Саморегулируемый нагревательный элемент с электросопротивлением
Настоящее изобретение относится к саморегулируемым нагревательным элементам с электросопротивлением, устройствам, содержащим такие нагревательные элементы, и способам их изготовления. Саморегулируемый нагревательный элемент с электросопротивлением (10) включает в себя подложку (12), содержащую электропроводящее покрытие (12а), служащее первым электрическим контактом (18), расположенным на одной из сторон слоев оксидов металла. На указанном электропроводящем слое (12а) размещен первый оксид металла (14) с положительным температурным коэффициентом сопротивления. На слой первого оксида металла нанесен, с образованием последовательного электрического соединения, слой второго оксида металла (16) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, поверх которого расположен второй электрический контакт (20). Второй слой оксида металла (16) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления нанесен на элемент способом, при котором отсутствует изменение его резистивных характеристик (свойств). Техническим результатом является получение элементов с заданными характеристиками, уменьшение вероятности отказа в работе. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к саморегулируемым нагревательным элементам с электросопротивлением, устройствам, содержащим такие нагревательные элементы, и способам их изготовления.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Обычные электронагревательные элементы, трубчатые экранированные либо изготовленные методом трафаретной печати, не являются саморегулируемыми; и при подключении к источнику питания продолжают нагреваться до тех пор, пока не выйдут из строя.
Для безопасного использования таких элементов в приборах их включают последовательно с определенным термочувствительным органом управления, который отключает электропитание при достижении заданной степени нагрева.
Работа таких термочувствительных органов управления основана на способности содержащихся в них биметаллических элементов различной формы деформироваться, при заданной температуре, совершая при этом механическое действие, обеспечивающее размыкание питающих контактов, а следовательно, и отключение этих элементов от источника питания.
Такие термочувствительные биметаллические и аналогичные органы управления широко используются и изготавливаются в соответствии с высококачественными стандартами; обычно они представляют собой механические устройства, которые, как и все механические изделия массового производства, подвержены вероятности отказа, возрастающей по мере использования.
Эксплуатационный отказ термочувствительных органов управления вызывает перегрев и саморазрушение связанных с ними элементов, представляющие потенциально катастрофическую опасность для пользователя.
Известны электронагревательные элементы, обладающие свойствами саморегулирования, которые изготовлены из различных материалов, например титаната бария, легированных другими металлами в небольших количествах. При возрастании температуры до точки Кюри, известной также как «температура скачка сопротивления», их сопротивление увеличивается в несколько десятков раз. Однако такие нагревательные элементы имеют множество ограничений, серьезно лимитирующих их широко распространенное использование. Некоторые из них будут изложены ниже.
Основным недостатком легированных титанатов бария является то, что удельное сопротивление таких материалов в диапазоне от температуры окружающей среды до температуры скачка сопротивления или температуры точки Кюри не постоянно, а уменьшается постепенно, по мере возрастания температуры до максимального значения.
Еще один недостаток заключается в том, что скорость и величина уменьшения сопротивления в таких материалах значительно меняются в зависимости от состава и концентрации легирующих примесей или их комбинации.
В соответствии с вышеизложенным в процессе эксплуатации сопротивление нагревательных элементов, изготовленных из таких составов (композиций), значительно уменьшается от значения, измеренного при температуре окружающей среды, до значения температуры скачка сопротивления или температуры точки Кюри, составляющего до половины исходного сопротивления. Более того, такое уменьшение непредсказуемо.
Вышеупомянутые недостатки ставят изготовителей бытовых электроприборов и других пользователей таких элементов перед проблемой выбора, из материалов с каким сопротивлением изготавливать такие элементы, чтобы максимально увеличить выходную мощность.
Для разъяснения, рассмотрим использование обычного элемента в бытовом водонагревательном приборе, работающем от однофазного источника переменного напряжения 230 В.
