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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Heizkabel für eine Verwendung bei elektrischen
Trace Heating-Anwendungen.
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Trace
Heating-Kabel fallen in zwei allgemeine Kategorien, d.h., auf Länge geschnittene
Parallelwiderstandsarten und eine stationäre Länge aufweisende Reihenwiderstandsarten.
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Bei
Parallelwiderstandskabeln erstrecken sich im Allgemeinen zwei isolierte
Leiter (als Sammelschienendrähte
bekannt) in der Längsrichtung entlang
des Kabels. Ein Widerstandsheizdraht wird spiralförmig um
die Leiter angeordnet, wobei elektrische Anschlüsse abwechselnd in Intervallen
längs der
sich in Längsrichtung
erstreckenden Leiter vorgenommen werden. Das bildet eine Reihe von
kurzen Heizzonen, die entlang der Länge des Kabels beabstandet
sind. Der Heizdraht muss selektiv von den Leitern isoliert und ebenfalls
innerhalb einer isolierenden Hülle
eingeschlossen sein. Verfügbare
parallele Trace Heating-Kabel verwenden entweder polymere äußere Isolierhüllen, die
die Verwendung derartiger Kabel auf maximale Temperaturen von beispielsweise
250°C beschränken, oder
sie verwenden eine Glasisolierung für die äußere Hülle, die bei höheren Temperaturen
funktionieren kann, beispielsweise über 400°C, die aber nicht wasserdicht
sind.
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Reihenwiderstandsheizelemente
müssen speziell
so konstruiert werden, dass die erzeugte Leistung die Forderungen
für eine
spezielle Kabellänge
erfüllt.
Das ist nicht geeignet und verkörpert eine
bedeutende Beschränkung.
Im Allgemeinen umfassen Reihenheizelemente sich in Längsrichtung
erstreckende Widerstandsdrähte,
die in einer Mineralisolierung eingebettet sind, die hohe Temperaturen aushalten
kann. Eine typische Konstruktion weist zwei Ni-Chrom-Heizleiter,
eine Magnesiumoxidpulverisolierung und eine äußere Hülle aus nichtrostendem Stahl
auf. Die gesamte Konstruktion kann von einem Außendurchmesser von typischerweise
80 mm auf einen Außendurchmesser
von 4 mm gestreckt werden, wobei an der Stelle das Heizelement elastisch
ist, damit es relativ leicht installiert werden kann, und einen
elektrischen Widerstand aufweist, der eine gewünschte Leistung pro Längeneinheit
erzeugt. Leider ist der verfügbare
Bereich von Widerständen
begrenzt, und insbesondere kurze Längen (typischerweise weniger
als 10 Meter) mit geeigneten niedrigen Leistungsabgaben sind nicht
verfügbar.
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Zusammenfassend,
Parallelheizelemente sind für
eine Verwendung geeignet, sind aber nicht in Formen verfügbar, die
sowohl ein Aushalten hoher Temperaturen als auch eine wasserdichte
Konstruktion kombinieren, wohingegen Reihenheizelemente verfügbar sind,
die hohe Temperaturen aushalten können und wasserdicht sind,
die aber nicht auf Länge
geschnitten werden können
und daher speziell konstruiert werden müssen, um sich an spezielle
Anwendungen anzupassen, und die schwierig für eine Verwendung mit kurzen
Längen
zu konstruieren sind.
