DE3853091T2

DE3853091T2 - Flexibles gestricktes Thermistorheizkabel.

Info

Publication number: DE3853091T2
Application number: DE3853091T
Authority: DE
Inventors: David C Goss; Chandrakant M Yagnik
Original assignee: Thermon Manufacturing Co
Current assignee: Thermon Manufacturing Co
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1995-10-19
Anticipated expiration: 2008-04-08
Also published as: DE3853091D1; US4794229A; MX167878B; AU592289B2; CA1283155C; AU1507088A; JPS63281375A; EP0287898A3; IN170296B; ATE118953T1; EP0287898B1; EP0287898A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Heizkabel, die Heißleiter (Thermistoren) mit positivem Temperaturkoeffizienten als Selbstregelheizer nutzen&sub1; gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Wie beispielshaft in US-Patent Nr. 4 072 848 dargestellt, werden elektrische Heizkabel schon seit einiger Zeit kommerziell genutzt, um Wärme für Rohre und Tanks in kalten Umgebungen bereitzustellen.
Bei Heizkabeln, wie sie in US-Patent Nr. 4 072 848 offenbart sind, basierte die Temperaturkontrolle auf dem Gebrauch von Heizmaterialien mit variablem Widerstand, die für ein selbstregulierendes Charakteristikum sorgen. Die Heizmaterialien werden im allgemeinen in Chips aus Bariumtitanat oder festen Lösungen von Barium und Strontiumtitanat geformt, die durch Einschluß verschiedener Dotierstoffe halbleitend gemacht sind. Diese Chips werden als Heißleiter mit positiven Temperaturkoeffizienten bezeichnet und haben bei niedrigen Temperaturen einen relativ geringen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes. Wenn die Temperatur des Heißleiters steigt, erfolgt ein scharfer Anstieg im Widerstand bei einem Punkt, der als "Curiepunkt" bezeichnet ist. Der Übergang von niedrigem spezifischen Widerstand zu hohem spezifischen Widerstand erfolgt an einem relativ scharfen Punkt, wie in US-Patent Nr. 4 072 848 gezeigt. Da diese Chips dem Fachmann wohlbekannt sind, ist eine weitere Diskussion von deren Aufbau nicht notwendig.
Wenn an den Heißleiter eine Spannung angelegt wird, erzeugt der Heißleiter wegen Widerstandseffekten Wärme. Diese Wärme wird an die Umgebung übertragen und wird zur Aufheizung der umgebenden Umwelt, wie zum Beispiel einem Rohr, an das das Kabel angebracht ist, benutzt. Wenn die Temperatur des Heißleiters und der Umgebung ansteigt, erreicht die Heißleitertemperatur den Curiepunkt, die Wärmeerzeugungsfähigkeit des Heißleiters wird reduziert und der Heißleiter kühlt ab. Somit stellt sich die Thermisto-Temperatur bei oder nahe bei dem Curiepunkt ein, wobei die Temperatur der Umgebung auf den thermischen Leitfähigkeiten der verschiedenen in Kontakt mit dem Heißleiter befindlichen Materialien beruht.
Auf Heißleitern beruhende Heizkabel des Standes der Technik hatten wegen der begrenzten Wärmeübertragung von den Heiß leitern zu der Umgebung das Problem relativ niedriger Gesamtwirkungsgrade. Diese begrenzte Wärmeübertragung trat auf, weil die thermische Leitfähigkeit von dem Heißleiter zu der Umgebung relativ niedrig war, was ein Ansteigen der Heißleitertemperatur bis zu dem Curiepunkt oder der Schalttemperatur bewirkte bei einer niedrigeren Gesaintleistungsabgabe, als sie auftreten würde, wenn ein guter Wärmeübergang existierte.
Zusätzlich hatten konventionelle Ausführungen ohne Bedarf für eine große Anzahl von Heißleitern keine gleichmäßige Temperaturverteilung, teilweise wegen der schlechten Wärmeübertragungseigenschaften der bei der Konstruktion der Kabel benutzten Materialien.
Die US-Patente Nr. 4 117 312, 4 250 400 und 4 304 044 versuchten, das Problem der Temperaturverteilung durch Nutzung von Widerstandsdraht zu lösen, der zwischen die Heißleiterchips und die verschiedenen die Spannung von der Leistungsversorgungsquelle tragenden Leiter geschaltet war. Auf diese Weise besorgte der Widerstandsdraht einen Großteil der Leistung und die Heißleiter wurden als Schalter zur Ein- und Ausschaltung der Widerstandsdrahtbeine genutzt. Auf Heißleitern basierende Heizkabel, die nicht auf Widerstandsdraht basierten, tendierten dazu, wegen schlechter Wärmeverteilung über die Länge des Kabels heiße Flecken nahe den Heißleitern zu haben, so daß sich heiße Flecken entwickelten und eine ungleichmäßige Aufheizung der Umgebung auftrat. Die Nutzung des Widerstandsdrahtes schaffte eine gleichmäßigere Verteilung der erzeugten Wärme, hatte aber den Nachteil, daß zusätzlicher Draht und Komponenten zur Produktion eines Heizkabels erforderlich waren.
