RU2554097C2 - Thin-film flexible electric heater - Google Patents

Thin-film flexible electric heater Download PDF

Info

Publication number
RU2554097C2
RU2554097C2 RU2013145399/07A RU2013145399A RU2554097C2 RU 2554097 C2 RU2554097 C2 RU 2554097C2 RU 2013145399/07 A RU2013145399/07 A RU 2013145399/07A RU 2013145399 A RU2013145399 A RU 2013145399A RU 2554097 C2 RU2554097 C2 RU 2554097C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electric heater
metal coating
thin
thickness
resistive element
Prior art date
Application number
RU2013145399/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013145399A (en
Inventor
Александр Николаевич Кирилин
Виталий Алексеевич Барвинок
Валерий Иосифович Богданович
Антон Николаевич Асмолов
Вадим Геннадьевич Небога
Валерий Сергеевич Молчанов
Владислав Игоревич Буяльский
Александр Ирикович Китаев
Андрей Михайлович Журавлев
Иван Петрович Лукащук
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева" (национальный исследовательский университет)" (СГАУ)
Акционерное общество Ракетно-космический центр "Прогресс" (АО "РКЦ "Прогресс")
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 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева" (национальный исследовательский университет)" (СГАУ), Акционерное общество Ракетно-космический центр "Прогресс" (АО "РКЦ "Прогресс") filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева" (национальный исследовательский университет)" (СГАУ)
Priority to RU2013145399/07A priority Critical patent/RU2554097C2/en
Publication of RU2013145399A publication Critical patent/RU2013145399A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2554097C2 publication Critical patent/RU2554097C2/en

Links

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: thin-film flexible electric heater containing a resistive element located between two flexible heat-resistant electrically insulating films bonded to each other and provided with conductor wires has a resistive element in the form of a multi-layered ion-plasma metal coating applied onto the inner surface of one of the bonded films. The metal coating has a thickness of each layer, which is equal to (5…300) nm, and has specific electrical resistance within (535…20)·10-8 Ohm·m, as well as the metal coating has a thickness within (1…40) mcm and it is made in the form of a zigzag-shaped straight-line end strips connected to each other on ends of strips via copper adapters, except for the ends to which conductor wires are attached.
EFFECT: invention allows simplifying a structure and reducing labour input for manufacture of an electric heater, enlarging its functional capabilities at manufacture of small-sized low-duty electric heaters, reducing its thickness and weight, and reducing its manufacturing cost.
5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к тонкопленочным гибким электронагревателям, предназначенным для регулирования или управления заданным температурным режимом функционирования бортовых приборов, технических устройств и систем жизнеобеспечения космических, летательных или подводных аппаратов, а также других изделий.The invention relates to thin-film flexible electric heaters designed to regulate or control a given temperature mode of operation of on-board devices, technical devices and life support systems for space, aircraft or underwater vehicles, as well as other products.

Известен (Патент РФ 2088047 C1, МПК H05B 3/18, опубл. 20.08.1997) пленочный электронагреватель, который содержит плоский зигзагообразный формы резистивный излучающий элемент из фольги, расположенный между двумя гибкими термостойкими электроизоляционными пленками. Резистивный излучающий элемент выполнен из аморфного сплава металлов или металлов (переходных) с металлоидами.Known (RF Patent 2088047 C1, IPC H05B 3/18, publ. 08/20/1997) a film electric heater that contains a flat zigzag-shaped resistive radiating element made of foil located between two flexible heat-resistant electrical insulation films. The resistive radiating element is made of an amorphous alloy of metals or metals (transitional) with metalloids.

Недостатками данного пленочного электронагревателя являются: сложность и большая трудоемкость изготовления малогабаритных электронагревателей небольшой мощности из-за необходимости размещения зигзагообразного резистивного элемента большой протяженности из металлической фольги в пределах малых габаритов; низкая надежность электронагревателя при механических изгибах и многократных перегибов из-за использования фольги в качестве резистивного элемента; сложность крепления токоотводящих проводов к металлической фольге из аморфных сплавов металлов или металлов с металлоидами и недостаточная надежность этого соединения при механических знакопеременных нагрузках; недостаточно высокое быстродействие и высокая потребляемая мощность.The disadvantages of this film-type electric heater are: the complexity and laboriousness of manufacturing small-sized electric heaters of small power due to the need to place a zigzag resistive element of large length from a metal foil within small dimensions; low reliability of the electric heater under mechanical bends and repeated bends due to the use of foil as a resistive element; the difficulty of attaching down conductors to a metal foil made of amorphous alloys of metals or metals with metalloids and the lack of reliability of this connection under alternating mechanical loads; insufficiently high speed and high power consumption.

