ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к плоским электронагревателям излучающего типа, в частности к тонкопленочным электронагревателям, предназначенным для обогрева малообъемных помещений в автомобилях, различных обитаемых аппаратах: летательных, космических, подводных, медицинских, обогрева скафандров и одежды для экстремальных ситуаций, а также в качестве базы для создания систем лучистого отопления производственных и жилых помещений, для систем обогрева молодняка животных и птиц, инфракрасных излучателей для сушки лакокрасочных покрытий.
Известен «Тонкопленочный гибкий электронагреватель» (см. патент RU №2379857, Н05В 3/18, опубл. 20.01.2010 г.), являющийся аналогом заявляемого устройства.
Известное устройство содержит резистивный элемент, расположенный между двумя термостойкими электроизоляционными пленками и снабженный токоотводящими выводами, при этом резистивный элемент выполнен в виде полимерной пленки с металлизированным покрытием.
Недостатком известного тонкопленочного электронагревателя является низкая надежность металлизированного покрытия, а именно:
1) при зигзагообразной форме металлизированного покрытия любой его дефект, сравнимый по размерам с шириной полосы, приводит к разрушению слоя металлизированного покрытия, т.е. к снижению надежности,
2) покрытие толщиной 3 мкм и более, необходимое для получения требуемой мощности нагревателя, неустойчиво к деформации изгиба, что приводит к снижению его надежности.
Наиболее близким к заявляемому устройству является «Пленочный электронагреватель», (см. патент RU №100353 U1, Н05В 3/36, опубл. 10.12.2010).
Известный пленочный электронагреватель включает резистивный нагревающий и излучающий элемент, расположенный между двумя внешними гибкими термостойкими электроизоляционными пленками и снабженный выводами для подключения к электрической сети, в котором в качестве резистивного нагревающего и излучающего элемента используют термостойкую электроизоляционную пленку с нанесенным на ее поверхность путем резистивного напыления в вакууме слоем резистивного материала - нихрома толщиной, определяемой в зависимости от удельной мощности и длины электронагревателя, при этом выводы для подключения электрической сети к резистивному нагревающему и излучающему элементу присоединены к плоским контактам, выполненным из материала с низким сопротивлением и примыкающим к поверхности слоя резистивного материала.
Недостатком известного устройства является низкая надежность системы подведения электрического тока к слою резистивного материала из-за механического прилегания плоских контактов к слою резистивного материала. При такой конструкции электронагревателя возможно образование воздушных полостей в месте неплотного прилегания контакта из фольги к слою резистивного материала, что приводит к возникновению электрических дуг, и, как следствие, к разрушению слоя резистивного материала.
Кроме того, ток, следуя по пути наименьшего сопротивления, переходит с плоских контактов из фольги на резистивный слой в очень узкой области на краю контактов, при этом в области перехода плотность тока возрастает, что также приводит к перегреву и разрушению резистивного слоя.
Целью изобретения является повышение надежности электронагревателя.
Поставленная цель достигается тем, что в тонкопленочном электронагревателе, содержащем резистивный элемент, расположенный между двумя термостойкими электроизоляционными пленками и снабженный выводами для подключения к электрической сети, причем в качестве резистивного элемента используют полимерную пленку с токопроводящим покрытием в виде наноразмерного слоя, а выводы для подключения к электрической сети присоединены к контактам, согласно полезной модели, контакты выполнены в виде гребенки, нанесенной по всей ширине токопроводящего покрытия из материала, обладающего адгезией к токопроводящему покрытию.
При этом толщину токопроводящего покрытия определяют в зависимости от заданной удельной мощности и длины электронагревателя, наносят магнетронным напылением в вакууме, а контакты наносят напылением в вакууме, методами гальваники, трибогальваники или нанесением токопроводящей пасты.
Выполнение контактов в виде гребенки, нанесенной по всей ширине наноразмерного слоя, позволяет увеличить длину, следовательно, и площадь области перехода тока с контакта на токопроводящее покрытие, уменьшить плотность тока в области перехода, создать надежную систему подведения электрического тока к токопроводящему покрытию даже при механическом нарушении части площади контактов.
Выполнение контактов из материала, обладающего адгезией к токопроводящему покрытию, исключает возможность возникновения воздушного зазора в месте контакта и образования электрической дуги и, следовательно, повышает надежность устройства.
В сравнении с прототипом заявляемое техническое решение обладает новизной, отличаясь от него существенными признаками, а именно: использованием в конструкции нагревателя контактов в виде гребенки из материала, обладающего адгезией к токопроводящему слою с достижением положительного эффекта - повышением надежности электронагревателя.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
На фиг.1 - общий вид устройства.
На фиг.2 - сечение А-А устройства.
