Электрический резистивный нагреватель и способ его изготовления

 

O Il И С А Н И Е ()741484

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социапистическик

Республик

Ф

9 чФГ;

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Донолнительное к авт. свил-ву (51)М. Кл. (22) Заявлено 30.01.75 (2 I ) 2100544/24 07 с присоединением заявки Ж (28) Приоритет

Н 05 В 3/48

Геоударстеенный комитет и делам изобретений н открытий

Опубликовано 15.06,80. Бюллетень ¹ 22 (53) "й 1 621.3.036. .662.9 (088.8) Дата опубликования описания 15.06.80 (72) Авторы изобретения

Л. С. Малей, А. С. Фиалков, М. Л. Малей и М. С. Амлинский (7I) Заявитель (54) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗИСТИВНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ

И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и касается конструкции электрического нагревателя на основе волокон, полученных путем термообработки целлюлозных волокнистых материалов. Изобретение может быть использовано в электротехнической промышленности

5 при изготовлении низкотемпературных гибких нагревательных устройств с рабочей температурой до 500 С .

Известны электрические нагреватели, содержа-

1О щие жесткую неэлектропроводную несущую основу на которой расположена электропроводящая пленка или нагревательнь1й элемент иэ утлеродной токопроводящей жилы, закрепленный с помощью штырей, пазов и т. д. (11.

Недостатком таких нагревателей является . сложность конструкции, низкая надежность ввиду разрушения элементов нагревателя при нагревах из-за разности коэффициентов термического расширения, а также истирания при вибрации и ударах. Кроме того, эти нагреватели имеют повышенную толщину из-за наложения нагревательного элемента на основу, \сак сверху ее, так и в пазах (в этом случае возникает необходимость утолщения самой основы).

Способы изготовления таких нагревателей характеризуются раздельным изготовлением основы и нагревательного элемента (или материала для него) и последующим скреплением элементов конструкции. Недостатком этих способов является повышенная трудоемкость и сложность технологических операций. Например, при изготовлении электрического нагревателя на основе утлеродной токопроводящей жилы, необходимо выполнить операции пропитки исходного волокна раствором катализатора, сушку, термическую обработку заготовки, укладку легко повреждаемой токопроводящей жилы на несущую основу, закрепление жилы и электроизоляцию нагревателя.

Известен электрический нагреватель содержащий гибкую неэлектропроводную волокнистую основу из нитей, в которые вплетены гибкие проводники тока, образующие нагревательный элемент нагревателя (2). Такой нагреватель . имеет интервал рабочих температур в пределах термостойкости нитей основы и проводников

741484 (или изоляции проводников) нагревательного элемента. В качестве проводников тока могут быть использованы как металлические волокна, так и углеводородные.

Недостатком этого нагревателя является 5 сложность изготовления и пониженная надежность, вызванная истиранием элементов, имеющих различные коэффициенты термического расширения, различную конфигурацию и размеры.

Известен также нагреватель, содержащий основу из неэлектроироводного углеродосодержащего волокна и нагревательный элемент из электропроводного углсдоросодержащего волокна.

Нагреватель изготовляют способом, ири котором основу подвергают первичной тсрмообработке при температуре до 320 С в присутствии хлористого аммония и вторичной высокотемпературной обрабогке до получения свойств электропроводности путем графитизации основы (31.

Этот способ и устройство являются наиболее близкими к данному изобретению. Однако эти устройства являются недостаточно надежными в работе.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности в работе.

Поставленная пель достигается тем, что предлагаемый нагревательный элемент выполнен в виде электроироводных участков волокон основы. Такой нагревательный элемент изготавливают указанным способом так, rro вторичной тсрмообработкс подвергают участки основы, например, в виде зигзагообразной полосы.

На фиг. 1 изображен электрический нагрева- 55 тель, вид сверху; на фиг. 2 — вертикальный поперечный разрез варианта нагревателя; на фиг. 3 — один из вариантов вторичной термообработки нагревателя с применением теплового экрана для защиты неэлектроироводных волокон основы от перегрева.

Электрический нагреватель имеет неэлектроироводную карбонизирующуюся волокнистую основу 1, составленную из переплетенных между собой неэлсктропроводных участков волокон, нагревательный элемент 2, образованный переплетающимися электроироводными участками волокон, и расширенныс участки 3 нагревательного элемента, выполняющие роль контактов.

При выполнении нагревательного элемента 2 . на корпус неэлектропроводной основы 1 наложен тепловой экран 4 с прорезями 5, огранишвающими размер подвергаемого вторичнои и тсрмообработке участка основы в виде полосы.

Хотя принципиально предложенный нагреватель может быть выполнен на любой карбонизуюшсйся основе, например текстолите бумаге, фанере, максимальный эффект достигается при использовании в качестве заготовки пористого волокнистого материала в виде войлока, ткани, фетра.

