RU2369046C1 - Heating element and method of its manufacturing - Google Patents

Heating element and method of its manufacturing Download PDF

Info

Publication number
RU2369046C1
RU2369046C1 RU2008119160/09A RU2008119160A RU2369046C1 RU 2369046 C1 RU2369046 C1 RU 2369046C1 RU 2008119160/09 A RU2008119160/09 A RU 2008119160/09A RU 2008119160 A RU2008119160 A RU 2008119160A RU 2369046 C1 RU2369046 C1 RU 2369046C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resistive element
periclase
mgo
heating element
insulating layer
Prior art date
Application number
RU2008119160/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Леонидович Струпинский (RU)
Михаил Леонидович Струпинский
Владимир Иванович Гречков (RU)
Владимир Иванович Гречков
Original Assignee
Михаил Леонидович Струпинский
Владимир Иванович Гречков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Михаил Леонидович Струпинский, Владимир Иванович Гречков filed Critical Михаил Леонидович Струпинский
Priority to RU2008119160/09A priority Critical patent/RU2369046C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2369046C1 publication Critical patent/RU2369046C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: invention is related to the field of electric, in particular resistive heating, namely to monolithic self-controlling metal ceramic heating elements and method of its manufacturing. Invention comprises heating element with resistive element with positive temperature coefficient of resistance made of composite material on the basis of iron, and is installed in electric insulating layer made of glass ceramics on the basis of periclase (MgO), heat insulation layer and protective layer, and also comprises at least two current-collecting elements connected to resistive element with width d, and axis of symmetry of resistive element is installed perpendicular to cross section of resistive element, besides in the area of resistive element junction with current-collecting element axis of symmetry of resistive element relative to surface of protective layer, providing contact with heated object, creates angle a, which takes values from 0° to 180°. Composition of electric insulating layer glass ceramics is added with oxide glass, barium flint, bentonite clay, microtalc and polyvinyl acetate, and periclase (MgO) composition is used from components with various dispersion. Method for manufacturing of heating element includes manufacturing of resistive element with positive temperature coefficient of resistance, formation of electric insulating layer around it, pressing and sintering of heating element, besides, sintering of produced multi-layer structure is carried out in air at temperature of 850÷900°C with delay at specified temperature for 0.5 - 1.5 hours and further cooling together with furnace.
EFFECT: higher level of thermal expansion coefficient matching in material layers that make heating element.
9 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области электрического, в частности резистивного, нагрева, а именно к монолитным саморегулирующим металлокерамическим нагревательным элементам, и предназначено для использования в различных электрических нагревательных устройствах как промышленного, так и бытового назначения. Изобретение также включает способ изготовления нагревательного элемента.The invention relates to the field of electric, in particular resistive, heating, namely to monolithic self-regulating cermet heating elements, and is intended for use in various electric heating devices, both industrial and domestic. The invention also includes a method of manufacturing a heating element.

Известно (В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомол. Теплопередача, Москва, Энергия, 1975, с.486), что наиболее эффективным процессом передачи тепла от нагретого тела к холодному в сравнении с нагревом излучением и другими видами теплопередачи является метод контактной теплопроводности. В связи с этим разработка элементов быстрого нагрева с равномерным распределением температуры по поверхности и эффективностью выше η>0,9 является актуальнейшей задачей.It is known (V.P. Isachenko, V.A. Osipova, A.S. Sukomol. Heat transfer, Moscow, Energy, 1975, p. 486) that the most effective process of heat transfer from a heated body to a cold one in comparison with heating by radiation and other types of heat transfer is the contact thermal conductivity method. In this regard, the development of fast heating elements with a uniform temperature distribution over the surface and an efficiency above η> 0.9 is an urgent task.

К настоящему времени определены основные требования к нагревательным элементам, основные из которых следующие: высокая эффективность, надежность и низкая стоимость.To date, the basic requirements for heating elements have been identified, the main of which are the following: high efficiency, reliability and low cost.

Высокая эффективность нагревательного элемента - передача тепла от нагревательной структуры на поверхность через изоляционную структуру, определяется теплопроводностью последней. Максимальную теплопроводность можно обеспечить в монолитных нагревательных элементах, где в результате диффузионных процессов синтеза образуется единая структура нагревательного и изоляционного слоев (US 6328913 B1, 11.12.2001, H01B 1/00; US 4596922, 24.06.1986, F27B 5/14; US 6143238 A, 07.11.2000, C04B 33/32; US 6025579 A, 15.02.2000, H05B 3/44, US 5948306 A, 07.09.1999, H05B 3/10).The high efficiency of the heating element - heat transfer from the heating structure to the surface through the insulating structure, is determined by the thermal conductivity of the latter. Maximum thermal conductivity can be achieved in monolithic heating elements, where as a result of diffusion synthesis processes a single structure of the heating and insulating layers is formed (US 6328913 B1, 12/11/2001, H01B 1/00; US 4596922, 06.24.1986, F27B 5/14; US 6143238 A, 11/7/2000, C04B 33/32; US 6025579 A, 02.15.2000, H05B 3/44, US 5948306 A, 09/07/1999, H05B 3/10).

Надежность нагревательного элемента определяется свойствами нагревательной структуры. В этой связи металлические нагревательные структуры, подверженные окислению, имеют меньшую надежность в сравнении с керамическими или композиционными материалами, где процесс окисления не наблюдается или наблюдается в гораздо меньшей степени (US 6328913 B1, 11.12.2001, H01B 1/00; US 4596922, 24.06.1986, F27B 5/14; US 6143238 A, 07.11.2000, C04B 33/32; US 6025579 A, 15.02.2000, H05B 3/44, US 5948306 A, 07.09.1999, H05B 3/10).The reliability of the heating element is determined by the properties of the heating structure. In this regard, metal heating structures susceptible to oxidation have lower reliability compared to ceramic or composite materials, where the oxidation process is not observed or is observed to a much lesser extent (US 6328913 B1, 12/11/2001, H01B 1/00; US 4596922, 24.06 .1986, F27B 5/14; US 6143238 A, 11/7/2000, C04B 33/32; US 6025579 A, 02/15/2000, H05B 3/44, US 5948306 A, 09/07/1999, H05B 3/10).

