RU2082239C1 - Electricity conducting compound for resistive heating element; resistive heating element and its manufacturing process - Google Patents
Electricity conducting compound for resistive heating element; resistive heating element and its manufacturing process Download PDFInfo
- Publication number
- RU2082239C1 RU2082239C1 RU94009698A RU94009698A RU2082239C1 RU 2082239 C1 RU2082239 C1 RU 2082239C1 RU 94009698 A RU94009698 A RU 94009698A RU 94009698 A RU94009698 A RU 94009698A RU 2082239 C1 RU2082239 C1 RU 2082239C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating element
- substance
- electrically conductive
- temperature
- resistive heating
- Prior art date
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 140
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 19
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 title abstract description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 title abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 111
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 96
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 57
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 56
- 229910021357 chromium silicide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- FHTCLMVMBMJAEE-UHFFFAOYSA-N bis($l^{2}-silanylidene)manganese Chemical compound [Si]=[Mn]=[Si] FHTCLMVMBMJAEE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 claims description 49
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 claims description 49
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 claims description 20
- CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N azanylidynechromium Chemical compound [Cr]#N CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 18
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 12
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims description 9
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 8
- QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N barium oxide Chemical compound [Ba]=O QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 5
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 claims description 4
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 4
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L hydroxy(oxo)manganese;manganese Chemical compound [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 4
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 claims description 4
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 4
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 3
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 125000005375 organosiloxane group Chemical group 0.000 claims description 2
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 claims description 2
- -1 ferrosilicide Chemical compound 0.000 abstract description 16
- 239000004020 conductor Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- SJKRCWUQJZIWQB-UHFFFAOYSA-N azane;chromium Chemical compound N.[Cr] SJKRCWUQJZIWQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 abstract 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 8
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 7
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 7
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 7
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 6
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 5
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 5
- 239000010408 film Substances 0.000 description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 5
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003738 black carbon Substances 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 4
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 4
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N Dichloromethane Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910021383 artificial graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 229910021382 natural graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 3
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 2
- YXTPWUNVHCYOSP-UHFFFAOYSA-N bis($l^{2}-silanylidene)molybdenum Chemical compound [Si]=[Mo]=[Si] YXTPWUNVHCYOSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005388 borosilicate glass Substances 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 2
- 239000008236 heating water Substances 0.000 description 2
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 2
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N monobenzene Natural products C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 2
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 2
- 229910021532 Calcite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019974 CrSi Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920004936 Lavsan® Polymers 0.000 description 1
- 229910016006 MoSi Inorganic materials 0.000 description 1
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004721 Polyphenylene oxide Substances 0.000 description 1
- 101710148171 Pyrokinin-4 Proteins 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002174 Styrene-butadiene Substances 0.000 description 1
- 229910008484 TiSi Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006249 ZrSi Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004760 aramid Substances 0.000 description 1
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 229920003235 aromatic polyamide Polymers 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- MANYRMJQFFSZKJ-UHFFFAOYSA-N bis($l^{2}-silanylidene)tantalum Chemical compound [Si]=[Ta]=[Si] MANYRMJQFFSZKJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DFJQEGUNXWZVAH-UHFFFAOYSA-N bis($l^{2}-silanylidene)titanium Chemical compound [Si]=[Ti]=[Si] DFJQEGUNXWZVAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LUWOVYQXZRKECH-UHFFFAOYSA-N bis($l^{2}-silanylidene)vanadium Chemical compound [Si]=[V]=[Si] LUWOVYQXZRKECH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GJIKIPCNQLUSQC-UHFFFAOYSA-N bis($l^{2}-silanylidene)zirconium Chemical compound [Si]=[Zr]=[Si] GJIKIPCNQLUSQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MTAZNLWOLGHBHU-UHFFFAOYSA-N butadiene-styrene rubber Chemical compound C=CC=C.C=CC1=CC=CC=C1 MTAZNLWOLGHBHU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 150000008280 chlorinated hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 229910021358 chromium disilicide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000000156 glass melt Substances 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910021343 molybdenum disilicide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021344 molybdenum silicide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 238000009740 moulding (composite fabrication) Methods 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 239000000123 paper Substances 0.000 description 1
- 235000019271 petrolatum Nutrition 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 229920002587 poly(1,3-butadiene) polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 229920006389 polyphenyl polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920006380 polyphenylene oxide Polymers 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000344 soap Substances 0.000 description 1
- 239000011115 styrene butadiene Substances 0.000 description 1
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 1
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 229920002725 thermoplastic elastomer Polymers 0.000 description 1
- 229910021352 titanium disilicide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- WQJQOUPTWCFRMM-UHFFFAOYSA-N tungsten disilicide Chemical compound [Si]#[W]#[Si] WQJQOUPTWCFRMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
- 229910021353 zirconium disilicide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Resistance Heating (AREA)
- Apparatuses And Processes For Manufacturing Resistors (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к нагревательным элементам, а более точно к электропроводящей композиции для резистивного нагревательного элемента, к резистивному нагревательному элементу на основе этой композиции и способу изготовления этого резистивного нагревательного элемента. The present invention relates to heating elements, and more particularly to an electrically conductive composition for a resistive heating element, to a resistive heating element based on this composition and a method for manufacturing this resistive heating element.
Изобретение может быть использовано для изготовления нагревательных элементов и отопительных устройств, а также для изготовления бытовых электроприборов: жарочных шкафов, электрических кастрюль, электрических чайников, электрических сковородок, водонагревателей, нагревательных устройств, встроенных в автомобиль. The invention can be used for the manufacture of heating elements and heating devices, as well as for the manufacture of household electrical appliances: ovens, electric pans, electric kettles, electric pans, water heaters, heating devices built into the car.
Известен материал для изготовления тонкопленочных резисторов (см, например, авт. свид. СССР N 1681680), содержащий кремний, хром, марганец при следующем соотношении компонентов, мас. хром 35,0-43,4, марганец 5,1-14,4, кремний остальное. Из указанных компонентов можно получить высокоомные тонкопленочные резисторы, которые могут быть использованы в качестве нагревательных элементов. Known material for the manufacture of thin-film resistors (see, for example, ed. Certificate. USSR N 1681680), containing silicon, chromium, manganese in the following ratio of components, wt. chromium 35.0-43.4, manganese 5.1-14.4, silicon the rest. From these components, it is possible to obtain high-resistance thin-film resistors that can be used as heating elements.
Однако, такие нагревательные элементы обладают ограниченным диапазоном удельного электрического сопротивления 3•10-3 Ом смoC41•10-3 Ом см.However, such heating elements have a limited range of electrical resistivity of 3 • 10 -3 Ohm cm o C41 • 10 -3 Ohm cm.
Кроме того, нанесение термическим испарением в вакууме или ионно-плазменное распыление отличается высокой сложностью аппаратурного обеспечения, очень высокими требованиями к чистоте и плоскости поверхности, на которую производится напыление. In addition, application by thermal evaporation in vacuum or ion-plasma spraying is characterized by high complexity of hardware, very high requirements for the cleanliness and plane of the surface to be sprayed.
Кроме того, срок службы этого нагревательного элемента ограничен из-за высокой чувствительности тонких пленок (50-100 нм) к механическим нагрузкам, которые значительно меняют сопротивление элемента, а значит, и эксплуатационные свойства. Размеры поверхностей, на которые можно нанести резистивный слой методами напыления в вакууме, ограничены как размерами вакуумной камеры, так и зоной равномерного напыления. In addition, the service life of this heating element is limited due to the high sensitivity of thin films (50-100 nm) to mechanical loads, which significantly change the resistance of the element, and hence the operational properties. The dimensions of the surfaces onto which the resistive layer can be applied by vacuum deposition are limited both by the dimensions of the vacuum chamber and by the uniform spraying zone.
