DE69106989T2

DE69106989T2 - Schalter-gesteuertes zonenartiges Heizkabel und Verfahren.

Info

Publication number: DE69106989T2
Application number: DE69106989T
Authority: DE
Inventors: Blake E Heimbecker; Chandrakant M Yagnik
Original assignee: Thermon Manufacturing Co
Current assignee: Thermon Manufacturing Co
Priority date: 1990-09-20
Filing date: 1991-09-19
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2011-09-20
Also published as: CA2051334A1; AU8461891A; MX9101178A; EP0476637A1; EP0476637B1; ATE117863T1; KR920007492A; DE69106989D1; CA2051334C; JPH04272680A; AU646498B2; US5512732A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Heizkabel, die thermische Schalter nutzen, um Zonentyp-Heizelemente zu regeln.

Beschreibung des Standes der Technik:

Flexible, langgestreckte elektrische Kabel sind kommerziell viele Jahre lang zur Heizung von Rohren, Tanks, Ventilen, Behältern und für eine Vielfalt anderer Anwendungen benutzt worden. Die Heizkabel halten die Temperatur von Fluiden in Rohren oder Einrichtungen aufrecht und verhindern Einfrieren.
Derzeit sind zwei wichtige Typen elektrischer Heizkabel erhältlich. Der erste ist ein Heizer mit konstanter Wattleistung des in Fig. 1 dargestellten Typs. Ein Heizer mit konstanter Wattleistung weist typisch zwei mit einer Leistungsversorgung verbundene Leiter mit einer Anzahl von Widerstandselementen auf, die parallel zueinander ausgerichtet und mit den Leitern verbunden sind. Die Leiter werden mit elektrischem Strom versorgt und dieser fließt durch die Widerstandselemente, um Wärme zu erzeugen. Temperatursteuerung von Heizern mit konstanter Wattleistung wird im allgemeinen mittels eines externen Thermostaten erreicht, der auf Basis der Temperatur des Rohres oder der Temperatur des Kabels Strom zu dem gesamten Kabel liefert oder unterbricht.
Die Bereitstellung einer einzelnen externen Steuerung für das gesamte Kabel hat bedeutende Nachteile. Bei vielen Anwendungen können sich die Wärmebedarfe für verschiedene Punkte an dem Kabel signifikant unterscheiden. Ein Heizer mit konstanter Wattleistung jedoch erzeugt Wärme relativ einheitlich entlang seiner Länge als Antwort auf eine einzige Thermostatsteuerung und hat das Potential, für gewisse Bereiche zu viel Wärme und für andere nicht genug zur Verfügung zu stellen. Wenn der Thermostat nicht an einem repräsentativen Ort plaziert ist, kann sich das Kabel überhitzen oder das Fluid kann sich unter eine gewünschte Temperatur abkühlen. Weiterhin können in Verbindung mit Heizern mit konstanter Wattleistung benutzte Hochstrom-Steuergeräte bei gewissen Hochleistungsbedingungen versagen. Ein Versagen des Steuergerätes kann eine Überhitzung des Kabels verursachen, wenn das Versagen in einer Einschaltstellung auftritt, oder es unterbricht die Wärmeerzeugung für das gesamte Kabel, wenn das Versagen in der Ausschaltstellung erfolgt.
Der zweite Haupttyp von Heizkabeln ist der selbstbegrenzende oder selbstregulierende Typ, von dem ein Beispiel schematisch in Fig. 2 gezeigt ist. Wie ein Kabel mit konstanter Wattleistung weist ein typisches selbstregulierendes Heizkabel ein Paar von mit einer Leistungsversorgung verbundenen Leitern auf und hat entweder eine Anzahl diskreter Widerstandselemente mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), die, wie in Fig. 2 gezeigt, parallel zueinander geschaltet sind, oder einen Streifen oder ein Geflecht von PTC-leitendem Polymer, der die Leiter verbindet. Anstatt wie die Heizer mit konstanter Wattleistung einen externen Thermostaten zu erfordern, steuern das PTC-Material oder die Elemente den Stromfluß zu den eine Widerstandserwärmung erzeugenden Elementen.
Selbstregulierende, PTC-Materialien benutzende Heizkabel erzeugen Wärme, bis das Kabel eine Temperaturgrenze erreicht, die im wesentlichen durch die Schalttemperatur des PTC- Materials bestimmt ist. Die Schalttemperatur ist die Temperatur, bei der Widerstand des Materials steil ansteigt, vielfach in der Größenordnung mehrerer Größenordnungen über einen relativ kurzen Temperaturbereich. Der durch das Material fließende Strom nimmt als Antwort auf den angestiegenen Widerstand ab, was die Leistungsabgabe begrenzt und Überhitzung verhindert.
Wenn die Kabeltemperatur sich der Schalttemperatur annähert wird die Wärmeabgabe des Widerstandselementes beginnen, sich zu verringern. Die Rate, mit der die Wärmeabgabe abnimmt, ist ein Charakteristikum des benutzten PTC-Materials. Bei einigen Materialien ändert sich die Abgabe nur graduell, während die Änderung bei anderen abrupter ist. Der Strom wird mit Anstieg der Temperatur sich fortgesetzt verringern, aber er wird nie vollständig aufhören. Eine vollständige Unterbrechung kann nur durch Abschalten der Leistungsversorgung erreicht werden.
PTC-Material kann zur Bildung des Heizelementes selbst benutzt werden. Zum Beispiel kann das Heizelement einen Streifen aus PTC-leitendem Polymer, der zwischen die Leiter geschaltet ist, aufweisen. Das Heizelement kann auch ein PTC- keramischer Chip sein. Alternativ kann das PTC-Material in Reihe mit einem Heizelement mit konstantem Widerstand geschaltet sein, wie in Fig. 3 gezeigt. In diesem Fall steuert das PTC-Material primär den Strom zu dem Widerstand und wirkt nur sekundär als ein wärmeerzeugendes Element. In jedem Fall hat das PTC-Material einen wärmeerzeugenden Aspekt, der seine Leistung beeinflußt. Der Stromfluß hängt von der Temperatur des PTC-Materials ab, die sowohl von der Abgabe des Heizelementes als auch von der Temperatur seiner Umgebung beeinflußt wird.
PTC-Materialien können Hysterese-Effekten unterworfen sein. Manche PTC-Materialien verhalten sich, wenn das Kabel sich aufheizt, unterschiedlich wie wenn das Kabel sich abkühlt. Entsprechend kann sich die Leistung bei Temperatur des Kabels signifikant von der Abschalttemperatur unterscheiden. Diese Ungleichheit ist im allgemeinen unerwünscht und kommt zu Design- und Herstellungsschwierigkeiten hinzu.

