CN112056004B - 电加热电缆 - Google Patents

Abstract

一种电加热电缆(100)，包括第一供电导体(1)、第二供电导体(2)和第三供电导体(3)。第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体(1、2、3)中的每一个沿着电缆(100)的长度延伸。电加热电缆(100)还包括导电加热元件本体(7)，其中第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体(1、2、3)通过导电加热元件本体(7)彼此电耦合。第二供电导体(2)设置有电绝缘材料层(11)，其仅覆盖第二供电导体(2)的表面(4)的一部分。层(11)设置在第二供电导体(2)的表面(4)和导电加热元件本体(7)之间。

Description

电加热电缆

技术领域

本发明涉及一种电加热电缆。更具体地，但不排他地，本发明涉及一种与三相电源一起使用的平衡三相电加热电缆。

背景技术

电加热电缆用于需要加热的各种应用中。电加热电缆通常包括一个或多个沿电缆长度延伸的电导体，导体之间具有本体材料。本体材料在电导体之间提供潜在的电通路，但是通常具有比电导体的电阻大得多的电阻。当使用电加热电缆时，一个或多个电导体连接到电力电源，并且经由电导体通过本体材料传导电力。在该过程中，本体材料将其传导的电能转换为用于加热工件的热量。

电加热电缆可用于加热管道以确保管道的内容物保持在某一温度，例如高于内容物的凝固点。管道可以是水管、产油管道或例如在工业工厂中使用的任何其它管道。加热电缆可能与管道的内部或外部接触，并且可以沿着管道以线性方式延伸或者缠绕在管道周围。对于跨工业工厂使用的管道来说，其通常具有几千米的长度。因此，需要用于加热这种管道的电加热电缆的长度至少与管道的长度具有相同的量级。

国家电网、工业工厂、商业站点和高功率设备通常与三相电源一起运行。因此，适用于三相电源的三相电加热电缆布置在工业应用中通常是优选的。三相串联电阻加热电缆布置通常可以实现几千米的电路长度，但是不能自调整它们的温度，因此可能造成严重的安全问题。相反，自调整加热电缆通常是单相加热电缆。单相加热电缆通常限于大约100米的短得多的电路长度，并且不适用于大规模工业应用。

相位不平衡仍然是对使用三相自调整电加热电缆的挑战。也就是说，三相自调整电加热电缆典型地具有在三相之间有不相等电阻的导电通路，并且因此从电源的每个相汲取不相等的电流。换句话说，这种加热电缆在三相电源的每个相上产生不相等的功率负载，并成为电源的不平衡负载。相位不平衡降低了电缆本身的效率，并且对于三相电源的稳定性也是不希望的。

发明内容

本发明的其中一个目的是提供一种电加热电缆，例如三相电加热电缆，其中电缆的三相之间的负载不平衡被减小。

根据本发明的第一方面，提供了一种电加热电缆，包括：第一供电导体(powersupply conductor)；第二供电导体；第三供电导体，其中第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体中的每一个沿着电缆的长度延伸；导电加热元件本体，其中第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体通过导电加热元件本体彼此电耦合；其中，第二供电导体设置有电绝缘材料层，该电绝缘材料层仅覆盖第二供电导体的表面的一部分，该电绝缘材料层设置在第二供电导体的表面和导电加热元件本体之间。

通过提供仅覆盖第二供电导体的表面的一部分的电绝缘材料层，可以容易地调整第二供电导体与其它供电导体(例如，第一供电导体和第三供电导体)之间的电阻。通过在第二供电导体的表面和导电加热元件本体之间提供该电绝缘材料层，该电绝缘材料层因此被配置为限制电耦合到导电加热元件本体的第二供电导体的表面的比例。第二供电导体的未被电绝缘材料层覆盖的表面的剩余部分可以电耦合到导电加热元件本体。

电绝缘材料的电阻率可以是导电加热元件本体的电阻率的至少10倍。当电绝缘材料的电阻比导电加热元件本体的电阻高10倍时，电加热电缆内的相位不平衡可减少约90％。

电绝缘材料的电阻率可以是导电加热元件本体的电阻率的至少10¹⁰倍。

导电加热元件本体可以具有大约10³至10⁴Ω·m量级的电阻率。电绝缘材料可以具有大约10¹⁵至10¹⁶Ω·m量级的电阻率。

应当理解，电绝缘材料层的区域直接影响第二供电导体的导电区域，该第二供电导体经由导电加热元件本体电耦合到第一供电导体和第三供电导体。通过扩大电绝缘材料层的面积以覆盖第二供电导体的表面的较大部分，使第二供电导体具有较少的导电区域，该导电区域经由导电加热元件本体电耦合到其它供电导体。因此，第二供电导体和其它供电导体之间的电阻将随着电绝缘材料层的面积成比例地增加，反之亦然。这样，通过简单地调整表面上的层的面积，可以容易地将第二供电导体和其它供电导体之间的电阻控制到期望的水平。这对于通过在第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体之间实现平衡的传导路径(即，平衡的功率负载)，来减少或甚至基本上消除电加热电缆内的任何不平衡是有利的，从而允许电加热电缆在电缆连接到例如工业三相电源时更有效地工作。

应当理解，电绝缘材料层可以被称为电绝缘材料涂层，其被施加以涂覆第二供电导体的表面的一部分。因此，表述“电绝缘材料层”可以与表述“电绝缘材料涂层”互换使用。电绝缘材料层可以与第二供电导体的表面接触。进一步或可选地，电绝缘材料层可以与导电加热元件本体接触。

应当理解，电绝缘材料层不需要与第二供电导体的表面直接接触。类似地，电绝缘材料层不需要与导电加热元件本体接触。例如，可以在电绝缘材料层和第二供电导体的表面之间提供第一中间层。第一中间层可以包括粘合层，该粘合层使电绝缘材料层粘附到第二供电导体的表面上。此外，第一中间层可以包括导电材料层，该导电材料层电耦合到第二供电导体。

