ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1994 года по МПК H05B3/18 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве нагревательного элемента в электронагревательных приборах бытового и производственного назначения.

Известны электронагревательные устройства, содержащие нагревательный элемент в виде пластины с токоподводом в виде покрытия с одной стороны пластины, к другой его плоской поверхности примыкает плоский элемент с положительными температурными коэффициентами сопротивления (ТКС), на противоположной поверхности которого установлен второй токоподвод. Элемент с положительным температурным коэффициентом сопротивления выполнен в виде пластины и включен последовательно с нагревательным элементом.

Недостатком известной конструкции является то, что температура электронагревательного устройства в рабочем состоянии стабилизируется в области точки фазового перехода материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления, исключая возможность ее регулировки, что существенно ограничивает динамический диапазон мощности устройства.

Известно электронагревательное устройство, содержащее пластинчатый резистивный элемент с токоподводами и по меньшей мере два термодатчика, выполненных из материала с положительным ТКС с разной температурой фазового перехода.

Недостатком этого устройства является расположение датчиков в ряд, так как при различной температуре фазового перехода часть рабочей области температур (область температуры точки Кюри) более высокотемпературного датчика приходится на участок низкотемпературного датчика выше его рабочей области температур, где он имеет отрицательный ТКС. При переключении напряжения с высокотемпературного датчика на низкотемпературный напряжение, падающее на низкотемпературный датчик, может оказаться ниже его предельного напряжения пробоя в области отрицательных ТКС и датчик попадает на падающий участок ВАХ, что приводит к росту тока и дальнейшему разогреву вплоть до возможности пробоя и выходу устройства из строя. Во избежание этого необходимо соблюдать разность температур обоих датчиков не более 60-70^оС, что ведет к ограничению рабочего диапазона температур и мощности устройства.

Целью изобретения является увеличение динамического диапазона мощности и повышение надежности устройства.

Это достигается тем, что в электронагревательном устройстве, содержащем пластинчатый резистивный элемент с токоподводами и по меньшей мере два термодатчика, выполненных из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления, с разной температурой фазового перехода, каждый термодатчик выполнен в виде плоского элемента, снабженного с одной стороны плоским токоподводом, один токоподвод нагревателя подсоединен к одной из его плоских поверхностей, а к другой стороне примыкают последовательно установленные указанные термодатчики с токоподводами, каждый последующий из которых выполнен из материала с меньшей температурой фазового перехода относительно предыдущего, токоподвод каждого термодатчика соединен с неподвижным контактом введенного многопозиционного ключа, подвижный контакт которого соединен с вторым токоподводом нагревателя. Различную температуру фазового перехода термодатчиков в зависимости от состава керамики можно выбирать в диапазоне 40-300^оС, что позволяет в том же диапазоне регулировать температуру электронагревательного устройства.

На чертеже изображено электронагревательное устройство, разрез.

Оно содержит резистивный элемент в виде пластины 1, выполненной, например, из термостойкой керамики SiC с удельным сопротивлением 10⁴Ом см, на которую нанесено токопроводящее покрытие, например, из Al, образующее один из токоподводов 2. Резистивная пластина 1 контактирует с набором термодатчиков 3 в виде плоских элементов из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Термодатчики 3 могут быть выполнены из керамики на основе ВаТiО₃ с частичными добавками SrTiО₃ и РbTiО₃ в зависимости от требуемой температуры фазового перехода. Удельное сопротивление керамики при температуре ниже точки Кюри -ρ 30-40 Ом см. Для возможности регулировки температуры электронагревательного устройства термодатчики 3 имеют токоподводы 4, выполненные, например, из Al. Термодатчики 3 с токоподводами 4 расположены один за другим со стороны резистивной пластины 1 так, что каждый последующий выполнен из материала, имеющего относительно предыдущего меньшую температуру фазового перехода. Токоподводы 4 соединены с неподвижным контактом многопозиционного ключа, подвижный контакт которого соединен с вторым токоподводом нагревателя.

В конкретном исполнении электронагревательное устройство может, например, содержать пять термодатчиков, имеющих температуру фазового перехода соответственно при температуре 250, 200, 150, 100 и 50^оС.

Работает устройство следующим образом.

