包括钢单丝的加热电缆的制作方法

包括钢单丝的加热电缆的制作方法
【专利摘要】公开了一种新型的加热电缆。加热电缆包括七到两百根第一类金属单丝，第一类金属单丝作为发热的导电体。第一类金属单丝具有介于30微米到100微米的直径。第一类金属单丝具有基本上圆形的横截面。第一类金属单丝包括按重量计算铬含量小于10%的钢层。加热电缆具有在20℃测量介于0.1Ω/m到20.0Ω/m的电阻。
【专利说明】包括钢单丝的加热电缆
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种适用于加热目的的具有金属导体的加热电缆；并且涉及该电缆的 用途。例如，该加热电缆的用途实例为汽车座椅加热和衣物加热。
【背景技术】
[0002]US2, 966，948公开了一种电加热元件，其包括伸长的柔性扁平高温加热带。该加热 元件还包括管状鞘，管状鞘包括耐高温的细金属线。鞘围绕加热带设置。耐高温的细金属 线设置用来增强加热元件，同时提供柔性的加热元件，该金属线不作为导电体(金属线与加 热带电绝缘开)并且因此不参与电加热元件中的发热。金属线可以是任何耐腐蚀和耐高温 的合金，例如，不锈钢、Inconel合金、Nichrome合金或者Kanthal合金。
[0003]用于加热用途的电缆是已知的，包括多根作为导电体(并且参与发热)的金属单 丝。用于汽车座椅加热的电缆越来越普遍地应用于现代车辆中。使用铜或者铜合金的漆包 电缆。铜的优点是高的比导电率与良好的塑性变形性能相结合。铜的缺点是低的弯曲寿命， 即耐受反复弯曲循环的性能低，并且由于铜的高导电率导致电阻范围有限。
[0004]除了用于汽车座椅加热用途以外，加热电缆还用于其它用途，例如衣物的加热。
[0005]实践中，当使用铜电缆时，电阻范围限于0.40 Q/m (欧姆/米)，最大达0.50 Q/m。 即使有可能但也很难达到介于0.50 Q /m到2.0 Q /m的范围。所示出的电阻值为20°C时的 电阻值。当然，可以限制电缆中单丝的数量或者减小单丝的直径以便增大电阻。例如，具有 二十根50微米直径铜单丝的电缆具有大约0.43 Q/m (在20°C时)的电阻。该20X50微米 的结构已处于就单丝根数和单丝直径而言的下限了，并且具有不可接受地低强度和低使用 寿命，特别是低弯曲寿命。
[0006]通过把铜的良好导电率与不锈钢的高强度、高弯曲寿命、高电阻相结合来提供替 代品。EP-A-1507904公开了这样一种组合电缆，其中，不锈钢芯具有铜镀层。EP-A-1507905 公开了一种替代的组合电缆，其中，不锈钢单丝与铜单丝缠绕到一起，两种单丝都用作导电 体并且参与发热。虽然提供了增加弯曲寿命的优点，但是这些组合电缆的缺点是需要至少 两种不同材料即不锈钢和铜来获得所需的电阻值，并且因为铜的高导电率而使电阻范围仍 然太有限。
[0007]现有加热电缆的另一缺点是，在加热电缆过热的情况下电缆自身不包含安全防护 功能。需要一种具有自调节特性的加热电缆。

【发明内容】

[0008]本发明的目的是提供一种解决现有加热电缆问题的方案。本发明的具体目的是提 供加热电缆，其包括多根参与发热的金属单丝，电阻范围介于0.1 Q/m到20.0Q/m(所有电 阻值应被理解为20°C时的值)，并且具有可接受的直径、强度和使用寿命，同时具有防过热 的自有安全防护特征。
