Нагревательный элемент
Полезная модель относится к области электрического нагрева и может быть использована при создании теплоизлучающего нагревателя, работающего под большой токовой нагрузкой при температурах до 500°С, и позволяющего на его основе создать приборы и нагревательные системы для сушки различных поверхностей и материалов, и обогрева помещений. Предлагаемый нагревательный элемент включает взаимосвязанные между собой и расположенные на одной стороне подложки внутренний электроизоляционный слой, нанесенный на него резистивный слой, расположенный между токоподводящими элементами и выполненный в виде пленочного резистивного элемента. На противоположной излучающей стороне подложки расположен защитный слой, выполненный из композиционного материала на основе алюмофосфатного связующего, модифицированного частицами оксида железа в качестве наполнителя, кроме того, токоподводящие элементы размещены на внутреннем электроизоляционном слое и имеют протяженный контакт с резистивным слоем, при этом пленочный резистивный элемент включает, по меньшей мере, один формообразующий элемент.
Полезная модель относится к области электрического нагрева и может быть использована при создании теплоизлучающего нагревателя, работающего под большой токовой нагрузкой при температурах до 500°С, и позволяющего на его основе создать приборы и нагревательные системы для сушки различных поверхностей и материалов, и обогрева помещений.
Известен высокотемпературный нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов (RU 2091986, 1997), содержащий основание из стали, на нижней стороне которого расположены слой электроизоляционной эмали, толстопленочная резистивная дорожка, наружный электро- и теплоизоляционный слой. Электроизоляционный слой выполнен из тепловыравнивающего материала и нанесен поверх толстопленочной резистивной дорожки, а наружный слой - из теплозащитного и гидрофобного композиционного материала. Наружный слой выполнен, как минимум, в два раза толще предыдущего.
К недостаткам можно отнести ограниченность его функциональных возможностей, а именно то, что он передает тепло в обогреваемый объем в основном конвекцией или путем непосредственного контакта и не может использоваться в устройствах для сушки, например, лакокрасочных покрытий, и обогрева помещений.
Известен высокотемпературный нагревательный элемент [SU 1700773, 1991], состоящий из чередующихся резистивных и изоляционных слоев, которые выполнены из металлооксидных керметов, металлическая фаза которых представляет собой интерметаллическое соединение NiAl, в котором часть Al изоморфно замещена Cr при общем содержании Cr в сплаве 2,5%, а оксидная фаза - алюмооксидную керамику 96Al2O3+2TiO 2+2MnO2, причем в резистивных слоях металлическая фаза и оксидная находятся в соотношении 0,6:1,4 а в изоляционных слоях соответственно, как 1,6:4.
Известен резистивный пленочный нагреватель [RU 92016140, А, 1995], содержащий пленку из тугоплавкого соединения, нанесенную на изолирующую основу, выполненную из нитрида титана с определенным содержанием азота.
Известен толстопленочный резистивный элемент [RU 2054720, 1996]. Конструкция толстопленочного резистивного элемента содержит стальную подложку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным стекло содержащими слоями, между которыми расположен резистивный слой, в качестве материала изолирующего и защитного слоя использована толстопленочная паста на основе бесщелочных стекол, причем паста для изолирующего слоя выполнена на основе бесщелочного кристаллизующегося стекла, а паста для защитного слоя содержит бесщелочное стекло с керамическим наполнителем, при этом в качестве материала резистивного слоя использована толстопленочная паста на основе порошка никеля с добавками порошка хрома или нихрома и стеклосвязующего.
К недостаткам этих перечисленных нагревателей можно отнести нестабильность их параметров, недостаточная надежность, узкий диапазон питающего напряжения и значений удельной электрической мощности.
Известен нагревательный элемент [RU 44442, U1, 2005] в виде тонкослойного резистивного элемента, уложенного на поверхность нагрева заданной формы, при этом резистивный элемент выполнен из низкоомного материала в виде фольги или напыленного слоя, и включает один и более формообразующих элементов.
В нагревательном элементе из источника [RU 44442, U1, 2005] невозможно достичь достаточно высокой температуры поверхности, поэтому коэффициент полезного действия такого прибора невысок, что ограничивает область применение таких нагревателей.
Известен также нагревательный элемент для бытовых электронагревательных приборов [RU 10035, U1, 1999], содержащий основание из стали, верхняя сторона которого является рабочей поверхностью, а на нижней стороне нанесены слой электроизоляционной эмали, толстопленочная резистивная дорожка, содержащая по меньшей мере две спирали, образующие зоны нагрева, защитное диэлектрическое покрытие. Зоны нагрева выполнены в виде трех симметричных относительно центра
основания и замкнутых друг с другом секторов, а основание снабжено выполненной в центре его рабочей поверхности антидеформирующей канавкой.
