Способ изготовления электронагревателя

 

Изобретение относится к технологии изготовления низкотемпературных электронагревателей, используемых для обогрева в различных нагревательных приборах. Способ основан на ионном напылении резистивного материала (тантал, нержавеющая сталь и т.п.) в среде активного и инертного газов в магнитном поле с соблюдением соотношения парциального давления активного газа к парциальному давлению инертного как 1:10 при плотности ионного тока 200 - 220 мА/см². Изобретение позволяет повысить надежность получаемых электронагревателей.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электротермии, и может быть использовано при изготовлении промышленных и бытовых электронагревателей как плоских, так и любой сложной конфигурации, используемых для обогрева, например, инкубаторов, домашних овощехранилищ, в автомобилях и других приборах для обеспечения "мягкой" теплоты.

Известен способ изготовления полимерного электронагревателя (патент РФ N 2074519 по кл. МКИ H 05 B 13/14, 1997), согласно которому на электроизоляционную подложку наносят путем ее пропитки с уплотнением токопроводящий слой на основе углерода элементного, графита и модифицированной фенолоформальдегидной смолы с образованием резистивного элемента. На него наносят электроизоляционное покрытие с последующим прессованием всех слоев при соответствующих температурно-временных режимах и давлении.

Причинами, препятствующими достижению требуемого технического эффекта, является, во-первых, сложность технологического процесса, обусловленная наличием большого количества операций, во-вторых, данная технология не позволяет получать нагреватель на гибких термостатических подложках, в-третьих, не обеспечивается возможность нанесения на подложку однокомпонентных резистивных материалов с требуемым значением поверхностного сопротивления.

Известен также способ изготовления резистивного нагревательного элемента плазменным напылением на теплопроводную подложку смеси из порошков токопроводящей компоненты, содержащей сплав никеля, хрома, молибдена, кобальта, алюминия и титана, и диэлектрической компоненты в виде оксида алюминия (патент РФ N 2066514 по кл. МКИ H 05 B 3/12, 1996).

Недостатком известного способа изготовления электронагревателя является относительно низкая адгезия резистивного слоя, что снижает надежность конструкции электронагревателя.

Наиболее близким техническим решением к предложенному изобретением является способ изготовления плоского резистивного нагревателя, согласно которому выполняют операции формирования на подложке подслоя, диэлектрического и резистивного слоев методом плазменного напыления при взаимном перемещении подложки и плазмотрона с заданной относительной скоростью. Формирование резистивного слоя осуществляют многократным сканированием с относительной скоростью взаимного перемещения подложки и плазмотрона 200-300 м/мин (патент РФ N 2058672 по кл. МКИ H 05 B 3/28, 1996).

Причинами, препятствующими достижению требуемого технического эффекта, является сложность осуществления известного технологического процесса, обусловленная необходимостью перемещать плазмотрон.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в обеспечении универсального способа, повышении надежности получаемых электронагревателей за счет нанесения резистивного слоя на гибкие подложки, повышении производительности процесса изготовления, улучшении адгезии и снижении расхода материала.

Результат достигается за счет того, что способ изготовления электронагревателя включает напыление на диэлектрическую подложку резистивного слоя с последующим нанесением электрических электродов. При этом резистивный слой наносят ионным напылением в среде активного и инертного газов и осуществляют напыление в разряде, поддерживаемом магнитным полем с соотношением парциального давления активного газа к давлению инертного газа как 1:10 при плотности ионного тока 200-220 мА/см².

При использовании разряда, поддерживаемого магнитным полем, и выдерживании соотношения парциального давления активного газа (кислорода) к парциальному давлению инертного газа (аргона) 1:10 достигается скорость напыления 120-160 А/м². Эти режимы обеспечивают получение резистивной пленки толщиной 1-2 мкм с высокой степенью адгезии в течение порядка 1-2 мин.

При изменении соотношения 1:10 парциального давления активного газа к парциальному давлению инертного газа в сторону увеличения парциального давления инертного газа эффективность напыления резко снижается, что в конечном итоге снижает производительность процесса.

При изменении указанного соотношения в сторону увеличения парциального давления активного газа снижается плотность напыленного резистивного слоя и его адгезия с подложкой, что может привести к его отслоению.

Способ осуществляют следующим образом.

Готовят вакуумную камеру, для чего перед процессом напыления обеспечивают наличие в ней вакуума до давления 2·10^-3 Па, после чего через игольчатые натекатели в камеру подают одновременно активный газ (кислород) и инертный газ (аргон), при этом выдерживают соотношение парциального давления в вакуумной камере активного газа к парциальному давлению инертного газа как 1:10.

В качестве подложки может быть использован как жесткий, так и гибкий диэлектрик, например стеклотекстолит, термостойкая ткань на основе стекловолокна и т. п. На катоде располагают мишень из исходного резистивного материала, преимущественно тантала или нержавеющей стали. Также может быть использован жаростойкий сплав, содержащий Ni и Cr с введенными в него жаростойкими легирующими добавками Co, Al, Mo, W и Ti. При включении напряжения между подложкодержателем и катодом зажигается разряд, предварительно очищающий подложку, после чего происходит распыление мишени ионами газов и распыленный материал осаждается на подложку. После получения резистивной пленки толщиной 1-2 мкм на полученный резистивный слой напыляют выводные электрические электроды преимущественно из меди. При напряжении электропитания 220 вольт полученный резистивный элемент имеет величину удельного тепловыделения, равную 0,15 Вт/см² при удельном электросопротивлении 2 мкОм·м. Это позволяет использовать полученный таким способом электронагревательный элемент для создания промышленных и бытовых электронагревательных приборов.

Предлагаемая технология изготовления резистивного нагревательного элемента позволяет получать нагревательные приборы площадью от 10 до 2000 кв.см, при этом структура резистивной пленки выполнена так, что делает электронагревательный элемент работоспособным при случайных сквозных повреждениях нагревателя. Такие приборы обладают высоким уровнем электро- и пожаробезопасности, большой коррозийной стойкостью.

Конструкция электронагревателя на гибкой подложке, изготовленная по предлагаемому способу, может быть размещена как на плоской поверхности, так и на поверхности любой сложной конфигурации, например на круглых красильных валках в текстильной промышленности, валках для глажения в прачечных, для обогрева салона и масляного картера автомобиля, обогрева походных палаток с использованием солнечных батарей и т.п.

Возможность изготовления нагревателя на гибких подложках расширяет его потребительские свойства, обеспечивает возможность использования его для решения различных задач, связанных с созданием или использованием "мягкого" тепла.

Формула изобретения

Способ изготовления электронагревателя, включающий напыление на диэлектрическую подложку резистивного слоя с последующим нанесением электрических электродов, отличающийся тем, что резистивный слой наносят ионным напылением в среде активного и инертного газов, при этом напыление осуществляют в разряде, поддерживаемом магнитным полем, с соотношением парциального давления активного газа к давлению инертного газа как 1 : 10 при плотности ионного тока 200 - 220 мА/см².