КАБЕЛЬ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ САМОРЕГУЛИРУЮЩИЙСЯ Российский патент 2024 года по МПК H05B3/56 H05B3/36 

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

Из уровня техники известно НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО [RU 235946 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.

Недостатком аналога является ограниченная гибкость кабеля в плоскости токоподводящих проводов и неравномерность распределения поля нагрева вокруг кабеля, из за его плоской структуры; а также ограниченный коэффициент пропорциональности, особенно в области отрицательных температур внешней среды, что ограничивает применение решения в географических районах с экстремально низкими температурами, в частности, в условиях Севера.

Также из уровня техники известно НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО [RU 2765481 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.

Недостатком аналога является ограниченная гибкость кабеля в плоскости токоподводящих проводов и неравномерность распределения поля нагрева вокруг кабеля, из за его плоской структуры; а также ограниченный коэффициент пропорциональности, особенно в области отрицательных температур внешней среды, что ограничивает применение решения в географических районах с экстремально низкими температурами, в частности, в условиях Севера.

Также из уровня техники известен КАБЕЛЬ СИЛОВОЙ, СОДЕРЖАЩИЙ САМОРЕГУЛИРУЮЩИЙСЯ КАБЕЛЬ [RU 202509 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.

Недостатком аналога является ограниченный коэффициент пропорциональности, в области отрицательных температур внешней среды.

Наиболее близким по технической сущности является САМОРЕГУЛИРУЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ [RU 358416, опубл. 10.06.2009], содержащий нагревательный элемент, проходящий в продольном направлении вдоль кабеля, причем элемент содержит полупроводник, имеющий положительный температурный коэффициент.

Основной технической проблемой прототипа является его ограниченные возможности использования в условиях экстремально низких температур, из-за его плоской структуры, вследствие чего возникает ограниченность гибкости кабеля в плоскости токоподводящих проводов, негативный эффект от которой особенно сильно себя проявляет при прокладке и эксплуатации кабеля в условиях экстремально низких температур; неравномерность распределения поля нагрева вокруг кабеля; а также ограниченный коэффициент пропорциональности в области отрицательных температур внешней среды, что ограничивает применение решения в районах с экстремально низкими температурами, в частности, в условиях Севера.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности использования нагревательного саморегулирующегося кабеля в условиях экстремально низких температур.

Указанный технический результат достигается за счет того, что кабель нагревательный саморегулирующийся состоящий из двух продольных медных жил, покрытых токопроводящей оболочкой с положительной зависимостью сопротивления от температуры, отличающийся тем, что указанной оболочкой покрыта каждая жила, жилы между собой свиты, между оболочками жил обеспечивается контакт при этом обеспечивается возможность образования поперечных токов между указанными жилами по указанным контактам оболочек жил, обе жилы покрыты общей электроизоляционной оболочкой, с коэффициентом теплового расширения не меньшим, чем значение коэффициента теплового расширения оболочек токопроводящих жил для увеличения площади контакта между ними и обеспечения дополнительной отрицательной зависимости сопротивления кабеля от температуры, то есть для увеличения зависимости мощности нагрева от температуры.

В частности, токопроводящие оболочки выполнены на основе матрицы из силиконово-резиновой смеси, а общая оболочка из полиолефинов типа полиэтилена высокого давления, полипропилена или его сополимера типа пентен.

В частности, поверх общей оболочки жил нанесена металлическая оплетка заземления.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан вид в разрезе кабеля нагревательного саморегулирующегося.

На фиг. 2 показан вариант реализации кабеля нагревательного саморегулирующегося с двумя свитыми жилами с однофазным питанием.

На фиг. 3 показан вариант реализации кабеля нагревательного саморегулирующегося с тремя свитыми жилами с трехфазным питанием.

На фиг. 4 показана структура типового саморегулируемого кабеля.

На фиг. 5 показан график изменения мощности типового кабеля при измени температуры.

