RU2141744C1

RU2141744C1 - Method for manufacturing of electric heater

Info

Publication number: RU2141744C1
Application number: RU97118094A
Authority: RU
Inventors: В.И. Прокофьев
Original assignee: Максимов Валерий Владимирович
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 1999-11-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: method involves ion deposition of resistive material (tantalum, stainless steel, and so on) in environment of active and noble gases in magnetic field under condition that ratio of partial pressure of active gas to partial pressure of noble gas is 1 to 10, and density of ion current is within range of 200-220 mA/cm². EFFECT: increased reliability of electric heaters.

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электротермии, и может быть использовано при изготовлении промышленных и бытовых электронагревателей как плоских, так и любой сложной конфигурации, используемых для обогрева, например, инкубаторов, домашних овощехранилищ, в автомобилях и других приборах для обеспечения "мягкой" теплоты. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to electrothermics, and can be used in the manufacture of industrial and domestic electric heaters, both flat and any complex configuration, used for heating, for example, incubators, home vegetable stores, in cars and other devices to provide "soft "heat.

Известен способ изготовления полимерного электронагревателя (патент РФ N 2074519 по кл. МКИ H 05 B 13/14, 1997), согласно которому на электроизоляционную подложку наносят путем ее пропитки с уплотнением токопроводящий слой на основе углерода элементного, графита и модифицированной фенолоформальдегидной смолы с образованием резистивного элемента. На него наносят электроизоляционное покрытие с последующим прессованием всех слоев при соответствующих температурно-временных режимах и давлении. A known method of manufacturing a polymer electric heater (RF patent N 2074519 according to class MKI H 05 B 13/14, 1997), according to which a conductive layer based on carbon of elemental, graphite and a modified phenol-formaldehyde resin is formed on the electrical insulating substrate by sealing it with the formation of a resistive item. An electrical insulating coating is applied to it, followed by pressing of all layers at appropriate temperature-time regimes and pressure.

Причинами, препятствующими достижению требуемого технического эффекта, является, во-первых, сложность технологического процесса, обусловленная наличием большого количества операций, во-вторых, данная технология не позволяет получать нагреватель на гибких термостатических подложках, в-третьих, не обеспечивается возможность нанесения на подложку однокомпонентных резистивных материалов с требуемым значением поверхностного сопротивления. The reasons that impede the achievement of the required technical effect are, firstly, the complexity of the technological process, due to the presence of a large number of operations, secondly, this technology does not allow to obtain a heater on flexible thermostatic substrates, and thirdly, it is not possible to apply single-component to the substrate resistive materials with the required value of surface resistance.

Известен также способ изготовления резистивного нагревательного элемента плазменным напылением на теплопроводную подложку смеси из порошков токопроводящей компоненты, содержащей сплав никеля, хрома, молибдена, кобальта, алюминия и титана, и диэлектрической компоненты в виде оксида алюминия (патент РФ N 2066514 по кл. МКИ H 05 B 3/12, 1996). There is also known a method of manufacturing a resistive heating element by plasma spraying on a heat-conducting substrate a mixture of powders of a conductive component containing an alloy of nickel, chromium, molybdenum, cobalt, aluminum and titanium, and a dielectric component in the form of aluminum oxide (RF patent N 2066514 according to class MKI H 05 B 3/12, 1996).

Недостатком известного способа изготовления электронагревателя является относительно низкая адгезия резистивного слоя, что снижает надежность конструкции электронагревателя. The disadvantage of this method of manufacturing an electric heater is the relatively low adhesion of the resistive layer, which reduces the reliability of the design of the electric heater.

Наиболее близким техническим решением к предложенному изобретением является способ изготовления плоского резистивного нагревателя, согласно которому выполняют операции формирования на подложке подслоя, диэлектрического и резистивного слоев методом плазменного напыления при взаимном перемещении подложки и плазмотрона с заданной относительной скоростью. Формирование резистивного слоя осуществляют многократным сканированием с относительной скоростью взаимного перемещения подложки и плазмотрона 200-300 м/мин (патент РФ N 2058672 по кл. МКИ H 05 B 3/28, 1996). The closest technical solution to the proposed invention is a method of manufacturing a flat resistive heater, according to which the operations of forming a sublayer, a dielectric and a resistive layer on a substrate by plasma spraying when moving the substrate and the plasma torch at a given relative speed are performed. The formation of the resistive layer is carried out by multiple scanning with a relative speed of mutual movement of the substrate and the plasma torch of 200-300 m / min (RF patent N 2058672 according to class MKI H 05 B 3/28, 1996).

