Электронагреватель

Электронагреватель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электронагревателям, которые могут быть выполнены гибкими или жесткими и использованы для обогрева человека, жилых помещений, спортивных сооружений, оборудования, пресс-форм, для обжига керамики, кирпичей, нагрева жидкостей, сыпучих материалов и пр.

Известен гибкий электронагреватель, патент Российской Федерации №2074524, МКИ Н 05 В 3/34, опубликован 27.02.97 г., бюллетень №6, содержащий токонепроводящее основание и закрепленный на нем токопроводящий резистивный модуль из графитовой ткани и гибких электродов в виде металлического полого шнура, которые завернуты в кромку этой ткани и пришиты зигзагообразным швом.

В этом электронагревателе - ненадежный контакт с токоподводами и, вместе с тем, невысокая температура эксплуатации, до 50°С, невозможность изготовления электронагревателей произвольных размеров с различными питающими напряжениями источника, например в диапазоне напряжений от 3 до 380 В.

Известен, принятый за прототип, гибкий электронагреватель, патент РФ №2213432, опубл. 27 сентября 2003 года, состоящий из двух слоев электроизоляционного основания, соединенных клеем с размещенным между ними токопроводящим резистивным слоем, выполненным из углеродных жгутов или нитей, и электрически связанных с ними токоподводов, каждый из которых выполнен из двух металлических полос, соединенных между собой и с угольными нитями или жгутами, расположенными между ними, точечной сваркой.

Недостатками данного электронагревателя является то, что он обеспечивает не достаточно равномерный прогрев по поверхности, не обеспечивает температуру нагрева поверхности 300°С, не обладает гибкостью в поперечном направлении из-за жесткости токоподводов. Применение только угольных нитей и жгутов в качестве резистивных элементов не позволяет обеспечить создание электронагревателей, больших по размерам, работающих от различных по величине источников электропитания.

Недостатками электронагревателей - аналогов и прототипа является также то, что для их изготовления используют токсичные полимерные смолы или клеевые композиции, а для поддержания диапазона комфортной температуры и необходимой мощности требуются дополнительные электронные устройства, регуляторы мощности, температуры, трансформаторы с регуляторами напряжения, цена и надежность которых сопоставимы с ценой и надежностью самого электронагревателя.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание негорючих более надежных, технологичных электронагревателей, не требующих для изготовления сложного оборудования, обеспечивающих температуру эксплуатации до 300-1500°С. Конструкция электронагревателей должна обеспечивать универсальную технологию, которая позволяла бы изготовление нагревателей различных размеров, в том числе очень больших и малых, а также гибких и жестких, с высокой прочностью на изгиб, с равномерным нагревом по поверхности и способных работать от различных источников постоянного, переменного напряжения, а также с возможностью регулирования температуры или необходимой мощности без дополнительных регулирующих устройств.

Техническим результатом при использовании предложенного технического решения является повышение надежности, упрощение технологии изготовления, обеспечение равномерного нагрева по всей поверхности нагревателя и способности работать от различных источников питающего напряжения.

Поставленная задача с достижением технического результата решается за счет того, что электронагреватель, состоящий из двух слоев электроизоляционного материала, размещенного между ними резистивного слоя, состоящего из токопроводящих резистивных элементов и электрически связанных с ними сваркой токоподводов, дополнительно содержит с обеих сторон от резистивного слоя термопластичный пленочный материал толщиной 0,1-1 мм, а токоподводы снабжены тоководами, обеспечивающими коммутацию токоподводов между собой,

а также за счет того, что,

резистивный слой со слоями из термопластичного пленочного материала прогрет при температуре 200-300°С в течение 03,-30 сек;

токоподводы выполнены в виде пары металлических полос с расположенными между ними угольными резистивными элементами и соединенными между собой точечной сваркой;

токоподводы выполнены в виде пары металлических полос с расположенными между ними угольными резистивными элементами и соединенными между собой роликовой сваркой;

токоподводы размещены на концах и в промежуточных областях резистивных элементов, разделяя их на участки, имеющие требуемое сопротивление;

