ПЛЕНОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области электротермии, в частности к плоским гибким электронагревателям излучающего типа, применяемым для обогрева бытовых, хозяйственных и производственных помещений, а также как элементы систем удаления влаги, антиобледенения и сушки различных покрытий.
Известна электрическая нагревательная лента (US 6, 353, 707, кл. Н05В 3/34, Н05В 3/22, Н05В 3/26, Н05В 3/28, Н05В 003/00, приоритет 09.01.1998 г.), включающая непосредственно гибкую резистивную ленту со множеством секций электропроводящих покрытий, нанесенных на резистивную ленту через заданные интервалы, а также контактные разъемы для подключения ее к источнику питания. Нагревательная лента, имеющая высокое удельное сопротивление, изолирована с обеих сторон и присоединена к жесткой или гибкой плоской базовой панели.
Выполнение нагревательной ленты из материала с высоким удельным сопротивлением приводит к чрезмерному повышению ее электрического сопротивления при изготовлении ее малого сечения (порядка нескольких мкм). Кроме того, с неизбежным нагреванием ленты в процессе эксплуатации, ее электрическое сопротивление также увеличивается, что может привести к порче электронагревателя, плавлению электроизоляционных слоев и замыканию нагревательной ленты на металлическую основу.
В качестве ближайшего аналога для пленочного электронагревателя по первому варианту принят пленочный электронагреватель (RU 84660, кл. Н05В 3/36, опубл. 10.07.2009 г.), содержащий резистивный нагревающий и излучающий элемент меандровой формы в виде непрерывной ленты из фольги прецизионного токопроводящего материала и излучающий элемент из алюминиевой фольги, размещенные между двух слоев гибкой электроизоляционной пленки. Резистивный нагревающий и излучающий элемент, снабженный выводами для подключения к электрической сети, и излучающий элемент разделены слоем дополнительной гибкой электроизоляционной пленки.
Прецизионные сплавы преимущественно обладают высоким удельным сопротивлением, что как и у аналога приводит к чрезмерному повышению электросопротивления резистивного элемента при малых геометрических размерах его поперечного сечения.
В качестве ближайшего аналога для пленочного электронагревателя по второму варианту принят пленочный электронагреватель (RU №2088047, кл. Н05В 3/18, Н05В 3/36, опубл. 20.08.1997 г.), содержащий два слоя гибкой электроизоляционной пленки, между которыми размещен резистивный излучающий элемент, имеющий в плане меандровую форму, выполненный из аморфного сплава металлов или переходных металлов с металлоидами. Толщина резистивного излучающего элемента сведена к минимуму.
Аморфные сплавы металлов характеризуются низкой термической и недостаточной временной стабильностью: при нагревании до температуры плавления и последующем охлаждении у сплава снова появляется кристаллическая структура.
Так в процессе эксплуатации при перепадах напряжения электрической сети температура резистивного элемента электронагревателя может достигать +80°С, при последующем охлаждении аморфный металл резистивного элемента кристаллизуется, следовательно, повышается его удельное сопротивление.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении КПД электронагревателя за счет увеличения излучающей способности резистивного нагревающего элемента, и снижении его себестоимости.
-6
Решение поставленной задачи в пленочном электронагревателе по первому варианту, содержащем два слоя гибкой электроизоляционной пленки, между которыми размещен резистивный нагревающий элемент, имеющий в плане меандровую форму, и снабженный выводами для подключения к электрической сети, и излучающий элемент, разделенные слоем гибкой электроизоляционной пленки, достигается выполнением резистивного нагревающего элемента толщиной от 8 до 20 мкм и применением в качестве материала резистивного нагревающего элемента металлов или их сплавов с удельным электрическим сопротивлением от 0,7 до 0,85·10 Ом·м.
-6
Решение поставленной задачи в пленочном электронагревателе по второму варианту, содержащем два слоя гибкой электроизоляционной пленки, между которыми размещен резистивный нагревающий элемент, имеющий в плане меандровую форму, и снабженный выводами для подключения к электрической сети, достигается выполнением резистивного нагревающего элемента толщиной от 8 до 20 мкм и применением в качестве материала резистивного нагревающего элемента металлов или их сплавов с удельным электрическим сопротивлением от 0,7 до 0,85·10 Ом·м.
При этом резистивный нагревающий элемент по каждому из вариантов может быть выполнен в виде параллельных полос, соединенных последовательно путем их г-образного загиба в сторону следующей полосы поочередно с одной и с другой стороны или в виде непрерывной полосы с образованием меандровой формы, а также в виде параллельных полос, соединенных последовательно перемычками поочередно с одной и другой стороны.
Как было указано выше, электрическое сопротивление проводника прямопропорционально зависит от его геометрических размеров, чем меньше поперечное сечение проводника при его постоянной длине, тем больше его электрическое сопротивление. Таким образом, при необходимости получить большее электрическое сопротивление проводника протекающему току, и как следствие, больший нагрев проводника и большую излучательную способность, необходимо уменьшить поперечное сечение проводника, что в свою очередь приведет при заданном техническими условиями сопротивлении проводника к необходимости выбора материала резистивного элемента с меньшим удельным сопротивлением.