类似地，可以在电绝缘材料层和导电加热元件本体之间提供第二中间层。第二中间层可以包括导电材料层，该导电材料层电耦合到导电加热元件本体。

第二供电导体可以与第一供电导体间隔开第一距离，并且可以与第三供电导体间隔开第二距离。第一供电导体可以与第三供电导体间隔开第三距离。第三距离可以大于第一距离，并且第三距离可以大于第二距离。

通过将第三距离设置成大于第一距离并且大于第二距离，使第一供电导体和第三供电导体之间的电阻趋于大于第一供电导体和第二供电导体之间的电阻以及大于第二供电导体和第三供电导体之间的电阻(如果没有提供电绝缘材料层)。然而，通过提供仅覆盖第二供电导体的表面的一部分的电绝缘材料层，使该层具有增加第一供电导体和第二供电导体之间的电阻以及第二供电导体和第三供电导体之间的电阻的效果，从而允许三个供电导体中的每一对之间的电阻达到大致相同的水平并使得电加热电缆被平衡。

第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体可以被嵌入导电加热元件本体中。

第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体可以在电加热电缆的有源加热区域被导电加热元件本体完全包围。

应当理解，有源加热区域是电加热电缆的沿着电缆的长度延伸并产生用于加热工件的热量的区域。有源加热区域可以形成电加热电缆的主体。还应当理解，电加热电缆还可以包括用于连接到电源的连接区域，并且该连接区域可以设置在有源加热区域的一端。在连接区域，第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体可以延伸到导电加热元件本体之外，以便连接到电源。

第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体可以彼此不直接连接。也就是说，第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体之间唯一可用的导电路径可以经由导电加热元件本体。

第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体可以以大致平面的布置彼此并排地延伸。

通过将第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体布置为以大致平面的布置彼此并排地延伸，其增加了电加热电缆的柔性，从而减小了在围绕待加热的工件安装电缆期间在电缆内产生的弯曲应力，并因此延长了电缆的寿命。此外，该大致平面的布置允许电缆具有相对平的横截面形状，从而增加了电缆和工件之间的接触面积。以这种方式，大致平面的布置允许在电缆的导电加热元件本体和待加热的工件之间的更有效的热传递。

第二供电导体可以位于第一供电导体和第三供电导体之间。

第一供电导体和第三供电导体可以与第二供电导体等距地间隔开。

应当理解，当第一供电导体和第三供电导体与第二供电导体等距地间隔开时，第三距离大约是第一距离的两倍，并且第一距离等于第二距离。

电绝缘材料层可以覆盖第二供电导体的基本上50％的表面。

通过将电绝缘材料层布置成覆盖第二供电导体的基本上50％的表面，使第二供电导体和其它供电导体(例如，第一供电导体和第三供电导体)之间的电阻增加到在没有提供电绝缘材料层时的其原始值的大约两倍。这允许三个供电导体中的每对导体之间的电阻达到大致相同的水平，并因此减少了电加热电缆内的任何相位不平衡。应当理解，当第一供电导体和第三供电导体与第二供电导体等距地间隔开时，具有基本上50％覆盖率的层是优选的。

第二供电导体的表面可以包括沿着第二供电导体的长度以交替方式布置的多个第一部分和多个第二部分，其中多个第一部分被电绝缘材料层覆盖，并且多个第二部分未被电绝缘材料层覆盖。

应当理解，多个第二部分经由导电加热元件本体电耦合到第一供电导体和第三供电导体，并且多个第一部分由于电绝缘材料层而不电耦合到第一供电导体和第三供电导体。通过以交替方式布置多个第一部分和多个第二部分，由导电加热元件本体由于在第二供电导体(特别是多个第二部分)与第一供电导体和第三供电导体之间流动的电流而产生的热量沿着第二供电导体的长度被分散。

多个第一部分中的每一个部分沿着第二供电导体的长度可以为单位长度。特别地，多个第一部分可以沿着第二供电导体的长度布置以形成周期性图案，并且多个第一部分中的每一个因此可以被认为是周期性图案的单元。因此，沿着第二供电导体的长度的多个第一部分中的每一个的长度可以被认为是单位长度。单位长度可以小于第二供电导体和第一供电导体之间的距离以及第二供电导体和第三供电导体之间的距离中的每一个。

也就是说，单位长度可以小于第一距离和第二距离中的每一个。这对于允许由导电加热元件本体产生的热量沿着电加热电缆的长度均匀地散布是有利的，使得沿着电加热电缆的温度波动可以忽略。

电绝缘材料层可以包括电绝缘清漆、电绝缘亮面漆或电绝缘油漆的涂层。

电绝缘材料层可以包括电绝缘带层。电绝缘带、清漆、亮面漆或油漆的使用允许精确控制第二供电导体的导电区域，这又允许将第二供电导体和其它供电导体之间的电阻精确控制到基本上消除相位不平衡的水平。

电绝缘材料层的至少一部分可以螺旋地设置在第二供电导体周围。

电绝缘材料层可以包括沿着电缆的长度彼此间间隔开的多个环。

导电加热元件本体可以具有正温度系数电阻。

通过提供具有正温度系数电阻的导电加热元件本体，这意味着随着加热电缆变得更热，导电加热元件本体的电阻增加。随后，在加热电缆内流动的电流减小，导致加热电缆的温度以相应的方式降低。以这种方式，加热电缆自调整其温度，并且有效地防止了加热电缆由自身产生的热量而导致的过热或烧坏，从而提高了加热电缆的安全性。

根据本发明的第二方面，提供了一种制造电加热电缆的方法，包括：提供第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体；用电绝缘材料仅覆盖第二供电导体的表面的一部分；以及提供导电加热元件本体，其中第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体中的每一个沿着电缆的长度延伸并且经由导电加热元件本体彼此电耦合，并且其中电绝缘材料被提供在第二供电导体的表面和导电加热元件本体之间。

