Электрический нагревательный кабель Российский патент 2022 года по МПК H05B3/56 

Настоящее изобретение относится к электрическому нагревательному кабелю. Более конкретно, но не исключительно, настоящее изобретение относится к сбалансированному трехфазному электрическому нагревательному кабелю для использования с трехфазным источником питания.

Электрические нагревательные кабели используются в широком разнообразии применений, где может потребоваться нагрев. Электрический нагревательный кабель обычно включает в себя один или несколько электрических проводов, проходящих по длине кабеля, с материалом тела (основной части) между проводниками. Материал тела обеспечивает потенциальные электрические пути между электрическими проводниками, но, как правило, имеет сопротивление намного больше, чем сопротивление электрических проводников. Когда электрический нагревательный кабель используется, один или более электрических проводников соединяются с источником электропитания, и электричество проводится через материал тела посредством электрических проводников. В этом процессе, материал тела преобразует электрическую энергию, которую он проводит, в тепло для нагрева заготовки.

Электрический нагревательный кабель может быть использован для нагрева трубы для обеспечения того, чтобы содержимое трубы поддерживалось при определенной температуре, например, выше точки замерзания содержимого. Труба может быть трубой для воды, трубой для нефтепродукта или любой другой трубой, используемой, например, в промышленной установке. Нагревательный кабель может находиться в контакте либо с внутренней, либо с внешней стороной трубы и может проходить вдоль трубы линейным образом или наматываться вокруг трубы. Обычно трубы, используемые на промышленных предприятиях, имеет длину несколько километров. Поэтому необходимо, чтобы электрические нагревательные кабели для нагрева таких труб имели длину по меньшей мере того же порядка, что и длина труб.

Национальные энергосистемы, промышленные установки, коммерческие установки и высокомощное оборудование обычно работают с трехфазными источниками питания. Поэтому трехфазные компоновки электрических нагревательных кабелей, пригодные для использования с трехфазными источниками питания, обычно предпочтительны в промышленных применениях. Трехфазные последовательные компоновки резистивных нагревательных кабелей, как правило, могут достигать длины цепи в несколько километров, но не могут самостоятельно регулировать свою температуру и поэтому могут создавать серьезные проблемы безопасности. В противоположность этому, саморегулируемые нагревательные кабели являются, в общем, однофазными нагревательными кабелями. Однофазные нагревательные кабели обычно ограничены намного меньшей длиной цепи около 100 метров и не пригодны для использования в крупномасштабных промышленных применениях.

Фазовый дисбаланс остается проблемой для использования трехфазных саморегулируемых электрических нагревательных кабелей. Таким образом, трехфазный саморегулируемый электрический нагревательный кабель обычно имеет электропроводные пути с неодинаковым электрическим сопротивлением по трем фазам и соответственно потребляет неравные токи из каждой фазы источника питания. Другими словами, такой нагревательный кабель генерирует неравные нагрузки мощности на каждую фазу трехфазного источника питания и становится несбалансированной нагрузкой для источника питания. Фазовый дисбаланс снижает эффективность самих кабелей, а также нежелателен для стабильности трехфазных источников питания.

Задачей настоящего изобретения, среди прочих, является создание электрического нагревательного кабеля, такого как трехфазный электрический нагревательный кабель, в котором снижен дисбаланс нагрузки по трем фазам кабеля.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается электрический нагревательный кабель, содержащий: первый проводник электропитания; второй проводник электропитания; третий проводник электропитания, причем каждый из первого, второго и третьего проводников электропитания проходит вдоль длины кабеля; тело электропроводного нагревательного элемента, причем первый, второй и третий проводники электропитания электрически связаны друг с другом через тело электропроводного нагревательного элемента, при этом второй проводник электропитания обеспечен слоем электроизолирующего материала, который покрывает только часть поверхности второго проводника электропитания, причем слой обеспечен между поверхностью второго проводника электропитания и телом электропроводного нагревательного элемента.

Путем обеспечения слоя электроизолирующего материала, который покрывает только часть поверхности второго проводника электропитания, электрическое сопротивление между вторым проводником электропитания и другими проводниками электропитания (такими как первый и третий проводники электропитания) может быть легко отрегулировано. Путем обеспечения слоя между поверхностью второго проводника электропитания и телом электропроводного нагревательного элемента, слой, таким образом, конфигурируется для ограничения доли поверхности второго проводника электропитания, которая электрически связана с телом электропроводного нагревательного элемента. Остальная часть поверхности второго проводника электропитания, которая не покрыта слоем электроизолирующего материала, может быть электрически связана с телом электропроводного нагревательного элемента.

Электроизолирующий материал может иметь удельное сопротивление по меньшей мере в 10 раз больше удельного сопротивления тела электропроводного нагревательного элемента. Когда электроизолирующий материал в 10 раз более резистивный, чем тело электропроводного нагревательного элемента, фазовый дисбаланс внутри электрического нагревательного кабеля может быть уменьшен примерно на 90%.

Электроизолирующий материал может иметь удельное сопротивление по меньшей мере в 10¹⁰ раз больше удельного сопротивления тела электропроводного нагревательного элемента.

Тело электропроводного нагревательного элемента может иметь удельное сопротивление порядка примерно от 10³ до 10⁴ Ом·м. Электроизолирующий материал может иметь удельное сопротивление порядка примерно от 10¹⁵ до 10¹⁶ Ом·м.

Должно быть понятно, что область слоя электроизолирующего материала непосредственно влияет на проводящую область второго проводника электропитания, которая электрически связана с первым и третьим проводниками электропитания через тело электропроводного нагревательного элемента. За счет увеличения площади слоя, чтобы покрывать большую часть поверхности второго проводника электропитания, второй проводник электропитания имеет меньше проводящей области, которая электрически связана с другими проводниками электропитания через тело электропроводного нагревательного элемента. Соответственно, сопротивление между вторым проводником электропитания и другими проводниками электропитания будет увеличиваться пропорционально площади слоя, и наоборот. Таким образом, электрическое сопротивление между вторым проводником электропитания и другими проводниками электропитания может быть легко отрегулировано до желательного уровня просто путем регулирования площади слоя на поверхности. Это выгодно для уменьшения или даже по существу устранения любого дисбаланса в электрическом нагревательном кабеле путем реализации сбалансированных проводящих путей (т.е., сбалансированных нагрузок по мощности) через первый, второй и третий проводники электропитания, тем самым позволяя электрическому нагревательному кабелю работать более эффективно, когда кабель соединен, например, с промышленным трехфазным источником питания.

Следует отметить, что слой электроизолирующего материала может упоминаться как покрытие из электроизолирующего материала, которое нанесено так, чтобы покрывать часть поверхности второго проводника электропитания. Таким образом, выражение “слой электроизолирующего материала” может использоваться взаимозаменяемо с выражением “покрытие из электроизолирующего материала”. Слой электроизолирующего материала может находиться в контакте с поверхностью второго проводника электропитания. Дополнительно или альтернативно, слой электроизолирующего материала может находиться в контакте с телом электропроводного нагревательного элемента.

Следует понимать, что слой электроизолирующего материала не обязательно должен находиться в непосредственном контакте с поверхностью второго проводника электропитания. Подобным образом, слой электроизолирующего материала не обязательно должен находиться в контакте с телом электропроводного нагревательного элемента. Например, между слоем электроизолирующего материала и поверхностью второго проводника электропитания может быть предусмотрен первый промежуточный слой. Первый промежуточный слой может содержать адгезивный слой, который вызывает прилипание слоя электроизолирующего материала к поверхности второго проводника электропитания. Кроме того, первый промежуточный слой может содержать слой электропроводного материала, который электрически связан со вторым проводником электропитания.

Аналогично, второй промежуточный слой может быть предусмотрен между слоем электроизолирующего материала и телом электропроводного нагревательного элемента. Второй промежуточный слой может содержать слой электропроводного материала, который электрически связан с телом электропроводного нагревательного элемента.

Второй проводник электропитания может быть разнесен от первого проводника электропитания на первое расстояние и может быть разнесен от третьего проводника электропитания на второе расстояние. Первый проводник электропитания может быть разнесен от третьего проводника электропитания на третье расстояние. Третье расстояние может быть больше, чем первое расстояние и второе расстояние.