На фигурах 1-5 обозначено: 1 – токопроводящая жила; 2 – токопроводящая оболочка; 3 – внешняя оболочка.

Осуществление изобретения

Кабель нагревательный саморегулирующийся, в зависимости от варианта реализации, может состоять из двух или трех свитых токопроводящих жил 1 (фиг.2,3, показаны токоподводящие жилы 1 (провода) в токопроводящих оболочках 2). Каждая из токопроводящих жил 1 заключена в токопроводящую оболочку 2 из полимерной токопроводящей матрицы с положительной зависимостью сопротивления от температуры. Поверх токопроводящих оболочек 2 токопроводящих жил 1 выполнена термочувствительная электроизолирующая внешняя оболочка 3. Электрическая проводимость токопроводящей оболочки 2 обеспечена за счет введенных в полимерную матрицу электропроводящих частиц, в основном из металлов графита, меди, никеля.

При необходимости дополнительной защиты кабеля от механических повреждений и утечек тока на кабель наносится оболочка для заземления и дополнительная металлическая оплетка заземления (на фиг. 1-5 не показано).

В варианте реализации, для токоведущей оболочки 2 проводов применяется силиконовая резиновая смесь с твердостью по Шору 5-7, модулем упругости Е порядка 5-7 Па, температурой стеклования не выше -40°С, значениями коэффициента термического расширения (КТР)=2-3 10^-5|°С^-1|, с объемным электрическим сопротивлением 1÷10^-1ом·см при контрольной температуре +20°С, и его пропорциональным изменением в функции температуры, что достигается введением мелкодисперсных электропроводных порошков никеля, меди с серебряным покрытием. При этом общая внешняя оболочка 3 выполнена из полиолефина типа полиэтилена высокого давления (ПЭВД), полиметил-4 пентен-1 или его циклического сополимера с температурой стеклования в районе от -4°С до-20°С, КТР>20·10^-5|°С^-1| и модулем упругости Е₀ порядка 200-1000 Па, при этом соотношение модулей упругости Е₀/Е составляет от 95 до 105.

В варианте реализации, токоведущие жилы 1 с токопроводящей оболочкой 2 свиты с 30-50 кручениями на метр.

В варианте реализации, токоведущие жилы 1 выполнены из медных проводов со структурой свивки 1x7, 7x7 или 7x19.

В варианте реализации, поверх внешней оболочки 3 нанесена металлическая оплетка заземления для обеспечения защиты кабеля при его использовании в условиях экстремально низких температур.

На фиг.1 обозначено: F-усилие между токопроводящими жилами 1 при деформации их токопроводящих оболочек 2; Р-сила воздействия на токопроводящие жилы 1 при термоусадке внешней оболочки 3, вызывающая радиальную деформацию «h» токопроводящих оболочек 2 в зоне их контакта на длине «а».

Изобретение используется следующим образом.

Нагрев кабеля производят при подключении к источнику питания, за счет возникновения поперечных токов между токоподводящими жилами 1 через токопроводящие оболочки 2, и далее через площадку «a» (показано на фиг.1) при сжатии токопроводящих оболочек 2 общей внешней оболочкой 3 в процессе её термоусадки.

Таким образом необходимое для саморегулирования кабеля изменение его мощности как функции температуры среды (в частности, увеличение мощности нагрева при уменьшении температуры среды), в значительной части происходит за счет увеличения площади контакта «a» (фиг. 1) токопроводящих оболочек 2 при их сжатии общей электроизолирующей внешней оболочкой 3 при её термоусадке (сжатием токопроводящих оболочек 2 в зоне контакта на величину «h»).

Обоснование технического результата.