[0009]更具体的目的是提供加热电缆，电阻范围介于0.3 Q/m到10 Q/m (在20°C时)，具有可接受的直径、强度和使用寿命，同时具有防过热的自有安全防护特征。更具体的目的还 有，提供加热电缆，电阻范围介于0.5 Q /m到4 Q /m (在20°C时)，具有可接受的直径、强度 和使用寿命，同时具有防过热的自有安全防护特征。
[0010]本发明的第一方面是一种加热电缆。所述加热电缆包括七到两百根作为发热导电 体的第一类金属单丝。第一类金属单丝具有介于30微米到100微米的直径。第一类金属 单丝具有基本上圆形的横截面。基本上圆形横截面意味着横截面是圆形的或者椭圆形的。 如果横截面是椭圆形的，则横截面的最大直径与最小直径之间的差值小于横截面最大直径 的10%，优选小于5%，更优选小于2%。第一类金属单丝包括铬含量按重量计算小于10%的钢 层。在20°C测量时，加热电缆具有介于0.10 Q/m到20.0Q/m的电阻。
[0011 ] 在根据本发明的加热电缆中，当加热电缆的温度升高时，加热电缆的电阻也增大 (称为PTC:正温度系数)，导致输出功率减小。因此，输出功率根据温度而变化的加热电缆是 自调节的或者自限制的。根据本发明的这种加热电缆由于其PTC特性因而不易于过热或者 烧坏。
[0012]在一优选实施例中，第一类金属单丝具有介于35微米到80微米的直径；优选具有 50微米到80微米之间的直径。甚至更优选，直径在40微米到60微米之间。
[0013]在一优选实施例中，当在20°C测量时，加热电缆的电阻介于0.3 Q/m到10Q/m。更 优选是，当在20°C测量时，加热电缆的电阻介于0.5Q/m到4Q/m。
[0014]在一优选实施例中，加热电缆包括七到七十七根第一类金属单丝。
[0015]在本发明的一具体实施例中，第一类金属单丝没有铜或者铜合金层。在另一具体 实施例中，加热电缆没有铜且没有铜合金。
[0016]在本发明的一具体实施例中，第一类金属单丝的铬含量按重量计算小于10%的钢 层中的镍含量按重量计算小于1%。优选是，镍含量按重量计算小于0.5%，更优选是镍含量 按重量计算小于0.1%，且甚至更优选是镍含量按重量计算小于0.05%。在最优选的情况中， 钢牌号中的镍含量仅是痕量镍。
[0017]在本发明的另一具体实施例中，铬含量按重量计算小于10%的钢层中的钢部分按 重量计算至少为第一类金属单丝的金属含量的90%。在一优选实施例中，铬含量按重量计算 小于10%的钢层按重量计算至少为第一类金属单丝的金属含量的95%。在一更优选的实施 例中，铬含量按重量计算小于10%的钢层按重量计算至少为第一类金属单丝的金属含量的 98%。
[0018]在本发明的一具体实施例中，第一类金属单丝的铬含量小于10%的钢层是低碳钢 牌号。低碳钢的成分是以下钢成分(其中，硅和锰可选地是例外)，所有元素具有按重量计算 小于0.50%的含量，例如，按重量计算小于0.20%，例如按重量计算小于0.10%。例如，硅的 量按重量计算最多为1.0%，例如，按重量计算最多为0.50%，例如，按重量计算为0.30%或者 按重量计算为0.15%。例如，锰的量按重量计算最多为2.0%，例如，按重量计算最多1.0%，例 如，按重量计算为0.50%或者按重量计算为0.30%。对于本发明优选是，碳含量按重量计算 可达0.20%，例如，按重量计算可达0.06%。最小碳含量按重量计算可为大约0.02%。在一更 优选的实施例中，最小碳含量按重量计算可为大约0.01%。低碳钢成分主要具有铁素体或者 珠光体基体并且主要是单相的。在铁素体或者珠光体基体中没有马氏体相、贝氏体相或者 渗碳体相。[0019]使用低碳钢牌号具有许多好处。获得了具有高柔性和良好弯曲寿命的加热电缆。 当在加热元件中使用加热电缆且加热电缆在加热元件中需要复杂布置的情况下，高柔性是 有益的。
