способ изготовления композиционного гибкого электронагревателя поверхностного типа

Формула изобретения

1. Способ изготовления композиционного гибкого электронагревателя поверхностного типа, включающий формирование резистивного элемента на основе нетканого углеродного материала, закрепление на резистивном элементе токопроводящих металлических проводников, размещение резистивного элемента с токопроводящими проводниками между многослойными электроизоляционными покрытиями, пропитку всех слоев полимерным связующим, соединение их методом прессования, отличающийся тем, что перед закреплением токопроводящих проводников в месте их крепления с резистивным элементом наносят электропроводящий состав с перекрытием по ширине проводников, а после закрепления токопроводящих проводников поверх них наносят электропроводящий состав также с перекрытием по ширине проводников.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что закрепление токопроводящих проводников на резистивном элементе выполняют нанесением на них по всей площади рельефа в виде проколов со следующими параметрами: d(2h-0,l), мм, N=ЦЕЛОЕ (B/L-1), L>3 мм, где d - диаметр отверстия прокола; h - толщина резистивного элемента, мм; N - максимальное допустимое количество отверстий проколов в поперечном сечении проводника; В - ширина токопроводящего проводника, мм; L - расстояние между отверстиями проколов, мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротермии, а именно к электронагревателям поверхностного типа и может быть использовано для изготовления электронагревательных устройств бытового и технического назначения, например для радиаторов и конвекторов, для подогрева пищи, сушки материалов и изделий и т.п.

Известен способ изготовления гибкого электронагревательного элемента, описанного в патенте Франции 2171335, кл. Н 05 В 3/34, включающий формирование резистивного элемента из неметаллического материала, например графита со связующим (термореактивной смолы), закрепление на резистивном элементе токопроводящих проводников, размещение резистивного элемента с токопроводящими проводниками между электроизоляционными слоями и соединение всех слоев методом прессования.

Однако электронагревательный элемент, изготовленный по этому способу, быстро выходит из строя при удельной мощности нагрева 1,0 кВт/м² в связи с прогоранием резистивного элемента в области его соединения с металлическими токопроводящими контактами. Применяемые способы соединения путем сшивания, прижима металлических токопроводящих проводников к резистивному элементу не позволяют обеспечить надежные качественные контакты. В этих контактных зонах или по их периметру происходит выгорание резистивного элемента в связи с неравномерной электропроводностью, что выводит из строя электронагреватель.

Эти недостатки исключены в способе, описанном в патенте РФ 2088049, кл. Н 05 В 3/34. Этот способ изготовления композиционного гибкого электронагревателя поверхностного типа включает формирование резистивного элемента на основе нетканого углеродного материала, закрепление на резистивном элементе токопроводящих металлических проводников, размещение резистивного элемента с токопроводящими проводниками между многослойными электроизоляционными покрытиями, пропитку всех слоев полимерным связующим, соединение их методом прессования. Резистивный элемент из нетканого углеродного материала пропитан цементом или цементом с фторопластовым латексом. Электроизоляционные слои выполняют из стеклоткани с фторопластовым покрытием, а токопроводящие проводники соединяют с резистивным слоем электролитически.

Недостатком описанного способа изготовления нагревателя является существенная ограниченность области его применения, т.к. он не может быть применен для наиболее универсального по своим параметрам неметаллического материала резистивного элемента нагревателей поверхностного типа, которым в настоящее время является углеволокнистая электропроводящая бумага. Ее поверхностное сопротивление может находиться в диапазоне от 1,3 Ом до 7,5 кОм. Она выдерживает, после пропитки связующим, длительный нагрев до 110^oС и способна стабильно рассеивать удельную мощность до 2,5 кВт/м². При воздействии на углеволокнистую бумагу разогретым электролитом ее структура необратимо разрушается, параметры становятся неравномерными. Кроме того, серьезным недостатком прототипа является значительное усложнение технологического процесса, привлекающего сложную и неоднородную с другими применяемыми при изготовлении нагревателя технологиями операцию электролиза.

Задачей изобретения является расширение области применения способа изготовления нагревателя за счет создания качественного контакта токопроводящих проводников и резистивного элемента по более простой технологии, которая позволит использовать для изготовления резистивного элемента материалы, имеющие наибольшую равномерность параметров и наибольший диапазон поверхностных сопротивлений.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе изготовления композиционного гибкого электронагревателя поверхностного типа, включающем формирование резистивного элемента на основе нетканого углеродного материала, закрепление на резистивном элементе токопроводящих металлических проводников, размещение резистивного элемента с токопроводящими проводниками между многослойными электроизоляционными покрытиями, пропитку всех слоев полимерным связующим, соединение их методом прессования, согласно изобретению перед закреплением токопроводящих проводников в месте их крепления с резистивным элементом наносят электропроводящий состав с перекрытием по ширине проводников, а после закрепления токопроводящих проводников поверх них снова наносят электропроводящий состав также с перекрытием по ширине проводников.