该方法还可以包括在第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体上挤压(extrude)导电加热元件本体。

电绝缘材料可以包括电绝缘带。仅覆盖第二供电导体的表面的一部分可以包括仅围绕第二供电导体的表面的一部分缠绕电绝缘带。

电绝缘材料可以包括电绝缘清漆、电绝缘亮面漆或电绝缘油漆中的一种。仅覆盖第二供电导体的表面的一部分可以包括将电绝缘清漆、电绝缘亮面漆或电绝缘油漆中的一种仅施加在第二供电导体的表面的一部分上。

仅覆盖第二供电导体的表面的一部分可以包括将电绝缘材料喷涂或刷在第二供电导体的表面上。

上面参考本发明的第一方面描述的特征可以与本发明的第二方面相结合。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1示出了根据本发明的实施例的电加热电缆；

图2示出了图1的电加热电缆的部分截面图；

图3示出了图1的电加热电缆的等效电路；

图4示出了图1的电加热电缆的侧视局部剖视图；

图5示出了图1的电加热电缆中的电连接的示意性电路图；和

图6示出了根据本发明的可替代实施例的电加热电缆的侧视局部剖视图。

具体实施方式

图1和图2描绘了根据本发明的实施例的电加热电缆100(以下称为“电缆100”)。电缆100沿着轴线V延伸。轴线V平行于电缆100的中心线，并且可以不是直的。在下面的描述中，“沿着电缆100的长度延伸”的表述被认为等同于“沿着轴线V延伸”。如图1所示，电缆100包括沿着电缆100的长度延伸的三个供电导体1、2、3(以下称为“导体1、2、3”)。

导体1、2、3具有大致相同的直径和相同的长度。导体1、2、3进一步处于大致平面的布置中。也就是说，导体1、2、3彼此并排地延伸并且大致位于同一平面中。导体1、2、3彼此等距地间隔开。因此，第一导体1和第二导体2之间的第一距离等于第二导体2和第三导体3之间的第二距离，并且大约是第一导体1和第三导体3之间的第三距离的一半。在一个实例中，导体1、2、3中的每一个的直径为约2mm，并且第一导体1和第二导体2之间的边缘到边缘距离(即，第一距离)为约5mm，并且第二导体2和第三导体3之间的边缘到边缘距离(即，第二距离)也为约5mm。当然，应当理解，直径和距离可以适当地具有其它尺寸。

在第一导体1和第三导体3之间的第二导体2设置有电绝缘材料层11(以下称为“层11”)。不提供这样的层来覆盖第一导体1和第三导体3。层11可以具有大约0.05mm到大约0.5mm的厚度，并且通常可以具有大约0.05mm到大约0.1mm的厚度。

导体1、2、3被进一步嵌入导电加热元件本体7(以下称为“本体7”)中。图2描绘了当电缆沿垂直于轴线V的平面切被割时电缆100的部分横截面图。为了简单起见，仅示出了导体1、2、3、层11和本体7，而省略了电缆100的其它层。

如图2所示，覆盖第二导体2的层11也被嵌入本体7中。导体1、2、3经由本体7彼此电耦合。导体1、2、3彼此不直接连接。因此，导体1、2、3之间唯一可用的导电路径是经由本体7。

导体1、2、3可以以任何适当的方式嵌入本体7中。例如，本体7可以被挤压在导体1、2、3上并围绕导体1、2、3。可替代地，本体7可围绕导体1、2、3形成(例如模制)。

本体7被绝缘护套(sheath)8围绕。绝缘护套8可以通过挤压形成。绝缘护套8进一步被导电覆盖物9包围。这样，绝缘护套8将本体7与导电覆盖物9电绝缘。导电覆盖物9可以是编织物、网、固体金属挤出物或箔的形式，并且可以由铝、铝合金、铜等制成。导电覆盖物9连续地围绕绝缘护套8的周边并沿着轴线V延伸。导电覆盖物9提高了电缆100的机械强度和稳定性，并且还提高了电缆100的耐切割性。导电覆盖物9可以连接到地，从而提供电通路以将电缆100内的任何泄漏电流安全地引导到地。

导电覆盖物9还可以被包在绝缘外套(jacket)10中。绝缘外套10保护电缆100免受水、污物等的侵入，并使电缆100与其周围环境电绝缘。

导体1、2、3由导电材料制成，例如铜、钢、铝等。本体7是聚合物材料。聚合物材料可以形成为电绝缘聚合物(例如绝缘热塑性聚合物)和导电填充材料的复合物。导电填充材料可以是炭黑。其它材料，例如碳纤维、纳米管、石墨、石墨烯、金属纤维、金属薄片或金属颗粒也可以单独或组合用作填充材料。将导电填充材料混入电绝缘聚合物允许本体7的聚合物材料具有在电绝缘聚合物的导电率和导电填充材料的导电率之间的导电率。本体7通常具有比导体1、2、3大得多的电阻。

在使用中，导体1、2、3分别连接到三相电源(未示出)的输出相位。电流经由导体1、2、3和本体7中的每一个流出电源，并经由导体1、2、3中的不同一个流回电源。根据焦耳的第一定律，电流通过电导体产生热量，并且加热功率与导体的电阻和电流的平方成比例。由于本体7具有比导体1、2、3的电阻大得多的电阻，因此与本体7所产生的热相比，导体1、2、3所产生的热可以忽略。因此，本体7产生了由电缆100输出的大部分热量。

电绝缘聚合物和导电填充材料的复合物可以具有正温度系数电阻。也就是说，本体7的电阻可以随着本体7的温度而增加。出于安全的原因，这通常是需要的。当电缆100变得更热时，本体7的电阻增加。随后，在电缆100内流动的电流降低，从而使电缆100的温度以相应的方式降低。以这种方式，电缆100自调整其温度，并且有效地防止了电缆100由自身产生的热量而导致的过热或烧坏，从而提高了电缆100的安全性。