[0020]在本发明的另一具体实施例中，第一类金属单丝的铬含量小于10%的钢层不是低 碳钢牌号，而是高碳钢牌号。高碳钢是指碳含量按重量计算在0.30到1.70%之间的钢。对 于本发明，优选使用碳含量按重量计算在0.40到0.95%之间的高碳钢牌号，甚至更优选碳 含量按重量计算在0.55%到0.85%之间的高碳钢牌号。高碳钢牌号可包含合金元素；但是 对于本发明，所使用的高碳钢牌号具有按重量计算小于2.5%的铬含量和按重量计算小于 1%的镍含量，优选按重量计算小于0.1%的镍含量,甚至更优选按重量计算小于0.05%的镍 含量。并且，优选按重量计算小于1%的铬含量。
[0021]使用高碳钢牌号具有许多额外的好处。包括有高碳钢层的第一类金属单丝的强度 较高。用其制造的加热电缆与用类似直径的金属单丝制造的替代加热电缆相比显示出更高 的弯曲寿命；例如，与不锈钢单丝的加热电缆相比或者与单丝中包括不锈钢层的加热电缆 相比。
[0022]高碳钢和低碳钢不包含超过痕量的镍。镍含量低于0.1%,通常低于0.05%,因为仅 存在痕量的镍。本发明不涉及镍钢，镍钢是包含镍(例如按重量计算可达6%)作为合金元素 的钢牌号。
[0023]在本发明的一具体实施例中，提供了 一种加热电缆，其中，除了直径介于30微米 至IJ100微米的第一类金属单丝以外，不存在其它金属的或含金属的纤维或者单丝，第一类 金属单丝具有基本上圆形的横截面，并且第一类金属单丝包括铬含量按重量计算小于10% 的钢层。
[0024]在本发明的一具体实施例中，第一类单丝是单拉拔的，即，与集束拉拔相比，通过 拉拔装置拉拔单根丝。
[0025]在本发明的另一具体实施例中，第一类金属单丝已最终拉拔而成，S卩，拉拔过程是 制造金属单丝的最后工序，后续不再有热处理。第一类金属单丝是最终拉拔的这种加热电 缆具有提闻的弯曲寿命。
[0026]在本发明的另一具体实施例中，第一类金属单丝已最终退火，从而在加热电缆中 形成了金属单丝的退火后的微观结构。令人感兴趣的是，由经最终退火的第一类金属单丝 制成的加热电缆具有更高的柔性。当必须将加热电缆弯成一定形状时，例如当生产包括根 据本发明加热电缆的加热元件时，加热电缆的高柔性是有好处的。
[0027]在本发明的又一实施例中，加热电缆还包括第二类金属单丝或者一束或多束第二 类金属单丝，其成分不同于第一类金属单丝。第二类金属单丝在加热电缆中用作导电体，并 且因此在加热电缆中参与发热。在一具体实施例中，第二类金属单丝或者一束或多束第二 类金属单丝可包括不锈钢。在另一具体实施例中，第二类金属单丝可包括铬含量小于10% 的钢层，其不同于第一类金属单丝的铬含量按重量计算小于10%的层。第二类金属单丝的 一实例是具有钢芯和铜或铜合金鞘层的金属单丝。第二类金属单丝的另一实例是具有铜或 铜合金芯和不锈钢鞘层的金属单丝。另一示例性实施例是，根据本发明的加热电缆包括一 束或多束不锈钢单丝或者不锈钢纤维。
[0028]根据本发明的还包括第二类金属单丝或者一束或多束第二类金属单丝的加热电缆的优点是:获得了这样一种加热电缆，当加热电缆的温度升高时电阻增大，并且电缆的直 径、电阻和电阻与温度的相关性可根据具体要求在比仅使用一种金属单丝而言更宽的范围 内调整。一个实例是:加热电缆的直径必须处于公差范围内，以便用现有连接器将加热电缆 安装到将要使用加热电缆的加热元件中。
