DE4030183A1 - Elektrisches heizkabel - Google Patents
Elektrisches heizkabelInfo
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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 70TM von der Kanthal
Corporation Connecticut oder als BALCO ALLOY 400TM 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:
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.
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).
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 70TM
(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.
Claims (7)
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.
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