МАТЕРИАЛ И НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ
MATERIAL AND HEATING CABLE

Настоящее изобретение относится к материалу и к нагревательному кабелю, который содержит материал.
Нагревательные кабели хорошо известны и используются, например, для нагрева труб в химических технологических установках. Как правило, нагревательный кабель присоединяется в продольном направлении снаружи трубы, которая экспонируется для компонентов. Часто нагревательный кабель присоединяется к термостату и активируется с помощью термостата, когда температура падает ниже заданного уровня. Нагревательный кабель действует, нагревая трубу, тем самым обеспечивая, чтобы температура трубы оставалась достаточно высокой, чтобы содержимое трубы не замерзло или не подверглось другим подобным нежелательным воздействиям температуры.
В последние годы производятся нагревательные кабели, которые содержат материал, имеющий положительный температурный коэффициент сопротивления. Это имеет то преимущество, что нагревательный кабель саморегулируется (когда вдоль нагревательного кабеля прикладывается постоянное напряжение). Ток, прикладываемый к нагревательному кабелю, будет уменьшаться, когда температура увеличивается, при этом предотвращается достижение нагревательным кабелем нежелательной слишком высокой температуры. Проблема, связанная с нагревательными кабелями этого типа, заключается в том, что они имеют очень низкое сопротивление при низких температурах. Это может вызвать нежелательный скачок тока, который проходит через нагревательный кабель, например, когда включается источник питания, соединенный с нагревательным кабелем. Различные механизмы предложены для решения этой проблемы.
Задачей настоящего изобретения является создание материала и нагревательного кабеля, который преодолевает или по существу сводит на нет указанный выше недостаток.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предусматривается материал, который содержит первый компонент, имеющий первый положительный температурный коэффициент характеристики сопротивления; и второй компонент, имеющий второй положительный температурный коэффициент характеристики сопротивления, второй положительный температурный коэффициент характеристики сопротивления отличается от первого положительного температурного коэффициента характеристики сопротивления, пропорции двух компонентов являются такими, что материал имеет положительный температурный коэффициент характеристики сопротивления, который представляет собой некоторое сочетание первого и второго положительного температурного коэффициента характеристики сопротивления первого и второго компонентов.
.
Материал может содержать третий компонент, имеющий первый отрицательный температурный коэффициент характеристики сопротивления Материал может дополнительно содержать четвертый компонент, имеющий второй отрицательный температурный коэффициент характеристики сопротивления, второй отрицательный температурный коэффициент характеристики сопротивления отличается от первого отрицательного температурного коэффициента характеристики сопротивления.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предусматривается материал, который содержит первый компонент, имеющий первый отрицательный температурный коэффициент характеристики сопротивления; и второй компонент, имеющий второй отрицательный температурный коэффициент характеристики сопротивления, второй отрицательный температурный коэффициент характеристики сопротивления отличается от первого отрицательного температурного коэффициента характеристики сопротивления, пропорции двух компонентов являются такими, что материал имеет отрицательный температурный коэффициент характеристики сопротивления, который представляет собой сочетание первого и второго отрицательного температурного коэффициента характеристики сопротивления первого и второго компонентов.
Материал может содержать третий компонент, имеющий первый положительный температурный коэффициент характеристики сопротивления. Материал может дополнительно содержать четвертый компонент, имеющий второй положительный температурный коэффициент характеристики сопротивления, второй положительный температурный коэффициент характеристики сопротивления отличается от первого положительного температурного коэффициент характеристики сопротивления.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предусматривается нагревательный кабель, содержащий один или более проводников, погруженных в материал, в соответствии с первым и/или вторым аспектом настоящего изобретения.
В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения предусматривается способ изготовления материала, способ включает в себя подмешивание первого компонента, имеющего первый положительный температурный коэффициент характеристики сопротивления, в матрицу; и подмешивание второго компонента, имеющего второй положительный температурный коэффициент характеристики сопротивления, в матрицу, причем второй положительный температурный коэффициент характеристики сопротивления отличается от первого положительного температурного коэффициента характеристики сопротивления, пропорции двух компонентов выбираются так, что материал имеет положительный температурный коэффициент характеристики сопротивления, который представляет собой сочетание первого и второго положительного температурного коэффициента характеристики сопротивления первого и второго компонентов.