Тонкопленочный электронагреватель содержит резистивный элемент 1 (см. фиг.1), расположенный между двумя термостойкими электроизоляционными пленками 2-1, 2-2 (см. фиг.1, 2,) и снабженный выводами 3-1, 3-2 (см. фиг.1) для подключения электрической сети, причем в качестве резистивного элемента 1 используют полимерную пленку 4 (см. фиг.2) с токопроводящим покрытием 5 (см. фиг.1, 2) в виде наноразмерного слоя. Выводы 3-1, 3-2 подключения к электрической сети присоединены к контактам 6-1, 6-2 (см. фиг.1), выполненным в виде гребенки, нанесенной по всей ширине наноразмерного слоя из материала, обладающего адгезией к токопроводящему покрытию 5.
Назначение и выполнение деталей заявляемого устройства следующее. В качестве резистивного элемента 1 используют полимерную пленку 4 с нанесенным на всю ее поверхность слоем токопроводящего покрытия 5, выполненного например, из нихрома, титана, нержавеющей стали, оксида индия-олова, нитрида титана и др. материалов. Токопроводящее покрытие 5 наносят на полимерную пленку 4 методом магнетронного напыления. При магнетронном напылении получаемое покрытие 5 обладает высокой адгезией, так как осаждаемые атомы металла достигают подложки в виде ионов. Метод магнетронного напыления позволяет наносить покрытия без значительного нагрева (до 80 C), точно контролируя толщину нанесенного наноразмерного слоя. При этом токопроводящее покрытие 5 имеет одинаковую толщину по всей поверхности резистивного элемента 1. Процесс нанесения токопроводящего покрытия 5 осуществляют на установке магнетронного напыления ВУ-700.
Толщину токопроводящего покрытия 5 определяют в зависимости от величины питающего напряжения и требуемой удельной мощности нагревателя по формуле:
H=Pρ(L/U)2 (1)
где H - толщина резистивного покрытия,
P - удельная мощность электронагревателя, то есть мощность, выделяемая единицей площади электронагревателя,
ρ - удельное сопротивление материала токопроводящего покрытия, L - длина электронагревателя,
U - питающее напряжение.
Применяя материалы с требуемым значением удельного сопротивления, возможно, ограничить диапазон толщин токопроводящего покрытия в интервале 5-100 нм, что упрощает и удешевляет технологию нанесения токопроводящего покрытия по сравнению с прототипом.
Контакты 6-1, 6-2 выполнены в виде гребенки, нанесенной по всей ширине токопроводящего покрытия 5 из материала, обладающего адгезией к нему. В качестве материала для контактов 6-1, 6-2 выбирают: медь, золото, серебро, никель, алюминий, токопроводящие пасты. Контакты 6-1, 6-2 наносят методами: напылением в вакууме, гальваники, трибогальваники, а также токопроводящей пастой методом шелкографии.
Примеры конкретного выполнения тонкопленочного электронагревателя для использования в различных условиях.
2
Пример 1. Тонкопленочный электронагреватель для лучистого отопления производственных и жилых помещений. Напряжение электрической сети 220 В, требуемая удельная мощность - 180 Вт/м, длина нагревателя - 4,2 м. Две термостойкие электроизоляционные пленки 2-1, 2-2 выполнены из полиэтилентерефталата (ПЭТ) толщиной 0,125 мм, шириной 330 мм, длиной 4,2 м. Полимерная пленка 4 выполнена из ПЭТ толщиной 0,035 мм, шириной 305 мм, длиной 4 м. Толщина токопроводящего покрытия 5 из нержавеющей стали, рассчитанная по формуле (1), составляет 7,7 нм.
2
Пример 2. Тонкопленочный электронагреватель для лучистого отопления обогрева молодняка животных и птиц. Напряжение электрической сети 36 В, требуемая удельная мощность - 135 Вт/м, длина нагревателя - 1 м. Две внешние термостойкие электроизоляционные пленки 2-1, 2-2 выполнены из ПЭТ толщиной 0,75 мм, шириной 330 мм, длиной 1 м. Полимерная пленка 4 выполнена из ПЭТ толщиной 0,035 мм, шириной 305 мм, длиной 0,9 м. Толщина токопроводящего покрытия 5 из нихрома, рассчитанная по формуле (1), составляет 93 нм.
Тонкопленочный электронагреватель работает следующим образом. Резистивный элемент 1 устанавливают в обогреваемое помещение. Подключают выводы 3-1, 3-2 к электрической сети. При прохождении электрического тока через слой токопроводящего покрытия 5 происходит равномерный нагрев всей его поверхности и, соответственно, обогрев помещения. При достижении требуемой температуры в обогреваемом помещении отключают резистивный элемент 1 от электрической сети.
В сравнении с прототипом заявляемая полезная модель, обладает высокой надежностью, позволяет упростить технологию изготовления и снизить себестоимость электронагревателя за счет использования в качестве токопроводящего покрытия наноразмерного слоя, расширить область применения электронагревателя за счет использования токопроводящего покрытия из материалов с различным значением удельного сопротивления.