NO172830B - Fleksibelt, elektrisk varmeelement som kan avkappes i lengder - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et fleksibelt, elektrisk varmeelement bestående av isolerte ledninger og én eller flere varmeledere som omgir disse ledninger og som ved frilegning av ledningenes ledere kontakter disse umiddelbart eller uten frilegning kontakter lederne via kontaktbroer på over lengden med innbyrdes avstander tilbakevendende steder som er forskjellige fra ledning til ledning, og mellom på hverandre følgende kontaktsteder langs varmeelementet ved overgang fra én ledning til en annen danner varmesoner med definerbar ytelse, idet ledningene er anordnet liggende ved siden av hverandre eller er tvinnet hhv. sammenbuntet eller samlet til et lag, og varmelederen eller varmelederne totalt omslynger ledningene vindelformet eller er innflettet mellom disse.

Sådanne kjente varmeelementer (DE-OS 3 233 904, DE-OS 3 233 928, DE-OS 3 243 061) kan vilkårlig avkappes i lengder. Ved anvendelse av minst én ytterligere ledning, som eksempelvis utøver måle- eller kontrollfunksjoner, men som også kan benyttes som ytterligere mateledning, særlig ved mating av større lengder, utvides disses anvendelsesområde i vesentlig grad. De kjente varmeelementer kan også med forholdsvis lite slag oppvikles på f.eks. en rørledning, slik at varmefordelingen på røroverflaten forbedres i vesentlig grad i forhold til de kjente varmeelementer med parallelt forløpende ledninger.

Etter sterk bøyepåkjenning, særlig over små krumningsradier, og tilbakeføring av elementet til den strekte form, kan det iblant imidlertid forekomme at den på grunn av materialval-get, f.eks. krom-nikkel, forholdsvis stive varmeleder i området for kontaktstedet løftes opp fra lederoverflaten, f.eks. mateledningen, og den ledende kontakt mellom mateledning og varmeleder dermed avbrytes.

For å råde bot på dette er det likeledes allerede kjent å fiksere varmelederen i området for kontaktstedene på den eventuelt frittliggende, elektriske leder ved hjelp av ytterligere midler, såsom flammesprøyting, lodding eller også en ytterligere omvikling (DE-OS 3 320 420). Kontakten mellom mateledningene i et varmeelement (varmekabel) og den benyttede varmeleder blir på denne måte bibeholdt også ved ekstrem bøyepåkjenning. En ulempe her er imidlertid de høye fremstil-lingstekniske omkostninger som står i veien for en kontinuerlig fremstilling. Hertil kommer problemer som fremkommer på grunn av de på kontaktstedet sammentreffende, forskjellige materialer i mateledningenes lisseledere og varmelederen samt eventuelt loddematerialet, hvilke materialer av driftssikkerhetsmessige grunner må tillate en varig forbindelse seg imellom.

Med utgangspunkt i denne kjente teknikk er formålet med oppfinnelsen å tilveiebringe en sikker og varig, elektrisk forbindelse mellom varmeleder og mateledninger på kontaktstedene, og også å angi en mulighet for en rasjonell fremstilling av sådanne varmeelementer.

Ovennevnte formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved at antallet av de av varmelederen eller varmelederne dannede omviklinger eller sløyfer pr. lengdeenhet er øket i området for kontaktstedene i forhold til området mellom to og to på hverandre følgende kontaktsteder av varmeelementet. Det har nemlig over-raskende vist seg at det kan gis avkall på ytterligere, for tiden temmelig kostbare midler for fiksering av varmelederen på kontaktstedene når man ved påviklingen eller innflettingen av varmelederen sørger for at viklingen eller flettingen av varmelederen i området for hvert kontaktsted er tettere enn mellom på hverandre følgende kontaktsteder. Også ved sterk bøyepåkjenning over ekstremt små krumningsradier skjer ingen kontaktavbrytelse mellom den frilagte leder og varmelederen. Den høye fleksibilitet av varmekabelen totalt bibeholdes, da sammenloddinger eller sammensveisinger på kontaktstedene, som tvangsmessig fører til en avstivning av varmeelementet eller varmekabelen i disse områder, er unngått. Ved hjelp av det ved en utførelse av oppfinnelsen minst 20% økede antall vindinger eller flettinger i kontaktstedområdet, som fører til en mangedobbel kontaktdannelse mellom varmeleder og mateleder, holdes kontaktstedområdet på et i forhold til de øvrige områder lavt temperaturnivå. Dette betyr en mindre varmeutvidelse av varmelederen i kontaktområdet og dermed en ytterligere reduksjon av faren for oppløfting eller atskillelse i driftstilstanden.

