Электронагревательное устройство

Заявляемое техническое решение относится к электронагревательным устройствам, а именно к устройствам резистивного нагрева, которые могут быть использованы, в частности, для обогрева помещений бытового и промышленного назначения.
Из уровня техники известно большое количество технических решений, в которых для обогрева различных поверхностей, а также помещений используют резистивные провода с высоким сопротивлением, размещенные на каком-либо основании, которые нагреваются при подаче на них электрического тока. В частности, одно из таких решений по патенту РФ на полезную модель № 139724 (МПК H05B 3/00, F24H 3/00, опубликован 20.04.2014) представляет собой электронагревательное устройство, содержащее оболочку, выполненную в виде двух слоев эластичного материала, между слоями оболочки установлен нагревательный элемент, выполненный с возможностью подключения к источнику питания. Нагревательный элемент представляет собой провод высокого сопротивления. Слои оболочки могут быть соединены друг с другом герметично и выполнены из влагозащитного материала.
Общим недостатком данного и подобных ему решений заключается в том, что нагревательный элемент не закреплен к оболочке. В процессе изготовления провод раскладывается либо вручную, либо с помощью оборудования, но в дальнейшем, при формовании изделия он может смещаться, что приводит к перекрестному размещению нагревательного элемента и, в дальнейшем, к перегреву, замыканию и даже воспламенению. Кроме того, при изготовлении методом формования для надежного закрепления мест соединения токоподводящих проводов и резистивного нагревательного элемента токоподводящие провода должны быть расположены внизу, что приводит к тому, что при вынимании из матрицы и эксплуатации эти выводы оказываются сверху, что снижает безопасность эксплуатации подобных устройств. Также часто является затруднительным использовать фиксированную длину резистивного провода, что приводит к тому, что места соединения токоподводящих проводов и резистивного элемента не может быть надежно соединено и заизолировано, что снижает безопасность и надежность изделия.
Известно также техническое решение, представляющее собой листовой нагревательный элемент, который содержит лист подложки, выполненный из электроизоляционного материала, и провода, выполненные из электропроводного материала и расположенные на листе подложки на расстоянии друг от друга, а также, по меньшей мере, один лист резистора с положительным температурным коэффициентом, находящийся в электрическом контакте с проводами и выполненный с возможностью нагревания с саморегулированием в ответ на электроэнергию, поданную через провода. Лист резистора с положительным температурным коэффициентом может содержать огнезащитный состав и/или влагозащитную пленку. Патент РФ на изобретение №2403686, МПК H05B 3/34, опубликован 10.11.2010.
В известном техническом решении в качестве резистивного нагревательного элемента используют лист резистора, содержащего полимерную композицию и электропроводный материал, который находится в электрическом контакте с токоподводящими проводами и выполнен с возможностью нагреваться при подаче на него по проводам электрического тока. При этом токоподводящие провода могут быть пришиты к листу подложки и соединены с листом резистора для установления электрического контакта, например путём ламинирования или термической адгезии. При таком способе питания листа резистора при подаче электрического тока возможно появление искры между листом резистора и подводящими проводами, что может приводить к разрушению пленки, пропаданию контакта и ухудшению качества нагревания. Кроме того, такое соединение требует дополнительных средств для повышения пожароустойчивости устройства, для чего в состав листа резистора в известном решении вводят антипирен, огнезащитные и влагозащитные полимеры. Кроме того, очевидно, что токоподводящие провода выполнены оголенными для обеспечения электрического контакта, а описание известного решения не раскрывает, каким образом выполнено соединение токопроводящих выводов для подключения к источнику питания с оголенными токоподводящими проводами для обеспечения электробезопасности устройства.
