DE69829244T2

DE69829244T2 - Heizkabel und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69829244T2
Application number: DE1998629244
Authority: DE
Inventors: Lars Jonas Kenert Torstensson
Original assignee: Nexans SA
Current assignee: Nexans SA
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2018-04-03
Also published as: DK0880302T3; NO972275D0; EP0880302A2; NO972275L; EP0880302A3; PL326380A1; PL187743B1; EP0880302B1; NO304920B1; DE69829244D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Heizkabel und insbesondere Heizkabel mit Selbstregelung. Kabel dieser Art beinhalten zwei elektrische Leiter oder Elektroden und ein Kaltleiterelement, das so genannte PTC-Element (Positive Temperature Coefficient), das zwischen den Leitern angeordnet ist. Wenn die beiden Leiter an eine Stromquelle angeschlossen werden, fließt Strom von einem Leiter durch das PTC-Material zum anderen Leiter und erzeugt kontrollierte Wärme.
Kabel dieser Art sind aus der EP 0 160 100 A1 allgemein bekannt, in der ein PTC-Heizkabel beschrieben ist, das einen schnur- oder bandartigen Aufbau aufweist. Ein PTC-Heizelement ist zwischen einem Paar Elektroden angeordnet, und der Außenumfang dieser Elemente ist mit einem Isoliermantel bedeckt. Zum Einstellen des Widerstandswerts der Elektroden wird eine mathematische Formel ermittelt.
Ein sich selbst begrenzendes elektrisches Heizgerät, das ein PTC-Element zwischen zwei Leitern verwendet, ist auch aus der SE 433 999 bekannt. Der PTC-Effekt wird durch eine bestimmte Materialzusammensetzung erhalten. Ein definierter Spalt oder Abstand zwischen den beiden Leitern wird mittels eines speziellen Abstandsstücks oder durch das Einbinden von Glasfasermaterial in das PTC-Element aufrechterhalten.
Die EP-0 312 204 offenbart ein Heizkabel mit einer Ader, welches ein mittleres Polymer-Element, zwei elektrische Leiter, ein dazwischen angeordnetes PTC-Element, das aus einer extrudierten Schicht eines PTC-Materials, das über dem mittleren Element in Kontakt mit den Leitern angeordnet ist, und wenigstens eine Schicht Isoliermaterial umfasst.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Qualität selbstregulierender Heizkabel zu verbessern. Dieses Ziel wird durch den Entwurf eines neuen Kabeldesigns und durch eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens erreicht. Die Hauptmerkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch Verfahren und Vorrichtungen zum Vernetzen des PTC- und anderer Polymere, die in dem Kabel verwendet werden. Dies wurde bisher mittels Bestrahlungstechnik bewerkstelligt, wobei Verfahren dieser Art jedoch vermieden werden sollten. Das Silan-Vernetzungsverfahren kann mittels Wasser und Dampf bei einer Temperatur von 20 – 100°C ausgeführt werden.
Mit dieser Erfindung erhalten wir ein Herstellungsverfahren, durch welches das Kabel in kostengünstiger Weise hergestellt werden kann, und das ein Heizkabel ergibt, das stabile PTC-Eigenschaften aufweist.
Die vorstehend erwähnten und weitere Merkmale und Ziele der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher ersichtlich.
Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt des Kabels, und
2 bis 4 Prozesslinien zur Herstellung des Kabels.
In 1 ist ein geschichteter Kabelaufbau angedeutet, der ein mittleres Element 1, eine Halbleiterschicht 2 und eine Außenisolierung 3 umfasst. Dieser Polymer-Schichtstoff wird mittels eines Silanvernetzungsverfahrens vernetzt. Der (nicht gezeigte) schützende Außenmantel könnte aus einem Metallmantel bzw. einer Metallschicht und einer äußeren Korrosionsschutzschicht aus einer halogenfreien Mischung, PVC oder Teflon bestehen. Die Abbildung zeigt einen kreisrunden Querschnitt und ist nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Der Querschnitt kann alternativ oval oder auf andere Weise abgeflacht sein. Das mittlere Element 1 und die Isolierung 3 können aus Polyethylen mit Silan/Peroxid/Antioxidans bestehen. Die Halbleiterschicht 2 kann aus Polyethylen/Ethylen-Okten/Ethylen/'spherelene', Carbon Black, Silan/Peroxid/Antioxidans bestehen.
