ES2293294T3 - Manta calefactora. - Google Patents

Abstract

Un cable calefactor que comprende un primer conductor (3) que se extiende a lo largo de la longitud del cable, un segundo conductor (5) que se extiende a lo largo de la longitud del cable, una capa (4) de separación que se extiende a lo largo de la longitud del cable y está interpuesta entre el primero y el segundo conductores (3, 5), en el que el primero y el segundo conductores (3, 5) están conectados a un extremo del cable en serie de manera tal que si el primero y el segundo conductores (3, 5) se conectan al otro extremo del cable a los polos respectivos de una fuente de alimentación eléctrica fluyen corrientes iguales en direcciones opuestas a través de partes contiguas de los conductores, y la capa (4) de separación está formada de manera tal que la resistencia eléctrica que presenta entre partes contiguas de los conductores se reduce con el incremento de la temperatura, caracterizado porque comprende además una cubierta (6) aíslante exterior que se extiende a lo largo de lalongitud del cable y alrededor del primero y del segundo conductores y de la capa (4) de separación, y estando formado el primer conductor (3) de manera tal que tiene una característica de temperatura positiva.

Description

Manta calefactora.

La presente invención se refiere a una manta calefactora. El término manta calefactora se usa en la presente en un sentido amplio para incluir cualquier artículo que incorpore un cable calefactor eléctrico, por ejemplo, una manta bajera (típicamente colocada debajo de una sábana de una cama), una manta encimera (típicamente tendida sobre una persona durmiendo), un cojín calentador (un artículo relativamente pequeño que se puede aplicar a una parte determinada del cuerpo de un usuario) o similares.

La seguridad es un problema principal en el caso de las mantas calefactoras, especialmente las mantas calentadores que se usan para, por ejemplo, calentar la ropa de cama. El principal problema de seguridad es el del sobrecalentamiento. A pesar de los intentos de abordar este problema el caso es que incluso a comienzos del siglo XXI se producen lesiones graves y a veces muertes como consecuencia de, por ejemplo, prenderse fuego en la ropa de cama debido al sobrecalentamiento de una manta bajera. Un problema secundario aunque no obstante significativo es el de la exposición a radiaciones (generalmente denominado efecto de la EMF) como consecuencia de estar el usuario en la proximidad inmediata de un conductor de corriente alterna.

Uno de los primeros intentos de abordar el problema del sobrecalentamiento se describe en la patente de EE. UU. nº. 3375477. Este documento describe un cable calefactor constituido por un primer conductor a través del cual fluye corriente calefactor, y un segundo conductor que se extiende a lo largo de la longitud del primer conductor, pero separado del mismo por una capa de separación. La capa de separación tiene un coeficiente térmico negativo (NTC) de manera tal que la resistencia de la capa decrece con el incremento de la temperatura. La fuga de corriente al segundo conductor a través de la capa de separación es detectada y se usa para interrumpir el suministro de energía eléctrica hacia el primer conductor en el cado de que la fuga de corriente supere un umbral predeterminado. Se provee un interruptor de seguridad adicional provisto por un dispositivo que interrumpe el suministro de energía eléctrica si la corriente suministrada sobrepasa un umbral. La capa de separación de NTC está diseñada de manera que no se destruye en caso de sobrecalentamiento y, por consiguiente, la manta no está diseñada para quedar permanentemente inoperable como consecuencia de haber estado sometida a un exceso de temperatura en una ocasión.

