Гибкий электрообогреватель
FLEXIBLE ELECTRIC HEATER

Предлагаемое изобретение относится к гибким электрообогревателям, создающим температуру до 150°С, которые применяются для поддержания заданной температуры бортовой аппаратуры космических аппаратов (КА), элементов конструкции воздушного, морского или наземного транспорта, регулирования температуры в скафандрах, бытового применения (обогрева сидений автомобилей, подогрева полов и т.д.).
В процессе эксплуатации бортовой аппаратуры КА при нахождении КА в тени Земли или других космических объектов происходит охлаждение поверхностей КА до криогенных температур. В то же время, диапазон рабочих температур большинства приборов достаточно узок и для их нормального функционирования необходимо поднять их температуру до заданных техническими условиями эксплуатации значений. Это возможно при помощи электрообогревателей, размещенных либо непосредственно на корпусе прибора, либо на корпусе КА в непосредственной близости от прибора. Данные поверхности могут быть как плоскими, так и криволинейными, например сферическими. К электрообогревателям бортовой аппаратуры КА предъявляются следующие требования:
1. Рабочая температура обогреваемой поверхности от 0 до 80°С;
2. Условия, при которых электрообогреватель должен сохранять работоспособность:
- диапазон температур от минус 70 до 150°С;
-12
- давление остаточных газов от атмосферного до 10 Па;
6
- поглощенная доза ионизирующего излучения - до 6⋅10 Гр;
3. Минимальная масса;
4. Минимальная толщина;
5. Минимальное газовыделение в вакууме при испытаниях по ГОСТ Р50109-82 (потеря массы не более 1%, содержание летучих конденсируемых веществ не более 0,1%);
6. Технологичность изготовления.
Известна гибкая электрогрелка (Патент РФ 2260926 С2, Н05В 7/00, опубл. 20.09.2005), которая содержит один электропроводный нагревательный контур, проволочный электроизолированный нагревательный элемент которого размещен намоткой на несущем элементе с образованием плоской катушки, закрепленной между слоями оболочки из теплостойкого влагонепроницаемого электроизоляционного материала и соединенной с токопроводящими проводниками.
Недостатки описанной гибкой электрогрелки:
- нагревательный элемент выполнен из медной проволоки, что приводит к повышению трудоемкости изготовления изделия, а также к увеличению массы всей конструкции, что недопустимо для поставленной цели;
- использование проволочной конструкции не обеспечивает точного повторения рельефа обогреваемой поверхности при криволинейности данной поверхности, что снижает КПД всего устройства в целом;
- кроме того, данное устройство имеет узкий диапазон рабочих температур (37-45)°С, что не соответствует поставленной цели.
Наиболее близким к техническому решению является (Патент РФ 2088047 C1, Н05В 3/18, опубл. 20.08.1997) пленочный электронагреватель, который содержит плоский зигзагообразной 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.
К недостаткам описанного тонкопленочного электронагревателя можно отнести следующие:
- при выполнении резистивного элемента зигзагообразной формы из фольги возможны перегибы ленты. При этом в местах перегиба ухудшена теплоотдача, особенно в условиях вакуума, что приводит к локальным перегревам, разрушению нагревательного элемента и повреждению обогреваемого изделия;
- большинство электроизоляционных пленок, в том числе и приведенная в примере полиэтилентерефталатная пленка, обладают недостаточной радиационной стойкостью для применения в составе современных долгоживущих КА;
- многие материалы электроизоляционных пленок обладают повышенным газовыделением в вакууме, особенно при нагреве, что недопустимо для их использования в составе КА;
- узкий диапазон рабочих температур нагрева (до 65)°С;
- большая трудоемкость изготовления электрообогревателей малых размеров;
- невозможность изготовления электрообогревателей для поверхностей двойной кривизны;
- высокая потребляемая мощность такого нагревателя не соответствует поставленной цели нагревателя.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Указанная задача решается за счет того, что электрообогреватель содержит резистивный элемент, расположенный между двумя листами электроизоляционного материала и снабженный токоподводящими проводами, листы электроизоляционного материала выполнены из гибкого термостойкого радиационностойкого высокоэлектроизоляционного материала с малым газовыделением в вакууме, в плоской или криволинейной форме, а резистивный элемент получен без перегибов из металла или сплава с удельным электросопротивлением, величина которого, также как и необходимая конфигурация самого резистивного элемента, определяется из условий эксплуатации, методами, исключающими повреждение листа электроизоляции и исключающими появление дефектов резистивного элемента, при этом листы электроизоляции могут состоять из одного материала или нескольких разнородных; кроме того, электроизоляция может содержать дополнительный лист, располагаемый между двумя первыми, причем резистивный слой первоначально закрепляют на этом дополнительном листе.
Основными условиями эксплуатации, определяющими размеры, форму и состав материалов электрообогревателя являются требуемая температура обогреваемой поверхности и температура окружающей среды; удельная мощность; напряжение питания; уровень радиации и среда, в которой будет эксплуатироваться электрообогреватель; площадь, форма и теплопроводность поверхности, на которую устанавливается обогреватель.