Zusammenfassung der Erfindung:

Das Heizkabel der vorliegenden Erfindung hat einen Schalter zur Steuerung des Stroms in jeder Heizzone des Kabels. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Schalter ein thermisch betriebener Ferrit-Reedkontakt. Der Schalter ist in Reihe geschaltet mit einem oder mehreren Widerstandselementen in jeder Heizzone, so daß die Heizzone volle Leistungsabgabe liefert, wenn der Schalter eingeschaltet ist und keine Leistungsabgabe, wenn der Schalter ausgeschaltet ist. Der Zustand des Schalters hängt von seinem Curiepunkt ab, der Temperatur, bei der die Permeabilität des Ferritmaterials sich dramatisch ändert. Wenn die Temperatur des Schalters oberhalb des Curiepunktes ist, ist der Schalter ausgeschaltet. Wenn der Schalter sich bis unter den Curiepunkt abkühlt, schaltet der Schalter ein und liefert Leistung zu der Heizzone. Die Schaltaktion schafft eine Rechteckwelle in bezug auf die Form der Kurve, die sich aus einer graphischen Auftragung der Leistungsabgabe gegen die Temperatur für eine bestimmte Heizzone ergibt.
Der Ferrit-Reedkontakt arbeitet magnetisch und als Funktion von Temperatur unabhängig von Stromfluß und Leistungsabgabe. Der Schalter selbst erzeugt im allgemeinen vernachlässigbare Wärme, es sei denn, er wird in einer Umgebung mit sehr hohem Strom benutzt, was nicht üblich ist. Daher wird die Konstruktion eines Heizkabels mit einer bestimmten Schalttemperatur unabhängig von der Leistungsabgabe stark vereinfacht. Das Heizkabel umfasst auch eine Anzahl von Steuerungspunkten entlang der Länge des Kabels. Als Ergebnis variiert das Kabel die entlang seiner Länge erzeugte Wärme, wie für jede spezielle Zone erforderlich. Außerdem verwendet das Kabel eine Anzahl von Niederstrom-Einrichtungen anstelle eines einzelnen, weniger verläßlichen Hochstrom-Steuergerätes. Weiterhin wird durch Reduzierung der zu jeder einzelnen Steuereinrichtung gerichteten Leistung eine Überhitzung wegen eines unwahrscheinlichen Versagens einer Komponente praktisch eliminiert.
Das Heizkabel der vorliegenden Erfindung umfasst weiterhin ein internes Steuerverfahren, das unabhängig von dem Heizelement funktioniert. Das Heizelement kann jedes wärmeerzeugende Material sein, das durch den Schalter gesteuert werden kann. Dies verbreitert wesentlich den Bereich akzeptabler Heizelementmaterialien.
Die Heizkabelkonstruktion ist auch deutlich weniger anfällig für die sich aus Hysterese ergebenden Nachteile. Ein in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiertes Heizkabel wird nicht durch PTC-Materialien gesteuert. Die mechanischen Schalter der vorliegenden Erfindung unterliegen nicht der Hysterese. Daher kann leicht ein Heizkabel konstruiert werden, das sich bei Aufheizen und Abkühlen des Kabels gleich verhält.
In einer Alternativ-Ausführung ist ein Heizelement parallel mit dem Schalter angeordnet, so daß die Leistungsabgabe zwischen zwei positiven, temperaturabhängigen Niveaus geschaltet wird, nicht völlig an oder aus. Somit reduziert es die Schalthäufigkeit, weil das Kabel nicht so schnell abkühlt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann erreicht werden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen berücksichtigt wird, in denen die:
Fig. 1, 2 und 3 Beispiele von Heizkabeln des Standes der Technik sind;
Fig. 4 eine Perspektivansicht in teilweisem Querschnitt eines Heizkabels mit einem Ferrit-Schalter entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 5 ein elektrisches schematisches Diagramm des Heizkabels von Fig. 4 ist;
Fig. 6A, 6B, 6C und 6D erläuternde Zeichnungen von Ferrit- Schaltern entsprechend dem Stand der Technik sind;
Fig. 7 eine Temperatur/Leistungs-Darstellung für das Heizkabel von Figur 4 ist;
Fig. 8 ein elektrisches schematisches Diagramm eines Heizkabels mit Heizmaterial parallel zu einem Ferrit-Schalter entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 9 eine Perspektivansicht in teilweisem Querschnitt einer ersten Alternativkonstruktion für das Heizkabel von Fig. 8 ist; und
Fig. 10 eine Perspektivansicht in teilweisem Querschnitt einer zweiten Alternativkonstruktion für das Heizkabel von Fig. 8 ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen:

