БЫТОВОЕ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H05B3/30 

Изобретение относится к бытовым низкотемпературным электроотопительным и электронагревательным устройствам, к технологии их изготовления и может быть использовано для обогрева жилых и производственных помещений с одновременным выполнением функции декоративного интерьера за счет эстетических особенностей конструкции и внешнего вида.

Известно бытовое электронагревательное устройство, содержащее электронагреватель с декоративным элементом в виде картины, размещенным и закрепленным на его поверхности [1]
Известен способ изготовления бытового электронагревательного устройства, включающий изготовление электронагревателя, изготовление декоративного элемента в виде картины, размещение упомянутого элемента на поверхности электронагревателя и его функцию [1]
В известном из [1] электронагревательном устройствe в качестве электронагревателя использована многослойная панель, создающая довольно тяжелую конструкцию, имеющую высокую материалоемкость, кроме того, длительное воздействие температуры на пленку декоративного элемента приводит к деформации последней, ее растрескиванию и отсутствию товарного вида.

Известный из [1] способ изготовления бытового электронагревательного устройства представляет собой сложный многооперационный технологический процесс вследствие необходимости изготовления каждого из слоев устройства отдельно с последующим их закреплением.

Известно бытовое электронагревательное устройство, содержащее пластинчатый электронагреватель из полимерного материала с размещенным и закрепленным на его поверхности декоративным элементом. Электронагреватель представляет собой монолитную систему, состоящую из двух электроизоляционных слоев на основе стеклопластика, между которыми размещен резистивный элемент в виде ткани из комплексных электропроводящих нитей со встроенными токоподводами из полимерных металлизированных нитей, подключаемых к электросети с помощью шнура питания. Электронагреватель также снабжен декоративным элементом в виде текстурированной бумаги или ткани или фоторепродукции, размещенным и закрепленным на поверхности пластины электронагревателя [2]
Способ изготовления бытового электронагревательного устройства заключается в изготовлении одним из известных способов (например, формовкой) нагревателя в виде пластины из полимерного материала с расположенным внутри нее резистивным элементом, изготовлении декоративного элемента и размещении его с последующим закреплением, например, посредством клеевого соединения, на поверхности пластины электронагревателя.

Одним из недостатков известного технического решения в части устройства являются его низкие эксплуатационные качества в отношении долговечности. Объясняется это тем, что материал декоративного элемента значительно отличается от материала электронагревателя по своим физико-механическим свойствам, а именно по коэффициенту температурного расширения. В результате этого в процессе эксплуатации электронагревательного устройства в декоративном элементе возникают внутренние напряжения (преимущественно напряжения растяжения), следствием которых является коробление поверхности декоративного элемента, его отслаивание от поверхности пластины электронагревателя, растpескивание и т.п. Кроме того, в результате того, что бумагу, фоторепpодукции или ткань необходимо закреплять на поверхности пластины электронагревателя, например, посредством клея, возникает дополнительный клеевой слой, снижающий эффективный коэффициент теплоотдачи электронагревателя. Помимо всего прочего, известное устройство обладает низкой ремонтопригодностью в части замены или реставрации декоративного элемента.

Недостатком известного способа изготовления является его многооперационность, поскольку для закрепления на поверхности электронагревателя декоративного элемента необходимо нанести клеевой слой, разместить с определенной ориентацией заранее изготовленный декоративный элемент, обеспечить его равномерное прижатие к поверхности электронагревателя и выдержать под давлением до высыхания клеевого слоя. Следовательно, осуществление указанного известного способа требует значительных временных затрат, что снижает производительность процесса и повышает себестоимость продукции.

В основу изобретения была положена задача создания такого бытового электронагревательного устройства, которое обеспечивало бы повышение технико-эксплуатационных показателей устройства в части долговечности, ремонтопригодности и коэффициента полезного действия (в части теплоотдачи) при одновременном повышении производительности процесса изготовления и его удешевления.

