DE10107429B4

DE10107429B4 - Heizkabel mit Mehrschichtaufbau

Info

Publication number: DE10107429B4
Application number: DE10107429A
Authority: DE
Inventors: Renato Parun
Original assignee: Thermon Europe BV
Current assignee: Thermon Europe BV
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2021-02-17
Also published as: EP1297722B1; EP1297722A1; EA200300148A1; DE50107297D1; DE10107429A1; EA004666B1; WO2002067630A1; ATE303709T1

Abstract

Heizkabel mit Mehrschichtaufbau, das von Innen nach Außen die folgenden Elemente aufweist:
– einen zentralen elektrisch leitfähigen Heizleiter (1),
– eine erste elektrisch isolierende Schicht (2) aus Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA), unmittelbar an den zentralen Heizleiter (1) angrenzend,
– ein Glasfaserkeramikband (3) mit elektrischer Isolierfunktion unmittelbar an die erste elektrisch isolierende Schicht (2) angrenzend,
– eine Verstärkungsschicht (4) aus einem metallischen Drahtgeflecht, und
– eine zweite elektrisch isolierende Schicht (5),
wobei die erste und die zweite elektrisch isolierende Schicht (2, 5) zur Ausbildung einer dazwischen liegenden mechanisch schützenden Luftpolsterung im Wesentlichen luftundurchlässig sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Heizkabel mit Mehrschichtaufbau.
Die Verwendung von elektrischen Heizkabeln, die einen nach außen isolierten Heizleiter aufweisen, ist gut bekannt. Derartige Heizkabel werden beispielsweise zur Prozesstemperatur-Konstanthaltung als Serien-Widerstandsheizungen verwendet.

Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 200 06 222 U1 ist eine elektrische Heizleitung mit folgendem Aufbau bekannt: Heizleiter, erste Isolierhülle, elektrische Schutzleitung (bspw. geflochtene Metalldrähte) und äußerer Isoliermantel. Unterhalb und/oder oberhalb des Schutzleiters ist ein Kunststoffband aus Polytetrafluorethylen (PTFE) angeordnet und in unmittelbarer Nachbarschaft des Kunststoffbandes ein temperaturbeständiges Geflecht, beispielsweise aus Glasseide. Diese Heizleitung gewährt Schutz vor mechanischer Beanspruchung und kann wirtschaftlich hergestellt werden. Bei dem PTFE-Band handelt es sich um eine Wicklung, die ihren endgültigen Aggregatzustand erst in einem zweiten, vergleichsweise schwierigen Verarbeitungsprozess in Form einer thermischen Behandlung erreicht. Das PTFE-Bandmaterial verbindet sich nur bis zu einem gewissen Grad. Ist die Heizleitung auf einem Prozessrohr montiert, kann es bei hohen Temperaturen zu Dehnungsspannungen kommen, die dazu führen, dass die PTFE-Schicht an den Verbindungsstellen der Wicklungen auseinander geht.

Aus der DE 690 27 113 T2 ist eine elektrische Heizanordnung mit einem ersten Isoliermantel, einer metallischen Erdungsumflechtung, die auch mechanisch verstärkend wirkt und einer äußeren Isolierschicht bekannt. Zwischen der Umflechtung und dem ersten Isoliermantel sind kleine Luftzwischenräume eingeschlossen.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 826 930 A2 ist ein Heizkabel bekannt, bei dem der Heizleiter von einer Isolationsschicht (PVC), einer Erdschutzschicht und einer äußeren Schutzschicht umgeben ist. Die beiden äußeren Schichten dienen dabei als Schutz vor mechanischer Beschädigung.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 84 35 742 U1 ist eine elektrische Heizleitung mit einer Heizlitze und umgebender Isolierung bekannt. Die Isolierung besteht dabei von Innen nach Außen aus einer PTFE-Lage, einer Metalldrahtlage (bspw. aus vernickeltem Kupferdraht) und einem Aussenmantel (PTFE). Die innere PTFE-Lage enthält dabei ein Festkörperpulver, das deutlich druckfester als PTFE ist, wodurch verhindert wird, dass die Metalldrahtlage bei einem Biegen des Heizleiters in diese innere Lage eindringen kann.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 28 50 722 A1 ist in elektrisches Heizelement mit Schutzleiter für aggressive Bäder mit einem äußeren Schutzmantel aus Perfluoralkoxy bekannt.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 32 43 061 A1 ist bekannt, zur Isolierung der Speiseadern von Heizkabeln oder -leitungen PFA zu verwenden. Es wird dabei auch auf die Möglichkeit einer Kombination mit Glasfasern hingewiesen.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Heizkabel derartig zu verbessern, dass es gegenüber äußeren mechanischen Belastungen, insbesondere auch bei hohen Temperaturen, besonders widerstandsfähig ist. Weiterhin soll das Heizkabel günstige Eigenschaften hinsichtlich der Herstellung aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.

