PL181249B1 - Elektryczny układ grzewczy - Google Patents

Abstract

Elektryczny układ grzewczy, złożony z amorficznego elementu grzejnego, z podtrzymującego go mechanicznie podłoża, oraz z izolacji elektrycznej osłaniającej element grzejny znamienny tym, ze amorficznymelementem grzejnym jest taśma amorficzna (50, 70, 80, 94) o grubości poniżej 0,1 mm, wykonana ze stopu metali przegrzanego do temperatury wyższej od temperatury topnienia, przy czym temperatura pracy taśmy amorficznej (50,70,80,94)jestniższa od temperatury kruchości tego stopu.

Description

Przedmiotem wynalazku jest elektryczny układ grzewczy, złożony z amorficznego elementu grzejnego, z podtrzymującego go mechanicznie podłoża, oraz z izolacji elektrycznej osłaniającej element grzejny

Elementy grzejne znanych dotychczas elektrycznych układów grzewczych są wykonane z metalowego drutu o strukturze krystalicznej i małej powierzchni zestyku z otoczeniem. W celu dostarczenia do otoczenia wymaganej mocy cieplnej, drutowe elementy grzejne muszą pracować w bardzo wysokich temperaturach, w zakresie od 900°C do 1500°C Elektryczne układy grzewcze wymagają więc stosowania kosztownych elementów grzejnych o bardzo dużej odporności na korozję, umożliwiającej ich pracę w wysokich temperaturach przez długi okres czasu. Elementy grzejne dostosowane do wysokich temperatur, są wykonane najczęściej ze stopu NiCr, z Kantalu, oraz ze stopu Fechfa. Inne elementy grzejne, pracujące w niższych temperaturach (do około 800°C), są wykonane z manganinu i z konstantanu (stop oporowy z grupy Cu-Ni).

181 249

Znane dotychczas elektryczne układy grzewcze są stosunkowo kosztowne, co wynika z wysokich kosztów nie tylko wysokotemperaturowego elementu grzejnego, ale i z podłoża podtrzymującego element grzejny, oraz izolacji odpornej na działanie wysokich temperatur.

Ponadto, praca układu grzewczego w wysokich temperaturach prowadzi do powstania szkodliwych dla zdrowia substancji i oparów, zwłaszcza w przypadku, kiedy układ grzewczy znajduje się w pomieszczeniu mieszkalnym. Szkodliwe substancje, na przykład benzopyren, powstająw wyniku spalania znajdujących się w po wietrzu cząsteczek organicznych juz w temperaturze wynoszącej około 180°C. Tego rodzaju układy grzewcze, stosowane w dużej skali, mogą doprowadzić do zanieczyszczenia powietrza

Jako elementy grzejne mogą być wykorzystane cienkie taśmy oporowe, które ze względu na swądużąpowierzchnię mogąpracować w niższych temperaturach niż druty oporowe. Jednakże, proces wytwarzania cienkich taśm, lub folii metalowych, jest bardzo kosztowny, gdyż wymaga trawienia znajdującego się na podłożu materiału oporowego, albo wielokrotnego walcowania drutu. Wytworzona w ten sposób folia metalowa ma strukturę krystaliczną.

W ostatnich latach, wiele uwagi poświęcono wytwarzaniu cienkich metalowych taśm amorficznych, głównie dla zastosowań magnetycznych, które sąznacznie mniej kosztowne niż taśmy krystaliczne. Proces wytwarzania taśm amorficznych obejmuje technologię jednoetapowego krzepnięcia stopionego stopu na obracającym się walcu, takjak to przedstawiono szczegółowo w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych A.P. nr US 4 789 022.

Chociaż amorficzne taśmy stopów metali są szeroko wykorzystywane dla celów magnetycznych, to jednak nie znalazły one dotychczas praktycznego zastosowania w elektrycznych układach grzewczych. Należy jednak zaznaczyć, że możliwość zastosowania taśm amorficznych w ogrzewaczach elektrycznych była już wzmiankowana, na przykład w japońskim opisie patentowym nr JP 112192. Element grzejny opisanego ogrzewacza elektrycznego jest wykonany z cienkiej i krótkiej taśmy z amorficznego stopu metali, o szerokości 1 cm. Konstrukcyjne zagadnienia tego ogrzewacza dotyczyły jego wytrzymałości mechanicznej, kosztów wytwarzania, oraz stabilności rezystancji elektrycznej. Nie podano przy tym praktycznych zastosowań tego układu grzewczego

Większość metali i stopów metali ma w stanie stałym strukturę krystaliczną. Taśmy o strukturze amorficznej mająw stosunku do taśm o strukturze krystalicznej bardzo korzystne właściwości mechaniczne, takie jak twardość, giętkość i wytrzymałość na rozciąganie, a ponadto są znacznie tańsze w produkcji i prostsze w zastosowaniu.

