НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к области электрического, в частности резистивного, нагрева, а именно к монолитным саморегулирующим металлокерамическим нагревательным элементам и предназначено для использования в различных электрических нагревательных устройствах, как промышленного, так и бытового назначения. Изобретение также включает способ изготовления нагревательного элемента.
Известно (В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомол, Теплопередача, Москва, Энергия, 1975, с.486), что наиболее эффективным процессом передачи тепла от нагретого тела к холодному в сравнении с нагревом излучением и другими видами теплопередачи является метод контактной теплопроводности. В связи с этим разработка элементов быстрого нагрева с равномерным распределением температуры по поверхности и эффективностью выше η>0,9 является актуальнейшей задачей.
К настоящему времени определены основные требования к нагревательным элементам, основные из которых следующие: высокая эффективность, надежность и низкая стоимость.
Высокая эффективность нагревательного элемента - передача тепла от нагревательной структуры на поверхность через изоляционную структуру, определяется теплопроводностью последней. Максимальную теплопроводность можно обеспечить в монолитных нагревательных элементах, где в результате диффузионных процессов синтеза образуется единая структура нагревательного и изоляционного слоев (US 6328913 B1, 11.12.2001, H01B 1/00; US 4596922, 24.06.1986, F27B 5/14; US 6143238 A, 07.11.2000, C04B 33/32; US 6025579 A, 15.02.2000, H05B 3/44, US 5948306 A, 07.09.1999, H05B 3/10).
Надежность нагревательного элемента определяется свойствами нагревательной структуры. В этой связи металлические нагревательные структуры, подверженные окислению, имеют меньшую надежность в сравнении с керамическими или композиционными материалами, где процесс окисления не
наблюдается или наблюдается в гораздо меньшей степени (US 6328913 B1, 11.12.2001, H01B 1/00; US 4596922, 24.06.1986, F27B 5/14; US 6143238 A, 07.11.2000, C04B 33/32; US 6025579 A, 15.02.2000, H05B 3/44, US 5948306 A, 07.09.1999, H05B 3/10).
Кроме того, надежность работы элемента во многом зависит от характера температурной зависимости удельного сопротивления нагревательной структуры. Положительный температурный коэффициент (РТС - характеристика) сопротивления позволяет исключить самопроизвольный разогрев элемента и, как следствие, выход его из строя (US 6350969 B1, 26.02.2002, H05B 1/02).
Немаловажным фактором является доступность компонентов нагревательной, изоляционной и других структур, выражающаяся, в итоге, в стоимости нагревательного элемента, а также простота технологии изготовления нагревательного элемента (RU 2311742 С2, 27.11.2007, H05B 3/14, Д1).
И, наконец, равномерность распределения температуры по поверхности нагревательного элемента зависят от формы и симметрии нагревательной структуры (Д1).
Всем вышеприведенным данным соответствует нагревательный элемент, представленный в (Д1), который является наиболее близким аналогом, заявляемого изобретения. Однако долговечность, а вместе с ней и надежность работы нагревательного элемента находятся в сильной зависимости от изотропности его расширения при нагреве, т.е. от согласования значений коэффициентов термического расширения (КТР) составляющих нагревательный элемент материалов. Удовлетворяя критериям высокой эффективности и простоты изготовления, прототип далек от совершенства в части согласования КТР материалов, составляющих его слои.
Техническим результатом полезной модели является повышение уровня согласования КТР составляющих нагревательный элемент материалов слоев и, как следствие, создание нагревательного элемента, сочетающего высокую эффективность с надежностью, низкой стоимостью его компонентов и способа его изготовления.
Технический результат достигается тем, что в нагревательном элементе (9) (фиг.1), содержащем резистивный элемент (1) с положительным температурным коэффициентом сопротивления выполненный из композиционного материала на основе железа, и размещенный в электроизоляционном слое (2), термоизоляционный слой (4) и защитный слой (3), содержится по меньшей мере два токосъемных элемента (7), подключенных к резистивному элементу (1) с шириной d (фиг.2, 3), а ось симметрии с резистивного элемента (1) расположена перпендикулярно поперечному сечению резистивного элемента (1), при этом для согласования значений КТР слоев в состав стеклокерамики электроизоляционного слоя (2) вводят дополнительно оксидное стекло, баритовый флинт, бентонитовую глину, микротальк и поливинилацетат (ПВА), и используют состав периклаза (MgO) из компонентов с различной дисперсностью. При этом угол α может принимать значения от 0° до 180°.
Также в нагревательном элементе (9), для локального уменьшения температуры резистивного элемента (1) в месте соединения с токосъемным элементом (7), из материала резистивного элемента (1) выполняют контактную площадку шириной d и длиной 1 (фиг.2), при этом поперечное сечение резистивного элемента (1) в указанном месте имеет площадь S в n раз большую, чем в среднем по всей длине резистивного элемента (1), где n - положительное число больше единицы, причем значение n непрерывно изменяется от 1, на расстоянии L от места соединения резистивного элемента (1) с токосъемным элементом (7), до n при L=0. Значения длин 1 и L могут принимать любые значения, ограниченные лишь технологическими возможностями и поставленными задачами. Если в круг этих задач входит исполнение нагревательного элемента (9) с уже готовыми металлическими выводами (на рисунках не показаны), то их закладку осуществляют на первом этапе технологического процесса производства нагревательного элемента (9) - этапе компактирования резистивного элемента (1) с токосъемными элементами (7).
