НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ

Полезная модель относится к нагревательным элементам, а именно к резистивным нагревательным элементам, в частности, к гибким нагревательным кабелям, и может быть использована в качестве нагревательного элемента в различных нагревательных приборах бытового и промышленного назначения, например, нагревательных панелях, электроконвекторах и т.п.
Известен гибкий нагревательный элемент, содержащий токонесущие и нагревательные провода, вплетенные в основу из гибкого изоляционного материала, например, из стекловолокна, и герметичное электроизоляционное влагостойкое покрытие, при этом с целью увеличения срока службы, токонесущие и нагревательные провода расположены в два параллельных ряда, причем ряд токонесущих проводов отделен от ряда нагревательных проводов электроизоляционным материалом (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №233125, МПК Н 05 В 3/56, опубл. 18.12.1968 г.).
Конструкции известного нагревательного элемента присущи следующие недостатки: сложность изготовления и недостаточная надежность. Первое связано с тем, что в конструкции нагревательного элемента предусмотрены несколько видов проводов: токонесущие и нагревательные, конструктивно разделенные друг от друга электроизоляционным материалом. При этом токонесущие провода представляют собой набор нескольких независимых друг от друга проводов (20 жил нихромового провода), изолированных друг от друга, что также усложняет конструкцию элемента в целом. Второе связано с тем, что в месте подключения токонесущих проводов к разъемам для подключения нагревательного элемента к сети провода крепятся пайкой и место пайки герметизируется заливкой из компаунда. Однако, подобное подключение проводов ненадежно, вследствие того, что пайка может разрушиться, после чего образуется контакт, способный вызвать замыкание провода, приводящее к его чрезмерному нагреву, расплавлению заливки и выходу нагревательного элемента из строя.
Известен также гибкий инфракрасный излучатель, содержащий резистивный элемент в виде спирали, расположенный на гибком тонком металлическом каркасе, изолированном слоями из стекловолокна и заключенный в изоляционную оболочку, при этом оболочка выполнена многослойной из стекловолокна (см. патент РФ на изобретение №2074525, МПК Н 05 В 3/56, опубл. 27.02.1997 г.).
Однако, известному излучателю также присущи сложность конструкции и недостаточная надежность. Это связано с тем, что у известного излучателя подложка для
резистивного элемента выполнена многослойной (каркас, изолированный слоями из стекловолокна), что усложняет технологию ее производства. Кроме того, у известного излучателя токоподводящие наконечники выполнены как непрерывное продолжение резистивного элемента, а это при нагреве резистивного элемента до температуры 750-800°С может привести к перегреву места перехода резистивного нагревательного элемента в токоподводящий наконечник, его разрушению и выхода из строя резистивного элемента.
Известен нагревательный кабель, представляющий собой несколько, по крайней мере, два переплетенных между собой проводов, при этом провода частично намотаны на низкоомный кабель с редким шагом намотки, а частично скручены в тугую гибкую спираль без него, при этом по крайней мере, один провод находится в гальванической связи с низкоомным кабелем (см. патент Европейского патентного ведомства на изобретение №0951804, МПК H 05 В 3/56, Н 05 В 3/54, Н 05 В 3/06, опубл. 27.10.1999 г.).
Однако, для работы вышеуказанного кабеля также требуется набор из нескольких проводов, что приводит к его удорожанию. Кроме того, в месте перехода проводов с низкоомного изоляционного кабеля, возможен перегрев проводов и их обрыв. Это также может произойти вследствие свойств материала, из которого выполнены токонесущие провода. Тугоскрученный провод без подложки после изгиба запомнит свое состояние, что приведет к излому кабеля и также обрыву провода. Это снижает надежность известного кабеля.
