Изобретение относится к электронагревательным устройствам, а также к способам, используемым для соединения или ремонта одной или нескольких деталей, например, удлиненных трубчатых элементов, имеющих в своем составе проводящий электрический ток материал, предпочтительно полимер. В частности, устройство представляет собой ленту, в которой контролируется величина электрического тока на разных участках ленты.
Проводящие электрический ток полимеры хорошо известны. Они включают в себя полимер и диспергированный или иным образом распределенный в них наполнитель, например, сажу. Проводящие полимеры широко используются в качестве электронагревателей. Нагреватели могут быть выполнены в виде изделий, восполняющих затраченное тепло, при этом могут путем подачи энергии в нагреватель изделия могут восстанавливаться, например, соединяться, улучшать свое качество или укреплять одну или большее число подложек, вместе с которыми восстанавливается изделие.
Известны способы соединения двух элементов, например, пластмассовых трубок, заключающиеся в обертывании места стыка соединительной лентой, выполненной из полимерного, проводящего электрический ток материала, например, из полиэтилена со сверхвысоким молекулярным весом (ПССМВ) (см. Европейский патент N 0157640, кл. А 16 L 47/00 г. Международные заявки W088/06517, кл.В 29 С 65/50 88 г. W089/05220, кл. В 27 С 1/10, 89 г.
Устройства с электрическим нагревом включают в себя нагреватели, выполненные в виде проводящей электрический ток ленты, являющейся температурно стабильной и размещенной для соединения различной конфигурации стыка. Материал ленты предпочтительно включает в себя ПССМВ, содержащий в качестве наполнителя сажу (см. указанные выше патенты).
В частности по заявке W088/6517 проводящая лента может располагаться выше торцевого соединения между двумя трубками и эластомерной полоской, использующейся для прижатия ленты к соединению. Когда лента нагревается, а эластомерная полоска прижимает трубки, лента сплавляется с трубками и соединяет их.
Недостатком известных технических решений является то, что в них не предусмотрено регулирование величины прохождения электрического тока на разных участках ленты, что необходимо во многих ситуациях при различных конфигурациях стыка для исключения перегрева лил расплавления подвергающихся тепловому электрическому воздействию областей ленты.
Известны также электронагревательные устройства, содержащие проводящую электрический ток полимерную ленту и два электрода, установленных вдоль ленты с обеспечением электрического контакта с ней (см. Международные заявки W088/06577, кл. С О7 С 69/96, 88 г. W 089/05230, кл. В 32 В 31/00, 89 г.).
Недостатком известных устройств, является то, что они не могут обеспечить неравномерность распределения электрического тока по различным участкам проводящей ленты, что в определенных случаях может вызвать перегрев этих участков, при этом в них не предусмотрено также образование каких-либо дополнительных элементов улучшающих качество соединения концов ленты между собой при обертывании, например, труб. Перегрев проводящей ленты может образоваться, например, там, где проводящая полимерная лента обернута вокруг торцевого соединения. Этот перегрев может быть вызван присутствием зазора длиной до 1 см, находящегося между торцами соединяемых трубок.
Задачей настоящего изобретения было создание электронагревательного устройства и способа для соединения двух элементов, в которых обеспечивалось неравномерность течения электрического тока в различных участках полимерной ленты для поддержания необходимых температур в различных областях ленты при формировании стыкового соединения.
Кроме того, дополнительной задачей при создании изобретения было обеспечение управляемости течением электрического тока в проводящем полимерном элементе, вплоть до прерывания его подачи на отдельные участки ленты. Такое управление должно предотвращать возникновение избирательных направлений протекания тока через области с более низким сопротивлением или же предотвращать растекание тока даже в изделиях, не имеющих области с более низким сопротивлением.
Дополнительно реализовывалась задача расположения областей с более низким сопротивлением в каждой из отдельных зон нагрева для обеспечения уравновешенного выхода тепла в этих зонах.
Решалась также задача постепенного изменения плотности выхода энергии в некоторых участках ленты, например, когда концы ленты расположены внахлест, а в областях перекрытия может образоваться перегрев.