Поставленная задача в части объекта "Устройство" решается тем, что в бытовом электронагревательном устройстве, содержащем электронагреватель в виде электроизоляционной пластины из полимерного материала с расположенным внутри нее резистивным элементом, и декоративный элемент, размещенный и закрепленный на поверхности электроизоляционной пластины, согласно изобретению, декоративный элемент выполнен в виде адгезионно связанной непосредственно с поверхностью электроизоляционной пластины пленки лакокрасочного покрытия на основе пленкообразующего связующего, при этом материалы пленкообразующего связующего лакокрасочного покрытия и электроизоляционной пластины имеют коэффициенты температурного расширения, в паре обеспечивающие при изменении температуры компенсацию внутренних напряжений растяжения в пленке покрытия.

При этом оптимально, чтобы отношение коэффициента температурного расширения материала пленкообразующего связующего лакокрасочного покрытия к коэффициенту температурного расширения полимерного материала электроизоляционной пластины было выбрано большим единицы.

Бытовое электронагревательное устройство может быть снабжено декоративным корпусом в виде рамки, герметично соединенной с поверхностью электроизоляционной пластины посредством периферийных участков декоративного элемента.

В качестве лакокрасочного покрытия в электронагревательном устройстве может быть использована масляная краска.

В отношении объекта "Способ" поставленная задача решается тем, что в способе изготовления бытового электронагревательного устройства согласно изобретению размещение и закрепление декоративного элемента, выполненного в виде слоя лакокрасочного покрытия на основе пленкообразующего связующего, осуществляют одновременно, по мере размещения слоев лакокрасочного покрытия, резистивный элемент электронагревателя периодически подключают к электросети, при этом используют лакокрасочное покрытие, материал пленкообразующего связующего которого после закрепления имеет коэффициент температурного расширения, обеспечивающий в паре с коэффициентом температурного расширения полимерного материала электроизоляционной пластины при изменении температуры устройства компенсацию внутренних напряжений растяжения в пленке покрытия.

После нанесения слоя лакокрасочного покрытия электронагреватель можно размещать и закреплять в декоративном корпусе в виде рамки, при этом размещение и закрепление целесообразно осуществлять до момента полного высыхания слоя лакокрасочного покрытия с обеспечением плотного прилегания опорной поверхности рамки к упомянутому слою.

На фиг. 1 показан общий вид бытового электронагревательного устройства; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 место I на фиг. 2.

Бытовое электронагревательное устройство содержит электронагреватель, выполненный в виде электроизоляционной пластины 1 из полимерного материала с расположенным внутри нее резистивным элементом 2, а также декоративный элемент 3, выполненный в виде пленки лакокрасочного покрытия на основе пленкообразующего связующего, адгезионно связанного непосредственно с поверхностью электроизоляционной пластины 1. Электронагреватель снабжен встроенными токоподводами, которые через распаечную коробку 4 посредством шнура 5 питания и вилки 6 соединяются с электросетью. Устройство может быть снабжено декоративным корпусом в виде рамки 7, которая герметично соединена с поверхностью электроизоляционной пластины 1. В качестве герметизирующего средства целесообразно использовать непосредственно периферийные участки 8 декоративного элемента. Это возможно обеспечить в том случае, если осуществить установку и закрепление электронагревателя в рамке 7 до полного высыхания лакокрасочного покрытия. Для обеспечения высоких эстетических качеств декоративный элемент выполняют в виде художественного изображения.

Одним из наиболее важных аспектов при проектировании электронагревательного устройства является подбор материалов электроизоляционной пластины электронагревателя и пленкообразующего связующего лакокрасочного покрытия по их совместимости в отношении физико-механических свойств в условиях взаимодействия при термомеханичских воздействиях. Данные материалы должны обладать хорошей адгезионной способностью, определенным соотношением коэффициентов температурного расширения. Целесообразно также соблюдать определенное соотношение между коэффициентами температурного расширения материалов электроизоляционной пластины и пленкообразующего связующего лакокрасочного покрытия и величиной относительной усадки пленки лакокрасочного покрытия в процессе высыхания последнего. Соотношения указанных параметров должны обеспечивать компенсацию (в частности, снижение) внутренних напряжений растяжения в пленке покрытия как наиболее опасных (в сравнении с напряжениями сжатия), т. к. они (напряжения растяжения) вызывают растpескивание, коробление и прочие дефекты покрытия в процессе эксплуатации, снижая, тем самым, долговечность.

