ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ
THIN-FILM ELECTRIC HEATER

Изобретение относится к плоским электронагревателям излучающего типа, в частности к тонкопленочным электронагревателям, предназначенным для обогрева малообъемных помещений: автомобилей, различных обитаемых аппаратов - летательных, космических, подводных, медицинских, для обогрева скафандров и одежды, а также в качестве базы для создания систем отопления производственных и жилых помещений, систем обогрева молодняка животных и птиц, сушки лакокрасочных покрытий.
Известен патент на изобретение России №2379857, опубл. 20.01.2010 г. Тонкопленочный электронагреватель состоит из двух листов гибких термостойких электроизоляционных пленок, между которыми, по их размеру, размещен резистивный элемент, полученный осаждением проводящего слоя толщиной 3-25 мкм на термостойкую полимерную пленку методом вакуумного ионно-плазменного напыления через маску. Резистивный элемент имеет зигзагообразную (меандровую) форму и снабжен токоотводящими проводами, припаянными к участкам с медным покрытием, которые изготавливаются ионно-плазменным напылением через маску.
Недостатком известного тонкопленочного электронагревателя является низкая надежность резистивного элемента, так как при зигзагообразной форме резистивного элемента любой его дефект, сравнимый по размерам с шириной полосы меандра, приводит к разрушению проводящего слоя, т.е. к снижению надежности, кроме того, покрытие толщиной 3 мкм и более, необходимое для получения требуемой мощности электронагревателя, неустойчиво к деформации изгиба, что приводит также к снижению его надежности.
Известен патент России на полезную модель №100353, опубл. 10.12.2010 г. Пленочный электронагреватель содержит две внешние термостойкие электроизоляционные пленки, между которыми расположена внутренняя термостойкая электроизоляционная пленка с нанесенным на всю ее поверхность наноразмерным слоем резистивного материала - нихрома толщиной, определяемой удельной мощностью электронагревателя и его длиной. Выводы для подключения к электрической сети присоединены к плоским контактам, выполненным из медной фольги и примыкающим к поверхности слоя резистивного материала.
Недостатком известного устройства является низкая надежность системы подведения электрического тока к слою резистивного материала. Ток, следуя по пути наименьшего сопротивления, переходит с плоских контактов из фольги на резистивный слой в узкой области края контактов, что приводит к увеличению плотности тока в области перехода, перегреву и разрушению резистивного слоя.
Другим недостатком является образование воздушных полостей в месте неплотного прилегания контакта из фольги к слою резистивного материала, что приводит к возникновению электрических дуг и к разрушению слоя резистивного материала.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является патент России на полезную модель №113624, опубликованный 20.02.2012 г.
Тонкопленочный электронагреватель содержит резистивный элемент, расположенный между двумя термостойкими электроизоляционными пленками, причем в качестве резистивного элемента используют полимерную пленку с токопроводящим покрытием в виде наноразмерного слоя. По всей ширине наноразмерного слоя, по двум краям резистивного элемента, напротив друг друга, нанесены контакты, выполненные в виде гребенки из материала, обладающего адгезией к токопроводящему покрытию. Токоподводы, к которым подсоединены выводы подключения к электрической сети, выполнены в виде ленты из фольги (из материала с низким электрическим сопротивлением) по всей длине контактов и прижаты к контактам двумя термостойкими электроизоляционными пленками. Выполнение контактов в форме гребенки призвано увеличить длину линии перехода тока из материала контакта в наноразмерный проводящий слой резистивного элемента с целью уменьшения плотности тока в области перехода.
Недостатками данного тонкопленочного электронагревателя являются контакты, выполненные в виде гребенки, состоящей из прямоугольных зубцов. При достаточно близком расположении зубцов, вследствие экранирования (зубцами друг друга) ток переходит в наноразмерный проводящий слой только с верхней части зубцов, эффективная длина линии перехода тока снижается и по мере увеличения частоты зубцов стремится к длине контакта. Более того, заявителем экспериментально доказано, что максимальный градиент потенциала и, следовательно, максимальная плотность тока возникают на верхних углах зубцов. При подаче разрушающего напряжения деструкция наноразмерного слоя начинается именно в этих точках.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение надежности пленочного обогревателя за счет оптимизации формы контактов путем максимального использования всей длины края контакта в качестве линии перехода электрического тока из материала контакта в наноразмерный слой путем исключения из формы контакта участков с повышенным градиентом потенциала.
