СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛОСКОГО РЕЗИСТИВНОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MANUFACTURING OF FLAT RESISTIVE ELECTRIC HEATER AND PROCESS LINE FOR ITS REALISATION

Изобретения относятся к электротехнике и могут быть использованы при изготовлении нагревателей резистивного типа.
Известен способ изготовления плоского резистивного электронагревателя, описанный в патенте РФ №2052907.
Известный способ заключается в том, что формируют зигзагообразный ленточный резистивный элемент, выполняя встречно-параллельные чередующиеся прорези на резистивной ленте, перпендикулярные к оси ленты. Размещают резистивный элемент на изоляционном основании, устанавливают снаружи изоляционные слои и скрепляют все элементы связующим, причем прорези выполняют чередующимися через одинаковое расстояние, одинаковой длины, не доходящими до краев ленты с обеих сторон на величину технологического поля и смещенными попеременно относительно одна другой по ширине ленты на величину, равную или большую шага чередования, одно из технологических полей ленты обрезают до сопряжения реза с ближайшими к данному краю торцами прорезей, образуя лепестки, размещение резистивного элемента на основании выполняют, вводя основание со стороны обрезанного технологического поля между лепестками с чередованием через один изоляционным основанием, после чего обрезают другое технологическое поле до сопряжения реза с ближайшими к данному краю ленты торцами прорезей. Все элементы скрепляют между собой связующим в виде клея ВК-350.
Недостатком известного способа является технологическая сложность его осуществления, заключающаяся в необходимости выполнения большого числа прорезей при формировании зигзагообразного резистивного элемента, образования технологического поля и процесса склеивания. Само изделие - нагреватель - имеет значительный положительный температурный коэффициент (поскольку из-за сложного химического состава резистивный слой представляет собой нелинейный элемент), из-за чего без специальных средств не обеспечивает стабильный температурный режим.
Известен способ изготовления гибкого резистивного нагревателя, описанный в одноименном патенте РФ №2019065 по кл. Н05В 3/34, заявл. 18.10.90, oпубл. 30.08.94, и выбранный в качестве прототипа.
Известный способ заключается в следующем.
На одной из двух полимерных подложек формируют электроды, формируют резистивный слой с положительным коэффициентом сопротивления, наносят адгезионный слой, соединяют в пакет все указанные элементы, и затем термообрабатывают его, причем первоначально на каждую из подложек, разматываемую из рулона, наносят адгезионный слой, выполненный на основе водорастворимого акрилового сополимера и эпоксианилиновой смолы, который сушат при температуре 110-120°С, формируют указанный резистивный слой из водорастворимого сополимера ОЛД-02 ЭМА, эпоксианилиновой смолы, каучука ПДИ-ЗАК, графита, технического углерода, растворителя воды или водоспиртовой смеси определенной вязкости, который затем сушат при температуре 110-120°С, и изоляционная составляющая которого выполнена идентичной материалу адгезионного слоя на второй подложке, а при соединении в пакет совмещают резистивный слой с поверхностью электродов.
Недостатком известного способа является то, что он достаточно сложен и трудоемок, т.к включает нанесение на каждую подложку адгезионного слоя, сушку его при повышенной температуре, нанесение и сушку резистивного слоя сложного состава, и не вполне удовлетворительная теплонесущая способность из-за выполнения его резистивного слоя из водорастворимого сополимера, эпоксианилиновой смолы, каучука, графита, технического углерода, растворителя воды или водоспиртовой смеси.
Известна установка для изготовления плоского электронагревателя, описанная в патенте РФ №2082282 по кл. Н05В 3/34, заявл. 27.09.94, oпубл. 20.06.97.
Известная установка включает в себя беззазорный штамп со спаренными пуансонами с заданной шириной паза и матрицы и с режущими кромками, выполненными с наклоном вовнутрь для высечки из фольги резистивного элемента, валки для прокатывания ленты фольги, приспособления для накатывания резистивного элемента на термостойкую изоляционную ленту, режущее приспособление для обрезания вдоль по выступающим краям высечек.