Наличие в данном нагревательном элементе нескольких зон нагрева приводит к неравномерному нагреву металлической подложки и ее неравномерной деформации при термическом расширении. И, как следствие этого, при повышенных температурах происходит разрушение электроизоляционной эмали и прогорание резистивных дорожек из-за локального разогрева при электрическом пробое.
В качестве прототипа выбран нагреватель электрический плоский стальной [RU 2140134, 1999], содержащий стальную подложку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным стеклосодержащими слоями, между которыми расположен резистивный слой, в качестве материала резистивного слоя использована толстопленочная паста на основе соединения борида никеля, а в качестве материала изолирующего и защитного слоев использованы порошок либо толстопленочная паста на основе кристаллизующихся стекол-ситаллоцемента марки СЭ-3.
К недостаткам нагревателя можно отнести то, что он передает тепло в обогреваемый объем в основном конвекцией или путем непосредственного контакта и не может использоваться в устройствах для сушки, например, лакокрасочных покрытий, и обогрева помещений. А также к слабым моментам вышеуказанного нагревателя можно отнести низкую механическую прочность точечных электрических выводов нагревателя, изготовленного методом сеткотрафаретной печати, вследствие окислительных процессов, протекающих при температурах вжигания контактной пасты и приводящих к ее слабой адгезии с металлическими материалами. Процесс изготовления нагревателей не обеспечивает необходимого сцепления контактной пасты и жгута никелевой или нихромовой проволоки с резистивной дорожкой
Задачей полезной модели является создание нагревательного элемента, работающего в области повышенных температур (400-500°С), оригинальной многослойной конструкции с улучшенными техническими характеристиками за счет введения дополнительного защитного слоя, специального состава, позволяющего увеличить долю инфракрасного излучения в общем тепловом балансе нагревателя
Дополнительным преимуществом предлагаемого нагревательного элемента является его экологичность, проявляющаяся в том, что при его использовании в
окружающем пространстве уменьшение кислородной составляющей воздуха сводится к минимуму.
Поставленная задача достигается тем, что как и известный, заявляемый нагревательный элемент включает взаимосвязанные между собой и расположенные на одной стороне подложки внутренний электроизоляционный слой, нанесенный на него резистивный слой, расположенный между токоподводящими элементами и выполненный в виде, по меньшей мере, одного пленочного резистивного элемента.
Новым является то, что на противоположной излучающей стороне подложки расположен, по меньшей мере, один защитный слой, выполненный из композиционного материала на основе алюмофосфатного связующего, модифицированного частицами оксида железа в качестве наполнителя, кроме того, токоподводящие элементы размещены на внутреннем электроизоляционном слое и имеют протяженный контакт с резистивным слоем, при этом пленочный резистивный элемент включает, по меньшей мере, один формообразующий элемент.
Кроме того, соотношение наполнителя к связующему в композиционном материале защитного слоя равно 0,75-0,95.
Кроме того, толщина защитного слоя не должна превышать 300 мкм.
Кроме того, композиционный материал защитного слоя нанесен методом лакокрасочной технологии.
Кроме того, для лучшей адгезии защитного слоя к подложке проводят фосфотирование ее перед нанесением защитного слоя.
Кроме того, подложка имеет плоскую или криволинейную поверхность, например, сферическую.
Кроме того, подложка выполнена из металлического материала, например, коррозионно-стойкой жаропрочной стали, или из теплоизолирующего материала, например, керамики.
Кроме того, пленочный резистивный элемент выполнен из высокоомного материала, например, нихрома в виде фольги или напыленного слоя.
Кроме того, пленочный резистивный элемент представляет собой сплошной элемент.
Кроме того, пленочный резистивный элемент представляет собой элемент, на котором выполнена перфорация.
Кроме того, внутренний электроизоляционный слой выполнен из стеклосодержащего материала, например, ситаллоцемента.
Кроме того, внутренний электроизоляционный слой выполнен из композиции на основе кремнийорганических полимеров и природных силикатов.
Кроме того, на резистивном слое расположен электро- и/или теплоизоляционный слой.
Кроме того, электроизоляционный слой выполнен из органосиликатной композиции, например, ОС 92-186585.
Кроме того, теплоизоляционный слой выполнен из органосиликатной композиции с неорганическими наполнителями, например, тальком и/или окисью алюминия.