Электронагревательное устройство включает в себя проводящий элемент, выполненный в виде ленты, содержащий одну часть с сопротивлением отличным от сопротивления другой части ленты, и, по крайней мере, два удлиненных электрода, проходящих вдоль ленты и имеющих электрический контакт с проводящим элементом, которые можно присоединять к источнику питания с тем, чтобы ток проходил через ленту, при этом одна часть проводящей ленты имеет форму полоски, только отчасти проходящей вдоль ленты между электродами и отделенной от электродов проводящим материалом с другим сопротивлением.
Значение разных величин сопротивления можно получить, например, используя материалы с разными значениями удельного сопротивления или меняя его толщину. Примеры использования материалов с различной удельной проводимостью следующее: проводящие полиметрики с разной удельной проводимостью или материалы другого типа, например металлопокрытия, в том числе распыляемый металл или дополнительная проводящая оплетка.
Предпочтительно, чтобы участок с более низким сопротивлением был выполнен в виде полоски, проходящей отчасти вдоль ленты между электродами и отделенной от электродов проводящим материалом с более высоким сопротивление. Таким образом, расположенная в центре полоска с более низким сопротивлением нагревается до меньшей температуры, чем участки с более высоким сопротивлением. В том случае, когда проводящая лента обернута вокруг торцевого соединения для соединения удлиненных элементов, свободный (внешний) конец ленты должен сцепляться с находящимся ниже его слоем ленты. Поэтому желательно, чтобы полоска ленты с более низким сопротивлением не распространялась полностью до конца ленты, а шла только часть пути вдоль длины проводящей ленты.
В одном варианте конструкция устройства, содержит непроводящую подложку, на которой смонтирован проводящий полимерный материал и электроды. В одной из предпочтительных реализаций данного изобретения электроды проходят без перерыва вдоль как минимум, первой длины непроводящей подложки. Проводящий полимерный элемент проходит вдоль указанной первой длины непроводящей подложки, после чего содержит электрический зазор (разрыв). Желательно, чтобы зазор был выполнен в виде щели, проходящей поперек проводящего элемента, практически перпендикулярно электродам. Через зазор не проходит электрический ток и поэтому с его помощью можно управлять течением электрического тока в проводящем полимерном элементе.
Для решения первой задачи в известном способе соединения элементов, заключающемся в обертывании места стыка проводящим электрический ток элементом с электродами и пропускании через них электрического тока, проводящий элемент в виде ленты выполняют с участками, имеющими различные сопротивления.
Рассмотрим, например, конкретную конструкцию ленты, описанную выше, имеющую полоску из проводящего материала с более низким сопротивлением, проходящую только вдоль части длины проводящей ленты. При такой конструкции. Из-за того, что проводящий материал с более высоким сопротивлением, а также электроды проходят за пределы области с более низким сопротивлением в направлении конца ленты, имеется избирательное направление электрического тока от части электродов на конце ленты в область проводящего материала с более низким сопротивлением. Это приводит к появлению горячей зоны в месте концентрации электрического тока и прохладной зоны в области, от которой электрический ток отводится. Эта конструкция может иметь преимущества в некоторых областях применения, но она имеет недостатки, если лентой обертывают торцевое соединение между пластмассовыми трубками. Включение электрического зазора, например, щели, проходящей через ленту в конце проводящего материала с более низким сопротивлением, предотвращает искажение течения электрического тока и тем самым не дает образовываться горячему и холодному участкам.
Итак, другой вариант данного изобретения предусматривает устройство, содержащее непроводящую подложку, проводящий элемент, установленный на непроводящей подложке и одержащей, по крайней мере, один электрический зазор, проходящий, как минимум, частично через элемент, и два удлиненных электрода вдоль нее в электрическом контакте с проводящим элементом.
Желательно, чтобы непроводящая подложка и проводящий элемент имели форму ленты и чтобы, как минимум, один электрический зазор, выполненный, например, в виде щели, проходил через ленту.
Предпочтительно, чтобы проводящий элемент содержал проводящий полимерный элемент.
Один или несколько электрических зазоров можно использовать для управления течением тока. Например, ряд параллельных щелей может проходить через проводящий элемент, сводя к минимуму растекания или отклонения тока.
