НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК H05B3/56 

Настоящее изобретение относится к нагревательным кабелям. В частности, изобретение относится к нагревательным кабелям, пригодным для использования с трехфазным источником электропитания.

Нагревательные кабели хорошо известны и используются в большом разнообразии вариантов применения. Типичный нагревательный кабель проводит электричество и при этом рассеивает в форме тепла часть электрической энергии, которую он проводит. Нагревательный кабель может использоваться для нагрева трубы для того, чтобы обеспечивать поддержание определенной температуры содержимого трубы, например, выше температуры замерзания этого содержимого. Нагревательный кабель может находиться в контакте либо с внутренней стороной, либо с наружной стороной трубы и может простираться вдоль трубы линейным образом или быть обмотанным вокруг трубы. Нагревательные кабели также имеют и другие варианты применения, например расположенное под полом отопление, подогрев автомобильных сидений и любой другой вариант применения, в котором может потребоваться нагревание.

В последние десятилетия были сконструированы саморегулирующиеся нагревательные кабели. Эти саморегулирующиеся нагревательные кабели часто содержат материал, имеющий положительный температурный коэффициент сопротивления. Это означает, что, по мере того как нагревательный кабель становится более горячим, его сопротивления увеличивается. Поскольку его сопротивление увеличивается, электрический ток по кабелю уменьшается, приводя к соответствующему уменьшению температуры кабеля. Таким образом, нагревательный кабель осуществляет саморегулирование. Преимуществом саморегулирующихся нагревательных кабелей являет их безопасность. Например, саморегулирующиеся нагревательные кабели не могут перегреться или перегореть, поскольку кабель может быть сконструирован таким образом, чтобы при некоторой предварительно заданной допустимой температуре (например, ниже температур возгорания материалов, используемых для изготовления кабеля, или материалов в окружающей среде, в которой используется кабель) электрический ток уменьшался почти до нуля.

Большинство имевшихся ранее нагревательных кабелей снабжены одним или более электрическими проводами, которые шли вдоль нагревательного кабеля. Эти более ранние нагревательные кабели были сконструированы для использования с однофазными источниками электропитания. Позже были сконструированы нагревательные кабели, которые используют преимущества трехфазных источников электропитания. Например, однофазные нагревательные кабели могут иметь протяженность электрической цепи, составляющую несколько сотен метров, тогда как трехфазные нагревательные кабели могут иметь протяженность электрической цепи, составляющую многие километры.

Однофазные нагревательные кабели могут быть либо постоянной мощности, либо саморегулирующимися. Однако существующие трехфазные нагревательные кабели являются только кабелями постоянной мощности.

Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить саморегулирующийся нагревательный кабель, который может использоваться с трехфазными источниками электропитания.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предусматривается саморегулирующийся электрический нагревательный кабель, содержащий: первый проводник электропитания, простирающийся вдоль кабеля; второй проводник электропитания, простирающийся вдоль кабеля; третий проводник электропитания, простирающийся вдоль кабеля; причем первый и второй проводники электропитания имеют электрическое соединение друг с другом через первое электропроводящее тело нагревательного элемента, имеющее положительный температурный коэффициент сопротивления, а второй и третий проводники электропитания имеют электрическое соединение друг с другом через второе электропроводящее тело нагревательного элемента, имеющее положительный температурный коэффициент сопротивления, и при этом, при использовании, первый, второй и третий проводники электропитания физически не соединены друг с другом. Первые концы каждого проводника электропитания могут быть, при использовании, соединены с источником электропитания, например, с трехфазным источником электропитания. Вторые дальние концы каждого проводника электропитания физически не соединены вместе. Другими словами, эти вторые концы проводников электропитания (и, по существу, все части проводников, отличные от соответствующих первых концов) имеют электрическое соединение друг с другом только через электропроводящий нагревательный элемент.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предусматривается саморегулирующийся электрический нагревательный кабель, содержащий: первый проводник электропитания, простирающийся вдоль кабеля; второй проводник электропитания, простирающийся вдоль кабеля; третий проводник электропитания, простирающийся вдоль кабеля; причем первый и второй проводники электропитания имеют электрическое соединение друг с другом через первое электропроводящее тело нагревательного элемента, имеющее положительный температурный коэффициент сопротивления, а второй и третий проводники электропитания имеют электрическое соединение друг с другом через второе электропроводящее тело нагревательного элемента, имеющее положительный температурный коэффициент сопротивления, и при этом, при использовании, первый, второй и третий проводники электропитания физически соединены друг с другом. Первые концы каждого проводника электропитания могут быть, при использовании, соединены с источником электропитания, например, с трехфазным источником электропитания. Вторые дальние концы каждого проводника электропитания физически соединены вместе.

Первый и/или второй аспекты настоящего изобретения могут иметь один или больше признаков, описанных ниже.

Первый, второй и третий проводники электропитания могут простираться вдоль друг друга при, по существу, планарном расположении. Второй проводник электропитания может быть расположен между первым и третьим проводниками электропитания. Первый и третий проводники электропитания могут быть расположены на равном расстоянии от второго проводника электропитания.