При установке третьего расстояния большим, чем первое расстояние и второе расстояние, электрическое сопротивление между первым и третьим проводниками электропитания имеет тенденцию быть больше, чем электрическое сопротивление между первым и вторым проводниками электропитания и электрическое сопротивление между вторым и третьим проводниками электропитания (если слой электроизолирующего материала не предусмотрен). Однако при обеспечении слоя электроизолирующего материала, который покрывает только часть поверхности второго проводника электропитания, слой имеет эффект повышения электрического сопротивления между первым и вторым проводниками электропитания и электрического сопротивления между вторым и третьим проводниками электропитания, тем самым позволяя электрическим сопротивлениям между каждой парой из трех проводников электропитания достигать приблизительно того же самого уровня и делая электрический нагревательный кабель сбалансированным.

Первый, второй и третий проводники электропитания могут быть встроены (заделаны) в тело электропроводного нагревательного элемента.

Первый, второй и третий проводники электропитания могут быть полностью окружены телом электропроводного нагревательного элемента в активной области нагрева электрического нагревательного кабеля.

Должно быть понятно, что активная область нагрева представляет собой область электрического нагревательного кабеля, которая проходит по длине кабеля и генерирует тепло для нагрева заготовки. Активная область нагрева может формировать основное тело электрического нагревательного кабеля. Также должно быть понятно, что электрический нагревательный кабель может дополнительно содержать соединительную область для соединения с источником питания, и соединительная область может быть обеспечена на конце активной области нагрева. В соединительной области, первый, второй и третий проводники электропитания могут проходить вне тела электропроводного нагревательного элемента, чтобы соединяться с источником питания.

Первый, второй и третий проводники электропитания могут быть не напрямую соединены друг с другом. То есть, только доступные электропроводные пути между первым, вторым и третьим проводниками электропитания могут иметься через тело электропроводного нагревательного элемента.

Первый, второй и третий проводники электропитания могут проходить вдоль друг друга по существу в планарной компоновке.

Путем расположения первого, второго и третьего проводников электропитания так, чтобы проходить вдоль друг друга по существу в планарной компоновке, повышается гибкость электрического нагревательного кабеля, что уменьшает изгибные напряжения, генерируемые в кабеле во время прокладки кабеля вокруг подлежащей нагреванию заготовки, и соответственно продлевает срок службы кабеля. Дополнительно, по существу планарная компоновка позволяет кабелю иметь относительно плоскую форму поперечного сечения, тем самым увеличивая площадь контакта между кабелем и заготовкой. Таким образом, по существу планарная компоновка позволяет осуществлять более эффективную теплопередачу между телом электропроводного нагревательного элемента кабеля и заготовкой, подлежащей нагреванию.

Второй проводник электропитания может быть расположен между первым и третьим проводниками электропитания.

Первый и третий проводники электропитания могут быть одинаково разнесены от второго проводника электропитания.

Должно быть понятно, что когда первый и третий проводники электропитания одинаково разнесены от второго проводника электропитания, третье расстояние приблизительно в два раза больше первого расстояния, при этом первое расстояние равно второму расстоянию.

Слой электроизолирующего материала может покрывать по существу 50% поверхности второго проводника электропитания.

Путем расположения слоя электроизолирующего материала так, чтобы покрывать по существу 50% поверхности второго проводника электропитания, электрическое сопротивление между вторым проводником электропитания и другими проводниками электропитания (такими как первый и третий проводники электропитания) повышается до величины, приблизительно в два раза больше их исходного значения, когда слой электроизолирующего материала не предусмотрен. Это позволяет электрическим сопротивлениям между каждой парой из трех проводников электропитания достигать приблизительно одинаковых уровней и соответственно уменьшает любой фазовый дисбаланс в электрическом нагревательном кабеле. Должно быть понятно, что слой с по существу 50% покрытием предпочтителен, когда первый и третий проводники электропитания одинаково разнесены от второго проводника электропитания.

Поверхность второго проводника электропитания может содержать множество первых секций и множество вторых секций, расположенных поочередно вдоль длины второго проводника электропитания, причем множество первых секций покрыты слоем электроизолирующего материала, и множество вторых секций не покрыты слоем электроизолирующего материала.

Должно быть понятно, что множество вторых секций электрически связаны с первым и третьим проводниками электропитания через тело электропроводного нагревательного элемента, и что множество первых секций не связаны электрически с первым и третьим проводниками электропитания из-за слоя электроизолирующего материала. За счет расположения множества первых секций и множества вторых секций попеременно, тепло, генерируемое телом электропроводного нагревательного элемента из-за протекания электрического тока между вторым проводником электропитания (в частности, множеством вторых секций) и первым и третьим проводниками электропитания, рассеивается вдоль длины второго проводника электропитания.

Каждая из множества первых секций может иметь единичную длину вдоль длины второго проводника электропитания. В частности, множество первых секций может быть расположено вдоль длины второго проводника электропитания так, чтобы формировать периодический шаблон, и поэтому каждая из множества первых секций может рассматриваться как единица периодического шаблона. Длина каждой из множества первых секций вдоль длины второго проводника электропитания может соответственно рассматриваться как единичная длина. Единичная длина может быть меньше, чем каждое из расстояния между вторым проводником электропитания и первым проводником электропитания и расстояния между вторым проводником электропитания и третьим проводником электропитания.

То есть, единичная длина может быть меньше, чем каждое из первого расстояния и второго расстояния. Это является выгодным для того, чтобы позволять теплу, генерируемому телом электропроводного нагревательного элемента, распространяться равномерно вдоль длины электрического нагревательного кабеля, так что колебания температуры вдоль электрического нагревательного кабеля пренебрежимо малы.

Слой электроизолирующего материала может содержать покрытие из электроизолирующего лака, глазури или краски.

Слой электроизолирующего материала может содержать слой электроизолирующей ленты. Использование электроизолирующей ленты, лака, глазури или краски позволяет точно контролировать проводящую область второго проводника электропитания, что, в свою очередь, позволяет точно контролировать сопротивление между вторым проводником электропитания и другими проводниками электропитания до уровня, на котором фазовый дисбаланс по существу устраняется.

По меньшей мере часть слоя электроизолирующего материала может быть обеспечена спирально вокруг второго проводника электропитания.

Слой электроизолирующего материала может содержать множество колец, разнесенных друг от друга вдоль длины кабеля.

Тело электропроводного нагревательного элемента может иметь положительный температурный коэффициент сопротивления.

Обеспечение тела электропроводного нагревательного элемента с положительным температурным коэффициентом сопротивления означает, что, по мере нагревания нагревательного кабеля, сопротивление тела электропроводного нагревательного элемента повышается. Следовательно, ток, текущий в нагревательном кабеле, уменьшается, вызывая уменьшение температуры нагревательного кабеля соответствующим образом. Таким путем нагревательный кабель самостоятельно регулирует свою температуру, и перегрев или прогорание нагревательного кабеля от тепла, генерируемого им самим, эффективно предотвращается, что улучшает безопасность нагревательного кабеля.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, обеспечен способ изготовления электрического нагревательного кабеля, содержащий: обеспечение первого проводника электропитания, второго проводника электропитания и третьего проводника электропитания; покрытие только части поверхности второго проводника электропитания электроизолирующим материалом; и обеспечение тела электропроводного нагревательного элемента, причем каждый из первого, второго и третьего проводников электропитания проходит вдоль длины кабеля и электрически связаны друг с другом через тело электропроводного нагревательного элемента, и причем электроизолирующий материал обеспечен между поверхностью второго проводника электропитания и телом электропроводного нагревательного элемента.

Способ может дополнительно содержать экструдирование тела электропроводного нагревательного элемента поверх первого, второго и третьего проводников электропитания.

Электроизолирующий материал может содержать электроизолирующую ленту. Покрытие только части поверхности второго проводника электропитания может содержать оборачивание электроизолирующей ленты вокруг только части поверхности второго проводника электропитания.