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Das
US 2905919 beschreibt ein
elektrisches Kabel, das mindestens zwei Leiter aufweist, die voneinander
durch halbleitendes anorganisches Material getrennt sind, wobei
das Ganze innerhalb einer umgebenden Schicht von staubförmigem mineralischem Isoliermaterial
und einer äußeren Metallhülle eingeschlossen
ist. Das
US 4631392 beschreibt
eine Anordnung, die ein elastisches Metallwellrohr und ein längliches
Widerstandsheizelement aufweist, das innerhalb des Rohres ist, und
das mit einer Stromversorgung verbunden werden kann, um ein längliches elektrisches
Heizelement zur Verfügung
zu stellen. Das
GB 272166A beschreibt
ein elektrisches Heizkabel, das aufweist: einen Leiter aus einem
Material mit einem hohen Ohm'schen
Widerstand; eine isolierende Umhüllung
aus wärmebeständigem Material;
und eine äußere Hülle aus
magnetischem Material mit einem hohen Hysterese- und Wirbelstromverlust
bei der Zunahme der Menge an Wärme,
die im Kabel erzeugt wird. Das
US
4816649 beschreibt ein elastisches elektrisches Heizelement,
hergestellt aus isolierten elektrischen Speiseleitern und einem
oder mehreren Heizleitern, die um die isolierten Speiseleiter schleifenartig
herumgehen. Mindestens zwei der Speiseleiter weisen beabstandete
blanke Stellen mit entfernter Isolierung auf, um einen elektrischen
Kontakt zwischen den Speiseleitern und einem Heizleiter zu gestatten.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorangehend umrissenen
Probleme zu verhindern oder zu mildern.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird ein mineralisoliertes Heizkabel
bereitgestellt, das aufweist: zwei elektrische Leiter, die sich
entlang der Länge
des Kabels erstrecken; und eine Anordnung von Heizelementen, die
entlang der Länge
des Kabels verteilt und parallel zwischen den Leitern geschaltet
sind, wobei jeder Leiter in einer inneren Hülle aus Isoliermaterial eingeschlossen
ist, durch die Verbindungen zu jedem Heizelement hergestellt werden, wobei
die inneren Hüllen
und die Heizelemente in einer äußeren Hülle aus
Isoliermaterial eingeschlossen sind, und wobei die äußere Hülle durch
eine Metallummantelung bedeckt ist, die um die äußere Hülle stranggepresst wird.
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Der
Begriff „mineralisoliert" wird hierin verwendet,
um ein Heizkabel zu zeigen, bei dem alle Bauteile eine langfristige
Einwirkung von hohen Temperaturen, beispielsweise 250°C und darüber, aushalten
können.
Bei derartigen Kabeln könnte
die Isolierung aus beispielsweise Band gebildet werden, das aus
Glas und/oder Glimmer hergestellt wird.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es bei einer sorgfältigen Prozesssteuerung möglich ist,
eine Ummantelung aus beispielsweise Aluminium auf ein vorgeformtes
Trace Heating-Kabel der Parallelwiderstandsart strangzupressen,
wobei die Aluminiumhülle
die gesamte Anordnung wasserdicht macht und daher die Verwendung
innerhalb der Kabel von Teilen ermöglicht, die selbst nicht wasserdicht
sein müssen.
Es ergibt sich eine wasserdichte Konstruktion, die hohe Temperaturen
aushalten kann.
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Die
Leiter und die inneren Hüllen
können
in einer Zwischenhülle
aus Isoliermaterial eingeschlossen werden, durch die Verbindungen
zwischen jedem Leiter und jedem Heizelement hergestellt werden.
Die Zwischenhülle
kann aus Glasband gebildet werden, das mit einem Stabilisator beschichtet
werden kann.
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Die
Leiter können
vernickeltes Kupfer sein, wobei die Heizelemente aus einem Ni-Chrom-Widerstandsheizdraht
gebildet werden, der spiralförmig
um die Leiter angeordnet ist, und der Widerstandsheizdraht kann
in Kontakt mit den Leitern durch Öffnungen in der inneren Hülle sein,
so dass der Draht die Leiter berührt,
wobei eine zwangläufige
elektrische Verbindung zwischen den Leiter und dem Draht durch Spritzmetall
hergestellt wird. Metall kann auf die Leiter sowohl vor als auch
nach der Positionierung des Heizdrahtes gespritzt werden.