Технический результат достигается тем, что в тонкопленочном электронагревателе, содержащем расположенный между двумя термостойкими электроизоляционными пленками резистивный элемент из полимерной пленки с токопроводящим покрытием в виде наноразмерного слоя, по всей ширине которого, по двум краям, напротив друг друга, размещены контакты, выполненные из материала, обладающего адгезией к токопроводящему покрытию, с токоподводами и выводами для подключения к электрической сети, причем токоподводы для подключения к электрической сети выполнены из материала с низким электрическим сопротивлением в виде сплошной ленты из фольги по всей длине контактов и прижаты к контактам, согласно изобретению контакты выполнены в виде плоской фигуры, ограниченной с двух сторон периодическими волнообразными линиями, при этом высота максимумов линий определяется удельной мощностью обогревателя и находится в интервале 1-50 мм, высота максимумов не превышает расстояния между соседними максимумами, а токоподводы для подключения к электрической сети дополнительно приклеены к контактам посредством токопроводящего компаунда.
За счет того, что в тонкопленочном электронагревателе контакты выполнены в виде плоской фигуры, ограниченной с двух сторон периодическими волнообразными линиями, при этом высота максимумов линий определяется удельной мощностью обогревателя и находится в интервале 1-50 мм, высота максимумов не превышает расстояния между соседними максимумами, а токоподводы для подключения к электрической сети дополнительно приклеены к контактам посредством токопроводящего компаунда, повышается надежность пленочного обогревателя за счет оптимизации формы контакта путем максимального использования всей длины края контакта в качестве линии перехода электрического тока из материала контакта в наноразмерный слой путем исключения из формы контакта участков с повышенным градиентом потенциала.
Заявляемый тонкопленочный электронагреватель обладает новизной по сравнению с прототипом, отличается от него вышеперечисленными признаками и обеспечивает достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Совокупность существенных признаков заявляемого тонкопленочного электронагревателя не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Заявляемый тонкопленочный электронагреватель найдет широкое применение, т.е. является промышленно применимыми.
Сущность предлагаемого тонкопленочного электронагревателя поясняется чертежами, где представлено:
на фиг. 1 - общий вид устройства;
на фиг. 2 - то же, сечение А-А;
на фиг. 3 - то же, вид сверху на контакт;
на фиг. 4 - то же, область перехода тока с контакта в резистивный слой.
Тонкопленочный электронагреватель содержит резистивный элемент 1 из полимерной пленки 2 с токопроводящим покрытием в виде наноразмерного слоя 3, по всей ширине которого, по двум краям, напротив друг друга, размещены контакты 4, выполненные из токопроводящего материала, обладающего адгезией к токопроводящему покрытию в виде наноразмерного слоя 3, причем резистивный элемент 1 расположен между двумя термостойкими электроизоляционными пленками 5 и снабжен токоподводами 6 для подключения контактов 4 к электрической сети, а токоподводы 6 для подключения к электрической сети выполнены из материала с низким электрическим сопротивлением в виде прямоугольной ленты из фольги по длине контактов 4 и присоединены к контактам 4 (фиг. 1, фиг. 2).
Контакты 4 выполнены в виде плоской фигуры, ограниченной с двух сторон периодическими волнообразными линиями, при этом высота максимумов Н определяется удельной мощностью обогревателя и находится в интервале 1-50 мм, высота максимумов не превышает расстояния между соседними максимумами (Фиг. 3).
Назначение и выполнение деталей заявляемого устройства следующее. В качестве резистивного элемента 1 используют полимерную пленку 2 с нанесенным на всю ее поверхность слоем токопроводящего покрытия в виде наноразмерного слоя 3, выполненного, например, из нихрома, титана, нержавеющей стали, оксида индия-олова, нитрида титана и др. материалов.
Токопроводящее покрытие в виде наноразмерного слоя 3 наносят на полимерную пленку 2 методом магнетронного напыления в вакууме. При магнетронном напылении получаемое покрытие обладает высокой адгезией, так как осаждаемые атомы металла достигают подложки в виде ионов. Метод магнетронного напыления позволяет наносить токопроводящее покрытие без значительного нагрева полимерной пленки 2 (до 80°C), точно контролируя толщину нанесенного наноразмерного слоя. При этом токопроводящее покрытие имеет одинаковую толщину по всей поверхности резистивного элемента 1. Процесс нанесения токопроводящего покрытия осуществляют на установке магнетронного напыления ВУ-700. При этом толщину токопроводящего покрытия определяют в зависимости от заданной удельной мощности и длины тонкопленочного электронагревателя.
В качестве материала для контактов 4 может быть выбран любой материал из перечисленных далее - медь, золото, серебро, никель, алюминий, токопроводящие пасты. Контакты 4 могут быть нанесены любым из нижеперечисленных методов: напылением в вакууме; гальваникой; трибогальваникой; токопроводящей пастой из материала, обладающего адгезией к токопроводящему покрытию в виде наноразмерного слоя 3, методом шелкографии.
