ГИБКИЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к области электрического нагрева и может быть использована при создании гибкого электронагревательного элемента, позволяющего на его основе изготавливать электронагревательные элементы для местного обогрева в технических и бытовых условиях.
Известны материалы, состоящие из высоко проводящих саж и растворов полимерных связующих, которые широко применяются для изготовления пленочных нагревателей с небольшой температурой нагрева (теплые полы и т.д.).
Известен способ изготовления полимерного, например, стеклопластикового электронагревателя (RU 2074519), в частности, получение резистивного материала в составе нагревателя с поверхностным сопротивлением 30-160 Ом на квадрат, для этого наносят на электроизоляционную подложку путем ее пропитки с уплотнением токопроводящего слоя на основе углерода элементного, графита и модифицированной феноло-формальдегидной смолы с образованием резистивного элемента. Наносят на него слои, пропитанные эпоксидным, или эпоксифенольным, или феноло-формальдегидным связующим для образования электроизоляционного покрытия. Затем прессуют все слои при соответствующих температурно-временных режимах и давлении резистивный элемент перед нанесением на него электроизоляционного покрытия стопируют с аналогичными резистивными элементами и в стопированном виде термообрабатывают (отверждают) при температуре 130-140°C в течение 10-12 мин на каждый миллиметр толщины стопы. После термообработки извлекают из стопы, каждый резистивный элемент и наносят на него слои электроизоляционного покрытия с содержанием связующего в прилегающих к резистивному элементу слоях в 1,2-1,27 раза меньшем, чем в наружных, равном 40-47 мас.%.
Недостаток способа - необходимость пропитки стеклоткани от 1 до 3 раз и стопирование, т.е. использование нескольких слоев проводящей стеклоткани для достижения необходимой низкой резистивности материала.
Известен электронагреватель (RU 130374 U), содержащий тонкослойный гибкий неметаллический нагревательный элемент, подключенный к электропитанию. Гибкий неметаллический нагревательный элемент представляет собой токопроводящий слой на основе углеродистой композиции, надежно запаянный между двумя слоями прочной лавсановой пленки. При подключении к электрической сети гибкий неметаллический греющий элемент нагревается до температуры 70°C.
В качестве недостатка таких нагревателей можно отметить, что такие нагревательные элементы обладают ограниченным диапазоном удельного электрического сопротивления. Максимально декларируемая температура эксплуатации в 70°C недостаточна для инфракрасных обогревателей как бытовых, так и промышленных, что обусловлено недостаточно высокой удельной электропроводностью резистивного материала, применяемого в нагревателях, а также низкой термостойкостью некоторых конструкционных материалов, например клеев.
2
Из уровня техники известен гибкий нагревательный резистивный элемент (RU 151642 U, опубликовано 10.04.2015), содержащий тканевую основу и токопроводящий резистивный слой на основе углеродистой композиции, отличающийся тем, что токопроводящий резистивный слой сформирован на основе резистивного углеродного композиционного материала в виде коллоидной суспензии, нанесенного на термостойкую тканевую основу; при этом резистивный углеродный композиционный материал содержит технический углерод с высокоразвитой удельной площадью поверхности 300÷600 м/г и выше, с размером частиц от 10 до 50 нм в сочетании с коллоидными графитовыми препаратами с размерами частиц графита менее 4 мкм в растворе термостойкого полимерного связующего.
Технической проблемой аналога является то, что при подключении устройства к источнику питания, электрический ток протекает по установленным токоподводам (сведения о конструкции которых и месте закрепления в прототипе не раскрыты), через резистивный композиционный слой нагревательного элемента и равномерно нагревает всю поверхность гибкого нагревательного элемента.
Таким образом, в случае надлома или повреждения в любом месте любого токопровода на любом участке весь гибкий нагреватель прекратит работу. Тем самым, решение согласно данному аналогу технически уязвимо при повреждениях.
Кроме того, технология получения частиц графита размерами менее 4 мкм трудоемка и дорога, а кроме того, процесс внесения такого мелкого порошка требует особых условий производства для удержания порошка от распыления, что усложняет процесс изготовления нагревательного элемента.
