Электронагревательное устройство и материал резистивного слоя для реализации устройства

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в нагревательных приборах. Приведены оптимальные характеристики элемента и новый материал для его изготовления. В устройстве предложено применять пленочные нагревательные элементы повышенной удельной мощности от 20 до 300 Вт/см², содержащие подложку из теплопроводящей керамики с коэффициентом теплопроводности от 70 до 200 Вт/м ^oC и имеющие характерные геометрические размеры, лежащие в следующих пределах: 1≅L/w≅10, где L - длина, w - ширина; 0,5 см²≅S≅10 cм², где S - площадь подложки; 0,5 мм ≅ h ≅ 4 мм, где h - толщина подложки; 0,05 мкм ≅ t ≅ 10 мкм, где t - толщина резистивного слоя. Это дает возможность уменьшать количество нагревательных элементов в электрических нагревательных приборах, повышать их ремонтопригодность, снижать стоимость нагревательного устройства. Резистивный слой состоит из параллельно расположенных и электрически соединенных секций. В резистивную структуру вмонтирован термодатчик. Подложка крепится к теплопроводящей пластине для перераспределения тепловых потоков от резистивной пленки к нагреваемому телу. Данное электронагревательное устройство является надежным, экономичным и обладает высокими мощностными характеристиками. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электронагревательных приборов различных типов, например в бытовых электронагревательных приборах.

Известен электрический полосчатый нагреватель [1] включающий подложку, выполнениню из нетеплопроводной керамики, имеющую вид длинной и узкой пластины, и резистивный элемент, нанесенный на подложку методом трафаретной печати. Нагреватель может быть эффективно использован для подогрева бумаги в копировальных аппаратах, но имеет ограниченное применение в том случае, если требуется передавать большую тепловую мощность в заданном направлении, поскольку материал подложки имеет низкую теплопроводность. Поэтому использование теплопроводящих материалов для изготовления подложки позволило бы расширить спектр применения указанного нагревателя.

Известно электронагревательное устройство [2] содержащее подложку, резистивный слой с электродами, подключенными к источнику питания, и корпус, подложка, одной из поверхностей прикреплена к корпусу, резистивный слой с одной стороны покрыт слоем диэлектрика. В этом устройстве резистивный слой имеет форму плоской спирали, подложка выполнена из металла, резистивный слой и подложка разделена слоем эмали, диэлектрический слой, покрывающий спираль, также выполнен из эмали.

Недостатками данного технического решения являются низкая надежность устройства, поскольку при высоких температурах и высоких напряжениях может произойти электрический пробой эмалевой пленки; рабочая температура устройства ограничена температурой 200-250^oC, так как трудно подобрать металл, диэлектрик и нагревательный резистивный слой, обладающие одинаковыми теплофизическими свойствами, при более высоких температурах металлическая подложка деформируется, эмаль повреждается; при нанесении спирали на эмалевую поверхность нельзя рассчитывать на высокое качество пленки, что в конечном счете приводит к низкой надежности всего устройства в целом; низкий КПД и невысокая плотность мощности теплового потока.

Кроме того, известно электронагревательное устройство, описанное в патенте [3] и выбранное в качестве прототипа, которое содержит источник питания и свечу зажигания для двигателя внутреннего сгорания. Свеча зажигания содержит нагревательный элемент, содержащий резистивную пленку, нанесенную на подложку из алюмонитридной керамики. Подложка подвергается легированию бором или кремнием в области электрических контактов с целью уменьшения теплопроводности контактной площадки. Устройство предназначено для нагрева паров бензина до температуры воспламенения и не может быть эффективно использовано для направленной передачи тепловых потоков большой мощности с целью нагрева тела при прижатии нагревательного элемента к нагреваемой поверхности для обеспечения теплового контакта, поскольку использование подложек из алюмонитридной керамики в электронагревательных устройствах имеет ограничения в том случае, когда нагревательный элемент подвергается механическим нагрузкам, таким, в частности, как прижатие к нагреваемой поверхности. При значительных тепловых мощностях выделяемых резистивной пленкой, небольшие неравномерности в тепловыделении или теплосъеме с поверхности нагревательного элемента приводят к возникновению внутренних напряжений в подложке и ее механическим разрушениям. Кроме того, при передаче высокой удельной мощности от резистивной пленки к нагреваемому телу формируется большой градиент температур и по толщине резистивной пленки, поскольку известные резистивные материалы обладают низкой теплопроводностью. Это приводит к перегреву материала резистивной пленки и его деградации.