Un producto de tipo general descrito en el documento US 3375477 ha sido comercializado en el Reino Unido. Ese producto es una estructura coaxial constituida por un núcleo conductor interior, una capa de separación formada alrededor del núcleo, un hilo calefactor arrollado en forma de hélice alrededor de la capa de separación, y una cubierta exterior de aislamiento. El núcleo interior está constituido por un haz de componentes retorcidos entre sí, estando constituido cada uno de los componentes por un núcleo de fibra sintética alrededor del cual está enrollada una tira de lámina conductora. Dicha estructura, denominada generalmente "hilo metálico", se usa en muchas mantas calefactoras ya que es muy flexible y de volumen relativamente pequeño. Seguidamente se extruye una capa de separación de NTC sobre el núcleo retorcido, el hilo calefactor se arrolla en forma de hélice sobre la capa de separación, y la cubierta de aislamiento exterior se extruye sobre el hilo y la capa de separación. En uso, los extremos opuestos del hilo calefactor se conectan a polos opuestos de una fuente de alimentación, generalmente al voltaje de la red. El núcleo de hilo metálico no lleva la corriente calefactor que fluye a través del hilo sino que sirve meramente para recoger las fugas de corriente del hilo calefactor a través de la capa de separación. Esa fuga de corriente se incrementa con el incremento de la temperatura y la magnitud de la fuga de corriente se usa para controlar la energía eléctrica suministrada al hilo calefactor.

En el producto conocido solamente se monitoriza un parámetro del cable calefactor, que es la conductividad de la capa de separación de NTC. Generalmente, el cable se suministrará con un controlador que también tiene un circuito diseñado para interrumpir el suministro de energía eléctrica si la corriente derivada por el elemento calefactor supera un umbral predeterminado y, de esta manera, se puede considerar que el conjunto en general es un sistema con característica de doble seguridad. Sin embargo, una protección de sobrecorriente simple generalmente no es efectiva para evitar la producción de "puntos calientes" a lo largo de la longitud del cable calefactor. Además, dado que la corriente calefactor principal fluye solamente por el hilo calefactor y no por el núcleo del hilo metálico, se emite radiación electromagnética a través del cable y, por consiguiente, no se aborda el problema de la EMF.

En un desarrollo del concepto básico de basarse en una capa de separación de NTC para detectar sobrecalentamientos, se ha propuesto usar una capa de separación que es tanto de NTC como fusible. Dicha disposición se describe en la patente de EE. UU. 6310332. En la disposición descrita, se logra el control del suministro eléctrico normal monitorizando las características de NTC de la capa de separación. Si, no obstante, se alcanzan anormalmente altas temperaturas en cualquier punto a lo largo de la longitud del cable calefactor, la capa de separación se fundirá, permitiendo que los dos conductores del conjunto coaxial se pongan en contacto directo, dando lugar con ello a un cortocircuito entre los dos conductores. Una vez que se ha producido esta ocurrencia, por supuesto que el producto se destruye efectivamente ya que no puede ser devuelto al estado operativo normal.

El documento US 6 310 332 describe dos realizaciones, que son la realización de la figura 1 y la realización "más funcional" de las figuras 2 y 3. En la realización de las figuras 2 y 3 un conductor transporta la corriente calefactor mientras que otro se usa con fines de detección. El conductor de detección puede tener también una característica de resistencia positiva (PTC) para proveer un medio adicional de monitorización de la temperatura a lo largo de la longitud del cable. Sin embargo, con esa disposición no se aborda el problema de la EMF ya que el cable de detección no transporta la corriente calefactor. En la realización de la figura 1, en cambio, se conectan en serie dos cables calefactor mediante un diodo, la corriente calefactor pasa a través de cada uno de los cables calefactor. Esta disposición no aborda el problema de la EMF ya que la corriente en los dos hilos calefactor fluye en direcciones opuestas a lo largo del cable, pero no hay elemento alguno de detección de PTC, siendo detectada la fuga de corriente por el aspecto de una corriente que fluye en dirección opuesta a la dirección del flujo de corriente a través del diodo que conecta los dos hilos calefactor entre sí.

