CN1770931B - 具有设置在层结构中的绝缘套的电热缆或电热带 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有以层结构设置的由聚四氟乙烯(PTFE)构成的绝缘套的电热缆或电热带。通过至少一层相邻的由可进行熔体加工的氟聚合物构成的绝缘层，使至少一种聚四氟乙烯套受到保护不受冲击。

Description

具有设置在层结构中的绝缘套的电热缆或电热带

技术领域

本发明涉及具有设置在层结构中的聚四氟乙烯绝缘套的电热缆或电热带。

背景技术

在不同的使用场合下，例如包括用于加热腐蚀性介质时，使用同轴设置的加热缆是已知的(DE-A 2850722)，其中的热缆被作为绝缘材料的氟聚合物包裹。要在该绝缘体上覆盖铜导线编制物，并且每根铜导线上还要另镀镍用以避免腐蚀。由铜导线编成的编织物是所述加热缆的电接地缆，其设置在缆内以避免例如由导电部件的短路而引起的意外危险的发生。在该接地缆上还要覆以外层塑料套，该塑料套例如由氟聚合物制成以防止环境中腐蚀性介质的侵蚀。除了由于利用耐高温和抗腐蚀性介质的材料而导致具有很广泛的应用范围这一优点外，这种同轴设置的结构的优点还在于其能被制为几乎任意所需长度且同时具有很高的柔韧性。

这同样适用于已知的电热带(GB 2 092 420 A，GB 2 130 459 A)，其可用于例如所谓的管道加热器，且也可用在经蒸汽冲洗过的管道上用于维持或提升温度。最后，还可使用所谓的带有半缆加热元件的自调型加热带。由于这里的热量释放是根据环境温度而自发进行调节的，这种加热带特别适用于有爆炸危险的场合。

但是，在使用例如同轴式加热缆时，外壳常受到外界压力的强烈挤压，使得加热导体的绝缘体被挤开，从而使得接地导体和加热导体之间相互触碰或是使接地导体和加热导体之间的绝缘距离变得很短，导致电晕放电或火花放电。而且，损害还会使接地导体的断线进入绝缘层，从而导致整个加热缆报废。对于用于防爆系统从而具有特殊的安全需要以预防爆炸的加热缆，尤其必须注意这些标准。但是这些标准还必须考虑到可行性标准(DIN VDE 0170/0171，EN50014和EN 50019)，其例如要求提供能保证对导体绝缘表面有足够覆盖能力的接地导体，以及需要通过独立的挤压测试和随后的导体绝缘体绝缘能力的测试。通过加厚绝缘体以及外套的壁厚以避免上述这些问题并没有其它的优点，而且，这些措施显著增加缆整体的直径，并由于大量使用氟塑料而导致成本显著提高。

具有同轴层结构并能抵抗外部机械应力的电加热缆也已公开(DE-ES 101 07429)。在该缆线的层结构中位于缆绝缘体上面的玻璃陶瓷带层的目的是与可透过气体的增强层一起提供对外部机械损害的防护作用。在所述的两层的两面上均有由可挤压的氟聚合物构成的不透气层，从而使得在它们之间能形成气垫。除了这种同样会提高缆线直径的昂贵的层结构之外，在缆线内有意产生的气垫会对显著阻碍热量从加热缆向缆线表面的传递作用，从而导致加热缆本身效率降低。

为避免上述问题，但仍然还要满足对于足够抗外冲击和压应力的适用标准，人们已提出(EP 0 609 771 B1)，在一般类型的电热缆的接地导体下面和/或上面设置一层或多层由具有高机械强度的塑料比如聚酰亚胺构成的带层。这种线圈能够承受很高的压应力，外部冲击也能够被以缓冲的方式吸纳，并且能避免导体绝缘层损伤。

发明内容

因此，本发明的目的是在即使受到由于冲击力或压应力而导致的极端机械力作用时，也能保护位于加热缆或加热带的层结构中的聚四氟乙烯套(导体绝缘体，中间套，外保护套)。

根据本发明，通过至少一层由可进行熔体加工的氟聚合物构成的相邻的绝缘层，至少一个聚四氟乙烯套是受到抗冲击保护的。本发明是基于如下知识，即通过构建相互紧邻的且由相同聚合物族但不同聚合物结构构成的聚合物层，可以得到对外机械应力的足够防护。因此根据本发明的建议，具有含所谓原纤维的纤丝状聚合物结构的聚四氟乙烯受到相邻的具有非晶型结构的热塑性聚合物的保护。这是由于与纤维结构相反，在受到撞击或是冲击时，非晶型的聚合物结构具有吸收冲击能的作用。