Электрический зазор или каждый из зазоров может проходить весь путь или часть пути через элемент. Если элемент представляет собой ленту, желательно, чтобы зазор шел перпендикулярно длине ленты, но он может идти и под углом к ней. Аналогично, зазор может идти перпендикулярно и под углом к электродам.
Там, где имеется электрический зазор, особенно, где он проходит по всей длине через проводящий элемент между электродами, он порождает две отдельные зоны нагрева, питаемые от электродов. Если расстояние между электродами в каждой зоне одно и то же, но только одна зона содержит так называемую "холодную область" с более низким сопротивлением, где вырабатывается меньше тепла, то это означает, что зона с более высоким сопротивлением (которая не имеет холодной области) требует большего времени для нагрева до требуемой температуры, чем другая зона с более низким сопротивлением. Это значит, что другая зона нагревается дольше, чем требуется, и это может перегреть и повредить ее. Поэтому в желаемой реализации область или области с более низким сопротивлением включены в обе отдельные зоны нагрева, что приводит к уравновешиванию выхода тепла в двух других зонах. Эти дополнительные области низкого сопротивления расположены там, где они не влияют на желаемые характеристики нагрева или сцепления. Например, в случае ленты с полоской проводящего материала низкого сопротивления, проходящей только часть пути вдоль ленты. Желательно, чтобы две полоски проводящего материала с более низким сопротивлением проходили вдоль оставшейся части ленты на другой стороне зазора и размещались ближе к электродам с тем, чтобы основная часть конечной области нагревалась, а суммарная ширина двух дополнительных полосок низкого сопротивления была бы равна ширине одной параллельной полоски. Это приводит к тому, что выход тепла в двух отдельных зонах нагрева, с каждой стороны зазора, сбалансирован.
В одном варианте реализации проводящей элемент включает в себя проводящий полимерный материал, предпочтительно полиэтилен, в частности, полиэтилен со сверхвысоким молекулярным весом (ПССМВ) вместе с находящимся в форме частиц проводящим наполнителем, в частности, сажей.
В общем состав предпочтительно иметь такой: матрица, состоящая из частиц органического полимера, которые спечены так, что частицы не теряют своей идентичности, и находящейся в форме частиц наполнитель, желательно сажа, диспергированный к указанной матрице, но присутствующий только в районе границ соединившихся частиц.
Данные об этих материалах имеются и в европейских заявках N 0157.640 и N 0720.117. Хотя предпочтителен ПССМВ, к числу других полимеров, которые можно использовать в изобретении, относятся политетрафторэтилен, сульфид полифенила и полиимиды.
В одном предпочтительном варианте реализации устройство используется в качестве внутреннего сальника на внутренних поверхностях или между перехлестывающимися частями трубчатого или обертываемого соединителя, как, например, описано в публикации PCT N 089/12545.
В этом варианте устройство содержит сальник (уплотнитель) в соединителе, содержащем один или большее число трубообразующих элементов, которые не восстанавливаются при нагреве и которые образованы электрически изолирующим полимерным составом, и один или большее число сальников, закрепленных на внутренней поверхности трубообразующего элемента и содержащего, как минимум, один нагревающий элемент, образованный проводящим полимером, и, как минимум, два электрода, которые можно подсоединить к источнику электроэнергии для обеспечения прохода тока через нагревающий элемент причем указанный трубообразующий элемент и сальник могут быть собраны в трубчатый соединитель, который, находясь снаружи или внутри трубки, может приводиться в непосредственный контакт с трубкой под действием периферических сил, приложенных к соединителю.