Недостатком известной установки является то, что она предназначена для изготовления плоского резистивного электронагревателя в виде расположенных поперечно вдоль длины нагревателя коротких лент резистивного материала, наклеиваемых на термостойкую основу с выравниванием полей, технология изготовления которого достаточно сложна.
Известна установка для изготовления электронагревателя из металлического провода (проволоки), описанная в заявке №98115303 «Система и способ изготовления электроподогревателя) по кл. Н05В 3/34, А47С 7/74, 21/04, заявл. 17.08.98, oпубл. 20.06.2000 и выбранная в качестве прототипа.
Известная установка содержит устройство для укладки проволоки из нескольких выступающих по схеме расположения элементов, соответствующих желаемой конфигурации нагревателя, транспортирующую ленту, снабженную обводящим средством и простирающуюся по траектории, по существу соответствующей конфигурации нагревателя, вокруг указанных выступающих элементов передвигают указанную транспортирующую ленту, при этом указанное обводящее средство выполнено с возможностью укладки указанного проводника по указанной траектории, а указанные выступающие элементы образуют часть первого крепежного приспособления для нагревателя. Выступающие элементы размещают таким образом, чтобы соседние петли, по существу, стыковались между собой. Имеется захватное приспособление с возможностью переноса первого нагревателя и части устройства для укладки. Устройство для укладки проводника содержит зажимное приспособление для закрепления указанной схемы расположения. Установка содержит также соединительное устройство для соединения частей нагревателя в единое целое устройство, создающее опору для поддержания слоя ленты в точках соединения проводника, а также датчик.
Недостатком известной установки является то, что производство является дискретным, поскольку нагреватель изготавливается по форме спинки или сиденья автомобиля, и не позволяет получить мерный нагреватель, а также не очень эффективным по функциональному назначению, т.к. предназначен для использования проволоки; кроме того, способ изготовления такого нагревателя весьма трудоемок.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым являются способ и установка, представленные в патенте РФ №2337505 по кл. Н05В 3/34, заявл. 09.07.07, oпубл. 27.10.08 и выбранные в качестве прототипа.
Известный способ изготовления плоского резистивного электронагревателя заключается в следующем. Для формирования резистивного элемента используют ленточный резистивный материал, который формируют на изоляционном полимерном основании. При формировании резистивный элемент располагают в виде нескольких полос вдоль основания, для чего резистивную ленту свободно закрепляют в начале изоляционного основания в виде синусоиды поперек него, затем захватывают верхние петли синусоиды и растягивают их вдоль основания в другую сторону до необходимой длины в виде полосок, параллельных боковым сторонам основания для формирования меандровой ленты. Затем закрепляют концы полосок на другом конце основания, одновременно протягивая с натяжением снизу между резистивным ленточным элементом и изоляционным основанием рулон алюминиевой фольги и сверху над резистивным элементом рулон изоляционной пленки, формируя пакет, в который соединяют все указанные элементы. Получившийся пакет подвергают термообработке, расплавляя с помощью ламинатора изоляционные пленки и плотно сжимая весь пакет в единое целое.