-6
Указанный диапазон удельного электрического сопротивления материала р=0,7…0,85·10 Ом·м, из которого изготовлен резистивный нагревающий элемент, определяет его как материал с малым удельным сопротивлением, который при малом поперечном сечении оказывает высокое электрическое сопротивление проходящему току, достаточное для получения излучающегося потока требуемой мощности. При этом ток, протекающий по резистивному нагревающему элементу, в соответствии с законом Ома будет меньше. Меньшее потребление тока приводит к меньшим энергозатратам при эксплуатации пленочного электронагревателя, что обуславливает экономичность его использования, повышает КПД.
-6
Практическими испытаниями установлено, что при указанной толщине резистивного нагревающего элемента от 8 до 20 мкм, материалом которого являются металлы или их сплавы с низким содержанием хрома и никеля малого удельного сопротивления р=0,7…0,85·10 Ом·м, достигается оптимальной режим рабочей температуры резистивного элемента +40…+50°С при подключении его к электрической сети напряжением 220 В. Ширина резистивного элемента до 1 см, длина резистивного элемента порядка 20-30 м, при этом значение протекающего по резистивному элементу электрического тока не превышает 1 А. При указанном оптимальном тепловом режиме работы пленочного электронагревателя достигается получение теплового потока наибольшей интенсивности.
Величина тока, протекающего по резистивному нагревающему элементу, в пределах 1 А создает электромагнитное поле, не превышающее магнитное поле земли и не оказывающее вредного влияния на организм человека. При толщине резистивного нагревающего элемента более 20 мкм величина электрического тока превышает 1 А, что значительно увеличивает энергию магнитного поля, отрицательно влияющую на организм человека. При толщине резистивного нагревающего элемента менее 8 мкм не обеспечивается его достаточная прочность, гибкость. Кроме того, с учетом получения электрического сопротивления установленного значения длина резистивного нагревающего элемента уменьшается, следовательно, уменьшаются габариты электронагревателя, что приводит к снижению площади излучения пленочного электронагревателя, и как следствие к снижению его КПД.
Известно, что стоимость материалов с малым удельным сопротивлением значительно меньше стоимости материалов с высоким удельным сопротивлением, таких как хромаль, нихром, поэтому целесообразнее и экономически выгоднее применять в качестве материала резистивного нагревающего элемента более дешевые материалы с меньшим удельным сопротивлением малой толщины.
Указанные в формуле диапазоны толщины полос резистивного нагревающего элемента и удельного сопротивления обусловлены рациональным использованием материала резистивного элемента с получением высокого КПД электронагревателя при меньших материалозатратах.
-6
2
Так при необходимости получить электрическое сопротивление равное 15 Ом на 1 метре резистивного нагревающего элемента, при изготовлении резистивного элемента из сплава металлов с удельным сопротивлением 0,8·10 Ом·м, расчетное поперечное сечение полосы резистивного элемента получаем 0,05333 мм. Таким образом, при толщине полосы резистивного элемента 0,02 мм, его ширина должна составлять 2,67 мм.
-6
В том случае, если данное сопротивление 15 Ом на 1 метре длины полосы резистивного элемента надо получить при изготовлении ее из хромали с удельным сопротивлением 1,3·10 Ом·м, при той же толщине полосы, ее расчетная ширина составит 4,35 мм. Таким образом, масса резистивного элемента, изготовленного из хромали, будет больше, чем масса резистивного элемента, изготовленного из сплава стали, в 1,62 раза, при одинаковом обеспечении ими сопротивления 15 Ом, а следовательно удельной мощности, на 1 метр длины полосы.
К тому же, если применять резистивные элементы, выполненные из нихрома и легированной стали (с указанным удельным сопротивлением), одинакового поперечного сечения, то для получения одинакового сопротивления, длина резистивного элемента из нихрома будет меньше примерно в два раза длины резистивного элемента из легированной стали. Следовательно, если резистивный элемент полученной длины разместить на полотне электронагревателя стандартного размера, например, 0,5×1 м, то плотность резистивного элемента из легированной стали на квадратном метре, будет выше, чем плотность резистивного элемента из нихрома, следовательно, излучающая способность и КПД такого электронагревателя из легированной стали будет в 2 раза выше.
Сущность полезной модели поясняется чертежами: на фиг.1 - общий вид пленочного электронагревателя и поперечный разрез полотна по первому варианту, на фиг.2 -общий вид пленочного электронагревателя и поперечный разрез полотна по второму варианту.
-6
Пленочный электронагреватель по первому варианту содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 электроизоляционные пленки, выполненные из термостойкого полимерного материала, например, лавсана, между которыми размещен резистивный нагревающий элемент 3 и излучающий элемент 4, разделенные слоем электроизоляционной пленки 5 из термостойкого полимерного материала. Резистивный нагревающий элемент 3 выполнен в виде параллельных полос из токопроводящего материала: металлов или сплавов металла с удельным электрическим сопротивление р=0,7-0,85·10 Ом·м, например, из алюминия, легированной стали, материала с низким содержанием хрома и никеля, соединенных с образованием в плане меандровой формы или синусоиды.