Większość taśm amorficznych jest wytwarzana metodą jednoetapowego krzepnięcia stopionego stopu na obracającym się walcu, polegającą na gwałtownym wystudzeniu stopionego metalu, w wyniku którego, atomy stopu są zamrażane w strukturze amorficznej zanim zdążą ułożyć się w sieć krystaliczną. Szerokość wytwarzanych tąmetodątaśm amorficznych wynosi od 1 mm do 10 cm, zaś grubości - od 20 pm do 35 pm. Taśmy amorficzne mają wysoką rezystywność, nie mniejszą niż rezystywność taśm krystalicznych, i wynoszącą około 1,5 x 10'⁶Qm, a nawet 2 x 10° Om.

Pomimo rosnących zastosowań metalowych taśm amorficznych, to me zostały one dotychczas wykorzystane do konstrukcji elementów grzejnych, ze względu na małąpowtarzalność charakterystyk materiałowych i dozwolone niskie lemperatury pracy.

Mała powtarzalność charakterystyk materiałowych taśm amorficznych powoduje różnice między kolejnymi wytwarzanymi partiami, a nawet między początkiem a końcem jednej taśmy. Niejednorodna rezystywność taśm amorficznych jest przyczyną generacji różnej mocy cieplnej przez kolejne elementy grzejne, co jest niedopuszczalne w powszechnych zastosowaniach. Ponadto, różne obszary elementu grzejnego mogąmieć różnątemperaturę, co może doprowadzić do zniszczenia tego elementu i w konsekwencji obniżenia wydajności grzejnika.

Inną przyczyną niewykorzystywania dotychczas taśm amorficznych stopów metali jako elementów grzejnych, jest ich niska dopuszczalna temperatura pracy.

W publikacji Mano^a i współautorów podtytułem „Wpływ studzenia na strukturę i właściwości stopów amorficznych”, w Materials Science and Engineenng, A133 (1991), str 535-540,

181 249 opisanajest technika wytwarzania taśm amorficznych ze stopu metali przegrzanego do temperatury znacznie wyższej od temperatury jego topnienia, w wyniku czego zawarte w roztopię związki międzyfazowe mają strukturę amorficzną Otrzymane tym sposobem taśmy amorficzne mają stosunkowo powtarzalne charakterystyki materiałowe

Chociaż w tej publikacji opisany został szczegółowo proces przegrzewania stopionego metalu, oraz wynikające z tego właściwości otrzymanych taśm amorficznych (wyższa i bardziej stabilna rezystywność), to jednak właściwości te, nie są wystarczające dla elementów grzejnych Cytowana publikacja nie zawiera żadnej wzmianki dotyczącej zastosowania otrzymanych w tym procesie taśm amorficznych jako elementów grzejnych

Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P 296170 znana jest tkanina grzejna, wykonana z elementów grzejnych o wysokiej oporności właściwej, stanowiących metalowe nitki o strukturze amorficznej, drobnokrystalicznej, lub krystalicznej, z nitek dielektrycznych, oraz z nitek metalowych o niskiej oporności właściwej, stanowiących połączenia elektryczne. Tkanina ta, ma zastosowanie do wytwarzania odzieży grzewczej, do ogrzewania pojazdów, ziemi i mieszkań.

Zastosowane w tkaninie grzejnej metalowe nitki grzejne mają bardzo małą powierzchnię zestyku z otoczeniem, a więc w celu dostarczenia do otoczenia określonej mocy cieplnej, konieczne jest podgrzewanie tych nitek do znacznie wyższej temperatury niż w przypadku stosowania cienkich taśm grzejnych, co z kolei wiąże się ze stosunkowo większą konsumpcją energii elektrycznej Dowolna struktura nitek grzejnych, to jest amorficzna, drobnokrystaliczna, lub krystaliczna wskazuje, ze nie ma znaczenia zakres stosowanych temperatur, który w przypadku ogrzewania mieszkań może być dosyć duży, a więc powodujący powstanie substancji szkodliwych dla zdrowia. Tkanina grzejna me może być ze względu na swą konstrukcję stosowana w większości elektrycznych układów grzewczych, takich jak suszarki do włosów, czy też do podgrzewania wody doprowadzanej do zlewu. Stosowane nitki grzejne są ponadto wytwarzane innym sposobem niż taśmy grzejne.

Celem wynalazku jest opracowanie elektrycznego układu grzewczego z amorficznym stopem metali, który zapewni generację dużej mocy cieplnej w niskich temperaturach, niższych od temperatur tworzenia się szkodliwych dla zdrowia substancji, oraz zmniejszy zużycie energii elektrycznej i obniży koszty jego wytwarzania, a tym samym wyeliminuje niedogodności znanych dotychczas podobnych elektrycznych układów grzewczych.

