СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛАСТИЧНОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ РЕЗИСТИВНОГО НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ПРОВОДА
METHOD OF MAKING AN ELASTIC ELECTRIC HEATER BASED ON A RESISTIVE HEATING WIRE

Изобретение относится к области электронагрева и может быть использовано при изготовлении эластичных электронагревателей, обладающих низкой теплопотерей за счет плотного прилегания к объекту, предназначенных для обогрева объектов сложной формы.
Можно выделить два основных направления при изготовлении гибких нагревателей: либо путем вплетения токопроводящих нитей в основу (обычно трикотажным кулирным переплетением), либо путем закрепления резистивного нагревающего провода на гибкой основе.
Тканые нагревательные элементы, относящихся к первой группе, обладают повышенной эластичностью по одному направлению за счет свойств трикотажного переплетения (например, авт. свид. СССР №729854, МПК Н05В 3/34 опубликовано 25.04.1980; авт. свид. СССР №909801 МПК Н05В 3/34 опубликовано 28.02.1982; патент RU №2182406 С1 МПК Н05В 3/36 опубликован 10.05.2002; патент RU №2371886 С1 МПК Н05В 3/34 опубликован 27.10.2009; патент RU №2382528 С1 МПК Н05В 3/34 опубликован 20.02.2010). При этом такие нагревательные модули имеют следующие недостатки:
- сложность производства (невозможность использования высокопроизводительного швейного производства);
- невозможность получения электронагревателей сложной формы и обеспечения различной температуры обогрева для различных участков объекта сложной формы, поскольку тканые нагревательные элементы обеспечивают равномерный нагрев по всей поверхности элемента за счет периодичности распределения нагревательных нитей;
Эти недостатки отсутствуют в гибких нагревателях на основе резистивных проводов, т.к. расположение (плотность укладки) провода на основе может варьироваться для достижения необходимой интенсивности обогрева на различных участках нагревателя.
Большинство таких нагревательных модулей, составляющих вторую группу, имеют неэластичную основу, гибкий нетканный материал или ткань, к которой прикрепляют резистивный нагревательный элемент путем пришивания зигзагообразным швом на швейной машине или с помощью клея (например, авт.свид. СССР №421148 МПК Н05В 3/34 опубликовано 25.03.1974; патент RU №2402181 C2 МПК Н05В 3/20 опубликован 10.10.2010; патент RU №25133 U1 МПК H05B 3/34 опубликован 10.09.2002). Однако, недостатком этих методов является неэластичность получаемого гибкого нагревательного модуля, что не позволяет использовать его для изготовления нагревателя, плотно прилегающего к объекту сложной формы.
Таким образом, существующие способы изготовления гибких нагревателей не позволяют одновременно обеспечить эластичность и различную интенсивности обогрева на различных участках нагревателя, кроме того ни один из рассмотренных аналогов не обладает эластичностью по двум направлениям.
Надежное крепление резистивных нагревательных элементов на эластичной основе возможно при временном устранении эластичности основы в процессе закрепления. Известен способ соединения водорастворимых тканого и нетканого материалов для увеличения механической прочности материала основы для создания химического кружева (патент JP 2003129383 А опубликован 08.05.2003) с помощью горячего термоплавкого водорастворимого клеевого состава на основе поливинилового спирта или полиамида с последующим соединением материалов горячим тиснением, иглопробивным или гидродинамическим способом. Недостатками данного способа являются сложные требования к структуре и составу используемых материалов, снижение степени удлинения основы только до 5%, негативное внешнее воздействие на материалы (как механическое, так и температурное) при соединении материалов, а также достаточно высокая температура растворения полученной основы из соединенных таким образом тканого и нетканого материалов.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является гибкий нагревательный элемент (патент RU №2543966 С2 МПК Н05В 3/34 опубликован 10.03.2015) на основе пучка резистивных проволок, выполненного в виде пучка эмалированного резистивного микропровода и армирующих нитей с обвязкой пучка нитью, наклеенного на основу или пришитого к ней на швейной машинке зигзагообразным швом.