Второй проводник электропитания может быть снабжен материалом покрытия. Материал покрытия может иметь более высокое электрическое сопротивление, чем электрическое сопротивление электропроводящего тела или тел нагревательного элемента. Такое более высокое сопротивление может помочь достигнуть сопротивления, уравновешенного между проводниками, позволяя, чтобы нагрузка также была уравновешена между проводниками.

Первое тело может образовывать часть по существу полого цилиндра, и второе тело может образовывать часть по существу полого цилиндра. Саморегулирующийся электрический нагревательный элемент может дополнительно содержать третье электропроводящее тело нагревательного элемента, имеющее положительный температурный коэффициент сопротивления, причем это третье тело образует часть по существу полого цилиндра и располагается таким образом, чтобы осуществлять электрическое соединение третьего и первого проводников электропитания. Первый, второй и третий проводники электропитания могут быть расположены на равном расстоянии друг от друга вокруг этого по существу полого цилиндра. Первый, второй и третий проводники электропитания могут быть расположены на равном расстоянии от центральной продольной оси этого по существу полого цилиндра.

Один или больше проводников электропитания могут быть заключены в материал, имеющий отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Материал, имеющий отрицательный температурный коэффициент сопротивления, может иметь форму оболочки.

Одно или больше тел нагревательного элемента могут содержать два компонента, причем каждый компонент имеет отличную от другого положительную характеристику температуры от сопротивления.

Одно или больше тел нагревательного элемента могут содержать материал, имеющий отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Одно или больше тел нагревательного элемента могут вместе образовывать единое тело нагревательного элемента.

Один или больше проводников электропитания могут быть заделаны в тело нагревательного элемента.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предусматривается саморегулирующийся электрический нагревательный кабель, содержащий: первый проводник электропитания, простирающийся вдоль кабеля; второй проводник электропитания, простирающийся вдоль кабеля; третий проводник электропитания, простирающийся вдоль кабеля; причем один или больше проводников из числа: первого, второго и третьего проводников электропитания, заключены в материал, имеющий положительный температурный коэффициент сопротивления, первый и второй проводники электропитания имеют электрическое соединение друг с другом через первое электропроводящее тело нагревательного элемента, имеющее отрицательный температурный коэффициент сопротивления, а второй и третий проводники электропитания имеют электрическое соединение друг с другом через второе электропроводящее тело нагревательного элемента, имеющее отрицательный температурный коэффициент сопротивления, и при этом, при использовании, первый, второй и третий проводники электропитания физически не соединены друг с другом. Первые концы каждого проводника электропитания могут быть, при использовании, соединены с источником электропитания, например, с трехфазным источником электропитания. Вторые, дальние концы каждого проводника электропитания физически не соединены вместе. Другими словами, эти вторые концы проводников электропитания (и, по существу, все части проводников, отличные от соответствующих первых концов) имеют электрическое соединение друг с другом только через электропроводящий нагревательный элемент.

В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения предусматривается саморегулирующийся электрический нагревательный кабель, содержащий: первый проводник электропитания, простирающийся вдоль кабеля; второй проводник электропитания, простирающийся вдоль кабеля; третий проводник электропитания, простирающийся вдоль кабеля; причем один или больше проводников из числа: первого, второго и третьего проводников электропитания, заключены в материал, имеющий положительный температурный коэффициент сопротивления, первый и второй проводники электропитания имеют электрическое соединение друг с другом через первое электропроводящее тело нагревательного элемента, имеющее отрицательный температурный коэффициент сопротивления, а второй и третий проводники электропитания имеют электрическое соединение друг с другом через второе электропроводящее тело нагревательного элемента, имеющее отрицательный температурный коэффициент сопротивления, и при этом, при использовании, первый, второй и третий проводники электропитания физически соединены друг с другом. Первые концы каждого проводника электропитания могут быть, при использовании, соединены с источником электропитания, например, с трехфазным источником электропитания. Вторые, дальние концы каждого проводника электропитания физически соединены вместе.

В случаях, при которых это уместно, третий и/или четвертый аспекты настоящего изобретения могут иметь один или больше признаков, описанных выше в отношении первого и/или второго аспектов настоящего изобретения.

Далее будут описаны варианты реализации настоящего изобретения, приводимые исключительно в качестве примера и в которых сходным признакам присвоены одинаковые позиции.

На фиг.1 изображен нагревательный кабель в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

На фиг.2A изображена принципиальная схема электрических соединений в нагревательном кабеле по фиг.1.

На фиг.2B изображен схематический вид в поперечном разрезе части нагревательного кабеля, показанного на фиг.1.

На фиг.3 и 4 изображены характеристики "температура-сопротивление" нагревательного кабеля, показанного на фиг.1, и варианта, альтернативного варианту, проиллюстрированному на фиг.1.

На фиг.5 изображен вариант применения нагревательного кабеля.

