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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Heizdecke. Der Begriff Heizdecke
wird hierin in einem breiten Sinn verwendet, um einen Artikel einzuschließen, der
ein elektrisches Heizkabel enthält,
beispielsweise eine Unterdecke (die typischerweise unter einem Bettlaken
auf einem Bett angeordnet wird), eine Überdecke (die typischerweise über eine
schlafende Person gelegt wird), eine Heizmatte (ein relativ kleiner
Artikel, der von einem Benutzer für einen speziellen Teil des
Körpers
des Benutzers verwendet werden kann) oder dergleichen.
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Die
Sicherheit ist ein Hauptproblem im Fall der Heizdecken, insbesondere
bei Heizdecken, die verwendet werden, um beispielsweise Bettzeug
zu erwärmen.
Das hauptsächliche
Sicherheitsproblem ist das der Überhitzung.
Trotz Versuchen, dieses Problem anzusprechen, ist es dennoch der
Fall, dass zu Beginn des 21. Jahrhunderts ernsthafte Verletzungen
und manchmal ein Todesfall infolge dessen auftraten, dass beispielsweise
das Bettzeug infolge einer Überhitzung
einer Unterdecke Feuer fing. Ein sekundäres aber dennoch bedeutendes
Problem ist das, dass man der Strahlung (worauf man sich im Allgemeinen
als den EMF-Effekt bezieht) im Ergebnis dessen ausgesetzt ist, dass
der Benutzer sich in nächster
Nähe eines
Leiters befindet, der einen Wechselstrom leitet.
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Ein
frühzeitiger
Versuch, das Überhitzungsproblem
anzusprechen, wird im
U.S. Patent
Nr. 3375477 beschrieben. Dieses Dokument beschreibt ein
Heizkabel, das aus einem ersten Leiter, durch den der Heizstrom
fließt,
und einem zweiten Leiter besteht, der sich entlang der Länge erstreckt,
aber vom ersten Leiter durch eine Trennschicht getrennt ist. Die
Trennschicht weist einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC)
auf, so dass sich der Widerstand der Schicht mit ansteigender Temperatur
verringert. Strom, der zum zweiten Leiter hin durch die Trennschicht
abgeleitet wird, wird nachgewiesen und benutzt, um die Stromversorgung
in den ersten Leiter in dem Fall zu unterbrechen, dass der Kriechstrom
einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
Eine zusätzliche
Sicherheitsabschaltung wird durch eine Vorrichtung bewirkt, die
die Stromversorgung abschaltet, wenn der zugeführte Strom einen Grenzwert übersteigt.
Die NTC-Trennschicht ist so konstruiert, dass sie im Fall der Überhitzung
nicht zerstört wird,
und daher ist die Decke nicht so konstruiert, dass sie im Ergebnis
dessen dauerhaft funktionsuntüchtig
gemacht wird, dass sie einer übermäßigen Temperatur
bei einer Gelegenheit ausgesetzt wird.
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Ein
Produkt des allgemeinen Typs, der im
U.S.
Patent Nr. 3375477 beschrieben wird, wurde in Großbritannien
auf den Markt gebracht. Jenes Produkt ist eine Koaxialstruktur,
die aus einem inneren leitenden Kern, einer Trennschicht, die um
den Kern herum gebildet wird, einem Heizdraht, der um die Trennschicht
herum spiralförmig
angeordnet wird, und einem äußeren Isoliermantel
besteht. Der innere Kern besteht aus einem Bündel von miteinander verwundenen
Komponenten, von denen eine jede dieser Komponenten aus einem Kern
aus synthetischen Fasern besteht, um den ein Streifen einer leitenden Folie
gewickelt wird. Eine derartige Struktur, auf die man sich im Allgemeinen
als einen „Metallflachfaden" bezieht, wird in
vielen Heizdecken verwendet, da sie sehr elastisch ist und einen
relativ geringen Umfang aufweist. Eine NTC-Trennschicht wird dann
auf den gedrehten Kern extrudiert, der Heizdraht wird spiralförmig auf
die Trennschicht gewickelt, und der äußere Isoliermantel wird über den
Draht und die Trennschicht extrudiert. Bei Benutzung werden die
entgegengesetzten Enden des Heizdrahtes mit den entgegengesetzten
Polen einer Stromversorgung verbunden, im Allgemeinen mit der Netzspannung.