Недостатком такого электронагревателя является неэластичность основы; наклеивание нагревательного элемента на эластичную основу не обеспечит достаточной надежности закрепления нагревательного элемента при изгибе и растяжении основы в ходе эксплуатации; метод пришивания нагревательного элемента зигзагообразным швом на швейной машинке без предварительной подготовки основы не применим к эластичной хотя бы одному направлению основе, т.к. будет приводить к чрезмерному растяжению и/или сминанию эластичной ткани при прокалывании иглой, что может послужить причиной пропуска стежков (снижение надежности крепления нагревательного элемента) или вызвать деформацию основы.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение надежного крепления по заданной траектории расположения нагревательного провода на стрейч-ткань, эластичную по двум направлениям (бифлекс), без нарушения эластичности материала основы.
Техническим результатом предлагаемого способа является сохранение эластичности тканевой основы нагревательного элемента по двум направлением при надежном закреплении нагревательного провода.
Технический результат достигается за счет упрочнения поверхности стрейч-ткани типа «бифлекс» наклеиванием на нее водорастворимого бумажного шаблона при пришивании к тканевой основе резистивного нагревательного провода швейной машиной двухукольным зигзагообразным швом посредством высокоманевренной «лапки» с возможностью позиционирования нагревательного провода строго между уколами иглы с последующим удалением водорастворимого шаблона.
Применение бумажного шаблона позволяет получить следующие преимущества:
- повышение поверхностной прочности и изгибной жесткости ткани, что позволяет избежать деформации эластичной тканевой основы при прокалывании иглой и перемещении по рабочему столу швейной машины;
- повышение точности позиционирования нагревательного провода на тканевой основе за счет нанесения на шаблон траектории укладки провода.
Для укрепления тканой основы могут быть использованы шаблоны из различных водорастворимых нетканых материалов, однако применение бумажного шаблона (из бумажной кальки) обеспечивает ряд преимуществ.
Бумажная калька - доступный и дешевый материал, широко применяемый в швейном производстве, на него удобно наносить и выкройки тканой основы заданной формы, и траекторию расположения нагревательного провода любой сложности. Бумажный шаблон обладает хорошей адгезией к разработанному клеевому составу на основе водорастворимых пищевых компонентов, при этом при соединении шаблона с нетканой основой не требуется дополнительное воздействие высоких температур (выше 90°С), недопустимых для стрейч-ткани типа бифлекс.
После соединения клеевым составом тканой основы с бумажным шаблоном достигается жесткая фиксация волокон тканой основы, т.е. полное устранение эластичности материала при сохранении прочности на разрыв при прокалывании иглой (степень удлинения ткани по любому направлению составляет 0%), что позволяет избежать неоднородности стежков машинной строчки и повысить надежность закрепления нагревательного провода.
Бумажный водорастворимый шаблон легко удаляется в режиме деликатной стирки в бытовой стиральной машине при 30°С, что позволяет избежать негативного воздействия на волокна тканой основы (т.к. рекомендуемая температура стирки стрейч-ткани типа «бифлекс» не более 40°С), не повреждая тканую основу и сохраняя все ее первоначальные свойства.
Таким образом, на всех этапах создания гибкого нагревателя по предлагаемому способу сохраняется температурный режим, допустимый для стрейч-ткани типа «бифлекс», отсутствует негативное химическое или физическое воздействие (для соединения шаблона с основой не требуется горячее тиснение, ультразвуковая сварка или предварительная химическая обработка для повышения адгезии) на волокна тканой основы, т.е. сохраняется ее изначальная прочность и эластичность.
Высокоманевренная «лапка» швейной машины предназначена для совместной укладки и пришивания нагревательного провода зигзагообразным швом.
Плавная волнообразная траектория расположения нагревательного провода, исключающая прямые линии, и сохранение эластичности тканой основы после его закрепления позволяют получить гибкий нагревательный элемент, допускающий возможность многократного растяжения по двум направлениям и скручивания без повреждения нагревательного элемента.
За счет упрочнения поверхности стрейч-ткани типа «бифлекс» повышается надежность крепления гибкого нагревательного провода, что позволяет получить нагревательный элемент с высокой механической стойкостью и эластичностью по двум направлениям.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованиям новизны.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 (стрейч-ткань с наклеенным шаблоном), фиг. 2 (процесс пришивания нагревательного провода), фиг. 3 (стрейч-ткань с пришитым нагревательным проводом после удаления шаблона).
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 - стрейч-ткань типа «бифлекс», обладающая эластичностью по двум направлениям;
2 - водорастворимый бумажный шаблон;
3 - траектория укладки нагревательного провода;
4 - места дополнительного закрепления нагревательного провода;
5 - нагревательный провод;
6 - двухукольный зигзагообразный шов;
7 - высокоманевренная «лапка» швейной машины.
