ПЛАТА НАГРЕВАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2023 года по МПК H05B1/00 H05B3/10 H05B3/12 H05B3/16 H05B3/20 H05B3/26 

Предлагаемые технические решения относится к конструктивным элементам приборов для нагрева, к устройствам для регулирования температуры периодическим нагревом.

Широко известны устройства нагрева и регулирования температуры, выполненные на плате с дискретными датчиками температуры. Регулирование температуры осуществляется за счет контроля температуры датчиком, установленном на этой плате (например, в устройствах по патентам на изобретения №2343534 «Термостатирующее устройство», опубл. 13.02.2007, №2572133 «Способ установки пленочных образцов при измерении температурной зависимости электрического сопротивления», опубл. 09.01.2014, на полезные модели №75352 «Датчик температуры воздуха в салоне автомобиля», опубл. 02.04.2008, №145996 «Пленка-скотч с системой полимерных датчиков для ранней диагностики аварийных ситуаций энергопроизводящих объектов», 05.03.2014, №131212 «Термореле для электрического нагревателя», опубл. 06.06.2011). Недостатком таких устройств является наличие некоторого количества дискретных компонентов, что обуславливает объемность конструкций и ограниченность их применения.

Известны также распределенные датчики температуры (например, в устройствах по патентам на изобретения №2206082 «Полупроводниковый металлооксидный датчик газов», 27.12.2001, №2158419 «Датчик температуры», опубл. 04.11.1999, №2284595 «Датчик температуры», опубл. 28.06.2003). Недостатками таких устройств являются дорогие материалы, сложная технология изготовления.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению Платы нагревателя является плата с нагревателем и термодатчиком (по патенту RU №2114422, «Полупроводниковый датчик газов», Научно-информационный центр проблем интеллектуальной собственности, опубл. 27.06.1998), содержащая электроизолирующую основу (подложку из кремния, покрытую слоем диоксида кремния) с нагревателем и датчиком температуры (термодатчик), каждый из которых выполнен в виде дорожки проводника из титан-платины. Концы каждой из дорожек (как и сами дорожки, выполненные напылением с последующим травлением) расположены на поверхности платы. Длина и ширина дорожки проводника датчика температуры при определенной ее толщине (выбранная толщина напыления) достаточны для фиксации заданного изменения сопротивления на концах этой дорожки при заданной погрешности измерения температуры.

Недостатки платы с нагревателем и термодатчиком: небольшие размеры, большая стоимость оборудования и материалов для изготовления подложек при изготовлении плат напылением с последующим травлением; выполнение нагревателя и термодатчика разнесенными (на двух разных площадках), что обуславливает нагрев только в локальной зоне платы и недостаточную тепловую связь нагревателя и датчика температуры; применение дорогих материалов для напыления; разнесение концов (выполнены в виде контактных площадок) дорожек проводников нагревателя и термодатчика по всей поверхности платы затрудняет подключение платы к использующим ее устройствам.

Задачей предлагаемых вариантов технического решения платы нагревателя является обеспечение максимальной тепловой связи нагревателя и датчика температуры, повышение технологичности изготовления, значительное снижение себестоимости изделия, упрощение конструкции.

Поставленная задача решается следующим образом.

Первый вариант исполнения. Плата нагревателя содержит электроизолирующую основу с нагревателем и датчиком температуры, каждый из которых выполнен в виде дорожки проводника, концы каждой из дорожек расположены на поверхности платы (для возможности подачи напряжения на нагреватель и подачи/остановки стабильного тока на датчик температуры, а также периодического измерения показаний сопротивления на концах дорожек датчика температуры), а длина и ширина при определенной толщине дорожки проводника датчика температуры достаточны для фиксации заданного изменения сопротивления на концах этой дорожки, что обеспечивает возможность измерения температуры с заданной погрешностью.

При этом в качестве электроизолирующей основы использован фольгированный материал (например, стеклотекстолит, гетинакс) с хотя бы одним медным проводящим слоем, дорожки проводников нагревателя и датчика температуры выполнены печатными и расположены на одном проводящем слое, а основная часть дорожки печатного проводника датчика температуры выполнена практически вдоль основной части дорожки печатного проводника нагревателя.