Наиболее близким к техническому решению является (Патент РФ 2379857 C1, МПК H05B 3/18, опубл. 20.01.2010, Бюл. №2) тонкопленочный гибкий электронагреватель, содержащий резистивный элемент, расположенный между двумя гибкими термостойкими электроизоляционными пленками и снабженный токоотводящими проводами, в котором резистивный элемент выполнен в виде полимерной пленки с металлизированным ионно-плазменным многослойным покрытием с толщиной каждого слоя 20…100 нм, общей толщиной в пределах 3…25 мкм и удельным электросопротивлением (300…55)·10-8 Ом·м.Closest to the technical solution is (RF Patent 2379857 C1, IPC H05B 3/18, publ. 20.01.2010, Bull. No. 2) a thin-film flexible electric heater containing a resistive element located between two flexible heat-resistant electrical insulation films and equipped with current-conducting wires, in which resistive element is made in the form of a polymer film with a metallized ion-plasma multilayer coating with a thickness of each layer of 20 ... 100 nm, a total thickness of 3 ... 25 μm and a specific electrical resistance (300 ... 55) · 10 -8 Ohm · m.

К недостаткам описанного тонкопленочного гибкого электронагревателя можно отнести сложность его конструкции и недостаточно широкие функциональные возможности электронагревателя.The disadvantages of the described thin-film flexible electric heater include the complexity of its design and the insufficiently wide functionality of the electric heater.

Действительно, выражение удельной электрической мощности для электронагревателя с использованием закона Ома можно представить в виде:Indeed, the expression of the specific electric power for an electric heater using Ohm's law can be represented as:

Figure 00000001
Figure 00000001

где N=UI - электрическая мощность, I=U/R - ток в электронагревателе при заданном электрическом напряжении U, R - его электрическое сопротивление, S - площадь металлического покрытия.where N = UI is the electric power, I = U / R is the current in the electric heater at a given voltage U, R is its electrical resistance, S is the area of the metal coating.

Используя выражение для электрического сопротивления R=ρL/hb и сопротивление металлического покрытия S=Lb придадим соотношению (1) вид:Using the expression for the electrical resistance R = ρL / hb and the resistance of the metal coating S = Lb, we give the relation (1) the form:

Figure 00000002
Figure 00000002

где ρ - удельное электрического сопротивление металлического покрытия, h, b и L - его толщина, ширина и длина соответственно.where ρ is the electrical resistivity of the metal coating, h, b and L are its thickness, width and length, respectively.

Поэтому, сравнивая между собой удельные электрические мощности прототипа q1 и разрабатываемого нового технического решения q2 с параметрами металлического покрытия ρ1, h1, L1 и ρ2, h2, L2 соответственно, получим при равных электрических напряжениях:Therefore, comparing the specific electric capacities of the prototype q 1 and the new technical solution q 2 being developed with the parameters of the metal coating ρ 1 , h 1 , L 1 and ρ 2 , h 2 , L 2, respectively, we obtain at equal electrical voltages:

Figure 00000003
Figure 00000003

Следовательно, для одинакового электрического напряжения уменьшение толщины покрытия меньше значения h1=3 мкм, увеличение удельного электрического сопротивления больше значения ρ1=300·10-8 Ом·м и увеличение длины слоя покрытия за счет его зигзагообразного расположения на полимерной пленке позволяет уменьшить величину удельной электрической мощности q2 разрабатываемого технического решения по сравнению с удельной электрической мощностью прототипа q1, расширить функциональные возможности электронагревателя и изготавливать малогабаритные электронагреватели малой электрической мощности, которые невозможно изготовить на основе технического решения заданного в прототипе.Therefore, for the same electrical voltage, a decrease in the coating thickness is less than the value of h 1 = 3 μm, an increase in the specific electrical resistance is greater than the value ρ 1 = 300 · 10 -8 Ohm · m, and an increase in the length of the coating layer due to its zigzag arrangement on the polymer film allows one to reduce the value specific electric power 2 q proposed technical solutions as compared to the specific electrical power prototype q 1, to expand the functionality of the electric heater and manufacture, compact itnye heaters small electric power which can not be made on the basis of the technical solutions defined in the prior art.

