Гибкий электронагреватель

 

Изобретение относится к теплоэлектротехнике, в частности, к гибким электронагревателям, и может быть использовано при создании систем обогрева, например, жилых и промышленных зданий. Композиционный гибкий электронагреватель содержит тканый резистивный элемент с электродами в качестве армирующего материала и электроизоляционный полимерный материал в качестве матрицы. Основу ткани резистивного элемента составляют нити: изоляционные, высокотеплопроводные и электродные, а уток - электропроводящие нити. Электроизоляционный материал в поперечном сечении образует не менее трех зон. Нагреватель обладает стабильными оптимизированными теплофизическими и механическими характеристиками. 2 ил.

Изобретение относится к теплоэлектротехнике, в частности, к гибким электронагревателям и может быть использовано при создании систем обогрева жилых и производственных зданий и других объектов.

Предшествующий уровень техники.

В настоящее время в разработках гибких электронагревателей появилась необходимость универсализации конструкций и оптимизации параметров их работы.

Известные на данный момент слоистые гибкие электронагреватели, как правило, рассчитаны на более или менее частные условия работы, что находит отражение в их конструкциях.

Наибольшие гибкие электронагреватели не выдерживают попыток увеличения их размеров и рабочих параметров, как по механическим (например, излишняя жесткость и недостаточная прочность электродов), так и по электро- и теплотехническим (например, неравномерное распределение удельной мощности по поверхности нагревателя, приводящее к неравномерности распределения тепла) характеристикам.

Длинномерные электронагревательные материалы при их разрезании на более короткие с целью оформления, например небольшого панельного нагревателя, требуют дополнительных усилий по герметизации отрезанных кромок, в свою очередь, нарушающей равномерность толщины изоляции, следовательно, и равномерность прогрева.

Во всех случаях надежность гибкого нагревателя при попытках его модификации подвергается сомнению, усугубляющемуся слоистостью известных конструкций. Повреждения при этом проявляются в виде расслоений, трещин, обрывов электродов и других дефектов.

Известен гибкий электронагреватель, содержащий тканый резистивный слой с приклеенными к нему электродами и изоляционное покрытие, охватывающее резистивный слой с электродами с обеих сторон [1].

Известный гибкий электронагреватель недостаточно надежен при длительной эксплуатации в любых его модификациях ввиду механического (клеевого или швейного) соединения его электродов с резистивным слоем. При многократных изгибных нагрузках по месту соединения произойдет обрыв или расслоение.

Известны гибкие электронагреватели, содержащие резистивные слои в виде ткани из токопроводящих и изоляционных нитей и электроды, выполненные из металлизированных нитей, огибающих токопроводящие нити резистивного слоя [2, 3].

В известных электронагревателях резистивный слой обладает более высокой гибкостью благодаря введению электродов в структуру его ткани. Однако параллельные металлизированные нити электродов не обеспечивают необходимую жесткость электродов при попытке увеличения длины электронагревателя. Кроме того, достигнутая гибкость резистивного слоя снижается в результате облицовки его слоями стеклопластика, что само по себе сопряжено с опасностью расслоений.

Известен гибкий электронагреватель, содержащий электроизоляционный с обеих сторон полимерным материалом тканый резистивный элемент с электродами одинаковой толщины, размещенными на заданном расстоянии по краям резистивного элемента, введенными в структуру ткани, уток которой выполнен из электропроводящих нитей, огибающих основные, включающие изоляционные нити и электродные, выполненные из скрученных в 2-3 сложения металлизированных нитей [4].

Известный электронагреватель обладает всеми вышеописанными недостатками, несмотря на то, что жесткость его электродов несколько ближе к жесткости резистивного слоя благодаря использованию скрученных между собой нитей.

Известный электронагреватель по патенту SU N 1820993 по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому изобретению и выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка такой конструкции гибкого электронагревателя, механическая прочность и теплофизические характеристики которого были бы устойчивыми при любой (в разумных пределах) конфигурации и любых линейных размерах резистивного поля, а его изоляция являлась бы неотъемлемой частью и составляла бы одно целое с резистивным элементом.

