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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine selbstlimitierende Stillstandsheizung für Elektromotoren mit einem
Heizkabel, welches mindestens aus zwei parallelen Stromleitern und
einem sich zwischen den Stromleitem und im wesentlichen über die
gesamte Länge
des Kabels erstreckenden Heizelement besteht, das im wesentlichen über seine
gesamte Länge
hinweg mit den Stromleitern in Verbindung steht, wobei eine erste
Isolierschicht das Heizelement zusammen mit den daran anliegenden
Stromleitern umgibt, die erste Isolierschicht von einer elektrischen Abschirmschicht
umgeben ist, und die Abschirmschicht mindestens von einer weiteren
Isolationsschicht umgeben ist.
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Gegebenenfalls kann das Heizkabel
auch noch eine äußere Schutzhülle aufweisen.
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Derartige sogenannte selbstlimitierende
Stillstandsheizungen finden Verwendung an größeren Elektromotoren, die nicht
ständig
in Betrieb sind, so daß sie
in Stillstandszeiten abkühlen.
Typischerweise werden derartige Stillstandsheizungen in Form relativ langer
flacher Bänder
um die Wickelköpfe
der Elektromotoren herumgewickelt und mit einer Spannungsquelle
verbunden, die eine feste bzw. begrenzte maximale Spannung hat.
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Bei größeren Elektromotoren, die des öfteren längere Stillstandszeiten
haben, in denen sie stark abkühlen
könnten,
sind diese Stillstandsheizungen notwendig, um die durch das Abkühlen bedingten
Spannungen und Verformungen des Elektromotors weitgehend zu vermeiden,
so daß er,
nachdem er aus einem laufenden Betrieb abgeschaltet wurde, nur geringfügig abkühlt und
durch die Stillstandsheizung immer auf einer gewissen Mindesttemperatur gehalten
wird. Ein wesentlicher Grund für
die Anwendung einer Stillstandsheizung bei Elektromotoren liegt
auch in der Vermeidung des Eindringens von Feuchtigkeit zwischen
die Motorwicklungen, so daß hierdurch
auch die Lebensdauer eines solchen Elektromotors spürbar verlängert werden
kann.
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Dabei besteht das Heizungselement
einer selbstlimitierenden Stillstandsheizung zumeist aus einem halbleitenden
Material, beispielsweise einem mehrere Millimeter breiten und ca.
1-2 mm dicken Streifen, der über
seine gesamte Länge
hinweg entlang seiner Schmalseiten mit den elektrischen Stromleitern
verbunden ist, die mit der Spannungsquelle verbunden sind, so daß der Heizstrom
quer durch das Halbleitermaterial hindurchfließt und eine Heizleistung erzeugt,
die sich aus dem Gesamtwiderstand und dem Gesamtstrom des Heizelementes
errechnet. Für
einen besseren Kontakt zwischen den Stromleitern und dem Halbleitermaterial
können
die beiden Stromleiter auch in einem gleichmäßigen Abstand parallel zueinander
in das Halbleitermaterial eingebettet und vollständig von diesem umgeben sein.
Vorzugsweise hat das Heizelement einschließlich der darin eingebetteten
Stromleiter einen durchgehend konstanten Querschnitt. Typischerweise
haben derartige Heizkabel elektrische Leistungen, die bei einer
Nennspannung von 230 V im Bereich zwischen 18 W und 54 W pro Meter
liegen. Typischerweise wird ein Heizkabel mit einer Länge zwischen
5 und 100 m um den Wickelkopf eines entsprechenden Elektromotors
herumgewickelt, so daß sich
Gesamtheizleistungen in der Größenordnung
von 1-2 oder auch mehr Kilowatt ergeben.
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Diese Heizleistungen werden jedoch
nur erreicht bei dem Nominalwiderstand des Kabels bei niedriger
Temperatur, beispielsweise unter 100°C. Die Halbleitereigenschaft
bringt es mit sich, daß der spezifische
elektrische Widerstand des Halbleiters mit steigender Temperatur
zunimmt. Damit nimmt in der gegebenen Geometrie auch der absolute
Widerstand des Halbleiters zu und, wenn andererseits auch die maximale
(Gleich- oder Wechsel-) Spannung U auf ihren Nennwert begrenzt ist
(z.B. 230 V), so nimmt auch die Heizleistung L = U2/R
umgekehrt proportional zu dem steigenden Widerstand ab, wenn sich
die Temperatur erhöht.