应当理解，电缆100可以包括沿着电缆100的轴线V延伸的有源加热区域。在使用中，有源加热区域产生用于加热工件的热量。有源加热区域可以形成电加热电缆的主体。电缆100还可以包括用于将电缆100连接到三相电源的连接区域。连接区域可以设置在有源加热区域的一端。由于本体7产生如上所述的由电缆100输出的大部分热量，所以导体1、2、3中的每一个都被嵌入本体7中，并且甚至可以在有源加热区域处被本体7完全包围，以便使由电缆100输出的热量最大化。在连接区域，可以理解，导体1、2、3可以延伸到本体7之外以连接到三相电源。

图3示出了电加热电缆100的等效电路。电阻器R_1-2表示第一导体1和第二导体2之间的等效电阻。电阻器R_2-3表示第二导体2和第三导体3之间的等效电阻。电阻器R_1-3表示第一导体1和第三导体3之间的等效电阻。为简单起见，导体1、2、3本身的电阻被忽略，并且电阻R_1-2、R_2-3和R_1-3的电阻被处理为单独由本体7的电阻引起的电阻。应当理解，如果电缆100是平衡的，则R_1-2、R_2-3和R_1-3的电阻应该基本上彼此相等。以这种方式，电缆100将具有在三个导体1、2、3之间有相等电阻的导电路径，并且因此将从三相电源的每个相汲取相等的电流。因此，R_1-2、R_2-3和R_1-3的电阻提供关于电缆100是否被平衡的良好指示。

如果在电缆100内，层11被省略，那么已经得知，R_1-3的电阻大约是R_1-2或R_2-3的电阻的两倍。这是因为R_1-2、R_2-3和R_1-3的电阻是由本体7的电阻引起的，并且假设本体7的材料具有均匀的电阻率，则第一导体1和第三导体3之间的导电路径的长度大约是第二导体2与第一导体1和第三导体3中的每一个之间的导电路径的长度的两倍。因此，电缆100在没有层11的情况下将不平衡。

因此提供电绝缘材料层11以减少电缆100的不平衡，并且优选地使加热电缆平衡以用于与三相电源一起使用。

图4示出了电缆100在剖开线A-A'和B-B'之间的侧视剖视图。

如图4所示，第二导体2沿着轴线V延伸并且具有被本体7覆盖(即，嵌入本体7)的表面4。表面4是第二导体2的外周表面，并且完全被本体7包围。轴线V沿着第二导体2的长度延伸，并且还沿着电缆100的长度延伸。

如上所述，第二导体2可以穿过本体7的端部伸出，因此可以具有比沿着轴线V的本体7的长度更大的长度。在这种情况下，被本体7覆盖的表面4是第二导体2的整个外周表面的一部分。

如图4进一步所示，层11螺旋地设置在第二导体2周围。因此，层11设置在第二导体2的表面4和本体7之间。层11不完全覆盖第二导体2的表面4，而是仅覆盖表面4的一部分。

特别地，在图4的图示中，层11覆盖表面4的多个部分5-1、5-2、5-3、5-4、5-5(统称为“部分5”)，并且不覆盖表面4的多个部分6-1、6-2、6-3、6-4、6-5(统称为“部分6”)。上面列出的被覆盖部分5和未被覆盖部分6显然不是穷尽的，并且在这里仅仅是用作例子以便于描述。被覆盖的部分5和未被覆盖的部分6沿着轴线V交替，使得每个被覆盖的部分被夹在两个未被覆盖的部分之间，反之亦然。每个被覆盖的部分5沿着轴线V的单位长度为L1。每个未被覆盖的部分6沿着轴线V的单位长度为L2。在该示例中，单位长度L1和单位长度L2相等。这样，通过沿着第二导体2的长度提供层11，使得被覆盖的部分5和未被覆盖的部分6均匀分布，层11覆盖表面4的大约50％的面积。

应当理解，尽管在图4中示出了被覆盖的部分5彼此分离，但是被覆盖的部分5的相邻部分实际上在第二导体2的相对侧彼此连接(图4未示出)，使得被覆盖的部分5围绕第二导体2形成连续的螺旋形状。如图4所示，由层11形成的螺旋形状具有螺距P1。螺距P1的长度等于单位长度L1和单位长度L2之和。层11的螺旋角(即，每个被覆盖的部分5和轴线V之间的角)通常可以在30°到60°之间。

由于表面4的部分5被层11覆盖，所以部分5通过层11与本体7电绝缘。未被层11覆盖的部分6保持与本体7电连接。因此，层11有效地减小了第二导体2的导电区域。在没有层11的情况下，导电面积等于表面4的100％的面积。随着层11覆盖表面4的大约50％的面积，导电面积减小到表面4的大约50％的面积。

已经发现，第二导体2的导电区域影响第二导体2与第一导体1和第三导体3之间的等效电阻R_1-2、R_2-3，如下面更详细描述的。

图5示出了对第一导体1、第二导体2和第三导体3之间的电连接进行建模的示意性电路图。

在电路图中，导体1、2、3中的每一个实际上(virtually)沿着电缆100的长度被分成十个示例性导电部分，其对应于图4中所示的导体2的部分5-1、6-1、5-2、6-2、5-3、6-3、5-4、6-4、5-5、6-5。