В другом варианте устройство согласно данному изобретению, имеет соединитель, содержащий как минимум, одну первую деталь, которая не восстанавливается при нагреве, состоит из электрически изолирующего полимерного состава, имеет края с фасками и содержит один или большее число сальников, закрепленных на внутренней поверхности первой детали и содержащих, как минимум, два электрода, которые можно присоединить к источнику электроэнергии для прохождения тока через первый нагревающий элемент, и, как минимум, одну вторую деталь, которая не восстанавливается при нагреве, состоит из электрически изолирующего полимерного состава, имеет с фасками и содержит один или большее число сальников, закрепленных на внутренней поверхности, а также, как минимум, один второй нагревающий элемент, состоящий из проводящего полимера, и, как минимум, два электрода, которые можно подсоединить к источнику электроэнергии для прохождения через второй нагревающий элемент, причем первая и вторая детали, могут быть собраны в трубчатый соединитель, в котором края с фасками первой и второй детали могут скользить относительно друг друга для уменьшения диаметра соединителя, а второй нагревающий элемент проходит за пределы внешней поверхности первой и второй детали и при пропускании электроэнергии первая и вторая деталь соединяются друг с другом.
Если это устройство используется таким образом, что концы ленты расположены внахлест, область перекрытия может в самом конечном участке перегреваться. Такой перегрев можно избежать путем удаления определенных участков ленты для снижения плотности энергии в этой области. Например, можно удалить полоски проводящего материала, проходящие часть пути вдоль ленты.
Кроме того, чтобы достичь желаемого постепенного изменения плотности энергии, можно использовать например щели с концами, конусообразно заостряющимися на концах.
Устройство согласно данному изобретению можно использовать для защиты изделий от неблагоприятной окружающей среды. Например, защита кабелей и труб достигается путем обертывания листового материала, т.е. путем использования "обертывающей" гильзы и формирования эффективного низкопрофильного шва между краями обертывающей гильзы с использованием уплотняющей полоски из проводящего полимера.
При нагреве проводящей полимер может иметь значительный коэффициент теплового расширения, а уплотняющее устройство при этом способствует фиксации соединяемых поверхностей с перекрытием существующего между ними зазора.
Сущность изобретения иллюстрируется на чертежах.
Фиг. 1 это вид в плане, показывающий изделие в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 2 это продольное центральное сечение, по устройству на фиг. 1.
Фиг. 3 это сечение по стыковому соединению труб обернутых лентой, выполненной согласно фиг. 1 и 2.
Фиг. 4 это схематическое изображение в плане предпочтительного течения электрического тока в конце устройства на фиг. 1.
Фиг. 5 и 6 это соответственно вид в плане и продольное сечение, показывающие другое устройство согласно данному изобретению.
Фиг. 7 и 8 это соответственно вид в плане и продольное сечение, показывающие еще одно устройство согласно данному изобретению.
Фиг. 9 это вид в плане модификации устройства по фиг. 5 и 6.
Фиг. 10 это вид в плане модификации устройства по фиг. 9.
Фиг. 11 это вид в плане, показывающий иное изделие согласно данному изобретению.
Фиг. 12 это вид в плане другого варианта реализации этого изобретения.
Фиг. 13 это вид в увеличенном масштабе части устройства по фиг. 12.
На фиг. 1 и 2 показана проводящая электрический ток полимерная лента 1, смонтированная на непроводящей подложке 2. Два удлиненных электрода 3 проходят вдоль ленты и могут присоединятся к источнику электроэнергии с тем, чтобы электрический ток шел через ленту. Центральная полоска 4 с более низким электрическим сопротивлением проходит часть пути вдоль длины ленты 1. Она ограничена проводящим областями с более высоким сопротивлением 5, находящимся по сторонам полоски 4 с более низким сопротивлением и у одного конца 6 полоски. Полоска 4 с более низким сопротивлением и области 5 с более высоким сопротивлением содержат один и тот же проводящий материал, но этот материал толще в области 4, чем в областях 5, что создает разность сопротивлений. Это увеличение толщины достигается путем добавления одного или нескольких дополнительных слоев материала в области 4. Для упрощения слои не показаны отдельно на чертежах. Когда электроды 3 подсоединены к источнику электроэнергии, в полоске с меньшим сопротивлением выделятся меньше тепла, чем в остальной части проводящего материала.
На фиг. 3 показана лента, изображенная на фиг. 1 и 2, обернутая с тем, чтобы образовать торцевое соединение между двумя пластмассовыми трубками 7. Полоска 4 с материалом более низкого сопротивления примыкает к области стыка, где иначе был бы перегрев. Конец 6 ленты не включает в себя часть с более низким сопротивлением, поэтому он хорошо нагрет и может сцепляться с лежащей под ним обернутой лентой, что и создает соединение.