Причинами, препятствующими достижению требуемого технического эффекта, является сложность осуществления известного технологического процесса, обусловленная необходимостью перемещать плазмотрон. The reasons that impede the achievement of the required technical effect is the complexity of the implementation of the known technological process, due to the need to move the plasmatron.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в обеспечении универсального способа, повышении надежности получаемых электронагревателей за счет нанесения резистивного слоя на гибкие подложки, повышении производительности процесса изготовления, улучшении адгезии и снижении расхода материала. The problem to which the claimed technical solution is directed is to provide a universal method, increasing the reliability of the resulting electric heaters by applying a resistive layer to flexible substrates, increasing the productivity of the manufacturing process, improving adhesion and reducing material consumption.

Результат достигается за счет того, что способ изготовления электронагревателя включает напыление на диэлектрическую подложку резистивного слоя с последующим нанесением электрических электродов. При этом резистивный слой наносят ионным напылением в среде активного и инертного газов и осуществляют напыление в разряде, поддерживаемом магнитным полем с соотношением парциального давления активного газа к давлению инертного газа как 1:10 при плотности ионного тока 200-220 мА/см².The result is achieved due to the fact that the method of manufacturing an electric heater involves spraying a resistive layer on a dielectric substrate, followed by applying electric electrodes. In this case, the resistive layer is deposited by ion sputtering in an active and inert gas medium and sprayed in a discharge supported by a magnetic field with a ratio of the partial pressure of the active gas to the inert gas pressure of 1:10 at an ion current density of 200-220 mA / cm ² .

При использовании разряда, поддерживаемого магнитным полем, и выдерживании соотношения парциального давления активного газа (кислорода) к парциальному давлению инертного газа (аргона) 1:10 достигается скорость напыления 120-160 А/м². Эти режимы обеспечивают получение резистивной пленки толщиной 1-2 мкм с высокой степенью адгезии в течение порядка 1-2 мин.When using a discharge supported by a magnetic field and maintaining the ratio of the partial pressure of the active gas (oxygen) to the partial pressure of the inert gas (argon) 1:10, a spraying speed of 120-160 A / m ^{2 is} achieved. These modes provide a resistive film with a thickness of 1-2 microns with a high degree of adhesion for about 1-2 minutes.

При изменении соотношения 1:10 парциального давления активного газа к парциальному давлению инертного газа в сторону увеличения парциального давления инертного газа эффективность напыления резко снижается, что в конечном итоге снижает производительность процесса. When the ratio of 1:10 of the partial pressure of the active gas to the partial pressure of the inert gas changes in the direction of increasing the partial pressure of the inert gas, the spraying efficiency decreases sharply, which ultimately reduces the productivity of the process.

При изменении указанного соотношения в сторону увеличения парциального давления активного газа снижается плотность напыленного резистивного слоя и его адгезия с подложкой, что может привести к его отслоению. By changing the indicated ratio in the direction of increasing the partial pressure of the active gas, the density of the deposited resistive layer and its adhesion to the substrate decrease, which can lead to its peeling.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

Готовят вакуумную камеру, для чего перед процессом напыления обеспечивают наличие в ней вакуума до давления 2•10^-3 Па, после чего через игольчатые натекатели в камеру подают одновременно активный газ (кислород) и инертный газ (аргон), при этом выдерживают соотношение парциального давления в вакуумной камере активного газа к парциальному давлению инертного газа как 1:10.A vacuum chamber is prepared, for which, before the spraying process, a vacuum is maintained in it up to a pressure of 2 • 10 ^-3 Pa, after which active gas (oxygen) and inert gas (argon) are simultaneously fed into the chamber through needle leaks, while maintaining the partial pressure ratio in the vacuum chamber of the active gas to the partial pressure of the inert gas as 1:10.

