КАБЕЛЬ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ САМОРЕГУЛИРУЮЩИЙСЯ Российский патент 2023 года по МПК H05B3/56 

Изобретение относится к электротехническим устройствам, а именно к нагревательным кабелям [H05B3/36, H05B3/56].

Из уровня техники известно НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО [RU2765481 опубл. 31.01.2022], содержащее саморегулирующуюся проводящую полимерную матрицу с двумя токопроводящими жилами, изоляцию, экранирующую оплетку, внешнюю оболочку, причем изоляция размещается между полимерной матрицей с токопроводящими жилами и экранирующей оплеткой, отличающееся тем, что содержит дополнительную нагревательную жилу, находящуюся в тепловой связи с матрицей.

Также из уровня техники известно НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО [RU235946 опубл. 11.011.2020], содержащее саморегулирующуюся греющую ленту, включающую две изолированные друг от друга токопроводящие жилы, размещенные в проводящей полимерной матрице, заключенной в полимерную изоляционную оболочку, отличающееся тем, что устройство содержит внешнюю металлическую гибкую броню из металлической полосы, при этом полоса имеет продольный паз, а край полосы имеет загиб для установки в указанный паз во время навива брони.

Также из уровня техники известен САМОРЕГУЛИРУЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ [RU358416, опубл. 10.06.2009], содержащий нагревательный элемент, проходящий в продольном направлении вдоль кабеля, причем элемент содержит полупроводник, имеющий положительный температурный коэффициент.

Наиболее близким по технической сущности является КАБЕЛЬ СИЛОВОЙ, СОДЕРЖАЩИЙ САМОРЕГУЛИРУЮЩИЙСЯ КАБЕЛЬ [RU202509 опубл. 20.02.2021], содержащий изолированные токопроводящие жилы, скрученные между собой, а также наружную оболочку, отличающийся тем, что в своей конструкции содержит саморегулирующийся нагревательный кабель с основой в виде полупроводниковой матрицы.

Основной технической проблемой аналогов и прототипа является отсутствие возможности создания радиального поля обогрева из-за конструкционных особенностей указанных кабелей - указанные в аналогах и прототипе конструкции могут обеспечить только создание несимметричного радиального поля обогрева. Также проведенный анализ выявил ограниченность использования вышеуказанных решений в условиях с низкой температурой окружающего воздуха, из-за ограниченного коэффициента пропорциональности в области отрицательных температур.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является обеспечение создания симметричного радиального поля обогрева нагревательного саморегулирующегося кабеля в условиях экстремально низких температур.

Указанный технический результат достигается за счет того, что кабель нагревательный саморегулирующийся состоит из коаксиально расположенных центрального проводника и кольцевого проводника, между которыми расположен кольцевой слой, который выполнен в виде электропроводящей термочувствительной полимерной матрицы из полиорганосилоксанового каучука со значением коэффициента термического сопротивления от 0,0035°С/Ом до 0,0045°С/Ом, поверх кольцевого проводника располагается электроизолирующая оболочка, выполненная из полиолефина со значением коэффициента термического расширения от 0,015°С/Вт до 0,025°С/Вт.

В частности, отношение радиусов центрального проводника и кольцевого проводника составляет значение r₂/r₁=е, где e - это основание натурального логарифма.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан общий вид кабеля нагревательного саморегулирующегося.

На фиг. 2 показан вид в разрезе кабеля нагревательного саморегулирующегося.

На фиг. обозначено: 1 - центральный проводник; 2 - кольцевой проводник; 3 - кольцевой слой; 4 - электроизолирующая оболочка.

Осуществление изобретения

Кабель нагревательный саморегулирующийся состоит из коаксиально расположенных центрального проводника 1 и кольцевого проводника 2. Центральный гибкий многожилестый проводник 1 имеет диаметр d₁. В варианте реализации центральный проводник 1 выполнен из витого медного никелированного провода. Кольцевой проводник 2 имеет диаметр d₂ и выполнен в виде оплетки из медных никелированных проводов с идентичным сопротивлением. Между центральным 1 и кольцевым 2 проводниками коаксиально расположен кольцевой слой 3. Кольцевой слой 3 выполнен в виде электропроводящей термочувствительной полимерной матрицы, состоящей из эластичной (в рабочем диапазоне температур) резины с введенными в её состав мелкодисперсными электропроводящими частицами сажи (или технического углерода, или мелкодисперсной меди). Кольцевой слой 3 имеет внутренний диаметр d₁=2r₁ (то есть диаметр центрального проводника 1) и внешний диаметр d₂=2r₂. (то есть диаметр кольцевого проводника 2).

