СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОЭЛЕКТРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО ЭЛЕКТРООБОГРЕВАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК H05B3/28 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к технологии получения нагревательных элементов, и может быть использовано при производстве электрообогревателей для местного обогрева в технических и бытовых условиях.

Известен способ изготовления композиционного электрообогревателя (Пат. РФ №2037895, кл. Н01С 7/00, опубл. 19.06.95 г.), включающий изготовление изоляционных слоев и тепловыделяющего слоя из электропроводящего материала, состоящего из углеродного наполнителя в виде технического углерода, связующего на основе бутилкаучука, пластифицирующего ингредиента в виде стеарина и дополнительных функциональных ингредиентов, размещение тепловыделяющего слоя с электродами и гибкими токоподводами между изоляционными слоями и последующую вулканизацию собранного пакета при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Бутилкаучук 51-57,73 Технический углерод 21,17-28,04 Стеарин 1,54-1,64 Дополнительные функциональные ингредиенты 16,86-19,46,

причем дополнительные функциональные ингредиенты выбраны в следующем соотношении, мас.%:

Оксид цинка 1,54-1,64 Баритовый концентрат 7,75-8,10 Гексахлор-п-ксилол 0,22-0,52 n-трет-Алкил-фенолформальдегидная смола 5,75-7,10 Стабилойл 1,6-2,1.

Недостатком известного способа является то, что не обеспечивается режим саморегулирования температуры на поверхности многоэлектродного композиционного электрообогревателя (МКЭ).

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления МКЭ, включающий изготовление изоляционных слоев и тепловыделяющего слоя из электропроводящего материала, состоящего из углеродного наполнителя в виде технического углерода, связующего на основе бутилкаучука, пластифицирующего ингредиента в виде стеарина и дополнительных функциональных ингредиентов, размещение тепловыделяющего слоя с электродами и гибкими токоподводами между изоляционными слоями и последующую проводимую в два этапа вулканизацию собранного пакета (Пат. РФ №2075836, кл H05B 3/28, опубл. 20.03.97 г.)

Недостатком известного способа, так же как и в известных аналогах, является то, что не обеспечивается режим саморегулирования температуры, что приводит к неэффективному использованию электроэнергии.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка такого способа изготовления МКЭ, который позволил бы наряду с широкими функциональными и эксплуатационными возможностями обеспечить режим саморегулирования температуры на поверхности без потери необходимых электрофизических характеристик.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления многоэлектродного композиционного электрообогревателя, включающем изготовление изоляционных слоев и тепловыделяющего слоя из электропроводящего материала, состоящего из углеродного наполнителя в виде технического углерода, связующего на основе бутилкаучука, пластифицирующего ингредиента в виде стеарина и дополнительных функциональных ингредиентов; размещение тепловыделяющего слоя с электродами и гибкими токоподводами между изоляционными слоями и последующую проводимую в два этапа вулканизацию собранного пакета, отличающемся тем, что изготовление электропроводящего материала осуществляют смешением бутилкаучука, технического углерода, стеарина и дополнительных функциональных ингредиентов при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Бутилкаучук 59-60 Технический углерод 19,50-21,10 Стеарин 1,44-1,53 Дополнительные функциональные ингредиенты 16,86-19,46.

Дополнительные функциональные ингредиенты выбраны при следующем соотношении, мас.%:

Оксид цинка 1,54-1,64 Баритовый концентрат 7,75-8,10 Гексахлор-п-ксилол 0,22-0,52 n-трет-Алкил-фенолформальдегидная смола 5,75-7,10 Масло ПМ 1,6-2,1.

Причем вулканизацию собранного пакета осуществляют на первом этапе в течение 0,5-1 мин при давлении 12-13 МПа, а на втором этапе - в течение 30-35 мин при давлении 11-11,5 МПа.

В современных промышленных производствах приготовления бутиловых смесей в качестве вулканизирующего ингредиента используют парафино-нафтеновое масло марки ПМ как наиболее экологически чистый компонент по сравнению с ранее применяемыми стабилойлом. Поэтому в состав предложенной композиции вместо стабилойла (Пат. РФ №2037895, кл. Н01С 7/00, опубл. 19.06.95 г.) в качестве дополнительного функционального ингредиента введено масло ПМ без изменения соотношения мас.%.

Сущность изобретения поясняется фиг.1.

На фиг.1 представлен способ изготовления многоэлектродного композиционного электрообогревателя. Тепловыделяющий слой 1 размещают между изоляционными слоями 2, в электропроводящем слое 1 размещают систему электродов 3 из металлической сетки, например медной или латунной, к электродам 3 предварительно припаивают гибкие токоподводы 4, выходящие из конструкции электрообогревателя в изоляционной оболочке 5. Собранный пакет вулканизируют в два этапа при температуре 172-174°C, на первом этапе - в течение 0,5-1 мин при давлении 12-13 МПа, а на втором этапе - в течение 30-35 мин при температуре 165-167°C и давлении 11-11,5 МПа.

Уменьшение давления ниже указанного предела (ниже 12 МПа) и сокращение времени вулканизации на первом этапе (менее 0,5 мин) не позволяют получить требуемых электрических параметров электрообогревателя.

