ГИБКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ПРОВОД Российский патент 1995 года по МПК H05B3/36 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к кабельной технике.

Известны нагревательные провода и кабели, используемые для нагрева объектов нефтяной и газовой промышленности, строительных конструкций из бетона, промышленных устройств, отдельных частей транспортных средств и предметов быта. Нагревательные провода и кабели содержат токопроводящую жилу и изоляцию как обязательные элементы. Поверх изоляции могут быть наложены защитные оболочки и экраны.

При протекании электрического тока по токопроводящей жиле происходит ее нагрев за счет теплового действия тока. Количество тепла, выделяющегося в проводе (кабеле), пропорционально пpоизведению квадрата протекающего тока и сопротивления провода. Удельная тепловая мощность нагревательного провода аналогично равна произведению квадрата протекающего тока и сопротивления на 1 м провода.

С целью увеличения удельной тепловой мощности нагревательного провода токопроводящую жилу изготавливают из материалов с высоким удельным электрическим сопротивлением, например нихрома, константана, стали, углеродных нитей.

Другой способ повышения удельной тепловой мощности это увеличение протекающего тока, что приводит к сильному разогреву жилы. В этом случае провод должен иметь нагревостойкую изоляцию.

Известны жесткие нагревательные кабели, конструкция которых отвечает перечисленным требованиям [1] Токопроводящие жилы выполнены из нихромовой или стальной поволоки, а изоляция из нагревостойкого минерального порошка, например периклаза. Порошковая изоляция нагревательных кабелей заключена в металлическую трубчатую оболочку, которая и придает кабелям механическую жесткость. Максимальная рабочая температура жестких нагревательных кабелей 600^оС.

Недостатками жестких кабелей являются отсутствие стойкости к многократным изгибам и перегибам, невозможность перемонтажа, невозможность намотки вокруг нагреваемых объектов сложной формы. Еще одним существенным недостатком жестких нагревательных кабелей являются их ограниченные строительные длины, что связано с особенностями технологии порошковой минеральной изоляции.

Известны гибкие нагревательные провода и кабели, содержащие линейную однопроволочную или многопроволочную жилу, изолированную одним или несколькими слоями полимерной изоляции [2] Токопроводящая жила гибких нагревательных проводов также зачастую выполнена из нихрома, стали, константана, а для изоляции применяются поливинилхлоридный пластикат, кремний, органическая резина, фторопластовые пленки. Последние обеспечивают у гибких нагревательных проводов наивысшую рабочую температуру 200^оС.

Эластичность полимерной изоляции и отсутствие жесткой металлической оболочки обеспечивают высокую гибкость проводов, устойчивость к многократным изгибам и перегибам. Допускаются возможность неоднократного перемонтажа нагревательных проводов и намотка вокруг объектов сложной формы. Технология изготовления существующих гибких нагревательных проводов в отличие от жестких не накладывает принципиальных ограничений на строительные длины проводов.

Недостатками известных гибких нагревательных поводов являются низкая удельная тепловая мощность провода и недостаточно высокая максимальная рабочая температура.

Из-за того, что гибкий нагревательный провод даже с изоляцией из фторопласта не может быть нагрет выше 200^оС, нагреваемый им объект имеет температуру меньше 200^оС. Следовательно, он не может быть использован для нагревательных элементов технологического оборудования, нагреваемых до температур 250-400^оС, таких, как нагреватели экструзионных машин для пластмасс, высокотемпературные термокамеры, трубопроводы веществ, жидких только в нагретом состоянии. Ограничения по максимальной рабочей температуре не позволяют поднять величину протекающего тока и ограничивают удельную тепловую мощность провода. При этом отрезок нагревательного провода, предназначенный для включения под заданное рабочее напряжение, например 220 В, и называемый нагревательной секцией, имеет длину десятки и сотни метров [2] Такие длины неприемлемы для нагрева объектов небольших габаритов.