本发明的一个有益实施方式是，当通过至少一层由可进行熔体加工的氟聚合物构成的相邻的绝缘层而使一层或多层的聚四氟乙烯绝缘体受到抗冲击保护时，将电热缆设计成同轴结构，其具有中心导体、由聚四氟乙烯构成的绝缘体、以捻线或编织线形式的接地导体和外保护套，。

根据本发明，同轴结构的加热缆的一个特别优选的实施方式是，将由可进行熔体加工的氟聚合物构成的能吸纳冲击能的绝缘层设置在包裹着导体的聚四氟乙烯绝缘体的下面，也就是直接设置在导体本身上。与已知的加热缆或加热线相比，将类似材料应用于机械防护也会显著提升作为加热缆必要特性的长期热稳定性。本发明的加热缆在层结构中不具有气垫，所以导体产生的热量可以无明显热量堆积地到达缆/线的表面，也就是说到达所需的地方。所述的缆结构在制造方面无任何困难，并且由于挤出聚合物防护层，缆直径可以保持在很小值。

因为通常聚四氟乙烯绝缘体都要经历一个热处理过程以烧结聚合物材料，所以由此所产生的聚四氟乙烯收缩作用会使得层结构更为紧密。因此，相对于具有气垫的现有技术加热缆，该缆是纵向防水的，而已知的现有技术玻璃纤维布、云母带或是无机膜却仍然有着不甚理想的毛细吸收作用并从而提供了理想的水分输送作用。

如上所述，除了所述的同轴方式的加热缆外还能使用各种各样的电热带。例如，如果这种加热带包括平行的电源线和与电源线的导体间隔接触的加热螺线以及由聚四氟乙烯制成的中间套和/或外壳套，则在实施本发明时，通过至少一层由可进行熔体加工的氟聚合物制成的相邻绝缘层，使至少一个套层具有耐冲击防护性。

在另一个实施方案中，加热带具有平行且非绝缘的电源导体和与该电源导体平行并与其馈电缆间隔接触的加热线，并具有聚四氟乙烯共用套，根据本发明，通过由可由进行熔体加工的氟聚合物制成至少一层相邻绝缘层，使该套具有耐冲击防护性。

对于特殊的使用场合，例如防爆，实验证明优选使用自调型加热带。在这些具有平行且非绝缘的电源导体的加热带中，电源导体和由聚四氟乙烯制成的共用绝缘体和/或外保护套被半导体套包围。根据本发明的建议，该共用绝缘体和/或保护套也就从而受到耐冲击保护。

出于使本发明的加热缆或加热带纵向防水和紧凑化的目的，在本发明的另一实施方案中还要将能吸纳冲击力的绝缘层与聚四氟乙烯套熔接或是粘结起来。同时，这种结构的弯曲疲劳强度也得到显著提高。

冲击吸纳层的厚度可以是0.1至0.8mm，优选为0.2至0.5mm。在加热缆是同轴结构且具有直接在导体上的吸纳冲击力的绝缘层的情况下，选定的厚度主要取决于所涉及的导体的直径。因此，当导体直径为1.5mm时，冲击力吸纳层的厚度可为例如0.2mm。

当导体绝缘体具有用重叠棱边缠绕的、例如具有矩形横截面的聚四氟乙烯带时，本发明具有特殊优点。在这种情况下，根据本发明，就要用冲击力吸纳层的氟聚合物填充通过带的缠绕而形成的空隙。相邻层间的结合力能得到改善，而由此所得到的进一步致密作用则保证了缆具有抗弯和抗扭的高稳定性。

根据本发明，冲击力吸纳层可由可进行熔体加工的氟聚合物制成。由于根据其用途，较高的持续耐温性对于各种类型的加热缆或加热带也很重要，包括在某些情况下受到腐蚀性介质的影响时，有利的可能是制备由四氟乙烯/全氟烷氧基共聚物(TFA/PFA)构成的冲击力吸纳层。但是根据使用领域的不同，四氟乙烯/六氟丙烯共聚物(FEP)和聚四氟乙烯/全氟甲基乙烯基醚共聚物(也已知为商品名HYFLON MFA)也是用于实施本发明的有利聚合物。

