НАГРЕВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПЛОСКИЙ СТАЛЬНОЙ Российский патент 1999 года по МПК H05B3/62 H05B3/68 H05B3/10 

Изобретение относится к области электрического нагрева и может быть использовано при изготовлении нагревателей для бытовых, медицинских, сельскохозяйственных и других технических приборах и устройствах с рабочей температурой нагревательного элемента до 650^oC. Например, электроконфорка, электроплитка, водонагреватели различного назначения, электроконвектор, электровентилятор и т.п.

Известен высокотемпературный нагревательный элемент /1/, состоящий из чередующихся резистивных и изоляционных слоев, которые выполнены из металлооксидных керметов, металлическая фаза которых представляет собой интерметаллическое соединение Ni, Al, в котором часть Al изоморфно замещена Cr при общем содержании Cr в сплаве 2,5%, а оксидная фаза - алюмооксидную керамику 96Al₂O₃0 + 2TiO₂ + 2 MnO₂, причем в резистивных слоях металлическая фаза и окcидная находятся в соотношении 0,6:1,4 а в изоляционных слоях соответственно, как 1,6:4.

Известен резистивный пленочный нагреватель /2/, содержащий пленку из тугоплавкого соединения, нанесенную на изолирующую основу, выполненную из нитрида титана с определенным содержанием азота.

Ближайшим аналогом является толстопленочный резистивный элемент /3/, содержащий стальную подложку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным стеклосодержащими слоями, между которыми расположен резистивный слой, в качестве материала изолирующего и защитного слоя использована толстопленочная паста на основе бесщелочных стекол, причем паста для изолирующего слоя выполнена на основе бесщелочного кристаллизирующегося стекла, а паста для защитного сдоя содержит бесщелочное стекло с керамическим наполнителем, при этом в качестве материала резистивного слоя использована толстопленочная паста на основе порошка никеля с добавками порошка хрома или нихрома и стеклосвязующего.

Недостатком известных нагревателей является нестабильность их параметров, недостаточная надежность, узкий диапазон питающего напряжения и значений удельной электрической мощности.

Задачей предполагаемого изобретения является создание плоского электрического нагревателя, позволяющего на его основе создать приборы и нагревательные системы, отвечающие современным требованиям.

Поставленная задача решается тем, что в известном нагревателе электрическом плоском стальном, содержащем стальную подложку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным стеклосодержащими слоями, между которыми расположен резистивный слой, в качестве материала резистивного слоя использована толстопленочная паста на основе соединения борида никеля, а в качестве материала изолирующего и защитного слоев использованы порошок либо толстопленочная паста на основе кристаллизующихся стекол - ситаллоцемента марки СЭ-3.

Электронагреватель представляет собой подложку из металла, которую предварительно изолируют слоем диэлектрического стекла толщиной ~ 200 мкм. На диэлектрическое покрытие методом толстопленочной технологии наносится нагревательный элемент и защитный слой. Причем изолирующий и защитный слои могут быть получены и пневмоэлектростатическим методом нанесения, обладающим более высокой производительностью.

Нагревательный элемент изготавливают следующим образом:
Подготавливают поверхность подложки, в качестве которой используют жаростойкую нержавеющую сталь марок 15Х25Т, 20Х13, 08Х17Т и 04Х17Т или другую с аналогичными свойствами. Поверхности подложки придают нужную шероховатость - не ниже 6 класса. Обработку поверхности осуществляют одним из двух способов: или химическим травлением, или обработкой мелкодисперсным абразивным порошком корунда или карбида кремния на пескоструйной установке. Перед нанесением изолирующего слоя подложку необходимо тщательно очистить, промыть и просушить.

Если изолирующий слой наносят методом сеткотрафаретной печати, то используют специально приготовленную толстопленочную пасту, на основе кристаллизующихся стекол - ситаллоцемента марки СЭ-3 /4, 5/ и органическое связующее на основе терпениола, составляющее 25-30 мас.% пасты. Пасту наносят в 4-6 слоев до толщины 180-220 мкм с последовательной сушкой и вжиганием каждого слоя.

Сушку осуществляют в сушильном шкафу или конвейерной печи при температуре (140-160)^oC в течение 8-12 мин. Вжигание происходит в конвейерной печи при температуре 810-850^oC. Длительность цикла вжигания составляет 35-60 мин.