Сама задача подбора материалов в многослойных конструкциях по их совместимости в отношении коэффициента температурного расширения широко известна. Однако в известных конструкциях подбор осуществляется из расчета обеспечения заведомой деформации конструкции под влиянием температуры (например, в двухслойных чувствительных элементах измерительных приборов) или (для тяжелонагруженных конструкций) с учетом компенсации в конструкции напряжений, вызванных не термомеханическими нагрузками, а исключительно внешними механическими нагрузками, зависящими от условий эксплуатации. Причем в известных решениях толщины слоев многослойного элемента, как правило, соизмеримы между собой, что обеспечивает взаимное влияние слоев друг на друга.

В предлагаемом техническом решении известные методы подбора соотношения коэффициентов температурного расширения не могут дать желаемого результата, т.к. толщина пленки лакокрасочного покрытия на несколько порядков меньше толщины пластины электронагревателя. То есть практически исключается влияние пленки покрытия на пластину с точки зрения возникновения в последней каких-либо внутренних напряжений, однако при этом в десятки раз увеличивается влияние пластины на пленку в результате температурного воздействия на объект. Кроме того, по своему функциональному назначению предложенное техническое решение в процессе эксплуатации не испытывает каких -либо дополнительных (т.е. возникающих помимо температурного воздействия), чисто механических внешних нагрузок, как в известных устройствах. Этим и объясняется необходимость совершенно иных критериев подбора соотношений коэффициентов температурного расширения для многослойных конструкций, слои в которых на несколько порядков отличаются по толщине, а в процессе эксплуатации не испытывают чисто механических внешних нагрузок.

Диапазон оптимальных соотношений указанных физико-механических параметров относительно невелик (с учетом очень широкого спектра лакокрасочных покрытий с пленкообразующим связующим) и является технологическим "НОУ-ХАУ", в связи с чем не раскрывается в материалах заявки.

Однако в качестве частного случая для выполнения указанного условия (компенсация напряжений растяжения) можно отметить, что данная задача решается, например, при отношении коэффициента температурного расширения материала пленкообразующего связующего лакокрасочного покрытия к коэффициенту температурного расширения полимерного материала электроизоляционной пластины большем единицы. Это однозначно обеспечивает возникновение в пленке декоративного покрытия в процессе эксплуатации либо напряжений сжатия (допустимая величина которых для конкретного материала на порядок выше допустимой величины напряжений растяжения), либо снижение внутренних напряжений растяжения в пленке покрытия до допустимой величины, возникающих в результате усадки покрытия в процессе высыхания лакокрасочного слоя. Однако это условие справедливо только для материалов с положительным коэффициентом температурного расширения.

Таким образом, зная конкретный временной коэффициент нахождения устройства в рабочем и нерабочем режимах, настоящее изобретение позволяет обеспечить наиболее благоприятное напряженное состояние самого уязвимого в отношении долговечности элемента конструкции (декоративного элемента) в наиболее длительном режиме и, в то же время обеспечить допустимые внутренние напряжения пленки покрытия в более коротком по времени режиме.

Для обеспечения высоких эстетических качеств устройства электронагреватель с покрытием устанавливают в декоративном корпусе, например, в виде деревянной декоративной рамки. Однако в этом случае, для того, чтобы исключить отслаивание периферийной части декоративного покрытия (и, соответственно, исключить снижение долговечности), необходимо соединять рамку с электронагревателем герметично. Объясняется это следующим. Как правило, рамка выполняется из пористого гигроскопичного материала, например дерева. В зависимости от внешних условий материал рамки в нерабочем состоянии устройства насыщается водяными парами, а при включении электронагревателя в результате нагрева дерева происходит выделение водяных паров и смоляных веществ под давлением в атмосферу, в том числе и в направлении периферийной части декоративного покрытия, перекрытой поверхностью рамки. В результате этого может происходить диффузия выделяемого газообразного вещества через пленку декоративного элемента, приводящая к возникновению осмотического давления в зоне адгезионной связи пленки покрытия с поверхностьюэлектроизоляционной пластины электронагревателя, вызывающего разрыв этой связи и отслаивание покрытия от упомянутой поверхности. При длительной эксплуатации устройства отслаивание под действием осмотического давления газообразных веществ постепенно распространяется от периферии к центру. Наличие же средства герметизации между участками взаимообращенных поверхностей рамки и декоративного элемента исключает газовыделение непосредственно в зону их сопряжения, т.к. обеспечивается герметизация пор материала рамки. Следовательно, выделение из древесины газообразных веществ происходит только в атмосферу через участки рамки с открытыми порами (которые расположены вне зоны непосредственного контакта рамки с покрытием), не нарушая, тем самым, качества покрытия.