Как указано выше, нагрев кабеля осуществляется поперечными токами I между токопроводящими жилами 1 (проводами). Для кабеля единичной длины ток I₁ по Закону Ома составляет:

В (1) – U - напряжение питания; R_c - электрическое сопротивление; 2R - длина распространения тока (в данном случае совпадает с диаметром токопроводящего провода в оболочке D=2R); ρ(t°C) |ом/см| - удельное объёмное сопротивление токопроводящей оболочки 2 проводов в функции температуры; 2а - площадь прохождения тока (единичная длина по продольной оси Z опущена). Соответственно, мощность нагрева (2)

характеризуется отрицательной зависимостью с сопротивлением кабеля в функции температуры нагрева, что является необходимым и достаточным условием для получения эффекта саморегулирования.

Для оптимизации структуры кабеля необходимо оценить количественное влияние силы сжатия на деформацию проводов (токоведущих жил 1) в зоне их контакта «a» (фиг. 1).

Задача определения деформации в поперечном сечении кабеля со скрученными проводами (токоведущими жилами 1), принципиально совпадает со схемой упругого соударения (соприкосновения) шаров, рассмотренной Германом Герцем в 1887 г. при принятых им и комментаторами (например, Гросберг А. (Квант. — 1993. — № 9. — С. 12-19) условий малых деформаций и скоростей. Кроме этих условий «квазистатического» сжатия, при решении задачи авторами изобретения приняты приемлемые для решения задачи условия обратимости деформации, имеющих для полимеров вязкоупругий (эластичный) характер и витую форму контакта цилиндрических тел сжатия (в рассматриваемом случае токоподводящих жил 1 (проводов)), вместо шаров по Г. Герцу.

Применительно к рассматриваемой задаче условие «малости» или «квазистатической» деформации непосредственно связано с использованным Г. Герцем сопутствующей характеристикой-скорости звука «s» в материалах шаров (токопроводящих оболочек 2 проводов), которая в общем виде для любых сред имеет вид: s²=E/g. В рамках рассматриваемого изобретения: s-скорости звука в полимерной матрице токопроводящей оболочки 2 токопроводящих проводов 1, и в общей внешней оболочке 3, E-модуль упругости рассматриваемых сред и их удельный вес «g». Например, для полиэтилена высокого давления при температуре стеклования (≈0°С) Е-100 Па и скорость звука составит 10 мкм/сек. В области положительных температур (в вязкоупругом состоянии) скорость и, соответственно, переход в квазистатическое (равновесное) состояние уменьшится в 2-3 раза. Для силиконовой резины при этом условии Е составит 7 Па и скорость звука составит около 3 мкм/сек. То есть эти скорости согласуются со скоростями перехода деформации в устойчивое, «квазистатическое» состояние. При этом обратимые вариации модулей упругости Е токопроводящей матрицы и внешней оболочки 3 проводов (рассмотренные ниже) с изменением температуры одновременно характеризуют условия применимости формулы Г. Герца для её оценки.

Площадь контакта связана с удлинением (сжатием) при деформации внешней оболочки 3 провода Δl=h - абсолютная деформация. Из геометрических соотношений следует: (R−h)²+a²=R², или a²−2Rh+h²=0, где R=D/2-радиус провода в токопроводящей оболочке 2, причём для «малых» деформаций можно принять h<<R и членом h² пренебрегается по сравнению с 2Rh, т.е. a= √Rh, причём a>>h. Усилие F- усилие при деформации проводов с модулем упругости оболочки токопроводящей матрицы E определяется по закону Гука:

В (3) - ε=Δl/l=h/l – относительная деформация; f-площадь сечения. В виду симметрии возможно считать, что деформация распространяется симметрично от точки контакта, имеет площадь f~а² и начальная длина деформируемого участка составляет l=a и ε= Δl/l= h/a.

Тогда усилие деформации составит F=Efε~Ea²h/a=Eah=E h^1/2hR^1/2, и искомая зависимость имеет вид (4).

