ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ НАГРЕВА ПРОТОЧНОЙ ВОДЫ

Предполагаемая полезная модель относится к электротермии и может быть использована как нагревательный элемент большой удельной мощности с уменьшенной площадью теплопередачи с плавным выходом на заданную мощность. Например, для подогрева проточной воды в стиральных и посудомоечных машинах, в электрических экспресс чайниках и кофеварках, подогревателях воды для СПА процедур, в проточных нагревателях воды для кухни и ванных и т.д.
Известен нагреватель электрический плоский стальной /Патент РФ №2140134, Н05В 3/62, Н05В 3/68, Н05В 3/10, 1997/, который содержит стальную подложку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным стеклосодержащими слоями, между которыми расположен резистивный слой, отличающийся тем, что в качестве материала резистивного слоя использована толстопленочная паста на основе соединения борида никеля, а в качестве материала изолирующего и защитного слоев использованы порошок или толстопленочная паста на основе кристаллизующихся стекол - ситаллоцемента марки СЭ-3.
Известен нагреватель электрический /Свидетельство на ПМ РФ №67372, Н05В 3/10, Н05В 3/12, Н05В 3/62, 2007/, состоящий из стальной подложки с последовательно размещенными на ней изолирующим, резистивным и электротеплозащитным слоями, при этом резистивный слой имеет электрические разъемы, отличающийся тем, что резистивный слой выполнен в виде спрессованного и спекшегося однородного металлокерамического материала, содержащего пространственно распределенные частицы металлического материала, покрытые тонким слоем керамического материала, керамический материал состоит из композиции карбидов железа и оксидов алюминия, объем тонкого слоя керамического материала в спрессованном и спекшемся однородном металло-керамическом материале составляет от 1 до 20 вес. % от общего веса последнего.
Ближайшим аналогом является нагревательный элемент /Патент РФ на полезную модель №12744 Н01С 7/00 2000 г. /, содержащий стальную подложку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным стеклосодержащими слоями, между которыми расположен резистивный слой, изолирующий слой выполнен из толстопленочной пасты на основе бесщелочного кристаллизирующего стекла, защитный слой выполнен из толстопленочной пасты, которая содержит бесщелочное стекло с керамическим наполнителем, а в качестве материала резистивного слоя использована толстопленочная паста на основе порошка никеля с добавками порошка хрома или нихрома.
Недостатком данных нагревательных элементов является то, что использование их в устройствах подогрева проточной воды сопряжено с большими перепадами температуры. Теплопередающая сторона охлаждается проточной водой, температура которой варьируется в диапазоне от +5 до +100°С, температура самой теплопередающей поверхности в некоторых случаях достигает значения до 350°С. Разница температуры греющего слоя и теплопередающей поверхности у нагревателей изготовленных по толстопленочной технологии, в стационарном режиме, обычно не значительна и не превышает значения 100°С, что существенно их отличает от других типов нагревательных элементов (например, трубчатых нагревательных элементов (ТЭН)). Современные требование к бытовой техники, на текущий момент, требуют новых возможностей от нагревательных элементов, в первую очередь это минимизация габаритных размеров, повышенная удельная мощность и максимальная эффективность. Кроме этого, проточные водонагреватели в основном используются в приборах периодического действия, когда за короткий промежуток времени необходимо нагреть определенное количество воды. В отличие от стационарного режима, в моменты включения-выключения нагревательного элемента градиент температуры между греющим слоем и теплопередающей поверхностью, кратковременно, может достигать значения 300-400°С, так как для того чтобы весь нагревательный элемент нагрелся требуется какой-то промежуток времени зависящий от теплоемкости материалов и коэффициента теплопередачи от теплопередающей поверхности. Так как материалы для такого класса нагревателей подбираются с приблизительно одинаковым термическим коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), то в момент включения при высокой удельной мощности расширение материалов происходит на разные величины, что приводит к появлению микротрещин, и к преждевременному выходу их из строя. Чтобы избежать данных дефектов в работе приходится или снижать удельную мощность или увеличивать площадь нагревательного элемента. Что в свою очередь приводит к увеличению габаритных размеров самих приборов и увеличению стоимости нагревательных элементов.
Задачей предполагаемой полезной модели является создание не дорогого в изготовлении толстопленочного нагревательного элемента с плавным выходом на заданную мощность и с уменьшенной площадью теплопередачи.
3
Поставленная задача достигается тем, что в толстопленочном нагревательном элементе, содержащем стальную подложку с последовательно размещенными на ней изолирующим, резистивным и защитным слоями, он дополнительно содержит проводниковый слой между резистивным и защитным слоями, выполненный из низкоомной пасты, изготовленной на основе ультрадисперсного порошка борида никеля (NiB), в виде параллельных дорожек, равноудаленных друг от друга, или параллельных дорожек с разным удалением друг от друга и соединенных через один, причем с противоположных сторон в местах соединения дорожек припаяны токоподводящие провода пастой аналогичного состава.
Резистивный слой выполнен сплошным нанесением, а его омическое сопротивление задано расстоянием между проводниковыми дорожками.
-6
-1
Резистивный слой выполнен из пасты с отрицательным коэффициентом термического сопротивления, величина которого может изменяться дополнительной термообработкой в диапазоне от -100 до -10⋅10 К.