Las capas de separación de NTC y la fusible cuando están dispuestas como en la figura 1 no abordan el problema de la EMF y presentan dos características de detección de sobrecalentamiento, que son la detección de variaciones en la resistencia de la capa de separación como consecuencia de los cambios de temperatura y la detección de la fusión de la capa de separación en caso de que se produzcan anormalmente altas temperaturas. Sin embargo, estos dos sistemas de detección de sobrecalentamiento son dependientes de las características de un solo componente, que es la capa de separación extruida. Para que sea efectivo, la capa de separación se debe fabricar para tolerancias muy altas. Por ejemplo, si la capa de separación no es del espesor correcto, la respuesta del NTC a los cambios de temperatura no será la requerida para posibilitar la detección de sobrecalentamiento con seguridad. Análogamente, si la composición química de la capa de separación no está controlada estrechamente, tanto las características del NTC como la temperatura de fusión de la capa de separación pueden estar fuera de los límites en los que se mantiene la seguridad.

La patente de Nueva Zelanda nº. 243204 describe un cable calefactor coaxial que aborda el problema de seguridad respecto de la EMF presentando un doble cable calefactor arrollado para reducir la emisión de campos electromagnéticos. El cable descrito aborda el problema de la EMF, pero solamente es capaz de monitorizar una característica del cable con el criterio de evitar el sobrecalentamiento.

Un objetivo de la presente invención es proveer una manta calefactora y un cable para su uso en una manta calefactora con características operacionales mejoradas.

De acuerdo con la presente invención, se provee un cable calefactor que comprende un primer conductor que se extiende a lo largo de la longitud del cable, un segundo conductor que se extiende a lo largo de la longitud del cable, una capa de separación que se extiende a lo largo de la longitud del cable y está interpuesta entre el primero y el segundo conductores, y una cubierta de aislamiento exterior que se extiende a lo largo de la longitud del cable y alrededor del primero y segundo conductores y de la capa de separación, en el que el primero y segundo conductores se conectan en serie a un extremo del cable de manera tal que si el primero y segundo conductores se conectan en el otro extremo del cable a polos respectivos de una fuente de alimentación fluyen corrientes iguales en direcciones opuestas a través de partes contiguas de los conductores, el primer conductor está formado de manera tal que tiene una característica térmica positiva, y la capa de separación está formada de manera tal que la resistencia eléctrica que presenta entre partes contiguas de los conductores se reduce con el incremento de la temperatura.

El primero y segundo conductores pueden ser coaxiales y la capa de separación puede ser tubular, estando situado el primer conductor dentro de la capa de separación tubular y estando situado el segundo conductor fuera de la capa de separación tubular.

Preferiblemente, el primer conductor se forma de componentes retorcidos entre sí cada uno de los cuales comprende un núcleo de fibra alrededor del cual ha sido arrollado un hilo de característica térmica positiva formando una hélice. El segundo conductor puede ser un hilo calefactor arrollado alrededor de la capa de separación tubular formando una hélice.

La capa de separación puede estar formada de manera tal que tenga una característica térmica negativa. Alternativamente o además, la capa de separación puede estar formada de manera tal que se funde si se calienta hasta que la temperatura alcanza un umbral predeterminado.

Cuando el cable se conecta a la fuente de suministro eléctrico, el primero y segundo conductores se conectan en serie a través de los polos de la fuente de suministro eléctrico. La resistencia eléctrica se monitoriza entre los extremos del primer conductor, y el suministro eléctrico al cable se controla en función de la resistencia monitorizada, por ejemplo, de manera tal que la energía eléctrica suministrada se reduzca gradualmente con el incremento gradual de la resistencia monitorizada. La corriente que fluye a través de la capa de separación bien como consecuencia de una reducción de la resistencia debido a un incremento de la temperatura del material de NTC o como consecuencia de la fusión de al menos una parte de la capa de separación de manera tal que el primero y el segundo conductores se ponen en contacto entre sí se usa también para controlar el suministro eléctrico. El suministro de energía eléctrica al cable puede ser terminado inmediatamente que la corriente monitorizada sobrepasa un umbral predeterminado.

