резистивный электронагреватель

Формула изобретения

1. Резистивный электронагреватель, содержащий подложку из диэлектрического силикатного материала, нанесенный на нее нагреватель в виде пленки из полупроводникового оксидного материала элементов IV группы с добавками, отличающийся тем, что подложка выполнена из ситалла, характеризуемого способностью пропускать инфракрасные лучи и объемным сопротивлением до 10⁸ Ом/см³, а в качестве добавки использован переходный элемент d-подуровня.

2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что в качестве элемента IV группы использован цирконий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электронагревателям, и предназначено для обогрева любых жилых и других помещений зданий и сооружений, салонов различных видов наземного, воздушного и водного транспорта и т.п.

Известен резистивный электронагреватель, который содержит диэлектрическую подложку с нанесенными на нее друг на друга слоями в виде токопроводящих пленок основного и дополнительного нагревательных элементов. Основной нагревательный элемент выполнен из двуокиси сурьмы и бора, а дополнительный

из двуокиси олова с добавками фтора [1]

К недостаткам данного резистивного нагревателя следует отнести то, что вследствие значительного суммарного сопротивления двух параллельно соединенных проводников основного и дополнительного возникает необходимость подключения сравнительно высокого рабочего напряжения порядка 220 В, что приводит к неоправданным дополнительным затратам электроэнергии. Добавки сурьмы и бора улетучиваются в процессе эксплуатации и загрязняют окружающую среду.

Известен резистивный электронагреватель, принятый за прототип, содержащий подложку из боросиликатного стекла, основной нагреватель в виде пленки из полупроводникового оксидного материала на основе двуокиси олова с добавками сурьмы и бора, размещенный между ними дополнительный токопроводящий слой в виде пленки основного нагревателя, диффундированной в подложку, и дополнительный нагреватель в виде пленки на той же основе, что и основной нагреватель с добавкой фтора [2]

Однако использование отражательной способности дополнительного токопроводящего слоя на боросиликатной подложке инфракрасного спектра магнитный колебаний ( 2-7 мкм) тепловых лучей ведет к значительным затратам электроэнергии и предопределяет сравнительно низкий КПД всей тепловой конструкции. Кроме того, добавки сурьмы и бора, введенные в токопроводящие слои, при высоких температурах улетучиваются, загрязняя окружающую среду.

Задачей является создание высокоэффективного экологически чистого нагревательного устройства путем достижения технического результата, выражаемого в снижении потребляемой электроэнергии и повышении его КПД, а также за счет использования материалов, не оказывающих вредного воздействия в процессе эксплуатации.

Для достижения указанного технического результата в резистивном электронагревателе, содержащем подложку из диэлектрического силикатного материала с нанесенным на нее нагревателем в виде пленки из полупроводникового оксидного материала элементов IV группы с добавками, согласно изобретению подложка выполнена из ситалла, характеризуемого способностью пропускать инфракрасные лучи и объемным сопротивлением до 10⁸ Ом/см³, а в качестве добавки использован переходной элемент d-подуровня. При этом в качестве элемента IV группы использован цирконий.

Выполнение подложки из ситалла, характеризуемого способностью пропускать инфракрасные лучи, объемным сопротивлением до 10⁸ Ом/см³, термостойкостью до 300^oC, обеспечивает передачу тепла лучепропусканием. Это позволяет при малой потребляемой мощности нагрева эквивалентно преобразовать электрическую энергию в тепловую, нацело передать ее через подложку и обеспечить 95-98% КПД.

В прототипе же передача тепла осуществляется отражением тепловых лучей и КПД не превышает 80%

Использование в качестве добавки переходного элемента d-подуровня, например меди, позволяет увеличить электропроводность полупроводникового слоя. Взаимодействие полупроводникового материала элементов IV группы с добавкой переходного элемента d-подуровня с ситалловой подложкой, обладающей вышеуказанными характеристиками, позволяет получить промежуточный слой, образуемый в результате физико-химических процессов (диффузии, хемосорбции, адгезии). При этом свойства нагревателя и промежуточного слоя не изменяются в процессе работы при воздействии температуры и окружающей среды, что позволяет обеспечить экологически чистые условия работы устройства и стабильность его работы при заданных параметрах.

Использование в качестве элемента IV группы циркония вследствие химического сродства циркония к ситаллу подложки позволяет повысить способность пленки нагревателя к адгезии.

Заявленная совокупность существенных признаков в известных технических решениях не обнаружена, что позволяет сделать вывод о "новизне" изобретения.

Анализ известных технических решений в исследуемых областях техники позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками заявляемого технического решения, и признать его соответствующим "изобретательскому уровню".

На фиг. 1 представлен общий вид устройства.

Предлагаемый резистивный нагреватель содержит диэлектрическую подложку из ситалла 1. На нее нанесен нагреватель 2 в виде пленки из полупроводникового оксидного материала элементов IV группы, имеющего соответствующую адгезию к подложке, например циркония с добавкой переходного элемента d-подуровня, например меди. На нагревателе 2 по его краям расположены токопроводящие шины 3, подключенные к сети.

При нанесении пленки нагревателя 2 на подложку 1 образуется слой, обладающий свойствами переходного полупроводникового слоя. В результате резистивный электронагреватель имеет два проводника, параллельно соединенных с постоянным общим сопротивлением, меньшим сопротивления каждого из проводников.

Резистивный электронагреватель работает следующим образом.

При включении устройства в сеть ток поступает через шины 3 одновременно на два проводника и основной ток ввиду начального удельного сопротивления протекает по нагревателю 2, обеспечивая нагрев переходного слоя. По мере разогрева переходного слоя и понижения его удельного сопротивления ток потечет по нему, обеспечив достижение заданной температуры. Оба слоя начинают работать как параллельные проводники, включенные в общую электрическую цепь. Так как резистивные характеристики слоев становятся сопоставимыми, схема работает стабильно. Уменьшение общего сопротивления предлагаемого нагревателя обеспечивает достижение заданных температур при меньшем напряжении и, следовательно, при меньших затратах электроэнергии. Вследствие использования лучепропускающей способности предлагаемого устройства в отличие от отражательной способности прототипа электрическая энергия эквивалентно превращается в тепловую и до 95% тепла передается в обогреваемый объем, обеспечивая тем самым КПД до 98%

Использование заявляемого резистивного электронагревателя позволяет значительно экономить электроэнергию за счет малой потребляемой мощности и высокого КПД. Так, для нагрева 1 м² нагревательных элементов до температуры 605^oC и поддержания этой температуры требуется 0,25-0,35 кВт, а для обогрева и поддержания комфортной температуры в комнате площадью 20 м² требуется 2,5-3 м² нагревающей поверхности.

При этом режимы работы обогревающих устройств могут быть заданы, автономно регулируемы вплоть до автоматического управления.

Технологические свойства ситалла, из которого выполнена подложка, позволяют формовать изделия и детали любой толщины и конфигурации методами проката, прессования, литья и др.

Использование предлагаемого устройства позволит отказаться от громоздких, имеющих малый КПД и требующих громадных капитальных, энергетических и материальных затрат систем водо-, паро- и теплоснабжения.

Кроме того, предлагаемый электронагревательный элемент является экологически чистым, высокоэкономичным, технологичным и ремонтнопригодным, с богатыми возможностями дизайнового оформления. Он может быть выполнен в виде "тепловых" стен, настенных панно, каминов различного дизайнового оформления, "тепловых" полов, потолков и т.п.