На фиг.6 показано изменение температуры в варианте применения, показанного на фиг.5.

На фиг.7 показано изменение температуры в варианте применения, показанном на фиг. 5, при использовании нагревательного кабеля, показанного на фиг.1.

На фиг.8 и 9 показано использование нагревательного кабеля с фиг.1 в варианте применения, показанном на фиг.5.

На фиг.10 изображен нагревательный кабель, соответствующий другому варианту реализации настоящего изобретения, и его использование в варианте применения, показанном на фиг.5.

На фиг.11 изображен схематический вид в поперечном разрезе части нагревательного кабеля, соответствующего другому варианту реализации настоящего изобретения.

На фиг.12 изображена принципиальная схема электрических соединений нагревательного кабеля по другому варианту реализации настоящего изобретения.

На фиг.1 изображен нагревательный кабель в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Этот нагревательный кабель содержит три электрических проводника 1a, 1b, 1c (например, медные провода и т.п.), вытянутые вдоль кабеля. Проводники 1a, 1b, 1c разнесены на равное расстояние друг от друга и лежат по существу в одной и той же плоскости. Проводники 1a, 1b, 1c находятся в электропроводящем теле 2, выполненном из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления (в дальнейшем именуемом как «тело 2 с положительным температурным коэффициентом»). Проводники 1a, 1b, 1c могут быть заделаны в теле 2 с положительным температурным коэффициентом любым подходящим способом. Например, тело 2 c положительным температурным коэффициентом может быть экструдировано поверх и вокруг проводников 1a, 1b, 1c. В качестве альтернативы, тело 2 с положительным температурным коэффициентом может быть сформовано (например, отлито в форме) вокруг проводников 1a, 1b, 1c.

Проводники 1a, 1b, 1c, показанные на фиг.1, могут быть выполнены из любого подходящего материала, который проводит электричество. Например, проводники могут быть выполнены из меди, стали и т.д. Электропроводящее тело 2 с положительным температурным коэффициентом выполнено из частиц углерода, внедренных в полимер, такой как полиэтилен и т.п. Тело 2 с положительным температурным коэффициентом может быть выполнено из любого подходящего материала или состава, который имеет положительный температурный коэффициент сопротивления. Например, тело 2 с положительным температурным коэффициентом обычно может быть выполнено из смеси проводящего материала и электроизоляционного материала. Проводящий материал может представлять собой металлический порошок, углеродную сажу, углеродные волокна, углеродные нанотрубки или одно или больше керамических изделий с положительным температурным коэффициентом.

Тело 2 с положительным температурным коэффициентом окружено электроизоляционным покрытием 3. Электроизоляционное покрытие 3 выполняет электрическую изоляцию тела 2 с положительным температурным коэффициентом от металлической оплетки 4. Металлическая оплетка 4 придает нагревательному кабелю стойкость к механическим воздействиям и прочность. Металлическая оплетка 4 заключена в электроизоляционную оболочку 5. Электроизоляционная оболочка 5 выполняет электрическую изоляцию нагревательного кабеля и уменьшает или устраняет его износ и разрыв, а также проникновение в него воды, грязи и т.д.

При использовании каждый из проводников 1a, 1b, 1c будет присоединен к выходу трехфазного источника электропитания (не показанного на чертеже). Нагревательный кабель может быть отрезан заданной длины, при этом концы проводников 1a, 1b, 1c, не соединенные с трехфазным источником электропитания, обнажаются и соединяются вместе в нейтральной точке звезды.

На фиг.2A проиллюстрировано электрическое соединение трехфазного нагревательного кабеля, показанного на фиг.1. С левой стороны фиг. 2A показаны точки 10a, 10b, 10c подсоединения, в которых осуществляется соединение между нагревательным кабелем и трехфазным источником электропитания (не показанным на чертеже). С правой стороны фиг.2A показана нейтральная точка 11 звезды, где проводники 1a, 1b, 1c соединены вместе. Нейтральная точка звезды представляет собой путь наименьшего сопротивления между проводниками 1a, 1b, 1c. Тело 2 с положительным температурным коэффициентом, в котором заделаны проводники 1a, 1b, 1c, представлено в виде ряда резисторов 12. На практике, поскольку электрические проводники 1a, 1b, 1c заделаны в теле 2 с положительным температурным коэффициентом (т.е., по причине того, что тело 2 с положительным температурным коэффициентом является сплошным), количество резисторов фактически является бесконечным. Следовательно, можно видеть, что все проводники находятся в электрическом соединении друг с другом через тело 2 с положительным температурным коэффициентом.

Как было упомянуто ранее, тело 2 с положительным температурным коэффициентом содержит частицы углерода, внедренные в полимерную матрицу. Частицы углерода обеспечивают большое количество потенциальных токопроводящих трактов. Электрический ток будет течь по этим трактам более легко, если частицы находятся в контакте друг с другом или находятся близко друг к другу (например, когда температура тела 2 с положительным температурным коэффициентом является низкой, такой что полимер тела 2 не расширяется и не перемещает частицы углерода слишком далеко друг от друга). Наоборот, электрический ток будет течь по этим трактам менее легко, если эти частицы не находятся близко друг к другу (например, когда температура тела 2 с положительным температурным коэффициентом является высокой, такой что полимер тела 2 расширяется и перемещает частицы углерода друг от друга).