Ahora se van a describir realizaciones de la presente invención, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 ilustra la estructura física de un cable calefactor de acuerdo con la invención; y

La figura 2 ilustra esquemáticamente la relación entre un cable como el ilustrado en la figura 1 y la disposición de una fuente de suministro eléctrico de una manta calefactora de acuerdo con la presente invención.

Con referencia a la figura 1, esta ilustra la estructura del cable calefactor de acuerdo con la presente invención. El cable comprende un núcleo 1 central en forma de haz de cuatro componentes retorcidos entre sí cada uno de los cuales comprende un núcleo 2 central de fibra que aporta resistencia mecánica y que está envuelto por un hilo 3 que se extiende en forma de hélice fabricado de un material que presenta un coeficiente térmico positivo (PTC). El núcleo 1 tiene una capa 4 de separación extruida sobre el mismo y un hilo 5 calefactor que está arrollado sobre la capa 4 de separación formando una hélice. Una cubierta 6 extruida de material impermeable al agua y aislante eléctricamente completa el conjunto de cable.

Con referencia a la figura 2, esta representa esquemáticamente el circuito de una manta calefactora que incluye un controlador y que incorpora un cable como el ilustrado en la figura 1. El núcleo del cable está representado por la línea 1, la capa de separación por la línea 4 y el hilo calefactor por la línea 5. Ambos extremos del cable están conectados al circuito de suministro eléctrico que incluye un controlador 7, un primer monitor 8 de corriente, un monitor 9 de voltaje y un segundo monitor 10 de corriente. Cada uno de los monitores de corriente y de voltaje suministra una salida al controlador 7 representativa del parámetro monitorizado. El controlador utiliza estas tres entradas para monitorizar el estado del cable y controlar el suministro de energía eléctrica al cable. Un extremo del núcleo 1 se puede conectar por medio del controlador 7 al polo negativo de una fuente de CA, un extremo del hilo 5 calefactor se puede conectar por medio del monitor 8 de corriente y del controlador 7 al polo activo de la fuente de CA, y los otros extremos del núcleo 1 y del hilo 5 están cortocircuitados efectivamente entre sí por medio del monitor 10 de corriente.

En la primera realización de la invención, la capa 4 de separación que está interpuesta entre el núcleo 1 y el hilo 5 calefactor está fabricada de un material que tiene un coeficiente térmico negativo (NTC). Como consecuencia, a medida que la temperatura se incrementa en cualquier lugar a lo largo de la longitud del cable, la resistencia local de la capa 4 de separación decrece y, por consiguiente, la fuga de corriente a través de la capa 4 de separación se incrementa. Esta fuga de corriente se usa como uno de los parámetros de control del cable. El núcleo 1 presenta un coeficiente térmico positivo (PTC) y, por consiguiente, a medida que la temperatura del cable se incrementa, la resistencia entre extremos del núcleo 1 crece. Este crecimiento de la resistencia se utiliza como otro parámetro de control.

La resistencia entre los extremos del núcleo 1 se monitoriza monitorizando la resistencia entre los dos extremos del núcleo y utilizando el conocimiento del voltaje aplicado al núcleo y de la corriente a través del mismo. La salida del monitor 9 de voltaje se puede utilizar para modular la energía eléctrica suministrada por el controlador 7 y para mantener una temperatura estable en el cable. El controlador 7 puede estar provisto con conmutadores operables por el usuario para ajustar la tasa normal a la que se suministra la energía eléctrica y satisfacer los requisitos de un determinado usuario.

Con respecto a la monitorización de la fuga de corriente a través de la capa 4 de separación, si no hubiera fuga alguna, las corrientes monitorizadas por los monitores 8 y 10 de corriente serían idénticas. La magnitud de la fuga de corriente es igual a la diferencia entre las corrientes a través de los monitores 8 y 10 de corriente. El controlador 7 se podría utilizar para reducir gradualmente la energía eléctrica suministrada en respuesta al incremento de la fuga de corriente, reduciéndose la corriente totalmente hasta cero si la fuga de corriente sobrepasa un umbral predeterminado. Alternativamente, el controlador 7 puede ser insensible a la fuga de corriente monitorizada hasta que se alcanza un umbral, en cuyo punto el controlador simplemente interrumpiría el suministro de energía eléctrica.

