ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ
THIN-FILM ELECTRIC HEATER

Изобретение относится к производству устройств типа плоских электронагревателей излучающего типа, в частности к тонкопленочным электронагревателям, предназначенным для обогрева жилых и производственных помещений, обогрева молодняка животных и птиц, обогрева малообъемных помещений и обитаемых аппаратов, обогрева одежды для экстремальных ситуаций, а также для сушки белья, пищевых продуктов, древесины, лакокрасочных покрытий, для разогрева почвы в зоне вечной мерзлоты, защиты от замерзания жидкости в трубопроводах и др.
Известен пленочный электронагреватель, включающий резистивный нагревающий и излучающий элемент, расположенный между двумя внешними гибкими термостойкими электроизоляционными пленками и снабженный выводами для подключения к электрической сети, при этом в качестве резистивного нагревающего излучающего элемента используют термостойкую электроизоляционную пленку с нанесенным на ее поверхность путем резистивного напыления в вакууме слоем резистивного материала - нихрома, толщиной, определяемой в зависимости от удельной мощности и длины, причем выводы для подключения электрической сети к резистивному нагревающему и излучающему элементу присоединены к плоским контактам, выполненным из материала с низким сопротивлением и примыкающим к поверхности слоя резистивного материала (см. патент RU, №100353, М.кл. Н05В 3/36, опубл. 10.12.2010 г.).
Однако из-за наличия механического прилегания плоских контактов к слою резистивного материала, система подведения электрического тока к слою резистивного материала обладает низкой надежностью. Известная конструкция электронагревателя не исключает возможности образования воздушных полостей в местах неплотного прилегания контакта из фольги к слою резистивного материала, что в итоге не исключает возникновение электрических дуг и, как следствие, не исключает вероятности разрушения слоя резистивного материала.
Кроме того, ток, следуя по пути наименьшего сопротивления, переходит с плоских контактов из фольги на резистивный слой в очень узкой области по краю контактов, в связи с чем в области перехода плотность тока возрастает, что также приводит к перегреву и разрушению резистивного слоя.
Известен тонкопленочный электронагреватель, выбранный в качестве ближайшего аналога, содержащий резистивный элемент, расположенный между двумя термостойкими электроизоляционными пленками и снабженный выводами для подключения к электрической сети, причем в качестве резистивного элемента используют полимерную пленку с токопроводящим покрытием в виде наноразмерного слоя, а контакты выполнены в виде гребенки, нанесенной по всей ширине токопроводящего покрытия из материала, обладающего адгезией к токопроводящему покрытию (см. патент RU №113624, М.кл. Н05В 3/00, опубл. 20.02.2012 г.).
Использование в известной конструкции в качестве термостойкой электроизоляционной пленки - пленки из полиэтилентерефталата (ПЭТ), которая для применения в качестве электроизоляционных материалов выпускается промышленностью только неокрашенной, белого или голубого цвета, свидетельствует о том, что данная пленка обладает недостаточно высокими излучательными свойствами, поскольку излучательные свойства пленки зависят от свойств материала, из которого она изготовлена, и чистоты обработки поверхности, а не от ее цвета. Так, поверхность используемой в известной конструкции ПЭТ пленки - гладкая, блестящая, неокрашенная, или окрашенная в белый или голубой цвет, обладает более низким коэффициентом излучения, чем матовые поверхности из того же материала. Это свидетельствует о недостаточной эффективности готового изделия.
Присоединение в известной конструкции выводов для подключения электрической сети к резистивному и излучающему элементу с края каждой из гребенок, расположенных с одной из сторон электронагревателя, ввиду малой площади контакта между выводами и односторонними гребенками, не обеспечивает надежности этого контакта для электронагревателей с высокой мощностью нагрева, поскольку не обеспечивает защиту от прогарания токопроводящего нанослоя с торцов гребенки, что значительно снижает надежность конструкции.
Используемые механические способы присоединения выводов к поверхности гребенки, также не обеспечивают надежного контакта между выводами и гребенкой по всей малой площади контакта, что снижает надежность данного крепления и не обеспечивает его безопасность, поскольку не исключается образование воздушных полостей в местах неплотного прилегания выводов к присоединяемой поверхности, которое может привести к возникновению электрических дуг и, как следствие, к разрушению материала выводов и прерыванию электрической цепи.
