ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H05B3/28 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении сухих нагревателей. Они предназначены для обогрева промышленных, жилых помещений и могут быть использованы в термошкафах, термостатах для деревообрабатывающей, медицинской пищевой и химической отраслей промышленности.

Известны нагреватели, представляющие собой электропроводящую композицию, содержащую смесь полимеров на основе синтетических каучуков, сажи и антиоксиданта. Удельное объемное сопротивление этой композиции примерно 1,5 Ом•см. Недостатком композиции является токсичность, горючесть компонентов при ее изготовлении, применении, сложность технологии изготовления, а также низкая термостойкость менее 150^oС (заявка Япония N 63-33443, МКИ С 08 23/00, С 08 К 3/02, 28.07.86). Кроме того, при изготовлении нагревателя из этой композиции требуется вальцевание и прессовое оборудование с подогревом.

Известен способ изготовления электропроводящей композиции, заключающийся в механическом смешении компонентов в смесителе типа "бенбери" с последующим формованием композиции на каландре или пресс-форме при температуре вулканизации примерно 100^oC (заявка Япония N 63-33443, МКИ С 08 23/00, С 08 К 3/02 28.07.86). Недостатком данного способа является сложность техпроцесса, необходимость применения сложного и дорогостоящего оборудования - прессов, пресс-форм с подогревом, каландра, невозможность получения тонких (менее 2 мм) листовых нагревателей размером более 0,8 1 м, токсичность, пожароопасность производства, низкие технические характеристики произведенной продукции (низкая мощность нагревателя).

Известен нагреватель, (заявка N 5027347/07/ 007118, МКИ 5 Н 05 В 3/28, 13.02.92), в котором нагревательный элемент выполнен из термореактивного этилсиликата-40 связующего, и порошка термографита. Недостатком данного материала является низкая надежность и нестабильность из-за трещенообразования в токопроводящем слое в процессе формования и эксплуатации. Это приводит к высокому проценту брака в процессе производства нагревателей.

Наиболее близка к заявляемой, выбранная за прототип конструкция и способ изготовления низкотемпературного нагревателя (авт.св. СССР N 180270 МКИ Н 05 В 3/14, 1966).

Конструкция выполнена из 2-х слоев электроизоляционного материала, между которыми заключен слой электропроводной полимерной композиции, состоящей из смеси 100 в.ч. полиэфирной смолы, отвердителя, 100 в.ч. диизоцианата и 20 - 200 в.ч. графита. Способ получения электронагревателя заключается в смешении и формовании композиции при удельном давлении 3 кГс/см² при повышенной температуре 105^oС в течение 3 ч. Недостатком данного электронагревателя является токсичность используемых компонентов, горючесть композиции и низкая термостойкость менее 120^oС. Недостатком способа ее изготовления является длительность процесса формования, необходимость применения мощного прессового оборудования и высокотемпературного оборудования при отверждении.

Кроме того, эти конструкции не позволяют произвести нанесения на их поверхность декоративного красочного слоя из-за низкой адгезии и невозможности получения исходной поверхности с белым фоном, что исключает цветовую гамму наносимого красочного слоя.

Цель изобретения создание негорючего, декоративного, нетоксичного в производстве и эксплуатации, высоконадежного, технологичного мощного нагревателя, обладающего высокой термостойкостью (до 900^oС) и не требующего при изготовлении сложного оборудования -прессов, пресс-форм с подогревом, термокамер, вальцев и другого сложного оборудования.

Целью изобретения является также разработка способа изготовления конструкции электронагревателя с повышенной технологичностью изготовления, исключения из производства прессового оборудования, пресс-форм с подогревом, ускорение процесса формования.

Цель достигается тем, что электронагреватель выполняется из слоев электроизоляционного материала, между которыми заключен электропроводный материал, причем слой электроизоляционного материала выполнен из стеклоткани 100 300 мас. ч. жидкого стекла 100 мас.ч. с отверждающими агентами, например, кремнийфтористый натрий, окись цинка 3,5 10 мас.ч. и наполнителями, например, окись алюминия, мел 50 -150 мас.ч. а также слой электропроводного материала выполнен из угольной нити, либо электропроводной композиции, состоящей из смеси 100 мас.ч. жидкого стекла, 3,5 10 мас.ч. отверждающих агентов и 50 150 мас.ч. наполнителя, графит 5 20 мас.ч. угольное волокно 0,1 5 мас.ч.

Компоненты последовательно добавляются в жидкое стекло и перемешиваются в смесителе в течение 3 20 мин. в зависимости от количества, отверждающие агенты добавляются непосредственно перед применением и перемешиваются в течение 3 5 мин. Связующее наносится на стеклоткань шпателем, толщина слоя 0,1 0,5 мм. Отверждение холодное.