Эта формула получена Г. Герцем в 1887г. и многократно проверена для решения самых разнообразных практических задач: теория вероятности Пуанкаре (соударение биллиардных шаров), соединении компонентов в критическую массу (теория атомного взрыва, Манфред фон Ардене), контроль нейтронов по упругому столкновению с атомом водорода (фон Ардене). Особенностью формулы Г. Герца является нелинейная зависимость силы от деформации: с ростом деформации h усилие F возрастает быстрее, а именно пропорционально h ^3/2. Применительно к рассматриваемой задаче изменения тока и мощности согласно зависимости (1) - при вариации температуры формулу следует представить в виде функции площади прохождения поперечного тока в зависимости от деформации a~(Rh)^1/2, то есть a²~Rh, или h=a²/R, тогда формула Герца примет вид:

F~ Eh^3/2R^1/2~E (a²/R)^3/2 R^1/2, откуда: F~Eh^3/2R^1/2~ E (a²/R) ^3/2· R^1/2~ Ea³/(R^3/2/ R^1/2). F~Eh^3/2R^1/2~ E (a²/R) ^3/2· R^1/2~ Ea³/R^3/2 ·R^1/2, откуда искомая зависимость имеет вид: F~ Ea³/R, или

В (5), как и в формуле Г.Герца под F имеется в виду внутренняя сила, или в терминологии науки-Сопромата-усилие. В рассматриваемой квазистатической задаче предполагается отсутствие сил инерции и диссипации энергии. При этих условиях имеет место равенство работ, совершаемых вешней силой P при термоусадки общей внешней оболочки 3:

A_P= E₀a²h и усилиями F от взаимных деформаций проводов А_F= Eh^3/2hR^1/2:

Eh^5/2R^1/2=E₀ha²

E/E₀=ha² / h^5/2R^1/2 =(hhR)/ h^5/2R^1/2= (h²R)/h ^5/2 R^1/2= R^1/2 /h^1/2

h = (E/E₀)²R

a=R(E/E₀)

I₁=U/R_c, где R_c из (1):

R_c=ρ2RR·(E/E₀) =2ρR²(E/E₀)

I₁=U(E₀/E)/2ρR²

Для практического использования целесообразно представить полученные зависимости (6) непосредственно для оцени мощности кабеля (7):

Полученная формула (7) представляет искомую зависимость мощности нагрева в функции температуры с учетом конструктивных параметров витого кабеля. Исходными аргументами являются удельной электрическое сопротивление токопроводящих оболочек 2 проводов в функции температуры среды ρ=f(T°C) и модули упругости компонентов.

В формуле (7) мощность нагрева пропорционально отношению (E₀/E). При этом величина модуля упругости токопроводящих оболочек 2 проводов E находится в обратной связи с мощностью, то есть понижение их жесткости и модуля упругости приводит к повышению мощности нагрева. В этой связи для токопроводящих оболочек 2 проводов целесообразно применять резину с низким значением модуля упругости и ограниченной вариацией в области отрицательных температур, то есть с низкой температурой стеклования Т_с ≈-40°C. Этим условиям в рамках предлагаемого изобретения удовлетворяет силиконовая резина с твердостью 5-7 единиц по Шору, соответственно с E 5-7 Па (при контрольной температуре +20°С). Причём низкое значение КТР≈2·10^-5|°С^-1| способствует сохранению низкого модуля упругости токопроводящих оболочек 2 проводов E в области отрицательных температур.

