RU2020770C1

RU2020770C1 - Electric heater

Info

Publication number: RU2020770C1
Authority: RU
Inventors: А.В. Артамонов; И.Н. Дударь; А.В. Крестьянников; А.О. Олеск; Ю.А. Омельченко; Ю.М. Таиров; В.Ф. Цветков
Original assignee: Рисковая внедренческая фирма "Вулкан"
Priority date: 1990-07-26
Filing date: 1990-07-26
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: electric heaters. SUBSTANCE: lamellar resistive element is provided with current leads and thermo-sensitive detectors (no less than two). Thermo-sensitive detectors are made of material which has positive temperature coefficient and different temperatures of phase transition. One current lead has flat shape and is disposed onto flat surface of resistive element. The other surface of the element is adjoined with thermo-sensitive detectors mounted in series with current leads. Any subsequent thermo-sensitive detector is made of material which has lower temperature of phase transition than previous one. Current lead of any thermo-sensitive detector is connected with motionless contact of multiposition switch. Movable contact of the switch is connected with current lead of the heater. EFFECT: improved efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве нагревательного элемента в электронагревательных приборах бытового и производственного назначения. The invention relates to electrical engineering and can be used as a heating element in electric heaters for domestic and industrial use.

Известны электронагревательные устройства, содержащие нагревательный элемент в виде пластины с токоподводом в виде покрытия с одной стороны пластины, к другой его плоской поверхности примыкает плоский элемент с положительными температурными коэффициентами сопротивления (ТКС), на противоположной поверхности которого установлен второй токоподвод. Элемент с положительным температурным коэффициентом сопротивления выполнен в виде пластины и включен последовательно с нагревательным элементом. Known electric heating devices containing a heating element in the form of a plate with a current supply in the form of a coating on one side of the plate, a flat element with positive temperature resistance coefficients (TCS) adjoins its other flat surface, on the opposite surface of which a second current supply is installed. The element with a positive temperature coefficient of resistance is made in the form of a plate and is connected in series with the heating element.

Недостатком известной конструкции является то, что температура электронагревательного устройства в рабочем состоянии стабилизируется в области точки фазового перехода материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления, исключая возможность ее регулировки, что существенно ограничивает динамический диапазон мощности устройства. A disadvantage of the known design is that the temperature of the electric heating device in working condition is stabilized in the region of the phase transition point of the material with a positive temperature coefficient of resistance, excluding the possibility of its adjustment, which significantly limits the dynamic range of the power of the device.

Известно электронагревательное устройство, содержащее пластинчатый резистивный элемент с токоподводами и по меньшей мере два термодатчика, выполненных из материала с положительным ТКС с разной температурой фазового перехода. Known electric heating device containing a plate resistive element with current leads and at least two temperature sensors made of a material with a positive TCS with different phase transition temperatures.

Недостатком этого устройства является расположение датчиков в ряд, так как при различной температуре фазового перехода часть рабочей области температур (область температуры точки Кюри) более высокотемпературного датчика приходится на участок низкотемпературного датчика выше его рабочей области температур, где он имеет отрицательный ТКС. При переключении напряжения с высокотемпературного датчика на низкотемпературный напряжение, падающее на низкотемпературный датчик, может оказаться ниже его предельного напряжения пробоя в области отрицательных ТКС и датчик попадает на падающий участок ВАХ, что приводит к росту тока и дальнейшему разогреву вплоть до возможности пробоя и выходу устройства из строя. Во избежание этого необходимо соблюдать разность температур обоих датчиков не более 60-70^оС, что ведет к ограничению рабочего диапазона температур и мощности устройства.The disadvantage of this device is the arrangement of the sensors in a row, since at different phase transition temperatures part of the working temperature range (the temperature region of the Curie point) of the higher-temperature sensor falls on the portion of the low-temperature sensor above its working temperature region, where it has a negative TCR. When the voltage is switched from a high-temperature sensor to a low-temperature voltage incident on a low-temperature sensor, it may turn out to be lower than its maximum breakdown voltage in the region of negative TCRs and the sensor falls on a falling portion of the I – V characteristic, which leads to an increase in current and further heating up to the possibility of a breakdown and the device exit from system. To avoid this it is necessary to observe the temperature difference of both sensors is not more than 60-70 ^{° C,} which leads to a restriction of the working temperature range and the power device.

Целью изобретения является увеличение динамического диапазона мощности и повышение надежности устройства. The aim of the invention is to increase the dynamic range of power and increase the reliability of the device.

