СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОЭЛЕКТРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО ЭЛЕКТРООБОГРЕВАТЕЛЯ
METHOD FOR MANUFACTURE OF MULTI-ELECTRODE COMPOSITE ELECTRIC HEATER

Изобретение относится к области электротехники, в частности к технологии получения нагревательных элементов, и может быть использовано при производстве электрообогревателей для местного обогрева в технических и бытовых условиях.
Известен способ изготовления композиционного электрообогревателя (Пат. РФ №2037895, кл. Н01С 7/00, опубл. 19.06.95 г.), включающий изготовление изоляционных слоев и тепловыделяющего слоя из электропроводящего материала, состоящего из углеродного наполнителя в виде технического углерода, связующего на основе бутилкаучука, пластифицирующего ингредиента в виде стеарина и дополнительных функциональных ингредиентов, размещение тепловыделяющего слоя с электродами и гибкими токоподводами между изоляционными слоями и последующую вулканизацию собранного пакета при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Бутилкаучук
51-57,73
Технический углерод
21,17-28,04
Стеарин
1,54-1,64
Дополнительные функциональные ингредиенты
16,86-19,46,
причем дополнительные функциональные ингредиенты выбраны в следующем соотношении, мас.%:
Оксид цинка
1,54-1,64
Баритовый концентрат
7,75-8,10
Гексахлор-п-ксилол
0,22-0,52
n-трет-Алкил-фенолформальдегидная смола
5,75-7,10
Стабилойл
1,6-2,1.
Недостатком известного способа является то, что не обеспечивается режим саморегулирования температуры на поверхности многоэлектродного композиционного электрообогревателя (МКЭ).
Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления МКЭ, включающий изготовление изоляционных слоев и тепловыделяющего слоя из электропроводящего материала, состоящего из углеродного наполнителя в виде технического углерода, связующего на основе бутилкаучука, пластифицирующего ингредиента в виде стеарина и дополнительных функциональных ингредиентов, размещение тепловыделяющего слоя с электродами и гибкими токоподводами между изоляционными слоями и последующую проводимую в два этапа вулканизацию собранного пакета (Пат. РФ №2075836, кл H05B 3/28, опубл. 20.03.97 г.)
Недостатком известного способа, так же как и в известных аналогах, является то, что не обеспечивается режим саморегулирования температуры, что приводит к неэффективному использованию электроэнергии.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка такого способа изготовления МКЭ, который позволил бы наряду с широкими функциональными и эксплуатационными возможностями обеспечить режим саморегулирования температуры на поверхности без потери необходимых электрофизических характеристик.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления многоэлектродного композиционного электрообогревателя, включающем изготовление изоляционных слоев и тепловыделяющего слоя из электропроводящего материала, состоящего из углеродного наполнителя в виде технического углерода, связующего на основе бутилкаучука, пластифицирующего ингредиента в виде стеарина и дополнительных функциональных ингредиентов; размещение тепловыделяющего слоя с электродами и гибкими токоподводами между изоляционными слоями и последующую проводимую в два этапа вулканизацию собранного пакета, отличающемся тем, что изготовление электропроводящего материала осуществляют смешением бутилкаучука, технического углерода, стеарина и дополнительных функциональных ингредиентов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Бутилкаучук
59-60
Технический углерод
19,50-21,10
Стеарин
1,44-1,53
Дополнительные функциональные ингредиенты
16,86-19,46.
Дополнительные функциональные ингредиенты выбраны при следующем соотношении, мас.%:
Оксид цинка
1,54-1,64
Баритовый концентрат
7,75-8,10
Гексахлор-п-ксилол
0,22-0,52
n-трет-Алкил-фенолформальдегидная смола
5,75-7,10
Масло ПМ
1,6-2,1.
Причем вулканизацию собранного пакета осуществляют на первом этапе в течение 0,5-1 мин при давлении 12-13 МПа, а на втором этапе - в течение 30-35 мин при давлении 11-11,5 МПа.
В современных промышленных производствах приготовления бутиловых смесей в качестве вулканизирующего ингредиента используют парафино-нафтеновое масло марки ПМ как наиболее экологически чистый компонент по сравнению с ранее применяемыми стабилойлом. Поэтому в состав предложенной композиции вместо стабилойла (Пат. РФ №2037895, кл. Н01С 7/00, опубл. 19.06.95 г.) в качестве дополнительного функционального ингредиента введено масло ПМ без изменения соотношения мас.%.