Ved hjelp av oppfinnelsen økes driftssikkerheten vesentlig, og dessuten kan et ifølge oppfinnelsen oppbygget varmeelement uten problemer fremstilles kontinuerlig. Ved påleg-ningen eller innbringelsen av varmelederen må man bare passe på at vikle- eller flettehastigheten ved i og for seg kjente vikle-eller flette- hhv. veveinnretninger under kjøringen endres i forutbestemte områder.

Ved videreføring av oppfinnelsen har det vist seg å være særlig fordelaktig at området for kontaktstedene er dekket på lagliknende måte av en tett påvikling eller omvikling av varmelederen. Dette fører til en ytterligere forbedring av driftssikkerheten, særlig også med henblikk på reduksjonen av temperaturn!vået i det påkjente område. En forbedring av driftssikkerheten fremkommer imidlertid også av at varmelederens stil-ling på grunn av den tette påvikling eller innfletting er sikret i den forutbestemte posisjon, og langsgående forskyvninger av viklingene eller sløyfene, også ut fra mateledningenes kontakt-områder, unngås. Som regel vil det være tilstrekkelig å utføre dekningen av lederen i ett lag. Dersom imidlertid varmeelementet eller varmekabelen skulle være utsatt for ekstreme, ytre betingelser, kan dekningen også utføres i to eller flere lag.

Ifølge en utførelse av oppfinnelsen inneholder varmeelementet minst én ytterligere leder eller ledning. På denne måte blir anvendelsesområdet for sådanne elementer vesentlig utvidet. Det er her helt uvesentlig om det ved varmeelementene dreier seg om elementer i flat utførelse, f.eks. i steglednings- eller lisseform, eller om det dreier seg om elementer i rund, sammenbuntet form. Det er snarere avgjørende at det i dette varmeelement samtidig kan integreres signalerings-, styre- eller overvåkningsfunksjoner, hvilket bidrar til en vesentlig økning av driftssikkerheten. Separate ledningselementer, som kunne overta disse funksjoner, bortfaller. En ytterligere, vesentlig fordel består i at det ved lik oppbygning av varmeelementet på monteringsstedet, utelukkende ved hjelp av koplingstekniske foranstaltninger ved endene, kan sørges for en effektøkning, f.eks. ved parallellkopling av én eller flere ytterligere ledninger.

Den ytterligere ledning eller de ytterligere ledninger kan imidlertid også bare være medført i den ene lengde av varmeelementet, og først ved tilkopling av en andre lengde eller også ved en avgrening benyttes til å forsyne den andre lengde og/eller den avgående lengde med den nødvendige matestrøm for varmetrådene fra spenningskilden som eksempelvis befinner seg ved begynnelsen av den første lengde. Ved hjelp av reduksjonen av de i området for varmeelementene ellers nødvendige matesteder kan driftssikkerheten for hele systemet økes vesentlig.

Slik som allerede antydet, kan den ytterligere ledning eller de ytterligere ledninger ved utførelse av oppfinnelsen parallellkoples med mateledningen eller mateledningene som oppviser kontaktsteder. Ved uforanderlig lengde av varmeelementet betyr dette en økning av ledertverrsnittet og dermed en økning av varmeytelsen. Den spesielle fordel består også i at denne ytelsesøkning også kan finne sted senere, nemlig bare ved tilkopling ved ledningsenden, slik at det på det allerede instal-lerte system ikke er nødvendig med senere monteringsarbeider. Dersom en effektøkning ikke kreves, kan den ytterligere ledning tjene til overvåkningsformål, muligens også ved at den som signaleringsledning på kjent måte er spesielt koplet alt etter sin oppgave.