Der Metallflachfadenkern leitet nicht den Heizstrom, der durch den
Draht fließt,
sondern dient nur dazu, die Stromableitung aus dem Heizdraht durch
die Trennschicht aufzunehmen. Jener Kriechstrom nimmt mit zunehmender
Temperatur zu, und die Größe des Kriechstromes
wird benutzt, um den Strom zu regeln, der zum Heizdraht geliefert
wird.
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Beim
bekannten Produkt wird nur ein Parameter des Heizkabels überwacht,
d.h., die Leitfähigkeit
der NTC-Trennschicht. Im Allgemeinen wird das Kabel mit einem Regler
geliefert, der ebenfalls einen Schaltkreis aufweist, der so ausgelegt
ist, dass die Stromversorgung abgeschaltet wird, wenn der durch das
Heizelement entnommene Strom einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt,
und daher kann die gesamte Anordnung als ein Doppelsicherheitsmerkmalsystem
betrachtet werden. Ein einfacher Überstromschutz ist jedoch im
Allgemeinen beim Vermeiden des Auftretens von „Hot Spots" entlang der Länge des Heizkabels nicht wirksam.
Außerdem,
wenn vorgegeben wird, dass der Hauptheizstrom nur nach unten im
Heizdraht fließt
und nicht nach unten im Metallflachfadenkern, wird eine elektromagnetische Strahlung
durch das Kabel emittiert, und folglich wird das EMF-Problem nicht
angesprochen.
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Bei
einer Entwicklung des grundlegenden Prinzips, dass man sich auf
eine NTC-Trennschicht verlässt,
um eine Überhitzung
nachzuweisen, wurde der Vorschlag unterbreitet, eine Trennschicht
zu verwenden, die sowohl eine NTC als auch schmelzbar ist. Eine
derartige Anordnung wird im
U.S.
Patent Nr. 6310332 beschrieben. Bei jener beschriebenen
Anordnung wird die normale Stromversorgungsregelung durch Überwachen
der NTC-Charakteristik der Trennschicht zustande gebracht. Wenn
jedoch abnormal hohe Temperaturen an irgendeiner Stelle längs des
Heizkabels erreicht werden, wird die Trennschicht schmelzen, wodurch
die zwei Leiter der Koaxialanordnung in direkten Kontakt miteinander kommen
können,
wodurch ein Kurzschluss zwischen den zwei Leitern hervorgerufen
wird. Ein derartiger Kurzschluss ist leicht nachzuweisen und wird
benutzt, um die Stromversorgung abzuschalten. Sobald das erfolgt
ist, wird das Produkt natürlich
effektiv zerstört,
während
es nicht in einen normalen Betriebszustand zurückgeführt werden kann.
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Das
U.S. Patent Nr. 6310332 beschreibt
zwei Ausführungen,
d.h., die Ausführung
in
1 und die „mehr
funktionelle" Ausführung in
2 und
3. Bei der Ausführung in
2 und
3 leitet ein Leiter den Heizstrom, wohingegen
der andere für
Messzwecke verwendet wird. Der Messleiter kann ebenfalls eine positive
Widerstandskennlinie (PTC) aufweisen, um ein zusätzliches Mittel zur Überwachung
der Temperatur entlang der Länge
des Kabels bereitzustellen. Mit jener Anordnung wird jedoch das
EMF-Problem nicht
angesprochen, da das Messkabel nicht den Heizstrom leitet. In der
Ausführung
in
1 werden im Gegensatz dazu zwei Heizkabel durch
eine Diode in Reihe verbunden, wobei der Heizstrom durch jeden Heizdraht
gelangt. Diese Anordnung spricht das EMF-Problem an, da der Strom
in den zwei Heizdrähten
in entgegengesetzten Richtungen längs des Kabels fließt, dort
aber kein PTC-Messelement vorhanden ist, wobei die Ableitung des
Stromes durch die Trennschicht durch das Auftreten eines Stromes nachgewiesen
wird, der in der entgegengesetzten Richtung zu der Richtung des
Stromflusses durch die Diode fließt, die die zwei Heizdrähte miteinander
verbindet.