Dado que el circuito es operativo para monitorizar la resistencia entre los extremos del núcleo 1 de PTC y es también operativo para monitorizar la magnitud de la fuga de corriente a través de la capa 4 de separación, los dos sistemas de monitorización de la seguridad son esencialmente independientes. Un error de fabricación que haga inefectivo uno de los dos sistemas, por ejemplo, errores en el espesor o en la constitución de la capa 4 de separación, no haría que el otro sistema de detección fuera también inefectivo. Además, el circuito de monitorización de fugas de corriente a través de la capa 4 de separación es sensible a cualquier fuga de corriente aun cuando la fuga de corriente se produzca en una parte muy localizada del cable. Por consiguiente, el circuito es muy sensible al desarrollo de puntos calientes localizados.

Con respecto al problema de la EMF, dado que la energía eléctrica se suministra solamente a un extremo del cable, y que el núcleo 1 y el hilo 5 calefactor están conectados en serie como consecuencia de estar conectados juntos al otro extremo del cable por medio del monitor 10 de corriente, aún cuando haya alguna fuga de corriente a través de la capa 4 de separación en cualquier punto a lo largo de la longitud del cable, pasan corrientes sustancialmente iguales a través de posiciones contiguas del núcleo 1 y del hilo 5 calefactor, siendo dichas corrientes de direcciones opuestas entre sí. Como consecuencia, no existe sustancialmente radiación electromagnética alguna emitida desde el cable.

Como alternativa a la fabricación de la capa 4 de separación de un material de NTC, la capa 4 de separación se puede fabricar de un material fusible que se funda si la temperatura local sobrepasa un umbral predeterminado. Al producirse dicha fusión, dado que el conjunto está contenido el la cubierta 6 extruida (Figura 1), y que el hilo 5 calefactor está arrollado alrededor de la capa 4 de separación, el núcleo 1 y el hilo 5 se pondrán en contacto y cortocircuitarán efectivamente el cable. Esto será detectado inmediatamente ya que habrá una caída rápida de la corriente a través del monitor 10 de corriente como consecuencia del flujo de corriente entre el núcleo 1 y el hilo 5 calefactor cortocircuitados. Si el cortocircuito se produce cerca del extremo del cable al que se suministra energía eléctrica, la demanda de corriente se elevará rápidamente, y esta puede ser detectada simplemente como un estado de sobrecorriente, que posibilita al controlador para interrumpir el suministro de energía eléctrica. Si el cortocircuito se produce cerca del otro extremo del cable a través del cual está conectado el monitor 10 de corriente, la corriente en cortocircuito dará lugar, no obstante, a la caída de corriente a través del monitor 10 de corriente, posibilitando que el controlador responda a la diferencia resultante entre las corrientes detectadas por los monitores 8 y 10 e interrumpa el suministro.

Se apreciará que cada uno de los sistemas descritos presenta tres características de seguridad independientes, que son inherentemente la baja radiación electromagnética, la detección de la temperatura monitorizando la resistencia del núcleo 1 de PTC, la detección de la temperatura monitorizando la corriente a través de la capa 4 de separación (respuesta de NTC o fusión). También es el caso del cursa de fabricación en el que la capa de separación podría ser fabricada de un material que sea tanto de NTC como fusible en un umbral de temperatura correspondiente a un sobrecalentamiento localizado.