Предпочтительно, матрица представляет собой полимер.
В соответствии с пятым аспектом настоящего изобретения предусматривается способ изготовления материала, способ включает в себя подмешивание первого компонента, имеющего первый отрицательный температурный коэффициент характеристики сопротивления, в матрицу и подмешивание второго компонента, имеющего второй отрицательный температурный коэффициент характеристики сопротивления, в матрицу, второй отрицательный температурный коэффициент характеристики сопротивления отличается от первого отрицательного температурного коэффициента характеристики сопротивления, пропорции двух компонентов выбираются так, что материал имеет отрицательный температурный коэффициент характеристики сопротивления, который представляет собой сочетание первого и второго отрицательного температурного коэффициента характеристики сопротивления первого и второго компонентов.
Предпочтительно, матрица представляет собой полимер.
В соответствии с шестым аспектом настоящего изобретения предусматривается нагревательный кабель, содержащий первый проводник, который окружен экструдированным материалом с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, и второй проводник, первый и второй проводники погружены в экструдированный материал с положительным температурным коэффициентом сопротивления.
2
3
2
3
Предпочтительно, компонент, имеющий отрицательный температурный коэффициент сопротивления, содержит керамику. Предпочтительно, керамика содержит смесь MnO и NiO. Предпочтительно, керамика содержит 82% MnO и 18% NiO. Предпочтительно, смесь кальцинируют. Предпочтительно, кальцинирование имеет место при температуре, по меньшей мере, 900°C.
В соответствии с седьмым аспектом настоящего изобретения предусматривается нагревательный кабель, содержащий первый проводник, который окружен экструдированным материалом с положительным температурным коэффициентом сопротивления, и второй проводник, первый и второй проводники погружены в экструдированный материал с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
2
3
2
3
Предпочтительно, компонент, имеющий отрицательный температурный коэффициент сопротивления, включает в себя керамику. Предпочтительно, керамика содержит смесь MnCO и NiO. Предпочтительно, керамика содержит 82% MnO и 18% NiO. Предпочтительно, смесь кальцинируют. Предпочтительно, кальцинирование имеет место при температуре, по меньшей мере, 900°C.
Теперь варианты осуществления настоящего изобретения будут описываться в качестве всего лишь примеров со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фигура 1 представляет собой схематическое представление нагревательного кабеля, которое воплощает настоящее изобретение;
Фигура 2 представляет собой график, который схематически иллюстрирует работу варианта осуществления настоящего изобретения;
Фигура 3 представляет собой график, показывающий свойства конкретного нагревательного кабеля, который воплощает настоящее изобретение;
Фигура 4 представляет собой график, который схематически иллюстрирует эффект модификации композиции нагревательного кабеля;
Фигура 5 представляет собой схематическое представление альтернативного нагревательного кабеля, который воплощает настоящее изобретение;
Фигура 6 представляет собой график, показывающий сопротивление материала, который содержит один компонент с NTC (отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и два компонента с PTC (положительным температурным коэффициентом сопротивления);
Фигура 7 представляет собой график, показывающий сопротивление другого материала, который содержит один компонент с NTC и два компонента с PTC; и
Фигура 8 представляет собой схематическое представление другого нагревательного кабеля, который воплощает настоящее изобретение.
Фигура 1 показывает нагревательный кабель, содержащий пару проводников 1, 2, погруженных в материал 3. Материал 3 окружен изолирующим материалом 4.
Материал 3 содержит смесь компонентов и содержит один или более компонентов, которые обеспечивают положительный температурный коэффициент сопротивления, и один или более компонентов, которые обеспечивают отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Компоненты погружены в полимер, например полиэтилен. Относительные пропорции компонентов выбираются так, что нагревательный кабель имеет желаемое изменение сопротивления в зависимости от температуры, например, как показано на фигуре 2.
Обращаясь к фигуре 2, при низких температурах материал имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Это показано как область A. При высоких температурах материал 3 имеет положительный температурный коэффициент сопротивления. Эта область показана как область B. Между этими двумя областями находится центральная область, в которой температурный коэффициент сопротивления является относительно плоским. Она будет упоминаться как область компенсации температурных коэффициентов и указывается как область C.