Это достигается тем, что в электронагревательном устройстве, содержащем пластинчатый резистивный элемент с токоподводами и по меньшей мере два термодатчика, выполненных из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления, с разной температурой фазового перехода, каждый термодатчик выполнен в виде плоского элемента, снабженного с одной стороны плоским токоподводом, один токоподвод нагревателя подсоединен к одной из его плоских поверхностей, а к другой стороне примыкают последовательно установленные указанные термодатчики с токоподводами, каждый последующий из которых выполнен из материала с меньшей температурой фазового перехода относительно предыдущего, токоподвод каждого термодатчика соединен с неподвижным контактом введенного многопозиционного ключа, подвижный контакт которого соединен с вторым токоподводом нагревателя. Различную температуру фазового перехода термодатчиков в зависимости от состава керамики можно выбирать в диапазоне 40-300^оС, что позволяет в том же диапазоне регулировать температуру электронагревательного устройства.This is achieved by the fact that in an electric heating device containing a plate resistive element with current leads and at least two temperature sensors made of a material with a positive temperature coefficient of resistance, with a different phase transition temperature, each temperature sensor is made in the form of a flat element provided on one side with a flat current supply, one current supply of the heater is connected to one of its flat surfaces, and sequentially installed indicated terraces adjoin the other side odatchiki with current conductors, each of which is thereafter made of a material with a lower phase transition temperature relative to the previous, current lead of each thermal sensor is connected to the fixed contact inputted multiposition switch, a movable contact which is connected to the second current lead of the heater. Different temperatures of phase transition temperature sensors depending upon the composition of the ceramic may be chosen in the range 40-300 ^{° C,} allowing the same range to regulate the temperature of the electric heating device.

На чертеже изображено электронагревательное устройство, разрез. The drawing shows an electric heating device, section.

Оно содержит резистивный элемент в виде пластины 1, выполненной, например, из термостойкой керамики SiC с удельным сопротивлением

10⁴Ом см, на которую нанесено токопроводящее покрытие, например, из Al, образующее один из токоподводов 2. Резистивная пластина 1 контактирует с набором термодатчиков 3 в виде плоских элементов из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Термодатчики 3 могут быть выполнены из керамики на основе ВаТiО₃ с частичными добавками SrTiО₃ и РbTiО₃ в зависимости от требуемой температуры фазового перехода. Удельное сопротивление керамики при температуре ниже точки Кюри -ρ

30-40 Ом см. Для возможности регулировки температуры электронагревательного устройства термодатчики 3 имеют токоподводы 4, выполненные, например, из Al. Термодатчики 3 с токоподводами 4 расположены один за другим со стороны резистивной пластины 1 так, что каждый последующий выполнен из материала, имеющего относительно предыдущего меньшую температуру фазового перехода. Токоподводы 4 соединены с неподвижным контактом многопозиционного ключа, подвижный контакт которого соединен с вторым токоподводом нагревателя.It contains a resistive element in the form of a plate 1, made, for example, of heat-resistant SiC ceramic with resistivity

10 ⁴ Ohm cm, on which a conductive coating, for example, of Al, is applied, forming one of the current leads 2. The resistive plate 1 is in contact with a set of temperature sensors 3 in the form of flat elements made of a material with a positive temperature coefficient of resistance. The temperature sensors 3 can be made of ceramic based on BaTiO ₃ with partial additives SrTiO ₃ and PbTiO ₃ depending on the desired phase transition temperature. Specific resistance of ceramics at a temperature below the Curie point -ρ

30-40 Ohm see. To be able to adjust the temperature of the electric heating device, the temperature sensors 3 have current leads 4, made, for example, of Al. Thermal sensors 3 with current leads 4 are located one after the other from the side of the resistive plate 1 so that each subsequent one is made of material having a lower phase transition temperature relative to the previous one. The current leads 4 are connected to the fixed contact of the multi-position switch, the movable contact of which is connected to the second current lead of the heater.

В конкретном исполнении электронагревательное устройство может, например, содержать пять термодатчиков, имеющих температуру фазового перехода соответственно при температуре 250, 200, 150, 100 и 50^оС.In a particular embodiment of an electric heating device may, for example, comprise five temperature sensors having a phase transition temperature respectively at 250, 200, 150, 100 and 50 ° ^C.

Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.

При приложении напряжения к резистивному элементу 1 и термодатчикам 3 происходит интенсивное тепловыделение в резистивном элементе 1, имеющем сопротивление значительно выше сопротивления термодатчиков 3 при температуре электронагревательного устройства ниже температуры фазового перехода термодатчика 3, к которой приложено напряжение. Если теплоотвод со стороны термодатчиков 3 незначителен, то они в течение короткого времени принимают температуру резистивного элемента 1. Оценки с использованием уравнения теплопроводности показывают, что для набора из пяти пластин толщиной 5 мм с теплопроводностью керамики на основе ВаТiО₃3 Вт/м К при температуре резистивной пластины 1

250^оС перепад температуры на наборе составляет не более единиц градусов.When voltage is applied to the resistive element 1 and the temperature sensors 3, intense heat is generated in the resistive element 1 having a resistance much higher than the resistance of the temperature sensors 3 when the temperature of the electric heating device is lower than the phase transition temperature of the temperature sensor 3 to which the voltage is applied. If the heat sink from the side of the temperature sensors 3 is insignificant, then they take the temperature of the resistive element 1 for a short time. Estimates using the heat equation show that for a set of five plates with a thickness of 5 mm with a thermal conductivity of ceramic based on BaTiO ₃ 3 W / m K at a temperature resistive plate 1

250 ^о С the temperature difference on the set is not more than units of degrees.