Кроме того, надежность работы элемента во многом зависит от характера температурной зависимости удельного сопротивления нагревательной структуры. Положительный температурный коэффициент (РТС - характеристика) сопротивления позволяет исключить самопроизвольный разогрев элемента и, как следствие, выход его из строя (US 6350969 B1, 26.02.2002, H05B 1/02).In addition, the reliability of the element largely depends on the nature of the temperature dependence of the resistivity of the heating structure. The positive temperature coefficient (RTS - characteristic) of the resistance eliminates spontaneous heating of the element and, as a result, its failure (US 6350969 B1, 02.26.2002, H05B 1/02).

Немаловажным фактором является доступность компонентов нагревательной, изоляционной и других структур, выражающаяся, в итоге, в стоимости нагревательного элемента, а также простота технологии изготовления нагревательного элемента (RU 2311742 C2, 27.11.2007, H05B 3/14, Д1).An important factor is the availability of components of the heating, insulation and other structures, expressed, as a result, in the cost of the heating element, as well as the simplicity of the manufacturing technology of the heating element (RU 2311742 C2, 11.27.2007, H05B 3/14, D1).

И, наконец, равномерность распределения температуры по поверхности нагревательного элемента зависит от формы и симметрии нагревательной структуры (Д1).And finally, the uniformity of the temperature distribution over the surface of the heating element depends on the shape and symmetry of the heating structure (D1).

Всем вышеприведенным данным соответствует нагревательный элемент, представленный в (Д1), который является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения.All the above data corresponds to the heating element presented in (D1), which is the closest analogue of the claimed invention.

Однако долговечность, а вместе с ней и надежность работы нагревательного элемента находятся в сильной зависимости от изотропности его расширения при нагреве, т.е. от согласования значений коэффициентов термического расширения (КТР), составляющих нагревательный элемент материалов. Удовлетворяя критериям высокой эффективности и простоты изготовления, прототип далек от совершенства в части согласования КТР-материалов, составляющих его слои.However, the durability, and with it the reliability of the heating element, are strongly dependent on the isotropy of its expansion during heating, i.e. from the coordination of the values of thermal expansion coefficients (CTE) that make up the heating element of materials. Satisfying the criteria of high efficiency and ease of manufacture, the prototype is far from perfect in terms of matching KTR materials that make up its layers.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение уровня согласования КТР, составляющих нагревательный элемент материалов слоев и, как следствие, создание нагревательного элемента, сочетающего высокую эффективность с надежностью, низкой стоимостью его компонентов и способа его изготовления.The technical result of the present invention is to increase the level of coordination of the KTP constituting the heating element of the layer materials and, as a result, the creation of a heating element that combines high efficiency with reliability, low cost of its components and the method of its manufacture.

Технический результат достигается тем, что в нагревательном элементе (9) (фиг.1), содержащем резистивный элемент (1) с положительным температурным коэффициентом сопротивления, выполненный из композиционного материала на основе железа и размещенный в электроизоляционном слое (2), термоизоляционный слой (4) и защитный слой (3), содержится по меньшей мере два токосъемных элемента (7), подключенных к резистивному элементу (1) с шириной d (фиг.2, 5), а ось симметрии с резистивного элемента (1) расположена перпендикулярно поперечному сечению резистивного элемента (1) (фиг.3), причем в месте соединения резистивного элемента (1) с токосъемным элементом (7) ось симметрии с резистивного элемента по отношению к поверхности защитного слоя, обеспечивающей контакт с нагреваемым объектом (8), образует угол α, принимающий значения от 0° до 180° (фиг.4). При этом для согласования значений КТР-слоев в состав стеклокерамики электроизоляционного слоя (2) вводят дополнительно оксидное стекло, баритовый флинт, бентонитовую глину, микротальк и поливинилацетат (ПВА) и используют состав периклаза (MgO) из компонентов с различной дисперсностью.The technical result is achieved by the fact that in the heating element (9) (Fig. 1), containing a resistive element (1) with a positive temperature coefficient of resistance, made of a composite material based on iron and placed in an insulating layer (2), a heat-insulating layer (4 ) and the protective layer (3), contains at least two collector elements (7) connected to the resistive element (1) with a width d (Figs. 2, 5), and the axis of symmetry from the resistive element (1) is perpendicular to the cross section resistive element (1) (figure 3), moreover, at the junction of the resistive element (1) with the collector element (7), the axis of symmetry from the resistive element with respect to the surface of the protective layer providing contact with the heated object (8) forms an angle α, taking values from 0 ° to 180 ° (figure 4). In order to match the values of KTP layers, oxide glass, barite flint, bentonite clay, microtalc and polyvinyl acetate (PVA) are added to the glass-ceramic composition of the insulating layer (2) and the composition of periclase (MgO) from components with different dispersion is used.

Также в нагревательном элементе (9), для локального уменьшения температуры резистивного элемента (1) в месте соединения с токосъемным элементом (7), из материала резистивного элемента (1) выполняют контактную площадку шириной d и длиной 1 (фиг.2), при этом поперечное сечение резистивного элемента (1) в указанном месте имеет площадь S в n раз большую, чем в среднем по всей длине резистивного элемента (1), где n - положительное число больше единицы, причем значение n непрерывно изменяется от 1, на расстоянии L от места соединения резистивного элемента (1) с токосъемным элементом (7), до n при L=0. Значения длин 1 и L могут принимать любые значения, ограниченные лишь технологическими возможностями и поставленными задачами. Если в круг этих задач входит исполнение нагревательного элемента (9) с уже готовыми металлическими выводами (не показаны), то их закладку осуществляют на первом этапе технологического процесса производства нагревательного элемента (9) - этапе компактирования резистивного элемента (1) с токосъемными элементами (7).Also in the heating element (9), to locally reduce the temperature of the resistive element (1) at the junction with the collector element (7), a contact pad of width d and length 1 (FIG. 2) is made from the material of the resistive element (1), while the cross section of the resistive element (1) at the indicated location has an area S n times larger than the average over the entire length of the resistive element (1), where n is a positive number greater than unity, and the value of n is continuously changing from 1, at a distance L from the junction of the resistive element (1) with collector element (7), up to n at L = 0. Values of lengths 1 and L can take any values that are limited only by technological capabilities and tasks. If the scope of these tasks includes the execution of the heating element (9) with ready-made metal leads (not shown), then they are laid at the first stage of the technological process for the production of the heating element (9) - the stage of compacting the resistive element (1) with collector elements (7 )

