Композиционный гибкий электронагреватель поверхностного типа

 

Композиционный гибкий электронагреватель поверхностного типа содержит резистивный элемент из углеродного материала, пропитанного цементом или цементом с фторопластовым латексом, электроизоляционные слои, покрывающие резистивный элемент с обеих сторон, выполненные из стеклоткани с фторопластовым покрытием и токопроводящие контакты, которые электролитически соединены с резистивным элементом. В цемент или цемент с фторопластовым латексом может быть дополнительно введен политетрафторэтилен, что придает большую гибкость нагревательному элементу, либо введено связующее, выполненное с микропористой структурой и пропитанное силиконовым маслом, что повышает коэффициент теплопроводности. Электролитическое соединение выполнено путем высаживания по торцевой поверхности резистивного элемента слоя меди способом контактного восстановления. Электронагреватель обеспечивает стабильную эксплуатацию при удельной мощности нагрева более 1,0-1,5 кВт/м². 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электротермии, а именно к электронагревателям поверхностного типа.

Известны плоские электронагреватели на основе углепластиков. Такие электронагреватели обладают хорошей механической прочностью, химически стойки, легкие, характеризуются высокой теплостойкостью.

Однако при удельной мощности нагрева выше 1,0-1,5 кВт/м² углепластик в дефектных местах под воздействием кислорода воздуха быстро прогревают, что ограничивает срок работы электронагревателя.

Прототипом предлагаемого изобретения является гибкий электронагревательный элемент, содержащий плоский резистивный элемент из неметаллического материала, например, графита со связующим (термореактивной смолы), токопроводящие контакты и электроизоляционные слои, покрывающие разистивный элемент с обеих сторон.

Однако такой электронагревательный элемент, аналогично предыдущим аналогам быстро выходят из строя при удельной мощности нагрева 1,0 кВт/м² в связи с прогоранием резистивного элемента под воздействием кислорода воздуха в дефектных местах и в области соединения резистивного элемента с металлическими электроподводящими контактами. Применяемые способы соединения путем приклеивания, сшивания, прижимания металлических электроподводящих пластин к резистивному элементу не позволяет обеспечить надежные качественные контакты. В этих контактных зонах или по их периметру в связи с неравномерной электропроводностью происходит выгорание резистивного элемента, что выводит из строя электронагреватель.

Эти недостатки исключены в предлагаемом гибком электронагревателе поверхностного типа (КГЭПТ), включающем плоский резистивный элемент из неметаллического материала, например графита со связующим, электроподводящие контакты и электроизоляционные слои, покрывающие резистивный элемент с обеих сторон, при этом электроизоляционные слои выполнены из минеральной (волокнистой или фибрилярной) основы, резистивный элемент из углеродного нетканого материала пропитан минеральным или минерально-полимерным связующим (цемент или фторопластовый латекс), а токоподводящие металлические контакты имеют сварное (электролитическое) соединение с резистивным элементом.

Для придания большей гибкости КГЭПТ в минеральное или минерально-полимерное связующее введена полимерная термостойкость добавка, например ПТФЭ (тефлон).

Кроме того, для повышения коэффициента теплопроводности и коэффициента теплопередачи, увеличивающих теплосъем с изделия, минеральное или минерально-полимерное связующее выполнено с микропористой структурой и пропитано термостойким жидким теплоносителем, например силиконовым маслом.

Качественное сварное (электролитическое) соединение электроподводящих контактов с углеродным нетканым материалом выполнено путем наложения металлических, например медных пластин с обеих сторон углеродного нетканого материала, погружения контактных зон в электролизер, при этом катодом должна являться электроподводящая полоса металла, анодом растворимая пластина, а углеродный нетканый материал, заключенный между ними, является вторичным катодом с переменными электрическими характеристиками.

На чертеже изображен продольный разрез КГЭПТ, который включает резистивный элемент 1, выполненный из углеродного нетканого материала. В данном случае использована лента из углеродного нетканого материала ЛУ-2 плотностью (развес) 214 г/м², с площадным электросопротивлением R 7,4 Ом и условной толщиной 2,5 3,0 мм.

Резистивный элемент 1 пропитан минеральным или минерально-полимерным связующим 2, например связующим низкой водопотребности (ВНВ-30, ВНВ-50) или фторопластовым латексом (суспензией Ф-4Д). На концевых участках резистивного элемента 1 закреплены электроподводящие контакты 3, например из медной фольги толщиной 0,05 мм. Зоны крепления 4 электроподводящих контактов 3 представляют собой сварное (электролитическим способом) соединения. Поверхности резистивного элемента 1 армированы пластинами 5 электроизоляционного материала на волокнистой или фибрилярной основе, например стеклоткань марки Э0062 толщиной 0,04-0,08 мм с нанесенным фторопластовым покрытием.

Применяемые в конструкции КГЭПТ указанные минеральные или минерально-полимерные связующие и теплостойкий жидкий теплоноситель обеспечивают изделию абсолютную негорючесть, высокую геометрическую стабильность в режиме нагрев-охлаждение, высокие коэффициенты теплопроводимости и теплопередачи, высокую прочность на сжатие.