На фиг. 4 показаны линии предпочтительного течения электрического тока на концах ленты по фиг. 1 и 2. На конце 6 полоски 4 электрический ток вместо того, чтобы пройти кратчайшим путем (т.е. прямо через полоску), следует по линии с самым низким сопротивлением и поэтому отклоняется к концу центральной полоски 4. Это приводит к возникновению горячей зоны 8 и холодной зоны 9 у конца полоски 4 с более низким сопротивлением.
На фиг. 5 и 6 представлены вид в плане продольное сечение другого устройства согласно данному изобретению. Это устройство аналогично устройству на фиг. 1 и 2, но включает в себя щель 10, проходящую рядом с полоской в конце области с более низким сопротивлением. Это является разрывом электрической цепи. Поэтому электрический ток, текущий между электродами у конца 6 полоски, не отклоняется, как показано на фиг.4, но течет прямо через полоску, перпендикулярно ей.
На фиг. 7 и 8 представлен вид в плане и продолное сечение иного устройства согласно данному изобретению. Это устройство подобно устройству на фиг. 5 и 6, но включает в себя две поперечные щели 11, каждая из которых проходит только часть питу через полоску.
На фиг. 9 показана модификация озобретения, представленного на фиг. 5 и 6. В данном случае две полоски 12 с низким сопротивлением проходят, примыкая к каждому электроду 3 на противоположной стороне щели 10, начинпя от первой центральной полоски 4 с более низким сопротивлением. Суммарная ширина полосок 12 приблизительно равна ширине полоски 4. Предназначение дополнительных полосок 12 сбалансировать выход тепла с любой стороны щели 10. Полоска с более низким сопротивлением 12 может быть образована так же, как и полоска 4.
На фиг. 10 показана дальнейшая модификация всего, что изображено на фиг. 9. В этом случае имеется вторая щель 13, направленная в сторону другого конца ленты, начиная от первой щели 10, и таким образом лента эффективно разделяется на три отдельных зоны нагрева. Проводящий материал удален в полосках 14, проходящих часть пути через ленту в новой третьей зоне. Цель состоит в том, чтобы снизить плотность энергии в этой зоне. Это может быть оправданным, если эта часть ленты должна идти внахлест, например, с соединяемой тонкой частью.
На фиг. 11 представлен вид в плане на другое устройство согласно данному изобретению, включая ряд щелей, расположенных параллельно и проходящих через ленту с целью предотвратить отклонение электрического тока. Это полезно даже в случае отсутствия области с более низким сопротивлением. Щели эффективно определяют отдельные зоны нагрева на ленте. Ленту можно сконструировать таким образом, что примыкающие друг к другу зоны имеют разные значения сопротивления с тем, чтобы получить разные воздействия нагрева. В этом случае щели препятствуют отклонению тока к областям с более низким сопротивлением.
На фиг. 12 представлен другой вариант согласно данному изобретению, где полоски 15 проводящего материала, проходящие через ленту, удалены. Это меняет плотность энергии и приводит к появлению более горячих зон 16 и более холодных зон 17. Это показывает, каким образом, можно использовать удаление проводящего материала для регулирования течения электрического тока и плотность энергии.
На фиг. 13 представлен вид в увеличенном масштабе, показывающий удаленные части 15 проводящего материала и область, окружающую ленту. Части 15 представляют собой полоски, концы которых заострены. Это приводит к появлению областей с более высокой плотностью энергии 18, с переходной плотностью энергии 19 и с более низкой плотностью энергии 20.
