ГИБКИЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей относится к области электротермии, в частности к гибким листовым нагревательным элементам для обогрева жилых помещений и производственных зданий в качестве основного или дополнительного отопления.
Из существующего уровня техники известен пленочный электронагреватель содержащий плоский, меандровой формы резистивный нагревающий и излучающий элемент из фольги в виде непрерывной ленты из прецизионного токопроводящего материала, расположенного между двумя гибкими термостойкими электроизоляционными пленками и снабженный выводами для подключения к электрической сети. Электронагреватель снабжен излучающим элементом в виде алюминиевой фольги, установленной между внешней электроизоляционной пленкой и резистивным нагревающим и излучающим элементом и отделенной от резистивного нагревающего и излучающего элемента электроизолирующей пленкой толщиной не более 30 мкм (см., напр., RU 2321188, опубл. 20.06.2001).
Также из существующего уровня техники известен гибкий электронагреватель, являющийся, по мнению Заявителя, наиболее близким аналогом и включающий два слоя гибкой электроизоляционной пленки, между которыми размещен нагревающий и излучающий элемент меандровой формы, снабженный токопроводом для заземления и выводами для подключения к электрической сети или другому электронагревателю, и отражающий элемент, установленный с внешней стороны одной из электроизоляционных пленок (см., напр, RU 89795, опубл. 10.12.2009 или RU 2443081, опубл. 20.02.2012).
Недостатком вышеописанных гибких электронагревателей является недостаточная электробезопасность устройства. При подключении пленочного нагревателя к электрической сети и прохождении электрического тока по параллельным полосам резистивного элемента меандровой формы между параллельными отрезками нагревающего и излучающего элемента возникает электромагнитная индукция, а на поверхности излучающего элемента электрический потенциал. В случае повреждения устройства при эксплуатации внешней электроизоляционной пленки разность потенциалов может достигать половины напряжения питающей сети.
2
Также из существующего уровня техники известен гибкий электронагреватель, являющийся наиболее близким аналогом и включающий два слоя гибкой электроизоляционной пленки, между которыми размещен нагревающий и излучающий элемент, снабженный токопроводом для заземления и выводами для подключения к электрической сети или другому электронагревателю, и отражающий элемент, установленный на внешней стороны одной из электроизоляционных пленок, нагревающий и излучающий элемент имеет удельное сопротивление 0,7-1,2 Ом/ммм, выполнен в виде полосок фольги или нитей из прецизионного сплава, соединенных и уложенных (расположенных) по бифилярной схеме и имеющих попарно спаренные параллельные отрезки, образующие бифилярные ветви, причем расстояние между попарно спаренными параллельными отрезками каждой бифилярной ветви нагревающего и излучающего элемента составляет 5-10 мм (см. напр., RU 124103, опубл. 10.01.2013)
Недостатком известного пленочного нагревателя является высокая стоимость, обусловленная применением в его конструкции прецизионного токопроводящего материала для изготовления резистивного нагревающего и излучающего элемента, кроме этого фольга из прецизионных сплавов имеет высокую хрупкость, трудно поддается резке на полоски, имеет высокий коэффициент температурного расширения, и нестабильные параметры удельного электрического сопротивления. В процессе изготовления и эксплуатации нагревателей происходит излом полосок и выход из строя нагревателя, возможен прожег пленки из-за короткого замыкания.
Задачей, на решение которой направлено данное техническое решение, является создание надежного устройства за счет повышения его электробезопасности.
