/或化学物质的影响)。屏蔽层18可以是金属箔，例如铝箔。编织物20(例如镀锡铜或其他金属编织物)然后包围铝箔18或初级护套16，并充当接地路径。在编织物20的顶部，终极护套22充当机械保护层，并且在一些实施例中可以具有大约0.021英寸的标称厚度。然而，在其他实施例中，可以设想到其他厚度。
在一些实施例中，芯14、初级护套16和/或终极护套22可以交联。通常，交联可以提高电缆24、26的性能、强度、稳定性和/或延长寿命。例如，芯14的交联可以防止在高于芯14的熔融温度的温度下的负温度系数(NTC)效应。初级护套16和/或终极护套22的交联可以提高性能，例如耐热性、耐化学性和耐磨性以及其他机械性质，并升高材料的软化温度。在一些具有较高温度额定值的应用中，交联终极护套22可以帮助电缆24、26满足较高的温度额定值。在一些实施例中，交联可以通过电子束(e-beam)照射、过氧化物交联、硅烷交联或其他方法来实现，并且可以在挤出期间或挤出之后进行。
关于初级护套16和终极护套22，类似于发热电缆10的现有发热电缆中已经使用了多种不同材料。当需要阻燃性时，这种现有电缆使用的材料，例如含有阻燃剂的聚烯烃或含氟聚合物，在配方中含有卤素和/或不能被视为低烟。相反，根据本公开的实施例提供了低烟无卤(LSZH)自调节发热电缆10。更具体地，目前描述的发热电缆10具有初级护套16和终极护套22，它们被制成符合国际电工委员会(IEC)60754-1标准，该标准规定了用于确定在材料燃烧期间放出的卤酸气体量的程序，以及对于“低”烟排放的IEC 61034标准或类似标准。在图2所示并在下面进一步描述的另一个实施例中，电缆24包括平行导线28、芯30、初级护套32、编织物34和终极护套36。如图3所示，电缆26包括相同的部件28-36以及在初级护套32与编织物34之间的可选屏蔽层38(例如金属箔或铝箔)。在一些实施例中，电缆10、24、26可以额定功率输出，包括但不限于10瓦/米(W/m)、15W/m、26W/m和31W/m(在5摄氏度下测量)。
参考图2和图3，导线28、芯30、箔38和编织物34可以在尺寸和组成上类似于图1的电缆10的那些部件。另外，电缆24、26的初级护套32和/或终极护套36由LSZH化合物制成或包括LSZH化合物。结果，电缆24、26不含卤素(即，在任何部件中)，并且可以被认为是低烟的(例如，洁净地燃烧，产生较少的烟)，如下面进一步描述的。芯30、初级护套32和/或终极护套36的材料可以如上所述交联。然而，虽然交联提供了上述益处，例如提高了耐热变形性、耐磨性和耐化学品性，但是它是制造过程中的额外步骤，并且伴随有材料、设备、劳动力和品质保证成本。此外，实验表明，材料的交联不会改进发热电缆24的LSZH性质。因此，芯30、初级护套32和终极护套36中的一个或多个可以不交联以保持相对低的制造成本。例如，初级护套32可以是交联的，以便由于靠近芯30而承受更高的温度；终极护套36可能不会交联，因为它不会经受如此高的温度。在一些实施例中，芯30也可以是无卤材料。
通常，LSZH化合物可以包括用无机水合矿物填料例如三水合铝和氢氧化镁阻燃的聚烯烃。例如，在一个实施例中，LSZH化合物是PolyOne Corporation制造的ECCOHTM工程高分子化合物。然而，在其他实施例中可以使用其他LSZH化合物。例如，未交联的层/护套中任一个可以包括用一种或多种有机磷基阻燃剂阻燃的热塑性弹性体(例如，由EPDM和聚丙烯组成)，这种阻燃剂为例如聚-2,4-哌嗪基-6-钼-1,3,5-三嗪和/或聚磷酸铵。此外，根据IEC60754-1标准，化合物不含卤素，并且当根据IEC 61034标准测试时被确定是低烟的，这种化合物才被认为是根据本发明的实施例的LSZH。
