ЭЛЕКТРОКОНВЕКТОР И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНОГО НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ НЕГО
ELECTRIC CONVECTOR AND METHOD TO MANUFACTURE RESISTIVE HEATING ELEMENT FOR IT

Изобретение относится к электротехнике, к электронагревателям, которые могут быть использованы для обогрева человека и животных, отопления помещений, транспортных средств.
Известны плоские и объемные электронагреватели, в которых нагревательными элементами являются угольные нити, жгуты, ленты, ткани, нихромовая проволока, напыленное на поверхность электроизоляционного материала резистивное покрытие, металлическая фольга. Резистивные элементы с токоподводами располагают внутри металлических, минеральных либо пластиковых композиционных материалов, конструкций с образованием плоских панельных электронагревателей, конвекторов, сотовых объемных электронагревателей.
Так, известен плоский электронагреватель и способ его изготовления (патент РФ №2187906, МКИ H05B 3/34 от 20.08.2002 г.), который включает формируемый резистивный элемент на основе нетканого углеродного материала, закрепление на резистивном элементе токопроводящих металлических проводников, размещение резистивного элемента с токопроводящими проводниками между многослойными электроизоляционными покрытиями, пропитку всех слоев полимерным связующим и соединение их методом прессования. Перед закреплением токопроводящих проводников их покрывают со всех сторон электропроводным огнезащитным составом с длительным периодом полимеризации.
Недостатком данного электронагревателя в случае бытового применения является значительная температура на поверхности корпуса (90-100°C), что небезопасно при эксплуатации этих электронагревателей из-за возможности ожога и возгорания, у электронагревателя невысокая мощность. Плоские панельные электронагреватели имеют большие геометрические размеры и невысокие технические характеристики. Плоские панельные электронагреватели обычно деформируются в процессе эксплуатации.
Известен электроконвектор, содержащий корпус с расположенными в нем греющими секциями в виде продольных и поперечных решеток с закрепленными на них ленточными нагревателями.
Недостатками этого электроконвектора являются значительная металлоемкость, сложность конструкции, наличие открытых участков нагревательного элемента, имеющих высокую температуру и сжигающих кислород воздуха и пыль в воздухе.
Известен электроконвектор (патент РФ №2059167 от 15.08.1993 г), содержащий корпус с отверстиями и расположенные в нем с зазором относительно стенок и друг друга вертикальные элементы в виде полых труб в несколько рядов в шахматном порядке. Трубы в корпусе крепят посредством держателей, снабженных пружинными элементами и рубашками с отражательным экраном.
Недостатками данного конвектора являются сложность конструкции и сложная технологии изготовления, невысокие технические характеристики, большой вес и малая площадь нагреваемых резистивных элементов.
Известен электрический нагреватель-конвектор и способ его изготовления, принятый за прототип (патент РФ №2074523, МПК H05B 3/30, заявка 94007059/07 от 01.03.1994 г.), содержащий корпус с отверстиями в верхней и нижней части для прохода воздуха. Внутри корпуса с зазором установлен каркас с нагревательным элементом из углеродной ленты. Каркас с угольной лентой уложен электроизолированно от корпуса с заданным шагом и зафиксирован скрепляющей лентой из стекловолокна, переплетенной с углеродной лентой в перпендикулярном направлении. Токоподводы угольной ленты электроконвектора выполнены из фольги.
Недостатками данного электроконвектора являются ограниченный круг характеристик электронагревателей, которые можно изготовить с применением углеродной ленты. Углеродная и стеклянная ленты «пылят» (выделяют угольную и стеклянную пыль), а характеристики лент ухудшаются со временем. Электронагреватель недостаточно технологичен, так как требуется изготовления достаточно сложного каркаса, на который надо наносить вручную сплетенный из угольной и стеклянной лент резистивный элемент. Резистивный элемент имеет небольшую нагреваемую область, открытые участки угольной ленты, что приводит к значительной температуре поверхности нагревательного элемента либо к большим размерам конвектора, либо конвектор будет сжигать пыль и кислород в воздухе помещения.