如上所述，导体1、2、3的电阻比本体7的电阻小得多，因此在图5的电路图中忽略了导体1、2、3的电阻。

如图5所示，在第二导体2的未被覆盖的部分6-1、6-2、6-3、6-4、6-5与第一导体1和第三导体3中的每一个的对应部分之间存在五个电通路。导体1和2之间的每个通路的电阻被表示为r_a，并且导体2和3之间的每个通路的电阻被表示为r_b。电通路由本体7提供，因此，假设本体7的材料是均匀的，则所有的电通路具有相同的电阻率。如上所述，假设导体1、3与导体2等距地间隔开，则r_a的电阻基本上等于r_b的电阻。没有源自导体2的被覆盖的部分5-1、5-2、5-3、5-4、5-5的电通路，因为这些部分被层11覆盖。由于第二导体2与第一导体1和第三导体3中的每一个之间的路径是平行的，因此第二导体2与第一导体1之间的等效电阻R_1-2大约等于r₁除以5，并且第二导体2与第三导体3之间的等效电阻R_2-3大约等于r_b除以5。

第一导体1和第三导体3之间的电连接不受仅设置在第二导体2上的层11的影响。因此，如图5所示，在它们之间有十个电通路，每个通路的电阻被表示为r_c。在十条路径并行的情况下，第一导体1和第三导体3之间的等效电阻R_1-3大约等于r_c除以10。然而，由于导体1、3之间的每个电通路的长度大约是导体1、2之间(或导体2、3之间)的每个电通路的长度的两倍，因此r_c的电阻大约是r_a或r_b的电阻的两倍。因此，利用层11,使R_1-2、R_2-3和R_1-3具有大致相等的电阻。也就是说，电缆100由于层11而被平衡。

应当理解，图5所示的示意性电路图仅用于帮助解释为什么层11减小了电缆100的不平衡，并且不受任何理论约束。图5中所示的示意性电路图不意于用作导体1、2、3之间的电连接的精确模型。

鉴于以上所述，通过将层11布置成覆盖第二导体2的表面4的大约50％，第二导体2具有用于经由本体7电耦合到第一导体1和第三导体3中的每一个的较小的导电区域。特别地，第二导体2的导电面积减小到表面4的整个面积的大约50％。因此，由于第二导体2的导电面积的减小，第二导体2与第一导体1和第三导体3中的每一个之间的电阻R_1-2、R_2-3大约是它们的当不提供层11时的原始值的两倍。这样，层11将R_1-2,、R_2-3的电阻加倍到与R_1-3的电阻大致相同的水平，从而使电缆100平衡并提高电缆100的效率。

在不受任何理论约束的情况下，相信如果层11的面积被扩大以覆盖第二导体2的表面4的更大比例的面积，则第二导体2具有用于经由本体7电耦合到第一导体1和第三导体3的更小的导电面积。因此，第二导体2与第一导体1和第三导体3中的每一个之间的电阻将增加。相反，第二导体2与第一导体1和第三导体3中的每一个之间的电阻将通过减小层11的面积以覆盖第二导体2的表面4的更小比例而减小。这样，通过简单地调整层11的面积，可以容易地将第二导体2与第一导体1和第三导体3中的每一个之间的电阻调整到期望的水平。

被覆盖的部分5的单位长度L1在大约2mm和大约3mm之间。当然，应当理解，单位长度L1可以适当地具有其它尺寸。

被覆盖的部分5的单位长度L1可以小于第二导体2和第一导体1之间的第一距离以及第二导体2和第三导体3之间的第二距离中的每一个。如上所述，由于层11，没有从被覆盖的部分5到本体7的紧邻部分5的区域的电通路。因此，在使用中，本体7的紧邻部分5的区域仅传导非常有限量的电流，并且与本体7的紧邻未覆盖的部分6的区域相比，倾向于产生更少的热量。通过使被覆盖的部分5的单位长度L1相对于第一距离和第二距离较小，这有助于本体7的紧邻部分5的区域和本体7的紧邻未被覆盖的部分6的区域之间的热传递，并允许本体7产生的热沿着电缆100的长度被均匀地散布。这样，由层11引起的沿着电缆100的长度的温度波动被最小化，并且沿着电缆100的轴线V的热量输出基本上是均匀的。特别地，在被覆盖的部分5的单位长度L1远小于第一距离和第二距离中的每一个的情况下，温度波动可以被认为是可忽略不计的。

层11可以由任何适当的电绝缘材料制成，例如但不限于聚合物、复合物等，并且可以以不限于下面提供的两个实例的任何适当的方式施加到第二导体2。

层11的电阻率可以是本体7的电阻率的至少10倍。已经发现，当层11的电阻比本体7的电阻高10倍时，电缆100内的相位不平衡减少90％。增加层11的电阻率有利于进一步改善电缆100内的平衡。理想地，层11的电阻率可以至少10¹⁰倍于本体7的电阻率。在一个实例中，本体7具有约10³至10⁴Ω·m的数量级的电阻率，并且层11具有约10¹⁵至10¹⁶Ω·m的数量级的电阻率。

在一个实例中，可以使用电绝缘清漆来形成层11。可以使用刷子将绝缘清漆施加到第二导体2。通过围绕第二导体2旋转刷子并且同时沿着第二导体2的轴线V移动刷子，在第二导体2的表面4上形成了类似于层11的螺旋形涂层。在第二导体2被嵌入本体7中之前，螺旋状涂层可以进一步完全固化(并且如果需要，可以进行后固化)。可替代地，可以使用喷头而不是使用刷子来将绝缘清漆施加到第二导体2的表面4。喷头可以围绕第二导体2旋转，同时沿着第二导体2的长度移动以形成层11。用于形成层11的喷头可以是脉冲间歇喷头。单位长度L1和单位长度L2可以具有大约0.5mm的长度。因此，通过使用喷头施加层11，可以进一步改善沿着电缆100的轴线V输出的热量的均匀性。此外，可以使用电绝缘亮面漆或油漆来形成层11。

在另一个实例中，可以可选地设置有粘合层的电绝缘带可用于形成层11。在第二导体2被嵌入本体7中之前，电绝缘带可以螺旋地缠绕在第二导体2周围以覆盖第二导体2的表面4的一部分(例如，50％)。电绝缘带的宽度可以是大约2mm。例如Mylar^TM和Kapton^TM的塑料片材可以用于形成电绝缘带。方便的是将由这种塑料片材制成的电绝缘带施加到导体2上，并且也相对容易地将这种带从导体2上移除(例如，以便将导体2连接到供电上)。在提供粘合层的情况下，粘合层可以被认为在层11和第二导体2之间形成中间层。