Рабочие характеристики материала, иллюстрируемые на Фигуре 2, являются особенно пригодными для использования, поскольку они делают возможными получение полностью саморегулирующегося нагревательного кабеля. Как правило, нагревательный кабель будет находиться при низкой температуре, когда он включается. Источник питания с постоянным напряжением присоединяется к нагревательному кабелю, и является предпочтительным, чтобы кабель имел высокое сопротивление при низких температурах, так что не происходит скачка тока, когда нагревательный кабель включается. Отрицательный температурный коэффициент рабочей характеристики сопротивления материала при низких температурах (то есть работа в области A на фигуре 2) достигает этого, обеспечивая, чтобы сопротивление нагревательного кабеля являлось высоким при низких температурах.
Когда температура нагревательного кабеля увеличивается, его сопротивление уменьшается. Это вызывает протекание большего тока через нагревательный кабель, тем самым дополнительно увеличивая температуру нагревательного кабеля. Это продолжается до тех пор, пока отрицательный температурный коэффициент сопротивления материала не начнет компенсироваться положительным температурным коэффициентом сопротивления материала. Отрицательный температурный коэффициент сопротивления материала постепенно уменьшается (градиент кривой на фигуре 2 уменьшается) до тех пор, пока он не достигнет нуля. Другими словами, материал попадает в область компенсации температурных коэффициентов (то есть в область C на фигуре 2). В области компенсации температурных коэффициентов сопротивление нагревательного кабеля лишь слабо зависит от малых изменений температуры нагревательного кабеля.
Температура нагревательного кабеля будет постоянно находиться в области компенсации температурных коэффициентов C. В частности, температура нагревательного кабеля будет устанавливаться при такой температуре, при которой отрицательный температурный коэффициент сопротивления и положительный температурный коэффициент сопротивления материала компенсируют друг друга (то есть градиент кривой на фигуре 2 равен нулю). Если же ток, прикладываемый к нагревательному кабелю, увеличится значительно, тогда это должно увеличить температуру нагревательного кабеля. Тогда положительный температурный коэффициент сопротивления материала должен увеличиться и перевесить отрицательный температурный коэффициент сопротивления материала. По этой причине нагревательный кабель должен попасть в область положительного температурного коэффициента (то есть в область B на фигуре 2), сопротивление нагревательного кабеля должно увеличиваться, и ток, прикладываемый к нагревательному кабелю, должен по этой причине уменьшаться. Нагревательный кабель должен таким образом вернуться в область компенсации температурных коэффициентов. Подобным же образом, если ток, прикладываемый к нагревательному кабелю, уменьшается значительно, тогда нагревательный кабель должен попасть в область отрицательного температурного коэффициента (то есть в область A на фигуре 2). Сопротивление нагревательного кабеля должно увеличиваться, заставляя прикладываемый ток уменьшиться, когда температура уменьшается.
Размер области компенсации температурных коэффициентов определить трудно. Например, если обратиться к фигуре 2, кривая на краях области компенсации температурных коэффициентов C , как видно, имеет малый градиент (то есть не нулевой температурный коэффициент сопротивления). Кривая на фигуре 2 может рассматриваться как имеющая только одну температуру, при которой градиент кривой равен нулю. Она будет упоминаться далее как температура компенсации. Область, которая простирается по любую сторону от температуры компенсации, внутри которой сопротивление нагревательного кабеля лишь незначительно изменяется в зависимости от малых изменений температуры нагревательного кабеля, представляет собой область компенсации температурных коэффициентов. Будет понятно, что размер этой области будет зависеть от формы кривой температурного коэффициента. Она будет зависеть от количеств и типов компонентов с NTC и PTC, которые используются, как описано дополнительно ниже.
Материал 3, используемый в нагревательном кабеле, содержит (в процентном выражении массы) компоненты, показанные в таблице 1.
