Нагревательная бумага с углеродными волокнами и листовой нагреватель из такой бумаги
Предметом изобретения являются нагревательная бумага с углеродными волокнами и листовой нагреватель, изготовленный из такой бумаги. Предусмотрено упорядочение ориентации углеродных волокон с целью получения разных характеристик нагрева в направлениях по продольной и поперечной осям нагревательной бумаги, благодаря чему расширяются возможности применения такой бумаги. Цель изобретения состоит в получении нагревательной бумаги, в которой к целлюлозной массе добавлены углеродные волокна для получения особых греющих свойств в продольном и поперечном направлениях, а листовой нагреватель включает, кроме того, полимерное покрытие, служащее в качестве электрической изоляции. При желании возможно получение самых разнообразных характеристик листового нагревателя. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и надежности листового нагревателя при длительной эксплуатации. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 12 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к нагревательной бумаге и изготовленному из нее листовому нагревателю, а более конкретно - к нагревательной бумаге, содержащей углеродные волокна, и изготовленному из такой бумаги листовому нагревателю.
Известный уровень техники
Учитывая, что принцип действия листовых нагревателей основан на использовании электричества, легко обеспечивается регулирование их температуры без загрязнения окружающего воздуха и создания шума. Поэтому такие нагреватели нашли широкое применение при изготовлении нагревательных матов, подушек, тюфяков, матрацев, одеял и т.п., а также в системах отопления жилых зданий и квартир. Кроме того, листовые нагреватели широко используются в системах отопления сооружений торгового, промышленного, гражданского, военного и сельскохозяйственного назначения. Следует также упомянуть их использование для ряда иных целей, в частности (но не только в них), в торговых и бытовых устройствах нагрева и сушки, в средствах для предотвращения замерзания и в средствах для таяния снега для дорожного хозяйства и автомобильных стоянок, в изделиях с греющими свойствами для целей проведения досуга и защиты от холода, в устройствах предотвращения запотевания зеркал и оконных стекол, в различных санитарно-гагиенических системах и пр.
В листовых нагревателях используют резистивные нагревательные элементы, выполняемые, как правило, из нихромовой проволоки. Такие нагреватели страдают существенным недостатком, состоящим в их невысокой надежности, объясняемой тем фактом, что весь ток проходит обычно по одному сплошному проводнику. В случае обрыва в любом месте цельного нихромового нагревательного элемента происходит нарушение работы всего нагревателя.
Кроме того, для предотвращения коротких замыканий нагревательную проволоку приходится снабжать изолятором-диэлектриком, который является одновременно и теплоизолирующим элементом, вследствие чего существенно снижается эффективность такого листового нагревателя.
Еще один недостаток листовых нагревателей с резистивным нагревательным элементом заключается в неравномерном распределении температуры из-за того, что нагрев локализован в зоне возле нагревательной проволоки. Кроме того, листовые нагреватели с резистивной проволокой из материала типа нихрома непригодны для систем радиационного нагрева, так как металлы характеризуются низкой излучательной способностью в дальней инфракрасной области и малой эффективностью преобразования электрической энергии в лучистое тепло.
Сущность изобретения
Изобретение относится к нагревательной бумаге с наполнителем из углеродных волокон, в которой предусмотрена возможность упорядочения ориентации этих волокон с целью получения разных характеристик нагрева в направлениях по продольной и поперечной осям бумаги, благодаря чему из одной и той же нагревательной бумаги можно будет получать листовые нагреватели с разными характеристиками нагрева. Оно касается также листового нагревателя, выполненного из бумаги с углеродными волокнами, в котором с целью улучшения его нагревательных свойств и повышения надежности работы диспергированы теплопроводящие керамические волокна, порошки или их смесь. Кроме того, изобретение направлено на получение листового нагревателя, выполненного из бумаги с углеродными волокнами, в котором применены теплопроводящие керамические волокна, порошки или их смесь, диспергированные в полимерных покрытиях, наносимых ламинированием на нагревательную бумагу, что позволяет повысить эффективность листового нагревателя и надежность его функционирования при длительной эксплуатации.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид сверху нагревательной бумаги с углеродными волокнами.
Фиг.2 представляет собой поперечный разрез нагревательной бумаги с углеродными волокнами по фиг.1.