Электроизолирующий материал может содержать одно из электроизолирующего лака, глазури или краски. Покрытие только части поверхности второго проводника электропитания может содержать нанесение одного из электроизолирующего лака, глазури или краски только на часть поверхности второго проводника электропитания.

Покрытие только части поверхности второго проводника электропитания может содержать распыление или нанесение кистью электроизолирующего материала на поверхность второго проводника электропитания.

Признаки, описанные выше со ссылкой на первый аспект изобретения, могут комбинироваться со вторым аспектом изобретения.

Далее будут описаны варианты осуществления изобретения, только в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 иллюстрирует электрический нагревательный кабель в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 2 иллюстрирует частичный вид в поперечном сечении электрического нагревательного кабеля согласно фиг. 1;

Фиг. 3 иллюстрирует эквивалентную схему электрического нагревательного кабеля согласно фиг. 1;

Фиг. 4 иллюстрирует частичный вид сбоку с местным разрезом электрического нагревательного кабеля согласно фиг. 1;

Фиг. 5 иллюстрирует принципиальную схему электрических соединений в электрическом нагревательном кабеле согласно фиг. 1; и

Фиг. 6 иллюстрирует частичный вид сбоку с местным разрезом электрического нагревательного кабеля в соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 1 и 2 изображают электрический нагревательный кабель 100 (далее, “кабель 100”) в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Кабель 100 проходит вдоль оси V. Ось V параллельна центральной линии кабеля 100 и может не быть прямой. В следующем описании, выражение “проходящий вдоль длины кабеля 100” эквивалентно выражению “проходящий вдоль оси V”. Как показано на фиг. 1, кабель 100 включает в себя три проводника 1, 2, 3 электропитания (далее, “проводники 1, 2, 3”), проходящие вдоль длины кабеля 100.

Проводники 1, 2, 3 имеют приблизительно одинаковый диаметр и одинаковую длину. Кроме того, проводники 1, 2, 3 находятся по существу в планарной компоновке. То есть, проводники 1, 2, 3 проходят вдоль друг друга и лежат по существу в одной и той же плоскости. Проводники 1, 2, 3 одинаково разнесены друг от друга. Поэтому первое расстояние между первым проводником 1 и вторым проводником 2 равно второму расстоянию между вторым проводником 2 и третьим проводником 3 и составляет приблизительно половину третьего расстояния между первым проводником 1 и третьим проводником 3. В одном примере, диаметр каждого из проводников 1, 2, 3 составляет около 2 мм, и расстояние от края до края между первым проводником 1 и вторым проводником 2 (т.е. первое расстояние) составляет около 5 мм, и расстояние от края до края между вторым проводником 2 и третьим проводником 3 (т.е. второе расстояние) составляет также около 5 мм. Разумеется, должно быть понятно, что диаметр и расстояния, при необходимости, могут иметь другие размеры.

Второй проводник 2, который находится между первым и третьим проводниками 1 и 3, обеспечен слоем электроизолирующего материала 11 (далее, “слой 11”). Такой слой не предусмотрен для покрытия первого и третьего проводников 1 и 3. Слой 11 может иметь толщину от примерно 0,05 мм до примерно 0,5 мм и может обычно иметь толщину от примерно 0,05 мм до примерно 0,1 мм.

Проводники 1, 2, 3 также заделаны в тело 7 электропроводного нагревательного элемента (далее, “тело 7”). Фиг. 2 изображает частичный вид в поперечном сечении кабеля 100, когда кабель разрезан вдоль плоскости, перпендикулярной оси V. Для простоты, показаны только проводники 1, 2, 3, слой 11 и тело 7, а другие слои кабеля 100 опущены.

Как показано на фиг. 2, слой 11, который покрывает второй проводник 2, также заделан в тело 7. Проводники 1, 2, 3 электрически связаны друг с другом через тело 7. Проводники 1, 2, 3 не соединены напрямую друг с другом. Поэтому, единственно доступными электропроводными путям между проводниками 1, 2, 3 являются пути через тело 7.

Проводники 1, 2, 3 могут быть заделаны в тело 7 любым подходящим образом. Например, тело 7 может экструдироваться поверх проводников 1, 2, 3 и вокруг них. Альтернативно, тело 7 может быть отформовано (например, отлито) вокруг проводников 1, 2, 3.

Тело 7 окружено изолирующей оболочкой 8. Изолирующая оболочка 8 может быть сформирована экструзией. Изолирующая оболочка 8 дополнительно окружена электропроводным покрытием 9. Таким образом, изолирующая оболочка 8 электрически изолирует тело 7 от электропроводного покрытия 9. Электропроводное покрытие 9 может быть в форме оплетки, сетки, сплошного металлического экструдата или фольги и может быть выполнено из алюминия, алюминиевого сплава, меди или тому подобного. Электропроводное покрытие 9 окружает внешнюю поверхность изолирующей оплетки 8 непрерывно и проходит вдоль оси V. Электропроводное покрытие 9 улучшает механическую прочность и стабильность кабеля 100, а также усиливает стойкость к надрезам кабеля 100. Электропроводное покрытие 9 может быть соединено с заземлением, тем самым обеспечивая электрический путь, чтобы направлять любой ток утечки в кабеле 100 безопасным образом в землю.

Электропроводное покрытие 9 может быть дополнительно заключено в изолирующую оболочку 10. Изолирующая оболочка 10 защищает кабель 100 от проникновения воды, грязи и т.д. и электрически изолирует кабель 100 от окружающей среды.

Проводники 1, 2, 3 выполнены из электропроводного материала, такого как медь, сталь, алюминий и т.д. Тело 7 является полимерным материалом. Полимерный материал может быть сформирован как компаунд из электроизолирующего полимера (такого как, изолирующий термопластичный полимер) и электропроводного материала наполнителя. Электропроводный материал наполнителя может представлять собой сажу. Другой материал, такой как, углеродные волокна, нанотрубки, графит, графен, металлические волокна, металлическая стружка или металлические частицы, может также использоваться в качестве материала наполнителя, либо отдельно, либо в комбинации. Подмешивание электропроводного материала наполнителя в электроизолирующий полимер позволяет полимерному материалу тела 7 иметь проводимость между проводимостью электроизолирующего полимера и электропроводного материала наполнителя. Тело 7 обычно имеет намного большее сопротивление, чем сопротивление проводников 1, 2, 3.

При использовании, проводники 1, 2, 3 соединены с выходными фазами трехфазного источника питания (не показан), соответственно. Электрический ток протекает от источника питания через каждый из проводников 1, 2, 3 и тело 7 и течет назад в источник питания через другой из проводников 1, 2, 3. В соответствии с первым законом Джоуля, прохождение электрического тока через электрический проводник генерирует тепло, и мощность нагрева пропорциональна сопротивлению проводника и квадрату тока. Поскольку тело 7 имеет намного большее сопротивление, чем сопротивление проводников 1, 2, 3, тепло, генерируемое проводниками 1, 2, 3, пренебрежимо мало по сравнению с теплом, генерируемым телом 7. Поэтому тело 7 генерирует большую часть тепла, выводимого кабелем 100.

Компаунд из электроизолирующего полимера и электропроводного материала наполнителя может иметь положительный температурный коэффициент сопротивления. То есть, электрическое сопротивление тела 7 может повышаться с увеличением температуры тела 7. Это обычно желательно из соображений безопасности. Когда кабель 100 нагревается, сопротивление тела 7 увеличивается. Затем, ток, протекающий в кабеле 100, уменьшается, вызывая снижение температуры кабеля 100 соответствующим образом. Таким образом, кабель 100 самостоятельно регулирует свою температуру, и перегрев или прогорание кабеля 100 от тепла, сгенерированного им самим, эффективно предотвращается, тем самым улучшая безопасность кабеля 100.