能进行熔体加工的其它的已知氟聚合物，如聚偏二氟乙烯(PVDF)或乙烯-四氟乙烯(ETFE)有时也能找到其合适的应用场合。

本发明的一个特别有益的实施方式是，如果聚四氟乙烯带具有平凸形截面，则由缠绕的聚四氟乙烯带构成聚四氟乙烯套。与常规的具有矩形横截面的带相比，聚四氟乙烯带经过缠绕和烧结后，平凸的形状会产生具有连续光滑外表面的紧密套。当外表面暴露于环境中的侵蚀性介质时，这一点尤为有利。

相对于矩形带而改善绝缘品质的另一有利可能性是将由聚四氟乙烯构成的带材的横截面设计成扁平形，并使其具有从中间向两侧逐渐收尖的边缘区并且棱边均匀。一旦带经重叠棱边缠绕且带材料(PTFE)经过烧结，带的棱边收尖成重叠区域会导致极其平滑的连续绝缘表面。为此，有利的是聚四氟乙烯带的棱边较宽，决定带厚度的中心区域两侧的棱边宽度为带总宽的至少45％，优选50至80％。

根据本发明所优选使用的聚四氟乙烯带的厚度为20至200μm，优选40至160μm。带的厚度向着棱边(边沿)下降到5μm和甚至更小。其中的带的宽度比较适用的应为5至50mm，优选10至30mm。

如果除了绝缘体外，对于外保护套也同样由缠绕的聚四氟乙烯带制成的情况，则特别优选也采用尺寸与上述相同的带。

在这种情况下，有时还可优选在由聚四氟乙烯构成的缠绕层下面，设置一层由可进行熔体加工的氟聚合物构成的能吸纳冲击力的绝缘层。本发明的另一有益的实施方式是使接地导体的一面或两面与由可进行熔体加工的氟聚合物构成的吸纳冲击力的绝缘层相邻，并用这些绝缘层包围所述接地导体。

以下的详细描述会使本发明的进一步范围和适用性显而易见。但应该理解，以下的详述和具体实施例在说明本发明优选实施方式的同时，仅具有例示性作用，因为在本发明精神和范围内的各种变化和改进对于本领域技术人员而言由这些详述中是显而易见的。

附图说明    

由以下详述和附图可更详尽地理解本发明，这些描述和附图仅为例示性的，对本发明不具有限制性。

图1示出根据本发明优选实施方式的加热缆；

图2示出根据本发明备择实施方式的加热缆；

图3为根据本发明实施方式的电热带的横截面图；和

图4为根据本发明实施方式的电热带的横截面图。

具体实施方式

为提高本发明的加热缆的柔韧性，如图1所示的导体1包括一定数量的单根电阻线。导体绝缘体用2标识，且其具有耐高温的聚四氟乙烯，其中术语“聚四氟乙烯”如上所述也包括如下配有改性添加剂的四氟乙烯聚合物，尽管添加剂的量不使该聚合物象PTFE本身一样不能由熔体加工。

在本发明的优选实施方式中，所用的聚四氟乙烯具有开始时未经烧结的带或膜材料，其中该带或膜材料以未烧结的状态缠绕在热导体上，优选重叠例如不超过50％，然后在缠绕的状态通过适当的处理进行烧结。在此工艺中，各个带层会被熔融或熔接成致密的绝缘体。

接地导体3包括单根的金属线，例如镀镍的铜线，将这些线捻到绝缘体2上，或者为进一步地覆盖尽可能大的区域而编织到绝缘体2上。

通过套4向外封闭加热缆，这有利于适当塑料材料的制备，因为这种缆有时也用于受到腐蚀性介质影响的场合，比如用在化学工业中。实验证明氟聚合物同样优选用作为套材，且其可以挤出形式使用，或者以事先未经烧结并随后以缠绕状态进行烧结的PTFE带构成加热缆的外界的方式来使用。

为避免在受到外加压力作用(冲击)时套4碎裂和/或被从接地导体3推挤开，也就是说为了避免在加热缆上造成损伤以及可能使缆报废，就要在套4的下面设置冲击力吸纳层5。该层可由非晶型的可挤出的氟聚合物构成，并能衰减施自外部的冲击能量，从而避免缆的损伤或损毁。