Дорожки печатных проводников на плате изготавливают известными способами: методом химического травления при применении одностороннего фольгированного материала, комбинированным позитивным методом - при двухстороннем материале, методом металлизации отверстий - при многослойных фольгированных материалах. Описанное расположение дорожек при имеющейся (выбранной) толщине медного проводящего слоя фольгированного материала позволяет обеспечить максимально возможную их длину на ограниченной области платы, а также максимальную тепловую связь нагревателя и датчика температуры, что максимально увеличивает точность регулирования (поддержания) температуры. За счет максимально возможной длины и небольшого поперечного сечения проводящей дорожки появляется возможность использовать медный проводник в качестве датчика температуры, несмотря на то, что медь имеет практически минимальное удельное сопротивление и низкий температурный коэффициент сопротивления среди известных металлов, что затрудняет измерение малых значений изменения сопротивления (до 0,001 Ом) при большом сечении и малой длине медного проводника. Большая длина и небольшое поперечное сечение дорожки медного печатного проводника позволяет фиксировать заданные изменения сопротивления при изменении температуры, используя простые известные и достаточно дешевые средства (микросхемы для аналого-цифровых преобразований, контроллеров, ПЛИС и т.п.) с необходимой погрешностью. Ширину проводника нагревателя выбирают исходя из толщины медного слоя фольгированного материала и необходимой длины проводника на заданной площади области платы для получения необходимого сопротивления нагревателя, достаточного для нагрева заданного объема за определенное время. При этом затраты на изготовление платы нагревателя из доступного и широко используемого материала для подложки - минимальны. Размеры платы ограничены лишь возможностями оборудования для изготовления печатных плат и размерами пластин фольгированного материала.

Предпочтительно, чтобы длина и ширина дорожки печатного проводника датчика температуры позволяли фиксировать изменения сопротивления на концах этой дорожки не хуже (не менее) 0,001 Ом.

Предпочтительно, чтобы дорожки упомянутых печатных проводников (нагревателя или датчика температуры) были выполнены в виде "меандра" либо "спирали".

Предпочтительно, чтобы каждый из концов дорожек печатных проводников был соединен с соответствующим контактом слаботочного разъема.

Предпочтительно, чтобы концы дорожек были расположены в одной (первой) области платы (то есть основная часть каждой из дорожек печатных проводников расположена в другой - второй области платы).

Предпочтительно, чтобы расстояние между дорожками проводников нагревателя и датчика температуры было выбрано из промежутка от 0,01 до 0,3 мм. Зазор между дорожками проводников зависит от класса точности имеющегося оборудования для производства печатных плат.

Второй вариант исполнения. Плата нагревателя содержит электроизолирующую основу с нагревателем и датчиком температуры, каждый из которых выполнен в виде дорожки проводника, концы каждой из дорожек расположены на поверхности платы (для возможности подачи напряжения на нагреватель и подачи/остановки стабильного тока на датчик температуры, а также периодического измерения показаний сопротивления на концах дорожек датчика температуры), а длина и ширина при определенной толщине дорожки проводника датчика температуры достаточны для фиксации заданного изменения сопротивления на концах этой дорожки, что обеспечивает возможность измерения температуры с заданной погрешностью.

При этом в качестве электроизолирующей основы используют фольгированный материал с хотя бы двумя медными проводящими слоями. Дорожки проводников нагревателя и датчика температуры выполнены печатными и расположены на разных проводящих слоях. Концы дорожек расположены в одной (первой) области платы, а основные части дорожек проводников нагревателя и датчика температуры расположены напротив друг друга (то есть основная часть каждой из дорожек печатных проводников расположена на разных слоях второй области платы).

Предпочтительно, чтобы длина и ширина дорожки печатного проводника датчика температуры позволяли фиксировать изменения сопротивления на концах этой дорожки не хуже (не менее) 0,001 Ом.

