DE69729330T2

DE69729330T2 - Heizleitung

Info

Publication number: DE69729330T2
Application number: DE69729330T
Authority: DE
Inventors: K. Aron JANVRIN; W. Glen OSTERHOUT
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2017-06-25
Also published as: ATE268099T1; CN1223782A; CN1132502C; DE69729330D1; US6005232A; EP1016321B1; CA2260189A1; WO1998001010A1; NO325168B1; NO986097L; CA2260189C; NO986097D0; EP1016321A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bereich der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Heizkabel, insbesondere auf selbstregelnde, elektrische Heizkabel.
Einführung zur Erfindung
Langgestreckte elektrische Heizkabel werden üblicherweise zum Kälteschutz und zur Aufrechterhaltung der Temperatur bei Rohren, Tanks und anderen Substraten verwendet. Besonders nützliche langgestreckte elektrische Heizkabel umfassen (a) erste und zweite langgestreckte Elektroden, (b) eine Vielzahl von widerstandsbehafteten Heizelementen, die parallel zwischen den besagten Elektroden miteinander verbunden sind und (c) ein Isoliermantel, der die Elektroden und Heizelemente umgibt. Darüber hinaus umfasst das Heizkabel auch sehr häufig eine metallische Erdungsschicht in Form einer Litze oder eines Streifens, die bzw. der den Isoliermantel umgibt, was dazu dient, das Heizkabel elektrisch zu erden und einen mechanischen Schutz bereitzustellen. Aufgrund der Parallelkonstruktion der Heizelemente können solche Heizkabel je nach Anwendung auf die passende Länge geschnitten werden.
Bei vielen Anwendungen wird bevorzugt, dass die widerstandsbehafteten Heizelemente ein leitendes Polymer umfassen, d. h., eine Polymermatrix, in der ein partikelartiger Füller dispergiert ist. Das leitende Polymer weist vorzugsweise ein Verhalten mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) auf, wodurch das Heizkabel selbstregulierend wird. Zwei Ausführungsformen von langgestreckten Heizkabeln sind üblich. Bei der ersten Ausführungs form weist das leitende Polymer die Form eines durchgehenden Streifens auf, in dem die Elektroden eingebettet sind. Solche Heizvorrichtungen sind z. B. in den US-Patenten 3,858,144 (Bedard et al), 3,861,029 (Smith-Johannsen et al), 4,017,715 (Whitney et al), 4,242,573 (Batliwalla), 4,334,148 (Kampe), 4,334,351 (Sopory), 4,426,339 (Kamath et al), 4,574,188 (Midgley et al) and 5,111,032 (Batliwalla et al) und in der internationalen Patentveröffentlichung Nr. WO 91/17642 (Raychem Corporation, veröffentlicht am 14. November 1991) beschrieben. Bei der zweiten Ausführungsform von Heizkabeln hat das leitende Polymer die Form eines durchgehenden Streifens, der um die langgestreckten Elektroden gewickelt ist, wobei das Polymer mit den freiliegenden Elektroden abwechselnd in Kontakt steht, wenn es das Heizkabel durchläuft. In dieser Ausführungsform werden die Elektroden in der Regel durch ein nichtleitendes Distanzstück voneinander getrennt gehalten. Andererseits können die Elektroden auch um einen Kern gewickelt sein, der den leitenden Polymerstreifen umfasst. Kabel dieser Art werden im US-Patent Nr. 4,459,473 (Kamath) beschrieben.
Die EP-A-0 096 492 offenbart langgestreckte elektrische Heizvorrichtungen, die wenigstens zwei langgestreckten Leiter und wenigstens einen langgestreckten widerstandsbehafteten Heizstreifen umfassen, der mit den Leitern abwechselnd in Kontakt kommt, wenn er die Heizvorrichtung durchläuft, und der vorzugsweise aus leitendem Polymer zusammengesetzt ist, insbesondere einem leitenden PTC-Polymer. Die Leiter können mit Hilfe eines Isolierstreifens voneinander getrennt werden, wobei der Heizstreifen um die Leiter und den Isolierstreifen gewickelt wird. Alternativ können die Leiter um den Kern gewickelt werden, der den Heizstreifen und einen Isolierstreifen umfasst. Die Verbindungspunkte zwischen den Leiter und dem Heizstreifen sind bevorzugt mit einer Polymerzusammensetzung mit einem niedrigen spezifischen Widerstand ummantelt.