2
Указанная задача по первому варианту выполнения устройства решается за счет того, что в гибком электронагревателе, включающем два слоя гибкой электроизоляционной пленки, между которыми размещены отражающий элемент, а также нагревающий и излучающий элемент, снабженный токопроводом для заземления и выводами для подключения к электрической сети или другому электронагревателю, имеющий удельное сопротивление 0,7-1,2 Ом/(ммм) и выполненный в виде полосок фольги или нитей, соединенных и расположенных по бифилярной схеме и имеющих попарно спаренные параллельные отрезки, образующие бифилярные ветви, причем расстояние между попарно спаренными параллельными отрезками каждой бифилярной ветви нагревающего и излучающего элемента составляет 5-10 мм, согласно техническому решению, в качестве электроизоляционной пленки выбрана биориентированная полиэтилентерефталатная пленка для двухстороннего ламинирования, нагревающий и излучающий элемент выполнен из аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали, а отражающий элемент установлен на внутренней стороне одной из электроизоляционных пленок и выполнен в виде металлизированной биориентированной полиэтилентерефталатной двухслойной пленки, предпочтительно, фольги Майлара.
Электроизоляционная пленка может быть выполнена трехслойной или пятислойной. Отражающий элемент может быть отделен от нагревающего и излучающего элемента электроизоляционной двухслойной биориентированной полиэтилентерефталатной пленкой толщиной не менее 75 мкм.
Нагревающий и излучающий элемент может быть выполнен из аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали с содержанием химических элементов при следующем соотношении, мас.%:
Углерод
<0,15
Кремний
<1
Марганец
5,5-8
Никель
3,5-5,5
Хром
16-18
Сера
<0,03
Фосфор
<0,06
Железо
остальное.
Нагревающий и излучающий элемент может быть выполнен из аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали с содержанием входящих в нее химических элементов при следующем соотношении, мас.%:
Углерод
0,08-0,15
Кремний
0,75-1,0
Марганец
1,25-2,0
Никель
9,0-10,5
Хром
18,0-20,0
Сера
<0,03
Фосфор
<0,045
Железо
остальное.
Расстояние между бифилярными ветвями может быть не менее 25 мм.
Соотношение толщин отражающего элемента и электроизоляционных пленок может составлять не более 0,6.
Соединение полосок греющего и излучающего элемента в бифилярные ветви может быть выполнено со сваркой по двум концам перемычек.
Гибкий электронагреватель может быть дополнительно снабжен устройством защитного отключения.
2
Указанная задача по второму варианту выполнения устройства решается за счет того, что в гибком электронагревателе, включающем два слоя гибкой электроизоляционной пленки, между которыми размещены отражающий элемент, а также нагревающий и излучающий элемент, снабженный токопроводом для заземления и выводами для подключения к электрической сети или другому электронагревателю, имеющий удельное сопротивление 0,7-1,2 Ом/(ммм) и выполненный в виде полосок фольги или нитей, соединенных и расположенных по бифилярной схеме и имеющих попарно спаренные параллельные отрезки, образующие бифилярные ветви, причем расстояние между попарно спаренными параллельными отрезками каждой бифилярной ветви нагревающего и излучающего элемента составляет 5-10 мм, согласно техническому решению, в качестве электроизоляционной пленки выбрана биориентированная полиэтилентерефталатная пленка для двухстороннего ламинирования, нагревающий и излучающий элемент выполнен из аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали, а отражающий элемент установлен на внутренней стороне одной из электроизоляционных пленок и выполнен в виде фольги из алюминиевого сплава оклеенной с одной или двух сторон двухслойной биориентированной полиэтилентерефталатной пленкой.
Толщина фольги может быть 12-20 мкм.
В качестве электроизоляционной пленки может быть выбрана биориентированная полиэтилентерефталатная трехслойная или пятислойная пленка для двухстороннего ламинирования.
Отражающий элемент может быть отделен от нагревающего и излучающего элемента электроизоляционной двухслойной биориентированной полиэтилентерефталатной пленкой толщиной не менее 75 мкм.
Нагревающий и излучающий элемент может быть выполнен из аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали с содержанием химических элементов при следующем соотношении, мас.%:
Углерод
0,15
Кремний
<1
Марганец
5,5-8
Никель
3,5-5,5
Хром
16-18
Сера
<0,03
Фосфор
<0,06
Железо
остальное
Нагревающий и излучающий элемент может быть выполнен из аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали с содержанием входящих в нее химических элементов при следующем соотношении, мас.%:
Углерод
0,08-0,15
Кремний
0,75-1,0
Марганец
1,25-2,0
Никель
9,0-10,5
Хром
18,0-20,0
Сера
<0,03
Фосфор
<0,045
Железо
остальное.