Технический результат, который может быть получен при использовании данного изобретения, заключается в повышении эксплуатационной надежности конструкции.

Для решения поставленной задачи гибкий электронагреватель, содержащий электроизолированный с обеих сторон полимерным материалом тканый резистивный элемент с электродами одинаковой толщины, размещенными на заданном расстоянии по краям резистивного элемента, введенными в структуру его ткани, уток которой выполнен из электропроводящих нитей, огибающих основные, включающие изоляционные нити и электродные, выполненные из скрученных по 5-10 металлизированных нитей, согласно изобретению, выполнен в виде композиционного изделия и содержит в качестве армирующего материала резистивный элемент с электродами, расстояние между которыми связано с полной длиной уточной нити с учетом огибания ею нитей основы соотношением 1<b/b≅1,5, а в качестве матрицы - электроизоляционный материал, образующий в поперечном сечении не менее трех зон: центральную - легкоплавкую, включающую резистивный элемент с электродами, имеющую температуру плавления выше температуры эксплуатации электронагревателя, промежуточную - среднеплавкую, примыкающую с обеих сторон к центральной, и наружную - тугоплавкую, причем, электрическая прочность материала тугоплавкой зоны на порядок больше электрической прочности материала легкоплавкой зоны, а толщина h легкоплавкой зоны связана с толщиной H резистивного элемента и толщиной электрода H1 следующими соотношениями: при H>H1 h≥H/2, при H<H1 h≥H1/2, при этом в основу резистивного элемента между электродами введено и равномерно распределено расчетное количество нитей с теплопроводностью на 2-3 порядка выше теплопроводности изоляционных нитей, в виде пучков, диаметр которых не превышает толщины H1 электрода, а скрученные металлизированные электродные нити основы образуют тросообразные пучки общим диаметром, равным заданной толщине электрода H1, с образованием электрода, ширина которого определяется выражением b₀=I²r/n₀, где I - ток, протекающий через электрод, r - линейное сопротивление электрода, n₀ - удельная (поверхностная) мощность резистивного элемента, причем суммарная механическая жесткость электродов при растяжении гибкого электронагревателя вдоль основы не превышает механическую жесткость резистивного элемента без учета электродов.

Отличительными особенностями гибкого электронагревателя предложенной конструкции являются следующие признаки: - выполнение гибкого электронагревателя в виде композиционного изделия, содержащего в качестве армирующего материала резистивный элемент с электродами, а в качестве матрицы - многозонный электроизоляционный материал, образующий в поперечном сечении не менее трех зон: центральной - легкоплавкой, промежуточной, примыкающей с обеих сторон к центральной - среднеплавкой и наружной - тугоплавкой, причем электрическая прочность материала тугоплавкой зоны на порядок больше электрической прочности материала легкоплавкой зоны; - размещение в центральной, легкоплавкой зоне, имеющей температуру плавления выше температуры эксплуатации электронагревателя, резистивного слоя с электродами; - связь толщины h легкоплавкой зоны с толщиной H резистивного слоя и толщиной электродов H1 соотношениями: при H>H1 h≥H/2, при H<H1 h≥H1/2; - определение расстояния b между электродами по соотношению I<b/b≅1,5, где b_Н - полная длина уточной нити с учетом огибания ею нитей основы; - размещение равномерно распределенных между изоляционными нитями основы расчетного количества нитей с теплопроводностью на 2-3 порядка выше теплопроводности изоляционных нитей; - размещение вышеуказанных нитей с высокой теплопроводностью в виде пучков, диаметр которых не превышает толщины H1 электрода;
- объединение скрученных металлизированных электродных нитей основы в тросообразные пучки общим диаметром, равным толщине H1 электрода;
- образование из тросообразных пучков металлизированных нитей электродов с шириной, определяемой выражением:
b₀=I²r/n₀,
где
I - ток, протекающий через электрод, r - линейное сопротивление электрода, n₀ - удельная (поверхностная) мощность резистивного элемента;
- выполнение электродов с суммарной механической жесткостью, не превышающей механическую жесткость резистивного элемента при растяжении вдоль основы, взятого без учета электродов.