Das US-Patent Nr. 4 104 509 versuchte, das Wärmeübertragungsproblem durch Nutzung von wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Mischungen aus Silikongummi, Magnesiumoxid und Silikonoxid oder anderen Mischungen in der Heizelementummantelung zur Schaffung eines besseren Überganges in Wärme (Dissipation) für die Heißleiter zu lösen. Die Nutzung dieses Designs erforderte die Nutzung zusätzlicher Materialien von dem einfachen Design, wie in US-Patent Nr. 4 072 848 gezeigt. Zusätzlich waren die vorgeschlagenen Materialien hygroskopisch, was zur Ermöglichung eines korrekten, kontinuierlichen Betriebes eine wasserdichte Versiegelung der Heizelementummantelung erforderte.
Das britische Patent Nr. 1 306 907 nutzte eine starre Umhüllung mit einer elektrisch isolierten Flüssigkeit zur Verbesserung des Wärmeübergangs von den Heißleitern zu der Umgebung. Dieses Design hatte die Probleme, daß zusätzliche Komponenten benötigt wurden und die Ummantelung war für einen korrekten Betrieb starr und beschränkte daher die Nutzungen des Kabels auf nicht-flexible Anwendungen.
Das US-Patent Nr. 4 072 848 zeigte an, daß die Leiter die Heißleiter bei der Wärmedissipation unterstützten. Die in Nr. 4 072 848 offenbarten Leiter hatten eine kleine Oberfläche und kleine Kontaktflächen mit dem Heizleiter, so daß die entlang der Leiter dissipierte und übertragene Wärme relativ begrenzt war. Die dielektrischen oder Isolationsmaterialien waren die primären Mittel der Wärmeleitung, und es entwickelte sich wegen der schlechten Wärmeübertragungseigenschaften der dielektrischen Materialien ein schlechtes Heizmuster und niedrige thermische Leitfähigkeit.
Zusätzlich bewirkten die früheren, Heißleiter in flexiblen Heizkabeln nutzenden Ausführungen große thermische und mechanische Spannungen auf die zusammenpassenden Oberflächen der Heißleiter und der Spannungsquellenleiter. Dies begrenzte die Flexibilität oder Größengebung der Komponenten in dem Heizkabel.
FR-A-2 496 382 offenbart ein Heizelement mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Jedoch ist in diesem Dokument das Problem der Wärmeübertragung von den Heißleitern zu der Umgebung nicht diskutiert. Ganz im Gegenteil ist es Hauptaufgabe von FR-A-2 496 382, ein Heizelement zu schaffen, das nicht feuchteempfindlich ist und das leicht zu warten oder auszuwechseln ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Wärmeleitfähigkeit des Kabels zu verbessern, so daß eine größere Leistung erzeugt werden kann, bevor es in einen Temperatur-Selbstregelmodus übergeht. Ein anderes Ziel ist die Schaffung einer verbesserten Wärmeverteilung des Kabels.
Diese Probleme werden gelöst durch elektrische Heizkabel mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 14. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 11 beschrieben. Methoden zum Zusammenbau der Heizkabel sind in den Ansprüchen 12 und 13 beansprucht.
Der Wortlaut der Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Ein elektrisches Heizkabel entsprechend der Erfindung zur Bereitstellung von Wärme für Rohre, Tanks und dgl. umfasst erste und zweite Leitermittel, die sich parallel zueinander und im Abstand voneinander entlang der Länge des Kabels zur Beförderung elektrischen Stroms und zur Leitung von Wärme erstrecken, jedes der Leitermittel mit einem im wesentlichen flachen, langgestreckten elektrischen Leiter; Heizmitteln mit einer Vielzahl von Chips aus Heizmaterial mit variablem Widerstand, die zwischen die ersten und zweiten Leitermittel an in Längsrichtung