Расстояние между бифилярными ветвями может быть не менее 25 мм. Соотношение толщин отражающего элемента и электроизоляционных пленок может составлять не более 0,6.
Соединение полосок греющего и излучающего элемента в бифилярные ветви может быть выполнено со сваркой по двум концам перемычек.
Гибкий электронагреватель может быть дополнительно снабжен устройством защитного отключения.
Технический результат, обеспечиваемый приведенными совокупностями признаков в обоих вариантах его изготовления, заключается в обеспечении надежности устройства за счет повышения его электробезопасности посредством выполнения гибкого электронагревателя предложенной конструкции. Причинно-следственная связь признаков заявленного технического решения и получаемого технического результата приведена ниже.
1
2
Бифилярная схема укладки нагревающего и излучающего элемента является разновидностью меандровой схемы. Меандр - геометрический рисунок с равно удаленными параллельными полосками, располагаемыми по плоскости нагревателя, а бифилярная схема укладки - сдвоенная находящаяся на минимально допустимом расстоянии укладка двух параллельных проводников, рассредоточенных по поверхности гибкого электронагревателя в виде бифилярных ветвей. И по одной и по другой схеме нагревательный и излучающий элемент изгибается под прямым углом таким образом, что направления тока в соседних параллельных отрезках противоположны. Отличие состоит в том, что при бифилярной схеме расположения ветви с противоположным направлением движения тока спарены, т.е. находятся на расстоянии друг от друга меньшем, чем расстояние между аналогичными бифилярными ветвями элемента. При прохождении электрического тока по проводникам, уложенным по меандровой схеме, не происходит компенсации электромагнитных полей, поскольку это плоская катушка. Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот. Опыты показали, что модуль F силы, действующей на отрезок длиной Δl каждого из проводников прямо пропорционален силам тока I и I в проводниках, длине отрезка Δl и обратно пропорционален расстоянию К между ними.
где F - модуль силы Ампера (Н);
1
2
I, I - силы тока в отрезках проводников (А);
Δl - длина отрезков проводников (м);
R - расстояние между проводниками (м).
Таким образом, закон Ампера подтверждает, что при увеличении расстояния между проводниками сила взаимодействия между электромагнитными полями уменьшается.
2
Авторами заявленной полезной модели проведены лабораторные исследования зависимости величины электрической и магнитной индукции на поверхности гибкого электронагревателя, от расстояния между полосками греющего и излучающего элемента с различным шагом бифилярной укладки. Нагревающий и излучающий элемент выполнен в виде полосок фольги в одном опыте и нитей из токопроводящего материала в другом и имеет удельное сопротивление 0,7-1,2 Ом/ммм. Напряжение питания электронагревателя - 220 В. Ток, протекающий через греющий и излучающий элемент - 1А. Мощность нагревателя 220 Вт. Результаты измерений сведены в таблицу.
Измерения производились при помощи следующих электроизмерительных приборов:
- цифрового мультиметра - напряжение, величина тока;
- индикатором электромагнитных полей промышленной частоты тип ВЕ-50-И - величина напряженности электрического и магнитного полей.
Перед началом проведения опытов выполнен замер фоновой величины электромагнитного поля в лаборатории. Фоновые величины составили: напряженность электрического поля E=0,092 Кв/м; напряженность магнитного поля B=0,511 мкТл. Справочно-предельные уровни: E=500 В/м; B=5 мкТл.
2
В результате описанных опытов был сделан вывод о том, что результатом применения бифилярной схемы укладки нагревающего и излучающего элемента в виде полосок фольги или нитей из токопроводящего материала, имеющего удельное электрическое сопротивление 0,7-1,2 ом/ммм при расстоянии между полосками или нитями 5-10 мм является практическое отсутствие электромагнитного излучения в виду компенсации электромагнитных полей двух спаренных отрезков проводников бифилярной ветви, что повышает его электробезопасность в обоих вариантах выполнения устройства.