Таблица 1
Ингредиент
Смола(полиэтилен)
Углеродная сажа
Окись цинка
Термостабилизатор
Керамика с NTC
Всего
Содержание(% масс)
13,36
4,94
1,54
0,15
80,00
100,00
Сорта полиэтилена представляют собой DFDA7540 и DGDK3364, доступные от Union Carbide Corporation (UCC), USA. Для получения материала полиэтилен смешивают с углеродной сажей, окисью цинка и термостабилизатором. Углеродная сажа обеспечивает положительный температурный коэффициент сопротивления. Окись цинка используется для поглощения кислоты, которая может высвобождаться при нагреве кабеля во время использования и которая может в ином случае повредить кабель. Термостабилизатор действует, предотвращая разложение нагревательного кабеля. Пример пригодного для использования термостабилизатора представляет собой Irganox 1010, доступный, например, от Ciba Specialty Chemicals, Basel, Switzerland.
2
3
Керамика с NTC, которая находится в форме порошка, приготавливается отдельно. Она содержит смесь 82% MnO и 18% NiO по массе. Смесь, которая представляет собой крупный порошок, смешивают с очищенной водой с использованием шаровой мельницы, а затем сушат. Затем смесь кальцинируют при температуре в пределах между 900 и 1200°C. Затем к смеси добавляют связующее вещество, затем ее смешивают с помощью шаровой мельницы, фильтруют и сушат. Затем смесь прессуют в форме диска и обжигают при температуре в пределах между 1200 и 1600°C. Затем диск измельчают в порошок, имеющий размер частиц в пределах между 20 и 40 мкм. Этот порошок представляет собой керамику с NTC, которая должна добавляться к полиэтиленовой смеси (то есть к полиэтилену, смешанному с углеродной сажей, окисью цинка и термостабилизатором).
Полиэтиленовую смесь, которая составляет 70 грамм, загружают в валковую мельницу, имеющую два 6-дюймовых валка. Валки валковой мельницы нагревают до температуры 160°C перед приемом полиэтиленовой смеси. Керамику с NTC добавляют к полиэтиленовой смеси порциями в пределах между 20 и 50 грамм, до тех пор, пока к смеси не будет добавлено 280 грамм. Полученный материал имеет свойства, показанные на фигуре 3.
Будет понятно, что керамика с NTC может добавляться к полиэтиленовой смеси с помощью любой из нескольких технологий обработки пластиков, которые будут известны специалисту в данной области, с использованием, например, одинарного или двойного экструдера, валковой мельницы или мощного смесителя.
Если обратиться к фигуре 3, можно увидеть, что образец имеет температурный коэффициент, который является отрицательным при низких температурах, то есть до температур примерно 30°C. Затем температурный коэффициент проходит область через компенсации, примерно при 40°C. Затем температурный коэффициент становится положительным, при более высоких температурах, то есть примерно при 50°C и выше. Таким образом, материал может использоваться для формирования нагревательного кабеля, который является саморегулирующимся при температуре примерно 40°C. Показаны два набора данных для одного и того же образца, первый показывает сопротивление образца, когда он нагревается, а второй показывает сопротивление образца, когда он охлаждается.
Пропорции керамики с NTC и углеродной сажи, используемых в материале, выбираются так, чтобы материал имел отрицательный температурный коэффициент сопротивления при низких температурах, положительный температурный коэффициент сопротивления при высоких температурах и скомпенсированный температурный коэффициент при такой температуре, при которой желательно, чтобы работал нагревательный кабель.
Углеродная сажа и полиэтилен обеспечивают положительный температурный коэффициент сопротивления. Это вызвано тем, что полиэтилен расширяется, когда его температура увеличивается, увеличивая расстояние между соседними частицами углеродной сажи и тем самым вызывая увеличение удельного сопротивления. Этот эффект сильнее, чем эффект отрицательного температурного коэффициента сопротивления, обеспечиваемого керамикой с NTC, и именно это является причиной того, что используется примерно в 16 раз больше керамики NTC, чем углеродной сажи.
Эффективность положительного температурного коэффициента сопротивления, обеспечиваемого углеродной сажей, как предполагается, должна уменьшаться посредством обработки материала с помощью валковой мельницы. Считается, что это связано с тем, что использование валковой мельницы переводит углеродную сажу из кристаллической формы в аморфный углерод. Кристаллическая углеродная сажа обеспечивает пути прохождения тока через материал (то есть ток проходит между кристаллами углеродной сажи и тем самым проходит через материал). Когда количество кристаллической углеродной сажи уменьшается (посредством преобразования в аморфный углерод), эффективность положительного температурного коэффициента сопротивления, обеспечиваемого углеродной сажей, уменьшается.