Erfindungsgemäß ist ein Heizkabel mit Mehrschichtaufbau vorgesehen, das wenigstens einen zentralen elektrisch leitfähigen Heizleiter und zwei elektrisch isolierende und im wesentlichen luftundurchlässige Schichten aufweist, die derart angeordnet sind, dass sich zwischen ihnen ein Luftpolster ausbilden kann. Die erste (innere) elektrisch isolierende Schicht besteht aus Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) und grenzt unmittelbar an den zentralen Heizleiter. Unmittelbar an die erste elektrisch isolierende Schicht grenzt ein Glasfaserkeramikband mit elektrischer Isolierfunktion.

Zur Vermeidung eines direkten Kontakts der beiden im wesentlichen luftundurchlässigen Schichten ist ein Abstandshalter vorgesehen. Der Abstandshalter ist im Sinne einer mechanischen Verstärkungsfunktion ausgelegt und besteht aus einem metallischen Drahtgeflecht.

Der Abstandshalter kann eine Schicht mit faseriger, geflochtener, zellartiger oder poröser Struktur sein.

Das metallische Drahtgeflecht der Verstärkungsschicht besteht vorteilhaft aus vernickelten Kupfer-Drähten.

Unter Bezugnahme auf die beiliegende einzige Figur der Zeichnungen sollen nunmehr weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung näher erläutert werden.
In der Figur ist ein erfindungsgemäßes Heizkabel mit 6 bezeichnet. Ein solches Heizkabel lässt sich beispielsweise als Serienheizleitung zur Prozesstemperatur-Konstanthaltung verwenden. Aufgrund des im folgendem näher erläuterten Aufbaus lässt es sich auch im explosionsgefährdeten Bereichen verwenden.
Ein derartiges Heizkabel 6 mit Serienwiderstand weist eine konstante, durch die Spannung, den Widerstand und die Länge des Kabels definierte Wirkleistung auf. Beispielsweise kann damit eine Prozesstemperatur bis zu 280°C aufrechterhalten werden. Eine typische Versorgungsspannung beträgt 750 V. Damit lassen sich Ausgangsleistungen im Bereich von 25 W/min erzielen.
Nunmehr soll der Aufbau des erfindungsgemäßen Heizkabels 6 von innen nach außen erläutert werden. Zentral ist in dem Heizkabel 6 ein elektrischer Heizleiter 1 vorgesehen. Dieser ist von einer ersten Isolierungsschicht 2 aus PFA umgeben. An diese erste elektrisch isolierende Schicht 2 grenzt eine Glasfaserkeramikbandschicht 3, die in Zusammenwirkung mit einer radial von ihr außerhalb (wie dargestellt) angeordneten Verstärkungsschicht 4 einen Schutz gegen mechanische Beschädigung bietet. Die Glasfaserkeramikbandschicht 3 ist ähnlich einer mit Mineralien versetzte Glasseide gebildet.
Die Sandwichstruktur der Glasfaserkeramikbandschicht 3 / Verstärkungsschicht 4 erhöht dabei weiter die mechanischen Schutzeigenschaften.
Die Glasfaserkeramikbandschicht 3 verhindert auch, das bei einer thermischen Ausdehnung der darunter befindlichen PFA-Schicht 2 die Verstärkungsschicht 4 in diese einschneidet. Dabei ist auch zu bedenken, dass sich das PFA-Material bei höheren Temperaturen erweicht. Die Glasfaserkeramikbandschicht 3 hat somit gleichzeitig mechanische Schutz- und elektrische Isolierfunktion.
Selbstverständlich kann eine weitere Glasfaserkeramikbandschicht außerhalb der Verstärkungsschicht 4 zusätzlich zu der bereits gezeigten Glaskeramikbandschicht 3 vorgesehen sein.
Die Verstärkungsschicht 4 ist nach außen nochmals durch eine weitere elektrisch isolierende Schicht 5 geschützt, die beispielsweise auch aus Perfluoralkoxy-Copolymermaterial (PFA) bestehen kann.