图2显示了本发明的一个极其优选的实施方式。仍然是同轴方式的加热缆包括热导体6，例如由许多单根的捻在一起或编结在一起的电阻线。导体绝缘体用7标识，且可具有一层或多层的由聚四氟乙烯(PTFE)制成的带层。尽管这种带(通过在未烧结状态下缠绕而使用，然后在缠绕状态下进行烧结)在烧结之后确实形成紧密且纵向防水的甚至耐腐蚀性介质的套，但是由于材料结构其还不足以无损伤地经受冲击或撞击应力。为了使该加热缆也能用于极端的外部机械作用情况，例如使其能用于防爆(有爆炸危险的)系统，提供了由可由熔体加工的氟聚合物构成的冲击力吸纳层8。该层直接覆盖导体6，因为与缆的直径相比，导体直径更小，层8的壁厚可以保持相当薄。与如图1所示的方案相比，此例中显著节省了聚合物材料，并且与上述实施方式相比，更重要的是与现有技术相比，该实施方式产生较小的总直径。

由于其材料结构，当对缆施加了冲击作用时，层8实际起到了等同于软性缓冲层的作用，并由此对相邻的导体绝缘体7起到了机械保护作用。绝缘体不会受压或被导体6推开，因此也就可以保持其绝缘效果。外部的冲击被以衰减的方式吸纳，并且也不必担心导体绝缘体7受损。本发明的缆结构显著增强PTFE和PFA(TFA，MFA)的材料特性。在这种复合结构中，PTFE较高的硬度配合PFA较高的弹性，就能例如使得耐压和耐冲击性或稳定性得到大幅提升。

由于在发生冲击或撞击作用时下部结构未受到损伤，因此也就不存在接地导体9中导线断裂的危险，或者也就不存在由于导线断裂而可能挤穿受损的绝缘体7，从而导致加热缆报废的危险。因此本发明的加热缆满足所有安全需要，特别是防爆场合的安全需要。另外，本发明的加热缆制备成本低廉，原因部分是因为生产过程较现有技术简单，部分是因为材料用量较少且这些材料还归属于相同的聚合物族。其特殊的优越性特别体现在需要较高的持续耐高温性的场合，例如在300℃至320℃之间的工作温度下工作的超热蒸汽清洁设备。

在该实施例中外套10同样具有PTFE带的缠绕体，其在缠绕状态下经受热处理，并由此而熔接或熔融成紧密的壳套。根据本发明所设计的PTFE带的特殊横截面形状造就了极其光滑且连续的表面。通过本发明的技术方案，即在加热缆的层结构中设置一个由相同聚合物族构成的吸纳冲击力的聚合物层，可以在发生冲击或撞击时避免各带层的撕裂。

如图2的本发明的加热缆的特征还在于其特别有利的外部尺寸。当总直径为例如4.8mm时，导体6的直径可为1.4mm，冲击力吸纳层8的壁厚可为0.2mm，绝缘体7的壁厚可为0.6mm，编织体9的厚度可为0.4mm，套10的壁厚可为0.5mm。

从如图2的优选实施方式还能衍生出其他一些变化方案。例如，可以在加热缆的层结构中交替地设置由PTFE和PFA构成的绝缘层，例如PTFE/PFA/PTFE或者PFA/PTFE/PFA。如各个实施例中所示的，前提是这些绝缘层必须彼此相邻。

与所述实施例相比，如果使现有技术的加热缆或加热带(即使在实施方案中偏离同轴结构)也能满足抗冲击和抗压应力要求，并且根据本发明使由可由熔体加工的氟聚合物构成的绝缘体层相邻于其中所用的PTFE壳套，则也能实现本发明。

图3示出具有平凸横截面的电热带20的横截面，其中带20由中心22收尖成棱边24。图4是根据本发明备择实施方式具有矩形横截面的电热带20的横截面。

在以上描述本发明后，显而易见的是其可以以多种方式进行改变。这些改变不应被认为是偏离了本发明的精神和范畴，对于本领域技术人员而言显而易见的这些改进均被包括在下列权利要求书的范围内。

Claims (31)

1.一种具有以层结构设置的由聚四氟乙烯构成的绝缘套的电热缆，其中通过至少一层由可进行熔体加工的氟聚合物构成的相邻绝缘层，使至少一种聚四氟乙烯套受到保护不受冲击。

2.如权利要求1的电热缆，其中所述电热缆以同轴结构构成，具有中心导体、由聚四氟乙烯构成的绝缘体、以捻合或编织的金属线形式存在的接地导体和外保护套，其中通过至少一层由可进行熔体加工的氟聚合物构成的相邻绝缘层，使一层或多层的聚四氟乙烯绝缘体受到保护不受冲击。

3.如权利要求2的电热缆，其中由聚四氟乙烯构成的单层绝缘体包围中心导体和接地导体，且外保护套覆盖该单层绝缘体，其中在聚四氟乙烯绝缘体的下面直接在导体本身上设置由可进行熔体加工的氟聚合物构成的、吸纳冲击力的绝缘层。