Нагревательный элемент в виде пасты приведенного состава, готовится по той же технологии и наносится на один из слоев стеклоткани в середине нагревательной пластины. Обычно пластина нагревательного элемента размером 60х80 см содержит 3 5 слоев стеклоткани.

В случае применения нагревательного элемента из угольной нити, угольная нить может наноситься в зависимости от мощности и размеров нагревателя, сразу в несколько рядов. При этом концы угольных нитей закрепляются в металлических контактах и затем, с помощью гребенок, наносятся на поверхность стеклоткани. Стеклоткань в процессе нанесения угольной нити размещают на низкоплотный материал, затем угольные нити обрезаются, и их концы закрепляются во втором металлическом контакте.

На поверхность стеклоткани с нагревательным элементом из угольной нити укладывается слой стеклоткани с нанесенным связующим.

Нагревательные пластины в количестве 2 10 штук формируются между двумя обкладными металлическими листами толщиной 5 10 мм. Давление 0,1 1 кг/см² обеспечивается швеллерами, стягиваемыми болтами (рис. 1) с моментом 50 500 кг/см.

При меньшем давлении ухудшаются прочностные характеристики пластика, а при большем давлении возможно выдавливание связующего. Обычно применяются болты М 10 М20.

Чтобы ускорить процесс формования и сушки нагревательных пластин, целесообразно между ними устанавливать разделительные антиадгезивные воздухопроницаемые слои.

Кроме того, с целью дальнейшего сокращения цикла формования и сушки, в сборку, в середину, вставляется изготовленная ранее нагревательная пластина, которая подогревает сборку, включением в электросеть, до 60 120^oС. При этом нагревательные пластины формуются за 0,5 3 ч, в зависимости от их толщины и количества в сборке, а также температуры формования. После разборки конструкции, нагревательные пластины должны быть подсушены включением в электросеть.

Декоративный вид нагревательной пластины придается размещенной на ее поверхности при формовании декоративной пленкой, тканью.

Если формовать одновременно менее 2-х пластин наблюдается низкая производительность, а если больше 10-и, то труднсть обеспечить равномерность нагрева.

Отличительной особенностью данного нагревательного элемента является то, что сформованная пластина имеет белый цвет, на котором можно рисовать красками без искажения их цвета. Использовались гуашевые, масляные краски и щелочестойкие. Добавлением в выпускаемые промышленностью гуашевые краски 10 - 100 мас. латекса можно придать рисунку матовый цвет, расширить диапазон используемых цветов за счет повышения щелочестойкости. Если добавить более 100 в. ч. латекса, то заметно искажается цвет, менее 10 в.ч. возможно изменение цвета в процессе работы нагревателя.

Крепление электрошнура к нагревательной пластине осуществляется припоем, либо механически с помощью колодки (рис.2), наподобие колодки, используемой при подсоединении люстры к электросети. Токовыводы от нагревательного элемента подсоединяют с одной стороны колодки, токовыводы от вилки с другой стороны и крепятся болтиками с потайной головкой, а сама колодка крепится к пластине также болтиком в центре колодки. На поверхность колодки может быть надет электроизоляционный колпачок.

В данной конструкции контактов с оголенными проводами исключены, крепеж колодки и токовывод прочен и надежен.

Вилка со шнуром может быть легко отсоединена от нагревательной пластины. Сама нагревательная пластина устанавливается в металлическую, либо деревянную рамку.

Следует отметить, что формование нагревательных пластин может осуществляться без отверждающих добавок. Однако в этом случае необходимо формировать пластины только при повышенных температурах: 20, 40, 60, 80, 100, 120^oС при выдержке для каждой температуры 0,5 2 ч. При использовании отверждающих добавок нагрев не требуется.

Были изготовлены нагреватели разной мощности от 10 вт (=220 в) и размером 15х40 см до 80х160 см и мощностью 5 кВт. (Термостойкость пластика до 900^oC). Температура поверхности колебалась от 60^oС до 300^oС.

Мощность нагревателя (Р) оценивалась по формуле:

где V напряжение на нагревателе (В);
R сопротивление нагревательного элемента (Ом).

Получено заключение санэпидемстанции о негорючести и нетоксичности нагревателя и подготовлена документация (паспорт и ТУ на нагреватель).

Выпущены и реализованы опытные партии нагревателей различных размеров и мощностей.

Примеры изготовления нагревательных пластин приведены в табл. 1, а электропроводящей пасты в табл. 2.