beabstandeten Orten geschaltet sind, zur Erzeugung von Wärme, wenn Strom durch sie hindurchfließt, wobei die Chips mit variablem Widerstand wesentlich im Widerstand ansteigen, wenn eine Temperaturgrenze erreicht ist, um den durch die Heizmittel fließenden Strom zu reduzieren und um die Wärmeabgabe des Kabels zu kontrollieren; und Mitteln zur Verhinderung von Kontakt zwischen den ersten und zweiten Leitermitteln entlang der Länge des Kabels, dadurch gekennzeichnet, daß der longitudinale Wärmewiderstand von jedem der Leitermittel geringer ist als der longitudinale Wärmewiderstand des Mittels zur Verhinderung von Kontakt; und daß die Leitermittel mit den Heizmitteln durch Weichlöten, Hartlöten oder Schweißen verbunden sind.
Das Heizkabel der vorliegenden Erfindung hat im wesentlichen flache, vorzugsweise geflochtene, elektrische Leiter, die in übereinanderliegender, paralleler Beziehung angeordnet sind und eine Vielzahl von in Längsrichtung beabstandeten, elektrisch mit diesen verbundenen Heißleitern, wobei die elektrischen Leiter durch Dissipation der durch die Heißleiter erzeugten Wärme weg von diesem als die primären Wärmeübertragungsmittel dienen. Eine solche Konstruktion ergibt im Vergleich zum Stand der Technik eine wesentlich bessere Wärmeübertragung zwischen den Leitern und dem Heißleiter und ermöglicht somit, daß mehr Wärme von dem Heißleiter abgenommen wird. Auch ermöglicht es eine solche Konstruktion dem Heißleiter, mit derselben Spannung viel höhere Leistungsniveaus zu erzeugen, bevor der Heißleiter die selbstbegrenzende Temperatur oder den Curiepunkt erreicht.
Derart verbesserte Wärmeübertragung verbessert die Temperaturverteilung entlang der Länge des Kabels, weil die Wärme entlang der elektrischen Leiter übertragen wird, die gute Wärmeleiter sind, und weg von den Heißleitern, was die Menge an lokaler Wärme begrenzt und das Wärmegleichgewicht des Kabels verbessert.
Die Nutzung der geflochtenen elektrischen Leiter reduziert wesentlich die thermischen und mechanischen Spannungen, die an den Verbindungen zwischen den Leitern und den Heißleitern auftreten, wegen der verteilten, multidirektionalen Kräfte, die wegen der geringeren Größe und größeren Anzahl von Drahtlitzen in dem Geflecht im Vergleich zu den im Stand der Technik benutzten Drähten ausgeübt werden.
Fig. 1 ist eine Querschnitts-Endansicht eines gemäß dem Stand der Technik konstruierten Heizkabels.
Fig. 2 ist eine Querschnitts-Endansicht eines Heizkabels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine Querschnitts-Aufsicht des Heizkabels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine Querschnitts-Endansicht eines Heizkabels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist eine Querschnitts-Endansicht eines Heizkabels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 ist eine Querschnitts-Seitenansicht eines Heizkabels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die die bei gegebenen Temperaturen und gegebenen Spannungen erzeugte Einheitsleistung für das Heizkabel von Fig. 1 erläutert.
Fig. 8 ist eine graphische Darstellung, die die bei gegebenen Temperaturen und gegebenen Spannungen erzeugte Einheitsleistung für das Heizkabel von Fig. 2 repräsentiert.
In bezug auf die Zeichnungen bezeichnet der Buchstabe C generell das Heizkabel, wobei der numerische Zusatz die spezifische Ausführungsform des Heizkabels C anzeigt.
Fig. 1 erläutert ein Heizkabel CO, das entsprechend dem Stand der Technik konstruiert ist. Drähte 10 und 12 sind an einem Heißleiter 16 durch verschiedene bekannte Weichlot- oder Hartlotmaterialien 14 zur Schaffung eines elektrischen Kontaktes zwischen den Drähten 10, 12 und dem Heißleiter 16 angebracht und bilden den elektrischen Stromkreis des Heizkabels CO. Dieser Aufbau ist von einem dielektrischen, isolierenden Material 18 zur Schaffung der priinären elektrischen Isolationsmittel für dieses Heizkabel CO umgeben. Die primäre Isolation 10 ist durch eine äußere elektrische Isolation 20 abgedeckt, um das Heizkabel CO und die Umgebung völlig zu schützen.