Известен способ изготовления электрического сопротивления [1] который заключается в том, что сначала изготавливают стекловидную массу, состоящую из борсиликатной фритты, служащей связующим, и тонкоразмельченных частиц кремнийметаллического соединения. В качестве кремнийметаллического соединения, служащего электропроводящим веществом, используют дисилицид вольфрама, дисилицид молибдена, дисилицид ванадия, дисилицид титана, дисилицид циркония, дисилицид хрома и дисилицид тантала. Затем стекловидную массу наносят слоем одинаковой толщины на подложку из электроизолирующего материала. К полученному слою прикрепляют выводы. Подложку с нанесенным слоем обжигают в атмосфере азота при температуре 970oC-1100oC, при обжиге образуются соединения силицида металла с борсиликатным стеклом.A known method of manufacturing electrical resistance [1] which consists in first producing a vitreous mass consisting of a borosilicate frit serving as a binder and finely divided particles of a silicon metal compound. As a silicon-metal compound serving as an electrically conductive substance, tungsten disilicide, molybdenum disilicide, vanadium disilicide, titanium disilicide, zirconium disilicide, chromium disilicide and tantalum disilicide are used. Then the vitreous mass is applied with a layer of the same thickness on a substrate of electrically insulating material. Conclusions are attached to the resulting layer. The coated substrate is fired in a nitrogen atmosphere at a temperature of 970 o C-1100 o C, when fired, compounds of metal silicide with borosilicate glass are formed.
Смесь содержит 25-90% вес. борсиликатной фритты и 25-10% вес тонкоизмельченных частиц силицида металла. В качестве борсиликатной фритты используется висмут-кадмий-барий-кальций или другая щелочноземельная борсиликатная фритта. The mixture contains 25-90% by weight. borosilicate frit and 25-10% by weight of finely divided metal silicide particles. As borsilicate frit, bismuth-cadmium-barium-calcium or other alkaline earth borosilicate frit is used.
Стекловидную массу изготавливают путем измельчения и перемешивания компонентов в шаровой мельнице в воде или органической среде, например, толуоле, подбирая соответствующую вязкость смеси. The vitreous mass is made by grinding and mixing the components in a ball mill in water or an organic medium, for example, toluene, selecting the appropriate viscosity of the mixture.
В качестве материала подложки используют стекло, фарфор, шамот. Масса наносится щеткой, погружением, напылением или способом печати. As the substrate material using glass, porcelain, fireclay. The mass is applied by brush, dipping, spraying or printing method.
Обжиг осуществляют в обычной печи при температуре плавления стеклянной фритты в инертной атмосфере. После обжига и охлаждения получают резистивный элемент, который закреплен на подложке. Резистивный элемент состоит из частиц силицида металла, равномерно распределенных в стекле. Firing is carried out in a conventional furnace at a melting point of a glass frit in an inert atmosphere. After firing and cooling, a resistive element is obtained, which is fixed to the substrate. The resistive element consists of metal silicide particles uniformly distributed in the glass.
Резистивные нагревательные элементы, выполненные по [1] также имеют ограниченный диапазон номиналов сопротивлений от 9 Ом/кв.см до 1 КОм/кв.см для WSi2, MoSi2, VSi2, CrSi2, TaSi2, TiSi2, ZrSi2 и несколько выше для силицида молибдена от 21 Ом/□ до 875К Ом/□ что сужает возможность применения предложенных составов для различных типов нагревателей. Кроме того, при изготовлении элементов вжигание необходимо проводить в инертной атмосфере или в азоте, что усложняет способ изготовления.Resistive heating elements made according to [1] also have a limited range of resistance values from 9 Ohm / sq. Cm to 1 KΩ / sq. Cm for WSi 2 , MoSi 2 , VSi 2 , CrSi 2 , TaSi 2 , TiSi 2 , ZrSi 2 and slightly higher for molybdenum silicide from 21 Ohm / □ to 875K Ohm / □ which limits the possibility of using the proposed compositions for various types of heaters. In addition, in the manufacture of elements, the burning must be carried out in an inert atmosphere or in nitrogen, which complicates the manufacturing method.
Из формулы изобретения следует, что силициды металлов реагируют при вжигании с боросиликатным стеклом, а значит, не могут длительно работать при повышенной температуре в качестве нагревательных элементов. It follows from the claims that metal silicides react when burned with borosilicate glass, which means that they cannot work for a long time at elevated temperatures as heating elements.
Указанный резистивный элемент и изготовленный из него нагревательный элемент не обладают свойством саморегулирования температуры, поскольку в нем отсутствует компонент, обладающий указанным свойством. The specified resistive element and the heating element made from it do not have the property of self-regulation of temperature, since it does not have a component that has the specified property.
Известна также электропроводящая композиция, содержащая распределенные в полимерном связующем частицы электропроводящего вещества и частицы электроизолирующего вещества [2]
Указанная композиция содержит от 15 до 60% вес. кристаллического полимера полиэтилена или полиэтилена, модифицированного полярными группами, от 15 до 60% вес эластомера, который совместим с кристаллическим полиэтиленом и от 15 до 60% вес черного углерода. Если эластомер несовместим с полиэтиленом, тогда он должен иметь прочность выше, чем кристаллический полимер.Also known is an electrically conductive composition comprising particles of an electrically conductive substance and particles of an electrically insulating substance distributed in a polymer binder [2]
The specified composition contains from 15 to 60% weight. crystalline polymer of polyethylene or polyethylene modified by polar groups, from 15 to 60% by weight of an elastomer that is compatible with crystalline polyethylene and from 15 to 60% by weight of black carbon. If the elastomer is incompatible with polyethylene, then it should have a higher strength than crystalline polymer.
Способ получения резистивного нагревательного элемента заключается в том, что перемешивают эластомер с черным углеродом, добавляют кристаллический полиэтилен, перемешивают и дают смеси заполимеризоваться. A method of producing a resistive heating element is to mix an elastomer with black carbon, add crystalline polyethylene, mix and allow the mixture to polymerize.
В качестве полярной группы используют гидроксильные группы, карбоксильные группы и аминогруппы. В качестве эластомера используют термопластичные эластомеры, например, стирол-бутадиеновый полимер, малеиновый ангидрид (модифицированный стирол/бутадиеновый полимер). As the polar group, hydroxyl groups, carboxyl groups and amino groups are used. As the elastomer, thermoplastic elastomers are used, for example, styrene-butadiene polymer, maleic anhydride (modified styrene / butadiene polymer).
Полученный резистивный нагревательный элемент обладает ограниченным диапазоном удельного электрического сопротивления. The resulting resistive heating element has a limited range of electrical resistivity.
Применение черного углерода (сажи) в качестве электропроводящего компонента вместо искусственного или природного графита не устраняет большой и термоактивированной скорости диффузии углерода в полимерной матрице. The use of black carbon (soot) as an electrically conductive component instead of artificial or natural graphite does not eliminate the large and thermally activated carbon diffusion rate in the polymer matrix.
Так как аморфный углерод (сажа, древесный уголь и т.д.) состоит из мельчайших кристалликов графита, размеры последних в направлении оси "a" составляют приблизительно 40 Ангстрем, а в направлении оси "c" 12 Ангстрем. Since amorphous carbon (soot, charcoal, etc.) consists of the smallest graphite crystals, the size of the latter in the direction of the "a" axis is approximately 40 Angstroms, and in the direction of the "c"
Температура саморегулирования нагревательного элемента зависит от физико-химических свойств полимерной матрицы. При температуре вблизи температуры плавления одного из компонентов полимерной матрицы, жесткость полимерной матрицы уменьшается, падает вязкость более легкоплавкого компонента. При этом поперечное сечение каналов тока уменьшается за счет расхождения электропроводящих частиц на большее расстояние. The self-regulation temperature of the heating element depends on the physicochemical properties of the polymer matrix. At a temperature near the melting temperature of one of the components of the polymer matrix, the rigidity of the polymer matrix decreases, and the viscosity of the more fusible component decreases. In this case, the cross section of the current channels decreases due to the divergence of the electrically conductive particles at a greater distance.
