МНОГОСЛОЙНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1997 года по МПК H05B3/28 

Изобретение относится к многослойным электронагревательным элементам, содержащим электропроводящий слой, представляющий собой композиционный материал на основе измельченного углеродного волокна, диспергированного в полимерной матрице, в частности электропроводящий слой из углеволокнистой бумаги, изолированной с обеих сторон термопластичной полимерной пленкой.

Такие изобретения в последние годы находят все большее применение для обогрева рабочих, жилых помещений, транспортных средств, в самых различных отраслях промышленности, в строительстве, в медицине, а также в сельском хозяйстве.

Известны плоские многослойные нагревательные элементы [1] представляющие собой слоистые изделия с чередующимися электропроводящим слоем, выполненным из композиционного материала, содержащего измельченное углеродное волокно, диспергированное в отвержденном термореактивном полимерном связующем, и изолирующими слоями, сформированными из того же отвержденного термореактивного полимерного связующего. При этом вдоль противоположных концов электропроводящего слоя закреплены два токопроводящих электрода шины.

Описаны также плоские многослойные электронагревательные элементы, представляющие собой изделия с чередующимся электропроводящим слоем из нетканого материала на основе углеродных волокон и электроизолирующими слоями, выполненными из отвержденной термореактивной смолы. Вдоль противоположных концов электропроводящего слоя закреплены токоподводящие шины [2]
Известен также многослойный нагревательный элемент, производимый в России в виде плоского изделия с товарным знаком "Слотерм" [3]
Элемент "Слотерм" представляет собой изделие из чередующихся электропроводящего слоя на основе углеволокнистой бумаги, содержащей углеродное волокно, диспергированное в измельченной целлюлозе, и электроизолирующих слоев с обеих сторон листа углеволокнистой бумаги. Изолирующие слои выполнены из бумаги, закрепленной с помощью отвержденного полимерного термореактивного связующего. Вдоль противоположных концов листа углеволокнистой бумаги закреплены две токоподводящие шины. В качестве электропроводящего слоя использована пропитанная отвержденным полимерным термореактивным связующим углеволокнистая бумага, содержащая, мас.

Углеродное волокно 5 75,
Измельченная целлюлоза 25 95.

Основными недостатками известного аналога являются те, которые связаны с использованием термореактивных связующих, придающих при отверждении большую жесткость изделию и делающих процесс изготовления экологически опасным из-за токсичности связующих и выделения токсичных летучих веществ при отверждении при нагревании.

Кроме того, формирование нагревательных элементов связано с большими затратами энергии из-за необходимости достижения достаточно жестких условий: давления не менее 100 кгс/см², температуры нагрева 150 190^oC при времени выдержки до 40 мин на одно изделие.

Указанные недостатки устранены в плоском многослойном нагревательном элементе [4] представляющем собой изделие из чередующихся слоев, включающих электропроводящий слой на основе углеволокнистой бумаги с прикрепленными к нему двумя токоподводящими шинами и электроизолирующие слои, припрессованные непосредственно к электропроводящему слою с обеих его сторон. Электроизолирующие слои выполнены из бумаги и термопластичной полимерной пленки.

Известный плоский электронагревательный элемент формуется в виде пакета, собранного из термопластичной пленки, бумаги, термопластичной пленки, углеволокнистой бумаги с закрепленными токоподводящими шинами, термопластичной пленки, бумаги, термопластичной пленки. Дополнительно снаружи пакета могут быть добавлены слои декоративного материала (бумага, ткань) и термопластичной пленки. Собранный пакет прессуют при температурах, близких к температурам размягчения термопластичного полимера, из которого сформирована пленка. Для пакета с изолирующими слоями на основе полиэтилена температура прессования 110±130^oC, давление 25 30 кГс/см², время выдержки в прессе 2 3 мин на пакет в целом.

Известный элемент обладает следующими недостатками:
высокой гибкостью, требующей при использовании элемента его закрепления в жесткой конструкции;
возможностью разрушения из-за расслоения вдоль бумажного слоя;
симметричным излучением теплового потока обеими сторонами элемента.

