PL191012B1 - Grzejnik powierzchniowy - Google Patents

Abstract

Grzejnik powierzchniowy, w postaci dwóch meandrowych elementów grzejnych połączonych równolegle, przy czym meandrowy element grzejny naniesiony jest na podłoże, znamienny tym, że składa się z co najmniej dwóch meandrowych elementów grzejnych (1, 2) naniesionych na jedno wspólne podłoże i w tej samej płaszczyźnie, przy czym drugi meandrowy element grzejny (2) naniesiony jest na zewnątrz pierwszego meandrowego elementu grzejnego (1), tak że stanowi jego obwódkę.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest grzejnik powierzchniowy stosowany do podgrzewania całej powierzchni, stosowany zarówno do grzania chemicznych i elektrochemicznych czujników gazów, wybuchowych i toksycznych jak również do stabilizacji temperatury mikroukładów elektronicznych.

Z japońskiego opisu patentowego nr JP04324276 znany jest grzejnik powierzchniowy w postaci dwóch meandrowych elementów grzejnych, z których każdy naniesiony jest na oddzielne podłoże w postaci prostokątnej płytki ceramicznej, przy czym pierwszy meandrowy element grzejny naniesiony na całą powierzchnię prostokątnego pierwszego podłoża, zaś drugi meandrowy element grzejny naniesiony wzdłuż boków prostokątnego pierwszego podłoża. W podłożach ceramicznych wykonane są otwory, przez które pierwszy i drugi meandrowy element grzejny są połączone ze sobą równolegle.

Znany z publikacji: S. J. Stein, C. Huang, T. Grunstein and G. Sykora: Thick film sensors for methane detection. Proc. ISHM 1993 s. 1-6, grzejnik powierzchniowy grubowarstwowy, którego element grzejny jest wykonany w postaci jednego meandrowego elementu grzejnego i służy do utrzymywania stałej temperatury warstwy czułej na gaz, naniesiony jest na ceramiczne podłoże. Zarówno element grzejny jak i elektrody są wykonane z warstw metalowych.

Inny znany z publikacji X. Zhou, Y. Xu, Q Cao S. Niu Metal-semiconductor ohmic contact of SnO2-based ceramic gas sensors, grzejnik powierzchniowy grubowarstwowy jest wykonany jako samodzielny element grzejny w postaci meandra z drutu. W celu uzyskania większej powierzchni grzejnej łączy się szeregowo elementy grzejne tworząc większe powierzchnie.

Istota grzejnika według wynalazku polega na tym, że składa się z co najmniej dwóch meandrowych elementów grzejnych naniesionych na jedno wspólne podłoże ceramiczne i w tej samej płaszczyźnie, przy czym drugi meandrowy element grzejny naniesiony jest na zewnątrz pierwszego meandrowego elementu grzejnego, tak że stanowi jego obwódkę.

Korzystne jest również to, że trzeci meandrowy element grzejny jest osadzony pomiędzy co najmniej dwoma meandrowymi elementami grzejnymi.

Korzystnym jest również, gdy pierwszy meandrowy element grzejny jest wykonany z materiału o termicznym współczynniku rezystancji dodatnim, zaś drugi meandrowy element grzejny jest wykonany z materiału o termicznym współczynniku rezystancji ujemnym, w szczególnym przypadku pierwszy meandrowy element grzejny i drugi meandrowy element grzejny są wykonane z tego samego materiału, przy czym rezystancja pierwszego meandrowego elementu grzejnego jest różna od rezystancji drugiego meandrowego elementu grzejnego. Pierwszy meandrowy element grzejny i drugi meandrowy element grzejny są wykonane z tego samego materiału, przy czym rezystancja pierwszego meandrowego elementu grzejnego jest równa rezystancji drugiego meandrowego elementu grzejnego meandra. Również pierwszy meandrowy element grzejny i drugi meandrowy element grzejny są wykonane z różnych materiałów.

Grzejnik powierzchniowy, według wynalazku, może być wykonany zarówno przy użyciu technologii grubowarstwowej jak i cienkowarstwowej. Grzejnik zapewnia równomierny rozkład temperatury podgrzewanego podłoża poprzez doprowadzanie ciepła do obszaru zewnętrznego intensywniej niż do obszaru środkowego co daje możliwość ograniczenia do minimum tak zwanego efektu brzegowego. Zastosowanie odpowiednich proporcji w konstrukcji i rezystancji grzejnika powierzchniowego, czy to poprzez dobranie kształtów meandrowych elementów grzejnych czy też poprzez dobranie współczynników temperaturowych rezystancji, daje możliwość uzyskania kontroli nad rozkładem temperatury na całej powierzchni grzejnika. Ponadto wykorzystanie rezystancyjnych współczynników temperaturowych materiałów pozwala na regulację rozkładu mocy na powierzchni, oraz na uzyskanie samo stabilizacji rozkładu temperatury. Grzejnik powierzchniowy według wynalazku umożliwia optymalizację rozkładu temperatury zarówno na małych jak i bardzo dużych powierzchniach.

Grzejniki powierzchniowe platynowe wykonane w technologii grubych warstw pracują stabilnie od temperatury pokojowej do temperatury 1023 K w czasie nie krótszym niż jeden rok.

Przedmiot wynalazku objaśnia rysunek, na którym fig. 1 przedstawia grzejnik powierzchniowy wykonany w technologii warstw grubych z dwoma meandrowymi elementami grzejnymi, fig. 2 - grzejnik powierzchniowy wykonany w technologii warstw grubych z trzema meandrowymi elementami grzejnymi, a fig. 3 - wykres rozkładu temperatury na podłożu ogrzewanym przez nowy grzejnik powierzchniowy.