Вторым объектом изобретения является материал резистивного слоя для реализации электронагревательного устройства. В качестве прототипа для этого объекта выбран материал, применяемый в пленочных резистивных элементах, выполненный на основе диборида молибдена МоB₂ [4] у которого окислительные реакции при нормальной атмосфере начинаются при температурах 300-350^oC, что ограничивает область применения электронагревательного устройства.

Техническим результатом изобретения является увеличение надежности устройства, увеличение мощности и рабочей температуры, расширение области применения устройства. Изобретение позволяет упростить конструкцию, увеличить ремонтопригодность и снизить себестоимость электротехнических изделий, содержащих данное устройство.

Для достижения указанного результата в известном электронагревательном устройстве, содержащем электроды для подключения к источнику питания и один или несколько пленочных нагревательных элементов, каждый из которых содержит подложку, выполненную из теплопроводящей керамики, нанесенные на подложку резистивный слой и контактные площадки, предложено нагревательный элюент выполнить с характерными геометрическими размерами, лежащими в следующих пределах: 1 ≅ L/W ≅ 10, где L длина, W ширина подложки; 0,5 см² ≅ S ≅ 10 cм², где S площадь подложки; 0,5 мм ≅ h ≅ 4 мм,
где h толщина подложки;
0,05 мкм ≅ t ≅ 10 мкм,
где t толщина резистивного слоя;
а удельную мощность Р, выделяемую на каждом нагревательном элементе электронагревательного устройства, ограничить следующими пределами:
20 Вт/см² ≅ P ≅ 300 Вт/см².

При этом величина коэффициента теплопроводности К подложки нагревательного элемента должна удовлетворять следующим соотношениям:
70 Вт/м град ≅ К ≅ 200 Вт/м град.

Подложку целесообразно выполнить из нитрида алюминия или из материала, содержащего нитрид бора в количестве от 1 до 20 мас. и нитрид алюминия остальное.

Резистивный слой выполнен сплошным. В одной из модификаций он выполнен составным из параллельно соединенных секций, размещенных в одной плоскости.

Устройство предложено снабдить термодатчиком с терморегулятором.

Нагревательный элемент имеет электропроводные контактные площадки, нанесенные на подложку, для подключения резистивного слоя к электродам.

Электроды для подключения нагревательного элемента к источнику питания прикреплены к контактным площадкам. При этом электроды могут быть также прикреплены к подложке.

Нагревательные элементы могут быть подключены к источнику питания параллельно и/или последовательно друг другу.

В электронагревательное устройство введена теплопроводящая пластина с коэффициентом теплопроводности не меньше, чем ук керамической подложки, установленная на подложке нагревательного элемента со стороны, противоположной размещению резистивного слоя.

Для реализации электронагревательного устройства предложен материал резистивного слоя, содержащий в качестве проводящего компонента диборид циркония и нитриды металлов, обладающие температурой плавления выше 2900^oC в процентном весовом соотношении: диборид циркония от 80 до 95 нитриды металлов остальное.

В частном случае в качестве нитрида металла выбран нитрид бора.

На фиг. 1 показано электронагревательное устройство, поперечный разрез, и электрическая схема подключения резистивного слоя к источнику питания и системе терморегулирования; на фиг. 2 нагревательный элемент, вид сверху; на фиг. 3 (а и б) распределение тепловых потоков от резистивного слоя к нагреваемому телу.

Электронагревательное устройство содержит нагревательный элемент, включающий подложку 1, резистивный слой 2, выполненный сплошным или в виде набора секций (например, в виде параллельных полосок), расположенных в одной плоскости (в плоскости чертежа, фиг. 2) и соединенных с контактными площадками 3. В случае выполнения резистивного слоя из секций при появлении дефекта в течение срока эксплуатации выходит из строя не весь резистивный слой, а только одна или несколько секций. Количество секций выбирается из следующих соображений.