На фиг.2B изображен вид в поперечном сечении электрических проводников 1a, 1b, 1c и тела 2 с положительным температурным коэффициентом, показанных на фиг.1. Как было отмечено выше, тело 2 с положительным температурным коэффициентом содержит большое количество частиц углерода и, таким образом, потенциальных токопроводящих трактов. На фиг.2B показано, что основная часть тела 2 с положительным температурным коэффициентом располагается между проводником 1a и 1b, а также проводником 1a и 1c. Это означает, что большая часть частиц углерода и, таким образом, потенциальных токопроводящих трактов, также расположена между проводниками 1a и 1b, а также проводниками 1a и 1c, а не между проводниками 1a и 1c. Это означает, что, возможно, на удивление, нагрузка будет равномерно распределена по нагревательному кабелю (или, по меньшей мере, она будет распределена более равномерно, чем можно было бы ожидать, - предположительно уравновешена), так что кабель может передавать трехфазное электропитание. Одна или более дополнительных или альтернативных причин для получения уравновешенной нагрузки описываются более подробно ниже.

На фиг.3 проиллюстрирована характеристика "температура-сопротивление" нагревательного кабеля, показанного на фиг.1. Можно видеть, что вследствие введения в кабель тела 2 с положительным температурным коэффициентом сопротивление кабеля увеличивается в зависимости от температуры. Это означает, что нагревательный кабель, показанный на фиг.1, является саморегулирующимся. Таким образом, если температура нагревательного кабеля увеличивается, его сопротивление также увеличивается. По мере увеличения сопротивления нагревательного кабеля, электрический ток, текущий по нагревательному кабелю, уменьшается, что вызывает, в свою очередь, уменьшение температуры кабеля. Нагревательный кабель осуществляет саморегулирование. В зависимости от выбора материала с положительным температурным коэффициентом, используемого в теле, нагревательный кабель может быть сконструирован таким образом, чтобы саморегулирование осуществлялось около некоторой конкретной температуры.

В другом варианте реализации изобретения один, два или три проводника, из числа проводников 1a, 1b, 1c, показанных на фиг.1, могут быть заключены (например, посредством экструзии) в оболочку из материала, имеющего отрицательный температурный коэффициент сопротивления. На фиг.4 проиллюстрирована характеристика сопротивление - температура такого кабеля. Можно видеть, что, когда температура является низкой, сопротивление кабеля является высоким. Это означает, что если энергия подается к нагревательному кабелю, когда температура является низкой, электрический ток, текущий по кабелю, является невысоким. Таким образом, использование материала с отрицательным температурным коэффициентом предотвращает то, что известно как большой "бросок" пускового тока в кабеле во время холодных состояний. В еще одном варианте реализации изобретения один, два или три проводника могут быть заключены (например, посредством экструзии) в оболочку из материала, имеющего положительный температурный коэффициент сопротивления, и эти кабели затем заделываются в тело из материала, имеющего отрицательный температурный коэффициент. На фиг.4 также показана характеристика сопротивление - температура для такого кабеля. Вновь, можно видеть, что, когда температура низкая, сопротивление кабеля является высоким. Это означает, что если энергия подается к нагревательному кабелю, когда температура является низкой, электрический ток, текущий по кабелю, является невысоким. Таким образом, использование материала с отрицательным температурным коэффициентом предотвращает то, что известно как большой "бросок" пускового тока в кабеле во время холодных состояний. В любом из вариантов реализации изобретения, рассмотренных в этом абзаце, материал с отрицательным температурным коэффициентом может включать в себя керамику или представлять собой керамику. Эта керамика может быть в порошковой форме. Керамика может содержать смесь из 82 вес.% Mn₂O₃ и 18 вес.% NiO. Материал с отрицательным температурным коэффициентом может содержать полимерную матрицу или располагаться в ней.

В вариантах реализации изобретения, в которых используется смесь материала с отрицательным температурным коэффициентом и с положительным температурным коэффициентом, не существенно, чтобы материалы с отрицательным температурным коэффициентом и с положительным температурным коэффициентом образуют или составляют часть различных элементов кабеля (например, оболочку проводника или тело, в которое заделан заключенный в оболочку проводник). Вместо этого материалы (или компоненты) с отрицательным температурным коэффициентом и с положительным температурным коэффициентом могут быть смешаны между собой таким образом, чтобы образовать единую массу материала, имеющего свойства, как отрицательного температурного коэффициента, так и положительного температурного коэффициента, и характеристику "температура-сопротивление", аналогичную характеристике, которая показана на фиг.4. Проводники могут быть заделаны в эту массу материала. Кабель, имеющий единую массу материала, имеющего свойства, как отрицательного температурного коэффициента, так и положительного температурного коэффициента, может также иметь некоторые или все признаки кабелей, описанных выше или ниже.