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Die
NTC- und schmelzbaren Trennschichten, wenn sie so wie in 1 angeordnet
sind, sprechen das EMF-Problem an und liefern zwei Überhitzungsnachweismerkmale,
d.h., durch Messen von Veränderungen
beim Widerstand der Trennschicht im Ergebnis von Veränderungen
der Temperatur und Nachweisen des Abschmelzen der Trennschicht in dem
Fall, dass eine abnormal hohe Temperatur auftritt. Beide dieser Überhitzungsnachweissysteme sind
jedoch von der Charakteristik einer einzelnen Komponente abhängig, d.h.,
der extrudierten Trennschicht. Um effektiv zu sein, bedeutet das,
dass die Trennschicht mit sehr hohen Toleranzen hergestellt werden
muss. Wenn beispielsweise die Trennschicht nicht die richtige Dicke
aufweist, wird die NTC-Reaktion auf Veränderungen der Temperatur nicht
so sein, wie es erforderlich ist, um einen sicheren Überhitzungsnachweis
zu ermöglichen.
Gleichermaßen, wenn
die chemische Zusammensetzung der Trennschicht nicht straff kontrolliert
wird, können
sowohl die NTC-Kennlinie
als auch die Schmelztemperatur der Trennschicht außerhalb
der Bereiche sein, wo eine Sicherheit aufrechterhalten wird.
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Das
Neuseeländische Patent Nr. 243204 beschreibt
ein Koaxialheizkabel, das das EMF-Sicherheitsproblem anspricht, indem
ein doppeltes Heizkabel bereitgestellt wird, das gewickelt ist,
um elektromagnetische Feldemissionen zu verringern. Das beschriebene
Kabel befasst sich mit dem EMF-Problem,
ist aber nur in der Lage, eine Kennlinie des Kabels im Hinblick
auf die Vermeidung einer Überhitzung
zu überwachen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Heizdecke und ein
Kabel für
eine Verwendung in einer Heizdecke mit einer verbesserten Betriebskennlinie
bereitzustellen.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird ein Heizkabel bereitgestellt, das
aufweist: einen ersten Leiter, der sich entlang der Länge des
Kabels erstreckt; einen zweiten Leiter, der sich entlang der Länge des
Kabels erstreckt; eine Trennschicht, die sich entlang der Länge des
Kabels erstreckt und zwischen dem ersten und zweiten Leiter angeordnet
ist; und einen äußeren Isoliermantel,
der sich entlang der Länge
des Kabels und um den ersten und zweiten Leiter und die Trennschicht
erstreckt, wobei der erste und zweite Leiter an einem Ende des Kabels
in Reihe so verbunden werden, dass, wenn der erste und zweite Leiter
am anderen Ende des Kabels mit jeweiligen Polen einer Stromversorgung
verbunden werden, gleiche Ströme
in entgegengesetzten Richtungen durch benachbarte Abschnitte der
Leiter fließen, wobei
der erste Leiter so ausgebildet ist, dass er eine positive Temperaturkennlinie
aufweist, und wobei die Trennschicht so ausgebildet ist, dass der
elektrische Widerstand, den sie zwischen benachbarten Abschnitten
der Leiter bewirkt, mit zunehmenden Temperaturen kleiner wird.
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Der
erste und zweite Leiter können
koaxial sein, und die Trennschicht kann rohrförmig sein, wobei der erste
Leiter innerhalb der rohrförmigen
Trennschicht angeordnet ist, und wobei der zweite Leiter außerhalb
der rohrförmigen
Trennschicht angeordnet ist.
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Vorzugsweise
wird der erste Leiter aus miteinander verwundenen Komponenten gebildet,
von denen eine jede einen Faserkern aufweist, um den ein Draht mit
positivem Temperaturkoeffizienten gewickelt wurde, um eine Wendel
zu bilden. Der zweite Leiter kann ein Heizdraht sein, der um die
rohrförmige
Trennschicht gewickelt wird, um eine Wendel zu bilden.