Используемое в известной конструкции крепление выводов и места их расположения не удобны при монтаже изделия, поскольку при монтаже данной конструкции, в частности на потолке, соединение выводов с токоподводящей арматурой трудно зафиксировать в нужном положении из-за нежесткости материала выводов. Помимо этого, наличие нежестких выводов, выступающих за пределы размеров электронагревателя, усложняет процесс их транспортировки, не исключает возможности их повреждения во время транспортировки, что не может не сказаться на качестве и надежности данного изделия.
Использование в известной конструкции односторонней гребенки с зубцами, расположенными только на ее внутренних сторонах, не исключает возможности возникновения прогара нанесенного токопроводящего слоя гребенки в случае, например, недостаточно качественного изготовления данного напыления или в случае возникновения токовой перегрузки.
Кроме того, такое расположение зубцов гребенки и неопределенное их количество, не всегда может гарантировать достаточное уменьшение плотности тока, поскольку не всякого количества зубцов, тем более расположенных только с внутренней стороны гребенки, может быть достаточно для уменьшения плотности тока в области перехода. Так, при малом их количестве площади в области перехода электрического тока с гребенки на токопроводящее покрытие будет недостаточно для уменьшения плотности тока, что приведет к возрастанию плотности тока в области перехода, перегреву и разрушению резистивного слоя и, как следствие, выходу устройства из строя. Большое количестве зубцов на внутренней стороне гребенки приведет практически к слиянию между собой их боковых поверхностей, то есть к образованию контакта с практически сплошным токопроводящим слоем, при этом ток, следуя по пути наименьшего сопротивления, переходит с практически сплошного токопроводящего слоя гребенки на резистивный слой в очень узкой области на краю данного практически сплошного слоя, приводя к перегреву и разрушению резистивного слоя в этой области перехода.
Таким образом, заявляемым техническим результатом, на решение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности и еще большего повышения надежности конструкции тонкопленочного электронагревателя. Другим техническим результатом является повышение удобства его изготовления и монтажа.
Указанный технический результат достигается тем, что в тонкопленочном электронагревателе, содержащем резистивный элемент, расположенный между двумя термостойкими электроизоляционными пленками, снабженного выводами для подключения к электрической сети, использующем в качестве резистивного элемента полимерную пленку с токопроводящим покрытием в виде наноразмерного слоя, а выполненные в виде гребенки выводы присоединены к контактам, нанесенным по ширине токопроводящего покрытия и выполненным из материала, обладающего адгезией к токопроводящему покрытию, согласно изобретению, в качестве термостойкой электроизоляционной пленки, расположенной со стороны нанесенного токопроводящего покрытия, используется матовая пленка, гребенка выполнена двухсторонней, количество зубцов с каждой из сторон выбирается в зависимости от удельной мощности резистивного элемента и составляет от 1 до 5 на одном сантиметре длины гребенки, при этом количество зубцов, расположенных на одном сантиметре наружной стороны гребенки, меньше количества зубцов, расположенных на одном сантиметре внутренней стороны гребенки, в качестве выводов используются сплошные узкие ленты из электропроводного материала, закрепленные вдоль всей поверхности каждой из гребенок таким образом, что их концы с каждой из сторон расположены выходящими за пределы ширины резистивного элемента, но не выходящими за пределы ширины электроизоляционных пленок, а наружная поверхность лент выводов выполнена шероховатой.
Использование в качестве термостойкой электроизоляционной пленки, расположенной со стороны нанесенного токопроводящего покрытия резистивного элемента, пленки с матовой поверхностью (матовой пленки) позволяет повысить эффективность излучения рабочей поверхности заявленного электронагревателя и, как следствие, повысить эффективность готового изделия.
Это обеспечивается за счет того, что матовые поверхности обладают значительно более высокими излучательными свойствами по сравнению с другими видами нематовых поверхностей.
Выполнение гребенки двухсторонней позволяет значительно повысить надежность готового изделия. Это обеспечивается за счет возможности гарантированного перераспределения тока в любых непредвиденных ситуациях, за счет значительного увеличения длины, а следовательно, и площади в области перехода тока с контакта на токопроводящее покрытие, гарантированному уменьшению плотности тока в области перехода по краевой линии длинных сторон гребенки, что позволяет создать надежную систему подведения электрического тока к токопроводящему покрытию даже при механическом разрушении части площади контактов.
