ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ ПЛОСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ Российский патент 2005 года по МПК H05B3/14 

Изобретение относится к области электротермии, в частности к технологии изготовления резистивных нагревательных элементов, и может быть использовано в бытовых и промышленных устройствах нагрева различного назначения.

Известны плоские композиционные электронагреватели, состоящие из композиционного резистивного материала, с размещенными внутри него двумя металлическими электродами, выполненными плоского или круглого сечения (Расчет и проектирование низкотемпературных композиционных нагревателей. Новосибирск: Наука, 2001 г., стр.19, авторы В.В. Евстигнеев и др.). Недостатком данных электронагревателей является невозможность изменение температуры в различных его сечениях и тем самым, например, устранить локальные перегревы нагревателя. Кроме того, постоянная сравнительно небольшая площадь контакта электрода с резистивным материалом по длине электрода уменьшает надежность работы электронагревателя, т.к. именно из-за высокого контактного сопротивления электрод - резистивный материал происходит перегрев данной зоны и выход из строя нагревателя. Увеличение площади сечения электрода с целью уменьшения переходного сопротивления приводит к механическому ослаблению резистивного слоя в зоне контакта, что также снижает его надежность.

Известны плоские композиционные электронагреватели, где с целью устранения температурных градиентов по толщине нагревателя сопротивление резистивного слоя плавно увеличивается от рабочей поверхности к основанию нагревателя. Осуществляется это посредством введения в состав токопроводящего слоя материала подложки в концентрации, плавно увеличивающейся от рабочей поверхности к основанию. (Плоский электронагреватель. А.С. СССР №743232, опубл. 25.06.1980 г., бюллетень №23). Недостатком данных нагревателей является наличие горизонтальных температурных градиентов из-за различной теплоотдачи в центральной и крайних зонах нагревателя. Кроме того, недостатком является сложная технология изготовления.

Известно также нагревательное устройство (прототип), содержащее композиционный резистивный материал и два электрода, где резистивный материал имеет области с различными сопротивлениями для получения различных температур их нагрева. Области с низким сопротивлением получают введением дополнительной полоски композиционного резистивного материала, идущего по части длины токоведущего материала. Области с высоким сопротивлением получают посредством удаления отдельных частей проводящего резистивного материала и введением механических зазоров в резистивном материале (Электронагревательное устройство и способ формирования стыковочного устройства. Патент РФ №2088048, опубл. 20.08.1997 г., бюллетень №23). Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность изменения сопротивления резистивного слоя в зоне введения дополнительной полоски и возможность изготовления данных нагревателей только из резистивных материалов в виде ленты. Поскольку дополнительные полоски наращиваются из того же резистивного материала, что и основной проводящий материал, то для снижения сопротивления в данной зоне, например, в два раза необходимо нарастить пластину толщиной, равной толщине основного резистивного слоя, что технически затруднительно. Изменение плотности тока в различных сечениях электронагревателя посредством разрезания и удаления отдельных частей резистивного материала практически возможно только в нагревателях, выполненных в виде ленты. Изготовление данного нагревателя из резистивного материала, например, с бетонным наполнителем затруднительно.

Общим недостатком выше указанных электронагревателей является невозможность корректировки температурных характеристик после их изготовления.

Задача изобретения - повышение точности заданного распределения температуры по объему плоского композиционного электронагревателя с одновременным повышением его надежности.

При решении поставленной задачи имеет место следующий положительный эффект: повышение точности заданного распределения температуры по объему электронагревателя позволяет повысить коэффициент полезного действия нагревателя, а также увеличить точность температурных режимов в различных технологических процессах. Повышение надежности электронагревателей позволяет продлить срок службы и снизить затраты на ремонт и эксплуатацию технологического оборудования, использующего данного вида электронагреватели.