Композиция, из которой изготовлен нагревательный элемент, имеет:
низкую мощность (около 55 Вт) нагревательных элементов;
понижение прочностных характеристик при максимальной температуре;
пониженное напряжение электропитания (100 В), так как повышение напряжения приводит к ухудшению саморегулирования из-за электродиффузионного переноса углерода и поляризации частиц полимерной матрицы;
при напряжении выше 210 В саморегулирование температуры нагревательного элемента нарушается, так как сопротивление с увеличением температуры не уменьшается, а растет, что приводит к плавлению всего элемента;
при повышении электрической мощности нагревательных элементов на границе разрывов каналов проводимости происходит микроэлектрический пробой полимера, его диструкция и обугливание. В местах пробоя электрическое сопротивление падает, и процесс лавинообразно самоускоряется и приводит к разрушению элемента.The composition of which the heating element is made has:
low power (about 55 W) of heating elements;
decrease in strength characteristics at maximum temperature;
reduced power supply voltage (100 V), since an increase in voltage leads to poor self-regulation due to electrodiffusive carbon transfer and polarization of the particles of the polymer matrix;
at a voltage above 210 V, the self-regulation of the temperature of the heating element is violated, since the resistance does not decrease with increasing temperature, but increases, which leads to melting of the entire element;
with an increase in the electric power of the heating elements at the boundary of the breaks in the conduction channels, a microelectric breakdown of the polymer occurs, its destruction and carbonization. In places of breakdown, the electrical resistance decreases, and the process self-accelerates in an avalanche and leads to the destruction of the element.
Известна электропроводящая композиция с ограничением температуры нагрева, содержащая распределенные в полимере электропроводящие и электроизолирующие частицы [3]
В качестве электропроводящих частиц использован природный или искусственный графит с размером частиц от 50 до 75 микрон в количестве до 15% В качестве электроизолирующего вещества использована окись кремния SiO2 с размером частиц от 0,03 до 2,5 мм или кальцит, и в качестве полимера - акрилат.Known electrically conductive composition with a limitation of the heating temperature, containing electrically conductive and electrically insulating particles distributed in the polymer [3]
As electrically conductive particles, natural or artificial graphite with a particle size of 50 to 75 microns in an amount of up to 15% was used. Silicon oxide SiO 2 with a particle size of 0.03 to 2.5 mm or calcite was used as an electrically insulating substance, and as a polymer - acrylate.
Для достижения оптимального результата частицы электроизолирующего вещества должны иметь определенные размеры. Если помол очень тонкий, то они просто очень хорошо гомогенно перемешиваются с черным углеродом или графитом, а композиция имеет плохую проводимость. To achieve an optimal result, particles of an electrically insulating substance must have certain sizes. If the grinding is very fine, then they simply mix very well homogeneously with black carbon or graphite, and the composition has poor conductivity.
Способ получения электропроводящего элемента заключается в том, что перемешивают частицы окиси кремния, графита и пероксид бензола для получения гомогенного порошка. К последнему очень осторожно добавляют акриловый мономер. Осторожность необходима для исключения воздушных включений. Затем пасту деаэрируют. Полимеризация происходит при повышенной температуре, так как реакция экзотермическая. A method of obtaining an electrically conductive element is that particles of silicon oxide, graphite and benzene peroxide are mixed to obtain a homogeneous powder. Acrylic monomer is added very carefully to the latter. Caution is necessary to avoid air inclusions. Then the paste is deaerated. Polymerization occurs at elevated temperatures, as the reaction is exothermic.
Нагревательный элемент имеет ограниченную температуру эксплуатации, т.к. полиметилметакрилат начинает размягчаться при температуре около 120oC и разлагается выше 200oC. Применение крупных электропроводящих частиц от 50 до 75 мкм природного или искусственного графита приводит к существенному увеличению толщины нагревательного элемента, т.к. для создания проводимости в порошковых проводниках толщина слоя должна быть около 10 диаметров частиц. Т.е. по толщине слоя должно укладываться около десяти проводящих частиц.The heating element has a limited operating temperature, as polymethyl methacrylate begins to soften at a temperature of about 120 o C and decomposes above 200 o C. The use of large electrically conductive particles from 50 to 75 microns of natural or artificial graphite leads to a significant increase in the thickness of the heating element, because to create conductivity in powder conductors, the layer thickness should be about 10 particle diameters. Those. about ten conductive particles should be packed along the thickness of the layer.
Кроме того, известно, что частицы графита имеют отличающуюся более, чем в 100 раз проводимость вдоль кристаллографической оси "C" и поперек оси "C". Это приводит к большой неравномерности проводимости в каналах тока, образованных частицами графита, а следовательно, к неравномерному тепловыделению на макроуровне. Возникающие при этом локальные перегревы уменьшают срок службы нагревательного элемента. Известно также, что атомы углерода обладают высокой диффузионной подвижностью в полимерной полиметилметакрилатной матрице, что приводит к изменению проводимости нагревательного элемента с течением времени. In addition, it is known that graphite particles have a conductivity differing more than 100 times along the crystallographic axis "C" and across the axis "C". This leads to a large uneven conductivity in the current channels formed by graphite particles, and, consequently, to uneven heat generation at the macro level. The resulting local overheating reduces the service life of the heating element. It is also known that carbon atoms have high diffusion mobility in a polymer polymethylmethacrylate matrix, which leads to a change in the conductivity of the heating element over time.
Кроме того, процесс изменения сопротивления или проводимости нагревательного элемента ускоряется с ростом температуры, т.к. диффузия это термоактивированный процесс. И следовательно, процесс "старения" нагревательного элемента происходит тем быстрее, чем выше температура эксплуатации. In addition, the process of changing the resistance or conductivity of the heating element accelerates with increasing temperature, because diffusion is a thermally activated process. And consequently, the process of “aging” of the heating element occurs the faster, the higher the operating temperature.
Способ саморегулирования температуры нагревательного элемента за счет термического расширения полимерной матрицы, при котором уменьшается количество каналов проводимости, имеет два недостатка. The method of self-regulation of the temperature of the heating element due to thermal expansion of the polymer matrix, in which the number of conduction channels is reduced, has two disadvantages.
Первый при уменьшении количества каналов проводимости растет неоднородность выделения тепла по остальным каналам проводимости. Второй в полимерной матрице при многократном термоциклировании накапливаются усталостные напряжения, т.е. матрица не возвращается к исходному состоянию, а при этом изменяется как начальное сопротивление нагревательного элемента, так и температура саморегулирования. Температура саморегулирования при этом уходит в сторону более высоких температур, а начальная проводимость и электрическая мощность элемента уменьшаются. The first, with a decrease in the number of conduction channels, the heterogeneity of heat generation along the other conduction channels increases. The second in the polymer matrix during repeated thermal cycling fatigue stresses accumulate, i.e. the matrix does not return to its original state, but both the initial resistance of the heating element and the temperature of self-regulation change. The temperature of self-regulation thus goes towards higher temperatures, and the initial conductivity and electric power of the element are reduced.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания электропроводящей композиции для резистивных нагревательных элементов, в которой использование специфических электропроводящих веществ и соответствующих полимерных связующих позволило бы получить электропроводящую композицию с большим диапазоном удельного электрического сопротивления, находящимся в пределах от 27•10-6 до 6•10-3 Ом•м, которая обладала бы свойством саморегулирования температуры.The basis of the present invention is the task of creating an electrically conductive composition for resistive heating elements, in which the use of specific electrically conductive substances and the corresponding polymer binders would make it possible to obtain an electrically conductive composition with a large range of electrical resistivity, ranging from 27 • 10 -6 to 6 • 10 - 3 Ohm • m, which would have the property of self-regulation of temperature.
В основу настоящего изобретения поставлена также задача создания резистивного нагревательного элемента, специфический состав которого позволил бы получить минимально возможный градиент и плотность тока в нагревательных элементах, независимо от его конфигурации, а также повысить однородность теплового поля и увеличить срок службы нагревательного элемента. The basis of the present invention is also the task of creating a resistive heating element, the specific composition of which would allow to obtain the minimum possible gradient and current density in the heating elements, regardless of its configuration, as well as to increase the uniformity of the thermal field and increase the service life of the heating element.
В основу настоящего изобретения поставлена также задача создания способа изготовления резистивного нагревательного элемента любой конфигурации, форма которого повторяла бы форму нагреваемого изделия и который бы выделял заданное количества тепла с единицы площади, нагреваясь при этом до заданной температуры. The basis of the present invention is also the task of creating a method of manufacturing a resistive heating element of any configuration, the shape of which would repeat the shape of the heated product and which would emit a given amount of heat per unit area, heating up to a given temperature.