PL 191 012 B1

P r z y k ł a d 1. Grzejnik powierzchniowy, wykonany w technologii warstw grubych składa się z dwóch meandrowych elementów grzejnych 1 i 2, przy czym pierwszy meandrowy element grzejny 1 jest osadzony wewnątrz drugiego meandrowego elementu grzejnego 2. Ponadto drugi meandrowy element grzejny 2 stanowi obwódkę dla pierwszego meandrowego elementu grzejnego 1. Grzejnik ten jest wykonany z pasty platynowej a każdy z meandrowych elementów grzejnych 1, 2 ma inną rezystancję wyjściową czyli różną ilość kwadratów. Meandrowe elementy grzejne połączone są ze sobą równolegle. Wyjściowa różnica w rezystancji poszczególnych ścieżek meandrowych elementów grzejnych pozwala na otrzymywanie równomiernego rozkładu temperatury na podłożu pracującego elementu. Nowe grzejniki po podaniu do ich odpowiedniej mocy osiągają temperaturę 773 K w czasie 6 sekund dają rozkład temperatury 773±2 K w obszarze pracy grzejnika.

Grzejnik ten charakteryzuje się tym, że obszar drugiego meandrowego elementu grzejnego 2, ma w temperaturze pokojowej znacznie mniejszą rezystancję, dzięki czemu występuje na nim wydzielenie większej ilości ciepła, niż na pierwszym meandrowym elemencie grzejnym 1. Pozwala to na dogrzanie zewnętrznej części struktury. Przy zasilaniu stałonapięciowym i po osiągnięciu temperatury pracy grzejnika układ meandrowych elementów grzejnych 1 i 2, dzięki ujemnemu sprzężeniu zwrotnemu, sam stabilizuje rozkład temperatury na powierzchni - w momencie spadku temperatury w jakimś obszarze, następuje miejscowe zmniejszenie rezystancji grzejnika, co w związku z dodatnim termicznym współczynnikiem rezystancji powoduje zwiększenie mocy doprowadzonej do tego obszaru co w wyniku daje zwiększenie temperatury części oziębionej aż do momentu kompensacji wpływu zaburzenia. Analogicznie dla zaburzenia polegającego na podwyższeniu temperatury wzrasta rezystancja meandrowego elementu grzejnego, maleje moc dostarczona i temperatura spada. Przy zastosowaniu materiału grzejnika z ujemnym współczynnikiem temperaturowym, układ meandrowych elementów grzejnych 1 i 2 zachowuje się analogicznie, sprzężenie zwrotne występuje przy zastosowaniu stałoprądowego zasilania układu. Zastosowanie odpowiednio dobranych materiałów, o odpowiednich termicznych współczynnikach rezystancji pozwala na otrzymanie dowolnie kształtowanych rozkładów temperatury.

P r z y k ł a d 2. Grzejnik powierzchniowy, wykonany w technologii warstw grubych składa się z trzech meandrowych elementów grzejnych 1, 2 i 3, przy czym drugi meandrowy element grzejny 2 jest osadzony pomiędzy dwoma meandrowymi elementami grzejnymi wewnętrznym 1 i zewnętrznym 3, z których każdy ma inną rezystancję wyjściową. Najwyższą rezystancję wyjściową ma wewnętrzny meandrowy element grzejny 1, co powoduje, że na ceramicznym podłożu występuje łagodne przejście z obszaru o równomiernym rozkładzie temperatury do obszaru chłodnego. Takie rozwiązanie zapobiega degradacji podłoży występującej wskutek dużego gradientu temperatury. Gotowe grzejniki po podaniu do ich odpowiedniej mocy osiągają temperaturę 923 K w czasie 10 sekund dają rozkład temperatury 923±3 K na obszarze w obszarze pracy grzejnika.

Claims (6)

1. Grzejnik powierzchniowy. w postaci dwóch meandrowych elementów grzejnych połączonych równolegle, przy czym meandrowy element grzejny naniesiony jest na podłoże, znamienny tym, że składa się z co najmniej dwóch meandrowych elementów grzejnych (1, 2) naniesionych na jedno wspólne podłoże i w tej samej płaszczyźnie, przy czym drugi meandrowy element grzejny (2) naniesiony jest na zewnątrz pierwszego meandrowego elementu grzejnego (1), tak że stanowi jego obwódkę.

2. Grzejnik według zastrz. 1, tym, że trzeci meandrowy eiement gr^^^jrn/ (2) naniesiony na wspólne podłoże ceramiczne, jest osadzony pomiędzy, co najmniej dwoma meandrowymi elementami grzejnymi (1, 3).

3. Grzeenikwedług 1, znamienny tym, że pierwszy meandrowy elemenn girz^ny (11 tess wykonany z materiału o termicznym współczynniku rezystancji dodatnim, zaś drugi meandrowy element grzejny (2) jest wykonany z materiału o termicznym współczynniku rezystancji ujemnym.

4. Grzejnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy meandrowy element grzejny (1) i drugi meandrowy element grzejny (2) są wykonane z tego samego materiału, przy czym rezystancja pierwszego meandrowego elementu grzejnego (1) jest różna od rezystancji drugiego meandrowego elementu grzejnego (2).

5. Grzejnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy meandrowy element grzejny (1) i drugi meandrowy element grzejny (2) są wykonane z tego samego materiału, przy czym rezystancja

PL 191 012 Β1 pierwszego meandrowego elementu grzejnego (1) jest równa rezystancji drugiego meandrowego elementu grzejnego (2).

6. Grzejnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy meandrowy element grzejny (1) i drugi meandrowy element grzejny (2) są wykonane z różnych materiałów.