Damit kann der spezifische elektrische Widerstand eines Halbleiters bei
höheren
Temperaturen, beispielsweise in der Größenordnung von 150°C um mehrere
Größenordnungen
oberhalb des Widerstandswertes liegen, den man bei tieferer Temperatur
(z.B. Zimmertemperatur) messen würde.
Wenn also beispielsweise der Widerstand des Heizelementes bei niedrigen
Temperaturen (das heißt
unterhalb von 100°C)
z.B. in der Größenordnung
von 20 Ohm liegt, woraus sich ein Gesamtstrom von D = 11 A und damit
eine Gesamtheizleistung von 20 x 121 = 2,42 kW ergibt, könnte dieser Widerstand
beispielsweise bei 150°C
ca. 2 Kiloohm betra gen, so daß sich
bei unveränderter
Spannung nur noch eine Heizleistung von 52.900/2500 =21 W ergibt.
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Die Stromquelle kann deshalb dauerhaft
eingeschaltet und mit dem Heizelement verbunden sein, wobei bei
höheren
Temperaturen, wie sie im laufenden Betrieb des Elektromotors auftreten,
der Widerstand des Heizkabels so gering wird, daß seine Heizleistung vernachlässigbar
klein ist. Sobald aber der Elektromotor abgeschaltet wird und abkühlt, nimmt der
Widerstand, sobald ein kritischer Temperaturbereich unterschritten
wird, drastisch ab, und damit beginnt die Heizung wirksam zu werden.
Im Ergebnis stellt sich ein Temperaturwert ein, der typischerweise am
unteren Rand eines Übergangsbereiches
liegt, in welchem der Widerstand drastisch zunimmt.
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Entsprechende Elektromotoren finden
beispielsweise Verwendung auf Bohrinseln oder generell in der Öförderung,
auch in unwirtlichen und kalten Gegenden, wo eine entsprechende
Heizung für
die Elektromotoren notwendig ist, damit sie nicht während der
Stillstandszeit allzu stark abkühlen.
Gleichzeitig muß jedoch
sichergestellt werden, daß die Elektromotoren
und alle zugehörigen
Bauteile in keiner Weise irgendwelche Funken erzeugen und es insbesondere
keinerlei Spannungsüberschläge gibt, da
in derartigen Umgebungen oft eine erhöhte Explosionsgefahr besteht.
Generell müssen
sowohl die Elektromotoren als auch alle zugehörigen Bauteile in explosionsgefährdeten
Umgebungen bestimmte Kriterien erfüllen.
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Für
derartige Anwendungszwecke gab es bisher besondere Heizkabel, deren
Enden gekapselte Verbindungsstecker bzw. Verbindungsteile mit keramischen
Bauteilen mit einer aufwendigen Abdichtung aufwiesen. Diese entsprechenden
Verbindungselemente sind ausgesprochen voluminös und unhandlich und lassen
sich oft nur schwer im Gehäuse eines
Elektromotors verstauen und sie tragen im übrigen auch erheblich zu den
Kosten entsprechender Stillstandsheizungen bei.
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Gegenüber diesem Stand der Technik
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine selbstlimitierende
Stillstandsheizung zu schaffen, welche ohne weiteres auch in explosionsgefährdeten
Umgebungen verwendet werden kann, da sie die entsprechenden Prüfnormen
erfüllt,
ohne daß gleichzeitig
aufwendige, voluminöse
und teure Verbinder verwendet werden müssen.