В варианте реализации в качестве кольцевого слоя 3 может использоваться полимерная матрица из полиорганосилоксанового каучука с положительной вариацией электрического сопротивления матрицы в функции температуры нагрева в диапазоне от -10 до +200°С и отрицательной зависимостью мощности нагрева от температуры среды.

В варианте реализации в качестве кольцевого слоя 3 может использоваться полимерная матрица из полиорганосилоксанового каучука с добавкой до 10% (от массы полиорганосилоксанового каучука) диспергированного углерода (газовой сажи и технического углерода), или посеребрённого порошка меди, или порошка никеля, что обеспечивает номинальное (заданное) удельное электрическое сопротивление кольцевого слоя 3 на уровне 10³÷10⁶ Ом/см в широком диапазоне температур от -60 до +200°С. При этом обеспечивая в рабочем диапазоне температур нагрева -40÷+150°С значение коэффициента термического сопротивления (КТС) от 0,0035°С/Ом до 0,0045°С/Ом. В таком случае, соответственно, кольцевой слой 3 выполнен с возможностью изменения электрического сопротивления за счет изменения расстояния между частицами электропроводящей добавки.

Поверх кольцевого проводника 2 располощется электроизолирующая оболочка 4. Электроизолирующая оболочка 4 выполнена из материала с высоким значением коэффициента термического сопротивления. В частности, электроизолирующая оболочка 4 может быть выполнена из полиолефина типа полиэтилена высокого давления (ПЭВД), полипропилена (ПП), поли-4-метиллентена-1 (ПМП). Благодаря указанной реализации электроизолирующей оболочки 4 достигаются значения коэффициента термического расширения (КТР) от 0,015°С/Вт до 0,025°С/Вт.

В варианте реализации отношение радиусов центрального проводника 1 и кольцевого проводника 2 составляет значение r₂/r₁=е, где e - это основание натурального логарифма.

Изобретение используется следующим образом.

Нагрев кабеля производят при подключении к источнику питания, при этом принцип саморегулирования нагревательного кабеля в рамках заявленного решения основан на изменении удельного электрического сопротивления кольцевого слоя 3 при совместном протекании двух процессов:

- изменяется (в частности, уменьшается) удельное электрическое сопротивление кольцевого слоя 3 при уменьшении температуры в результате его термической усадки;

- изменяется (в частности, уменьшается) удельное электрическое сопротивление кольцевого слоя 3 при воздействии на него сжимающих напряжений от термической усадки внешнего слоя электроизолирующей оболочки 4 из полимера c высоким КТР.

Математическое обоснование технического результата.

Сопротивление кольцевого слоя 3 провода в дифференциальной форме, согласно закону Ома, имеет вид:

dR=ρ·dr /2πr·L,

где, ρ - удельное поверхностное электрическое сопротивление кольцевого слоя 3 (номинал при контрольной температуре, например +20°С), dr - толщина элементарного участка кольцевого слоя 3 диаметром r в направлении распространения радиального тока нагрева; 2πr·L - площадь кольцевого слоя 3 кабеля с текущим диаметром r и длиной L в направлении оси кабеля. В интегральной форме сопротивление коаксиального кабеля с фиксированной длиной L=Const определяется выражением.

Таким образом, значения удельного линейного электрического сопротивления кабеля определяется выражением:

ρ= R·2π L / ln r₂/r₁. R= |ρ·lnr₂/r₁|/2π·L.

Тогда, для кабеля единичной длины L=1см:

ρ= R₁·2π / ln r₂/r₁ |Ом·см|,

где R₁-сопротивление кабеля единичной длины.

