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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Heizkabel,
dessen Leistungsabgabe durch den Einbau von Bestandteilen mit einem
positiven Temperaturkoeffizienten selbstbegrenzend ist.
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Selbstbegrenzende
Heizkabel gehören
zum Stand der Technik. Sie umfassen im Allgemeinen zwei Leiter,
die entlang der Länge
des Kabels verlaufen und in einen Polymerkörper eingebettet sind, der aus
einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten hergestellt
ist. Wenn die Temperatur des Kabels ansteigt, wächst so der Widerstand des
zwischen die Leiter elektrisch geschalteten Materials, wodurch die
Leistungsabgabe abnimmt.
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Zum
Stand der Technik gehören
nicht selbstbegrenzende Heizkabel mit zwei Stromversorgungsleitern,
die entlang der Länge
des Kabels verlaufen, und einem Heizdraht, der entlang dem Kabel
und zwischen den beiden Leitern verläuft, sodass eine Reihe von
Heizelementen definiert werden, die zwischen die Leiter parallel
geschaltet sind. Typischerweise sind die Leiter in Isolierummantelungen
eingeschlossen, und die beiden ummantelten Leiter sind dann in eine
weitere Ummantelung eingehüllt,
auf die ein Heizdraht spiralförmig
gewickelt ist. Abschnitte der Ummantelungen sind weggeschnitten,
sodass der Heizdraht nacheinander mit jedem der Leiter in Kontakt
kommen kann, wodurch eine Reihe von Heizdrahtteilen entsteht, die
zwischen die zwei Leiter parallel geschaltet sind. Eine solche Anordnung
ist besonders vorteilhaft, weil die Leistungsabgabe pro Längeneinheit
des Kabels angepasst werden kann einfach durch Anpassung der Abstände (in
der Längsrichtung
des Kabels) zwischen benachbarten Teilen, wo die Ummantelung weggeschnitten
ist, damit der Heizdraht mit den Leitern in Kontakt kommen kann.
So können
mit einem Standard-Grundbestandteil Kabel hergestellt werden, die
verschiedene Leistungsabgaben liefern, indem einfach die Abstände zwischen
den weggeschnittenen Ummantelungsabschnitten angepasst werden.
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US-Patent
Nr. 5512732 beschreibt ein Heizkabel, in das ein spiralförmig gewickelter
Heizdraht integriert ist, der, wie oben beschrieben, abwechselnd
mit jedem der beiden Stromleiter verbunden ist. Das in US-Patent
Nr. 5512732 beschriebene Kabel stellt auch eine selbstbegrenzende
Leistung zur Verfügung
durch den Einbau eines thermisch aktivierten Schalters in den Stromkreis
eines jeden der durch den Heizdraht definierten parallelen Heizelemente. Ein
widerstandsbehaftetes Heizelement ist jedem der Schalter parallelgeschaltet,
sodass Strom durch das widerstandsbehaftete Element fließt, wenn
der Schalter offen ist und Strom um das widerstandsbehaftete Element
geshuntet wird, wenn der Schalter geschlossen ist. Eine solche Anordnung
kann eine selbstbegrenzende Leistung bereitstellen, ist aber schwer
herzustellen, verglichen mit dem nicht selbstbegrenzenden Heizkabel,
in das ein spiralförmig
gewickelter Heizdraht integriert ist.
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US-Patent
Nr. 4721848 beschreibt ein selbstbegrenzendes elektrisches Heizgerät mit einem
länglichen
widerstandsbehafteten Heizelement und einem Widerstand mit positivem
Temperaturkoeffizienten. Das in US-Patent Nr. 4721848 beschriebene
Kabel hat alle Oberbegriffsmerkmale des nachfolgenden Anspruchs
1.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes elektrisches Heizkabel
zur Verfügung
zu stellen.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisches Heizkabel bereitgestellt
mit mindestens zwei Stromversorgungsleitern, die entlang der Länge des
Kabels verlaufen, und mindestens einem Heizelement, das entlang
dem Kabel und zwischen den beiden Leitern verläuft und zwischen die Leiter
parallelgeschaltet ist, wobei mindestens einer der Leiter in eine
Ummantelung aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten
eingehüllt
ist, und das Heizelement in elektrischem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der
Ummantelung steht, sodass die Ummantelung zwischen jedes Heizelement
und den durch die Ummantelung eingehüllten Leiter elektrisch in
Reihe geschaltet ist.
