ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК H05B3/24 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для нагрева промышленных и жилых помещений, а также в средствах нагрева газовых, жидких, сыпучих и монолитных сред.

Известен керамический электронагреватель текучей среды из электропроводящего композиционного материала, в котором электронагреватель выполнен сотовой структуры и расположен в прямоугольном корпусе из изоляционных слоев между плоскими боковыми токоподводами. При этом токоподводы граничат непосредственно с керамическим электронагревателем, а стенки сотовых каналов направлены под углом 45° к токопроводам (SU, №1254596, кл. Н05В 3/24, 1984).

Недостатком известного электронагревателя является высокая плотность тока в контактном керамическом слое, примыкающем к токоподводам вершинами каналов, что ведет к перегреву нагревателя.

Прототипом изобретения является керамический электронагреватель, выполненный в виде электронагревательных элементов со сквозными каналами треугольного или прямоугольного сечения сотовой структуры из композиционных материалов с проводящими и непроводящими компонентами токоподводов. Электронагревательный элемент снабжен нанесенными на противолежащие стороны контактными слоями, расположенными параллельно токоподводам, и изоляционными слоями, расположенными перпендикулярно токоподводам, изготовленных из тех же композиционных материалов. В материале контактного слоя концентрация проводящих компонентов увеличена вдвое, а в материале изоляционного слоя их концентрация уменьшена вдвое по сравнению с концентрацией тех же компонентов материале электронагревателя. При выполнении сквозных каналов прямоугольной формы токоподводы размещены по противоположным углам нагревателя, выполненного также прямоугольной формы. Контактный и изоляционный слои отличаются по удельному сопротивлению от удельного сопротивления электронагревателя на 1-2 порядка соответственно в меньшую и большую сторону. В качестве проводящих компонентов в электронагревателе используют сложные оксиды переходных и основных элементов со структурой перовскита и/или элементарный углерод, и/или графит, а в качестве непроводящих компонентов используют алюмосиликаты, включающие оксиды магния и/или лития, и/или фосфора, и/или бора, и/или циркония, органические или кремнеорганические добавки (RU, 2205522, кл. Н05В 3/24, Н01В, 2003).

К недостаткам известного технического решения следует отнести отсутствие металлического контакта для токоподвода и ненадежность изготовления контактных слоев, возникающую в результате их изготовления из-за усадки материала слоев в процессе сушки, а также размокания высушенного, но непрокаленного элемента. Кроме того, размещение тоководов по противоположным углам электронагревателя снижает равномерность нагрева его стенок в разы.

Задачей изобретения является создание устройства электронагревателя с повышенной надежностью за счет создания единой контактной группы металлический токоподвод - токораспределительная пластина - электронагреватель, а также увеличение площади токопроводной стенки каналов.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности токоподвода, увеличение площади нагреваемой стенки сквозного канала, повышение эффективности теплообмена за счет равномерности нагрева стенок электронагревателя при эксплуатации, увеличение механической прочности изделия.

Поставленная задача и указанный технический результат достигается тем, что в электронагревателе, выполненным из композиционного материала на основе углерода в виде электронагревательного элемента со сквозными каналами сотовой структуры и снабженым токоподводами, расположенными на его противолежащих боковых сторонах, согласно изобретению токоподвод выполнен в виде контактной группы, содержащей токораспределитель из углеродного материала и металлический контакт, расположенный в пазу между токораспределителем и электронагревательным элементом, соединенных между собой электропроводным высокотемпературным клеем. При этом сквозные каналы в сечении выполнены шестигранной формы. Токораспределитель выполнен в виде пластины из углеродного материала, или в виде графитовой фольги типа "Графлекс", или углеродной ткани, а металлический контакт - в виде многожильного провода или винтового стержня. Паз с металлическим контактом заполнен электропроводным высокотемпературным клеем.

Токораспределитель обеспечивает равномерное распределение электрического тока к токопроводящим стенкам сотовых каналов.

Токораспределитель, металлический контакт и электронагреватель образуют единую контактную группу, элементы которой соединены между собой высокотемпературным электропроводным клеем, что обеспечивает надежный электрический контакт, не зависящий от неровностей контактных поверхностей и силы их сжатия. Толщина клеевого соединения составляет от 0,01 мм до полного заполнения всего зазора между токораспределительной пластиной, металлическим контактом в пазу и стенкой нагревательного элемента.

Электронагреватель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен электронагреватель, вид сверху; на фиг.2 - электронагреватель в аксонометрии.

