КАБЕЛЬНОЕ ИЗДЕЛИЕ, ИЗМЕНЯЮЩЕЕ ЦВЕТ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Настоящая полезная модель относится к электрическому проводу, кабелю и иным электрическим компонентам, предназначенным для передачи электрической энергии и меняющим цвет в зависимости от температуры. Такие кабельные изделия позволяют визуализировать повышение температуры провода, кабеля и электрических компонентов до критических температур путем изменения цвета кабеля.
Оболочка кабельных изделий, таких как провод и кабель, обычно изготавливается из полимерного материала, например из поливинилхлорида, и такие изделия по разным причинам могут сами вырабатывать тепло, нагреваться за счет тепла, выделяемого внутренними элементами или нагреваться за счет внешнего воздействия.
В случаях воздействия избыточного тепла на компоненты кабельного изделия, превышающего их максимально допустимые рабочие температуры, кабельное изделие может быть повреждено. Отследить визуально, без использования дополнительных измерительных средств, воздействие избыточного тепла на кабельное изделие не представляется возможным. Во многих случаях обнаружение проблемы происходит слишком поздно, когда полимерные элементы конструкции кабельного изделия начинают плавиться, деформироваться, дымиться или воспламенятся. Кроме того, если в непосредственной близости от такого аномально выделяющего тепло объекта находятся легковоспламеняющиеся вещества или горючие материалы, это может привести к серьезной аварии, например, к возникновению пожара или взрыву.
Для предотвращения аварий, связанных с перегревом кабеля, практикуется измерение температуры кабеля в процессе его работы. Измерение температуры, как правило, осуществляется по установленному графику бесконтактным методом, например пирометром, и может не обеспечить надежный результат, так как перегрев кабеля может случиться между измерениями или в недоступном для измерения месте
По причине перегрева кабеля может произойти преждевременное старение изоляции, что приведет к снижению изоляционных свойств и возможному преждевременному выходу из строя. Определить место, в котором изоляция имеет сниженные свойства без применения дополнительного оборудования невозможно.
Известен термочувствительный токопроводящий кабель (CN 200941319 Y, G01K 11/12, опубл. 29.08.2007), на поверхность которого нанесен термохромный слой, изменяющий цвет при изменении температуры. В качестве термохромного слоя используется специальная краска, которая изменяет цвет при критическом изменении температуры, создавая тем самым предупреждающий эффект. При этом кабель, изменяющий цвет при критическом повышении температуры, может иметь несколько участков оболочки, на которые нанесен термохромный слой; каждый из вышеупомянутых участков реагирует на определенный уровень повышения температуры и изменяет цвет в соответствии со значением критической температуры.
Ниже данной критической температуры термохромный слой имеет непрозрачный цвет, при критической температуре или выше термохромный слой находится в прозрачном состоянии. Для изготовления термохромного слоя используется обратимый термочувствительный пигмент.
Способы нанесения термохромного слоя на внешнюю поверхность указанного токопроводящего кабеля, изменяющего цвет при критическом повышении температуры, могут быть следующими: печать, распределение по поверхности, распыление и окунание.
Недостатком указанного аналога является недостаточная информативность по причине использования только одного вида термохромного пигмента - обратимого. Покрытие меняет цвет и сигнализирует о перегревах кабельного изделия только в процессе работы изделия, после отключения определить место перегрева и возможного повреждения невозможно.
Известен термочувствительный, изменяющий цвет кабель (патент JP 2006294625 A, B65D 85/804, опубл. 26.10.2006). Указанный кабель, как показано на фигуре 1, состоит из нескольких токопроводящих жил покрытых оболочкой. Оболочка изготовлена из полимерного материала с добавлением термохрома, цвет которого меняется при изменении температуры.
Вышеуказанный термохром представляет собой смесь двух или более видов термохромов, имеющих различные диапазоны чувствительности к температуре.
Термохром, изменяющий цвет в результате изменения температуры, является обратимым.
На фигуре 1 показано: 1 - сердечник, 2 - металлическая жила, 3 - ленточный слой (для скрепления жил), 4 - оболочка.
Недостатком указанного аналога также является недостаточная информативность о характере и месте перегрева кабельного изделия из-за использования только одного вида термохромного пигмента - обратимого. Поскольку термохромный краситель (пигмент или суперконцентрат) добавляется во всю толщину защитной наружной оболочки кабеля, ухудшаются физико-механические характеристики материала оболочки. В частности, снижаются показатели холодостойкости (в случае производства кабелей категории ХЛ). В результате внесения в оболочку термохромного красителя могут снизиться показатели пожаробезопасности кабеля, в случае производства кабелей пониженной пожарной опасности, за счет снижения процентного содержания функциональных добавок в оболочке, например антипиренов, в материале оболочки.