Резистивный элемент (1) в виде извилистой полосы резистивного материала шириной d, состоящей из линейных участков, которые имеют длину, не превышающую 20 d и последовательно соединенных закругленными участками, а указанная извилистая полоса резистивного элемента (1) размещена внутри электроизоляционного слоя (2), который повторяет ее форму. Для достижения длины линейного участка в 20 d использованы металлические компенсационные вставки (6), через которые последовательно соединены участки резистивного элемента (1). Компенсационная вставка (6) представляет собой металлический проводник, например нихром, сечение которого составляет 10-15% от сечения резистивного элемента (1) при соотношении длин компенсационной вставки и линейной части резистивного элемента от 1:10 до 1:20.The resistive element (1) in the form of a winding strip of resistive material of width d, consisting of linear sections that have a length not exceeding 20 d and connected in series by rounded sections, and the specified winding strip of the resistive element (1) is placed inside the insulating layer (2), which repeats its form. To achieve a linear section length of 20 d, metal compensation inserts (6) are used, through which sections of the resistive element (1) are connected in series. Compensation insert (6) is a metal conductor, for example nichrome, whose cross section is 10-15% of the cross section of the resistive element (1) with a ratio of the lengths of the compensation insert and the linear part of the resistive element from 1:10 to 1:20.

Нагревательный элемент (9) дополнительно снабжен защитным слоем (3) на основе порошка железа толщиной 0,5-1 d, который имеет форму, охватывающую с трех сторон электроизоляционный слой (2), содержащий в себе резистивный элемент (1).The heating element (9) is additionally provided with a protective layer (3) based on iron powder 0.5-1 d thick, which has a shape that covers an electrical insulating layer (2) on three sides, containing a resistive element (1).

Электроизоляционный слой (2) предпочтительно выполнен из стеклокерамики на основе MgO со следующим соотношением компонентов, мас.%:The insulating layer (2) is preferably made of MgO-based glass ceramics with the following ratio of components, wt.%:

Периклаз (MgO)Periclase (MgO) 60-9060-90 Молотое кварцевое стеклоGround quartz glass 2-62-6 Борная кислотаBoric acid 1-61-6 Молотое оптическое стекло БФ-112Ground optical glass BF-112 1-61-6 Бентонитовая глинаBentonite clay 2-62-6 МикроталькMicrotalc 1-61-6 Поливинилацетат (ПВА)Polyvinyl Acetate (PVA) 3-103-10

используя при этом периклаз (MgO) следующего состава, мас.%:using at the same time periclase (MgO) of the following composition, wt.%:

Периклаз (MgO) с дисперсностью от 40 до 150 мкмPericlase (MgO) with a dispersion of 40 to 150 microns 20-3520-35 Периклаз (MgO) с дисперсностью меньше 40 мкмPericlase (MgO) with a dispersion of less than 40 microns 65-8065-80

Защитный слой (3) на основе порошка железа, предпочтительно выполнен из смеси с соотношением весовых частей, мас.%:The protective layer (3) based on iron powder is preferably made of a mixture with a ratio of weight parts, wt.%:

FeFe 70-9570-95 СuCu 22-322-3 SnSn 8-18-1

при этом форма защитного слоя (3) имеет конфигурацию, обеспечивающую максимальную контактную поверхность с нагреваемым объектом (8) (фиг.5).the shape of the protective layer (3) has a configuration that provides the maximum contact surface with the heated object (8) (figure 5).

Технический результат для способа изготовления нагревательного элемента (9), включающего изготовление резистивного элемента (1) с положительным температурным коэффициентом сопротивления с токосъемными элементами (7) и компенсирующими металлическими вставками (6), формирование вокруг него электроизоляционного слоя (2), прессование и спекание нагревательного элемента (9), решена тем, что до спекания изделия наносят хотя бы один дополнительный защитный (3) или теплоизоляционный слой (4) на заранее заданные участки сформированного электроизоляционного слоя (2) с дополнительным подпрессовыванием после нанесения каждого слоя, а спекание осуществляют после компримирования полученной многослойной структуры при нормальных условиях на воздухе с выдержкой в течение от 0,5 до 2 часов при температуре в интервале от 850-900 С°.The technical result for a method of manufacturing a heating element (9), including the manufacture of a resistive element (1) with a positive temperature coefficient of resistance with collector elements (7) and compensating metal inserts (6), the formation of an insulating layer around it (2), pressing and sintering of the heating element (9), it is decided that before sintering the product, at least one additional protective (3) or heat-insulating layer (4) is applied to predefined sections of the formed electrical insulation layer (2) with additional prepressing after applying each layer, and sintering is carried out after compression of the obtained multilayer structure under normal conditions in air with exposure for 0.5 to 2 hours at a temperature in the range from 850-900 ° C.

Способ изготовления предложенного нагревательного элемента состоит в следующем.A method of manufacturing the proposed heating element is as follows.

Если необходимо, то предварительно в пресс-форму для изготовления резистивного элемента (1) укладывают металлические компенсационные вставки (6) и выводы (не показаны).If necessary, then metal compensation inserts (6) and leads (not shown) are placed in the mold for the manufacture of the resistive element (1).

Заполняют порошком композитного материала на основе железа пресс-форму и производят предварительное компактирование резистивного элемента (1) с удельным давлениием 0,5-1 тн/см2.A mold is filled with a powder of a composite material based on iron and preliminary compaction of the resistive element (1) with a specific pressure of 0.5-1 t / cm 2 is performed.