Должно быть понятно, что кабель 100 может включать в себя активную область нагрева, которая проходит вдоль оси V кабеля 100. Активная область нагрева, при использовании, генерирует тепло для нагрева заготовки. Активная область нагрева может формировать основное тело электрического нагревательного кабеля. Кабель 100 может дополнительно содержать соединительную область для соединения кабеля 100 с трехфазным источником питания. Соединительная область может быть обеспечена на конце активной области нагрева. Поскольку тело 7 генерирует большую часть тепла, выводимого кабелем 100, как описано выше, каждый из проводников 1, 2, 3 заделывается в тело 7 и может полностью окружаться телом 7 в активной области нагревания, чтобы максимизировать тепло, выводимое кабелем 100. Понятно, что в соединительной области проводники 1, 2, 3 могут проходить вне тела 7 для соединения с трехфазным источником питания.

Фиг. 3 показывает эквивалентную схему электрического нагревательного кабеля 100. Резистор R_1-2 обозначает эквивалентное сопротивление между первым проводником 1 и вторым проводником 2. Резистор R_2-3 обозначает эквивалентное сопротивление между вторым проводником 2 и третьим проводником 3. Резистор R_1-3 обозначает эквивалентное сопротивление между первым проводником 1 и третьим проводником 3. Для простоты, сопротивления самих проводников 1, 2, 3 не принимаются в расчет, и сопротивления резисторов R_1-2, R_2-3 и R_1-3 интерпретируются как являющиеся результатом сопротивления только тела 7. Должно быть понятно, что если кабель 100 сбалансирован, сопротивления R_1-2, R_2-3 и R_1-3 должны быть по существу равны друг другу. Таким образом, кабель 100 будет иметь электропроводные пути с равным сопротивлением по трем проводникам 1, 2, 3 и соответственно будет потреблять равные токи из каждой фазы трехфазного источника питания. Поэтому, сопротивления R_1-2, R_2-3 и R_1-3 обеспечивают хорошее указание того, сбалансирован ли кабель 100.

Если в кабеле 100, слой 11 опущен, было обнаружено, что сопротивление R_1-3 приблизительно в два раза больше, чем сопротивление R_1-2 или R_2-3. Это так, поскольку сопротивления R_1-2, R_2-3 и R_1-3 являются результатом сопротивления тела 7, и предполагая, что материал тела 7 имеет постоянное удельное сопротивление, длина проводящего пути между первым проводником 1 и третьим проводником 3 приблизительно в два раза больше длины проводящих путей между вторым проводником 2 и каждым из первого и третьего проводников 1, 3. Поэтому, кабель 100 будет не сбалансирован без слоя 11.

Слой электроизолирующего материала 11, таким образом, обеспечен, чтобы уменьшать дисбаланс кабеля 100 и, предпочтительно, чтобы балансировать нагревательный кабель для использования с трехфазным источником питания.

Фиг. 4 изображает вид сбоку с местным разрезом кабеля 100 между линиями A-A’ и B-B’ местного разреза.

Как показано на фиг. 4, второй проводник 2 проходит вдоль оси V и имеет поверхность 4, покрытую телом 7 (т.е., заделанную в него). Поверхность 4 является внешней окружной поверхностью второго проводника 2 и полностью заключена в тело 7. Ось V проходит вдоль длины второго проводника 2 и также проходит вдоль длины кабеля 100.

Как описано выше, второй проводник 2 может выступать из концов тела 7 и поэтому может иметь длину больше, чем длина тела 7 вдоль оси V. В этом случае, поверхность 4, которая покрыта телом 7, является частью всей внешней окружной поверхности второго проводника 2.

Как дополнительно показано на фиг. 4, слой 11 обеспечен спирально вокруг второго проводника 2. Поэтому слой 11 обеспечен между поверхностью 4 второго проводника 2 и телом 7. Слой 11 не покрывает поверхность 4 второго проводника 2 полностью, а вместо этого покрывает только часть поверхности 4.

В частности, в иллюстрации на фиг. 4, слой 11 покрывает множество секций 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, 5-5 (упоминаемых совместно как “секции 5”) поверхности 4 и не покрывает множество секций 6-1, 6-2, 6-3, 6-4, 6-5 (упоминаемых совместно как “секции 6”) поверхности 4. Покрытые секции 5 и непокрытые секции 6, перечисленные выше, очевидно не являются исчерпывающими и использованы здесь только как пример для простоты описания. Покрытые секции 5 и непокрытые секции 6 чередуются вдоль оси V, так что каждая покрытая секция находится между двумя непокрытыми секциями, и наоборот. Каждая из покрытых секций 5 имеет единичную длину L1 вдоль оси V. Каждая из непокрытых секций 6 имеет единичную длину L2 вдоль оси V. В этом примере, единичная длина L1 и единичная длина L2 равны. Таким образом, путем обеспечения слоя 11 вдоль длины второго проводника 2, так что покрытые секции 5 и непокрытые секции 6 распределены равномерно, слой 11 покрывает приблизительно 50% площади поверхности 4.

Должно быть понятно, что хотя покрытые секции 5 изображены как отделенные друг от друга на фиг. 4, смежные секции из покрытых секций 5 в действительности соединены друг с другом на противоположной стороне второго проводника 2 (не показано на фиг. 4), так что покрытые секции 5 формируют непрерывную спиральную форму вокруг второго проводника 2. Как показано на фиг. 4, спиральная форма, сформированная слоем 11, имеет шаг P1. Длина шага P1 равна сумме единичной длины L1 и единичной длины L2. Угол спирали (т.е., угол между каждой из покрытых секций 5 и осью V) слоя 11 обычно может быть между 30° и 60°.

Поскольку секции 5 поверхности 4 покрыты слоем 11, секции 5 электрически изолированы от тела 7 слоем 11. Секции 6, которые не покрыты слоем 11, остаются в электрическом соединении с телом 7. Поэтому слой 11 эффективно уменьшает электропроводную область второго проводника 2. Без слоя 11, электропроводная область равна 100% площади поверхности 4. Со слоем 11 покрытие составляет приблизительно 50% площади поверхности 4, электропроводная область уменьшается до примерно 50% площади поверхности 4.

Было обнаружено, что электропроводная область второго проводника 2 влияет на эквивалентные сопротивления R_1-2, R_2-3 между вторым проводником 2 и первым и третьим проводниками 1, 3, как описано более подробно ниже.

Фиг. 5 показывает принципиальную схему, моделирующую электрические соединения между первым проводником 1, вторым проводником 2 и третьим проводником 3.

На принципиальной схеме, каждый из проводников 1, 2, 3 виртуально разделен на десять примерных проводящих секций вдоль длины кабеля 100, которые соответствуют секциям 5-1, 6-1, 5-2, 6-2, 5-3, 6-3, 5-4, 6-4, 5-5, 6-5 проводника 2, показанным на фиг. 4.

Как описано выше, сопротивления проводников 1, 2, 3 значительно меньше, чем сопротивление тела 7, и поэтому сопротивления проводников 1, 2, 3 не принимаются в расчет на принципиальной схеме на фиг. 5.

Как показано на фиг. 5, пять электрических путей существуют между непокрытыми секциями 6-1, 6-2, 6-3, 6-4, 6-5 второго проводника 2 и соответствующими секциями каждого из первого и третьего проводников 1, 3. Сопротивление каждого пути между проводниками 1 и 2 обозначено как r_a, и сопротивление каждого пути между проводниками 2 и 3 обозначено как r_b. Электрические пути обеспечены телом 7, и поэтому, предполагая, что материал тела 7 является однородным, все электрические пути имеют одинаковое удельное сопротивление. Учитывая, что проводники 1, 3 одинаково разнесены от проводника 2, как описано выше, сопротивление r_a по существу равно сопротивлению r_b. Отсутствует электрический путь, исходящий от покрытых секций 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, 5-5 проводника 2, поскольку эти секции покрыты слоем 11. Поскольку пути между вторым проводником 2 и каждым из первого и третьего проводников 1, 3 параллельны, эквивалентное сопротивление R_1-2 между вторым проводником 2 и первым проводником 1 приблизительно равно r_a, деленому на пять, и эквивалентное сопротивление R_2-3 между вторым проводником 2 и третьим проводником 3 приблизительно равно r_b, деленому на пять.