Известно также решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, представляющее собой гибкий электронагреватель, содержащий тканое основание и пришитый к нему по волнообразной траектории нагревательный провод, заключенный в изоляционную оболочку и соединенный металлическими контактами с токоведущим проводом. Патент РФ на полезную модель №76536, МПК H05B 3/26, опубликован 20.09.2008. Данное решение не может быть использовано для обогрева помещений, в особенности полов в помещениях для содержания животных, так как не имеет достаточной электроизоляции, влагоизоляции и формообразующих элементов для придания ему жесткой формы, необходимой для размещения на полу или стене помещений.
Технический результат заявляемого технического решения проявляется в повышении надежности и безопасности устройства.
Технический результат достигается тем, что в электронагревательном устройстве, включающем резистивный нагревательный элемент, выполненный в виде электрического провода, заключенного в изоляционную оболочку и пришитого к листу подложки из электроизоляционного материала, и токопроводящие выводы для подключения к источнику питания, согласно заявляемому решению резистивный нагревательный элемент расположен между изоляционными слоями, выполненными из армирующего материала, пропитанного синтетической смолой. Резистивный элемент выбирают с сопротивлением от 5 Ом до 55 Ом на один метр и диаметром от 0,8 мм до 5мм. Резистивный нагревательный элемент может быть выполнен из хромоникелевого сплава, железо-хромо-алюминиевого сплава или из углеродистого волокна. Устройство может содержать дополнительный лист подложки, расположенный с другой стороны резистивного нагревательного элемента. Резистивный нагревательный элемент и токопроводящие выводы соединены путем пайки, при этом, место пайки резистивного нагревательного элемента и токопроводящих выводов изолировано покрытием в виде слоя полимерного материала.
Для понимания заявляемого технического решения принято следующее определение для электрического провода: многожильный или одножильный проводник, который имеет трубчатую изоляционную оболочку. Использование в заявляемом решении резистивного нагревательного элемента, выполненного в виде электрического провода, заключенного в изоляционную оболочку и пришитого к листу подложки из электроизоляционного материала, позволяет создать такую конструкцию устройства, в которой нагревательный элемент имеет четкую, предварительно определенную форму, которая не может измениться в процессе изготовления изделия в дальнейшем, например, при ручном формовании. К такому нагревательному элементу может быть также до начала формования подсоединены токоподводящие провода, надежно закреплены, например, пайкой и дополнительно заизолированы. Такое подсоединение является более надежным, так как отсутствуют не изолированные места соединений, отсутствует вероятность возникновения искры и разрушения соединения со временем.
При этом размещение нагревательного элемента, пришитого к листу подложки, между изоляционными слоями, выполненными из армирующего материала, пропитанного синтетической смолой, позволяет создать устройство, обладающее достаточной прочностью и жесткостью для размещения на полу или стенах помещения. При этом, в процессе изготовления устройства, слои армирующего материала надежно соединяются между собой посредством пропитки синтетической смолой, надежно закрепляя положение нагревательного элемента и дополнительно создавая слой изоляции самого нагревательного элемента и места соединения токоподводящих проводов и нагревательного элемента. При этом, так как токоподводящие выводы надежно закреплены к листу подложки, они могут быть выведены в процессе формовки как вверх, так и в сторону, что позволяет в дальнейшем разместить готовое устройство таким образом, что выводы будут находиться внизу и недоступны для животных.
Заявляемое техническое решение поясняется далее с помощью фигуры, на которой условно представлен один из возможных вариантов выполнения устройства.
На фигуре представлены: 1 – резистивный нагревательный элемент, 2 - подложка из электроизоляционного материала, 3 - токопроводящие выводы для подключения к источнику питания, 4 - изоляционные слои.
В качестве резистивного нагревательного элемента (1) в предпочтительном варианте исполнения используют гибкий электрический провод сопротивлением не менее 5 Ом и диаметром не более 5 мм. Материал изготовления проводящих жил резистивного элемента (1) предпочтительно выбирают из нихрома или углеродистого волокна, а изоляционная оболочка нагревательного элемента выполняется, например, из температуростойкого силикона.
