RU2808224C1 - Кабель нагревательный саморегулирующийся - Google Patents
Кабель нагревательный саморегулирующийся Download PDFInfo
- Publication number
- RU2808224C1 RU2808224C1 RU2023106011A RU2023106011A RU2808224C1 RU 2808224 C1 RU2808224 C1 RU 2808224C1 RU 2023106011 A RU2023106011 A RU 2023106011A RU 2023106011 A RU2023106011 A RU 2023106011A RU 2808224 C1 RU2808224 C1 RU 2808224C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- self
- cable
- ohm
- heating
- conductor
- Prior art date
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 14
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 239000012086 standard solution Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 229920001903 high density polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004700 high-density polyethylene Substances 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002482 conductive additive Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- -1 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к электротехническим устройствам, а именно к нагревательным кабелям. Кабель нагревательный саморегулирующийся состоит из коаксиально расположенных центрального проводника и кольцевого проводника, между которыми расположен кольцевой слой. Кольцевой слой выполнен в виде электропроводящей термочувствительной полимерной матрицы из полиорганосилоксанового каучука со значением коэффициента термического сопротивления от 0,0035°С/Ом до 0,0045°С/Ом. Поверх кольцевого проводника располагается электроизолирующая оболочка, выполненная из полиолефина со значением коэффициента термического расширения от 0,015°С/Вт до 0,025°С/Вт. Изобретение позволяет создать симметричное радиальное поле обогрева нагревательного саморегулирующегося кабеля в условиях экстремально низких температур. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к электротехническим устройствам, а именно к нагревательным кабелям [H05B3/36, H05B3/56].
Из уровня техники известно НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО [RU2765481 опубл. 31.01.2022], содержащее саморегулирующуюся проводящую полимерную матрицу с двумя токопроводящими жилами, изоляцию, экранирующую оплетку, внешнюю оболочку, причем изоляция размещается между полимерной матрицей с токопроводящими жилами и экранирующей оплеткой, отличающееся тем, что содержит дополнительную нагревательную жилу, находящуюся в тепловой связи с матрицей.
Также из уровня техники известно НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО [RU235946 опубл. 11.011.2020], содержащее саморегулирующуюся греющую ленту, включающую две изолированные друг от друга токопроводящие жилы, размещенные в проводящей полимерной матрице, заключенной в полимерную изоляционную оболочку, отличающееся тем, что устройство содержит внешнюю металлическую гибкую броню из металлической полосы, при этом полоса имеет продольный паз, а край полосы имеет загиб для установки в указанный паз во время навива брони.
Также из уровня техники известен САМОРЕГУЛИРУЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ [RU358416, опубл. 10.06.2009], содержащий нагревательный элемент, проходящий в продольном направлении вдоль кабеля, причем элемент содержит полупроводник, имеющий положительный температурный коэффициент.
Наиболее близким по технической сущности является КАБЕЛЬ СИЛОВОЙ, СОДЕРЖАЩИЙ САМОРЕГУЛИРУЮЩИЙСЯ КАБЕЛЬ [RU202509 опубл. 20.02.2021], содержащий изолированные токопроводящие жилы, скрученные между собой, а также наружную оболочку, отличающийся тем, что в своей конструкции содержит саморегулирующийся нагревательный кабель с основой в виде полупроводниковой матрицы.
Основной технической проблемой аналогов и прототипа является отсутствие возможности создания радиального поля обогрева из-за конструкционных особенностей указанных кабелей - указанные в аналогах и прототипе конструкции могут обеспечить только создание несимметричного радиального поля обогрева. Также проведенный анализ выявил ограниченность использования вышеуказанных решений в условиях с низкой температурой окружающего воздуха, из-за ограниченного коэффициента пропорциональности в области отрицательных температур.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом изобретения является обеспечение создания симметричного радиального поля обогрева нагревательного саморегулирующегося кабеля в условиях экстремально низких температур.