к токоподводам с помощью пайки, электрической колодки, разъема или зажима присоединены тоководы в виде жилы гибкого многожильного провода, второй конец которого выходит наружу нагревателя;

гибкий многожильный провод на выходе из электронагревателя дополнительно крепят к нему клепками;

токоподводы выполнены секциями и соединены между собой припаянными к ним гибкими электропроводами;

слои термопластичной пленки выполнены из нетканого или тканого материала на основе полипропилена, полиэтилена, лавсана, капрона, полиамида, полиимида или поливинилхлорида,

электроизоляционные слои выполнены из гибкого электроизоляционного материала и скреплены с термопластичным пленочным материалом прошивкой по периметру;

электроизоляционные слои выполнены из электроизоляционных, химически стойких, высокопрочных листовых конструкционных материалов, соединенных с термопластичными пленочными материалами термостойким связующим;

резистивные элементы выполнены из угольных нитей, жгутов, ленты, ткани;

резистивные элементы выполнены из металлических материалов, нихромовой, константановой, стальной, медной или алюминиевой проволоки;

токоподводы и резистивные элементы дополнительно содержат изоляцию из электроизоляционной ленты или полимера;

электронагреватель содержит внешние слои из влагозащитных, химически стойких, электропроводных материалов;

одна из внешних поверхностей электронагревателя содержит декоративный пленочный слой;

участки резистивных элементов, расположенные между токоподводами, дополнительно лудят;

электроизоляционные слои выполнены многослойными.

Применение термопластичной пленки для внутренних слоев электронагревателя обеспечивает равномерность нагрева, так как при изготовлении не происходит смещение рядов резистивных элементов, как это имеет место при нанесении клея. Увеличивается прочность, влагонепроницаемость. Установленные значения толщины термопластичной пленки от 0,1 до 1 мм и времени ее прогрева от 0,3 до 30 сек, обеспечивающих склеивание, подобраны экспериментально, отклонение от указанных значений приводит к браку или к неоправданным затратам. Указанные пределы обеспечивают высокое качество нагревателя, исключая изменение сопротивления резистивного слоя за счет того, что использование термопластичного пленочного материала позволило видоизменить процесс склеивания, а именно заменить его проглаживанием, например, утюгом или прижатием нагретой плитой. Установлено, что после предложенного процесса склеивания сопротивление резистивното элемента практически не изменяется и остается в пределах погрешности 1-3%. Кроме того, по сравнению с применением клеевых композиций повышается термостойкость нагревателей с 80-150°С до 160-350°С.

Конструкция нагревателя поясняется чертежами:

Фиг.1. - Общий вид электронагревателя (слой из термопластичной пленки и электроизоляционные слои, расположенные над резистивным слоем симметрично слоям ниже - не показаны).

Фиг.2. - Токоподводы, выполненные в виде секций.

Фиг.3 - Способ крепления угольных нитей, жгутов или металлической проволоки.

Фиг.4 - Способ крепления угольной ленты.

Фиг.5. - Способ крепления угольной ткани.

Фиг.6 и 7 - Некоторые способы размещения резистивных элементов с токоподводами.

Резистивный слой с токоподводами 1, Фиг.1, размещенными на концах резистивных элементов 2 и в их промежуточных областях, расположен между слоями из термопластичной пленки 3, в качестве которой могут быть использованы нетканый или тканый материал, например, на основе полипропилена, полиэтилена, лавсана, капрона, полиамида, полиимида, поливинилхлорида, данные материалы могут быть дополнительно пропитаны термостойким связующим, склеивание термопластичных материалов с резистивным слоем проводят с помощью нагрева, например проглаживанием утюгом, далее следуют слои из электроизоляционных материалов 4, например, на основе прорезиненной ткани, поливинилхлоридной ткани (искусственной кожи), стекло-асбо-базальтовой ткани, термопластичной пленки или жесткого листа, например асболист, гипсоволокно, на внешнюю поверхность одного из электроизоляционных слоев может быть нанесен красочный слой или декоративная пленка, тоководы 5 в виде жил многожильного электропровода 6 распаяны между токоподводами 1 и выведены наружу нагревателя.