Известен гибкий электронагревательный кабель для изготовления нагревательных элементов, в частности нагревательных матов [3] конструктивно выполненный как сочетание нагревательных, термочувствительных и токоподводящих элементов. Основная цель такого сочетания не допустить перегрева кабеля, что достигается за счет падения сопротивления термочувствительных элементов (например, выполняемых из полиамида или полипропилена) и кабеля в целом при нагреве. В одном из исполнений кабеля перечисленные выше элементы расположены по спирали вокруг сердечника из изолирующего материала, а поверх спиралей наложена изоляция из пластмассы, резины и подобных материалов. Учитывая назначение электронагревательного кабеля и примененные материалы, он не предназначен для сильного нагрева и отличается малой удельной тепловой мощностью.

Известен гибкий нагревательный провод [4] выбранный в качестве прототипа, жила которого выполнена в виде спирали, намотанной на сердечник, а сверху наложена оболочка. Сердечник и оболочка выполнены из хлопка или вискозного волокна, пропитанных жидкостью, содержащей соединения фосфора и азота и препятствующей возгоранию волокон. Спиральная жила имеет большее электрическое сопротивление по сравнению с линейной во столько раз, во сколько длина спирали больше линейной длины провода и обеспечивает повышение его удельной тепловой мощности.

Применение указанной пропитки для сердечника и оболочки в данном нагревательном проводе производится с целью обеспечить негорючесть хлопковых или штапельных нитей. Поскольку данный провод предназначен для электрических горелок и одеял и не может нагреваться выше 80^оС, то характеризуется низкой удельной тепловой мощностью.

Недостатками известного нагревательного провода являются низкая удельная тепловая мощность провода и недостаточно высокая максимальная рабочая температура. Недостаточно высокая рабочая температура известных гибких нагревательных проводов и кабелей как с линейной, так и со спиральной жилой приводит к неиспользованию возможностей материала жилы. Так, для нихромовых проволок допустима рабочая температура 950-1100^оС [5] что намного превышает максимальную рабочую температуру изоляции рассмотренных аналогов и прототипа.

Технический результат заявляемого провода заключается в повышении удельной тепловой мощности гибких нагревательных проводов и кабелей, а также в выравнивании максимальных рабочих температур токопроводящей жилы и изоляции.

Технический результат достигается тем, что гибкий нагревательный провод содержит сердечник, выполненный в виде жгута из нагревостойких нитей, токопроводящую жилу из проволоки с высоким удельным электрическим сопротивлением, расположенной по спирали вокруг сердечника по всей его длине, и изоляционный слой выполненный из нагревостойких нитей и расположенный поверх токопроводящей жилы, при этом сердечник и изоляционный слой выполнены из одинакового материала. Изоляция имеет дополнительный слой, который выполнен в виде повива из указанных нагревостойких нитей, уложенных с шагом, равным шагу спирали токопроводящей жилы, которая, в свою очередь, выполнена многопроволочной, а проволоки жилы расположены равномерно по периметру сердечника и чередуются с повивом дополнительного изоляционного слоя.

Гибкий жгут и изоляция выполнены из высоконагревостойких нитей с максимальной рабочей температурой, близкой к максимальной рабочей температуре проволок жилы. Изоляционный слой выполнен в виде оплетки или комбинации обмотки и оплетки нагревостойкими нитями. При этом удельная тепловая мощность провода с многопроволочной спиральной токопроводящей жилой увеличивается по сравнению с проводом, имеющим линейную или обычную спиральную токопроводящую жилу.

В качестве высоконагревостойких могут быть применены, например, стеклянные и кремнеземные нити с максимальной рабочей температурой 800 1000^оС, что выравнивает напряженность тепловых нагрузок в жиле и изоляции.

Сопоставительный анализ предлагаемого гибкого нагревательного провода с известным гибким нагревательным проводом показывает, что он отличается конструкцией токопроводящей жилы, материалом и конструкцией изоляции. Таким образом, заявляемый гибкий нагревательный провод соответствует критерию изобретения "новизна".

Не известны технические решения в виде подобного исполнения конструкторских элементов провода не только в кабельной подотрасли, но и в других областях техники. Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".

На фиг.1 показана конструкция гибкого нагревательного провода, содержащего сердечник 1 в виде жгута из нагревостойких нитей, токопроводящую жилу 2, спирально размещенную на сердечнике 1, изоляцию 4 и дополнительный слой изоляции 3 в виде спирального повива, выполненные из тех же нитей. Проволоки жилы равномерно расположены в дополнительном слое изоляции.