Se apreciará que los diferentes componentes del cable descrito pueden ser fabricados de materiales convencionales. Por ejemplo el núcleo 1 de "hilo metálico" se puede fabricar utilizando equipos y materiales estándar. Todo lo que se necesita es una resistencia entre los extremos del núcleo 1 que se incremente con la temperatura. Un hilo de cobre o de cobre/cadmio incorporado al núcleo 1 puede presentar características de PTC suficientes. Una resistencia entre extremos en frío es tan pequeña como unas pocas decenas de ohmio y puede desarrollar una caída de voltaje suficientemente grande para la detección fiable de un incremento de la caída del voltaje con la temperatura. Con respecto a la capa 4 de separación, se puede utilizar polietileno preparado adecuadamente para actuar como capa fusible y/o para actuar como capa de NTC. El hilo 5 calefactor puede ser totalmente convencional, como el material usado para formar la cubierta de aislamiento exterior.

Se apreciará que el circuito ilustrado esquemáticamente en la figura 2 es solo una de las posibles configuraciones de la circuitería capaz de realizar las funciones necesarias, que son la monitorización de la resistencia entre los extremos del núcleo 1 de PTC y la monitorización de las fugas de corriente a través de la capa 4 de separación.

Claims (9)

1. Un cable calefactor que comprende un primer conductor (3) que se extiende a lo largo de la longitud del cable, un segundo conductor (5) que se extiende a lo largo de la longitud del cable, una capa (4) de separación que se extiende a lo largo de la longitud del cable y está interpuesta entre el primero y el segundo conductores (3, 5), en el que el primero y el segundo conductores (3, 5) están conectados a un extremo del cable en serie de manera tal que si el primero y el segundo conductores (3, 5) se conectan al otro extremo del cable a los polos respectivos de una fuente de alimentación eléctrica fluyen corrientes iguales en direcciones opuestas a través de partes contiguas de los conductores, y la capa (4) de separación está formada de manera tal que la resistencia eléctrica que presenta entre partes contiguas de los conductores se reduce con el incremento de la temperatura, caracterizado porque comprende además una cubierta (6) aislante exterior que se extiende a lo largo de la longitud del cable y alrededor del primero y del segundo conductores y de la capa (4) de separación, y estando formado el primer conductor (3) de manera tal que tiene una característica de temperatura positiva.

2. Un cable calefactor de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el primero y el segundo conductores (3, 5) son coaxiales y la capa (4) de separación es tubular, estando situado el primer conductor (3) dentro de la capa (4) de separación tubular y estando situado el segundo conductor (5) fuera de la capa (4) de separación tubular.

3. Un cable calefactor de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el primer conductor está formado de componentes retorcidos entre sí cada uno de los cuales comprende un núcleo (2) de fibra alrededor del cual ha sido arrollado un hilo (3) de coeficiente térmico positivo en forma de hélice.

4. Un cable calefactor de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, en el que el segundo conductor es un hilo (5) calefactor arrollado alrededor de la capa (4) de separación tubular en forma de hélice.

5. Un cable calefactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la capa (4) de separación está formada de manera tal que tiene una característica térmica negativa.

6. Un cable calefactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la capa (4) de separación está formada de manera tal que se funde si se calienta hasta una temperatura que sobrepasa un umbral predeterminado.

7. Una manta calefactora que comprende un cable calefactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, una fuente de alimentación eléctrica, medios para la conexión del primero y del segundo conductores en dicho otro extremo del cable a los polos respectivos de la fuente de alimentación eléctrica, medios (7, 9,10) para monitorizar la resistencia entre los extremos del primer conductor y controlar el suministro de energía eléctrica al cable en función de la resistencia monitorizada, y medios (7, 8, 10) para monitorizar la corriente que fluye a través de la capa de separación y controlar el suministro de energía eléctrica al cable en función de la corriente monitorizada.

8. Una manta calefactora de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende medios (7) para reducir la energía eléctrica suministrada al cable en respuesta al incremento de la resistencia monitorizada.

9. Una manta calefactora de acuerdo con las reivindicaciones 7 u 8, que comprende medios (7) para la terminación del suministro de energía eléctrica al cable si la corriente monitorizada supera un umbral predeterminado.