Фиг.3 представляет собой вид сверху нагревательной бумаги с углеродными волокнами, снабженной электродами, которые установлены по продольным краям бумаги.
Фиг.4 представляет собой вид сверху нагревательной бумаги с углеродными волокнами, снабженной электродами, которые установлены по поперечным краям бумаги.
Фиг.5 представляет собой вид сверху нагревательной бумаги с углеродными волокнами, в которой вместе с углеродными волокнами диспергированы керамические волокна.
Фиг.6 представляет собой поперечный разрез нагревательной бумаги с углеродными волокнами по фиг.5.
Фиг.7 представляет собой вид сверху нагревательной бумаги с углеродными волокнами, в которой вместе с углеродными волокнами диспергированы керамические порошки.
Фиг.8 представляет собой поперечный разрез нагревательной бумаги с углеродными волокнами по фиг.7.
Фиг.9 представляет собой схематическое изображение листового нагревателя, изготовленного с использованием нагревательной бумаги с углеродными волокнами.
Фиг.10 представляет собой поперечный разрез листового нагревателя по фиг.9.
Фиг.11 представляет собой поперечный разрез листового нагревателя, в котором применены керамические волокна, диспергированные в полимерных покрытиях.
Фиг.12 представляет собой поперечный разрез листового нагревателя, в котором применены керамические порошки, диспергированные в полимерных покрытиях.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
На фиг.1 и 2 приведены соответственно вид сверху и поперечный разрез нагревательной бумаги с углеродными волокнами согласно изобретению. В этой бумаге применены углеродные волокна 1 диаметром 5-50 мкм и длиной 0,5-20 мм, диспергированные в целлюлозной массе 2 с их определенной предпочтительной ориентацией в направлении продольной оси бумаги.
В рассматриваемой бумаге в качестве основы, в которой диспергируются углеродные волокна, вместо полимеров использована целлюлозная масса. В отличие от таких полимеров, как фторуглероды, сложные полиэфиры, полиэтилен, ПВХ и полипропилен, которые при высоких температурах размягчаются, целлюлозная масса эти недостатком не страдает. Поэтому листовые нагреватели с использованием целлюлозной массы в качестве основы для диспергирования углеродных волокон могут быть применены в условиях более высоких температур, нежели те, при которых возможна работа нагревателей с полимерными основами. Кроме того, бумага с использованием целлюлозной массы обладает более высокой механической прочностью, чем изготовленная из полимеров.
В рамках данного изобретения углеродные волокна используются в качестве проводящих наполнителей нагревательной бумаги. По сравнению с порошками из углеродной сажи с частицами сферической формы, углеродные волокна с длиной, намного превышающей их диаметр, без труда приходят в соприкосновение друг с другом при их диспергировании в целлюлозной массе. Благодаря этому становится возможным изменять в широком диапазоне количество диспергируемых углеродных волокон, что облегчает изготовление бумаг с наполнителем из углеродных волокон, демонстрирующих различные греющие свойства.
Удельное поверхностное сопротивление листа такой нагревательной бумаги с углеродными волокнами зависит от соотношения содержания углеродных волокон 1 и целлюлозной массы 2, а также от толщины нагревательной бумаги. В качестве примера, поясняющего сущность изобретения, можно указать, что, изменяя количество углеродных волокон в нагревательной бумаге толщиной 40 мкм, можно регулировать удельное поверхностное сопротивление листа в направлении продольной оси бумаги в пределах от 2 до 1200 Ом.
На фиг.3 дан вид сверху нагревательной бумаги с углеродными волокнами, на продольных краях которой установлены электроды 3, служащие для подачи на бумагу напряжения, а на фиг.4 - вид сверху нагревательной бумаги с углеродными волокнами, где такие же электроды 3 установлены на ее поперечных краях.
Греющие свойства такой бумаги определяются удельным поверхностным сопротивлением листа, расстоянием 4 между электродами 3 и приложенным к электродам напряжением. Для изготовления различных листовых нагревателей с разными греющими свойствами необходимо иметь бумаги, греющие свойства которых различаются. Этого можно добиться, изменяя содержание углеродных волокон в нагревательной бумаге, расстояние 4 между электродами 3 и приложенное к электродам напряжение.