In dem mittleren Element 1 sind zwei blanke Leiter 4 und 5, die aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Material bestehen, tangential so angeordnet, dass die Leiteroberflächen zum Teil mit der Oberfläche des mittleren Elements zusammentreffen. Die Leiter sollten, wie dies gezeigt ist, vorzugsweise an gegenüberliegenden Seiten im mittleren Element angeordnet sein. Die PTC-Schicht 2 ist über dem in Kontakt mit diesen Teilen der Leiteroberfläche befindlichen mittleren Element angeordnet. Wenn die Leiter 4 und 5 an eine Stromquelle angeschlossen werden, fließt Strom durch die konzentrische PTC-Schicht von einem Leiter zum anderen und erzeugt in dem Kabel eine kontrollierte Wärme.
Die Kabeladerelemente 1-5 können in einer Produktionslinie wie in 2 gezeigte zusammengefügt werden, um die in 1 gezeigte Kabelader zu ergeben. Die Linie kann eine Anzahl von Polymer-Extrudern in Tandemanordnung umfassen, um eine Ader zu liefern, die in einem weiteren Verfahren spiralförmig ausgebildet und dann vernetzt wird, um die Spiralform zu fixieren und die Schichten miteinander zu verbinden.
In 2 wird das mittlere Element 1 aus einem Extruder 10 zugeführt. Die Leiter 4 und 5 werden von Rollen 11 und 12 zu einem Werkzeug 13 geführt, wo die Leiter in die entsprechenden Schlitze des mittleren Elements 1 eingeführt werden. Das sich ergebende Aderelement 14 wird zum Ausbringen der PTC-Schicht 2 durch einen Extruder 15 geführt und dann durch einen Extruder 16 zum Aufbringen des Isoliermantels 3, um die Ader 17 zu ergeben. Diese Ader 17 wird auf eine Rolle 18 gewickelt, die zudem in einer Ebene gedreht wird, die sich senkrecht zur Achse der Linie befindet, um der Ader auf der Rolle die gewünschte spiralförmige Ausbildung zu verleihen. Zum Schluss, aber noch vor dem Aufbringen der (nicht gezeigten) äußeren Schutzschichten, werden die Polymer-Materialien der Ader in einem (nicht gezeigten) Silanvernetzungsverfahren vernetzt, wodurch die spiralige Ausbildung fixiert wird.
Alternativ zum ersten Teil des Verfahrens von 2 können die Leiter 4 und 5 von ihren jeweiligen Rollen direkt in einen Extruder 20 für das mittlere Element (3) geleitet werden, um die Ader 14 zu erhalten, die durch die Extruder 15/16 und zur weiteren Bearbeitung geführt wird.
Alternativ zu dem in den 2 und 3 gezeigten Verfahren kann die Kabelader in einer Anzahl aufeinander folgender Schritte montiert werden, wie in der 4 gezeigt ist. Die Elemente 1+4+5 können, wie dies angedeutet ist, in einem ersten Extrudierverfahren zusammengefügt und die Ader 14 kann auf eine Rolle 30 gewickelt werden. Bei der weiteren Bearbeitung kann die Rolle 30 für das mittlere Element in einer senkrecht zur Achse der Linie befindlichen Ebene gedreht werden, um dem Element 14 die gewünschte spiralförmige Ausbildung zu verleihen, bevor es durch die Extruder 15 und 16 geführt wird, um eine Ader 31 zu ergeben, die der Ader 17 gleicht, aber ein spiralförmig ausgebildetes mittleres Element aufweist. Diese Ader wird zur Silanvernetzung und zur weiteren Bearbeitung auf eine Rolle 32 gewickelt.
Als eine weitere Alternative kann das mittlere Element 1 mit Schlitzen vorgefertigt und spiralförmig ausgebildet werden und dann vor dem Einführen der Leiter 4 und 5 in die Schlitze und dem Weiterleiten dieser Kabelader 1+4+5 durch die Extruder 15-16 und eine weitere Silanvernetzungsvorrichtung vernetzt werden.
Die spiralförmige Ausbildung ist notwendig, damit man ein flexibles Kabel erhält, das sich gut für eine Installation in Fußböden zum Heizen von Räumen eignet. Anstelle der helixförmigen Konfiguration könnten die Schlitze des mittleren Elements und die Leiter eine Zickzackform aufweisen.
Die vorliegende Erfindung verwendet auf der Metallocen-Technologie basierendes Polymer und ist mit dem Silanverfahren aufzupolymerisieren und zu vernetzen.