Максимально допустимый ток бытовых электроприборов на напряжение 230 В составляет 13 А, и согласно Закону Ома максимальная выходная мощность таких приборов составляет около 3 киловатт, а минимальное сопротивление используемого нагревательного элемента 17.7 Ом.
Сопротивление таких обычных элементов действительно немного увеличивается по мере возрастания рабочей температуры, однако только примерно на 1-2%. Следовательно, максимальное выделение элементом тепла и передача этой энергии воде происходят при минимальной температуре и немного уменьшаются только по достижении точки кипения.
Аналогичные ограничения по мощности и току распространяются на элементы из легированного титаната бария, так что минимальное сопротивление 17.7 Ом будет при температуре, близкой к температуре скачка сопротивления или Точки Кюри, а более высокое сопротивление - при температуре окружающей среды. При условии, что сопротивление в соответствующем диапазоне температур уменьшается, скажем, на 25%, типовой легированный элемент из титаната бария должен быть изготовлен с внешним сопротивлением 23.6 Ом. С помощью закона Ома можно доказать, что в начале цикла нагрева воды имеющаяся тепловая энергия равна 2.24 кВт и повышается до 3 кВт только по достижении точки кипения. Этот эффект противоположен эффекту, необходимому для изготовителей электробытовых приборов, и на Фиг.1 приведен пример графика зависимости от температуры сопротивления из легированного титаната бария с температурой скачка сопротивления (точкой Кюри), равной 120°С.
Также к недостаткам элементов из легированного титаната бария относится способ их изготовления.
Легированные титанаты бария приобретают свои температурные и резистивные свойства, главным образом, благодаря характеристикам границ зерен между отдельными частицами, составляющими кристаллическую решетку любой отдельной части.
Таким образом, элементы из легированных титанатов бария изготавливают прессованием до соответствующего размера и формы, в зависимости от заданного конечного изделия, требуемого количества частиц тонкоизмельченного порошка соответствующего состава при смешивании со связующим веществом; с последующим спеканием прессованной массы в печи при заданной температуре с образованием однородного продукта. В результате такого производственного процесса получают изделия, недостаточно плотные после прессования и не имеющие, вследствие этого, стандартизированных рабочих характеристик либо обладающие остаточными напряжениями после спекания. Как следствие, эти изделия имеют склонность к растрескиванию и эксплуатационному отказу во время последующих термических циклов. Следовательно, изделия с отбракованными дефектными элементами необходимо предварительно испытывать.
Ранее автором было предложено использовать для изготовления саморегулируемого нагревательного элемента два различных оксида металлов. Известны следующие заявки: GB 2344042, GB 237383 и GB 2374784. Наиболее близкой является заявка GB 2374783, в которой предложено нанести на подложку из электропроводящего металла поочередно слои различных оксидов металлов с разными составами и разной степенью окисления. Фактически предложено использовать хромоникелиевые оксиды металлов в сочетании с титанатами бария. Как в этой, так и других заявках приведен способ, согласно которому два слоя оксидов металлов наносят методом термического напыления. Автор установил, что способ, раскрытый в более ранних заявках, не обеспечивает получения элементов с заданными характеристиками за счет того, что термическое напыление легированных титанатов бария приводит к разрушению легирующих примесей (вероятно, вследствие испарения).
Цель настоящего изобретения заключается в устранении или значительном уменьшении упомянутых выше проблем и получении элементов с заданными характеристиками.
ПРЕДМЕТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен саморегулируемый нагревательный элемент с электросопротивлением, который содержит подложку, представляющую собой или заключающую в себе электропроводящую поверхность и имеющую первый электрический контакт;
- слой первого оксида металла с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления;
- слой второго оксида металла, температурный коэффициент сопротивления которого противоположен температурному коэффициенту сопротивления первого оксида металла, причем один из указанных оксидов металлов расположен на электропроводящей поверхности, а другой - электрически последовательно с ним;
- второй электрический контакт, который размещен на слое оксида, нерасположенном на электропроводящей поверхности, с возможностью протекания тока между контактами через оксиды металла, причем слой оксида металла с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления содержит легирующую примесь, количество которой выбрано из условия, что общее сопротивление первого и второго оксидов металлов постоянно в диапазоне от температуры окружающей среды до заданной рабочей температуры и значительно возрастает при значении температуры выше рабочего.