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Die
Trennschicht kann so ausgebildet werden, dass sie eine negative
Temperaturkennlinie aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann
die Trennschicht so ausgebildet werden, dass sie schmilzt, wenn
sie auf eine vorgegebene Grenztemperatur erwärmt wird.
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Wenn
das Kabel mit einer Stromversorgung verbunden wird, werden der erste
und zweite Leiter über
die Pole der Stromversorgung in Reihe verbunden. Der Ende-zu-Ende-Widerstand
des ersten Leiters wird überwacht,
und die Stromversorgung zum Kabel wird als eine Funktion des überwachten
Widerstandes geregelt, beispielsweise so, dass der zugeführte Strom
mit einem nach und nach ansteigenden überwachten Widerstand nach
und nach verringert wird. Der Stromfluss durch die Trennschicht
entweder im Ergebnis einer Verringerung des Widerstandes infolge
einer Erhöhung
der Temperatur des NTC- Materials
oder im Ergebnis des Abschmelzen zumindestens eines Teils der Trennschicht,
so dass der erste und der zweite Leiter miteinander in Kontakt kommen,
wird ebenfalls benutzt, um die Stromversorgung zu regeln. Die Stromversorgung
zum Kabel kann unmittelbar beendet werden, sobald der überwachte
Strom einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
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Ausführungen
der vorliegenden Erfindung werden jetzt als Beispiel mit Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
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1 die
geometrische Struktur eines Heizkabels in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung; und
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2 schematisch
die Beziehung zwischen einem Kabel, wie beispielsweise dem in 1 veranschaulichten,
und einer Stromversorgungsanordnung in einer Heizdecke in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
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Mit
Bezugnahme auf 1 veranschaulicht diese die Struktur
des Heizkabels in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Das Kabel weist einen mittleren
Kern 1 in der Form eines miteinander verwundenen Bündels aus
vier Komponenten auf, von denen eine jede einen mittleren Faserkern 2 aufweist,
der die mechanische Festigkeit liefert, und der von einem sich spiralförmig erstreckenden
Draht 3 umwickelt wird, der aus einem Material hergestellt wird,
das einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) liefert. Der Kern 1 weist
eine Trennschicht 4 auf, die darauf extrudiert ist, und
der Heizdraht 5 wird auf die Trennschicht 4 gewickelt,
um eine Wendel zu bilden. Bin extrudierter Mantel 6 aus
wasserdichtem und elektrisch isolierendem Material vervollständigt die
Kabelbaugruppe.
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Mit
Bezugnahme auf 2 verkörpert diese schematisch den
Schaltkreis einer elektrischen Decke einschließlich eines Reglers und enthält ein Kabel,
wie beispielsweise das, das in 1 veranschaulicht
wird. Der Kern des Kabels wird durch die Linie 1 dargestellt,
die Trennschicht durch die Linie 4 und der Heizdraht durch
die Linie 5. Beide Enden des Kabels sind mit dem Stromversorgungsschaltkreis verbunden,
der einen Regler 7, einen ersten Strommonitor 8,
einen Spannungsmonitor 9 und einen zweiten Strommonitor 10 umfasst.
Jeder der Strom- und Spannungsmonitore liefert einen Ausgang mm Regler 7,
der für
den überwachten
Parameter repräsentativ
ist. Der Regler benutzt diese drei Eingänge, um den Zustand des Kabels
zu überwachen
und die Stromversorgung zum Kabel zu regeln. Ein Ende des Kernes 1 kann
mittels des Reglers 7 mit dem negativen Pol einer Wechselstromversorgung
verbunden werden, ein Ende des Heizdrahtes 5 kann mittels
des Strommonitors 8 und des Reglers 7 mit dem
stromführenden
Pol der Wechselstromversorgung verbunden werden, und die anderen
Enden des Kernes 1 und des Drahtes 5 werden mittels
des Strommonitors 10 effektiv miteinander kurzgeschlossen.