Unter normalen Betriebsbedingungen unterliegt ein langgestreck tes Heizkabel physischem Stress und einer Deformation, wenn es in Kontakt mit dem zu heizenden Substrat kommt. Wenn es sich bei dem Substrat z. B. um eine Leitung oder einen Rohrkanal handelt, dann wird das Kabel häufig in Spiralform um die Leitung gewickelt. Darüber hinaus muss das Kabel um Ventile, Verbindungsstellen und andere aufzuheizende Bereiche gewickelt werden. Obwohl Heizkabel flexibel sind, ist es z. B. bei kleinen Leitungen oder Ventildurchmessern unerlässlich, dass das Kabel gebogen oder verdreht werden muss. Darüber hinaus werden die Heizkabel bei normaler Beanspruchung thermischen Zyklen von relativ niedrigen bis hohen Temperaturen unterworfen. Sowohl der physische Stress aufgrund der Anbringung auf dem Substrat als auch der thermische Stress durch den thermischen Zyklus können Veränderungen beim Heizkabel hervorrufen. Insbesondere, wenn die Elektroden an gegenüberliegenden Enden eines Distanzstücks angebracht und nicht in einem leitenden Polymerstreifen eingebettet sind, können sich die Elektroden von ihrer Position im Distanzstück entfernen und/oder kann sich der Kontakt mit dem um sie gewickelten leitenden Polymerstreifen verringern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder haben jetzt herausgefunden, dass eine Auswahl von bestimmten Drahtarten zur Verwendung für Elektroden zu einem Heizkabel führt, das weniger der Deformation unterliegt. Somit haben die erfindungsgemäßen Heizkabel eine gleichmäßige und zuverlässige Leistung, auch wenn sie physischem und thermischem Stress unterliegen.
Erfindungsgemäß wird ein elektrisches Heizkabel bereitgestellt, das umfasst

(1) ersten und zweiten langgestreckten, voneinander beabstandeten Leiter, die jeweils an eine elektrische Stromversorgung angeschlossen werden können;
(2) einen langgestreckten, widerstandsbehafteten Heizstrei fen, der
(a) eine langgestreckte PTC-Komponente umfasst, die (i) entlang dem Heizstreifen verläuft und (ii) aus einer leitfähigen Polymerzusammensetzung besteht, die das PTC-Verhalten aufweist, und der
(b) abwechselnd mit dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter in elektrischem Kontakt steht an Kontaktpunkten, die in Längsrichtung entlang dem Streifen und entlang jedem Leiter voneinander beabstandet verlaufen; und
(3) einen Streifen Isoliermaterial, der so zwischen den Leitern liegt, dass der gesamte Strom, der zwischen den Leitern verläuft, durch den Heizstreifen fließt, wenn die Leiter an eine Stromquelle angeschlossen sind;

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird durch die Zeichnungen veranschaulicht, in denen
1 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Heizkabels ist;
2 stellt einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 von 1 dar;
3 ist eine Draufsicht eines anderen erfindungsgemäßen Heizkabels;
4 ist eine schematische Darstellung eines Leiters zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Heizkabel;
5 zeigt einen Querschnitt eines Leiters zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Heizkabel.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das erfindungsgemäße Heizkabel umfasst wenigstens einen langgestreckten Heizstreifen, der eine langgestreckte PTC-Komponente umfasst, die entlang dem Heizstreifen verläuft und aus einer leitfähigen Polymerzusammensetzung besteht, die das PTC-Verhalten aufweist. In dieser Beschreibung wird der Begriff „PTC" verwendet in der Bedeutung eines steilen Anstiegs des spezifischen Widerstands bei einer Temperatur über einem relativ kleinen Temperaturbereich, d. h., dass die Zusammensetzung einen R₁₄-Wert von wenigstens 2,5 und/oder einen R₁₀₀-Wert von wenigstens 10 hat, und es wird bevorzugt, dass die Zusammensetzung einen R₃₀-Wert von wenigstens 6 haben sollte, wobei R₁₄ das Verhältnis der Widerstände am Ende und am Beginn eines Bereichs von 14°C ist, R₁₀₀ das Verhältnis der Widerstände am Ende und am Beginn eines Bereichs von 100°C ist und R₃₀ das Verhältnis der Widerstände am Ende und am Beginn eines Bereichs von 30°C ist. Die Zusammensetzung umfasst eine polymerische Komponente, bevorzugt ein Kristall-Polymer, d. h. ein Polymer, das eine Kristallinität von 20% besitzt, bevor es in die Zusammensetzung eingearbeitet wird. Geeignete Kristall-Polymere schließen Polyolefine ein, z. B. Polyethylen oder Ethylen-Copolymere; Fluoropolymere, z. B. polyvinylidene Fluoride (PVDF), Ethylen/Tetrafluoroethylen-Copolymer (ETFE) oder Tetrafluoroethylen/Perfluoroalkoxy-Copolymer (PFA); oder Mischungen aus zwei oder mehr solcher Polymere. Alternativ kann die polymerische Komponente ein Elastomer umfassen, z. B. ein thermoplastisches Elastomer. In der polymerischen Komponente dispergiert ist ein partikelartiger leitender Füller, z. B. Kohlenschwarz, Graphit, Metall, Metalloxid, leitfähiges beschichtetes Glas oder Keramikkügelchen, partikelartiges leitendes Polymer oder eine Kombination davon. Zusätzliche Komponenten können auch vorhanden sein, wie Antioxidantien, inerte Füller, nicht leitfähige Füller, Mittel zum Vernetzen durch Strahlung (in der Regel als Prorads oder Vernetzungsverstärker bezeichnet), Stabilisatoren, Dispergiermittel, Kopplungsmittel, Säureadsorber (z. B. CaCO₃) oder andere Komponenten. Beispiele für geeignete Zusammensetzungen sind in den oben aufgeführten Dokumenten ausgeführt.