Использование электронагревательного элемента, заданная характеристика саморегулирования которого выбрана из условия постоянства удельного сопротивления и сопротивления упомянутого элемента в диапазоне от значения температуры окружающей среды до заданного максимально допустимого значения и возрастания сопротивления в десятки раз при незначительном превышении заданного максимально допустимого значения температуры, позволяет получить более безопасный и более эффективный элемент.
Кроме того, способ изготовления таких элементов обеспечивает достижение большей степени их плотности.
Первый и второй оксиды металлов выбраны из условия обеспечения постоянства общего сопротивления в диапазоне от температуры окружающей среды до заданной рабочей температуры и его значительного возрастания при значениях температуры выше значения рабочей температуры.
В предпочтительном варианте реализации изобретения в качестве первого оксида металла выбран оксид, по меньшей мере, никеля и хрома, либо, что наиболее предпочтительно, по меньшей мере, никеля, хрома и железа, а в качестве второго оксида - сегнетоэлектрический материал.
Сегнетоэлектрический материал представляет собой кристаллическую структуру типа перовскита, общая формула которого АВО3, где А - одно-, двух- или трехвалентный катион; В - пяти-, четырех- или трехвалентный катион; О3 - анион кислорода.
В качестве сегнетоэлектрического материала выбран легированный титанат бария.
Обычные легирующие примеси хорошо известны специалистам в данной области и включают в себя: лантан, стронций, свинец, цезий, церий и другие элементы ряда лантанидов и актинидов.
Сегнетоэлектрический материал содержит гранулированные частицы, осажденные в жидкости либо представленные в виде суспензии, дисперсии (коллоидного раствора) или пасты. Осаждение сегнетоэлектрического материала выполнено таким образом, что оно не влияет на его резистивные свойства, которые меняются в зависимости от используемых легирующих примесей. В связи с этим термические процессы, вследствие которых может иметь место испарение легирующих примесей или иное разрушение материала, не применяют, поскольку конечный продукт не будет иметь требуемых характеристик.
Частицы представляют собой тонкодисперсные включения размером от 20 до 100 микрон, которые осаждены в слое толщиной от 100 до 500 микрон.
Такие разнородные оксиды металлов, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами, представляют собой широко известные кислородно-октаэдрические сегнетоэлектрики, а характеристики этих материалов, к которым относятся начальное удельное сопротивление, зависимость удельного сопротивления от температуры и Точки Кюри или температуры скачка сопротивления, могут варьироваться в зависимости от состава.
Удельное сопротивление всех кислородно-октаэдрических оксидов металлов, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами, уменьшается с ростом температуры до точки Кюри или температуры скачка сопротивления (отрицательный температурный коэффициент сопротивления), причем это уменьшение компенсировано в элементах изобретения путем последовательного включения одного или нескольких различных оксидов металлов (с положительным температурным коэффициентом сопротивления) таким образом, чтобы удельное сопротивление было сбалансировано (см. Фиг.2).
Способ получения такой сбалансированной компенсации при уменьшении сопротивления не является прямым, а включает в себя расчет и определение характеристик опытным путем.
К принятым во внимание факторам относятся:
- конечное значение заданной Точки Кюри,
- основные свойства используемого кислородно-октаэдрического оксида металла, обладающего сегнетоэлектрическими свойствами,
- основные свойства и концентрация используемых легирующих примесей, результирующее уменьшение удельного сопротивления и сопротивления при изменении температуры до Точки Кюри, основные свойства и состав термонапыляемых резистивных материалов на основе оксидов металлов или их соединений, которые необходимо применять для компенсации уровня (значения) начального сопротивления при температуре окружающей среды, а также его увеличения при изменении температуры до заданной Точки Кюри, и
- физическая толщина (и результирующие экономические затраты) двух последовательных слоев элемента, а также результирующая разность температур в соединении.