Резистивный элемент (1) в виде извилистой полосы резистивного материала шириной d, состоящей из линейных участков, которые имеют длину, не
превышающую 20d, и последовательно соединенных закругленными участками, а указанная извилистая полоса резистивного элемента (1) размещена внутри электроизоляционного слоя (2), который повторяет ее форму. Для достижения длины линейного участка в 20d использованы металлические компенсационные вставки (6), через которые последовательно соединены участки резистивного элемента (1). Компенсационная вставка (6) представляет собой металлический проводник, например нихром, сечение которого составляет 10-15% от сечения резистивного элемента (1) при соотношении длин компенсационной вставки и линейной части резистивного элемента от 1:10 до 1:20.
Нагревательный элемент (9) дополнительно снабжен защитным слоем (3) на основе порошка железа толщиной 0,5-1d, который имеет форму, охватывающую с трех сторон электроизоляционный слой (2), содержащий в себе резистивный элемент (1).
Электроизоляционный слой (2) предпочтительно выполнен из стеклокерамики на основе MgO со следующим соотношением компонентов, мас.%:
Периклаз (MgO)
60-90
Молотое кварцевое стекло
2-6
Борная кислота
1-6
Молотое оптическое стекло БФ-112
1-6
Бентонитовая глина
2-6
Микротальк
1-6
Поливинилацетат (ПВА)
3-10
используя при этом периклаз (MgO) следующего состава, мас.%:
Периклаз (MgO) с дисперсностью от 40 до 150 мкм
20-35
Периклаз (MgO) с дисперсностью меньше 40 мкм
65-80
Защитный слой (3) на основе порошка железа, предпочтительно выполнен из смеси, с соотношением весовых частей масс.%:
Fe
70-95
Сu
22-3
Sn
8-1
При этом форма защитного слоя (3) имеет конфигурацию, обеспечивающую максимальную контактную поверхность с нагреваемым объектом (8) (фиг.4).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1. Схематическое изображение нагревательного элемента в разрезе.
Фиг.2. Схематическое изображение резистивного элемента с токосъемным элементом.
Фиг.3. Схематическое изображение резистивного элемента с компенсирующими металлическими вставками.
Фиг.4. Примеры возможных форм нагревательного элемента.
На фиг.1 показано схематическое изображение заявляемого нагревательного элемента (9) в разрезе на примере исполнения его в виде плоского нагревательного элемента. Основой заявляемого нагревательного элемента (9) является резистивный элемент (1), охваченный со всех сторон электроизоляционным слоем (2), повторяющим ее форму. Защитный слой (3) на основе порошка железа имеет форму, охватывающую с трех сторон электроизоляционный слой (2). Четвертая сторона электроизолирующего слоя закрыта теплоизолирующим слоем (4), выполненным в виде слоя теплоизолирующей стеклокерамики. Поверх защитного слоя (3), может быть выполнен декоративный керамический слой (5).
Резистивный элемент (1) выполнен из композиционного материала на основе железа с удельным сопротивлением, возрастающим с ростом температуры. В качестве материала для такого резистивного элемента (1) может быть использован, например композиционный материал на основе железа, где каждая частица железа покрыта тонким слоем диэлектрика, например SMC-500 фирмы Höganäs AB (Швеция).
На фиг.2 показано схематическое изображение резистивного элемента (1) с токосъемным элементом (7) при различных значениях длины L. Символами β и γ обозначены секущие плоскости, a S и S/n - площади поперечных сечений, лежащих в указанных плоскостях.
На фиг.3 показано схематическое изображение резистивного элемента (1) с компенсирующими металлическими вставками (6).
На фиг.4 показаны примеры возможных форм нагревательного элемента (9), где цветом обозначены объекты нагрева (8).
Предложенный монолитный нагревательный элемент (9) для надежной его работы после спекания в окончательном виде должен иметь согласованные коэффициенты термического расширения всех слоев элемента - резистивного элемента (1), электроизолирующего слоя (2), защитного металлического (3) и термоизолирующего (4) слоев. Защитный металлический слой (3) выполнен на основе порошка железа с антикоррозионными добавками.
Заявляемый электрический нагревательный элемент (9) изготовлен по технологии порошковой металлургии и представляет собой многослойную структуру из проводящего металлокерамического, изолирующего стеклокерамического и защитного металлического слоев, спрессованных и спеченных в единый моноблок.
Сверхбыстрый разогрев резистивного элемента приводит к неравномерным механическим напряжениям нагревательного элемента (9) и, как следствие, возможности его коробления. Для исключения коробления, сохранения целостности и, как следствие, надежности работы нагревательного элемента (9) следует обеспечить равномерность расширения последнего, для чего могут использоваться компенсационные вставки (6) (фиг.3).
Достигается изотропность расширения выполнением резистивного элемента (1) в виде извилистой полосы резистивного материала шириной d, состоящей из линейных участков, которые имеют длину, не превышающую 20d, и последовательно соединенных закругленными участками, а указанная извилистая полоса резистивного элемента (1) размещена внутри электроизоляционного слоя (2), который повторяет ее форму. Для достижения длины линейного участка в 20d использованы металлические компенсационные вставки (6), через которые последовательно соединены участки резистивного элемента (1).
Согласование коэффициентов термического расширения осуществляется выбором соответствующих компонент стеклокерамики и их массовых соотношений.
Нагревательные элементы (9) могут изготавливаться любой формы и размера при толщине нагревательного элемента от 1 мм и выше.
Из вышесказанного следует, что разработанный плоский электрический нагревательный элемент (9) быстрого нагрева имеет ряд преимуществ в сравнении с известными нагревательными элементами. А именно:
- высокая степень надежности за счет точного согласования КТР слоев, изотропности расширения резистивного элемента при использовании металлических компенсационных вставок и локального снижения температуры в месте подвода электрического тока за счет увеличения площади сечения резистивного элемента.