Задача изобретения устранение указанных недостатков известного решения-прототипа, т.е. создание многослойного нагревательного элемента, характеризующегося повышенной механической прочностью, регулируемой жесткостью, асимметричным излучением тепла.

Эта задача была решена заявленным изобретением, представляющим собой многослойный нагревательный элемент, изготовленный в виде слоистого изделия, включающего электропроводящий слой на основе углеволокнистой бумаги с прикрепленными к ней токоподводящими шинами и припрессованными непосредственно к электропроводящему слою с обеих его сторон электроизолирующих слоев, выполненных из термопластичной полимерной пленки.

К одной из сторон этого пакета припрессован теплоотражающий слой, который может быть выполнен из металлической фольги, металлизированной полимерной пленки или путем металлизации непосредственно наружной поверхностью одного из изолирующих слоев.

Углеволокнистая бумага, используемая в качестве основы электропроводящего слоя, содержит, мас.

Углеродное волокно 5 30;
Измельченную целлюлозу 70 95.

На противоположных концах листа углеволокнистой бумаги закреплены две основные токоподводящие шины. Дополнительно между ними и параллельно им могут быть размещены дополнительные шины, позволяющие регулировать мощность и рабочую температуру поверхностей элемента при одних и тех же параметрах углеволокнистой бумаги.

Лист углеволокнистой бумаги после нанесения токоподводящих шин перфорируют таким образом, чтобы суммарная площадь перфорации составляла 5 - 50% от площади листа углеволокнистой бумаги, предпочтительно 5 15% поскольку при этом практически не изменяется температура элемента.

В изделии размеры термопластичной пленки превышают размеры листа углеволокнистой бумаги, теплоотражающего слоя и дополнительно вводимого декоративного материала.

Заявленное изделие может представлять как плоское изделие, так и объемное, например гофрированное, что позволяет регулировать жесткость с сохранением гибкости.

Способ изготовления заявляемого многослойного нагревательного элемента состоит в том, что на лист углеволокнистой бумаги параллельно двум ее противоположным краям прикрепляют основные и дополнительные шины. Затем на лист наносят перфорацию за исключением мест крепления токоподводящих шин. Электропроводящий слой изолируют с обеих его сторон пленкой из термопластичного полимера. Затем на одну из сторон пакета прикрепляют теплоотражающий слой.

Полученный пакет может быть дополнен с другой стороны слоем декоративного материала, который закрепляют слоем термопластичной пленки. Собранный пакет прессуют при температуре, близкой к температуре размягчения термопластичного полимера, из которого изготовлена пленка, при давлении 2,0 5,0 кГс/см² в течение 1,5 3 мин на пакет в целом. Плоский многослойный элемент может затем гофрироваться.

Отличительными от наиболее близкого технического решения прототипа признаками заявляемого изобретения являются:
1. Введение в структуру элемента теплоотражающего слоя, позволяющего получить стабильное асимметричное излучение тепла;
2. Изготовление электропроводящего слоя на основе перфорированного листа углеволокнистой бумаги;
3. Нанесение на лист углеволокнистой бумаги при изготовлении электропроводящего слоя кроме двух основных еще и дополнительных токоподводящих шин;
4. использование в качестве электроизолирующих слоев термопластичной полимерной пленки с размерами, превышающими размеры листов углеволокнистой бумаги, теплоотражающего слоя и дополнительно вводимого декоративного слоя;
5. Регулирование степени жесткости гофрированием получаемых плоских нагревательных элементов.

Анализ известного уровня науки и техники не позволил обнаружить информацию об изделии, полностью идентичном с заявленным по совокупности существенных признаков. Это дает основание утверждать о новизне заявленного изобретения.

Не удалось обнаружить какую-либо информацию о многослойных нагревательных элементах, имеющих теплоотражающий слой и обеспечивающих стабильное асимметричное излучение тепла.

Не удалось найти публикаций об изготовлении электропроводящего слоя с перфорацией, обеспечивающей повышенную механическую прочность изделия в целом, в частности к нагрузкам, вызывающим расслоение.