在上述实施例中，导体1、2、3被嵌入本体7中。然而，可替代的布置是可能的。例如，本体7的第一部分可以沿着电缆100在导体1、2之间延伸并且将导体1、2电耦合。本体7的第二部分和第三部分可以在导体1、3和导体2、3之间延伸。也就是说，本体7可以不完全包围每个导体。然而，优选的是，导体1、2、3被嵌入本体7中，以确保在导体1、2、3中的每一个之间形成均匀的电连接。

此外，在上述实施例中，导体1、2、3基本上为平面布置，其中导体1、3与导体2等距地间隔开。然而，应当理解，可替代的布置是可能的。例如，导体1、3可以以不同的距离与导体2间隔开。在另一个实例中，导体1、2、3可以不位于同一平面中，而是可以在电缆100的横截面图中呈三角形布置。只要每对导体1、2、3之间的距离不相等，电缆100就面临与上述相同的不平衡问题，并且层11将有利于减小电缆100的不平衡。

然而，优选的是，导体1、2、3位于大致平面的布置中，这允许电缆100具有相对平的横截面形状，从而增加了电缆100和待加热工件之间的接触面积。以这种方式，电缆100在向工件传递热量方面是高效的。此外，当导体1、2、3处于大致平面的布置时，电缆100比导体1、2、3处于不同的布置(例如，三角形布置)的情况更柔韧，并且更容易安装在待加热的工件的周围。因此，在安装期间在电缆100内产生的弯曲应力也被减小，因此减小或防止了电缆100的过早失效。

还应当理解，层11可以覆盖表面4的不同于如上所述的50％的百分比的面积，以便使电缆100平衡，这取决于导体1、2、3的具体布置。例如，在图1和图2所描绘的导体1、2、3的平面布置中，如果导体1、2、3的直径与导体1、2之间的第一距离或导体2、3之间的第二距离具有相同(或类似)的数量级，则由本体7在导体1、3之间形成的导电路径的长度将不可避免地长于由本体7在导体2与导体1、3中的每个之间形成的导电路径的长度的两倍。因此，层11应当优选覆盖表面4的50％以上的面积，以便在不提供层11时将电阻R_1-2、R_2-3增加到其原始值的两倍以上，以便使电缆平衡。为了改变层11的覆盖百分比，例如，表面4上的被覆盖的部分5的单位长度L1可以被调整为不同于未被覆盖的部分6的单位长度L2。

还应当理解，也可以在导体1、3中的一个或两个上提供与层11类似的电绝缘材料层，使得多于一个的导体1、2、3被电绝缘材料覆盖。如果例如导体1、2、3之间的距离彼此都不同，则覆盖一个以上的导体可能是理想的，以便最小化导体1、2、3之间的负载不平衡。

实际上，一般而言，可以通过在那些导体中的一个或多个导体上施加一层电绝缘材料(所述一个或多个层被配置为阻隔一个或多个导体的一部分导电区域)来将加热电缆内的多个供电导体之间的电阻操控为具有预定值。

已经发现，在一些情况下，在一个或多个导体周围施加一个或多个电绝缘材料层比在一个或多个导体周围施加一个或多个导电材料层获得更好的性能，其中导电材料具有比本体7更高的电阻率。

特别地，可以提供高电阻导电材料来覆盖一个或多个导体，以操控导体之间的电阻，从而减少加热电缆的负载不平衡。然而，该方法可能不如上述实施例有利。首先，高电阻导电材料层会在电缆内占据相当大的空间体积，以减少负载不平衡，其中被覆盖的导体具有较小的直径以容纳电阻层(对于具有固定外部尺寸的电缆)。因此，被覆盖的导体可以具有比未被覆盖的导体更小的横截面积。为了使导体具有相同的横截面积，必须减小所有导体的尺寸，以为高电阻导电材料层留出空间。由于导体的横截面面积减小，沿着电缆的单位长度的电压降增加，并且可以由特定电源供电的电缆的最大长度显著减小。

其次，高电阻导电材料和导电加热元件本体7中的每一个的电阻可以对温度变化敏感(例如，具有PTC特性)。然而，应当理解，高电阻导电材料和导电加热元件本体的电阻特性可以不同，因此两种材料的相对电阻率可以作为温度的函数而变化。因此，当在特定温度点或一范围内通过高电阻导电材料层实现平衡时，温度变化会导致电缆的平衡状态的恶化。

另一方面，电绝缘材料层具有基本上对温度不敏感的电性能。因此，利用电绝缘材料层，电缆可以始终保持平衡，而不受温度变化的影响。此外，一个或多个电绝缘材料层可以相对较薄(例如在0.05mm至0.1mm之间)，因此不会占据电缆内的大量空间。相反，高电阻导电材料通常需要大约0.2mm到0.5mm的厚度。此外，使用例如上述示例性技术，在一个或多个导体周围施加一个或多个电绝缘材料层的过程是容易控制的。

上述第一距离和第二距离可以参考电缆100所连接的电源的电压电平。如上所述，R_1-2的电阻通常与第一距离成比例，而R_2-3的电阻通常与第二距离成比例。如果导体1、2、3连接到具有高电压电平的供电，则大电流将流过本体7，并且存在大电流将导致本体7发生故障的风险。如果本体7由上述聚合物材料制成，则已经发现，本体7在一对导体之间的每毫米通常可以承受大约100V的均方根电压。因此，如果电缆100连接到三相电源，该三相电源在任意两相之间提供高达600V的均方根电压，则第一距离和第二距离中的每一个优选地为大约5mm到6mm。应当理解，如果电缆100连接到输出较低电压的电源，则可以相应地减小第一距离和第二距离。