Указанные материалы ио структуре представляют собой конструкцию из переплетающихся между собой волокон или нитей, что обеспечивает высокую эластичность, стойкость к воздействию ударов и вибрации, а также низкую теплопроводность. По технологическим и экономическим соображениям при изготовлении нагревателя наиболее оптимальным является использование вискозного волокна с указанной конструкцией волокнистой заготовки.

Использование для выполнения нагревателя исходного вискозного волокна, например, пропитанного хлористым аммонием, менее целесообразно ио следующим причинам.

Поскольку при осуществлении процесса придания участкам исреилстаюшнхся волокон свойства электроироводности используется термическая обработка полосы волокнистого материала, то на волокне между электропроводными и неэлсктропродными участками образуется участок переменного состава, имеющий минимальную прочность. Такой нагреватель, обеспечивая заданныс электрические характериститики, обладает меньшей механической прочностью, а, следовательно, и надежностью.

Более оптимальным вариантом изготовления нагревателя является процесс, при котором вначале все волокна подвергаются в присутствии хлористого аммония термической обработке, на воздухе при температурах 320 С, а нагревательный элемент выполняется во время вторичной термообработки участка термоокисленной заготовки в виде полосы.

В этом случае в нагревателе отсутствуют волокна с участками, имеющими минимальную прочность, так как температура первоначальной тсрмоокислительной обработки превышает темпе. ратуру максимального разупрочнсния волокон.

Поскольку прочность всех участков волокон основы в этом случае выше прочности волокон образующих нагреватегьный элемент, то обеспечивается возможность выполнения конструкторских расчетов только с учетом прочности участков волокон нагревательного элемента.

При этом расчеты значительно упрощаются., Заданное сопротивление нагревателя достигается изменением температуры вторичной обработки волокон, шириной полосы основы, подвергаемой вторичной термообработке, а также регулированием толщины полосы.

Как видно из фиг. 2, толщина полосы нагревательного элемента может быть равной толщине основы (прогрев насквозь), или составлять только часть толщины основы (фиг. 3).

741484

Оптимальным исполнением нагревателя является вариа|гг, когда волокна. входящие в полосу нагреваемого элемента, во время вторичной термообработки нагревают до температур графитации, например 1700-3000 С. В этом случае нагреватель имеет стабильное электрическое сопротивление, не изменяющееся при длительном хранении на воздухе.

Для выполнения варианта одновременно с термообработкой части основы со стороны экра- 1о на осуществляют интенсивное охлаждение ее с противоположной стороны, точно устанавливая требуемую продолжительность теплового воздействия на основу. Время и темперутуру нагрева выбирают таким образом, чтобы в графи- товое состояние перешла только часть толщины основы в пределах ширины токопроводя1цей жилы нагревательного элемента, а противоположная часть не перетерпела изменений и осталась неэлектропроводной. Ланный вариант может 2О быть осушествлен при выполнении нагревателя на охлаждаемой платформе или путем пропитки исходной заготовки со стороны, противоположной нагреву, веществом, интенсивно поглошающим тепло при возгонке или разложении. В ка- 25 честве такого вещества может быть выбран хлористый аммоний, интенсивно возгоняющийся при 337,6 С, т. е. температуре, гарантирующей диэлектрические качества защитного слоя. В определенных случаях может быть использован 30 лед или вода.

Однако применение хлористого аммония имеет преимущество в том. что образующиеся пары служат одновременно защитной атмосферой и способствуют ускорению процесса графитации 3s соответствующей части основы.

При выполнении нагревательного элемента в условиях последнего варината несколько возрастает вероятность увеличенной эоны переменного состава. что подтверждае гся отклонением 40 электрического сопротивления элемента от заданного номинала в пределах +- 7 ° 9%. Однако в данном случае получают наиболее оптимальный нагреватель направленного действия, в котором нагревательный элемент электрически и тепло- М изолирован со всех сторон, кроме рабочей.

Кроме того, значительно упрощается электроизоляция всего нагревателя.

Важной особенностью предлагаемого элект50 рического нагревателя является самоликвидация местных перегревов нагревательного элемента при частичном повреждении токопроводящей жилы, которая реализуется следующим образом.

Частичное повреждение токопроводящей жилы нагревательного элемента увеличивает тепловыделение в месте повреждения, за счет чего снижается сопротивление расположенных рядом с жилой участков зоны переменного состава, воспринимающих на себя токовую нагрузку и прекращающих дальнейший разогрев.

При внезапных разрушениях токопроводящей жилы образующиеся электрические дуги графитируют расположенный рядом участок эоны переменного состава и основы, замыкая цепь нагревательного элемента и предотвращая выход из строя всего нагревателя.

В случае повреждения разделяющих токопроводяшие полосы — дорожки неэлектропроводных участок основы (нагрев их до появления электропроводности) произойдет короткое замыкание токопроводящих дорожек со снижением общего сопротивления нагревателя. В этом случае, ввиду увеличения силы тока, протекающего по нагревателю, произойдет отключение нагревателя плавким предохранителем или тепловым реле. Аналогичное отключение происходит и при образовании дуги между соседними токопроводящими дорожками, что практически исключено. После изменения величины питающеro напряжения и замены плавкого предохранителя возможна дальнейшая эксплуатация нагревателя.