Для сохранения формы резистивного элемента (1) после прессования предварительно в состав порошка композиционного материала на основе железа вводят ПВА в количестве 3-10%.To preserve the shape of the resistive element (1) after pressing, PVA is introduced into the powder composition of the composite material based on iron in an amount of 3-10%.

После выпрессовки резистивного элемента (1) устанавливают пресс-форму для электроизолирующей стеклокерамики и производят ее заполнение порошком электроизолирующей стеклокерамики.After pressing out the resistive element (1), a mold for the electrically insulating glass ceramics is installed and it is filled with powder of the electrically insulating glass ceramics.

Поверх пресс-формы для электроизолирующей стеклокерамики устанавливают пресс-форму для защитного слоя (3) и производят заполнение ее железным порошком с антикоррозийными добавками.On top of the mold for electrically insulating glass ceramics, a mold for the protective layer (3) is installed and it is filled with iron powder with anti-corrosion additives.

Поверх порошка железа наносится слой порошка декоративного стеклокерамического покрытия (5), а на нижнюю поверхность наносится слой порошка теплоизоляционного стеклокерамического покрытия (4).A powder layer of a decorative glass-ceramic coating is applied over an iron powder (5), and a powder layer of a heat-insulating glass-ceramic coating (4) is applied to the lower surface.

Для согласования возвратных усилий после выпрессовки элемента из матрицы в состав всех керамик включен ПВА в количестве 3-10%.To coordinate the return efforts after pressing out the element from the matrix, the composition of all ceramics included PVA in an amount of 3-10%.

Дополнительно для обеспечения всестороннего замыкания керамики металлом на поверхность термоизоляционного слоя (4) наносится круговая полоска металлического порошка.In addition, in order to ensure the complete closure of the ceramic by the metal, a circular strip of metal powder is applied to the surface of the thermal insulation layer (4).

Многослойную порошковую структуру компактируют при нормальных условиях при давлении в пределах от 3 до 4 тн/см2.The multilayer powder structure is compacted under normal conditions at a pressure in the range of 3 to 4 tons / cm 2 .

Спрессованную заготовку нагревательного элемента (9) спекают при нормальных условиях на воздухе с выдержкой в течение от 0,5 до 2 часов при температуре в интервале от 850-900 С° и последующем охлаждении вместе с печью.The pressed billet of the heating element (9) is sintered under normal conditions in air with exposure for 0.5 to 2 hours at a temperature in the range from 850-900 ° C and subsequent cooling together with the furnace.

В результате процесса высокотемпературного синтеза происходит спекание заготовки нагревательного элемента (9) с образованием его монолитной структуры.As a result of the high-temperature synthesis process, the billet of the heating element (9) is sintered to form its monolithic structure.

Изменение значения угла α и формирование токосъемных элементов (7) с заданными размерами (фиг.2) производят на этапах формирования резистивного элемента (1) и электроизоляционного слоя (2) за счет придания слоям соответствующей формы.Changing the value of the angle α and the formation of current-collecting elements (7) with the given dimensions (Fig. 2) are carried out at the stages of formation of the resistive element (1) and the electrical insulating layer (2) by giving the layers the corresponding shape.

Согласование КТР осуществляется выбором соответствующих компонент стеклокерамики и их массовых соотношений.Coordination of KTP is carried out by choosing the appropriate components of glass ceramics and their mass ratios.

Резистивный элемент (1) выполнен из композиционного материала на основе железа с удельным сопротивлением, возрастающим с ростом температуры. В качестве основного материала для резистивного элемента (1) может быть использован, например порошок железа Distalloy AE фирмы Höganäs AB (Швеция).The resistive element (1) is made of a composite material based on iron with a resistivity that increases with increasing temperature. As the main material for the resistive element (1), for example, Distalloy AE iron powder from Höganäs AB (Sweden) can be used.

Электроизоляционный слой (2) предпочтительно выполнен из стеклокерамики на основе MgO со следующим соотношением компонентов, мас.%:The insulating layer (2) is preferably made of MgO-based glass ceramics with the following ratio of components, wt.%:

Периклаз (MgO)Periclase (MgO) 60-9060-90 Молотое кварцевое стеклоGround quartz glass 2-62-6 Борная кислотаBoric acid 1-61-6 Молотое оптическое стекло БФ-112Ground optical glass BF-112 1-61-6 Бентонитовая глинаBentonite clay 2-62-6 МикроталькMicrotalc 1-61-6 Поливинилацетат (ПВА)Polyvinyl Acetate (PVA) 3-103-10

используя при этом периклаз (MgO) следующего состава, мас.%:using at the same time periclase (MgO) of the following composition, wt.%:

Периклаз (MgO) с дисперсностью от 40 до 150 мкмPericlase (MgO) with a dispersion of 40 to 150 microns 20-3520-35 Периклаз (MgO) с дисперсностью меньше 40 мкмPericlase (MgO) with a dispersion of less than 40 microns 65-8065-80

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Фиг.1. Схематическое изображение нагревательного элемента в разрезе.Figure 1. Sectional view of a heating element.

Фиг.2. Схематическое изображение резистивного элемента с токосъемным элементом.Figure 2. Schematic illustration of a resistive element with a collector element.

Фиг.3. Расположение осей симметрии резистивного элемента.Figure 3. The location of the axis of symmetry of the resistive element.

Фиг.4. Пример выполнения резистивного элемента для случая, когда угол α не равен нулю.Figure 4. An example of the implementation of the resistive element for the case when the angle α is not equal to zero.

Фиг.5. Схематическое изображение резистивного элемента с компенсирующими металлическими вставками.Figure 5. Schematic representation of a resistive element with compensating metal inserts.

Фиг.6. Примеры возможных форм нагревательного элемента.6. Examples of possible forms of a heating element.