Целью предлагаемого изобретения является улучшение технических характеристик электроконвектора, повышение технологичности его изготовления, снижение стоимости, веса и габаритных размеров, возможность изготовления электроконвекторов с широким набором разных характеристик.
Поставленная цель с достижением указанного технического результата достигается тем, что угольный резистивный элемент выполнен в виде резистивного полотна, состоящего из угольных нитей, жгутов или лент с токоподводами, которые размещены и закреплены между слоями гибких электроизоляционных материалов, причем из полотна производят объемный нагревательный элемент за счет нанесения на его поверхность электроизоляционного покрытия и его последующего отверждения, а внешние слои корпуса конвектора скреплены с нагревательным элементом с применением клея либо механически, а также тем, что внешние электроизоляционные слои корпуса конвектора изготовлены из стекла, зеркала, стекломагнезитового листа, пластика, металла с электроизоляционным покрытием, гибкого материала, термопластичного пластика, в качестве клея применены термопластичные клеи, пленочные клеи и композиции, используемые для электроизоляционного покрытия резистивного полотна, конвектор может содержать внутри корпуса несколько электрически соединенных нагревательных элементов, в том числе разных структур, разделенных между собой электроизоляционными материалами и скрепленными между собой, например, клеем, либо механически, конвектор дополнительно содержит термостаты внутри корпуса, обеспечивающие отключение электроконвектора при превышении заданной температуры и включении его при снижении температуры ниже допустимой, конвектор содержит на корпусе переключатель либо регулятор мощности, конвектор внутри корпуса содержит вентилятор, по периметру конвектор закрыт материалами с отверстиями для циркуляции воздуха либо жидкости, одна из пластин корпуса конвектора имеет декоративный вид, а также за счет того, что в способе изготовления резистивного нагревательного элемента для электроконвектора угольный резистивный элемент изготавливают в виде резистивного полотна из угольных нитей, жгутов или лент с токоподводами, которые размещают и крепят между гибкими слоями электроизоляционных материалов, на поверхность полотна наносят электроизоляционное покрытие, формируют из полотна объемный нагревательный элемент, отверждают электроизоляционное покрытие с образованием в результате жесткого объемного нагревательного элемента, а также за счет того, что профиль резистивного нагревательного элемента имеет сложную форму, например трапецеидальную, прямоугольную, синусоидальную, треугольную, в качестве электроизоляционного покрытия полотна используют, например, эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые, фенольные, фенолокаучуковые, акрилатные, кремнийорганические, фторорганические полимерные композиции, а также композиции минерального состава, например, на жидком стекле, фосфатном, алюмохромофосфатном связующем, угольные резистивные элементы имеют электроизоляционную оболочку, сложную форму нагревательного элемента получают натяжением резистивного полотна между направляющими стержнями, а электроизоляционное покрытие наносят на полотно до либо после придания полотну объемной формы, электроизоляционное покрытие на поверхность резистивного полотна может быть нанесено в один либо несколько слоев, в том числе разных составов, угольные резистивные элементы содержат в химически связанном с углеродом состоянии наночастицы оксидов или гидроксидов бора, алюминия.
Применение таких элемнентосодержащих угольных резистивных элементов позволяет существенно (в 1.5-2 раза) повысить окислительную стойкость углеграфитовых резистивных элементов в окислительной среде.
Пример раскладки угольных резистивных элементов с токоподводами по поверхности резистивного полотна приведен на Фиг.1, на которой под номером 1 - токоподводы нагревательного элемента, под номером 2 - угольные резистивные элементы (нити, жгуты либо лента), под номером 3 - один из слоев электроизоляционного материала.
Резистивное полотно может быть изготовлено с разными характеристиками по напряжению электропитания, мощности, геометрическим размерам, равномерности распределения угольных резистивных элементов по поверхности полотна.
Форма объемного резистивного нагревательного элемента может быть, например, прямоугольной, трапециевидной, треугольной, синусоидальной (Фиг.2). На Фиг.2 под номером 7 изображена прямоугольная форма объемного нагревательного элемента конвектора, 6 - треугольная, 5 - трапециевидная, 4 - синусоидальная.