С модулем упругости общей внешней оболочки 3 E₀ мощность нагрева, напротив, связана пропорциональной зависимостью. Поэтому в качестве материала преимущество имеют полиолефины с высоким КТР и модулем упругости. К ним относятся полимеры типа ПЭВД, полиметил-4-пентен-1 (пентен-1 или TPX в анг. обозначении, или COP), или его циклические сополимеры типа COC (анг.). В области положительных температур полиолефины этого типа имею наибольшее значение КТР≈20·10^-5|°С^-1. Это обеспечивает вариацию модуля упругости в пределах E₀≈200-1000 Па. Как указано выше, высокое значение КТР внешней оболочки 3 способствует сжатию токоподводящих проводов при понижении температуры, увеличению поперечных токов и мощности нагрева, как рассмотрено выше. Соотношение модулей упругости определяет чувствительность, коэффициент усиления витого кабеля при изменении температуры среды. При указанных средних значениях в области положительных температур Е₀/Е=1000/5≈200. Этим определяется высокая чувствительность витого нагревательного кабеля, недостижимая аналогами. При температуре ниже стеклования Тс≈-4°С КТР указанных полиолефинов, как у всех полимеров ниже Т_с, снижается в 3-4 раза с соответствующим увеличением модуля упругости. При условии сохранения модуля упругости примененной для изоляции проводов (в качестве полимерной матрицы) силиконовой резины E≈5Па указанное соотношение модулей упругости существенно не меняется, что обеспечивает сохранение высокой чувствительности саморегулируемого витого нагревательного кабеля к вариации температуры и обратной зависимости мощности нагрева.

Для сохранения гибкости – токопроводящие жилы 1 (провода) могут быть выполнены многожильными из медных никелированных проволок диаметром 0,2-0,3 мм.

Вышеуказанный способ оценки внешней характеристики мощности кабеля в функции температуры среды (7) применимы и для трёхжильного кабеля.

В случае двухжильного кабеля его питание осуществляется от постоянного или однофазного переменного тока. Питание трехфазного кабеля осуществляется линейным напряжением трёхфазной сети.

Заявленный технический результат - обеспечение возможности использования нагревательного саморегулирующегося кабеля в условиях экстремально низких температур - достигается за счет того, что кабель нагревательный саморегулирующийся состоит из свитых токопроводящих жил 1, каждая из которых покрыта токопроводящей оболочкой 2 из полимерной токопроводящей матрицы с положительной зависимостью сопротивления от температуры, свитые токопроводящие жилы 1 покрыты внешней оболочкой 3, выполненной со значением коэффициента теплового расширения не меньшим, чем значение коэффициента теплового расширения токопроводящих жил 1, таким образом внешняя оболочка 3 при изменении температуры среды вызывает изменение усилия сдавливания токопроводящих оболочек 2 и их площади контакта, что вызывает положительную зависимость сопротивления от температуры и, соответственно, отрицательную зависимость поперечного тока и мощности в функции температуры, необходимую для саморегулирования кабеля. Таким образом повышается чувствительность кабеля в зонах отрицательных температур, что обеспечивает возможность использования заявленного решения в условиях экстремально низких температур и, в частности, в районах Севера.

Также заявленный технический результат достигается за счет того, что для токоведущей оболочки 2 проводов применяется силиконовая резиновая смесь с твердостью по Шору 5-7, модулем упругости Е порядка 5-7 Па, температурой стеклования не выше -40°С, КТР=2-3 10^-5|°С^-1|, с объемным электрическим сопротивлением 1÷10^-1ом·см при контрольной температуре +20°С, и его пропорциональным изменением в функции температуры, что достигается введением мелкодисперсных электропроводных порошков никеля, меди с серебряным покрытием, а их общая внешняя оболочка 3 выполнена из полиолефина типов ПЭВД, полиметил4пентен1 или его циклического сополимера с температурой стеклования в район от -4°С до-20°С, КТР>20·10^-5|°С^-1| и модулем упругости Е₀ порядка 200-1000 Па, при этом соотношение модулей упругости Е₀/Е от 95 до 105 при работе кабеля обеспечивает требуемый для эффективной работы коэффициент усиления в зависимости мощности от температуры нагрева, что особо важно в экстремальных условиях, характерных для Севера.

Также заявленный технический результат достигается за счет того, что токоведущие жилы 1 с токопроводящей оболочкой 2 свиты с 30-50 кручениями на метр для обеспечения требуемого уровня чувствительности кабеля в зонах отрицательных температур.