Заявляемая установка для изготовления плоского резистивного электронагревателя включает следующие узлы: устройство для укладки резистивного элемента с несколькими выступающими элементами - роликовыми штырями - и зажимным приспособлением, транспортирующую ленту, простирающуюся по траектории, соответствующей конфигурации нагревателя, захватное приспособление, обводящее устройство для укладки резистивного элемента по указанной траектории, соединительное устройство для соединения частей нагревателя. При этом устройство для укладки с выступающими элементами расположено в начале транспортирующей ленты и представляет собой соответственно каретку из двух последовательно расположенных над транспортирующей лентой частей - неподвижной и подвижной кареток с расположенными на соседних краях каждой из них в ряд перпендикулярно оси транспортирующей ленты роликовыми штырями. Зажимное приспособление расположено на одной из боковых сторон неподвижной каретки, на второй боковой стороне ее размещена катушка с резистивным ленточным элементом. Захватное приспособление выполнено съемным. При этом подвижная каретка в совокупности с расположенной последовательно за ней тормозной кареткой и приводным узлом образуют в совокупности обводящее устройство для укладки резистивного элемента по длине нагревателя. Соединительным устройством служит узел ламинирования, включающий в себя расположенные последовательно по высоте друг под другом катушки для первой пленки, второй пленки, алюминиевой фольги и третьей пленки, и рулонный ламинатор типа KDFM-720, представляющий собой попарно установленные две пары валиков с подогревом с зазором между ними для пропускания слоев нагревателя. Подвижная каретка и тормозная каретка связаны между собой и с приводным узлом с помощью тянущего тросика. Основные узлы смонтированы на технологическом столе, состоящем из поля-крышки, закрепленной на опорах, на котором закреплены направляющие для перемещения кареток.
Недостаток известных средств заключается в следующем. В них для формирования резистивного поля электронагревателя используется готовый ленточный (узкий) резистивный материал и необходимое сопротивление токоведущей части формируется за счет длины резистива, что приводит к перерасходу материала. Достаточно сложным является и формирование меандровой линии из одной ленты-синусоиды. Создается нелогичная ситуация, когда на плоский электронагреватель (ПЛЭН) меньшей мощности расходуется большее количество резистивного материала, чем на ПЛЭН большей мощности. Весьма сложной является и конструкция устройства. При этом следует учитывать, что и качество резистивного материала может быть разным с точки зрения электротехнических характеристик, что влияет в конечном итоге и на качество электронагревателя.
Кроме того, данные способ и устройство не очень удобны в эксплуатации, поскольку, во-первых, требуют использования поставляемого в виде полос определенной (имеющейся у производителя) ширины резистивного материала, а во-вторых, осуществляемый с их помощью техпроцесс изготовления является не вполне завершенным, поскольку заканчивается ламинированием входящих компонентов, хотя на практике у готового ламината-нагревателя надо еще заделать концы, подпаять провода для подачи напряжения к нагревателю и т.д.
Задачей заявляемых технических решений является снижение расхода резистивного материала и обеспечение высокого качества электронагревателя, повышение экономичности и эргономичности его изготовления.
Поставленная задача решается тем, что:
- в способе изготовления плоского резистивного электронагревателя, заключающемся в том, что на подготовительном этапе берут резистивный материал, алюминиевую фольгу и изоляционный материал и наматывают их на катушки, затем изготавливают из указанных материалов полуфабрикат-ламинат, для чего формируют на изоляционном полимерном основании резистивный элемент из резистивного материала, который при формировании располагают вдоль основания, для чего резистивную ленту свободно закрепляют в начале изоляционного основания параллельно боковым сторонам основания, закрепляют на другом конце основания, одновременно протягивая с натяжением снизу между резистивным ленточным элементом и изоляционным основанием рулон алюминиевой фольги и сверху над резистивным элементом рулон изоляционной пленки, формируя пакет, термообработку которого осуществляют, расплавляя с помощью ламинатора изоляционные пленки и плотно сжимая весь пакет в единое целое, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, на подготовительном этапе для последующего формирования резистивного элемента в качестве резистивного материала берут полотно с заданным удельным сопротивлением 0,8+-0,05 мкОм/м, затем, исходя из необходимого сопротивления нагревателя, рассчитывают необходимые геометрические размеры и выкраивают две резистивные ленты необходимой ширины и наматывают их на две отдельные катушки, а также нарезают отдельные полоски из этого же материала, на этапе изготовления полуфабриката - ламината на некотором расстоянии между собой разматывают подготовленные катушки с резистивным материалом, располагают их параллельно между собой и, протягивая их для последующего ламинирования с натяжением снизу и сверху, накладывают поперек на движущиеся резистивные ленты нарезанные полоски из того же резистивного материала, что и ленты, а также прокладывают разделительные прокладки в виде поперечных полосок из неламинируемого материала на расстоянии между ними, определяемом длиной будущего электронагревателя, формируя таким образом пакет, который затем подвергают термообработке, получая ламинированное полотно, которое на выходе также наматывают на катушку, получая полуфабрикат-ламинат, и далее осуществляют этап получения готового нагревателя, на котором разматывают с катушки ламинированное полотно, в нем приваривают поперечные резистивные полоски к резистивным лентам, вырезают элементы последних для образования проводящего резистивного поля в форме меандра, разрезают полотно посредине разделительных неламинируемых элементов, припаивают к концам резистивных лент подводящие напряжение провода и закрывают концы каждого электронагревателя изоляционной пленкой.