Известен также изменяющий цвет кабель (Патент CN 102589728 A, G01K 1/02, опубл. 19.03.2014), являющийся аналогом ранее указанного кабеля. Представляет собой кабель с оболочкой, чувствительной к температуре и изменяющей цвет при перегреве, для индикации перегрева кабеля без использования термопары или пирометра. Если покрасить кабель термохромной краской снаружи, то при перегибе слой краски потрескается, краска осыпается и индикации температуры не будет. Проблему решают добавлением термохрома во всю толщину оболочки. Термохром, изменяющий цвет при перегреве, является обратимым.
Такому кабелю присущи все те же недоставки, о которых упоминалось ранее.
Известен электрический провод или кабель (Патент JPH 10241470 A, H01B 7/32,опубл. 11.08.1998), меняющий цвет в зависимости от температуры, у которого вся наружная оболочка или ее часть окрашены обратимым термохромным пигментом для индикации температуры.
Во время экструзионного формования оболочки, обратимый термохромный пигмент для индикации температуры обычно примешивается ко всей наружной оболочке или к части оболочки в виде полосы в толще оболочки, с помощью специального экструдера.
Количество обратимого термохромного пигмента, обладающего различным изменением цвета, как описано выше, предпочтительно добавлять не более 2 мас.ч. по отношению к 100 мас.ч. базового полимера, например поливинилхлоридной смолы (ПВХ). Причина в том, что при превышении количества 2 мас.ч. физические свойства базовой смолы, например морозостойкость, ухудшаются.
Недостатком указанного аналога является недостаточная информативность о характере и месте перегрева кабельного изделия из-за использования только одного вида термохромного пигмента - обратимого. Отследить перегрев кабельного изделия в этом случае можно только в процессе работы изделия.
Недостатком указанного аналога также является снижение эксплуатационных характеристик при недостаточном внесении термохромного пигмента, таких как визуализация заявленного эффекта изменения цвета. Проведенные эксперименты показали, что 2% термохромного пигмента в материале дают бледный цвет, особенно в материалах для оболочек негорючих кабелей, где высокое содержание антипиренов заглушает цвет пигмента. Например, 2% черного термохромного пигмента в материале ПВХ марки ППО 20-30, применяемом для изготовления оболочек пониженной горючести, позволяют получить бледно-серый цвет вместо ожидаемого черного.
Известен провод с эмалированной изоляцией (Патент CN 206331826 U, H01B 7/02, опубл. 14.07.2007), который является прототипом. Данный провод включает в себя медный провод круглого сечения, покрытый снаружи слоем полиимидного лака, который является изоляционным слоем, изоляционный слой покрыт снаружи слоем полипропилена, на пролипропиленовый слой снаружи нанесен термохромный слой с индикацией температуры, на термохромный слой с индикацией температуры снаружи нанесен полиамидный изоляционный лак. Данная полезная модель позволяет регистрировать повышение рабочей температуры эмалированного провода, тем самым предотвращая возгорание или несчастные случаи. Термохромный пигмент, используемый в термохромном слое, является необратимым, то есть регистрирует повышение температуры однократно.
Недостатком указанного аналога является использование только одного вида термохромного пигмента - необратимого, который позволяет регистрировать критическую температуру однократно. В случае повторного перегрева информация будет уже некорректной, т.к. на проводе с эмалированной изоляцией останется запись от предыдущих перегревов.
Известные аналоги не дают достаточного количества информации о месте и характере перегрева кабельного изделия. Указанные аналоги имеют только один вид термохромной индикации перегрева: либо обратимый, либо необратимый, при этом при формировании термохромных слоев снижаются эксплуатационные характеристики оболочки кабеля
Таким образом, техническая проблема, решаемая настоящей полезной моделью, заключается в устранении недостатков, присущих известным аналогам, а именно: недостаточного количества информации о месте и характере перегрева кабельного изделия.
Достигаемый при этом технический результат - это двойной контроль температуры кабельного изделия путем индикации обратимых и необратимых изменений.
Для решения указанной технической проблемы и достижения заявленного технического результата предлагается кабельное изделие, изменяющее цвет в зависимости от температуры, включающее многослойную оболочку, выполненную в виде оболочки, слоя с обратимым термохромом, нанесенного на всю поверхность оболочки методом коэкструзии, и слоя с необратимым термохромом, который нанесен на часть поверхности слоя с обратимым термохромом.