Уменьшение эффективности положительного температурного коэффициента сопротивления, таким образом, делает возможным его компенсацию с помощью отрицательного температурного коэффициента сопротивления, обеспечиваемого керамикой с NTC.
Нагревательный кабель, показанный на фигуре 1, получают посредством пропускания двух проводников 1, 2 через отверстия в фильере (не показана) и экструдирования материала 3 через фильеру, так что он формирует кабель, внутри которого погружены проводники. Такая конструкция нагревательного кабеля хорошо известна специалистам в данной области и по этой причине не описывается здесь дополнительно.
Свойства нагревательного кабеля могут выбираться посредством регулирования пропорций материала с отрицательным коэффициентом температурного сопротивления (например, керамики с NTC) и материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления (например, углеродной сажи), используемых в нагревательном кабеле. В дополнение к этому, может использоваться другая керамика с NTC.
Каждая керамика с NTC имеет свою температуру Кюри (далее упоминаемую как Tc), когда сопротивление керамики с NTC резко изменяется. Путем выбора другой керамики с NTC, имеющей другую Tc, может быть получен конкретный желаемый эффект отрицательного температурного коэффициента сопротивления. Может использоваться более одной керамики с NTC, керамик с NTC, имеющих различные Tc, при этом делается возможным формирование отрицательного температурного коэффициента кривой сопротивления.
Раздельные эффекты материала с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления показаны схематически на фигуре 4. Эффект материала с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления показан с помощью линии 10, а эффект материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления показан с помощью линии 11. Объединенные эффекты этих материалов показаны с помощью пунктирной линии 12. Пунктирная линия 12 содержит точку 13 компенсации (температуру компенсации), при которой эффект от материала с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления равен эффекту от материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления.
Увеличение пропорции материала с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления будет сдвигать линию 10 вверх, тем самым сдвигая точку 13 компенсации вверх и вправо. Другими словами, температура компенсации будет больше, и она будет происходить при более высоком сопротивлении. Уменьшение пропорции материала с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления будет сдвигать линию 10 вниз и сдвигать точку 13 компенсации вниз и влево. Другими словами, температура компенсации будет более низкой, и она будет происходить при более низком сопротивлении.
Подобным же образом, увеличение пропорции материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления будет сдвигать линию 11 вверх, тем самым сдвигая точку 13 компенсации вверх и влево. Другими словами, температура компенсации будет более низкой, и она будет осуществляться при более высоком сопротивлении. Уменьшение пропорции материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления будет сдвигать линию 11 вниз и сдвигать точку 13 компенсации вниз и вправо. Другими словами, температура компенсации будет более высокой, и она будет осуществляться при более низком сопротивлении.
Для регулирования градиента линии 10 отрицательного температурного коэффициента сопротивления может использоваться материал с другим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Например, если выбирается керамика с NTC, которая имеет более низкую Tc, температура компенсации будет более низкой (считая, что линия 11 не изменяется). Подобным же образом, если выбирается керамика с NTC, которая имеет более высокую Tc, температура компенсации будет более высокой (считая, что линия 11 не изменяется). Форма линии 10 с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления может модифицироваться посредством смешивания вместе двух или более керамик с NTC, имеющих различные Tc. Другими словами, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения два или более компонентов, имеющих различные отрицательные температурные коэффициенты характеристики сопротивления, могут смешиваться вместе с формированием материала (который может содержать один или несколько материалов с PTC). Тогда материал будет демонстрировать отрицательный температурный коэффициент характеристики сопротивления (по меньшей мере, в конкретном диапазоне температур), который представляет собой сочетание первого и второго отрицательных температурных коэффициентов характеристик сопротивления первого и второго компонентов.