-в технологической линии для изготовления плоского резистивного электронагревателя, включающей расположенное в начале транспортирующей ленты, простирающейся по траектории, соответствующей конфигурации нагревателя, устройство для укладки резистивного элемента по указанной траектории, включающее в себя блок из расположенных последовательно по высоте друг под другом катушек с компонентами нагревателя, в том числе с изоляционной лентой, резистивом и алюминиевой фольгой, а также направляющее устройство, соединительное устройство для соединения в полотно элементов нагревателя в виде ламинатора, включающего в себя попарно установленные две пары валиков с подогревом с зазором между ними для пропускания слоев нагревателя, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, в начале линии перед устройством укладки установлен дополнительно станок для резки резистивного полотна, в устройстве для укладки направляющим устройством служат направляющие валы, имеются автомат-сбрасыватель междупленочных разделительных элементов, и намоточное устройство для намотки заламинированного полотна-полуфабриката, а после ламинатора расположен сборочный стол с установленными на нем ножами и сварочным аппаратом.
Использование на первом, подготовительном этапе в качестве исходного материала резистивного полотна с заданными электротехническими параметрами позволяет более экономно подготавливать один из основных составляющих элементов пленочного нагревателя, а именно - нарезать качественный резистивный материал необходимых продольных и поперечных размеров в зависимости от необходимого сопротивления нагрева, что в совокупности с последующей намоткой их на отдельные катушки и подготовкой поперечных резистивных полосок для подачи на следующий этап - изготовление полуфабриката - ламината в виде пакета - дает возможность упростить и ускорить следующий, этап - сборку пакета. На втором этапе разнесение катушек с резистивной лентой между собой и расположение резистивных лент параллельно между собой в совокупности с наложением на них поперек при их движении поперечных полосок резистивной ленты и разделительных неламинированных поперечных полосок в процессе разматывания с катушек резистивной ленты позволяет упростить процесс и конструкцию устройства для последующего получения меандровой формы резистива и необходимой длины электронагревателя. На введенном дополнительно третьем этапе - этапе сборки готового электронагревателя - приваривание к резистивным продольным лентам поперечных полосок, выполненных из того же резистивного материала, и вырезание кусков ленты с образованием меандрового рисунка позволяет упростить процесс формирования меандрового поля и получения полуфабриката пленочного электронагревателя в виде намотанной на катушку ленты, что в совокупности с разрезанием по разделительным неламинированным полоскам сматываемого с катушки полотна электронагревателя и приваривания к нему проводов для подвода напряжения и изолирование концов также для подвода напряжения и изолирование концов дает возможность на единой технологической линии просто и недорого получить готовый электронагреватель заданной мощности и нужных размеров.
Введение в технологическую линию станка для нарезания резистивного полотна дает возможность сэкономить на сырье и подготавливать резистивную ленту необходимых для заданной мощности электронагревателя размеров, что в совокупности с использованием в устройстве укладки простого по конструкции направляющего устройства и наличии в нем намоточного устройства для заламинированного полотна при установке в линии сборочного стола с ножами и сварочным станком обеспечивает простую и надежную конструкцию технологической линии, позволяющую более дешево и просто получать мерный плоский резистивный нагреватель в готовом виде, обеспечивая достижение заданного результата.