Поставленная задача решается тем, что в электропроводящей композиции для резистивного нагревательного элемента, содержащей распределенные в полимерном связующем частицы электропроводящего вещества и частицы электроизолирующего вещества, согласно изобретению, в качестве электропроводящего вещества использовано вещество, выбранное из группы, состоящей из силицида хрома, силицида марганца, силицида железа, нитрида хрома или их смеси, при этом содержание азота в нитриде хрома находится в пределах от 11,8 до 21,2% вес. и содержание кремния в силициде хрома, силициде марганца и силициде железа находится в пределах от 14,4 до 51,9% вес, а в качестве электроизолирующего вещества использовано стекло с температурой размягчения до 1300oC при следующем соотношении компонентов, вес:
полимерное связующее 5-75
электропроводящее вещество 15-84
электроизолирующее вещество 0,1-70
Целесообразно, чтобы размер частиц электропроводящего вещества находился в пределах от 0,5 мкм до 100 мкм, при этом размер частиц электроизолирующего вещества находился в пределах от 3 мкм до 50 мкм.The problem is solved in that in an electrically conductive composition for a resistive heating element containing particles of an electrically conductive substance and particles of an electrically insulating substance distributed in a polymer binder, according to the invention, a substance selected from the group consisting of chromium silicide, manganese silicide, silicide is used iron, chromium nitride or mixtures thereof, while the nitrogen content in chromium nitride is in the range from 11.8 to 21.2% by weight. and the silicon content in chromium silicide, manganese silicide and iron silicide is in the range from 14.4 to 51.9% by weight, and glass with a softening temperature of up to 1300 o C in the following ratio of components was used as an electrically insulating substance, weight:
polymer binder 5-75
conductive substance 15-84
electrical insulating substance 0.1-70
It is advisable that the particle size of the electrically conductive substance is in the range from 0.5 μm to 100 μm, while the particle size of the electrically insulating substance is in the range from 3 μm to 50 μm.
Полезно, чтобы в качестве полимерного связующего были использованы полиуретаны. It is useful that polyurethanes be used as the polymer binder.
Выгодно, чтобы в качестве полимерного связующего были использованы полиимиды. Advantageously, polyimides are used as the polymer binder.
Целесообразно, чтобы в качестве полимерного связующего были использованы полиамиды. It is advisable that polyamides be used as the polymer binder.
Полезно, чтобы в качестве полимерного связующего были использованы органосилоксаны. It is useful that organosiloxanes be used as the polymer binder.
Выгодно, чтобы в качестве полимерного связующего были использованы термопластичные полимеры. Advantageously, thermoplastic polymers are used as the polymer binder.
Целесообразно, чтобы электропроводящая композиция дополнительно содержала компонент, предназначенный для ограничения температуры нагрева нагревательного элемента, количество которого составляет от 5 до 10% от веса электропроводящего вещества с размером частиц менее 0,5 микрометров. It is advisable that the electrically conductive composition additionally contains a component designed to limit the heating temperature of the heating element, the amount of which is from 5 to 10% by weight of an electrically conductive substance with a particle size of less than 0.5 micrometers.
Полезно, чтобы в качестве компонента, ограничивающего температуру нагрева нагревательного элемента, был использован по меньшей мере, один оксид металла, выбранный из группы, состоящей из оксида марганца, оксида никеля, оксида титана и оксида бария. It is useful that at least one metal oxide selected from the group consisting of manganese oxide, nickel oxide, titanium oxide and barium oxide be used as a component limiting the heating temperature of the heating element.
Поставленная задача решается также тем, что электропроводящее вещество для электропроводящей композиции, используемой для резистивного нагревательного элемента, согласно изобретению, содержит вещество, выбранное из группы, состоящей из силицида хрома, силицида марганца, силицида железа, нитрида хрома или их смесей с размером частиц, находящимся в пределах от 0,5 до 100 мкм, при этом содержание азота в нитриде хрома находится в пределах от 11,8 до 21,1 вес. и содержание кремния в силициде хрома, силициде марганца и силициде железа находится в пределах от 14,4 до 51,9% вес. The problem is also solved by the fact that the electrically conductive substance for the electrically conductive composition used for the resistive heating element according to the invention contains a substance selected from the group consisting of chromium silicide, manganese silicide, iron silicide, chromium nitride or mixtures thereof with a particle size of in the range from 0.5 to 100 microns, while the nitrogen content in chromium nitride is in the range from 11.8 to 21.1 weight. and the silicon content in chromium silicide, manganese silicide and iron silicide is in the range from 14.4 to 51.9% by weight.
Поставленная задача решается также тем, что резистивный нагревательный элемент, согласно изобретению, содержит равномерно распределенные в полимерном связующем частицы электропроводящего вещества и частицы электроизолирующего вещества, при этом в качестве электропроводящего вещества использовано вещество, выбранное из группы, состоящей из силицида хрома, силицида марганца, силицида железа, нитрида хрома или их смеси, причем, содержание азота в нитриде хрома находится в пределах от 11,8 до 21,2% вес. и содержание кремния в силициде хрома, силициде марганца и силициде железа находится в пределах от 14,4 до 51,9% вес. а в качестве электроизолирующего вещества использовано стекло с температурой размягчения до 1300oC при следующем соотношении компонентов, вес:
полимерное связующее 5-75
электропроводящее вещество 15-84
электроизолирующее вещество 0,1-70
Поставленная задача решается также тем, что в способе изготовления резистивного нагревательного элемента, заключающемся в том, что перемешивают частицы электропроводящего вещества в полученную смесь смешивают с полимерным связующим, размещают полученную смесь на диэлектрической подложке и снабжают токовыводами и выдерживают полученную смесь до завершения процесса полимеризации, согласно изобретению, используют смесь компонентов, содержащую от 15 до 75% вес. полимерного связующего, от 15 до 84% вес. электропроводящего вещества и от 0,1 до 40% вес. электроизолирующего веществ, подложку с нанесенной смесью нагревают до 100oC и выдерживают при этой температуре в течение 0,5 часа, затем подложку с нанесенной смесью нагревают до температуры, находящейся в пределах от 100oC до 300oC и выдерживают при этой температуре около двух часов, в результате чего получают слой резистивного нагревательного элемента, имеющий прочное сцепление с подложкой, после чего подложку с полученным резистивным нагревательным элементом охлаждают до комнатной температуры.The problem is also solved by the fact that the resistive heating element according to the invention contains particles of an electrically conductive substance and particles of an electrically insulating substance evenly distributed in the polymer binder, while a substance selected from the group consisting of chromium silicide, manganese silicide, silicide is used as an electrically conductive substance iron, chromium nitride or mixtures thereof, moreover, the nitrogen content in chromium nitride is in the range from 11.8 to 21.2% by weight. and the silicon content in chromium silicide, manganese silicide and iron silicide is in the range from 14.4 to 51.9% by weight. and as an electrically insulating substance used glass with a softening temperature of up to 1300 o C in the following ratio of components, weight:
polymer binder 5-75
conductive substance 15-84
electrical insulating substance 0.1-70
The problem is also solved by the fact that in the method of manufacturing a resistive heating element, which consists in mixing particles of an electrically conductive substance into the resulting mixture, mixing with a polymer binder, placing the resulting mixture on a dielectric substrate and supplying current leads and holding the resulting mixture until the polymerization process is completed, according to the invention, use a mixture of components containing from 15 to 75% weight. a polymer binder, from 15 to 84% weight. electrically conductive substances and from 0.1 to 40% weight. electrically insulating substances, the substrate with the applied mixture is heated to 100 o C and maintained at this temperature for 0.5 hours, then the substrate with the applied mixture is heated to a temperature in the range from 100 o C to 300 o C and maintained at this temperature for about two hours, resulting in a layer of a resistive heating element having strong adhesion to the substrate, after which the substrate with the obtained resistive heating element is cooled to room temperature.
Целесообразно, чтобы подложку выполняли из материала, обладающего пониженной адгезией относительно полимерного связующего и после охлаждения подложки с полученным слоем резистивного нагревательного элемента до комнатной температуры подложку удаляли. It is advisable that the substrate was made of a material having reduced adhesion with respect to the polymer binder, and after cooling the substrate with the obtained layer of the resistive heating element to room temperature, the substrate was removed.