После изолирующего слоя наносят резистивную толстопленочную пасту, представляющую собой суспензию мелкодисперсных порошков борида никеля (Ni₃B) и стекла в органическом связующем на основе ланолина. Для корректировки свойств пасты в ее состав в процессе приготовления вводят добавки: Zn0, Al, TiO₂O₃. Для улучшения стабильности параметров нагревательного элемента, увеличения надежности и предельно допустимой токовой нагрузки нанесение резистивного слоя осуществляют за 2-3 цикла трафаретной печати с промежуточной сушкой при температуре 250-270^oC в течение 15 мин. После чего проводят один цикл вжигания при температуре 800-840^oC длительностью 30-60 мин. Для обеспечения оптимального температурного режима работы нагревательного элемента рассчитаны геометрические размеры подложки и топология резистивного слоя. В некоторых случаях целесообразно применять топологию нагревательного элемента в виде нескольких параллельно расположенных и электрически соединенных дорожек.

Нанесение защитного слоя осуществляют таким же образом, как и нанесение изолирующего слоя. Используются такие же пасты на основе стекол - ситаллоцемента марки СЭ-З. Количество защитных слоев зависит от условий эксплуатации нагревательного элемента и может варьироваться от двух до шести. Каждый нанесенный слой необходимо подвергнуть сушке при температуре 140-160^oC в течение 8-12 мин и выжиганию в конвейерной печи при температуре 800-835^oC, причем цикл выжигания составляет 35-50 мин.

Формирование изолирующего и защитных слоев может осуществляться не только с помощью сеткотрафаретной печати, но и методом пневмоэлектростатического нанесения. При использовании этого метода порошок стекла - ситаллоцемента марки СЭ-3 предварительно просеивают через сито с размером ячейки 40-64 мкм. С помощью специальной установки происходит послойное нанесение воздушно-порошковой смеси. После нанесения каждого слоя необходимо осуществить вжигание, причем цикл сутки исключается. Режимы вжигания при этом методе аналогичны режимам выжигания изолирующей и защитной толстопленочной паст на основе стекол - ситаллоцемента марки СЭ-3.

Электрические выводы нагревательного элемента изготавливаются из жгута никелевой, нихромной или медной проволоки. Причем медную проволоку предварительно никелируют. Допускается применение вместо жгута фольги из аналогичных материалов, ширина и толщина которой рассчитывается исходя из значений максимальной силы тока. Присоединение выводов осуществляют с помощью контактной пасты на основе борида никеля с удельным поверхностным сопротивлением не более 0,1 Ом/квадрат. После присоединения контакты сушат при температуре 140-160^oC в течение 14-16 мин. Затем на контактную площадку наносят защитное покрытие, повторно сушат и проводят цикл вжигания в конвейерной печи при температуре 790-830^oC в течение 40-60 мин.

В предлагаемом электрическом плоском стальном нагревателе греющий слой равномерно распределен по поверхности подложки с максимально возможной площадью. Это позволяет обеспечить отсутствие локальных перегревов и более "мягкий" тепловой режим работы, благодаря чему приборы и нагревательные системы, созданные на основе НЭПС, соответствуют современным требованиям. Кроме того, НЭПС полностью удовлетворяют международным требованиям по электробезопасности. Соответствие требованиям безопасности подтверждено сертификатом РОСС RU ME N 23В00053 N 0835962. Испытания проведены испытательной лабораторией "НИСЦЭО", регистрационный номер которой в Госреестре: РОСС RU 0001.21ME83.

Источники информации
1. А.С. СССР N 1700773, H 05 B 3/10, 1986 г.

2. Заявка Российской Федерации N 92016140/07, 1992 г.

3. Патент Российской Федерации N 2054720, H 01 C 7/00, 1992 (прототип).

4. ТУ ПБА 0.027.012 Гранулят стекла марки СЭ-З. Зеленоград, Россия.

5. ТУ 96-716-02-93 Паста диэлектрическая, НПП ЭЛНА, Украина.

Изобретение относится к области электрического нагрева и может быть использовано при изготовлении нагревателей для бытовых, медицинских, сельскохозяйственных и других технических приборов, например электроконфорка, электроплитка, водонагреватели различного назначения, электроконвектор, электровентилятор и т.п. Нагреватель содержит стальную подложку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным стеклосодержащими слоями, между которыми расположен резистивный слой, в качестве материала резистивного слоя использована толстопленочная паста на основе соединения борида никеля, а в качестве материала изолирующего и защитного слоев использованы порошок либо толстопленочная паста на основе кристаллизующихся стекол-ситаллоцемента марки СЭ-3. Изобретение позволяет обеспечить отсутствие локальных перегревов и более "мягкий" тепловой режим работы, благодаря чему приборы и нагревательные системы на основе НЭПС соотвествуют современным требованиям.

Нагреватель электрический плоский стальной, содержащий стальную подложку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным стеклосодержащими слоями, между которыми расположен резистивный слой, отличающийся тем, что в качестве материала резистивного слоя использована толстопленочная паста на основе соединения борида никеля, а в качестве материала изолирующего и защитного слоев использованы порошок или толстопленочная паста на основе кристаллизующихся стекол - ситаллоцемента марки СЭ-3.