Градиент линии 11 положительного температурного коэффициента сопротивления может регулироваться посредством использования компонента с другим положительным температурным коэффициентом сопротивления. Например, любых других пригодных для использования проводящих частиц, таких как порошок металла, углеродные волокна, углеродные нанотрубки или керамика с PTC. Форма линии 11 с положительным температурным коэффициентом сопротивления может модифицироваться посредством смешивания вместе двух или более компонентов с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Другими словами, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, два или более компонентов, имеющих различные положительные температурные коэффициенты характеристики сопротивления, могут смешиваться вместе с формированием материала (который может содержать один или несколько материалов с NTC). Тогда материал будет демонстрировать положительный температурный коэффициент характеристики сопротивления (по меньшей мере, в конкретном диапазоне температур), который представляет собой сочетание первого и второго положительных температурных коэффициентов характеристик сопротивления первого и второго компонентов.
В примере материала, описанном выше, материал с положительным температурным коэффициентом сопротивления представляет собой углеродную сажу. Линия 11 с положительным температурным коэффициентом сопротивления может сдвигаться вверх посредством горячего прессования материала (без увеличения пропорций углеродной сажи). Считается, что это происходит, поскольку горячее прессование увеличивает объем кристаллической доли углеродной сажи (аморфная доля уменьшается), так что эффективность положительного температурного коэффициента сопротивления увеличивается. Горячее прессование включает в себя помещение материала под нагреваемый поршень, который используется для приложения давления к материалу.
Приложенное давление и температура головки поршня регулируются. Количество тепла и давления, прикладываемые к материалу (вместе с периодом времени, в течение которого прикладывается давление), могут регулироваться для получения конкретного желательного температурного коэффициента или сопротивления, например, посредством экспериментов с образцами материала.
Будет понятно, что может использоваться материал для изготовления нагревательных кабелей, имеющих формы иные, чем проиллюстрированный на фигуре 1. Например, может конструироваться нагревательный кабель, который формируется из материала, окруженного защитным слоем, любой конец материала кабеля соединяется с источником питания. Эта форма нагревательного кабеля может упоминаться как нагревательный кабель последовательного сопротивления.
Описанный выше вариант осуществления относится к материалу, который имеет положительный температурный коэффициент сопротивления и отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Однако может предусматриваться нагревательный кабель, который формируется из первого материала, который имеет положительный температурный коэффициент сопротивления, и второго материала, который имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, как показано на фигуре 5. Если обратиться к фигуре 5, первый проводник 21 и второй проводник 22 погружены в материал 23, который имеет положительный температурный коэффициент сопротивления. Второй проводник 22 окружен материалом 24, который имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Изолирующий материал 25 окружает материал с положительным температурным коэффициентом 23.
Нагревательный кабель на фигуре 5 конструируется посредством экструдирования материала 24 с отрицательным температурным коэффициентом через фильеру (не показана), через которую пропускают второй проводник 22. Соответствующий материал с отрицательным температурным коэффициентом может формироваться посредством добавления керамики с NTC, упоминаемой выше, к полиэтиленовой смеси, которая содержит материал, упоминаемый выше, но не содержит углеродной сажи. После этого первого экструдирования материал 23 с положительным температурным коэффициентом 23 экструдируют через фильеру (не показана), через которую пропускают первый проводник 21 и второй проводник 22 (второй проводник уже окружен материалом 24 с отрицательным температурным коэффициентом. Соответствующий материал с PTC представляет собой полиэтиленовую смесь, упоминаемую выше (без порошка с NTC).
Еще в одной альтернативной компановке (не показана) может конструироваться нагревательный кабель, в котором первый проводник и второй проводник погружены в материал, который имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Второй проводник может быть окружен материалом, который имеет положительный температурный коэффициент сопротивления. Конструкция этого кабеля может также быть получена с помощью экструдирования, таким же способом, как описано выше.
В обеих рассмотренных выше компановках, может быть получена конечная кривая температурного коэффициента, которая имеет температурный коэффициент кривой сопротивления того типа, который показан на фигуре 2. Градиент, ширина и положение кривой могут регулироваться способом, описанным выше в связи с фигурой 4. Кроме того, общая форма кривой может модифицироваться, например, посредством добавления материала с другим PTC или материала с NTC к смеси.
Фигура 6 схематически показывает изменение сопротивления в зависимости от температуры материала, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Материал содержит компонент, который обеспечивает отрицательный температурный коэффициент сопротивления, и два компонента, которые обеспечивают различные положительные температурные коэффициенты сопротивления. При низких температурах материал имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, что показано как область A. При промежуточных температурах температурный коэффициент сопротивления является относительно плоским, и это отмечается как область C. За областью C сопротивление постепенно увеличивается, а затем увеличивается быстрее, пока не наступает опять постепенное увеличение. Эта область с положительным температурным коэффициентом сопротивления отмечается как область B.