Fig. 2 erläutert die bevorzugte Ausführungsform eines Heizkabels C1, das entsprechend der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Mehrere Heißleiter 16 sind in einen sie separierenden dielektrischen Isolator 26 eingesetzt. Das trennende Dielektrikum 26 enthält eine Reihe von Löchern oder Höhlungen 27 (Fig. 3), in denen die Heißleiter 16 installiert sind. Der Abstand zwischen den Löchern 27 wird abhängig von der spezifischen Größe der Heißleiter 16 und der Anzahl der Heißleiter 16, die für eine gewünschte Wärmeabgabe des Heizkabels C1 erforderlich sind, variiert. Vorzugsweise sind die Löcher 27 geringfügig kleiner als die Größe der Heißleiter 16, so daß die Heißleiter 16 fest in dem trennenden Dielektrikum 26 zurückgehalten werden. Die Heißleiter 16 sind als im Querschnitt rund gezeigt, aber es kann jede gewünschte Form benutzt werden, wobei die Löcher 27 entsprechende Formen haben. Das dielektrische Material kann Gummi, thermoplastische Harze wie Polyethylen, Polytetrafluorethylen, Asbestfasern, oder irgendein ausreichendes Material sein, das ein elektrisch isolierendes Material ist und in der Lage ist, den Temperaturen der Heißleiter 16 zu widerstehen, während ausreichend Wärme geleitet wird wie gewünscht, und das flexibel ist, um eine Biegung des Heizkabels C1 wie gewünscht zu ermöglichen.
Flache, vorzugsweise geflochtene Leiter 22, 24 werden dann parallel zueinander in der Längsrichtung und an gegenüberliegenden Seiten des trennenden Dielektrikums 26 installiert, um eine Quelle für elektrische Energie zu schaffen, die durch die Heißleiter 16 zur Erzeugung von Wärme umgewandelt wird. Die flachen Leiter 22, 24 sind an den Heißleitern 16 durch Weichlöten, Hartlöten, Schweißen oder eine andersartige elektrische und mechanische Verbindung der Leiter 22, 24 mit den plattierten Oberflächen der Heißleiter 16 angebracht. Nachdem die flachen Leiter 22, 24 mit den Heißleitern 16 verbunden worden sind, wird eine äußere Isolierschicht 28 vorgesehen, um das Heizkabel C1 vor der Umgebung zu schützen. Auf diese Weise werden Kurzschluß und mögliche Stoßbedingungen verhindert.
Überraschenderweise ergibt eine solche Konstruktion, daß die parallelen Heizleiter 22, 24 die primären Wärmeübertragungsmittel werden, obwohl die Drahtgröße (wire gauge size) dieselbe ist, wie sie in den früheren Heizaufbauten genutzt wurde. Die Nutzung der flachen Leiter 22, 24 ermöglicht einen niedrigeren Wärmewiderstand der Leiter/Heißleiter-Verbindungsstelle wegen des vergrößerten mechanischen Kontakts, der entsteht, wenn der Heißleiter mit dem Leiter verbunden wird. Dieser verminderte Wärmewiderstand ermöglicht wiederum, daß mehr Wärme in die Leiter 22, 24 fließt, die die Wärme leichter entlang ihrer Länge leiten als die dielektrischen Schicht oder die Runddraht-Leiter 10, 12 des Standes der Technik. So wird aufgrund dieser Erfindung mehr Wärme von den Heißleitern 16 abgeführt und die Wärme wird gleichmäßiger entlang der Länge des Kabels C1 verteilt.
Die Leiter 22, 24 sind vorzugsweise aus geflochtenem Kupferdraht gebildet, der in flachen Streifen mit einer Breite, die etwa der Breite des Heizkabels entspricht, geformt ist, wie am besten in den Figuren 2 und 3 zu sehen. Ein beispielsweiser Draht ist ein 12er (number 12 gauge) Draht, der 9.53 mm (3/8") breit und 0.79 mm (1/32") dick ist und 48 Träger mit jeweils 6 Litzen aufweist, jede Litze aus 36er Draht (36 gauge wire), was als ein 48-6-36 Kabel beschrieben wird. Diese Ausbildung des flachen Leiters ist im Gegensatz zu konventionellen Drähten 10, 12 (Fig. 1), bei denen 12er Kupferdraht (12 gauge copper wire) ausgebildet wird durch Nutzung von 37 Drähten mit 28er Größe (28 gauge size). Die einzelnen Kupferlitzen können mit einer Zinn-, Silber-, Aluminium- oder Nickelplattierung beschichtet sein. Bei einer Ausführungsform sind die Leiter 22, 24 aus einer Vielzahl von parallelen, gelitzten Kupferleitern gebildet. Das Maß (gauge) von jedem der einzelnen Drähte ist