С учетом вышесказанного выбор соответствующих соединений для заданной цели осуществляют методом проб и ошибок.
Заданный уровень (значения) начального сопротивления термонапыляемых резистивных материалов на основе оксидов металлов или их комбинаций (Никель/Железо/Хром) достигается регулировкой в прерывистом режиме при пульсирующей форме постоянного или переменного тока высокого напряжения (см. заявку на патент Великобритании GB 2419505 (PCT/GB 2005/003949)).
Таким образом, увеличение сопротивления слоя оксида металла типа Никеля/Железа/Хрома в зависимости от температуры значительно компенсирует уменьшение сопротивления легированного слоя титаната бария в зависимости от температуры, так что общее сопротивление двух соединенных последовательно резистивных слоев остается практически постоянным в диапазоне от температуры окружающей среды до заданной рабочей температуры, однако при заданной рабочей температуре, Точке Кюри или температуре скачка сопротивления легированного слоя титаната бария, сопротивление этого слоя возрастает в десятки раз, увеличивая, тем самым, до высокого уровня полное сопротивление комбинированного элемента, снижая до очень низкого уровня тепловую выходную мощность, и выполняя функцию саморегулируемого механизма, предотвращающего перегрев элемента при температурах, превышающих заданный рабочий уровень.
При нанесении соответствующих слоев их характеристическое удельное сопротивление не должно меняться, в противном случае они не будут выполнять свои функции в соответствии с изначальным назначением.
Резистивные свойства легированных титанатов бария определяются, главным образом, влиянием границ зерен в местах соединения соседних частиц. Чем меньше фракционный состав частиц, тем больше их количество в любом заданном объеме слоя титаната бария и больше удельное сопротивление слоя. Процесс нанесения легированных титанатов бария методом термообработки, например газопламенным напылением, меняет резистивные свойства, по всей вероятности, в результате испарения или разрушения легирующих примесей. Он также нейтрализует эффект температуры Точки Кюри/скачка сопротивления.
В предпочтительном варианте реализации изобретения первый и второй оксиды металлов находятся в тесном контакте. Как вариант, между ними может быть нанесен электропроводящий слой.
Электропроводящая подложка или поверхность могут быть выполнены из любого электропроводящего металла или металлического сплава, в т.ч., например, из алюминия, меди, низкоуглеродистой или нержавеющей стали.
Как вариант, в качестве подложки или электропроводящего слоя может быть использован электроизоляционный материал, например пластмасса, керамика, стекло или композитные материалы. Этот слой может служить электрическим контактом, расположенным с одной стороны композитного материала, упрочненного оксидами металлов, с другой стороны которого расположен второй контакт.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен электрический прибор, содержащий нагревательный элемент по изобретению.
По третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ регулировки сопротивления резистивного слоя оксида металла, согласно которому на слой воздействуют периодическими импульсами постоянного или переменного тока высокого напряжения.
В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения предложен способ изготовления саморегулируемого нагревательного элемента с электросопротивлением, согласно которому:
- на подложку, представляющую собой или содержащую электропроводящую поверхность, служащую первым электрическим контактом, наносят первый оксид металла, имеющий положительный или отрицательный температурный коэффициент сопротивления;
- поверх указанного первого оксида металла наносят второй оксид металла, температурный коэффициент сопротивления которого противоположен температурному коэффициенту сопротивления первого оксида, и соединяют первый и второй оксиды электрически последовательно;
- поверх второго оксида металла выполняют второй электрический контакт с возможностью прохождения тока через оксиды металлов между контактами, причем оксид металла с отрицательным температурным коэффициентом наносят способом и при температуре, ниже которой разрушения любой присутствующей легирующей примеси не происходит, а первый и второй окислы металлов в сочетании образуют практически постоянное сопротивление в диапазоне от температуры окружающей среды до заданной рабочей температуры, которое значительно возрастает при превышении значения рабочей температуры.