Толщина полос резистивного нагревающего элемента 3 находится в диапазоне от 8 до 20 мкм.
Получение резистивного нагревающего элемента 3 меандровой формы реализовано последовательным соединением полос, при котором край предыдущей полосы загнут г-образно в сторону следующей полосы, как правило, на всю ее ширину, другой край которой, в свою очередь, г-образно загнут в сторону последующей полосы. Получение резистивного нагревающего элемента 3 меандровой формы также может быть реализовано последовательным соединением полос перемычками поочередно с одной и с другой стороны.
Меандровая форма резистивного нагревающего элемента 3 может быть получена выполнением ее из непрерывной полосы токопроводящего материала.
Полосы резистивного нагревающего элемента 3 могут быть соединены точечной сваркой, осуществляемой на молекулярном уровне, занимают, как правило, 15-70% полотна пленочного электронагревателя.
К крайним полосам резистивного нагревающего элемента 3 припаяны выводы 6 для подключения его к сети электропитания или другому пленочному электронагревателю.
Излучающий элемент 4 выполнен в виде тонкой металлической фольги, например, алюминиевой, покрывающей, как правило, всю продольную поверхность электронагревателя, обеспечивает равномерное излучение теплового потока, создаваемого резистивным нагревающим элементом 3.
Устройство пленочного электронагревателя по второму варианту аналогично устройству пленочного электронагревателя по первому варианту, отличием является отсутствие излучающего элемента 4 и изолирующей его от резистивного нагревающего элемента 3 электроизоляционной пленки 5.
-6
Пленочный электронагреватель содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 электроизоляционные пленки, выполненные из термостойкого полимерного материала, например, лавсана, между которыми размещен резистивный нагревающий элемент 3. Резистивный нагревающий элемент 3 выполнен в виде параллельных полос из токопроводящего материала: металлов или сплавов металла с удельным электрическим сопротивление р=0,7-0,85·10 Ом·м, например, из алюминия, легированной стали, материала с низким содержанием хрома и никеля, соединенных с образованием в плане меандровой формы или синусоиды. Толщина полос резистивного нагревающего элемента 3 находится в диапазоне от 8 до 20 мкм.
Получение резистивного нагревающего элемента 3 меандровой формы реализовано последовательным соединением полос, при котором край предыдущей полосы загнут г-образно в сторону следующей полосы, как правило, на всю ее ширину, другой край которой, в свою очередь, г - образно загнут в сторону последующей полосы. Получение резистивного нагревающего элемента 3 меандровой формы также может быть реализовано последовательным соединением полос перемычками поочередно с одной и с другой стороны. Меандровая форма резистивного нагревающего элемента 3 может быть получена выполнением ее из одной непрерывной полосы токопроводящего материала.
К крайним полосам резистивного нагревающего и излучающего элемента 3 припаяны выводы 6 для подключения его к сети электропитания или другому пленочному электронагревателю.
Края верхней 1 и нижней 2 электроизоляционных пленок электронагревателя по первому и второму вариантам могут быть соединены с внутренней стороны лентой с самоклеящейся основой или заламинированы.
Толщина каждого слоя электроизоляционного пленок 1 и 2 варьируется в пределах 35 мкм - 3 мм, в зависимости от требований по эксплуатации, предъявляемых к электронагревателю. Применяемая толщина электроизоляционных пленок 1 и 2 обеспечивает защиту электронагревателя от пробоя электрическим током при перегрузках сети и от механических повреждений резистивного нагревающего элемента 3.
Толщина электроизоляционной пленки 5, размещенной между резистивным нагревающим элементом 3 и излучающим элементом 4, также варьируется в диапазоне от 35 мкм до 3 мм, обеспечивая надежную изоляцию резистивного нагревающего элемента 3 от излучающего элемента 4, исключая возможность их замыкание друг на Друга.
2
Проведенными испытаниями установлено, удельная мощность электронагревателя находится в диапазоне 70-250 Вт/м, при этом рабочий ток, протекающий по резистивному нагревающему элементу 3 не превышает 1 А. Рабочая температура на поверхности электронагревателя при температуре воздуха в обогреваемом помещении +20°С находится в диапазоне +30…+70°С. Оптимальная рабочая температура резистивного нагревающего элемента 3 для получения наиболее интенсивного теплового потока составляет +40 -+50°С.
Работа пленочного электронагревателя по каждому из вариантов осуществляется следующим образом. Выводы 6 пленочного электронагревателя подключаются к электрической сети 220 В. По резистивному нагревающему элементу 3 протекает ток, вызывая его нагревание. Резистивный нагревающий элемент 3 подогревает излучающий элемент 4, с поверхности которого равномерно излучается инфракрасный тепловой поток, обеспечивающий прогрев предметов и пола помещения.