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Die Erfindung betrifft eine selbstregulierende Heizleitung mit zwei nebeneinander angeordneten elektrischen Leitern, die über eine Kaltleiteranordnung stromleitend miteinander verbunden sind.
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Aus der Praxis sind verschiedene Ausgestaltungen von elektrischen Heizleitungen bekannt. Um nutzbare Wärme zu erzeugen wird in einem geeigneten Material ein Stromfluss bewirkt, der beispielsweise auf Grund eines Ohm’schen Widerstands in dem Material Wärme erzeugt, die an die Umgebung abgegeben werden kann.
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Derartige elektrische Heizkabel werden beispielsweise im Zusammenhang mit elektrischen Fußbodenheizungen verwendet. Die Heizkabel werden auf einem Untergrund spiralförmig oder mäanderförmig verlegt und von einem Fußbodenbelag bedeckt.
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Die in dem Fußboden erzeugte Wärme ist unter anderem von den Heizeigenschaften der Heizleitungen, von dem durch die Heizleitung fließenden Strom und von der Verlegung der Heizleitung in dem Fußboden abhängig. Nach der Verlegung einer Heizleitung in dem Fußboden lässt sich die Heizwirkung der Heizleitung regelmäßig nur durch den Stromfluss beeinflussen, der in der Heizleitung erzeugt wird. Zu diesem Zweck ist es bekannt, entweder die den Stromfluss verursachende elektrische Potenzialdifferenz zu variieren oder die Länge der mit einer vorgegebenen, gleichbleibenden Potenzialdifferenz bewirkten intervallartigen Heizperioden zu verändern. In beiden Fällen ist üblicherweise eine gesonderte Temperaturregelung der Heizleitung erforderlich. Mit geeigneten Temperaturmessfühlern kann auch über die Erwärmung des Fußbodens eine vorgegebene Raumtemperatur erreicht, bzw. beibehalten werden.
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Unabhängig von der Art der Temperaturregelung lässt sich bei Heizleitungen mit gleichbleibenden Heizeigenschaften kaum vermeiden, dass sich in einem mit der Heizleitung beheizten Fußboden lokale Temperaturunterschiede ausbilden. Eine Ursache für eine ungleichmäßige Temperaturverteilung ist in vielen Fällen eine ungleichmäßige Verlegung der Heizleitung innerhalb der mit der Heizleitung zu beheizenden Fußbodenfläche. Eine weitere Ursache kann beispielsweise die Möblierung sein. Wenn ein mit einer elektrischen Heizleitung erwärmter Fußbodenbereich von einem Möbelstück abgedeckt wird, kann die in dem Fußbodenbereich erzeugte Wärme nicht mehr oder nur zu einem deutlich geringeren Anteil abgeführt werden, so dass in dem betreffenden Fußbodenbereich ein Wärmestau entsteht. Ein derartiger Wärmestau kann zu einer Beschädigung des Fußbodens, der Fußbodenheizung oder eines darauf angeordneten Möbelstücks führen.
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Beispielsweise aus
WO 1991/017642 ist eine selbstregulierende Heizleitung bekannt. Zwei elektrische Leiter sind beabstandet voneinander in einem Kaltleitermaterial angeordnet. Ein Kaltleitermaterial weist einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand auf, der mit zunehmender Temperatur immer größer wird, bis das Kaltleitermaterial oberhalb einer materialabhängigen Grenztemperatur nichtleitend wird und sich wie ein elektrischer Isolator verhält. Metalle weisen auch einen mit der Temperatur zunehmenden elektrischen Widerstand auf. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll ein Kaltleitermaterial jedoch keine Stromleitfähigkeit wie ein Metall aufweisen, sondern beispielsweise ein geeignetes Halbleitermaterial oder ein polykristallines Keramikmaterial mit halbleitenden Eigenschaften sein, wie es aus der Praxis zur Verwendung für selbstregulierende Heizleitungen und Heizkabel bekannt ist. Wenn die beiden elektrischen Leiter an eine Stromquelle angeschlossen werden, fließt Strom von dem einen elektrischen Leiter durch das Kaltleitermaterial zu dem anderen elektrischen Leiter und erzeugt in dem Kaltleitermaterial Wärme. Die in dem Kaltleitermaterial erzeugte Wärme erwärmt nicht nur die Umgebung, sondern auch das Kaltleitermaterial selbst, wodurch dessen Widerstand steigt und bei einer gleichbleibenden Potenzialdifferenz der Stromfluss durch das Kaltleitermaterial geringer wird. Eine derartige Heizleitung wird als selbstregulierende Heizleitung bezeichnet, da mit zunehmender Erwärmung der Heizleitung die in der Heizleitung erzeugte Wärme geringer wird. Auf diese Weise kann ohne eine aufwändige Regelung eine räumlich und zeitlich konstante Heizwirkung erzeugt werden.