Полимерная термостойкая добавка в минеральное связующее обеспечивает изделию повышенную гибкость.

Изготовление предлагаемого КГЭПТ осуществляется следующим образом. Из углеродного материала вырезают требуемых размеров и формы куски. На участки электроподводящих зон с обеих сторон накладывают металлические пластины, например из медной фольги, которая будет служить электроподводящим контактом, а с противоположной стороны медную пластину толщиной 0,1-0,3 мм, которая будет являться растворимым материалом в пределах площади наложенных металлических пластин помещают в обойму из жестких электроизолирующих материалов, например из оргстекла, снабженную собственными электроподводящими контактами. Сжимают до требуемой толщины (в данном Случае от 2,5 до 1,0 мм) соединяемые материалы путем, например винтового прижима. Обойму с соединяемыми материалами погружают в электролизер. В качестве электролизера может быть использован, например 20% -ный водный раствор сульфата меди, содержащий 5 вес. серной кислоты. Электролизер осуществляют при комнатной температуре и плотности тока 50-75 А/дм² в течение двух часов. В результате электролизера и переноса микрочастиц меди с анодной медной пластины на соединяемые материалы (эффект электроосаждения) образуется качественное соединение пластины из медной фольги с углеродным нетканым материалом. После извлечения из электролизера указанных соединяемых материалов и промывки зоны контакта водой пластина из медной фольги может служить контактом для последующего подсоединения путем пайки электропроводов для изготовления нагревательных элементов. Аналогично изготовляют второй электроконтакт. Для сокращения времени на изготовление электроконтактов возможно одновременное изготовление двух контактных зон, а в обойму для электролизера возможно закладывать до сорока контактных зон. В этом случае электролиз эффективнее проводить при сверхбольших плотностях тока (500-750 А/дм²) переменной полярности, например через каждые 10 мин на 0,5 мин. Полученные таким образом электроконтакты обладают высокой надежностью, качеством и равномерной электропроводностью, что в значительной степени определяет срок и режим эксплуатации нагревательных элементов.

После этого резистивный элемент пропитывают минеральным или минерально-полимерным связующим. В качестве минерального связующего используют активированный цемент (вяжущее низкой водопотребности типа ВНВ-30, ВНВ-50). Минерально-полимерное связующее включает ВНВ с добавкой латекса (фторопластовой суспензии марки Ф-4Д). Накладывают с обеих сторон резистивного элемента стеклоткань и осуществляют прессование при давлении 1,5-3,0 атм. и температуре 120-140^oC в течение 30-60 мин. На стеклоткань может быть нанесено, например фторопластовое покрытие, обеспечивающее антиадгезионные свойства, или другие покрытия. Для повышения гибкости изделия в минеральное или минерально-полимерное связующее может быть добавлена термостойкая добавка типа ПТФЭ (тефлон), а микропористая структура связующего может быть нанесена термостойким жидким теплоносителем, например силиконовым маслом или кремнийорганической жидкостью марки сополимер 5.

Предлагаемый КГЭПТ с рабочей площадью 36 см² испытывался в пусковом режиме при пусковом токе 2,2 А, напряжении 19 В и мощности 40 Вт, начальной температуры 110^oC, равновесной температуры 160^oC. В этом режиме образец выдерживался 7 ч, обеспечивая удельную мощность нагрева 11 кВт/м², после чего был переведен в рабочий режим с параметрами: ток 1,35 А, напряжение 12,5 В, мощность 16,8 Вт, температура рабочая 110^oC, обеспечивая удельную мощность 4,7 кВт/м² в течение 30 суток без видимых изменений.

Предлагаемый КГЭПТ может быть применен в качестве электронагревательных элементов технологического оборудования, например форм для изготовления бетонных и железобетонных изделий, бытовых электронагревательных приборов (утюги, камины) и других изделий с нагревательной поверхностью любой формы и прецизионной точностью.

Формула изобретения

1. Композиционный гибкий электронагреватель поверхностного типа, содержащий плоский резистивный элемент из углеродного материала, пропитанного связующим, электроизоляционные слои, покрывающие резистивный элемент с обеих сторон, токоподводящие металлические контакты, установленные по торцам нагревателя, отличающийся тем, что резистивный элемент выполнен из нетканого углеродного материала, пропитанного цементом или цементом с фторопластовым латексом, электроизоляционные слои выполнены из стеклоткани с фторопластовым покрытием, а токоподводящие металлические контакты имеют электролитическое соединение с резистивным элементом.

2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что связующее дополнительно содержит политетрафторэтилен.

3. Электронагреватель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что связующее выполнено с микропористой структурой и пропитано силиконовым маслом.

4. Электронагреватель по пп.1 3, отличающийся тем, что электролитическое соединение выполнено путем высаживания по торцевой поверхности резистивного элемента слоя меди способом катодного восстановления.

РИСУНКИ

Рисунок 1