kleiner als das Maß der Leiter in dem Design des Standes der Technik, aber die Vielzahl der Drähte entwickelt das gewünschte Gesamtdrahtmaß. Die einzelnen Drähte werden parallel und benachbart zueinander entlang der Länge des Kabels angeordnet, um im wesentlichen einen flachen Leiter mit Eigenschaften ähnlich der geflochtenen Drähte zu bilden. Als andere Möglichkeit kann der flache Leiter aus einer Vielzahl von Kohlenstoff- oder Graphitfasern, leitend beschichteten Glasfasergarn oder anderen ähnlichen Materialien bekannter Konstruktion, wie sie üblicherweise in Fahrzeug-Zündkabeln genutzt und in US-Patent Nr. 4 369 423 offenbart sind, gewoben sein. Die Fasern können mit Nickel galvanisch beschichtet sein, um die Leitfähigkeit der Fasern weiter zu verbessern. Ausreichende Anzahlen der Fasern sind verwoben, um einen flachen Leiter zu schaffen, der in der Lage ist, die notwendigen elektrischen Belastungen zu tragen.
Die Flachleiterkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise mit einer wesentlich größeren Anzahl kleiner Drähte gebildet, die in ein kreuzweise (schraffiertes) Muster verflochten sind. Die erhöhte Anzahl von Kontakten kleinerer Drähte und das kreuzweise schraffierte Muster, das durch die verflochtenen Leiter entwickelt wird, verringern die thermischen und mechanischen Spannungen, die an der Verbindung zwischen den Leitern 22, 24 und dem Heißleiter 16 auftreten. Die thermischen Spannungen treten aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungsraten und anderer Gründe auf und die mechanischen Spannungen treten wegen der flexiblen Natur des Kabels C1 auf. Weil die geflochtenen Drähte klein und in vielen verschiedenen Richtungen in bezug auf die Achse des Kabels angeordnet sind, sind die ausgeübten Kräfte kleiner, wodurch die Zuverlässigkeit des Kabels C1 erhöht wird.
Das Heizkabel C2 (Fig. 4) ist in Konstruktion und Design ähnlich mit dem Kabel C1, aber es benutzt massive, im wesentlichen flache Kupferstreifenleiter 30, 32 anstatt der geflochtenen Leiter 22, 24 von Kabel C1.
Das in Fig. 5 gezeigte Heizkabel C3 ist in einer anderen Weise als der der Kabel C1 oder C2 konstruiert. Das Heizkabel C3 wird hergestellt durch Anordnung der Heißleiter 16 an den gewünschten Orten zwischen den oberen und unteren Leitern 22, 24. Diesmal wird keine trennende dielektrische Schicht 26 installiert. Die Heißleiter 16 werden dann mit den Leitern 22, 24 durch Hartlöten, Weichlöten, Schweißen oder in anderer elektrisch und mechanisch die Oberflächen verbindenden Weise verbunden. Nachdem die Heißleiter 16 und die Leiter 22, 24 verbunden sind, um einen elektrischen Aufbau zu bilden, wird ein abdeckendes und trennendes dielektrisches Material 34 zwischen die Leiter 22, 24 abgelagert, um sie elektrisch und physisch voneinander beabstandet zu halten, so daß das dielektrische Material 24 die Leiter 22, 24 zur Verhinderung von Kurzschlüssen trennt. Dieser getrennte Aufbau hat dann eine äußere isolierende Schicht 36, die zum Schutz der umgebenden Umgebung vor Beeinflußung durch das elektrische Potential des Kabels C3 angebracht ist. Diese Methode der Konstruktion schafft die Notwendigkeit für eine separat gebildete, trennende, dielektrische Schicht 26 ab und ermöglicht es, daß die dielektrische Schicht, die zur Leitertrennung benutzt wird- am Ort an dem Kabel gebildet wird.
Heizkabel C4 (Fig. 6) ist noch eine andere alternative Ausführungsform eines Heizkabels entsprechend der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform sind beide elektrischen Leiter 22, 24 völlig isoliert durch ihre eigenen Isolierschichten 38, 40. Diese Isolierschichten 38, 40 enthalten, wo notwendig, Öffnungen, so daß die Leiter 22, 24 in elektrischem Kontakt mit den Heißleitern 16 sind zur Schaffung von elektrischen Verbindungen, die notwendig sind, damit der Heißleiter 16 seine heizenden Funktionen ausführen kann. Diese Konstruktion ermöglicht, daß das Kabel C4 ohne separate Isolation zur Trennung der Leiter 22, 24 hergestellt werden kann.