[0029]在一优选实施例中，第一类金属单丝构成加热电缆金属含量的按重量计算至少 50%，并且第二类金属单丝构成加热电缆金属含量的按重量计算最多为50%。在一更优选的 实施例中，第一类金属单丝构成加热电缆金属含量的按重量计算至少为70%，并且第二类金 属单丝构成加热电缆金属含量的按重量计算最多为30%。
[0030]在本发明第一方面的另一具体实施例中，通过一次或多次加捻或者并捻操作将金 属单丝(以及如果有的其它纤维、纱或者单丝)组合成加热电缆来制造加热电缆。结果是，力口 热电缆为加捻和/或并捻结构。
[0031]在本发明第一方面的又一实施例中，提供了一种加热电缆，其中，第一类金属单丝 包括耐腐蚀覆层。在一具体实施例中，第一类金属单丝上的耐腐蚀覆层是从由锌、锡、银、 镍、铝或者它们的合金组成的组中选择的金属镀层。优选是，第一类金属单丝上的耐腐蚀金 属镀层按重量计算是第一类金属单丝的I到10%。更优选是，按重量计算在2到6%之间。 甚至更优选是，按重量计算在3到5%之间。当金属镀层占金属单丝的重量百分比较低时，其 不会显著影响第一类金属单丝的电阻。当金属镀层为单独层时，其不会影响第一类金属单 丝所包括的钢的(电)性能，这与当镀层的金属作为合金元素存在于钢中时的情况正相反。 第一类金属单丝上的金属耐腐蚀覆层的优点是第一类金属单丝更耐锈和耐腐蚀。这不但对 于根据本发明的加热电缆的生产过程以及在生产过程中半成品的贮存是有益的，而且在根 据本发明的加热电缆的安装和使用期间也是有益的。
[0032]具体实例是:在第一类金属单丝上使用镍镀层；镀层按重量计算占第一类金属单 丝的2到6%。更优选是，镍镀层按重量计算在第一类金属单丝的3到5%之间。镍镀层的具 体实例是处于包括低碳钢或者包括高碳钢的第一类金属单丝上。
[0033]另一具体实例是:在第一类金属单丝上使用锌镀层；镀层按重量计算在第一类金 属单丝的0.5到5%之间。更优选是，锌镀层按重量计算在第一类金属单丝的1.5到2.5% 之间。锌镀层的具体实例是处于包括低碳钢或者包括高碳钢的第一类金属单丝上。
[0034]具有金属镀层(且特别是具有锌镀层或者具有镍镀层)的高碳单丝和低碳钢单丝 存在并用于许多不同应用中，例如，以单线形式，或者(在高碳钢单丝的情况中)以用于增强 应用(例如，轮胎、软管或皮带中的橡胶增强)的加捻或者并捻帘线形式。通过使用早已用于 其它应用的金属线作为第一类金属单丝的原料，使得根据本发明的加热电缆的生产变得更 方便并且更成本有效。为了用于根据本发明的加热电缆，需要将第一类金属单丝进一步拉 拔(优选单次最终拉拔)成与其它现有应用中所需的直径相比更细的直径。在使用金属镀层 时，可以将金属镀层设置到较大直径的线上，该较大直径的线如本领域中已知地那样被进 一步拉拔成第一类金属单丝所需的最终直径。
[0035]在本发明第一方面的另一具体实施例中，提供了一种加热电缆，其中，第一类金属 单丝包括耐腐蚀聚合物覆层。在一更优选的实施例中，第一类金属单丝上的耐腐蚀聚合物 覆层是含氟聚合物覆层或者聚氨酯覆层。甚至更优选是，含氟聚合物覆层是全氟烷氧基树 脂(PFA)聚合物或者TPE-C或PPS。[0036]在本发明第一方面的另一具体实施例中，加热电缆具有耐腐蚀鞘。在一更优选的 实施例中，耐腐蚀鞘包括聚合物层。甚至更优选是，聚合物层包括含氟聚合物，从而具有 超级耐腐蚀性和耐高温性。更优选是，加热电缆的耐腐蚀鞘是全氟烷氧基树脂(PFA)或者 TPE-C或PPS (聚苯硫醚)。
