ДЛИННОМЕРНЫЙ ГИБКИЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H05B3/56 

Длинномерный гибкий нагреватель относится к электронагревательным приборам, в частности к гибким нагревательным элементам с углеволокнистым резистивом.

Длинномерный гибкий нагреватель может использоваться самостоятельно, как нагревательный элемент для обогрева теплиц, жилых и промышленных помещений, а также в составе других приборов, например калориферов.

Известны длинномерные нагреватели, которые используют в качестве резистивного элемента металлические сплавы. В аналоге (1) описан длинномерный электронагреватель, выполненный в виде электроизоляционной основы, на которую намотан резистивный металлический элемент, поверх которого надет изоляционный слой. Основным недостатком этого нагревателя является невысокая надежность однослойной изоляции, а резистивный металлический элемент при изгибах и длительной эксплуатации может продавливаться через изоляцию.

В аналоге (2) предложен длинномерный нагреватель, содержащий одну или несколько жил резистивного элемента, снаружи покрытый двумя слоями электроизоляции, наружный слой выполнен из жесткого изоляционного материала, который не позволяет изгибать электронагреватель. Это является существенным недостатком, т.к. значительно снижает область применения нагревателя из-за невозможности приспособить его к различным размерам обогреваемых объектов.

В наиболее близком аналоге (3), выбранном за прототип, предложен длинномерный гибкий нагреватель, содержащий резистивный элемент из углеродного волокна, выполненный в виде пучка нитей и двух слоев изоляции. Первый слой пропитывает и фиксирует нити резистивного элемента и выполнен из эластичного теплопроводного электроизоляционного полимерного материала. Второй слой из аналогичного материала в виде оболочки. На освобожденные концы резистивного элемента присоединены токоподводы наконечники. Снаружи узел закрыт изоляционной трубкой. Недостатком этого электронагревателя является малая надежность его изоляции, т. е. при пропитке и фиксации резистивного элемента эластичным изоляционным материалом толщина покрытия по периметру и длине жгута может колебаться в больших пределах, вплоть до полного отсутствия изоляции на отдельных участках. На этих участках остается только одна изоляция в виде оболочки и при ее повреждении, в частности, из-за контакта с горячим резистивным элементом возможно замыкание и разрушение нагревателя. Другим недостатком этого устройства является низкая надежность узла крепления резистивного элемента к токоподводам непосредственно наконечником, т.к. при обжиме имеет место жесткий контакт хрупкого углеродного волокна с металлом. При таком контакте часть углеродных волокон разрушается, что приводит к повышению переходного сопротивления и перегреву и разрушению места контакта при эксплуатации. В случае механического воздействия на нагреватель (растяжение) усилие передается через наконечник на резистивный элемент и из-за слабости механического контакта с углеродным волокном может происходить разрушение нагревателя в этом месте. В связи с вышеизложенным была поставлена задача устранить указанные выше недостатки и получить технический результат, заключающийся в расширении температурного диапазона работы, повышении удельного поверхностного тепловыделения и повышении надежности длинномерного гибкого электронагревателя, и упрощении и повышении технологичности его изготовления.

Указанная задача и технический результата относительно длинномерного гибкого электронагревателя достигается тем, что длинномерный гибкий электронагреватель выполнен в форме жгута углеродных нитей с двумя слоями электроизоляции, первый из которых выполнен в виде оплетки или обмотки из волокнистого материала, второй слой выполнен из полимерного покрытия, концы резистивного элемента освобождены от электроизоляции и зафиксированы между наконечником с тремя парами лепестков и участком первого слоя электроизоляции первой пары лепестков, а вторая пара лепестков обжимает второй слой электроизоляции, а третья пара фиксирует изолированную трубку.

Выполнение резистива в форме жгута обеспечивает повышение надежности за счет предотвращения излома углеродных нитей при малых радиусах изгиба. Повышение надежности электроизоляции достигается оплеткой или обмоткой, которая даже при малых радиусах изгиба не допускает возникновения оголенных участков нагретого резистива и соприкосновение его с вторым полимерным слоем изоляции, за счет этого достигается технический результат повышается удельное поверхностное тепловыделение и происходит расширение температурного диапазона работы нагревателя.