Токоподводы 1 могут быть выполнены секциями, Фиг.2, и соединены между собой припаянными к ним гибкими электропроводами 7, при этом можно обеспечить как гибкость токоподвода в поперечном направлении, так и большую площадь контакта между резистивными элементами и токоподводом, повышая надежность электронагревателя. Токоподвод может быть изготовлен из металлических полосок, например, из оцинкованной, нержавеющей стали, алюминия, меди.

На Фиг.3, 4, 5 показано крепление к токоподводам 1 точечной сваркой 8 различных резистивных элементов: угольных нитей, лент, жгутов или металлической проволоки 2, угольных лент 9, угольной ткани 10. Может применяться нихромовая, константановая, медная, стальная, алюминиевая металлические проволоки.

Некоторые способы размещения резистивных элементов с токоподводами приведены на Фиг.6 и 7.

Тоководы 5 многожильного электропровода 6 могут быть соединены с токоподводами 1 не только с помощью пайки, но и с помощью электрической колодки, разъема или электрических зажимов, обеспечивающих механическое крепление.

Надежность крепления резистивных элементов к токоподводам проверяют подергиванием с усилием в 10 кг. Прочность крепления достигают количеством свариваемых "точек" между резистивными элементами, в зависимости от расстояния между ними, ширины токоподвода, характеристик резистивного элемента (Фиг.3, 4, 5), а также дополнительным применением роликовой сварки. Первоначально проводят точечную сварку, при которой оптимальным образом распределяют резистивные элементы по длине токоподвода, а затем применяют роликовую сварку.

В гибком электронагревателе слои электроизоляционных материалов соединяют со слоями термопластичных материалов с помощью их прошивки по периметру и окончательное склеивание слоев электронагревателя между собой осуществляют с помощью нагрева слоев, например, утюгом в течение 0,3-30 сек. Электроизоляционные слои жесткого электронагревателя могут быть соединены со слоями термопластичной пленки с помощью термостойкого связующего, например жидкого стекла, фосфатного, алюмохромофосфатного, кремнийорганического связующего, фторэластомера и др., а также с помощью композиций на их основе.

Высокая прочность жесткого электронагревателя достигается за счет применения в качестве внешних электроизоляционных слоев химически стойких высокопрочных листовых конструкционных материалов - металлов: стальной, оцинкованный лист и их комбинации и неметаллов, например асбестовый лист, гипсоволокно,

Электронагреватель может иметь наружное декоративное красочное, декоративное пленочное покрытие либо специальное защитное, например, химически стойкое покрытие, в том числе металлическое.

Тип резистивного элемента и схему его размещения по поверхности выбирают в зависимости от требуемой мощности, напряжения электропитания и необходимых размеров электронагревателя.

Принципиальная технология изготовления электронагревателя состоит из следующих основных операций:

- проведение электрического расчета электронагревателя исходя из технических требований;

- выбор типа резистивного элемента и схемы его размещения по поверхности электронагревателя;

- изготовление резистивного элемента и токоподводов;

- крепление резистивных элементов к токоподводам методом сварки,

- присоединение, например, пайкой к токоподводам тоководов в виде жил многожильного гибкого провода;

- размещение резистивного слоя между слоями термопластичной пленки толщиной от 0,1 до 1 мм;

- нагревание сборки в течение 0,3-30 сек при температуре 200-300°С, например, проглаживанием пленки утюгом, осуществляя склеивание;

- крепление к нагревательному элементу электроизоляционных, декоративных, специальных слоев материалов, образуя гибкий или жесткий нагреватель.

Если в качестве термопластичной пленки использовать полипропиленовую пленку толщиной 0,15 мм, в качестве резистивных элементов - угольную нить УРАЛ-НШ, то время склеивания пленок между собой и с резистивными элементами составляет 1-3 сек при температуре 300°С. При этом обеспечивается надежное, качественное склеивание слоев, не наблюдается разрушения термопластичной пленки и изменения сопротивления резистивных элементов.