Man kan imidlertid også benytte den ytterligere ledning hhv. de ytterligere ledninger til å utføre kontrollmålinger, f.eks. med periodiske avstander på det utlagte system. For dette formål er det mulig å løsne de for effektøkningen tilkoplede, ytterligere ledninger, å arbeide med redusert effekt under kontrollmålingen, og deretter på nytt å komme opp på den ønskede, fulle effekt ved tilkopling av parallellkretsene.

Hertil kommer at det ved hjelp av anordningen av minst én ytterligere ledning kan anbringes en større varmetrådlengde i varmeelementet. Dette gjelder eksempelvis når mateledningene og de ytterligere ledninger er anordnet ved siden av hverandre i et plan og varmelederen totalt sett omgir disse ledninger vindelformet, eller når varmelederen er innflettet eller innvevd i disse ledninger og sløyfeformet omslutter disse. Således kan det ved avkappingen også fremstilles forholdsvis korte ender som likevel tilveiebringer en tilstrekkelig varmeytelse.

For isolering av matelederne i varmekabler eller varmeledninger foretrekkes materialer som tåler høyere tempera-turer. Sådanne materialer er f.eks. passende elastomerer, eksempelvis på silikon-gummi-basis hhv. tverrbundne termoplaster eller termoplastiske elastomerer.

En annen fordelaktig mulighet er anvendelsen av fluorpolymerer for de nevnte formål, f .eks. polytetraf luoretylen eller én av dettes i smeltet tilstand bearbeidbare kopolymerer, slik de eksempelvis er kjent under betegnelsene FEP, PFA eller ETFE. Således er FEP en kopolymer av tet raf luore tylen og per f luorpropy-len for hvilken det angis en permanent-brukstemperatur på 205°C, mens permanentbrukstemperaturen for PFA, en perfluoralkoksy, til og med er av størrelsesorden 260°C, altså svarer til temperatur-området for polytetrafluoretylen (PTFE) selv. Materialet ETFE, som også er kjent under handelsnavnet Tefzel, er en modifisert kopolymer av tetrafluoretylen og etylen med et forhold på 75%:25%, og dennes permanentbrukstemperatur angis til ca. 155°C. Disse materialer kan benyttes i kombinasjon med isolerende garn-eller glass-silketråder eller tilsvarende flettede eller vevede materialer som på forhånd er påført som separate sjikt.

I og for seg er det også allerede kjent å benytte fra smeltet tilstand ikke bearbeidbare fluorpolymerer, f.eks. polytetraf luoretylen selv, for isolasjon av elektriske ledninger. På grunn av de kjente bearbeidelsesvanskeligheter med sådanne polymermaterialer er de produktlengder som kan fremstilles, imidlertid begrenset. Rørledninger eller rørsystemer med f.eks. større lengde kan altså ikke uten videre oppvarmes ved hjelp av elektriske ledninger som er isolert med dette høytemperaturbe-standige materiale. Disse vanskeligheter ved anvendelse av kjente varmebånd eller varmekabler overvinnes ifølge en ytterligere oppfinnelsestanke ved at mateledernes isolasjon, et eventuelt anordnet mellomsjikt og/eller selve ytterkappen, består av et først i usintret form påviklet og i påført tilstand sintret båndmateriale. Denne type isolasjon gjør det mulig å fremstille mateledere for de høyeste termiske påkjenninger, hvorved det i forhold til forming ved hjelp av pulverpressing og sintring av de høytemperaturbestandige kunststoffer oppnås høyere fremstil-lingshastigheter ved fremfor alt vilkårlige fremstillingslengder.

En fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen fremkommer videre når lederne er tvinnet eller sammenbuntet rundt en kjerne og kjernen er et rør eller rørsystem for opptakelse av flytende eller gassformige medier. En sådan anvendelse av varmeelementene ifølge oppfinnelsen for ledsagende oppvarmings-anordninger sikrer en helt ensartet temperering over hele røromkretsen, uten at ytterligere midler er nødvendig. Dessuten fremkommer også den spesielle fordel at det på grunn av fremstil-lingen av varmeelementene ifølge oppfinnelsen i vilkårlige lengder nå også er tilveiebrakt i vilkårlige lengder avkappbare, tempererbare rørledninger og/eller rørsystemer. I den oppvarmbare form kan eksempelvis rørledninger av kunststoff eller metall, eksempelvis kobber eller edelstål, fremstilles i praktisk talt endeløse lengder og først på monteringsstedet tilskjæres i den nødvendige lengde. De i lengder avkappbare varmeledere gir sikkerhet for at kortere eller lengre rørledningsstrekninger alltid kan tempereres på fullgod måte, og nærmere bestemt over hele røromkretsen.

Det samme gjelder for det tilfelle at rørledningen eller rørledningssystemet ifølge oppfinnelsen skal overvåkes med hensyn til temperaturledningen av det medium som skal transporte-res. Ved hjelp av f .eks. et som ytterligere leder på røromkretsen ensartet fordelt temperaturmåleelement, en motstandsleder, et termoelement eller liknende, er en nøyaktig temperaturledning mulig, og skader i systemet kan på kort tid registreres og lokaliseres.

For fremstilling av et varmeelement ifølge oppfinnelsen er det vesentlig at antallet av omviklinger eller sløyfer av varmelederen pr. lengdeenhet av varmeelementet styres i avhengighet av lengden og stillingen av kontaktstedene. Denne foranstalt-ning tillater videre på enkel måte kontinuerlig fremstilling av et varmeelement. Ved videreføring av oppfinnelsestanken blir for dette formål de enkelte mateledere på kontaktstedene først befridd helt eller delvis for isolasjonen. De på denne måte forberedte ledere blir deretter, eventuelt sammen med ytterligere ledere, tvinnet eller fremført parallelt eller påviklet på en kjerne, og under fremstillingsgjennomløpningen registreres stillingen av kontaktstedene og disses lengde, hvorved de fastslåtte verdier tjener som styresignaler ved hjelp av hvilke antallet av omviklinger eller sløyfer av varmelederen pr. lengdeenhet av varmeelementet økes henholdsvis reduseres. Under gjennomløpningen kan dessuten eksempelvis varmelederen dekkes av en ytre isolasjonskappe.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der fig. 1-5 viser eksempler på utførelser av et varmeelement ifølge oppfinnelsen, og fig. 6 illustrerer den ved hjelp av oppfinnelsen mulige, kontinuerlige fremstilling av en varmekabel.

Fig. 1 viser et toleder-varmeelement (varmekabel) i parallellutførelse av de to såkalte mateledere eller mateledninger 1 og 2. Disse ledninger består av lisselederne 3 hhv. 4 og den over disse anordnede isolasjon 5 hhv. 6 av et passende, høytemperaturbestandig isolermateriale. Henvisningstallet 7 betegner den av motstandstråd bestående varmeleder som i det viste tilfelle er lagt spiral- eller vindelformet rundt de to ledninger 1 og 2. I området for de to her viste kontaktsteder 8 og 9, som er anordnet innbyrdes forskjøvet på ledningene 1 og 2, er varmelederspiralens slaglengde sterkt redusert, dvs. varmelederen 7 anbringes her med kort slag, slik at de enkelte trådvindinger for sikring av kontaktdannelsen blir liggende tett ved siden av hverandre. Den ytre kappe 10 dekker varmelederen 7 og tilveiebringer samtidig varmeelementets mekaniske beskyttelse.

Avvikende fra fig. 1 viser fig. 2 et utførelseseksempel i parallell treleder-utførelse med ledningene 11, 12 og 13 som i en trefaset utførelse alle kan benyttes som såkalte mateledninger, men av hvilke imidlertid også, slik som her vist, ledningen 13 ikke oppviser noen kontaktsteder, men er medført som ytterligere ledning som eksempelvis kan tjene til styre- eller målingsformål. De for sikring av fleksibiliteten valgte lisseledere 14, 15 og 16 er omgitt av isolasjonen 17, 18 og 19, idet den aktuelle isolasjon av ledningene 11 og 12 i området for kontaktstedene 20 og 21 fortrinnsvis er fjernet på alle sider. I området for disse kontaktsteder oppviser varmelederen 22 en meget tett omvikling av de parallelt førte ledninger 11, 12 og 13, hvilket fører til en sikker og også ekstremt bøyepåkjennings-tålig kontaktdannelse mellom varmelederen 22 og ledningenes 11 og 12 lisseledere 14 og 16.