Однако получение листовых нагревателей с разными греющими свойствами возможно и с использованием одной и той же нагревательной бумаги, даже если оставить неизменными расстояние 4 между электродами 3 и приложенное к электродам напряжение, но упорядочить ориентацию углеродных волокон в бумаге в соответствии с настоящим изобретением. При таком упорядочении ориентации волокон удельное поверхностное сопротивление листа в направлении продольной оси нагревательной бумаги становится отличным от его величины в поперечном направлении.
В нагревательной бумаге, для которой предусмотрено упорядочение ориентации углеродных волокон согласно изобретению, число контактов между волокнами в продольном направлении больше, чем в поперечном. Поэтому удельное поверхностное сопротивление листа в продольном направлении оказывается меньше, чем его значение в поперечном направлении, вследствие чего теплотворная способность в продольном направлении становится более высокой. Добиваясь более строгого упорядочения ориентации углеродных волокон, получаем уменьшение удельного поверхностного сопротивления листа в продольном направлении при увеличении его значения в поперечном направлении, в результате чего увеличивается различие между величинами теплотворной способности в продольном и поперечном направлениях.
В качестве примера реализации изобретения укажем, что соотношение значений удельного поверхностного сопротивления листа в поперечном и продольном направлениях можно изменять, путем регулирования упорядоченности ориентации углеродных волокон, в пределах от 1,1 до 3,5. Для трех видов нагревательной бумаги, взятых в качестве примеров осуществления изобретения, значения удельного поверхностного сопротивления листа в продольном направлении составили 148,0, 60,4 и 13,5 Ом при соотношении значений удельного сопротивления листа в поперечном и продольном направлениях, равном 3,5.
При изготовлении листовых нагревателей используют, как правило, греющие свойства бумаги в одном направлении - либо продольном, либо поперечном. Однако в ряде случаев применения, когда требуется получить разные греющие свойства, можно изготовить листовой нагреватель с иной теплотворной способностью просто путем использования нагревательных свойств той же бумаги в направлении, перпендикулярном к обычному. Благодаря настоящему изобретению как раз и удается без труда выполнять листовые нагреватели с разными греющими свойствами из одной и той же бумаги, в которой предусмотрено упорядочение ориентации углеродных волокон с целью получения разных нагревательных свойств в направлениях по ее продольной и поперечной осям.
На фиг.5-8 проиллюстрирован другой вариант осуществления изобретения, в соответствии с которым в нагревательной бумаге с наполнителем из углеродных волокон предусмотрено диспергирование керамических волокон с высокой удельной теплопроводностью вместе с углеродными волокнами.
В микроскопическом масштабе дисперсия углеродных волокон в нагревательной бумаге не может быть равномерной, как показано в увеличенном масштабе на фиг.1. В листовом нагревателе, изготовленном с использованием нагревательной бумаги с углеродными волокнами, генерация тепла происходит благодаря джоулевому теплу, так как ток проходит только через углеродные волокна, имеющиеся в этой бумаге. Таким образом, при подаче напряжения на нагревательную бумагу температура в области с высоким содержанием углеродных волокон становится гораздо более высокой, чем на участке с их низким содержанием. При изготовлении листового нагревателя с использованием такой нагревательной бумаги на обе ее поверхности наносят ламинированием специальные полимерные покрытия, обеспечивающие электрическую изоляцию. При повышении температуры в результате подачи на бумагу напряжения такие покрытия претерпевают увеличение в объеме, причем покрытия, нанесенные в зоне с высоким содержанием углеродных волокон, разбухают в большей степени, чем те, что нанесены в зоне с низким содержанием волокон. Однако разбухание полимерных покрытий, нанесенных в зоне с высоким содержанием углеродных волокон, тормозится соседним покрытием, имеющимся в зоне с более низкой температурой, соответствующей меньшему содержанию волокон. В результате растут напряжения, воздействующие на полимерные покрытия, нанесенные в зоне с высоким содержанием углеродных волокон, что может привести к отслаиванию покрытия от нагревательной бумаги. При этом возможен пробой диэлектрика в отслаивающейся зоне с пагубными последствиями для надежной работы изделия.