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Das
Heizelement kann einen Heizdraht umfassen, der entlang dem Kabel
und zwischen den beiden Leitern verläuft, um eine Reihe von Heizelementen
zu bilden, die zwischen die Leiter parallelgeschaltet sind.
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Das
Kabel hat vorzugsweise einen ersten Leiter, der in eine erste Ummantelung
eingehüllt
ist, einen zweiten Leiter, der in eine zweite Ummantelung eingehüllt ist,
die aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten
hergestellt ist, eine dritte Ummantelung, die eine erste und zweite
Ummantelung einhüllt,
und einen Heizdraht, der um die erste Ummantelung gewickelt ist,
wobei Abschnitte der dritten Ummantelung entfernt sind, um zu bewirken,
dass der Heizdraht mit der zweiten Ummantelung in Kontakt kommt.
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Die
erste Ummantelung kann elektrisch isolierend sein und mit der zweiten
Ummantelung in Kontakt stehen, wobei Abschnitte der ersten und dritten
Ummantelungen entfernt sind, damit der Heizdraht mit dem ersten
Leiter in Kontakt kommt.
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Das
Heizelement kann einen Halbleiter umfassen.
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Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung werden jetzt mit Hilfe von Beispielen
beschrieben, die auf die beiliegenden Abbildungen Bezug nehmen,
von denen:
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1 eine
schematische Darstellung der elektrischen Eigenschaften einer Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht der in 1 schematisch
dargestellten Ausführungsart
ist;
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3 ein
Schnitt entlang der Linie 3-3 ist;
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4 ein
Schnitt durch die in 2 dargestellte Struktur an einer
aus der Ebene des Schnitts in 3 gerückten Stelle
ist;
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5 eine
schematische Darstellung der Leistung der Ausführungsart der 1 bis 3 ist;
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6 eine
schematische Darstellung der Leistung eines herkömmlichen temperaturbeschränkten Heizkabels
ist; und
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7 eine
teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer alternativen
Ausführungsart der
vorliegenden Erfindung ist.
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Es
wird auf 1 Bezug genommen: das gezeigte Heizkabel umfasst
einen ersten Kupfer-Stromversorgungsleiter 1 und
einen zweiten Kupfer-Stromversorgungsleiter 2. Der erste
Leiter 1 ist in eine isolierende Ummantelung 3 eingeschlossen, während der
zweite Leiter 2 in eine Ummantelung 4 eingehüllt ist,
die einen Bestandteil mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC)
enthält,
sodass der elektrische Widerstand der Ummantelung 4 im
Allgemeinen niedrig ist, aber schnell ansteigt, sobald eine kritische
Schalttemperatur erreicht ist. Ein Heizdraht kommt mit dem Leiter 1 in
direkten Kontakt durch Öffnungen,
die in der Ummantelung 3 an den Stellen 5, 6,
und 7 geformt sind. Derselbe Heizdraht kommt an den Stellen 8, 9 und 10 mit
der Außenseite
der Ummantelung 4 in Kontakt. Sind die Enden 11 der
beiden Leiter 1 und 2 mit jeweiligen Anschlüssen einer Stromversorgung
verbunden, dann bildet der Heizdraht fünf parallele Heizzonen, die
den Heizdrahtteilen 12, 13, 14, 15 und 16 entsprechen.
Ein jeder dieser Teile erzeugt Wärme
als Funktion der zwischen den Anschlüssen 11 angelegten
Spannung, der elektrischen Eigenschaften des Heizdrahts und des
elektrischen Widerstands, der von der Ummantelung 4 dem
Stromfluss zwischen Heizdraht und Stromversorgungsleiter 2 entgegengesetzt
wird.
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Es
wird auf 2 Bezug genommen: diese Abbildung zeigt die Struktur,
die die in 1 schematisch dargestellten Eigenschaften
erzeugt. Die Ummantelungen 3 und 4 sind in einen
Isoliermantel 17 eingehüllt.
In 2 ist der Heizdraht, der die Heizteile 12 bis 16 formt,
als eine Spirale aus Draht 18 dargestellt, die spiralförmig um
die Außenseite des
Isoliermantels 17 gewickelt ist. Abschnitte der Ummantelung 17 sind
weggeschnitten, damit der Draht 18 mit der Außenseite
der Ummantelung 4 (wie in 2 gezeigt)
und dem Leiter 1 in Kontakt kommen kann, wobei die weggeschnittenen
Abschnitte entlang der Länge
des Kabels gestaffelt angeordnet sind, sodass die beabstandeten
Abschnitte des Drahts 18 abwechselnd mit dem Leiter 1 und
der Ummantelung 4 verbunden sind. Der Heizdraht ist in
einen weiteren Isoliermantel 19 eingehüllt, der von einem Außenmantel 20 aufgenommen
wird.