Нагревательный элемент (см. фиг.) включает подложку 1, внутренний электроизоляционный слой 2, нанесенный на него резистивный слой 3, расположенный между токоподводящими элементами 4, выполненный в виде, по меньшей мере, одного пленочного резистивного элемента 5. На противоположной излучающей стороне подложки 1 расположен защитный слой 6.
Нагревательный элемент изготавливают следующим образом.
Готовят поверхность подложки 1, в качестве которой используют жаропрочную коррозионно-стойкую сталь марок 12Х13, 20Х13, 15Х25Т, 08Х17Т или другие с аналогичными свойствами. В качестве материала подложки может быть использована керамика марки ВК 94. Обработку поверхности металлической подложки 1 осуществляют одним из двух способов: или химическим травлением в растворе ортофосфорной кислоты, или обработкой мелкодисперсным абразивным порошком карбида кремния или кварцевым песком на пескоструйной установке. Перед
нанесением внутреннего электроизоляционного слоя поверхность подложки 1 очищают от пыли, обезжиривают органическими растворителями, промывают и сушат.
Внутренний электроизоляционный слой 2 может быть выполнен из стеклосодержащего материала, например, ситаллоцемента марки СЭ-3. Пасту готовят на основе ситаллоцемента и органического связующего, на основе терпениола, составляющего 25-30 мас.% пасты. Нанесенный слой пасты подвергают сушке при температуре 140-160°С в течение 8-12 минут и вжигают в конвейерной печи при температуре 800-835°С, причем цикл вжигания составляет 35-50 минут.
Также внутренний электроизоляционный слой 2 может быть выполнен из композиции кремнийорганических полимеров и природных силикатов, которую наносят кистью или методом воздушного распыления.. После предварительной сушки электроизоляционного слоя 2 на воздухе в течение 50-60 минут его подвергают многоступенчатой термообработке в сушильном шкафу при температуре 50-70°С в течение 1 часа для испарения растворителя, затем при температуре 150-170°С в течение 90-120 минут для полимеризации и при температуре 250-300°С в течение 90-120 минут для сшивки макромолекул композиции.
Затем с помощью органосиликатной композиции присоединяют токоподводящие элементы 4, изготовленные из полосок нихромовой сетки или медной полосы. Композицию сушат на воздухе, затем подвергают ступенчатой термообработке в сушильном шкафу при температуре 50-70°С в течение 1 часа, затем при температуре 150-170°С в течение 90-120 минут и при температуре 250-300°С в течение 90-120 минут.
После этого между токоподводящими элементами 4 наносят резистивный слой 3. Для этого готовят композицию, представляющую собой суспензию на основе кремнийорганических полимеров-полисилаксанов с добавками электропроводящего вещества-пиролитического графита и порошков металлов (никеля, хрома, железа). Композицию наносят любыми методами, используемыми при нанесении лакокрасочных покрытий, например, методом распыления. Композицию наносят в виде сплошной пленки-слоя (в этом случае резистивный слой 3 представляет собой один сплошной пленочный резистивный элемент 5) равномерно по всей площади подложки 1, включая поверхность токоподводящих элементов 4 нагревателя. После сушки на
воздухе в течение 15-20 минут резистивный слой 3 подвергают ступенчатой термообработке при температуре 150-160°С в течение 90-120 минут и при 270-300°С в течение 50-60 минут. Резистивный слой 3 возможно наносить в несколько пленок-слоев, (предпочтительно 2-3 слоя, в этом случае резистивный слой 3 представляет собой несколько сплошных пленочных резистивных элементов 5). Каждый слой наносят аналогичным образом. Каждый пленочный резистивный элемент 5 может иметь определенную топологию или перфорацию.
Для защитного слоя 6 составляют композицию «связка-наполнитель». В качестве связки использовалась алюмофосфатная связка АФС-4. Алюмофофатную связку (АФС-4) готовят, растворяя гидроксид алюминия Al(ОН)3 в 85)%-ом растворе ортофосфорной кислоты и нагревая массу до 100°С в реакционном сосуде в течение 15-20 минут с последующим охлаждением. В качестве наполнителя используют полидисперсный порошок оксида железа с размером частиц до 1 мкм. Соотношение наполнитель-связка выбиралось в пределах 0,75-0,95. Изменение соотношения при изготовлении покрытий существенного влияния на коэффициент термического расширения не оказывает, однако благотворно сказывается на технологии нанесения покрытий и уменьшает возникновение брака при термообработке вследствие повышения эластичных свойств фосфатных цепей.
