ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛАСТИЧНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H05B3/36 

Изобретение относится к нагревательным приборам с нагревательными элементами, в частности к нагревательным приборам с увеличенной поверхностью, преимущественно двухмерным, например, к пластинчатым нагревателям, в которых нагревательные элементы заделаны в изоляционный материал.

Существуют электрические нагревательные приборы (нагреватели) [1, 2] содержащие основу из нескольких слоев эластичного материала, например, резины или резиноподобной массы, между которыми последовательно уложены нагревательные элементы либо из обычного кабеля, либо из плоских токопроводящих лент.

Однако, эти нагреватели имеют ряд недостатков, таких как устройство нагревательных элементов, предусматривающее обязательное присутствие термоизолирующего материала, отделяющего нагревательные элементы от внешней оболочки нагревателя, кроме того, в качестве нагревательных элементов используется обыкновенный толстый кабель, либо токопроводящая плоская лента, прикрепляемая к телу нагревателя специальными клейкими полосками. Кроме того, температура нагрева у аналогов недостаточно высокая, что приводит к ограничению области применения. Поскольку у аналогов нагревательные элементы располагаются последовательно, то для их нагрева требуется высокое напряжение, что уменьшает электробезопасность при работе с ними.

Наиболее близким техническим решением является прибор, описанный в патенте США [3] где конструкция нагревательных элементов значительно проще. Однако между нагревательной проволокой и гибкой резиновой внешней оболочкой существует слой термоизолирующей ткани, посыпанной для уменьшения отражательного эффекта алюминиевым порошком.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик нагревателя, увеличение его долговечности, упрощения технологии изготовления и повышения электробезопасности.

Улучшение эксплуатационных характеристик достигается за счет использования нескольких слоев из термостойкого эластичного материала, например, из термостойкой резины, полностью изолирующего нагревательные элементы, что устраняет загрязнение и попадание влаги к нагревательным элементам. Эластичная основа обеспечивает полное прилегание к нагреваемой поверхности, то есть создает хорошие условия для кондуктивного нагрева. Использование для основы маслостойкой резины, которая не разрушается при попадании на нее масла, позволяет применять масло в качестве прослойки между нагревателем и нагреваемой поверхностью, что так же улучшает кондуктивный нагрев. Кроме того, использование специальной термостойкой резины позволяет увеличить температуру нагрева и тем самым расширить область применения нагревателя.

Использование резины в качестве внешней оболочки нагревателя исключает электрический пробой и порчу нагревателя из-за проникающей влажности. Это способствует увеличению долговечности и позволяет эксплуатировать нагреватель при экстремальных условиях, например, на открытом воздухе, при отрицательной температуре, дожде и снеге.

Повышение электробезопасности при работе с нагревателем связано, во-первых, с полной электроизоляцией нагревательных элементов несколькими слоями резиновой оболочки, а, во-вторых, с тем, что нагревательные элементы расположены параллельно и для их нагрева требуется меньшее напряжение, чем если бы они располагались последовательно, а это положительно влияет на повышение электробезопасности.

Нагреватель прост в изготовлении. Наличие термостойкой резины приводит к упрощению устройства нагревательных элементов, так как отпадает необходимость предохранять внешнюю эластичную оболочку от перегрева.

Использование теплоизолирующих слоев, например, из стеклоткани, чередующихся с попарно соединенными слоями из термостойкого эластичного материала, между которыми размещены нагревательные элементы, позволяет уменьшить потери тепла в окружающую среду, что приводит к повышению коэффициента полезного действия нагревателя и возможности достигать нужной температуры нагрева при помощи нагревателя меньшей мощности. Кроме того, тканевый слой позволяет увеличить механическую прочность нагревателя.

Применение электрических шин, выполненных с поперечными сквозными разделительными канавками, расположенными в шахматном порядке с шагом, кратным шагу армирования нагревательных элементов, позволяет при сохранении технологии изготовления нагревателя существенно расширить диапазон изменения электрического сопротивления нагревателя и, соответственно, диапазоны изменения электрических мощностей, тока и напряжения нагревателя.

Авторами не обнаружено известных технических решений с подобными признаками. Таким образом, предложенный прибор обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 представлен общий вид нагревателя с отогнутым краем одного из слоев резиновой оболочки, чтобы показать общее расположение нагревательных элементов. Кроме того на фиг.1 представлен поперечный разрез А-А, показывающий взаимное расположение теплоизолирующего слоя и попарно соединенных слоев из термостойкого эластичного материала, между которыми размещены нагревательные элементы. На фиг.2 представлены различные варианты схем разводки нагревательных элементов эластичного нагревателя.