Увеличение надежности нагревателя достигается дополнительно за счет того, что первый изоляционный слой, выполненный из волокон, обеспечивающих прочность нагревателя, и за счет предотвращения разрушения углеродных волокон в процессе присоединения к наконечникам путем крепления загибом резистивного элемента на первый слой изоляции и обжима лепестками наконечника. При этом лепестки наконечника не имеют непосредственного контакта с резистивным элементом и обжим осуществляют через мягкую прокладку (жгут резистивного элемента в волокнистой изоляции). Этим обеспечивается надежный электрический контакт с малым переходным сопротивлением. Для повышения надежности механического крепления наконечника с силовым изоляционным слоем наконечник снабжен второй парой лепестков, которые обжимаются на зачищенном от наружной оболочки первом слое изоляции. Кроме того, концевой элемент снабжен третьей парой лапок для фиксации полимерного изоляционного покрытия.

Относительно способа технический результата достигается тем, что при получении заготовки резистивного элемента углеродные нити собираются в жгут с подкручиванием, а при нанесении первого слоя электроизоляции методом оплетки или обмотки теплопроводным волокнистым материалом регулируют натяжение нитей для поддержания форм жгута. Такая операция осуществляется автоматически и не требует регулировок в процессе работы. При этом отсутствует выделение вредных химических соединений. Кроме того, исключается операция введения в полимерную массу металлического наполнителя для повышения теплопроводности. Второй слоя изоляции наносится методом экструдирования также в автоматическом режиме. При этом отсутствует пропитка резистивного элемента. При освобождении конца резистивного элемента от электроизоляции на втором слое удаляют участок длиной, превышающей длину удаленного участка освобожденного конца резистивного элемента. Отсутствие пропитки позволяет достаточно просто и качественно выполнить эту операцию без повреждения резистива. Подгибание резистивного элемента и фиксация его между первым слоем электроизоляции и наконечником позволяет упростить процесс обжатия резистива, т.к. не требуется операция контроля после процесса обжатия.

Поиск, проведенный по патентной и периодической литературе, показал, что заявленные совокупности неизвестны, т.е. они соответствуют условию патентоспособности "новизна".

Поскольку имеется потребность в такого рода длинномерных гибких электронагревателях и способ их изготовления реализуется посредством известных приемов, известных узлов и известных материалов, то заявленное соответствует условию "промышленная применимость". А так как в результате использования длинномерного гибкого электронагревателя в процессе его работы имеет место технических результат, выражающийся в повышении надежности, расширении температурного диапазона работы и повышении удельного поверхностного тепловыделения, то заявленное соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена рабочая часть нагревателя, где 1 первый слой изоляции из волокнистого материала, 2 второй слой изоляции из полимерного материала, 3 резистивный элемент.

На фиг.2 представлена схема соединения резистивного элемента с токоподводящим наконечником, где 4 наконечник, 5 первая пара лепестков наконечника.

На фиг. 3 представлен узел крепления нагревателя к наконечнику, где 6 - вторая пара лепестков наконечника, 7 третья пара лепестков наконечника.

Способ может быть реализован следующим образом. Пучок углеродных нитей, подкрученный в виде жгута, оплетают или обматывают нитями из электроизоляционного материала и экструдируют с нанесением полимерной изоляционной оболочки. В процессе оплетки или обмотки контролируется натяжение нитей для обеспечения сохраняемости формы жгута. При этом получается постоянная толщина первого слоя изоляции, равная двойной толщине нитей оплетки (обмотки). Таким образом за один цикл получают сразу и первый волокнистый и второй полимерный слой изоляции. Полученный полуфабрикат разрезают на куски мерной длины, на концах которых удаляют первый и второй слои изоляции, причем первый слой удаляют на длину, приблизительно равную длине захвата первой пары лепестков наконечника. Второй слой удаляют на двойную длину по отношению к длине удаленного первого слоя. Освобожденный конец резистивного жгута загибают на 180^o и укладывают на наконечник таким образом, чтобы он захватывался первой парой лепестков. Обжим лепестков осуществляется в штампе, который обеспечивает одновременный обжим первыми лепестками подогнутый резистивный элемент с первым слоем изоляции, вторыми лепестками первого слоя изоляции и третьими лепестками второго слоя изоляции.