На фиг.1 показано схематическое изображение заявляемого нагревательного элемента (9) в разрезе на примере исполнения его в виде плоского нагревательного элемента. Основой заявляемого нагревательного элемента (9) является резистивный элемент (1), охваченный со всех сторон электроизоляционным слоем (2), повторяющим ее форму. Защитный слой (3) на основе порошка железа имеет форму, охватывающую с трех сторон электроизоляционный слой (2). Четвертая сторона электроизолирующего слоя закрыта теплоизолирующим слоем (4), выполненным в виде слоя теплоизолирующей стеклокерамики. Поверх защитного слоя (3) может быть выполнен декоративный керамический слой (5).Figure 1 shows a schematic representation of the inventive heating element (9) in the context of an example of its execution in the form of a flat heating element. The basis of the inventive heating element (9) is a resistive element (1), covered on all sides by an electrical insulating layer (2), repeating its shape. The protective layer (3) based on iron powder has a shape covering the electrical insulating layer (2) on three sides. The fourth side of the insulating layer is covered by a heat insulating layer (4), made in the form of a layer of insulating glass ceramics. On top of the protective layer (3), a decorative ceramic layer (5) can be made.

Резистивный элемент (1) выполнен из композиционного материала на основе железа с удельным сопротивлением, возрастающим с ростом температуры. В качестве материала для такого резистивного элемента (1) может быть использован, например, композиционный материал на основе железа, где каждая частица железа покрыта тонким слоем диэлектрика, например SMC-500 фирмы Höganäs AB (Швеция).The resistive element (1) is made of a composite material based on iron with a resistivity that increases with increasing temperature. As a material for such a resistive element (1), for example, an iron-based composite material can be used, where each iron particle is coated with a thin dielectric layer, for example, SMC-500 from Höganäs AB (Sweden).

На фиг.2 показано схематическое изображение резистивного элемента (1) с токосъемным элементом (7) при различных значениях длины L. Символами β и γ обозначены секущие плоскости, a S и S/n - площади поперечных сечений, лежащих в указанных плоскостях.Figure 2 shows a schematic representation of a resistive element (1) with a collector element (7) for various lengths L. The symbols β and γ denote the secant planes, and S and S / n are the cross-sectional areas lying in these planes.

На фиг.3 показано расположение осей симметрии резистивного элемента (1). Оси a и b лежат в плоскости поперечного сечения, ось c - перпендикулярна плоскости поперечного сечения и проходит через точку пересечения осей a и b.Figure 3 shows the location of the axis of symmetry of the resistive element (1). The axes a and b lie in the plane of the cross section, the axis c is perpendicular to the plane of the cross section and passes through the intersection point of the axes a and b.

На фиг.4 показан пример выполнения резистивного элемента (1) для случая, когда угол α не равен нулю. Ось c образует с поверхностью (10) защитного слоя, обеспечивающей контакт с нагреваемым объектом (8), угол α, не равный нулю.Figure 4 shows an example of the implementation of the resistive element (1) for the case when the angle α is not equal to zero. The axis c forms with the surface (10) a protective layer that provides contact with the heated object (8), the angle α is not equal to zero.

На фиг.5 показано схематическое изображение резистивного элемента (1) с компенсирующими металлическими вставками (6).Figure 5 shows a schematic representation of a resistive element (1) with compensating metal inserts (6).

На фиг.6 показаны примеры возможных форм нагревательного элемента (9), где цветом обозначены объекты нагрева (8).Figure 6 shows examples of possible forms of the heating element (9), where the color indicates the heating objects (8).

Предложенный монолитный нагревательный элемент (9) для надежной его работы после спекания в окончательном виде должен иметь согласованные КТР всех слоев элемента - резистивного элемента (1), электроизолирующего слоя (2), защитного металлического (3) и термоизолирующего (4) слоев. Защитный металлический слой (3) выполнен на основе порошка железа с антикоррозионными добавками.The proposed monolithic heating element (9) for its reliable operation after sintering in its final form should have coordinated KTP of all layers of the element - resistive element (1), electrical insulating layer (2), protective metal (3) and thermally insulating (4) layers. The protective metal layer (3) is based on iron powder with anti-corrosion additives.

Заявляемый электрический нагревательный элемент (9) изготовлен по технологии порошковой металлургии и представляет собой многослойную структуру из проводящего металлокерамического, изолирующего стеклокерамического и защитного металлического слоев, спрессованных и спеченных в единый моноблок.The inventive electric heating element (9) is made by powder metallurgy technology and is a multilayer structure of a conductive cermet, insulating glass-ceramic and protective metal layers, pressed and sintered into a single monoblock.

Сверхбыстрый разогрев резистивного элемента (1) приводит к неравномерным механическим напряжениям нагревательного элемента (9) и, как следствие, возможности его коробления. Для исключения коробления, сохранения целостности и, как следствие, надежности работы нагревательного элемента (9) следует обеспечить равномерность расширения последнего, для чего могут использоваться компенсационные вставки (6) (фиг.5).Ultrafast heating of the resistive element (1) leads to uneven mechanical stresses of the heating element (9) and, as a consequence, the possibility of its warping. To eliminate warpage, maintain integrity and, as a consequence, the reliability of the heating element (9), it is necessary to ensure uniformity of expansion of the latter, for which compensation inserts (6) can be used (Fig. 5).

Достигается изотропность расширения выполнением резистивного элемента (1) в виде извилистой полосы резистивного материала шириной d, состоящей из линейных участков, которые имеют длину, не превышающую 20 d, и последовательно соединенных закругленными участками, а указанная извилистая полоса резистивного элемента (1) размещена внутри электроизоляционного слоя (2), который повторяет ее форму. Для достижения длины линейного участка в 20 d использованы металлические компенсационные вставки (6), через которые последовательно соединены участки резистивного элемента (1).Isotropic expansion is achieved by making the resistive element (1) in the form of a tortuous strip of resistive material of width d, consisting of linear sections that have a length not exceeding 20 d and connected in series by rounded sections, and the specified tortuous strip of the resistive element (1) is placed inside the electrical insulation layer (2), which repeats its shape. To achieve a linear section length of 20 d, metal compensation inserts (6) are used, through which sections of the resistive element (1) are connected in series.

Согласование КТР осуществляется выбором соответствующих компонент стеклокерамики и их массовых соотношений.Coordination of KTP is carried out by choosing the appropriate components of glass ceramics and their mass ratios.