Известна проводящая композиция (RU 2344574, опубликовано 20.01.2009), образуемая из смеси жидкого силиконового каучука и порошка графита, в которой массовое соотношение между жидким силиконовым каучуком и порошком графита составляет 100:10˜150. Проводящая композиция может быть отформована в виде сетки, пластины, стержня, кольца или бруска или она может быть намазана или нанесена на каркасный шаблон и отверждена. Входные участки представляют собой покрытые оловом медные проволоки или серебряные проволоки.
Решение принято за прототип. Оно обеспечивает возможность изготовления полезной модели в произвольных формах и размерах, а также позволяет размещать устройство на любых опорных поверхностях различной формы.
Техническим результатом прототипа является повышение термостойкости, зимостойкости, озоностойкости, электрической изоляции, гибкости, которая в основном достигается за счет применения жидкого силиконового каучука для проводящей композиции, поскольку он проявляет повышенную термостойкость, зимостойкость, озоностойкость, электрическую изоляцию и гибкость.
Технической проблемой прототипа является то, что входные участки выполнены из проводящей металлической проволоки с повышенной проводимостью, причем в качестве проводящей металлической проволоки использована покрытая оловом медная проволока или серебряная проволока, обладающие повышенной проводимостью.
Таким образом, в случае надлома или повреждения в любом месте любой из проводящей проволок на любом участке вся гибкая сетка прекратит работу. Тем самым, решение согласно данного прототипа технически уязвимо при повреждениях.
Кроме того, в прототипе не описано, какая именно применяется ткань, указано лишь то, что ткань образована из утка и основы. Соответственно, в случае использования обычной ткани изделие является пожароопасным и легко плавится в случае повреждения одной из проводящей проволок, поскольку в этом случае нагрузка на неповрежденные участки нагревательного элемента резко возрастет.
Задачей полезной модели является создание термостойкого гибкого электронагревательного элемента, который сохранял бы преимущества прототипа в части возможность изготовления полезной модели в произвольных формах и размерах, и возможность размещать устройство на любых опорных поверхностях различной формы, и при этом устранял бы его технические проблемы.
Техническим результатом являются:
- повышение надежности в работе и снижение уязвимости при повреждениях;
- повышение пожарной безопасности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен гибкий электронагревательный элемент, содержащий каркасную тканевую основу и токопроводящий резистивный слой на основе композиционной смеси эластичного связующего, имеющего в составе силиконовый каучук, и токопроводящего наполнителя, имеющего в составе графит, а питание элемента осуществляется посредством токопроводящих входных участков, расположенных вдоль краев гибкого электронагревательного элемента и параллельных друг другу, отличающийся тем, что в качестве каркасной основы использована термостойкая ткань, а токопроводящие входные участки выполнены в виде шинопроводов и закреплены с одной из сторон гибкого электронагревательного элемента на клейкий слой.
Допустимо, что шинопроводы расположены снаружи или внутри токопроводящего резистивного слоя на основе композиционной смеси силиконового каучука и токопроводящего наполнителя, имеющего в составе графит.
Предпочтительно шинопроводы выполнены из фольги или медной ленты.
Предпочтительно шинопроводы выполнены в виде ленты с клейкий слоем и с возможностью закрепления к гибкому электронагревательному элементу на месте установки.
Предпочтительно использован дополнительный шинопровод, расположенный между двумя основными, функцией которого является подключение к заземлению.
Предпочтительно токопроводящий наполнитель имеет размеры частиц фракций до 130 мкм.
В качестве термостойкой ткани использована стеклоткань, либо кремнеземная ткань, либо базальтовая ткань, либо ровинговая ткань.
Предпочтительно в составе токопроводящего наполнителя использован коллоидный графит.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показано устройство полезной модели (вид сверху).
На Фиг.2 показано устройство полезной модели (вид с торца в увеличении).
На Фиг.3 показано устройство полезной модели (вид сверху с заземлением).
На Фиг.4 показан пример формования изделия согласно полезной модели методом каландрирования (F каландр).
На Фиг.5 показан пример формования изделия согласно полезной модели методом каландрирования (Z каландр).
2
На Фиг.6 показан пример формования изделия согласно полезной модели методом ракельного покрытия (при формировании покрытия менее 100 г/м).
2
На Фиг.7 показан пример формования изделия согласно полезной модели методом ракельного покрытия (при формировании покрытия от 50 до 1 г/м).