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Die aus der Praxis bekannten selbstregulierenden Heizleitungen weisen oftmals eine ovale Querschnittsfläche bzw. eine bandförmige Formgebung auf, um den erforderlichen Abstand zwischen den beiden elektrischen Leitern in dem Kaltleitermaterial zu ermöglichen. Da derartige Heizleitungen in unterschiedlichen Raumrichtungen unterschiedliche Krümmungseigenschaften aufweisen, lassen sich diese Heizleitungen nur mit einem verhältnismäßig großen Aufwand mäanderförmig oder spiralförmig in einem Fußboden verlegen.
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Beispielsweise aus
DE 698 29 244 D2 ist ein selbstregulierendes Heizkabel bekannt, das eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsfläche aufweist. Zu diesem Zweck werden die beiden elektrischen Leiter in Längsschlitzen in einem Kern aus Kaltleitermaterial verlegt, wobei der Kern eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsfläche aufweist. Der Aufwand für die Herstellung eines derartigen selbstregulierenden Heizkabels mit einer im Wesentlichen kreisförmigen Querschnittsfläche ist erheblich.
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Es hat sich zudem gezeigt, dass die Heizwirkung und die Temperaturabhängigkeit der aus der Praxis bekannten selbstregulierenden Heizleitungen ganz überwiegend von den Eigenschaften des verwendeten Kaltleitermaterials abhängen. Die für die selbstregulierende Heizleitung relevanten Materialeigenschaften lassen sich jedoch oftmals nicht mit einer wünschenswerten Genauigkeit und Homogenität bei der Herstellung des Kaltleitermaterials vorgeben.
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Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, eine selbstregulierende Heizleitung der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, dass die Temperatur- und Heizeigenschaften mit geringem Aufwand möglichst genau vorgegeben werden können und die Verlegung der selbstregulierenden Heizleitung möglichst einfach ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jeder der beiden elektrischen Leiter jeweils eine eigene Leiterummantelung aus einem Kaltleitermaterial aufweist, und dass ein Stromleitungselement die beiden elektrischen Leiter umgibt, wobei das Stromleitungselement einen elektrisch leitenden Berührungskontakt mit den Leiterummantelungen der beiden elektrischen Leiter aufweist. Durch eine geeignete Formgebung und Anordnung der beiden Leiterummantelungen relativ zueinander kann sichergestellt werden, dass bei einer vorgegebenen Potenzialdifferenz zwischen den beiden elektrischen Leitern der sich einstellende Stromfluss überwiegend oder nahezu vollständig durch das Stromleitungselement hindurch erfolgt. Der Strom fließt ausgehend von einem ersten elektrischen Leiter durch dessen Leiterummantelung, die aus einem geeigneten Kaltleitermaterial besteht, in das Stromleitungselement und durch die Leiterummantelung des zweiten elektrischen Leiters in diesen zweiten elektrischen Leiter. Die in den beiden Leiterummantelungen erzeugte Wärme ist deshalb nicht mehr durch den Abstand der beiden elektrischen Leiter zueinander oder ausschließlich durch die Materialeigenschaften des Kaltleitermaterials vorgegeben, sondern maßgeblich von der Ausgestaltung des Berührungskontakts zwischen dem Stromleitungselement und den beiden Leiterumhüllungen der beiden elektrischen Leiter abhängig. Je größer die Fläche des Berührungskontakts je Längeneinheit der Heizleitung zwischen dem Stromleitungselement und den Leiterummantelungen aus einem Kaltleitermaterial ist, umso mehr Volumen der Leiterumhüllungen wird für den Stromfluss zwischen den beiden elektrischen Leitern und damit für die Wärmeerzeugung genutzt. Dadurch kann unter anderem die Herstellung einer derartigen selbstregulierenden Heizleitung erheblich erleichtert und vereinfacht werden, da die Heizeigenschaften maßgeblich von der Ausgestaltung und Anordnung des Stromleitungselements und nicht mehr von wesentlich schwerer zu beeinflussenden Materialeigenschaften oder von dem Abstand zwischen den beiden elektrischen Leitern abhängig sind.