Slik fig. 3 skjematisk antyder i et riss sett forfra, kan man også innflette eller innveve varmelederen 23 mellom ledningene 24, 25 og 26, slik at varmelederen på sløyfeformet måte omgir hver ledning enkeltvis. En sådan innfletting av varmelederen eller varmetråden gjør det spesielt mulig å anordne de såkalte mateledninger eller mateledere, ikke bare på varmeelementets ytterkanter, men også i det indre av forbindelsen.

På fig. 4 er det som en særlig fordelaktig utførelses-form vist et varmeelement eller en varmekabel ved hvilket/hvilken de enkelte ledninger 27, 28 og 29 er sammentvinnet med hverandre. Isolasjonen av minst to ledninger, f.eks. av en silikongummi, en fluorpolymer i ekstrudert form, altså FEP, PFA eller ETFE, eller også i båndform, eksempelvis som et først i påviklet tilstand sintret PTFE-bånd, er på kontaktstedene hele veien rundt fjernet fra lederne, f.eks. fra lederne 30 og 31, slik at varmelederen 22 i hvert tilfelle, på tross av enkeltledningenes tvinning og egentorsjon, på vedkommende steder danner kontakt med lederne 30 og 31. Slik figuren anskueliggjør, er varmelederen også her i området for ledningens 30 kontaktsted 33 og ledningens 31 kontaktsted 34 omviklet med meget kort slag rundt hele tvinnings-forbindelsen, for i oppfinnelsens mening å oppnå en driftssikker kontaktdannelse. Den beskyttende yttermantel, f.eks. en ekstrudert FEP- eller silikongummikappe, er betegnet med 35.

Fig. 5 viser en spesiell utførelsesform av en såkalt rørledsagningsvarmeledning med en varmeelementanordning ifølge oppfinnelsen. Over det medieførende rør 36 er mateledningene 37 og 38 sammen med ytterligere ledninger 39 anbrakt i ett lag, eksempelvis ved påtvinning. Varmelederen 40 omgir dette lag på vindelformet måte, og på de forberedte kontaktsteder 41 og 42 på lederne 37 hhv. 38 skjer den sikre, elektrisk ledende forbindelse til mateledningenes 37 og 38 spenningsførende ledere i form av den viste, tette omvikling. Den vesentlige fordel med denne utførelsesform av oppfinnelsen er den fullstendig ensartede varmefordeling langs omkretsen, og at systemet på hvilket som helst sted, også av røret, er avskjærbart og driftsklart. Et slikt oppvarmbart rørsystem med rør eller rørledninger av kunststoff eller metall kan fremstilles i praktisk talt endeløse lengder og først på monteringsstedet tilskjæres i den nødvendige lengde. I stedet for to ledninger kan også eksempelvis tre ledninger benyttes for en flerfasedrift, og herved økes bare hyppigheten av en tett omvikling langs røret, og de øvrige ledninger kan tjene til måle- og styreformål. Over varmetrådvik-lingen er det anordnet f.eks. en garn- eller glassilkevev eller en garn- eller glassilkefletting 43, og til denne slutter det seg en varmeisolerende kappe 44, eventuelt etter foregående påføring av en metallbåndomvikling. Yttermantelen av et slitasjefast kunststoff er betegnet med 45.

Varmelederen selv, som kan være innflettet mellom ledningene, lagt vindelformet rundt disse eller også ført parallelt med ledningene, er f.eks. fremstilt av en Cr-Ni-lege-ring. Dersom det ønskes en selvbegrensning eller selvregulering av varmeelementene, har det vist seg særlig fordelaktig å fremstille varmelederen av et materiale med høy temperaturkoef-fisient, eksempelvis av ren nikkel.

Fig. 6 anskueliggjør til slutt den ved hjelp av oppfinnelsen mulige, kontinuerlige fremstilling av f.eks. en varmekabel som består av separate, tvinnede ledninger.