Der Widerstand der leitfähigen Polymerzusammensetzung bei 23°C liegt gewöhnlich bei 1 bis 100.000 Ohm-cm, bevorzugt bei 100 bis 100.000 Ohm-cm, bevorzugter bei 1.000 bis 10.000 Ohm-cm, bsonders bevorzugt bei 1.000 bis 5.000 Ohm-cm. Bei den meisten Anwendungen liegt der spezifische Widerstand bei 23°C bei wenigstens 100 Ohm-cm.
Der Heizstreifen kann auf bequeme Art und Weise hergestellt werden, z. B. durch Schmelzextrusion, was im allgemeinen bevorzugt wird, oder indem ein Substrat in eine z. B. lösungsmittelhaltige Flüssigkeit getaucht wird, gefolgt von einer Kühlung und/oder Entfernung des Lösungsmittels. Wenn der Streifen durch Schmelzextrusion hergestellt wird, hat die Extrusionsrate einen wichtigen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des Heizkabels. Z. B. kann die Verwendung einer höheren Extrusionsrate die Widerstandsgleichmäßigkeit des Streifens erhöhen, aber das Ausmaß des PTC-Effekts verringern. Die optimale Extrusionsrate hängt von der jeweiligen Zusammensetzung des leitfähigen Polymers ab.
Der Heizstreifen kann jede geeignete Form haben, z. B. einen runden oder elliptischen Durchmesser, oder die Form eines flachen Bandes. Die Dicke des Heizstreifens liegt in der Regel bei 0,25 bis 2,5 mm (0,010 bis 0,1 Inch), bevorzugt bei 0,38 bis 2,16 mm (0,015 bis 0,085 Inch), bevorzugter bei 0,51 bis 1,91 mm (0,020 bis 0,075 Inch).
Das erfindungsgemäße Heizkabel umfasst einen ersten und einen zweiten Leiter, die an eine elektrische Stromversorgung angeschlossen werden können, z. B. einen Netzanschluss oder eine Steckdose, wenn nötig, unter Verwendung eines entsprechenden Steckers oder elektrischen Komponente. Die Leiter (in dieser Beschreibung auch als Elektroden oder Drähte bezeichnet) sind vorzugsweise aus Metall, z. B. Nickel, Kupfer, Zinn, Aluminium, nickelbeschichtetes Kupfer, zinnbeschichtetes Kupfer, Metalllegierungen oder anderes geeignetes Material. Die Leiter haben eine konzentrische Litzengestaltung, d. h. ein zentraler (Kern-) Draht ist von einer oder mehreren Schichten wendelförmiger, in entgegengesetzter Richtung gelegenen Drähten (Litzen) umgeben, sodass folgende Schichten in entgegengesetzter Richtung der Schlaglänge gelegt werden. Jede nachfolgende Drahtlitzenschicht in einer konzentrischen Gestaltung hat eine größere Schlaglänge als die Schicht darunter. Die Schlaglänge L ist die axiale Distanz, die für eine einzelne Drahtlitze erforderlich wird, um 360° um den zentralen (Kern-) Draht gewickelt zu werden. In dieser Anwendung ist die spezifizierte Schlaglänge die der äußersten Lage von schraubenförmig gelegten Drähten. Diese Ausführungsform steht in Kontrast zu (1) einer gleichlagigen Ausführungsform, in welcher ein zentraler Draht von mehr als einer Lage schraubenförmig gelegter Drähte umgeben ist, wobei jede Lage dieselbe Schlagrichtung und dieselbe Schlaglänge hat; und (2) einer unidirektionalen, konzentrischen Gestaltung, bei welcher ein zentraler Draht von einem oder mehr Lagen schraubenförmig gelegter Drähte umgeben ist, die dieselbe Schlagrichtung haben, aber mit einer zunehmenden Schlaglänge in jeder Lage. Obwohl die Größe der Leiter in den erfindungsgemäßen Heizkabeln von der angelegten Spannung abhängt, von der gewünschten stromführenden Fähigkeit und von der erforderlichen Kabellänge, weisen die meisten erfindungsgemäßen Kabel eine Größe von höchstens 