Пластинчатый электронагреватель

 

Использование: изобретение относится к электронагревательным устройствам, а более конкретно резистивным нагревательным элементам плоской формы с поверхностным тепловыделением, используемым для регулируемого нагрева обьемов, поверхностей текучих и сыпучих сред. Сущность изобретения: нагреватель содержит диаэлектрическую подложку с ленточными токоподводами, тонкослойное электропроводное покрытие, распределенный по поверхности терморезистор, выполненный в виде бифилярной зигзагообразной ленты. При этом подложка совместно с токопроводами и терморезистором изготовлена в виде печатной платы. Электропроводное покрытие нанесено на подложку сверху печатных дорожек и электроизолировано относительно терморезистора. Конструкция предлагаемого электронагревателя позволяет реализовать возможность малоинерционного терморегулирования при его нагреве. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электронагревательным устройствам, а более конкретно к резистивным нагревательным элементам плоской формы с поверхностным тепловыделением, которые наиболее целесообразно использовать для регулируемого нагрева объемов и поверхностей, а также управляемого интенсивного нагрева текучих и сыпучих сред.

Известна конструкция пластинчатого электронагревателя, содержащего подложку из изоляционного материала, полупроводниковый слой и пару токоподводов [1] Данный нагреватель обладает максимальной структурной сплошностью и наибольшей пропускной способностью по току. Однако при неравномерных граничных условиях поверхностного теплообмена, например, при вертикальной естественной конвекции, возникает неравномерность температурного поля в тонкослойном электропроводном покрытии.

В конечном итоге это может привести к местным перегревам покрытия, что снижает надежность и долговечность нагревателя.

Таких перегревов удалось избежать в конструкции другого пластинчатого нагревателя за счет наклеивания поверх спирального нагревательного элемента терморезистора в виде пленки из термостойкого материала с отрицательным ТКС [2] На указанную пленку наклеена электропроводная пластина с зеркальной поверхностью, теплоизолированная термостойким материалом.

Таким образом, в данной конструкции предусматривается контроль среднеинтегральной температуры тепловыделяющей поверхности нагревателя. Однако, поскольку нагревательный элемент является не сплошным, то терморезистор будет реагировать не на среднеинтегральную температуру поверхности непосредственно нагревательного элемента, а на среднеинтегральную температуру тепловыделяющей поверхности, которая может иметь значительные перепады температуры из-за спиральной конструкции нагревательного элемента.

Наличие в конструкции электропроводящей, а следовательно, и теплопроводящей отражающей пластины вызывает дополнительное осреднение температуры по тепловыделяющей поверхности.

Таким образом, при существенном и резком изменении (ухудшении) внешнего теплообмена по сравнению с расчетным, например, при частичном или полном вынимании нагревателя из нагреваемой жидкости может произойти быстрый локальный (местный) перегрев спирального элемента и выход его из строя до того момента, пока интегральное изменение сопротивления терморезистора не вызовет отключение нагрева.

В связи с вышеизложенным предлагается конструкция пластинчатого электронагревателя, включающего сплошное тонкослойное электропроводное покрытие и снабженного распределенным по поверхности терморезистором, который расположен на подложке между токоподводами под электропроводным покрытием или вне покрытия на свободной поверхности подложки.

Терморезистор выполнен в виде узкой бифилярной зигзагообразной ленты. При этом подложка совместно с токоподводами и терморезистором выполнена в виде печатной платы, а тонкослойное электропроводное покрытие нанесено на подложку сверху печатных дорожек, включая внешние границы токоподводов. Электропроводный слой может быть выполнен, например, из электропроводной эмали типа АК 5260 толщиной не менее двух толщин токоподводов. В ряде случаев, особенно для использования нагревателя в установках с высокой интенсивностью теплообмена, электропроводное покрытие с токоподводами может быть размещено с обеих сторон подложки.

Выполнение терморезистора распределенным по всей поверхности нагревателя и размещение его между электропроводным слоем и подложкой, т.е. в самом теплонапряженном месте конструкции, гарантирует малую тепловую инерционность датчика и, следовательно, практически мгновенное формирование сигнала на отключение нагревателя.

Указанная форма выполнения резистора исключает наведение в нем индуктивных токов, обусловленных воздействием переменного электрического поля в электропроводном покрытии, т.е. исключает искажение сигнала управления, формируемого терморезистором.

Выполнение подложки совместно с токоподводами и терморезистором в виде печатной платы позволяет обеспечить миниатюризацию, высокое качество и надежность конструкции.

Нанесение на подложку с токоподводами тонкослойного электропроводного покрытия из электропроводной эмали типа АК 5260, имеющей хорошую адгезию как с металлом (медные токоподводы), так и с диэлектрической подложкой (стеклотекстолит), толщиной не менее, чем в два раза превышающей толщину токоподводов, позволяет обеспечить надежный электрический контакт токоподводов с электропроводным слоем. Все это позволяет добиться стабильных электротепловых параметров и высокой надежности конструкции электронагревателя.

Размещение электропроводного покрытия с двух сторон подложки позволяет при меньшей плотности тока в резистивном покрытии обеспечить требуемую теплопроизводительность нагревателя, что в конечном итоге повышает его долговечность.

Размещение терморезистора на подложке вне электропроводного покрытия позволяет вести управление тепловым режимом нагревателя по температуре теплоемкой среды нагревания, что расширяет возможные области эффективного использования предлагаемого нагревателя, в частности, в режиме термостатирования.