Удельная мощность кабеля на единицу его длины P₁ |Вт/см| определяется выражением

P₁=U²/R₁= U² ln r₂/r₁ /2π ρ,

где U-напряжение питания |В|, соответственно, R₁= U²/ P₁

При среднем для нагревательных кабелей значении мощности 10 Вт/м, получаем P₁=0,1 Вт/см. При напряжении питания 220 В, получим R₁=220²/0,1≈5·10⁵ Ом·см. В частном случае, ln r₂/r₁=1, то есть при r₂/r₁=е=2,72≈3, получим значение номинального удельного сопротивления ρ= R₁·2π. То есть при напряжении питания U=220 В, кабель должен быть выполненным из композиции с удельным номинальным электрическим сопротивлением ρ=5·10⁵·2π≈3·10⁶ Ом·см. При соотношении r₂/r₁=5 и ln(r₂/r₁) =1,6, соответственно, ρ=3·10⁶/1,6≈2·10⁶ Ом·см. При соотношении r₂/r₁=6 и ln(r₂/r₁) =1,8, соответственно, ρ=3·10⁶/1,8≈1,7·10⁶ Ом·см.

При напряжении питания 12 В, соответственно, R₁= U²/P₁=144/0,1≈1,5·10³ Ом·см. Также при ln(r₂/r₁)=1, ρ=1,5·10³·2π≈10⁴ Ом·см. При соотношении r₂/r₁=4, соответственно, ln(r₂/r₁) =1,4, соответственно, ρ=1,5·10³·2π/1,4≈7·10³ Ом·см.

Из численных примеров следует, что требуемое удельное электрическое сопротивление матрицы незначительно изменяется при существенном увеличении диаметра кабеля, то есть соотношения r₂/r, в сравнении с ln r₂/r₁=1. С этих позиций увеличение диаметра кабеля свыше r₂/r₁=е не является целесообразным. Равным образом не целесообразно уменьшать толщину токопроводящей прослойки ниже определяемой указанным отношением, так как это может привести к диэлектрическому пробою полимерной матрицы, особо при питании переменным током.

Из приведенных выше зависимостей следует, что мощность нагрева находится в обратной пропорциональной зависимости от удельного номинального сопротивления (при +20°С) токопроводящей матрицы. При вариациях удельного сопротивления матрицы в функции температуры сохраняется указанная обратная зависимость мощности от температуры нагрева, что является основным условием саморегулирования предлагаемого нагревательного коаксиального кабеля.

Заявленный технический результат - создание симметричного радиального поля обогрева нагревательного саморегулирующегося кабеля в условиях экстремально низких температур достигается за счет реализации вышеописанной конструкции с коаксиально расположенными функциональными элементами. При этом возможность использования заявленного кабеля в условиях экстремально низких (до -40°С) обеспечивается за счет того, что в качестве кольцевого слоя 3 используется полимерная матрица из полиорганосилоксанового каучука с добавками (до 10%) в виде диспергированного углерода или посеребрённого порошка меди или порошка никеля, обеспечивающие вышеописанные характеристики кольцевого слоя 3 необходимые для достижения заявленного технического результата, а именно: значение коэффициента термического сопротивления от 0,0035°С/Ом до 0,0045°С/Ом в диапазоне температур нагрева от -40+150°С. Выбор добавки и ее точное массовое соотношение производится исходя из специфики конкретной реализацией устройства и подбирается исходя из того, чтобы добиться вышеуказанных характеристик слоя в конкретном случае. Одновременно с этим электроизолирующая оболочка 4 выполнена из материала с высоким значением коэффициента термического сопротивления, а также со значениями КТР от 0,015°С/Вт до 0,025°С/Вт, что в совокупности обеспечивает уменьшение удельного электрического сопротивления кольцевого слоя 3 при уменьшении внешней температуры: во первых, в результате его термической усадки, во вторых - от термической усадки внешнего слоя электроизолирующей оболочки 4 из полимера c высоким КТР; что в совокупности обеспечивает высокую чувствительность работы кабеля при воздействии низких температур и позволяет обеспечить качественное функционирование изделия с созданием симметричного радиального поля обогрева в условиях экстремально низких температур.

Также заявленный технический результат достигается за счет того, что отношение радиусов центрального проводника 1 и кольцевого проводника 2 составляет значение r₂/r₁=е ввиду нецелесообразности увеличения пропорции из-за того, что, с одной стороны, требуемое удельное электрическое сопротивление матрицы кольцевого слоя 3 незначительно изменяется при существенном увеличении диаметра кабеля; с другой стороны, не целесообразно уменьшать толщину токопроводящей прослойки, ниже определяемой указанным отношением, так как это может привести к диэлектрическому пробою полимерной матрицы кольцевого слоя 3.