В качестве электроизоляционного покрытия и клеев могут быть применены композиции полимерного и минерального составов, например, на эпоксидной, фенолоформальдегидной, полиэфирной, кремнийорганической, фторорганической смолах, фенолокаучуковой композиции, жидком стекле, фосфатном, алюмохромофосфатном связующем, а также на пленочных клеях. Такие клеи выпускает отечественная промышленность, например, марок БФ-2, БФ-4, БФ-6, ВК-3, МПФ, ВК-32-200.
Токоподводы в резистивном полотне соединяют с резистивными элементами, например, способом пайки (патент РФ №2321973 от 18 января 2007 г., МПК Н05В 3/34, гибкий электронагреватель и способ изготовления резистивного нагревательного элемента для него) или способом точечной сварки (патент РФ №2213432 от 17 октября 2001 г., гибкий электронагреватель, МПК H05B 3/34). Суть способов соединения угольных резистивных элементов с токоподводами заключается в том, что угольные резистивные элементы (нити, жгуты, ленту), а также металлическую резистивную проволоку размещают между двумя металлическими полосками и скрепляют с применением точечной сварки либо пайки металлических полосок. Применение металлических резистивных элементов, например нихромовой проволоки, также возможно при изготовлении резистивного полотна для электроконвектора, однако в этом случае изготовление полотна менее технологично и резистивный элемент имеет более низкие технические характеристики.
Резистивное полотно может содержать два и более токоподводов. Если, например, дополнительный промежуточный токоподвод устанавливают в середине резистивного полотна между двумя крайними токоподводами и соединяют токоподводы электрически последовательно, параллельно, либо только внутренний и внешний токоподвод, то можно с применением переключателя получить три разных сопротивления электроконвектора и, следовательно, три разные его мощности.
Изготовленный таким образом объемный резистивный элемент склеивают либо крепят механически с внешними тонкими слоями электроизоляционных материалов корпуса конвектора. К токоподводам присоединяют шнур электропитания.
Предлагаемая конструкция электроконвектора имеет в несколько раз большую поверхность нагревательного элемента по сравнению с электронагревателями аналогов и прототипа, он не сжигает кислород и пыль, обеспечивает высокий теплосъем, поскольку имеет сквозные каналы требуемого размера, имеет небольшие размеры и вес.
3
Так, например, согласно проведенным оценочным расчетам конвектор размером 50·70·5 см весит всего примерно 1.5 кг.
Технология изготовления конвектора проста, не требует применения дорогостоящего громоздкого оборудования и достаточно производительна, в конструкции нет лишних элементов (каркаса, пружин, экранов и др.), конвектор имеет высокую площадь нагревательного элемента. Стоимость предлагаемого электроконвектора согласно проведенным оценочным расчетам в 2-3 раза ниже стоимости конвекторов аналогов и прототипа.
В предлагаемой конструкции электроконвектора невысокий нагрев корпуса обеспечивают малой его площадью контакта с объемным нагревательным элементом.
Угольные резистивные элементы не пылят, поскольку они находятся в химически связанном состоянии внутри тонкостенных электроизоляционных материалов. Невысокая температура поверхности нагревательного элемента, наличие в электроконвекторе сквозных каналов заданного размера, надежный контакт угольных резистивных элементов с металлическими токоподводами обеспечивают высокую надежность электроконвектора и увеличивают срок его службы.
В данной конструкции электроконвектора возможно изготавливать нагревательный элемент и электроконвектор различной формы и размеров.
По данной технологии можно изготовить электроконвектор практически любой толщины, например от 5 мм до 30 см и более, и практически любых размеров по площади.
В случае необходимости изготовления электроконвектора большой толщины и получения высокой прочности нагревательного элемента применяют несколько слоев объемных нагревательных элементов одной или разных структур, которые послойно склеивают между собой посредством разделяющих их тонких слоев или пленок электроизоляционных материалов (Фиг.3). На Фиг.3 под номером 8 изображены два объемных нагревательных элемента треугольной формы, склеенных между собой, либо соединенных механически с помощью промежуточного тонкого электроизоляционного слоя (на Фиг.3 под номером 13).