С этой целью изолирующий стеклокерамический слой (2) с плотностью, близкой к теоретической, выполнен на основе периклаза (кристаллического оксида магния MgO) с добавлением оксидного стекла, баритового флинта, бентонитовой глины, микроталька и поливинилацетата в нижеприведенном соотношении:To this end, the insulating glass-ceramic layer (2) with a density close to theoretical is made on the basis of periclase (crystalline magnesium oxide MgO) with the addition of oxide glass, barite flint, bentonite clay, microtalc and polyvinyl acetate in the following ratio:

Периклаз (MgO)Periclase (MgO) 60-9060-90 Молотое кварцевое стеклоGround quartz glass 2-62-6 Борная кислотаBoric acid 1-61-6 Молотое оптическое стекло БФ-112Ground optical glass BF-112 1-61-6 Бентонитовая глинаBentonite clay 2-62-6 МикроталькMicrotalc 1-61-6 Поливинилацетат (ПВА)Polyvinyl Acetate (PVA) 3-103-10

используя при этом периклаз (MgO) следующего состава, мас.%:using at the same time periclase (MgO) of the following composition, wt.%:

Периклаз (MgO) с дисперсностью от 40 до 150 мкмPericlase (MgO) with a dispersion of 40 to 150 microns 20-3520-35 Периклаз (MgO) с дисперсностью меньше 40 мкмPericlase (MgO) with a dispersion of less than 40 microns 65-8065-80

Способ изготовления предложенного нагревательного элемента (9) содержит следующие этапы.A method of manufacturing the proposed heating element (9) comprises the following steps.

Если необходимо, то предварительно в пресс-форму для изготовления резистивного элемента (1) укладывают металлические компенсационные вставки (6) и выводы (не показаны).If necessary, then metal compensation inserts (6) and leads (not shown) are first placed in the mold for the manufacture of the resistive element (1).

Заполняют порошком композитного материала на основе железа пресс-форму и производят предварительное компактирование резистивного элемента (1) с удельным давлениием 0,5-1 тн/см2.A mold is filled with a powder of a composite material based on iron and preliminary compaction of the resistive element (1) with a specific pressure of 0.5-1 t / cm 2 is performed.

Для сохранения формы резистивного элемента (1) после прессования предварительно в состав порошка композиционного материала на основе железа вводят ПВА в количестве 3-10%.To preserve the shape of the resistive element (1) after pressing, PVA is introduced into the powder composition of the composite material based on iron in an amount of 3-10%.

После выпрессовки резистивного элемента (1) устанавливают пресс-форму для электроизолирующей стеклокерамики и производят ее заполнение порошком электроизолирующей стеклокерамики.After pressing out the resistive element (1), a mold for the electrically insulating glass ceramics is installed and it is filled with powder of the electrically insulating glass ceramics.

Поверх пресс-формы для электроизолирующей стеклокерамики устанавливают пресс-форму для защитного слоя (3) и производят заполнение ее железным порошком с антикоррозийными добавками.On top of the mold for electrically insulating glass ceramics, a mold for the protective layer (3) is installed and filled with iron powder with anti-corrosion additives.

Поверх порошка железа наносится слой порошка декоративного стеклокерамического покрытия, а на нижнюю поверхность наносится слой порошка теплоизоляционного стеклокерамического покрытия (4).A powder layer of a decorative glass-ceramic coating is applied over the iron powder, and a powder layer of a heat-insulating glass-ceramic coating is applied to the lower surface (4).

Для согласования возвратных усилий после выпрессовки элемента из матрицы в состав всех керамик включен ПВА в количестве 3-10%.To coordinate the return efforts after pressing out the element from the matrix, the composition of all ceramics included PVA in an amount of 3-10%.

Дополнительно для обеспечения всестороннего замыкания керамики металлом на поверхность термоизоляционного слоя (4) наносится круговая полоска металлического порошка.In addition, in order to ensure the complete closure of the ceramic by the metal, a circular strip of metal powder is applied to the surface of the thermal insulation layer (4).

Многослойную порошковую структуру компактируют при нормальных условиях при давлении в пределах от 3 до 4 т/см2.The multilayer powder structure is compacted under normal conditions at a pressure in the range of 3 to 4 t / cm 2 .

Спрессованную заготовку нагревательного элемента (9) спекают при нормальных условиях на воздухе с выдержкой в течение от 0,5 до 2 часов при температуре в интервале от 850-900 С° и последующем охлаждении вместе с печью.The pressed billet of the heating element (9) is sintered under normal conditions in air with exposure for 0.5 to 2 hours at a temperature in the range from 850-900 ° C and subsequent cooling together with the furnace.

В результате процесса высокотемпературного синтеза происходит спекание заготовки нагревательного элемента (9) с образованием его монолитной структуры.As a result of the high-temperature synthesis process, the billet of the heating element (9) is sintered to form its monolithic structure.

Изменение значения угла α и формирование токосъемных элементов (6) с заданными размерами (фиг.2) производят на этапах формирования резистивного элемента (1) и электроизоляционного слоя (2) за счет придания слоям соответствующей формы.The change in the value of the angle α and the formation of the collector elements (6) with the given dimensions (Fig. 2) are carried out at the stages of the formation of the resistive element (1) and the insulating layer (2) by giving the layers the corresponding shape.

Нагревательные элементы (9) могут изготавливаться любой формы (фиг.6) и размера при толщине нагревательного элемента от 1 мм и выше.The heating elements (9) can be made of any shape (Fig.6) and size with a thickness of the heating element from 1 mm and above.

Из вышесказанного следует, что разработанный плоский электрический нагревательный элемент (9) быстрого нагрева имеет ряд преимуществ в сравнении с известными нагревательными элементами.From the foregoing, it follows that the developed flat electric heating element (9) rapid heating has several advantages in comparison with the known heating elements.

А именно:Namely:

- высокая степень надежности за счет точного согласования КТР-слоев, изотропности расширения резистивного элемента при использовании металлических компенсационных вставок и локального снижения температуры в месте подвода электрического тока за счет увеличения площади сечения резистивного элемента.- a high degree of reliability due to the exact matching of the KTP layers, isotropic expansion of the resistive element when using metal compensation inserts and a local decrease in temperature at the point of supply of electric current due to an increase in the cross-sectional area of the resistive element.