Das mittlere Element 1 besteht aus silanvernetztem Polyethylen. Das Polyethylen enthält Vinyl-Trimethoxysilan-Moleküle, die eine organische Schwermetallverbindung in einer Menge von 0,005 bis 1 Gewichtsprozent, basierend auf der Gesamtmenge dieser Zusammensetzung als Vernetzungskatalysator, aufweisen.
Die PTC-Polymerschicht 2 basiert auf Ethylen- und Ethylenokten-Copolymer mit Carbon-Black und Silan, das durch direktes Zuführen von Silan/Peroxid oder mittels eines Masterbatch aufpolymerisiert wird, das die Komponenten enthält, die zum Vernetzen und zur Wärmestabilisierung der an einem Verfahren mit Silan/Peroxid/Katalysator beteiligten Polymer-Materialien notwendig sind.
Die PTC-Schicht 2 und die Isolierschicht 3 werden durch Vernetzungsreaktion der Trimethoxysilan-Gruppen in dem Polyethylen und dem PTC-Polymer in Anwesenheit von Wasser vernetzt.
Wie vorstehend erwähnt wurde, können die PTC-Schicht 2 und die Isolierschicht 3 in einem Verfahren extrudiert werden, wobei die PTC-Schicht eine organische Metallverbindung enthält, die aus der Dibutyltin-Dilaurat umfassenden Gruppe gewählt wird. Die Isolierschicht 3 kann durch Diffusion des Katalysators – Dibutyltin-Dilaurat – aus der PTC-Schicht gehärtet oder vernetzt werden.
Die im Vorstehenden ausführlich beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nur als Beispiele zu sehen und dürfen nicht als eine Einschränkung des Schutzumfangs betrachtet werden.

Claims

Heizkabel mit einer Ader, welches die folgenden Merkmale umfasst: – ein mittleres Polymer-Element (1), – zwei elektrische Leiter (4, 5), – ein dazwischen angeordnetes PTC-Element, das aus einer extrudierten Schicht (2) eines PTC-Materials besteht, die über dem in Kontakt mit den Leitern (4, 5) befindlichen mittleren Element (1) angeordnet ist, und – wenigstens eine Außenschicht (3) aus Isoliermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass – das mittlere Element (1) extrudiert ist, – die beiden Leiter (4, 5) in Schlitzen angeordnet sind, die in dem mittleren Element (1) so vorgesehen sind, dass die Leiteroberflächen teilweise in Berührung mit der Oberfläche des mittleren Elements (1) sind, – die Schicht (2) aus PTC-Polymer sich in Kontakt mit diesen Teilen der Leiteroberfläche befindet, – die Ader wenigstens eine extrudierte Außenisolierschicht (3) umfasst.
Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (4, 5) in dem mittleren Element in Spiral- oder Zickzackform vorliegen.
Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der extrudierten Polymer-Elemente der Kabelader – das mittlere Element (1) und die beiden Schichten (2, 3) – zusammengefügt sind.
Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymer-Elemente (1, 2, 3) der Kabelader mit einem Silanverfahren vernetzt werden.
Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Element (1) silanvernetztes Polyethylen mit Vinyl-trimethoxysilan umfasst, welches eine organische Schwermetallverbindung in einer Menge von 0,005 bis 1 Gewichtsprozent enthält, basierend auf der Gesamtmenge dieser Zusammensetzung als Vernetzungskatalysator.
Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Schicht (2) auf Ethylen und Ethylen-Okten-Copolymer mit Carbon-Black und Silan basiert, das durch direktes Zuführen von Silan/Peroxid oder mittels eines Masterbatch mit Silan/Peroxid/Katalysator aufpolymerisiert wird.
Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Schicht (3) einen spezifischen Durchgangswiderstand von 100 – 100.000 Ohm/cm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Heizkabels nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kabel eine Ader mit zwei elektrischen Leitern (4, 5), ein dazwischen angeordnetes PTC-Element und eine Außenschicht (3) aus Isoliermaterial umfasst, gekennzeichnet durch Vernetzen des PTC-Elements (2) und der Isolierschicht (3) mittels Reaktion der Trimethoxysilan-Gruppen in dem Polyethylen und in dem PTC-Polymer in Anwesenheit von Wasser.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Beifügen einer aus der Dibutyltin-Dilaurat umfassenden Gruppe gewählten organischen Metallverbindung in die PTC-Schicht (2).
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die PTC-Schicht (2) und die Isolierschicht (3) in einem Verfahren extrudiert werden, gekennzeichnet durch Härten oder Vernetzen der Isolierschicht (3) durch Diffusion des Katalysators – Dibutyltin-Dilaurat – aus der PTC-Schicht.