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Da der Abstand zwischen den beiden elektrischen Leitern für die Heizwirkung nur noch geringe, bzw. keine nennenswerte Bedeutung mehr hat, lassen sich in einfacher Weise nahezu beliebige Profile bzw. Querschnittsflächen einer selbstregulierenden Heizleitung vorgeben, so dass auch selbstregulierende Heizleitungen mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche einfach und kostengünstig herstellbar sind, die sich anschließend ohne großen Aufwand nahezu beliebig verlegen lassen.
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Das Stromleitungselement kann beispielsweise eine die beiden elektrischen Leiter bzw. deren Leiterummantelungen umgebende elektrisch leitende Umhüllung oder ein Metallband sein, mit dem die beiden elektrischen Leiter bzw. deren Leiterummantelungen umwickelt sind. Das Stromleitungselement kann auch ein ausreichend flexibles wickelfähiges Gebilde mit einer anderen Formgebung sein. Das Stromleitungselement kann auch aus einem nicht metallischen, jedoch stromleitenden Material bestehen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die beiden elektrischen Leiter mit der jeweiligen Leiterummantelung aneinandergrenzend angeordnet sind. Ein zusätzliches Abstandselement, das zwischen den beiden elektrischen Leitern bzw. zwischen den jeweiligen Leiterummantelungen angeordnet ist und einen Abstand zwischen den beiden elektrischen Leitern vorgibt, ist nicht erforderlich.
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Die beiden elektrischen Leiter können jeweils aus einem Metalldraht, beispielsweise aus einem Kupferdraht, oder aber ein aus mehreren Adern bzw. aus zahlreichen Litzen bestehendes Leitungskabel sein. Die jeweilige Leiterummantelung kann wie bei konventionellen Stromkabeln in einfacher Weise durch Extrusion oder andere bekannte Herstellungsverfahren hergestellt werden. Wenn die Leiterummantelung eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsfläche aufweist, berühren sich die beiden Leiterummantelungen im Wesentlichen längs einer Linie entlang dem Verlauf der beiden elektrischen Leiter. Der Anteil eines direkten Stromflusses durch den Berührungskontakt der beiden Leiterummantelungen kann durch die Ausgestaltung und Anordnung des Stromleitungselements beeinflusst und gegebenenfalls äußerst gering bzw. vernachlässigbar klein vorgegeben werden. Da während der Herstellung der selbstregulierenden Heizleitung das Stromleitungselement nachträglich um die beiden Leiterummantelungen angeordnet und beispielsweise gewickelt werden kann, lässt sich die Heizwirkung der selbstregulierenden Heizleitung nachträglich beeinflussen.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die beiden elektrischen Leiter miteinander verdrillt sind. Durch ein Verdrillen der beiden elektrischen Leiter kann in einfacher Weise gewährleistet werden, dass die beiden elektrischen Leiter über die gesamte Länge der selbstregulierenden Heizleitung einen gleichbleibend engen Abstand zueinander aufweisen. Die Art der Verdrillung und die Anzahl der Verdrehungen pro Längeneinheit können nahezu beliebig vorgegeben werden. Insbesondere bei stark miteinander verdrillten elektrischen Leitern weisen die beiden verdrillten elektrischen Leiter im Mittel eine näherungsweise kreisförmige Querschnittsfläche auf. Die beiden miteinander verdrillten elektrischen Leiter können in eine beliebige Richtung gekrümmt und damit sehr einfach verlegt werden.