Внешние электроизоляционные слои электроконвектора могут быть изготовлены, например, из стекла, стекломагнезитового листа, пластика, металла с электроизоляционным покрытием, а также с использованием декоративных покрытий, декоративных пленок и красочных слоев (Фиг.4). На Фиг.4 под номером 8 - объемный нагревательный элемент треугольной формы, под номером 9 - передняя и задняя электроизоляционные пластины корпуса конвектора, под номерами 10 и 11 - слои материалов конструкции корпуса, закрывающие электроконвектор по периметру.
Электроконвектор может дополнительно содержать термостаты внутри корпуса, обеспечивающие отключение электроконвектора при превышении заданной температуры и включение при снижении температуры в помещении ниже допустимой.
Электроконвектор может содержать на корпусе переключатель либо регулятор мощности, а внутри корпуса вентилятор с целью интенсификации процесса теплообмена.
По периметру конвектор закрыт материалами, в том числе с отверстиями для циркуляции воздуха либо жидкости (Фиг.4).
Электроконвектор работает следующим образом.
Электроконвектор включают в электросеть. Объемный резистивный элемент нагревается до определенной температуры. Холодный воздух, поступающий через отверстия в корпусе конвектора снизу, нагревается в каналах нагревательного элемента, устремляется по каналам вверх, далее нагретый воздух направляется в помещение через отверстия по периметру конвектора. Нагретый воздух может быть направлен не только вверх, но и в боковые и фронтальные отверстия конвектора.
Сквозные отверстия требуемого размера обуславливают эффект "сквозняка", в результате чего заметно усиливается конвекция воздушного потока. Постоянное движение нагреваемого воздуха устраняет перегрев объемного нагревательного элемента, способствует эффективной теплоотдаче и увеличению срока службы электроконвектора.
Поскольку площадь нагревательного элемента весьма велика, в несколько раз больше, чем у электронагревателей аналогов и прототипа, то объемный нагревательный элемент нагревается несильно, кислород и пыль электронагреватель не сжигает и не распыляет пыль по помещению, как в случае применения тепловентилятора.
Электроконвектор технологичен, так как резистивные объемные нагревательные элементы могут быть изготовлены при одной закладке в пресс, сразу в виде многослойной пачки с разделительными слоями, например из фторлакоткани или из антиадгезионной жидкости.
Большого давления прессования не требуется, так как к резистивному элементу не предъявляется высоких требований по прочностным характеристикам.
Следует отметить, что жесткий объемный нагревательный элемент сложной формы может быть изготовлен также без применения давления натяжением резистивного полотна между направляющими элементами, например штырями, расположенными требуемым порядком (Фиг.5). Полотно натягивают между штырями, формируют из него заданную объемную форму, наносят электроизоляционное покрытие, отверждают покрытие, снимают жесткий нагревательный элемент со штырей.
Штыри могут быть изготовлены из материалов с низкими адгезионными характеристиками, например из фторопласта, или с нанесением на поверхность штырей антиадгезионных покрытий. Электроизоляционное покрытие может быть нанесено на резистивное полотно и до формования из него объемной формы (до натяжения на штыри). На Фиг.5 под номером 12 изображены штыри, под номером 8 - резистивное полотно в виде объемного нагревательного элемента треугольной формы. Стрелками показано направление нанесения полотна на штыри. Электроизоляционные покрытия на резистивное полотно наносят, например, шпателем, кистью, напылением, окунанием в раствор, способом налива на полотно. Нанесение электроизоляционного покрытия на резистивное полотно может быть проведено в один слой или в несколько слоев, в том числе с использованием композиций разных составов.
Все слои конструкции конвектора могут быть соединены и без применения клея - механически.
Температура отверждения электроизоляционного покрытия объемного нагревательного элемента зависит от состава покрытия и может колебаться в пределах от 10°C до 200°C.
Применением негорючих электроизоляционных покрытий и внешних слоев корпуса конвектора обеспечивают негорючесть электроконвектора.