14 AWG auf, d. h. einen Durchmesser von 1,93 mm (0,076 Inch), obwohl Drähte mit kleinerem Durchmesser, z. B. 16 AWG (1,52 mm (0.060 Inch)), 18 AWG (1,27 mm (0,050 Inch)) oder 20 AWG (1,02 mm (0,040 Inch)) oder Drähte mit größerem Durchmesser, z. B. 12 AWG (2,16 mm (0,085 Inch) oder 10 AWG (3,05 mm (0,12 Inch), für einige Anwendungen geeignet sind. (AWG heißt American Wire Gauge und entspricht dem Brown & Sharpe – Drahtmaß). Die in den erfindungsgemäßen Heizkabeln verwendeten Leiter haben eine Schlaglänge L höchstens 20 mm (0.8 Inch), bevorzugt höchstens 18 mm (0,7 Inch), bevorzugter höchstens 15 mm (0,6 Inch). In der Regel beträgt die Schlaglänge L wenigstens 14 mm (0,55 Inch). Die in den erfindungsgemäßen Heizkabeln verwendeten Leiter haben einen Schlagwinkel β von wenigstens 10°, bevorzugt von wenigstens 11°, bevorzugter von wenigstens 12°, besonders bevorzugt von wenigstens 13°. Der Schlagwinkel β, wie in 4 unten dargestellt, ist eine Funktion des Helixwinkels α (d. h. der Winkel, in dem sich der Litzendraht um den Zentraldraht wickelt). β gleich [(π/2) – α], d. h. [(3,14/2) – α], und ird durch den Durchmesser des Zentraldrahts und den Durchmesser der um den Zentraldraht gewickelten Litze beeinflusst. In der Regel beträgt β höchstens 16°. In einer bevorzugten Ausführungsform haben die in den erfindungsgemäßen Heizkabeln verwendeten Leiter eine Schlaglänge L von höchstens 20 mm (0,8 Inch) und einen Schlagwinkel β von wenigstens 10°, bevorzugt L von höchstens 18 mm (0,7 Inch) und β von wenigstens 11°. Die Drähte, die für die Verwendung als Leiter in den erfindungsgemäßen Heizkabeln bevorzugt werden, haben eine Schlaglänge L, die in Abhängigkeit des Kerndrahtsdurchmessers d_c definiert werden kann. Bei einem Leiter mit sieben Litzen beträgt L somit bevorzugt weniger als 36d_c, bevorzugter weniger als 31d_c, besonders bevorzugt weniger als 28d_c; bei einem Leiter mit neunzehn Litzen beträgt L bevorzugt weniger als 72d_c, bevorzugt weniger als 65d_c, besonders bevorzugt weniger als 55d_c, und bei einen Leiter mit 37 Litzen beträgt L bevorzugt weniger als 110d_c, bevorzugter weniger als 97d_c, besonders bevorzugt weniger als 80d_c.
Obwohl die erfindungsgemäßen Heizkabel in der Regel zwei langgestreckte Leiter enthalten, können bei einigen Anwendungen drei oder mehr Leiter bereitgestellt werden, die durch den Heizstreifen sequentiell in Kontakt stehen, vorausgesetzt, dass die Leiter miteinander an eine oder mehrere geeignete Stromquellen angeschlossen sind. Wenn drei oder mehr Leiter vorhanden sind, können sie so angeordnet werden, dass unterschiedliche Leistungsausgaben erzielt werden können, indem verschiedene Leiterpaare an eine einphasige oder zweiphasige Stromquelle angeschlossen werden. Wenn drei Leiter vorhanden sind, können sie so angeordnet werden, dass das Heizkabel an eine dreiphasige Stromquelle angeschlossen werden kann.
Bei einigen Anwendungen können die Leiter mit einer Schicht leitenden Materials ummantelt sein, z. B. einer leitfähigen ZTC (Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstandes von Null)-Polymerzusammensetzung mit niedrigem spezifischen Widerstand, einer mit Graphit, Silber oder Kohlenschwarz gefüllten Emulsion oder mit einem Kohlenschwarzpulver. Die Ummantelung kann entweder vor oder hinter den Leitern mit dem (den) Heizstreifen in Kontakt kommen.