Различные аспекты изобретения будут описаны ниже, в виде примера, со ссылкой на следующие фигуры, где:
на Фиг.1 представлен график зависимости сопротивления состава, содержащего титанат бария, от температуры при Точке Кюри/температуре скачка сопротивления, равной 120°С;
на Фиг.2 представлен аналогичный график для оксида Ni/Cr/Fe, совмещенный с данными легированного титаната бария и демонстрирующий выравнивание сопротивлений, а
на Фиг.3 представлен нагревательный элемент по изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 представлен график зависимости сопротивления состава, содержащего титанат бария, от температуры при Точке Кюри/температуре скачка сопротивления, равной 120°С.
Следует отметить, что в диапазоне от 20 до 100°С оксид металла имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, а в диапазоне от 100 до 140°С сопротивление значительно возрастает.
На Фиг.2 данные сопротивления/температуры оксида металла, например, никеля, хрома и железа, имеющего положительный коэффициент сопротивления, приведены вместе с данными легированной окиси бария при Точке Кюри 160°С.
До тех пор пока не достигнута температура Точки Кюри, отрицательные и положительные сопротивления эффективно уравновешивают друг друга (промежуточная линия), обеспечивая практически постоянное сопротивление, которое затем значительно возрастает в Точке Кюри.
Такой рост сопротивления является следствием изменения тетрагональной формы кристалла на кубическую, запирания электронов и устранения (ликвидации) проводимости.
Пример 1 - Конструкция
Саморегулируемый нагревательный элемент с электросопротивлением (10) (см. Фиг.3) содержит подложку (12) с токопроводящим покрытием (12а), выполняющим функцию первого электрического контакта (18), расположенного на одной из сторон композитных слоев оксидов металлов. На указанный слой электропроводящего покрытия (12а) нанесен первый оксид металла (14) с положительным температурным коэффициентом сопротивления.
Поверх слоя первого оксида металла, образуя последовательное электрическое соединение, наносят второй слой оксида металла (16) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, поверх которого, в свою очередь, расположен второй электрический контакт (20).
Слои первого и второго оксидов металлов плотно соприкасаются друг с другом, однако в другом примере между ними может быть расположен электроконтактактный слой (не показан).
Между первым и вторым электрическими контактами через соответствующие слои оксидов металлов может протекать ток.
В варианте реализации изобретения, приведенном в качестве примера, подложка (12) представляет собой круглую керамическую трубку, на которую наносят слой меди (12а), или любого другого электропроводящего металла, или сплава металлов. Поверх соответствующего участка электропроводящего слоя (12а) нанесен термонапыляемый резистивный слой оксида металла (Никеля/Железа/Хрома) (14), а на слое меди (12а) расположен первый электрический контакт (18).
Поверх слоя первого оксида металла (14), с образованием последовательного электрического соединения, нанесен слой легированного титаната бария (16), поверх которого расположен второй электрический контакт (20).
Следует отметить, что соответствующие слои нанесены таким образом, что ток, протекающий между первым и вторым контактами, проходит через резистивные слои и не может пройти непосредственно от одного контакта к другому, например, вокруг периметра.
Подложка может быть выполнена различной формы и геометрии (конструкции), например, в виде плоской круглой пластины (см. чертеж), сферы, полушарий, и полых трубок круглого или квадратного сечения, прямых, либо спиральных, либо тороидальных.