В качестве подложки может быть использован как жесткий, так и гибкий диэлектрик, например стеклотекстолит, термостойкая ткань на основе стекловолокна и т. п. На катоде располагают мишень из исходного резистивного материала, преимущественно тантала или нержавеющей стали. Также может быть использован жаростойкий сплав, содержащий Ni и Cr с введенными в него жаростойкими легирующими добавками Co, Al, Mo, W и Ti. При включении напряжения между подложкодержателем и катодом зажигается разряд, предварительно очищающий подложку, после чего происходит распыление мишени ионами газов и распыленный материал осаждается на подложку. После получения резистивной пленки толщиной 1-2 мкм на полученный резистивный слой напыляют выводные электрические электроды преимущественно из меди. При напряжении электропитания 220 вольт полученный резистивный элемент имеет величину удельного тепловыделения, равную 0,15 Вт/см² при удельном электросопротивлении 2 мкОм•м. Это позволяет использовать полученный таким способом электронагревательный элемент для создания промышленных и бытовых электронагревательных приборов.Both rigid and flexible dielectric, for example, fiberglass, heat-resistant fiberglass-based fabric, etc., can be used as a substrate. A target made of a source resistive material, mainly tantalum or stainless steel, is placed on the cathode. A heat-resistant alloy containing Ni and Cr with heat-resistant alloying agents Co, Al, Mo, W and Ti introduced into it can also be used. When the voltage is turned on between the substrate holder and the cathode, a discharge is ignited that preliminarily cleans the substrate, after which the target is sprayed with gas ions and the atomized material is deposited on the substrate. After receiving a resistive film with a thickness of 1-2 μm, the output resistive electrodes are predominantly copper deposited onto the resulting resistive layer. At a supply voltage of 220 volts, the resulting resistive element has a specific heat release of 0.15 W / cm ² with a specific electrical resistance of 2 μOhm • m. This makes it possible to use the electric heating element obtained in this way to create industrial and domestic electric heating devices.

Предлагаемая технология изготовления резистивного нагревательного элемента позволяет получать нагревательные приборы площадью от 10 до 2000 кв.см, при этом структура резистивной пленки выполнена так, что делает электронагревательный элемент работоспособным при случайных сквозных повреждениях нагревателя. Такие приборы обладают высоким уровнем электро- и пожаробезопасности, большой коррозийной стойкостью. The proposed manufacturing technology of the resistive heating element allows to obtain heating devices with an area of 10 to 2000 sq.cm, while the structure of the resistive film is made in such a way that makes the electric heating element operable in case of accidental through damage to the heater. Such devices have a high level of electrical and fire safety, high corrosion resistance.

Конструкция электронагревателя на гибкой подложке, изготовленная по предлагаемому способу, может быть размещена как на плоской поверхности, так и на поверхности любой сложной конфигурации, например на круглых красильных валках в текстильной промышленности, валках для глажения в прачечных, для обогрева салона и масляного картера автомобиля, обогрева походных палаток с использованием солнечных батарей и т.п. The design of the electric heater on a flexible substrate made by the proposed method can be placed both on a flat surface and on the surface of any complex configuration, for example, on round dye rolls in the textile industry, ironing rolls in laundries, for heating the passenger compartment and the oil sump of a car, heating camping tents using solar panels, etc.

Возможность изготовления нагревателя на гибких подложках расширяет его потребительские свойства, обеспечивает возможность использования его для решения различных задач, связанных с созданием или использованием "мягкого" тепла. The possibility of manufacturing a heater on flexible substrates expands its consumer properties, provides the possibility of using it to solve various problems associated with the creation or use of "soft" heat.

Claims

A method of manufacturing an electric heater, comprising spraying a resistive layer onto a dielectric substrate followed by applying electric electrodes, characterized in that the resistive layer is applied by ion sputtering in an active and inert gas medium, the spraying being carried out in a discharge supported by a magnetic field with a ratio of the partial pressure of the active gas to an inert gas pressure of 1: 10 at an ion current density of 200 - 220 mA / cm ² .