Предпочтительно, чтобы хотя бы одна из дорожек упомянутых печатных проводников (нагревателя или датчика температуры) была выполнена в виде «меандра» или «спирали». Другая дорожка может быть выполнена также в виде меандра, а прямые участки обоих меандров могут располагаться как параллельно, так и под углом друг к другу. Конфигурация дорожек не меняет признака расположения их основных частей напротив друг друга для обеспечения максимальной тепловой связи между ними. Хотя бы одна из дорожек упомянутых печатных проводников (нагревателя или датчика температуры) может быть выполнена в виде "спирали".

Предпочтительно, чтобы концы дорожек были расположены в одной (первой) области платы (то есть основная часть каждой из дорожек печатных проводников расположена в другой - второй области платы).

Предпочтительно, чтобы каждый из концов дорожек печатных проводников был соединен с соответствующим контактом хотя бы одного слаботочного разъема.

Такое расположение дорожек печатных проводников при имеющейся (выбранной) толщине медных проводящих слоев фольгированного материала позволяет (как и в первом варианте) обеспечить достаточные длину и ширину дорожек печатных проводников нагревателя - для нагрева заданного объема за определенное время и датчика температуры - для фиксации необходимых (заданных) изменений сопротивления на концах этой дорожки на ограниченной области платы, что позволяет использовать медный проводник в качестве датчика температуры. Кроме того, размещение дорожек на разных слоях позволяет значительно увеличить длину проводника датчика температуры и проводить измерение температуры с большей точностью.

Предлагаемые варианты платы нагревателя имеют простую конструкцию за счет применения лишь одного фольгированного материала, максимально плоскую и компактную форму, обеспечивают максимальную тепловую связь нагревателя и датчика температуры, обладают высокой технологичностью изготовления при значительном снижении себестоимости изделия. Кроме того, изделие является устойчивым к возгоранию и воздействию агрессивных сред, имеет высокую температуру деградации, повышенную устойчивость к перепадам температур, небольшой удельный вес, высокую теплопроводность, продолжительный срок эксплуатации.

Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения, благодаря наличию новых признаков, обеспечивает получение заявленного технического результата. Указанные существенные признаки в совокупности, характеризующей сущность заявляемого технического решения, не известны в настоящее время для плат с функцией нагрева. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам заявляемого изобретения, в ходе исследований не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна».

Существенные признаки заявляемого изобретения не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений с реализацией в виде отличительных признаков для достижения технического результата, из чего следует вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».

Кроме того, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость», так как представленные технические решения предназначены для использования в широком спектре приборов с необходимостью поддержания заданной температуры, а при их производстве используют широко применяемые материалы и технологии.

В дальнейшем реализация и функционирование каждого из вариантов платы нагревателя будут показаны в одной из их предпочтительных реализаций.

На фиг. 1 - первый вариант исполнения платы нагревателя с дорожками проводников в виде «меандров» и одним соединителем.

На фиг. 2 - второй вариант исполнения платы нагревателя с двумя проводящими слоями и дорожками проводников, расположенных на разных слоях платы.

Представленная на Фиг. 1 плата нагревателя по первому варианту содержит электроизолирующую основу 1 из однослойного фольгированного материала (например, стеклотекстолита) прямоугольной формы, на проводящем слое которой выполнены дорожка печатного проводника нагревателя 2 и дорожка печатного проводника датчика температуры 3. Концы дорожек нагревателя и датчика температуры, расположены в одной области платы 4 (первая область платы), а основные части обеих дорожек выполнены вдоль друг друга в виде меандров и расположены в другой области платы 5 (вторая область платы). На концах обеих дорожек выполнены контактные площадки 6, каждая из которых соединена с соответствующим контактом слаботочного разъема 7 (первый и четвертый - для концов дорожки нагревателя, второй и третий - для датчика температуры). Вторая область платы 5 имеет прямоугольную форму и занимает большую часть ее площади, первая область платы 4 расположена у одного из ее краев, имеет малую площадь, достаточную для размещения концов обеих дорожек проводников и установки одного разъема 7.