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Bei
der ersten Ausführung
der Erfindung wird die Trennschicht 4, die zwischen dem
Kern 1 und dem Heizdraht 5 angeordnet wird, aus
einem Material hergestellt, das einen negativen Temperaturkoeffizienten
(NTC) aufweist. Im Ergebnis dessen, während die Temperatur an einer
Stelle entlang der Länge
des Kabels ansteigt, nimmt der lokale Widerstand der Trennschicht 4 ab,
und daher wird die Stromableitung durch die Trennschicht 4 größer. Dieser Kriechstrom
wird als einer der Regelparameter des Kabels verwendet. Der Kern 1 zeigt
einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC), und daher wird der Ende-zu-Ende-Widerstand
des Kernes 1 größer, während die
Temperatur des Kabels ansteigt. Dieser Anstieg des Widerstandes
wird als ein weiterer Regelparameter verwendet.
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Der
Ende-zu-Ende-Widerstand des Kernes 1 wird überwacht,
indem der Widerstand zwischen den zwei Enden des Kernes überwacht
wird, wobei das Wissen betreffs der am Kern angelegten Spannung und
des Stromes durch ihn benutzt wird. Der Ausgang des Spannungsmonitors 9 kann
benutzt werden, um den zum Regler 7 gelieferten Strom zu
modulieren, um so eine beständige
Kabeltemperatur aufrechtzuerhalten. Der Regler 7 kann mit
vom Benutzer betätigbaren
Schaltern versehen werden, um die normale Rate zu regulieren, mit
der Strom zugeführt
wird, um sich an die speziellen Anforderungen des Benutzers anzupassen.
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Mit
Bezugnahme auf die Überwachung
der Stromableitung durch die Trennschicht 4, wenn keine Ableitung
zu verzeichnen war, wäre
der durch die Strommonitore 8 und 10 überwachte
Strom identisch. Die Größe des Kriechstromes
ist gleich der Differenz zwischen den Strömen durch die Strommonitore 8 und 10.
Der Regler 7 könnte
verwendet werden, um den Strom nach und nach zu verringern, der
als Reaktion auf die Zunahmen des Kriechstromes geliefert wird,
wobei der Gesamtstrom auf Null verringert wird, wenn der Kriechstrom
einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
Alternativ kann der Regler 7 auf den überwachten Kriechstrom nicht
ansprechen, bis ein Grenzwert erreicht ist, wobei an der Stelle
der Regler die Stromversorgung einfach beenden würde.
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Vorausgesetzt,
dass der Schaltkreis in Betrieb ist, um den Ende-zu-Ende-Widerstand
des PTC-Kernes 1 zu überwachen,
das Ende ebenfalls in Betrieb ist, um die Größe der Stromableitung durch die
Trennschicht 4 zu überwachen,
sind die zwei Sicherheitsüberwachungssysteme
im Wesentlichen unabhängig.
Ein Herstellungsfehler, der eines der Messsysteme unwirksam macht,
beispielsweise Fehler in der Dicke oder der Struktur der Trennschicht 4, würde ebenfalls
das andere Messsystem nicht unwirksam machen. Außerdem ist der Schaltkreis,
der die Stromableitung durch die Trennschicht 4 überwacht,
für jeglichen
Kriechstrom empfindlich, selbst wenn der gesamte Kriechstrom in
einem sehr lokalisierten Abschnitt des Kabels auftritt. Der Schaltkreis ist
daher sehr empfindlich für
die Entwicklung von lokalisierten Hot Spots.
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Mit
Bezugnahme auf das EMF-Problem, vorausgesetzt, dass Strom nur zu
einem Ende des Kabels geliefert wird, und dass der Kern 1 und
der Heizdraht 5 im Ergebnis dessen in Reihe verbunden sind, dass
sie miteinander am anderen Ende des Kabels mittels des Strommonitors 10 verbunden
werden, selbst wenn ein gewisser Kriechstrom durch die Trennschicht 4 an
einer Stelle entlang der Länge
des Kabels auftritt, gelangen im Wesentlichen identische Ströme durch
benachbarte Positionen des Kernes 1 und des Heizdrahtes 5,
wobei jene Ströme
in entgegengesetzten Richtungen zueinander sind. Im Ergebnis dessen
ist im Wesentlichen keine elektromagnetische Strahlung vorhanden,
die aus dem Kabel emittiert wird.