Указанный технический результат достигается за счет того, что кабель нагревательный саморегулирующийся состоит из коаксиально расположенных центрального проводника и кольцевого проводника, между которыми расположен кольцевой слой, который выполнен в виде электропроводящей термочувствительной полимерной матрицы из полиорганосилоксанового каучука со значением коэффициента термического сопротивления от 0,0035°С/Ом до 0,0045°С/Ом, поверх кольцевого проводника располагается электроизолирующая оболочка, выполненная из полиолефина со значением коэффициента термического расширения от 0,015°С/Вт до 0,025°С/Вт.
В частности, отношение радиусов центрального проводника и кольцевого проводника составляет значение r2/r1=е, где e - это основание натурального логарифма.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан общий вид кабеля нагревательного саморегулирующегося.
На фиг. 2 показан вид в разрезе кабеля нагревательного саморегулирующегося.
На фиг. обозначено: 1 - центральный проводник; 2 - кольцевой проводник; 3 - кольцевой слой; 4 - электроизолирующая оболочка.
Осуществление изобретения
Кабель нагревательный саморегулирующийся состоит из коаксиально расположенных центрального проводника 1 и кольцевого проводника 2. Центральный гибкий многожилестый проводник 1 имеет диаметр d1. В варианте реализации центральный проводник 1 выполнен из витого медного никелированного провода. Кольцевой проводник 2 имеет диаметр d2 и выполнен в виде оплетки из медных никелированных проводов с идентичным сопротивлением. Между центральным 1 и кольцевым 2 проводниками коаксиально расположен кольцевой слой 3. Кольцевой слой 3 выполнен в виде электропроводящей термочувствительной полимерной матрицы, состоящей из эластичной (в рабочем диапазоне температур) резины с введенными в её состав мелкодисперсными электропроводящими частицами сажи (или технического углерода, или мелкодисперсной меди). Кольцевой слой 3 имеет внутренний диаметр d1=2r1 (то есть диаметр центрального проводника 1) и внешний диаметр d2=2r2. (то есть диаметр кольцевого проводника 2).
В варианте реализации в качестве кольцевого слоя 3 может использоваться полимерная матрица из полиорганосилоксанового каучука с положительной вариацией электрического сопротивления матрицы в функции температуры нагрева в диапазоне от -10 до +200°С и отрицательной зависимостью мощности нагрева от температуры среды.
В варианте реализации в качестве кольцевого слоя 3 может использоваться полимерная матрица из полиорганосилоксанового каучука с добавкой до 10% (от массы полиорганосилоксанового каучука) диспергированного углерода (газовой сажи и технического углерода), или посеребрённого порошка меди, или порошка никеля, что обеспечивает номинальное (заданное) удельное электрическое сопротивление кольцевого слоя 3 на уровне 103÷106 Ом/см в широком диапазоне температур от -60 до +200°С. При этом обеспечивая в рабочем диапазоне температур нагрева -40÷+150°С значение коэффициента термического сопротивления (КТС) от 0,0035°С/Ом до 0,0045°С/Ом. В таком случае, соответственно, кольцевой слой 3 выполнен с возможностью изменения электрического сопротивления за счет изменения расстояния между частицами электропроводящей добавки.
Поверх кольцевого проводника 2 располощется электроизолирующая оболочка 4. Электроизолирующая оболочка 4 выполнена из материала с высоким значением коэффициента термического сопротивления. В частности, электроизолирующая оболочка 4 может быть выполнена из полиолефина типа полиэтилена высокого давления (ПЭВД), полипропилена (ПП), поли-4-метиллентена-1 (ПМП). Благодаря указанной реализации электроизолирующей оболочки 4 достигаются значения коэффициента термического расширения (КТР) от 0,015°С/Вт до 0,025°С/Вт.
В варианте реализации отношение радиусов центрального проводника 1 и кольцевого проводника 2 составляет значение r2/r1=е, где e - это основание натурального логарифма.
Изобретение используется следующим образом.
Нагрев кабеля производят при подключении к источнику питания, при этом принцип саморегулирования нагревательного кабеля в рамках заявленного решения основан на изменении удельного электрического сопротивления кольцевого слоя 3 при совместном протекании двух процессов:
- изменяется (в частности, уменьшается) удельное электрическое сопротивление кольцевого слоя 3 при уменьшении температуры в результате его термической усадки;
- изменяется (в частности, уменьшается) удельное электрическое сопротивление кольцевого слоя 3 при воздействии на него сжимающих напряжений от термической усадки внешнего слоя электроизолирующей оболочки 4 из полимера c высоким КТР.