Полезно, чтобы в способе изготовления резистивного нагревательного элемента, заключающемся в том, что перемешивают частицы электропроводящего вещества с частицами электроизолирующего вещества и полученную смесь смешивают с полимерным связующим, размещают полученную смесь на диэлектрической подложке и снабжают токовыводами и выдерживают полученную смесь до завершения процесса полимеризации, согласно изобретению, использовали смесь компонентов, содержащую от 5 до 15% вес. полимерного связующего, от 15 до 84% вес. электропроводящего вещества и от 20 до 70% вес. электроизолирующего вещества, повышали температуру подложки с нанесенной смесью в течение одного часа до температуры, находящейся в пределах от 550oC до 1300oC и выдерживали при этой температуре в течение около 20 минут, в результате чего получали слой резистивного нагревательного элемента, имеющего прочное сцепление с подложкой, после этого подложку с полученным нагревательным элементом охлаждали до комнатной температуры.It is useful that in the method of manufacturing a resistive heating element, which consists in mixing particles of an electrically conductive substance with particles of an electrically insulating substance and the resulting mixture is mixed with a polymer binder, the resulting mixture is placed on a dielectric substrate and provided with current leads and the resulting mixture is held until the polymerization process is completed, according to the invention, used a mixture of components containing from 5 to 15% weight. a polymer binder, from 15 to 84% weight. conductive substance and from 20 to 70% weight. of an electrically insulating substance, the temperature of the substrate coated with the mixture was increased within one hour to a temperature in the range of 550 o C to 1300 o C and kept at this temperature for about 20 minutes, resulting in a layer of a resistive heating element having strong adhesion with the substrate, after that the substrate with the obtained heating element was cooled to room temperature.
Целесообразно, чтобы к полученной смеси полимерного связующего с электропроводящим и электроизолирующим веществом добавляли компонент, предназначенный для ограничения температуры нагрева резистивного нагревательного элемента, в количестве от 5 до 10% вес от веса электропроводящего вещества. It is advisable that a component designed to limit the heating temperature of the resistive heating element in an amount of from 5 to 10% by weight of the weight of the electrically conductive substance is added to the resulting polymer binder mixture with an electrically conductive and electrically insulating substance.
Полезно, чтобы в способе изготовления резистивного нагревательного элемента, заключающемся в том, что перемешивают частицы электропроводящего вещества с частицами электроизолирующего вещества и полученную смесь смешивают с полимерным связующим, согласно изобретению, использовали смесь компонентов, содержащую от 5 до 75% вес полимерного связующего, от 15 до 84% вес электропроводящего вещества и от 0,1 до 70% вес электроизолирующего вещества, полученную смесь компонентов формовали и выдерживали около двух часов при температуре, находящейся в пределах от 100oC до 1300oC для завершения процесса полимеризации, после чего полученный резистивный нагревательный элемент охлаждали до комнатной температуры.It is useful that in the method of manufacturing a resistive heating element, which consists in mixing particles of an electrically conductive substance with particles of an electrically insulating substance, and the resulting mixture is mixed with a polymer binder, according to the invention, a mixture of components containing from 5 to 75% by weight of the polymer binder, from 15 up to 84% by weight of an electrically conductive substance and from 0.1 to 70% by weight of an electrically insulating substance, the resulting mixture of components was molded and held for about two hours at a temperature in the range from 100 o C to 1300 o C to complete the polymerization process, after which the resulting resistive heating element was cooled to room temperature.
Предложенная электропроводящая композиция для резистивных нагревательных элементов позволяет в очень широком диапазоне регулировать удельное сопротивление от 27•10-6 Ом•м до 7•10-3 Ом•м при изменении содержания азота от 11,8 до 21,2% вес и кремния от 14,4 до 51,9% вес.The proposed conductive composition for resistive heating elements allows a very wide range of control of resistivity from 27 • 10 -6 Ohm • m to 7 • 10 -3 Ohm • m with a change in nitrogen content from 11.8 to 21.2% weight and silicon from 14.4 to 51.9% by weight.
Содержание полимерного связующего и электроизолирующего вещества позволяет еще более расширить диапазон удельных сопротивлений до 6•103 Ом•м. При этом достигается высокая термостойкость до 1000-1200oC. Стабильность электрических характеристик получаемого резистивного элемента выше за счет низкого коэффициента диффузии атомов, входящих в электропроводящее вещество.The content of the polymer binder and electrical insulating substance allows us to further expand the range of resistivities to 6 • 10 3 Ohm • m. This achieves high heat resistance up to 1000-1200 o C. the Stability of the electrical characteristics of the resulting resistive element is higher due to the low diffusion coefficient of the atoms included in the electrically conductive substance.
Применяемые полимерные связующие и лаки на их основе позволяют получить более высокую по сравнению с прототипом температуру нагрева резистивных нагревательных элементов, а также формовать изделия различной конфигурации и различной химической стойкости. При содержании полимерного связующего менее 15% вес получают нагревательные элементы на основе связующего из стекла, что повышает температуру нагрева, химическую и механическую стойкость элементов. Used polymer binders and varnishes based on them allow to obtain higher heating temperature of resistive heating elements compared to the prototype, as well as to form products of various configurations and different chemical resistance. When the content of the polymer binder is less than 15%, the weight is obtained by heating elements based on a binder of glass, which increases the heating temperature, chemical and mechanical resistance of the elements.
Свойство саморегулирования температуры согласно изобретению реализуется не за счет температурных свойств полимерного связующего, а за счет включения в состав композиции соединений, регулирующих температурный коэффициент сопротивления. При этом использован эффект фазового перехода, при котором изменяется как тип проводимости, так и концентрация электронов и их подвижность. Т. е. при достижении нагревательным элементом определенной, заранее заданной температуры, его сопротивление возрастает и мощность уменьшается, что позволяет защитить устройство или изделие от перегрева. The property of temperature self-regulation according to the invention is realized not due to the temperature properties of the polymer binder, but due to the inclusion of compounds that regulate the temperature coefficient of resistance in the composition of the composition. In this case, the phase transition effect was used, in which both the type of conductivity and the concentration of electrons and their mobility change. That is, when the heating element reaches a certain, predetermined temperature, its resistance increases and power decreases, which helps protect the device or product from overheating.
Размер частиц электропроводящего вещества выбирается в пределах от 0,5 мкм до 100 мкм, а электроизолирующего вещества в пределах от 3 мкм до 50 мкм, исходя из требования толщины получаемых пленок нагревательных элементов. При изготовлении пленки методом трафаретной печати ее толщина составляет 10-25 мкм, и частицы электропроводящего вещества должны укладываться в этой толщине 10-20 раз для создания равномерных каналов проводимости. Нанесение пленки нагревательного элемента методом распыления, кистью или ракелем, позволяет получить толщину слоя до 1-1,5 мм, при этом можно пользовать более крупные частицы. The particle size of the electrically conductive substance is selected in the range from 0.5 μm to 100 μm, and the electrically insulating substance in the range from 3 μm to 50 μm, based on the requirement of the thickness of the obtained films of the heating elements. In the manufacture of film by screen printing, its thickness is 10-25 microns, and particles of an electrically conductive substance must be stacked in this thickness 10-20 times to create uniform conduction channels. Applying a film of a heating element by spraying, with a brush or squeegee, allows you to get a layer thickness of 1-1.5 mm, while larger particles can be used.
Размер частиц компонента, предназначенного для ограничения температуры нагрева нагревательного элемента, выбран менее 0,5 мкм, исходя из установленного факта максимального влияния на контактную проводимость между отдельными частицами электропроводящего вещества. The particle size of the component designed to limit the heating temperature of the heating element is selected to be less than 0.5 μm, based on the established fact of the maximum effect on the contact conductivity between individual particles of an electrically conductive substance.