Также заявленный технический результат достигается за счет того, что токоведущие жилы 1 выполнены из медных проводов со структурой свивки 1x7, 7x7 или 7x19, что обеспечивает требуемую гибкость кабеля при его прокладке в условиях с экстремально низкими температурами.

Также заявленный технический результат достигается за счет того, что поверх внешней оболочки 3 нанесена металлическая оплетка заземления для обеспечения защиты кабеля при его использовании в условиях экстремально низких температур.

Обоснование указанных границ интервалов значений:

- токоведущая оболочка 2 выполнена из силиконово-резиновой смеси с твердостью по Шору 5-7 - интервалы значений взяты на основе аналитических расчетов, исходя из соотношения (7); меньшее либо большее значение не позволит добиться требуемых значений чувствительности кабеля в зонах отрицательных температур;

- токопроводящая оболочка 2 выполнена с модулем упругости Е 5-7 Па. - интервалы значений взяты на основе аналитических расчетов, исходя из соотношения (7); меньшее либо большее значение не позволит добиться требуемых значений чувствительности кабеля в зонах отрицательных температур;

- токопроводящая оболочка 2 выполнена с температурой стеклования не выше минус 40°С - интервалы значений взяты на основе аналитических расчетов, исходя из соотношения (7); меньшее либо большее значение не позволит добиться требуемых значений чувствительности кабеля в зонах отрицательных температур;

- токопроводящая оболочка 2 выполнена со значением коэффициента термического расширения равным 2-3 10^-5|°С^-1| - интервалы значений взяты на основе аналитических расчетов, исходя из соотношения (7); меньшее либо большее значение не позволит добиться требуемых значений чувствительности кабеля в зонах отрицательных температур;

- токопроводящая оболочка 2 выполнена с объемным электрическим сопротивлением 1÷10^-1ом·см при контрольной температуре +20°С - интервалы значений взяты на основе аналитических расчетов, исходя из соотношения (7); меньшее либо большее значение не позволит добиться требуемых значений чувствительности кабеля в зонах отрицательных температур;

- внешняя оболочка 3 выполнена с температурой стеклования от -4°С до-20°С - интервалы значений взяты на основе аналитических расчетов, исходя из соотношения (7); меньшее либо большее значение не позволит добиться требуемых значений чувствительности кабеля в зонах отрицательных температур;

- внешняя оболочка 3 выполнена со значением коэффициента термического расширения большим чем 20·10^-5|°С^-1|- интервал значений взят на основе аналитических расчетов, исходя из соотношения (7); меньшее значение не позволит добиться требуемых значений чувствительности кабеля в зонах отрицательных температур;

- внешняя оболочка 3 выполнена с модулем упругости Е 200-1000 Па - интервалы значений взяты на основе аналитических расчетов, исходя из соотношения (7); меньшее либо большее значение не позволит добиться требуемых значений чувствительности кабеля в зонах отрицательных температур;

- отношение модуля упругости внешней оболочки 3 к модулю упругости токопроводящей оболочки 2 составляет от 95 до 105 - интервалы значений взяты на основе аналитических расчетов, исходя из соотношения (7); меньшее либо большее значение не позволит добиться требуемых значений чувствительности кабеля в зонах отрицательных температур.

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 -50°С было обеспечено его функционирование без снижения чувствительности в области отрицательных температур. Также в ходе прокладки и эксплуатации кабеля не возникло сложностей в связи с обеспечением требуемой гибкости и защиты от внешних механических повреждений.

Пример достижения технического результата.

На фиг. 4 показана структура типового саморегулируемого кабеля, на фиг. 5 показана «внешняя характеристика», то есть обратная зависимость его мощности от температуры среды. На указанном рисунке эта связь характеризуется тангенсом угла наклона внешней характеристики. Другие рекламируемые саморегулируемые кабели основаны также на указанном принципе вариации мощности нагрева при изменении температуры среды и конструктивно не отличаются от описанного выше примера.