В основу изобретения поставлена задача упростить конструкцию и снизить трудоемкость изготовления электронагревателя, расширить его функциональные возможности при изготовлении малогабаритных электронагревателей малой мощности, уменьшить его толщину и массу, снизить стоимость его изготовления.The basis of the invention is the task to simplify the design and reduce the complexity of manufacturing an electric heater, expand its functionality in the manufacture of small-sized electric heaters of low power, reduce its thickness and weight, reduce the cost of its manufacture.

Задача решается за счет того, что тонкопленочный гибкий электронагреватель содержит резистивный элемент, расположенный между двумя склеиваемыми между собой гибкими термостойкими электроизоляционными пленками и снабженный токоотводящими проводами, согласно изобретению резистивный элемент выполнен в виде многослойного ионно-плазменного металлического покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность одной из склеиваемых пленок.The problem is solved due to the fact that the thin-film flexible electric heater contains a resistive element located between two thermally insulating flexible thermally insulating films glued together and provided with current-conducting wires, according to the invention, the resistive element is made in the form of a multilayer ion-plasma metal coating deposited on the inner surface of one of the glued films.

Кроме того, металлическое покрытие выполнено с толщиной каждого слоя (5…300) нм и имеет удельное электросопротивление в пределах (535…20)·10-8 Ом·м.In addition, the metal coating is made with a thickness of each layer (5 ... 300) nm and has a specific electrical resistance in the range of (535 ... 20) · 10 -8 Ohm · m.

Металлическое покрытие имеет толщину в пределах (1…40) мкм и выполнено в виде зигзагообразно расположенных прямолинейных конечных полосок, соединенных между собой по концам полос медными переходниками, за исключением концов, к которым присоединены токоотводящие провода.The metal coating has a thickness in the range of (1 ... 40) microns and is made in the form of zigzag straight rectilinear end strips connected to each other at the ends of the strips by copper adapters, with the exception of the ends to which the collector wires are connected.

Такое техническое решение приводит к тому, что в отличие от прототипа электронагреватель состоит из двух, а не трех пленок, уменьшает также его массу, толщину (примерно на 1/3) и повышает гибкость, то есть возможность его прочного присоединения к сложнопрофилированным поверхностям с конструкционными выступами и впадинами с меньшим радиусом кривизны. Минимальное значение толщины металлического многослойного покрытия уменьшено в 3 раза по сравнению с прототипом до значения 1 мкм, что позволяет в 3 раза уменьшить величину мощности разрабатываемого устройства и при этом, как установлено экспериментально, сплошность покрытия не нарушается и происходит его равномерный нагрев под действием электрического тока. Увеличение удельного электросопротивления металлического покрытия достигается за счет нанесения многослойного металлического покрытия слоя с меньшей толщиной каждого слоя по сравнению с толщиной слоя в прототипе. Экспериментально установлено, что толщина каждого слоя может быть уменьшена до 5 нм за счет увеличения скорости прохождения полимерной пленкой зоны напыления покрытия, что позволяет в 4 раза уменьшить его толщину по сравнению с прототипом. При этом величина удельного электросопротивления многослойного покрытия из хромоникелевого сплава [Богданович В.И., Барвинок В.А., Кирилин А.Н., Небога В.Г. и др. Тонкопленочные электронагреватели с наноструктурным резистивным слоем // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2010. - №3. - С.111-117] достигает (535…485)·10-8 Ом·м, что значительно больше, чем в формуле изобретения прототипа, и позволяет уменьшить величину удельной электрической мощности по сравнению с прототипом на 78%.This technical solution leads to the fact that, in contrast to the prototype, the electric heater consists of two rather than three films, also reduces its mass, thickness (by about 1/3) and increases flexibility, that is, the possibility of its strong attachment to complex profiles with structural protrusions and depressions with a smaller radius of curvature. The minimum thickness of the metal multilayer coating is reduced by 3 times compared with the prototype to a value of 1 μm, which allows 3 times to reduce the power of the developed device and at the same time, as established experimentally, the continuity of the coating is not violated and its uniform heating under the influence of electric current . The increase in the electrical resistivity of the metal coating is achieved by applying a multilayer metal coating layer with a smaller thickness of each layer compared to the thickness of the layer in the prototype. It was experimentally established that the thickness of each layer can be reduced to 5 nm due to an increase in the rate of passage of the coating spraying zone by the polymer film, which allows a 4-fold reduction in its thickness compared to the prototype. The value of electrical resistivity of a multilayer coating of chromium-nickel alloy [Bogdanovich V.I., Barvinok V.A., Kirilin A.N., Neboga V.G. and other Thin-film electric heaters with a nanostructure resistive layer // Problems of mechanical engineering and automation. - 2010. - No. 3. - S.111-117] reaches (535 ... 485) · 10 -8 Ohm · m, which is much more than in the claims of the prototype, and allows to reduce the specific electric power in comparison with the prototype by 78%.