Im Bezug auf die Zeichnungen bezeichnet der Buchstabe C allgemein die Heizkabel der vorliegenden Erfindung, wobei der numerische Zusatz die spezifische Ausführungsform des Kabels C anzeigt.
Figur 4 erläutert die erste bevorzugte Ausführungsform eines Heizkabels C1, das entsprechend der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Zwei elektrische Leiter 20 und 22 erstrecken sich im wesentlichen parallel zueinander. Die elektrischen Leiter sind vorzugsweise 10er bis 20er (10 gauge to 20 gauge) Kupferdrähte, aber sie können jegliche elektrische Leiter mit niedrigem Widerstand sein. Die elektrischen Leiter 20 und 22 sind parallel geschaltet, um eine im wesentlichen konstante Spannung entlang der Länge des Kabels C1 zu schaffen.
Die Leiter 20 und 22 sind in ein dielektrisches Isolationsmaterial 24 eingekapselt. Das Isolationsmaterial 24 sorgt für elektrische Isolation für die Leiter 20 und 22 und hält sie in Position. Das Isoliermaterial 24 kann aus jeder gewöhnlich in Heizkabeln genutzten flexiblen dielektrischen Substanz zusammengesetzt sein. Das Isoliermaterial 24 ist in Abständen 26, 28 und 30 entlang seiner Länge gekerbt, so daß die Leiter 20 und 22 abwechselnd freigelegt sind. Eine Ausnehmung 32 ist in der Oberfläche des Isoliermaterials 24 zwischen den Leitern 20 und 22 ausgebildet.
Das Heizkabel der vorliegenden Erfindung hat einen Schalter zur Steuerung des Stromes in jeder Heizzone des Kabels. Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist der Schalter ein thermisch betriebener Zungenschalter (reed switch) 34, der in der Ausnehmung 32 in der Oberfläche des Isoliermaterials 24 aufgenommen ist. Die erste Leitung 36 des Schalters ist mit dem ersten Leiter 20 durch die den Leiter 20 freilassende Kerbe 28 verbunden. Die erste Leitung 36 ist mit dem ersten Leiter 20 durch irgendein dem Fachmann bekanntes geeignetes Mittel wie Lot, Spleiße, Bänder oder Klammern verbunden. Die zweite Leitung 37 des thermischen Schalters 34 erstreckt sich über die Oberfläche des Isoliermaterials 24. Die freigelegten Abschnitte des Leiters 20, die Schalterleitung 36 und Abschnitte der Schalterleitung 37 sind mit Isolierband 65 abgedeckt, um den Leiter 20 oder die Schalterleitungen 36 oder 37 vor Kontaktierung mit irgendwelchen anderen leitenden Elementen zu schützen. Ein Abschnitt der zweiten Leitung 37 bleibt zur Kontaktierung des Heizelementes freigelegt.
Ein Widerstandsheizelement 38 ist spiralig um das Isoliermaterial 24 herumgewunden. Das Heizelement 38 kann aus vielen Materialien mit geeignetem Widerstand gebildet sein. Nickel- Chrom-Draht ist ein gewöhnlich benutztes Widerstandsmaterial. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist Nickel-Chrom-Draht um einen gelitzten Glasfaserkern herumgewunden, wobei diese Anordnung dann spiralig um das Isoliermaterial 24 herumgewunden ist. Das Heizelement könnte auch eine Widerstandsfolie wie eine Kupferfolie sein. Das Widerstandsmaterial könnte auch aus leitendem thermoplastischem Material, wie kohlenstoffbeladenem kristallinen thermoplastischen Polymer, gebildet sein. Typischerweise enthalten die leitenden Zusammensetzungen aus Polymer und Kohlenstoff von ungefähr 4% bis ungefähr 30 Gew.% elektrisch leitenden Ruß. Idealerweise ist der leitende Ruß gleichförmig in dem Matrix verteilt. Dieses Material wird in Litzen geformt, die spiralig umwickelt sind. Als wieder andere Alternative kann das Widerstandsmaterial gelitzte, leitende Kohlenstofffasern sein, die spiralig um das Isolationsmaterial herumgewickelt sind.
Das Heizelement 38 kontaktiert den zweiten Leiter 22 dort, wo das Heizelement 38 die den zweiten Leiter 22 freilassenden Kerben 26 und 30 überlappt. Das Heizelement 38 kontaktiert die zweiten Leitung 37 des Schalters 34 dort, wo es die zweite Leitung 37 auf der Oberfläche des Isoliermaterials 24 überlappt. Das Heizelement 38 ist mit der zweiten Leitung 37 durch irgendwelche dem Fachmann bekannte geeignete Mittel wie Lot, Spleiße, Bänder, Klammern oder eine mechanische Druckverbindung verbunden. Der Schalter 34 und das Heizelement 38 sind so zwischen den Leitern 20 und 22 in Reihe geschaltet. Eine Überverkleidung 40 schließt die gesamte Anordnung ein, um Kurzschlüsse zu verhindern und zum Schutz der Umgebung.
Das schematische Diagramm von Fig. 5 zeigt die entsprechende Schaltung des Heizkabels C1 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Das Kabel C1 wird durch eine Spannungsquelle 42, die mit den Leitern 20 und 22 verbunden ist, mit Leistung versorgt. Strom fließt durch den ersten Leiter zu dem Schalter 34. Wenn der Schalter 34 eingeschaltet ist, fließt Strom durch den Schalter 34 zu den Heizelementen 38 und dann zu dem zweiten Leiter 22 durch eine Kerbe 26 oder 30. Eine Zone für das Kabel C1 ist somit der Abstand zwischen den Kerben 26 und 30, weil das Heizelement 38 zwischen diesen Punkten durch einen einzelnen Schalter 34 gesteuert wird, und ist somit die kleinste Heizeinheit in dem Kabel C1. Wärme wird durch den durch die Heizelemente 38 fließenden Strom erzeugt. Wenn die Kabeltemperatur den Curiepunkt oder Schaltpunkt des Schalters 34 erreicht, schaltet der Schalter 34 ab und unterbricht den Stromfluß. So liefert die Heizzone volle Leistungsabgabe, wenn der Schalter eingeschaltet ist und keine Leistungsabgabe, wenn der Schalter ausgeschaltet ist.
