Гибкий электронагреватель и способ изготовления резистивного нагревательного элемента для него

Гибкий электронагреватель и способ изготовления резистивного нагревательного элемента для него

Реферат

Изобретение относится к электротехнике, к электронагревателям, которые могут быть использованы для сушки древесины, нагрева жидкостей, изготовления обогреваемых чехлов, одеял, обогреваемой одежды, отопления помещений и пр.

Известен способ изготовления гибкого композиционного электронагревателя поверхностного типа, патент RU №2187906, МКИ Н05В 3/34, опубл. 20.08.2002 г., который включает формирование резистивного элемента на основе нетканого углеродного материала, закрепление на резистивном элементе токопроводящих металлических проводников, размещение резистивного элемента с токопроводящими проводниками между многослойными электроизоляционными покрытиями, пропитку всех слоев полимерным связующим и соединение их методом прессования. Перед закреплением токопроводящих проводников их покрывают со всех сторон электропроводящим огнестойким составом в виде клея с длительным периодом полимеризации. Клей обволакивает проводник и предохраняет зону контакта от возгорания.

К числу недостатков данного изобретения можно отнести необходимость использования сложного прессового оборудования, сравнительно невысокие технические характеристики с максимально достижимой температурой поверхности не выше 100-150°С, невысокую надежность нагревателя, обусловленную старением полимерных материалов.

Известен гибкий электронагреватель, патент RU №2079979, МКИ Н05В 3/34, опубл. 1997.05.20, который содержит нагревательный элемент, выполненный из углеродной ленты, изоляцию, размещенную поверх него в виде герметичного чехла из фторопластовой пленки, защитный кожух из стекловолокна и подсоединительные контакты из медной фольги, которые сложены и завернуты вместе с концами углеродной ленты и снабжены двумя обжимающими пластинами из нержавеющей стали. В качестве скрепляющих элементов пластин используют заклепки.

Этот способ не универсален, он дает положительный результат только для резистивного элемента в виде углеродной ленты, в случае применения углеродных жгутов или нитей данный способ становится трудоемким, требуемая толщина стальных полосок для скрепления их между собой заклепками не позволит создать гибкий нагреватель.

Известен гибкий электронагреватель, принятый за прототип, патент RU №2213432, МКИ Н05В 3/34, опубл. 27.09.2003 г., состоящий из двух слоев электроизоляционного основания, размещенного между ними токопроводящего резистивного слоя и электрически связанных с ним токоподводов, расположенных с двух сторон по краям резистивного слоя, отличающийся тем, что каждый токоподвод образован парой металлических полос, наложенных друг на друга, токопроводящий резистивный слой выполнен из углеродных жгутов или нитей, концы которых размещены между парой металлических полос, соединенных между собой точечной сваркой, а слои изоляционного основания соединены с резистивным слоем с помощью клея.

Изобретение во многих случаях обеспечивает надежный качественный контакт между угольными резистивными элементами и металлическими токоподводами, однако точечная сварка не позволяет качественно сваривать токоподводы малые по толщине в виде фольги и большие по толщине, более 3-4 мм, токоподводы, не позволяет соединять с токоподводами резистивные элементы, расположенные с шагом менее 3-5 мм, невозможно использовать токоподводы, выполненные из неметаллических материалов, например из графита и керамики.

Задачей предлагаемого изобретения является создание технологичного, универсального способа изготовления гибкого электронагревателя, не требующего при изготовлении сложного оборудования, обеспечивающего надежное соединение как угольных, так и металлических резистивных элементов в электроизоляционной оболочке с токоподводами из металлических и неметаллических материалов.

Поставленная задача с достижением технического результата решается за счет того, что в электронагревателе, состоящем из двух слоев электроизоляционного основания, с расположенным между ними резистивным элементом в виде токопроводящего резистивного слоя, соединенного с токоподводящими проводниками, у которого каждый токоподводящий проводник выполнен в виде пары полос, наложенных друг на друга, между которыми расположены концы резистивного элемента токопроводящего резистивного слоя, полосы в каждой паре токоподводящего проводника выполнены из металла или неметалла и скреплены между собой методом пайки, а все слои нагревательного элемента соединены между собой с помощью клея или термопластичного материала,

