ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при изготовлении электронагревателей и других устройств специального бытового назначения.
Известен толстопленочный нагревательный элемент (см. патент RU №2054720, МПК Н01С 7/00), содержащий стальную подкладку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным стеклосодержащими слоями, между которыми расположен резистивный слой, в качестве материала изолирующего и защитного слоя использована толстопленочная паста на основе бесщелочных стекол, причем паста для изолирующего слоя выполнена на основе бесщелочного кристаллизирующего стекла, а паста для защитного слоя содержит бесщелочное стекло с керамическим наполнителем, при этом в качестве материала резистивного слоя использована толстопленочная паста на основе порошка никеля с добавками порошка хрома или нихрома и стеклосвязующего.
В известном техническом решении резистивный слой наносят толщиной 30-70 мкм. Для обеспечения заданной толщины нанесения проводят за один или два цикла трафаретной печати с промежуточной сушкой по указанному режиму, после чего проводят совместимую термообработку. Термообработку резистивного слоя проводят в конвейерной печи в атмосфере азота при температуре 800-820°С. Длительность цикла термообработки составляет 25-30 мкм. Время нахождения при максимальной температуре 5-7 мин.
Использование в известном техническом решении в качестве материала резистивного слоя порошка никеля с примесями хрома или нихрома через возможное их окисление при термообработке резистивного слоя на воздухе обусловливает необходимость проведения термообработки резистивного слоя в атмосфере азота, что экономически нецелесообразно, поскольку приводит к существенному подорожанию нагревательных элементов, которые изготовляются.
К тому же, использование никеля, хрома или нихрома, имеющих близкие удельные электрические сопротивления не позволяет создать резистивный слой с широким диапазоном сопротивления, которое ограничивает создание нагревательных элементов разной конфигурации с заданными пределами мощностей.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели (см. патент России №2140134, опубл. 20.10.1999, заявка №97112522/09 от 21.07.97) является нагревательный элемент, содержащий стальную (керамическую) подкладку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным слоями, между которыми расположен резистивный слой, в качестве материала резистивного слоя использована толстопленочная паста на основе соединений борида никеля, а в качестве материала изолирующего и защитного слоя использованы порошок или толстопленочная паста на основе кристаллизирующихся стекол-ситаллоцемента марки СЕ-3.
В известном техническом решении формирование (термообработка) резистентного слоя происходит в воздушной среде.
Однако недостатком нагревателя по ближайшему аналогу является возможность взаимодействия в процессе изготовления резистивного слоя, а именно термообработки боридов металлов с кислородом воздуха, что приводит к возникновению оксида бора, который в последующем, взаимодействуя с влагой воздуха, образует борную кислоту, которая влечет нарушение структуры резистивного слоя, что снижает надежность нагревательного элемента, а также приводит к снижению электропроводимости резистивного слоя.
Кроме того, использование резистивного слоя только на основе соединений борида никеля не позволяет создать резистивный слой с широким диапазоном сопротивления, что ограничивает создание нагревательных элементов разной конфигурации с заданными пределами мощности.
Задачей полезной модели является повышение надежности нагревательного элемента за счет уменьшения степени окисления элементов резистивного слоя и расширение диапазона сопротивления резистивного слоя.
Технический результат достигается тем, что в толстопленочном нагревательном элементе, содержащем стальную или керамическую подкладку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным слоями, между которыми размещен резистивный слой, согласно полезной модели, в качестве материала резистивного слоя использована композиционная паста на основе порошков боридов редкоземельных и/или переходных элементов с примесями порошка алюминия, кремния, или алюминия, или кремния.
Благодаря выполнению резистивного слоя на основе порошков боридов редкоземельных и/или переходных элементов с примесями порошка алюминия, кремния, или алюминия, или кремния, уменьшается степень окисления борида при термообработке этого резистивного слоя в воздушной среде, что в свою очередь уменьшает степень нарушения структуры резистивного слоя, и тем самым повышает надежность нагревательного элемента.