Указанные отличительные конструктивные признаки предлагаемой конструкции являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно они направлены на решение поставленной задачи.

В заявляемом гибком электронагревателе резистивный элемент интегрирован с электроизоляционным материалом в процессе изготовления за счет проникновения легкоплавкой части электроизоляционного материала в структуру резистивного элемента на всю его толщину, в результате чего исключается поступление кислорода воздуха к резистивным нитям и обеспечиваются заданные электроизоляционные свойства по всей ширине нагревателя.

Подбор температур плавления всех зон электроизоляционной матрицы производится, исходя из температуры эксплуатации электронагревателя, а их толщины определяются максимальной толщиной резистивного элемента и заданными электроизоляционными свойствами электронагревателя.

Подбор электрической прочности материала наружной зоны полимерной электроизоляционной матрицы осуществлялся, исходя из требований к электрической прочности электронагревателя.

В заявляемой конструкции электронагревателя оптимизированы параметры резистивного элемента. Так, достаточно точно определяется полная длина уточной токопроводящей нити в зависимости от заданного расстояния между электродами. Изменения полной длины, учитывающей огибание уточной нитью основы, влияют на изменение электрического сопротивления этой нити и позволяют влиять на выбор удельной мощности электронагревателя.

Внедрение в основу резистивного элемента между ее изоляционными нитями нитей с теплопроводностью, на несколько порядков превышающей теплопроводность изоляционных нитей, позволяет, увеличивая зону отдачи и перераспределения тепла от токопроводящих уточных нитей, избежать их локального перегрева, получить более равномерное температурное поле электронагревательного элемента и повысить его надежность.

Для обеспечения надежной работы в заявляемом гибком электронагревателе оптимизированы и параметры электродов. Так ширину электродов расчитывают по приведенной выше формуле таким образом, чтобы их температура при прохождении электрического тока была равна температуре резистивного элемента между электродами (греющего поля). Для предотвращения обрывности электродов, что особенно необходимо для длинномерных нагревателей, их жесткость повышают путем объединения отдельных скрученных по 5-10 металлизированных нитей в пучки для образования тросообразных электродов.

Механическая жесткость электродов при растяжении в продольном направлении увязана с соответствующей механической жесткостью резистивного элемента между электродами таким образом, чтобы последняя была не меньше первой.

Таким образом, в заявляемом техническом решении учтены особенности выполнения всех без исключения элементов электронагревателя с точки зрения их надежности, что оказалось возможным благодаря оптимизации параметров нагревателя, исходя из задаваемых условий эксплуатации.

Краткое описание чертежей.

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами, на которых фиг. 1 изображает общий вид заявляемого гибкого нагревателя, а фиг. 2 - поперечный разрез нагревателя с изображением зон электроизоляционной матрицы.

Пример реализации изобретения. Композиционный гибкий электронагреватель содержит резистивный элемент 1 с электродами 2 в качестве армирующего материала и многозонный электроизоляционный полимерный материал 3 в качестве матрицы (см. на фиг. 1).

Резистивный элемент 1 выполнен из электопроводящих уточных нитей 4, переплетенных с изоляционными нитями 5, высокотеплопроводными 6 и электродными нитями 7 (см. на фиг. 2), составляющими основу резистивного элемента 1.

В качестве электропроводящих уточных нитей 4 могут быть использованы углеродные нити, а также стеклянные или синтетические, пропитанные или покрытые токопроводящими составами.

В качестве изоляционных нитей 5 могут быть использованы хлопковые, льняные, стеклянные или синтетические нити.

В качестве высокотеплопроводных нитей 6, выбираемых пучками, могут быть использованы тонкие металлические проволоки, металлизированные (например, мишурные) синтетические нити.

Электродные нити 7 могут быть выполнены, например из мишурных нитей, скрученных по 5-10 в тросообразные пучки 8, которые, в свою очередь, будучи расположенными в одной плоскости, образуют электроды 2. Диаметр набранных пучков 8 электродных нитей 7, а также пучков высокотеплопроводных нитей 6 не должен превышать заданной толщины H1 электрода 2. Ширина электрода b₀ определяется вышеупомянутым выражением. Расстояние между электродами 2 и полная длина уточной нити 4 с учетом огибания ею нитей основы 5, 6 и 7 определяется соотношением I<b/b≅1,5.

