КЕРАМИКО-УГЛЕРОДНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
CERAMIC-CARBON HEATING ELEMENT

Изобретение относится к электронагревательным приборам, в частности к конфоркам электроплит, и может быть использовано в бытовой технике.
Известна конфорка электроплиты (а.с. SU №1268891, МПК F24C 7/00, F24C 7/04, опубл. 07.11.1986), содержащая нагревательную камеру с каналом для циркуляции нагретого воздуха, нагреватель, опору для теплоприемника, вентилятор, а также заслонку. Опора выполнена перфорированной в форме усеченного конуса, обращенного основанием вверх и установленного в нагревательной камере с зазором относительно ее боковой стенки. При этом нагреватель размещен в нижней части опоры.
Известна электроконфорка (а.с. SU №1813996, МПК F24C 15/10, опубл. 07.05.1993), содержащая опору для теплоприемника с вставкой из теплопроводного материала.
Известна электрическая конфорка (а.с. РФ №6295, МПК Н05 В 3/68, опубл. 16.03.1998), содержащая основание со сплошной рабочей поверхностью, выполненное из композиционного материала, а также установленные под ним электрический нагреватель, теплоизолятор и корпус, между основанием и электрическим нагревателем без зазора установлена пластина из керамики с высокой теплопроводностью.
Известна электрическая конфорка (патент РФ №2056701, МПК Н05В 3/68, F24C 7/08, опубл. 20.03.1996), содержащая настил с размещенным под ним электронагревателем, причем настил выполнен в виде оболочки, внутри которой размещен гофрированный ленточный элемент, поставленный ребром, образующий конвективные каналы.
Известен электронагреватель (патент РФ №2117219, МПК F24C 7/00, опубл. 10.08.1998), содержащий теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент инфракрасного (ИК) излучения, керамическое стекло, выполненное в форме нагревательного элемента, а теплоизолирующий корпус нагревательного элемента выполнен с отбортовкой кромок и установлен на выступы корпуса электроплиты.
Известен нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов (патент РФ №2074527, МПК Н05В 3/68, опубл. 27.02.1997), ближайший по технической сущности и принятый за прототип, содержащий основание, верхняя сторона которой является рабочей поверхностью, а на нижнюю сторону нанесены слой электроизоляционной эмали, толстопленочная резистивная дорожка, выполненная в виде по меньшей мере одной спирали с переменным шагом с контактными площадками по концам, слой электроизоляции и теплозащитный слой, при этом на поверхности основания образованы внешняя, средняя и внутренняя зоны нагрева.
Однако известные устройства базируются на резистивном методе нагрева за счет нихромовой спирали, обладают вредным излучением в широком диапазоне инфракрасного спектра, способны оказывать негативное воздействие на организм человека, а также стимулировать развитие и прогрессирование болезней, одним из противопоказаний для которых является излучаемое в помещение тепло, способствующее прогрессированию внутренних воспалительных заболеваний.
Отличием заявленного устройства от аналогов является отсутствие такого излучения и способность производить тепловую энергию в биодиапазоне 5-15 мкм, благоприятном для состояния здоровья человека.
Кроме того, в предлагаемом изобретении применяются экологически чистые керамические материалы особой структуры с осуществлением резистивного нагрева углеродной спирали, излучение которой фильтруется избирательными свойствами керамики.
Близким аналогом изобретения по характеру излучения является аппарат WaSER LET - керамико-углеродный инфракрасный генератор. Такой генератор производит инфракрасное излучение в более узком диапазоне частот 8,6-9,0 мкм благодаря особой внутренней структуре рабочего тела трубчатого керамического блока. Работа WaSER LET основана на способе усиления инфракрасного излучения специальной керамикой под воздействием углеродного ИК-излучения указанного диапазона.
Отличительной особенностью керамико-углеродного нагревательного элемента от данного аналога является ее конструкция, адаптированная под электроплиту, назначение, а также более широкий спектр испускаемого излучения. Последнее объясняется тем, что функционально керамико-углеродный нагревательный элемент предназначен, в первую очередь, для приготовления пищи и ликвидации негативного воздействия конфорочного ИК-излучения на человека. С возложенной на себя задачей керамико-углеродный нагревательный элемент эффективно справляется именно при диапазоне излучения 5-15 мкм.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является пропускание от углеродной спирали тепловой энергии в виде инфракрасного излучения заданного диапазона на рабочую поверхность электроплит.
Техническим результатом изобретения является безопасный высокоэффективный подогрев рабочей части электроплит с одновременным устранением вредного теплового излучения в широком диапазоне длин волн инфракрасного излучения (пагубно воздействующего на организм человека и приводящего к ряду сложных заболеваний), благодаря использованию узкого спектра ИК-излучения 5-15 мкм. Пик такого спектра перекрывает биодиапазон излучения тела человека (8,6-9,3 мкм) и благоприятно влияет на его самочувствие.
Технический результат достигается тем, что в керамико-углеродном нагревательном элементе, состоящем из подложки, на которой установлена спираль с контактными площадками на концах, соединенными с гибкими выводами нагревательного элемента, нанесенным сверху диэлектрическим защитным слоем, новым является то, что подложка выполнена керамической из тугоплавкой монтмориллонитовой глины, спираль - углеродной, в качестве которой может быть нить, токопроводящая паста или токопроводящее углеродосодержащее покрытие, и посажена в бороздки.
Бороздки имеют глубину 1 мм.
Углеродная спираль выполнена с переменным шагом и разной шириной витков по длине.
Форма керамической подложки может быть круглой или прямоугольной.
Толщина керамической подложки составляет 10-12 мм.
Таким образом, заявленное изобретение направлено на создание экологически чистого и экономичного устройства по преобразованию электроэнергии в инфракрасное излучение.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-3.