На электрические соединения между первым проводником 1 и третьим проводником 3 не влияет слой 11, который обеспечен только на втором проводнике 2. Поэтому, как показано на фиг. 5, существуют десять электрических путей между ними, при этом сопротивление каждого пути обозначено как r_c. При десяти параллельных путях эквивалентное сопротивление R_1-3 между первым проводником 1 и третьим проводником 3 приблизительно равно r_c, деленому на десять. Однако, поскольку длина каждого электрического пути между проводниками 1, 3 приблизительно в два раза больше, чем длина каждого электрического пути между проводниками 1, 2 (или между проводниками 2, 3), сопротивление r_c приблизительно в два раза больше, чем сопротивление r_a или r_b. Поэтому, со слоем 11, R_1-2, R_2-3 и R_1-3 имеют по существу равное сопротивление. То есть, кабель 100 сбалансирован вследствие слоя 11.

Должно быть понятно, что принципиальная схема, показанная на фиг. 5, использована только для пояснения того, почему слой 11 уменьшает дисбаланс кабеля 100, и не должна быть ограничена какой-либо теорией. Принципиальная схема, показанная на фиг. 5, не предназначена для использования в качестве точной модели электрических соединений между проводниками 1, 2, 3.

В свете изложенного выше, при расположении слоя 11, чтобы покрывать приблизительно 50% поверхности 4 второго проводника 2, второй проводник 2 имеет меньшую проводящую область для электрического связывания с каждым из первого и третьего проводников 1, 3 через тело 7. В частности, проводящая область второго проводника 2 уменьшается до приблизительно 50% всей площади поверхности 4. Соответственно, из-за уменьшения проводящей области второго проводника 2, электрические сопротивления R_1-2, R_2-3 между вторым проводником 2 и каждым из первого и третьего проводников 1, 3 приблизительно в два раза больше, чем их исходные значения, когда слой 11 не обеспечен. Таким образом, слой 11 удвоил электрические сопротивления R_1-2, R_2-3 до приблизительно того же самого уровня, что и электрическое сопротивление R_1-3, тем самым балансируя кабель 100 и улучшая эффективность кабеля 100.

Без ограничения какой-либо теорией, считается, что если область слоя 11 увеличена, чтобы покрывать большую долю поверхности 4 второго проводника 2, второй проводник 2 имеет меньшую проводящую область для электрического связывания с первым и третьим проводниками 1, 3 через тело 7. Соответственно, сопротивление между вторым проводником 2 и каждым из первого и третьего проводников 1, 3 будет увеличиваться. И наоборот, сопротивление между вторым проводником 2 и каждым из первого и третьего проводников 1, 3 будет уменьшаться при сокращении области слоя 11, чтобы покрывать меньшую долю поверхности 4 второго проводника 2. Таким образом, электрическое сопротивление между вторым проводником 2 и каждым из первого и третьего проводников 1, 3 может легко регулироваться до желательного уровня просто путем регулировки области слоя 11.

Единичная длина L1 покрытых секций 5 составляет между примерно 2 мм и примерно 3 мм. Разумеется, должно быть понятно, что единичная длина L1, при необходимости, может быть другого размера.

Единичная длина L1 покрытых секций 5 может быть меньше, чем каждое из первого расстояния между вторым проводником 2 и первым проводником 1 и второго расстояния между вторым проводником 2 и третьим проводников 3. Как описано выше, вследствие слоя 11, отсутствуют электрические пути, исходящие от покрытых секций 5 к областям тела 7, непосредственно смежным с секциями 5. Поэтому, области тела 7, непосредственно смежные с секциями 5, проводят только очень ограниченную величину электрического тока при использовании и имеют тенденцию генерировать меньше тепла, чем области тела 7, непосредственно смежные с непокрытыми секциями 6. Уменьшение единичной длины L1 покрытых секций 5 относительно первого и второго расстояний облегчает теплопередачу между областями тела 7, непосредственно смежными с секциями 5, и областями тела 7, непосредственно смежными с непокрытыми секциями 6, и позволяет теплу, генерируемому телом 7, равномерно распространяться вдоль длины кабеля 100. Таким образом, температурные флуктуации вдоль длины кабеля 100, вызванные слоем 11, минимизируются, и тепловыделение вдоль оси V кабеля 100, является по существу однородным. В частности, если единичная длина L1 покрытых секций 5 намного меньше, чем каждое из первого и второго расстояния, температурные флуктуации могут считаться пренебрежимо малыми.

Слой 11 может быть выполнен из любого подходящего электроизолирующего материала, такого как, но без ограничения, полимеры, компаунды и т.д., и может наноситься на второй проводник 2 любым подходящим способом, не ограниченным двумя примерами, обеспеченными ниже.

Слой 11 может иметь удельное сопротивление по меньшей мере в 10 раз больше, чем удельное сопротивление тела 7. Было обнаружено, что когда слой 11 является в 10 раз более резистивным, чем тело 7, фазовый дисбаланс в кабеле 100 уменьшается на 90%. Повышение удельного сопротивления слоя 11 выгодно для дальнейшего улучшения баланса в кабеле 100. В идеале, слой 11 может иметь удельное сопротивление по меньшей мере в 10¹⁰ раз больше, чем удельное сопротивление тела 7. В одном примере, тело 7 имеет удельное сопротивление порядка около 10³-10⁴ Ω⋅м, и слой 11 имеет удельное сопротивление порядка около 10¹⁵-10¹⁶ Ω⋅м.

В одном примере, электроизолирующий лак может использоваться, чтобы сформировать слой 11. Изолирующий лак может наноситься на второй проводник 2 с использованием кисти. Путем вращения кисти вокруг второго проводника 2 и в то же время перемещения кисти вдоль оси V второго проводника 2, на поверхности 4 второго проводника 2 формируется спиралеобразное покрытие типа слоя 11. Спиралеобразное покрытие может дополнительно подвергаться полному отверждению (и последующему отверждению при необходимости) перед заделкой второго проводника 2 в тело 7. Альтернативно, вместо использования кисти, может использоваться распылительная головка, чтобы наносить изолирующий лак на поверхность 4 второго проводника 2. Распылительная головка может вращаться вокруг второго проводника 2 при перемещении вдоль длины второго проводника 2, чтобы формировать слой 11. Распылительная головка, используемая для формирования слоя 11, может представлять собой головку для импульсного периодического распыления. Единичная длина L1 и единичная длина L2 могут иметь длину примерно 0,5 мм. Поэтому равномерность тепловыделения вдоль оси V кабеля 100 может быть дополнительно улучшена с использованием распылительной головки для нанесения слоя 11. Дополнительно, электроизолирующая глазурь или краска может использоваться для формирования слоя 11.

В другом примере, электроизолирующая лента, которая может быть опционально снабжена адгезивным слоем, может использоваться для формирования слоя 11. Электроизолирующая лента может оборачиваться по спирали вокруг второго проводника 2 для покрытия части (например, 50%) поверхности 4 второго проводника 2, перед заделкой второго проводника 2 в тело 7. Ширина электроизолирующей ленты может составлять примерно 2 мм. Пластиковые листы, такие как, например, Mylar^™ и Kapton^™, могут использоваться для формирования электроизолирующей ленты. Удобно наносить электроизолирующую ленту, выполненную из таких пластиковых листов, на проводник 2, а также относительно легко удалять такую ленту с проводника 2 (например, чтобы соединить проводник 2 с источником питания). Если предусмотрен адгезивный слой, то адгезивный слой может учитываться для формирования промежуточного слоя между слоем 11 и вторым проводником 2.

В вышеописанном варианте осуществления, проводники 1, 2, 3 заделаны в тело 7. Однако, возможны альтернативные компоновки. Например, первая часть тела 7 может проходить вдоль кабеля 100 между проводниками 1, 2 и электрически связывать их; вторая и третья части тела 7 могут проходить между проводниками 1, 3 и проводниками 2, 3. То есть, тело 7 может не полностью окружать каждый из проводников. Однако предпочтительно, чтобы проводники 1, 2, 3 были заделаны в тело 7, чтобы обеспечивать создание одинаковых электрических соединений между каждым из проводников 1, 2, 3.