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Diese Aufgabe wird durch eine selbstlimitierende
Stillstandsheizung gelöst,
welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 ist vorgesehen, daß die Summe der Dicken der
Isolationsschichten mehr als 0,8 mm beträgt und vorzugsweise mindestens
1 mm beträgt,
wobei die erste, innere Isolationsschicht auf jeden Fall mindestens
0,5 mm Dikke aufweist. Außerdem
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß an
mindestens einem der freien Enden des Heizkabels mindestens eine
Stromleitung mit einer ersten Zuleitung elektrisch verbunden und
von einem Schrumpfschlauch umhüllt
ist, der den Verbindungsbereich zwischen der Stromlei tung und der
Zuleitung umfaßt, wobei
ein weiterer Schrumpfschlauch das gesamte Ende des Heizkabels umfaßt und gleichzeitig
auch bereits den Schrumpfschlauch in dem Verbindungsbereich zwischen
Stromleiter und Zuleitung umfaßt bzw.
einhüllt.
Zweckmäßigerweise
sind an einem Ende des Heizkabels beide Stromleiter freigelegt,
mit einer sogenannten Aderendhülse
versehen und durch Crimpen oder dergleichen mit einer entsprechenden
elektrischen Zuleitung verbunden, die ihrerseits selbstverständlich isoliert
ist und zu einer entsprechenden Spannungsquelle führt. In
diesem Verbindungsbereich wird ein Schrumpfschlauch aufgeschoben
und geschrumpft, so daß er
sowohl die elektrische Zuleitung, beginnend in deren Isolationsbereich,
als auch den Stromleiter bis hin zu seinem Übergang in das Heizkabel vollständig umfaßt und sich
eng an dieses anlegt.
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Nachdem die freigelegten Enden der
Stromleiter eines Heizkabels auf diese Weise jeweils mit einer elektrischen
Zuleitung verbunden und jeweils durch einen eigenen Schrumpfschlauch
isoliert sind, wird noch zusätzlich
der Schrumpfschlauch über
das gesamte freie Ende des Heizkabels gezogen, erstreckt sich dabei
aber noch weiter über
das freie Ende hinaus und umfaßt
damit auch die Verbindungsstelle zwischen den Zuleitungen und den Stromleitern.
Gegebenenfalls kann man für
diesen Fall auch einen Schrumpfschlauch in Form einer sogenannten "Schrumpfhose" verwenden, bei welchem ein
Schrumpfschlauchabschnitt mit größerem Durchmesser
nach Art einer "Hose" in zwei weitere Schrumpfschlauchabschnitte
kleineren Durchmessers übergeht.
Diese "Hosenbeine" nehmen dann die Zuleitungen
und die damit verbundenen Enden der Stromleiter auf.
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Jeder der Schrumpfschläuche sollte
im geschrumpften Zustand eine Wandstärke von mindestens 0,5 mm haben.
Das andere freie Ende des Heizkabels wird zweckmäßigerweise mit einer Schrumpfkappe
versehen, deren Innenseite noch mit einem Innenkleber des Typs FEP-SH
versehen ist. Die mit dem Innenkleber versehene Schrumpfkappe wird
auf dieses Ende aufgeschoben und ebenfalls geschrumpft, so daß sie fest
an dem Heizkabel anliegt und dieses abdichtet. Alternativ dazu kann
das freie Ende des Heizkabels mit einem Epoxid-Einkomponentenklebeband
umwickelt sein. Das Epoxid-Einkomponentenklebeband schmilzt beim
Schrumpfen auf und verklebt bzw. dichtet nach dem Aushärten den
verbleibenden Zwischenraum zwischen dem freien Ende des Heizkabels
und der Schrumpfkappe ab. Ein solches Epoxid-Einkomponentenklebeband, beispielsweise
der Typ S-1255-02 der Firma Raychem, ist für Betriebstemperaturen zwischen
-55°C bis
+200°C geeignet.
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Es versteht sich, daß an dem
anderen freien Ende, welches mit dieser Kappe abgedeckt wird, keine überstehenden
Enden der Stromleitungen oder des Heizelementes vorhanden sein sollten,
sondern daß diese
auf jeden Fall bündig
mit den Isolationsschichten abschließen und möglicherweise noch, soweit dies
praktisch machbar ist, gegenüber
der äußeren Isolationsschicht
etwas zurückgezogen
sind.