На фиг.5 изображен подходящий вариант применения для нагревательного кабеля, показанного на фиг.1. На фиг.1 изображена расположенная на суше нефтяная скважина 20. Нефтяная скважина 20 располагается над землей 21 (иногда говорят «над поверхностью земли»). Под землей 22 (иногда говорят «под поверхностью земли») располагается нефтяной пласт 23. Из нефтяной скважины 20 через землю 22 и в нефтяной пласт 23 проходит труба 24 для добычи нефти. Нефть может транспортироваться известным способом из нефтяного пласта 23 и вверх до нефтяной скважины 20 по трубе 24 для добычи нефти.

Нефтяной пласт 23 может содержать нефть, имеющую температуру 100°C или больше. Когда нефть извлекается из резервуара 23 через трубу 24 для добычи нефти, температура нефти уменьшается по мере того, как она перемещается ближе к поверхности. Это происходит вследствие уменьшения температуры земли 22, окружающей трубу 24 для добычи нефти, и также уменьшения давления на нефть по мере того, как она перемещается вверх к нефтяной скважине 20 по трубе 24 для добычи нефти. На фиг.6 схематически изображена температура нефти в зависимости от расстояния от нефтяного пласта. Можно видеть, что, как было описано выше, температура постепенно уменьшается. При некоторой конкретной температуре T_с, например 60°C, из нефти, как известно, осаждается подобный воску материал. Этот подобный воску материал покрывает внутреннюю сторону трубы для добычи нефти и, таким образом, сужает размер канала, через который нефть извлекается из нефтяного пласта. Как следствие этого нарастания подобного воску материала извлечение нефти из нефтяного пласта часто необходимо прерывать для того, чтобы очистить внутреннюю часть трубы для добычи нефти, так чтобы нефть можно было эффективно извлекать из нефтяного пласта. Обычно, когда трубу для добычи нефти очищают от нароста подобного воску материала, нефть из нефтяного пласта извлекаться не может. Таким образом, очистка внутренней части трубы для добычи нефти уменьшает производительность.

Нарастание подобного воску материала в трубе для добычи нефти можно предотвратить, не давая температуре нефти понижаться ниже температуры, при которой из нефти осаждается подобный воску материал. Этого можно достигнуть, нагревая трубу для добычи нефти, используя нагревательный кабель, показанный на фиг.1. Из фиг.6 можно видеть, что на некотором конкретном расстоянии от нефтяного пласта температура нефти снижается ниже критической температуры T_C, при которой из нефти осаждается подобный воску материал. Таким образом, если нагревательный кабель, показанный на фиг.1, расположен вдоль трубы для добычи нефти от нефтяной скважины и вниз до (и даже дальше) глубины, на которой достигается критическая температура T_C нефти, то этот нагревательный кабель может использоваться для того, чтобы поддерживать температуру нефти выше этой критической температуры при извлечении нефти из нефтяного пласта. На фиг.7 показано, как поддерживают температуру нефти выше критической температуры T_C, при которой из нефти осаждается подобный воску материал, подводя тепло через нагревательный кабель на критической глубине D_c от нефтяной скважины.

Нагревательный кабель может быть расположен таким образом, чтобы нагревать трубу для добычи нефти любым подходящим способом и с использованием любой соответствующей конфигурации. Например, на фиг.8 показано, как нагревательный кабель, соответствующий вариантам реализации настоящего изобретения, может быть обмотан вокруг трубы 24 для добычи нефти. Нагревательный кабель 30 может быть намотан по внутренней стороне нефтяной 24 скважины, или даже встроен в стенки трубы 24 для добычи нефти. На фиг.9 показано, как нагревательный кабель 30 может проходить вдоль трубы 24 для добычи нефти.

Труба для добычи нефти может быть образована из множества концентрических труб, и нагревательный кабель может быть расположен таким образом, чтобы проходить в зазоре между этими концентрических труб.

Использование трехфазного нагревательного кабеля является предпочтительным, потому что падение напряжения вдоль трехфазного нагревательного кабеля ниже, чем падение напряжения вдоль однофазного нагревательного кабеля такой же или аналогичной протяженности. Трехфазный нагревательный кабель может иметь протяженность электрической цепи, составляющую многие километры, тогда как однофазные нагревательные кабели ограничены протяженностью электрической цепи, составляющей несколько сотен метров.

На фиг.10 изображен нагревательный кабель, соответствующий другому варианту реализации настоящего изобретения. В этом варианте реализации изобретения вместо проводников, лежащих в одной и той же плоскости, три проводника 40a, 40b, 40c расположены на равном расстоянии по кругу стенки полого цилиндра из материала 41 с положительным температурным коэффициентом сопротивления и проходят вдоль этой стенки. Проводники 40a, 40b, 40c также расположены на равном расстоянии от центральной продольной оси полого цилиндра из материала 41 с положительным температурным коэффициентом. Это означает, что фактически имеется три уравновешенных токопроводящих тракта: между проводниками 40a и 40b, между проводниками 40b и 40c и между проводниками 40c и 40a. Ниже подробно описываются одна или более причин для получения такого рода уравновешенности.

