ПЛЕНОЧНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к области электрического нагрева и может быть использована при создании пленочного нагревательного элемента, работающего при температурах до 350ºС и позволяющего на его основе создавать приборы и нагревательные системы, предназначенные для использования в бытовой аппаратуре (тепловентиляторы, конвекторы, электропосуда, утюги, котлы, проточные и накопительные водонагреватели, подогреватели пищи и др.), в промышленности (обогреватели промышленных помещений, приборы контроля влажности пищевых продуктов, сушильные шкафы, стерилизаторы, экструдеры и т.п.), в полиграфии, на транспорте и в других областях техники.
Известен толстопленочный резистивный элемент [RU 2054720, 1996], содержащий стальную подложку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным стеклосодержащими слоями, между которыми расположен резистивный слой, в качестве материала изолирующего и защитного слоя использована толстопленочная паста на основе бесщелочных стекол, причем паста для изолирующего слоя выполнена на основе бесщелочного кристаллизующегося стекла, а паста для защитного слоя содержит бесщелочное стекло с керамическим наполнителем, при этом в качестве материала резистивного слоя использована толстопленочная паста на основе порошка никеля с добавками порошка хрома или нихрома и стеклосвязующего. К его недостаткам можно отнести нестабильность параметров, недостаточную надежность, узкие диапазоны питающего напряжения и значений удельной электрической мощности.
Известен нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов [RU 10035, U1, 1999], содержащий основание из стали, верхняя сторона которого является рабочей поверхностью, а на нижней стороне нанесены слой электроизоляционной эмали, толстопленочная резистивная дорожка, содержащая по меньшей мере две спирали, образующие зоны нагрева, защитное диэлектрическое покрытие. Зоны нагрева выполнены в виде трех симметричных относительно центра основания и замкнутых друг с другом секторов, а основание снабжено выполненной в центре его рабочей поверхности антидеформирующей канавкой. Наличие в данном нагревательном элементе нескольких зон нагрева приводит к неравномерному нагреву металлической подложки и ее неравномерной деформации при термическом расширении. И, как следствие этого, при повышенных температурах происходит разрушение электроизоляционной эмали и прогорание резистивных дорожек из-за локального разогрева при электрическом пробое.
Известен нагреватель электрический плоский стальной [RU 2140134, 1999], содержащий стальную подложку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным стеклосодержащими слоями, между которыми расположен резистивный слой. В качестве материала резистивного слоя использована толстопленочная паста на основе соединения борида никеля, а в качестве материала изолирующего и защитного слоев использованы порошок либо толстопленочная паста на основе кристаллизующегося стекло-ситаллоцемента марки СЭ-3. К недостаткам нагревателя можно отнести то, что он передает тепло в обогреваемый объем в основном путем непосредственного контакта и не может использоваться в устройствах для сушки, например, лакокрасочных покрытий и обогрева помещений. А также к неудовлетворительным свойствам вышеуказанного нагревателя можно отнести низкую механическую прочность точечных электрических выводов нагревателя, изготовленного методом сеткотрафаретной печати, вследствие окислительных процессов, протекающих при температурах вжигания контактной пасты и приводящих к ее слабой адгезии с металлическими материалами. Процесс изготовления нагревателей не обеспечивает необходимого сцепления контактной пасты и жгута никелевой или нихромовой проволоки с резистивной дорожкой.
Наиболее близким к предлагаемому является нагревательный элемент, включающий взаимосвязанные между собой и расположенные на одной стороне подложки внутренний электроизоляционный слой, нанесенный на него резистивный слой, расположенный между токоподводящими элементами и выполненный в виде, по меньшей мере, одного пленочного резистивного элемента, в котором на противоположной излучающей стороне подложки расположен, по меньшей мере, один защитный слой, выполненный из композиционного материала на основе алюмофосфатного связующего, модифицированного частицами оксида железа в качестве наполнителя, кроме того, токоподводящие элементы размещены на внутреннем электроизоляционном слое и имеют протяженный контакт с резистивным слоем, при этом пленочный резистивный элемент включает, по меньшей мере, один формообразующий элемент (ПМ №55241). Однако в данном устройстве происходят локальные перегревы по периметру резистивного элемента, приводящие к его разрушению, имеют место недостаточная теплопроводность диэлектрического слоя и подложки и скачки напряжения в местах контактов токоподводящих элементов с резистивным элементом, приводящие к разрушению диэлектрического слоя.