Отрицательный температурный коэффициент сопротивления, который видно в области A фигуры 6, может обеспечиваться, например, с помощью такого компонента, как керамика, которая водится в материал. Пример керамики, которая может использоваться для получения отрицательного температурного коэффициента сопротивления, дополнительно описывается выше.
Крутые и медленно изменяющиеся участки кривой в области B могут обеспечиваться с помощью двух различных компонентов в материале, каждый из которых имеет разный положительный температурный коэффициент сопротивления. Первый из этих компонентов может, например, содержать углеродную сажу (удерживаемую в полиэтилене, который образует матрицу, в которой удерживается углеродная сажа и другие компоненты). Этот компонент обеспечивает положительный температурный коэффициент сопротивления, который отмечается как пунктирная линия 30 на фигуре 6, то есть постепенно увеличивающиеся сопротивление. Второй компонент может содержать, например, композит керамика-металл, где электропроводящие частицы выбирают из висмута, галлия или их сплавов; и где материал с высоким электрическим сопротивлением выбирают из керамического оксида, такого как окись алюминия или окись кремния, окись магния и муллит. (Керамические нитриды, боратные стекла, силикатные стекла, фосфатные стекла и алюминатные стекла являются другими примерами пригодных для использования материалов с высоким электрическим сопротивлением.) Это обеспечивает больший положительный температурный коэффициент сопротивления, который отмечается как пунктирная линия 31 на фигуре 6, то есть сопротивление, увеличивающееся более круто.
Вместе, компонент с NTC и два компонента с PTC обеспечивают материал с температурным коэффициентом сопротивления (то есть с температурным коэффициентом характеристики сопротивления), который изменяется в соответствии с кривой 32 (то есть сплошной линией), показанной на фигуре 6. Будет понятно, что кривая 32 предназначена для того, чтобы она была всего лишь схематической иллюстрацией, схематически показывающей результат совместного добавления компонентов с различными PTC.
Нагревательный кабель, сконструированный с использованием материала, имеющего коэффициент характеристики сопротивления, показанный на фигуре 6, имеет полезные особенности. Он не будет страдать от высокого начального тока, когда он холодный, поскольку он имеет повышенное сопротивление при низких температурах. Когда нагревательный кабель находится при температуре, которая находится в области компенсации температурных коэффициентов C, сопротивление кабеля, а, следовательно, и ток, подаваемый на него, будут изменяться только немного. Когда кабель становится горячее и переходит в область B, он сначала будет постепенно увеличивать свое сопротивление. Однако когда кабель становится горячее, сопротивление кабеля будет увеличиваться очень быстро, тем самым драматически уменьшая величину тока, который проходит через кабель.
Кабель эффективно обеспечивает автоматическое отключение (то есть, так что не возникает заметного электрического тока (или мощности), проводимого кабелем), которое предотвращает его перегрев. Автоматическое отключение возникает из-за большего положительного температурного коэффициента (то есть, более круто повышающегося сопротивления). Когда температура кабеля увеличивается, сопротивление кабеля увеличивается быстрее, и величина тока, доставляемого к кабелю, быстро уменьшается. Другими словами, проводящие пути в компоненте кабеля с положительным температурным коэффициентом сокращаются, и сопротивление кабеля для протекающего тока возрастает экспоненциально. Быстрое уменьшение тока, попадающего в кабель, предотвращает его перегрев. Таким образом, быстро увеличивающееся сопротивление эффективно делает невозможным перегрев кабеля до той степени, что он, например, расплавится или загорится.
Положение быстро растущей кривой 31, то есть температуры, при которой эффект начинает наблюдаться, может выбираться посредством выбора второго компонента с PTC. Это будет влиять на температуру, при которой происходит автоматическое отключение.
Хотя фигура 6 иллюстрирует сопротивление материала, который содержит один компонент с NTC и два компонента с PTC, могут использоваться и другие сочетания компонентов с NTC и PTC. Например, два компонента с NTC могут использоваться для обеспечения отрицательного температурного коэффициента кривой сопротивления, которая содержит область с первым градиентом и область со вторым градиентом. В другом примере могут использоваться два компонента с NTC и два компонента с PTC. В целом, любое количество компонентов может использоваться для получения желаемого изменения сопротивления в зависимости от температуры.