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Jede
innere Hülle
kann aus Glimmerband gebildet werden, und die äußere Hülle kann ebenfalls Glimmerband
aufweisen. Die äußere Hülle kann ebenfalls
Glasband aufweisen, das mit einem Stabilisator beschichtet sein
kann. Der Stabilisator kann beispielsweise Silikonlack, um die anfängliche
Wasserabdichtung zu verbessern, oder ein Keramikfaserklebstoff sein,
der ein Versteifungsmittel und einen Härtezusatz enthält.
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Die
Metallummantelung kann von ovalem Querschnitt sein, um die gesamte
Flexibilität
des Produktes zu verbessern.
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Eine
Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird jetzt als Beispiel mit Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
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1 eine
schematische Veranschaulichung des elektrischen Aufbaus eines Parallelwiderstands-Trace Heating-Kabels
in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
bekanntes Parallelwiderstands-Trace Heating-Kabel, das Polymerteile
enthält;
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3 eine
schematische Darstellung eines bekannten Reihenwiderstands-Trace
Heating-Kabels;
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4 eine
Veranschaulichung eines Kabels in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung;
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5 eine
schematische Veranschaulichung einer Fertigungslinie für die Herstellung
eines Kabels, wie es in 4 veranschaulicht wird;
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6 eine
schematische Veranschaulichung einer Streckvorrichtung, die in der
Fertigungslinie in 5 eingebaut ist; und
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7 und 8 jeweils
Schnittdarstellungen auf den Linien 7-7 und 8-8 in 6.
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Mit
Bezugnahme auf 1 weist der veranschaulichte
Aufbau zwei Leiter 1, 2 auf, zwischen denen eine
Reihe von Heizelementen 3 geschaltet ist. Ein Ende eines
jeden Heizelementes ist mit einem Leitungsknoten 4 am Leiter 1 verbunden,
wohingegen das andere Ende eines Heizelementes mit einem Leitungsknoten 5 am
Leiter 2 verbunden ist.
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2 veranschaulicht
einen bekannten Aufbau, der zu einer elektrischen Anordnung führt, wie
in 1 veranschaulicht wird. Das bekannte Kabel weist
Leiter 1 und 2 auf, die jeweils innerhalb einer isolierenden
Hülle 6 aus
polymerem Material aufgenommen werden. Die zwei Leiter werden innerhalb einer
weiteren Hülle 7 eingeschlossen. Öffungen 8 werden
durch die Hülle 6 und 7 so
gebildet, dass die darunterliegenden Leiter 1, 2 freigelegt
werden, und ein Ni-Chrom-Heizdraht 9 wird spiralförmig um
die Außenseite
der Hülle 7 so
angeordnet, um die Leiter durch die Öffnungen 8 zu kontaktieren.
Auf diese Weise entsprechen die Heizelemente 3 aus 1 den
Längen
des Drahtes 9 zwischen aufeinanderfolgenden Öffnungen 8.
Typischerweise werden die Öffnungen 8 eine
axiale Länge
von etwa 20 mm aufweisen und entlang der Länge des Kabels um 750 mm beabstandet
sein.
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Der
Heizdraht 9 ist mit einer inneren polymeren Ummantelung 10 bedeckt,
die in einer geflochtenen Ummantelung 11 eingewickelt ist,
die in einer polymeren Hülle 12 eingeschlossen
ist. Auf diese Weise ist der gesamte Aufbau elastisch und wasserdicht, kann
aber nicht bei hohen Temperaturen, beispielsweise Temperaturen über 250°C, eingesetzt
werden, weil eine derartige Benutzung zu einer Beschädigung bei
den Polymerteilen führen
würde.