Дополнительно, в вышеописанном варианте осуществления, проводники 1, 2, 3 находятся по существу в планарной компоновке, с проводниками 1, 3, одинаково разнесенными от проводника 2. Однако должно быть понятно, что возможны альтернативные компоновки. Например, проводники 1, 3 могут быть разнесены от проводника 2 на разные расстояния. В дополнительном примере, проводники 1, 2, 3 могут не лежать в одной и той же плоскости, а вместо этого могут находиться в треугольной компоновке на виде в поперечном сечении кабеля 100. Поскольку расстояния между каждой парой проводников 1, 2, 3 не равны, для кабеля 100 имеет место та же самая проблема дисбаланса, как описано выше, и слой 11 будет выгодным для снижения дисбаланса кабеля 100.

Однако предпочтительно, чтобы проводники 1, 2, 3 находились по существу в планарной компоновке, которая позволяет кабелю 100 иметь относительно плоскую форму поперечного сечения, что увеличивает площадь контакта между кабелем 100 и заготовкой, подлежащей нагреву. Таким образом, кабель 100 высоко эффективен в передаче тепла к заготовке. Дополнительно, когда проводники 1, 2, 3 находятся по существу в планарной компоновке, кабель 100 имеет тенденцию быть более гибким, чем в случае, когда проводники 1, 2, 3 находятся в другой компоновке, например, треугольной компоновке, более простым для установки вокруг заготовки, подлежащей нагреву. Соответственно, изгибные напряжения, генерируемые в кабеле 100 во время установки, также уменьшаются, и соответственно преждевременный выход из строя кабеля 100 снижается или предотвращается.

Также должно быть понятно, что слой 11 может покрывать долю площади поверхности 4, отличную от 50%, как описано выше, чтобы сбалансировать кабель 100, в зависимости от конкретной компоновки проводников 1, 2, 3. Например, в планарной компоновке проводников 1, 2, 3, изображенной на фиг. 1 и 2, если диаметр проводников 1, 2, 3 того же (или аналогичного) порядка, что и первое расстояние между проводниками 1, 2 или второе расстояние между проводниками 2, 3, то длина проводящего пути, сформированного телом 7 между проводниками 1, 3, будет неизбежно длиннее, чем двукратная длина проводящих путей, сформированных телом 7 между проводником 2 и каждым из проводников 1, 3. Соответственно, чтобы сбалансировать кабель, слой 11 должен предпочтительно покрывать более 50% площади поверхности 4 для увеличения электрических сопротивлений R_1-2, R_2-3 более чем в два раза по сравнению с их исходными значениями, когда слой 11 не предусмотрен. Чтобы изменять долю покрытия слоя 11, единичную длину L1 покрытых секций 5 на поверхности 4 можно, например, регулировать, чтобы она отличалась от единичной длины L2 непокрытых секций 6.

Также должно быть понятно, что слой электроизолирующего материала, аналогичный слою 11, может быть также обеспечен на одном или обоих проводниках 1, 3, так что более одного проводника 1, 2, 3 покрывается электроизолирующим материалом. Покрытие более чем одного из проводников может быть желательным, если, например, расстояния между проводниками 1, 2, 3 все отличаются друг от друга, чтобы минимизировать дисбаланс нагрузки среди проводников 1, 2, 3.

Разумеется, в общих терминах, можно манипулировать сопротивлением между множеством проводников электропитания в нагревательном кабеле для получения предопределенных значений путем нанесения слоя электроизолирующего материала на один или более из этих проводников, слой(и) конфигурируется, чтобы загораживать часть электропроводной области одного или более проводников.

Было обнаружено, что, в некоторых обстоятельствах, нанесение слоя(ев) электроизолирующего материала вокруг проводника(ов) достигает лучшего результата, чем нанесение слоя(ев) электропроводного материала вокруг проводника(ов), при этом электропроводный материал имеет более высокое электрическое удельное сопротивление, чем у материала тела 7.

В частности, высокорезистивный электропроводный материал может быть обеспечен для покрытия проводника(ов), чтобы манипулировать сопротивлением между проводниками так, чтобы уменьшить дисбаланс нагрузки нагревательного кабеля. Однако этот способ может быть менее выгодным, чем варианты осуществления, описанные выше. Во-первых, слой высокорезистивного электропроводного материала может потребовать существенного объема пространства в кабеле, чтобы уменьшить дисбаланс нагрузки, при этом покрытый проводник имеет меньший диаметр чтобы разместить резистивный слой (для кабеля с фиксированными внешними размерами). Покрытый проводник может, таким образом, иметь меньшую площадь поперечного сечения, чем непокрытые проводники. Чтобы проводники имели одинаковую площадь поперечного сечения, все проводники должны быть уменьшены в размере, чтобы освободить пространство для слоя высокорезистивного электропроводного материала. Ввиду уменьшенной площади поперечного сечения проводников, падение напряжения на единице длины кабеля повышается, и максимальная длина кабеля, которая может запитываться от конкретного источника питания, существенно уменьшается.

Во-вторых, сопротивление каждого из высокорезистивного электропроводного материала и тела 7 электропроводного нагревательного элемента может быть чувствительно к вариациям температуры (например, иметь характеристику PTC). Однако должно быть понятно, что характеристики сопротивления высокорезистивного электропроводного материала и тела электропроводного нагревательного элемента могут отличаться, и относительное удельное сопротивление двух материалов может, таким образом, изменяться как функция температуры. Вариации температуры могут, таким образом, приводить к ухудшению сбалансированного состояния кабеля, когда сбалансированность достигнута слоем высокорезистивного электропроводного материала в конкретной точке или диапазоне температуры.

С другой стороны, слой электроизолирующего материала имеет по существу нечувствительные к температуре электрические характеристики. Поэтому, со слоем электроизолирующего материала, кабель может оставаться сбалансированным все время, не подвергаясь влиянию вариаций температуры. Дополнительно, слой(и) электроизолирующего материала может быть относительно тонким (например, между 0,05 мм и 0,1 мм) и поэтому не будет занимать большой объем пространства в кабеле. Напротив, высокорезистивный электропроводный материал обычно требует толщины примерно от 0,2 мм до 0,5 мм. Более того, процесс нанесения слоя(ев) электроизолирующего материала вокруг проводника(ов) является легко управляемым с использованием, например, иллюстративных методов, описанных выше.

Первое расстояние и второе расстояние, описанные выше, могут определяться с учетом уровня напряжения источника питания, с которым соединен кабель 100. Как описано выше, сопротивление R_1-2 обычно пропорционально первому расстоянию, и сопротивление R_2-3 обычно пропорционально второму расстоянию. Если проводники 1, 2, 3 соединены с источником питания, который имеет высокий уровень напряжения, то большой ток будет протекать через тело 7, и существует риск того, что большой ток приведет к пробою тела 7. Если тело 7 выполнено из полимерного материала, описанного выше, было обнаружено, что каждый миллиметр тела 7 между парой проводников может обычно выдерживать эффективное (среднеквадратичное) напряжение около 100 В. Поэтому, если кабель 100 соединен с трехфазным источником питания, который обеспечивает эффективное напряжение до 600 В по любым двум фазам, то каждое из первого расстояния и второго расстояния составляет предпочтительно примерно от 5 мм до 6 мм. Должно быть понятно, что если кабель 100 соединен с источником питания, выводящим более низкое напряжение, то первое расстояние и второе расстояние могут быть уменьшены соответственно.

В вышеописанном варианте осуществления, слой 11 формирует одну непрерывную спираль вокруг второго проводника 2. Должно быть понятно, что слой 11 может быть сформирован вокруг второго проводника 2 иным образом. Например, слой 11 может формировать множество спиралей вокруг второго проводника 2 вдоль оси V. В частности, слой 11 может содержать множество частей, разнесенных вдоль оси V. Каждая часть оборачивается вокруг второго проводника 2 для формирования спирали, имеющей конкретный шаг. Смежные части слоя 11 вдоль оси V могут быть полностью разделены или могут быть соединены друг с другом посредством, например, электроизолирующего материала. Фиг. 6 иллюстрирует другой пример слоя электроизолирующего материала. На фиг. 4 и 6, подобные компоненты обозначены подобными ссылочными позициями. Как показано на фиг. 6, слой электроизолирующего материала 11’ формирует множество колец 5-1’, 5-2’, 5-3’, 5-4’, 5-5’, разнесенных друг от друга вдоль оси V. Соседние кольца отделены секциями 6-1’, 6-2’, 6-3’, 6-4’, 6-5’, которые не покрыты слоем 11’. Каждая из непокрытых секций также имеет форму кольца. Каждое кольцо имеет длину L1’ вдоль оси V. Каждая непокрытая секция имеет длину L2’ вдоль оси. Должно быть понятно, что независимо от конкретной формы слоев 11, 11’, каждый из слоев 11, 11’ покрывает только часть поверхности 4, и путем регулировки доли покрытия каждого из слоев 11, 11’ на поверхности 4, электрическое сопротивление между проводником 2 и проводниками 1, 3 регулируются соответственно, как описано выше.