В настоящей реализации технического решения электроизолирующая подложка из фольгированного стеклотекстолита включает слои стеклотекстолитового основания, один слой медного проводника и слой защитной изоляционной маски. Ширина дорожек и расстояние между ними соответствуют классу точности оборудования для производства печатных плат.

В других реализациях концы дорожек могут быть размещены в первой области платы на разных ее поверхностях для соединения каждого из концов проводника нагревателя с соответствующим контактом одного слаботочного разъема, а каждого из концов проводника датчика температуры с соответствующим контактом другого слаботочного разъема. Первая область платы при необходимости может состоять из нескольких площадок, расположенных на разных краях платы.

Известными методами по формулам

где R - сопротивление меди,

Ρ - мощность на контактах нагревателя,

U - напряжение нагревателя,

и

где ρ - удельное сопротивление меди,

h - толщина имеющегося медного проводящего слоя,

l_н - длина дорожки печатного проводника нагревателя,

w_н - ширина дорожки печатного проводника нагревателя,

рассчитывают необходимые размеры дорожки медного печатного проводника нагревателя для получения необходимой мощности (Р) на контактах нагревателя, исходя из толщины имеющегося медного проводящего слоя и удельного сопротивления меди (ρ). При необходимости по этим же формулам корректируют параметры дорожек. Проверяют, соответствует ли ширина дорожки классу оборудования для печати, исходя из имеющейся. Располагают дорожку нагревателя с получившимися параметрами на эскизе фотошаблона во второй области платы. На этом же эскизе фотошаблона располагают дорожку датчика температуры вдоль дорожки нагревателя (длина при этом известна, ширину дорожки и зазор (m) между дорожками определяют из возможностей оборудования). Проверяют по формуле (3), достаточны ли ее параметры (длина и ширина) для получения заданного изменения сопротивления ΔR (ΔR≥0,001 Ом) на контактах датчика температуры для заданной разрешающей способности измерения температуры. В других реализациях технического решения зазор m между дорожками может быть переменным.

где ΔR - изменение сопротивления на контактах датчика температуры,

ρ - удельное сопротивление меди,

α - температурный коэффициент удельного сопротивления меди,

Δt - разрешающая способность измерения температуры,

h - толщина имеющегося медного проводящего слоя,

l_т - длина дорожки печатного проводника датчика температуры,

w_т - ширина дорожки печатного проводника датчика температуры.

По эскизу изготавливают фотошаблон дорожек с полученными параметрами, для печати на фольгированном материале необходимой конфигурации (прямоугольной в данной реализации) и площади.

Используя полученный фотошаблон, изготавливают плату по стандартной технологии производства односторонних печатных плат методом химического травления, выполняя дорожки печатных проводников нагревателя и датчика температуры в виде «меандров» и располагая дорожку датчика температуры вдоль дорожки нагревателя с зазором m (прямые участки дорожек практически параллельны, радиусы изгибов меандров обеспечивают огибание дорожек друг другом). Концы дорожек размещают в первой области платы, а «меандры» - основные части дорожек размещают во второй области платы. На концах дорожек выполняют контактные площадки, размещая их на одной линии. Каждый из концов обеих дорожек электрически соединяют пайкой с соответствующим контактом слаботочного разъема 7.

Плата нагревателя готова к функционированию при включении ее в функциональную схему с возможностью подачи напряжения на контакты нагревателя и стабильного тока (не зависящего от внешних воздействий) на контакты датчика температуры и периодического снятия (измерения) показаний сопротивления с концов дорожек датчика температуры.

Для включения обогрева объема с внешнего устройства на меандр проводника нагревателя подают напряжение (через первый и четвертый контакты слаботочного разъема). Внешним устройством измеряют падение напряжения на сопротивлении медных проводников датчика температуры, вызванного проходящим током. Известными способами (например, с помощью аналого-цифрового преобразователя и микроконтроллера) преобразуют периодически измеряемые значения в значения температуры (по известным формулам с использованием температурного коэффициента удельного сопротивления меди α и удельного сопротивления меди ρ). В соответствии с заданными значениями температурных порогов с помощью внешнего управляющего устройства включают или выключают нагреватель подачей или прекращением подачи напряжения на его контакты, тем самым стабилизируя в определенных пределах температуру объема вокруг платы нагревателя.