Um sicherzustellen, dass das Heizkabel seine Form behält, sind der erste und zweite Leiter voneinander mittels eines Streifens Isoliermaterial getrennt, der zwischen den Leitern liegt, damit, wenn die Leiter an eine Stromquelle angeschlossen werden, der Strom, der zwischen den Leitern fließt, vollständig durch den Heizstreifen fließt. Der Isolierstreifen (oder Distanzstück) besteht in der Regel aus elektrischem Isoliermaterial, z. B. einem Polymer, Keramik oder Glas, das im Wesentlichen seine Form während der Präparation und der Verwendung des Heizkabels behält, ungeachtet einer thermischen Ausdehnung und Kontraktion bei normalem Gebrauch. Bei einigen Anwendungen kann der Isolierstreifen ein Element enthalten, um die thermische Leitfähigkeit des Distanzstücks zu verbessern, z. B. einen Metallstreifen, der mit dem Isolierstreifen oder einem thermisch leitenden Füller umgeben ist. Der Isolierstreifen wird in der Regel die gleiche allgemeine Gestaltung haben wie die Leiter, z. B. wenn sie gerade sind, dann ist auch der Isolierstreifen gerade, und wenn sie gewickelt sind, dann ist auch Isolierstreifen gewickelt. Um die physische Stabilität des Heizkabels zu verbessern, ist der Isolierstreifen bevorzugterweise so konfiguriert, dass die Leiter in unmittelbarer Nähe zu dem Distanzstück gehalten werden können, z. B. indem sie über konkave oder eingekerbte Seiten oder Kanten verfügt, in die die Leiter größenmäßig passen.
Obwohl wenigstens ein Heizstreifen in den erfindungsgemäßen Heizkabeln vorhanden ist und mit den Leitern in Kontakt kommt, können zwei oder mehr Heizstreifen vorhanden sein. Wenn mehrere Heizstreifen vorhanden sind, verlaufen sie normalerweise, aber nicht notwendigerweise, parallel zueinander über die Länge des Heizkabels. Sie bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material, können aber auch aus unterschiedlichen Materialen bestehen und/oder unterschiedlich groß sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Heizstreifens sind Heizkabel mit derselben Leistungsausgabe erzielbar, indem ein einzelner Streifen mit relativ niedriger Ganghöhe (Anzahl der Windungen pro Längeneinheit) verwendet oder indem eine Vielzahl von parallelen Heizstreifen mit relativ hoher Ganghöhe verwendet wird. Die Verwendung einer Vielzahl von Streifen bewirkt eine niedrigere Spannungsbelastung auf den Heizstreifen.
Die Leiter und der (die) Heizstreifen können unterschiedlich positioniert werden, um den gewünschten elektrischen Kontakt bei voneinander beabstandeten Punkten zu erzeugen. In der Regel wird bevorzugt, dass die Leiter gerade sind und der (die) Heizstreifen einem regelmäßigen Sinuspfad folgen oder umgekehrt. Der Pfad kann z. B. in der Regel schraubenförmig sein (einschließlich kreisförmig und abgeflacht kreisschraubenförmig), sinusförmig oder Z-förmig. Es ist jedoch auch möglich, dass sowohl die Leiter als auch die Heizstreifen regelmäßigen Sinus pfaden folgen, die in Form oder Ganghöhe unterschiedlich oder gegenläufig sind, oder dass einer oder beide einem unregelmäßigen Sinuspfad folgen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Heizstreifen um ein Paar von gerade, parallel verlaufenden Leitern gewickelt, welche in der gewünschten Distanz mittels eines Trennstreifens voneinander getrennt gehalten werden können. In einer anderen Ausführungsform ist der Heizstreifen um einen Trennstreifen gewickelt und der gewickelte Streifen kommt dann mit geraden Leitern in Kontakt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, werden die Leiter um einen oder mehrere gerade Heizstreifen und einen oder mehrere gerade Isolierkerne gewickelt. In einer anderen Ausführungsform werden die Leiter um einen Isolierkern gewickelt und werden dann mit geraden Heizstreifen in Kontakt gebracht. Für das gewickelte Element ist eine schraubenförmige Ausführungsform am besten, was durch Verwendung eines konventionellen Drahtwickelgeräts erreicht werden kann. Um Wärme an ein Substrat zu übertragen, sollte die Heizvorrichtung vorzugsweise eine rechteckige Form mit gerundeten Ecken aufweisen.
Wenn die Heizstreifen und die Leiter gewickelt sind, kann eine leitfähige ZTC-Polymerzusammensetzung über die Verbindungspunkte zwischen den Leitern und den Heizstreifen platziert werden, um eine Füllnaht zu bilden und damit den elektrischen Kontakt zwischen den Leitern und den Streifen zu verbessern.
Die Heizstreifen können vernetzt sein, z. B. durch Strahlung, entweder vor oder nachdem sie in das Heizkabel montiert werden.
Zusätzliche Ausführungsformen von Heizkabeln und Präparationsverfahren sind in US-Patent Nr. 4,459,473 (Kamath) beschrieben.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen veranschaulicht, wobei 1 eine Draufsicht des Heizkabels 1 der Erfindung ist und 2 einen Querschnitt des Kabels 1 entlang der Linie 2-2 zeigt. Ein einzelner Heizstreifen 2 ist schraubenförmig um den ersten 3 und zweiten Leiter 4 gewickelt, die mittels Isolierstreifen (Distanzstück) 5 voneinander getrennt sind. Der elektrische Kontakt zwischen Heizstreifen 2 und Leitern 3, 4 wird mit Hilfe eines Materials mit niedrigem spezifischem Widerstand 8 verstärkt, das eine Füllnaht zwischen dem Streifen und dem Leiter an den Kontakt-(Verbindungs-)Punkten bildet. Die polymerische Isolierhülle 7 umgibt den Heizstreifen 2, die Leiter 3, 4 und den Isolierstreifen 5.