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3 ist
ein Schnitt entlang der Linie 3-3 in 2 und veranschaulicht,
wie der Heizdraht 18 um die Außenfläche der um den Leiter 2 geformten
Ummantelung 4 gewickelt ist. 4 ist ein äquivalenter Schnitt
durch einen nicht in 2 gezeigten Kabelabschnitt, wo
Ummantelung 17 und Ummantelung 3 weggeschnitten
sind, damit der Heizdraht 18 mit dem Leiter 1 in
Kontakt kommt.
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Da
eine Anzahl von Windungen des Heizdrahts 18 und der Leiter 1 in
direktem Kontakt stehen, besteht zwischen dem Leiter 1 und
dem Heizdraht 18 eine elektrische Kontaktstelle im Wesentlichen
mit Nullwiderstand. Dagegen kommt der Heizdraht 18 nicht
in direkten Kontakt mit dem Leiter 2, sondern hat Kontakt
mit der Außenfläche der
Ummantelung 4. So ist die Ummantelung 4 elektrisch
in Reihe geschaltet zwischen Leiter 2 und denjenigen Windungen
des Drahts 18, die mit der Ummantelung 4 in Kontakt
stehen. Der Widerstand der Ummantelung 4 ist eine Funktion
der Temperatur, da die Ummantelung 4 PTC-Material enthält. Durch
eine angemessene Auswahl der Eigenschaften des in der Ummantelung 4 enthaltenen
PTC-Materials kann so das Verhältnis
zwischen der Ausgangsleistung des Heizkabels und der Temperatur
des Kabels genau gesteuert werden.
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5 ist
ein Graph, der das Verhältnis
zwischen Leistung und Temperatur veranschaulicht, vorausgesetzt,
der in der Ummantelung 4 enthaltene PTC-Bestandteil wird
so gewählt,
dass der elektrische Widerstand in der Ummantelung 4 sehr
schnell ansteigt, wenn eine kritische Temperatur Tc erreicht wird.
Mit einer solchen Leistung kann das Heizkabel als Heizgerät mit konstanter
Leistung benutzt werden. Es wäre
möglich,
die PTC-Bestandteile in die Ummantelung 4 zu integrieren,
um eine Ausgangsleistung zu erreichen, die mit der Temperatur graduell abfällt, und
eine solche Eigenschaft wird durch den Graphen in 6 veranschaulicht.
Im Allgemeinen wird die in 5 dargestellte
Leistung bevorzugt.
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In
der veranschaulichten Ausführungsart können die
Leiter 1 und 2 aus verzinntem oder vernickeltem
Kupfer bestehen, mit beispielsweise neunzehn Kupferadern, deren
jede einen Durchmesser von 0,45 mm hat, sodass der Querschnitt beispielsweise
ungefähr
3 mm2 beträgt. Der Isoliermantel 3 kann
aus Fluorpolymer wie beispielsweise MFA bestehen, mit einer Dicke
von bis zu 1 mm. Die PTC enthaltende Schicht 4 kann ein
Thermoplast oder Fluorpolymer sein, was von der gewünschten Betriebstemperatur
abhängt.
Beispielsweise könnte
ein thermoplastisches Polyethylen für eine Anwendung verwendet
werden, in der die Maximaltemperatur im Bereich von 80 °C liegen
soll, wohingegen ein Fluorpolymer verwendet werden kann, wenn die
Betriebstemperatur bis zu 150 °C
oder sogar bis zu 260 °C
erreichen soll. Der Hauptbestandteil der Ummantelung 4 mit
PTC-Leistung wird im Allgemeinen Carbon-Black (oder Russ) sein (Carbonfaser
oder Carbon-Nanoröhrchen
wären aber
auch möglich),
ergänzt
durch mineralische Füllstoffe.
Die Eigenschaften von in Heizkabeln verwendeten PTC-Verbindungen
werden in der Fachliteratur ausgiebig behandelt, und die Auswahl
einer geeigneten Verbindung wird von den angestrebten endgültigen Betriebseigenschaften
abhängen.