На фиг.5-8 продемонстрированы варианты осуществления изобретения, обеспечивающие решение проблем, связанных с микроскопической неоднородностью температур в нагревательной бумаге. На фиг.5 и 7 видно, что при изготовлении нагревательной бумаги вместе с углеродными волокнами диспергируют керамические волокна 7 и керамические порошки 8 из материалов с высокой удельной теплопроводностью типа A1N, SiC, Si и BN. При этом теплота, создаваемая в зоне с высоким содержанием углеродных волокон, может быть передана по таким керамическим волокнам 7 и керамическим порошкам 8 с высокой удельной теплопроводностью на низкотемпературный участок с низким содержанием углеродных волокон, что позволит добиться температурной однородности по всему листовому нагревателю даже в микроскопическом масштабе.
Удельная теплопроводность целлюлозной массы 2, используемой для изготовления нагревательной бумаги, имеет значение меньше 1,0 Вт/(м
К). Значения же удельной теплопроводности A1N, SiC, Si и BN гораздо выше - соответственно 230, 270, 84 и 600 Вт/(мК). При диспергировании в нагревательной бумаге таких керамических волокон, керамических порошков или их смеси теплота, создаваемая в зоне с высоким содержанием углеродных волокон, может эффективно перейти в зону этой же бумаги, где содержание углеродных волокон невелико.
Учитывая необходимость получения однородной дисперсии рассматриваемых теплопроводящих керамических волокон 7 в целлюлозной массе, предпочтительные размеры теплопроводящих керамических волокон 7 согласно изобретению будут теми же, что и для углеродных волокон (5-50 мкм в диаметре и 0,5-20 мм в длину). Однако в рамках объема изобретения возможно также применение керамических волокон с размерами, не укладывающимися в указанные пределы. Учитывая необходимость получения однородной дисперсии рассматриваемых теплопроводящих керамических порошков 8 в целлюлозной массе, предпочтительные размеры частиц теплопроводящих керамических порошков 8 согласно изобретению должны быть меньше 1 мкм. Однако в рамках объема изобретения возможно также применение керамических порошков с частицами более значительных размеров.
В данной заявке в качестве примеров теплопроводящих материалов, диспергируемых вместе с углеродными волокнами, указаны керамические волокна и порошки из A1N, SiC, Si и BN. Тем не менее, в рамках объема изобретения возможно применение и иных керамических волокон, порошков и их смесей, при условии, что эти материалы или смеси будут иметь более высокую удельную теплопроводность, чем у целлюлозной массы, входящей в состав нагревательной бумаги.
На фиг.9 и 10 показан листовой нагреватель, выполненный согласно изобретению. Этот нагреватель имеет полимерные покрытия 10, нанесенные ламинированием в качестве электрической изоляции на каждую поверхность нагревательной бумаги 9, по продольным или поперечным краям которой установлено минимум по одной паре электродов 3. Как видно на фиг.9 и 10, на каждую поверхность нагревательной бумаги ламинированием нанесено по одному слою полимерного покрытия 10. Однако для каких-либо других конкретных случаев применения в таком листовом нагревателе могут быть выполнены и более двух слоев разных полимерных покрытий.
В качестве материала полимерного покрытия рассматриваемого листового нагревателя можно применить сложные полиэфиры, акриловые полимеры, сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола, целлюлозу, фторуглероды, полиэтилен, полипропилен, полистирол, каучук, поливинилхлорид (ПВХ), поливинилфторид, полиамид, полиимид, полиуретан, эпоксидную смолу, эпоксидную ткань, стеклоткань и пр.
Значения удельной теплопроводности вышеперечисленных полимеров составляют всего 0,1-0,4 Вт/(мК). Поэтому невозможно быстрое выделение тепла, создаваемого в нагревательной бумаге, из которой выполнен листовой нагреватель, наружу через полимерные покрытия с такой низкой удельной теплопроводностью, из-за чего уменьшается эффективность рассматриваемого листового нагревателя. Кроме того, возможно скопление тепла на границе раздела между нагревательной бумагой 9 и полимерным покрытием 10, в результате чего происходит разрушение листового нагревателя вследствие явления отслаивания на указанной поверхности раздела.
На фиг.11 показан вариант осуществления изобретения, в соответствии с которым в полимерных покрытиях листового нагревателя в качестве теплопроводящей среды диспергированы керамические волокна, на фиг.12 - вариант осуществления, в соответствии с которым роль такой теплопроводящей среды, диспергированной в покрытиях, играют керамические порошки.