3 ist eine Draufsicht eines anderen erfindungsgemäßen Heizkabels, bei dem zwei Heizkabel 2, 9 um die Leiter 3, 4 und den Isolierstreifen 5 gewickelt sind.
4 zeigt schematisch den Leiter 10, der ein konzentrischer Drahtlitzenleiter ist. Schraubenwinkel α und Schlagwinkel β sind dargestellt.
5 zeigt einen Querschnitt des siebenstrangigen Leiters 10, mit dem Kerndraht 11 und den Schraubendrähten 12. Der Kerndurchmesser d_c ist ebenfalls eingezeichnet.
Die Erfindung wird durch folgende Beispiele illustriert, wobei Beispiel 2 die vorliegende Erfindung wiedergibt und Beispiele 1 und 3 bis 6 vergleichbare Beispiele zeigen. Jedes der Heizkabel in den Beispielen wurde gemäß eines Dreistufen-Verfahrens erstellt, das im Allgemeinen dem Verfahren, wie in Beispiel 2 der US-Patent Nr. 4,459,473 beschrieben, folgt.
Präparation des Heizstreifens
Eine trockenvermengte Mischung von Tetrafluorethylen/Perfluoroalkoxy Co-Polymer (PFA) und Kohlenschwarz wurde in einem Doppelschrauben-Extruder gemischt. Die Mischung wurde pelletiert, getrocknet und durch eine 1,52 mm (0,060 Inch)runde an einen Extruder angepasste Form extrudiert. Das Extrudat wurde so gezogen, dass es einen Heizstreifen mit einem Durchmesser von 0,94 mm (0,037 Inch) ergibt.
Präparation des Distanzstücks
Das glasfasergefüllte PFA wurde getrocknet und durch eine abgeflachten Form mit konkaven Seiten extrudiert, was ein Isolierdistanzstück mit konkaven Seiten und einer Größe von 1,9 × 3,0 mm (0,075 × 0,120 Inch) ergibt.
Zusammenbau des Heizkabels
Zwei Drähte wurden innerhalb der konkaven Seiten des Distanzstücks positioniert, und vier einzelne Heizstreifen wurden schraubenförmig mit Hilfe einer Wickelmaschine um die Leiter und den Distanzstückstreifen gewickelt. Der Abstand zwischen jedem benachbarten Heizstreifen beträgt 4,3 mm (0,170 Inch). Die Leiter und auch der Heizstreifen wurden mit einer Graphitemulsion in den Bereichen beschichtet, wo die Leiter in Kontakt mit dem Heizstreifen stehen. Das sich ergebende Heizkabel wurde zunächst mit einer PFA-Schicht, dann mit einer Zinnbeschichteten Kupferlitze und schließlich mit einer zweiten PFA-Schicht ummantelt. Das ummantelte Heizkabel wurde wärmebehandelt und wieder abgekühlt.
Beispiele 1 bis 7
Die in Tabelle 1 aufgeführten 14 AWG-Drähte wurden als Leiter in den nach obigem Verfahren hergestellten Heizvorrichtungen verwendet. Jeder der Drähte bestand aus Nickel-beschichtetem Kupfer (d. h. 2% galvanisch vernickelt (NPETP)), zu beziehen von Hudson International Conductors.
TABELLE I
Die Heizkabel der Beispiele 1 bis 6 wurden gemäß der untenstehenden Tests A bis E getestet. Für jeden Test wurde das Ergebnis für jedes der Heizkabel von der besten bis zur schlechtesten Leistung aufgeführt. Diese Ergebnisse sind in Tabelle II wiedergegeben. Im Beispiel 4 hatten die Heizkabel eine schlechtere Leistung als die Heizkabel im Beispiel 5 für jeden Test. Die Heizkabel im Beispiel 2, die ein Erfindungsbeispiel darstellen, hatten die beste Gesamtleistung.
Tabelle II
Test A: Verbiegung
Dieser Test misst die Fähigkeit eines Heizkabels, einem Verbiegen standzuhalten, bei welcher ein Draht unter Spannung und der andere Draht unter Druck gesetzt wird. Aufgrund einer solchen Verbiegung kann sich der Draht krümmen. Diese Deformation kann bei der Installation auftreten, wenn das Heizkabel flach gegen ein Substrat platziert wird, jedoch um ein Objekt herum gezwungen wird, z. B. um einen Flansch oder Bolzen.