Электроизоляционный материал 3 выполнен из 3 зон A, B и C, образуемых при соединении 2 совместимых материалов: одного - с относительно низкой температурой плавления (зона C), которая все же должна быть выше температуры эксплуатации нагревателя, и другого - с высокой относительно первого температурой плавления (зона A), соединенных, например диффузионной сваркой или методом соэкструзии и проникновением материалов друг в друга на молекулярном и надмолекулярном уровнях с образованием промежуточной средней диффузионной зоны B, содержащей молекулы обоих материалов.

Примером такого электроизоляционного материала является полиэтилен-лавсановый материал, полиэтиленовая часть которого заполняет структуру резистивного элемента на всю его толщину, связывает токопроводящие, изоляционные, высокотеплопроводные и электродные нити и не допускает их взаимодействия с кислородом воздуха, а лавсановая - обращена наружу и обеспечивает постоянную гарантированную толщину электрической изоляции по всей ширине электронагревателя, причем, электрическая прочность лавсана приблизительно в 10 раз выше электрической прочности полиэтилена.

Толщина легкоплавкой зоны должна быть достаточной для проникновения на всю толщину резистивного элемента, включая зоны электродов, поэтому ее определяют в зависимости от толщины греющего поля, если эта толщина больше толщины электродов, или в зависимости от толщины электродов, если их толщина больше толщины греющего поля.

В подтверждение разработанной конструкции и предложенных соотношений в промышленных условиях был изготовлен гибкий композиционный нагреватель со следующими характеристиками:
напряжение 42 В;
удельная мощность 100 Вт/кв. м;
расстояние между шинами 250 мм;
ширина электрода 25 мм;
максимальная эксплуатационная длина 15 м.

Изготовленный гибкий композиционный электронагреватель был испытан и подтвердил свою надежность.

Формула изобретения

Гибкий электронагреватель, содержащий электроизоляционный полимерный материал с обеих сторон тканого резистивного элемента с электродами одинаковой толщины, размещенными на заданном расстоянии по краям резистивного элемента, введенными в структуту его ткани, уток которой выполнен из электропроводящих нитей, огибающих нити основы, включающие изоляционные нити и электродные, выполненные из скрученных металлизированных нитей, отличающийся тем, что он выполнен в виде композиционного нагревателя, содержащего в качестве армирующего материала резистивный элемент с электродами, расстояние b между которыми связано с полной длиной b_н уточной нити с учетом огибания ею нитей основы соотношением 1 < b_н/b ≅ 1,5, а в качестве матрицы - электроизоляционный полимерный материал, образующий в поперечном сечении не менее трех зон: центральную - легкоплавкую, включающую резистивный элемент с электродами, с температурой плавления выше температуры эксплуатации электронагревателя, промежуточную - среднеплавкую, примыкающую с обеих сторон к центральной, и наружную - тугоплавкую, причем, электрическая прочность материала тугоплавкой зоны на порядок больше электрической прочности материала легкоплавкой зоны, а толщина h низкоплавкой зоны связана с толщиной H резистивного элемента и толщиной H1 электрода следующими соотношениями: при H > H1 h ≥ H/2, при H < H1 h ≥ H1/2, при этом в основу резистивного элемента между электродами введено в виде пучков, диаметр которых не превышает толщины H1 электрода, и равномерно распределено между нитями основы расчетное количество нитей с теплопроводностью на 2 - 3 порядка выше теплопроводности изоляционных нитей основы, а скрученные металлизированные электродные нити основы образуют тросообразные пучки общим диаметром, равным заданной толщине H1 электрода, с образованием электрода, ширина которого определяется выражением:
B₀ = I²r / n₀,
где I - ток, протекающий через электрод, r - линейное сопротивление электрода, n₀ - поверхностная удельная мощность резистивного элемента,
причем суммарная механическая жесткость электродов при продольном растяжении не превышает соответствующей механической жесткости резистивного элемента без учета электродов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2