DE4030183A1

DE4030183A1 - Elektrisches heizkabel

Info

Publication number: DE4030183A1
Application number: DE19904030183
Authority: DE
Inventors: Clenwood Franklin Heizer
Original assignee: Thermon Manufacturing Co
Current assignee: Thermon Manufacturing Co
Priority date: 1989-09-22
Filing date: 1990-09-24
Publication date: 1991-04-04
Also published as: CA1338315C; GB9006851D0; GB2236236A; FR2652477A1

Description

Die Erfindung befaßt sich mit dem Gebiet der Heizkabel.

Auf dem Markt existieren zwei allgemeine Typen von dem nach dem Paralleltyp aufgebauten Heizkabeln, die miteinander konkurrieren für eine maximale Nutzung in der Haushalts-, Handels- und Verfahrens-Industrie. Diese Kabel enthalten Heizelemente, die elektrisch parallel, entweder kontinuier lich oder in Abschnitten geschaltet sind, so daß die Watt dichte pro linearer Länge bzw. Längeneinheit unabhängig von irgendeiner Längenänderung des Heizkabels aufrechterhalten wird. Ein Heizkabel vom Parallelabschnittyp umfaßt zwei oder mehr parallele isolierte Elektrodendrähte, um welche ein Widerstandsdraht wendelförmig gewickelt ist. Die Elektrodendrähte sind an diskreten Punkten oder Zonen bzw. Abschnitten entlang ihrer Länge wechselweise freigelegt, um es dem Strom zu ermöglichen, durch den Widerstandsdraht zu fließen, welcher aufgrund seines hohen Widerstandes heiß wird. Das Kabel ist dann mit einer oder mehreren Isolierschichten bzw. Isolierlagen abgedeckt. Diese Kabelform hat Vorteile: sie ist relativ kostengünstig und leicht herzustellen und erreicht wiederholt einen vorbestimmten Wärmeausgang bei einer bekannten, zwischen den Elektrodendrähten angelegten Spannung. Sie hat dennoch einige Nachteile: sie ist leicht zu beschädigen und hat nur eine begrenzte Nutzbarkeit in Situationen mit veränderlichen Umgebungstemperaturen, wie solchen, die beim Heizen und Temperaturhalten empfindlicher Produkte angetroffen werden.

Der zweite Kabeltyp ist als ein kontinuierliches, selbst begrenzendes oder selbstregulierendes Kabel bekannt. Es umfaßt zwei oder mehr parallele Elektrodendrähte, die in einer elektrisch leitenden Polymermatrix eingebettet sind. Die primäre Kabelkonstruktion wird dann mit einer oder mehreren Isolierschichten bzw. Isolierlagen abgedeckt bzw. umschlossen. Ein Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden führt zu Stromfluß durch die elektrisch widerstandsbehaftete Matrix und führt zur Wärmeentwicklung. Typischerweise muß dieser Heizkabeltyp quervernetzt sein, um die Betriebseigenschaften des fertiggestellten Produkts zu stabilisieren. Bei einer erhöhten Betriebstemperatur vermindert sich der Stromfluß aufgrund eines erhöhten Widerstandes der Polymermatrix. Es ist dann einzusehen, daß diese Kabelform eine bevorzugte Anwendung in Situationen mit veränderlicher Umgebungstemperatur findet, da es seinen thermischen Ausgang reguliert, wenn der kombinierte Effekt aus der Umgebungstemperatur und der durch das Kabel erzeugten Wärme eine Widerstandsänderung in der Matrix erzeugt. Da die leitende Matrix eine Zusammensetzung ist, variiert der inkrementale bzw. differentielle thermische Ausgang, was zu einer heißen und kalten Punktbildung bzw. Bildung heißer und kalter Punkte entlang der Länge des fertiggestellten Kabels führt. Dieser Heizkabeltyp zeichnet sich ebenfalls durch einen hohen Einschaltstoßstrom aus, der die Benutzung einer überbemessenen Verteilerverdrahtung und Kreisschalterauslegung erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges Heizkabel mit den Vorteilen jedes der beiden vorstehend beschriebenen Heizkabel vorzusehen, bei welchem die relativen Nachteile verringert oder elminiert sind.