Для повышения качества контакта токопроводящих проводников с резистивным элементом закрепление токопроводящих проводников на резистивном элементе проводят путем нанесения на них по всей площади рельефа в виде проколов со следующими параметрами: d(2h-0, l), мм, N=ЦЕЛОЕ(В/L-1), L>3 мм, где d - диаметр отверстия прокола; h - толщина резистивного элемента, мм; N - максимальное допустимое количество отверстий проколов в поперечном сечении проводника; В - ширина токопроводящего проводника, мм; L - расстояние между отверстиями проколов, мм.

По этим параметрам определяют эффективную площадь поперечного сечения токопроводящего проводника и по ней рассчитывают максимальный ток, потребляемый электронагревателем. Такой способ позволяет создать, используя простую технологию, качественный равномерный контакт между токопроводящими проводниками и резистивным слоем, устранив возможность возгорания в зоне контакта и обеспечив, благодаря высокой теплопроводности нанесенного слоя, выравнивание распределения температур по длине проводника. Использование такой технологии для создания качественного контакта между токопроводящими проводниками и резистивным слоем, однородной с другими технологиями, применяемыми при изготовлении электронагревателя, расширит класс материалов, используемых для изготовления резистивного элемента, позволит использовать для изготовления резистивного элемента материалы, имеющие наибольшую равномерность параметров и наибольший диапазон поверхностных сопротивлений.

На чертеже изображен поперечный разрез зоны контакта электронагревателя перед прессованием.

Способ осуществляется следующим образом. Производят раскрой резистивного элемента из углеволокнистой электропроводящей бумаги толщиной 0,3 мм с поверхностным сопротивлением 70 Ом. Наносят на зону контакта резистивного элемента 1 с токопроводящим проводником 2 с перекрытием по ширине проводников электропроводящий огнестойкий состав, например клей с длительным периодом полимеризации. Клей имеет следующий состав: щелочной силикат натрия 15-30%, карбоксиметилцеллюлоза 3-20%, поливинилацетатная эмульсия 2-20%, мелкодисперсное углеродное волокно типа "углен" или "грален" 10-60%, порошок никеля карбонильного марки Л5 0-20%, технический углерод мелкодисперсный 0-20%. Перекрытие по ширине проводников в зоне контакта 3 после нанесения клея составляет 2-3 мм. Вариацией количественного состава можно изменять вязкость клея и период его полимеризации в зависимости от применяемого способа его нанесения, а также его удельное сопротивление в пределах 10²-10⁶ Омм. Связующее клея пропитывает материал резистивного элемента и после полимеризации предохраняет при последующих операциях пропитки и прессования от проникновения полимерного связующего в зону контакта 3 между токопроводящим проводником и резистивным элементом. Большая часть электропроводящих частиц клея остается между токопроводящим проводником и резистивным элементом, уменьшая сопротивление контакта за счет увеличения площади контакта между материалом проводника и углеродными волокнами в теле резистивного элемента. На пропитанную клеем зону 3 накладывают и прижимают с давлением не менее 0,05 МПа до завершения периода полной полимеризации клея токопроводящий проводник 2 изготовленный, например, из отожженной медной шинки толщиной 0,03 мм. Ширина шинки определяется потребляемым током. Соединение токопроводящих проводников с резистивным элементом могут производить и другими методами, например сшиванием. Соединенные с резистивным элементом токопроводящие проводники покрывают сверху слоем описанного выше клея с перекрытием их по ширине на 2-3 мм. Это, во-первых, снижает сопротивление контакта за счет увеличения площади контакта между материалом проводника и углеродными волокнами на поверхности резистивного элемента в зоне контакта 4, во-вторых, выравнивает распределение сопротивления контакта по длине проводника, в-третьих, предохраняет зону контакта 4 от затекания связующего при пропитке и прессовании. Слой огнестойкого клея, обволакивающий токопроводящий проводник, предохраняет зону контакта от возгорания и благодаря высокой теплопроводности способствует выравниванию распределения температур по длине контакта.

