НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ БЛОК ДЛЯ БЫТОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИБОРОВ Российский патент 2005 года по МПК H05B3/68 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкциям толстопленочных нагревательных блоков для бытовых электроприборов, используемых, например, в конфорках кухонных плит, конвекторах, парогенераторах для утюгов и пылесосов.

В настоящее время достаточно актуальной задачей является создание недорого, компактного и высоконадежного нагревательного блока для бытовой техники, например для пылесоса с парогенератором, конструкция нагревателя для которого исключала бы быстрое его разрушение в процессе эксплуатации и, следовательно, обеспечивала надежный, безопасный и длительный срок его использования.

Известны используемые для бытовых электроприборов компактные конструкции высокотемпературных нагревательных блоков, содержащих основание с теплоизлучающими элементами, выполненными в виде нанесенных по методу толстопленочных паст теплопроводящих резистивных дорожек. Так, известны нагревательные блоки [1, 2], каждый из которых содержит основание из стали, на которое нанесен слой электроизолирующей эмали с обеих сторон, при этом на нижнюю поверхность нанесена толстопленочная резистивная нагревательная дорожка в форме меандра, стеклоизолирующий (электроизоляционный) и теплоизоляционный слои. Нагревательная дорожка имеет контактные поверхности, проходящие в срединной не нагреваемой зоне, а внутри внешней и внутренней нагревательных зон расположены круговые концентрические отрезки, в которых нагревательная дорожка выполнена меандрообразно, причем нагревательное воздействие внешних отрезков больше воздействия внутренних, в результате образованы зона кипения с высокой мощностью нагрева и обычная зона с пониженной мощностью нагрева.

Существенным недостатком данных известных конструкций является недостаточно технологичная форма (изогнутая по дуге) резистивной толстопленочной дорожки. Криволинейная, с множеством внешних и внутренних радиусов изгиба, конструктивная форма резистивной дорожки требует повышенную точность ее получения, превышающую технологические возможности толстопленочной технологии, использующей для получения геометрической формы (рисунка) резистора методы трафаретной печати (сеткографии).

В результате отсутствия требующейся точности получения рисунка дорожки обнаруживается тот факт, что в реальных случаях очень часто не удается воспроизвести точную требуемую геометрическую форму нагревательной резистивной дорожки (иначе говоря, отсутствует стабильность в воспроизведении), а также наблюдается большой разброс толщины и ширины рисунка резистивной дорожки. Дугообразная криволинейная форма резистивной дорожки также не обеспечивает возможность точных и достоверных измерений (контроля) параметров по длине толстопленочного резистора.

Практически конструктивный недостаток, состоящий в отсутствии возможности точной воспроизводимости параметров толстопленочного резистора сложной дугообразно-криволинейной геометрии, выявляется только в процессе эксплуатации, когда во вскрытых вышедших из строя нагревательных блоках обнаружены участки выгоревшей резистивной дорожки - в узких местах меандра, на участках внешних и внутренних радиусов изгиба. Этот факт говорит о том, что криволинейная (изогнутая по дуге) форма резистивной дорожки неизбежно приводит к наличию участков локального перегрева, выгоранию дорожки и, как следствие, к неработоспособности нагревательного блока.