Claims (9)

1. Нагревательный элемент, содержащий резистивный элемент с положительным температурным коэффициентом сопротивления, выполненный из композиционного материала на основе железа и размещенный в электроизоляционном слое, выполненном из стеклокерамики на основе периклаза (MgO), термоизоляционный слой и защитный слой, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, два токосъемных элемента, подключенных к резистивному элементу с шириной d, a ось симметрии резистивного элемента расположена перпендикулярно поперечному сечению резистивного элемента, причем в месте соединения резистивного элемента с токосъемным элементом, ось симметрии резистивного элемента по отношению к поверхности защитного слоя, обеспечивающей контакт с нагреваемым объектом, образует угол α, принимающий значения от 0° до 180°, при этом для согласования значений коэффициентов термического расширения (КТР) слоев в состав стеклокерамики электроизоляционного слоя вводят дополнительно оксидное стекло, баритовый флинт, бентонитовую глину, микротальк и поливинилацетат (ПВА), и используют состав периклаза (MgO) из компонентов с различной дисперсностью.1. A heating element containing a resistive element with a positive temperature coefficient of resistance, made of a composite material based on iron and placed in an insulating layer made of glass ceramics based on periclase (MgO), a thermal insulation layer and a protective layer, characterized in that it contains at least two collector elements connected to a resistive element with a width of d, and the axis of symmetry of the resistive element is perpendicular to the cross section of the resistive electric ment, moreover, at the junction of the resistive element with the collector element, the axis of symmetry of the resistive element with respect to the surface of the protective layer providing contact with the heated object forms an angle α taking values from 0 ° to 180 °, while for matching thermal expansion coefficients (KTR) layers, oxide glass, barite flint, bentonite clay, microtalc and polyvinyl acetate (PVA) are added to the glass-ceramic composition of the insulating layer, and the composition of periclase (MgO) from Components with different dispersion. 2. Нагревательный элемент по п.1, отличающийся тем, что резистивный элемент выполнен в виде линейных участков, которые имеют длину, не превышающую 20d (d - ширина резистивного элемента), последовательно соединенных компенсационными металлическими вставками.2. The heating element according to claim 1, characterized in that the resistive element is made in the form of linear sections that have a length not exceeding 20 d (d is the width of the resistive element), connected in series by compensation metal inserts. 3. Нагревательный элемент по п.1, отличающийся тем, что электроизоляционный слой выполняют из стеклокерамики на основе периклаза (MgO) со следующим соотношением компонентов, мас.%:
Периклаз (MgO) 60-90 Молотое кварцевое стекло 2-6 Борная кислота 1-6 Молотое оптическое стекло БФ-112 1-6 Бентонитовая глина 2-6 Микротальк 1-6 Поливинилацетат (ПВА) 3-10,

используя при этом периклаз (MgO) следующего состава, мас.%:
Периклаз (MgO) с дисперсностью от 40 до 150 мкм 20-35 Периклаз (MgO) с дисперсностью меньше 40 мкм 65-80
3. The heating element according to claim 1, characterized in that the insulating layer is made of glass ceramics based on periclase (MgO) with the following ratio of components, wt.%:
Periclase (MgO) 60-90 Ground quartz glass 2-6 Boric acid 1-6 Ground optical glass BF-112 1-6 Bentonite clay 2-6 Microtalc 1-6 Polyvinyl Acetate (PVA) 3-10,

using periclase (MgO) of the following composition, wt.%:
Periclase (MgO) with a dispersion of 40 to 150 microns 20-35 Periclase (MgO) with a dispersion of less than 40 microns 65-80
4. Нагревательный элемент по п.1, отличающийся тем, что защитный слой на основе порошка железа, выполнен из смеси, с соотношением весовых частей, мас.%:
Fe 70-95 Сu 22-3 Sn 8-1,

при этом форма защитного слоя имеет конфигурацию, обеспечивающую максимальную контактную поверхность с нагреваемым объектом.
4. The heating element according to claim 1, characterized in that the protective layer based on iron powder is made of a mixture with a ratio of parts by weight, wt.%:
Fe 70-95 Cu 22-3 Sn 8-1,

the shape of the protective layer has a configuration that provides the maximum contact surface with the heated object.
5. Нагревательный элемент по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что для локального уменьшения температуры резистивного элемента в месте соединения с токосъемным элементом из материала резистивного элемента выполняют контактную площадку шириной d и длиной l, а поперечное сечение резистивного элемента в указанном месте имеет площадь S в n раз большую, чем в среднем по всей длине резистивного элемента, где n - положительное число больше единицы, причем значение n непрерывно изменяется от 1, на расстоянии L от места соединения резистивного элемента с токосъемным элементом, до n при L=0.5. A heating element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that to locally reduce the temperature of the resistive element at the junction with the collector element from the material of the resistive element, a contact pad is made of width d and length l, and the cross section of the resistive element in the specified location has an area S n times larger than the average over the entire length of the resistive element, where n is a positive number greater than unity, and the value of n continuously changes from 1, at a distance L from the junction of the resistive element and with a collector element, up to n at L = 0. 6. Способ изготовления нагревательного элемента с согласованными значениями коэффициента термического расширения (КТР) резистивного элемента, выполненного из композиционного материала на основе железа, электроизоляционного слоя, термоизоляционного слоя и защитного слоя, включающий изготовление резистивного элемента с положительным температурным коэффициентом сопротивления, формирование вокруг него электроизоляционного слоя, прессование и спекание нагревательного элемента, отличающийся тем, что спекание полученной многослойной структуры осуществляют на воздухе при температуре 850-900 С° с выдержкой при указанной температуре в течение от 0,5 до 1,5 часа и последующем охлаждении вместе с печью, а в состав электроизоляционного слоя вводят дополнительно оксидное стекло, баритовый флинт, бентонитовую глину, микротальк и поливинилацетат, и используют состав периклаза (MgO) из компонентов с различной дисперсностью.6. A method of manufacturing a heating element with agreed values of the coefficient of thermal expansion (KTR) of a resistive element made of a composite material based on iron, an electrical insulating layer, a thermal insulating layer and a protective layer, including manufacturing a resistive element with a positive temperature coefficient of resistance, forming an electrical insulating layer around it pressing and sintering a heating element, characterized in that the sintering of the obtained multilayer the structures are carried out in air at a temperature of 850-900 ° C with exposure at the indicated temperature for 0.5 to 1.5 hours and subsequent cooling with the furnace, and oxide glass, barite flint, bentonite clay are introduced into the electric insulation layer, microtalc and polyvinyl acetate, and use the composition of periclase (MgO) from components with different dispersion. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что защитный слой порошка железа, представляет собой предварительно подготовленную смесь, с соотношением весовых частей, мас.%:
Fe 70-95 Сu 22-3 Sn 8-1
7. The method according to claim 6, characterized in that the protective layer of iron powder is a pre-prepared mixture, with a ratio of weight parts, wt.%:
Fe 70-95 Cu 22-3 Sn 8-1
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что электроизоляционный слой выполняют из стеклокерамики на основе периклаза (MgO) со следующим соотношением компонентов, мас.%:
Периклаз (MgO) 60-90 Молотое кварцевое стекло 2-6 Борная кислота 1-6 Молотое оптическое стекло БФ-112 1-6 Бентонитовая глина 2-6 Микротальк 1-6 Поливинилацетат 3-10,