Должно быть понятно, что проводники 1, 2, 3 и тело 7 могут быть выполнены из любых подходящих материалов, без ограничения примерами, описанными выше. Дополнительно, должно быть понятно, что тело 7 может иметь температурный коэффициент сопротивления, отличный от коэффициента, описанного выше. Например, тело 7 может быть выполнено из смешанного материала, имеющего отрицательный температурный коэффициент сопротивления, когда температура является низкой, и имеющего положительный температурный коэффициент сопротивления, когда температура является высокой. Пример такого смешанного материала описан в WO 2007/132256 A1.

В одном примере, кабель 100 может иметь выходную мощность примерно 10 Ватт на метр длины (10 В/м) на фазу, тем самым достигая общей выходной мощности примерно 30 В/м ввиду своей трехфазной конфигурации. Если поперечный размер каждого из проводников 1, 2, 3 составляет около 1,2 мм², и стандартное сетевое напряжение 230 В используется в качестве источника питания, максимальная длина цепи кабеля 100 может достигать примерно 300 метров. Должно быть понятно, что если применяется источник питания высокого напряжения (такой как источники питания, обычно используемые в промышленных применениях), кабель 100 может достигать более длинной максимальной длины цепи порядка километра. Трубы, используемые между промышленными установками, обычно могут иметь длину от нескольких сотен метров до нескольких километров (например, 600 м или 2 км). Поэтому кабель 100 имеет повышенную пригодность для использования в крупномасштабных промышленных применениях.

Кабель 100, описанный выше, может быть более эффективен, чем однофазный нагревательный кабель. Однофазный нагревательный кабель обычно включает в себя пару проводников, проходящих параллельно вдоль длины кабеля, с электропроводным полимерным материалом (например, телом 7), обеспеченным между парой проводников. Чтобы однофазный нагревательный кабель обеспечивал ту же самую выходную мощность примерно 30 В/м с проводниками одинакового поперечного размера и с тем же самым источником питания 230 В, ток, протекающий через однофазный нагревательный кабель, должен быть в три раза больше, чем ток, протекающий через каждую фазу кабеля 100. Соответственно, падение напряжения на проводниках однофазного нагревательного кабеля также утраивается, и поэтому максимальная длина цепи однофазного нагревательного кабеля ограничена примерно 100 метрами. Чтобы повысить максимальную длину цепи однофазного нагревательного кабеля до 300 метров с тем же самым источником питания, необходимо утроить поперечный размер каждого из пары проводников путем использования более проводящего материала. Поэтому, по сравнению с однофазным нагревательным кабелем, кабель 100 может передавать эквивалентную величину мощности на однофазную эквивалентную установку с менее проводящим материалом и поэтому более эффективен для достижения длины цепи, удовлетворяющей требованиям длины для нагревательных кабелей в промышленных применениях (в частности, крупномасштабных промышленных применениях).

Кабель 100, описанный выше, также имеет лучшие характеристики, чем традиционная трехфазная последовательная компоновка резистивного нагревательного кабеля. Традиционная трехфазная последовательная компоновка резистивного нагревательного кабеля обычно включает в себя три проводника, проходящие параллельно вдоль длины кабеля, причем три проводника заделаны, каждый, в отдельное тело электроизолирующего материала. Удаленные концы трех проводников электрически соединены вместе для формирования узловой точки. При использовании, концы проводников, противоположные узловой точке, отдельно соединены с тремя фазами трехфазного источника питания. В последовательном резистивном нагревательном кабеле, именно проводники генерируют тепло, выводимое кабелем 100, а не какой-либо материал, обеспеченный между проводниками.

Хотя последовательная компоновка резистивного нагревательного кабеля может достигать длины цепи в несколько километров, она не может самостоятельно регулировать свою температуру так, как это делает кабель 100 (ввиду положительного температурного коэффициента сопротивления тела 7), и поэтому требует дополнительного температурного контроля, чтобы гарантировать температурную безопасность. Дополнительно, вследствие того факта, что удаленные концы трех проводников электрически соединены вместе, последовательная компоновка резистивного нагревательного кабеля не может нарезаться на требуемую длину при использовании и обычно предоставляется с фиксированной длиной. Более того, часто необходимо модифицировать проект последовательной компоновки резистивного нагревательного кабеля, например, путем модификации длины и/или площади поперечного сечения каждого проводника, чтобы обеспечивать возможность использования последовательного резистивного нагревательного кабеля в конкретном применении. Поэтому последовательный резистивный нагревательный кабель обычно проектируется на длину, и может быть сложно использовать один проект последовательного резистивного нагревательного кабеля для разных применений.

Напротив, кабель 100 может удобно нарезаться на требуемую длину при использовании, посредством удаления, например, длины на удаленном конце кабеля 100. Дополнительно, проводники 1, 2, 3 кабеля 100 используются для передачи электрической мощности на тело 7, но не используются для генерирования тепла. Поэтому, поскольку сопротивления проводников 1, 2, 3 контролируются, чтобы быть относительно малыми, можно использовать конкретный проект кабеля 100 для множества применений. В результате, кабель 100 может гибко использоваться для широкого диапазона разных применений и не требует повторного проектирования для каждого применения.

Как показано на фиг. 2, слой 11 находится в контакте с поверхностью второго проводника 2 и дополнительно находится в контакте с телом 7. Однако должно быть понятно, что не требуется, чтобы слой 11 находился в непосредственном контакте с поверхностью второго проводника 2. Аналогично, не требуется, чтобы слой 11 находился в контакте с телом 7. Например, первый промежуточный слой может быть обеспечен между слоем 11 и поверхностью второго проводника 2. Первый промежуточный слой может содержать адгезивный слой, который способствует приклеиванию слоя 11 к поверхности второго проводника 2. Дополнительно, первый промежуточный слой может содержать слой электропроводного материала, который электрически связан со вторым проводником 2. Аналогично, второй промежуточный слой может быть обеспечен между слоем 11 и телом 7. Второй промежуточный слой может содержать слой электропроводного материала, который электрически связан с телом 7.

В то время как различные варианты осуществления были описаны выше, должно быть понятно, что эти варианты осуществления приведены для всех целей в качестве примера, а не для ограничения. Различные модификации могут выполняться в описанных вариантах осуществления без отклонения от объема настоящего изобретения.