Подложка (2) из электроизоляционного материала в предпочтительном варианте может быть изготовлена из тканого или нетканого материала. Такой материал выбирают с учётом того, чтобы он мог легко пропитываться синтетической смолой таким образом, чтобы при изготовлении устройства произошло надежное сцепление всех элементов устройства. Нить, используемая для пришивания резистивного нагревательного элемента (1), может быть выбрана, в частности, из следующего ряда: полиэстровая, хлопчатобумажная, вискозная, капроновая, лавсановая, нейлоновая, стеклонить, мононить.
Изоляционные слои (4) содержат армирующий материал, пропитанный синтетической смолой. В качестве армирующего материала может быть использован тканный или нетканый материал в виде стеклоткани, стеклорогожи, стекломата, стекловуали или их комбинации. В качестве синтетической смолы может быть использована, например, полиамидная смола, полиуретановая смола, полиэфирная смола, эпоксидная смола или акриловая смола. В качестве катализатора для отверждения смолы может быть использован, например, пероксид.
Электронагревательное устройство может быть изготовлено различными методами формования, например, методом контактного ручного формования, как описано ниже.
На очищенную и обезжиренную матрицу будущего изделия наносится антиадгезионный слой, затем укладывается изоляционный слой (4) из армирующего материала и пропитывается синтетической смолой с добавлением катализатора, потом укладывается резистивный нагревательный элемент (1), предварительно пришитый к листу подложки (2) из электроизоляционного материала, в частности, с использованием трафарета. Размеры подложки (2) меньше размеров матрицы на 0,5-2 см. Токопроводящие выводы (3) предварительно припаиваются к резистивному нагревательному элементу (1), а место соединения нагревательного элемента (1) с токопроводящими выводами (3) изолировано покрытием в виде слоя полимерного материала, например, в виде муфты с клеевым подслоем, обжимной втулкой или термоусадочной трубкой. При таком соединении исключается вероятность появления искры при подключении и эксплуатации устройства, что повышает его надежность. Подложка (2) с резистивным нагревательным элементом (1) и токопроводящими выводами прикатывается к пропитанному синтетической смолой армирующему материалу. Для исключения пустот, которые могут возникать при укладывании сверху нагревательного элемента (1) слоя армирующего материала, возможно накладывание еще одного слоя подложки (2) сверху нагревательного элемента (1). Или нагревательный элемент (1) может быть заранее пришит между двумя слоями подложки. Далее на подложку (2) с нагревательным элементом (1) укладывается еще один изоляционный слой (4) из армирующего материала, который также пропитывается синтетической смолой с добавлением катализатора и прикатывается. Верхний и нижний изоляционные слои (4) из армирующего материала, пропитанные синтетической смолой, в процессе полимеризации образуют замкнутую изоляционную оболочку устройства. После отверждения изделие извлекается из формы, производится обрезка и выравнивание изделия по краям. Для крепления нагревательного устройства в месте установки в нём могут быть дополнительно выполнены отверстия. Так как нагревательный элемент (1) пришивается к подложке (2) с использованием трафарета, то даже уже на изготовленном устройстве точно известно место его расположения. Следовательно, можно безопасно сверлить отверстия для крепления или присоединения каких-либо элементов, без риска повреждения нагревательного элемента (1).
Для использования электронагревательного устройства токопроводящие выводы (3) подключаются к источнику питания. При этом резистивный нагревательный элемент (1) нагревается и выделяет тепло. Изоляционные слои (4) прогреваются быстро и равномерно, передавая тепло нагреваемой среде.
Для экономии потребляемой энергии температуру нагревания резистивного нагревательного элемента (1), по необходимости, можно регулировать, подключив его к источнику питания через терморегулятор.
Также электронагревательное устройство может дополнительно содержать ребристый слой, расположенный как минимум на одной внешней стороне изоляционного слоя, увеличивающий прочность и жесткость панели и обеспечивающий противоскольжение.