Заявителем экспериментально установлено, что оптимальное количество зубцов гребенки с каждой из ее сторон, обеспечивающее эффективное гарантированное уменьшение плотности тока в области перехода тока с контакта на токопроводящее покрытие и, как следствие, повышающее надежность готового изделия, составляет от 1 до 5 на одном сантиметре длины гребенки, но при соблюдении условия, что количество зубцов, расположенных на одном сантиметре наружной стороны гребенки меньше количества зубцов, расположенных на одном сантиметре внутренней стороны гребенки.
Использование в качестве выводов сплошных узких лент (полосок) из электропроводного материала и их закрепление вдоль всей поверхности каждой из гребенок таким образом, что их концы с каждой из сторон электронагревателя расположены выходящими за пределы ширины резистивного элемента, но не выходящими за пределы ширины электроизоляционных пленок, позволяет еще в большей степени повысить надежность заявляемой конструкции.
Это обеспечивается за счет создания большей площади контакта между выводами и гребенками (контактами), что значительно повышает надежность данного крепления и его безопасность, даже в случае нарушении части площади материала выводов.
А выполнение наружной поверхности лент выводов шероховатой еще в большей степени способствует повышению надежности системы подведения электрического тока к резистивному элементу. Это обеспечивается за счет того, что шероховатость способствует увеличению площади соприкасаемых поверхностей, что в свою очередь улучшает адгезию соединяемых материалов и, как следствие, повышает надежность крепления между соприкасаемыми поверхностями.
Размещение ленты выводов заявленным образом способствует также и повышению удобства монтажа электронагревателей. Это обеспечивается за счет того, что поверхность выводов, предназначенная для последующего соединения с токоподводящей арматурой, расположена между слоями электроизоляционного материала, что придает ей требуемую жесткость и прочность и исключает их повреждение при транспортировке. Расположенные данным образом выводы не мешают при транспортировке и не вызывают никаких затруднений при монтаже. Помимо этого, такое расположение выводов позволяет при монтаже использовать любой вариант соединения электронагревателей: с одной или с другой стороны или с двух сторон по одному контакту. Кроме того, такое размещение выводов позволяет выбирать точку соединения выводов с арматурой в любом доступном для этого месте.
На фиг.1 представлена принципиальная схема заявляемого устройства; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Тонкопленочный электронагреватель содержит резистивный элемент 1, расположенный между двумя термостойкими электроизоляционными пленками 2 и 3 и выводы 4 и 5 для подключения к электрической сети. В качестве резистивного элемента 1 электронагреватель содержит полимерную пленку с токопроводящим покрытием в виде наноразмерного слоя 6, нанесенного на полимерную пленку различными способами, например методом магнетронного напыления в вакууме, методом катодного напыления, методом ионно-плазменного напыления и др. Контакты выполнены в виде двухсторонних гребенок 7 и нанесены по ширине токопроводящего покрытия (наноразмерного слоя) 6. Гребенки (контакты) 7 выполнены из электропроводного материала, обладающего адгезией к токопроводящему покрытию (наноразмерному слою) 6. Нанесение токопроводящего покрытия гребенки (контактов) 7 возможно осуществлять известными способами - напылением в вакууме, методами гальваники, трибогальваники, шелкографией и др. Гребенка (контакты) 7 выполнена двухсторонней, содержащей зубцы 8. Количество зубцов 8 с каждой из сторон составляет от 1 до 5 на одном сантиметре длины гребенки, при этом количество зубцов 8, расположенных на одном сантиметре наружной стороны гребенки, меньше количества зубцов 8, расположенных на одном сантиметре внутренней стороны гребенки.
В качестве термостойкой электроизоляционной пленки, расположенной со стороны нанесенного токопроводящего покрытия 6, используется пленка с матовой поверхностью (матовая пленка). Выводы 4 и 5 представляют собой сплошные узкие ленты (полосы) из электропроводного материала, закрепленные вдоль всей поверхности каждой из гребенок 7. Наружная поверхность лент выводов 4 и 5, выполнена шероховатой. Концы лент выводов 4 и 5 с каждой из сторон гребенки расположены таким образом, что они выходят за пределы ширины резистивного элемента 1, но не выходят за пределы ширины электроизоляционных пленок 2 и 3.