Известен также нагревательный кабель, включающий пару удлиненных электродных проволок, каждая из которых покрыта первым слоем изолирующего материала, при этом указанный первый слой изолирующего материала, по крайней мере, частично удален в отдельных местах, разделенных некоторым расстоянием и расположенных с чередованием от одной электродной проволоки к другой, удлиненную резистивную жилу, спирально намотанную вокруг электродных проволок с обеспечением электрического контакта этой удлиненной резистивной жилы с электродными проволоками в упомянутых отдельных местах, где удален изолирующий материал, и с обеспечением электрического соединения этих мест с упомянутой жилой, и второй слой изолирующего материала, нанесенный поверх удлиненной резистивной жилы и образующий наружное покрытие нагревательного кабеля, при этом удлиненная резистивная жила образована спиральной обмоткой резистивной нагревательной проволоки вокруг нити из волокнистого изоляционного материала (см. патент РФ на изобретение №2180772, МПК Н 05 В 3/54, Н 01 В 7/04, опубл. 20.03.2002 г., а также патент Канады на изобретение №2205638, МПК Н 05 В 3/54, Н 01 В 7/04, опубл. 16.11.1998 г.)
Однако, известному кабелю также присуща сложность конструкции, вследствие наличия нескольких удлиненных электродных проволок, покрытых изоляционным материалом, и необходимости дополнительной обработки изоляции кабеля по ее локальному удалению, а также намотки совокупности резистивной проволоки, навитой на нити из волокнистого изоляционного материала. При этом тонкая нагревательная нить может быть повреждена, что приведет к разрушению целостности оплетки из нагревательной и волокнистой нитей, что негативно скажется на свойствах кабеля, указывая на его недостаточную надежность.
Известен нагревательный кабель, представляющий собой находящуюся в оболочке спираль из нагревательной проволоки, навитую на гибкую подложку из изоляционного материала с большим шагом намотки. Подложка и оболочка выполнены из хлопка или вискозного волокна, пропитанных жидкостью, содержащей соединения фосфора и азота, препятствующей возгоранию волокон. Спиральная жила имеет большее электрическое сопротивление по сравнению с линейной во столько раз, во сколько длина спирали больше линейной длины провода и обеспечивает повышение его удельной тепловой мощности (см. патент Германии на изобретение №2917639, МПК Н 05 В 3/56, Н 05 В 3/54, опубл. 06.11.1980 г.).
Известный кабель также имеет недостаточную надежность, вследствие отсутствия надежного контакта нагревательной проволоки в месте ее подключения к сетевому устройству, что может привести к ее чрезмерному нагреву, излому, разрушению изоляции (которая рассчитана на работу при температуре не более 80°С) и выходу кабеля из строя.
Известен гибкий нагревательный провод, содержащий сердечник, выполненный в виде жгута из нагревостойких нитей, токопроводящую жилу, спирально размещенную на сердечнике по всей его длине, и изоляционный слой, выполненный из нагревостойких нитей и расположенный поверх токопроводящей жилы, при этом сердечник и изоляционный слой выполнены из одинакового материала, причем провод снабжен дополнительным слоем, который выполнен в виде повива из указанных нагревостойких нитей, уложенных с шагом, равным шагу спирали токопроводящей жилы, выполненной многопроволочной, а ее проволоки расположены равномерно по периметру сердечника с чередованием с повивом дополнительного изоляционного слоя (см. патент РФ на изобретение №2046553, МПК Н 05 В 3/36, опубл. 20.10.1995 г.)
Однако, известная конструкция кабеля также имеет сложную конструкцию и недостаточную надежность. Сложность конструкции кабеля вызвана необходимостью выполнения токопроводящей жилы из нескольких проводов, а также точного повива
нагревостойких нитей, шаг укладки которых равен шагу спирали токопроводящей жилы. Надежность кабеля в процессе эксплуатации снижается вследствие возможного нагрева места соединения кабеля с сетевыми устройствами, что приведет к его перегреву и выходу из строя.
Наиболее близким к предложенному кабелю является электронагревательный кабель, содержащий прочную основу в виде жгута, выполненного из волокнистого материала, на которой спирально намотан резистивный элемент, выполненный из непрерывного проводника высокого электросопротивления, на котором дискретно по длине размещены участки покрытия с низким электросопротивлением, шунтирующие соответствующие участки высокого электросопротивления и наружное электроизоляционное герметичное покрытие, при этом проводник высокого электросопротивления выполнен из жгутостеклянных нитей с пироуглеродным покрытием, сопротивление участков с низким электросопротивлением выбрано в 100-200 раз меньше сопротивления участков высокого электросопротивления, а шаг намотки резистивного элемента выбран не менее 5 мм (см. патент РФ на изобретение №2072116, МПК Н 05 В 3/56, опубл. 20.01.1997 г.).