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Einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zu Folge ist vorgesehen, dass das Stromleitungselement mindestens einen elektrisch leitenden Metalldraht aufweist. Das Stromleitungselement kann beispielsweise aus einem Kupferdraht bestehen, der um die beiden elektrischen Leiter bzw. die beiden Leiterumhüllungen gewunden ist. Das Stromleitungselement kann auch aus einem mehradrigen Verbund von Drähten, bzw. Litzen oder aus einem kabel- oder bandförmigen Gebilde aus einem nicht-metallischen, jedoch stromleitenden Material bestehen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Stromleitungselement schraubenförmig um die beiden elektrischen Leiter gewunden ist. Durch die Anzahl der Windung je Längeneinheit der Heizleitung können in einfacherweise Weise die Anzahl und die jeweilige Fläche des Berührungskontakts zwischen dem Stromleitungselement und den Leiterummantelungen und damit die bei einer angelegten Potentialdifferenz erzeugbare Heizleistung vorgegeben werden. Das Umwickeln der miteinander verdrillten elektrischen Leiter lässt sich kostengünstig und äußerst präzise durchführen. Um die gewünschte Heizwirkung der Heizleitung vorzugeben, ist es demzufolge nicht mehr notwendig, die Eigenschaften des verwendeten Kaltleitermaterials und die geometrische Anordnung der elektrischen Leiter in dem Kaltleitermaterial möglichst präzise vorzugeben, was mit einem erheblichen Herstellungsaufwand verbunden wäre.
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Zu dem ist es durch die Verwendung des Stromleitungselements in sehr einfacher Weise möglich, beispielsweise durch eine Veränderung der Anzahl der Windungen je Längeneinheit über die gesamte Länge der Heizleitung abschnittsweise unterschiedliche Heizeigenschaften der selbstregulierenden Heizleitung vorzugeben.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass die beiden elektrischen Leiter und das Stromleitungselement von einer isolierenden Ummantelung umgeben sind. Die isolierende Ummantelung kann aus einem flexiblen Gewebe oder aus einem Schlauch bestehen. Es ist ebenfalls möglich und für viele Anwendungsbereiche vorteilhaft, wenn die beiden elektrischen Leiter und das Stromleitungselement in eine Kunststoffummantelung eingebettet werden. Die isolierende Ummantelung kann eine kreisrunde Querschnittsfläche aufweisen.
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Es ist grundsätzlich möglich, an Stelle von zwei elektrischen Leitern auch drei oder mehrere elektrische Leiter vorzusehen, die jeweils eine eigene Leiterumhüllung aufweisen und entweder parallel geführt oder miteinander verdrillt sind. Durch die Verwendung von mehr als zwei elektrischen Leitern können eine kleine und möglichst kreisförmige Querschnittsfläche der selbstregulierenden Heizleitung sowie vorteilhafte Heizeigenschaften begünstigt werden.
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Nachfolgend wird ein exemplarisches Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer selbstregulierenden Heizleitung, und
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2 eine schematische Schnittansicht durch die in 1 dargestellte selbstregulierende Heizleitung.
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Eine in den 1 und 2 abgebildete selbstregulierende Heizleitung 1 weist zwei elektrische Leiter 2 auf, die jeweils mit einer Leiterumhüllung 3 aus einem Kaltleitermaterial umgeben sind. Die beiden elektrischen Leiter 2 sind miteinander verdrillt, so dass entlang eines Verlaufs in Längsrichtung der selbstregulierenden Heizleitung 1 die beiden Leiterumhüllungen 3 eng aneinander liegen und nicht voneinander gelöst werden können.
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Ein Stromleitungselement 4 besteht ebenso wie die beiden elektrischen Leiter 2 aus einem Kupferdraht, der um die beiden elektrischen Leiter 2, bzw. um die beiden elektrischen Leiter 2 umgebenden Leiterumhüllungen 3 schraubenförmig gewunden ist. Das Stromleitungselement 4 berührt abwechselnd die beiden Leiterumhüllungen 3. Die Anzahl der Windungen des Stromleitungselements 4 um die beiden miteinander verdrillten elektrischen Leiter 2 beeinflusst maßgeblich die Heizwirkung und ist bei der Herstellung der selbstregulierenden Heizleitung 1 vorgeben worden.