在上述实施例中，层11形成围绕第二导体2的单个连续螺旋。应当理解，层11可以以不同的方式形成在第二导体2周围。例如，层11可以沿着轴线V围绕第二导体2形成多个螺旋。具体地，层11可以包括沿着轴线V间隔开的多个部分。每个部分围绕第二导体2进行缠绕以形成具有特定螺距的螺旋。沿着轴线V的层11的相邻部分可以完全分离，或者可以通过例如电绝缘材料彼此连接。图6示出了电绝缘材料层的另一个实例。在图4和图6中，相同的部件用相同的附图标记表示。如图6所示，电绝缘材料层11’形成沿轴线V彼此间隔开的多个环5-1'、5-2'、5-3'、5-4'、5-5'。相邻的环由未被层11’覆盖的部分6-1'、6-2'、6-3'、6-4'、6-5'间隔开。每个未被覆盖的部分也是环形的。每个环沿着轴线V的长度为L1'。每个未被覆盖的部分沿着轴线的长度为L2'。应当理解，不考虑层11、11’的特定形状，层11、11’中的每一个仅覆盖表面4的一部分，并且通过调整表面4上的层11、11’中的每一个的覆盖百分比，导体2和导体1、3之间的电阻相应地如上所述被调整。

应当理解，导体1、2、3和本体7可以由任何合适的材料制成，而不限于上述示例。此外，应当理解，本体7可以具有与上述不同的温度系数电阻。例如，本体7可以由混合材料制成，该混合材料在温度较低时具有负温度系数的电阻，而在温度较高时具有正温度系数的电阻。在WO2007/132256A1中描述了这种混合材料的实例。

在一个实例中，电缆100可以具有每个相大约10瓦特/米长(10W/m)的功率输出，从而由于其三相配置而实现大约30W/m的总功率输出。如果导体1、2、3中的每一个的横截面尺寸大约为1.2mm²，并且使用230V的标准供电电压作为电源，则电缆100的最大电路长度可以达到大约300米。应当理解，如果采用较高电压的电源(例如在工业应用中常用的那些)，则电缆100可以实现1千米数量级的较长的最大电路长度。在工业工厂之间使用的管道通常具有几百米至几千米(例如，600m或2km)的长度。因此，电缆100增加了在大规模工业应用中使用的适用性。

上述电缆100可以比单相加热电缆更有效。单相加热电缆通常包括沿着电缆的长度平行延伸的一对导体，导电聚合材料(例如，本体7)设置在该对导体之间。为了使单相加热电缆在相同的横截面尺寸和相同的230V电源下获得大约30W/m的相同功率输出，流过单相加热电缆的电流应该是流过电缆100的每个相的电流的三倍。因此，单相加热电缆的导体上的电压降也是三倍，并且因此单相加热电缆的最大电路长度被限制在大约100米。为了在相同的电源下将单相加热电缆的最大电路长度增加到300米，需要通过使用更多的导电材料来使导体对的每一个的横截面尺寸变为原来尺寸的三倍。因此，与单相加热电缆相比，电缆100能够用较少的导体材料将等量的功率传输到单相等效装置，并且因此在工业应用(特别是大规模工业应用)中更有效地实现满足加热电缆的长度要求的电路长度。

上述电缆100还具有比传统的三相串联电阻加热电缆布置更好的性能。传统的三相串联电阻加热电缆布置通常包括沿电缆长度平行延伸的三个导体，这三个导体各自被嵌入电绝缘材料的单独本体内。三个导体的远端电连接在一起以形成星点。在使用中，与星点相对的导体的端部分别连接到三相电源的三相。在串联电阻加热电缆中，是通过导体(而不是通过在导体之间提供的任何材料)产生了电缆100输出的热量。

尽管串联电阻加热电缆布置可以实现几千米的电路长度，但它不能以电缆100那样的方式自调整其温度(由于本体7的正温度系数电阻)，因此需要额外的温度控制来确保温度安全。此外，由于三个导体的远端电连接在一起，所以串联电阻加热电缆布置在使用中不能在长度上被切割，并且通常具有固定的长度。此外，经常需要修改串联电阻加热电缆布置的设计，例如，通过修改每个导体的长度和/或横截面积来进行修改，以便允许在特定应用中使用串联电阻加热电缆。因此，串联电阻加热电缆通常被设计成具有一定长度，并且对于不同的应用可能难以使用一种设计的串联电阻加热电缆。

相反，在使用中，通过去除例如电缆100的远端处的一定长度，可以方便地将电缆100切割成一定长度。此外，电缆100的导体1、2、3用于向本体7传输电能，但不用于产生热量。因此，只要导体1、2、3的电阻被控制为相对较小，就可以将电缆100的特定设计用于多种应用。结果，电缆100可以灵活地用于一系列不同的应用，并且不需要为每个应用进行重新设计。

如图2所示，层11与第二导体2的表面接触，并进一步与本体7接触。然而，应当理解，层11不需要与第二导体2的表面直接接触。类似地，层11不需要与本体7接触。例如，可以在层11和第二导体2的表面之间提供第一中间层。第一中间层可以包括粘合层，该粘合层使层11粘附到第二导体2的表面上。此外，第一中间层可以包括电耦合到第二导体2的导电材料层。类似地，可以在层11和本体7之间提供第二中间层。第二中间层可以包括导电材料层，其电耦合到本体7。

虽然上面已经描述了各种实施例，但是应当理解，这些实施例用于所有目的是示例性的，而不是限制性的。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种修改。

Claims (21)

1.一种电加热电缆，包括：

第一供电导体；

第二供电导体；

第三供电导体，其中所述第一供电导体、所述第二供电导体和所述第三供电导体中的每一个沿着所述电缆的长度延伸，其中：所述第二供电导体与所述第一供电导体间隔第一距离；所述第二供电导体与所述第三供电导体间隔第二距离；所述第一供电导体与所述第三供电导体间隔第三距离；以及所述第三距离大于所述第一距离，并且所述第三距离大于所述第二距离；