例如，图4示出了当暴露于根据IEC 61034的烟密度测试时，比较具有由聚烯烃制成的卤化阻燃护套的典型的自调节发热电缆10和图2的LSZH自调节发热电缆24的曲线图。在该测试中，每个电缆10、24在限定的条件下在腔室中燃烧，并且白色光束从一侧投射通过腔室到另一侧。光束的光透射百分比在腔室的相对侧测量，表明由于电缆燃烧而产生烟积聚，更具体地说，是电缆的烟密度。根据IEC61034，电缆必须表现出60％的最小透光率才被归类为低烟。换句话说，当燃烧时，电缆会发出烟，允许至少60％的光透射通过烟。如图4所示，电缆10的透光率(线40)在刚刚超过300秒就下降到60％的透光率线42以下。另一方面，在整个测量的2400秒内，LSZH自调节发热电缆24的透光率(线44)不会下降到60％透光率线42以下。相反，LSZH自调节发热电缆24的透光率逐渐降低，之后在远高于60％阈值处趋于平稳。并且，尽管在图4中未示出，但是图3的电缆26可以比图2的电缆24发出更少的烟，因为当电缆26燃烧时，屏蔽层38有助于进一步降低烟的产生。因此，根据IEC 61034标准，图2和3的自调节发热电缆24、26是低烟电缆。此外，通过使用LSZH护套材料，电缆24、26可以满足IEC61034标准，即使当芯30本身不被认为是低烟时(即，当芯本身没有任何护套时，不能通过IEC 61034烟密度测试)。此外，电缆24、26可以满足IEC 62395的所有要求，该标准规定了电阻迹线发热系统的要求。
一些实施例的自调节发热电缆24、26的低烟和无卤属性使其成为封闭位置的合适选择，例如在建筑物、地铁和隧道内。特别地，由于低烟和无卤属性，与非低烟或无卤的典型电缆相比，自调节发热电缆24、26对于这些位置来说是更安全的选择。此外，在一个实施例中，所使用的LSZH材料可以允许电缆24、26(例如10、15或26W/m电缆)用于温度范围从-40摄氏度到65摄氏度的应用中。在另一个实施例中，所使用的LSZH材料可以允许电缆24、26(例如31W/m电缆)用于温度范围从-40摄氏度到85摄氏度的应用中。
此外，与常规护套中使用的卤化材料相比，本发明一些实施例中使用的LSZH材料表现出更大的热导率。例如，图5示出了第一LSZH化合物(线46)、具有与第一LSZH化合物不同配方(例如，不同组分和组分百分比)的第二LSZH化合物(线48)和常规阻燃含卤素护套化合物(线50)随温度(摄氏度)变化的电缆热导率(瓦特/米开尔文)。如图5所示，LSZH化合物在所有温度下的热导率(线46、48)大约是常规护套化合物(线50)热导率的两倍大。
在一些实施例中，本发明实施例的LSZH电缆24、26的更大热导率可以允许比常规电缆更大的功率输出。附加地或替代地，LSZH电缆24、26可以表现出与常规电缆相同或相似的总功率输出，但是可以表现出优越的“变化式(indexed)”功率输出(即，相对于温度或温度变化，电缆功率的变化)。例如，图6示出了用于一些实施例的26W/m LSZH护套自调节发热电缆(线52)和常规26W/m自调节发热电缆(线54)随温度(华氏度)变化的功率输出(瓦特/英尺)。如图6所示，对于高达约100华氏度(例如，在约40度与约100度之间)的温度，26W/mLSZH电缆表现出比常规电缆更大的功率输出。此外，26W/m LSZH电缆在大约100度以上的温度下表现出与常规电缆相似的功率输出。此外，图7示出了用于一些实施例的31W/m LSZH护套自调节发热电缆(线56)和常规的31W/m自调节发热电缆(线58)随温度(华氏度)变化的功率输出(瓦特/英尺)。如图7所示，对于高达约150华氏度(例如，在约40度与约150度之间)的温度，31W/m LSZH电缆比常规电缆表现出更大的功率输出。
在一些实施例中，图2和图3的电缆24、26可以使用挤出工艺制造。此外，电缆24、26可以使用以半压力工具作业的挤出机来制造。另外，在一个实施例中，挤出机可以包括低剪切、低压缩螺杆。与标准工具作业相比，这种工具作业可以更好地适应高度填充的LSZH材料。特别地，用于终极护套36和/或初级护套32的LSZH材料可以是粘性的，并且高度填充有矿物填料。该材料可能具有较差的熔体强度和较低的熔体拉伸性能，这妨碍了使用标准管上工具作业。此外，压力工具作业可以使终极护套36粘到编织物34上，使得剥离更加困难。结果，为了克服这些问题，终极护套挤出和/或初级护套挤出可以使用半压力流道和模具来完成。例如，图8A-8C分别示出了在一些实施例中用于护套挤出的半压力流道和模具组件66的顶截面图、侧截面图和后视图。如图8A-8C所示，组件66可以包括模具68和流道70。半压力组件66和与组件66一起使用的低剪切、低压缩螺杆(未示出)允许以期望的挤出速度加工LSZH材料。