Технический результат достигается за счет изготовления и использования электродов, выполненных в виде металлических спиралей с переменными шагом и диаметром. Это позволяет обеспечить заданное распределение плотности тока в различных зонах по объему электронагревателя и, соответственно, температуру нагрева этих зон. Зоны с высокой плотностью тока (малым сопротивлением) получают увеличением диаметра и уменьшением шага спиралей электродов, что увеличивает площадь переходного сопротивления электрод - резистивный материал и позволяет уменьшить длину силовых электрических линий в данных зонах. Зоны с пониженной плотностью тока (повышенным сопротивлением) получают уменьшением диаметра и увеличением шага спиралей электродов либо выведением одного или нескольких витков спиралей за пределы резистивного слоя. Уменьшение диаметра и увеличение шага спиралей увеличивает переходное сопротивление электрод - резистивный материал и длину силовых линий электрического поля между электродами. Выведение витков спиралей электродов за пределы резистивного слоя приводит к образованию в резистивном материале зон с пониженным потенциалом электрического поля, что уменьшает плотность тока в данных зонах. Данная конструкция электродов обеспечивает пропорциональность площади контакта электрода с резистивным материалом плотности тока в соответствующих зонах электронагревателя, что повышает его надежность.

Поставленная задача решается за счет использования электродов в виде металлических спиралей с переменными шагом и диаметром, при этом диаметр спиралей электродов пропорционален, а шаг обратно пропорционален заданному значению температуры на соответствующих участках электронагревателя, кроме того, по крайней мере один виток спиралей имеет диаметр, равный или больший толщины резистивного материала, при этом участок электрода, выходящий за пределы резистивного слоя, при необходимости удаляют.

На фиг.1 представлена экспериментальная зависимость сопротивления плоских композиционных электронагревателей определенной формы и размеров от площади электродов. Экспериментальные образцы изготавливались размерами 25×100×150 мм с площадью электродов 10×15×20 см. В качестве резистивного материала использовалась смесь технического углерода(сажи), песка, цемента и воды. Как видно из графика, увеличение площади контакта электрода с резистивным материалом в два раза уменьшает сопротивление электронагревателя на 40%.

На фиг.2.1 представлено схематическое изображение электрода, выполненного в виде спирали с переменным шагом и диаметром. На фиг.2.2 показано относительное изменение площади контакта электрода с резистивным материалом по длине электрода.

На фиг.3.1 показано изображение электронагревателя с плавным уменьшением диаметра и увеличением шага спирали электрода к средней части нагревателя. На фиг.3.2 показано относительное значение сопротивления по поперечным сечениям электронагревателя. Данная форма электродов позволяет, например, устранить перегрев в средней зоне нагревателя из-за затрудненной теплоотдачи в окружающее пространство.

На фиг.4 представлено схематическое изображение электронагревателя с электродами в виде спирали, витки которой частично выходят за пределы резистивного слоя. Это позволяет повысить сопротивление резистивного слоя за счет появления зон с пониженным электрическим потенциалом. Изменяя количество и ширину участков спиралей, выходящих за пределы резистивного слоя, можно получать не только разную температуру электронагревателя, но и задавать требуемое распределение температуры по его объему.

Удаление (разрезание) участков спиралей электродов, выходящих на поверхность резистивного слоя (поз.1 на фиг.4) позволяет в широких пределах корректировать выделяющуюся электрическую мощность и, соответственно, температуру электронагревателя после его изготовления. Такая необходимость может возникнуть в случае отклонения характеристик электронагревателей из-за, например, нарушения технологических режимов или концентрации составляющих компонентов резистивного материала. Данная конструкция электродов позволяет значительно повысить процент выхода годных изделий.

Изобретение относится к области электротермии, в частности к плоским композиционным электронагревательным элементам, и может быть использовано в бытовых и промышленных устройствах нагрева различного назначения. Для создания плоского композиционного электронагревателя с повышенной точностью заданного распределения температуры по объему нагревателя с одновременным повышением его надежности электроды выполнены в виде металлических спиралей с переменными шагом и диаметром, при этом диаметр спиралей пропорционален, а шаг спирали обратно пропорционален заданному значению температуры на соответствующих участках электронагревателя. Кроме того, по крайней мере один виток спиралей имеет диаметр, равный или больший толщины резистивного материала, а участки электродов, выходящие за пределы резистивного слоя, при необходимости удаляют. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электронагреватель плоский композиционный, выполненный из композиционного резистивного материала с размещенными внутри него двумя металлическими электродами, отличающийся тем, что электроды выполнены в виде металлических спиралей с переменными шагом и диаметром, при этом диаметр спиралей пропорционален, а шаг спиралей обратно пропорционален заданному значению температуры на соответствующих участках электронагревателя.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере один виток спиралей имеет диаметр, равный или больший толщины резистивного материала.3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что участки электродов, выходящие за пределы резистивного слоя, при необходимости удаляют.