Die beiden elektrisch isolierenden Schichten 2, 5 sind beide im wesentlichen und im Idealfall vollständig luftundurchlässig, so dass sich zwischen ihnen bei einer entsprechenden Bemessung ihrer Querschnitte ein mechanisch schützendes Luftpolster ausbildet. Die Glaskeramikbandschicht 3 und die Verstärkungsschicht 4 sind im wesentlichen luftdurchlässig und haben daher die Funktion eines Abstandshalters, der eine direkte Berührung der beiden Schichten 2, 5 möglichst verhindert. Daher ist die Verstärkungsschicht 4 auch derart ausgebildet, dass sie die darunterliegenden Schichten – bspw. im Gegensatz zu Erdungsbändern mit vergleichbarer Struktur – vollständig umgibt, und zwar sowohl hinsichtlich der Längserstreckung wie auch der Umfangsrichtung des Heizkabels. Das vollständige Umgeben in allen Dimensionen garantiert, dass die Abstandshalter-Wirkung und somit auch das schützende Luftpolster immer vorhanden sind.
Diese Luftpolsterung wird einerseits durch die geflochtene Struktur der Verstärkungsschicht 4 und andererseits durch eine entsprechende Bemessung des Innendurchmessers der Verstärkungsschicht 4 bezüglich des Außendurchmessers der Glasfaserkeramikbandschicht 3 erreicht. Der Durchmesser der Verstärkungsschicht 4 kann bspw. bewusst etwas überdimensioniert werden, um eine ausreichende Stärke des sich dadurch einstellenden Luftpolsters sicherzustellen. Die Verstärkungsschicht 4 hat etwas Spiel bezüglich der darunterliegenden Schichten, kann aber durch die Schicht 5 außen enganliegend umgeben sein.
Durch die geflochtene Struktur der Verstärkungsschicht 4 wird somit auch erreicht, dass sich ein gewisses Luftvolumen zwischen der Glasfaserkeramikbandschicht 3 und der äußeren Schutzschicht 5 ausbilden kann.
Selbstverständlich können statt der Verstärkungsschicht auf Drahtgeflechtbasis auch andere Abstandshalter verwendet werden, die bspw. eine poröse, faserige, geflochtene oder zellartige (offen oder geschlossen) Struktur besitzen.
Zusammengefasst wird die mechanische Schutzwirkung also einerseits durch das Luftpolster und andererseits durch die Sandwichstruktur erreicht. Der Vorteil im Sinne eines synergetischen Effekts besteht darin, dass beide Schutzmaßnahmen zwar unabhängig voneinander vorgesehen sein können, sich aber dahingehend ergänzen, dass sie eine Schutzwirkung bezüglich unterschiedlicher mechanischer Einflüsse von außen entfalten.
Das erfindungsgemäße Heizkabel hat bei einer Verwendung als Heizleitung die Vorteile, dass es hoch flexibel und chemisch beständig ist, eine konstante Heizleistung (Wirkleistung) ermöglicht, große Heizkreislängen möglich sind und die Versorgungsspannung bis 750 V betragen kann.

Claims

Heizkabel mit Mehrschichtaufbau, das von Innen nach Außen die folgenden Elemente aufweist: – einen zentralen elektrisch leitfähigen Heizleiter (1), – eine erste elektrisch isolierende Schicht (2) aus Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA), unmittelbar an den zentralen Heizleiter (1) angrenzend, – ein Glasfaserkeramikband (3) mit elektrischer Isolierfunktion unmittelbar an die erste elektrisch isolierende Schicht (2) angrenzend, – eine Verstärkungsschicht (4) aus einem metallischen Drahtgeflecht, und – eine zweite elektrisch isolierende Schicht (5), wobei die erste und die zweite elektrisch isolierende Schicht (2, 5) zur Ausbildung einer dazwischen liegenden mechanisch schützenden Luftpolsterung im Wesentlichen luftundurchlässig sind.
Heizkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Drahtgeflecht (4) aus vernickelten Kupfer-Drähten besteht.
Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide im Wesentlichen luftundurchlässigen Schichten (2, 5) aus Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) bestehen.
Heizkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche_; dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer Luftpolsterschicht der Durchmesser der Verstärkungsschicht (4) ein Übermaß bezüglich der darunterliegenden Schichten aufweist.