Например, при практической реализации технического решения платы нагревателя с помощью оборудования четвертого класса точности на фольгированном стеклотекстолите размерами 205×245 мм с толщиной медного слоя h=18 мкм изготовлена плата с практически параллельными «меандрами» дорожек печатных проводников со следующими размерами: длина каждой из дорожек около 35,7 м, w_т=0,15 мм, w_н=0,5 мм, зазор m=0,15. Это обеспечивает возможность фиксации ΔR величиной около 0,033 Ом с помощью аналого-цифрового преобразователя ADS1115 и микроконтроллера ATMEGA328P. При этом погрешность измерения температуры, измеренная составляет 0,05°С.

На практике обычно бывает достаточно измерение Δt≥0.1°С, которую фиксируют при ΔR около 0,1 Ом. При близких параметрах платы нагревателя это обеспечивается намного более простыми и дешевыми элементами схем (например, микроконтроллерами со встроенным аналого-цифровым преобразователем).

Представленная на Фиг. 2 плата нагревателя по второму варианту содержит электроизолирующую основу 1 из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита прямоугольной формы, на первом проводящем слое которой расположена дорожка печатного проводника нагревателя 2, на втором проводящем слое - дорожка печатного проводника датчика температуры 3. Концы дорожек нагревателя и датчика температуры, расположены в одной области платы 4 (первая область платы), а основные части обеих дорожек выполнены в виде меандров и расположены в другой области платы 5 (вторая область платы) напротив друг друга. Прямые участки меандров расположены перпендикулярно друг другу - вертикальный меандр нагревателя и горизонтальный меандр датчика температуры. На концах обеих дорожек выполнены выведенные на одну из ее поверхностей контактные площадки 6, каждая из которых соединена с соответствующим контактом слаботочного разъема 7. Вторая область платы 5 имеет прямоугольную форму и занимает большую часть ее площади, первая область платы 4 расположена у одного из ее краев, имеет малую площадь, достаточную для размещения концов обеих дорожек проводников и установки одного разъема 7.

Расчеты для печатного проводника нагревателя проводят аналогично первому варианту, как описано выше. Готовят эскиз фотошаблона для одного слоя платы.

Готовят эскиз второго слоя платы с дорожкой датчика температуры. Проверяют достаточность ее параметров для получения заданного ΔR, как описано выше.

Изготавливают фотошаблоны для двух различных слоев платы с дорожками нагревателя и датчика температуры.

Плату изготавливают комбинированным позитивным методом, используя эти фотошаблоны, концы дорожек датчика температуры и нагревателя выводят с помощью сквозных металлизированных отверстий на одну сторону платы. Соединяют каждый из концов дорожек с соответствующим контактом разъема 7.

Функционирование платы нагревателя аналогично работе платы по первому варианту.

Несмотря на то, что предлагаемые в качестве изобретений технические решения описаны со ссылкой на их конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретений, определенных прилагаемой формулой изобретения.

При использовании многослойного фольгированного материала и расположении нагревателя и датчика температуры на внутренних слоях платы первая и вторая области могут пересекаться для вывода концов печатных дорожек на поверхность платы.

Области плат, как и дорожки проводников, могут иметь любую другую форму, что не меняет расположения основных частей дорожек вдоль либо напротив друг друга для обеспечения максимальной тепловой связи между ними.

При необходимости контакты нагревателя могут быть расположены на одной поверхности второй области платы и соединены с соответствующими контактами первого слаботочного разъема, а контакты датчика температуры - на другой поверхности второй области платы и соединены с соответствующими контактами второго слаботочного разъема. В других реализациях предлагаемых технических решений первая область платы может быть разделена на хотя бы две непересекающиеся площадки. Плата нагревателя по первому варианту может быть выполнена на одном из слоев многослойного фольгированного материала и так далее.

Предложенные технические решения могут найти применение в различных устройствах, требующих подогрева или термостатирования, например, литий-ионные аккумуляторы, технологическое оборудование, узлы электронной аппаратуры (полупроводниковые приборы, пассивные компоненты и т.д.), работающие при экстремально низких температурах.