Электронагреватель выполнен в виде электронагревательного элемента 1 методом экструзии из композиционного материала на основе углерода со сквозными каналами 2 сотовой структуры, в сечении имеющими шестигранную форму, и снабжен контактными группами 3, расположенными на противоположных боковых сторонах электронагревательного элемента 1. Контактная группа 3 состоит из связанных высокотемпературным электропроводным клеем 4 токораспределителя 5, выполненного в виде пластины из углеродного материала, металлического контакта 6, выполненного в виде многожильного провода и расположенного в пазу 7 на внешней стороне нагревательного элемента 1, заполненного высокотемпературным электропроводным клеем 4. Для увеличения электропроводности токораспределителя 5 используется фольга типа "Графлекс", а для увеличения поверхности контактного слоя применяется углеродная ткань. Сквозные каналы 2 сотовой структуры и пазы 7 на внешних противоположных боковых сторонах электронагревательного элемента 1 образуются в процессе получения электронагревательного элемента 1 методом экструзии. В случае выполнения металлического контакта 6 в виде винтового стержня его завинчивают в затвердевший высокотемпературный электропроводный клей 4, которым заполнен паз 7. Электронагревательные элементы 1 могут быть соединены между собой в моноблоки с помощью высокотемпературного электропроводного клея 4.

Электронагреватель работает следующим образом. При работе в качестве теплообменника прямого действия к одной из боковых сторон электронагревательного элемента 1 через металлический контакт 6 подают напряжение. Напряжение через электропроводный клей 4 поступает на токораспределитель 5, так как его удельное сопротивление значительно ниже, чем у нагревательного элемента 1. После подачи напряжения ток, распределяющийся по всей боковой поверхности нагревательного элемента 1, поступает к токопроводящим стенкам шестигранных каналов 2 и далее к противоположной контактной группе 3. По поперечным сторонам шестигранного канала 2 ток не идет, но за счет высокой теплопроводности все стенки шестигранных каналов 2 нагреваются и их температура мало отличается от температуры токопроводящей стенки.

Электронагреватель сотовой структуры можно также эффективно использовать в монолитной среде в качестве теплонакопителя, потребляющего электроэнергию в дешевое время суток. Для этого электронагреватель с электропроводом заливается цементом или иным наполнителем в виде большого монолитного блока. Температура поверхности стенок в несколько раз ниже, чем у нагревателя со спиралью, при одинаковой тепловой мощности, за счет большой площади поверхности сот.

Эффективность изобретения заключается в увеличении длины токопроводящей стенки, разогреваемой электрическим током, и уменьшении длины теплопроводной стенки за счет выполнения сквозных каналов шестигранной формы. Эффективность по разогреву для шестигранных каналов теплообменника выше, чем для квадратных и треугольных каналов соответственно в 2 раза и 2,8 раза за счет относительной величины длин их стенок. Контактные группы, включающие металлические контакты, являются единой конструкцией теплообменника. Проведенные испытания контактных групп с нагревательным элементом выдерживали плотность тока более 30 А/см². Прочность изделия с каналами шестигранной формой выше, чем изделия с прямоугольными каналами, поскольку, механическая нагрузка по диагонали прямоугольного канала требует меньших усилий для разрушения, чем правильный шестигранник. Процесс клеевого монтажа контактной группы производится после термообработки нагревательного элемента, который становится влагостойким, исключая процесс разбухания материала элемента. С помощью электропроводного высокотемпературного клеевого монтажа нагревательные элементы при необходимости можно соединять между собой для подбора требуемой электрической мощности или заполнения заданного пространства в корпусе нагревательного прибора.

Изобретение в настоящее время находится на стадии производственных испытаний. Готовится серийное производство электронагревателей на OOO "НТЦ Радиатор" в г.Кимры Тверской области.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для нагрева промышленных и жилых помещений, а также в средствах нагрева газовых, жидких, сыпучих и монолитных сред. В электронагревателе, выполненном из композиционного материала на основе углерода в виде электронагревательного элемента со сквозными каналами сотовой структуры и снабженом токоподводами, расположенными на его противолежащих боковых сторонах, согласно изобретению токоподвод выполнен в виде контактной группы, содержащей токораспределитель из углеродного материала и металлический контакт, расположенный в пазу между токораспределителем и электронагревательным элементом, соединенных между собой электропроводным высокотемпературным клеем. При этом сквозные каналы в сечении выполнены шестигранной формы. Токораспределитель выполнен в виде пластины из углеродного материала, или в виде графитовой фольги типа "Графлекс", или углеродной ткани, а металлический контакт - в виде многожильного провода или винтового стержня. Паз с металлическим контактом заполнен электропроводным высокотемпературным клеем. Техническим результатом является повышение теплообмена, надежности токоподвода, повышение эффективности теплообмена за счет равномерности нагрева стенок электронагревателя при эксплуатации, увеличение механической прочности изделия. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электронагреватель, выполненный из композиционного материала на основе углерода в виде электронагревательного элемента со сквозными каналами сотовой структуры и снабжен токоподводами, расположенными на его противолежащих боковых сторонах, отличающийся тем, что токоподвод выполнен в виде контактной группы, содержащей токораспределитель из углеродного материала и металлический контакт, расположенный в пазу между токораспределителем и электронагревательным элементом, соединенных между собой электропроводным высокотемпературным клеем.2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что сквозные каналы в сечении выполнены шестигранной формы.3. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что токораспределитель выполнен в виде пластины из углеродного материала, или в виде графитовой фольги типа "Графлекс", или углеродной ткани.4. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что металлический контакт выполнен в виде многожильного провода.5. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что металлический контакт выполнен в виде винтового стержня.6. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что паз с металлическим контактом заполнен электропроводным высокотемпературным клеем.