Пример изготовления нагревателя мощностью 400 Вт и длиной 15 м.

Из десяти нитей углеродного волокна "УРАЛ Н-22" на тростильно-крутильной машине (марка ТК-160 И) получают жгут скруткой 30 40 кручений на 1п/м. Этот жгут на плетельной машине ШП-16 оплетают шестнадцатью кремнеземными нитями линейной плотностью 200 текс и пропускают через экструдер ЕНС 45•25, в котором на слой волокнистой изоляции наносят второй слой изоляции в виде оболочки ПВХ. При этом толщина изоляции первого слоя равна 0,8 мм, а толщинам второго слоя 1,0 мм.

Полученный полуфабрикат разрезают на заготовки пятнадцатиметровой длины. На концах заготовок удаляют изоляцию. Первый волокнистый слой на длину 10 мм, второй на 20 мм. Освобожденный конец резистивного жгута загибают на 180^o и укладывают на наконечник таким образом, чтобы он захватывался первой парой лепестков. Обжим лепестков осуществляется в штампе.

Изобретение относится к гибким нагревательным элементам с углеволокнистым резистивом и может использоваться самостоятельно для обогрева теплиц, жилых и промышленных помещений, а также в составе других приборов, например калориферов, и способу его изготовления. Электронагреватель представляет собой резистив в форме жгута из углеродных волокон, изоляционный 1-й слой из теплопроводного материала в виде обмотки или оплетки и 2-й - из полимерного материала, токоподводы, которые имеют по три пары лепестков: одна пара фиксирует конец резистивного элемента, освобожденный от электроизоляции между наконечником и участком первого слоя изоляции, вторая пара лепестков обжимает второй слой электроизоляции, третья фиксирует изоляционную трубку. Технический результат, получаемый за счет реализации изобретений, заключается в повышении удельного поверхностного тепловыделения и повышении надежности электронагревателя и упрощении и повышении технологичности его изготовления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Длинномерный гибкий электронагреватель, содержащий резистивный элемент из углеродного волокна в виде пучка нитей, два слоя электроизоляции, первый из которых выполнен из теплопроводного материала, а второй из полимерного покрытия, токоподводы в виде наконечников, и изоляционные трубки, одетые на каждый узел соединения резистивного элемента с токоподводом, отличающийся тем, что резистивный элемент выполнен в виде жгута, первый слой электроизоляции в виде оплетки или обмотки из волокнистого материала, токоподвод снабжен тремя парами лепестков, конец резистивного элемента, освобожденный от электроизоляции, зафиксирован между наконечником и участком первого слоя электроизоляции первой парой лепестков, второй парой лепестков обжат второй слой электроизоляции, а третьей парой зафиксирована электроизоляционная трубка. 2. Способ изготовления длинномерного гибкого электронагревателя по п.1, в котором на заготовку резистивного элемента из углеродного волокна в виде пучка нитей наносят два слоя электроизоляции, освобождают концы резистивного элемента от электроизоляции, устанавливают на них токоподводы и закрывают узел соединения резистивного элемента с токоподводом изоляционной трубой, отличающийся тем, что нити заготовки резистивного элемента соединяют в жгут с подкручиванием при этом нитей, при нанесении первого слоя электроизоляционного слоя регулируют натяжение нитей резистивного элемента для поддержания его в форме жгута, при освобождении конца резистивного элемента от электроизоляции на втором слое удаляют участок длиной, превышающей длину удаленного участка первого слоя на длину, приблизительно равную длине освобожденного конца резистивного элемента, который подгибают и фиксируют между первым слоем электроизоляции и токоподводом наконечником, снабженным тремя парами лепестков, обжатием которых фиксируют все элементы электронагревателя.