4.如权利要求1的电热缆，其中所述电热缆包括具有绝缘导电体的平行电源线和与所述电源线导体间隔接触并与由聚四氟乙烯制成的中间套和/或外套接触的加热器螺线，其中通过至少一层由可进行熔体加工的氟聚合物制成的相邻绝缘层，使至少一个套层受到保护不受冲击。

5.如权利要求1的电热缆，其中所述电热缆包括平行且未绝缘的电源导体和与该电源导体平行并与其间隔接触的加热器线，并包括聚四氟乙烯共用套，其中通过至少一层由可进行熔体加工的氟聚合物制成的相邻绝缘层，使聚四氟乙烯套受到保护不受冲击。

6.如权利要求1的电热缆，其中所述电热缆包括平行且未绝缘的电源导体、包围该电源导体的半导体套以及由聚四氟乙烯制成的共用绝缘体和/或外保护套，其中通过至少一层由可进行熔体加工的氟聚合物制成的相邻绝缘层，使该共用绝缘体和/或保护套受到保护不受冲击。

7.如权利要求2的电热缆，其中根据所用导体的直径，吸纳冲击力的绝缘层的厚度为0.1至0.8mm。

8.如权利要求1的电热缆，其中使吸纳冲击力的绝缘层与聚四氟乙烯套相熔接或粘接。

9.如权利要求1的电热缆，其中聚四氟乙烯带构成的套由重叠棱边缠绕，且其中用冲击力吸纳层的氟聚合物填充通过带的缠绕而形成的间隙。

10.如权利要求1的电热缆，其中吸纳冲击力的绝缘层包括四氟乙烯/全氟烷氧基共聚物。

11.如权利要求1的电热缆，其中吸纳冲击力的绝缘层包括四氟乙烯/六氟丙烯共聚物。

12.如权利要求1的电热缆，其中吸纳冲击力的绝缘层包括聚四氟乙烯/全氟甲基乙烯基醚。

13.如权利要求1的电热缆，其中套的聚四氟乙烯经烧结。

14.如权利要求9的电热缆，其中由聚四氟乙烯构成的带具有矩形横截面。

15.如权利要求9的电热缆，其中由聚四氟乙烯构成的带具有平凸形横截面。

16.如权利要求9的电热缆，其中将聚四氟乙烯构成的带的横截面设计为扁平形，其具有从中间向各棱逐渐收尖的边缘区并且该带在棱边上是均匀的。

17.如权利要求16的电热缆，其中在中心区两侧上的边缘区的楞边宽度为带总宽度的至少45％。

18.如权利要求16的电热缆，其中聚四氟乙烯带的厚度为20至200μm，该厚度向着棱边区下降到5μm或更小。

19.如权利要求18的电热缆，其中聚四氟乙烯带的宽度为5至50mm。

20.如权利要求2的电热缆，其中外保护套包括缠绕的聚四氟乙烯带。

21.如权利要求20的电热缆，其中由可进行熔体加工的氟聚合物构成的吸纳冲击力的绝缘层设置在聚四氟乙烯绝缘层下面。

22.如权利要求2的电热缆，其中使由可进行熔体加工的氟聚合物构成的吸纳冲击力的绝缘层与接地导体在一面或两面相邻。

23.如权利要求2的电热缆，其中，根据所用导体的直径，吸纳冲击力的绝缘层的厚度为0.2至0.5mm。

24.如权利要求16的电热缆，其中在中心区两侧上的边缘区的楞边宽度为带总宽度的50％至80％。

25.如权利要求16的电热缆，其中聚四氟乙烯带的厚度为40至160μm，该厚度向着棱边区下降到5μm或更小。

26.如权利要求18的电热缆，其中聚四氟乙烯带的宽度为10至30mm。

27.一种结构，包括：

热导体；

基本包围该热导体周边的导体绝缘体；

基本包围该导体绝缘体周边的接地导体；

基本包围该接地导体周边的保护套；和

由可进行熔体加工的氟聚合物构成的冲击力吸纳层。

28.如权利要求27的结构，其中冲击力吸纳层设置在接地导体和保护套之间。

29.如权利要求27的结构，其中冲击力吸纳层设置在热导体和导体绝缘体之间。

30.如权利要求27的结构，其中该结构是电热缆。

31.如权利要求27的结构，其中该结构是电热带。

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