НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК H05B3/14 H01B1/16 

Изобретение относится к области электротермии, а именно к электрическим нагревателям, и может быть использовано в промышленности, строительстве, жилищно-коммунальном хозяйстве, приборостроении, медицине и т.п.

Известен нагревательный элемент для нагрева электричеством, включающий токопроводящий состав, нанесенный на электроизоляционное термостойкое основание; в качестве связующего для токопроводящего состава взят неорганический раствор, в частности водный раствор натрийметасиликата, в качестве наполнителя - элементарный углерод, в частности графит; после нанесения токопроводящего состава на основание нагревательный элемент обработан неорганической кислотой, см. патент СССР N 554828, кл. H 05 В 3/14, 1977.

Недостатком этого устройства являются сложность в изготовлении и малая надежность.

Известен также нагревательный элемент, содержащий наружные и внутренние объемные электроды, токопроводящий слой между ними и токоподводы, см. авторское свидетельство СССР N 1361730, кл. H 05 В 3/36, 1987. Токопроводящий слой представляет собой полимерную композицию, содержащую, мас.%: полиметилсилоксановый лак 42,2 - 43,65; графит натуральный 11,47 - 14,41; техуглерод печной 1,08 - 1,15 и органический растворитель - остальное. Нагревательный элемент работает при напряжении 1,5-36 В в зависимости от его размеров и необходимой рабочей температуры и предназначен для исследования в медицинской практике (для тепловой терапии, обогрева медицинских столов и каталок и т.п. ), а также для обогрева одежды.

Недостатком данного устройства является то обстоятельство, что внешние воздействия приводят к медленному разрушению нагревательных поверхностей, созданных на полимерной основе. Нагревательные элементы из материалов на органической основе могут быть выполнены только с очень низкой удельной мощностью - до 0,03 Вт/см и низкой температурой нагрева. Кроме того, следует указать, что процесс разложения вызывает интенсивное выделение в воздух вредных химических веществ полимерной основы, что ограничивает возможность применения таких нагревателей в жилищах вообще и в медицинских учреждениях в особенности.

Известен нагревательный элемент, содержащий наружный и внутренний объемные электроды, токопроводящий слой и токопроводы; электроды и токопроводящий слой выполнены в виде последовательно чередующихся пластов одинаковой площади, внутренний электрод со всех сторон покрыт токопроводящим слоем, состоящим из токопроводящих частиц, разделенных между собой диэлектрической оболочкой, состоящей из композиции технического углерода, соли и жидкости, обладающей сопротивлением до 3 Ом/см³, см. патент РФ N 2116706, кл. H 05 В 3/36, 1997.

Это устройство, принятое за прототип настоящего изобретения, имеет недостаточно большую теплоотдачу, поскольку последняя в этом устройстве обусловлена, в основном, теплом, выделяющимся за счет эффекта Джоуля-Ленца, и в весьма небольшой степени теплом, выделяющимся в результате термопарного эффекта (эффект Пельтье, эффект Томсона); кроме того, стабильность электрических характеристик известного устройства недостаточно высока, поскольку не обеспечиваются равномерное распределение и фиксация токопроводящих частиц в среде, содержащей соль и жидкость; к недостаткам прототипа также следует отнести возможность пробоя между электродами.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания нагревательного элемента со значительно большей теплоотдачей, стабильными электрическими характеристиками, обладающего повышенной надежностью за счет исключения возможности пробоя между электродами.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в нагревательном элементе (вариант 1), содержащем металлические электроды, разделенные токопроводящим слоем, включающим токопроводящие частицы, размещенные в среде, содержащей соль и связанную с ней жидкость, токопроводящие частицы выполнены из металла и/или кремния, и/или комбинации различных металлов, а среда дополнительно содержит отвердитель в виде окисла металла или комбинации окислов различных металлов и наполнитель в виде частиц диэлектрика; выполненные из металла токопроводящие частицы представляют собой порошок с размерами элементов от 100 до 3500 ангстрем; в качестве отвердителя использованы SnO₂ или Се₂О₃, или TiO₂ или их различные комбинации; среда имеет объемное сопротивление не менее 0,1 Ом/см³; в качестве частиц диэлектрика использованы частицы стекловолокна или частицы шамота, или частицы газобетона.

В нагревательном элементе (вариант 2), содержащем металлические электроды, разделенные токопроводящим слоем, включающим токопроводящие частицы, размещенные в среде, содержащей соль и связанную с ней жидкость, токопроводящие частицы выполнены из металла и/или кремния, и/или комбинации различных металлов, а среда дополнительно содержит отвердитель в виде окисла SiO₂ или комбинации SiО₂ и окислов различных металлов и наполнитель в виде частиц диэлектрика.

Заявителю не известны какие-либо технические решения, содержащие совокупность признаков, идентичную признакам изобретения, что определяет, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию "новизна".

Реализация отличий настоящего изобретения (в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы) обеспечивает достижение новых свойств (технического эффекта) заявляемого объекта:
- значительно увеличивается теплоотдача за счет резкого увеличения тепла, выделяющегося в результате термопарного эффекта, при сохранении количества тепла, выделяющегося вследствие эффекта Джоуля-Ленца;
- отвердитель, содержащий один из окислов металла (SnO₂ или SiO₂, или Ce₂O₃, или TiO₂) или их различные комбинации, не вступает в химическое взаимодействие со средой, содержащей соль и связанную с ней жидкость, обеспечивая равномерную фиксацию токопроводящих частиц в среде, в результате чего достигается стабильность электрических характеристик нагревательного элемента;
- присутствие наполнителя в виде частиц диэлектрика и равномерность фиксации токопроводящих частиц в среде, практически, полностью исключают возможность пробоя между электродами.

Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, в которых бы содержались сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат, что обусловливает, по мнению заявителя, соответствие предложенного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг. 1 - схема нагревательного элемента в аксонометрии; один из электродов полностью размещен внутри другого;
на фиг. 2 - вариант нагревательного элемента; один из электродов имеет П-образное сечение и вставлен в другой электрод, имеющий Ш-образное сечение;
на фиг.3 - фрагмент токопроводящего слоя в увеличенном масштабе.

Нагревательный элемент содержит металлические электроды 1, 2, разделенные токопроводящим слоем 3. Нагревательный элемент снабжен металлическим кожухом 4, имеющим внутри него изоляцию (на чертеже не показана). Электроды 1 и 2 снабжены токоподводами 5 и 6 соответственно. Токопроводящий слой 3 включает токопроводящие частицы 7. В конкретном примере токопроводящие частицы 7 выполнены из кремния и германия в виде порошка с размерами элементов 1000- 1200 ангстрем. Токопроводящие частицы 7 размещены в среде 8, которая содержит соль, в конкретном примере сочетание NaCl и SnCl₂, жидкость, в конкретном примере воду, отвердитель, в конкретном примере комбинацию SnO₂ и TiO₂, а также наполнитель 9, в частности частицы стекловолокна марки КТ-11. В другом примере отвердитель представляет собой комбинацию SiO₂ и TiO₂. После сушки и полимеризации образуется твердофазная полупроводниковая токопроводящая среда, экологически чистая и пожаробезопасная. Среда имеет объемное сопротивление 0,5 Ом/см³.

Нагревательный элемент работает следующим образом. К электродам 1 и 2 подают напряжение, величина которого может составлять от 1 до 36 B переменного или постоянного тока. При прохождении электрического тока происходит выделение тепла как в результате эффекта Джоуля-Ленца, так и благодаря термопарному эффекту (эффект Пельтье, эффект Томсона), при этом общая теплоотдача повышается не менее чем на 40%. Потребляемая мощность нагревательного элемента составляет 1-300 Вт в зависимости от конкретного назначения.

Нагревательный элемент может быть изготовлен в заводских условиях с применением обычных конструкционных материалов и оборудования. В связи с этим обстоятельством можно сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Изобретение относится к электротермии, а именно к электрическим нагревателям, и может быть использовано в промышленности, строительстве, жилищно-коммунальном хозяйстве, приборостроении, медицине и т.п. В основу изобретения положено решение задачи создания нагревательного элемента со значительно большей теплоотдачей, стабильными электрическими характеристиками, обладающего повышенной надежностью за счет исключения возможности пробоя между электродами. В нагревательном элементе, содержащем металлические электроды, разделенные токопроводящим слоем, включающем токопроводящие частицы, размещенные в среде, содержащей соль и связанную с ней жидкость, токопроводящие частицы выполнены из металла или комбинации различных металлов, а среда дополнительно содержит отвердитель в виде окисла металла или комбинации окислов различных металлов, и наполнитель в виде частиц диэлектрика; выполненные из металла токопроводящие частицы представляют собой порошок с размерами элементов 100 - 3500 ангстрем; в качестве отвердителя использованы SnO₂ или SiO₂, или Ce₂O₃, или TiO₂, или их различные комбинации; среда имеет объемное сопротивление не менее 0,1 Ом/см³; в качестве частиц диэлектрика использованы частицы стекловолокна или частицы шамота, или частицы газобетона. 2 с. и 4 з.п.ф-лы. 3 ил.

1. Нагревательный элемент, содержащий металлические электроды, разделенные токопроводящим слоем, включающим токопроводящие частицы, размещенные в среде, содержащей соль и связанную с ней жидкость, отличающийся тем, что токопроводящие частицы выполнены из металла, или металла и кремния, или комбинации различных металлов, а среда дополнительно содержит отвердитель в виде окисла металла или комбинации окислов различных металлов и наполнитель в виде частиц диэлектрика. 2. Нагревательный элемент по п.1, отличающийся тем, что выполненные из металла токопроводящие частицы представляют собой порошок с размерами элементов 100 - 3500 ангстрем. 3. Нагревательный элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве отвердителя использованы SnO₂, или Ce₂O₃, или TiO₂ или их различные комбинации. 4. Нагревательный элемент по п.1, отличающийся тем, что среда имеет объемное сопротивление не менее 0,1 Ом/см³. 5. Нагревательный элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве частиц диэлектрика использованы частицы стекловолокна, или частицы шамота, или частицы газобетона. 6. Нагревательный элемент, содержащий металлические электроды, разделенные токопроводящим слоем, включающим токопроводящие частицы, размещенные в среде, содержащей соль и связанную с ней жидкость, отличающийся тем, что токопроводящие частицы выполнены из металла, или металла и кремния, или комбинации различных металлов, а среда дополнительно содержит отвердитель в виде SiO₂ или комбинации SiO₂ и окислов различных металлов и наполнитель в виде частиц диэлектрика.