а также за счет того, что резистивный элемент токопроводящего резистивного слоя выполнен из углеродных нитей, жгутов, лент, металлической проволоки, содержащих электроизоляционное покрытие, полосы токоподводящего проводника выполнены из нержавеющая стали, меди, графита или керамики, слои электроизоляционного основания выполнены из негорючего термопластичного пленочного материала, негорючей асбестовой стеклоткани, ткани с базальтовыми волокнами или брезента, для повышение электроизоляционных, влагозащитных свойств электронагреватель дополнительно содержит наружные слои из прорезиненной ткани, в качестве клея использованы не поддерживающие горение эластомеры, минеральные клеевые составы, токоподводящие проводники дополнительно покрыты слоями изоляционного материала;

а также за счет того, что в способе изготовления резистивного нагревательного элемента в виде токопроводящего нагревательного слоя с токоподводящими проводниками для гибкого электронагревателя, при котором каждый токоподводящий проводник изготавливают в виде пары полос, между ними располагают концы резистивного элемента токопроводящего слоя, а затем

каждую пару полос скрепляют между собой методом пайки и сжимают под давлением, при этом полосы токоподводящего проводника изготавливают из металла или неметалла толщиной h=0,1-3 мм, давление сжатия Р выбирают из интервала 0,1-40 МПа, а оптимальное отношение давления сжатия Р к толщине полосы h токоподводящего проводника удовлетворяет условию

1≤P/h≤40,

где Р - давление сжатия, МПа,

h - толщина полосы токоподводящего проводника, мм;

а также за счет того, что резистивные элементы токопроводящего нагревательного слоя выполнены из углеродных нитей, жгутов, лент, металлической проволоки; полосы токоподводящего проводника выполнены из стали, меди, графита или керамики; слои электроизоляционного основания выполнены из негорючих листовых материалов, термопластичного пленочного материала, негорючей асбестовой стеклоткани, ткани с базальтовыми волокнами или брезента; в качестве клея использованы не поддерживающие горение эластомеры, минеральные клеевые составы, термопластичные пленочные материалы; резистивные элементы токопроводящего нагревательного слоя содержат электроизоляционную оболочку; токоподводящие проводники дополнительно покрыты слоями изоляционного материала.

Толщина полосы токоподводящего проводника, интервал давления сжатия и их соотношение подобраны экспериментально, эти соотношения обеспечивают надежность и технические характеристики контакта резистивных элементов с токоподводящими проводниками, такие как прочность, стабильность электрического сопротивления. При давлении, меньшем 0.1 МПа, не обеспечивается надежное сжатие токоподводящих проводников, а при давлении, большем 40 МПа, могут повреждаться угольные резистивные элементы и происходит выдавливание припоя и, как следствие, снижение надежности и прочности соединения. Оптимальное давление сжатия пары полос токоподводящих проводников между собой и с резистивными элементами - это давление, при котором соединение в процессе пайки осуществляется по всей поверхности контакта резистивного слоя, т.е. используемый припой пропитывает резистивные элементы не только по поверхности, но и по их объему, улучшая тем самым надежность и прочность электрического контакта резистивных элементов с токоподводящими проводниками, которые при этом могут быть выполнены из металла или неметалла. Кроме того, припой, заполняя все пустоты между токоподводящими проводниками и резистивными элементами, обеспечивает надежный электрический контакт между ними даже при размещении резистивных элементов с шагом между ними менее 3-5 мм, поэтому надежный контакт образуется при различных толщинах токоподводящих проводников и любом шаге размещения резистивных элементов. Предлагаемый способ соединения с помощью пайки одновременно является универсальным и может применяться для токоподводящих проводников, изготовленных из стали, меди, а также и из неметаллических материалов: графита, керамики.

Пример изготовления нагревательного элемента со стальными токоподводящими проводниками и угольными волокнами.

Установлено, что контактно-реактивная пайка, при которой припой образуется в результате контактного плавления соединяемых металлов, промежуточных покрытий или прокладок, обеспечивает наиболее надежный электрический контакт между резистивными элементами и токоподводящими проводниками.

Припой контактирует как с токоподводящими проводниками, так и с резистивными элементами по всей их внешней и внутренней поверхности.

Следует также отметить, что концы угольных резистивных элементов можно лудить. В этом случае припой пропитывает резистивные угольные нити, тем самым улучшая электрический контакт.