При значительном теплоотводе с резистивного элемента 1, например, за счет теплоотдачи в нагреваемое тело, находящееся на поверхности нагревательного элемента, электрическая мощность, потребляемая устройством, также велика и равна тепловому потоку с элемента 1. Если же нагреваемое тело отсутствует или оно нагрелось до температуры, близкой к температуре фазового перехода одного из термодатчиков 3, тепловой поток с резистивной пластины 1 значительно снижается и сопротивление термодатчика 3, к которому приложено напряжение, повышается настолько, что потребляемая электрическая мощность также уменьшается и становится равной тепловому потоку с резистивной пластины 1, определяемому в основном конвекцией. При этом температура нагревательного устройства стабилизируется возле точки фазового перехода термодатчика 3, к которому приложено напряжение, сопротивление остальных термодатчиков, включенных в цепь и расположенных между термодатчиком 3, к которому приложено напряжение, и резистивной пластиной 1, остается небольшим и составляет десятки ом на 1 см, поскольку они имеют более высокую температуру фазового перехода, а термодатчики 3, имеющие меньшую температуру фазового перехода, выключены из электрической цепи, т.е. предложенная конструкция электронагревательного устройства, в которой термодатчики 3 расположены один за другим с одной стороны резистивной пластины 1 и каждый последующий имеет меньшую температуру фазового перехода по сравнению с предыдущим, позволяет выбрать температуру, до которой необходимо нагреть устройство посредством подключения к источнику напряжения соответствующего токоподвода 4 термодатчика 3, имеющего соответствующую температуру фазового перехода. With a significant heat sink from the resistive element 1, for example, due to heat transfer to the heated body located on the surface of the heating element, the electric power consumed by the device is also large and equal to the heat flux from element 1. If the heated body is absent or it has heated to a temperature, close to the phase transition temperature of one of the temperature sensors 3, the heat flux from the resistive plate 1 is significantly reduced and the resistance of the temperature sensor 3 to which the voltage is applied increases only that the consumed electric power also decreases and becomes equal to the heat flux from the resistive plate 1, which is mainly determined by convection. In this case, the temperature of the heating device is stabilized near the phase transition point of the temperature sensor 3, to which the voltage is applied, the resistance of the remaining temperature sensors included in the circuit and located between the temperature sensor 3, to which the voltage is applied, and the resistive plate 1, remains small and amounts to tens of ohms per 1 cm , since they have a higher phase transition temperature, and temperature sensors 3 having a lower phase transition temperature are turned off from the electrical circuit, i.e. the proposed design of the electric heating device, in which the temperature sensors 3 are located one after the other on one side of the resistive plate 1 and each subsequent one has a lower phase transition temperature than the previous one, allows you to choose the temperature to which the device must be heated by connecting the corresponding current supply 4 of the temperature sensor to the voltage source 3 having an appropriate phase transition temperature.

При использовании резистивной пластины из SiC c

10⁴ Ом см толщиной

5 мм и площадью

200 см² максимальная мощность тепловыделения при напряжении на электронагревательном устройстве 220 В и температуре ниже температуры фазового перехода термодатчиков 3 составляет ≈1,5 кВт. При достижении температуры термодатчиком 3 точки Кюри его сопротивление возрастает в 10⁴-10⁶ раз, а потребляемая электрическая мощность устройства снижается до десятков ватт, т. е. происходит саморегулиpовка потребляемой электрической мощности устройства при его работе в широком диапазоне температур.When using a SiC c resistor plate

10 ⁴ ohm cm thick

5 mm and area

200 cm ^{2 the} maximum heat dissipation power when the voltage on the electric heating device is 220 V and a temperature below the phase transition temperature of the temperature sensors 3 is ≈1.5 kW. When the temperature sensor reaches 3 Curie points, its resistance increases by 10 ⁴ -10 ⁶ times, and the consumed electric power of the device decreases to tens of watts, i.e., the consumed electric power of the device self-adjusts when it is operated in a wide temperature range.

Таким образом, предложенная конструкция электронагревательного устройства существенно увеличивает динамический диапазон мощности устройства за счет возможности регулирования температуры. Thus, the proposed design of the electric heating device significantly increases the dynamic range of the power of the device due to the possibility of temperature control.

Claims

ELECTRIC HEATING DEVICE containing a plate resistive element with current leads and at least two temperature sensors made of a material with a positive temperature coefficient of resistance with different phase transition temperatures, characterized in that, in order to increase the dynamic range of power and increase the reliability of the device, each of the temperature sensors is made in the form of a flat element equipped on one side with a flat current lead, one heater current lead is connected to one of its flat surfaces, and to the other side are adjacent the indicated temperature sensors with current leads, each subsequent of which is made of material with a lower phase transition temperature relative to the previous one, the current lead of each temperature sensor is connected to the fixed contact of the entered multi-position switch, the movable contact of which is connected to the second current lead of the heater.