Cel ten, zrealizowano w elektrycznym układzie grzewczym według wynalazku, który charakteryzuje się tym, że amorficznym elementem grzejnym jest taśma amorficzna o grubości poniżej 0,1 mm, wykonana ze stopu metali przegrzanego do temperatury wyższej od temperatury topnienia, przy czym temperatura pracy taśmy amorficznej jest niższa od temperatury kruchości tego stopu

Temperatura pracy taśmy amorficznej wynosi korzystnie od 50°C do 200°C.

Taśma amorficzna jest wykonana korzystnie ze stopu Fe₇₈B,₈Si4, albo Fe₁₃Ni₆₀Cr₅Si₁₀B₁₂, albo Fe74Co₂ jC© ₅B₁₆, albo Al₆₅Co₁₀Ge₂₅.

Taśma amorficzna jest korzystnie wykonana ze stopu zawierającego żelazo, i/lub nikiel i/lub kobalt w ilości od 65% do 88% molowych, bor, i/lub krzem l/lub fosfor w ilości od 12% do 28% molowych, oraz chrom w ilości od 0% do 11% molowych.

Taśma amorficzna jest podtrzymywana na podłożu i osłonięta izolacją elektryczną wykonanych z materiałów o temperaturze pracy korzystnie nie przekraczającej temperatury pracy tej taśmy amorficznej. Izolacja ta, jest korzystnie warstwą laminatu z tworzywa sztucznego pokrywającego taśmę amorficzną, wykonana najkorzystniej z polistyrenu, albo z poliamidu, względnie z silikonu.

Zaletąelektrycznego układu grzewczego z amorficznym stopem metali według wynalazku jest jego niezawodność pracy w długim okresie czasu, przy wielokrotnych obciążeniach mechanicznych, elektrycznych i cieplnych, generacja dużej mocy cieplnej przy niskiej temperaturze pracy, oraz krótki czas grzania i mniejsze zuzycie energii elektrycznej. Niskie temperatury pracy układu grzewczego nie powodujątworzenia się szkodliwych dla zdrowia substancji, na przykład benzopyrenu, zapobiegają utlenianiu się elementu grzejnego, oraz umożliwiają zastosowanie

181 249 podłoża i izolacji pracującej wyłącznie w niskich temperaturach, co łącznie z mniejszymi kosztami wytwarzania taśm amorficznych znacznie obniża koszty wytwarzania całego elektrycznego układu grzewczego.

Elektryczny układ grzewczy z amorficznym stopem metali jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig 1A przedstawia znany spiralny element grzejny, w widoku perspektywicznym, fig. 1B - palnik kuchni elektrycznej ze znanym spiralnym elementem grzejnym, w widoku perspektywicznym, fig. 1C - grzejnik elektryczny ze znanym spiralnym elementem grzejnym, w widoku perspektywicznym, fig 1D - elektryczną suszarkę do włosów ze znanym drutowym elementem grzejnym, w widoku perspektywicznym, fig 2A - amorficzny element grzejny według wynalazku, w widoku perspektywicznym, fig. 2B - amorficzny element grzejny według fig. 2A, w widoku z boku, fig. 2C - amorficzny el ement grzejny według fig 2A, w widoku z góry, fig. 3 - elektryczną suszarkę do włosów z amorficznym elementem grzejnym według fig. 2A-2C, w widoku perspektywicznym, fig. 4A - płaski grzejnik elektryczny z amorficznym elementem grzejnym według wynalazku, w widoku perspektywicznym, fig. 4B - moduł grzejnika według fig. 4A. w widoku z boku, fig. 4C - moduł grzejnika w przekroju wzdłuż linii 4C-4C na fig. 4B, fig. 4D - mechanizm połączeniowy modułu grzejnika według fig. 4A, w widoku perspektywicznym, fig. 5A - cylindryczny grzejnik elektryczny z amorficznym elementem grzejnym wedhig wynalazku, w widoku perspektywicznym, fig.5 B - grzejnik wedhig fig. 5A. w podłużnym porz.erkroju osiowym, fig. 6A - odmianę cylindrycznego grzejnika elektrycznego z amorficznym elementem grzejnym według wynalazku, w widoku perspektywicznym, fig. 6B - grzejnik według fig. 6A, w podłużnym przekroju osiowym, fig. 7A - zlew z amorficznym układem grzewczym według wynalazku, w widoku perspektywicznym, fig. 7B - amorficzny układ grzewczy do podgrzewania wody w zlewie według fig. 7A, fig. 8A - odmianę amorficznego układu grzewczego do podgrzewania wody, w widoku perspektywicznym, a fig 8B - amorficzny układ grzewczy według fig. 8A, w widoku perspektywicznym

Przedstawiony na fig. 1A znany element grzejny 12 ma postać spiralnego drutu oporowego NiCr o strukturze krystalicznej, która jest typową strukturą dla stopniowego krzepnięcia metali. Przedstawiony na fig. 1B palnik kuchenki elektrycznej jest wyposażony w dwa spiralne elementy grzejne 12 i 18, osadzone w płycie ceramicznej 14 palnika, oraz połączone z nieuwidoczmonym na rysunku źródłem energii elektrycznej.