[0037]在本发明的一具体实施例中，加热电缆的最大直径(在加热电缆上没有覆层的情 况中)为1.7毫米；优选0.9毫米，更优选0.6毫米。在本发明的一具体实施例中，包括耐 腐蚀鞘的加热电缆的最大直径为2毫米，优选1.2毫米，更优选0.9毫米。
[0038]本发明的第二方面是一种用于制造电阻介于0.1Q/m到20.0 Q/m (在20°C时测 得)的加热电缆的方法。所述方法包括以下步骤:选择七到两百根第一类金属单丝，第一类 金属单丝具有介于30微米到100微米的直径，第一类金属单丝具有基本上圆形的横截面， 第一类金属单丝包括铬含量按重量计算小于10%的钢层。该方法还包括以下步骤:把第一 类金属单丝加捻和/或并捻，并且可选地与其它纤维或者纱结合，而形成加热电缆。
[0039]在该方法的一优选实施例中，该方法包括步骤:选择七到七十七根的第一类金属 单丝。
[0040]本发明第二方面的一实施例是一种用于制造电阻介于0.1Q/m到20.0Q/m (在 20°C时测得)的加热电缆的方法。所述方法包括以下步骤:选择七到两百根的第一类金属单 丝，第一类金属单丝具有介于30微米到100微米的直径，第一类金属单丝具有基本上圆形 的横截面，第一类金属单丝包括铬含量按重量计算小于10%的钢层。该方法包括选择第二 类金属单丝或者一束或多束第二类金属单丝的步骤。该方法还包括以下步骤:把第一类金 属单丝和第二类金属单丝加捻和或并捻；可选地与其它纤维或者纱结合以形成加热电缆。
[0041]在该方法的一优选实施例中，该方法包括选择七到七十七根第一类金属单丝的步 骤。
[0042]本发明的第三方面是根据本发明的加热电缆的用途。在所述用途中，使第一类金 属单丝以及如果有的第二类金属单丝与电源电接触。根据本发明的加热电缆的一种用途是 汽车座椅加热。另一用途是用于衣物或者服装产品中的加热元件中，实例是用于马甲、手 套、长袜或者短袜的加热元件中。根据本发明的加热电缆的其它用途是SCR(选择性催化还 原)加热、车辆内部加热、道路加热、底板加热、壁加热、地毯加热和方向盘加热。所列出的用 途仅作为本发明用途的实例。根据本发明的加热电缆可以用于更宽范围的加热应用。
【专利附图】

【附图说明】
[0043]图1显示了可用于本发明的具有金属镀层的第一类金属单丝的实例。
[0044]图2显示了根据本发明的加热电缆结构的实例。
【具体实施方式】
[0045]图1显示了可用于本发明的具有金属镀层的第一类金属单丝10的实例。第一 类金属单丝的芯12是由以下含量的低碳钢牌号制成的(百分比是重量百分比；并且除了 实际的分析结果以外，还给出了用于该实例的低碳钢牌号的规格):C:0.039% (规格为: 0.02-0.05%),Mn:0.332% (规格为:<=0.35%),S1:0.027% (规格为 <=0.025),P:0.011% (规 格为:<=0.025%),S:0.008% (规格为 <=0.025%),N:0.005% (规格为:<=0.008%),Cu:0.013%(规格为:<=0.100%)、Cr:0.043% (规格为:<=0.08%)、N1:0.018% (规格为:<=0.100%)、Al: 0.04% (规格为:<=0.06且>=0.03%),Mo:0.007% (规格为:<=0.02%)。金属单丝具有锌或者镍镀层14。