Однако, известному кабелю также присущи сложность изготовления и недостаточная надежность. Это выражается в необходимости выполнения на тонком резистивном элементе чередующихся участков с низким и высоким электросопротивлением, что усложняет технологию производства такого кабеля. Кроме того, в конструкции кабеля также не предусмотрено надежное крепление концевого участка к сетевому устройству (клемме, разъему и т.п.), связывающему кабель с источником напряжения. Вследствие этого в месте такого крепления возможен перегрев кабеля и его выход из строя.
Задачей настоящей полезной модели является создание нагревательного кабеля с упрощенной конструкцией без каких-либо дополнительных конструкционных элементов, имеющего повышенную надежность.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является снижение сопротивления и температуры нагревательного элемента в месте его механического контакта с токоподводящим элементом, а также повышение механической прочности кабеля.
Поставленная задача решается тем, что в нагревательном кабеле, содержащем подложку из стекловолокнистого материала, на которую в виде спирали намотан резистивный нагревательный элемент, электроизоляционную оболочку, согласно полезной модели, подложка из стекловолокнистого материала выполнена из скрученного ленточного материала, при этом кабель снабжен, по крайней мере, одним концевым участком,
на котором нагревательный элемент намотан на подложку, по крайней мере, в три ряда, причем витки каждого последующего ряда намотки уложены внахлест на витки предыдущего ряда с изменяемым углом наклона относительно подложки.
Кабель может быть дополнительно снабжен токопроводящим элементом, при этом концевой участок кабеля с многорядной намоткой нагревательного элемента размещен в контактной части токопроводящего элемента, и выступает за его границу.
Целесообразно, чтобы длина концевого участка кабеля с многорядной намоткой была равна, по крайней мере, удвоенной длине участка кабеля, размещаемого в контактной части токопроводящего элемента.
Нагревательный кабель может быть снабжен дополнительным проволочным резистивным нагревательным элементом в электроизоляционной оболочке, намотанным на имеющуюся электроизоляционную оболочку, и контактирующим с имеющимся резистивным нагревательным элементом на концевом участке кабеля с многорядной намоткой.
Выполнение на кабеле концевого участка, на котором нагревательный резистивный элемент намотан многократно, а именно, намотка имеет не менее трех рядов, при этом витки каждого последующего ряда намотки уложены внахлест на витки предыдущего ряда с изменяемым углом наклона относительно подложки, позволяет достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Расположение витков проволочного нагревательного элемента разных рядов, электрически контактирующих друг с другом (вследствие нахлеста), позволяет за счет взаимного контакта витков нагревательного элемента снизить электрическое сопротивление кабеля на этом участке, а соответственно снизить количество теплоты, выделяемого резистивным нагревательным элементом, что снижает температуру кабеля (а именно резистивного нагревательного элемента) на этом участке. Размещение витков резистивного нагревательного элемента внахлест друг относительно друга можно произвести путем изменения угла наклона витков каждого ряда относительно подложки по сравнению с предыдущим намотанным рядом. Например, первый ряд намотки имеет угол наклона относительно подложки 60°. Второй ряд намотки целесообразно ориентировать под углом 120°. А третий - также под углом 60°. Таким образом, каждый последующий ряд витков проволочного нагревательного элемента намотан с изменением угла наклона, обеспечивая нахлест витков каждого последующего ряда друг на друга и электрический контакт витков разных рядов друг с другом.