При приложении напряжения к резистивному элементу 1 и термодатчикам 3 происходит интенсивное тепловыделение в резистивном элементе 1, имеющем сопротивление значительно выше сопротивления термодатчиков 3 при температуре электронагревательного устройства ниже температуры фазового перехода термодатчика 3, к которой приложено напряжение. Если теплоотвод со стороны термодатчиков 3 незначителен, то они в течение короткого времени принимают температуру резистивного элемента 1. Оценки с использованием уравнения теплопроводности показывают, что для набора из пяти пластин толщиной 5 мм с теплопроводностью керамики на основе ВаТiО₃3 Вт/м К при температуре резистивной пластины 1250^оС перепад температуры на наборе составляет не более единиц градусов.

При значительном теплоотводе с резистивного элемента 1, например, за счет теплоотдачи в нагреваемое тело, находящееся на поверхности нагревательного элемента, электрическая мощность, потребляемая устройством, также велика и равна тепловому потоку с элемента 1. Если же нагреваемое тело отсутствует или оно нагрелось до температуры, близкой к температуре фазового перехода одного из термодатчиков 3, тепловой поток с резистивной пластины 1 значительно снижается и сопротивление термодатчика 3, к которому приложено напряжение, повышается настолько, что потребляемая электрическая мощность также уменьшается и становится равной тепловому потоку с резистивной пластины 1, определяемому в основном конвекцией. При этом температура нагревательного устройства стабилизируется возле точки фазового перехода термодатчика 3, к которому приложено напряжение, сопротивление остальных термодатчиков, включенных в цепь и расположенных между термодатчиком 3, к которому приложено напряжение, и резистивной пластиной 1, остается небольшим и составляет десятки ом на 1 см, поскольку они имеют более высокую температуру фазового перехода, а термодатчики 3, имеющие меньшую температуру фазового перехода, выключены из электрической цепи, т.е. предложенная конструкция электронагревательного устройства, в которой термодатчики 3 расположены один за другим с одной стороны резистивной пластины 1 и каждый последующий имеет меньшую температуру фазового перехода по сравнению с предыдущим, позволяет выбрать температуру, до которой необходимо нагреть устройство посредством подключения к источнику напряжения соответствующего токоподвода 4 термодатчика 3, имеющего соответствующую температуру фазового перехода.

При использовании резистивной пластины из SiC c 10⁴ Ом см толщиной 5 мм и площадью 200 см² максимальная мощность тепловыделения при напряжении на электронагревательном устройстве 220 В и температуре ниже температуры фазового перехода термодатчиков 3 составляет ≈1,5 кВт. При достижении температуры термодатчиком 3 точки Кюри его сопротивление возрастает в 10⁴-10⁶ раз, а потребляемая электрическая мощность устройства снижается до десятков ватт, т. е. происходит саморегулиpовка потребляемой электрической мощности устройства при его работе в широком диапазоне температур.

Таким образом, предложенная конструкция электронагревательного устройства существенно увеличивает динамический диапазон мощности устройства за счет возможности регулирования температуры.

Использование: электронагревательные приборы бытового и производственного назначения. Сущность изобретения: пластинчатый резистивный элемент снабжен токоподводами и термодатчиками (не менее двух). Термодатчики выполнены из материала с положительным ТКС с разной температурой фазового перехода. Один из токоподводов, выполненный плоской формы, размещен на одной плоской поверхности резистивного элемента. К другой поверхности последнего примыкают последовательно установленные термодатчики с токоподводами. Каждый последующий выполнен из материала с меньшей температурой фазового перехода относительно предыдущего. Токоподвод каждого термодатчика соединен с неподвижным контактом многопозиционного ключа. Подвижный контакт ключа соединен с токоподводом нагревателя. 1 ил.

ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее пластинчатый резистивный элемент с токоподводами и по меньшей мере два термодатчика, выполненные из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления с разной температурой фазового перехода, отличающееся тем, что, с целью увеличения динамического диапазона мощности и повышения надежности устройства, каждый из термодатчиков выполнен в виде плоского элемента, снабженного с одной стороны плоским токоподводом, один токоподвод нагревателя подсоединен к одной из его плоских поверхностей, а к другой стороне примыкают последовательно установленные указанные термодатчики с токоподводами, каждый последующий из которых выполнен из материала с меньшей температурой фазового перехода относительно предыдущего, токоподвод каждого термодатчика соединен с неподвижным контактом введенного многопозиционного ключа, подвижный контакт которого соединен с вторым токоподводом нагревателя.