Еще одним недостатком данных известных конструкций нагревательных блоков является то, что все используемые в патентах примеры нанесения одной или нескольких резистивных дорожек с чередованием широких и узких зон нагрева не решают задачу равномерного распределения тепла по поверхности основания. Образующиеся при этом "пики" температур, возникающие вследствие неравномерного чередования "холодных" и "горячих" участков, приводят к изгибу стального основания, к растрескиванию и разрушению всех нанесенных на основание слоев - резистивного, электроизоляционного и теплоизоляционного. Этим обусловлен низкий срок службы нагревательного блока.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является нагревательный блок для бытовых электронагревательных приборов [3], содержащий основание из стали, верхняя сторона которого является рабочей поверхностью, а на нижнюю его сторону нанесены слой электроизоляционной эмали, толстопленочная резистивная дорожка, выполненная в виде двух спиралей с переменным шагом и разной шириной витков по длине, с контактными площадками на концах, слой электроизоляции и теплозащитный слой. Нагревательная резистивная дорожка выполнена в двух вариантах, каждый из которых обеспечивает создание на поверхности основания трех зон нагрева - внешней, средней и внутренней. Первый вариант выполнения состоит в том, что толстопленочная резистивная дорожка выполнена в виде одной спирали с переменным шагом, причем шаг спирали срединной зоны выбран в два раза большим, чем шаг спиралей внешней и внутренних зон. Второй вариант выполнения конструкции дорожки состоит в том, что толстопленочная резистивная дорожка содержит две спирали с переменным шагом и разной шириной витков по длине, причем первая спираль выполнена их двух частей, первая из которых, в форме повторяющего окружность витка, образует внешнюю зону нагрева, а вторая, в форме последовательно расположенных лепестков, образует внутреннюю зону нагрева, при этом 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.

В данном изобретении сделан конструктивный шаг, состоящий в создании более равномерно распределенной по поверхности основания конфигурации резистивной дорожки. Однако некоторые существенные проблемы остались нерешенными. Так, не решена проблема образования на рабочей поверхности основания зон с разной температурой нагрева. Этот факт не позволяет решить задачу равномерного нагрева основания. Образующиеся при этом неконтролируемые "пики" температур, возникающие вследствии неравномерного чередования "холодных" и "горячих" локальных мест, приводят к изгибу (короблению) стального основания и, как следствие, растрескиванию всех нанесенных на основание слоев. Этим обусловлен низкий срок службы нагревательного элемента.

Имеется еще один существенный конструктивный недостаток известного устройства, состоящий в отсутствии возможности стабильной и точной воспроизводимости геометрических параметров толстопленочной резистивной дорожки сложной криволинейной конфигурации. Геометрическая форма резистивной дорожки известного устройства состоит из нескольких кривых линий, огибающих друг друга. Эта изогнутая по дуге сложной геометрии форма требует повышенной точности ее получения, превышающей технологические возможности толстопленочной технологии. Отсутствие возможности точного воспроизведения геометрии резистивной дорожки неизбежно приводит к наличию скрытых неконтролируемых дефектов, проявляющихся в процессе эксплуатации в виде локальных перегревов и выгорающих участков дорожки, приводящих к быстрому разрушению нагревательного элемента. Этот факт приводит к низкой эксплутационной надежности и невысокой безопасности известного устройства, уменьшает срок службы устройства.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении безопасности, увеличении срока службы и эксплуатационной надежности нагревательного блока путем создания конструкции, позволяющей исключить возможность появления мест локальных перегревов и выгораний толстопленочных резисторов каждой тепловыделяющей дорожки и повысить точность и стабильность воспроизведения геометрических параметров толстых резистивных пленок упомянутых дорожек за счет конструктивного обеспечения учета необходимых для практики особенностей толстопленочной технологии. Кроме того, одновременно с вышеназванной задачей в заявляемой новой конструкции нагревательного блока решается задача обеспечения равномерности распределения тепла по поверхности основания, позволяющей уменьшить изгиб (коробление) основания. Это позволит существенно уменьшить вероятность быстрого разрушения нагревательного блока, а также повысить безопасность при его эксплуатации. При этом должно быть обеспечено достижение следующих технико-экономических результатов:

- высокая надежность устройства;

- повышение стабильности и воспроизводимости технологического процесса изготовления устройства (повышение выхода годных блоков);

- отсутствие локальных раскаленных поверхностей, взрывобезопасность устройства;

- экологическая чистота (не сжигает кислород воздуха);

- высокая совместимость с бытовыми электроприборами;

- широкий спектр применений.