Низкая адгезия обеспечивается при нанесении на подложку разделительного слоя, приготовленного из кремнийорганического вазелина или эмульсии мыла в керосине. Это позволяет после охлаждения подложки с полученным слоем резистивного нагревательного элемента до комнатной температуры удалить подложку. Таким образом, получают нагревательный элемент, пригодный для использования без подложки. Например, подобный нагревательный элемент может наклеиваться на стекле автомобиля, на стену под обои и т.д. Low adhesion is achieved when a separating layer prepared from organosilicon petroleum jelly or a soap emulsion in kerosene is applied to the substrate. This allows after cooling the substrate with the obtained layer of the resistive heating element to room temperature to remove the substrate. Thus, a heating element suitable for use without a substrate is obtained. For example, a similar heating element can be glued on a car glass, on a wall under a wallpaper, etc.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его воплощения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает резистивный нагревательный элемент на подложке (продольный разрез), согласно изобретению; фиг. 2 резистивный нагревательный элемент, нанесенный со всех сторон (продольный разрез), согласно изобретению; фиг. 3 резистивный нагревательный элемент, сформованный в виде прямоугольного бруска со сквозными отверстиями, согласно изобретению; фиг. 4 - плоский резистивный нагревательный элемент, снабженный тремя токовыводами (продольный разрез), согласно изобретению; фиг. 5 общий вид резистивного нагревательного элемента, сформованного в виде трубы и снабженного тремя токовыводами, согласно изобретению; фиг. 6 общий вид резистивного нагревательного элемента в виде параллелепипеда, согласно изобретению; фиг. 7 общий вид резистивного нагревательного элемента в виде трехлучевой звезды, снабженной тремя токовыводами, согласно изобретению; фиг. 8 резистивный нагревательный элемент в виде ленты на подложке, согласно изобретению; фиг. 9 участок кирпичной кладки с резистивным нагревательным элементом, нанесенным на часть поверхности стены, согласно изобретению; фиг. 10 резистивный нагревательный элемент, имеющий на разных участках различную толщину и, как следствие, нелинейную характеристику функции тепловыделения, согласно изобретению; фиг. 11 то же, что на фиг. 10, но имеющий другой профиль сечения, согласно изобретению; фиг. 12 то же, что на фиг. 10, но имеющую форму круга, согласно изобретению; фиг. 13 резистивный нагревательный элемент, снабженный двумя токовыводами, один из которых подвижен, согласно изобретению; фиг. 14 резистивный нагревательный элемент Ш-образной формы, согласно изобретению; фиг. 15 резистивный нагревательный элемент с гофрировкой, согласно изобретению.The invention is further illustrated by a specific embodiment with reference to the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 shows a resistive heating element on a substrate (longitudinal section) according to the invention; FIG. 2 resistive heating element deposited on all sides (longitudinal section), according to the invention; FIG. 3 a resistive heating element molded in the form of a rectangular bar with through holes according to the invention; FIG. 4 is a flat resistive heating element provided with three current leads (longitudinal section), according to the invention; FIG. 5 is a general view of a resistive heating element molded in the form of a pipe and provided with three current leads, according to the invention; FIG. 6 is a general view of a parallelepiped resistive heating element according to the invention; FIG. 7 is a general view of a resistive heating element in the form of a three-beam star equipped with three current leads, according to the invention; FIG. 8 a resistive heating element in the form of a tape on a substrate according to the invention; FIG. 9 is a plot of brickwork with a resistive heating element deposited on a part of a wall surface according to the invention; FIG. 10 a resistive heating element having different thicknesses in different areas and, as a consequence, a non-linear characteristic of the heat-generating function according to the invention; FIG. 11 is the same as in FIG. 10, but having a different cross-sectional profile according to the invention; FIG. 12 is the same as in FIG. 10, but having the shape of a circle according to the invention; FIG. 13 a resistive heating element provided with two current leads, one of which is movable, according to the invention; FIG. 14 a Sh-shaped resistive heating element according to the invention; FIG. 15 is a corrugated resistance heating element according to the invention.
Электропроводящая композиция для резистивного нагревательного элемента содержит распределенные в полимерном связующем частицы электропроводящего вещества и частицы электроизолирующего вещества при следующем соотношении компонентов, в вес:
полимерное связующее 5-75
электропроводящее вещество 15-84
электроизолирующее вещество 0,1-70
В качестве электропроводящего вещества использован либо силицид хрома, либо силицид марганца, либо силицид железа, либо нитрид хрома или их смеси. При этом содержание азота в нитриде хрома находится в пределах от 11,8 до 21,2% вес, а содержание кремния в силицидах хрома, марганца и железа находится в пределах от 14,4 до 51,9% вес.The electrically conductive composition for a resistive heating element contains particles of an electrically conductive substance and particles of an electrically insulating substance distributed in a polymer binder in the following ratio of components, in weight:
polymer binder 5-75
conductive substance 15-84
electrical insulating substance 0.1-70
Either chromium silicide, or manganese silicide, or iron silicide, or chromium nitride, or mixtures thereof, are used as the electrically conductive substance. The nitrogen content in chromium nitride is in the range from 11.8 to 21.2% by weight, and the silicon content in silicides of chromium, manganese and iron is in the range from 14.4 to 51.9% by weight.
В качестве электроизолирующего вещества использовано стекло с температурой размягчения до 1300oC.As an electrically insulating substance used glass with a softening temperature of up to 1300 o C.
В качестве полимерного связующего используются:
полиамиды, например, ПА-610, ПА-12 с рабочим диапазоном температур от 60oC до 100oC. Литье под давлением и экструзию при изготовлении резистивного элемента осуществляют при температуре 265oC,
поликарбонаты ПК-4, ПК-2 с рабочей температурой до 135oC. Формование, литье и экструзию осуществляют при температуре 230oC,
полиуретан, с рабочей температурой до 100oC. Литье и экструзию осуществляют при температуре 208oC,
полиимиды с рабочей температурой до 180oC. Литье и экструзию осуществляют при температуре 250oC,
полиорганосилоксаны, полиорганосилоксан, модифицированный полиэфиром с рабочей температурой от 400oC до 850oC,
полиэтилен высокого давления с рабочей температурой <80oC. Температура литья 220oC,
полипропилен с рабочей температурой < 100oC. Температура литья 270oC.As a polymer binder are used:
polyamides, for example, PA-610, PA-12 with a working temperature range from 60 o C to 100 o C. Injection molding and extrusion in the manufacture of a resistive element is carried out at a temperature of 265 o C,
polycarbonates PK-4, PK-2 with a working temperature of up to 135 o C. Forming, casting and extrusion are carried out at a temperature of 230 o C,
polyurethane, with a working temperature of up to 100 o C. Casting and extrusion are carried out at a temperature of 208 o C,
polyimides with a working temperature of up to 180 o C. Casting and extrusion are carried out at a temperature of 250 o C,
polyorganosiloxanes, polyorganosiloxane modified with a polyester with a working temperature of from 400 o C to 850 o C,
high pressure polyethylene with a working temperature <80 o C. Casting temperature 220 o C,
polypropylene with a working temperature <100 o C. Casting temperature 270 o C.
При этом полимерные связующие из ряда полиимидов, полиамидов, поликарбонатов, полифениленоксидов используются двояким образом:
в виде лаков в смеси с растворителем, электропроводящим веществом и электроизолирующим веществом позволяет получить электропроводные краски, пригодные для нанесения на подложки из электроизолирующего материала,
в смеси с электропроводящим веществом и электроизолирующим веществом без растворителей позволяет получать объемные изделия методом прессования, литья под давлением, экструзии, вакуумформования и т.д.In this case, polymer binders from a number of polyimides, polyamides, polycarbonates, polyphenylene oxides are used in two ways:
in the form of varnishes mixed with a solvent, an electrically conductive substance and an electrically insulating substance, it is possible to obtain electrically conductive paints suitable for application to substrates of an electrically insulating material,
mixed with an electrically conductive substance and an insulating substance without solvents, it allows to obtain bulk products by pressing, injection molding, extrusion, vacuum molding, etc.