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Als
eine Alternative zur Trennschicht 4, die aus einem NTC-Material
hergestellt wird, kann die Trennschicht 4 aus einem schmelzbaren
Material hergestellt werden, das schmelzen wird, wenn die lokale
Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Wenn ein derartiges
Schmelzen auftritt, vorausgesetzt, dass die Anordnung im extrudierten Mantel 6 (1)
eingeschlossen ist, und dass der Heizdraht 5 um die Trennschicht 4 gewickelt
ist, werden der Kern 1 und der Draht 5 in Kontakt
kommen und das Kabel wirksam kurzschließen. Das wird sofort nachgewiesen,
da ein schneller Stromabfall durch den Strommonitor 10 im
Ergebnis des Stromflusses zwischen dem kurzgeschlossenen Kern 1 und
dem Heizdraht 5 auftreten wird. Wenn der Kurzschluss in
der Nähe
des Endes des Kabels auftritt, an dem der Strom zugeführt wird,
wird der entnommene Strom schnell ansteigen, und das kann einfach
als ein Überstromzustand
nachgewiesen werden, was den Regler in die Lage versetzt, die Stromversorgung zu
beenden. Wenn der Kurzschluss in der Nähe des anderen Endes des Kabels
auftritt, über
das der Strommonitor 10 angeschlossen ist, wird der Kurzschlussstrom
dennoch dazu führen,
dass der Strom durch den Strommonitor 10 abfällt, wodurch
der Regler in die Lage versetzt wird, auf die resultierende Differenz
zwischen den Strömen
anzusprechen, die durch die Monitore 8 und 10 gemessen
werden, um die Versorgung zu beenden.
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Es
wird erkannt werden, dass jedes der beschriebenen Systeme drei unabhängige Sicherheitsmerkmale
liefert, d.h., eine ihnen eigene geringe elektromagnetische Strahlung,
ein Temperaturmessen durch Überwachen
des Widerstandes des PTC-Kernes 1, ein Temperaturmessen
durch Überwachen
des Stromes durch die Trennschicht 4 (NTC-Reaktion oder
Abschmelzen). Es ist ebenfalls natürlich der Fall, dass die Trennschicht
aus einem Material hergestellt werden könnte, das sowohl NTC als auch
bei einer Grenztemperatur entsprechend einer lokalisierten Überhitzung
schmelzbar ist.
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Es
wird erkannt werden, dass die verschiedenen Komponenten des beschriebenen
Kabels aus konventionellen Materialien hergestellt werden können. Beispielsweise
kann der „Metallflachfaden"kern 1 bei
Verwendung von Standardausrüstung
und -materialien hergestellt werden. Alles das, was erforderlich
ist, ist ein Ende-zu-Ende-Widerstand des Kernes 1, der
mit der Temperatur größer wird.
Ein Kupfer- oder Kupfer/Cadmiumdraht, der im Kern 1 enthalten ist,
kann eine ausreichende PTC-Charakteristik zeigen. Ein Ende-zu-Ende-Widerstand,
wenn er kalt ist, von nur einigen zehn Ohm kann einen Spannungsabfall
entwickeln, der für
einen zuverlässigen
Nachweis des ansteigenden Spannungsabfalls mit der Temperatur ausreichend
groß sein
kann. Mit Bezugnahme auf die Trennschicht 4 könnte in
geeigneter Weise hergestelltes Polyethylen verwendet werden, um
als eine schmelzbare Schicht zu funktionieren und/oder um als eine
NTC-Schicht zu funktionieren. Der Heizdraht 5 kann vollständig konventionell
sein wie das Material, das verwendet wird, um den äußeren Isoliermantel
zu bilden.
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Es
wird erkannt werden, dass der in 2 veranschaulichte
Schaltkreis nur eine mögliche
Konfiguration der Schaltung ist, die in der Lage ist, die erforderlichen
Funktionen durchzuführen,
d.h., das Überwachen
des Ende-zu-Ende-Widerstandes des PTC-Kernes 1 und das Überwachen
der Stromableitung durch die Trennschicht 4.