На фиг. 2 показана конструкция аналогичного гибкого нагревательного провода, у которого изоляция 4 выполнена в виде оплетки нагревостойкими нитями.

На фиг. 3 показана конструкция аналогичного гибкого нагревательного провода, у которого изоляция выполнена в виде комбинации обмотки 4 и оплетки 5 теми же нитями.

В качестве примера конкретного выполнения заявляемого гибкого нагревательного провода, подтверждающего возможность осуществления изобретения, может служить провод с многопроволочной токопроводящей жилой, наложенной поверх жгута диаметром 2,5 мм из стеклонитей марки ВМПС. В жиле нихромовые проволоки диаметром 0,32 мм уложены по спирали. Поверх спиральной жилы наложена в виде обмотки и (или) оплетки изоляция из той же стеклонити. Радиальная толщина дополнительного слоя изоляции примерно равна диаметру проволок, а радиальная толщина основного слоя изоляции для рабочего напряжения 220 В 0,6 мм. Для придания изоляции повышенной влагостойкости при транспортировке и хранении, а также для создания удобств при разделке изоляции оплетка пропитана кремнийорганическим лаком или теплостойкой эмалью. Наружный диаметр провода составляет примерно 4,3 мм.

Удельная тепловая мощность такого провода при теплоотдаче в воздух превышает 200 Вт/м, в то время как у провода ПННКЭ с рабочей температурой 180^оС [2] она не более 40 Вт/м.

С учетом тепловых свойств изоляции для предлагаемого провода установлена максимальная рабочая температура 550^оС. Для получения тепловой мощности 500 Вт требуется всего 2,3 м провода. Непропитанная изоляция допускает эксплуатацию нагревательного провода при температуре до 800^оС.

Заявляемая конструкция проводов может найти применение в нагревательных устройствах различного типа, но прежде всего там, где требуются высокие рабочие температуры и высокая удельная теплоотдача.

Использование: в кабельных гибких нагревателях. Сущность: гибкий нагревательный провод содержит сердечник, выполненный в виде жгута из нагревостойких нитей, токопроводящую жилу, спирально размещенную на сердечнике по всей его длине, изоляционный слой, выполненный из нагревостойких нитей и расположенный поверх токопроводящей жилы. Сердечник и изоляционный слой выполнены из одинакового материала. Провод снабжен дополнительным слоем, который выполнен в виде повива из указанных нагревостойких нитей, уложенных с шагом, равным шагу спирали токопроводящей жилы, выполненной многопроволочной, а ее проволоки расположены равномерно по периметру сердечника с чередованием с повивом дополнительного изоляционного слоя. Сердечник и изоляционные слои могут быть выполнены из высоконагревостойких нитей с максимальной рабочей температурой, близкой к максимальной рабочей температуре материала токопроводящей жилы. Изоляционный слой может быть выполнен в виде оплетки нагревостойкими нитями или в виде комбинации обмотки и оплетки нагревостойкими нитями. Конструкция обеспечивает повышение удельной тепловой мощности, а также выравнивание температуры токопроводящей жилы и изоляции. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ГИБКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ПРОВОД, содержащий сердечник, выполненный в виде жгута из нагревостойких нитей, токопроводящую жилу, спирально размещенную на сердечнике по всей его длине, и изоляционный слой, выполненный из нагревостойких нитей и расположенный поверх токопроводящей жилы, при этом сердечник и изоляционный слой выполнены из одинакового материала, отличающийся тем, что провод снабжен дополнительным слоем, который выполнен в виде повива из указанных нагревостойких нитей, уложенных с шагом, равным шагу спирали токопроводящей жилы, выполненной многопроволочной, а ее проволоки расположены равномерно по периметру сердечника с чередованием с повивом дополнительного изоляционного слоя. 2. Провод по п.1, отличающийся тем, что сердечник и изоляционные слои выполнены из высоконагревостойких нитей с максимальной рабочей температурой, близкой к максимальной рабочей температуре материала токопроводящей жилы. 3. Провод по пп.1 и 2, отличающийся тем, что изоляционный слой выполнен в виде комбинации обмотки и оплетки нагревостойкими нитями. 4. Провод по пп.1 и 2, отличающийся тем, что изоляционный слой выполнен в виде оплетки нагревостойкими нитями.