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Mit
Bezugnahme auf 3 weist der veranschaulichte
Aufbau zwei Heizdrähte 13 und 14 auf, die
in einem Mineralisoliermaterial 15 eingebettet sind, das
innerhalb einer äußeren Metallhülle aus Kupfer,
nichtrostendem Stahl oder einer Legierung auf Nickelbasis eingeschlossen
ist. Die Wärmeleistung
pro Längeneinheit
derartiger Kabel ist eine Funktion der Zusammensetzung und des Stromes durch
die Leiter 13 und 14, und es ist daher schwierig,
kurze Längen
von geeigneter geringer Leistung herzustellen, und das Kabel kann
nicht einfach auf Länge
geschnitten werden, um sich speziellen Umständen anzupassen.
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Mit
Bezugnahme auf 4 weist die veranschaulichte
Ausführung
der Erfindung zwei Leiter 17, 18 auf, von denen
ein jeder mit zwei Schichten des Hochtemperaturglimmerisolierbandes 19 bedeckt
ist, und von denen ein jeder ebenfalls durch eine Hochtemperaturglasfaserbandschicht 20 eingeschränkt wird.
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Öffnungen 21 werden
durch die Isolierschichten 19 und 20 gebildet,
damit die Leiter durch einen Ni-Chrom-Widerstandsheizdraht 22 kontaktiert werden
können,
der spiralförmig
um die Außenseite der
Hülle 20 angeordnet
ist.
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Der
Draht 22 ist mit zwei Schichten Glimmerband und einer äußeren Schicht
von Glasfaserband bedeckt, um eine Isolierschicht 23 zu
bilden, die wiederum mit einer Aluminiumhülle 24 bedeckt ist.
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Auf
diese Weise können
alle Teile des in 4 veranschaulichten Kabels hohe
Temperaturen aushalten, und dennoch ist die gesamte Anordnung im
Ergebnis der Bereitstellung der äußeren Aluminiumummantelung 24 wasserdicht.
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Die
Leiter 17 und 18 können vernickeltes Kupfer sein,
könnten
aber ebenfalls aus Aluminium sein. Es sind Vorteile bei der Herstellung
der Leiter 17 und 18 und der Ummantelung 24 aus
dem gleichen Material (beispielsweise Aluminium) zu verzeichnen, um
eine unterschiedliche Ausdehnung zwischen den Leitern und der Ummantelung
zu vermeiden. Die Zwischenhülle 20 kann
mit einem Stabilisator bedeckt werden, um während der Verarbeitung eine
Feuchtebeständigkeit
und Robustheit bereitzustellen.
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Die Öffnungen 21 können wie
bei den Vorrichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik sein,
beispielsweise mit einer axialen Länge von typischerweise 20 min
mit einem Abstand zwischen den Öffnungen
von 750 mm. Der Draht 22 kann spiralförmig um die Leiter mit typischerweise
acht Spiralen pro Zentimeter angeordnet werden. Bei einer derartigen
Anordnung stellen typischerweise zehn oder mehr Spiralen des Widerstandsdrahtes
einen Berührungskontakt
mit dem Leiter 17 und 18 her. Um die Zuverlässigkeit
der resultierenden elektrischen Verbindung zu verbessern, können die
Kontaktflächen zwischen
den Leitern 17 und 18 und dem Draht 22 mit
Metall bespritzt werden, beispielsweise Aluminium, Zink oder eine
Aluminium/Zink-Legierung. Das bildet eine zwangläufige elektrische Verbindung.
Vorzugsweise werden die Leiter 17 und 18 bespritzt,
bevor der Draht 22 positioniert wird, und die Kontaktflächen werden
wiederum bespritzt, nachdem der Draht 22 positioniert ist.
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Die
endgültige
Isolierschicht 23, die in der Form von zwei Schichten von
Glimmer in Bandform vorliegt, über
die eine einzelne Schicht von Glasfasern in Bandform gewickelt wird,
kann mit einem Stabilisator für
einen Feuchtigkeitsschutz und zur Verbesserung der Robustheit während der
Verarbeitung beschichtet werden.