Электрический эластичный нагреватель (фиг.1) содержит теплоизолирудющий слой 1, попарно соединенные слои 2 из термостойкого эластичного материала, между которыми размещены параллельно расположенные нагревательные элементы 3 из высокоомного материала, противоположные концы которых закреплены на параллельных электрических шинах 4, соединенных при помощи кабеля 5 с зажимами 6 для подключения к источнику тока. По периметру нагревателя расположены отверстия 7 для крепления его к нагреваемому объекту.

Нагреватель может быть снабжен электрическими шинами (фиг.2), выполненными с поперечными сквозными разделительными канавками 8, расположенными в шахматном порядке с шагом, кратным шагу армирования нагревательных элементов 3.

Электрический нагреватель работает следующим образом: прежде всего нагреватель закрепляется на нагреваемом объекте с помощью крепежных элементов (на фиг. не указаны) через отверстия 7. После подключения нагревателя к источнику тока через зажимы 6 и электрический кабель 5 нагревательные элементы 3 из высокоомного материала начинают нагреваться в результате прохождения через них электрического тока. Максимальная температура нагрева определяется типом эластичного материала, из которого выполнены слои 2, например, для термостойкой резины она составляет +250^oС. Выделяемое от нагревательных элементов 3 тепло путем теплопередачи и конвективного обмена разогревает нагреваемый объект до нужной температуры нагрева.

На фиг.1 представлен нагреватель, предназначенный для использования низковольтного источника тока, так как нагревательные элементы 3 из высокоомного материала имеют параллельное электрическое соединение. Для улучшения эксплуатационных характеристик, в частности, для увеличения диапазона изменения электрических сопротивлений, мощности, тока и напряжения используется нагреватель, выполненный по схемам а,б,в,г, изображенным на фиг.2.

Для доказательства возможности использования разных источников тока приводятся следующие расчета.

В качестве нагревательного элемента выберем нихромовую проволоку диаметром d 0,1 мм, размеры нагревателя 200 х 200 мм, то есть длина и ширина L 200 мм, шаг армирования h 5 мм.

Электрическое сопротивление одной нити нагревательного элемента длиной l 200 мм:

где ρ удельное электрическое сопротивление (для нихрома
ρ=1,005•10^-6 Ом•м при T= +20^°C, 1,005 • 10^-6 Ом•м при Т +20^oV).

d диаметр нити,
l длина нити.

Найдем общее электрическое сопротивление нагревателя для различных схем разводки нагревательных элементов (фиг.2):

где
П количество параллельных секций нагревательных элементов,
R сопротивление одной нити,
L длина нагревателя,
h шаг армирования.

Расчеты можно продолжить и дальше. Сила тока и мощность нагревателя для приведенных схем будут соответственно равны:
схема а):

где I сила тока (А),
U напряжение источника питания (В),
P U • I 220 • 0,22 48 Вт,
где Р мощность нагревателя (Вт).

схема б):
I 220/250 0,88 А, Р 220 • 0,88 194 Вт,
схема в):
I 220/110 2 A, P 220 • 2 440 Вт,
схема г):
I 220/62,5 3,52 A, P 220 • 3,52 775 Вт.

Таким образом электрический эластичный нагреватель, представляющий предмет данного изобретения, характеризуется улучшенными эксплуатационными характеристиками, повышенной долговечностью, простой технологией изготовления, повышенной электробезопасностью при работе с нагревателем.

Использование: для пластинчатых нагревателей. Сущность изобретения: нагреватель выполнен многослойным и состоящим из теплоизолирующих слоев, чередующихся с попарно соединенными слоями из термостойкого материала, между которыми расположены высокоомные нагревательные элементы, что улучшает эксплуатационные характеристики, долговечность, упрощает технологию. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрический эластичный нагреватель, содержащий многослойную структуру из по крайней мере двух слоев термостойкого эластичного материала, между которыми размещены нагревательные элементы, отличающийся тем, что нагреватель состоит из чередующихся слоев термостойкого эластичного материала, преимущественно термо-маслостойкой резины и слоев теплоизолирующего материала, герметично соединенных между собой, причем с одной стороны нагревателя расположен слой теплоизолирующего материала, а с другой два слоя термостойкого эластичного материала, герметично охватывающие размещенные параллельно друг другу нагревательные элементы, противоположные концы которых закреплены на параллельных электрических шинах. 2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что электрические шины выполнены с поперечными сквозными разделительными канавками, расположенными в шахматном порядке с шагом, кратным шагу нагревательных элементов. 3. Нагреватель по п.1 или 2, отличающийся тем, что на поверхность нагревателя со стороны термостойкого эластичного материала нанесен слой масла, воды или другого жидкого теплоносителя.