Форму подложки определяют из условия оптимизации передачи тепловой энергии, выработанной электронагревательным элементом, в среду, которую необходимо нагреть с помощью конкретно рассматриваемого прибора. Контактный слой может быть выполнен из любого токопроводящего материала, например меди, никеля, алюминия, золота, серебра, латуни или проводящих полимеров, и нанесен одним из множества способов, в т.ч. включая газопламенное напыление, химическое парофазное осаждение, магнетронное распыление, электролитические или химические процессы, на сплошной участок, и закреплен клеящими веществами, механическим прижимом либо с помощью магнита.
Соответствующие конфигурации и соответствующие размеры указанного контактного слоя и покрытий из оксидов металлов выбраны из условия предотвращения протекания электрического тока от контактной поверхности до токопроводящей подложки либо проводящего слоя на изоляционной подложке, при приложении напряжения между контактами и подложками.
Толщина проводящего контактного слоя должна обеспечивать прохождение максимального заданного тока и равномерное распределение по всей его поверхности таким образом, чтобы обеспечить однородность плотности тока, проходящего через оксиды металлов, в каждой единице площади оксидов металлов. Выполнение этого условия обеспечивает равномерное распределение тепловой энергии, выделенной внутри объема резистивных оксидов металлов, создающее равномерную температуру на соответствующем участке подложки при отсутствии каких-либо локализованных горячих пятен.
Желательно, чтобы участок контактного слоя, на котором закрепляют контакт внешнего источника питания, был более толстым, чем остальные участки, что способствует равномерному распределению тока.
Подложка может быть выполнена из любого электропроводящего металла или сплава металлов либо электроизоляционного материала и должна иметь толщину, достаточную для обеспечения формоустойчивости (стабильности размеров) элемента в процессе его производства и последующей эксплуатации.
Пример 2 - Способ
Нагревательные элементы могут быть изготовлены, например, путем термического напыления на электропроводящую поверхность (12а) подложки (12) резистивного оксида металла (14) с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Последовательные слои оксида металла могут быть нанесены с помощью газотермического пульверизатора путем совершения нескольких операций (от 1 до 10, лучше от 2 до 5, в зависимости от заданной толщины - обычно до 500 мкн). Поскольку электрическое сопротивление покрытия из резистивного оксида металла зависит от его толщины, то сопротивление может быть повышено путем увеличения толщины нанесенного слоя. Таким образом, желательно, чтобы было нанесено несколько слоев.
Известно, что удельное сопротивление/сопротивление сплавов металлов хромоникелевого типа при окислении и термическом напылении увеличивается по мере возрастания температуры. Описание таких сплавов металлов приведено, например, в ЕР 302589, US5039840 и PCT/GB 96/01351. Сплавы металлов хромоникелевого типа могут быть окислены до необходимой степени ранее термического напыления одного или более слоев покрытия из резистивного оксида металла (см. GB 2344042) либо могут быть окислены до необходимой степени во время термического напыления. Более того, уровни и скорости роста удельного сопротивления и сопротивления слоя этого сплава оксида металла с ростом температуры являются важными факторами компенсации асимметричного уменьшения удельного сопротивления и сопротивления слоя резистивного оксида АВО3.
В качестве другого наносимого резистивного оксидного слоя может быть выбран слой легированного титаната бария. Этот слой не следует наносить при высоких температурах, в противном случае его удельное сопротивление будет нарушено (поставлено под угрозу). В предпочтительном варианте реализации изобретения такой слой нанесен в виде раствора или пасты, дисперсии (коллоидного раствора) либо суспензии, содержащей тонкодисперсные включения титаната бария вместе с легирующей(ими) примесью(ями), выбранными из условия соответствия заданной рабочей температуре скачка сопротивления при конкретной конструкции элемента.
Пасту, дисперсию (коллоидный раствор) либо суспензию получают путем измельчения гранул легированного титаната бария, обладающих характеристиками, присущими соответствующей точке Кюри, и смешивания их, например, с соответствующим жидким клеем.