Die bevorzugte Ausführungsform verwendet Schalter, die zur Steuerung des Stromflusses durch die Heizelemente 38 thermisch betrieben sind. Thermisch betriebene Zungenschalter, die für eine Schaltung am Curiepunkt Ferrit verwenden, sind im Stand der Technik bekannt, siehe z.B. US-Patente Nr. 4,509,029; 4,703,296; und 4,434,411, die hierdurch durch Bezugnahme mit eingeschlossen werden, und verschiedene Beispiele wie in den Figuren 6A bis 6D dargestellt. Im allgemeinen wird ein Ferrit-Material 44 mit einer ausgewählten Curie- Temperatur Tc in der Nähe von einem oder mehreren Permanentmagneten 46 plaziert. Die Magneten 46 und das Ferrit-Material 44 sind so angeordnet, daß bei einer Temperatur unterhalb Tc, wenn das Ferrit-Material 24 in einem ferromagnetischem Zustand ist, das magnetische Feld und die Flußlinien der Permanentmagneten 46 sich ausdehnen, um das Ferrit-Material 44 einzuschließen. Oberhalb Tc wird der magnetische Widerstand des Ferrits stark erhöht und das Ferrit-Material 44 verliert seine Fähigkeit, den magnetischen Fluß zu leiten und wird also paramagnetisch. An diesem Punkt schrumpft der effektive magnetische Fluß auf die durch die Permanentmagneten 46 alleine erzeugte Größe.
Die Änderung in der Größe des magnetischen Feldes, die bei der Curie-Temperatur des Ferrits 44 erfolgt, wird somit benutzt, um eine Schalteinrichtung zu steuern, oft durch Öffnen und Schließen der Kontakte eines Zungenschalters 48, der in der Nähe der Magneten 46 und des Ferrit-Materials 44 angeordnet ist. Unterhalb Tc schließt der Flußweg den Zungenschalter 48 mit ein, der somit schließt und einen Strompfad durch den Schalter 34 bildet. Oberhalb Tc schließt der Flußpfad den Zungenschalter 48 nicht mit ein, der somit öffnet, so daß kein Strompfad durch den Schalter 34 existiert. Die Öffnungs- und Schließtemperaturen des Schalters 34 sind leicht auswählbar durch Auswahl eines Ferrit-Materiales 44 mit der gewünschten Curie-Temperatur und durch Dimensionierung und Positionierung der verschiedenen Komponenten, wie der Magneten und der Schalterleiter 48. Ferrit-Zungenschalter werden unabhängig von Leistungsabgabe und Stromfluß thermisch betätigt und erzeugen vernachlässigbare Wärme. Ferrit-Zungenschalter können einfach konstruiert werden, um bei irgendeiner gewünschten Temperatur im Bereich von unterhalb ungefähr -20ºC bis oberhalb 130ºC, und häufig bis oberhalb ungefähr 500ºC, zu schalten. Der beschriebene Schalter ist nur eine Ausführungsform von vielen Kombinationen von ihre magnetische Phase wechselnden Materialien und Magneten, die benutzt werden können, um den Schalter zu steuern.
Es wird auch bemerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf ein einzelnes Heizelement zwischen dem Schalter 34 und dem Leiter 20 beschränkt ist. Während oft ein einzelnes, wärmeerzeugendes Widerstandselement benutzt werden wird, können in einigen Ausführungsformen zwei oder mehr Widerstandselemente entweder derselben oder unterschiedlicher Konstruktion in Reihe mit dem Ferrit-Schalter 34 benutzt werden. Solche Widerstände könnten einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (PTC), einen verschwindenden (zero) Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (ZTC), oder einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (NTC) haben. Zum Beispiel ist es üblicherweise wünschenswert, ein Heizkabel zu haben, in dem ein PTC-Widerstand und ein ZTC-Widerstand in Reihe zueinander und mit dem Ferrit-Schalter 34 angeordnet sind, um eine einzelne Zone zu bilden. Das Widerstandselement könnte auch ein PTC-keramischer Chip oder ein Heizelement sein, das aus einem leitenden Polymer hergestellt ist, der entweder einen positiven, negativen oder verschwindenden Temperaturkoeffizienten des Widerstandes haben könnte. Wie dem Fachmann auch bekannt ist, können die Länge und der Widerstand des wärmeerzeugenden Elementes gewählt werden, um eine wie auch immer gewünschte Wärmeabgabe für die Zone zu ergeben, wenn es in Kombination mit der Leistungsversorgungsspannung ausgewählt wird.
Das selbstregulierende Kabel kann aufgebaut sein aus so vielen individuellen Zonen von wie auch immer geeigneter Länge, aber am häufigsten werden sie zwischen einigen Zoll (inches) und einigen Fuß (feet) Länge sein. Die Zonen sind alle parallel zueinander zwischen den Leitern geschaltet, um ein langgestrecktes Heizkabel von jeder gewünschten Länge zu bilden. Entsprechend erzeugt jede Zone die Wärme, die für die bestimmte Zone erforderlich ist, die durch eine einzelne Niederstrom-Steuereinrichtung gesteuert wird.
Drei Kabelproben wurden entsprechend der ersten bevorzugten Ausführungsform des Kabels C1 vorbereitet. Ferrit-Zungenschalter, die von Thermo-disk, Inc. of Mansfield, Ohio erhalten wurden, die Modelle MTS-80B, MTS-90B, und MTS-120B mit Curie-Temperaturen von 80ºC (176ºF), 90ºC (194ºF) bzw. 120º (248ºF), wurden in den drei entsprechenden Proben benutzt. Im übrigen war die Kabelkonstruktion für alle drei Proben identisch.
Das Isoliermaterial 34 war ein thermoplastisches Gummi. Die Ferrit-Schalter-Leitung 36 in Kontakt mit dem Leiter 22 wurde durch Löten für guten elektrischen Kontakt angebracht. Die Kerben 26, 28 und 30 waren in der Mitte 12 Zoll (12 inches). Elektrische Isolation 65 für die Schalterleitungen 36 und 37 und den Leiter 22 wurde durch Hochtemperatur-Teflon-Band geschaffen. Ein 40er Nickel-Chrom-Draht (forty gauge nichrome wire) mit einem Widerstand von ungefähr 2.3 Ohm pro Zentimeter (70 Ohms/foot) wurde mit einer Rate von ungefähr zwanzig Fuß pro laufendem Fuß des Kabels herumgewickelt, um ungefähr für fünf Watt pro Fuß zu sorgen, wenn es mit einer 120 V-Wechselstrom-Leistungsversorgung benutzt wird. Die Kabelproben wurden dann in einer Klimakammer positioniert. Leistungsabgabe des Kabels wurde gemessen und gegen die Kammertemperatur aufgetragen. Die Ergebnisse sind in Figur 7 gezeigt. Alle drei Kabelproben zeigen Rechteckwellen-Leistungskurven, bezugnehmend auf den scharfen Abfall in Leistungsabgabe bei der Schalttemperatur.
Eine zweite Ausführungsform des Heizkabels der vorliegenden Erfindung verwendet einen parallel mit einem oder mehreren Heizelementen angeordneten Ferrit-Schalter. Die parallele Anordnung wird dann mit einem zusätzlichen Heizelement in Reihe geschaltet, um eine Heizzone zu bilden.