Предлагается нагревательный блок для бытовых электроприборов, содержащий основание из стали, одна сторона которого является рабочей поверхностью, а на другую сторону нанесены слой электроизоляционной эмали, две электропроводящие тепловыделяющие дорожки с толстопленочными резисторами и контактными площадками для подключения к источнику питания, слой электроизоляции. Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что толстопленочные резисторы электропроводящих тепловыделяющих дорожек выполнены в виде граней концентрично размещенных внешнего, средних и внутреннего плоских полых многогранников, в которых элементами электрического соединения граней каждого многогранника являются проводниковые толстопленочные коммутационные перемычки в виде нервюр, а элементами соединения многогранников между собой являются пилоны, размещенные в выполненных межреберных пространствах в многогранниках между разомкнутыми торцами смежных граней, размещенных вдоль первой и второй взаимно перпендикулярных диаметральных осей, расположенных так, что первая диаметральная ось является осью симметрии для каждой их двух электропроводящих тепловыделяющих дорожек, а вторая диаметральная ось является осью симметрии оппозитно размещенных упомянутых двух дорожек, причем пилоны, размещенные вдоль первой диаметральной оси, соединяют средние и внешний многогранники, а пилоны, размещенные вдоль второй диаметральной оси, соединяют внутренний и средние многогранники, а контактные площадки расположены оппозитно друг к другу на противоположных концах второй диаметральной оси, при этом количество средних многогранников кратно трем, а число граней в каждом многограннике кратно восьми.

Предлагаемое изобретение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготовлено и может быть использовано в промышленности (см. Рекламу-проспект).

Заявляемое изобретение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого изобретения.

Изобретение можно признать имеющим изобретательский уровень вследствие того, что оно явным образом не следует из уровня техники, поскольку из известного уровня техники не выявлено влияние предписываемых этим изобретением преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, направленными на достижение заявляемого технического результата.

Для лучшего понимания сущности заявляемого изобретения можно обращаться к следующим подробностям конструкции, поясняемым соответствующими чертежами, а именно:

- фиг.1 - общий вид (вид снизу) нагревательного блока для бытовых электроприборов;

- фиг.2 - сечение А-А (повернуто) нагревательного блока для бытовых электроприборов, показанного двумя стрелками с буквами А на фиг.1;

- фиг.3 - сечение В-В (увеличено) нагревательного блока, показанного двумя стрелками с буквами В на фиг.1;

- фиг.4 - расположение на основании нагревательного блока резисторов в виде граней многогранников (восьмигранников поз.9, 10, 11, 12, 13), вид снизу;

- фиг.5 - отдельно выполненный общий вид одной перемычки-нервюры (аксонометрическое изображение);

- фиг.6 - отдельно выполненный общий вид двух пилонов, предназначенных для соединения в одну цепь многогранников, аксонометрическое изображение;

- фиг.7 - расположение на основании нагревательного блока перемычек-нервюр (поз.15) и пилонов (поз.16) (вид снизу);

- фиг.8 - готовый нагревательный блок для бытовых электроприборов.

Для однозначного понимания терминов "нервюра" и "пилон", используемых в формуле изобретения, приводятся выписки из источников [4, 5] информации.

Заявляемый нагревательный блок 1 для бытовых электроприборов содержит (фиг.1, 2, 3) основание 2 из стали, одна сторона которой является рабочей поверхностью, а на другую ее сторону последовательно нанесены слой электроизоляционной эмали 3 (см. фиг.3), две электропроводящие тепловыделяющие дорожки 4 с контактными площадками 5 для подключения к источнику питания (на фиг. не показан), слой электроизоляции 6 (см. фиг.3).