Ein Heizkabel mit einer Länge von 0,91 m (3 Fuß) wurde flach auf ein Substrat platziert (die Grundplatte einer Presse), und zwei Spanndorne mit einem Durchmesser von jeweils 6,4 mm (0,25 Inch) wurden etwa in der Mitte des Kabels platziert, eines auf jede Seite des Kabels an der Kabelkante. Die Entfernung zwischen den zwei Leitern wurde gemessen. Die obere Pressenplatte wurde dann auf das Kabel und die Spanndorne platziert, um die Spanndorne sicher zu halten, aber die es dem Kabel ermöglichen, sich vor und zurück zu bewegen, aber nicht sich zu verdrehen. Beide Kabelenden wurden um einen Spanndorn gelegt (d. h. jedes Ende wurde um 90° zur Ausgangsposition gebogen) in eine erste Position, dann um den zweiten Spanndorn (d. h. jedes Ende wurde um 180° zur ersten Position gebogen) und dann zurück in die Ausgangsposition. In der ersten Position stand einer der Leiter unter Spannung und einer unter Druck, während in der zweiten Position der ursprünglich unter Spannung stehende Leiter unter Druck stand und der ursprünglich unter Druck stehende Leiter unter Spannung stand. Jegliche Deformierung des Leiters wurde vermerkt und der Abstand zwischen den Leitern, der am nächsten Punkt gemessen wurde, aufgezeichnet. Der Test wurde mit Spanndornen mit einem Durchmesser von 25 mm (1 Inch) und 51 mm (2 Inch) wiederholt. Die beste Leistung ergab sich bei Kabeln mit einem Abstand zwischen den Leitern, der dem Anfangsabstand am nächsten kam.
Test B: Druckeinwirkung
Dieser Test maß die Fähigkeit eines Heizkabels, axialem Druck standzuhalten. Ein solcher Druck ergibt sich, wenn das Heizkabel an ein steifes Substrat angebracht ist, z. B. ein Rohrbündel, das dann so gebogen wird, dass das Heizkabel auf dem inneren Radius liegt.
Ein Ende eines Heizkabelmusters mit einer Länge von 133 mm (5,25 Inch) wurde in einen ersten (oberen) Teil eines Spannelements positioniert und das andere Ende in einen zweiten (unteren) Teil des Spannelements, was den Mittelteil des Kabels [5,8 mm (0,23 Inch)] frei von dem Spannelement belässt. Der Abstand zwischen den Leitern wird gemessen. Die Anlage wurde in ein Instron^TM-Gerät eingesetzt, und es wurde Druck auf die Testanlage ausgeübt, um das Kabel 4,6 mm (0,18 Inch) bei einer Rate von 2,5 mm/Min. (0,1 Inch/Min.) zusammenzudrücken. Der Druck wurde verringert, das Kabel von dem Spannelement entfernt und der kürzeste Abstand zwischen den Leitern gemessen. Die beste Leistung ergab sich bei Kabeln, bei denen zwischen Leitern ein Abstand vorlag, der dem Anfangsabstand am nächsten war.
Test C: Temperaturschwankungen
Dieser Test maß die Fähigkeit eines Heizkabels, wiederholtes Erhitzen und Abkühlen auszuhalten, was im Kabel thermische Relaxationsspannungen erzeugen kann. Solche thermischen Schwankungen kommen bei normalen Gebrauch des Heizkabels vor, obwohl dieser Test das Kabel extremeren Temperaturen als gewöhnlich aussetzt.
Die Leiter in einem Heizkabel mit einer Länge von 0,76 mm (2,5 Fuß) wurden absichtlich verformt, indem die Kabel um 90° in jede Richtung wie im Test A gebogen wurden. Das Kabel wurde so gebogen, bis der Abstand zwischen den Leitern 0,51 bis 1,0 mm (0,02 bis 0,04 Inch) betrug. Nachdem der Anfangsabstand aufgezeichnet war, wurde das Kabel in eine Wärmekammer gelegt und zehn Mal einer Temperatur zwischen –71°C und 204°C (–95°F bis 400°F) ausgesetzt, wobei es in jedem Zyklus 30 Minuten bei einer Temperatur von –71°C und 204°C verblieb. Dann wurde der Abstand zwischen den Leitern gemessen. Die beste Leistung ergab sich bei Kabeln, bei denen der Unterschied zwischen den Anfangs- und Endabständen am geringsten war.
Test D: Installation
Dieser Test maß die Fähigkeit eines Heizkabels, von außen einwirkende Belastungen und Kräfte auszuhalten, die eine Deformation während der Installation verursachen.