Минимальное количество секций должно быть таким, чтобы при выходе из строя одной из них мощность нагревательного элемента изменялась не более чем на 5% Расстояние между секциями не должно быть больше чем h/5 (соотношение вытекает из условия равномерности теплового поля на нагревательном элементе); где h толщина подложки. Максимальное количество сегментов N_max рассчитывается по формуле N_max W/d_c + d_nc, где d_c ширина сегмента, d_nc расстояние между сегментами, W - ширина подложки. Величины d_c и d_nc выбираются из возможностей технологии.

Подложка 1 нагревательного элемента установлена на пластине 4, выполненной из теплопроводного материала, предпочтительно меди или алюминия. Пластина 4 служит для перераспределения тепловых потоков от резистивного слоя к нагреваемому телу.

Для улучшения теплового контакта между подложкой 1 нагревательного элемента и пластиной 4 расположен слой 5 из пластичного теплопроводящего материала, например алюминиевой фольги.

На контактных площадках 3 размещены электроды 6.

Резистивный слой 2 каждого из нагревательных элементов посредством контактных площадок 3 и электродов 6 электрически соединен с источником питания 7.

Устройство снабжено системой терморегулирования 8 с термодатчиком 9, который расположен на пластине 4. Однако, если позволяют возможности технологии, предпочтительно расположение термодатчика 9 непосредственно на подложке 1 нагревательного элемента. Это позволит повысить точность регулирования температуры.

Для защиты резистивного слоя 2 от атмосферного воздействия он покрыт защитным диэлектрическим слоем 10.

Если электронагревательное устройство содержит несколько нагревательных элементов, то они могут быть подключены к источнику питания 7 параллельно или последовательно друг другу. Возможно также последовательно-параллельное подключение нагревательных элементов, объединенных в группы.

Подложка 1 выполнена из алюмонитридной керамики.

Для увеличения прочностных свойств подложки 1 ее материал может содержать от 1 до 20 мас. нитрида бора (BN) и нитрид алюминия (AlN) остальное.

Резистивный слой 2 выполнен из материала содержащего диборид циркония (ZrB₂ в количестве от 80 до 95 мас. и нитрид бора (ВN) остальное.

Для уменьшения количества нагревательных элементов в электронагревательном устройстве удельная мощность, выделяемая на каждом из нагревательных элементов, должна быть не менее 20 Вт/см² и не более 300 Вт/см² для повышения надежности электронагревательного устройства.

Для того чтобы при этом нагревательный элемент не разрушался при его эксплуатации на повышенных мощностях, соотношение характерных размеров (фиг. 2) L-длины, W-ширины подложки должно удовлетворять требованию 1 ≅ L/W ≅ 10, величина площади S подложки удовлетворяет требованию 0,5 см² ≅ S ≅ 10 см², а толщина подложки h находится в пределах 0,5 мм ≅ h ≅ 4 мм.

Эти соотношения установлены экспериментальным путем.

Было установлено, что при ограничении максимальной площади подложки величиной 10 см² возможно существенно повысить удельное энерговыделение нагревательного элемента без разрушения подложки, причем интегральное энерговыделение такого нагревательного элемента при этом также может быть увеличено. Это обусловлено уменьшением температурных неравномерностей в нагревательном элементе при неравномерном теплосъеме с его поверхности, возникающих при механическом прижатии нагревательного элемента к нагреваемому телу 11 или пластине 4. Повышение мощности электронагревательного устройства, таким образом, целесообразно и с экономической точки зрения, поскольку оно сопровождается уменьшением стоимости подложки нагревательного элемента. Изготовление нагревательного элемента на подложке площадью менее 0,5 см² не представляется целесообразным и технологически сложно. В то же время экспериментально было установлено, что эксплуатационные характеристики нагревательных элементов существенно улучшаются, если длина подложки превышает ее ширину не более чем в 10 раз. Эффективный теплоотвод от резистивного слоя возможен при толщинах подложки не более 4 мм. Эксплуатация нагревательного элемента с подложкой толщиной менее 0,5 мм затруднительна, поскольку требует специальных мер при его прижатии к нагреваемым поверхностям. При высоких удельных мощностях для устранения градиента температур по толщине резистивного слоя он должен изготавливаться по возможности тонким. Так, согласно экспериментальным данным, при удельной мощности до 300 Вт/см² толщина резистивного слоя не должна превышать 10 мкм. В то же время не удается создать стабильную пленку с толщиной менее 0,05 мкм. Повышение температуры резистивного слоя за счет применения высокотемпературных резистивных сплавов для его изготовления также способствует увеличению мощности электронагревательного устройства.