Общий вид устройства показан на Фиг. 1.
где 1 - стальная подложка, 2 - изолирующий слой, 3 - резистивный слой, 4 - проводниковый слой, 5 - токоподводящие провода, 6 - защитный слой.
Нагревательный элемент изготавливают следующим образом:
На предварительно подготовленную поверхность 1 из нержавеющей стали марки AiSi 430 или другую сталь с аналогичным термическим коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) наносят диэлектрическую пасту 2 методом трафаретной печати. Диэлектрическая паста состоит из диэлектрического стекла марки С52-1 (состав стекла приведен в таблице 1) и наполнителя из алюмооксидной керамики в соотношении 70 мас. % - С52-1; 30 мас. % - наполнитель в органическом связующем. Диэлектрическую пасту наносят в 3-4 слоя, каждый слой подвергают сушке при температуре 150-160°С в течении 15-20 мин. и вжиганию в конвейерной печи при температуре 800-820°С в течении 40-45 мин.
3
3
Затем аналогичным способом наносят резистивный слой 3 из резистивной пасты, в которой проводниковым элементом является суспензия ультрадисперсных порошков борида никеля (NiB) и борида хрома (CrB) и стекла в органическом связующем на основе ланолина марки ПРН 1.7. Паста готовится в соотношении: 40 мас. % - NiB; 30 мас. % - СгВ; 30 мас. % - стекло марки С52-1, для корректировки свойств пасты в ее состав в процессе приготовления вводят добавки: Si, Mo, ZnO.
s
-6
-1
-6
-1
Резистивную пасту наносят в 2 слоя, для увеличения площади теплопередачи нанесение осуществляется сплошным слоем, каждый слой подвергают сушке при температуре 250-300°С в течении 15-20 мин., после этого оба слоя одновременно вжигаются в конвейерной печи при температуре 780-800°С в течении 35-40 мин. После процедуры вжигания получается резистивный слой с удельным сопротивлением ρ=6000 Ом/квадрат, с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) с величиной -10*10 К. Для изменения значения ТКС резистивный слой подвергается дополнительной термообработке при температуре 820°С, в зависимости от времени термообработки ТКС меняется до значения -100*10 К, время термообработки варьируется от 20 до 90 мин., при термообработке более 90 мин. ТКС больше не меняется.
3
3
Затем аналогичным способом наносят проводниковый слой 4, проводниковый слой выполнен из низкоомной пасты, изготовленной на основе ультрадисперсного порошка борида никеля (NiВ), и стекла в органическом связующем на основе ланолина марки ПРН 1.7. в соотношении: 85 мас. % - NiB; 5 мас. % - Сг; 10 мас. % - стекло марки С52-1 в виде параллельных дорожек равноудаленных друг от друга или параллельных дорожек с разным удалением друг от друга и соединенных через один с противоположных сторон, в местах соединения дорожек припаиваются токоподводящие провода 5 пастой аналогичного состава. При равноудаленных дорожках выделяемая мощность нагревательного элемента одинакова по всей поверхности, а с разным удалением может меняться в зависимости от способа применения. Проводниковую пасту наносят в 2 слоя, каждый слой подвергают сушке при температуре 250-300°С в течении 15-20 мин., после этого оба слоя одновременно вжигаются в конвейерной печи при температуре 770-780°С в течении 45-50 мин.
После этого наносится защитный слой 6 пастой аналогичного состава, из которого делался диэлектрический слой. Диэлектрическую пасту наносят в 2 слоя, каждый слой подвергают сушке при температуре 150-160°С в течении 15-20 мин., после этого оба слоя одновременно вжигаются в конвейерной печи при температуре 750-770°С в течении 45-50 мин.
В предлагаемом толстопленочном нагревательном элементе греющий слой равномерно распределен по поверхности стальной подложки с максимально возможной площадью, что позволяет его использовать на большую удельную мощность с уменьшенной площадью теплопередачи по сравнению с другими нагревательными элементами. Кроме этого, резистивный слой изготовлен из пасты с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, который обеспечивает плавный выход на заданную мощность в момент включения нагревательного элемента, тем самым снизить градиент температуры между греющим слоем и теплопередающей поверхностью, тем самым увеличить надежность работы нагревательного элемента. Использование проводникового слоя в виде параллельных дорожек равноудаленных друг от друга или параллельных дорожек с разным удалением друг от друга позволяет регулировать выделяемую мощность по площади всего нагревательного элемента. При равноудаленных дорожках выделяемая мощность нагревательного элемента одинакова по всей поверхности, а с разным удалением может меняться в зависимости от способа применения. Например, для подогрева проточной воды в устройствах для СПА процедур требуется поддерживать равномерный температурный режим, перепад температуры не значителен, поэтому выделяемая мощность на нагревательном элементе должна быть одинакова, а для электрических экспресс чайников, когда входящая температура воды отличается от выходящей на 80°С, то нагревательный элемент будет работать с большей эффективностью, если выделяемая мощность по ходу движения воды будет снижаться.
Технический результат - повышение эффективности за счет создания не дорогого в изготовлении толстопленочного нагревательного элемента с плавным выходом на заданную мощность и с уменьшенной площадью теплопередачи.