Нагревательный кабель может иметь форму, которая является по существу цилиндрической, при этом в цилиндре 41 может быть выполнена прорезь, позволяющая кабелю легко открываться и сворачиваться вокруг объекта.

Нагревательный кабель, показанный на фиг.10, может иметь некоторые или все признаки, описанные в отношении описываемых здесь нагревательных кабелей других вариантов реализации изобретения (например, электроизоляционную оболочку, проводники, заключенные в оболочку из материала, имеющего отрицательный температурный коэффициент сопротивления и т.д.). На фиг.10 также показано, как подлежащие нагреву объект или материал 42 могут быть расположены внутри полого цилиндра из материала 41 с положительным температурным коэффициентом. В качестве альтернативы, полый цилиндр из материала 41 с положительным температурным коэффициентом может быть расположен внутри подлежащего нагреву объекта или материала 42, таким образом, другие объекты или материалы проходят вдоль цилиндра из материала 41 с положительным температурным коэффициентом, через этот цилиндр.

В других вариантах реализации изобретения три проводника расположены на равном расстоянии друг от друга и проходят вдоль тела с положительным температурным коэффициентом, которое не является полым (например, сплошной массивный материал). Если смотреть на концы кабеля, то они могут быть распределены по углам треугольника, например, равностороннего треугольника.

В отношении фиг.1 каждый из проводников 1a, 1b, 1c был описан как прикрепленный при использовании к выходу трехфазного источника электропитания (не показанному на чертеже). Нагревательный кабель был описан как кабель, который может быть отрезан заданной длиной, при этом концы проводников 1a, 1b, 1c, не соединенные с трехфазным источником электропитания, защищаются и соединяются вместе в нейтральной точке звезды. Нейтральная точка звезды представляет собой путь наименьшего сопротивления между проводниками 1a, 1b, 1c. В другом варианте реализации изобретения концы проводников 1a, 1b, 1c нагревательного кабеля, не соединенные с трехфазным источником электропитания, могут оставаться несоединенными. На фиг.11 схематично изображены электрические соединения такого трехфазного нагревательного кабеля, который может быть отрезан заданной длины.

В отношении фиг.11, с левой стороны показаны точки 100a, 100b, 100c подсоединения, в которых осуществляется соединение между нагревательным кабелем и трехфазным источником электропитания (не показанным на чертеже). Тело с положительным температурным коэффициентом, в котором заделаны проводники 110a, 110b, 110c, представлено рядом резисторов 120. На практике, поскольку электрические проводники 110a, 110b, 110c заделаны в теле с положительным температурным коэффициентом (то есть, по причине того, что тело с положительным температурным коэффициентом является непрерывным), количество резисторов фактически будет бесконечным. Следовательно, можно видеть, что все проводники 110a, 110b, 110c имеют через тело с положительным температурным коэффициентом электрическое соединение друг с другом. С правой стороны фиг.11 концы проводников 110a, 110b, 110c, удаленные от точек 100a, 100b, 100c подсоединения к источнику электропитания, показаны как физически не соединенные друг с другом. Другими словами, эти концы проводников 110a, 110b, 110c (и, по существу, все части проводников 110a, 110b, 110c) имеют электрическое соединение друг с другом только через электропроводящий нагревательный элемент, то есть через тело с положительным температурным коэффициентом. При отсутствии физического соединения дальних концов проводников 110a, 110b, 110c нет фиксированной нейтральной точки звезды.

Было обнаружено, что отсутствие фиксированной нейтральной точки звезды может быть выгодным. Поскольку нейтральная точка звезды не фиксирована, нейтральная точка звезды может перемещаться. Перемещение нейтральной точки звезды означает, что путь наименьшего сопротивления между проводниками 1a, 1b, 1c может также перемещаться. Это означает, что тепло, генерируемое кабелем, может быть доставлено туда, где оно необходимо, а не обязательно в равных или увеличивающихся или уменьшающихся количествах по всей протяженности кабеля. Например, при использовании для нагрева, по меньшей мере, части трубы для добычи нефти (например, трубы для добычи нефти, описанной в отношении фиг.5 и 6), нейтральная точка звезды может перемещаться (или ею можно управлять таким образом, чтобы она перемещалась) на некоторую конкретную глубину вниз трубы (или другими словами, расстояние вдоль кабеля). Эта конкретная глубина может быть такой, чтобы тепло доставлялось в ту точку, в которой, например, нефть уже имеет требуемую температуру, и выше этой точки, но не ниже этой точки.