Выполнение нагревающего и излучающего элемента из аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали обеспечивает повышение его электробезопасности в обоих вариантах выполнения устройства, поскольку аустенитная хромоникелевая нержавеющая сталь имеет в своем составе высокое содержание хрома (13-20%), что способствует образованию на поверхности металла защитной пленки оксида Cr2O3, повышающей коррозионную стойкость металла. Никель, а его содержание в данной стали также высоко, является аустенитообразующим элементом, сильно понижающим критические точки γ-α превращения, благодаря чему после охлаждения на воздухе до комнатной температуры материал имеет структуру аустенита. В результате этого вышеназванная сталь имеет лучшие технологические свойства по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, лучше сваривается. Она сохраняет прочность до более высоких температур, менее склонна к росту зерна при нагреве и не теряет пластичности при низких температурах. Его жаростойкость, низкий коэффициент температурного расширения и стабильное электрическое сопротивление исключает излом полосок при динамическом режиме работы, что обеспечивает повышение электробезопасности устройства в целом.
В качестве электроизоляционной пленки в обоих вариантах выполнения устройства выбрана биориентированная (двухосноориентированная, биаксиально ориентированная) полиэтилентерефталатная пленка для двухстороннего ламинирования. Это пленка с одинаковой (равной) ориентацией в двух направлениях, имеющая равную поперечную и продольную прочность, изготовленная методом коэкструзии с применением двойного раздува из линейного полиэтилентерефталата и полной вытяжкой материала в обоих направлениях. Благодаря процессу биаксиальной ориентации за счет изменений в морфологии молекулярного строения пленка приобретает великолепные механические свойства, например жесткость, прочность на разрыв, удар или прокол; герметичность по отношению к влажности и пару; высокую устойчивость к маслам, жирам, растворителям, а также теплостойкость и хладостойкость; безусадочность и устойчивость к царапанию. Выполнение электроизоляционной пленки из материла, имеющего перечисленные свойства способствует сохранению целостности устройства при его использовании в любых условиях (механическое или химическое воздействие, перепад температур и т.д.), что совместно со свойствами самого полиэтилетерефталата, заключающимися в высоком тепловом сопротивлении и превосходных изолирующих свойствах, обеспечивает повышение электробезопасности изделия в целом.
Заявленный гибкий электронагреватель, как и другие гибкие нагреватели, возможно рассматривать с точки зрения плоского конденсатора, одной из обкладок которого является греющий и излучающий элемент, распределенный по поверхности нагревателя, отделенный от второй обкладки, отражающего элемента, диэлектриком (пленкой). Конденсаторы характеризуются пробивным напряжением - разностью потенциалов между обкладками конденсатора, при котором происходит пробой - возникает электрический разряд через слой диэлектрика в конденсаторе. Это пробивное напряжение зависит от свойств диэлектрика и его толщины. Поэтому для устранения этого пробоя с целью повышения электробезопасности заявленного устройства в обоих вариантах его исполнения отражатель выполнен на основе биориентированной полиэтилентерефталатной двухслойной пленки, свойства которой описаны выше. С целью препятствия образованию воздушного зазора между обкладкой конденсатора и диэлектриком, который может привести к возникновению электрических дуг, и, как следствие, к разрушению слоя резистивного материала (фольги) в первом варианте исполнения отражающий элемент выполнен в виде металлизированной биориентированной полиэтилентерефталатной двухслойной пленки, изготовленной методом осаждения на пленку алюминия, предпочтительно, фольги Майлара, а во втором - в виде фольги из алюминиевого сплава, оклеенной с одной или двух сторон двухслойной биориентированной полиэтилентерефталатной пленкой.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, не охватывающими и, тем более, не ограничивающими объем притязаний по данному решению, а лишь являющимися иллюстрирующими материалами частных случаев выполнения устройства. На чертежах изображено:
на фиг. 1 - общий вид гибкого электронагревателя в плане;
на фиг. 2 - разрез по сечению А-А;
на фиг. 3 - схема соединения греющего и излучающего элемента.