Проводящие электрический ток полимеры, особенно пригодные для использования в конкретных реализациях этого изобретения, имеют низкие значения удельного сопротивления, обычно ниже 1000 Ом см, иногда ниже 10 Ом•см, например, в диапазоне около 0,5 10 Ом•см. Если проводящий полимер нужно электрически нагреть, желаемая величина удельного сопротивления зависит от источника питания, который, например, может давать напряжение постоянного тока до порядка 48 В, переменного тока до порядка 120 В или 240 В. Спекание дает низкое удельное электрическое сопротивление при меньшей нагрузке проводящего наполнителя, чем в случае сплавления смеси. Таким образом предпочтительные спеченные составы для использования в этом изобретении содержат менее 9% в частности 2-6% объема сажи, продаваемой в частности фирмой Акцо Хеми под торговой маркой Кет дочерний ЕС или фирмой Дегусса по торговой маркой Принтекс ХЕ-2. Низкие уровни содержания сажи помогают поддерживать желаемые физические качества полимера такие как гибкость, хорошее относительное удлинение, высокая прочность на растяжение, хорошая стойкость к порезам и ударам и хорошая химическая стойкость.
Предпочтительные полимеры это те, которые сохраняют относительно высокую вязкость при температуре выше температуры их размягчения или плавления, т.е. те полимеры, которые при температуре на 50oC выше температуры размягчения имеют показатель течения расплава менее 0,3 г/10 мин, в частности менее 0,1 г/10 мин, а в особенности менее 0,05 г/10 мин при нагрузке 3 кг, и показатель течения расплава менее 3,0 г/10 мин, в частности менее 1,0 г/10 мин, в особенности менее 0,1 г/10 мин при нагрузке 15 кг. ПССМВ, имеющий молекулярный вес выше 1,5 миллиона, и часто до 4 около 6 миллионов, это самый предпочтительный полимер в данном изобретении, хотя полиэтилен с очень высоким молекулярным весом (ПСРВМВ), имеющий молекулярный вес порядка 15000 или 600000 и до 1,5 миллиона, можно также использовать после сплавления смеси.
Предпочтительно, чтобы в проводящих полимерах, применяемых в этом изобретении в рабочем диапазоне температур, например, 23 250oC, удельное сопротивление менялось менее чем в 5 раз, особенно менее чем в 1 раз.
Проводящие полимерные материалы, имеющие указанные величины удельного сопротивления, особенно пригодны для использования в качестве связок для полимерных трубок.
Толщина этого изделия, например, ленты, может быть в принципе однородной или, например, в самом толстом месте она может в 1,5 3 раза превышать толщину в самом тонком месте.
Для адекватного сцепления с изделием при электрическом или ином нагреве проводящий полимер должен достигать температуры начала сцепления, как минимум при 135oC, более желательно, как минимум при 200oC, в особенности при 250oC. Желаемая температура предпочтительно достигается при нормальных окружных условиях менее чем за 30 минут, в частности менее чем за 5 минут, в особенности за 0,5 3 минуты. Такой быстрый нагрев и высокие температуры могут привести к малому времени внедрения и к минимальному повреждению проводящего полимера, подложек и окружающего материала.
Использование: для соединения или ремонта одной или нескольких деталей, например, удлиненных трубчатых элементов имеющих в своем составе проводящий электрический ток полимер. Сущность изобретения: электронагревательное устройство с электрическим нагревом включает в себя проводящий электрический ток элемент, выполненный, например, в виде ленты, имеющий области с разными сопротивлениями для получения различных температур нагрева этих мест. Область с более низким сопротивлением получена выполнением дополнительной полоски, идущей по части длины ленты. Полоска отделена от электродов зонами с высоким сопротивлением. Различные температуры нагрева температуры нагрева можно достичь путем удаления из ленты отдельных частей ленты, а управление течением тока - наличием зазоров, через которые ток не проходит. Способ формирования стыковочного соединения заключается в обертывании места стыка соединяемых элементов лентой, выполненной из материала, проводящего электрический ток, и контактирующей с электродами, подсоединяемыми к источнику тока для пропускания его через материал ленты. Лента выполняется с возможностью регулирования величины электрического тока на ее отдельных участках. Изобретение позволяет создать неравномерное течение электрического тока на участках ленты при формировании стыкового соединения. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 13 ил.
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
| DЕ, заявка, 3545367, H 05B 3/26, 1987 | |||
| Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
| ЕР, 0157640, кл | |||
| Устройство для электрической сигнализации | 1918 |
|
SU16A1 |