Затем пасту, дисперсию (коллоидный раствор) или суспензию (16) наносят на верхнюю поверхность резистивного слоя первого оксида металла (14) любым известным способом, включая, как минимум, трафаретную печать, окрашивание, нанесение покрытия с удалением излишков с помощью планки, распыление или нанесение некоторого количества с последующим разравниванием.
Состав жидкого клея может быть любым при условии, что его связующие свойства близки к связующим свойствам вышеупомянутых тонкодисперсных включений легированного титаната бария, что позволяет получить требуемый контакт на границе зерен, тесную связь с другим оксидом металла и второй электрический контакт.
Более того, в качестве клея может быть выбран клей, отверждаемый при температуре окружающей среды или повышенных температурах (однако, не настолько, чтобы изменять резистивные свойства оксида металла), или при контакте с воздухом, под действием света, или в ходе химической реакции.
Электрическим сопротивлением слоя легированного титаната бария можно управлять, меняя размер частиц и толщину наносимого слоя пасты, дисперсии (коллоидного раствора) или суспензии.
Как вариант, слои могут быть нанесены с помощью магнетронного распыления при регулируемых температурах и в вакууме.
Второй электрический контакт может быть нанесен на верхнюю поверхность слоя легированного титаната бария таким образом, что при подаче напряжения питания (V) между этим электрическим контактом (20) и электрическим контактом (18) на токопроводящем слое (12а) ток (I) может протекать от второго электрического контакта (20) через утолщенную часть двух резистивных слоев (14, 16).
Этот второй контактный слой может быть выполнен из любого электропроводящего материала, например меди, никеля, алюминия, золота, серебра, латуни или проводящих полимеров, нанесен любым соответствующим способом, включая, как минимум, газопламенное напыление, химическое осаждение из паровой фазы, магнетронное распыление, электролитические или химические процессы, и закреплен с помощью клея, механическим прижимом либо с помощью магнита.
Площадь, второго контактного слоя меньше площади слоя оксида металла, на которую он нанесен, чтобы обеспечить прохождение электрического тока непосредственно от контактной поверхности до проводящей подложки, либо проводящего слоя на изоляционной подложке, при подаче напряжения между контактами.
Толщина контактного слоя должна обеспечивать протекание максимально заданного тока и равномерное распределение по всей его поверхности таким образом, чтобы плотность тока, проходящего через оксиды металлов, была однородной в каждой единице площади оксидов металлов. Выполнение этого условия обеспечивает равномерное распределение тепловой энергии, выделенной внутри объема комбинированного элемента, создающее равномерную температуру на соответствующем участке подложки при отсутствии каких-либо локализованных горячих пятен.
Специалисту в данной отрасли очевидно, что различные оксиды металлов могут быть нанесены в любом порядке.
Пример 3 - Второй способ
Любому специалисту в данной отрасли очевидно, что различные оксиды металлов можно наносить в любом порядке.
Согласно первому способу на проводящую поверхность подложки наносят первый оксид металла, полученный, например, из Ni - Cr - Fe или аналогичных сплавов, в виде одного полного слоя.
Он может быть нанесен термическим напылением по данному участку, с заданной конфигурацией и заданной расчетной толщиной.
Затем на первый оксид металла наносят второй оксид металла, полученный, например, из легированного титаната бария, с заданной толщиной и конфигурацией, выбранный из условия приобретения этими двумя оксидами металлов заданных свойств и характеристик рассматриваемого нагревательного элемента.
В качестве варианта операции по данному способу могут быть выполнены в обратной последовательности, т.е. сначала на подложку наносят кислородно-октаэдрический, сегнетоэлектрический оксидный компонент, а затем второй компонент - оксид металла.
Другими словами, выбирая различные оксиды металла, можно определить, при помощи расчета и полученных опытным путем характеристик, размеры и соотношения различных компонентов, включая тип нагревательного элемента с электрическим сопротивлением, что является предметом настоящего изобретения.