Причем резистивный элемент может быть выполнен в любой форме: прямой линии, нескольких прямых линий, соединяющихся между собой под углами, спирали, зигзага, кольца и др., сечение которых может быть как прямоугольным, так и со сглаженными углом или углами.
Суть изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен вид сверху и поперечное сечение электрообогревателя двух вариантов исполнения, с плоскими листами электроизоляционного материала. Он включает листы электроизоляции из гибкого термостойкого радиационностойкого высокоэлектроизоляционного материала 1, состоящего из одного или нескольких разнородных слоев материалов, с расположенным между ними резистивным элементом 2, содержащим металл или сплав с электросопротивлением, заданным условиями эксплуатации, причем требуемая конфигурация резистивного элемента сформирована, например, лазерной микрообработкой. Указанный резистивный элемент имеет контактные площадки 3, к которым присоединены, например, пайкой или сваркой токоподводящие провода 4. Вариант исполнения а) - с верхним листом электроизоляции из менее эластичного (гибкого) материала (например, из препрега); вариант исполнения б) - с верхним листом электроизоляции из более эластичного (гибкого) материала (например, из пленки) и с резистивным элементом, сечение которого выполнено со сглаженными углами.
Заготовка резистивного элемента может быть получена как присоединением листа фольги соответствующих размеров к листу электроизоляции (например, приваркой поверхности фольги к листу или слою из термоплавкого электроизоляционного материала, или приформовыванием к листу композиционного материала, выполняющего роль листа электроизоляции), так и нанесением металла или сплава непосредственно на лист электроизоляции в виде покрытия (например - магнетронным распылением в вакууме, электродуговым напылением, гальваническим осаждением и др.).
В зависимости от варианта исполнения, определяемого условиями эксплуатации, изоляция электрообогревателя также может содержать отдельный дополнительный лист, например, из однородного термоплавкого материала, являющийся промежуточным листом электроизоляции, необходимым для нанесения резистивного слоя. В этом случае формование электрообогревателя производится с одновременным присоединением листов электроизоляции, располагаемых с двух сторон, к промежуточному листу электроизоляции с уже закрепленным на нем резистивным элементом, при этом происходит расплавление промежуточного листа электроизоляции и заполнение зазоров в резистивном элементе, что является дополнительной изоляцией зазоров между линиями (витками) резистивного элемента электрообогревателя. В то же время электрообогреватель, изготовленный по такому способу, в целом будет выглядеть как обогреватель, имеющий два листа электроизоляции - с двух сторон от резистивного элемента.
При необходимости изготовления электрообогревателя сложной криволинейной формы для установки на криволинейную поверхность, например сферическую, требуемая форма заготовке резистивного элемента придается путем формования на оснастке соответствующей формы, отдельно, либо вместе с листом электроизоляции (например, на промежуточном листе электроизоляции или одновременно с приформовыванием к листу электроизоляции из композиционного материала и последующей полимеризацией последнего).
Резистивный элемент 2, входящий в состав электрообогревателя, может быть выполнен из любого металла или сплава с удельным электросопротивлением, величина которого определяется условиями эксплуатации, например: из нихрома, константана, инконеля или др.
Конфигурация резистивного элемента выбирается в зависимости от условий эксплуатации, включающих требования к размерам, форме электрообогревателя, зависящих от обогреваемой поверхности, удельной тепловой нагрузки, напряжению питания и требуемой рабочей температуре. В связи с этим, резистивный элемент может быть выполнен в виде прямой линии, нескольких прямых линий, соединяющихся между собой под углами, спирали, зигзага, кольца и др. Сечение резистивного элемента может быть как прямоугольным, так и со сглаженными углом или углами.
Требуемая конфигурация резистивного элемента 2 выполняется путем удаления части материала из заготовки методом, обеспечивающим необходимую геометрическую форму сечения резистивного элемента (однородную по толщине и с размерами поперечного сечения резистивного элемента, соответствующего сечению, заданному условиями эксплуатации) и конфигурацию резистивного элемента, без дефектов самого материала в резистивном элементе (без напряжений растяжения, сжатия, утонений, микроскладок, гофр, задиров, точечных вмятин и утолщений, перемычек между соседними линиями и др.), а также без повреждения листа электроизоляции, например, методом литографии.
Независимо от конфигурации резистивный элемент имеет контактные площадки 3, к которым методами пайки или сварки присоединяются токоподводящие провода 4.
Благодаря тому, что материал, удельное сопротивление и конфигурация резистивного элемента выбирается исходя из условий эксплуатации, расширяется область применения электрообогревателя для любой формы обогреваемой поверхности в широком диапазоне температур и режимов нагрева.
При выполнении сечения резистивного элемента со сглаженными углами, в одном из вариантов исполнения, достигается повышение электрической прочности электроизоляции за счет снижения напряженности электрического поля на углах.