Im weiteren Sinne bezieht sich die Erfindung auf ein elektrisches Heizkabel mit zumindest zwei Elektroden-Viel fachleiter-Drähten, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Elektroden an mit Abstand voneinander angeordneten Stellen durch einen Heizdraht elektrisch überbrückt sind, der einen größeren elektrischen Widerstand als die Elektroden aufweist, wobei der Heizdraht aus einem Metall mit einem hohen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) und hohem spezifischem Widerstand hergestellt ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei oder drei Elektrodendrähten;

Fig. 2 eine Aufzeichnung der Kennlinienkurve in Watt/Fuß aufgetragen über der Temperatur (°F) des erfindungsgemäßen Kabels; und

Fig. 3 ein Schema eines Herstellungsverfahrens, welches benutzt werden kann, das erfindungsgemäße Kabel herzustellen.

Nach Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Kabel mit zumindest zwei Elektroden-Sammelschienen- bzw. -Vielfachleiter-Drähten 1 vorgesehen, die mit einer temperaturbemessenen bzw. tem peraturfesten und elektrisch isolierenden Umhüllung 2 abge deckt sind. Die Elektrodendrähte können in einer parallelen Konfiguration Seite an Seite oder einer spiralförmigen Konfiguration vorgesehen sein. Die Elektrodenisolierung ist in regelmäßigen abwechselnden Intervallen 3 abisoliert bzw. frei gelassen, um die Vielfachleiter-Drähte freizulegen. Ein Widerstandsdraht oder Element, welches einen PTC (positiven Temperaturkoeffizienten) aufweist, ist wendelförmig über die Elektroden-Vielfachdraht-Konstruktion 4 gewickelt. Es ist dann festzustellen, daß der Widerstandsdraht 4 die Elektrode von Seite zu Seite, wo die Isolierungslagen entfernt sind, überbrückt. Wenn die Elektroden mit Leitungsspannung verbunden sind, fließt Strom im Widerstandsdraht, der diesen veranlaßt, in seiner Temperatur anzusteigen und dem Kabel seine Heizfähigkeit zu geben.

Der bei der Erfindung benutzte Widerstandsdraht 4 hat PTC-Kennlinien und ist aus einer Legierung hergestellt, die PTC-Eigenschaften aufweist, wie einer 70 Ni, 30% Fe Legierung, die von der KANTHAL 70^TM von der Kanthal Corporation Connecticut oder als BALCO ALLOY 400^TM von der Carpenter Technology Toronto, Ontario erhältlich ist.

Erfindungsgemäß ist ebenfalls eine wendelförmig gewickelte Glasgespinst- bzw. Glasfaser-Lage über dem Widerstandsdraht vorgesehen. Glasfasergarn 5 ist auf den Draht gewickelt unter Benutzung einer Anordnung, die angewendet wird, den Widerstandsdraht auf ein Heizkabel zu wickeln, wie es schematisch in Fig. 3 gezeigt ist. Es wurde gefunden, daß auf diese Weise eine Glasfaserlage drei- bis fünfmal fester auf die Kabelkonstruktion aufgebracht werden kann als mit konventionellen Flechttechniken. Darüber hinaus ist auch der Vorteil, der einer Glasfaserlage eigen ist, d.h. die Flexi bilität, die sie dem Kabel gibt, während sie den Widerstandsdraht gegen Brechen schützt, noch evident.

Um die Kabelkonstruktion fertigzustellen, überdeckt eine weitere temperaturbemessene bzw. temperaturfeste Schicht 6 die Glasfaserlage.

Die Erfindung wird weiterhin anhand von Tests veranschaulicht, die an dem erfindungsgemäßen Kabel ausgeführt worden sind, nämlich wie folgt:

Testablauf

Ein 3 m (10′) Abschnitt eines Doppelelektroden-VPC-501 (Bezeichnung des Anmelders für erfindungsgemäß produzierte Kabel) wird an der Leistungsausgangs-Überprüfungs-Text- Befestigungsvorrichtung bzw. -Spannvorrichtung angeordnet, die aus einem Kohlenstoffstahlrohr von 50 mm (2′′) besteht, welches mit einem Zirkulationssystem verbunden wird. Das Rohr wird mit Glasfaser von 36 mm (1,5′′) isoliert und mit einer Wetterbarriere bzw. Abdeckung abgedeckt. Das Zirkulationssystem wird angeschaltet und die Rohrtemperatur auf die gewünschte Temperatur heruntergeführt. Das Kabel wird mit Energie unter der Nennspannung versorgt und es wird ihm ermöglicht, den Gleichgewichtszustand zu erreichen. Dann wird die Stromstärke aufgezeichnet. Dieser Ablauf wird bei mehreren spezifierten bzw. vorbestimmten Temperaturen wiederholt. Die Daten werden aufgezeichnet, um die Kennlinien-Verhaltenskurve des Kabels zu bestimmen, wobei die Ergebnisse in Fig. 2 gezeigt sind.