На фиг. 1 представлен пластинчатый электронагреватель, вид в плане; на фиг. 2 показано поперечное сечение электронагревателя с односторонним нанесением электропроводного покрытия; на фиг. 3 сечение нагревателя с двусторонним электропроводным слоем; на фиг. 4 сечение нагревателя с размещением терморезистора вне электропроводного покрытия, в частности на противоположной размещению электропроводного покрытия стороне подложки.

Пластинчатый электронагреватель содержит диэлектрическую подложку 1, например, из термостойкого стеклотекстолита, с расположенными на ней токоподводами 2, выполненными из медной фольги, и терморезистором 3 в виде бифилярной ленты из того же материала, что и токоподводы, ширина которой равна зазору между ее петлями. Сверху токоподводов 2 и терморезистора 3 на подложку 1 нанесено тонкослойное электропроводное покрытие 4, электроизолированное относительно терморезистора 3 диэлектрическим слоем 5. Сверху электропроводного покрытия 4 нанесен декоративный изоляционный слой 6.

Если электронагреватель выполнен двусторонним, т.е. покрытие 4 размещено на обеих сторонах подложки 1, то под каждым слоем покрытия 4 размещен свой терморезистор 3, (см. фиг. 3).

Возможны варианты дополнительного размещения терморезистора вне электропроводного покрытия 4. При этом дополнительный терморезистор 3 может размещаться как на обратной стороне подложки 1, если электропроводный слой 4 односторонний (см. фиг. 4), так и на свободной площади подложки 1.

Электронагреватель работает следующим образом.

При подаче электропитания на токоподводы 2 через электропроводный слой 4 протекает электрический ток. В результате происходит прямое преобразование электрической энергии в тепловую. При этом разогрев покрытия 4 будет происходить до тех пор, пока количество выделяемого согласно закона Джоуля-Ленца тепла не станет равным количеству тепла, отводимого в окружающую (нагреваемую) среду. Если среда не может полностью поглотить выделенное тепло, то температура электропроводного слоя 4 повышается. Одновременно повышается и температура зигзагообразной ленты терморезистора 3, размещенного между электропроводным слоем 4 и диэлектрической подложкой 1. Так, например, может произойти в том случае если электронагреватель, предназначенный для нагрева воды, резко вынуть из нее, и вследствие этого быстро начнет повышаться температура электропроводного слоя 4 и одновременно расположенного под ним терморезистора 3. Так как материал терморезистора (медь) имеет положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), то его омическое сопротивление начнет возрастать. При этом учитывая, что терморезистор 3 расположен в самом теплонапряженном месте (см. фиг. 2), а тепловая инерционность его при толщине зигзагообразной ленты 0,03.0,05 мм и ширине 0,2.0,3 мм крайне мала, рост температуры терморезистора, а следовательно, и его сопротивление практически не будет отставать от темпа нагрева электропроводного слоя 4.

В момент достижения в резисторе порогового значения его омического сопротивления в электронном блоке терморегулирования (на чертежах не показано) сформируется сигнал на отключение электропитания нагревателя и произойдет его аварийное отключение.

Если пластинчатый электронагреватель предназначен для работы в режиме термостатирования, т.е. нагревания среды до определенной температуры и последующего поддержания ее на заданном уровне, то в качестве управляющего элемента используется терморезистор 3, расположенный вне электропроводного слоя, например на противоположной стороне подложки 1 (см. фиг. 4). В этом случае указанный терморезистор по мере нагревания и остывания среды периодически формирует сигнал для терморегулятора на отключение и включение питания электронагревателя. Механизм формирования сигнала на отключение электропитания аналогичен рассмотренному выше.

После отключения напряжения питания температура нагревателя, а следовательно, и нагреваемой среды, постепенно начинает понижатьcя. Одновременно, практически не отставая, уменьшается и температура медной ленты терморезистора 3. В момент достижения минимально допустимого значения температуры терморезистор имеет минимальное омическое сопротивление.

В терморегуляторе формируется сигнал на включение электропитания нагревателя. В рабочем режиме рассматриваемого нагревателя указанные циклы управления будут повторяться с частотой, зависящей от тепловой инерционности среды и электрической мощности нагревателя.

При этом температура среды будет поддерживаться равной заданной с допустимой точностью.

Формула изобретения

1. ПЛАСТИНЧАТЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ, содержащий диэлектрическую подложку, тонкослойное электропроводное покрытие, два ленточных токоподвода и распределенный по поверхности терморезистор, отличающийся тем, что терморезистор расположен между токоподводами под электропроводным покрытием, выполнен в виде бифилярной зигзагообразной ленты, при этом подложка совместно с токоподводами и терморезистором выполнена в виде печатной платы, а электропроводное покрытие нанесено на подложку сверху печатных дорожек, включая внешние границы токоподводов, и электроизолировано относительно терморезистора.

2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что печатная плата выполнена двусторонней и электропроводное покрытие нанесено с двух сторон подложки.

3. Пластинчатый электронагреватель, содержащий диэлектрическую подложку, тонкослойное электропроводное покрытие, два ленточных токоподвода и распределенный по поверхности терморезистор, отличающийся тем, что терморезистор расположен на части диэлектрической подложки, свободной от электропроводного покрытия, и выполнен в виде бифилярной зигзагообразной ленты, при этом подложка совместно с токоподводами и терморезистором выполнена в виде печатной платы, а электропроводное покрытие нанесено на подложку поверх ленточных токоподводов, включая их внешние границы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4