ГИБКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ РЕЗИСТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к области электрического нагрева и может быть использована при создании гибкого нагревательного элемента позволяющего на его основе изготавливать нагревательные элементы для местного обогрева в технических и бытовых условиях.
Известны материалы, состоящие из высоко проводящих саж и растворов полимерных связующих, которые широко применяются для изготовления пленочных нагревателей с небольшой температурой нагрева (теплые полы и т.д.).
Известен способ изготовления полимерного, например, стеклопластикового электронагревателя (Патент RU 2074519, МПК H05B 3/14, H05B 3/28, оп. 27.02.1997), в частности, получение резистивного материала в составе нагревателя с поверхностным сопротивлением 30-160 ом на квадрат, для этого наносят на электроизоляционную подложку путем ее пропитки с уплотнением токопроводящего слоя на основе углерода элементного, графита и модифицированной феноло-формальдегидной смолы с образованием резистивного элемента. Наносят на него слои, пропитанные эпоксидным или эпоксифенольным, или феноло-формальдегидным связующим для образования электроизоляционного покрытия. Затем прессуют все слои при соответствующих температурно-временных режимах и давлении резистивный элемент перед нанесением на него электроизоляционного покрытия стопируют с аналогичными резистивными элементами и в стопированном виде термообрабатывают (отверждают) при температуре 130-140°C в течение 10-12 мин на каждый миллиметр толщины стопы. После термообработки извлекают из стопы, каждый резистивный элемент и наносят на него слои электроизоляционного покрытия с содержанием связующего в прилегающих к резистивному элементу слоях в 1,2-1,27 раза меньшем, чем в наружных, равном 40-47 мас.%.
Недостаток способа - необходимость пропитки стеклоткани от 1 до 3 раз и стопирование, т.е. использование нескольких слоев проводящей стеклоткани для достижения необходимой низкой резистивности материала.
2
Известен пленочный резистивный материал с удельным сопротивлением 5÷5000 Ом/см, разработанный Фирмой "Импульс" (Интернет: http://www.flexyheat.ru/opisanie-tekhnologii-fleksikhit/). Токопроводящая пленка используется для создания инфракрасных обогревателей, греющих панелей, и для целей радиозащиты в качестве радиопоглощающего материала. Пленка выполнена в виде рулона требуемой ширины до 62 см. На основе этого резистивного материала налажено производство нагревателей с равномерным тепловым полем и с оптимальной удельной тепловой мощностью для нагреваемой поверхности. Температура нагрева поверхности пленочного нагревателя до ста градусов. Технические характеристики:
- Одностороннее или двухстороннее нанесение проводящего состава;
- Сопротивление от 5 Ом до 5 МОм;
- Толщина нагревателя не более 0.5 мм;
- Толщина подложки 90 мкм;
- Толщина с резистивным слоем 140 мкм;
- Материал гибкий, скручивается в рулоны;
Негорючий.
К недостаткам данного технического решения можно отнести недостаточную проводимость резистивного слоя, при этом удельная мощность недостаточна для обычно применяемых нагревателей, имеющих минимальную мощность 200-300 ватт при размерах 400*400 мм или 400*700 мм.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является электронагреватель (патент РФ №130374, МПК F24C 7/00, от 20.07.2013), содержащий тонкослойный гибкий неметаллический нагревательный элемент, подключенный к электропитанию. Гибкий неметаллический нагревательный элемент представляет собой токопроводящий слой на основе углеродистой композиции, надежно запаянный между двумя слоями прочной лавсановой пленки. При подключении к электрической сети гибкий неметаллический греющий элемент нагревается до температуры 70°C.
В качестве недостатка таких нагревателей можно отметить, что такие нагревательные элементы обладают ограниченным диапазоном удельного электрического сопротивления. Максимально декларируемая температура эксплуатации в 70°C недостаточна для инфракрасных обогревателей, как бытовых, так и промышленных, что обусловлено недостаточно высокой удельной электропроводностью резистивного материала, применяемого в нагревателях, а также низкой термостойкостью некоторых конструкционных материалов, например клеев.
Задача полезной модели заключается в изготовлении гибкого нагревательного элемента с разными размерами и техническими характеристиками, не требующего при изготовлении сложного, нестандартного оборудования и обладающего высокой надежностью,
Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, состоит в повышении эксплуатационных характеристик гибкого нагревательного резистивного элемента, его надежности и эффективности, повышении технологичности при изготовлении, как самого резистивного элемента, так и гибких электронагревателей из него.
2
Это достигается тем, что в гибком нагревательном, резистивном элементе, содержащем тканевую подложку и токопроводящий резистивный слой на основе углерод-полимерной композиции, согласно полезной модели, токопроводящий резистивный слой сформирован на основе резистивного углеродного композиционного материала, нанесенного в виде коллоидной суспензии на термостойкую тканевую основу; при этом резистивный углеродный композиционный материал содержит технический углерод с высокоразвитой удельной площадью поверхности 300÷600 м/г и выше, с размером частиц от 10 до 50 нм в сочетании с коллоидными графитовыми препаратами с размерами частиц графита менее 4 мкм и раствор термостойкого полимерного связующего. Кроме этого в гибком нагревательном резистивном элементе в качестве термостойкой тканевой основы используется или полиэтилентерефталат, или лавсан. Кроме этого в резистивном углеродном композиционном материале использован технический углерод марки OMCARB™ CH210, и/или CH220, и/или CH230 и OMCARB™ CH600, а также коллоидные графитовые препараты или C-0, или C-1, или размолотые до размера частиц менее 4 мкм природные графиты. Кроме этого, в резистивном углеродном композиционном материале в качестве связующего использован термостойкий полимер в виде сложного полиэфира на основе или терефталевой кислоты, или себациновой кислоты, или адипиновой кислоты, или этиленгликоля, или диэтиленгликоля, либо части упомянутых компонентов, например смолы ТФ-60. Кроме этого в резистивном углеродном композиционном материале в качестве растворителей применен или хлороформ, или хлористый метилен, или дихлорэтан или другие, эффективно растворяющие полимерное связующее.
