Саморегулирующийся кабель

Саморегулирующийся кабель – это элемент обогревательной системы, настраиваемый раз и навсегда при производстве на определённую температуру, которая поддерживается по длине пролегания в автоматическом режиме.

Применение и конструкция саморегулирующегося кабеля

Саморегулирующийся кабель поддерживает температуру вне зависимости от окружающих условий. Отличительной особенностью признан факт, что отдельные участки работают самостоятельно, независимо от прочей части системы.

В саморегулирующемся кабеле токонесущие жилы из меди разделены полимерной матрицей. В толщу материала вкраплены проводящие крупицы графита, железные опилки и подобные субстанции. Нагреваемая матрица расширяется, проводящие мостики рвутся. Как результат, растёт сопротивление участка, ток понижается, количество выделяемого тепла уменьшается. Охлаждение приводит к противоположному процессу:

  • Основа полимерной матрицы сжимается.
  • Электрических связей между проводящими частицами становится больше.
  • Сопротивление участка между токонесущими проводниками снижается.
  • Электрический ток повышается.

Согласно закону Джоуля-Ленца, выделяемая мощность зависит прямо пропорционально от силы тока и сопротивления. Видим на примере — первое уменьшается, второе увеличивается. Логика в том, что электрический ток входит в формулу во второй степени, а сопротивление – лишь в первой. Согласно закону Ома для участка цепи, оба параметра линейно связаны через коэффициент – напряжение в сети.

Устройство обогревательного кабеля

Устройство обогревательного кабеля

Получается, что ток оказывает гораздо большее влияние на выделяемую мощность. В этом заключается физический принцип функционирования саморегулирующегося кабеля. А матрица настраивается путём подбора полимера, правильной дозировкой проводящей раздробленной субстанции и электрическим сопротивлением. Как результат, провод в системе Тёплый пол, расположенный под шкафом либо близ батареи, станет энергии потреблять меньше. Лежащий в районе входной двери, у порога – больше.

За упомянутые качества саморегулирующийся кабель столь популярен. Достаточно правильно выбрать изделие в магазине и не беспокоиться при проектировании и прокладке системы обогрева. Поломка системы легко отслеживается любой общепринятой методикой. Главным недостатком саморегулирующегося кабеля становится цена. Каждая домохозяйка знает, что старая крышка для банки под закрутку становится негодной, если резина рассыхается. Подобному процессу подвержен любой полимер (за счёт чего часто отмечается пожелтение оконечников подоконников пластиковых окон, а прочая рама сохраняет прежний цвет).

Итак, в рассматриваемом классе изделий важным становится тип полимера и насколько конструкторам удалось блокировать процесс распада материала с годами. Предотвратить деградацию сегодня не представляется возможным. Как следствие, главным фактором, ограничивающим эксплуатационные возможности кабелей, становится процесс деполимеризации звеньев многоатомных молекул.

История развития концепции

В тексте про нагревательный кабель отмечено, что идея саморегулирующейся системы впервые продемонстрирована патентом US2494589 A. Изложение велось упрощённо, данный обзор станет логическим дополнением к упомянутому выше. Изобретение, предок саморегулирующегося кабеля, появилось в Норвегии в период Второй мировой войны.

Подвергнувшись нападению фашистской Германии весной, страна пребывала под гнетом оккупантов до капитуляции Гитлера в мае 1945 года. Правительство Норвегии эмигрировало и не сумело оказать серьёзного влияния на ход событий. Лишь 10% населения поддержали фашистов.

В сравнении со странами Восточной Европы Скандинавский полуостров отделался от захватчиков легко. К примеру, в Норвегии постоянно проходили антигитлеровские демонстрации, подавляемые в мирной манере: расстреливали лишь отдельных организаторов. Военные силы страны действовали в составе армии Великобритании, территория нейтральной Швеции стала местом активности организованных норвежских полицейских отрядов.

Нагревательный кабель

Нагревательный кабель

В этих условиях появился на свет предшественник саморегулирующегося кабеля. Под номером 747883 в Осло 16 сентября 1940 года публикуется патент за авторством Педера Гуннара Слетнера. Текст подан в бюро до начала военных действий, а одобрение пришлось на период оккупации. Теперь понятно, почему изобретатель застолбил собственное детище в США через пару лет после воцарения мира. 14 мая 1947 года Педер подал текст американскому бюро. Более двух лет суть новинки пристально рассматривалась комиссией, и 17 января 1950 года патент опубликовали под номером US2494589 A.

Оригинальный кабель Слетнера

По ходу текста Педер Гуннар Слетнер запатентовал конструкцию из двух и более проводящих электрический ток разнополярных (фаза и нейтраль) жил, изолированных друг от друга и объединённых n-нным числом параллельно включённых (см. параллельное и последовательное соединение проводников) резисторов. Ни слова не сказано про главный компонент нынешних саморегулирующихся систем – полимерную матрицу. Химия на момент начала второй половины XX века не умела создавать настолько сложные вещи. Слетнер предлагает нам резистивный кабель, но с отличием: изделие возможно нарезать порциями любой длины. Это считается новшеством:

  1. Система становится мощнее, токонесущие жилы берутся медными, а мелкие сопротивления допускаются любой величины. Следовательно, интенсивность нагрева в ходе производственного цикла задаётся любой.
  2. Кабель Слетнера показывает повышенную отказоустойчивость. При сгорании единственного резистора система функционирует без изменений. Повреждение одной из питающих жил отключает лишь секцию, расположенную до места поломки.