Количество рядов, не менее трех, выбрано из следующих соображений. Целесообразно проводить намотку проволочного нагревательного элемента на подложку с
определенным шагом в одном направлении. При изготовлении нагревательного кабеля в процессе намотки нагревательного элемента необходимо, дойдя до конца кабеля, изменить угол наклона проволочного нагревательного элемента относительно подложки,. Затем проволочный нагревательный элемент наматывается на подложку в обратном направлении на определенное расстояние, регламентированное технологически. Однако, чтобы окончательно совершить намотку проволочного нагревательного элемента (намотать до конца подложки и обрезать проволоку, поскольку место отреза целесообразно размещать в месте окончания подложки), ее необходимо снова наматывать в первоначальном направлении, опять изменив угол наклона, образуя третий ряд витков. Вообще, технологически целесообразно наматывать нечетное количество рядов, что упростит производство кабеля как такового.
Таким образом, именно на концевом участке с многорядной намоткой ток, идущий от контактного элемента (например, клеммы), с которым контактирует кабель для своего нагрева, распределяется среди большего числа витков. Это снижает сопротивление на этом участке кабеля, что также влияет на снижение температуры кабеля. Участки с многорядной намоткой (с пониженной температурой) необходимо выполнять на концах кабеля вследствие того, что именно в месте контакта кабеля с каким-либо разнородным элементом температура кабеля вследствие наличия контакта традиционно выше. И участок с пониженным сопротивлением позволит температуру на концевых участках нагревательного кабеля. Это также приведет к отсутствию отгорания контакта кабеля и вызывает повышение механической прочности такого контакта.
Кабель может быть снабжен собственным токопроводящим элементом, например, медным трубчатым наконечником, что упрощает монтаж кабеля и крепление к внешнему токоподводящему элементу. В этом случае концевой участок размещается в контактной части токопроводящего элемента, обжимается там, выступая за границу токопроводящего элемента.
При этом, если длина участка кабеля с многорядной намоткой будет равна, по крайней мере, двум длинам участка кабеля размещаемого внутри токопроводящего элемента, это дополнительно улучшит контакт кабеля и снизит температуру на этом участке кабеля.
Наличие подложки, выполненной в виде скрученной ленты, позволяет дополнительно повысить механическую прочность кабеля в целом, а скручивание ленты повышает дополнительно жесткость кабеля. При этом скручивание, например, жгута, используемого в качестве подложки в прототипе, приведет к попытке возврата жгута в исходное состояние, что в силу возникновения большого крутящего момента может
нарушить порядок намотки на него резистивного элемента. При этом скрученная лента гораздо в меньшей степени подвержена возврату в исходное «нескрученное» состояние.
Вместе с тем, наличие второго дополнительного проволочного резистивного нагревательного элемента с электроизоляционной оболочкой, например, из стекловолокна, обеспечит дополнительную прочность кабеля, а также повысит среднюю температуру нагрева на единицу длины кабеля на той же длине кабеля, что позволит увеличить мощность кабеля.
Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами, где на фиг.1 показан нагревательный кабель, общий вид; на фиг.2 - то же, со снятой электроизоляционной оболочкой; на фиг.3 - узел I в разрезе, в увеличенном масштабе; на фиг.4 - нагревательный кабель с дополнительным проволочным резистивным нагревательным элементом и со снятой дополнительной электроизоляционной оболочкой; на фиг.5 - узел II в разрезе, в увеличенном масштабе.
Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - проволочный резистивный нагревательный элемент; 2 - подложка; 3 - электроизоляционная оболочка; 4 - токопроводящий элемент в виде наконечника; 5 - место обжима кабеля в наконечнике; 6 - дополнительный проволочный резистивный нагревательный элемент.
Нагревательный кабель содержит резистивный нагревательный элемент 1, намотанный в виде спирали на подложку 2 из стекловолокнистого материала и закрытый электроизоляционную оболочкой 3 (фиг.1 и 2). Резистивный нагревательный элемент 1 может быть выполнен из непрерывного проводника высокого электросопротивления, например, из нихромовой проволоки.
Подложка 2 выполнена из скрученного стекловолоконного ленточного материала.