[0046]在实施本发明的一实例中，加热电缆20是由多根60微米直径的金属单丝22制成的。单丝具有低碳钢(碳含量按重量为0.039%)的芯24和镍鞘26。镍鞘26按重量为金属单丝的4%。将七根这样的金属单丝捻到一起，从而构成了包括七根金属单丝的纱28。将八根这样的纱28捻到一起以获得电缆，从而获得了 8X7的电缆结构。电缆覆有厚0.17毫米的PFA (全氟烷氧基树脂)覆层29。在20°C的温度下，加热电缆具有0.765 Q/m的电阻。表 I显示了温度对该电缆电阻Q/m的影响。通过在烘箱中使加热电缆处于不同温度下对电缆电阻进行实验来获得实验结果。
[0047]表1:具有PFA覆层的8 X 7 X 60微米低碳钢电缆的电阻Q /m与温度的关系
[0048]
【权利要求】
1.一种加热电缆，所述加热电缆包括七到两百根第一类金属单丝，第一类金属单丝作为发热导电体，所述第一类金属单丝具有介于30微米到100微米的直径，所述第一类金属单丝具有基本上圆形的横截面，所述第一类金属单丝包括按重量计算铬含量小于10%的钢层，所述加热电缆具有在20°C测量的介于0.1 Q/m到20.0Q/m的电阻。
2.如权利要求1所述的加热电缆，其中，铬含量小于10%的所述钢层是低碳钢牌号。
3.如权利要求1所述的加热电缆，其中，铬含量小于10%的所述钢层是高碳钢牌号。
4.根据权利要求1-3所述的加热电缆，其中，所述加热电缆包括第二类金属单丝或者 一束或多束第二类金属单丝；第二类金属单丝的成分不同于第一类金属单丝。
5.根据前述权利要求中任一项所述的加热电缆，其中，所述第一类金属单丝包括耐腐 蚀覆层。
6.根据权利要求5所述的加热电缆，其中，所述耐腐蚀覆层是从由锌、锡、银、镍、铝或 者它们的合金构成的组中选择的金属覆层。
7.根据权利要求5所述的加热电缆，其中，所述耐腐蚀覆层是聚合物。
8.根据前述权利要求中任一项所述的加热电缆，其中，所述加热电缆具有耐腐蚀鞘。
9.根据权利要求8所述的加热电缆，其中，所述耐腐蚀鞘包括聚合物层。
10.根据权利要求9所述的加热电缆，其中，所述聚合物层包括含氟聚合物。
11.一种制造加热电缆的方法，该加热电缆在20°C测量的电阻介于0.1 Q/m到20.0Q/ m，所述方法包括以下步骤:选择七到两百根第一类金属单丝，所述第一类金属单丝具有介于30微米到100微米的直径，所述第一类金属单丝具有基本上圆形的横截面，所述第一类金属单丝包括按重量计算铬含量小于10%的钢层，把所述第一类金属单丝加捻和/或并捻，并且可选地将其与其它纤维或者纱组合，以 形成加热电缆。
12.如权利要求11所述的方法，包括以下步骤:选择七到两百根第一类金属单丝，所述第一类金属单丝具有介于30微米到100微米的直径，所述第一类金属单丝具有基本上圆形的横截面，所述第一类金属单丝包括按重量计算铬含量小于10%的钢层，选择第二类金属单丝或者一束或多束第二类金属单丝，并且把所述第一类金属单丝与所述第二类金属单丝加捻和/或并捻，并且可选地将第 一和第二类金属单丝与其它纤维或者纱组合，以形成加热电缆。
13.如权利要求1-10所述的加热电缆用于汽车座椅加热的用途。
14.如权利要求1-10所述的加热电缆用于衣物或者服装产品中的加热元件的用途。
【文档编号】H05B3/34GK103460794SQ201280015615
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年3月1日 优先权日:2011年4月4日
【发明者】S·韦斯特拉腾 申请人:贝卡尔特公司