Математическое обоснование технического результата.
Сопротивление кольцевого слоя 3 провода в дифференциальной форме, согласно закону Ома, имеет вид:
dR=ρ·dr /2πr·L,
где, ρ - удельное поверхностное электрическое сопротивление кольцевого слоя 3 (номинал при контрольной температуре, например +20°С), dr - толщина элементарного участка кольцевого слоя 3 диаметром r в направлении распространения радиального тока нагрева; 2πr·L - площадь кольцевого слоя 3 кабеля с текущим диаметром r и длиной L в направлении оси кабеля. В интегральной форме сопротивление коаксиального кабеля с фиксированной длиной L=Const определяется выражением.
Таким образом, значения удельного линейного электрического сопротивления кабеля определяется выражением:
ρ= R·2π L / ln r2/r1. R= |ρ·lnr2/r1|/2π·L.
Тогда, для кабеля единичной длины L=1см:
ρ= R1·2π / ln r2/r1 |Ом·см|,
где R1-сопротивление кабеля единичной длины.
Удельная мощность кабеля на единицу его длины P1 |Вт/см| определяется выражением
P1=U2/R1= U2 ln r2/r1 /2π ρ,
где U-напряжение питания |В|, соответственно, R1= U2/ P1
При среднем для нагревательных кабелей значении мощности 10 Вт/м, получаем P1=0,1 Вт/см. При напряжении питания 220 В, получим R1=2202/0,1≈5·105 Ом·см. В частном случае, ln r2/r1=1, то есть при r2/r1=е=2,72≈3, получим значение номинального удельного сопротивления ρ= R1·2π. То есть при напряжении питания U=220 В, кабель должен быть выполненным из композиции с удельным номинальным электрическим сопротивлением ρ=5·105·2π≈3·106 Ом·см. При соотношении r2/r1=5 и ln(r2/r1) =1,6, соответственно, ρ=3·106/1,6≈2·106 Ом·см. При соотношении r2/r1=6 и ln(r2/r1) =1,8, соответственно, ρ=3·106/1,8≈1,7·106 Ом·см.
При напряжении питания 12 В, соответственно, R1= U2/P1=144/0,1≈1,5·103 Ом·см. Также при ln(r2/r1)=1, ρ=1,5·103·2π≈104 Ом·см. При соотношении r2/r1=4, соответственно, ln(r2/r1) =1,4, соответственно, ρ=1,5·103·2π/1,4≈7·103 Ом·см.
Из численных примеров следует, что требуемое удельное электрическое сопротивление матрицы незначительно изменяется при существенном увеличении диаметра кабеля, то есть соотношения r2/r, в сравнении с ln r2/r1=1. С этих позиций увеличение диаметра кабеля свыше r2/r1=е не является целесообразным. Равным образом не целесообразно уменьшать толщину токопроводящей прослойки ниже определяемой указанным отношением, так как это может привести к диэлектрическому пробою полимерной матрицы, особо при питании переменным током.
Из приведенных выше зависимостей следует, что мощность нагрева находится в обратной пропорциональной зависимости от удельного номинального сопротивления (при +20°С) токопроводящей матрицы. При вариациях удельного сопротивления матрицы в функции температуры сохраняется указанная обратная зависимость мощности от температуры нагрева, что является основным условием саморегулирования предлагаемого нагревательного коаксиального кабеля.