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Auf diese Weise erhält man insgesamt
eine komplette, selbstlimitierende Stillstandsheizung, die alle
einschlägigen
Bedingungen für
den Explosionsschutz, und insbesondere den Explosionsschutz der Schutzklasse
Eex e erfüllt
und die außerdem
eine Spannungsfestigkeit von mindestens 2 kV hat. Selbstverständlich kann
man dabei auch bereits fertig konfektionierte Heizkabel verwenden,
die bereits eine entsprechende Zulassung einer solchen Explosionsschutzklasse
haben. Derartige Kabel haben den in Anspruch 1 definierten Aufbau.
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Aus den Unteransprüchen ergeben
sich weitere vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen der vorliegenden
Erfindung, die nachstehend noch anhand eines Ausführungsbeispiels
erläutert
wird. Das Ausführungsbeispiel
zeigt in
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1 eine
unterbrochen dargestellte Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Heizung,
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2 das
mit einer Kappe versehene freie Ende einer Heizung nach 1, und zwar sowohl im Längsschnitt
als auch in einem Querschnitt, und
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3 einen
Längsschnitt
und einen Querschnitt durch das Anschlußende der selbstlimitierenden
Stillstandsheizung.
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Man erkennt in 1 die insgesamt mit 10 bezeichnete Kabelheizung,
die teilweise unterbrochen dargestellt ist. Der Hauptteil der Kabelheizung 10 besteht
aus einem Heizkabel 1 der Länge L, wobei L typischerweise
in einem Bereich zwischen 5 m und 100 m liegen kann. Längere oder
kürzere
Heizkabel 1 sind jedoch nicht ausgeschlossen.
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Das Heizkabel 1 ist an einem
Ende mit einer Endkappe 2 versehen, die das betreffende
freie Ende des Heizkabels 1 mit guter Isolierung und hermetisch dicht
abschließt.
Einzelheiten der auf das Ende des Heizkabels 1 aufgebrachten
Endkappe bzw. Schrumpfkappe 2 werden in Verbindung mit 2 noch genauer beschrieben.
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Das andere Ende des Heizkabels 1 ist
mit einer Anschlußkappe 3 ausgestattet,
die ebenfalls das Ende des Heizkabels 1 übergreift,
gleichzeitig jedoch Verbindungsbereiche 4 für die Verbindung
zweier Zuleitungen 5 mit den im Inneren des Heizkabels 1 angeordneten
Stromleitern aufweist.
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Ebenso wie die Endkappe 2 als
Schrumpfkappe ausgebildet ist, das heißt aus einem unter Hitzeeinwirkung
schrumpfenden Material besteht, besteht auch die Anschlußkappe aus
einem unter Wärmeeinwirkung
schrumpfbaren Material, wobei die Kappe 3 auch einstückig mit
den Anschluß– bzw. Verbindungsenden 4 ausgeführt sein
kann, die dann ebenfalls aus einem schrumpffähigen Material bestehen. Aus
den Verbindungsstücken
heraus ragen noch die Zuleitungen 5, die isoliert sind
und eine im Prinzip beliebige Länge
haben können,
solange nicht der Widerstand der Zuleitungen allzu hohe Verluste hervorruft.
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Die freien Enden 6 der Zuleitungen 5 sind
abisoliert und können
direkt mit einer entsprechenden Stromquelle verbunden werden, die
von dem Heizkabel 1 mehr oder weniger weit beabstandet
sein kann.
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2 zeigt
auf der linken Seite einen Längsschnitt
durch die Kabelheizung 10 in etwa entlang der mit C bezeichneten
Linie in 1 und der rechte
Teil der 2 zeigt einen
Schnitt durch die Endkappe 2 entsprechend der mit A bezeichneten
Schnittlinie in 1.
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Wie man im linken Teil der 2 erkennt, ist das freie
Ende 16 des Heizkabels 1 bündig bzw. senkrecht zu seiner
Längserstreckung
abgeschnitten, so daß auf
jeden Fall weder einer der inneren Stromleiter 11 noch
das innere Heizelement 12 in axialer Richtung über das
Ende des Heizkabels 1 hinausragen.
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Man erkennt außerdem in 2 und auch in 3 den genauen Aufbau des Heizkabels 1.