В качестве электроизолирующего вещества использовались стекла и ситаллы с температурой текучести T от 500 до 1220oC. Каждой марке стекла соответствует определенная температура текучести. Марки стекол:
С 37-1, T=806oC
С 39-2, T=790oC
C 41-1, T=800oC
С 48-3, T=810oC
С 52-2, T=575oC
С 87-1, T=500oC Марки ситаллов:
СО-15, T=1100oC
СО-21, T=1100oC
АС-05ТЦ-370, T=1220oC.As an electrically insulating substance, glasses and glass materials with a pour point T from 500 to 1220 ° C were used. Each grade of glass corresponds to a specific pour point. Glass brands:
C 37-1, T = 806 o C
C 39-2, T = 790 o C
C 41-1, T = 800 o C
C 48-3, T = 810 o C
C 52-2, T = 575 o C
C 87-1, T = 500 o C
СО-15, T = 1100 o C
СО-21, T = 1100 o C
AC-05TTs-370, T = 1220 o C.
Ниже в таблице приведены составы конкретных композиций для резистивного нагревательного элемента, указана величина сопротивления резистивного нагревательного элемента в зависимости от состава, его мощность при напряжении 220 В и температура эксплуатации. The table below shows the compositions of specific compositions for a resistive heating element, the resistance value of the resistive heating element depending on the composition, its power at a voltage of 220 V and operating temperature are indicated.
Способ изготовления резистивного нагревательного элемента осуществляется следующим образом. A method of manufacturing a resistive heating element is as follows.
В качестве электропроводящего вещества используют порошок, состоящий из нитрида хрома с содержанием азота от 11,8 до 21,2% вес и дисперсностью от 0,5 до 100 микрон. Возможны варианты, когда используют смеси двух, трех и четырех компонентов, например, смесь нитрида хрома и силицида хрома, или нитрида хрома и силицида марганца, или нитрида хрома и силицида хрома, марганца и железа с содержанием кремния от 14,4 до 51,9% вес и дисперсностью от 0,5 до 100 микрон. As an electrically conductive substance, a powder consisting of chromium nitride with a nitrogen content of 11.8 to 21.2% by weight and a dispersion of 0.5 to 100 microns is used. Variants are possible when mixtures of two, three and four components are used, for example, a mixture of chromium nitride and chromium silicide, or chromium nitride and manganese silicide, or chromium nitride and chromium silicide, manganese and iron with a silicon content of from 14.4 to 51.9 % weight and dispersion from 0.5 to 100 microns.
В качестве электроизолирующего вещества используют порошок стекла с температурой размягчения от 300o до 1300oC и дисперсностью от 3 до 50 микрон.As an electrically insulating substance, glass powder is used with a softening temperature of from 300 o to 1300 o C and a dispersion of from 3 to 50 microns.
В качестве полимерного связующего используют вещества, указанные выше. As the polymeric binder, the substances mentioned above are used.
В некоторых случаях добавляют компонент, предназначенный для ограничения температуры нагрева нагревательного элемента в количестве от 5 до 10% вес от веса электропроводящего вещества и дисперсностью 0,5 микрон. In some cases, a component is added to limit the heating temperature of the heating element in an amount of 5 to 10% by weight of the weight of the electrically conductive substance and the dispersion of 0.5 microns.
В качестве такого компонента используют по меньшей мере, один оксид металла, либо оксид никеля, либо оксид титана, либо оксид бария. At least one metal oxide, or nickel oxide, or titanium oxide, or barium oxide is used as such a component.
Вначале перемешивают порошки в смесителе известного типа, например, в шаровой мельнице, затем к порошку добавляют полимерные связующие. First, the powders are mixed in a mixer of a known type, for example, in a ball mill, then polymer binders are added to the powder.
При различном процентном соотношении компонентов возможно два вариант осуществления способа. With a different percentage of components, two variants of the method are possible.
В первом случае используют смесь компонентов, содержащую от 15 до 75% вес. полимерного связующего, от 15 до 84% вес. электропроводящего вещества и от 0,1 до 40% вес электроизолирующего вещества. In the first case, a mixture of components containing from 15 to 75% by weight is used. a polymer binder, from 15 to 84% weight. an electrically conductive substance and from 0.1 to 40% by weight of an electrically insulating substance.
При этом в композицию вводят специфический для данного полимера растворитель в количестве, необходимом для обеспечения требуемой вязкости. In this case, a solvent specific for the polymer is added to the composition in an amount necessary to provide the desired viscosity.
Затем полученную смесь размещают на диэлектрической подложке, например, из керамики, фарфора, стекла, дерева, ткани, бумаги, стеклоткани, пластмассы. На подложке размещают токовыводы, после чего наносят смесь. Then the resulting mixture is placed on a dielectric substrate, for example, of ceramics, porcelain, glass, wood, fabric, paper, fiberglass, plastic. Current leads are placed on the substrate, after which the mixture is applied.
Подложку с нанесенной смесью нагревают до 100oC и выдерживают при этой температуре в течение 0,5 часа.The substrate coated with the mixture is heated to 100 o C and maintained at this temperature for 0.5 hours.
В качестве растворителей для полимерных связующих используют следующий: для ароматических полиамидов используют диаметилацетамид, диметилформамид, для поликарбонатов метиленхлорид, для полифенилоксида ароматические и хлорированные углеводороды, для полиимидов смесь полипиромелметамидокислот с диметилформамидом или диметилацетамидом с последующей термоимидизацией. The following are used as solvents for polymer binders: for aromatic polyamides, diamethylacetamide, dimethylformamide are used, methylene chloride for polycarbonates, aromatic and chlorinated hydrocarbons for polyphenyl oxide, a mixture of polypyromelmethamido acids with dimethylformamide or dimethylacetamide followed by thermal imidization.
Выдержка в течение 0,5 часа необходима для удаления летучих составляющих и растворителей. Растворитель необходимо добавлять для обеспечения равномерного растекания смеси по подложке, а также для устранения внутренних напряжений в нагревательном элементе. Затем подложку с нанесенной смесью нагревают до температуры, находящейся в пределах от 100oC до 300oC и выдерживают при этой температуре около двух часов. В течение этого времени осуществляется прочное сцепление полученного слоя с подложкой. В результате образуется слой резистивного нагревательного элемента. После этого подложку с полученным резистивным нагревательным элементом охлаждают до комнатной температуры.An exposure of 0.5 hours is necessary to remove volatile constituents and solvents. The solvent must be added to ensure uniform spreading of the mixture on the substrate, as well as to eliminate internal stresses in the heating element. Then the substrate with the applied mixture is heated to a temperature in the range from 100 o C to 300 o C and maintained at this temperature for about two hours. During this time, strong adhesion of the obtained layer to the substrate is carried out. The result is a layer of resistive heating element. After that, the substrate with the obtained resistive heating element is cooled to room temperature.
Полимерные связующие из ряда фторопласт, полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат (лавсан) и другие малорастворимые полимеры используются в виде порошковых смесей электропроводящим и электроизолирующим веществом для формования нагревательных элементов известными способами. Polymer binders from a number of fluoroplastics, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (lavsan) and other sparingly soluble polymers are used in the form of powder mixtures with an electrically conductive and electrically insulating substance for forming heating elements by known methods.
В случае, если после получения резистивного нагревательного элемента необходимо удалить подложку, то целесообразно использовать подложку, обладающую низкой адгезией и используемому составу. Либо на подложку наносят слой материала, уменьшающего адгезию. In the event that after obtaining a resistive heating element it is necessary to remove the substrate, it is advisable to use a substrate having low adhesion and the composition used. Or, a layer of a material that reduces adhesion is applied to the substrate.
В другом варианте реализации указанного способа используют смесь компонентов, содержащую полимерное связующее от 5 до 15% вес. электроизолирующее вещество от 20 до 80% вес. и электропроводящее вещество от 15 до 84% вес. Приготовленная смесь наносится на подложку известными способами и подвергается термообработке. При этом температуру поднимают в течение одного часа до температуры, находящейся в пределах от 550 до 1300oC.In another embodiment, the implementation of this method using a mixture of components containing a polymeric binder from 5 to 15% weight. electrical insulating substance from 20 to 80% weight. and an electrically conductive substance from 15 to 84% weight. The prepared mixture is applied to the substrate by known methods and subjected to heat treatment. When this temperature is raised within one hour to a temperature in the range from 550 to 1300 o C.