Die Zyklus-Zeit oder Schalthäufigkeit des Ferrit-Schalters 34 kann durch Parallelschaltung eines PTC-Elementes 50 mit dem Ferrit-Schalter 34, wie in Fig. 8 gezeigt, verlangsamt werden. In einem Kabel C2, bei dem das PTC-Element 50 eine Schalttemperatur wenig unterhalb der Curie-Temperatur des Ferrit-Schalters 34 hat, wird das Ergebnis eine Leistungsabgabe sein, die bei der Öffnungstemperatur des Ferrit-Schalters 34 beträchtlich abfällt. Die Leistungsabgabe wird aber nicht bis auf Null fallen. Die Leistungsabgabe ist nun durch das PTC-Element 50 gesteuert. Es ist wünschenswert, daß die Schalttemperatur des PTC-Elementes 50 unterhalb der Schalttemperatur des Ferrit-Schalter 34 liegt, so daß das PTC-Element 50 einen relativ hohen Widerstand hat, wenn der Ferrit- Schalter 34 öffnet. Wenn der Widerstand des PTC-Elementes 50 zu niedrig wäre, könnte das Kabel C2 die Aufheizung fortsetzen und die Leistungsabgabe des Kabels wäre nicht bei der Schalttemperatur des Ferrit-Schalters 34 kontrolliert.
Wenn das oben beschriebene Kabel in Umständen installiert wird, wo die niedrigere Leistungsabgabe zu einem Abfall der Gesamt-Kabeltemperatur führen würde, die normale Bedingung eines installierten Kabels, wird das Kabel anders als existierende Kabel funktionieren. Unter diesen Umständen wird das Kabel C2 gemeinsam mit dem, was es heizt, beginnen abzukühlen, wenn der Ferrit-Schalter 34 öffnet. Das Kabel C2 wird immer noch Wärme erzeugen, aber mit einer solchen Leistungsabgabe, das die Gesamttemperatur abfällt. Die Temperatur fällt jedoch langsamer ab als sie abfallen würde, wenn dort nur der Ferrit-Schalter 34 zur Steuerung wäre, weil immer noch Strom durch das PTC-Element 50 und das primäre Heizelement 38 fließen wird. Wenn die Kabeltemperatur unter die Temperatur fällt, bei der der Ferrit-Schalter 34 schließt, wird die Zone wieder die volle Leistung erzeugen. Mit Erzeugung der vollen Auslegungsleistung wird die Kabeltemperatur wieder steigen und der Lastzyklus beginnt von vorn. Der Nettoeffekt der Nutzung des PTC-Elements 50 parallel mit dem Ferrit-Schalter 34 ist, daß der Ferrit-Schalter 34 weniger häufig periodisch öffnen und schließen wird als er andernfalls würde, wenn der Schalter 34 und das PTC-Element 50 nicht parallel angeordnet wären.
Dasselbe Prinzip arbeitet, wenn das parallel mit dem Ferrit- Schalter 34 geschaltete Widerstandselement einen verschwindenden Temperatur-Koeffizient des Widerstandes hat, wie ein Widerstandsdraht, wobei dieses Beispiel als eine Alternative in Figur 8 gezeigt ist, oder einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes, vorausgesetzt daß die Widerstände so sind, daß das installierte Kabel abkühlt, wenn der Schalter 34 offen ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Kabels C2 ist ein Kabel C2A wie in Fig. 9 gezeigt, wo ein keramischer Chip das PTC- Element 50 ist. Diese Ausführungsform nutzt einen PTC-keramischen Chip 54 parallel mit einem Ferrit-Zungenschalter 34. Wie in der Ausführungsform von Kabel C1 beschrieben, wird ein Streifen von Isoliermaterial 24 über zwei Leiter 20 und 22 extrudiert. Bei dieser Ausführungsform ist das Isoliermaterial 24 in geeigneten Abständen 26, 28, 30 und 56 gekerbt. Vorzugsweise sind die Kerben 28 und 56 zwischen den Kerben 26 und 30 und an dem anderen Leiter angeordnet. In diesem Fall sind der PTC-keramische Chip 54 und der Ferrit-Schalter 34 in Ausnehmungen 58 und 60 in dem Isoliermaterial positioniert. Eine Leitung 36 des Ferrit-Schalters 34 ist mit dem ersten Leiter 20 verbunden, während eine zweite Schalterleitung 37 mit einer Oberfläche des keramischen Chips 54 verbunden ist. Eine dritte Leitung 66 ist von der zweiten Seite des keramischen Chips 54 mit dem ersten Leiter 20 verbunden. Alle freigelegten Drähte einschließlich beider Seiten des keramischen Chips 54 sind elektrisch isoliert, mit der Ausnahme, daß ein kleiner Abschnitt der Leitung 37, die den Schalter 34 und den Chip 54 verbindet, blank gelassen wird, wie es auch die Kerbenbereiche 26 und 30 des Leiters 22 sind.
Das Kabel C2A wird dann spiralig mit z.B. Widerstands-Nickelchrom-Draht mit einem Widerstand von 2.3 Ohm/cm (70 ohms/foot) mit 20.5 Fuß pro einem Fuß Zone umwickelt, wobei hier eine Zone der Abstand zwischen den Kerben 26 und 30 ist. Wieder ist die gesamte Kabelanordnung mit primärer Isolation 40 überverkleidet. Es wird verstanden werden, daß es wie mit den vorhergehenden Ausführungsformen möglich ist, ein Kabel mit Komponenten zu konstruieren, die irgendeinen Wert, der gewünscht sein kann, haben können. Das Beispiel benutzt einen bestimmten Satz von Werten für die Komponenten in der allgemeinen Kabelkonstruktion für die vorliegende Ausführungsform.
Der beispielsgemäße Nickel-Chrom-Widerstandsdraht hat einen Widerstand von 1440 Ohm/Zone. Mit einer Leistungsversorgung von 120 V Wechselstrom wird dies zu einer Leistungsabgabe von 10 Watt/Zone führen, wenn der Ferrit-Schalter 34 in der geschlossenen Position ist. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst das Kabel C2A einen Ferrit-Schalter 34 mit einer Currie-Temperatur von 74ºC (165ºF) und einen PTC-keramischen Chip 54 mit einer Curie-Temperatur von 155ºF und einem Widerstand von 500 Ohm bei 74ºC (165ºF). Wenn die Kabeltemperatur 74ºC (165ºF) erreicht, öffnet der Ferrit-Schalter 34 und der Strom fließt, um den Stromkreis der Zone zu schließen, durch den Chip 54, was einen Gesamtwiderstand des Stromkreises von 1940 Ohm ergibt. Dies ergibt eine Gesamt-Leistungsabgabe von 7.4 Watt/Zone. Wieder unter der Annahme einer korrekt konstruierten Installation wird die niedrigere Leistungsabgabe eine langsame Erniedrigung der Kabeltemperatur ergeben, so daß der Ferrit-Schalter 34 schließen wird und die Leistungsabgabe auf 10 Watt/Zone steigt. Durch Aufnahme eines PTC- Elements 50 in den Stromkreis ergibt sich auch die Sicherheit, daß die Leistung sogar bei einer weniger als ideal konstruierten Installation nach und nach beginnen würde abzufallen. Sollte der Ferrit-Schalter 34 aus irgendeinem Grund versagen, würde die Zone sich auf die Curie-Temperatur des PTC- Keramik Chip 54 regulieren. Somit wird sogar wenn der Schalter 34 versagt eine gewisse Kontrolle der Temperatur aufrechterhalten, wenn auch bei einer geringfügig niedrigeren Temperatur und nicht so scharf.