Расстояние между полосами-дорожками нагревательного элемента во избежание электрического пробоя выбирается на основании общих правил. с учетом сопротивления неэлектропро1

BogHoH ocHoBbl, составляюшсгo 1 0 — 1 10 UM cM, и величины питающего напряжения.

Учитывая, что в оптимальном варианте реализации нагревателя в качестве основы служит о термоокисленный при температурах до 320 С и даже 500 С волокнистый материал, для сохранении при эксплуатации всех достигнутых и проверенных при изготовлении нагревателя характеристик допустимая рабочая температура нагревателя не должна превышать температуру термоокислительной обработки.

Важной особенностью предложенного нагревателя является определяемая характером взаимных контактов электропроводных участков волокон способность снижать свое сопротивление при приложении к нагревателю по плоскости сжимающего усилия. При этом увеличивается число контактов волокон и контакты уплотняются. Ввиду поперечного, в основном, прохождения тока через волокна нагреватель имеет повышенное сопротивление.

Пример 1. Берут обработанный в присутствии аммонийных солей галогеноводородных кислот при температуре 320 С вискозный нетканевый материал в виде войлока с толщиной заготовки 6 мм и размерами 100 х 300 м..

Заготовку укладывают на шамотную плитку и накрывают сверху алюминиевым водоохлажда741484 емым экраном, имеющим по всей своей поверхности слой напыленной окиси алюминия толщиной 01, мм. В зигзагообразную прорезь экрана, имеющую ширину 10 мм и длину 400 мм, вводят нагретый до температуры 2100 С графи- 5 товый штамп, прижимают его к материалу основы и выдерживают в прижатом состоянии 5 с, после чего штамп выводят из прорези экрана.

В результате воздействия тепла штампа на поверхности (либо по всей толщине) основы образуются зигзагообразный участок графитированного материала, являющегося нагревательным элементом. Через 10 с снимают экран и измеряют электрическое сопротивление нагревательного элемента изготовленного нагревателя, которое составляет 52-"2 Ом.

Пример 2. Исходный вискозный тканый материал в виде саржи 2/2, обработанный в присутствии аммонийных солей галогеноводородных кислот до температуры 320 С, разрезают на заготовки размером 500х500 мм и укладывают заготовку на шамотную плиту.

Заготовку сверху накрывают водоохлаждаемым экраном с изолирующим покрытием, имеющим длину дорожки 3100 мм при ширине

12 мм. В прорезь экрана на заготовку укладывают 3000 мм графитированного жгута диаметром 4 мм с сопротивлением 40 Ом, не допуская сопротивления жгута с экраном. К концам уложенногожгута подвязывают переходные участки с удвоенным диаметром, которые соединяют с медными токоподводами. Второй идентичный составной жгут нагревают в свободном состоянии до температуры 2700 С и определяют, что по жгуту при напряжении 200 В 35 протекает ток 98 А. Во внешней цепи вторичной обмотки питающего трансформатора устанавливают плавкий предохранитель на 200 А и включают нагрев жгута. Через 2,5 с, когда плавкий предохранитель разорвет цепь нагрева, отключа- 40 ют трансформатор, снимают экран, нагреватель и измеряют сопротивление нагревательного элемента изготовленного нагревателя, равное

42 Ом.

Возможно отключение нагрева производить 45 при более короткой термообработке с достижением расчетной силы тока, обоих параллельно работающих нагревателей, исходного и изготовленного.

Исполнение нагревателя предложенным обаазом обеспечивает высокую эластичность, вибростойкость, повышение и стабильное электрическое сопротивление, упрощает конструкцию и способ изготовления, который может быть легко автоматизирован.

Испытания показали надежность эксплуатации нагревателя при температурах до 500 С. Зля изготовления нагревателя не требуется мощных машин и механизмов.

Формула изобретения

1. Электрический резистивный нагреватель, содержащий основу из неэлектропроводного углеродосодержащего волокна, например в виде войлока, и нагревательный элемент из электпропроводного углеродосодержащего волокна, отличающийся тем,что,сцелью упрощения конструкции и повышения надежности в работе, нагревательный элемент выполнен в виде электропроводных участков волокон основы.

2. Способ изготовления электрического резистивного нагревателя по п.1, при котором основу подвергают первичной термообработке при температуре до 320 С в присутствии хлористого аммония и вторичной высокотемпературной обработке до получения свойств электропроводностн, путем графитизации основы, отличающийся тем, что, вторичной термообработке подвергают участки, например, в виде зигзагообразной полосы.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США У 2318355, кл. 117-226, 1963.

2. Патент ФРГ N 1261968, кл. Н 05 В 3/48, 1961.

3. Патент США N 3235323, кл. 8-116, 1965.

741484

Составитель О. Шедрина

Техред А. Шепанская Корректор E. Папи

Редактор Н. Каменская

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 3220/55 Тираж 885 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5