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Die beiden elektrischen Leiter 2 und das um die beiden elektrischen Leiter 2 gewundene Stromleitungselement 4 werden gemeinsam von einer isolierenden Ummantelung 5 umgeben. Die isolierende Ummantelung 5 weist ebenso wie die beiden Leiterumhüllungen 3 eine kreisförmige Querschnittsfläche auf.
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Anhand der schematischen Schnittansicht gemäß 2 wird die Bedeutung des Stromleitungselements 4 für die Wärmeerzeugung in der selbstregulierenden Heizleitung 1 verdeutlicht. Zwischen den beiden elektrischen Leitern 2, die an eine nicht dargestellte Spannungsquelle angeschlossen sind, besteht eine elektrische Potentialdifferenz, derart dass ein Stromfluss von dem in 2 auf der rechten Seite abgebildeten elektrischen Leiter 2 zu dem auf der linken Seite abgebildeten elektrischen Leiter 2 bewirkt wird.
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Die beiden Leiterumhüllungen 3 weisen in der Schnittansicht einen im Wesentlichen punktförmigen Berührungskontakt 6 auf. Das um die beiden Leiterumhüllungen 3 gewundene Stromleitungselement 4 weist dagegen in Abhängigkeit von der Anzahl der Windungen bzw. der Steigung in Längsrichtung der selbstregulierenden Heizleitung 1 zu den beiden angrenzenden Bereichen der Leiterumhüllung 3 jeweils einen größeren Kontaktbereich 7 auf. Der Widerstand des Stromleitungselements 4 ist vernachlässigbar klein. Aufgrund der geometrischen Randbedingung fließt bei einer vorgegebenen Potentialdifferenz ein vergleichsweise großer Anteil des durch die elektrische Primzahldifferenz erzeugten Stroms durch die Kontaktbereiche 7 und das Stromleitungselement 4, während nur ein geringer Anteil durch den punktförmigen Berührungskontakt 6 hindurch von dem einen elektrischen Leiter 2 zu dem anderen elektrischen Leiter 2 fließt. Der bei einer vorgegebenen elektrischen Potentialdifferenz erzeugte Stromfluss hängt demzufolge maßgeblich von dem Stromleitungselement 4 bzw. von den Kontaktbereichen 7 zwischen dem Stromleitungselement 4 und den beiden Leiterumhüllungen 3 je Längeneinheit der selbstregulierenden Heizleitung 1 und nicht von einem Abstand zwischen den beiden elektrischen Leitern 2 ab.
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Durch die Anzahl von Windungen des Stromleitungselements 4 je Längeneinheit kann die Heizwirkung der selbstregulierenden Heizleitung 1 innerhalb eines großen Bereichs vorgegeben werden. Eine präzise Vorgabe der Materialeigenschaften des Kaltleitermaterials der Leiterumhüllungen 3 ist nicht mehr notwendig, um für die selbstregulierende Heizleitung 1 die gewünschte Heizwirkung erreichen bzw. einstellen zu können.
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Die in 1 und 2 exemplarisch abgebildete selbstregulierende Heizleitung 1 hat zudem den Vorteil, dass für deren Anschluss an eine elektrische Spannungsversorgung kein nennenswerter konstruktiver Aufwand erforderlich ist. Die selbstregulierende Heizleitung 1 lässt sich aufgrund der kreisförmigen Querschnittsfläche der isolierenden Ummantelung 5 einfach handhaben und auf eine zu beheizenden Fläche verlegen. Die beiden Leiterumhüllungen 3 können ebenso wie die isolierende Ummantelung 5 mit üblichen Extrusionsverfahren hergestellt werden, wobei jeweils die elektrischen Leiter 2 bzw. der Verbund aus den miteinander verdrillten elektrischen Leitern 2 und dem Stromleitungselement 4 während des Extrusionsvorgangs eingebettet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 1991/017642 [0006]
- DE 69829244 D2 [0008]