Оболочка и слой с обратимым термохромом выполнены из полимерного материала, содержащего одинаковый базовый полимер.
Слой с необратимым термохромом содержит краситель с добавлением необратимого термохрома.
Для целей настоящей заявки под термином «кабельное изделие» понимается кабель, провод, шнур и т.д., предназначенные для передачи электрической энергии, электрических и оптических сигналов или для изготовления обмоток электрических устройств.
«Оболочка» - защитный покров, наносимый на кабельное изделие поверх остальных элементов конструкции, предназначенный для защиты кабельного изделия от повреждений и придания эксплуатационных характеристик таких как: горючесть, пожаробезопасность, холодостойкость и т.п. Преимущественно изготавливается из полимерных материалов, таких как ПВХ, ПЭ, ЭВА, ПУ, ТЭП, резина и т.п.
«Изоляция» - это один или несколько слоев специального диэлектрического материала, который покрывает кабельные жилы. Преимущественно изготавливается из полимерных материалов, таких как ПВХ, ПЭ, ЭВА, ПУ, ТЭП, резина и т.п.
«Критическая температура 1» - максимально допустимая температура работы кабельного изделия.
«Критическая температура 2» - температура, при которой кабельное изделие утрачивает работоспособность, например, по причине повреждения изоляции.
«Термохром», «термохромный пигмент» или «термочувствительный пигмент» - микрокапсулированное вещество, вносимое в оболочку кабеля, которое изменяет свой цвет при достижении заданной температуры.
«Обратимый термохром» - термохром, который при достижении заданной температуры меняет свой цвет, при обратном процессе цвет восстанавливается до первоначального.
«Необратимый термохром» - термохром, который при достижении заданной температуры меняет свой цвет, при обратном процессе цвет не восстанавливается.
«Обратимые изменения» - это такие изменения, которые видны при достижении кабелем критической температуры 1.
«Необратимые изменения» - это такие изменения, которые видны при достижении кабелем критической температуры 2.
«Термохромный слой» - слой для индикации изменений, содержащий термохром.
«Слой с обратимым термохромом» - слой для индикации изменений, содержащий обратимый термохром.
«Слой с необратимым термохромом» - слой для индикации изменений, содержащий необратимый термохром.
«Многослойная оболочка» - оболочка кабельного изделия, покрытая по всей поверхности слоем, выполненным из полимерного материала с добавлением обратимого термохрома. На часть поверхности слоя с обратимым термохромом нанесен слой с необратимым термохромом.
«Базовый полимер» или «базовая смола» - основа полимерного материала (компаунда), из которого изготавливается изоляция или оболочка кабельного изделия.
«Экструзия» - способ наложения полимерных слоев, таких как оболочка или изоляция, на кабельное изделие с помощью экструзионной линии.
«Коэкструзия» или «соэкструзия» - способ нанесения дополнительного слоя на оболочку кабельного изделия при помощи дополнительного экструдера, одновременно с нанесением оболочки.
Далее заявленное кабельное изделие поясняется фигурой 2, на которой представлен общий вид устройства, где
1 - многослойная оболочка,
2 - оболочка,
3 - слой с обратимым термохромом,
4 - слой с необратимым термохромом,
5 - изоляция,
6 - жила.
Кабельное изделие, изменяющее цвет в зависимости от температуры, имеет многослойную оболочку (1), представленную в виде оболочки (2), слоя с обратимым термохромом (3) и слоя с необратимым термохромом (4). Многослойная оболочка (1) нанесена на токопроводящие жилы (6), которые могут быть покрыты изоляцией (5). Количество и тип жил (6) в кабельном изделии могут быть разным в зависимости от марки и маркоразмера кабельного изделия. Кабельное изделие может содержать такие конструкционные элементы (на фигуре 2 не указано), как нити, скрепляющие ленты, медные экраны, полимерное заполнение и прочие элементы, необходимые для придания кабельному изделию заданных эксплуатационных свойств. Как указано выше, поверх всех конструкционных элементов кабельное изделие покрыто многослойной оболочкой (1), первый слой которой представлен оболочкой (2). Оболочка (2) выполнена из полимерного материала, основу которого составляет базовый полимер. В качестве базового полимера могут быть использованы, например, ПВХ, ПЭ, ЭВА, ПУ, ТЭП, резина и т.п. При этом выбор полимерного материала, из которого изготовляется оболочка (2), определяется в зависимости от назначения кабельного изделия, например, для придания морозостойких или огнеупорных качеств и т.д.