При конструировании геометрической формы электропроводящих тепловыделяющих дорожек за ориентиры взяты лежащие в плоскости основания 2 две взаимно перпендикулярные диаметральные оси, в дальнейшем называемые первой диаметральной осью 7, второй диаметральной осью 8. Центр пересечения этих осей 7 и 8 является концентрическим центром плоских полых многогранников (внешнего 9, средних 10, 11, 12 и внутреннего 13), грани 14 которых являются толстопленочными резисторами (грани-резисторы 14) электропроводящих тепловыделяющих дорожек 4 (фиг.1). Число граней в каждом многограннике 9, 10, 11, 12, 13 кратно восьми, а в данном варианте выполнения изобретения каждый многогранник содержит восемь граней (фиг.1, 4). При этом количество средних многогранников кратно трем, а в данном варианте выполнены три средних многогранника 10, 11, 12.

В каждом многограннике 9, 10, 11, 12, 13 элементами электрического соединения граней-резисторов 14 являются проводниковые толстопленочные коммутационные перемычки, выполненные в виде нервюр (т.е. перемычки-нервюры 15, см. фиг.5).

Расположение на поверхности основания и геометрическая форма перемычек-нервюр 15 (фиг.1, 6, 7) позволяют уменьшить перегрев тепловыводящих дорожек 4 за счет конструктивного обеспечения равномерного нагрева и тепловыделения и позволяют исключить возможность локального выгорания дорожек. Перемычки-нервюры 15 обеспечивают одновременное упрочнение каждого из многогранников 9, 10, 11, 12, 13, являющихся составными элементами каждой электропроводящей тепловыделяющей дорожки 4.

Элементами соединения многогранников 9, 10, 11, 12, 13 между собой являются толстопленочные проводниковые соединяющие элементы, выполненные в виде парных пилонов (фиг.6). В данном примере реализации каждый пилон 16 имеет форму силуэта половинки елки, иначе говоря это силуэт елки, разрезанной по вертикальной оси. Каждая пара пилонов 16 размещена (фиг.1, 4, 7) в межреберных пространствах 17, имеющихся в многогранниках в определенных местах между некоторыми выполненными разомкнутыми торцами смежных граней многогранников.

Межреберные пространства во внешнем и средних многогранниках расположены вдоль первой диаметральной оси 7, а во внутреннем и средних многогранниках расположены вдоль второй диаметральной оси 8. В этих пространствах размещены (см. фиг.1, 7) парные пилоны 16 так, что пилоны, размещенные вдоль первой диаметральной оси 7, соединяют средние 10, 11, 12 и внешний 9 многогранники, а пилоны, размещенные вдоль второй диаметральной оси 8, соединяют внутренний 13 и средние 10, 11, 12 многогранники, а контактные площадки 5 расположены оппозитно друг к другу на противоположных концах второй диаметральной оси 8 (фиг.1, 7).

Вышеуказанное соединение резисторов-граней в многогранниках 9, 10, 11, 12, 13 обеспечивает создание такой конструкции двух электропроводящих тепловыделяющих дорожек 4, в которой соблюдена следующая симметрия: первая диаметральная ось 7 является осью симметрии каждой из двух дорожек, а вторая диаметральная ось 8 является осью симметрии оппозитно размещенных упомянутых двух дорожек.

Выполнение в виде пилонов 16 элементов соединений многогранников в совокупности с вышеописанными элементами конструкции упомянутых дорожек 4 обеспечивает возможность выполнения необходимых для практики требований толстопленочной технологии (отсутствие сложной изогнутой криволинейно-дугообразной геометрии рисунка дорожек, оптимально короткие отрезки проводниковых пленок и резисторов), а в результате этого исключает возможность появления в этих местах локальных перегревов и выгораний дорожек в процессе эксплуатации блока.