Im Inneren besteht das Heizkabel 1 aus zwei parallelen Stromleitern 11,
die in ein Halbleitermaterial 12 eingebettet sind, welches
als Heizelement dient. Die beiden Stromleiter 11 verlaufen
exakt parallel entlang des gesamten Kabels und haben somit einen
konstanten Abstand und auch das Halbleitermaterial 12, in
welches die Stromleiter 11 eingebettet sind, hat einen
durchgehend konstanten Querschnitt, so daß der elektrische Widerstand
des Heizkabels 1 pro Längeneinheit überall über die
Länge des
Heizkabels 1 hinweg gleich ist.
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Typischerweise gibt es derartige
Heizkabel mit verschiedenen Heizleistungen, das heißt mit unterschiedlichen
Widerstandswerten des Heizelementes 12 zwischen den beiden
Stromleitern 11, wobei der Widerstand und die Heizleistung üblicherweise auf
jeweils 1 m Länge
des Kabels bezogen werden. Üblicherweise
werden derartige Heizkabel mit 18 W pro Meter, 36 W pro Meter und
54 W pro Meter bereitgestellt, wobei man von einer Betriebsspannung
von 230 V ausgeht. Dementsprechend beträgt bei einem 1 m langen Kabelabschnitt
der Widerstand des Halbleitermaterials 12, welches die
beiden Stromleiter 11 verbindet, bei einem 18 W Kabel etwa
3 kOhm (genauer: 2,94 kOhm), bei einem 36 W Kabel etwa 2 kOhm (genauer:
1,96 kOhm) und bei einem 54 W Kabel etwa 1 kOhm (genau 0,98 kOhm).
Da man sich bei einem längeren
Kabel die einzelnen Abschnitte eines Kabels effektiv als parallel
geschaltet vorstellen kann, bedeutet dies, daß der Gesamtwiderstand bei einem
10 m langen Kabel ein Zehntel der vorgenannten Werte beträgt und entsprechend
gilt dies auch für längere Kabel. Üblicherweise
begrenzt man die gesamte Heizleistung auf etwas weniger als 2 kW,
was, je nach spezifischem Widerstand, zu Heizleitungslängen zwischen
mindestens 30 und maximal 100 m führt.
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Sofern der Platz an einem Elektromotor
hierfür
ausreicht, ist es generell sinnvoll, die kleinere Heizleistung (pro
Meter) zu wählen
und dafür
einen längeren
Abschnitt des Heizkörpers
zu verwenden, damit die Heizleistung sich besser auf die entscheidenden
Bauteile des Elektromotors verteilen läßt.
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Die Einbettung der Stromleiter 11 in
das Halbleitermaterial 12 hat unter anderem auch den Sinn,
eine möglichst
große
Kontaktfläche
zwischen den Stromleitern 11 und dem Halbleitermaterial
des Heizelementes 12 zu gewährleisten.
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Das Halbleiterelement 12,
welches vorzugsweise aus einem halbleitenden Kunststoff besteht,
ist von einer ersten oder inneren Isolationsschicht 13 umgeben,
deren Wandstärke
in der Regel mindestens 0,5 mm betragen sollte und die im allgemeinen auch
dicker ist als die äußere Isolationsschicht 15, obwohl
dies in den Figuren nicht eindeutig erkennbar bzw. nicht in dieser
Weise dargestellt ist. Die innere Isolationsschicht 13 und
die äußere Isolationsschicht 15 sind
durch ein Abschirmgeflecht 14 getrennt, wobei eine solche
Abschirmung in Verbindung mit der Anbringung des Heizkabels an einem
Elektromotor notwendig ist, da die starken Schwankungen der Magnetfelder,
die mit einem Elektromotor im laufenden Betrieb verknüpft sind,
ansonsten möglicherweise starke
Ströme
und Spannungen zwischen den beiden Stromleitern 11 induzieren
könnten.
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In 2 erkennt
man außerdem
noch die die äußere Isolationsschicht 15 am
Ende umgebende Endkappe 2. Diese Endkappe besteht aus einem Schrumpfschlauchmaterial.
Das freie Ende des Kabels ist mit einem Einkomponentenepoxidharzklebeband
umwickelt, das beim Aufschrumpfen des Schlauches schmilzt und die
Kappe 2 mit der darunterliegenden Isolationsschicht 15 verklebt
und den Zwischenraum abdichtet. Auch das Ende der Endkappe 2 kann
bei 17 mit einem Isolationsmaterial oder einem Kleber ausgefüllt sein.