Заявленный технический результат - создание симметричного радиального поля обогрева нагревательного саморегулирующегося кабеля в условиях экстремально низких температур достигается за счет реализации вышеописанной конструкции с коаксиально расположенными функциональными элементами. При этом возможность использования заявленного кабеля в условиях экстремально низких (до -40°С) обеспечивается за счет того, что в качестве кольцевого слоя 3 используется полимерная матрица из полиорганосилоксанового каучука с добавками (до 10%) в виде диспергированного углерода или посеребрённого порошка меди или порошка никеля, обеспечивающие вышеописанные характеристики кольцевого слоя 3 необходимые для достижения заявленного технического результата, а именно: значение коэффициента термического сопротивления от 0,0035°С/Ом до 0,0045°С/Ом в диапазоне температур нагрева от -40+150°С. Выбор добавки и ее точное массовое соотношение производится исходя из специфики конкретной реализацией устройства и подбирается исходя из того, чтобы добиться вышеуказанных характеристик слоя в конкретном случае. Одновременно с этим электроизолирующая оболочка 4 выполнена из материала с высоким значением коэффициента термического сопротивления, а также со значениями КТР от 0,015°С/Вт до 0,025°С/Вт, что в совокупности обеспечивает уменьшение удельного электрического сопротивления кольцевого слоя 3 при уменьшении внешней температуры: во первых, в результате его термической усадки, во вторых - от термической усадки внешнего слоя электроизолирующей оболочки 4 из полимера c высоким КТР; что в совокупности обеспечивает высокую чувствительность работы кабеля при воздействии низких температур и позволяет обеспечить качественное функционирование изделия с созданием симметричного радиального поля обогрева в условиях экстремально низких температур.
Также заявленный технический результат достигается за счет того, что отношение радиусов центрального проводника 1 и кольцевого проводника 2 составляет значение r2/r1=е ввиду нецелесообразности увеличения пропорции из-за того, что, с одной стороны, требуемое удельное электрическое сопротивление матрицы кольцевого слоя 3 незначительно изменяется при существенном увеличении диаметра кабеля; с другой стороны, не целесообразно уменьшать толщину токопроводящей прослойки, ниже определяемой указанным отношением, так как это может привести к диэлектрическому пробою полимерной матрицы кольцевого слоя 3.
Обоснование границ интервалов числовых значений.
Значения коэффициента термического сопротивления от 0,0035°С/Ом до 0,0045°С/Ом матрицы кольцевого слоя 3 выбраны исходя из необходимости уменьшения удельного электрического сопротивления кольцевого слоя 3 при уменьшении внешней температуры; значения меньшие нижней и больше верхних границ интервала не позволят добиться требуемой чувствительности кабеля к уменьшению температуры внешней среды для его нормальной работы.
Значения коэффициента термического расширения от 0,015°С/Вт до 0,025°С/Вт электроизолирующей оболочки 4 также выбраны исходя из необходимости уменьшения удельного электрического сопротивления кольцевого слоя 3 при уменьшении внешней температуры; значения меньшие нижней и больше верхних границ интервала не позволят добиться требуемой чувствительности кабеля к уменьшению температуры внешней среды для его нормальной работы.
Заявителем в 2023 году был изготовлен опытный и промышленный вариант заявленного технического решения, эксплуатация которого подтвердила заявленный технический результат и справедливость вышеуказанных расчетов. В частности, в ходе испытания кабеля в условиях крайнего Севера при температурах до -40°С было обеспечено его функционирование без снижения чувствительности с созданием симметричного радиального поля обогрева нагревательного саморегулирующегося кабеля в условиях экстремально низких температур. Также в ходе прокладки и эксплуатации кабеля не возникло сложностей в связи с обеспечением требуемой гибкости, что особенно актуально для сложных условий прокладки с низкой температурой окружающей среды.
Пример достижения технического результата.
В ходе проведенных испытаний использовался нагревательный саморегулирующийся кабель с отношением радиусов центрального проводника 1 и кольцевого проводника 2, равным основанию натурального логарифма. Центральный проводник 1 был выполнен из витого медного никелированного провода. Кольцевой проводник 2 был выполнен в виде оплетки из медных никелированных проводов с идентичным сопротивлением. В качестве кольцевого слоя 3 использовалась полимерная матрица из полиорганосилоксанового каучука. Кабель тестировался при температурах окружающей среды до -40°С. В ходе тестирования был достигнут заявленный технический результат - было обеспечено функционирование кабеля с созданием симметричного радиального поля обогрева. Испытания показали, что заявленное решение обеспечивает на 40-60% большую надежность функционирования изделия в условиях крайне низких температур по сравнению с типовыми решениями. Более того, ни одно из типовых решений не обеспечило длительное функционирование нагревательного кабеля при длительном воздействии (более 10 часов) низкой температуры (-40°С) окружающего воздуха. Также было выяснено, что чувствительность кабеля в области отрицательных температур от 0° до -40°С по сравнению с типовыми решениями была увеличена на 30-50%.