Пример 1.

Требуется изготовить жесткий электронагреватель со следующими характеристиками:

- напряжение питания 220 В;

- мощность 250 Вт и 1000 Вт;

- геометрические размеры 50×75 см².

Обогреваемая зона 40×65 см² (зона по периметру на глубину 5 см от краев электронагревателя не прогревается).

В качестве нагревательного элемента выбираем угольную нить марки УРАЛ-НШ. Удельное электросопротивление нити - 250 Ом/см.

Сопротивление электронагревателя:

R=U²/Р=220²/1000=48,4 Ом,

где U - электрическое напряжение;

Р - мощность электронагревателя.

Угольную нить наносим на поверхность электронагревателя змеевидными рядами.

Выбираем вариант с количеством рядов N=5, количеством нитей в ряду n=8 и расстоянием между нитями в ряду 0,5 см, ток через нить будет равен 0,135 А. При таком расположении нитей с расстоянием между ними 0,5 см будет обеспечен равномерный прогрев по всей обогреваемой площади нагревателя.

Если резистивные элементы (полосы на фиг.4 и 5) соединить последовательно, то получим мощность электронагревателя 240 Вт, ток через электронагреватель 1,1 А.

Если подключить резистивные элементы параллельно, то получим электрическую схему электронагревателя с двумя параллельно соединенными сопротивлениями.

Величина каждого электрического сопротивления электронагревателя равна 45 Ом.

Поскольку эти электросопротивления соединены параллельно, то электрическое сопротивление электронагревателя будет равно 22,5 Ом.

Мощность электронагревателя будет равна 968 Вт.

Ток через электронагреватель будет равен 4,3 А.

Ток через каждую угольную нить будет равен 0,27 А.

Изготовленную и склеенную сборку нагревательного элемента размещают между двумя жесткими пластинами из гипсоволокна или асбоцемента с нанесенным на их поверхность связующим на основе жидкого стекла, наполнителя высокодисперсного порошка окиси алюминия или кремния и отвердителя кремнефтористого натрия или окиси цинка.

Для изготовления предлагаемого жесткого не токсичного электронагревателя не требуется сложного дорогостоящего оборудования. В зависимости от выбранных материалов электронагреватель нетоксичен, термостоек и обладает высокой химической стойкостью в агрессивных средах. Равномерность температуры по поверхности электронагревателя обеспечивается тем, что угольные резистивные элементы в готовом нагревателе остаются равномерно распределенными по всей площади электронагревателя.

Пример 2.

Пусть необходимо изготовить гибкую электрообогреваемую постель, имеющую внешние электроизоляционные слои из искусственной кожи, со следующими характеристиками: размер электропостели 200×70 см; мощность до 70 Вт, напряжение питания до 30 В.

Электрическая схема электронагревателя для данного случая приведена на Фиг.6.

Электрическая схема включает три токоподвода, например, из нержавеющей стали. Каждый токоподвод состоит из двух полосок нержавеющей стали, например, толщиной 0,8 мм, шириной 10 мм, скрепленных между собой и с резистивными элементами из угольных нитей марки УРАЛ-НШ точечной сваркой. Угольные нити располагаются по поверхности электронагревателя параллельными рядами с расстоянием между ними 7 мм.

Коммутируя токоподводы между собой по требуемой электросхеме, соединяя тоководы - жилы гибкого многожильного провода на выходе нагревателя, образуют так же, как и в предыдущем примере, последовательное и параллельное соединение участков резистивных элементов, разделенных токоподводами. Тем самым получают различные электросопротивления электронагревателя, которые, в свою очередь, позволяют подключать электронагреватель к источникам электропитания с различными значениями выходного напряжения, тока, мощности и получать при этом равномерный и требуемый нагрев и различную требуемую мощность электронагревателя.

