НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ БЫТОВЫХ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H05B3/68 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкциям толстопленочных нагревательных элементов для бытовых электроприборов.

Известна конструкция нагревательного элемента для электроконфорок [1] содержащая основание из стали, на которое нанесен слой эмали с обеих сторон, при этом на нижнюю поверхность нанесена толстопленочная нагревательная дорожка в форме меандра, стеклоизолирующий и защитный слои. Поверхность конфорки разделена на две зоны нагрева, внешнюю и внутреннюю, а также срединную и внешнюю ненагреваемые зоны, причем нагревательная дорожка в срединной ненагреваемой зоне имеет соединительные или контактные поверхности, а внутри внутренней нагревательной зоны круговые отрезки, расположенные концентрически друг к другу и в которых нагревательная дорожка проходит меандрообразно, причем нагревательное воздействие внешних отрезков больше воздействия внутренних, а с помощью соединительных отрезков они связаны электрически.

Данная конструкция нагревательного элемента предполагает возможность получения разных воздействий нагрева в разных зонах путем изменения поперечного сечения нагревательных дорожек. Однако на практике в производстве авторам рекомендуется, чтобы толщина слоя всех отрезков нагревательных дорожек была постоянной.

Одним из недостатков известной конструкции нагревательного элемента является то, что все используемые в патенте примеры нанесения одной или нескольких резистивных дорожек, выполненных с последовательным шагом с чередованием широких и узких зон нагрева, не решают задачу равномерного распространения по поверхности нагревательного элемента, т.е. появляется неравномерное распределение температуры по поверхности, так называемые "пики" температуры. А нанесенные электроизоляционный и теплоизоляционный слои, к сожалению, не выравнивают (не сглаживают) температуру.

Кроме того, в данной конструкции предложено одним из основных вариантов нанесение нагревательной резистивной дорожки меандрообразно. Такое геометрическое изображение нагревательной дорожки в процессе эксплуатации выявляет следующий недостатков, а именно в узких местах меандра (угол поворота спирали) наблюдается локальный перегрев, что приводит к выгоранию дорожки и, как следствие, к неработоспособности нагревательного элемента.

Еще один недостаток этой конструкции это относительно большое потребление электроэнергии и достаточно длительное время разогрева рабочей поверхности конфорки более 5 мин.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов [2] содержащий основание из стали, верхняя сторона которой является рабочей поверхностью, а на нижнюю сторону нанесены слой электроизоляционной эмали, толстопленочная резистивная дорожка, выполненная в виде по меньшей мере одной спирали с переменным шагом, с контактными площадками по концам, слой электроизоляции и теплозащитный слой, при этом на поверхности основания образованы внешняя, срединная и внутренняя зоны нагрева.

Недостатком известной конструкции является то, что все используемые в патенте примеры нанесения одной или нескольких резистивных дорожек, выполненных с переменным шагом с чередованием широких и узких зон нагрева, не решают задачу равномерного распространения тепла по поверхности нагревательного элемента, так как образующаяся зоны с большей мощностью нагрева и меньшей мощностью нагрева, появляются так называемые "пики" температуры. Нанесенные электроизоляционные и теплоизоляционные слои в данной конструкции, к сожалению, не выравнивают (не сглаживают) температуру.

Еще один недостаток этой конструкции это относительно большое потребление электроэнергии и достаточно длительное время разогрева рабочей поверхности более 5 мин.

Поэтому в основу изобретения положена задача создания нагревательного элемента для бытовых электронагревательных приборов длительной эксплуатации с улучшенными техническими характеристиками, которые достигаются путем нанесения толстопленочной резистивной дорожки в двух предложенных вариантах, также выполнением электроизоляционного слоя из высокотеплопроводных материалов, а теплозащитного из пористых материалов низкой теплопроводности.

Это достигается тем, что нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов, по первому варианту, содержит основание из стали, верхняя сторона которой является рабочей поверхностью, а на нижнюю сторону нанесены слой электроизоляционной эмали, толстопленочная резистивная дорожка, выполненная в виде по меньшей мере одной спирали, с переменным шагом с контактными площадками по концам, слой электроизоляции и теплозащитный слой, при этом на поверхности основания образованы внешняя, срединная и внутренняя зоны нагрева, а отличается от известной конструкции тем, что шаг спирали в срединной зоне выбран в два раза большим, чем шаг во внешней и внутренней зонах, электроизоляционный слой выполнен из высокотеплопроводных материалов, а теплоизоляционный из пористых материалов низкой теплопроводности с высотой слоя, в три раза большей высоты электроизоляционного слоя.

Нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов, по второму варианту, содержит основание из стали, верхняя сторона которого является рабочей поверхностью, а на нижнюю сторону нанесены слой электроизоляционной эмали, толстопленочная резистивная дорожка, содержащая по меньше мере две спирали с переменным шагом и разной шириной витков по длине с контактными площадками на концах, слой электроизоляционный и теплоизоляционный слой, при этом на поверхности основания образованы внешняя, срединная и внутренняя зоны нагрева, отличается от известных конструкций тем, что первая спираль выполнена из двух частей, первая из которых в форме витка образует внешнюю зону нагрева, а вторая в форме последовательно расположенных лепестков внутреннюю зону нагрева, вторая спираль выполнена в форме волнистой линии, плавно огибающей вторую часть первой спирали, при этом первая спираль выполнена большей мощности и большей ширины дорожки, чем вторая, электроизоляционный слой выполнен из высокотеплопроводных материалов, а теплозащитный из пористых материалов низкой теплопроводности с высотой слоя, в три раза большей высоты электроизоляционного слоя.

Сопоставительный анализ предлагаемого нагревательного элемента для бытовых электронагревательных приборов, по первому варианту, с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых конструктивных признаков, а именно: шаг спирали в срединной зоне выбран в два раза большим, чем шаг во внешней и внутренней зонах, электроизоляционный слой выполнен из высокотеплопроводных материалов, а теплозащитный из пористых материалов низкой теплопроводности с высотой слоя, в три раза большей высоты электроизоляционного слоя.

Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию "новизна".

Сравнение предлагаемого решения, по первому варианту, с другими техническими решениями из известного уровня техники [1] показывает, что используемые в отличительной части признаки не обнаружены. Совокупность заявленных признаков конструктивного исполнения позволяет получить новый технический эффект, а именно: предложенная топология расположения спирали толстопленочной резистивной электрической дорожки позволяет максимально использовать зоны нагрева, кроме того, выполнение демпфирующего слоя на основе материалов с высокой теплопроводностью способствует равномерному распределению тепла по поверхности нагревательного элемента, сглаживает возникающие "пики" температуры, а защитный слой, выполненный на основе материалов с низкой теплопроводностью, позволяет отразить идущее тепло и направить к рабочей поверхности, что в целом улучшает основные технические характеристики нагревательного элемента, повышает КПД и экономит электроэнергию.

Все это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения, по первому варианту, критериям "существенные отличия" и "неочевидность".

Сопоставительный анализ предлагаемого нагревательного элемента для бытовых электронагревательных приборов, по второму варианту, с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых конструктивных признаков, а именно: первая спираль выполнена из двух частей, первая из которых в форме витка образует внешнюю зону нагрева, а вторая в форме последовательно расположенных лепестков внутреннюю зону нагрева, вторая спираль выполнена в форме волнистой линии, плавно огибающей вторую часть первой спирали, при этом первая спираль выполнена большей мощности и большей ширины дорожки, чем вторая, электроизоляционный слой выполнен из высокотеплопроводных материалов, а теплоизоляционный из пористы материалов низкой теплопроводности с высотой слоя, в три раза больше высоты электроизоляционного слоя.

Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение предлагаемого решения, по второму варианту, с другими техническими решениями из известного уровня техники [1] показывает, что используемые в отличительной части признаки не обнаружены. Совокупность заявленных признаков конструктивного исполнения позволяет получить новый технический уровень, а именно: предложенная топология расположения спиралей толстопленочной резистивной электрической дорожки позволяет максимально использовать зоны нагрева, при этом выполнение демпфирующего слоя на основе материалов с высокой теплопроводностью способствует равномерному распределению тепла по поверхности нагревательного элемента и сглаживанию возникающих "пиков" температуры, а введение защитного слоя, выполненного на основе материалов с низкой теплопроводностью, позволяет отразить идущее тепло и направить к рабочей поверхности, что в целом улучшает основание технические характеристики нагревательного элемента, повышает КПД и экономит электроэнергию.

Все это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "существенные отличия" и "неочевидность".

На фиг. 1 представлен толстопленочный нагревательный элемент по первому варианту в разрезе; на фиг. 2 устройство по первому варианту исполнения; на фиг. 3 устройство по второму варианту исполнения; на фиг. 4 график распределения температуры по поверхности нагревательного элемента для электроконфорки от центра к периферии.

Нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов в соответствии с фиг. 1 содержит основание из стали 1, верхняя сторона которого является рабочей поверхностью, а на нижнюю сторону нанесены слой электроизоляционной эмали 2, толстопленочная резистивная дорожка 3, выполненная в виде по меньшей мере одной спирали, с переменным шагом с контактными площадками по концам 4, слой электроизоляции 5 и теплозащитный слой 6.

Нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов в соответствии с фиг.2 содержит основание из стали 1, верхняя сторона которого является рабочей поверхностью, а на нижнюю сторону нанесены слой электроизоляционной эмали 2, толстопленочная резистивная дорожка 3, содержащая по меньшей мере одну спираль с переменным шагом с контактными площадками по концам 4, при этом на поверхности основания образованы внешняя 8, срединная 10 и внутренняя 9 зоны нагрева, причем шаг спирали в срединной зоне выбран в два раза большим, чем шаг во внешней и внутренней зонах.

На фиг. 1 и 2 рассмотрен первый вариант конструктивного исполнения предложенного нагревательного элемента.

Нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов в соответствии с фиг. 3 (конструктивное исполнение по второму варианту) содержит основание из стали 1, верхняя сторона которого является рабочей поверхностью, а на нижнюю сторону нанесены слой электроизоляционной эмали 2, толстопленочная резистивная дорожка 3, содержащая по меньшей мере две спирали c переменным шагом и разной шириной витков по длине с контактными площадками на концах, при этом на поверхности основания образованы внешняя 8, срединная 10 и внутренняя 9 зоны нагрева, причем первая спираль выполнена из двух частей, первая 11 из которых в форме витка образует внешнюю зону нагрева, а вторая 12 в форме последовательно расположенных лепестков внутреннюю зону нагрева, вторая спираль 13 выполнена в форме волнистой линии, плавно огибающей вторую часть первой спирали, при этом первая спираль выполнена большей мощности и большей ширины дорожки, чем вторая, электроизоляционный слой выполнен из высокотеплопроводных материалов, а теплоизоляционный из пористых материалов низкой теплопроводности с высотой слоя, в три раза большей высоты электроизоляционного слоя.

На фиг. 4 представлен график распределения температуры по поверхности нагревательного элемента для электроконфорки (от центра к периферии), взят в качестве примера. Позиция 1 распределение температуры по поверхности нагревательного элемента с равномерным расположением витков спирали толстопленочной электрической нагревательной дорожки; 2 распределение температуры по поверхности нагревательного элемента, толстопленочная резистивная дорожка которого выполнена с переменным шагом; 3 распределение температуры по поверхности нагрева тельного элемента, толстопленочная резистивная дорожка которого выполнена с переменным шагом и поверхность которого покрыта высокотеплопроводным слоем электроизоляции; 4 распределение температуры по поверхности нагревательного элемента, толстопленочная резистивная дорожка которого выполнена с переменным шагом и поверхность которого покрыта электроизоляционным слоем, выполненным на основе высокотеплопроводных материалов, и теплозащитным из пористых материалов низкой теплопроводности с высотой слоя, в три раза большей высоты электроизоляционного слоя (предлагаемое техническое решение в двух вариантах исполнения).

Нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов изготавливается следующим образом. Вырубается основание из стали (окалиностойкость до 7000^oC материала) любого необходимого диаметра для конфорки, утюга и другого бытового электроприбора. Снимается окисная пленка с нагревательной поверхности, при необходимости рихтуется штампом со стороны рабочей поверхности, например для конфорки для придания определенной шероховатости в виде равномерно расположенных углублений в форме квадратов сечением 1,2 мм и глубиной до 50 мкм, что позволяет увеличить рабочую поверхность и усилить теплоотдачу. Для утюга это не требуется, так как необходима гладкая рабочая поверхность. Затем на нижнюю сторону основания наносят слой высокотемпературной электроизоляционной эмали, например на полуавтомате "Тропа-1" толщиной 150 200 мкм, вжигают в печи, после чего вынимают и охлаждают. Наносят резистивный слой на установке трафаретной печати, устанавливают выводы на контактные площадки и производят вжигание резистивного слоя. Далее наносят слой электроизоляции из высокотеплопроводных материалов, например кремнийорганического соединения с высокой теплопроводностью, толщиной не менее 400 мкм методом центрифугирования. Затем наносят теплозащитный слой, выполненный на основе материалов с низкой теплопроводностью, например на органосиликатной основе, и представляющий собой пористую структуру, причем высота этого слоя должна быть как минимум в три раза больше высоты электроизоляционного слоя и составляет 1200 2000 мкм.

Нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов, например в качестве электроконфорки, работает следующим образом. В результате прохождения электрического тока по толстопленочной резистивной дорожке происходит разогрев спирали и распространяется тепло в сторону рабочей и нагревательной поверхности. Слой электроизоляции при этом равномерно распределяет температуру по поверхности, сглаживая при этом возникающие "пики" температуры. Теплозащитный слой отражает часть тепла, идущего в сторону нагревательной поверхности, и направляет в рабочей поверхности. В результате увеличивается коэффициент полезного действия нагревательного элемента и, как следствие, происходит экономия электроэнергии.

Экспериментальные исследования предлагаемого нагревательного элемента для бытовых электронагревательных приборов, подтвержденные актом испытаний, показали, что по сравнению с устройствами аналогичного назначения, предлагаемое устройство в двух вариантах исполнения обладает лучшими техническими характеристиками, а именно
предложенная топология расположения спиралей толстопленочной резистивной дорожки позволяет более рационально использовать зоны нагрева, максимально исключая локальные перегревы и выгорание дорожки;
введение высокотеплопроводного слоя электроизоляции способствует равномерному распределения тепла по поверхности нагревательного элемента, сглаживая при этом возникающие "пики" температуры;
введение теплозащитного слоя из пористых материалов низкой теплопроводности позволяет отразить идущее тепло вниз и направить к рабочей поверхности.

Все перечисленные преимущества предлагаемого решения в целом позволяют повысить коэффициент полезного действия (КПД) нагревательного элемента, снизить время разогрева рабочей поверхности до 3 мин, а также снизить потребление электроэнергии бытовым электроприбором на 40%

Изобретение относится к бытовым нагревателям. Нагреватель выполнен в виде стального основания. На внутренней его поверхности через слой электроизоляционной эмали нанесен нагревательный элемент в виде толстопленочной резистивной дорожки. Описаны два варианта ее выполнения, обеспечивающие создание на поверхности основания трех зон нагрева. Поверх резистивных дорожек нанесен теплозащитный слой, выполненный из пористых материалов низкой теплопроводности, толщиной, в 3 раза большей толщины электроизоляционной эмали. В нагревателе улучшены технические характеристики и КПД. 2 с.п. ф-лы 4 ил.

1. Нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов, содержащий основание из стали, верхняя сторона которой является рабочей поверхностью, а на нижнюю сторону нанесены слой электроизоляционной эмали, толстопленочная резистивная дорожка, выполненная в виде по меньшей мере одной спирали с переменным шагом с контактными площадками по концам, слой электроизоляции и теплозащитный слой, при этом на поверхности основания образованы внешняя, средняя и внутренняя зоны нагрева, отличающийся тем, что шаг спирали срединной зоны выбран в два раза большим, чем шаг спирали внешней и внутренних зон, электроизоляционный слой выполнен из высокотеплопроводных материалов, а теплозащитный из пористых материалов низкой теплопроводности с высотой слоя, в три раза большей высоты электроизоляционного слоя. 2. Нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов, содержащий основание из стали, верхняя сторона которого является рабочей поверхностью, а на нижнюю сторону нанесены слои электроизоляционной эмали, толстопленочная резистивная дорожка, содержащая по меньшей мере две спирали с переменным шагом и разной шириной витков по длине, с контактными площадками на концах, слой электроизоляции и теплозащитный слой, при этом на поверхности основания образованы внешняя, срединная и внутренняя зоны нагрева, отличающийся тем, что первая спираль выполнена из двух частей, первая из которых, в форме витка, образует внешнюю зону нагрева, а вторая, в форме последовательно расположенных лепестков, внутреннюю зону нагрева, вторая спираль выполнена в форме волнистой линии, плавно огибающей вторую часть первой спирали, при этом первая спираль выполнена большей мощности и большей ширины дорожки, чем вторая, электроизоляционный слой выполнен из высокотеплопроводных материалов, а теплозащитный из пористых материалов низкой теплопроводности с высотой слоя, в три раза большей высоты электроизоляционного слоя.