Удельную теплопроводность полимерных покрытий 10 можно улучшить путем гомогенного диспергирования в этих покрытиях керамических волокон 11 и/или керамических порошков 12 с высокой удельной теплопроводностью из материалов типа A1N, SiC, Si и BN, что позволяет существенно повысить эффективность листового нагревателя. Кроме того, возможно повышение надежности работы листового нагревателя при длительной эксплуатации путем предотвращения его поломки из-за упомянутого выше отслаивания. Удельная теплопроводность A1N, SiC, Si и BN гораздо выше, чем у полимерных покрытий, - она составляет соответственно 230, 270, 84 и 600 Вт/(мК).
Учитывая необходимость получения однородной дисперсии рассматриваемых теплопроводящих керамических волокон 7 в полимере, предпочтительные размеры теплопроводящих керамических волокон 7 согласно изобретению должны составлять порядка 5-50 мкм в диаметре и 0,5-20 мм в длину. Однако в рамках объема изобретения возможно также применение керамических волокон с размерами, не укладывающимися в указанные пределы. Учитывая необходимость получения однородной дисперсии рассматриваемых теплопроводящих керамических порошков 8 в полимере, предпочтительные размеры теплопроводящих керамических порошков 8 согласно изобретению должны быть меньше 1 мкм. Однако в рамках объема изобретения возможно также применение керамических порошков с более значительными размерами.
В соответствии с изобретением, в качестве примеров теплопроводящих наполнителей, диспергируемых в полимерных покрытиях, названы керамические волокна и порошки из A1N, SiC, Si и BN, а также комбинированные смеси этих волокон и порошков. Тем не менее, в рамках объема изобретения возможно применение и иных керамических волокон, порошков и их смесей, при условии, что эти материалы или смеси будут иметь более высокую удельную теплопроводность, чем у полимерного покрытия 10.
Итак, настоящее изобретение позволяет легко изготавливать листовые нагреватели с разными греющими свойствами с использованием одной и той же бумаги с углеродными волокнами, в которой предусмотрено упорядочение ориентации углеродных волокон с целью получения разных нагревательных свойств в направлениях по ее продольной и поперечной осям. Возможно также улучшение нагревательных свойств и повышение надежности работы листового нагревателя благодаря диспергированию в целлюлозной массе, вместе с углеродными волокнами, теплопроводящих керамических волокон, порошков и их смеси. Кроме того, удается повысить эффективность и надежность работы листового нагревателя при длительной эксплуатации посредством диспергирования теплопроводящих керамических волокон и порошков в полимерных покрытиях, наносимых ламинированием на нагревательную бумагу.
Формула изобретения
1. Нагревательная бумага с углеродными волокнами, в которой предусмотрено упорядочение ориентации углеродных волокон с целью получения различных характеристик нагрева в продольном и поперечном направлении, отличающаяся тем, что она содержит диспергированные в ней теплопроводящие керамические волокна, керамические порошки или их смесь в качестве теплопроводящих наполнителей, обеспечивающих температурную гомогенность.
2. Листовой нагреватель, содержащий нагревательную бумагу, по меньшей мере одну пару электродов, установленных по продольным или поперечным краям бумаги, нанесенные ламинированием полимерные покрытия на каждой поверхности бумаги, обеспечивающие электрическую изоляцию, отличающийся тем, что нагревательная бумага представляет собой нагревательную бумагу с углеродными волокнами по п.1, содержащую диспергированные теплопроводящие керамические волокна, керамические порошки или их смесь в качестве теплопроводящих наполнителей, обеспечивающих температурную гомогенность.
3. Листовой нагреватель по п.2, отличающийся тем, что теплопроводящие керамические волокна, керамические порошки или их смесь диспергированы также в полимерном покрытии.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12
PC4A - Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Прежний патентообладатель:РЕСТОРЕЙШЕН КОРЕЯ ИНК. (KR)
(73) Патентообладатель:ЧЖУНШАНЬ ТОПГ ЭКОЛОДЖИ ТЕК КО., ЛТД (CN)
Договор № РД0069938 зарегистрирован 16.09.2010
Извещение опубликовано: 27.10.2010 БИ: 30/2010