Чтобы получить от данного источника электрического питания требуемую мощность электропостели, подключаем нагревательные элементы параллельно. В результате получаем следующие мощности электронагревателя в зависимости от напряжения электропитания:

27 В - 66 Вт;

23 В - 48 Вт;

18 В - 30 Вт;

15 В - 20 Вт.

Данный диапазон мощностей позволяет обеспечить комфортный тепловой режим для человека при различных условиях эксплуатации электронагревателя.

Следует также отметить, что последовательное и параллельное соединение резистивных элементов проводят после изготовления электронагревателя путем различного подсоединения жил многожильного провода к вилке электрического питания или с помощью переключателя.

В предложенном техническом решении комфортный тепловой режим достигается без применения регуляторов температуры и мощности. Высокая надежность устройства достигается негорючестью, высокой термостойкостью электроизоляционных материалов, способом соединения резистивных элементов с токоподводами, выбором различных типов резистивных элементов и способом их размещения по поверхности электронагревателя.

Гибкость и надежность работы электронагревателя обеспечиваются также применением специальной конструкции и формы токоподводов и способом их крепления с резистивными элементами.

Таким образом, по предлагаемой технологии и конструкции электронагревателя возможно изготовление как гибких, так и жестких электронагревателей различных размеров и с различными характеристиками по мощности, температуре поверхности, источнику электропитания.

Изготовленные по данной технологии электронагреватели успешно используются при сушке древесины.

1. Электронагреватель, состоящий из двух слоев электроизоляционного материала, размещенного между ними резистивного слоя, состоящего из токопроводящих резистивных элементов и электрически связанных с ними сваркой токоподводов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит с обеих сторон от резистивного слоя термопластичный пленочный материал толщиной 0,1÷1 мм, а токоподводы снабжены тоководами, обеспечивающими коммутацию токоподводов между собой.

2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что токоподводы выполнены в виде пары металлических полос с расположенными между ними угольными резистивными элементами и соединенными между собой точечной сваркой.

3. Электронагреватель по п.2, отличающийся тем, что токоподводы выполнены в виде пары металлических полос с расположенными между ними угольными резистивными элементами и соединенными между собой точечной и роликовой сваркой.

4. Электронагреватель по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что токоподводы размещены на концах резистивных элементов.

5. Электронагреватель по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что токоподводы размещены на концах и в промежуточных областях резистивных элементов, разделяя их на участки, имеющие расчетное сопротивление.

6. Электронагреватель по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что токоподводы выполнены секциями и соединены между собой припаянными к ним гибкими электропроводами.

7. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что к токоподводам с помощью пайки, электрической колодки или зажима, присоединены тоководы в виде жил гибкого многожильного провода, второй конец которого выходит наружу нагревателя.

8. Электронагреватель по п.7, отличающийся тем, что гибкий многожильный провод на выходе из электронагревателя дополнительно крепят клепками.

9. Электронагреватель по п.7, отличающийся тем, что слои термопластичной пленки выполнены из нетканого или тканого материала на основе полипропилена, полиэтилена, лавсана, капрона, полиамида, полиимида или поливинилхлорида.

10. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что электроизоляционные слои выполнены из гибкого электроизоляционного материала и скреплены с термопластичным пленочным материалом прошивкой по периметру.

11. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что электроизоляционные слои выполнены из электроизоляционных, химически стойких, высокопрочных, листовых конструкционных материалов, соединенных с термопластичными пленочными материалами, термостойкими связующим.

12. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что резистивные элементы выполнены из угольных нитей, жгутов, ленты, ткани.

13. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что резистивные элементы выполнены из металлических материалов, нихромовой, константановой, стальной, медной или алюминиевой проволоки.

14. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что токоподводы и резистивные элементы дополнительно содержат изоляцию из электроизоляционной ленты или полимера.

15. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что электронагреватель содержит внешние слои из влагозащитных, химически стойких электропроводных материалов.

16. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что одна из внешних поверхностей электронагревателя содержит декоративный пленочный слой.

17. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что участки резистивных элементов, расположенные между токоподводами, дополнительно лудят.

18. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что, электроизоляционные слои выполнены многослойными.