Przedstawiony na fig 1C znany grzejnik el ektryczny jest wyposażony w osłonę 22, w znajdujące się w jej wnętrzu dwa spiralne elementy grzejne 24 i 26, w dwa reflektory 23, 25, oraz w przełącznik 27.

Na figurze 1D przedstawiona jest elektryczna suszarka do włosów ze znanym drutowym elementem grzejnym. Suszarka jest wyposażona w obudowę 32 z tworzywa sztucznego, oraz w tworząca z niąjednącałość rękojeść 34. Wewnątrz obudowy 32 jest osadzona tuleja izolacyjna 44 z miki, oraz rama 40 z miki, wokół której jest owinięty drutowy element grzejny 42, połączony ze stykami przełącznika 38, ten zaś - z przewodem zasilającym 48. Rama 40 z miki, stanowiąca podłoże dla drutu, jest przystosowana do pracy w wysokich temperaturach. W tylnej części suszarki znajduje się wentylator 36, uruchamiany nieuwidocznionym na rysunku silnikiem. Znaczącą część kosztów wytwarzania takiej suszarki stanowi drutowy element grzejny 42.

Element grzejny suszarki według fig. 1D jest wykonany z drutu kantatowego o średnicy 0,4 mm i długości 4,86 m. Moc tej suszarki wynosi 920 W, a temperatura drutowego elementu grzejnego 42 - około 600°C.

Następne figury rysunku przedstawiają elementy grzejne wykonane z taśm amorficznego stopu metali, oraz wyposażone w te elementy elektryczne układy grzewcze według wynalazku. Taśmy amorficzne mają dużą powierzchnię roboczą i są przystosowane do pracy w niskich i średnich temperaturach.

Przedstawiony na fig. 2A, 2B i 2C cylindryczny element grzejny według wynalazku składa się z dwóch warstw izolacyjnych 52 pełniących funkcję podłoża i izolacji, korzystnie w postaci arkuszy z tworzywa sztucznego, lub z laminatu, oraz z zamocowanej między nimi taśmy amorficznej 50 ze stopu metali Warstwy izolacyjne 52 majądużąprzewodność cieplną, oraz małąprze6

181 249 wodność elektryczną. Tworzywem sztucznym warstw izolacyjnych 52 jest polistyren, korzystnie poliamid. Końcówki 50a i 50b taśmy amorficznej 50 pełnią funkcję styków połączonych z nieuwidocznionymi na rysunku wyprowadzeniami układu zasilającego.

Twórcy mniejszego wynalazku odkryli nieoczekiwanie, ze wytworzone przez nich taśmy amorficzne nie podlegają degradacji i utrzymują swe charakterystyki materiałowe w ciągu bardzo długiego czasu pracy. To odkrycie obala powszechną opinię, że metalowe materiały amorficzne nie mogą być stosowane w praktyce jako elementy grzejne. Testy skonstruowanego elektrycznego grzejnika przestrzennego (to znaczy oddającego ciepło we wszystkich kierunkach) z metalowymi taśmami amorficznymi wykazały, że ponad roczna praca grzejnika w temperaturze 150°C nie spowodowała żadnych zmian w charakterystykach materiałowych taśm amorficznych.

Aby otrzymać powtarzalność charakterystyk materiałowych taśm amorficznych, wskazane jest wytwarzanie ich w tak zwanym procesie przegrzania Manov'a, który polega na tym, że przed gwałtownym wystudzeniem stopionego stopu przegrzewa się go do temperatury znacznie wyższej niż temperatura topnienia stopu, w wyniku czego, zawarte w roztopię związki międzyfazowe mają strukturę amorficzną.

Otrzymane w procesie Manov'a taśmy amorficzne mają bardzo korzystne właściwości, zwłaszcza dosyć równomierny rozkład składników stopu zarówno w objętości, jak i powierzchni taśmy, co jest wynikiem małej gęstości lokalnych mikro-defektów Mikro-defekty są jednak główną przyczyną tworzenia się i propagacji pęknięć po przejściu przez taśmę prądu elektrycznego, które z kolei powodują uszkodzenie elementu grzejnego. Pomimo tego, taśmy amorficzne są stosunkowo niezawodne, i mogą być użyte jako elementy grzejne pracujące w stosunkowo długim czasie.