Заявляемый нагревательный блок для бытовых электроприборов изготавливается следующим образом. Вырубается основание из стали (окалиностойкость до 700°С) любого необходимого диаметра для бытового электроприбора, например для конфорки электроплиты диаметр основания равен 153 мм. Затем, при необходимости, поверхность основания рихтуется штампом с рабочей стороны для придания определенной шероховатости в виде равномерно расположенных по всей длине во взаимно перпендикулярных направлениях канавок (шириной 1,5 мм и глубиной до 50 мкм), придающих поверхности клетчатый рисунок. Это позволяет увеличить теплоизлучающую рабочую поверхность и усилить теплоотдачу. Для утюга этой операции не требуется, поскольку необходима гладкая рабочая поверхность. После этого с другой стороны основания снимают окисную пленку (например, с помощью химического травления) и затем наносят высокотемпературный электроизоляционный слой эмали толщиной 150-200 мкм, например, на полуавтомате "Тропа-1" и вжигают в печи при температуре 800°С, вынимают и охлаждают. Далее на электроизоляционном слое создают электропроводящую тепловыделяющую дорожку методом трафаретной печати.

Трафаретная печать [6] - это способ печати, при котором печатной формой является трафарет. Его изготовляют обычно фотомеханическим путем на полимерных сетках, натянутых на прямоугольные рамы.

Таким образом, вначале методом трафаретной печати создают толстопленочные резисторы заданной конфигурации, а затем тем же методом создают определенный рисунок толстопленочных проводников, которые являются перемычками (элементами соединения резисторов между собой) и контактными площадками для подключения к источнику питания. Для этого на установке трафаретной печати в соответствии с выполненным на трафарете рисунком наносят на слой электроизоляционной эмали выбранную резистивную пасту, а затем вжигают ее в печи ПЭК-8 при температуре 800-900°С.

Полученное расположение резисторов изображено на фиг.4. Такое расположение резисторов позволило технологически обеспечить повышение точности и стабильности воспроизведения геометрических параметров резисторов за счет того, что ни один из резисторов не расположен вдоль или поперек направления движения ракеля при печати. Затем на установке трафаретной печати наносят толстопленочные проводящие элементы, расположение которых показано на фиг.7, устанавливают выводы на контактные площадки и производят вжигание.

Нагревательный блок для бытовых электроприборов (см. фиг.8), например, в качестве электроконфорки работает следующим образом. Нагревательный блок устанавливают на электроплиту и подключают к источнику питания (на фиг. не показан). В результате прохождения тока по каждой толстопленочной электропроводящей тепловыделяющей дорожке 4 (см. фиг.1, 2) происходит ее разогрев, и тепло распространяется в сторону рабочей поверхности.

Экспериментальные исследования заявляемого нагревательного блока для бытовых электроприборов показали, что по сравнению с устройствами аналогичного назначения предлагаемая конструкция обладает рядом технических преимуществ, а именно:

- высокой надежностью устройства;

- повышением стабильности и воспроизводимости технологического процесса изготовления устройства (повышение выхода годных блоков);

- отсутствием локальных раскаленных поверхностей, взрывобезопасностью устройства;

- экологической чистотой (не сжигает кислород воздуха);

- улучшенными технико-экономическими параметрами;

- высокой совместимостью с бытовыми электроприборами;

- широким спектром применений.

Эти преимущества обеспечены за счет оригинального технического решения конструкции заявляемого устройства, в котором, по сравнению с известными, повышен срок службы, обеспечены безопасность и высокая надежность эксплуатации, исключена возможность быстрого разрушения нагревательного блока благодаря технологичности конструктивного решения.

Источники информации, используемые в описании:

1. Нагревательный элемент для электроконфорок. Заявка ФРГ №3545443, М. кл. Н 05 В 3/68, опубл. 25.06.87.

2. Нагревательный элемент для электроконфорок. Заявка ФРГ №3545454, М. кл. Н 05 В 3/68, опубл. 02.07.87.

3. Нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов. Патент РФ №2074527, М. кл. Н 05 В 3/68, опубл. 27.02.1997 (Прототип).

4. Политехнический словарь. Гл. ред. А.Ю.Ишлинский, Москва, "Советская энциклопедия", 1989 г., с.330.

5. Словарь иностранных слов. И.А.Васюкова, Москва, "АСТ-Пресс", 1999, с.426.

6. Политехнический словарь. Гл. ред. А.Ю.Ишлинский, Москва, "Советская энциклопедия", 1989 г., с.542.