Теория теплопередачи в теплоизолирующих полимерных средах разработана недостаточно и нельзя было ожидать заранее, что в многослойном нагревательном элементе заявленной структуры будет достигнут эффект стабильного асимметричного излучения тепла рабочими поверхностями элемента. Можно утверждать, что новый элемент структуры теплоотражающий слой привел к новому свойству целевого изделия.

Перфорирование электропроводящего слоя при суммарной площади перфорации 5 15% от площади листа углеволокнистой бумаги практически не изменяет температуру рабочих поверхностей элемента, но способствует образованию в ходе прессования пакета в целом системы прочных связей между электроизолирующими слоями по всей их площади. Таким образом, и этот новый признак привел к возникновению новых свойств элемента.

Перфорирование больших площадей углеволокнистого листа кроме увеличения прочности изделия в целом позволяет изменять сопротивление, а следовательно, мощность и температуру поверхности элемента. Это дает еще одну возможность регулировать параметры целевого изделия.

Несомненно, что перечисленные отличительные признаки имеют более общий характер и могут быть использованы в любых конструкциях многослойных нагревательных элементов с достижением тех же эффектов. Это позволяет решать задачи, которые давно стояли перед создателями многослойных нагревательных элементов, но до сих пор решены не были.

Вышеизложенное позволяет утверждать, что заявленное решение в целом соответствует требованию "изобретательский уровень", поскольку оно в значительной степени основано на вновь найденных взаимосвязях структура - свойства.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема заявленного многослойного нагревательного элемента; на фиг. 2 вид в разобранном состоянии
На фиг. 1 и 2 обозначено: электропроводящий слой; 2 токоподводящие шины: I, I основные, II, Ia, II дополнительные; 3 изолирующие слои; 4 - теплоотражающий слой; 5 декоративный слой.

Пример 1. Плоский многослойный нагревательный элемент изготавливают на основе электропроводящей углеволокнистой бумаги с поверхностным электрическим сопротивлением R_□36 ом. Размер листа углеволокнистой бумаги 100 • 100 см (1 м²). На листе с одной его стороны прикрепляют на противоположных краях две основные шины (I и I) вдоль всей длины листа. Шины выполнены из медной электрической фольги толщиной 50 мкм и шириной 15 мм с длиной 1000 мм. Параллельно основным шинам и на равных расстояниях между ними закрепляют дополнительную шину тех же размеров (Ia). После этого на лист углеволокнистой бумаги наносят перфорацию в виде круглых отверстий диаметром 3 мм. Лист перфорируют равномерно таким образом, чтобы суммарная площадь перфорации составила 10% площади листа, т.е. около 130 140 отверстий на 100 см². Перфорацию не наносят на шины.

Полученный электропроводящий слой изолируют с обеих его сторон термопластичной полимерной пленкой из полиэтилена высокого давления (ПЭВД) толщиной 1500 мкм и размерами 105 • 105 см.

К полученному трехслойному пакету с одной его стороны прикрепляют теплоотражающий слой в виде алюминиевой фольги размером 100 • 100 см и толщиной около 50 мкм.

Четырехслойный пакет подают на узел формования, нагретый до 130±10^oC и формуют при давлении 5 кГс/см² с выдержкой 3 мин. К токоподводящим шинам припаивают проводники.

Полученный плоский нагревательный многослойный элемент имеет следующие характеристики:
толщина около 3 мм;
электрическое сопротивление перфорированного листа 38 Ом; электрическое сопротивление: между основными шинами (I I)36 м; между основными и средней, дополнительной шиной (I,I Ia)9 Ом;
мощность при напряжении питания: 220 В на основные шины 1340 Вт; 110 В на основные и дополнительную 1340 Вт;
ток питания переменный или постоянный;
температура, ^oC: непосредственно на обеих поверхностях элемента 105±10 на расстояниях 10 мм и 15 мм от поверхности теплоотражающего слоя (T_тс) 35±3 и 18±3; на расстояниях 10 мм и 15 мм от поверхности электропроводящего слоя (T_ЭС) 90±10 и 80±10
изделие выдерживает 150 двойных изгибов без нарушения работоспособности и без видимы повреждений;
изделие выдерживает напряжение 3750 В, подаваемое перпендикулярно плоскости элемента, после прямого воздействия воды без пробоя;
изделие после непрерывного нагревания в течение 5000 ч практически без изменений сохраняет все свои рабочие характеристики;
изделие после выдерживания в воде при комнатной температуре в течение 10 суток не изменяет своих характеристик и массы;
элемент после эксплуатации в течение 6 мес не имел каких-либо следов расслоения.