2
Гибкий электронагреватель включает два слоя гибкой электроизоляционной пленки 1, между которыми размещены отражающий элемент 2, а также нагревающий и излучающий элемент 3. Нагревающий и излучающий элемент 3 снабжен токопроводом 4 для заземления и выводами 5 для подключения к электрической сети или другому электронагревателю. Нагревающий и излучающий элемент 3 имеет удельное сопротивление 0,7-1,2 Ом/(ммм), выполнен из аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали в виде полосок фольги или нитей, соединенных и расположенных по бифилярной схеме и имеющих попарно спаренные параллельные отрезки 6, 7, образующие бифилярные ветви 8. Расстояние между попарно спаренными параллельными отрезками каждой бифилярной ветви нагревающего и излучающего элемента составляет R=5-10 мм.
Отражающий элемент 2 установлен на внутренней стороне одной из электроизоляционных пленок 1. В качестве электроизоляционной пленки 1 выбрана биориентированная полиэтилентерефталатная пленка для двухстороннего ламинирования.
В первом варианте исполнения отражающий элемент 2 выполнен в виде металлизированной биориентированной полиэтилентерефталатной двухслойной пленки, предпочтительно, фольги Майлара. Металлизация биориентированной полиэтилентерефталатной двухслойной пленки производится методом осаждения на пленку алюминия или другого метала. В таком варианте выполнения отражающий элемент 2 на 90 процентов непреодолим для газов и на 99 процентов непреодолим для света, в том числе его инфракрасной составляющей, кроме того, исключается возможность повреждений металлического слоя при его изгибах, а следовательно, при изгибах всего устройства в процессе эксплуатации и хранения.
Во втором варианте исполнения отражающий элемент 2 выполнен в виде фольги из алюминиевого сплава, оклеенной с одной или двух сторон двухслойной биориентированной полиэтилентерефталатной пленкой.
Предпочтительно, толщину фольги выбирать в пределах 12-20 мкм.
В устройстве по обоим вариантам его исполнения электроизоляционная пленка 1 может быть выполнена трехслойной или пятислойной.
Предпочтительно в обоих вариантах исполнения устройства нагревающий и излучающий элемент изготавливать из аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали с содержанием химических элементов при следующем соотношении, мас.%:
Углерод
<0,15
0,08-0,15
Кремний
<1
0,75-1,0
Марганец
5,5-8
1,25-2,0
Никель
3,5-5,5
9,0-10,5
Хром
16-18
18,0-20,0
Сера
<0,03
<0,03
Фосфор
<0,06
<0,045
Железо
остальное.
остальное.
Соединение полосок греющего и излучающего элемента 3 в бифилярные ветви выполнено со сваркой по двум концам перемычек, а расстояние т между бифилярньгми ветвями 8 не менее 25 мм. Соотношение толщин отражающего элемента и электроизоляционных пленок составляет не более 0,6.
Для повышения степени электробезопасности отражающий элемент 2 может быть отделен от нагревающего и излучающего элемента электроизоляционной двухслойной биориентированной полиэтилентерефталатной пленкой толщиной не менее 75 мкм.
Также с целью повышения электробезопасности гибкий электронагреватель может быть дополнительно снабжен устройством защитного отключения.
Гибкий электронагреватель работает следующим образом. При подаче электрического тока на выводы 5 для подключения к электрической сети или другому электронагревателю фиг. 1, ток проходит по бифилярным ветвям 8 нагревающего и излучающего элемента 3. Электромагнитные поля попарно спаренных параллельных отрезков 6, 7 каждой бифилярной ветви 8 в виде полосок фольги или нитей из токопроводящего материала компенсируются, электромагнитного излучения не возникает. Отражающий элемент 5 отражает тепловой поток инфракрасного спектра мягкого диапазона в противоположную его установке сторону, обеспечивается обогрев предметов, находящихся в обогреваемом помещении. Токопровод 3 для заземления соединяется с заземляющим устройством для снятия остаточного статического электричества.