В зависимости от требуемой мощности, напряжения питания и нужных размеров электронагревателя выбирают тип угольных нитей и схему их раскладки на изоляционном основании, например, из ткани с асбестовыми, базальтовыми или стеклянными волокнами со слоем из термопластичной пленки. Изготавливают две металлические полосы токоподводящего проводника, например, из нержавеющей стали длиной 100 мм, шириной 7 мм, толщиной 0.7 мм. На внутреннюю поверхность каждой из них наносят оловянно-свинцовый припой. Размещают между двумя металлическими полосами концы угольных нитей, например, марки УВИС с шагом 10 мм. Сжимают металлические полосы с размещенными между ними угольными резистивными элементами давлением 1 МПа, нагревают сборку до температуры плавления припоя, охлаждают и снимают давление. Температура нагрева зависит от применяемого припоя. Причем вышеуказанную операцию можно осуществлять по всей поверхности полосы, одновременно или последовательно продвигаясь вдоль по ее поверхности. В результате получаем надежный качественный электрический контакт между токоподводящими проводниками и угольными волокнами, стойкий к температуре вплоть до 300°С. Таким же образом осуществляют соединение других концов резистивных элементов с токоподводящими проводниками, образуя резистивный элемент нагревателя в виде слоя с электроконтактами. Провода для соединения с источником электропитания припаивают к поверхности токоподводящих проводников или размещают их между полосами одновременно с резистивными элементами.

Угольные нити дополнительно аппретируют, например, термопластичными полимерными материалами: полиэтиленом, полиамидом, полипропиленом, или термостойким фторэластомером, например, марки Фторонит 107ТР, или кремнийорганическим эластомером, например, марки Лестосил - С (М), или жидким стеклом, или не поддерживающим горение эластичным термостойким полимером. Затем полученный таким образом резистивный нагревательный слой размещают между двумя слоями, например, из термопластичных пленочных материалов, соединение слоев между собой и с резистивными элементами осуществляют нагревом, либо с помощью клея, либо прошивкой слоев.

Пример изготовления нагревательного элемента с токоподводящими проводниками из графита и угольными волокнами.

Изготавливают токоподводящие проводники в виде полос из графита марки БСГ-30 длиной 10 см, шириной 0.7 см и толщиной 0.3 см каждая. Между двух графитовых полос размещают припой (80 мас.% кремния, 20 мас.% бора) и концы угольных нитей марки УВИС с шагом 10 мм по длине графитовой полосы, всего 10 нитей. Пайку осуществляют в среде аргона при давлении 4 МПа в камере при температуре 1800°С в течение 2 мин. Прочность полученного соединения составляет 5.6 МПа при температуре 20°С. Аналогично проводят пайку других концов угольных нитей с токопроводящими проводниками из графита. Полученный нагревательный элемент работоспособен в инертной среде или вакууме при температуре вплоть до 2000°С, обладает высокой стойкостью к агрессивным средам.

Технология изготовления резистивных элементов с токопроводящими проводниками из керамики и других неметаллических материалов аналогична изготовлению нагревательного элемента с токопроводящими проводниками из графита, при использовании соответствующих припоев и температуры пайки.

В качестве резистивных элементов, кроме угольных нитей, может быть использована также, например, нихромовая проволока.

Таким образом, для изготовления предлагаемого нагревателя не требуется дорогостоящего оборудования, он работоспособен в агрессивной среде за счет высокой химической стойкости выбранных материалов и при этом создает температуру нагрева поверхности до 150-600°С в окислительной среде и до 150-2000°С в инертной среде или вакууме.

Высокая надежность устройства достигается негорючестью слоев электроизоляционных материалов, размещением концов токопроводящих резистивных элементов между двух полос токоподводящих проводников и скреплением полос между собой пайкой.

Известно, что применение пайки в изделиях техники позволяет увеличить прочность соединения в 3-5 раз по сравнению с контактной, роликовой сваркой.

Выбором различных типов угольных нитей (жгутов) и способа их размещения можно изготавливать нагревательные элементы различных размеров, мощности, с различным напряжением питания.