Beispiel 1 - Stand der Technik

Es wurde ein Heißleiter-Heizkabel CO, wie in Fig. 1 gezeigt, konstruiert. Die Heißleiter 16 wurden für 300 Volt-Betrieb ausgelegt und hatten eine Curietemperatur von 124 - 128ºC. Die Heißleiter 16 wurden 101.6 mm (4 Inches) voneinander entfernt entlang der Länge des Heizkabels angeordnet und mit 12er Kupferdrähten 10, 12 verbunden, die einer 37/28 gelitzten Konstruktion mit einer silberhaltigen Legierung entsprachen. Die Anordnung wurde mit FEP Teflon elektrisch isoliert, einem Isoliermaterial, das von E.I. DuPont deNemours erhältlich ist. Das vervollständigte Heizkabel CO hatte einen Widerstand von 263 Ohm bei einer Raumtemperatur von 23.9ºC (75ºF). Eine Länge von 0.3048 m (1 Fuß) von diesem Kabel CO wurde dann in eine Klimakammer eingebaut, die in der Lage ist, die Kammertemperatur zu regeln. Das Kabel wurde bei Spannungen von 0 Volt bis 300 Volt erregt. Es wurden Gleichgewichtstemperaturen von 10ºC (50ºF), 37.8ºC (100ºF), 93.3ºC (200ºF) und 148.9aC (300ºF) in der Klimakammer eingestellt und die Leistungsaufnahme des Heizkabels bei den verschiedenen Spannungen und Temperaturen wurde aufgezeichnet. Die Ergebnisse dieser Bestimmung sind in Fig. 7 gezeigt. Die Temperatur der Klimakammer wurde dann auf 43.3aC (110ºF) eingestellt und die Heizanordnung wurde mit einer Spannungsversorgung von 120.2 Volt verbunden. Die resultierende Stromablesung war 0.121 Ampere, was 14.5 Watt Leistung erzeugt. Während dieser Gleichgewichtsbedingung von 43.3ºC (110ºf) wurden an der äußeren Oberfläche der äußeren Isolation 20 Thermoelementablesungen vorgenommen, mit einer Ablesung, die nahe bei dem Heißleiter 16 genommen wurde und einer zweiten Messung, die an einem Punkt auf halber Strecke zwischen zwei Heißleitern genommen wurde. Die gemessene Temperatur am Ort des Heißleiters betrug 98.3ºC (209ºF) und die Temperatur an dem Ort des Xittelpunktes war 73.9ºC (165ºF), was ein Temperaturdifferential von 24.4ºC (44ºF) zwischen den Orten ausmacht.

Beispiel 2

Es wurde ein Heizkabel C1 aus Kupferdrahtgeflecht entsprechend den Fig. 2 und 3 mit identischen Heißleitern für 300 Volt mit Curietemperatur 124 bis 128ºC konstruiert. Die Heißleiter 16 wurden mit 101.6 mm (4 Inch) Abständen entlang des dielektrischen Streifens 26 plaziert. Flache, geflochtene Kupferleiter 22, 24 mit einer 48-6-36-Konstruktion wurden dann sicher an den Heißleitern 16 befestigt mit derselben Silberlegierung, wie sie in Beispiel 4 benutzt wurde. Dieses Kabel wurde dann isoliert mit einer ähnlichen FEP Teflon - Isolation. Das fertiggestellte Heizkabel C1 hatte einen Widerstand von 270 Ohm bei einer Raumtemperatur von 23.9ºC (75ºF). Dieses Heizkabel C1 wurde dann in der Klimakammer plaziert und bei Gleichgewichtstemperaturen von 10ºC (50ºF), 37.8ºC (100ºF), 93.3ºC (200ºF) und 148.9ºC (300ºF) getestet und mit Spannungen zwischen 0 und 300 Volt wie in dem vorhergehenden Beispiel erregt. Die Leistungsaufnahme bei den verschiedenen Spannungen und Temperaturen wurde aufgezeichnet und die Ergebnisse sind in Fig. 8 gezeigt.
Wie aus dem Vergleich der Figuren 7 und 8 gesehen werden kann, erzeugte das gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierte Kabel C1 bei einer gegebenen Spannung und Temperatur eine wesentlich größere Menge von Leistung. Zum Beispiel erzeugte das Kabel CO des Standes der Technik bei 120 Volt und 10ºC (50ºF) 18.75 Watt pro 0.3048 m (Fuß), während das gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierte Kabel überraschenderweise 28.5 Watt pro 0.3048 m (Fuß) erzeugte.
Eine Länge von 0.3048 m (1 Fuß) des Heizkabels C1 wurde dann in eine auf 43.3ºC (110ºF) eingestellte Klimakammer eingebracht und bei einigen verschiedenen Spannungsniveaus eingeschaltet, bis sich die Leistungsabgabe nahe an die Leistungsabgabe der vorhergehenden Beispiele angenähert hatte. Das wie in diesem Beispiel konstruierte Kabel C1 wurde mit 50 Volt erregt und hatte eine Stromablesung von 0.284 Ampere zur Erzeugung von 14.2 Watt Leistung. Es wurden auch Thermoelementablesungen des Kabels C1 durchgeführt, wobei die Thermoelementablesungen wieder nahe dem Heißleiter 16 und an einem Ort in der Mitte zwischen benachbarten Heißleitern 16 durchgeführt wurden. Die am Ort des Heißleiters bestimmte Temperatur betrug 85ºC (185F) und die Temperatur an dem mittleren Ort betrug 69.4ºC (157ºF), was eine Temperaturdifferenz von 15.6ºC (28ºF) ausmacht. Wie gesehen werden kann, war die Temperaturdifferenz zwischen dem Ort des Heißleiters und dem Ort des Halbierungspunktes wesentlich reduziert, wodurch die thermisch induzierten Spannungen, die in dem Kabel C1 wegen der differentiellen Temperatur und der daraus resultierenden Ausdehnung existieren, reduziert werden und die Gleichförmigkeit der Wärmeniveaus, die für das Rohr oder den Tank, an die das Kabel angebracht ist, bereitgestellt werden, verbessert wird.
Daher verbessert die vorliegende Erfindung wesentlich die Wärmeleitfähigkeit des Kabels, so daß der Heißleiter größere Leistung erzeugen kann, bevor er in einen Temperatur-Selbstregelmodus übergeht. Zusätzlich werden dabei wegen der besseren Temperaturverteilung des Kabels die sich daraus entwickelnden thermischen und mechanischen Spannungen reduziert.
Es wird verstanden werden, daß, weil die Wärme ursprünglich an den Heißleitern erzeugt wird, das Kabel selektiv in jede gewünschte Länge geformt oder geschnitten werden kann, wobei immer noch dieselbe Watt-pro-Fuß-Leistungsfähigkeit für die ausgewählte Länge erhalten bleibt.