Работа устройства осуществляется следующим образом. При подключении устройства к электросети (напряжение 12-380 В) за счет сопротивления резистивного элемента происходит его нагрев и осуществляется теплопередача на поверхность электроизоляционной пластины нагревателя с последующим тепловыделением в атмосферу, в результате чего повышается температура окружающей среды в зоне эксплуатации устройства. Допускаемая температура нагрева рабочей поверхности электронагревателя 80-120^оС.

На базе данного электронагревательного устройства могут быть созданы такие электробытовые приборы, как мармиты, камины, картины-нагреватели, ширмы, электрогрелки и т.п.

Способ изготовления бытового электронагревательного устройства заключаeтся в следующем. Изготавливают пластинчатый электронагреватель путем размещения резистивного элемента внутри электроизоляционной пластины электронагревателя, а также одновременного нанесения и закрепления на поверхности электроизоляционной пластины электронагревателя слоя лакокрасочного покрытия на основе пленкообразующего связующего. Причем по мере нанесения (размещения) слоя лакокрасочного покрытия резистивный элемент электронагревателя периодически подключают к электросети для подсушивания, способствующего закреплению лакокрасочного покрытия на поверхности электроизоляционной пластины. При этом используют лакокрасочное покрытие с пленкообразующим связующим, материал которого после высыхания имеет коэффициент температурного расширения, обеспечивающий в паре с полимерным материалом электроизоляционной пластины электронагревателя при изменении температуры компенсацию внутренних напряжений растяжения в пленке покрытия, возникающих за счет отличия физико-механических свойств последнего от свойств полимерного материала пластины электронагревателя.

При изготовлении бытового электронагревателя с деревянным корпусом после нанесения слоя лакокрасочного покрытия электронагреватель размещают и закрепляют в декоративном корпусе в виде рамки, причем размещение и закрепление осуществляют до момента полного высыхания слоя лакокрасочного покрытия с обеспечением плотного прилегания опорной поверхности рамки к упомянутому слою.

Одним из основных преимуществ данного способа является то, что лакокрасочное покрытие наносят на нагретую поверхность электронагревателя. В результате этого в значительной степени повышается адгезионная связь покрытия с поверхностью пластины электронагревателя за счет теплового диффузионного процесса, что позволяет расширить диапазон допустимых соотношений коэффициентов температурного расширения материалов электроизоляционной пластины электронагревателя и пленкообразующего связующего лакокрасочного покрытия без снижения долговечности устройства в целом, а следовательно, расширяет ассортимент используемых лакокрасочных материалов. Кроме того, в результате нагрева повышаются эстетические свойства покрытия (появляется глянцевая поверхность и высокая насыщенность цветовой гаммы) и его физико-механические свойства, в частности устойчивость к воздействию окружающей среды и отрицательному воздействию прямых солнечных лучей (т.к. повышается отражательная способность), что само по себе повышает долговечность покрытия.

Кроме того, периодическое подключение электронагревателя к электросети позволяет поддерживать необходимую температуру поверхности электроизоляционной пластины электронагревателя на заданном уровне, который в процессе реализации способа должен быть ниже эксплуатационного уровня нагрева (т.е. 110-120^оС).

П р и м е р. Изготавливали пластинчатый электронагреватель в виде монолитной конструкции, состоящей из двух электроизоляционных слоев на основе стеклопластика, образующих пластину, между которыми размещен резистивный элемент в виде ткани из комплексных электропроводящих нитей со встроенными токоподводами из полимерных металлизированных нитей, подключаемых к электросети с помощью шнура питания. На поверхность электронагревателя наносили слой масляной краски (ГОСТ 11826-77). Причем по мере нанесения слоя покрытия резистивный элемент электронагревателя периодически подключали к электросети для подсушивания и закрепления лакокрасочного покрытия, обеспечивая в процессе подключения нагрев до Т 90-100^оС. Отношение коэффициента температурного расширения материала пленкообразующего связующего лакокрасочного покрытия к коэффициенту температурного расширения материала пластины электронагревателя больше единицы на 12%
До момента полного высыхания слоя лакокрасочного покрытия электронагреватель устанавливали в рамку, которую прижимали к слою покрытия с обеспечением плотного прилегания опорной поверхности рамки к упомянутому слою под действием внешнего усилия. После полного высыхания краски усилие прижатия снимали.