В качестве материала токопроводящего покрытия (наноразмерного слоя) 6 используют следующие материалы: хром (Cr), нихром (NiCr), нержавеющая сталь и др.
В качестве материала электроизоляционных пленок 2 и 3 используется: матовая поливинилхлоридная (ПВХ) пленка. Толщина пленки выбирается исходя из требуемой жесткости конструкции.
В качестве материала выводов 4 и 5 используют электролитическую медь с односторонним адгезионным покрытием, придающим шероховатость наружной поверхности ленты.
Заявляемая конструкция обеспечивает работоспособность изделия и при низких температурах до минус 20°C. Скорость разогрева поверхности электронагревателя от 20°C до 55°C составляет 3 секунды.
Устройство работает следующим образом.
Тонкопленочный электронагреватель устанавливается в обогреваемом помещении или на обогреваемой поверхности. Выводы 4 и 5 подключаются к источнику электропитания, для чего паяльником с поверхности выводов 4 и 5 в требуемом для подключения месте удаляется слой электроизоляционной пленки 2. Арматура для подключения к электрической сети присоединяется к выводам 4 и 5 любым известным способом (пайка, контактная сварка и т.п.). Место соединения выводов 4 и 5 с арматурой для подключения к электрической сети изолируется нанесением электроизоляционного покрытия (не изображено). При прохождении электрического тока через слой токопроводящего покрытия 6 происходит равномерный нагрев всей поверхности электронагревателя и, соответственно, нагрев помещения или поверхности. Равномерность нагрева тонкопленочного электронагревателя подтверждена в лабораторных условиях с помощью тепловизора. При достижении требуемой температуры в обогреваемом помещении резистивный элемент 1 отключается от электрической сети.
Примеры конкретного выполнения
2
Пример 1. Пленочный электронагреватель для обогрева жилых помещений. Напряжение электрической сети 220 В, требуемая удельная мощность 400 Вт/м, длина нагревателя 1,9 м, ширина 350 мм. Две внешние термостойкие электроизоляционные пленки выполнены из поливинилхлорида (ПВХ) толщиной 0,125 мм, шириной 350 мм, длиной 1,9 м, производство компании Иксинг Сити Хауфенг Пластик Ко. ЛТД (Китай). Термостойкая электроизоляционная пленка, на которую нанесен токопроводящий слой (нанослой) выполнена из полиэтилентерефталатной пленки ПЭТ-М ГОСТ 24234-80 толщиной 35 мкм, шириной 300 мм, длиной 1,8 м. Нанесенный токопроводящий нанослой выполнен из материала: нихром марки Х20Н80 по ГОСТ 10994-74. Толщина резистивного слоя составляет 8 нм. Метод нанесения токопроводящего нанослоя - магнетронное напыление в вакууме.
Для изготовления выводов использована фольга ФМЭГАЦ из электролитической гальваностойкой меди с односторонним адгезионным медным покрытием с антикоррозионной обработкой, оцинкованная, по своим характеристикам соответствующая американским стандартам ANSI/IPC-MF-150F (STD; YD-type Е), производства Кыштымского медеэлектролитного завода. Слой выводов, расположенный с наружной стороны ленты, выполнен шероховатым за счет наличия одностороннего адгезионного покрытия из цинка. Толщина ленты выводов 50 мкм. Длина ленты выводов 330 мм. Концы ленты выводов не выходят за пределы ширины электроизоляционных пленок, но на 15 мм с каждой стороны превышают ширину резистивного элемента.
Количество зубцов с наружной стороны гребенки составляет 4 на одном сантиметре длины гребенки, количество зубцов с внутренней стороны гребенки 5 на одном сантиметре ее длины. Длина зубцов на наружной и внутренней поверхностях 12 мм. Метод нанесения материала гребенки (контактов) - шелкография. Длина гребенки 330 мм. Изделие обеспечивает температуру нагрева поверхности электронагревателя 55°C. За время работы электронагревателя в течении 10 минут температура воздуха в помещении достигает 23 градусов Равномерность нагрева тонкопленочного электронагревателя подтверждена в лабораторных условиях с помощью тепловизора.