Перемещение нейтральной точки звезды может зависеть от свойств кабеля, таких как материал и размеры проводника 1a, 1b, 1c, так же как и от размеров и состава материала, в который заделаны проводники 1a, 1b, 1c, (например, тела с положительным температурным коэффициентом). Перемещение нейтральной точки звезды может также зависеть от свойств трехфазного сигнала, проходящего через кабель (например напряжения или силы тока сигнала), и/или от температуры кабеля. Нейтральная точка звезды может быстро перемещаться от одной позиции к другой в зависимости от изменений, например, управляющего сигнала или может перемещаться более постепенно с изменением управляющего сигнала. Перемещение нейтральной точки звезды может дополнительно или альтернативно быть функцией температуры кабеля. Это означает, что нейтральная точка звезды может перемещаться с изменением температуры. Это свойство может быть использовано таким образом, чтобы нейтральная точка звезды перемещалась в место, где требуется нагревание, например, на ту глубину в трубе для добычи нефти, выше которой нефть имеет нежелательно низкую температуру.

Нагревательный кабель, показанный на фиг.11 и описанный со ссылкой на эту фигуру, может иметь один или более признаков любого другого описанного здесь нагревательного кабеля.

Описанные здесь нагревательные кабели были описаны как пригодные для нагрева трубы для добычи нефти. Следует понимать, что нагревательный кабель может иметь другие варианты применения, например, в трубах отопления или других трубопроводах переносящих жидкости. Нагревательный кабель может быть использован для любого варианта применения, где требуется нагревание, и особенно там, где выгодно использование трехфазных источников электропитания, например, в ситуациях, при которых нагревательный кабель должен проходить большое расстояние вследствие того, что падение напряжения, приходящееся на единицу длины, для трехфазных кабелей является более низким, чем для однофазного кабеля.

В вышеупомянутых вариантах реализации изобретения три проводника были описаны как расположенные в планарной конфигурации. Электрическая нагрузка была описана как на удивление уравновешенная между этими проводниками - т.е., сопротивление и, следовательно, нагрузка, между внутренним проводником и каждым внешним проводником по существу такие же, как сопротивление и, следовательно, нагрузка, между внешними проводниками. Такого рода уравновешенность может быть достигнута вследствие расположения или плотности токопроводящих трактов, которое обсуждалось выше. Было обнаружено, однако, что сопротивлением между проводниками можно управлять таким образом, чтобы достигнуть более хорошей или желательной уравновешенности. На фиг.12 схематично изображено, как может быть достигнуто такое управление.

На фиг.12 показан вид с торца трех проводников 200, 210, 220 электропитания, образующих саморегулирующийся электрический нагревательный кабель. Все три проводника 200, 210, 220 электропитания заделаны в тело материала 230 с положительным температурным коэффициентом. Внешние проводники 200, 220 расположены на равном расстоянии от внутреннего проводника 210. Это означает, что сопротивление между каждым из внешних проводников 200, 220 и внутренним проводником 210 одинаковое. Можно было бы ожидать, что сопротивление между двумя внешними проводниками 200, 220 будет составлять удвоенное сопротивление между внешним проводником 200 и внутренним проводником 210, поскольку наружные проводники 200, 220 разделены расстоянием, которое в два раза больше расстояния между внутренним проводником 210 и внешним проводником 200, 220. Это привело бы к неуравновешенному сопротивлению и, следовательно, нагрузке. Однако в настоящем варианте реализации это не так.

В настоящем варианте реализации изобретения внутренний провод 210 снабжен покрытием (например, посредством экструзии и т.п.) из материала 240. Покрытие из материала 240 имеет электрическое сопротивление, которое выше чем сопротивление тела из материала 230 с положительным температурным коэффициентом. Тело из материала 230 с положительным температурным коэффициентом находится вокруг покрытия из материала 240. Сопротивление между каждым из внешних проводников 200, 220 и внутренним проводником 210 будет зависеть от сопротивления покрытия из материала 240 и от сопротивления тела из материала 230 с положительным температурным коэффициентом, но все-таки будет одинаковым. И, напротив, сопротивление между двумя внешними проводами 200, 220 будет в меньшей степени зависеть от покрытия из материала 240, а в большей степени зависеть от сопротивления тела из материала 230 с положительным температурным коэффициентом. Таким образом, если сопротивление покрытия из материала 240 является достаточно высоким (и достаточного высокого значения), сопротивление между каждым из внешних проводников 200, 220 и внутренним проводником 210 может быть сделано одинаковым и равным сопротивлению между двумя наружными проводниками 200, 220. Создание покрытия из материала 240 обеспечивает некоторую степень управления сопротивлением и, следовательно, нагрузкой между проводниками 200, 210, 220. Может быть создана конфигурация, уравновешенная по сопротивлению, которая будет иметь уравновешенную нагрузку.

Требуемое сопротивление (то есть удельное сопротивление и/или толщина, которые вместе влияют на сопротивление) покрытия из материала 240 может быть вычислено или определено путем моделирования или из экспериментов таким образом, чтобы получить заданную уравновешенность по сопротивлению и нагрузке. Предпочтительно, покрытие из материала 240 также представляет собой материал с положительным температурным коэффициентом, таким образом, оно обладает достоинствами материалов с положительным температурным коэффициентом, которые описаны выше.