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Der
Stabilisator kann ein einfacher Silikonlack oder ein hochtemperaturbeständiges Versteifungsmittel
sein, so ausgelegt, dass einer Beschädigung während der Verarbeitung widerstanden
wird, und dass eine anfängliche
Wasserabdichtung bereitgestellt wird. Ein geeignetes Versteifungsmittel
wäre das
Produkt „901/901A
Keramikfaserklebstoff" das einen
flüssigen
Isolationshärtezusatz
enthält,
wobei das Produkt von der Symonds Cableform Limited, Welwyn Garden
City, Großbritannien,
erhältlich
ist.
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Die
in 4 gezeigte Anordnung bis zur und einschließlich der
Hülle 23 wird
durch eine Aluminiumstrangpresse geführt, so dass die Aluminiumummantelung 24 um
die anderen Teile stranggepresst wird, wobei ein unitäres Produkt
gebildet wird, das mit einer zuverlässigen Wasserabdichtung infolge der
Bereitstellung der Aluminiumummantelung 24 bereitgestellt
wird und das dennoch nur Teile aufweist, die hohe Temperaturen aushalten
können. Vorzugsweise
zeigt die Ummantelung 24 einen ovalen Querschnitt, um den
Kontakt zwischen dem Kabel und einer Auflagefläche zu verbessern, und um die Flexibilität des Produktes
zu verbessern.
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Die
Aluminiumummantelung 24 kann direkt auf die Hülle 23 stranggepresst
werden, wird aber vorzugsweise anfangs so stranggepresst, dass sie relativ
große
Abmessungen aufweist, und wird danach durch eine Streckvorrichtung
gestreckt, um eine enge Passung auf der Ummantelung 23 aufzuweisen. 5 veranschaulicht
eine Fertigungslinie, die eine derartige Streckvorrichtung enthält.
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Mit
Bezugnahme auf 5 weist die schematisch veranschaulichte
Fertigungslinie eine Strangpresse 25 auf, der das strangzupressende Aluminium
von einer Rolle 26 zugeführt wird, und der das Kabel,
das alle Teile 17 bis 23 aus 4 enthält (aber
nicht die Aluminiumummantelung 24), von einer Rolle 27 zugeführt wird.
Die Strangpresse 25 kann ein konventioneller Typ sein,
beispielsweise eine „konforme" Maschine, die angeordnet
ist, um ein ovales Strangpressteil 28 herzustellen, dessen
Innenabmessungen größer sind
als die Außenabmessungen
des von der Rolle 27 gelieferten Kabels. Daher weist das
Strangpressteil 28 eine Spielpassung auf der Hülle 23 auf.
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Das „überdimensionierte" Strangpressteil 28 wird
in einer Streckvorrichtung 29 gestreckt, um ein fertiges
Produkt 30 herzustellen, das dem Kabelaufbau entspricht,
der in 4 veranschaulicht wird, bei dem die Aluminiumummantelung 24 eine
enge Passung auf der Hülle 23 aufweist.
Das Kabel 30 wird durch die Fertigungslinie mittels der
Förderer 31 gezogen
und auf eine Rolle 32 aufgewickelt.
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Mit
Bezugnahme auf 6 zeigt diese die äußere Hülle 23 des
von der Rolle 27 gelieferten Kabels. Stromaufwärts von
der Streckvorrichtung 29 weist die äußere Aluminiumhülle 28 Abmessungen derart
auf, dass ein Spalt 33 zwischen der Hülle 23 und dem Strangpressteil 28 definiert
wird, wie in 7 gezeigt wird. Stromabwärts von
der Streckvorrichtung 29 wurde das Strangpressteil 28 in
eine eng passende äußere Aluminiumummantelung 24 umgewandelt,
wie in 8 gezeigt wird.
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Obgleich
beim beschriebenen Verfahren eine einzelne Streckvorrichtung bereitgestellt
wird, wird erkannt werden, dass zwei oder mehr Streckvorrichtungen
in Reihe bereitgestellt werden könnten, um
die Abmessungen der anfangs stranggepressten Ummantelung fortschreitend
zu verringern.