Wymagana rezystancja taśm amorficznych dla zastosowań na elementy grzejne jest wyznaczana następująco: moc wejściowa jest równa kwadratowi napięcia na elemencie grzejnym podzielonemu przez rezystancję tego elementu Wymagana rezystancja może być obliczona na podstawie napięcia zasilającego na elemencie grzejnym, oraz na podstawie wymaganej mocy (która jest znana), ograniczonej maksymalnym dopuszczalnym prądem.

Elementy grzejne według wynalazku sąprzystosowane do pracy w niskich temperaturach, od około 50°C do około 300°C, korzystnie w zakresie od 50°C do 200°C. Wynika to z faktu, że taśmy amorficzne stopów metali stają się kruche w temperaturach od około 200°C do 300°C (tak zwana temperatura kruchości), oraz zmieniają swą strukturę z amorficznej na krystaliczną w temperaturach od około 350°C do 400°C. Niska temperatura pracy elementów grzejnych według wynalazku zapobiega tworzeniu się szkodliwych dla zdrowia i środowiska oparów i gazów, zwłaszcza benzopyrenu.

Elementy grzejne według wynalazku mają w stosunku do stosowanych dotychczas elementów grzejnych innąkonstrukcję, określoną przez dużą powierzchnię roboczą, oraz inne warunki pracy (niska temperatura) Duża powierzchnia elementów grzejnych jest utworzona przez długie i szerokie taśmy o niskiej rezystancji cieplnej, która zapewnia efektywny transport ciepła do otoczenia.

Niskie temperatury pracy elementów grzejnych według wynalazku oznaczają mniejszy strumień ciepła oddawany do otoczenia, gdyż jego wielkość jest proporcjonalna do różnicy temperatur między elementem grzejnym, a otoczeniem. W celu uzyskania wymaganej mocy cieplnej, ta mała różnica temperatur została w elementach grzejnych według wynalazku skompensowana dużą powierzchnią roboczą.

Analizując uzyski transportu ciepła z elementu grzejnego do otoczenia należy stwierdzić, ze taśmy amorficzne, wskutek większej powierzchni zdolnej do odprowadzenia ciepła, są bardziej efektywne niż elementy grzejne w postaci drutów krystalicznych. Dla identycznych temperatur i mas elementów grzejnych, taśmy amorficzne przekazują do otaczającego je powietrza znacznie większy strumień ciepła niż druty krystaliczne. Masa elementu grzejnego jest istotnym parametrem, gdyż wpływa ona bezpośrednio na koszty jego wytwarzania, które są najwyższe dla drutów krystalicznych, mniejsze dla taśm krystalicznych, a najmniejsze - dla taśm amorficznych,

181 249 których charakterystyki transportu ciepła do otoczenia są podobne do charakterystyk transportu ciepła taśm krystalicznych.

Rezystancja cieplna służy do określenia transportu ciepła między elementem grzejnym, a otoczeniem, i jest określona różnicą temperatur wywołującą przepływ ciepła o mocy 1 wata Stosunkowo małą rezystancję cieplną elementów grzejnych według wynalazku, a więc duży transport wymaganej mocy cieplnej, uzyskano nawet w niskich temperaturach pracy elementu grzejnego, dzięki zwiększeniu jego powierzchni roboczej.

Wymagana rezystancja elektryczna elementu grzejnego według wynalazku jest obliczana na podstawie wymaganej mocy elektrycznej i napięcia na elemencie grzejnym Rezystancja elektrycznajest proporcjonalna do długości, i odwrotnie proporcjonalna do przekroju poprzecznego elementu grzejnego. Tak więc dla stałej grubości taśmy, tę samą rezystancję elektryczną można uzyskać stosując zarówno krótką i wąską, jak i szeroką i długą taśmę.

Taśmy amorficzne według wynalazku mają szerokość znacznie większą niż znane taśmy amorficzne dla układów grzewczych, wynoszącą 20 cm, więc w celu uzyskania tej samej rezystancji, konieczne jest również znaczne zwiększenie ich długości. Te zwiększone wymiary taśm amorficznych według wynalazku powodują zwiększenie ich powierzchni, a więc i znaczące zmniejszenie rezystancji cieplnej względem otoczenia, oraz znaczne zmniejszenie temperatury pracy. Element grzejny według wynalazku, wykonany z taśmy amorficznej o dużej szerokości, może być zatem wykorzystany do uzyskania dużej mocy cieplnej w niskich temperaturach pracy Bardziej praktyczne wartości szerokości taśmy amorficznej wynoszą od 3 cm do 10 cm. Elementy grzejne według wynalazku charakteryzują się szerokim zakresem zastosowań, w których temperatura pracy jest dobierana przez precyzyjny dobór obszaru powierzchni elementu grzejnego.