Claims (2)
1. Кабель нагревательный саморегулирующийся, состоящий из коаксиально расположенных центрального проводника и кольцевого проводника, между которыми расположен кольцевой слой, который выполнен в виде электропроводящей термочувствительной полимерной матрицы из полиорганосилоксанового каучука со значением коэффициента термического сопротивления от 0,0035°С/Ом до 0,0045°С/Ом, поверх кольцевого проводника располагается электроизолирующая оболочка, выполненная из полиолефина со значением коэффициента термического расширения от 0,015°С/Вт до 0,025°С/Вт.
2. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что отношение радиусов центрального проводника и кольцевого проводника составляет значение r2/r1=е, где e - это основание натурального логарифма.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2808224C1 true RU2808224C1 (ru) | 2023-11-28 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU58776U1 (ru) * | 2005-10-11 | 2006-11-27 | Олег Алексеевич Чадов | Кабель электрический силовой |
KR101622953B1 (ko) * | 2013-10-30 | 2016-05-20 | 주식회사 아트케이블 | 발열케이블 |
CN207995430U (zh) * | 2018-04-11 | 2018-10-19 | 沈阳瑞华特种电缆有限公司 | 一种电缆 |
RU202509U1 (ru) * | 2020-12-16 | 2021-02-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Камский кабель" | Кабель силовой, содержащий саморегулирующийся кабель |
EP3577658B1 (en) * | 2017-02-01 | 2022-12-21 | Nvent Services Gmbh | Low smoke zero halogen self-regulating heating cable |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU58776U1 (ru) * | 2005-10-11 | 2006-11-27 | Олег Алексеевич Чадов | Кабель электрический силовой |
KR101622953B1 (ko) * | 2013-10-30 | 2016-05-20 | 주식회사 아트케이블 | 발열케이블 |
EP3577658B1 (en) * | 2017-02-01 | 2022-12-21 | Nvent Services Gmbh | Low smoke zero halogen self-regulating heating cable |
CN207995430U (zh) * | 2018-04-11 | 2018-10-19 | 沈阳瑞华特种电缆有限公司 | 一种电缆 |
RU202509U1 (ru) * | 2020-12-16 | 2021-02-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Камский кабель" | Кабель силовой, содержащий саморегулирующийся кабель |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR910000829B1 (ko) | 가늘고 긴 자동조절 히이터 | |
US2142625A (en) | High tension cable | |
US3259684A (en) | Shielded resin insulated electric cable | |
CA2591899C (en) | Electrical cables | |
US3644662A (en) | Stress cascade-graded cable termination | |
AU2005212922B2 (en) | Current conductor made of braided wire | |
JPH06139835A (ja) | 信号伝送ケーブル | |
GB2095024A (en) | Insulated high voltage cables | |
US2322702A (en) | Shielded cable | |
JPS63313490A (ja) | 電熱ケーブル | |
US11006484B2 (en) | Shielded fluoropolymer wire for high temperature skin effect trace heating | |
US4418240A (en) | Electrical stress control electrode in combination with a junction end of a shielded insulated electrical conductor | |
RU2808224C1 (ru) | Кабель нагревательный саморегулирующийся | |
US10959295B2 (en) | Shielded wire for high voltage skin effect trace heating | |
US1956639A (en) | Electrical conductor | |
US2096840A (en) | High tension rubber insulated cable | |
US20180279418A1 (en) | High Voltage Skin Effect Heater Cable with Ribbed Semiconductive Jacket | |
WO2019162757A1 (en) | Shielded fluoropolymer wire for high temperature skin effect trace heating | |
US3244800A (en) | Corona-free high voltage cable | |
US4327245A (en) | Sealing end for direct current electric cables | |
US1958281A (en) | Electric cable | |
US3987239A (en) | High voltage dc cables | |
RU200812U1 (ru) | Кабель силовой, содержащий саморегулирующийся кабель | |
CN115376726A (zh) | 限制局部放电的电缆 | |
RU202509U1 (ru) | Кабель силовой, содержащий саморегулирующийся кабель |