ГИБКИЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ

Полезная модель 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.
Задачей, на решение которой направлено данное техническое решение, является создание надежного устройства за счет повышения его электробезопасности.
2
Указанная задача решается за счет того, что в гибком электронагревателе, включающем 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, согласно техническому решению, нагревающий и излучающий элемент имеет удельное сопротивление 0,7-1,2 Ом/ммм, выполнен в виде полосок фольги или нитей из токопроводящего материала, 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.
Отражающий элемент может быть выполнен в виде лавсановой фольгированной пленки.
В качестве электроизоляционной пленки может быть выбрана полиэтилентерефтолатовая пленка.
Отражающий элемент может быть отделен от нагревающего и излучающего элемента электроизоляционной пленкой толщиной не менее 120 мкм.
Нагревающий и излучающий элемент может быть выполнен из высокоомного прецизионного сплава.
Расстояние между бифилярными ветвями может быть не менее 25 мм.
Гибкий электронагреватель может быть дополнительно снабжен устройством защитного отключения.
Технический результат, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, 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 R между ними.
,
где F - модуль силы Ампера (H);
1
2
I, I - силы тока в отрезках проводников (A);
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 -1 A. Мощность нагревателя 220 Вт. Результаты измерений сведены в таблицу.
Номер опыта
Расстояние между дорожками [мм]
Напряженность электрического поля E [Кв/м]
Напряженность магнитного поля B [мкТл]
1
70
1,49
8,98
2
35
0,559
8,82
3
30
0,503
7,14
4
25
0,246
6,645
5
15
0,183
3,75
6
10
0,123
0,838
7
5
0,0993
0,548
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.
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 A-A;
на фиг.3 - схема соединения греющего и излучающего элемента.
2
Гибкий электронагреватель включает два слоя гибкой электроизоляционной пленки 1, между которыми размещен нагревающий и излучающий элемент 2. Нагревающий и излучающий элемент 2 снабжен токопроводом 3 для заземления и выводами 4 для подключения к электрической сети или другому электронагревателю. Отражающий элемент 5 размещен на внешней стороне одной из электроизоляционных пленок и соединен с ней. Нагревающий и излучающий элемент 2 выполнен в виде полосок фольги или нитей из токопроводящего материала и имеет удельное сопротивление 0,7-1,2 Ом/ммм. Полоски или нити соединены и уложены по бифилярной схеме и имеют попарно спаренные параллельные отрезки 6, 7, образующие бифилярные ветви 8. Расстояние между попарно спаренными параллельными отрезками 6, 7 каждой бифилярной ветви 8 нагревающего и излучающего элемента 2 составляет R=5-10 мм (фиг.3).
Гибкий электронагреватель работает следующим образом. При подаче электрического тока на выводы 4 для подключения к электрической сети или другому электронагревателю фиг.1, ток проходит по бифилярным ветвям 8 нагревающего и излучающего элемента 2. 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.
В предпочтительном варианте выполнения устройства для повышения степени электробезопасности отражающий элемент 5 отделен от нагревающего и излучающего элемента 2 электроизоляционной полиэтилентерефтолатовой пленкой 1 толщиной не менее 120 мкм. Любой пленочный гибкий электронагреватель, является еще и плоским конденсатором, одной из обкладок которого является греющий и излучающий элемент, распределенный по поверхности нагревателя, отделенный от второй обкладки - отражающего элемента, диэлектриком (полиэтилентерефтолатовой пленкой). Наиболее широко в настоящее время используют электроизоляционную пленку толщиной 30 мкм. При этом емкость нагревателя слишком велика. Так как электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора, то линии напряженности начинаются на одной обкладке конденсатора и кончаются на второй (другой), поэтому свободные заряды, которые возникают на разных обкладках, равны по величине и противоположны по знаку. Это поясняется нижеприведенной схемой.
Под емкостью конденсатора понимается физическая величина равная отношению заряда q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов φ1-φ2 между его обкладками.
,
где C - емкость конденсатора, (Кл/В);
q - заряд-Кулон (Кл);
1
2
φ-φ - разность потенциалов (B);
0
-12
ω=8,854185x10 - электрическая постоянная;
ω - относительная диэлектрическая проницаемость;
2
S - площадь одной обкладки (м);
d - расстояние между обкладками (м).
Тогда энергия конденсатора:
,
где W - энергия конденсатора (Кл);
c - электроемкость конденсатора (Ф);
u - напряжение на обкладках конденсатора (B).
Из этих рассуждений можно сделать вывод о том, что применение изолирующей пленки толщиной не менее 120 мкм при прочих равных условиях снижает емкость нагревателя в 4 раза (120:30=4), при этом энергия конденсатора уменьшается в 4 раза и соответственно наводимое статическое электричество на отражающем элементе (потенциал). Замеры не производились в связи с очевидностью.
Также с целью повышения электробезопасности гибкий электронагреватель может быть дополнительно снабжен устройством защитного отключения. В некоторых вариантах выполнения отражающий элемент 5 выполнен в виде лавсановой фольгированной пленки АПЛ или Алюмофлекс, нагревающий и излучающий элемент 2 выполнен из высокоомного прецизионного сплава, а расстояние m между бифилярными ветвями не менее 25 мм (фиг.3).
2
Был изготовлен опытный образец гибкого электронагревателя размером 510×2000 мм и толщиной 360 мкм из двух слоев электроизоляционной полиэтилентерефтолатовой пленки 1 по ТУ 6-495761763-334-90 толщиной 125 мкм с нагревающим и излучающим элементом 2 в виде токопроводящей фольги из высокоомного прецизионного сплава толщиной 13 мкм и шириной 5,2 мм. Полоски фольги соединены и уложены по бифилярной схеме и имеют попарно спаренные параллельные отрезки 6 и 7, образующие бифилярные ветви 8, распределенные по плоскости полотна нагревателя с шагом m=30 мм, а расстояние между попарно спаренными параллельными отрезками 6 и 7 каждой бифилярной ветви 8 R=10 мм (12 полосок). Излучающая мощность - 120-150 Вт/м, температура нагрева поверхности 47 градусов по Цельсию. Отражающий элемент 5 теплового потока выполнен из лавсановой фольгированной пленки Алюмофлекс толщиной 100 мкм. Опытный образец прошел испытания и показал высокую степень электробезопасности и отсутствие статического электричества на его поверхности.