Задачей создания полезной модели является пленочный нагревательный элемент многослойной конструкции, работающий при температуре до 350ºС, с повышенной прочностью, с большой выходной мощностью, надежностью, а также простотой изготовления и длительным временем эксплуатации.
Заявляемый пленочный нагревательный элемент включает взаимосвязанные между собой и расположенные на одной стороне подложки внутренний диэлектрический слой из полимерного неорганического материала на основе алюмофосфатного связующего, модифицированного наночастицами оксида алюминия в качестве наполнителя, нанесенный на него резистивный элемент, к которому присоединены токоподводящие элементы, и дополнительный внешний диэлектрический слой, выполненный из композиционного материала на основе алюмофосфатного связующего, модифицированного наночастицами оксида алюминия. Подложка выполнена из дюралюминия и оксидирована методом электродугового оксидирования.
Внутренний диэлектрический (защитный) слой выполнен из алюмофосфатного связующего, модифицированного наночастицами оксида алюминия в качестве наполнителя, и нанесен на подложку методом центрифугирования. Токоподводящие элементы присоединены к внешней поверхности резистивного элемента и имеют протяженные контакты с ним.
Резистивный элемент выполнен из высокоомного материала в виде фольги (из ленты прецизионных сплавов), который позволяет достичь равномерного разогрева по всей поверхности без локальных перегревов. Внешний диэлектрический слой, закрывающий резистивный элемент и токоподводящие элементы, по составу идентичен внутреннему, выполнен из алюмофосфатного связующего, модифицированного наночастицами оксида алюминия в качестве наполнителя и нанесен на подложку методом центрифугирования.
Нагревательный элемент (см. фиг.) включает подложку 1 с оксидированной поверхностью 2, внутренний диэлектрический слой 3, нанесенный на него резистивный элемент 4, токоподводящие элементы 5, расположенные на внешней стороне резистивного слоя, и внешний диэлектрический слой 6.
Пленочный нагревательный элемент изготавливают следующим образом. В качестве подложки используют жаропрочный коррозийно-стойкий дюралюминий марки Д-16 или другие сплавы с аналогичными свойствами. Обработку поверхности металлической подложки осуществляют химическим обезжириванием, затем проводят кислотное травление (смесью азотной и плавиковой кислот при соотношении 8:1 при температуре 25ºС, в течение 10-15 минут), или обрабатывают мелкодисперсным порошком карбида кремния или кварцевым песком на пескоструйной установке. Поверхность подложки оксидируют методом электродугового оксидирования. Такая поверхность выступает в качестве дополнительного защитного слоя. Внутренний диэлектрический слой выполняют из полимерного неорганического алюмофосфатного связующего, модифицированного наночастицами оксида алюминия в качестве наполнителя. Диэлектрический слой наносят равномерно по всей площади подложки методом центрифугирования в виде сплошного слоя-пленки. Нанесенный диэлектрический слой подвергают сушке при температуре 50-70ºС в течение 10 минут. Операцию повторяют 4 раза для получения слоя необходимой толщины. Затем нанесенные слои вжигают при температуре 150-180ºС в течение 30 минут. С помощью алюмофосфатного связующего приклеивают резистивный элемент, выполненный из высокоомного материала в виде фольги. После этого на внешнюю поверхность резистивного элемента присоединяют токоподводящие элементы, имеющие с ним протяженные контакты. Для получения внешнего диэлектрического слоя используют ту же композицию что и для внутреннего. Внешний диэлектрический слой наносят поверх резистивного и токоподводящего элементов методом центрифугирования в 3-4 слоя. Увеличение толщины защитного диэлектрического слоя не влияет на сцепление материала с подложкой. После нанесения внешнего диэлектрического (защитного) слоя пленочный нагревательный элемент сушат на воздухе в течение 10-15 минут и далее в печи при температуре 50-70ºС в течение 10 минут. Затем проводят операцию вжигания при температуре 150-180ºС в течение 30 минут.
Изготовленный вышеизложенным способом пленочный нагревательный элемент готов к использованию в различных электрических приборах осуществляющих нагревательные функции.
Устройство работает следующим образом. Через токоподводящие элементы нагревателя пропускают электрический ток, в результате чего происходит выделение тепла в резистивном элементе и нагрев подложки до рабочей температуры 300-350ºС. Тепловая энергия с поверхности нагревателя передается поверхностям, предметам и объектам, находящимся в зоне его действия.
Предлагаемый пленочный нагревательный элемент обладает пониженным энергопотреблением, прост в производстве и при эксплуатации, перспективен для производства различных изделий и приборов на его основе, экологичен.