Для создания эластичного нагревателя используется основа из текстильной трикотажной ткани, эластичной по двум направлениям, и провод, изготовленный из лавсановых нитей с резистивным напылением металлов.
Для повышения поверхностной прочности стрейч-ткани (позиция 1) и обеспечения плотного прижима лапкой к транспортеру швейной машины без сминания при прокалывании ткани иголкой на поверхность эластичной тканевой основы приклеивается шаблон (позиция 2), изготовленный из водорастворимой бумаги с нулевым коэффициентом растяжения.
Для обеспечения точности позиционирования нагревательного провода на шаблон предварительно наносится траектория укладки провода (позиция 3) и места закрепления провода дополнительными стежками (позиция 4). Шаблон изготавливается при помощи печати на любом плоттере. При использовании данной технологии можно легко варьировать плотностью размещения нагревательного провода на стрейч-ткани при изготовлении единого модульного блока, что позволит обеспечить необходимую температуру обогрева для различных частей нагреваемого объекта.
Подготовленная к этапу пришивания провода стрейч-ткань (позиция 1) с наклеенным водорастворимым бумажным шаблоном (позиция 2) представлена на фиг. 1.
Для склеивания стрейч-ткани с бумажным шаблоном используется водорастворимый, неразрушающий ткань, гипоаллергенный клеевой состав, обладающий хорошими адгезионными свойствами с тканью, на основе пищевых, водорастворимых компонентов (крахмал, сахар). Разработанный клеевой состав легко вымывается водой и безопасен для человека при контакте с кожей, что позволяет использовать полученные эластичные электронагреватели для создания электрообогреваемой одежды, надеваемой непосредственно на тело человека.
После завершения этапа воздушной сушки клеевого соединения стрейч-ткани с бумажным шаблоном при комнатной температуре выполняется нашивка нагревательного провода. Нашивка нагревательного провода (позиция 5) к стрейч-ткани (позиции 1) с наклеенным на нее бумажным шаблоном (позиция 2) в соответствии нанесенной траекторией укладки провода (позиция 3) осуществляется двухукольным зигзагообразным швом (позиция 6) на швейной машине общего назначения с помощью высокоманевренной лапки (позиция 7), предназначенной для укладки и фиксации провода на шаблоне. Процесс пришивания нагревательного провода (позиция 5) к стрейч-ткани (позиция 1) с приклеенным бумажным шаблоном (позиция 2) представлен на фиг. 2.
Удаление клеевого состава и водорастворимого шаблона (позиция 2) с поверхности стрейч-такни (позиция 1) производится методом деликатной стирки в стиральных машинах общего назначения. Стрейч-ткань (позиция 1) с нашитым нагревательным проводом (позиция 5) после удаления водорастворимого шаблона представлена на фиг. 3.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа изготовления эластичного нагревательного элемента на основе стрейч-ткани с резистивным нагревательным проводом заключается в обеспечении надежного крепления нагревательного провода (с заданной траекторией, плотностью размещения и длиной провода) к тканой основе без потери ее эластичности, а также в возможности использования высокопроизводительного швейного производства на основе стандартного оборудования (швейные и стиральные машины общего назначения).
Технический результат: надежное закрепление гибкого резистивного провода на стрейч-ткани типа «бифлекс», позволяющее растягиваться эластичному материалу, не создавая растягивающее усилие нагревательному проводу, что обеспечивает возможность изготовления эластичных нагревателей, плотно прилегающих к обогреваемому объекту сложной формы, что повышает эффективность использования тепловой энергии нагревательного провода.
Данное изобретение можно применять в легкой промышленности для изготовления электронагревателей на основе эластичной ткани, например, для изготовления одежды или защитных чехлов с электрообогревом. При промышленном применении данного способа изготовления гибкого нагревательного элемента требуется только стандартное оборудование (швейные и стиральные машины), нет дополнительных требований к подготовке помещения для швейного производства (нет применения вредных, химически активных веществ).
Новое техническое решение является промышленно воспроизводимым с использованием стандартного швейного оборудования, показало при реализации положительные результаты и характеризуется соответствием критерию «Промышленная применимость», на его создание и использование целесообразно обеспечение защиты исключительных прав патентом.