Материал для изготовления резистивного слоя 2, выполненный на основе диборида циркония, обладает существенным преимуществом по сравнению с прототипом, связанным с тем, что окислительные процессы, обуславливающие изменение электрического сопротивления резистивного слоя 2 нагревательного элемента, начинаются при температурах порядка 700^oC. Наличие в нем нитридов металлов с температурой плавления выше 2900^oC позволяет получать резистивные пленки в широком диапазоне номинальных сопротивлений. Для одновременного повышения адгезии сплава к подложке, содержащей нитриды алюминия и бора, оптимально использовать нитрид бора. Испытания нагревательного элемента с пленочным резистивным слоем из предлагаемого материала показали, что при температуре 400^oC относительное изменение сопротивления составляет 0,03% В то же время испытания нагревательного элемента с пленкой из диборида молибдена в аналогичных условиях показали, что относительное изменение его сопротивления составляет 100%
Электронагревательное устройство работает следующим образом.

После подключения резистивного слоя 2 к источнику питания 7 происходит интенсивное выделение тепла резистивным слоем 2 и разогрев подложки 1, а поскольку подложка 1 нагревательного элемента и пластина 4 имеют высокую теплопроводность во всех направлениях, поверхность пластины 4, граничащая с нагреваемым телом 11, имеет равномерное поле температур и в случае хорошего теплового контакта нагреваемого тела 11 с поверхностью пластины 4 (фиг. 3а) тепловые потоки через пластину 4 распределены так, как если бы они были сформированы распределенным источником тепла. В случае неравномерного теплового контакта (фиг. 3б) нагреваемого тела 11 с поверхностью пластины 4 в ней происходит естественное перераспределение тепловых потоков от источника тепловыделения, резистивного слоя 2, к нагреваемому телу 11. Плотность теплового потока в направлении от источника к месту эффективной теплопередачи повышается, а в остальных направлениях понижается. При отсутствии пластины 2 неравномерный тепловой контакт подложки 1 с нагреваемым телом 11 привел бы к неравномерному полю температур на поверхности подложки, что ухудшило бы эксплуатационные характеристики устройства. В отличие от устройства, содержащего нагревательный элемент с большой поверхностью, в предложенном устройстве теплосъем с поверхности нагревательного элемента происходит равномерно, где бы ни находилось место теплового контакта нагреваемого тела и пластины. Вследствие этого исключен локальный перегрев отдельных участков резистивного слоя, снижается вероятность выхода из строя и повышается надежность электронагревательного устройства и изделий, выполненных на его основе. Поскольку толщина резистивного слоя 2 не превышает 10 мкм при удельных мощностях до 300 Вт/см², температура резистивного слоя по толщине практически одинакова и равна температуре подложки, что исключает локальный перегрев материала резистивного слоя, исключает температурные деформации и вследствие этого повышается надежность нагревательного элемента. Посредством системы терморегулирования 8, связанной с источником 7, и термодатчиков 9 осуществляется контроль и поддержание требуемой температуры нагревательных элементов электронагревательного устройства. Ограничение размеров нагревательного элемента позволяет контролировать температуру всего нагревательного элемента с помощью одного термодатчика 9, а изготовление и установка съемного нагревательного элемента повышает ремонтопригодность устройства. Использование электронагревательного устройства, содержащего съемные нагревательные элементы повышенной мощности, позволяет уменьшить стоимость изделия за счет уменьшения количества нагревательных элементов, уменьшить затраты на ремонт за счет того, что нагревательный элемент имеет небольшие размеры и его можно закреплять механическим прижатием.