На чертежах: 1 - гибкий электронагревательный элемент, 2 - шинопровод, 3 - термостойкая ткань, 4 - токопроводящий наполнитель (графит), 5 - эластичное связующее, 6 - клеевой слой, 7 - дополнительный шинопровод заземления, 8 - лезвие ракеля, 9 - жидкая резина, 10 - твердый силиконовый каучук.
Осуществление полезной модели
Гибкий электронагревательный элемент (см. Фиг.1, Фиг.2) содержит каркасную тканевую основу и токопроводящий резистивный слой на основе композиционной смеси эластичного связующего 5, имеющего в составе силиконовый каучук, и токопроводящего наполнителя 4, имеющего в составе графит.
Питание элемента осуществляется посредством токопроводящих входных участков, расположенных вдоль краев гибкого электронагревательного элемента и параллельных друг другу.
Новым является то, что в качестве каркасной основы использована термостойкая ткань 3, а токопроводящие входные участки выполнены в виде шинопроводов 2 и закреплены с одной из сторон гибкого электронагревательного элемента 1 на клейкий слой 6.
Термостойкая ткань 3 обеспечивает повышение пожарной безопасности при росте токовой нагрузки в тех местах, где гибкий электронагревательный элемент 1 может быть частично поврежден надрывом или проколом.
Повышение надежности в работе и снижение уязвимости при повреждениях термостойкая ткань дает за счет исключения ее плавления в случае повреждения в определенных местах полотна, когда нагрузка на неповрежденные участки электронагревательного элемента резко возрастет. При этом термостойкая ткань 3 и весь гибкий электронагревательный элемент 1 продолжают свою работу стабильно.
А за счет того, что токопроводящие входные участки выполнены в виде шинопроводов 2 и расположены вдоль краев гибкого электронагревательного элемента параллельно друг другу, их полное повреждение (обрыв контакта) маловероятно, поскольку основные места повреждений электронагревательного элемента - это его тканевая часть, которая подвержена внешнему механическому воздействию.
Например, если гибкий электронагревательный элемент 1 используется для нагрева пола, то шинопроводы 2 размещаются у плинтусов, где маловероятно их повредить полностью.
Кроме того, использование именно шинопроводов 2 само по себе почти исключает риск надлома или обрыва их полностью. Без внешнего воздействия возможен краевой надрыв или изгиб шинопровода 2 при различных изгибах электронагревательного элемента 1 в момент установки на опорной поверхности, но не полный разрыв шинопровода 2.
Таким образом, использование шинопроводов 2 дает повышение надежности в работе и снижение уязвимости при повреждениях, и как следствие - обеспечивает повышение пожарной безопасности.
За счет того, что шинопроводы 2 крепятся с одной из сторон гибкого электронагревательного элемента 1 на клейкий слой 6, можно устанавливать их непосредственно на месте установки, что позволяет разумно размещать их в местах помещения, где нет или очень мало внешнего воздействия (например, у плинтусов). А это способствует повышению надежности в работе и снижение уязвимости при повреждениях, и как следствие - дает повышение пожарной безопасности.
Кроме того, крепление шинопроводов 2 с одной из сторон гибкого электронагревательного элемента 1 на клейкий слой 6 дает возможность устанавливать гибкий электронагревательный элемент 1 шинопроводами 2 вниз, что также способствует повышению надежности в работе и снижение уязвимости при повреждениях, поскольку через тканевой полотно шинопроводы 2 повредить сложнее. Аналогично вышеуказанному, как следствие - это также дает повышение пожарной безопасности.
Шинопроводы 2 могут быть выполнены, например, из фольги или медной ленты, либо иного токопроводящего ленточного материала.
При использовании дополнительного шинопровода 7, расположенного между двумя основными 2, его можно использовать для подключения к заземлению. Это также способствует повышению надежности в работе и снижение уязвимости при повреждениях, поскольку в случае механического повреждения шинопровода нагрузки шинопровод заземления возьмет на себя функцию нагрузки, исключит перегрев и возгорание устройства, что еще обеспечит повышение пожарной безопасности.
В качестве термостойкой ткани 3 может быть использована стеклоткань, либо кремнеземная ткань, либо базальтовая ткань, либо ровинговая ткань.
В качестве токопроводящего наполнителя 4 может быть использован коллоидный графит.