Снижение давления на втором этапе технологического процесса вулканизации (ниже 11 МПа) и уменьшение времени (менее 30 мин) не позволяют получить изделие, отвечающее требованиям ГОСТ Р 52161.1-2004 (МЭК 60335-1:2001).

Таким образом, направленным изменением композиции электропроводящего слоя МКЭ и параметров технологического режима его изготовления получены электрообогреватели МКЭ с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления α_ρ, что соответствует уменьшению удельного объемного сопротивления электропроводящего слоя ρ_v с увеличением температуры на поверхности МКЭ.

Для исследования зависимости ρ_v от изменения температуры Т МКЭ была выбрана партия электрообогревателей в количестве 5 шт, изготовленных в соответствии с предлагаемым способом.

Измерения проводились при температуре окружающей среды 18-20°C, образец располагали на деревянном основании, на электрообогреватель через каждые пять минут в течение первого часа и через каждые десять в течение второго подавалось напряжение 220 В частотой 50 Гц; измерялись напряжение, ток и температура на поверхности электрообогревателя.

Характер приведенных зависимостей ρ_v=f(T) после выхода на рабочий режим (фиг.2) свидетельствует об отрицательном температурном коэффициенте, присущем полимерным полупроводниковым материалам, и показывает преобладание связей проводящий наполнитель - проводящий наполнитель по отношению к связям полимер - проводящий наполнитель в резистивной фазе КМ, сложившееся в результате усиления тепловой эмиссии электронов в бутилкаучуковой матрице, увеличения их подвижности и осуществления перемещения зарядов в местах разрыва токопроводящих цепочек за счет туннельного эффекта. Это обстоятельство и делает возможным работу МКЭ в энергоэффективном режиме саморегулирования. Установлено, что характер зависимости ρ_v=f(T) аналогичен для образцов всей партии, среднее отклонение составило не более 7% от измеряемой величины.

Работа МКЭ в технологическом режиме саморегулирования позволяет регулировать расход электроэнергии на местный обогрев, например молодняка животных в зависимости от условий теплообмена. Принцип действия саморегулируемого МКЭ состоит в том, что при отсутствии животных обогреватель нагревается до достаточной для их привлечения температуры. При нахождении молодняка на электрообогревателе теплоотдача в месте контакта снижается, что приводит к увеличению температуры и уменьшению его сопротивления. Уменьшение сопротивления ρ_v в зоне контакта животных с тепловыделяющей поверхностью МКЭ сопровождается дополнительным увеличением мощности и установлением необходимой температуры. Для реализации режима саморегулирования МКЭ электропроводящий слой должен обладать отрицательным α_ρ. Применение саморегулируемых МКЭ позволяет существенно снизить расход электрической энергии на местный обогрев молодняка животных. Кроме того, поскольку процесс регулирования происходит за счет самоорганизации структуры электропроводящего слоя с изменением условий теплообмена, отпадает необходимость в дополнительных элементах автоматики и линий связи для регулирования температуры.

Таким образом, по сравнению с известными аналогами заявляемый способ изготовления многоэлектродного композиционного электрообогревателя позволяет обеспечить энергоэффективный режим функционирования электрообогревателя с саморегулированием температуры на поверхности без потери необходимых эксплуатационных и электрофизических характеристик.

Способ изготовления многоэлектродного композиционного электрообогревателя относится к резистивным нагревательным элементам с применением электропроводящих композиционных материалов и может быть использован для изготовления композиционных электрообогревателей, применяемых в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Способ изготовления заключается в формировании пакета, включающего тепловыделяющий (электропроводящий) слой 1, размещенный между изоляционными слоями 2. В электропроводящем слое 1 размещают систему электродов 3 из металлической сетки, например медной или латунной; к электродам 3 предварительно припаивают гибкие токоподводы 4, выходящие из конструкции электрообогревателя в изоляционной оболочке 5. Направленным изменением композиции электропроводящего слоя МКЭ и параметров технологического режима его изготовления получены электрообогреватели МКЭ с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления α_ρ, что соответствует уменьшению удельного объемного сопротивления электропроводящего слоя ρ_V с увеличением температуры на поверхности МКЭ. Предлагаемый способ изготовления многоэлектродного композиционного электрообогревателя позволяет обеспечить энергоэффективный режим функционирования электрообогревателя с саморегулированием температуры на поверхности без потери необходимых эксплуатационных и электрофизических характеристик. 2 ил.

Способ изготовления многоэлектродного композиционного электрообогревателя, включающий изготовление изоляционных слоев и тепловыделяющего слоя из электропроводящего материала, состоящего из углеродного наполнителя в виде технического углерода, связующего на основе бутилкаучука, пластифицирующего ингредиента в виде стеарина и дополнительных функциональных ингредиентов; размещение тепловыделяющего слоя с электродами и гибкими токоподводами между изоляционными слоями, отличающийся тем, что приготовление электропроводящего материала осуществляют смешением бутилкаучука, технического углерода, стеарина и дополнительных функциональных ингредиентов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Бутилкаучук 59-60 Технический углерод 19,50-21,10 Стеарин 1,44-1,53 Дополнительные функциональные ингредиенты 16,86-19,46;

причем вулканизацию собранного пакета осуществляют на первом этапе в течение 0,5-1 мин при температуре 172-174°C и давлении 12-13 МПа, а на втором в течение 30-35 мин при температуре 165-167°C и давлении 11-11,5 МПа.