2
Пример 2. Пленочный электронагреватель для лучистого отопления обогрева молодняка животных и птиц. Напряжение электрической сети 36 В, требуемая удельная мощность 125 Вт/м, длина нагревателя 1 м. Две внешние термостойкие электроизоляционные пленки выполнены из ПВХ толщиной 100 мкм шириной 330 мм, длиной 1 м, производство компании Иксинг Сити Хауфенг Пластик Ко. ЛТД (Китай). Термостойкая электроизоляционная пленка, на которую нанесен токопроводящий слой (нанослой) выполнена из полиэтилентерефталатной пленки ПЭТ-М ГОСТ 24234-80 толщиной 40 мкм, шириной 300 мм, длиной 0,8 м. Нанесенный токопроводящий слой (нанослой) выполнен из материала: нихром марки Х15Н60 по ГОСТ 10994-74. Способ нанесения токопроводящего слоя (нанослоя) - ионно-плазменное напыление. Толщина резистивного слоя нихрома составляет 20 нм. Материал гребенок (контактов) - высоколегированная нержавеющая сталь. Способ нанесения материала гребенки - шелкография. Количество зубцов гребенки: наружная поверхность - 2 зубца на 1 сантиметре длины гребенки, внутренняя поверхность - 3 зубца на одном сантиметре длины гребенки. Длина гребенки 310 мм. Для изготовления выводов использована фольга ФМЭГАЦ из электролитической гальваностойкой меди с односторонним адгезионным медным покрытием с антикоррозионной обработкой, оцинкованная, по своим характеристикам соответствующая американским стандартам ANSI/IPC-MF-150F (STD; YD-type Е), производства Кыштымского медеэлектролитного завода. Слой выводов, расположенный с наружной стороны ленты, выполнен шероховатым за счет наличия одностороннего адгезионного покрытия из цинка. Толщина ленты выводов 50 мкм. Концы ленты выводов не выходят за пределы ширины электроизоляционных пленок, но на 10 мм с каждой стороны превышают ширину резистивного элемента. Длина зубцов на наружной и внутренней поверхностях 9 мм. Температура нагрева поверхности электронагревателя 43°C. В зависимости от объема помещения время
прогрева воздуха до 21°C составляет 10-20 минут. Равномерность нагрева тонкопленочного электронагревателя подтверждена в лабораторных условиях с помощью тепловизора.
2
Пример 3. Электронагреватель, предназначенный для сушки белья. Напряжение электрической сети 12 В, требуемая удельная мощность 200 Вт/м, длина нагревателя 1 м. Внешние термостойкие электроизоляционные пленки выполнены из материала согласно примеру №1, шириной 350 мм, длиной 1 м. Термостойкая пленка, на которую нанесен токопроводящий слой (наноразмерный слой), выполнена из материала по примеру 1, шириной 300 мм, длиной 0,8 м. Толщина токопроводящего покрытия (нанослоя) из высоколегированной нержавеющей стали составляет 25 нм. Длина гребенки (контактов) 330 мм. Метод нанесения материала гребенки на токопроводящий слой (нанослой) - шелкография. Для изготовления выводов использована фольга ФМЭГАЦ из электролитической гальваностойкой меди с односторонним адгезионным медным покрытием с антикоррозионной обработкой, оцинкованная, по своим характеристикам соответствующая американским стандартам ANSI/IPC-MF-150F (STD; YD-type Е) производства Кыштымского медеэлектролитного завода. Слой выводов, расположенный с наружной стороны ленты, выполнен шероховатым за счет наличия одностороннего адгезионного покрытия из цинка. Толщина ленты выводов 50 мкм. Концы ленты выводов не выходят за пределы ширины электроизоляционных пленок, но на 15 см выходят за пределы ширины резистивного слоя с каждой стороны. Количество зубцов на наружной поверхности гребенки 1 на одном сантиметре длины гребенки, на внутренней 2 на одном сантиметре длины гребенки. Длина зубцов на наружной и внутренней сторонах гребенки 8 мм. Нагрев поверхности до 45°C. Равномерность нагрева тонкопленочного электронагревателя подтверждена в лабораторных условиях с помощью тепловизора.