Увеличение длины слоя металлического покрытия достигается тем, что металлическое покрытие на пленку нанесено в виде зигзагообразно расположенных прямолинейных конечных полосок, соединенных между собой на своих концах, за исключением концов, к которым присоединены токоотводящие провода.The increase in the length of the metal coating layer is achieved by the fact that the metal coating on the film is applied in the form of zigzag straight rectilinear end strips connected to each other at their ends, with the exception of the ends to which the collector wires are connected.

На схеме представлен общий вид тонкопленочного гибкого электронагревателя габаритами 200×30 мм с электрической мощностью 3,5 Вт при питании электрическим напряжением 27 В, состоящего из двух листов гибких термостойких электроизоляционных пленок 1, между которыми размещен резистивный элемент 2, полученный в виде нано- и субмикроструктурного слоя методом вакуумного ионно-плазменного напыления, имеющий зигзагообразную форму, полученную с помощью медных переходников 5 и снабженный токоотводящими проводами 3, припаянными к участкам с медным покрытием 4.The diagram shows a general view of a thin-film flexible electric heater with dimensions of 200 × 30 mm with an electric power of 3.5 W with a voltage of 27 V, consisting of two sheets of flexible heat-resistant electrical insulation films 1, between which a resistive element 2, obtained in the form of nano- and submicrostructural layer by the method of vacuum ion-plasma spraying, having a zigzag shape obtained using copper adapters 5 and equipped with down conductors 3, soldered to areas with copper zero overlap 4.

Данный электронагреватель предназначен для системы терморегулирования бортовых приборов космических аппаратов производства ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс». Заявленное техническое решение позволяет без изменения внешнего вида этих электронагревателей, то есть без изменения технологических средств производства, изготавливать их также с заданными электрическими мощностями в 7 Вт и 10 Вт.This electric heater is designed for the temperature control system of on-board instruments of spacecraft manufactured by the GNP RSC “TsSKB-Progress”. The claimed technical solution allows, without changing the appearance of these electric heaters, that is, without changing the technological means of production, to produce them also with predetermined electric powers of 7 W and 10 W.

Claims (5)

1. Тонкопленочный гибкий электронагреватель, содержащий резистивный элемент, расположенный между двумя склеиваемыми между собой гибкими термостойкими электроизоляционными пленками и снабженный токоотводящими проводами, отличающийся тем, что резистивный элемент выполнен в виде многослойного ионно-плазменного металлического покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность одной из склеиваемых пленок.1. A thin-film flexible electric heater containing a resistive element located between two thermally insulating flexible thermally insulating films glued together and provided with current-conducting wires, characterized in that the resistive element is made in the form of a multilayer ion-plasma metal coating deposited on the inner surface of one of the glued films. 2. Тонкопленочный электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что металлическое покрытие выполнено в виде зигзагообразно расположенных прямолинейных конечных полосок, соединенных между собой по концам полос медными переходниками, за исключением концов, к которым присоединены токоотводящие провода.2. Thin-film electric heater according to claim 1, characterized in that the metal coating is made in the form of zigzag straight rectilinear end strips, interconnected at the ends of the strips with copper adapters, with the exception of the ends to which the collector wires are connected. 3. Тонкопленочный электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что металлическое покрытие имеет удельное электросопротивление в пределах (535…20)·10-8 Ом·м.3. Thin-film electric heater according to claim 1, characterized in that the metal coating has a specific electrical resistance in the range of (535 ... 20) · 10 -8 Ohm · m 4. Тонкопленочный электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что металлическое покрытие выполнено с толщиной каждого слоя (5…300) нм.4. Thin-film electric heater according to claim 1, characterized in that the metal coating is made with a thickness of each layer (5 ... 300) nm. 5. Тонкопленочный электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что металлическое покрытие имеет толщину в пределах (1…40) мкм. 5. Thin-film electric heater according to claim 1, characterized in that the metal coating has a thickness in the range (1 ... 40) microns.
RU2013145399/07A 2013-10-09 2013-10-09 Thin-film flexible electric heater RU2554097C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013145399/07A RU2554097C2 (en) 2013-10-09 2013-10-09 Thin-film flexible electric heater