На чертежах изображено:
на фиг. 1 - гибкий нагревательный резистивный элемент, общий вид;
на фиг. 2 - то же, разрез по сечению А-А.
Позиции обозначают: термостойкая тканевая основа (1); токопроводящий резистивный слой сажа-графит полимерного композиционного материала (2); связующая основа (3).
2
Устройство содержит тканевую подложку (1) и токопроводящий резистивный слой (2) на основе углерод-полимерной композиции. Токопроводящий резистивный слой (2) сформирован на основе резистивного углеродного композиционного материала, нанесенного в виде коллоидной суспензии на термостойкую тканевую основу (1); при этом резистивный углеродный композиционный материал (2) содержит технический углерод с высокоразвитой удельной площадью поверхности 300÷600 м/г и выше, с размером частиц от 10 до 50 нм в сочетании с коллоидными графитовыми препаратами с размерами частиц графита менее 4 мкм и раствор термостойкого полимерного связующего (позиции на рисунках не показаны). Кроме этого в гибком нагревательном резистивном элементе в качестве термостойкой тканевой основы используется или полиэтилентерефталат, или лавсан. Кроме этого в резистивном углеродном композиционном материале использован технический углерод марки OMCARB™ CH210, и/или CH220, и/или CH230 и OMCARB™ CH600, а также коллоидные графитовые препараты или C-0, или C-1, или размолотые до размера частиц менее 4 мкм природные графиты. Кроме этого в резистивном углеродном композиционном материале в качестве термостойкого полимерного связующего использован сложный полиэфир на основе или терефталевой кислоты, или себациновой кислоты, или адипиновой кислоты, или этиленгликоля, или диэтиленгликоля, либо части упомянутых компонентов, например смолы ТФ-60. Кроме этого в резистивном углеродном композиционном материале в качестве растворителей применен или хлороформ, или хлористый метилен, или дихлорэтан или другие, эффективно растворяющие полимерное связующее.
Устройство работает следующим образом.
При подключении устройства к источнику питания, электрический ток протекает по установленным токоподводам (на рисунках не показаны), через резистивный композиционный слой нагревательного элемента и равномерно нагревает всю поверхность гибкого нагревательного элемента.
Пример выполнения гибкого нагревательного резистивного элемента.
Токопроводящий резистивный слой (2) сажа-графит полимерного композиционного материала сформирован путем нанесения высокодисперсной суспензии сажа-графит в растворе полимера на тканевую подложку. В качестве высоко электропроводного и высокодисперсного наноматериала - сажи применен технический углерод марок OMCARB™ CH210 и OMCARB™ CH600.
Коллоидный графитовый препарат C-1 (C-0) применен как компонент, имеющий очень высокую, практически металлическую, электропроводность в пределах чешуйчатых частиц, состоящих из большого числа графеновых слоев.
Связующее - полиэфирная смола ТФ-60 это химический аналог лавсана. Лавсан имеет высокую термостойкость (лавсан размягчается при 245-248 и плавится при 255-265°C, атмосферостойкость и электрическую прочность. Смола ТФ-60 один из немногих клеев, способных эффективно склеивать гладкую и бездефектную лавсановую пленку и лавсановые волокна. Температура плавления смолы 145-160°C. Растворитель для смолы ТФ-60 - хлористый метилен, хлороформ, дихлорэтан. Возможно применение летучих растворителей других классов.
Отличительные особенности от применения полезной модели.
1. Гибкий нагревательный резистивный элемент, с распределенным по всей излучающей тепло поверхности резистивным греющим слоем имеет оптимальную теплофизическую эффективность, т.е. не имеет местных перегревов.
2. Способность к некоторой деформации без ухудшения проводящих и механических свойств позволяет эффективно передавать теплоту от нагревателя к лицевому декоративному слою, т.к. элемент может быть приклеен к почти любому лицевому слою без зазоров, при толщине клеевого слоя порядка 1-5 мкм, что не ухудшает теплопередачу.
3. Гибкий нагревательный резистивный элемент может применяться для обогрева любых объектов с температурой нагрева от 30 до 130-150°C, при практически любой геометрически сложной конфигурации поверхности обогрева, т.е. имеет практически максимально возможное универсальное применение.
2
4. Компоненты, из которых изготовлен нагревательный элемент, могут производиться в промышленных масштабах, недефицитны и относительно дешевы, расход компонентов на изготовление 1 м обогревателямал в силу небольшой толщины элемента, порядка 0.2 мм, что позволяет производить продукцию в больших количествах и экономически эффективно.
5. Технология изготовления элементов также позволяет развернуть производство в значительных масштабах при относительно небольших затратах на проектирование, изготовление и запуск оборудования.
6. Надежность и долговечность резистивного слоя определяется армирующей основой из лавсановой, либо другой термостойкой ткани, определяет максимальную толщину и электропроводность резистивного углерод-полимерного слоя, армирует и предопределяет высокие прочностные свойства гибкого нагревательного элемента. Надежность конструкции возрастает, т.к. распространение механических дефектов ограничивают волокна армирующей ткани.