Claims

1. Elektrisches Heizkabel (C1, C2, C3, C4) zur Bereitstellung von Wärme für Rohre, Tanks und dergleichen mit:

ersten und zweiten Leitermitteln (22, 24; 30, 32), die sich parallel zueinander und im Abstand voneinander entlang der Länge des Kabels zur Beförderung elektrischen Stroms und zur Leitung von Wärme erstrecken,

jedes der Leitermittel mit einem im wesentlichen flachen, langgestreckten elektrischen Leiter;

Heizmitteln (16) mit einer Vielzahl von Chips aus Heizmaterial mit variablem Widerstand, die zwischen den ersten und zweiten Leitermitteln an in Längsrichtung beabstandeten Orten verbunden sind, zur Erzeugung von Wärme, wenn Strom durch sie hindurchfließt, wobei die Chips mit variablem Widerstand wesentlich im Widerstand ansteigen, wenn eine Temperaturgrenze erreicht ist, um den durch die Heizmittel fließenden Strom zu reduzieren und um die Wärmeabgabe des Kabels zu steuern; und

Mitteln (26; 34) zur Verhinderung von Kontakt zwischen den ersten und zweiten Leitermitteln entlang der Länge des Kabels, dadurch gekennzeichnet, daß der longitudinale Wärmewiderstand von jedem der Leitermittel (22, 24; 30, 32) geringer ist als der longitudinale Wärmewiderstand des Mittels zur Verhinderung von Kontakt (26, 34); und daß die Leitermittel (22, 24; 30, 32) mit den Heizmitteln (16) durch Weichlöten, Hartlöten oder Schweißen verbunden sind.

2. Heizkabel nach Anspruch 1 mit isolierendem Material, das die Leitermittel umgibt, um die Möglichkeit von Kurzschluß oder Stoß zu verhindern.

3. Heizkabel nach Anspruch 1, bei dem das Mittel zur Verhinderung von Kontakt ein isolierendes Material ist, das in beabstandeten Zwischenräumen Taschen aufweist, in denen die Chips mit variablem Widerstand angeordnet sind.

4. Heizkabel nach Anspruch 1, bei dem jedes der Leitermittel geflochtene Kupferdrähte aufweist.

5. Heizkabel nach Anspruch 4, bei dem der geflochtene Kupferdraht plattiert ist.

6. Heizkabel nach Anspruch 5, bei dem das Plattierungsmaterial entweder Zinn oder Silber oder Aluminium oder Nickel ist.

7. Heizkabel nach Anspruch 1, bei dem jedes der Leitermittel im wesentlichen flache, massive Kupferstreifen aufweist.

8. Heizkabel nach Anspruch 1, bei dem jedes der Leitermittel eine Vielzahl elektrisch leitender Fasern aufweist, die zu im wesentlichen flachen Streifen verwoben sind.