Обоснование границ интервалов числовых значений.

Значения коэффициента термического сопротивления от 0,0035°С/Ом до 0,0045°С/Ом матрицы кольцевого слоя 3 выбраны исходя из необходимости уменьшения удельного электрического сопротивления кольцевого слоя 3 при уменьшении внешней температуры; значения меньшие нижней и больше верхних границ интервала не позволят добиться требуемой чувствительности кабеля к уменьшению температуры внешней среды для его нормальной работы.

Значения коэффициента термического расширения от 0,015°С/Вт до 0,025°С/Вт электроизолирующей оболочки 4 также выбраны исходя из необходимости уменьшения удельного электрического сопротивления кольцевого слоя 3 при уменьшении внешней температуры; значения меньшие нижней и больше верхних границ интервала не позволят добиться требуемой чувствительности кабеля к уменьшению температуры внешней среды для его нормальной работы.

Заявителем в 2023 году был изготовлен опытный и промышленный вариант заявленного технического решения, эксплуатация которого подтвердила заявленный технический результат и справедливость вышеуказанных расчетов. В частности, в ходе испытания кабеля в условиях крайнего Севера при температурах до -40°С было обеспечено его функционирование без снижения чувствительности с созданием симметричного радиального поля обогрева нагревательного саморегулирующегося кабеля в условиях экстремально низких температур. Также в ходе прокладки и эксплуатации кабеля не возникло сложностей в связи с обеспечением требуемой гибкости, что особенно актуально для сложных условий прокладки с низкой температурой окружающей среды.

Пример достижения технического результата.

В ходе проведенных испытаний использовался нагревательный саморегулирующийся кабель с отношением радиусов центрального проводника 1 и кольцевого проводника 2, равным основанию натурального логарифма. Центральный проводник 1 был выполнен из витого медного никелированного провода. Кольцевой проводник 2 был выполнен в виде оплетки из медных никелированных проводов с идентичным сопротивлением. В качестве кольцевого слоя 3 использовалась полимерная матрица из полиорганосилоксанового каучука. Кабель тестировался при температурах окружающей среды до -40°С. В ходе тестирования был достигнут заявленный технический результат - было обеспечено функционирование кабеля с созданием симметричного радиального поля обогрева. Испытания показали, что заявленное решение обеспечивает на 40-60% большую надежность функционирования изделия в условиях крайне низких температур по сравнению с типовыми решениями. Более того, ни одно из типовых решений не обеспечило длительное функционирование нагревательного кабеля при длительном воздействии (более 10 часов) низкой температуры (-40°С) окружающего воздуха. Также было выяснено, что чувствительность кабеля в области отрицательных температур от 0° до -40°С по сравнению с типовыми решениями была увеличена на 30-50%.

Изобретение относится к электротехническим устройствам, а именно к нагревательным кабелям. Кабель нагревательный саморегулирующийся состоит из коаксиально расположенных центрального проводника и кольцевого проводника, между которыми расположен кольцевой слой. Кольцевой слой выполнен в виде электропроводящей термочувствительной полимерной матрицы из полиорганосилоксанового каучука со значением коэффициента термического сопротивления от 0,0035°С/Ом до 0,0045°С/Ом. Поверх кольцевого проводника располагается электроизолирующая оболочка, выполненная из полиолефина со значением коэффициента термического расширения от 0,015°С/Вт до 0,025°С/Вт. Изобретение позволяет создать симметричное радиальное поле обогрева нагревательного саморегулирующегося кабеля в условиях экстремально низких температур. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Кабель нагревательный саморегулирующийся, состоящий из коаксиально расположенных центрального проводника и кольцевого проводника, между которыми расположен кольцевой слой, который выполнен в виде электропроводящей термочувствительной полимерной матрицы из полиорганосилоксанового каучука со значением коэффициента термического сопротивления от 0,0035°С/Ом до 0,0045°С/Ом, поверх кольцевого проводника располагается электроизолирующая оболочка, выполненная из полиолефина со значением коэффициента термического расширения от 0,015°С/Вт до 0,025°С/Вт.

2. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что отношение радиусов центрального проводника и кольцевого проводника составляет значение r₂/r₁=е, где e - это основание натурального логарифма.