Приготовленный описанным способом резистивный слой с прикрепленными к нему токопроводящими проводниками размещается между многослойными электроизоляционными покрытиями, состоящими, например, из стеклоткани Э-300, фильтровальной бумаги, стеклоткани Э-300, декоративной ткани или бумаги. Далее приготовленный таким образом многослойный пакет пропитывается полимерным связующим, например эпоксидной композицией ЭК-5, и прессуется под давлением 5 МПа при температуре 70198>С в течение 1 ч или холодным прессованием при температуре 25^oС, давлении 5 МПа, выдержке под давлением 1 ч с последующей выдержкой в неразомкнутом прессе 24 ч. Давление, температура и время выдержки выбираются в зависимости от необходимости достижения определенных механических свойств готового электронагревателя. В отпрессованном электронагревателе вскрываются контактные площадки, к которым припаиваются провода шнура питания и крепится защитная колодка.

Для повышения качества контакта токопроводящих проводников с резистивным элементом закрепление токопроводящих проводников на резистивном элементе проводят путем нанесения на них по всей площади рельефа в виде проколов со следующими параметрами: d(2h-0,1), мм, N=ЦЕЛОЕ(B/L-1), L<3 мм, где d - диаметр отверстия прокола; h - толщина резистивного элемента, мм; N - максимальное допустимое количество отверстий проколов в поперечном сечении проводника; В - ширина токопроводящего проводника, мм; L - расстояние между отверстиями проколов, мм.

Рельеф наносится, например, зубчатой накаткой после наложения медной шинки на пропитанную клеем зону. Параметры рельефа, а именно диаметр отверстий d и максимальное допустимое количество отверстий проколов в поперечном сечении токопроводящего проводника N, определяются толщиной h резистивного элемента и шириной В токопроводящего проводника. Диаметр отверстий прокола d(2h-0,1) мм, т.к. вырывы 5 материала токопроводящего проводника, образующиеся при деформации, не должны выходить за пределы резистивного элемента после прессования. Расстояние между отверстиями L должно быть больше 3 мм, чтобы сохранить механическую прочность токопроводящего проводника и резистивного элемента. При уменьшении d и увеличении L от указанных предельных значений сопротивление контакта будет возрастать и его качество ухудшаться, так как будет уменьшаться поверхность контакта между материалом проводника и углеродным наполнителем резистивного элемента. Максимальное допустимое количество отверстий проколов в поперечном сечении проводника N равно целому от (B/L-1). Далее по параметрам рельефа определяют эффективную площадь поперечного сечения токопроводящего проводника с нанесенным на нее рельефом по формуле S= (В-Nd)Н, где Н - толщина токопроводящего проводника, и по ней рассчитывают максимальный ток, потребляемый электронагревателем. Если эффективная площадь поперечного сечения S недостаточна для подвода тока необходимой величины либо уменьшают N, либо применяют токопроводящий проводник большего поперечного сечения.

Предлагаемый композиционный электронагреватель поверхностного типа с площадью резистивного элемента 0,38 м² и сопротивлением в холодном состоянии 53 Ом испытывался при напряжении питания 220 В, потребляя мощность 0,78 кВт при удельной мощности 2,1 кВт/м² и поддерживая равновесную температуру поверхности 110-120^oС при температуре окружающего воздуха 18^oС. Нагреватель прошел испытание в течение 30 суток без видимых изменений. Усредненные результаты сравнительных испытаний на разрушение контакта при перегреве 75 нагревателей, из которых 25 были выполнены по известном способу, 25 по предлагаемому способу без создания рельефа на токопроводящих проводниках, а 25 с созданием рельефа на токопроводящих проводниках при соблюдении одинаковых режимов, приведены в таблице (площадь нагревателей при равных габаритах равна 0,38 м²). Разрушение нагревателей определялось по началу интенсивного изменения цвета нагревателей в зоне контактов с одновременным появлением дыма при равной скорости подъема напряжения (U₀=220 В, t=5 мин, U=10 В). Из приведенных в таблице данных видно, что сопротивление нагревателя в холодном состоянии уменьшается для нагревателей, выполненных по предлагаемому способу, что свидетельствует об уменьшении сопротивления контакта между токопроводящими проводниками и резистивным элементом. Рост предельной температуры нагревателя вдали от зоны контакта и рост удельной мощности в состоянии перегрева контактов свидетельствует о существенно большей равномерности и стабильности сопротивления контактов, повышении эксплуатационной надежности и допустимой длительно потребляемой удельной мощности электронагревателей.

Предлагаемый способ позволит расширить область применения за счет создания качественного контакта между токопроводящими проводниками и резистивным элементом по более простой технологии, позволяющей, кроме того, использовать в качестве резистивного слоя материалы, имеющие наибольшую равномерность параметров и наибольший диапазон удельных поверхностных сопротивлений.