Выписки из используемых источников информации

I. Словарь иностранных слов, И.А.Васюкова, Москва, "АСТ-Пресс", 1999, с.424.

1. Нервюра (франц. nervure от лат. nervus - жила, сухожилие) Архит. Арка из тесаных камней, укрепляющая ребра свода. Напр. Система нервюр. Конструкция нервюры.

2. Пилон (от греч. pylon - ворота, вход) - сущ., муж. р., неодуш.

1) Каждый из массивных столбов, служащих опорой для перекрытия или стоящих по сторонам входов, въездов (напр. на мост).

2) Пилоны в летательном аппарате - обтекаемые конструктивные элементы, служащие для установки вынесенных агрегатов, напр. крыла над фюзеляжем. (Политехнический словарь, Гл. ред. А.Ю.Ишлинский, Москва, "Сов. энциклопедия", 1989, с.378).

II. Политехнический словарь, Гл. ред. А.Ю.Ишлинский, Москва, "Советская энциклопедия", 1989 г., с.330.

1) Нервюра в летательном аппарате - элемент поперечного силового набора крыла, оперения и т.п., связывающий в одно целое элементы прод. Набора и обшивку и определяющий аэродинамический профиль данной поверхности.

2) Нервюра в архитектуре - арка из тесанных клиновидных камней, обычно укрепляющая ребра свода.

с.378

Пилоны - (от греч. pylon - ворота, вход)

1) массивные столбы, поддерживающие своды, арки, перекрытия, мостовые пролеты. Пилонами называются и отдельно стоящие сооружения, устанавливаемые обычно с декоративной целью симметрично у входов в здания, парки.

2) Пилоны в летательном аппарате - обтекаемые конструктивные элементы, служащие для установки вынесенных агрегатов (напр., крыла над фюзеляжем, двигателей под крылом или в хвостовой части фюзеляжа - снаружи) или напр. крепления топливных баков, вооружений и т.п.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкциям толстопленочных нагревательных блоков для бытовых электроприборов, таких как кухонные плиты, парогенераторы для утюгов и пылесосов. Нагревательный блок содержит основание из стали, одна сторона которого является рабочей поверхностью, а другая имеет слой электроизоляционной эмали, две электропроводящие тепловыделяющие дорожки с толстопленочными резисторами и контактными площадками. Оригинальная конструкция тепловыделяющей дорожки позволила улучшить технические и эксплуатационные характеристики. 8 ил.

Нагревательный блок для бытовых электроприборов, содержащий основание из стали, одна сторона которого является рабочей поверхностью, а другая имеет слой электроизоляционной эмали, две электропроводящие тепловыделяющие дорожки с толстопленочными резисторами и контактными площадками, слой электроизоляции, отличающийся тем, что толстопленочные резисторы электропроводящих тепловыделяющих дорожек выполнены в виде граней концентрично размещенных внешнего, средних и внутреннего плоских полых многогранников, в которых элементами электрического соединения граней каждого многогранника являются проводниковые толстопленочные коммутационные перемычки в виде нервюр, а элементами соединения многогранников между собой являются толстопленочные проводниковые пилоны, размещенные в выполненных межреберных пространствах в многогранниках между разомкнутыми торцами смежных граней, размещенных вдоль первой и второй взаимно перпендикулярных диаметральных осей, расположенных так, что первая диаметральная ось является осью симметрии для каждой из двух электропроводящих тепловыделяющих дорожек, а вторая диаметральная ось является осью симметрии оппозитно размещенных упомянутых двух дорожек, причем пилоны, размещенные вдоль первой диаметральной оси, соединяют средние и внешний многогранники, а пилоны, размещенные вдоль второй диаметральной оси, соединяют внутренний и средние многогранники, а контактные площадки расположены оппозитно друг к другу на противоположных концах второй диаметральной оси, при этом количество средних многогранников кратно трем, а число граней в каждом многограннике кратно восьми.