Istotną, bardzo korzystną właściwością elementów grzejnych według wynalazku jest bardzo mała stała czasowa grzania, dzięki której, gr zejnik uzyskuje swą stałą temperaturę w bardzo krótszym czasie. Korzyścią dla użytkownika grzejnika wyposażonego w elementy grzejne według wynalazku jest szybkie nagrzanie się pomieszczenia, przy małym zużyciu energii elektrycznej. Niskie temperatury pracy elementów grzejnych według wynalazku powodują generację znacznie mniejszych naprężeń cieplnych niż w znanych dotychczas drutowych elementach grzejnych, co z kolei oznacza większą niezawodność działania układu grzewczego.

W technologii materiałowej znany jest fakt, że ze wzrostem temperatury materiału rośnie jego podatność na utlenianie, co w praktyce oznacza degradację elementów grzejnych. W celu uniknięcia utleniania się elementów grzejnych w wysokich temperaturach, znane dotychczas elementy są wytwarzane z kosztownych metali odpornych na utlenienie.

Stosowane w grzejniku elektrycznym taśmy amorficzne według wynalazku winny być odporne na utlenianie tylko w niskich temperaturach, przez co są znacznie mniej kosztowne. Również stosowana w takim grzejniku izolacja elektryczna, oraz podłoże, pracujące w niskich temperaturach, są znacznie tańsze niż w przypadku elementów wysokotemperaturowych, dzięki czemu, koszt wytwarzania grzejnika elektrycznego jest znacznie mniejszy.

Podłoże podtrzymujące taśmę amorficzna elektrycznego układu grzewczego według wynalazku, jest wykonane z teflonu, silikonu, kauczuku, RTV, kaptonu, lub z podobnego materiału. W celu zwiększenia powtarzabiości i stabilności parametrów roboczych taśm amorficznych jako elementów grzejnych, opracowano nowy wariant perforowanej taśmy amorficznej. Wymiary i położenie perforowanych otworów taśmy zalezą od warunków pracy, a ich głównym celem jest ograniczenie ewentualnej propagacji pęknięć, które rozchodząc się prostoliniowo zatr/ymująsie na otworach.

W najkorzystniejszym rozwiązaniu taśmy amorficznej według wynalazku dla zastosowań praktycznych, jej grubość nie powinna być większa niż 0,1 mm. Taśmy amorficzne o grubości bliskiej 0,1 mm nie wymagają stosowania podłoża podtrzymującego. We wszystkich rozwiązaniach taśmy amorficznej, jej grubość winna być jednorodna jak to tylko możliwe

Stosowane do wytwarzania taśm amorficznych stopy zawierają korzystnie żelazo, nikiel i kobalt, w ilości od 65% do 88% molowych, bor, krzem i fosfor, w ilości od 12% do 28% molowych, oraz chrom, w ilości od 0% do 11% molowych. Grubość wytworzonych z tych stopów

181 249 taśm amorficznych, nie powinna przekraczać wartości 45 pm. Stosowane stopy mają elektryczną rezystywność w zakresie od 1x10‘⁶Om do 1x10·° Om, korzystnie w zakresie od 1x10'6 Om do 5 x 10⁶ Om.

Na elementy grzejne według wynalazku mogą być wykorzystane następujące znane stopy ^metali. F^e80B2₀ ^{, Fe}4o^Ni4oB15^C1 ^Si4 ^Ni7Q^SiiiB15, ^Fe85^B|1, ^Fe76^B24, F^e7gB|8^Si4, ^Fe74^Co2 5^Cr7 5^B 16, ^Ti48 5, ^Cu45^Ni55, ^Al65^C°K)^Ge25

Przedstawiony na fig. 2A-C element grzejny według wynalazku, został zastosowany w przedstawionej na fig. 3 suszarce do włosów. Suszarkajest wyposażona w obudowę 56, w stanowiącą z nią jedną całość rękojeść 58, w znajdujący się w obudowie 56 element grzejny z taśmą amorficzną 50, w wentylator 60, oraz w przełącznik 62, połączony z przewodem elektrycznym 63, oraz z elementem grzejnym i z silnikiem napędzającym wentylator 60.

Suszarka według wynalazku różni się od znanej suszarki według fig. 1D jedynie elementem grzejnym, mającym postać taśmy amorficznej. Taśma amorficzna 50 suszarki według wynalazku, o mocy 920 W, została wykonana ze stopu Fe80B20. Grubość taśmy amorficznej wynosi 20 pm, szerokość 5 mm, zaś długość 3,88 m. Zmierzona temperatura pracy taśmy amorficznej 50 wynosiła 100°C, co jest wartością sześciokrotnie mniejsząniż temperatura pracy znanych, dostępnych handlowo suszarek do włosów. Koszt zastosowanej taśmy amorficznej 50 jest przy tym dwukrotnie mniejszy niż koszt drutu krystalicznego znanych suszarek. Ponadto, w suszarce według wynalazku nie jest konieczne stosowanie wysokotemperaturowych, a więc i kosztownych materiałów na podłoże i izolację.