Представленные варианты технического решения платы нагревателя характеризуются высокой надежностью при эксплуатации, высокой технологичностью и малой себестоимостью при изготовлении.

Изобретение относится к устройствам регулирования температуры нагревом или охлаждением. Технический результат - обеспечение максимальной тепловой связи нагревателя и датчика температуры, повышение технологичности изготовления, значительное снижение себестоимости изделия, упрощение конструкции. Технический результат достигается тем, что плата нагревателя содержит электроизолирующую основу с нагревателем и датчиком температуры, каждый из которых выполнен в виде дорожки проводника. Длина и ширина дорожки проводника датчика температуры при определенной ее толщине достаточны для фиксации заданного изменения сопротивления на концах этой дорожки, а концы каждой из дорожек расположены на поверхности платы. В качестве электроизолирующей основы используют фольгированный материал с хотя бы одним медным проводящим слоем. Дорожки печатных проводников нагревателя и датчика температуры выполнены печатными и расположены либо на одном медном проводящем слое, когда основная часть дорожки печатного проводника датчика температуры выполнена практически вдоль дорожки печатного проводника нагревателя, либо на разных проводящих слоях напротив друг друга. Концы дорожек могут быть расположены в одной области платы, а основные части дорожек могут быть выполнены в виде «меандров» или «спиралей». 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Плата нагревателя, содержащая электроизолирующую основу с нагревателем и датчиком температуры, каждый из которых выполнен в виде дорожки проводника, длина и ширина дорожки проводника датчика температуры при определенной ее толщине достаточны для фиксации заданного изменения сопротивления на концах этой дорожки, а концы каждой из дорожек расположены на поверхности платы, отличающаяся тем, что в качестве электроизолирующей основы использован фольгированный материал с хотя бы одним медным проводящим слоем, дорожки проводников нагревателя и датчика температуры выполнены печатными на одном проводящем слое, а основная часть дорожки печатного проводника датчика температуры выполнена практически вдоль основной части дорожки печатного проводника нагревателя.

2. Плата нагревателя по п. 1, отличающаяся тем, что длина и ширина дорожки печатного проводника датчика температуры позволяют фиксировать изменения сопротивления на концах этой дорожки не менее 0,001 Ом.

3. Плата нагревателя по п. 1, отличающаяся тем, что дорожки проводников нагревателя и датчика температуры выполнены в виде "меандров" или «спиралей».

4. Плата нагревателя по п. 1, отличающаяся тем, что концы дорожек расположены в одной области платы.

5. Плата нагревателя по п. 1, отличающаяся тем, что каждый из концов дорожек печатных проводников соединен с соответствующим контактом слаботочного разъема.

6. Плата нагревателя, содержащая электроизолирующую основу с нагревателем и датчиком температуры, каждый из которых выполнен в виде дорожки проводника, длина и ширина дорожки проводника датчика температуры при определенной ее толщине достаточны для фиксации заданного изменения сопротивления на концах этой дорожки, а концы каждой из дорожек расположены на поверхности платы, отличающаяся тем, что в качестве электроизолирующей основы использован фольгированный материал с хотя бы двумя медными проводящими слоями, дорожки проводников нагревателя и датчика температуры выполнены печатными на разных проводящих слоях, а основные части дорожек расположены напротив друг друга.

7. Плата нагревателя по п. 6, отличающаяся тем, что длина и ширина дорожки печатного проводника датчика температуры позволяют фиксировать изменения сопротивления на концах этой дорожки не менее 0,001 Ом.

8. Плата нагревателя по п. 6, отличающаяся тем, что хотя бы одна из дорожек упомянутых печатных проводников выполнена в виде "меандра" либо «спирали».

9. Плата нагревателя по п. 6, отличающаяся тем, что концы дорожек расположены в одной области платы.

10. Плата нагревателя по п. 6, отличающаяся тем, что каждый из концов дорожек печатных проводников соединен с соответствующим контактом слаботочного разъема.