9. Heizkabel nach Anspruch 1, bei dem das Mittel zur Verhinderung von Kontakt ein isolierendes Material ist, das jedes Leitermittel getrennt umschließt und bei dem Abschnitte entfernt sind, um eine Verbindung zwischen den Chips mit variablem Widerstand und den Leitermitteln zu ermöglichen.

10. Heizkabel nach Anspruch 1, bei dem das Mittel zur Verhinderung von Kontakt ein isolierendes Material ist, das außer bei den Chips zwischen den Leitermitteln im wesentlichen über die gesamte Länge angeordnet ist.

11. Heizkabel nach Anspruch 1, bei dem jedes der Leitermittel eine Vielzahl paralleler, benachbarter, litzenartiger Drähte aufweist.

12. Verfahren zum Zusammenbau eines elektrischen Heizkabels mit:

Vorbereitung eines ersten isolierenden Mittels durch Entfernung von Abschnitten eines im wesentlichen flachen isolierenden Materials in beabstandeten Zwischenräumen zur Bildung von Taschen;

Einsetzen einer Vielzahl von Chips aus Heizmaterial mit variablem Widerstand zur Wärmeerzeugung, wenn Strom durch diese fließt, in die Taschen;

Plazierung eines ersten im wesentlichen flachen, langgestreckten Leitermittels zur Beförderung elektrischen Stroms und zur Wärmeleitung parallel zu dem ersten isolierenden Mittel entlang der oberen Oberfläche des ersten isolierenden Mittels und in Kontakt mit den Chips mit variablem Widerstand;

Plazierung eines zweiten im wesentlichen flachen, langgestreckten Leitermittels zur Beförderung elektrischen Stromes und zur Wärmeleitung parallel zu dem ersten isolierenden Mittel entlang der unteren Oberfläche des ersten isolierenden Mittels und in Kontakt mit den Chips mit variablem Widerstand;

elektrische und mechanische Verbindung der Chips mit variablem Widerstand mit dem ersten und dem zweiten Leitermittel; und

Bildung eines zweiten isolierenden Mittels durch Umschließung der durch die vorhergehenden Schritte gebildeten Struktur mit isolierenden Materialien zur Isolierung des Heizkabels von der Umgebung.

13. Verfahren zum Zusammenbau eines elektrischen Heizkabels mit:

Vorbereitung eines ersten im wesentlichen flachen, langgestreckten Leitermittels zur Beförderung elektrischen Stroms und zur Wärmeleitung;

Plazierung einer Vielzahl von Chips aus Heizmaterialien mit variablem Widerstand zur Erzeugung von Wärme, wenn Strom durch sie fließt, in Kontakt mit dem ersten Leitermittel;

Plazierung eines zweiten im wesentlichen flachen, langgestreckten Leitermittels zur Beförderung elektrischen Stroms und zur Leitung von Wärme, in Kontakt mit den Chips mit variablem Widerstand;

elektrische und mechanische Verbindung der Chips mit variablem Widerstand mit den ersten und zweiten Leitermitteln; und

Umschließung der durch die vorhergehenden Schritte gebildeten Struktur mit isolierenden Materialien zur Isolierung jedes der Leitermittel voneinander und zur Isolierung des Kabels von der Umgebung.

14. Elektrisches Heizkabel (C1, C2, C3, C4) zur Bereitstellung von Wärme für Rohre, Tanks und dergleichen mit:

ersten und zweiten Leitermitteln (22, 24; 30, 32), die sich parallel zueinander und mit Abstand voneinander entlang der Länge des Kabels zur Beförderung elektrischen Stroms und zur Leitung von Wärme erstrecken;

jedes der Leitermittel mit einem im wesentlichen flachen, langgestreckten, viellitzigen elektrischen Leiter;

Heizmitteln (16) mit Heizmaterial mit variablem Widerstand, das zwischen dem ersten und dem zweiten Leitermittel verbunden ist zur Erzeugung von Wärme, wenn Strom durch es hindurchfließt, wobei das Heizmaterial mit variablem Widerstand wesentlich im Widerstand ansteigt, wenn eine Temperaturgrenze erreicht ist zur Reduzierung des durch die Heizmittel fließenden Stroms und zur Steuerung der Wärmeabgabe des Kabels;

Mitteln (26; 34) zur Verhinderung von Kontakt zwischen den ersten und zweiten Leitermitteln entlang der Länge des Kabels, dadurch gekennzeichnet, daß

der longitudinale Wärmewiderstand jedes der Leitermittel (22, 24; 30, 32) geringer ist als der longitudinale Wärmewiderstand des Mittels zur Verhinderung von Kontakt (26; 34).