Заявителем экспериментально установлена оптимальная форма контактов 4, в виде плоской фигуры, ограниченной с двух сторон периодическими волнообразными линиями, при этом высота максимумов определяется удельной мощностью обогревателя и находится в интервале 1-50 мм, высота максимумов не превышает расстояния между соседними максимумами, что позволяет максимально эффективно использовать всю огибающую для перехода тока в наноразмерный слой 3 в зависимости от удельной мощности обогревателя.
Токоподводы 6 предназначены для передачи электрического тока к контактам 4 и выравнивают потенциала по всей длине контакта 4, что особо актуально для контактов 4, нанесенных токопроводящей пастой. Токоподводы 6 выполнены в виде прямоугольной ленты из медной или латунной фольги, приклеиваются к контактам 4, исключая токопроводящее покрытие в виде наноразмерного слоя 3, посредством токопроводящего компаунда по всей длине и дополнительно прижимаются электроизоляционной пленкой 5.
Питающие провода 7 подключаются к токоподводам 6 посредством пайки или токопроводящего скотча.
Контакт 4 к токопроводящему покрытию в виде наноразмерного слоя 3, нанесенный токопроводящим компаундом, имеет толщину 5-25 мкм. Токопроводящее покрытие в виде наноразмерного слоя 3 - 0,03-0,5 мкм. При переходе электрического тока из макроскопического контакта в токопроводящее покрытие в виде наноразмерного слоя 3 ток идет по пути наименьшего сопротивления и переходит в токопроводящее покрытие в виде наноразмерного слоя 3 в узкой области 8 перехода тока в конце контакта 4 (Фиг. 4).
Плотность тока в области перехода j определяется
j=σΔϕ/Δх ,
где Δϕ/Δх - градиент потенциала,
Δх - ширина области перехода тока
σ - удельная электропроводность в области перехода тока
Математическое моделирование показывает, что переход тока из объема материала контакта в наноразмерный слой осуществляется в области контакта шириной Δх, сравнимой с толщиной наноразмерного слоя. Плотность тока в области перехода достигает значительно больших значений, чем наноразмерном слое вдали от контакта и определяется разностью потенциалов Δϕ и шириной области Δх, что и приводит к разрушению проводящего слоя на границе контакта.
Полный ток I, текущий через нагреватель, определяется законом Ома
I=U/R,
где U - напряжение между контактами электронагревателя;
R - полное сопротивление нагревателя.
L
Линейная плотность тока j, определяемая как ток, проходящий через единицу длины линии перехода тока:
L
j=I/L,
где L - длина линии перехода тока.
L
Для того чтобы уменьшить плотность тока j (определяемую, по закону сохранения заряда j - один и тот же ток I и идет через участки проводника разного сечения (Фиг. 3)), требуется увеличить длину самой линии L.
В патенте, выбранном за прототип, для этой цели использована форма контакта в виде гребенки, состоящая из прямоугольных зубцов, причем длина огибающей L гребенки не менее утроенной длины контакта. Однако, при достаточно близком расположении зубцов вследствие экранирования (зубцами друг друга) ток переходит в наноразмерный проводящий слой только с верхней части зубцов, эффективная длина линии перехода снижается и по мере увеличения частоты зубцов стремится к длине контакта.
Более того, заявителем экспериментально и математическим моделированием доказано, что максимальный градиент потенциала и, следовательно, максимальная плотность тока возникает на верхних углах зубцов. При подаче разрушающего напряжения деструкция наноразмерного слоя начинается именно в этих точках. В свою очередь, в нижних участках гребенки наблюдается минимальный градиент потенциала.
Для повышения надежности тонкопленочного электронагревателя необходима работа всей линии перехода с достаточно однородной плотностью тока.
В заявляемом техническом решении контакты 4 выполнены в виде плоской фигуры, ограниченной с двух сторон периодическими волнообразными линиями, исключающими любые углы и выравнивающими потенциал по длине обогревателя и по высоте контакта 4.
В заявляемом тонкопленочном электронагревателе повышается надежность пленочного обогревателя за счет оптимизации формы контактов путем максимального использования всей длины края контакта в качестве линии перехода электрического тока из материала контакта в наноразмерный слой путем исключения из формы контакта участков с повышенным градиентом потенциала за счет того, что в тонкопленочном электронагревателе контакты выполнены в виде плоской фигуры, ограниченной с двух сторон периодическими волнообразными линиями, при этом высота максимумов линий определяется удельной мощностью обогревателя и находится в интервале 1-50 мм, высота максимумов не превышает расстояния между соседними максимумами, а токоподводы для подключения к электрической сети дополнительно приклеены к контактам посредством токопроводящего компаунда.