Eine Ausführungsform der Erfindung eines Kabels C2B, das einen parallelen Widerstandsdraht benutzt, ist in Fig. 10 gezeigt. Wie in der vorgehenden Ausführungsform von Kabel C1 beschrieben, sind zwei Leiter 20 und 22 innerhalb eines gekerbten Isolationsmaterials 24 gehalten, das Kerben 26, 28 und 30 hat, und die Ferrit-Schalter 34 sind in Ausnehmungen 32 in der Mitte des Isolationsmateriales 24 angeordnet. Die Ferrit-Schalter 34 sind mit allen ihrer zweiten Leitungen 37 in derselben Richtung entlang des Kabels C2B orientiert, die sich über eine einheitliche geeignete Strecke, wie die Hälfte der Gesamtlänge der Zone, erstrecken. Die Zone in diesem Fall ist der Abstand zwischen den abwechselnden Kerben in dem Kabel C2B. Die erste Leitung 36 ist mit dem Leiter 20 oder 22 verbunden. Die erste Leitung 36 und eine geeignete Menge der zweiten Leitung 37 werden dann isoliert, wie z.B. mit einem Hochtemperatur-TEFLON-Band, außer an den Kerben 26, 28 und 30, so daß der Leiter 20 oder 22 und ein Abschnitt der zweiten Leitung 37 frei (exposed) bleibt. Das teilweise zusammengebaute Kabel C2B wird dann spiralig mit einem Widerstandsdraht umwunden, z.B. Nickel-Chrom-Draht mit 3.4 Ohm/cm (105 Ohm/foot), so daß ein elektrischer Kontakt mit allen der freigelegten Leiter 20 und 22 und zweiten Leitungen 37 geschaffen wird. Das gesamte Kabel C2B wird dann mit einer primären Isolationsschicht 40, z.B. extrudiertem Polyethylen, abgedeckt, wie es dem Fachmann wohlbekannt ist. Bei diesem Aufbau schaltet der Ferrit-Schalter 34 effektiv diese eine Hälfte des Widerstandsdrahtes zwischen abwechselnden Kerben 26 und 28 oder 28 und 30 kurz oder umgeht diese. Wenn die Temperatur des Ferrit-Schalters 34 oberhalb seiner Curie- Temperatur ist, muß der Strom durch die gesamte Länge des Drahtes verlaufen und hat so wegen des erhöhten Widerstandes eine reduzierte Leistungsabgabe. Wenn die Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur ist, ist der Ferrit-Schalter 34 geschlossen und ein Abschnitt des Widerstanddrahtes wird umgangen, was den Widerstand zwischen den Leitern 20 und 22 für diese Zone reduziert und die zur Verfügung gestellte Leistung erhöht. Somit wird eine Mindestmenge an Leistung immer bereitgestellt, aber es wird größere Leistung bereitgestellt, wenn die Zone unterhalb der Curie-Temperatur des Schalters 34 ist.
Es wird von Fachmännern verstanden werden, daß es einer der Vorteile dieser Kabelausführung ist, daß die verschiedenen Komponenten ausgewählt werden können mit Werten, die für eine spezifische Nutzung wünschenswert oder geeignet sind. Es wird jedoch zum Zwecke der Erläuterung die Kabelfunktion unter Nutzung eines angenommenen Satzes von Werten für die Komponenten wie folgt beschrieben werden. Eine 120 V Wechselstromquelle wird mit den Leitern 20 und 22 verbunden. Die individuellen Zonen, der Abstand zwischen den Kerben 26, 28 und 30 sind einen Fuß lang, wobei die freigelegte oder zweite Leitung 37 von dem Ferrit-Schalter 34 sich 6 Zoll weit in die Zone erstreckt. 42er (forty-two gauge) 3.4 Ohm/cm (105 Ohm/Fuß) Nickel-Chrom-Draht ist mit einer Rate von 13.7 Fuß pro 6 laufenden Zoll Kabellänge gewickelt, was einen Gesamtwiderstand von ungefähr 1440 Ohm pro 15 cm (6 inches) ergibt. Wenn für den Widerstand des Ferrit-Schalters 34 in der geschlossenen Position ein Widerstand von im wesentlichen Null angenommen wird, wird der Gesamtwiderstand einer Zone mit dem Ferrit-Schalter 34 geschlossen 1440 Ohm betragen, dem Widerstand des Drahtes von Kerbe 26 zu der zweiten Leitung 37 das mit dem anderen Leiter 22 verbundenen Schalters 34. Dies ergibt eine Leistungsabgabe von ungefähr 10 Watt/Zone. Wenn das Kabel C2B die Curie-Temperatur des Ferrit-Schalters 34 erreicht, wird der Schalter 34 öffnen und es wird Strom durch den zweiten 6-Zoll-Abschnitt des mit Nickel-Chrom-Draht umwickelten Kabels C2B fließen, um den zweiten Leiter 22 zu erreichen. Weil der Widerstand der zweiten 15 cm (6 inches), des Abschnittes, der parallel zu dem Ferrit-Schalter 34 geschaltet ist, auch ungefähr 1440 Ohm beträgt, wird der Gesamtwiderstand der Zone ungefähr 2880 Ohm werden und die Leistungsabgabe bei 120 V fällt auf ungefähr 5 Watt/Zone.
Angenommen, das Kabel ist auf einem geeignet konstruierten und isolierten Rohr installiert, dann wird die Kabeltemperatur langsam fallen bis die Kabeltemperatur die Einschalt- oder Curie-Temperatur des Ferrit-Schalters 34, in diesem Fall 71 ºC (162º F), erreicht. An diesem Punkt schließt der Ferrit-Schalter 34 und die Kabelleistung kehrt wieder zu 10 W/Zone zurück. Das Kabel C2B heizt das Rohr bis die Temperatur des Schalters 34 71ºC (162 ºF) übersteigt. Der Schalter 34 öffnet, der Widerstand steigt auf 2 880 Ohm und die Leistung fällt auf 5 Watt/Zone. Das Rohr beginnt abzukühlen und der Zyklus wird wiederholt. Es wird erkannt werden, daß bei dieser Ausführungsform das Kabel C2B bei voller Leistung effektiv Leistung nur in 6 Zoll-Abständen oder nach jedem Fuß Länge erzeugt. Dies ist akzeptabel, weil die axiale Wärmeleitung sowohl entlang des geheizten Substrates als auch entlang des Kabels C2B selbst zu einer relativ gleichmäßigen Aufheizung über die Länge des Kabels führen wird. Natürlich ist diese Ausführungsform nicht die einzig mögliche Methode zur Nutzung eines ZTC-Widerstandes parallel mit einem Ferrit- Schalter und Fachleute werden leicht andere Variationen erkennen.