Сущность изобретения поясняется фиг.1.
На фиг.1 представлен способ изготовления многоэлектродного композиционного электрообогревателя. Тепловыделяющий слой 1 размещают между изоляционными слоями 2, в электропроводящем слое 1 размещают систему электродов 3 из металлической сетки, например медной или латунной, к электродам 3 предварительно припаивают гибкие токоподводы 4, выходящие из конструкции электрообогревателя в изоляционной оболочке 5. Собранный пакет вулканизируют в два этапа при температуре 172-174°C, на первом этапе - в течение 0,5-1 мин при давлении 12-13 МПа, а на втором этапе - в течение 30-35 мин при температуре 165-167°C и давлении 11-11,5 МПа.
Уменьшение давления ниже указанного предела (ниже 12 МПа) и сокращение времени вулканизации на первом этапе (менее 0,5 мин) не позволяют получить требуемых электрических параметров электрообогревателя.
Снижение давления на втором этапе технологического процесса вулканизации (ниже 11 МПа) и уменьшение времени (менее 30 мин) не позволяют получить изделие, отвечающее требованиям ГОСТ Р 52161.1-2004 (МЭК 60335-1:2001).
ρ
v
Таким образом, направленным изменением композиции электропроводящего слоя МКЭ и параметров технологического режима его изготовления получены электрообогреватели МКЭ с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления α, что соответствует уменьшению удельного объемного сопротивления электропроводящего слоя ρ с увеличением температуры на поверхности МКЭ.
v
Для исследования зависимости ρ от изменения температуры Т МКЭ была выбрана партия электрообогревателей в количестве 5 шт, изготовленных в соответствии с предлагаемым способом.
Измерения проводились при температуре окружающей среды 18-20°C, образец располагали на деревянном основании, на электрообогреватель через каждые пять минут в течение первого часа и через каждые десять в течение второго подавалось напряжение 220 В частотой 50 Гц; измерялись напряжение, ток и температура на поверхности электрообогревателя.
v
v
Характер приведенных зависимостей ρ=f(T) после выхода на рабочий режим (фиг.2) свидетельствует об отрицательном температурном коэффициенте, присущем полимерным полупроводниковым материалам, и показывает преобладание связей проводящий наполнитель - проводящий наполнитель по отношению к связям полимер - проводящий наполнитель в резистивной фазе КМ, сложившееся в результате усиления тепловой эмиссии электронов в бутилкаучуковой матрице, увеличения их подвижности и осуществления перемещения зарядов в местах разрыва токопроводящих цепочек за счет туннельного эффекта. Это обстоятельство и делает возможным работу МКЭ в энергоэффективном режиме саморегулирования. Установлено, что характер зависимости ρ=f(T) аналогичен для образцов всей партии, среднее отклонение составило не более 7% от измеряемой величины.
v
ρ
Работа МКЭ в технологическом режиме саморегулирования позволяет регулировать расход электроэнергии на местный обогрев, например молодняка животных в зависимости от условий теплообмена. Принцип действия саморегулируемого МКЭ состоит в том, что при отсутствии животных обогреватель нагревается до достаточной для их привлечения температуры. При нахождении молодняка на электрообогревателе теплоотдача в месте контакта снижается, что приводит к увеличению температуры и уменьшению его сопротивления. Уменьшение сопротивления ρ в зоне контакта животных с тепловыделяющей поверхностью МКЭ сопровождается дополнительным увеличением мощности и установлением необходимой температуры. Для реализации режима саморегулирования МКЭ электропроводящий слой должен обладать отрицательным α. Применение саморегулируемых МКЭ позволяет существенно снизить расход электрической энергии на местный обогрев молодняка животных. Кроме того, поскольку процесс регулирования происходит за счет самоорганизации структуры электропроводящего слоя с изменением условий теплообмена, отпадает необходимость в дополнительных элементах автоматики и линий связи для регулирования температуры.
Таким образом, по сравнению с известными аналогами заявляемый способ изготовления многоэлектродного композиционного электрообогревателя позволяет обеспечить энергоэффективный режим функционирования электрообогревателя с саморегулированием температуры на поверхности без потери необходимых эксплуатационных и электрофизических характеристик.