Защитный слой 6 наносится методом распыления, либо кистью или валиком на противоположную сторону подложки 1, поверхность которой для улучшения адгезии предварительно фосфатируют. Защитный слой 6 наносится в один или несколько слоев, предпочтительно 2-3 слоя, при этом суммарная толщина защитного слоя 6 не должна превышать 300 мкм. Увеличение толщины защитного слоя 6, как и более высокая температура термообработки уменьшает сцепление слоя с материалом подложки 1. После нанесения защитного слоя 6 нагревательный элемент сушат на воздухе 15-20 минут и далее в печи при температуре 150-160°С в течение 20-30 минут.
Изготовленный таким образом нагревательный элемент готов к использованию в различных приборах и нагревательных системах.
Для использования нагревательного элемента в приборах и нагревательных системах, требующих дополнительной защиты, предлагаются следующие варианты выполнения нагревательного элемента. Изготовленный вышеизложенным способом
нагревательный элемент, на резистивном слое которого расположен электро- и/или теплоизоляционный слой. Электроизоляционный слой готовят из органосиликатной композиции, например, ОС 92-186585. Теплоизоляционный слой готовят из органосиликатной композиции с неорганическими наполнителями, например, тальком и/или окисью алюминия. Наносят эти слои технологией, описанной выше.
Устройство работает следующим образом. После пропускания электрического тока через токоподводящие элементы 4 нагревателя происходит выделение тепла в резистивном слое 3 и нагрев подложки 1 до рабочей температуры 400°С. Тепловая энергия с поверхности нагревателя передается поверхностям, предметам и объемам, находящимся в зоне его действия, нагревая их преимущественно излучением волн инфракрасного спектра.
Нанесение дополнительного защитного слоя, выполненного из композиционного материала на основе алюмофосфатного связующего, модифицированного частицами оксида железа в качестве наполнителя, на противоположную излучающую сторону подложки существенно увеличивает долю инфракрасного излучения в общем балансе теплоотдачи. Использование предлагаемого нагревательного элемента, например, в сушильной камере инфракрасного типа уменьшает время сушки лакокрасочных покрытий в 1,4-1,6 раза.
1. Нагревательный элемент, включающий взаимосвязанные между собой и расположенные на одной стороне подложки внутренний электроизоляционный слой, нанесенный на него резистивный слой, расположенный между токоподводящими элементами и выполненный в виде, по меньшей мере, одного пленочного резистивного элемента, отличающийся тем, что на противоположной излучающей стороне подложки расположен, по меньшей мере, один защитный слой, выполненный из композиционного материала на основе алюмофосфатного связующего, модифицированного частицами оксида железа в качестве наполнителя, кроме того, токоподводящие элементы размещены на внутреннем электроизоляционном слое и имеют протяженный контакт с резистивным слоем, при этом пленочный резистивный элемент включает, по меньшей мере, один формообразующий элемент.
2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что соотношение наполнителя к связующему в композиционном материале защитного слоя равно 0,75-0,95.
3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что толщина защитного слоя не должна превышать 300 мкм.
4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что композиционный материал защитного слоя нанесен методом лакокрасочной технологии.
5. Элемент по п.1, отличающийся тем, что для лучшей адгезии защитного слоя к подложке проводят фосфотирование ее перед нанесением защитного слоя.
6. Элемент по п.1, отличающийся тем, что подложка имеет плоскую или криволинейную поверхность, например, сферическую.
7. Элемент по п.1 или 6, отличающийся тем, что подложка выполнена из металлического материала, например, коррозионно-стойкой жаропрочной стали, или из теплоизолирующего материала, например, керамики.
8. Элемент по п.1, отличающийся тем, что пленочный резистивный элемент выполнен из высокоомного материала, например, нихрома в виде фольги или напыленного слоя.
9. Элемент по п.1 или 8, отличающийся тем, что пленочный резистивный элемент представляет собой сплошной элемент.
10. Элемент по п.1 или 8, отличающийся тем, что пленочный резистивный элемент представляет собой элемент, на котором выполнена перфорация.
11. Элемент по п.1, отличающийся тем, что внутренний электроизоляционный слой выполнен из стеклосодержащего материала, например, ситаллоцемента.
12. Элемент по п.1, отличающийся тем, что внутренний электроизоляционный слой выполнен из композиции на основе кремнийорганических полимеров и природных силикатов.
13. Элемент по п.1, отличающийся тем, что на резистивном слое расположен электро- и/или теплоизоляционный слой.
14. Элемент по п.13, отличающийся тем, что электроизоляционный слой выполнен из органосиликатной композиции, например, ОС 92-186585.
15. Элемент по п.13, отличающийся тем, что теплоизоляционный слой выполнен из органосиликатной композиции с неорганическими наполнителями, например, тальком и/или окисью алюминия.