Claims

1. Elektrisches Heizkabel (C) mit einer Vielzahl von Heizzonen, mit:

ersten und zweiten elektrischen Leitermitteln (20, 22), die sich im wesentlichen parallel zueinander und voneinander beabstandet entlang der Länge des Kabels zum Tragen elektrischen Stromes erstrecken;

isolierenden Mitteln (24), die die elektrischen Leiter zur elektrischen Isolation der elektrischen Leiter voneinander einkapseln;

Heizmitteln (38) in jeder Zone, die mit dem ersten elektrischen Leiter verbunden sind zur Erzeugung von Wärme, wenn elektrischer Strom durch die Heizmittel fließt; und einem thermisch betätigten Schalter (34) in jeder Zone, der mit dem zweiten elektrischen Leiter (20) und mit den Heizmitteln (38) verbunden ist, wobei es der Schalter (34) zuläßt, daß Strom von dem ersten elektrischen Leiter (22) durch die Heizmittel (38) zu dem zweiten elektrischen Leiter (20) fließt, wenn die Temperatur des Schalters (34) unterhalb einer gegebenen Temperatur ist, und wobei er den durch die Heizmittel (38) fließenden Strom abschaltet, wenn die Temperatur des Schalters (34) oberhalb der gegebenen Temperatur ist, wobei der Schalter (34) eindeutig offen ist, wenn die Schaltertemperatur oberhalb der gegebenen Temperatur ist und eindeutig geschlossen ist, wenn die Schaltertemperatur unterhalb der gegebenen Temperatur ist.

2. Heizkabel nach Anspruch 1, bei dem das Heizmittel einen bezüglich der Temperatur im wesentlichen konstanten elektrischen Widerstand hat.

3. Heizkabel nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Heizmittel Widerstandsmaterial aufweist, das spiralig um das Isolationsmittel und schalterisolierende Mittel herumgewunden ist und bei dem das Widerstandsmaterial den ersten elektrischen Leiter an der ersten Leiterkerbe kontaktiert und den zweiten Schalterleiter kontaktiert.

4. Heizkabel nach Anspruch 3, bei dem das Widerstandsmaterial aus Widerstandsfolie gebildet ist.

5. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Heizmittel ein nicht-metallisches, elektrisch leitendes Material aufweist.

6. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schalter magnetisch gesteuert wird.