虽然本公开的原理已经被描述为与特定结构一起使用，但是这里描述的LSZH自调节发热电缆不应该局限于这种结构。例如，虽然上述LSZH自调节发热电缆24、26是一体式自调节发热电缆(即，具有实心导电芯30)，但是本公开的原理可以与纤维缠绕自调节发热电缆结合使用。具体而言，如图9所示，纤维缠绕自调节发热电缆60可以包括导线28之间的间隔件62，并且自调节聚合纤维发热元件64可以缠绕在导线28和间隔件62周围以在导线28之间提供电路径。然后，如上所述，缠绕的导线可以被初级护套32、可选的屏蔽层或铝箔层(未示出)、编织物34和终极护套36覆盖。
虽然在前面的附图和描述中已经详细说明和描述了本发明，但是本发明应该被认为是说明性的而不是限制性的，应该理解的是，仅示出和描述了本发明的说明性实施例，并且希望保护在本发明的精神范围内的所有改变和修改。例如，这里公开的实施例中任何一个的任何特征或功能可以被结合到这里公开的任何其他实施例中。

Claims (20)

1.一种自调节发热电缆，包括:
半导体发热芯；
嵌入所述半导体发热芯内并被所述半导体发热芯分隔的两根导线；
包围所述半导体芯并且包括第一低烟无卤(LSZH)材料的初级护套；
包围所述初级护套并提供接地路径的编织物；和
包围所述编织物并包含第二低烟无卤材料的终极护套；
所述第一低烟无卤材料和第二低烟无卤材料中的至少一种包含用无机水合矿物填料阻燃的聚烯烃。
2.根据权利要求1所述的自调节发热电缆，其中，所述无机水合矿物填料包括三水合铝和氢氧化镁中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的自调节发热电缆，其中，所述第一低烟无卤材料是交联的，而所述第二低烟无卤材料不是交联的。
4.根据权利要求1所述的自调节发热电缆，其中，选择所述第一低烟无卤材料和第二低烟无卤材料，使得所述自调节发热电缆的额定功率输出为在5摄氏度测量的10瓦/米(W/m)、15W/m、26W/m或31W/m。
5.根据权利要求1所述的自调节发热电缆，其中，所述第一低烟无卤材料和第二低烟无卤材料是非卤化材料，当燃烧时，所述非卤化材料发出烟，所述烟允许至少60％的光透射通过所述烟。
6.根据权利要求1所述的自调节发热电缆，还包括屏蔽层，所述屏蔽层分隔所述初级护套和所述编织物并保护所述初级护套、所述芯线和所述电线免受水和火侵入。
7.根据权利要求6所述的自调节发热电缆，其中，所述屏蔽层包括铝箔。
8.根据权利要求1所述的自调节发热电缆，其中，所述半导体发热芯是实心材料，所述实心材料包括与导电碳混合的一种或多种聚合物，在所述导线之间产生电路径。
9.根据权利要求1所述的自调节发热电缆，其中，所述导线由镀镍铜制成。
10.根据权利要求1所述的自调节发热电缆，其中，所述初级护套大约0.033英寸厚。
11.根据权利要求1所述的自调节发热电缆，其中，所述编织物是镀锡铜编织物。
12.根据权利要求1所述的自调节发热电缆，其中，所述终极护套约为0.021英寸厚。
13.根据权利要求1所述的自调节发热电缆，其中，所述半导体发热芯、所述初级护套和所述终极护套中的一个是交联的。
14.一种自调节发热电缆，包括:
包括正温度系数材料的发热芯；
嵌入所述发热芯内并被所述发热芯分隔的两根导线；
包围所述发热芯并包括第一低烟无卤(LSZH)材料的初级护套；
包围所述初级护套并提供接地路径的编织物；和
包围所述编织物并包含第二低烟无卤材料的终极护套；
选择所述第一低烟无卤材料和所述第二低烟无卤材料，使得:
燃烧时，所述自动调节发热电缆发出烟，所述烟允许至少60％的透光率；和
所述自调节发热电缆的额定功率输出为在大约5摄氏度测量的约10瓦/米(W/m)、约15W/m、约26W/m或约31W/m。
15.根据权利要求14所述的自调节发热电缆，其中，所述第一低烟无卤材料和第二低烟无卤材料中的一种或两种包括用无机水合矿物填料阻燃的聚烯烃。
16.根据权利要求15所述的自调节发热电缆，其中，所述无机水合矿物填料包括三水合铝和氢氧化镁中的至少一种。
17.根据权利要求14所述的自调节发热电缆，其中，所述发热芯、所述初级护套和所述终极护套中的至少一个是交联的。
18.根据权利要求17所述的自调节发热电缆，其中，所述初级护套是交联的，而所述终极护套不是交联的。
19.根据权利要求14所述的自调节发热电缆，还包括屏蔽层，所述屏蔽层分隔所述初级护套和所述编织物并保护所述初级护套、所述芯和所述导线免受水和火侵入。
20.根据权利要求19所述的自调节发热电缆，其中，所述屏蔽层包括铝箔。
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