1. Саморегулируемый нагревательный элемент с электросопротивлением (10), который содержит:
подложку (12), представляющую собой или включающую электропроводящую поверхность (12а), которая содержит первый электрический контакт (18),
первый резистивный слой (14) оксида металла с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления;
второй резистивный слой (16) оксида металла, температурный коэффициент сопротивления которого противоположен температурному коэффициенту сопротивления первого резистивного слоя оксида металла;
причем один из двух указанных резистивных слоев оксида металла, первый или второй, расположен на электропроводящей поверхности (12а), а другой поверх него с образованием последовательного электрического соединения, что может быть достигнуто посредством тесного контакта первого и второго резистивных слоев оксида металла или посредством вставки другого электропроводящзего слоя между первым и вторым резистивными слоями оксида металла, а нагревательный элемент дополнительно содержит еще один электрический контакт (20), размещенный на резистивном оксиде металла, не расположенном на электропроводящей поверхности (12а), с возможностью протекания тока через оксиды металла между указанными контактами, причем указанный резистивный оксид металла с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления содержит легирующую примесь, количество которой выбрано так, что обеспечено постоянство общего сопротивления первого и второго резистивных оксидов металлов в диапазоне от температуры окружающей среды до заданной рабочей температуры и значительное возрастание этого сопротивления при превышении рабочей температуры.
2. Нагревательный элемент по п.1, в котором резистивный слой оксида металла с положительным температурным коэффициентом сопротивления представляет собой оксид по меньшей мере никеля, железа и хрома.
3. Нагревательный элемент по п.1 или 2, в котором резистивный слой оксида металла с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления представляет собой сегнетоэлектрический материал.
4. Нагревательный элемент по п.3, в котором сегнетоэлектрический материал представляет собой кристаллическую структуру типа перовскита, общая формула которого АВО3, где А - одно-, двух- или трехвалентный катион, В - пяти-, четырех- или трехвалентный катион, а О3 - анион кислорода.
5. Нагревательный элемент по п.4, в котором резистивный слой оксида металла с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления представляет собой легированный титанат бария.
6. Нагревательный элемент по любому из пп.1, 2, 4 или 5, в котором резистивный слой оксида металла с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления содержит гранулированные частицы.
7. Нагревательный элемент по п.6, в котором гранулированные частицы осаждены в жидкости либо представлены в виде суспензии, дисперсии (коллоидного раствора) или пасты.
8. Нагревательный элемент по п.6 или 7, в котором размер частиц составляет 20-100 мкм.
9. Нагревательный элемент по любому из пп.1, 2, 4, 5 или 7, в котором резистивный слой оксида металла с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления присутствует в слое, имеющем толщину до 500 мкм.
10. Нагревательный элемент по п.1, в котором электропроводящая поверхность (12а) содержит металл или металлический сплав.
11. Электрический прибор, содержащий нагревательный элемент по любому из пп.1-10.
12. Способ регулировки сопротивления резистивного слоя оксида металла с положительным температурным коэффициентом, согласно которому на этот слой в прерывистом режиме подают пульсирующие токи высокого напряжения.
13. Способ изготовления саморегулируемого нагревательного элемента с электросопротивлением, согласно которому:
на подложку (12), представляющую собой или включающую в себя электропроводящую поверхность (12а), наносят первый оксид металла (14) с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления;
на указанный первый оксид металла наносят, с образованием последовательного электрического соединения, второй оксид металла (16), температурный коэффициент сопротивления которого противоположен температурному коэффициенту сопротивления первого оксида металла;
на указанный второй оксид металла наносят второй электрический контакт (20) с возможностью протекания тока между контактами через оксиды металла, причем указанный оксид металла с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления осаждают таким образом, что общее сопротивление первого и второго оксидов металлов постоянно в диапазоне от температуры окружающей среды до заданной рабочей температуры и значительно возрастает при значении температуры выше рабочего.
14. Способ по п.13, согласно которому оксид металла (14) с положительным температурным коэффициентом сопротивления наносят в виде нескольких слоев.