Из табл. 1, 2 видно, что основное влияние на удельное сопротивление токопроводящего слоя оказывает массовое содержание угольного волокна, марка которого выбирается исходя из требований к мощности, размерам электронагревателей и характеристик источника питания. Результаты исследований показали, что если содержание волокна мало, то удельное сопротивление становится слишком большим и требуется увеличить толщину электропроводящего слоя (несколько мм), и наоборот, если содержание волокна велико, то потребуется слишком малая толщина, менее 0,1 мм, что нетехнологично.

Угольное волокно придает также прочность нагревательному слою и стабильность удельному электросопротивлению в условиях эксплуатации.

Содержание наполнителя выбирается исходя из требований по получению оптимальной вязкости пасты для нанесения ее шпателем сразу в один слой. Если наполнителя мало, то трудно нанести пасту требуемой толщины в один слой. Если много, то трудно и нетехнологично наносить слишком вязкую пасту.

Аналогичное обоснование рецептуры и неэлектропроводных слоев. Если мало отвердителя (≲ 4 мас.) к весу жидкого стекла, то значительно увеличивается время формования пластика, если много (F10%), то снижаются прочностные характеристики, увеличивается жесткость пластины.

Оптимальное содержание отверждающих агентов примерно 7 8 мас. к весу жидкого стекла.

Разработанный электронагреватель имеет надежность не менее 10 20 лет при эксплуатации при температуре до 90^oC, может иметь мощность от нескольких Вт до нескольких кВт при размерах пластин 60х80 см и 80х160 см.

Изобретение относится к электротермии, а именно к бытовым и промышленным электронагревателям. Сущность: электронагреватели обеспечивают негорючесть, нетоксичность в производстве и эксплуатации, высокую надежность, термостойкость и мощность. Эти электронагреватели обеспечивают выполнение слоя электроизоляционного материала из стеклоткани 100 - 300 мас.ч. и связующего, состоящего из жидкого стекла 100 мас.ч. с отверждающими агентами, например, кремнием, фтористым натрием, окисью цинка 3,5 - 10 мас.ч. и наполнителем, например, окисью алюминия, мелом, 50 - 150 мас.ч., а слоев электропроводного материала из этого же связующего с добавлением в его состав 5 - 20 мас.ч. графита и 0,1 - 5 мас.ч. угольного волокна. В способе изготовления электронагревателей возможно одновременно формовать 2 - 10 штук между двумя металлическими листами, стягиваемыми швеллерами с болтами на их концах, причем между нагревательными пластинами размещаются воздухопроницаемые антиадгезивные разделительные слои, а в середину сборки между формируемыми пластинами вставляют ранее сформированную нагревательную пластину с подведенным к ней напряжением. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Электронагреватель, выполненный из слоев электроизоляционного материала, между которыми заключен слой электропроводного материала и связующее, отличающийся тем, что слои электроизоляционного материала выполнены из стеклоткани 100 300 мас.ч. и связующего, состоящего из жидкого стекла 50 100 мас. ч. с отверждающим агентом, например кремнефтористым натрием, окисью цинка 3,5 10 мас.ч. и наполнителем, например окиси алюминия, мелом 50 150 мас. ч. а слой электропроводного материала выполнен из угольной нити либо из этого же связующего с добавлением в его состав 5 20 мас.ч. графита и 0,1 5 мас.ч. угольного волокна. 2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен электрошнуром и тоководами, которые закреплены в колодке с болтиками с потайной головкой, колодка закреплена на электронагревателе болтиком и снабжена колпачком. 3. Способ изготовления электронагревателя, при котором формуют электроизоляционные слои, размещают между ними слой электропроводного материала и связующее, соединяют эти слои под давлением, отличающийся тем, что операцию соединения под давлением выполняют путем установки всех слоев электронагревателя между двумя металлическими пластинами, стягиваемыми швеллерами с болтами на концах, причем между каждым электроизоляционным слоем и металлической пластиной размещают воздухопроницаемые антиадгезивные разделительные слои. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что электропроводный слой в виде угольных нитей наносят в один или несколько рядов на один из слоев электроизоляционного материала, крепят его гребенками, наносят второй электроизоляционный слой со связующим, а перед соединением под давлением гребенки вынимают. 5. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что на поверхность электроизоляционного слоя в процессе его формования впрессовывают декоративную пленку либо наносят рисунок масляными гуашевыми красками, в том числе с добавлением в состав гуашевых красок 10 100 мас. латекса. 6. Способ по пп.3 5, отличающийся тем, что между двумя металлическими пластинами одновременно устанавливают 2 10 электронагревателей с дополнительными разделительными антиадгезивными воздухопроницаемыми слоями между каждым из них, а в середину сборки вставляют изготовленный ранее электронагреватель и в процессе формования под давлением осуществляют дополнительный подогрев подключением его в электросеть.