используя при этом периклаз следующего состава, мас.%:
Периклаз (MgO) с дисперсностью от 40 до 150 мкм 20-35 Периклаз (MgO) с дисперсностью меньше 40 мкм 65-80
8. The method according to claim 6, characterized in that the insulating layer is made of glass ceramics based on periclase (MgO) with the following ratio of components, wt.%:
Periclase (MgO) 60-90 Ground quartz glass 2-6 Boric acid 1-6 Ground optical glass BF-112 1-6 Bentonite clay 2-6 Microtalc 1-6 Polyvinyl acetate 3-10,

using at the same time periclase of the following composition, wt.%:
Periclase (MgO) with a dispersion of 40 to 150 microns 20-35 Periclase (MgO) with a dispersion of less than 40 microns 65-80
9. Способ по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что на этапе изготовления резистивного элемента предварительно в пресс-форму для изготовления резистивного элемента укладывают металлические компенсационные вставки и выводы и проводят компактирование резистивного элемента с удельным давлениием 0,5-1 тн/см2. 9. The method according to any one of claims 6 to 8, characterized in that at the stage of manufacturing the resistive element, metal compensation inserts and leads are laid in the mold for manufacturing the resistive element and compacting the resistive element with a specific pressure of 0.5-1 t / cm 2 .
RU2008119160/09A 2008-05-15 2008-05-15 Heating element and method of its manufacturing RU2369046C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008119160/09A RU2369046C1 (en) 2008-05-15 2008-05-15 Heating element and method of its manufacturing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008119160/09A RU2369046C1 (en) 2008-05-15 2008-05-15 Heating element and method of its manufacturing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2369046C1 true RU2369046C1 (en) 2009-09-27

Family

ID=41169726

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008119160/09A RU2369046C1 (en) 2008-05-15 2008-05-15 Heating element and method of its manufacturing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2369046C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2503155C1 (en) * 2012-04-26 2013-12-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Heating unit and method of its manufacturing
RU2580322C2 (en) * 2014-07-22 2016-04-10 Закрытое акционерное общество "Конструкторское бюро Технотроник" Heater
RU2737048C2 (en) * 2016-04-28 2020-11-24 Дженоптик Эдвансд Системз Гмбх Heating device and method of its production

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2503155C1 (en) * 2012-04-26 2013-12-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Heating unit and method of its manufacturing
RU2580322C2 (en) * 2014-07-22 2016-04-10 Закрытое акционерное общество "Конструкторское бюро Технотроник" Heater
RU2737048C2 (en) * 2016-04-28 2020-11-24 Дженоптик Эдвансд Системз Гмбх Heating device and method of its production

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021228278A1 (en) Grain-grade zirconia toughened alumina ceramic substrate and process for preparation thereof
CN101321415A (en) Rare earth thick film circuit electrical heating element based on aluminum nitride minicrystal ceramic substrates and its preparation technique
RU2369046C1 (en) Heating element and method of its manufacturing
CN101948315A (en) Low-temperature sintering method of high-performance aluminium nitride ceramics
CN101186294B (en) Method of preparing high purity Ti2AlC block material
US9306146B2 (en) Low thermal conductivity thermoelectric materials and method for making the same
CN101152980A (en) Microwave oven sintering method of producing silicon nitride ceramics heater and special equipment thereof
US4806739A (en) Plate-like ceramic heater
CN103096528B (en) Preparation method for silicon nitride heating body
CN102432303B (en) Mixed microwave sintering method of mullite composite material
US6387462B1 (en) Thermal insulating device for high temperature reactors and furnaces which utilize highly active chemical gases
WO2013150831A1 (en) Sputtering target, sputtering target manufacturing method, barium titanate thin film manufacturing method, and thin film capacitor manufacturing method
US2128289A (en) Ceramic dielectric material and process of making the same
RU76535U1 (en) HEATING ELEMENT
KR101212111B1 (en) Preparing method of MgB2 superconducting conductor and MgB2 superconducting conductor prepared thereby
KR20150061577A (en) Sintered boron nitride body and method for producing a sintered boron nitride body
CN105777081A (en) Preparation technology of electronic ceramic substrate for heat dissipation
RU2311742C2 (en) Heating element and method for manufacturing said heating element
CN101255051B (en) Novel infrared conductive ceramics and preparation method thereof
CN101616511A (en) Ceramic heating element, ceramic heating assembly and preparation method thereof
WO2004062319A1 (en) Monolithic self-regulating metal-ceramic heater
CN218884649U (en) High heat preservation furnace body structure and aluminium nitride ceramic continuous sintering stove
CN201418159Y (en) Ceramic heating elements and ceramic heating components
JP3047258B2 (en) Surface heater and method of manufacturing the same
JP3588240B2 (en) Ceramic heater

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140516