Достижение желаемой мощности электронагревательного устройства определяется также условиями теплосъема и выбором материала для изготовления резистивного слоя. В частности, использование известного сплава MoSi₂ нанесенного на прямоугольную подложку с геометрическими размерами L 30 мм, W 20 мм, h 2 мм, позволило применить указанный нагревательный элемент в устройстве с плоской пластиной для перераспределения тепловых потоков, выполненной из алюминия, и достичь удельной мощности порядка 20 Вт/см² при подогреве алюминиевого сосуда с водой диаметром 100 мм. Замена материала резистивной пленки в нагревательном элементе на предложенный материал для нанесения резистивного слоя позволяет повысить удельную мощность нагревательного элемента в 2,5 раза за счет повышения рабочей температуры нагревательного элемента.

Использованные источники информации:
1. США, патент N 5068517, 26 ноября 1991. Полосчатый нагреватель, нанесенный методом трафаретной печати.

2. Япония, заявка N 6259420, кл. H 05 B 3/20, заявлено 28 декабря 1982.

3. Патент ФРГ N 3901545, кл. H 05 B 3/16, 1990.

4. Справочник. Физические величины, ред. И.С. Григорьев, Е.З. Мелихов. М. Энергоатомиздат, 1991.

Формула изобретения

1. Электронагревательное устройство, содержащее электроды для подключения к источнику питания и один или несколько пленочных нагревательных элементов, каждый из которых содержит подложку, выполненную из теплопроводящей керамики, нанесенные на подложку резистивный слой и контактные площадки, отличающееся тем, что характерные размеры нагревательного элемента ограничены следующими пределами:
1 ≅ L/W ≅ 10, где L длина, W ширина,
0,5 см² ≅ S ≅ 10 см², где S площадь подложки,
0,5 мм ≅ h ≅ 4 мм, где h толщина подложки,
0,05 мкм ≅ t ≅ 10 мкм, где t толщина резистивного слоя,
а удельная мощность P, выделяемая на каждом нагревательном элементе электронагревательного устройства, ограничена следующими пределами:
20 Вт/см² ≅ P ≅ 300 Вт/см²,
при этом величина коэффициента теплопроводимости К подложки нагревательного элемента должна удовлетворить следующим соотношениям:
70 Вт/м·град ≅ K ≅ 200 Вт/м·град.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подложка выполнена из материала, содержащего нитрид бора в количестве от 1 до 20 мас. и нитрид алюминия остальное.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что резистивный слой выполнен составным из параллельно соединенных секций, размещенных в одной плоскости.

4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что оно снабжено устройством терморегуляции и подключенным к нему термодатчиком.

5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что нагревательные элементы посредством электродов скоммутированы для подключения к источнику питания параллельно друг другу.

6. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что нагревательные элементы посредством электродов скоммутированы для подключения к источнику питания последовательно друг другу.

7. Устройство по пп.1 6, отличающееся тем, что электроды для подключения нагревательного элемента к источнику питания прикреплены к контактным площадкам.

8. Устройство по пп.1 7, отличающееся тем, что электроды для подключения нагревательного элемента к источнику питания прикреплены к подложке.

9. Устройство по пп.1 8, отличающееся тем, что в него введена теплопроводящая пластина с коэффициентом теплопроводности не меньше, чем у керамической подложки, установленная на подложке нагревательного элемента со стороны, противоположной размещению резистивного слоя.

10. Материал резистивного слоя для электронагревательного устройства, содержащий проводящий компонент, в качестве которого взят диборид металла, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нитриды металлов, имеющие температуры плавления выше 2900^oС, и в качестве проводящего компонента - диборид циркония в следующем соотношении компонентов, мас.

Диборид циркония (ZrB₂) 80 95%
Нитриды металлов Остальное
11. Материал резистивного слоя по п.10, отличающийся тем, что в качестве нитрида металла взят нитрид бора (BN).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3