Электрический нагревательный кабель (100) содержит первый проводник (1) электропитания, второй проводник (2) электропитания и третий проводник (3) электропитания. Каждый из первого, второго и третьего проводников (1, 2, 3) электропитания проходит вдоль длины кабеля (100). Электрический нагревательный кабель (100) дополнительно содержит тело (7) электропроводного нагревательного элемента, причем первый, второй и третий проводники (1, 2, 3) электропитания электрически связаны друг с другом через тело (7) электропроводного нагревательного элемента. Второй проводник (2) электропитания обеспечен слоем электроизолирующего материала (11), который покрывает только часть поверхности (4) второго проводника (2) электропитания. Слой (11) обеспечен между поверхностью (4) второго проводника (2) электропитания и телом (7) электропроводного нагревательного элемента, причем слой электроизолирующего материала выполнен с возможностью ограничивать долю поверхности второго проводника электропитания, которая электрически связана с телом электропроводного нагревательного элемента так, что площадь поверхности второго проводника электропитания, которая не покрыта слоем электроизолирующего материала, меньше, чем каждая из следующего: площадь поверхности первого проводника электропитания, которая электрически связана с телом электропроводного нагревательного элемента, и площадь поверхности третьего проводника электропитания, которая электрически связана с телом электропроводного нагревательного элемента. Изобретение обеспечивает создание электрического нагревательного кабеля, такого как трехфазный электрический нагревательный кабель, в котором снижен дисбаланс нагрузки по трем фазам кабеля. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электрический нагревательный кабель, содержащий:

первый проводник электропитания;

второй проводник электропитания;

третий проводник электропитания, причем каждый из первого, второго и третьего проводников электропитания проходит вдоль длины кабеля, причем второй проводник электропитания разнесен от первого проводника электропитания на первое расстояние, второй проводник электропитания разнесен от третьего проводника электропитания на второе расстояние, первый проводник электропитания разнесен от третьего проводника электропитания на третье расстояние и при этом третье расстояние больше, чем первое расстояние и второе расстояние;

тело электропроводного нагревательного элемента, причем первый, второй и третий проводники электропитания электрически связаны друг с другом через тело электропроводного нагревательного элемента;

причем второй проводник электропитания обеспечен слоем электроизолирующего материала, который покрывает только часть поверхности второго проводника электропитания, причем упомянутый слой обеспечен между поверхностью второго проводника электропитания и телом электропроводного нагревательного элемента,

причем слой электроизолирующего материала выполнен с возможностью ограничивать долю поверхности второго проводника электропитания, которая электрически связана с телом электропроводного нагревательного элемента так, что площадь поверхности второго проводника электропитания, которая не покрыта слоем электроизолирующего материала, меньше, чем каждая из следующего: площадь поверхности первого проводника электропитания, которая электрически связана с телом электропроводного нагревательного элемента, и площадь поверхности третьего проводника электропитания, которая электрически связана с телом электропроводного нагревательного элемента.

2. Электрический нагревательный кабель по п. 1, причем первый, второй и третий проводники электропитания заделаны в тело электропроводного нагревательного элемента.

3. Электрический нагревательный кабель по любому из предшествующих пунктов, причем первый, второй и третий проводники электропитания не соединены непосредственно друг с другом.

4. Электрический нагревательный кабель по любому из предшествующих пунктов, причем первый, второй и третий проводники электропитания проходят вдоль друг друга по существу в планарной компоновке.

5. Электрический нагревательный кабель по п. 4, причем второй проводник электропитания расположен между первым и третьим проводниками электропитания.

6. Электрический нагревательный кабель по п. 4 или 5, причем первый и третий проводники электропитания одинаково разнесены от второго проводника электропитания.

7. Электрический нагревательный кабель по любому из предшествующих пунктов, причем слой электроизолирующего материала покрывает по существу 50% поверхности второго проводника электропитания.

8. Электрический нагревательный кабель по любому из предшествующих пунктов, причем поверхность второго проводника электропитания содержит множество первых секций и множество вторых секций, расположенных поочередно вдоль длины второго проводника электропитания, причем множество первых секций покрыты слоем электроизолирующего материала, а множество вторых секций не покрыты слоем электроизолирующего материала.

9. Электрический нагревательный кабель по п. 8, причем каждая из множества первых секций имеет единичную длину вдоль длины второго проводника электропитания, и причем единичная длина меньше, чем каждое из расстояния между вторым проводником электропитания и первым проводником электропитания и расстояния между вторым проводником электропитания и третьим проводником электропитания.

10. Электрический нагревательный кабель по любому из предшествующих пунктов, причем слой электроизолирующего материала содержит покрытие из электроизолирующего лака, глазури или краски.

11. Электрический нагревательный кабель по любому из пп. 1-9, причем слой электроизолирующего материала содержит слой электроизолирующей ленты.

12. Электрический нагревательный кабель по любому из предшествующих пунктов, причем по меньшей мере часть слоя электроизолирующего материала обеспечена спирально вокруг второго проводника электропитания.

13. Электрический нагревательный кабель по любому из пп. 1-11, причем слой электроизолирующего материала содержит множество колец, разнесенных друг от друга вдоль длины кабеля.

14. Электрический нагревательный кабель по любому из предшествующих пунктов, причем тело электропроводного нагревательного элемента имеет положительный температурный коэффициент сопротивления.

15. Электрический нагревательный кабель по любому из предшествующих пунктов, причем слой электроизолирующего материала не предоставлен между поверхностью первого проводника электропитания и телом электропроводного нагревательного элемента или между поверхностью третьего проводника электропитания и телом электропроводного нагревательного элемента.

16. Способ изготовления электрического нагревательного кабеля, содержащий:

обеспечение первого проводника электропитания, второго проводника электропитания и третьего проводника электропитания, причем второй проводник электропитания разнесен от первого проводника электропитания на первое расстояние, второй проводник электропитания разнесен от третьего проводника электропитания на второе расстояние, первый проводник электропитания разнесен от третьего проводника электропитания на третье расстояние и при этом третье расстояние больше, чем первое расстояние и второе расстояние;

покрытие только части поверхности второго проводника электропитания электроизолирующим материалом; и

обеспечение тела электропроводного нагревательного элемента,

причем каждый из первого, второго и третьего проводников электропитания проходит вдоль длины кабеля, и они электрически связаны друг с другом через тело электропроводного нагревательного элемента, и причем электроизолирующий материал обеспечен между поверхностью второго проводника электропитания и телом электропроводного нагревательного элемента; и

причем слой электроизолирующего материала выполнен с возможностью ограничивать долю поверхности второго проводника электропитания, которая электрически связана с телом электропроводного нагревательного элемента так, что площадь поверхности второго проводника электропитания, которая не покрыта слоем электроизолирующего материала, меньше, чем каждая из следующего: площадь поверхности первого проводника электропитания, которая электрически связана с телом электропроводного нагревательного элемента, и площадь поверхности третьего проводника электропитания, которая электрически связана с телом электропроводного нагревательного элемента.

17. Способ изготовления электрического нагревательного кабеля по п. 16, дополнительно содержащий:

экструзию тела электропроводного нагревательного элемента поверх первого, второго и третьего проводников электропитания.

18. Способ изготовления электрического нагревательного кабеля по п. 16 или 17, причем электроизолирующий материал содержит одно из электроизолирующего лака, глазури или краски, и причем покрытие только части поверхности второго проводника электропитания содержит нанесение одного из электроизолирующего лака, глазури или краски только на часть поверхности второго проводника электропитания.

19. Способ изготовления электрического нагревательного кабеля по любому из пп. 16-18, причем покрытие только части поверхности второго проводника электропитания содержит распыление или нанесение кистью электроизолирующего материала на поверхность второго проводника электропитания.

20. Способ изготовления электрического нагревательного кабеля по п. 16 или 17, причем электроизолирующий материал содержит электроизолирующую ленту, и причем покрытие только части поверхности второго проводника электропитания содержит оборачивание электроизолирующей ленты вокруг только части поверхности второго проводника электропитания.

21. Способ изготовления электрического нагревательного кабеля по пп. 16-20, причем слой электроизолирующего материала не предоставлен между поверхностью первого проводника электропитания и телом электропроводного нагревательного элемента или между поверхностью третьего проводника электропитания и телом электропроводного нагревательного элемента.

22. Способ изготовления электрического нагревательного кабеля, содержащий:

обеспечение первого проводника электропитания, второго проводника электропитания и третьего проводника электропитания, причем второй проводник электропитания разнесен от первого проводника электропитания на первое расстояние, второй проводник электропитания разнесен от третьего проводника электропитания на второе расстояние, первый проводник электропитания разнесен от третьего проводника электропитания на третье расстояние и при этом третье расстояние больше, чем первое расстояние и второе расстояние;

покрытие только части поверхности второго проводника электропитания электроизолирующим материалом, причем процент покрытия электроизолирующего материала основан на первом расстоянии, втором расстоянии и третьем расстоянии, так что электрическое сопротивление между любой парой из первого, второго и третьего проводников электропитания через тело электропроводного нагревательного элемента является приблизительно одинаковым; и

встраивание первого, второго и третьего проводников электропитания в тело электропроводного нагревательного элемента.