Вместо покрытия из материала 240, одинаковый или аналогичный эффект можно получить, преднамеренно или непреднамеренно, при отсутствии хорошего электрического контакта внутреннего проводника 210 с телом из материала 230 с положительным температурным коэффициентом, что увеличивает сопротивление между каждым из внешних проводов 200, 220 и внутренним проводником 210. Например, в вариантах реализации изобретения, показанных на фиг.1, 2 и/или 11, может быть получена уравновешенность нагрузки благодаря тому, что внешние проводники имеют более хорошее электрическое соединение с телом с положительным температурным коэффициентом, чем внутренний проводник (например, вследствие плохой экструзии тела с положительным температурным коэффициентом или благодаря тому, что внутренний проводник не нагревают для создания сцепления проводника с телом с положительным температурным коэффициентом).

Нагревательный кабель, показанный на фиг.12 и описанный со ссылкой на эту фигуру, может иметь один или более признаков любого другого описанного здесь нагревательного кабеля.

В вышеупомянутых вариантах реализации изобретения три электрических проводника описаны как заделываемые в тело материала. Однако возможны и альтернативные конструкции. В качестве примеров: тело может проходить вдоль нагревательного кабеля между двумя из проводников и находиться в электрическом соединении с ними. Другое тело может находиться между одним из этих проводников и другим проводником. Таким образом, эти тела или тело не обязательно должны окружать проводники. Однако предпочтительно, чтобы проводники заделывались в тело, что обеспечивает создание между каждым из проводников равномерное электрическое соединение.

Вышеупомянутые варианты реализации изобретения описаны только для примера и не предназначены для ограничения изобретения. Можно предположить, что различные изменения могут быть внесены в эти и, конечно, другие варианты реализации, при условии не выхода за рамки изобретения, как оно определено формулой изобретения.

Изобретение относится к нагревательным кабелям, пригодным для использования с трехфазным источником электропитания. Электрический нагревательный кабель содержит: первый проводник электропитания (1a), вытянутый вдоль длины кабеля; второй проводник электропитания (1b), вытянутый вдоль длины кабеля; третий проводник электропитания (1c), вытянутый вдоль длины кабеля; причем первый и второй проводники электропитания электрически соединены друг с другом через первое электропроводящее тело нагревательного элемента, имеющее положительный температурный коэффициент сопротивления, а второй и третий проводники электропитания электрически соединены друг с другом через второе электропроводящее тело нагревательного элемента, имеющее положительный температурный коэффициент сопротивления, при этом при использовании первый, второй и третий проводники электропитания физически не соединены друг с другом. Изобретение обеспечивает сбалансированную нагрузку между проводниками, что обеспечивает возможность его использования с трехфазными источниками электропитания. 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Саморегулирующийся электрический нагревательный кабель, содержащий:
первый проводник электропитания, вытянутый вдоль длины кабеля;
второй проводник электропитания, вытянутый вдоль длины кабеля;
третий проводник электропитания, вытянутый вдоль длины кабеля;
первый, второй и третий проводники электропитания вытянуты вдоль друг друга по существу в одной плоскости;
второй проводник электропитания расположен между первым и третьим проводниками электропитания;
первый, второй и третий проводники электропитания заделаны в электропроводящее тело нагревательного элемента, имеющее положительный температурный коэффициент сопротивления;
при этом первый, второй и третий проводники электропитания электрически соединены друг с другом через указанное электропроводящее тело нагревательного элемента,
второй проводник электропитания снабжен покрытием из электропроводного материала, причем указанное покрытие из электропроводного материала имеет более высокое электрическое сопротивление, чем электрическое сопротивление указанного электропроводного тела нагревательного элемента.

2. Саморегулирующийся электрический нагревательный кабель по п.1, в котором при использовании первый, второй и третий проводники электропитания физически не соединены друг с другом.

3. Саморегулирующийся электрический нагревательный кабель по п.1 или 2, в котором первый и третий проводники электропитания расположены на равном расстоянии от второго проводника электропитания.

4. Саморегулирующийся электрический нагревательный кабель по п.1 или 2, в котором один или более проводников электропитания заключены в материал, имеющий отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

5. Саморегулирующийся электрический нагревательный кабель по п.4, в котором материал, имеющий отрицательный температурный коэффициент сопротивления, имеет форму оболочки.

6. Саморегулирующийся электрический нагревательный кабель по п.1 или 2, в котором тело нагревательного элемента содержит два компонента, причем каждый компонент имеет отличающуюся положительную температурную характеристику сопротивления.

7. Саморегулирующийся электрический нагревательный кабель по п.1 или 2, в котором указанное тело нагревательного элемента дополнительно содержит материал, имеющий отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

8. Саморегулирующийся электрический нагревательный кабель по п.1 или 2, в котором указанное покрытие из электропроводящего материала содержит материал, имеющий положительный температурный коэффициент сопротивления.