Испытаниями установлено, что надежный электрический контакт между резистивными элементами и токоподводящими проводниками имеет место даже при наличии на резистивных элементах электроизоляционной оборочки из термопластичных и термореактивных полимерных материалов. Данный факт можно объяснить тем, что при нагреве в процессе пайки электроизоляционная оболочка в месте контакта расплавляется или деструктирует под воздействием температуры, излишки массы удаляются в виде продуктов деструкции или выдавливаются.

Достоинством данного электронагревателя и способа изготовления нагревательного элемента для него является то, что полосы токоподводящих проводников можно изготовить гибкими и гибкоупругими. Параллельное соединение резистивных элементов с токоподводящими проводниками обеспечивает невысокую величину тока через контакт с резистивным элементом, тем самым обеспечивая высокую надежность нагревательного элемента. В данном случае повреждение отдельных резистивных элементов практически не приводит к нарушению работоспособности нагревательного элемента.

Технология изготовление токоподводящих проводников нагревательного элемента из графита и керамики позволяет использовать их уникальные свойства, обеспечивающие получение высокопрочных, электропроводных, надежных, высокотемпературных соединений, и создавать гибкие нагреватели, работоспособные при высоких температурах и в агрессивных средах.

Изготовленные по данной технологии гибкие электронагреватели успешно опробованы для сушки древесины, в качестве электроодеяла для человека, накидки для сидений автомобиля, жилета с подогревом, для обогрева масляного фильтра и аккумулятора автомобиля, а также при изготовлении жестких негорючих обогревательных пластин различных размеров.

1. Гибкий электронагреватель, состоящий из двух слоев электроизоляционного основания с расположенным между ними резистивным элементом в виде токопроводящего нагревательного слоя, соединенного с токоподводящими проводниками, у которого каждый токоподводящий проводник выполнен в виде пары полос, наложенных друг на друга и скрепленных между собой, между которыми расположены концы резистивного элемента в виде токопроводящего нагревательного слоя, отличающийся тем, что полосы пары полос каждого токоподводящего проводника скреплены между собой методом пайки, а все слои гибкого нагревательного элемента соединены между собой с помощью клея, нагревом термопластичного материала или прошивкой слоев.

2. Гибкий электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что резистивный элемент в виде токопроводящего нагревательного слоя выполнен из углеродных нитей, жгутов, лент, металлической проволоки.

3. Гибкий электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что полосы токоподводящего проводника выполнены из стали, меди, графита или керамики.

4. Гибкий электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что слои электроизоляционного основания выполнены из термопластичного пленочного материала, негорючей асбестовой стеклоткани, ткани с базальтовыми волокнами или брезента.

5. Гибкий электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что для повышения электроизоляционных, влагозащитных свойств гибкий электронагреватель дополнительно содержит наружные слои из прорезиненной ткани.

6. Гибкий электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что в качестве клея используют не поддерживающие горение эластомеры или минеральные клеевые составы.

7. Гибкий электронагреватель по п.2, отличающийся тем, что углеродные нити, жгуты, ленты, металлическая проволока резистивного элемента в виде токопроводящего нагревательного слоя содержат электроизоляционную оболочку.

8. Гибкий электронагреватель по п.3, отличающийся тем, что токоподводящие проводники дополнительно покрыты слоями изоляционного материала.

9. Способ изготовления резистивного элемента в виде токопроводящего нагревательного слоя с токоподводящими проводниками для гибкого электронагревателя, при котором каждый токоподоводящий проводник изготавливают в виде пары полос, между которыми располагают концы резистивного элемента, отличающийся тем, что затем каждую пару полос скрепляют между собой методом пайки и сжимают, прикладывая давление Р, при этом полосы токоподводящего проводника изготавливают толщиной h=0,1÷3 мм, давление сжатия Р выбирают из интервала 0,1÷40 МПа, а отношение давления сжатия Р к толщине полосы h токоподводящего проводника выбирают из условия

1≤P/h≤40,

где Р - давление сжатия, МПа;

h - толщина полосы токоподводящего проводника, мм.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что резистивный элемент токопроводящего нагревательного слоя выполнен из углеродных нитей, жгутов, лент, металлической проволоки.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что полосы токоподводящего проводника выполнены из стали, меди, графита или керамики.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что углеродные нити, жгуты, ленты, металлическая проволока резистивного элемента в виде токопроводящего нагревательного слоя содержат электроизоляционную оболочку.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что токоподводящие проводники дополнительно покрыты слоями изоляционного материала.