Testergebnisse

Die Rohrtemperatur wurde von -4°C (25°F) auf 66°C (150°F) angehoben. Stromstärkeaufzeichnungen wurden genommen und Leistungsausgänge berechnet. Die Testergebnisse sind graphisch in der Form einer Verhaltenskurve bzw. Kennlinienkurve des Leistungsausganges (w/ft) über der Rohrtemperatur (°F) aufgezeichnet worden (siehe Fig. 2).

Folgerung

Die Ausgangsleistung des Kabels im Gleichgewichtszustand nahm um näherungsweise 13,3% ab von 10°C (50°F) bis 66°C (150°F). Aus veröffentlichter Literatur zu KANTHAL 70^TM (bei der Kanthal Corporation unmittelbar erhältlich) wird eine 25%ige Änderung des Widerstandes über diesen Tempera turbereich erwartet. Die Diskrepanz entsteht dadurch, daß die Kanthal-Literatur auf einer Einzeldraht(Heizelement-) Temperatur und nicht auf einer Rohrtemperatur basiert. Anders ausgedrückt ist die Gleichgewichtszustands-Leistung (Einzeldrahtwiderstand) eine Funktion einer tatsächlichen Einzeldrahttemperatur und nicht notwendigerweise der Rohr/ Umgebungstemperatur.

Eine 25%ige Änderung träte nur auf, wenn die Einzeldraht temperatur von 10°C (50°F) bis 66°C (150°F) variieren wür de. In Wirklichkeit ist das VPC-Element über einen höheren und schmaleren Temperaturbereich in Betrieb.

Es sollte jedoch beachtet werden, daß aufgrund der Varia tionen des Umhüllungswärmeübertragungskoeffizienten, der mit zunehmender Temperatur zunimmt, und Umhüllung-Einzeldraht- Temperaturdifferenzen, die mit abnehmender elektrischer Leistungsaufnahme abnehmen, Schwankungen der Einzeldraht temperaturen zwischen Rohrtemperaturen von 10°C und 66°C viel geringer sind.

Die Ergebnisse der Temperatur über der Leistung können nachfolgend ebenso wie in Fig. 2 entnommen werden.

VPC-501 Kennlinien-Kurve

Claims

1. Elektrisches Heizkabel mit zumindest zwei Elektroden-Viel fachleiter-Drähten, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Elektroden an mit Abstand voneinander angeordneten Stellen durch einen Heizdraht elektrisch überbrückt sind, der einen größeren elektrischen Widerstand als die Elektroden aufweist, wobei der Vielfachleiter-Draht aus einem Metall mit einem hohen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) und hohem spezifischen Widerstand hergestellt ist.

2. Elektrisches Heizkabel nach Anspruch 1, bei welchem jeder Elektroden-Vielfachleiter-Draht elektrisch isoliert und der Heizdraht um die Elektroden-Vielfachleiter-Drähte wendelförmig gewickelt ist, wobei die Isolierung von den Elektroden an den mit Abstand voneinander angeordneten Stellen über die Länge des Kabels entfernt sind, wobei die Stellen abwechselnd von einem Elektrodendraht zum nächsten und so weiter entfernt sind.

3. Wendelförmig gewickelter elektrischer Widerstandshei zungsdraht nach Anspruch 2, bei welchem das Metall mit einem hohen PTC eine Legierung von etwa 70% Ni und 30% Eisen ist.

4. Elektrisches Heizkabel nach Anspruch 3, bei welchem eine weitere Lage einer elektrischen Isolierung zwischen den Elektrodendrähten und dem Heizdraht eingesetzt ist, wobei die weitere Isolierungslage mit der Isolierung jedes Elektrodendrahtes entfernt bzw. freigelegt ist, wobei jedes Freilegen so lokalisiert ist, daß der Heizdraht einen elektrischen Kontakt mit den Elektrodendrähten herstellen kann.

5. Elektrisches Heizkabel nach Anspruch 4, bei welchem das Metall mit hohem PTC einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes von etwa +,0043 bis +,0045 Ohm/Ohm/°C hat.

6. Elektrisches Heizkabel nach Anspruch 5, bei welchem eine Lage aus Glasfaserisolierung vorgesehen ist, die wendel förmig über den Heizdraht gewickelt ist.

7. Elektrisches Heizkabel nach Anspruch 6, bei welchem eine weitere Lage einer elektrischen Isolierung über der Glasfaserlage vorgesehen ist.