Технический результат - упрощение технологии и технологической линии для изготовления пленочного резистивного нагревателя при обеспечении высокого качества электронагревателя и повышении экономичности и эргономичности производства.
Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как использование на предварительном этапе для последующего формирования резистивного элемента резистивного материала в виде полосы с заданным удельным сопротивлением 0,8+-0,05 мкОм/м, на этапе изготовления полуфабриката - параллельное расположение резистивных лент и наложение на этапе формирования полуфабриката на движущиеся резистивные ленты поперечных полосок из того же резистивного материала, что и ленты, а также прокладывание разделительных элементов в виде поперечных полосок из неламинируемого материала на расстоянии между ними, определяемом длиной будущего электронагревателя, намотка на катушку полуфабриката в виде ламинированного полотна, выполнение здесь же этапа сборки, включающего размотку ламинированного полотна, формирование меандровой ленты путем приваривания поперечных резистивных полосок к резистивным лентам и вырезания элементов последних для образования проводящего резистивного поля в форме меандра и получение готового электронагревателя путем разрезания полотна с меандровой лентой посредине разделительных неламинируемых элементов, припаивания к концам резистивных лент подводящих напряжение проводов и изоляции концов каждого электронагревателя изоляционной пленкой, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемая технологическая линия обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как установка в начале линии перед устройством укладки дополнительно станка для резки резистивного полотна, использование в устройстве для укладки резистивного элемента простого по конструкции направляющего устройства в виде направляющих валов, наличие в нем автомата-сбрасывателя междупленочных разделительных элементов и намоточного устройства, и наличие после ламинатора сборочного стола с установленными на нем ножами и сварочным аппаратом, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемые технические решения могут найти широкое применение в электротехнике, а потому соответствуют критерию «промышленная применимость».
Заявляемые технические решения иллюстрируются чертежом, где показана функциональная схема технологической линии для изготовления плоского резистивного электронагревателя.
Заявляемый способ изготовления плоского резистивного электронагревателя содержит три этапа, которые заключаются в следующем.
Подготовительный этап
Для формирования резистивного элемента используют резистивный материал в виде полосы шириной не менее 10 см с заданными толщиной 6-15 мкм и удельным сопротивлением 0,8+-0,05 мкОм/м, из которого предварительно выкраивают две ленты необходимой ширины и резистивные полоски для последующего образования меандра; также нарезают из неламинируемого материала разделительные межпленочные полоски для разделения электронагревателей.
Резистивные ленты наматывают на две катушки.
Подготавливают три рулона изоляционной пленки, намотанной на катушки, и алюминиевую фольгу, также намотанную на катушку.
На этапе изготовления полуфабриката-ламината выполняют следующие операции. Протягивают резистивные ленты параллельно на некотором расстоянии друг от друга, разматывая катушки, и раскладывают на заданной длине нагревателя на движущиеся резистивные ленты поперечные резистивные полоски для ообразования меандра и межпленочные разделительные полоски из неламинируемого материала. Ламинируют с помощью валиков с подогревом изоляционной пленки слой из резистивных продольных лент с поперечными полосками и алюминиевой фольгой, и проложенными на расстоянии, определяемом размером будущего электронагревателя, межпленочными разделительными полосками из неламинированного материала, и наматывают полученный ламинированный полуфабрикат на катушку.
На этапе получения готового электронагревателя разматывают ламинированный полуфабрикат и приваривают поперечные резистивные полоски к резистивным продольным лентам. Затем вырезают части ленты, получая токопроводящее резистивное поле меандровой формы, и разрезают готовое полотно по разделительным неламинированным полоскам на готовые электронагреватели. Далее припаивают к концам резистивной меандровой линии каждого электронагревателя подводящие напряжение провода и закрывают концы каждого нагревателя изоляционной пленкой.