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013145399/07A RU2554097C2 (en) 2013-10-09 2013-10-09 Thin-film flexible electric heater

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013145399A RU2013145399A (en) 2015-04-20
RU2554097C2 true RU2554097C2 (en) 2015-06-27

Family

ID=53282680

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013145399/07A RU2554097C2 (en) 2013-10-09 2013-10-09 Thin-film flexible electric heater

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2554097C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2771924C1 (en) * 2021-07-30 2022-05-13 Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" Active flexible-flat electric heater

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2379857C1 (en) * 2008-11-12 2010-01-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева Thin-film flexible electric heater
RU100353U1 (en) * 2010-04-20 2010-12-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Челябинская государственная агроинженерная академия" FILM ELECTRIC HEATER
RU113624U1 (en) * 2011-02-07 2012-02-20 Общество с ограниченной ответственностью "НАНОТЕРМ" THIN FILM ELECTRIC HEATER
KR20130015489A (en) * 2011-08-03 2013-02-14 오점열 Manufacturing method for flexible film heater
CN202799221U (en) * 2012-08-28 2013-03-13 东协金属科技（深圳）有限公司 Electric heater component

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2379857C1 (en) * 2008-11-12 2010-01-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева Thin-film flexible electric heater
RU100353U1 (en) * 2010-04-20 2010-12-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Челябинская государственная агроинженерная академия" FILM ELECTRIC HEATER
RU113624U1 (en) * 2011-02-07 2012-02-20 Общество с ограниченной ответственностью "НАНОТЕРМ" THIN FILM ELECTRIC HEATER
KR20130015489A (en) * 2011-08-03 2013-02-14 오점열 Manufacturing method for flexible film heater
CN202799221U (en) * 2012-08-28 2013-03-13 东协金属科技（深圳）有限公司 Electric heater component

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2771924C1 (en) * 2021-07-30 2022-05-13 Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" Active flexible-flat electric heater
RU2774065C1 (en) * 2021-08-03 2022-06-15 Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" Multi-track flexible electric heater

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013145399A (en) 2015-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2535620T3 (en) Surface radiator and production process
WO2016169481A1 (en) Electric heating film device and preparation method therefor, and electric heating apparatus
US10582571B2 (en) Printed transparent heaters using embedded micro-wires
US8853917B2 (en) Carbon nanotube based electrostrictive element
US10697050B2 (en) Shape memory actuator structures and control thereof
US20180124875A1 (en) Heating device for curved surfaces
JP2020040655A (en) Hybrid heater system
KR20100091499A (en) Heating substrate equipped with conductive-thin-film and electrode
JPWO2015189890A1 (en) Heating element
RU2554097C2 (en) Thin-film flexible electric heater
JP2007299546A (en) Planar heating element
JP2021077568A (en) Laminated bus bar, method for designing laminated bus bar, and battery module
JP6361322B2 (en) battery
RU113624U1 (en) THIN FILM ELECTRIC HEATER
EP2957878B1 (en) Thermal sensor and method of manufacturing thereof
RU2379857C1 (en) Thin-film flexible electric heater
JP2019512060A (en) Oil-water heat exchanger, especially for internal combustion engines of motor vehicles
EP4070625A1 (en) Electric heater for heating a substance in a motor vehicle
RU168165U1 (en) FILM ELECTRIC HEATER
JP2017068977A (en) Electric heater
CN219068400U (en) Special-shaped flexible electric heater
JPH09180868A (en) Honeycomb surface heating element
WO2018229674A1 (en) Flexible resistor
RU137650U1 (en) FLOWING ELECTRIC HEATER
RU2800691C2 (en) Anti-icing systems

Legal Events

Date Code Title Description
HZ9A Changing address for correspondence with an applicant
PD4A Correction of name of patent owner