In einer alternativen Ausführungsform
ist die Endkappe auf der Innenseite mit einem sogenannten Innenkleber
beschichtet, so daß auf
die Umwicklung des freien Endes des Kabels mit dem Einkomponentenepoxidkleber
verzichtet werden kann. Dies bietet einen zusätzlichen Schutz für das freie
Ende des Kabels und hält
die Stromleiter und auch das Heizelement in deutlichem Abstand isoliert
von der Umgebung, so daß eine
entsprechende Hochspannungsfestigkeit und auch die Erfüllung entsprechender
Explosionsschutzbestimmungen gewährleistet
werden.
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3 zeigt
das Anschlußende
eines Kabels. Der auf der rechten Seite dargestellte Querschnitt des
Kabels im Bereich des Schrumpfschlauches 3 ist praktisch
derselbe wie im Bereich der Endkappe am entgegengesetzten Ende des
Heizkabels. Der einzige Unterschied besteht darin, daß hier die
Stromleiter herausgeführt
sind und daß die
Endkappe 2 durch den Schrumpfschlauch 3 ersetzt
ist, der, wie bereits in Verbindung mit 1 beschrieben wurde, "hosenbeinartige" Verlängerungen 4 hat, die
die sogenannten "Aderendhülsen" umfassen, welche
ihrerseits die freien Enden der Strom leitet 11 sowie von
Zuleitungen 5 aufnehmen, deren in die Aderendhülsen eingreifenden
Abschnitte selbstverständlich
von der in 1 bei 5 erkennbaren
Isolation befreit sind.
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Wie man im linken Teilbild der 3 erkennt, ist der Verbindungsbereich
des Stromleiters 11 und der Zuleitung 5 noch von
einem zusätzlichen
inneren Schrumpfschlauch 7 umgeben. Zusätzlich wird dieser Verbindungsbereich 4 der
Stromleiter 11 mit der Zuleitung 5 von je einem
der beiden hosenbeinartigen Endabschnitte 3' des Schrumpfschlauches 3 umfaßt. Die
Schrumpfschläuche
haben im geschrumpften Zustand eine Dicke von etwa 0,5 mm oder mehr. Auf
diese Weise erhält
man eine sichere Isolierung und insgesamt, soweit das Kabel 1 selbst
entsprechende Isolations- bzw. Explosionsschutzbestimmungen erfüllt, auch
eine selbstlimitierende Kabelheizung, die entsprechende Isolationsbestimmungen und
Explosionsschutzbestimmungen erfüllt.
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Durch die Verwendung der speziellen
Endkappe in Form einer Schrumpfkappe mit Innenkleber oder in Form
einer mit Hilfe eines Epoxid-Einkomponentenklebebandes verklebten
Schrumpfkappe und durch die Verwendung des Schrumpfschlauches 3 bzw.
der Schrumpfhose 3, 3' in Verbindung mit dem inneren
Schrumpfschlauch 7 erreicht man es daher, daß die Kabelenden
nicht mehr aufwendig mit keramischen Halterungen und Gehäusen explosionsgeschützt (Eex
d) ausgeführt
werden müssen.
Die erfindungsgemäße Kabelheizung
ist bis zu einer Spannung von 2 kV AG hochspannungsfest und für Betriebstemperaturen
bis zu 180°C
geeignet. Die Zuleitungen 5 weisen vorzugsweise eine Teflonisolation auf.
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Die erfindungsgemäße selbstlimitierende Kabelheizung
ist wesentlich einfacher, im Anschlußbereich deutlich kleiner und
preiswerter herzustellen, als entsprechende bekannte Kabelheizungen
derselben Explosionsschutzklasse erhöhte Sicherheit Eex e.
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Die teflonisolierten Zuleitungen
sind ebenfalls temperaturbeständig
bis beispielsweise 180°C und
haben einen Leitungsquerschnitt von mindestens 1 mm2,
so daß man
auch bei längeren
Zuleitungsstrecken keinen nennenswerten Spannungsabfall und somit
auch keine nennenswerte Heizleistung an bzw. in den Zuleitungen
hat.