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Der
Heizdraht 18 kann aus Nickelchrom bestehen und die Isolier-
und Außenmäntel 19 und 20 können aus
MFA sein. Die Wattzahl pro Längeneinheit
des Kabels hängt
von der Beabstandung zwischen den Bereichen ab, in denen der Heizdraht 18 abwechselnd
mit dem Leiter 1 und dem PTC-Mantel 4 in Kontakt
steht. So kann ein Standardprodukt bis zu und einschließlich Mantel 17 hergestellt
werden. Abschnitte des Mantels 17 können dann entfernt werden,
wobei die Beabstandung zwischen benachbarten Abschnitten durch die
angestrebten endgültigen elektrischen
Eigenschaften bestimmt wird. Der Heizdraht 18 kann dann
auf das Kabel gewickelt werden und in den Isoliermantel 19 und
Außenmantel 20 eingehüllt werden.
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Ein
wärmeleitfähiges Material
beispielsweise in Pastenform oder zum Aufsprühen kann auf die freigelegten
Abschnitte des Leiters 1 und des Mantels 4 aufgetragen
werden, um den elektrischen Kontakt mit dem danach gewickelten Draht 18 zu
verbessern und das Risiko einer Beschädigung des PTC-Mantels 4 zu
reduzieren.
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Es
wird deutlich sein, dass Ausführungsarten der
Erfindung viele Formen annehmen können. 7 veranschaulicht
beispielsweise ein elektrisches Heizkabel 21 nach einer
alternativen Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung. Das Heizkabel 21 umfasst einen
ersten Stromversorgungsleiter 1 und einen zweiten Stromversorgungsleiter 2.
Der Leiter 2 ist in eine Ummantelung 4 eingehüllt, die
einen PTC-Bestandteil enthält,
sodass der elektrische Widerstand der Ummantelung 4 im
Allgemeinen niedrig ist, aber schnell ansteigt, sobald eine kritische
Schalttemperatur erreicht ist. In dieser Ausführungsart ist der Leiter 1 nicht
in eine Isolierummantelung eingehüllt. Das Heizelement umfasst
einen Halbleiter, der zwischen den beiden Leitern 1, 2 verläuft und
mit ihnen elektrisch verbunden ist. Der Halbleiter 22 kommt über die
Ummantelung 4 mit dem Leiter 2 in elektrischen
Kontakt. In dieser bestimmten Ausführungsart hat der Halbleiter 22 die
Form eines Polymer-Matrixkörpers,
in den die beiden Leiter eingebettet sind.
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In
dieser besonderen Ausführungsart
wird vorgesehen, dass der Halbleiter 22 eine konstante Wattzahl
hat, d. h. dass sich sein Widerstand mit der Temperatur nicht spürbar verändert. Daraus
folgt, dass durch eine angemessene Auswahl des PTC der Ummantelung 4 die
Leistung des Heizkabels 21 so gestaltet werden kann, dass
sie im Allgemeinen der der anderen Ausführungsart, d. h. der in 5 gezeigten, ähnelt.
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In
den beschriebenen Ausführungsarten
der Erfindung ist nur einer der beiden Leiter 1, 2 in
eine PTC-Ummantelung eingehüllt.
Es wäre
möglich,
beide Leiter in eine PTC-Ummantelung einzuschließen, sodass jeder Teil des
Heizdrahts mit zwei PTC-Ummantelungen in Reihe geschaltet ist, wobei
jede der beiden ausreichen würde,
die notwendige selbstbegrenzende Leistung bereitzustellen. In einer
derartigen Anordnung müsste
natürlich
sichergestellt werden, dass die beiden PTC-Ummantelungen getrennt sind,
damit ein Kurzschluss vermieden wird.
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Gleichermaßen wurde
in der obigen Ausführungsart
vorausgesetzt, dass das Heizelement (d. h. der Heizdraht oder der
Halbleiter) im Allgemeinen eine konstante Wattzahl hat. Es wird
jedoch deutlich sein, dass das Heizelement aus einem Material mit einem
positiven oder negativen Temperaturkoeffzienten gebildet sein kann.
Beispielsweise kann durch Bereitstellung einer Ummantelung 4 mit
einem positiven Temperaturkoeffizienten und eines Heizelements 22 mit
einem anderen positiven Temperaturkoeffizienten ein Kabel hergestellt
werden, das selbstregulierend ist bis zu einer vorbestimmten Temperatur,
bei der es selbstbegrenzt.