Его использование позволяет изготавливать устройство согласно полезной модели несложным образом. При этом, такой токопроводящий наполнитель имеет размеры частиц фракций до 130 мкм, что исключает проблему, характерную для аналога RU151642U - трудоемкость процесса внесения более мелкого порошка и особые условия производства для удержания порошка от распыления.
Дополнительным термостойким эластичным связующим 5 токопроводящего наполнителя 4 могут являться термостойкие каучуки, лаки, смолы.
При этом очевидно, что устройство согласно полезной модели может быть изготовлено в произвольных формах и размерах, и его можно размещать на любых опорных поверхностях различной формы как и прототип, поскольку заявленное устройство представляет собой гибкий электронагревательный элемент, содержащий каркасную тканевую основу, которую можно выполнить любых форм и размеров.
А за счет того, что питание элемента осуществляется посредством токопроводящих входных участков, расположенных вдоль краев гибкого электронагревательного элемента и параллельных друг другу, причем токопроводящие входные участки выполнены в виде шинопроводов 2 и закреплены с одной из сторон гибкого электронагревательного элемента 1 на клейкий слой 6, их расположение можно регулировать в зависимости от форм и размеров опоры, куда крепится гибкий электронагревательный элемент (т.е. как было показано выше - можно устанавливать их непосредственно на месте установки). Тем самым, исключается влияние формы и размеров гибкого электронагревательного элемента от конкретного места закрепления к нему шинопроводов. Важным является лишь закрепление шинопроводов 2 у края гибкого электронагревательного элемента 1, что возможно осуществить с учетом выбора любой формы и размеров гибкого электронагревательного элемента.
Гибкий электронагревательный элемент может быть изготовлен следующим образом.
Процесс изготовления включает смешивание проводящей композиции, образуемой из жидкого силиконового каучука и наполнителя, перемешивание смеси жидкого силиконового каучука и токопроводящего графита, и формование смеси для придания ей определенной формы и отверждение отформованной смеси.
2
2
При формовании может использоваться метод ракельного нанесения (Фиг.6, Фиг.7). Пример формования изделия согласно полезной модели методом ракельного покрытия, с использованием жидкой резины 9 показан на Фиг.6 при формировании покрытия менее 100 г/м и на Фиг.7 при формировании покрытия от 50 до 1 г/м.
Также может применяться экструзионный метод, метод погружения и другие стандартные методы.
Композиция связующего из силиконового каучука и токопроводящего графита может наноситься всеми обычными способами нанесения покрытия для текстиля.
Наиболее распространенными методами являются ракельное покрытие для жидких силиконов и каландрирование для твердых силиконов.
Во время процесса каландрирования (см. примеры Фиг.4) твердый силиконовый каучук 10 прокатывается до желаемой толщины пленки, наносится на текстиль под давлением и затем подвергается термическому сшиванию. Толщина пленки обычно составляет 1-2 мм.
Напротив, ракельное покрытие идеально подходит для нанесения более тонких пленок (см. Фиг.5). В этом способе жидкие силиконовые пасты наносятся вручную или автоматически перед лезвием 8 из твердой резины. Сдвиговое усилие, приложенное к лезвию 8, равномерно распределяет силиконовый каучук 10 и позволяет ему пропитывать ткани, что приводит к хорошей адгезионной связи. Расстояние между лезвием 8 и текстилем определяет полученную толщину покрытия. Если масса покрытия очень низкая, лезвие ракеля 8 из твердой резины прижимается непосредственно к текстилю, что позволяет покрывать тонкие, приблизительно 10 мкм. Экспертиза и точная настройка реологических свойств силиконо-графитовой пасты являются ключевыми факторами в получении отличных результатов покрытия при помощи ракельного покрытия. При этом шинопроводы 2 могут накладываться как под силиконо-графитовый слой, так и на него.
2
2
Электронагревательный элемент согласно полезной модели может быть использован при различном напряжении от 5V до 700V, с различной мощностью на квадратный метр от 2 Вт на 1 м до 2 КВт на 1 м. Электронагревательный элемент имеет возможность обеспечивать рабочую температуру в пределах от 30°С до 250°С. Данные параметры элемента регулируются количеством наполнителя в токопроводящем слое, а также толщиной токопроводящего слоя. Элемент может иметь различную электроизоляционную прочность в зависимости от условий эксплуатации и поставленных задач.