ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ГИБКИЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ
THIN-FILM FLEXIBLE ELECTRIC HEATER

Изобретение относится к тонкопленочным гибким электронагревателям, предназначенным для регулирования или управления заданным температурным режимом функционирования бортовых приборов, технических устройств и систем жизнеобеспечения космических, летательных или подводных аппаратов, а также других изделий.
Известен (Патент РФ 2088047 C1, МПК H05B 3/18, опубл. 20.08.1997) пленочный электронагреватель, который содержит плоский зигзагообразный формы резистивный излучающий элемент из фольги, расположенный между двумя гибкими термостойкими электроизоляционными пленками. Резистивный излучающий элемент выполнен из аморфного сплава металлов или металлов (переходных) с металлоидами.
Недостатками данного пленочного электронагревателя являются: сложность и большая трудоемкость изготовления малогабаритных электронагревателей небольшой мощности из-за необходимости размещения зигзагообразного резистивного элемента большой протяженности из металлической фольги в пределах малых габаритов; низкая надежность электронагревателя при механических изгибах и многократных перегибов из-за использования фольги в качестве резистивного элемента; сложность крепления токоотводящих проводов к металлической фольге из аморфных сплавов металлов или металлов с металлоидами и недостаточная надежность этого соединения при механических знакопеременных нагрузках; недостаточно высокое быстродействие и высокая потребляемая мощность.
-8
Наиболее близким к техническому решению является (Патент РФ 2379857 C1, МПК H05B 3/18, опубл. 20.01.2010, Бюл. №2) тонкопленочный гибкий электронагреватель, содержащий резистивный элемент, расположенный между двумя гибкими термостойкими электроизоляционными пленками и снабженный токоотводящими проводами, в котором резистивный элемент выполнен в виде полимерной пленки с металлизированным ионно-плазменным многослойным покрытием с толщиной каждого слоя 20…100 нм, общей толщиной в пределах 3…25 мкм и удельным электросопротивлением (300…55)·10 Ом·м.
К недостаткам описанного тонкопленочного гибкого электронагревателя можно отнести сложность его конструкции и недостаточно широкие функциональные возможности электронагревателя.
Действительно, выражение удельной электрической мощности для электронагревателя с использованием закона Ома можно представить в виде:
где N=UI - электрическая мощность, I=U/R - ток в электронагревателе при заданном электрическом напряжении U, R - его электрическое сопротивление, S - площадь металлического покрытия.
Используя выражение для электрического сопротивления R=ρL/hb и сопротивление металлического покрытия S=Lb придадим соотношению (1) вид:
где ρ - удельное электрического сопротивление металлического покрытия, h, b и L - его толщина, ширина и длина соответственно.
1
2
1
1
1
2
2
2
Поэтому, сравнивая между собой удельные электрические мощности прототипа q и разрабатываемого нового технического решения q с параметрами металлического покрытия ρ, h, L и ρ, h, L соответственно, получим при равных электрических напряжениях:
1
1
2
1
-8
Следовательно, для одинакового электрического напряжения уменьшение толщины покрытия меньше значения h=3 мкм, увеличение удельного электрического сопротивления больше значения ρ=300·10 Ом·м и увеличение длины слоя покрытия за счет его зигзагообразного расположения на полимерной пленке позволяет уменьшить величину удельной электрической мощности q разрабатываемого технического решения по сравнению с удельной электрической мощностью прототипа q, расширить функциональные возможности электронагревателя и изготавливать малогабаритные электронагреватели малой электрической мощности, которые невозможно изготовить на основе технического решения заданного в прототипе.
В основу изобретения поставлена задача упростить конструкцию и снизить трудоемкость изготовления электронагревателя, расширить его функциональные возможности при изготовлении малогабаритных электронагревателей малой мощности, уменьшить его толщину и массу, снизить стоимость его изготовления.
Задача решается за счет того, что тонкопленочный гибкий электронагреватель содержит резистивный элемент, расположенный между двумя склеиваемыми между собой гибкими термостойкими электроизоляционными пленками и снабженный токоотводящими проводами, согласно изобретению резистивный элемент выполнен в виде многослойного ионно-плазменного металлического покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность одной из склеиваемых пленок.
-8
Кроме того, металлическое покрытие выполнено с толщиной каждого слоя (5…300) нм и имеет удельное электросопротивление в пределах (535…20)·10 Ом·м.
Металлическое покрытие имеет толщину в пределах (1…40) мкм и выполнено в виде зигзагообразно расположенных прямолинейных конечных полосок, соединенных между собой по концам полос медными переходниками, за исключением концов, к которым присоединены токоотводящие провода.
-8
Такое техническое решение приводит к тому, что в отличие от прототипа электронагреватель состоит из двух, а не трех пленок, уменьшает также его массу, толщину (примерно на 1/3) и повышает гибкость, то есть возможность его прочного присоединения к сложнопрофилированным поверхностям с конструкционными выступами и впадинами с меньшим радиусом кривизны. Минимальное значение толщины металлического многослойного покрытия уменьшено в 3 раза по сравнению с прототипом до значения 1 мкм, что позволяет в 3 раза уменьшить величину мощности разрабатываемого устройства и при этом, как установлено экспериментально, сплошность покрытия не нарушается и происходит его равномерный нагрев под действием электрического тока. Увеличение удельного электросопротивления металлического покрытия достигается за счет нанесения многослойного металлического покрытия слоя с меньшей толщиной каждого слоя по сравнению с толщиной слоя в прототипе. Экспериментально установлено, что толщина каждого слоя может быть уменьшена до 5 нм за счет увеличения скорости прохождения полимерной пленкой зоны напыления покрытия, что позволяет в 4 раза уменьшить его толщину по сравнению с прототипом. При этом величина удельного электросопротивления многослойного покрытия из хромоникелевого сплава [Богданович В.И., Барвинок В.А., Кирилин А.Н., Небога В.Г. и др. Тонкопленочные электронагреватели с наноструктурным резистивным слоем // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2010. - №3. - С.111-117] достигает (535…485)·10 Ом·м, что значительно больше, чем в формуле изобретения прототипа, и позволяет уменьшить величину удельной электрической мощности по сравнению с прототипом на 78%.
Увеличение длины слоя металлического покрытия достигается тем, что металлическое покрытие на пленку нанесено в виде зигзагообразно расположенных прямолинейных конечных полосок, соединенных между собой на своих концах, за исключением концов, к которым присоединены токоотводящие провода.
На схеме представлен общий вид тонкопленочного гибкого электронагревателя габаритами 200×30 мм с электрической мощностью 3,5 Вт при питании электрическим напряжением 27 В, состоящего из двух листов гибких термостойких электроизоляционных пленок 1, между которыми размещен резистивный элемент 2, полученный в виде нано- и субмикроструктурного слоя методом вакуумного ионно-плазменного напыления, имеющий зигзагообразную форму, полученную с помощью медных переходников 5 и снабженный токоотводящими проводами 3, припаянными к участкам с медным покрытием 4.
Данный электронагреватель предназначен для системы терморегулирования бортовых приборов космических аппаратов производства ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс». Заявленное техническое решение позволяет без изменения внешнего вида этих электронагревателей, то есть без изменения технологических средств производства, изготавливать их также с заданными электрическими мощностями в 7 Вт и 10 Вт.