Оболочка (2) и слой с обратимым термохромом (3) выполнены из материала, содержащего одинаковый базовый полимер, при этом слой с обратимым термохромом (3) выполнен с добавлением обратимого термохромного пигмента.
Слой с обратимым термохромом (3) нанесен на поверхность оболочки (2) методом коэкструзии. Таким образом, слой с обратимым термохромом (3) образует с оболочкой (2) единое целое, не нарушая при этом физико-механических характеристик оболочки (2).
Поверх слоя с обратимым термохромом на часть его поверхности нанесен слой с необратимым термохромом (4). Слой с необратимым термохромом представляет собой краситель (краска, чернила и т.д.) с добавлением необратимого термохрома. Слой с необратимым термохромом наносится методом окрашивания или печати. Слой с необратимым термохромом может быть нанесен в виде одной или нескольких продольных полос, а также в виде текста.
Кабельное изделие с многослойной оболочкой (1), включающее слои для индикации обратимый и необратимых изменений, способно менять свой цвет при изменениях температуры, например при нагреве выше критических температур.
Температура, при которой кабельное изделие меняет цвет, выбирается из диапазона от +15°С до +70°С в зависимости от типа и конструкции кабельного изделия.
Цвет термохромного пигмента, внесенного в слой с обратимым термохромом (3), может быть любым из представленных производителями пигментов на рынке, в том числе с прямым термохромным эффектом, обратным и с переходом из одного цвета в другой.
Заявленное кабельное изделие работает следующим образом.
Во время перегрева кабельного изделия выше критической температуры 1, максимально допустимой температуры работы кабеля, обратимый термохромный слой (3) меняет свой цвет, например с черного цвета на бесцветный цвет, тем самым сигнализируя о превышении допустимой рабочей температуры. Таким образом обслуживающий персонал видит отклонения в работе кабельного изделия и предпринимает меры по предупреждению аварийной ситуации. После снижения температуры кабельного изделия обратимый термохромный слой (3) возвращает свой изначальный цвет.
Т.е. такие изменения температуры являются обратимыми, кабельное изделие пригодно к дальнейшей эксплуатации.
Во время перегрева кабельного изделия выше критической температуры 2, при которой происходит преждевременное старение и снижение изоляционных свойств изоляции (5) или выход из строя других элементов конструкции, слой с необратимым термохромом (4) меняет свой цвет, например, с черного на красный. После отключения кабельного изделия температура снижается, но в месте превышения критической температуры 2, на оболочке, остается информация о превышении температуры в виде измененного цвета слоя с обратимым термохромом (4). Таким образом, по измененному цвету многослойной оболочки возможно обнаружить место повреждения кабельного изделия.
Нанесение двух видов термохромного пигмента на кабельную оболочку позволяет контролировать температурные изменения кабельного изделия во время работы и в случае его повреждения. Слой с обратимым термохромом (3) показывает превышения критической температуры 1 работы кабельного изделия во время его работы и помогает предотвратить аварию. Слой с необратимым термохромом (4) позволяет обнаружить место, в котором была превышена критическая температура 2, и обнаружить место повреждения кабельного изделия, в случае если оно не было обнаружено во время работы.
Выполнение оболочки и слоя с обратимым термохромом из полимерного материала, содержащего одинаковый базовый полимер методом коэкструзии, позволяет изготовить оболочку, которая является единым целым и не имеет возможности расслоиться в процессе эксплуатации. Изготовление слоя с обратимым термохромным пигментом из полимерного материала с теми же характеристиками, что и основная оболочка, с добавлением обратимого термохромного пигмента, позволяет сохранить в многослойной оболочке все заданные свойства оболочки, например пониженную горючесть, холодостойкость и т.п.
За счет обратимого термохрома появляется возможность обнаружить перегрев кабельного изделия во время его работы. При достижении максимальной рабочей температуры (критической температуры 1) на поверхности кабельного изделия в местах перегрева меняется цвет, таким образом перегрев можно визуально обнаружить, не используя дополнительных измерительных средств. При снижении температуры, например при отключении, например из электросети, кабельного изделия цвет его поверхности возвращается к первоначальному цвету.
За счет необратимого термохрома появляется возможность обнаружить место повреждения кабельного изделия по причине перегрева. При достижении кабельным изделием критической температуры 2, при которой происходит разрушение изоляции, в месте перегрева изменяется цвет оболочки, при этом изменение цвета происходит в месте нанесения необратимого термохромного пигмента.