Кабель снабжен концевым участком, на котором проволочный нагревательный элемент 1 намотан на подложку 2, по крайней мере, в три ряда. При этом витки каждого последующего ряда намотки уложены внахлест на витки предыдущего ряда с изменяемым углом наклона относительно подложки 2 (фиг.2 и 3). Например, первый ряд намотки имеет угол наклона относительно подложки 60° (фиг.2). Второй ряд намотки целесообразно ориентировать, например, под углом 120°. А третий - также под углом 60°. Таким образом, каждый последующий ряд витков проволоки намотан с изменением угла наклона, обеспечивая нахлест (наложение) витков каждого последующего ряда друг на друга.
Концевой участок кабеля необходимо размещать в контактном элементе, подводящем ток к кабелю, при этом, если кабель снабжен собственным токопроводящим элементом, например, медным наконечником, концевой участок кабеля с многорядной намоткой нагревательного элемента целесообразно размещать в контактной части этого токопроводящего элемента, который контактирует с внешним токоподводящим элементом (фиг.1-3), обжимая в точке 5 кабель.
Участок кабеля с многорядной намоткой нагревательного элемента 1 может быть выполнен выступающим за границу контактной части наконечника 4.
При этом целесообразно, чтобы длина участка кабеля с многорядной намоткой была равна, по крайней мере, удвоенной длине участка кабеля, размещаемого в контактной части наконечника 4.
Нагревательный кабель может быть снабжен дополнительным резистивным нагревательным элементом 6 в электроизоляционной оболочке (на чертежах не показана), намотанном на имеющуюся электроизоляционную оболочку 3, и контактирующим с имеющемся резистивным нагревательным элементом 1 на участке кабеля с многорядной намоткой (фиг.4 и 5), придавая дополнительную жесткость кабелю и увеличение его электрической мощности.
Нагревательный кабель изготавливается и работает следующим образом.
Подготавливают подложку 2 из ленты, например, стеклоленты ЛЭСБ, из стекловолокнистого материала путем ее скручивания.
На подложку 2 в виде спирали наматывают резистивный нагревательный элемент 1, который потом закрывают в электроизоляционную оболочку 3.
Намотка проволочного резистивного нагревательного элемента 1 осуществляется таким образом, чтобы кабель был снабжен участком, на котором нагревательный элемент 1 был намотан на подложку 2, по крайней мере, в три ряда.
При этом витки каждого последующего ряда намотки располагаются внахлест на витки предыдущего ряда с изменяемым углом наклона относительно подложки 2, обеспечивая электрический контакт между витками разных рядов (фиг.2 и 3).
В качестве электроизоляционной оболочки может быть использован, например, шнур электротехнический ШС-5, а в качестве проволочного резистивного нагревательного элемента, например, нихромовая проволока.
Участок кабеля с многорядной намоткой размещается в контактной части внешнего токоподводящего элемента или собственного токопроводящего элемента, выполненного, например, в виде медного наконечника 4, и обжимается в точке 5.
Целесообразно, чтобы нагревательный элемент 1 был выполнен выступающим за границу контактной части наконечника 4, при этом длина участка кабеля с многорядной намоткой была не менее, чем удвоенная длина участка кабеля, размещаемого в контактной части наконечника 4.
Нагревательный кабель может быть снабжен дополнительным проволочным резистивным нагревательным элементом 6 в электроизоляционной оболочке.
Дополнительный нагревательный элемент наматывается на имеющуюся электроизоляционную оболочку 3, и контактирует с имеющемся резистивным нагревательным элементом 1 на участке с многорядной намоткой.
Многорядная намотка упрочняет механический и электрический контакт с токоподводящим или токопроводящим элементами, на которые подается напряжение, после чего в кабеле протекает электрический ток, нагревая его с отдачей тепла окружающему пространству.
При этом за счет многорядной намотки внахлест концевой участок кабеля имеет значительно меньшую температуру, чем остальные участки кабеля, вследствие чего контакт не отгорает и не разрушается.
Таким образом, нагревательный кабель может быть использован в различных нагревательных приборах бытового и промышленного назначения, например, нагревательных панелях, электроконвекторах как простой, надежный и долговечный резистивный нагревательный элемент, которому присущи пониженные сопротивление и температура в месте его контакта с токоподводящим элементом, а также имеющий повышенную механическую прочность.