Как результат, планирование систем обогрева помещений несравненно упрощается. Из текста видно, что изобретатель предполагал возможность использования новинки для трёхфазных сетей. Причём в любых сочетаниях проводников. Мощность, выделяемая на резисторах, рассчитывается сообразно приложенному между токонесущими проводниками напряжению (220, 380 В и пр.) по закону Джоуля-Ленца.

Важно! Кабель в авторстве Педера Гуннара Слетнера не признаётся саморегулирующимся в общепринятом смысле. Шины питания объединены постоянными резисторами, мощность не меняется. Не хватает элемента, обеспечивающего постоянство температуры.

За патентами Слетнера последовали прочие. К примеру, U.S. 3757086 и 4037083. В них каждая шина питания обвита резистивной проволокой (нихром, фехраль) для увеличения плотность мощности. Но система нерегулируемая. Первые попытки автоматизировать поддержание температуры заметны в поданном 19 ноября 1979 года патенте US4250400 A. Главные отличия:

  1. Спиральный сегмент высокоомной проволоки, обвитой вокруг двух питающих жил, разделён по центру пополам телом термистора в форме таблетки.
  2. Большой диск чувствительного элемента физически выдавлен за пределы кабеля. Под эти цели в изоляции предусмотрена площадка, которую требуется привести в соприкосновение с контролируемой областью (к примеру, трубой с холодной водой в противообледенительной системе).
  3. При повышении температуры сопротивление термистора растёт, что линейно снижает протекающий электрический ток. Мощность падает в квадратичной зависимости.

На сопротивлении термистора по определению выделяется большая энергия, сопротивление датчика сопоставимо с участком высокоомной проволоки. Из приведённого рисунка (взятого непосредственно из текста патента) видно, что для усиления теплоотдачи термистор взят сравнительно массивным. Это упреждает его расплавление в процессе эксплуатации кабеля. Рисунок дан в профиль, видна единственная питающая жила. В действительности их две, и пролегают бок о бок по длине изделия.

Полимерные матрицы появляются десятилетием позже. По тексту патента US5122641 A активно обсуждается нечто, именуемое проводящим композитным материалом на основе полимера. Читатели без труда убедятся, что авторы заявляют о двухпроводной системе, где линии разделены полимерной матрицей с проводимостью, зависящей от температуры окружающей среды. Ничего не говорится по поводу собственно полимера кроме утверждения о применимости «разнообразных материалов». Наполнителем предлагается графитовая или угольная крошка.

Для демонстрации приготовлены два образца на основе полиолефинов и фтороэластомеров (к примеру, TEFZEL 280 и TEFZEL HT 2010) с добавками оксидов цинка, титана, карбоната кальция. Отличие в концентрации наполнителя из угля. Образец А – 7,5 % наполнителя по массе, образец В – 11.

Кабели с ограничением по рабочей температуре

Чуть раньше описанных изобретений появились варианты патентов, относящиеся к рассматриваемой теме саморегулирующихся кабелей. Суть в использовании свойств точки Кюри второго рода, где сопротивление материала изменяется резко. К примеру, патент US4117312 A рассматривает шанс использования полупроводниковых материалов на основе титаната бария с внедрением примесей лантана для достижения необходимых и необыкновенных свойств:

  • образец вещества размерами 7х3х1,5 мм при температуре 25 градусов Цельсия проявляет сопротивление 300 Ом;
  • прежний полупроводник при температуре 80 градусов Цельсия демонстрирует увеличение сопротивления на два порядка (30 кОм).

Точка Кюри второго рода для упомянутого материала находится в районе 75 градусов Цельсия. Описываемое изделие принципиально отличается от тех, где используются термисторы, резко снижая тепловыделение после достижения пороговой температуры. Такой режим подходит для противообледенительных систем, где часто сложно по всей протяжённости участка поддержать нужную температуру. Но стоит лишь создать материал с точкой Кюри в районе нуля градусов, как затруднение тотчас решается.

Использование термостатов для противообледенительной системы недейственно по очевидным причинам. Контролировать водосток или крыльцо по площади физически невозможно. Саморегулирующийся кабель либо кабель с ограничением по рабочей температуре смотрятся идеальным решением для этих случаев.

Помимо рассмотренного известны другие патенты аналогичного толка. Их номер возможно, как правило, извлечь из списка противопоставляемых после текста. Патент легко найти через любой поисковик в Интернете. Среди интересных отмечается EP0476637 A1. Задумка оригинальна по причине наличия любопытных термореле. Они используют точку Кюри второго рода, но в отношении ферромагнитных свойств материалов.

Каждое реле содержит упругий контакт. При достижении температурой заданной величины магнитные свойства материалов резко падают, и электрическое соединение мгновенно разрывается. Понятно, что сопротивление участка предполагается большим, чтобы избежать искрения. В противном случае система быстро потеряет работоспособность. Наличие столь уязвимых движущихся частей становится главным ограничением системы.