Недостатки типовых решений связаны с их плоской структурой, что ограничивает гибкость кабеля в плоскости токоподводящих проводов и неравномерность распределения поля нагрева вокруг кабели. К недостаткам типовых решений также отнести ограниченный коэффициент пропорциональности, особенно в области отрицательных температур внешней среды: при изменении температуры от 0 до -200С мощность нагрева увеличивается не более 15%, что явно недостаточно для применения в экстремальных условиях Севера.

Характерной особенностью типовых кабелей является существенная разница пропорционального регулирования, то есть чувствительности, в двух зонах температур-положительных и отрицательных с перегибом внешней характеристики в районе 0°С. Это связано с температурой стеклования полиэтилена, применяемого, в основном, в качестве токопроводящей матрицы кабеля, имеющего T_с=-4°С. То есть под переходом в состояние «стеклования» для всех полимер имеется в виду переход в твердое, упругое состояние, что в данном случае вызывает увеличение усилия сжатия полимерной матрицы. Преимущественное применения полиэтилена для полимерной матрицы связано с его высоким КТР, в частности, равном 20·10^-5|°С^-1| в сравнении с КТР≈5·10^-5|°С^-1| у других полимеров (полиамид, полиэфир). Таким образом с позиции систем автоматического управления имеет место обратно пропорциональное регулирование, то есть мощность нагрева обратно пропорциональна разницы температуры среды и заданной (установленной) температуры нагрева (уставки). Однако при переходе полиэтилена в область отрицательных температур при температуре стеклования -4°С вызывает снижение КТР, уменьшение усадки полимерной матрицы и снижение чувствительности саморегулируемых кабелей. Этот недостаток и указанное выше неравномерное радиальное поле обогрева, и не симметричная гибкость устранены в заявленном решении. В частности, чувствительность кабеля в области отрицательных температур от 0° до -50°С, по сравнению с типовыми решениями была увеличена на 80-90%.

Изобретение относится к нагревательным кабелям. Технический результат заключается в обеспечении возможности использования нагревательного саморегулирующегося кабеля в условиях экстремально низких температур за счет повышения чувствительности в области отрицательных температур. Повышение чувствительности в области отрицательных температур обеспечивается тем, что нагревательный кабель состоит из двух продольных медных жил, свитых между собой, каждая из которых покрыта токопроводящей оболочкой с положительной зависимостью сопротивления от температуры. Между оболочками жил обеспечивается контакт, что обеспечивает возможность образования поперечных токов между указанными жилами по указанным контактам оболочек жил. Обе жилы покрыты общей электроизоляционной оболочкой с коэффициентом теплового расширения не меньшим, чем значение коэффициента теплового расширения оболочек токопроводящих жил. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Кабель нагревательный саморегулирующийся состоящий из двух продольных медных жил, покрытых токопроводящей оболочкой с положительной зависимостью сопротивления от температуры, отличающийся тем, что указанной оболочкой покрыта каждая жила, жилы между собой свиты, между оболочками жил обеспечивается контакт при этом обеспечивается возможность образования поперечных токов между указанными жилами по указанным контактам оболочек жил, обе жилы покрыты общей электроизоляционной оболочкой с коэффициентом теплового расширения не меньшим, чем значение коэффициента теплового расширения оболочек токопроводящих жил для увеличения площади контакта между ними и обеспечения дополнительной отрицательной зависимости сопротивления кабеля от температуры, то есть для увеличения зависимости мощности нагрева от температуры.

2. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что токопроводящие оболочки выполнены на основе матрицы из силиконово-резиновой смеси, а общая оболочка из полиолефинов типа полиэтилена высокого давления, полипропилена или его сополимера типа пентен.

3. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что поверх общей оболочки жил нанесена металлическая оплетка заземления.