Przedstawiony na fig. 4A płaski grzejnik elektryczny według wynalazku składa się z kilku, połączonych ze sobąmodułów 64, których elementy grzejne są wykonane z taśmy amorficznej 70 z dwiema końcówkami 70a i 70b pełniącymi funkcję styków (fig 4B).

Lewy moduł 64 grzejnika jest wyposażony w pokrętło regulacyjne 72, służące do kontroli mocy elektrycznej dostarczanej do grzejnika. Moduły 64 grzejnika są wyposażone w haczyki 66 (fig. 4D), służące do połączenia z sąsiednimi modułami. Połączenie jednego modułu 64 grzejnika z innym polega na wciśnięciu guzika 68, osadzeniu haczyka 66 w nieuwidocznionym na rysunku wycięciu sąsiedniego modułu 64, oraz zwolnieniu guzika 68, co powoduje zaczepienie się haczyka 66 o nieuwidocznione na rysunku kołki. Oczywiście, mogą być zastosowane innego rodzaju połączenia modułów 64 grzejnika

Przedstawiony na fig. 4C moduł 64 grzejnika jest w swej tylnej części wyposażony w osłonę tylną76, zaś na swej powierzchni czołowej - w aluminiową osłonę czołową73, do której jest przymocowana taśma amorficzna 70, za pomocą warstwy izolacyjnej 74 kleju silikonowego. Taśma amorficzna 70 może być również przymocowana do osłony tylnej 76, jeżeli jest ona wykonana z materiału izolacyjnego. Zastosowana w modułach 64 grzejnika taśma amorficzna 70 jest wykonana ze stopu Fe78B,8Si4 Grubość taśmy amorficznej wynosi 20 pm, szerokość 1 cm, zaś długość 10,15 m. Moc jednego modułu 64 grzejnika wynosi 500 W, zaś temperatura taśmy amorficznej 70 - tylko 150°C.

Przedstawiony na fig. 5A i B cylindryczny grzejnik elektryczny składa się z podstawy 84, z pokrywy 81, wyposażonej w otwory 81a, oraz z osłony cieplnej 78, wewnątrz której znajduje się element grzejny. Podstawa 84 grzejnika jest wyposażona w pokrętło regulacyjne 82, oraz w standardowe gniazdo zasilające 83'. Osłona cieplna 78 jest w swej dolnej części zaopatrzona w wycięcia 78a, które łącznie z otworami 81a pokrywy 81 indukują przepływ ciepła ku górze na drodze konwekcji.

Element grzejny tego grzejnika ma postać długiej taśmy amorficznej 80 owiniętej wokół pionowych prętów izolacyjnych 79 stanowiących jej podłoże podtrzymujące, do których jest korzystnie przymocowana za pomocą kleju silikonowego.

Taśma amorficzna 80 grzejnika została wykonana ze stopu Fe78B,8Si4, o grubości 20 pm, szerokości 2 cm i długości 8 m. Przy mocy 1300 W, temperatura na powierzchni taśmy amorficznej 80 nie przekracza wartości 130°C.

181 249

1300 W grzejnik według fig. 5A i B, oraz 500 W grzejnik według fig. 4A, B, C i D, poddane zostały ponad 1000 godzinnej pracy, po czym taśmy amorficzne zostały zbadane dyfrakcyjnie z użyciem promieni X, w wyniku których nie stwierdzono żadnych zmian strukturalnych.

Przedstawiony na fig 6A i B cylindryczny grzejnik elektryczny jest swym kształtem podobny do grzejnika według 5A i B, i złożony z podstawy 84 z pokrętłem 82 i gniazdem zasilającym 83', z pokrywy 81 z otworami 81a, oraz z osłony cieplnej 78. wewnątrz której znajduje się element grzejny, którego konstrukcja jest podobna do elementu grzejnego według fig. 2A-C Element grzejny składa się z taśmy amorficznej 50, oraz z warstwy izolacyjnej 83 w postaci arkusza z tworzywa sztucznego (fig. 6B), stanowiącego podłoże taśmy amorficznej 50. Obydwie końcówki 50a i 50b taśmy amorficznej 50, pełniące funkcję styków, są zakończone w środkowym bloku zasilającym 85.