7. Elektrisches Heizkabel (C) mit einer Vielzahl von Heizzonen, mit:

isolierenden Mitteln (24), die die elektrischen Leiter (20,22) zur elektrischen Isolation der elektrischen Leiter voneinander einkapseln;

Heizmittel (38) in jeder Zone, die mit dem ersten elektrischen Leiter (22) verbunden sind, zur Erzeugung von Wärme, wenn elektrischer Strom durch die ersten Heizmittel fließt;

einem thermisch betätigten Schalter (34) in jeder Zone, der mit dem zweiten elektrischen Leiter (20) und mit dem ersten Heizmittel (38) verbunden ist, wobei der Schalter eindeutig offen ist, wenn die Schaltertemperatur oberhalb einer gegebenen Temperatur ist und eindeutig geschlossen ist, wenn die Schaltertemperatur unterhalb der gegebenen Temperatur ist; und

ein Widerstands-Heizelement (50) in jeder Zone, das parallel zu dem Schalter (34) verbunden ist, so daß Strom durch das Widerstandselement fließt, wenn der Schalter offen ist, und daß Strom im wesentlichen am Widerstandselement vorbei durch den Schalter abgezweigt wird, wenn der Schalter geschlossen ist.

8. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Isolationsmittel in jeder Zone mindestens eine Kerbe aufweist, die den zweiten elektrischen Leiter freilegt, und wobei der Schalter mit dem elektrischen Leiter an der Kerbe verbunden ist.

9. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Isoliermittel in jeder Zone eine Kerbe aufweist, die den ersten elektrischen Leiter freilegt, und bei dem das Heizmittel mit dem ersten elektrischen Leiter an der Kerbe verbunden ist.

10. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Isoliermittel in jeder Zone eine Ausnehmung in dem Abschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter aufweist und bei dem der Schalter teilweise in der Ausnehmung angeordnet ist.

11. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schalter einen Körper und erste und zweite Leiter aufweist, wobei der erste Leiter mit dem zweiten elektrischen Leiter und der zweite Leiter mit dem Heizmittel verbunden ist, wobei das Heizkabel weiterhin Schalter-Isolationsmittel aufweist, die die zweite Leiterkerbe, den Schalterkörper, den ersten Schalterleiter und einen Abschnitt des zweiten Schalterleiters abdecken.

12. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Isolationsmittel in jeder Zone eine Kerbe aufweist, die dem Widerstandsheizelement zugeordnet ist und die den zweiten elektrischen Leiter freilegt, wobei das Widerstandsheizelement einen Körper und einen ersten Leiter aufweist, wobei der erste Leiter mit dem zweiten elektrischen Leiter an der zugeordneten Kerbe verbunden ist und wobei der zweite Leiter des Schalters mit dem Körper des Widerstandsheizelementes verbunden ist, und wobei das Heizkabel weiterhin Widerstandsheizelement- Isolationsmittel aufweist, die die dem zweiten Leiter- Widerstandselement zugeordnete Kerbe, den Körper des Widerstandsheizelementes und den ersten Leiter des Widerstandsheizelementes abdecken.

13. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Heizmittel Widerstandsmaterial aufweist, das spiralig um das Isolationsmittel herumgewunden ist, und bei dem das Widerstandsmaterial den ersten elektrischen Leiter an der ersten Leiterkerbe kontaktiert, und den zweiten Schalterleiter kontaktiert.

14. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Widerstandsmaterial Widerstandsheizdraht aufweist.

15. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Heizdraht im wesentlichen aus Nickelchrom (nichrome) besteht.

16. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schalter einen Abschnitt aufweist, der bei der gegebenen Temperatur von einer ferromagnetischen Phase zu einer paramagnetischen Phase umwandelt.

17. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der magnetisch umwandelnde Abschnitt des Schalters im wesentlichen aus Ferrit besteht.

18. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schalter weiterhin einen Reed-Schalter (reed switch) aufweist.

19. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Widerstandsheizelement aus elektrischem Widerstandsdraht besteht.

20. Heizkabel nach Anspruch 18, bei dem das Widerstandsheizelement einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes hat.

21. Heizkabel nach Anspruch 18 und 20, bei dem der Curie- Punkt des Widerstandsheizelementes niedriger liegt als der Curie-Punkt des Schalters.

22. Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Widerstandsheizelement einen keramischen Chip aufweist.

23. Verfahren zum Aufbau eines zonenartigen elektrischen Heizkabels (C) mit:

Extrusion eines isolierenden Materials (24) über erste und zweite parallele elektrische Leiter (20, 22), während die Leiter voneinander beabstandet sind;

Einkerbung des isolierenden Materials so, daß die ersten und zweiten elektrischen Leiter in Abständen freigelegt werden;

Bildung von Ausnehmungen (28) in dem isolierenden Material zwischen den elektrischen Leitern;

Anordnen eines thermisch empfindlichen Schalters (34) mit eindeutiger Aktion (Betätigung), der einen ersten Leiter und einen zweiten Leiter hat, in jede der Ausnehmungen (28) des isolierenden Materials;

Verbindung des ersten Leiters des Schalters mit dem ersten elektrischen Leiter (20) an einer der Kerben;

spiraliger Windung eines Widerstandsmaterials (38) um das isolierende Material;

Verbindung des zweiten Leiters des Schalters mit dem Heizdraht (38);

Verbindung des Heizdrahtes (38) mit dem zweiten elektrischen Leiter (22), so daß jeder der Schalter elektrisch in Reihe angeordnet ist mit einem Abschnitt des Heizdrahtes zwischen den ersten und den zweiten Leitern, und Umgeben des Heizdrahtes (38), der Leiter (20, 22), der Schalter (34) und des isolierenden Materials (24) mit einer schützenden Umhüllung (40).

24. Verfahren nach Anspruch 23, weiterhin mit:

Bereitstellung eines Widerstandselementes;

Verbindung des Widerstandsheizelementes mit der elektrischen Verbindungsstelle des zweiten Leiters des Schalters und des Heizdrahtes und mit dem ersten elektrischen Leiter so, daß das Widerstandsheizelement und der Schalter zwischen dem ersten Leiter und dem Heizdraht elektrisch parallel ausgerichtet sind.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, bei dem das Widerstandsheizelement ein keramischer Chip mit positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes ist.

26. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, bei dem das Widerstandsheizelement ein Heizdraht ist.