Благодаря получению требуемой конфигурации резистивного элемента 2 путем удаления части материала заготовки методом, обеспечивающим требуемую конфигурацию резистивного элемента - без появления дефектов, как на самом материале резистивного элемента, так и в его геометрических размерах, а также без повреждения листа электроизоляции повышается надежность резистивного элемента (он остается однородным по структуре и свойствам, не имеет слабых мест в виде перегибов, заусенцев, надрезов и др.), повышается технологичность изготовления (технология хорошо отработана, обеспечивает высокую воспроизводимость и точность рисунка).
Кроме того, такие методы получения резистивного элемента позволяют получать резистивные элементы любой сложной конфигурации, в том числе - одновременно несколько типов резистивных элементов на одной заготовке.
В зависимости от формы поверхности, на которую устанавливается электрообогреватель, и условий эксплуатации листы электроизоляции 1 могут быть выполнены из радиационностойкого полимерного композиционного материала с малым газовыделением в вакууме, например: стеклопластика, органопластика, радиационностойких композиционных полимерных пленок, которые могут содержать слои термореактивного и/или термопластичного полимеров, а также из других, подходящих по свойствам и технологии, композиционных материалов.
Например, для поверхностей с двойной кривизной может быть применен стеклопластик или органопластик с полимеризацией соответствующего препрега.
В процессе эксплуатации электрообогревателя электрический ток проходит по токоподводящим проводам 4 (фиг. 1) и резистивному элементу 2, выделяемое тепло отводится через листы электроизоляции 1 к одной или двум обогреваемым поверхностям (в зависимости от места установки).
При этом, благодаря выполнению листов электроизоляции 1 из гибкого термостойкого радиационностойкого высокоэлектроизоляционного материала с малым газовыделением в вакууме, достигается максимальная механическая и электрическая прочность при минимальной массе в экстремальных условиях эксплуатации (благодаря высоким электроизоляционным свойствам листов электроизоляции при их малой толщине и прочности их соединения между собой), обеспечивается возможность установки электрообогревателя на поверхностях различной формы с обеспечением максимального теплового контакта (благодаря гибкости), достигается работоспособность электрообогревателя в жестких условиях космического пространства (благодаря радиационной стойкости и термостойкости), минимизируется загрязнение собственной внешней атмосферы КА продуктами газовыделения материалов электрообогревателя (за счет малого газовыделения материала листов электроизоляции).
Пример расчета электрообогревателя. Для расчета задаются следующие условия эксплуатации:
уд
2
1) удельная мощность - Р, Вт/см, которая рассчитывается исходя из условий эксплуатации (требуемой температуры обогреваемой поверхности, теплопроводности и теплоемкости материала поверхности, тепловых потоков между поверхностью и ее окружением);
2) напряжение питания (U, В);
2
3) площадь (S, см) и форма поверхности, на которую будет устанавливаться обогреватель;
З
4) коэффициент заполнения К, выведенный практическим способом и учитывающий соотношение площади проводника к площади обогревателя.
Исходя из показателей напряжения и мощности, рассчитывается омическое сопротивление проводника, в зависимости от величины которого выбирается материал проводника с определенным удельным сопротивлением - ρ, Ом⋅см.
Затем производят расчет сечения и длины проводника следующим образом: задается приблизительная толщина проводника, решается система уравнений методом подборов, в которой рассчитывается его ширина и длина. При необходимости берется другая толщина проводника и уравнение пересчитывается до получения оптимального варианта заполнения заданной площади.
Определение омического сопротивления
Определение длины проводника
Исходя из уравнения (2), определить ширину дорожки
где Шд - ширина дорожки;
Тд - толщина фольги;
(фиг. 2)
ρ - удельное сопротивление материала проводника.
По верхней формуле уравнения (2) определить длину проводника - L.
Оптимальным вариантом заполнения, т.е. расположением проводника на заданной площади (конфигурация проводника), может являться вариант, в котором проводник имеет минимально возможное расстояние между соседними линиями (витками), меньше которого происходит пробой. Причем форма поверхности электрообогревателя размером 50×200 мм может учитывать, например, сферическую форму обогреваемой поверхности, диаметр которой равен 1,7 м.
6
На предприятии разработаны и изготовлены опытные образцы электрообогревателей. Проведенные испытания, показали высокую однородность температуры по площади электрообогревателя, высокую электрическую прочность электроизоляции, возможность монтажа на криволинейные поверхности, низкое газовыделение в вакууме, хорошую воспроизводимость свойств и технологичность изготовления, высокую стойкость к факторам хранения (воздействие переменных температур и влажности) и эксплуатации (циклическое изменение температуры в вакууме (от минус 70 до 140°С), ионизирующее излучение поглощенной дозой до 6⋅10 Гр).
Из известных авторам патентно-информационных источников не известна совокупность признаков, сходных с признаками заявляемого объекта.