Кроме того, благодаря выполнению резистивного слоя на основе порошков боридов редкоземельных и/или переходных элементов с примесями порошка алюминия, кремния, или алюминия, или кремния, расширяется диапазон удельного электрического сопротивления резистивного слоя, в результате чего расширяется номенклатура изготовляемых нагревательных элементов по электрической мощности, напряжения питания.
Сущность полезной модели объясняется чертежом, где на Фиг. представлено изображение толстопленочного нагревательного элемента:
1 - защитный диэлектрический слой;
2 - резистивный слой;
3 - контактная паста;
4 - изоляционный слой;
5 - стальная (керамическая) подкладка.
В качестве подкладки 5 берут например алюмооксидную керамику марки ВК-94, или нержавеющую сталь типа A1S1430, аналог 12×17, определенных размеров.
Изготовление нагревательного элемента происходит таким образом.
Подкладку 5 промывают в мыльном растворе под проточной водой и отжигают в конвейерной печи в течение 30 минут при температуре до 850°С. На подготовленную подкладку по известной технологии трафаретной печати наносят материал для резистивного слоя 2 толщиной 30-70 мкм (в случае керамической подкладки). При использовании стальной подкладки наносят на подготовленную поверхность металла изоляционный слой 4 за три или четыре цикла трафаретной печати с промежуточной сушкой в сушильном шкафу при температуре до 120°С, после чего проводят термообработку в конвейерной печи при температуре 800-850°С в течение 25-30 мин, срок пребывания при максимальной температуре 5-7 мин.
Защитный материал 1 наносят одним слоем толщиной 30-70 мкм, сушат в сушильном шкафу при температуре 100-120°С в течение 10-15 минут и проводят термообработку в конвейерной печи на воздухе при температуре 800-850°С в течение 25-30 минут.
В процессе изготовления к нагревательному элементу присоединяют шнур электропитания (на чертеже не показан).
Нагревательный элемент, изготовленный в соответствии с предлагаемой полезной моделью, имеет следующие технические характеристики:
- напряжение питания - 1,5 В - 720 В AC, DC;
- удельное поверхностное сопротивление резистивного слоя Ом/квадрат - 0,03-100;
- изменение сопротивления в процессе эксплуатации за 6000 часов - не больше 2%;
- пробивное напряжение - не меньше 1250 В;
- максимальная удельная мощность рассеивания к - 50 Вт/см;
- максимальная рабочая температура - 650°С.
На таблицы показанные примеры составов материалов резистивного слоя и их соответствующего сопротивления.
Таблица.
Резистивная паста(марка)
Состав проводящей фазы, мас.%
Состав пасты, мас.%
Удельное сопротив Ом/кв
Ni<sub>3</sub>В
CrB<sub>2</sub>
LаВ<sub>6</sub>
СаВ<sub>6</sub>
Аl
Si
Провод. фаза
Стекло
Орг. связ.
ПРН-0,03
95
4
-
-
-
1
55
25
20
0,03
ПРН-0,1
93
4
-
-
-
3
50
30
20
0,1
ПРН-1,0
90
6
-
-
1
3
47
33
20
1,0
ПРН-10
73
20
-
-
2
5
40
40
20
10
ПРН-50
5
-
22
70
3
-
40
40
20
50
ПРН-100
-
-
11
85
4
-
35
45
20
100
Как видно из приведенных данных таблицы варьирования соотношения боридов редкоземельных или переходных элементов с примесями порошка алюминия, кремния, или алюминия, или кремния, позволяет изменять в широких пределах удельное сопротивление резистивного слоя, в результате чего появляется возможность расширить номенклатуру нагревательных элементов по электрической мощности, напряжения питания.
Предлагаемая полезная модель может найти широкое применение в отрасли электротехники и может быть использована при изготовлении электронагревателей и других устройств специального бытового назначения с температурой нагрева до 750°С.