РЕЗИСТИВНЫЙ ТКАНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1995 года по МПК H05B3/34 

Изобретение относится к теплоэлектротехнике, в частности к системам электрообогрева помещений. Известен плоский нагреватель, изготовленный переплетением металлических проводников и изоляционных волокон [1] Из-за относительно малого сопротивления металла при питании от сетевого напряжения диаметр металлического проводника оказывается, как правило, малым (1-10 мкм), что понижает механическую прочность изделий. Контакт металлического резистива с плотно прилегающими к нему волокнами изоляционного материала требует тщательного подбора пары металл-изолятор и ограничивает предельную температуру для обеспечения экологической чистоты изделия (исключение химического разложения материала изолятора при контакте с металлом под влиянием повышенной температуры).

Наиболее близким к предлагаемому решению является нагревательная ткань, описанная в работе [2] Здесь токопроводящими являются нити утка, которые скреплены нитями основы из изоляционного материала, а токоподвод осуществляется двумя пучками токопроводящих нитей основы, расположенных по краям ткани. С помощью этих пучков нитей основы все нити утка оказываются соединенными параллельно. В качестве материала токопроводящих нитей предлагается использовать металл или углерод.

Этому решению присущи некоторые недостатки. Как и в работе [1] имеется контакт проводящих и непроводящих нитей и проблема обеспечения химической инертности должна решаться применительно к каждой паре проводник изолятор при заданной температуре. Применение в качестве токопроводящих нитей утка существенно ограничивает геометрические и электро- физические характеристики изделий. В частности, большинство специальных ткацких машин, предназначенных для изготовления тканей из разнородных нитей, рассчитаны на производство ткани шириной не более 500 мм. Сопротивление нагревателя определяется длиной куска ткани и соответственно числом нитей утка, расположенных на этом отрезке. Очевидно, что при использовании в крупногабаритных изделиях это число будет велико, а сопротивление нагревателя, где проводящие нити утка соединены параллельно, настолько мало, что использование сетевого напряжения определит высокую плотность мощности и нежелательную в ряде применений высокую температуру нагревателя.

Предлагаемый тканый резистивный элемент в виде ленты не имеет указанных недостатков, содержит однонаправленные нити основы, скpепленные углеродными нитями утка, расположенными в виде пучков дискретно по длине ленты и отличается тем, что нити основы выполнены из углеродного волоконного материала и уложены с расстоянием между нитями порядка их диаметра, а расстояние между пучками нитей утка взято порядка ширины ленты.

Такой резистивный элемент может закрепляться на плоском или объемном каркасе и помещаться в кожух, обеспечивающий электробезопасность, или запрессовываться между двумя листами изоляционного материала.

На фиг. 1 показан резистивный элемент, состоящий из однонаправленных нитей основы 1, имеющих диаметр d, которые соединены пучками нитей утка 2, расстояние между которыми имеет порядок ширины ленты. Расстояние между нитями основы имеет порядок d. На фиг. 2 показан общий вид нагревателя с тканым резистивным элементом. На каркас 1, горизонтальные части которого покрыты слоем электроизолятора, натянута лента из волоконного углеродного материала 3, содержащая однонаправленные углеродные нити основы 4. Концы ленты закреплены на каркасе хомутами-токоподводами 5.

Резистивный элемент работает следующим образом. При прохождении электрического тока нити основы нагреваются равномерно, редко расположенные нити утка не оказывают влияния на электрорезистивные и тепловые характеристики элемента. Разделение токонесущих нитей друг от друга с зазором порядка их диаметра обеспечивает оптимальную микроструктуру ленты (развивает эффективную площадь теплосброса), при этом интенсифицируется теплообмен. Выбор углерода в качестве единственного материала при производстве ленты целесообразен по следующим причинам: во-первых, использование одного материала для нитей основы и утка исключает их химическое взаимодействие, а применение именно углерода гарантирует экологическую чистоту устройства до температур порядка 300^оС. Во-вторых, волоконные углеродные материалы имеют удельное сопротивления на 3-5 порядков больше, чем металлы, что позволяет создавать резистивный элемент с развитой поверхностью и пониженной температурой при заданном теплопотоке. Элементарной коммутацией витков ленты можно получить нагреватели, рассчитанные как на сетевое, так и на пониженное напряжение. Низкотемпературные нагреватели, используемые в отопительных системах жилых и рабочих помещений, рассчитаны на конвективный теплообмен. Известно, что конвективный теплосъем пропорционален площади нагревателя. Учитывая указанную выше особенность, предлагаемый резистивный элемент, имеющий развитую поверхность и относительно низкую температуру, гарантирует полную пожаро-взрывобезопасность, исключает выгорание кислорода и термическое разложение пыли. Предлагаемое расположение нитей основы увеличивает эффективную площадь теплосброса по меньшей мере на 40-60% в случае естественной или слабой принудительной конвекции (скорость протока воздуха 0,5-5 м/с). При таких скоростях расстояние между нитями при типичном диаметре углеродных нитей 0,2-0,4 мм должно иметь порядок диаметра нити (ломинарное течение с очень малыми числами Рейнольдца). Большее расстояние увеличивает ширину резистивного элемента и не интенсифицирует теплосъем, а уменьшение расстояния ниже указанной величины приводит к запиранию потока и уменьшению теплосъема.

Пучки нитей утка служат для механического соединения нитей основы, увеличение расстояния между пучками более ширины ленты снижает механическую прочность ленты, а уменьшение приводит к неоправданному расходу материала.

Нами изготовлен резистивный элемент для бытового электроконвектора мощностью 1 кВт на напряжение 220 В. Резистивный элемент выполнен из ленты, изготовленной из углеродной нити "Урал-205 тэкс" и имеет ширину 36 мм длину 10,5 м. Лента состоит из 50-основных нитей. Лента натянута на каркас в виде рамки, горизонтальные части которой покрыты слоем стеклослюдинита. Каркас помещен в корпус из перфорированного алюминия. Площадь передней панели корпуса электроконвектора 0,24 м². Эффективная площадь теплосброса резистивного элемента 0,38 м². При этом плотность мощности, выделяемая на резистивном элементе (учитывая двухсторонний теплосброс) составляет 0,13 Вт/см². При естественной конвекции температура резистивного элемента составила 120^оС, а при использовании микровентилятора с производительностью 0,86 м³/мин 85^оС.

Область использования: нагреватель для обогревательных устройств. Сущность: резистивный тканый элемент выполнен в виде ленты. Нити основы выполнены из углерода и расположены с зазором порядка их диаметра. Нити утка из углерода расположены дискретно пучками с расстоянием порядка ширины ленты. Нагреватель обеспечивает повышение интенсивности теплообмена. 2 ил.

РЕЗИСТИВНЫЙ ТКАНЫЙ ЭЛЕМЕНТ в виде ленты, содержащий однонаправленные нити основы, скрепленные углеродными нитями утка, расположенными в виде пучков дискретно по длине ленты, отличающийся тем, что нити основы, выполненные из углерода, уложены с расстоянием между нитями порядка их диаметра, а расстояние между пучками утка взято порядка ширины ленты.