For dette formål blir de med mellomrom fra isolasjonen befridde ledninger 46, 47 og 48 avtrukket fra de tilsvarende, f.eks. stasjonært lagrede ledningsforråd 49, 50 og 51 og i tvinningsanordningen 52 tvinnet til en streng 53. Strengen 53 gjennomløper deretter en avsøkningsanordning 54 som er utstyrt med optiske eller elektriske følere for registrering av stillingen og lengden av de av isolasjonen befridde steder (kontaktstedene ), idet anordningen registrerer hele omkretsen av strengen 53 under dennes gjennomløpning. På denne streng blir deretter varmelederen 55 i form av en motstandstråd, f.eks. av Cu-Ni, vindelformet påviklet ved hjelp av en spinneanordning 56, f.eks. en såkalt tangentialspinner. Den slaglengde som skal velges, avhenger av størrelsen av den pr. lengdeenhet av varmeelementet fordrede varmeytelse, dvs. av den motstandstråd-lengde som skal innføres i varmeelementet eller varmekabelen.

Ved konstatering av et kontaktsted på strengen 53 ved hjelp av avsøkningsanordningen 54 blir det fra denne i over-ensstemmelse med oppfinnelsen avgitt et tilsvarende signal til styre- eller reguleringsanordningen 57 som på sin side forårsaker at spinneanordningen 56 ved gjennomløpning av det fastslåtte kontaktsted roterer med øket turtall og i dette område bevikler strengen 53 med et øket antall trådvindinger. Reguleringen eller styringen kan skje over en såkalt elektrisk aksel mellom av-søkningsanordningen 54 og spinneanordningen 56, og som drivmoto-rer kan det på grunn av de ekstremt korte koplingstider benyttes såkalte skiverotormotorer.

Etter omviklingen av strengen 53 med varmelederen 55 blir det ved hjelp av ekstruderen 58 påført en ytre beskyttelses-kappe av et passende materiale, før varmekabelen for prøving eller eventuell ytterligere bearbeidelse oppvikles på trommelen eller spolen 59.

Claims (7)

1. Fleksibelt, elektrisk varmeelement bestående av isolerte ledninger og én eller flere varmeledere som omgir disse ledninger og som ved frilegning av ledningenes ledere kontakter disse umiddelbart eller uten frilegning kontakter lederne via kontaktbroer på over lengden med innbyrdes avstander tilbakevendende steder som er forskjellige fra ledning til ledning, og mellom på hverandre følgende kontaktsteder langs varmeelementet ved overgang fra en ledning til en annen danner varmesoner med definerbar ytelse, idet ledningene er anordnet liggende ved siden av hverandre eller er tvinnet hhv. sammenbuntet eller samlet til et lag, og varmelederen eller varmelederne totalt omslynger ledningene vindelformet eller er innflettet mellom disse, KARAKTERISERT VED at antallet av de av varmelederen eller varmelederne dannede omviklinger eller sløyfer pr. lengdeenhet er øket i området for kontaktstedene i forhold til området mellom to og to på hverandre følgende kontaktsteder av varmeelementet.

2. Varmeelement ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at økningen av antallet av omviklinger eller sløyfer pr. lengdeenhet beløper seg til minst 20%.

3. Varmeelement ifølge krav 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at området for kontaktstedene er dekket på lagliknende måte av en tett omspinning eller omvikling av varmelederen.

4. Varmeelement ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at omspinningen eller omviklingen ved hjelp av varmelederen består av flere lag.

5. Varmeelement ifølge ett av de foregående krav, KARA-KTERISERT VED at det ved siden av ledningene som mater varmelederen eller varmelederne, inneholder minst én ytterligere ledning.

6. Varmeelement ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at ledningene er pålagt, fortrinnsvis påtvinnet, som et lag på et rør eller et rørsystem, og at varmelederen er viklet over dette.

7. Fremgangsmåte ved fremstilling av et varmeelement ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at antallet av omviklinger eller sløyfer av varmelederen pr. lengdeenhet av varmeelementet styres i avhengighet av stillingen og lengden av kontaktstedene.