Все примеры выполнены в условиях примера 1, данные представлены в таблице, где использованы следующие сокращения: ПП полипропилен; ПЭВД - полиэтилен высокого давления; ПЭНД полиэтилен низкого давления; ПВХ - поливинилхлорид; T_тс 10 и 15, ^oC температура от поверхности теплоотражающего слоя на расстоянии 10 и 15 мм; T_эс 10 и 15, ^oC - температура от поверхности электропроводящего слоя на расстоянии 10 и 15 мм.

В примерах 1 9 напряжение питания 220 В подается на основные шины (I - I). В примерах 1, 3, 6, 8 напряжение питания 110В подается на основные и одну дополнительную шину (I,I Ia).

В примерах 4, 7, 9 напряжение питания 36 В подается на элемент, имеющий 5 шин (I, II, Ia, II, I): две основные (I и I), три дополнительные (II, Ia, II) таким образом, чтобы нечетные шины были присоединены к одному полюсу, а четные к другому (I, I, Ia II, II).

В качестве теплоотражающего слоя использована алюминиевая фольга толщиной 50 мкм (примеры 1 4, 7) и металлизированная полиэтилентерефталатная пленка толщиной 150 мкм (примеры 5, 6, 8, 9).

Изделия по примерам 2, 7, 9 дополнительно гофрируются с диаметром волны гофра 30 мм, что придает им дополнительную жесткость.

Изобретение представляет собой многослойный нагревательный элемент, который может найти использование для обогрева рабочих и жилых помещений в промышленности, строительстве, транспорте, медицинских учреждениях, сельском хозяйстве и в быту. Нагревательный многослойный элемент выполнен в виде слоистого изделия, содержащего электропроводящий слой, изолированный с обеих сторон электроизолирующими слоями. Он содержит также теплоотражающий слой, выполненный из металла или металлизированной полимерной пленки на одной из поверхностей элемента. Электропроводящий слой изготовлен на основе углеволокнистой бумаги, вдоль противоположных концов которой закреплены две основные токоподводящие шины, между ними могут быть размещены также дополнительные. На электропроводящем слое нанесена перфорация, занимающая от 5 до 50% площади электропроводящего слоя. Электроизолирующие слои выполнены из термопластичной полимерной пленки. Размеры электроизолирующих слоев превышают размеры электропроводящего и теплоизолирующего. Многослойный нагревательный элемент может быть выполнен как в виде плоского изделия, так и в виде объемного, например, гофрированного. Нагревательный элемент обеспечивает повышенную прочность и регулируемую жесткость. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Многослойный нагревательный элемент в виде слоистого изделия, включающего электропроводящий слой на основе углеволокнистой бумаги, вдоль противоположных концов которой закреплены токопроводящие шины, и электроизолирующих слоев из термопластичных полимерных пленок, выполненных с обеих сторон электропроводящего слоя и припрессованных непосредственно к последнему, отличающийся тем, что элемент дополнительно содержит теплоотражающий слой, нанесенный на один из изолирующих слоев, на электропроводящем слое выполнена перфорация, при этом общая площадь перфорации составляет 5 50% от площади электропроводящего слоя, а размеры электроизолирующих слоев превышают размеры электропроводящего и теплоотражающего слоев. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен в виде плоского изделия. 3. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен в виде объемного, например, гофрированного изделия. 4. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что на электропроводящем слое закреплены дополнительные токоподводящие шины, размещенные между основными, на равных расстояниях одна от другой.