Посредством использования соответствующих сочетаний компонентов с PTC и NTC в материале может быть получена конечная температурная характеристика, которая имеет любую желаемую форму. Фигура 7 представляет собой график зависимости сопротивления от температуры для материала, имеющего один компонент с NTC и два компонента с PTC. На всех точках вдоль характеристики поддерживается некоторый баланс в материале между отрицательным температурным коэффициентом сопротивления компонента с NTC и положительными температурными коэффициентами сопротивления двух компонентов с PTC. Можно увидеть, что в первой части 50 характеристики отрицательный температурный коэффициент сопротивления компонента с NTC доминирует, это означает, что первая часть 50 характеристики демонстрирует отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Во второй части 51 характеристики отрицательный температурный коэффициент сопротивления компонента с NTC компенсирует положительный температурный коэффициент сопротивления первого компонента с PTC, это означает, что вторая часть 51 характеристики демонстрирует нулевой температурный коэффициент сопротивления. В третьей части 52 характеристики положительный температурный коэффициент сопротивления первого компонента с PTC преобладает над отрицательным температурным коэффициентом сопротивления компонента с NTC, это означает, что третья часть 52 характеристики демонстрирует положительный температурный коэффициент сопротивления. В четвертой части 53 характеристики температура такая, что влияние первого компонента с PTC становится пренебрежимо малым, это означает, что четвертая часть 53 характеристики демонстрирует почти нулевой температурный коэффициент сопротивления. В пятой части 54 характеристики температура такая, что второй компонент с PTC становится преобладающим, это означает, что пятая часть 54 характеристики демонстрирует положительный температурный коэффициент сопротивления. Наконец, в шестой части 55 характеристики температура такая, что влияние второго компонента с PTC становится пренебрежимо малым, это означает, что шестая часть 55 характеристики демонстрирует почти нулевой температурный коэффициент сопротивления.
Нагревательный кабель может иметь форму, показанную на фигуре 1, то есть содержать пару проводников 1, 2, погруженных в материал 3, который содержит компоненты с NTC и PTC (материал может быть окружен изолятором 4). Альтернативно, нагревательный кабель может содержать так называемый нагревательный кабель последовательного сопротивления. Пример нагревательного кабеля последовательного сопротивления показан на фигуре 8, и он содержит материал 42 (содержащий компоненты с NTC и PTC), окруженный изоляционной оболочкой или покрытием 44. Проводящая наружная оплетка 46 (например, медная оплетка толщиной примерно 0,5 мм) может выборочно добавляться для дополнительной механической защиты и/или использования в качестве провода заземления. Оплетка может покрываться наружной оболочкой 48 из термопластика для дополнительной механической защиты. При использовании нагревательный кабель может соединяться на любом конце с источником питания (как правило, с источником постоянного напряжения). Присоединение осуществляется к материалу 42, так что ток протекает вдоль нагревательного кабеля через материал 42, тем самым вызывая нагрев нагревательного кабеля током.
Нагревательный кабель последовательного сопротивления не должен обязательно содержать два компонента с различными PTC, но может, например, содержать один компонент с PTC и один компонент с NTC. На самом деле, любое количество компонентов с NTC и компонентов с PTC может использоваться в нагревательном кабеле последовательного сопротивления (или, на самом деле, в нагревательном кабеле формы, показанной на Фигуре 1).
Нагревательный кабель с использованием любого из материалов, описанных выше, может использоваться в любой соответствующей окружающей среде, в которой требуется нагрев. Например, нагревательный кабель может применяться вдоль трубы, которая экспонируется для флуктуаций температуры, или в другом устройстве для переноса текучих сред. Альтернативно, нагревательный кабель может использоваться, например, для нагрева окружающей среды, для использования в быту, например, обеспечивая нагрев теплого пола. Нагревательный кабель может создаваться в автомобильном сиденье, для нагрева сиденья. Нагревательный кабель может быть типа, показанного на фигуре 1, или типа, показанного на фигуре 7.