Проведенные тензометрические исследования распределения деформаций в пленке покрытия показали, что внутренние напряжения растяжения пленки находятся в допустимых пределах как в статическом состоянии устройства, так и при его нагреве.

Таким образом, предлагаемое изобретение помимо технологичности и долговечности обладает простотой конструкции, высокой пожаро- и электробезопасностью, удобно в монтаже и эксплуатации, надежно в любом режиме эксплуатации и любых климатических условиях, обладает высоким коэффициентом полезного действия за счет равномерного распределения тепла по всей тепловыделяющей поверхности и максимального приближения тепловыделяющей поверхности резистивного элемента к рабочей поверхности электронагревателя.

Область использования: бытовой электронагреватель. Сущность: бытовое нагревательное устройство содержит электронагреватель. Оно выполнен в виде электроизоляционной пластины из полимерного материала, внутри которой размещен резистивный элемент. На поверхности пластины размещен и закреплен декоративный элемент, выполненный из лакокрасочного покрытия на основе пленкообразующего связующего. Коэффициенты температурного расширения материалов пленкообразующего связующего и электроизоляционной пластины обеспечивают компенсацию внутренних напряжений растяжения в пленке покрытия. Устройство может быть снабжено декоративным корпусом в виде рамке. Декоративный элемент может быть выполнен из масляной краски и в виде художественного изображения. При изготовлении устройства размещение и закрепление декоративного элемента выполняют одновременно, периодически подключая к сети резистивный элемент электронагревателя. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Бытовое электронагревательное устройство, содержащее электронагреватель в виде электроизоляционной пластины из полимерного материала с расположенным внутри нее резистивным элементом и декоративный элемент, размещенный и закрепленный на поверхности электроизоляционной пластины, отличающееся тем, что декоративный элемент выполнен в виде адгезионно связанной непосредственно с поверхностью электроизоляционной пластины пленки лакокрасочного покрытия на основе пленкообразующего связующего звена, при этом материалы пленкообразующего связующего лакокрасочного покрытия и электроизоляционной пластины имеют коэффициенты температурного расширения, в паре обеспечивающие при изменении температуры компенсацию внутренних напряжений растяжения в пленке покрытия. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отношение коээффициента температурного расширения материала пленкообразующего связующего лакокрасочного покрытия к коэффициенту температурного расширения полимерного материала электроизоляционной пластины выбрано больше единицы. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно снабжено декоративным корпусом в виде рамки, герметично соединенной с поверхностью электроизоляционной пластины посредством периферийных участков декоративного элемента. 4. Устройство по п. 1, или 2, или 3, отличающееся тем, что в качестве лакокрасочного покрытия использована масляная краска. 5. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающееся тем, что лакокрасочное покрытие выполнено в виде художественного изображения. 6. Способ изготовления бытового электронагревательного устройства, при котором изготавливают пластинчатый электронагреватель путем размещения резистивного элемента внутри электроизоляционной пластины из полимерного материала, изготовления, размещения и закрепления декоративного элемента на поверхности электроизоляционной пластины, отличающийся тем, что размещение и закрепление декоративного элемента, выполненного в виде слоя лакокрасочного покрытия на основе пленкообразующего связующего, осуществляют одновременно, по мере размещения слоев лакокрасочного покрытия резистивный элемент электронагревателя периодически подключает к электросети, при этом используют лакокрасочное покрытие, материал пленкообразующего связующего которого после закрепления имеет коэффициент температурного расширения, обеспечивающий в паре с коэффициентом температурного расширения полимерного материала электроизоляционной пластины при изменении температуры устройства компенсацию внутренних напряжений растяжения в пленке покрытия. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что после нанесения слоя лакокрасочного покрытия электронагреватель размещают и закрепляют в декоративном корпусе в виде рамки, при этом размещение и закрепление осуществляют до момента полного высыхания слоя лакокрасочного покрытия с обеспечением плотного прилегания опорной поверхности рамки к упомянутому слою.