导电加热元件本体，其中所述第一供电导体、所述第二供电导体和所述第三供电导体经由所述导电加热元件本体彼此电耦合；

其中，所述第二供电导体设置有电绝缘材料层，所述电绝缘材料层仅覆盖所述第二供电导体的表面的一部分，所述电绝缘材料层设置在所述第二供电导体的表面和所述导电加热元件本体之间，

其中，所述电绝缘材料层被配置为限制电耦合到所述导电加热元件本体的所述第二供电导体的表面的比例，使得未被所述电绝缘材料层覆盖的所述第二供电导体的表面的面积小于以下项中的每一者：电耦合到所述导电加热元件本体的第一供电导体的表面的面积，以及电耦合到所述导电加热元件本体的所述第三供电导体的表面的面积。

2.根据权利要求1所述的电加热电缆，其中，所述第一供电导体、所述第二供电导体和所述第三供电导体被嵌入所述导电加热元件本体中。

3.根据权利要求1所述的电加热电缆，其中，所述第一供电导体、所述第二供电导体和所述第三供电导体彼此不直接连接。

4.根据权利要求1所述的电加热电缆，其中，所述第一供电导体、所述第二供电导体和所述第三供电导体以平面的布置彼此并排地延伸。

5.根据权利要求4所述的电加热电缆，其中所述第二供电导体位于所述第一供电导体和所述第三供电导体之间。

6.根据权利要求4或5所述的电加热电缆，其中，所述第一供电导体和所述第三供电导体与所述第二供电导体等距地间隔开。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的电加热电缆，其中所述电绝缘材料层覆盖所述第二供电导体的50%的表面。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的电加热电缆，其中所述第二供电导体的表面包括沿着所述第二供电导体的长度以交替方式布置的多个第一部分和多个第二部分，其中所述多个第一部分被所述电绝缘材料层覆盖，并且所述多个第二部分未被所述电绝缘材料层覆盖。

9.根据权利要求8所述的电加热电缆，其中，所述多个第一部分中的每一个沿着所述第二供电导体的长度为单位长度，并且其中，所述单位长度小于所述第二供电导体和所述第一供电导体之间的距离以及所述第二供电导体和所述第三供电导体之间的距离中的每一个。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的电加热电缆，其中所述电绝缘材料层包括电绝缘清漆、电绝缘亮面漆或电绝缘油漆的涂层。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的电加热电缆，其中所述电绝缘材料层包括电绝缘带层。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的电加热电缆，其中所述电绝缘材料层的至少一部分螺旋地设置在所述第二供电导体的周围。

13.根据权利要求1至5中任一项所述的电加热电缆，其中所述电绝缘材料层包括沿着所述电加热电缆的长度彼此间间隔开的多个环。

14.根据权利要求1至5中任一项所述的电加热电缆，其中所述导电加热元件本体具有正温度系数电阻。

15.根据权利要求1至5中任一项所述的电加热电缆，其中所述电绝缘材料层不设置在所述第一供电导体的表面和所述导电加热元件本体之间，或者所述电绝缘材料层不设置在所述第三供电导体的表面和所述导电加热元件本体之间。

16.一种制造电加热电缆的方法，包括：

提供第一供电导体、第二供电导体和第三供电导体，其中所述第二供电导体与所述第一供电导体间隔第一距离；所述第二供电导体与所述第三供电导体间隔第二距离；所述第一供电导体与所述第三供电导体间隔第三距离；以及所述第三距离大于所述第一距离，并且所述第三距离大于所述第二距离；

用电绝缘材料层仅覆盖所述第二供电导体的表面的一部分；以及

提供导电加热元件本体，

其中所述第一供电导体、所述第二供电导体和所述第三供电导体中的每一个沿着所述电加热电缆的长度延伸并且经由所述导电加热元件本体彼此电耦合，并且其中所述电绝缘材料层被提供在所述第二供电导体的表面和所述导电加热元件本体之间；以及

其中，所述电绝缘材料层被配置为限制电耦合到所述导电加热元件本体的所述第二供电导体的表面的比例，使得未被所述电绝缘材料层覆盖的所述第二供电导体的表面的面积小于以下项中的每一者：电耦合到所述导电加热元件本体的第一供电导体的表面的面积，以及电耦合到所述导电加热元件本体的所述第三供电导体的表面的面积。

17.根据权利要求16所述的制造电加热电缆的方法，还包括：在所述第一供电导体、所述第二供电导体和所述第三供电导体上挤压所述导电加热元件本体。

18.根据权利要求16或17所述的制造电加热电缆的方法，其中所述电绝缘材料层包括电绝缘清漆、电绝缘亮面漆或电绝缘油漆中的一种，并且其中所述的仅覆盖所述第二供电导体的表面的一部分包括仅在所述第二供电导体的表面的一部分上施加电绝缘清漆、电绝缘亮面漆或电绝缘油漆中的一种。

19.根据权利要求16或17中任一项所述的制造电加热电缆的方法，其中所述的仅覆盖所述第二供电导体的表面的一部分包括将所述电绝缘材料层喷涂或刷在所述第二供电导体的表面上。

20.根据权利要求16或17所述的制造电加热电缆的方法，其中所述电绝缘材料层包括电绝缘带，并且其中所述的仅覆盖所述第二供电导体的表面的一部分包括仅围绕所述第二供电导体的表面的一部分缠绕所述电绝缘带。

21.根据权利要求16或17所述的制造电加热电缆的方法，其中所述电绝缘材料层不设置在所述第一供电导体的表面和所述导电加热元件本体之间，或者所述电绝缘材料层不设置在所述第三供电导体的表面和所述导电加热元件本体之间。

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