Заявляемая технологическая линия включает расположенный в начале транспортирующей ленты 1, простирающейся по траектории, соответствующей конфигурации нагревателя, станок 2 для резки резистивного полотна с намоточным устройством 3, ламинатор 4 и сборочный стол 5. При этом ламинатор 4 содержит последовательно размещенные вдоль транспортирующей ленты 1 устройство 6 для укладки резистивного элемента по указанной траектории и непосредственно узел 7 ламинирования. Устройство 6 укладки включает в себя блок 8 из расположенных по высоте друг под другом катушек 9, 10, 11 с изоляционной пленкой, катушек 12, 13 с резистивным элементом, катушки 14 с алюминиевой фольгой, направляющие валы 15 и автомат-сбрасыватель 16 междупленочных разделительных элементов в виде полосок 17, а также счетчик-автомат 18 метража нагревателя. Узел 7 ламинирования включает в себя попарно установленные две пары греющих валиков 19 и катушку 20 для сматывания заламинированого полотна нагревателя. На сборочном столе 5 установлены ножи 21 и сварочный аппарат 22.
Изготовление пленочного резистивного электронагревателя с помощью заявляемых средств осуществляется следующим образом.
На подготовительном этапе из полотна шириной не менее 20 см с помощью станка 2 нарезают резистивные ленты 23 и 23' необходимой ширины и продольные резистивные полоски 24 необходимой длины. С помощью намоточного устройства 3 резистивные ленты 23 и 23' наматывают на две отдельные катушки 12, 13, наматывают на катушку 14 полотно 25 из алюминиевой фольги необходимой ширины и еще на три катушки 9-11 наматывают изоляционную пленку 26 и 26', 26'' необходимой ширины. Подготавливают также межпленочные разделительные элементы 27 из неламинируемого материала.
На этапе изготовления полуфабриката при формировании резистивного элемента в технологической линии устанавливают катушки с резистивной лентой, распределяют ленты по направляющим, закрепляют концы лент в ламинаторе, формируют головной конец полуфабриката. Устанавливают мод катушкой с резистивной лентой катушку с алюминиевой фольгой, а над ними и между ними - катушки с изоляционной пленкой.
Затем располагают резистивные ленты 23 и 23' в виде двух полос вдоль основания, для чего резистивные ленты 23 и 23' свободно закрепляют в начале изоляционного основания 26, затем растягивают их вдоль основания 26 в другую сторону до необходимой длины в виде полосок, параллельных боковым сторонам основания. Протягивают ленты 23 и 23', разматывая катушки 12 и 13 и закрепляя концы лент 23 и 23' на другом конце основания и раскладывают на заданной длине нагревателя на движущиеся резистивные ленты 23 и 23' поперечные резистивные полоски 24 для ообразования меандра и межпленочные разделительные элементы 27 из неламинируемого материала. Ламинируют с помощью валиков 19 с подогревом и изоляционной пленки 26, 26' и 26'' слой из резистивных лент 23 и 23' с поперечными прокладками 24 и алюминиевой фольгой 25, и проложенными на расстоянии, определяемом размером будущего электронагревателя, межпленочными разделительными элементами 27 из неламинированного материала. Полученный пакет ламината 28 наматывают на катушку 20 в виде готового полуфабриката.
На этапе получения готового электронагревателя разматывают с катушки 20 полуфабрикат 28 полотна и с помощью сварочного аппарата 22 приваривают поперечные резистивные полоски 24 к резистивным продольным лентам 23 и 23'. Затем вырезают с помощью ножей 21 части лент 23 и 23', получая токопроводящее резистивное поле 29 меандровой формы, и разрезают готовое полотно по межпленочным разделительным элементам 27 на готовые электронагреватели. Далее припаивают к концам резистивной меандровой линии каждого электронагревателя подводящие напряжение провода 30 и закрывают концы каждого нагревателя изоляционной пленкой.
В сравнении с прототипами заявляемые средства изготовления являются более простыми и позволяют получить более высокоэффективный электронагреватель.