Na figurze 7A przedstawiony jest tradycyjny zlew 87, w którym zamiast rury z ciepłą wodą zastosowano przedstawiony na fig. 7B układ grzewczy 88 według wynalazku, osadzony na miedzianej rurze 89, do której dopływa od dołu zimna woda, a wypływa od góry ciepła woda Układ grzewczy 88 składa się z cienkiej silikonowej warstwy izolacyjnej 52, o grubości około 0,3 mm, z przyklejonej do niej taśmy amorficznej 50, przymocowanej również do podłoża 91 z tworzywa sztucznego, oraz z cienkiej cieplnej warstwy izolacyjnej 90, o grubości około 2,4 mm. Osadzony na miedzianej rurze 89 o średnicy wewnętrznej 8 mm, średnicy zewnętrznej 10 mm i długości 0,5 m układ grzewczy 88, wyposażony w trzy, połączone równolegle taśmy amorficzne 50, poddano testom, w wyniku których stwierdzono, ze przy szybkości przepływu wody 2 kg/min., o temperaturze wejściowej wynoszącej 10°C - 20°C, temperatura wyjściowa po jej podgrzaniu wynosiła w górnej części rury 89 około 96°C - 98°C.

Grubość każdej taśmy amorficznej 50 wynosiła 25 pm, szerokość 1 cm, długość 3 m, zaś waga 14,5 g Taśmy amorficzne 50 zostały wykonane ze stopu Fe₇₈B₁₈Si4. Całkowita moc zastosowanego w zlewie 87 układu grzewczego 88 wynosiła 11 kW, zaś temperatura taśm amorficznych wynosiła 180°C. Po poddaniu układu grzewczego 88 ponad 200 godzinnej pracy, nie stwierdzono żadnych komplikacji w jego działaniu.

Figura 8A i B przedstawiają odmianę układu grzewczego służącego do podgrzewania wody przepływającej przez tradycyjną rurę. Laminowany układ grzewczy z taśmą amorficzną 94 zakończoną końcówkami 94a i 94b, jest w tym rozwiązaniu podobny do układu grzewczego według fig. 2A-C. Umieszczony wewnątrz rury 89 układ grzewczy podgrzewa bezpośrednio przepływającą przez tę rurę 89 wodę w kierunku 95 (fig. 8A).

181 249

181 249

FIG. IB

181 249

FIG. 2B

249

181 249

FIG. 4B

4C

181 249

181 249

78α

181 249

FIG. 6A

FIG. 6B

181 249 ω

rο

Li_

181 249

FIG. 8A

FIG. 8B

94b

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 4,00 zł.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1 Elektryczny układ grzewczy, złożony z amorficznego elementu grzejnego, z podtrzymującego go mechanicznie podłoża, oraz z izolacji elektrycznej osłaniającej element grzejny znamienny tym, że amorficznym elementem gizejnym jest taśma amorficzna (50, 70, 80,94) o grubości poniżej 0,1 mm, wykonana ze stopu metali przegrzanego do temperatury wyższej od temperatury topnienia, przy czym temperatura pracy taśmy amorficznej (50, 70,80, 94) jest niższa od temperatury kruchości tego stopu.
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że temperatura pracy taśmy amorficznej (50, 70, 80, 94) wynosi od 50°C do 200°C
3. 3 Układ według zastrz. 1, znamienny tym, ze jego taśma amorficzna (50,70,80,94) jest wykonana ze stopu Fe₇₈B₁₈Si₄.
4. 4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że jego taśma amorficzna (50,70,80,94) jest wykonana ze stopu Fe₁₃N1₆₀Cr₅Si1₀B1₂
5. 5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że jego taśma amorficzna (50,70,80,94) jest wykonana ze stopu Fe7₄Co_{2 5}Cr7 ₅B1₆
6. 6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, ze jego taśma amorficzna (50,70,80,94) jest wykonana ze stopu A^Co^Ge^
7. 7. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że jego taśma amorficzna (50,70,80,94) jest wykonana ze stopu zawierającego żelazo, i/lub nikiel i/lub kobalt w ilości od 65% do 88% molowych, bor, i/lub krzem i/lub fosfor w ilości od 12% do 28% molowych, oraz chrom w ilości od 0% do 11%) molowych.
8. 8. Układ wedhig zastrz 1, znamienny tym, z e jego taśma amorficzna (50,70,80,94) jest podtrzymywana na podłożu (52, 76, 79, 83, 91) i osłonięta izolacją elektryczną (52, 74, 78) wykonanych z materiałów o temperaturze pracy nie przekraczającej temperatury pracy tej taśmy amorficznej (50, 70, 80, 94).
9. 9. Układ według zastrz. 8, znamienny tym, że jego izolacja elektryczna (52, 74, 78) jest warstwą laminatu z tworzywa sztucznego pokrywającego taśmę amorficzną (50, 70, 80, 94).
10. 10. Układ według zastrz. 9, znamienny tym, że jego izolacja elektryczna (52,74,78) w postaci warstwy laminatu z tworzywa sztucznego jest wykonana z polistyrenu, albo z poliamidu, względnie z silikonu.