На фиг.1 представлен керамико-углеродный нагревательный элемент круглой формы (вид сверху).
На фиг.2 представлен керамико-углеродный нагревательный элемент прямоугольной формы (вид сверху).
На фиг.3 представлен керамико-углеродный нагревательный элемент (вид сбоку).
Керамико-углеродный нагревательный элемент состоит из керамической подложки 1, на которой установлен токопроводящий керамико-углеродный элемент (углеродная спираль) 2 с контактными площадками 3 на концах, соединенными с гибкими выводами 4, залитый сверху защитным слоем 5 из стеклокерамики, толщиной до 1 мм.
В качестве углеродной спирали 2 могут быть нить, токопроводящая паста или токопроводящий углеродосодержащее покрытие.
Углеродная спираль 2 посажена в бороздки глубиной 1 мм.
Углеродная спираль 2 выполнена с переменным шагом и разной шириной витков по длине. Форма керамической подложки 1 может быть круглой или прямоугольной. Толщина керамической подложки 1 составляет 10-12 мм. Концы углеродной спирали 2 могут сходиться в середине керамико-углеродного нагревательного элемента или у его края.
Сверху керамико-углеродный нагревательный элемент покрыт диэлектрическим защитным слоем 5 из стеклокерамики.
Работает устройство следующим образом.
Посредством подачи тока на углеродную спираль 2, установленную на керамической подложке 1, через гибкие выводы 4 происходит разогрев углеродной спирали 2 и распространяется тепло, которое далее передается на рабочую поверхность. Тепловая энергия выделяется в виде инфракрасного излучения заданного диапазона.
Диэлектрический защитный слой при этом равномерно распределяет температуру по поверхности.
В результате увеличивается коэффициент полезного действия нагревательного элемента и, как следствие, происходит экономия электроэнергии.
Основным материалом для изготовления керамической подложки 1 является тугоплавкая монтмориллонитовая глина. Данный материал выбран по причине комплекса его уникальных свойств - высокой пластичности, спекаемости, огнеупорности и способности керамики усиливать и фильтровать инфракрасное излучение.
Используемые в технике нагревательные элементы различного назначения выделяют тепловую энергию с большой интенсивностью и сдвигом пика излучения в область более коротких волн. Естественным природным фильтром для обеспечения излучения инфракрасных волн в оптимальном диапазоне (5-15 мкм) является керамика, которая в данном изделии служит футляром нагревательного элемента - углеродной спирали.
Оптимальное соотношение компонентов, входящих в состав исходного сырья, для изготовления моноблока (керамической подложки 1), а также дополнительная их обработка согласно технологическому процессу изготовления керамического моноблока, позволило получить уникальные сочетание свойств готового изделия.
Все материалы, входящие в состав керамико-углеродного нагревательного элемента, являются экологически чистыми, а расчетные температурные и электротехнические режимы не позволяют получать вредные для человека эффекты.
Излучение в заданном диапазоне достигается путем подбора физико-химического состава компонентов (керамической подложки 1, углеродной спирали 2, диэлектрического защитного слоя 5 из стеклокерамики) с одинаковыми длинами волн собственных внутренних колебаний и для всех материалов, используемых в изготовлении.
Диэлектрический защитный слой 5 предназначен для герметизации нагревательных элементов от попадания кислорода, он обладает свойствами - диэлектрик, выдерживает температуры до 800°C, обладает механической прочностью достаточной для использования в подобных приборах, а также высокой теплопроводностью. Слой однороден по всей поверхности.
Заявленный технический результат достигается за счет герметизации нагревательных элементов и прохождения теплового потока через керамическую подложку 1 и прокладку, являющейся диэлектрическим защитным слоем 5, которые хорошо пропускают тепловое излучение в полезном диапазоне 5-15 мкм и задерживают вредные диапазоны, являясь фильтром и в то же время концентратором тепла.
Эффективность подогрева повышается за счет суммирования тепловых потоков: теплопередачи, инфракрасного излучения, дополнительного теплового потока, возникающего вместо потерь на электромагнитные наводки в металлических проводниках, и за счет теплового резонанса, который возникает при применении материалов с одинаковой длиной волны собственных колебаний.
Изготовление керамико-углеродного нагревательного элемента происходит в вакууме, что позволяет выдержать все температурные режимы.
Использование углеродного нагревательного элемента в защитной среде, позволяет ему работать при температуре до 3000°C, что повышает прочность заявляемого устройства до пяти раз.
Экспериментальные исследования предлагаемого устройства, подтвержденные актом испытаний, показали, что по сравнению с устройствами аналогичного назначения, предлагаемое устройство обладает лучшими техническими характеристиками, а именно:
предложенная топология расположения углеродной спирали 2 позволяет более рационально использовать зоны нагрева;
нанесение защитного диэлектрического слоя 5 способствует равномерному распределению тепла по поверхности нагревательного элемента;
изготовление керамической подложки 1 из тугоплавкой монтмориллонитовой глины обеспечивает экологичность устройства, а соединение керамической подложки 1 из монтмориллонитовой глины с углеродной спиралью 2 и нанесение поверх их защитного слоя из стеклокерамики позволяет обеспечить заданный диапазон длин волн в инфракрасном спектре, тем самым устраняя вредное излучение на организм человека;
применение природного материала в сочетании с недорогими технологическими приемами с целью улучшения его качественных показателей позволяет создать экологически чистое и экономное устройство по преобразовании электроэнергии в инфракрасное излучение.
Все перечисленные преимущества предлагаемого решения в целом позволяют повысить коэффициент полезного действия (КПД) нагревательного элемента, снизить потребление электроэнергии, тем самым повысить экономичность устройства.