Ein 3 m (10 Fuß) langes Heizkabel wurde auf ein 76 mm (3 Inch) Ventil installiert, indem es um das Ventil gewickelt wurde. Dann wurde das Kabel entfernt und wieder an dem Ventil angebracht, dieses Mal wurden Biegungen in dem Kabel erzwungen, die entgegengesetzt zu den während der ersten Installation gebildeten verliefen. Das Kabel wurde von dem Ventil entfernt und untersucht, um die Anzahl der deformierten Drähte und den kleinsten Abstand zwischen den Leitern herauszufinden. Die beste Leistung ergab sich bei Kabeln, in denen nur wenige deformierte Drähte vorhanden waren und der Abstand zwischen den Leitern am größten war.
Test E: Periodische Verbiegung
Dieser Test misst die Fähigkeit eines Heizkabels, eine wiederholte, Verbiegung mit kleiner Amplitude auszuhalten, bei welchem ein Draht unter Spannung und der andere Draht unter Druck gesetzt wird. Eine solche Verbiegung kann aufgrund eines wiederholten Biegens bei der Wartung des Kabels und des Substrats, z. B. einer Rohrleitung, auftreten.
Ein 0,3 m (1 Fuß) langes Heizkabel wird zwischen zwei Spanndorne platziert, die jeweils einen Durchmesser von 12,7 mm (0,50 Inch) haben und an beiden Kanten etwa in der Mitte des Kabels (in einer ähnlichen Position wie in Test A beschrieben) angebracht werden. Die Kabelenden werden in einem Klemmelement befestigt, und ein Ohm-Meter wird an die Leiter befestigt, um den Kabelwiderstand zu messen. Die Probe wird um den ersten Spanndorn (Biegung nach vorne) gezwungen, um einen Draht unter Spannung und den zweiten unter Druck zu setzen, und dann um den zweiten Spanndorn (Biegung umgekehrt), um den ersten Draht unter Spannung und den zweiten unter Druck zu setzen bei einem Gesamtwinkel von 120° mit einer Rate eines kompletten Zyklus von jeweils 11 Sekunden. Der Test wurde fortgesetzt, bis zur Beendigung von 40 Zyklen oder zum Hinweis (auf dem Widerstand basierend), dass die Leiter mit Gewalt miteinander in Kontakt gekommen waren, je nachdem, welches Ereignis zuerst eintrat. Die beste Leistung ergab sich bei Kabeln, welche die meisten Zyklen ausgehalten hatten.

Claims

Elektrisches Heizkabel (1) umfassend: (1) ersten und zweiten langgestreckten, voneinander beabstandeten Leiter (3, 4), die jeweils an eine elektrische Stromversorgung angeschlossen werden können; (2) einen langgestreckten, widerstandsbehafteten Heizstreifen (2), der (a) eine langgestreckte PTC-Komponente umfasst, die (i) entlang dem Heizstreifen verläuft und (ii) aus einer leitfähigen Polymerzusammensetzung besteht, die das PTC-Verhalten aufweist, und der (b) abwechselnd mit dem ersten Leiter (3) und dem zweiten Leiter (4) in elektrischem Kontakt steht an Kontaktpunkten, die in Längsrichtung entlang dem Streifen und entlang jedem Leiter voneinander beabstandet verlaufen; und (3) einen Streifen Isoliermaterial (5), der so zwischen den Leitern liegt, dass, der gesamte Strom, der zwischen den Leitern verläuft, durch den Heizstreifen fließt, wenn die Leiter an eine Stromquelle angeschlossen sind; dadurch gekennzeichnet, dass jeder des besagten ersten und zweiten Leiters einen konzentrischen Drahtlitzenleiter umfasst mit einer Schlaglänge L von höchstens 20 mm (0.8 Inch); und dass jeder des besagten ersten und zweiten Leiters einen konzentrischen Drahtlitzenleiter umfasst mit einem Schlagwinkel β von wenigstens 10°.
Kabel nach Anspruch 1, wobei L wenigstens 14 mm (0,55 Inch) beträgt.
Kabel nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Draht einen Schlag winkel β von wenigstens 11° besitzt.
Kabel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schlagwinkel β wenigstens 12° beträgt.
Kabel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei β höchstens 16° beträgt.
Kabel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Heizstreifen eine schmelzextrudierte leitfähige Polymerzusammensetzung umfasst.
Kabel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die leitfähige Polymerzusammensetzung einen spezifischen Widerstand bei 23°C von wenigstens 100 Ohm-cm aufweist.
Kabel nach einem der vorstehenden Ansprüche, das eine Vielzahl von Heizstreifen umfasst, die um die Leiter gewickelt sind.
Kabel nach einem der vorstehenden Ansprüche, das eine Ummantelung einer leitfähigen ZTC-Polymerzusammensetzung über Verbindungspunkte zwischen den Leitern und dem Heizstreifen umfasst.
Kabel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Leiter jeweils 14 AWG-Drähte, die einen Durchmesser von 1,93 mm (0,076 Inch) haben, umfasst.