В процессе подъема температуры полимерное связующее деструктурируется и выгорает. Оставшиеся компоненты электропроводной композиции формируют нагревательный элемент. При этом стекло расплавляется и служит связующим композиции. In the process of raising the temperature, the polymer binder is degraded and burns out. The remaining components of the conductive composition form a heating element. In this case, the glass melts and serves as a binder of the composition.
Выдержка при заданной температуре около 20 минут необходима для растекания и слияния частиц стекла, а также для обеспечения смачивания поверхности подложки. После этого подложку с полученным резистивным нагревательным элементом охлаждают до комнатной температуры. Полученный нагревательный элемент имеет форму пленки с подложкой. Exposure at a given temperature of about 20 minutes is necessary for the spreading and fusion of glass particles, as well as to ensure wetting of the surface of the substrate. After that, the substrate with the obtained resistive heating element is cooled to room temperature. The resulting heating element has the form of a film with a substrate.
При изготовлении резистивного нагревательного элемента токовыводы размещают либо на подложке, после чего на подложку наносят приготовленную смесь, либо токовыводы заделывают в незаполимеризованную массу и после полимеризации концы токовыводов выступают из нагревательного элемента. Можно также разместить токовыводы в отверстиях, выполняемых в нагревательном элементе после затвердевания, или приклеить к поверхности нагревательного элемента специальным клеем, с последующей изоляцией. In the manufacture of a resistive heating element, the current leads are placed either on the substrate, after which the prepared mixture is applied to the substrate, or the current leads are sealed in an unpolymerized mass and, after polymerization, the ends of the current leads protrude from the heating element. You can also place current leads in the holes made in the heating element after hardening, or stick to the surface of the heating element with a special adhesive, followed by insulation.
В ряде случаев целесообразно изготавливать резистивный нагревательный элемент формованием. Формование осуществляют прессованием или экструзией приготовленной смеси из полимерного связующего 5-15% вес, электропроводящего вещества 15-84% вес и электроизолирующего вещества 20-70% вес. Сформованное изделие выдерживают при температуре от 100 до 1300oC для завершения процесса полимеризации, после чего изделие охлаждают до комнатной температуры. Токопроводящие контакты устанавливаются до формования или после формования или после охлаждения изделия, что осуществляется известными методами.In some cases, it is advisable to produce a resistive heating element by molding. The molding is carried out by pressing or extruding the prepared mixture from a polymeric binder of 5-15% weight, an electrically conductive substance 15-84% weight and an electrically insulating substance 20-70% weight. The molded product is maintained at a temperature of from 100 to 1300 o C to complete the polymerization process, after which the product is cooled to room temperature. Conductive contacts are established before molding or after molding or after cooling of the product, which is carried out by known methods.
При формовании могут быть получены элементы в виде цилиндров, стержней, труб, параллелепипедов, листов. During molding, elements in the form of cylinders, rods, pipes, parallelepipeds, sheets can be obtained.
Полученные нагревательные элементы могут быть использованы для обогрева бытовых и промышленных зданий, для этого их изготавливают в виде панелей подоконных или в виде плинтусов, которые жестко закрепляются в помещениях и подключаются к электросети. The resulting heating elements can be used to heat domestic and industrial buildings, for this they are made in the form of window sill panels or in the form of baseboards, which are rigidly fixed in the premises and connected to the mains.
Можно изготавливать переносные нагревательные приборы, также подключаемые в электросеть. It is possible to produce portable heating appliances that are also plugged into a power grid.
Возможно использование резистивных нагревательных элементов в бытовых приборах. Для этого на дно и часть боковой поверхности кастрюль, чайников, сковородок, подогревателей воды наносится слой резистивного нагревательного элемента. It is possible to use resistive heating elements in household appliances. To do this, a layer of resistive heating element is applied to the bottom and part of the side surface of pots, teapots, pans, water heaters.
Появляется возможность создания медицинских грелок, повторяющих форму обогреваемого участка тела человека, например, грелка в виде перчатки, грелка, повторяющая форму руки, ноги, ступни. There is the possibility of creating medical warmers, repeating the shape of the heated area of the human body, for example, a warmer in the form of a glove, a warmer that repeats the shape of an arm, leg, foot.
При нанесении слоя резистивного нагревательного элемента на ткань можно получить электроодеяло, электроплед, электрогрелку для подогрева салона автомобиля. When applying a layer of a resistive heating element to the fabric, you can get an electric blanket, an electric blanket, an heating pad for heating the passenger compartment.
Следует отметить крайне низкое количество потребляемой энергии. Экспериментально установлено, что для нагрева воды в чайнике по сравнению с подогревом воды на электроплите расход энергии снижается на 75%
Еще одной областью применения настоящего изобретения является снабжение такими нагревательными элементами дорожных покрытий и особенно аэродромных покрытий против обледенения взлетной полосы, особенно в зимнее время и в районах вечной мерзлоты.It should be noted the extremely low amount of energy consumed. It was experimentally established that for heating water in a kettle, compared to heating water on an electric stove, energy consumption is reduced by 75%
Another area of application of the present invention is the supply of such heating elements of pavements and especially airfield coatings against icing of the runway, especially in winter and in permafrost areas.
Резистивный нагревательный элемент согласно изобретению содержит равномерно распределенные в полимерном связующем частицы электропроводящего вещества и частицы электроизолирующего вещества. The resistive heating element according to the invention contains particles of an electrically conductive substance and particles of an electrically insulating substance evenly distributed in the polymer binder.
В качестве электропроводящего вещества использовано вещество, выбранное из группы, состоящей из силицида хрома, силицида марганца, силицида железа, нитрида хрома или их смеси, причем, содержание азота в нитриде хрома находится в пределах от 11,8 до 21,2% вес и содержание кремния в силициде хрома, силициде марганца и силициде железа находится в пределах от 14,4 до 51,9% вес, а в качестве электроизолирующего вещества использовано стекло с температурой размягчения до 1300oC при следующем соотношении компонентов вес:
полимерное связующее 5-75
электропроводящее вещество 15-84
электроизолирующее вещество 0,1-70
На фиг. 1 показан резистивный нагревательный элемент (поперечный разрез), содержащий слой 1 резистивного нагревательного элемента, снабженный токовыводами 2 и размещенный на подложке 3.As an electrically conductive substance, a substance selected from the group consisting of chromium silicide, manganese silicide, iron silicide, chromium nitride or a mixture thereof is used, moreover, the nitrogen content in chromium nitride is in the range from 11.8 to 21.2% weight and content silicon in chromium silicide, manganese silicide and iron silicide is in the range from 14.4 to 51.9% by weight, and glass is used as an electrically insulating substance with a softening temperature of up to 1300 o C in the following ratio of components weight:
polymer binder 5-75
conductive substance 15-84
electrical insulating substance 0.1-70
In FIG. 1 shows a resistive heating element (cross section) comprising a
Электроизолирующее вещество, добавляемое в состав композиции, образует на поверхности резистивного нагревательного элемента защитный электроизолирующий слой. Отпадает необходимость в использовании дополнительного изолирующего слоя для предотвращения поражения электрическим током. An electrically insulating substance added to the composition of the composition forms a protective electrically insulating layer on the surface of the resistive heating element. There is no need to use an additional insulating layer to prevent electric shock.
Резистивный нагревательный элемент может быть нанесен на подложку 3 (фиг. 2) таким образом, что подложка со всех сторон охвачена нагревательным элементом 1. The resistive heating element can be applied to the substrate 3 (Fig. 2) so that the substrate is covered on all sides by the
В нагревательном элементе, сформованном в виде прямоугольного бруска (фиг. 3) целесообразно выполнять сквозные отверстия для улучшения отвода тепла потоком воздуха или жидкости. In the heating element, molded in the form of a rectangular bar (Fig. 3) it is advisable to make through holes to improve heat dissipation by the flow of air or liquid.
Нагревательный элемент может быть снабжен тремя токовыводами (фиг. 4), если требуется подключение к трехфазной сети. The heating element can be equipped with three current outputs (Fig. 4), if connection to a three-phase network is required.
Как упоминалось, резистивный нагревательный элемент может иметь различную форму в зависимости от места установки в здании или помещении. Он может быть выполнен в виде полого цилиндра (фиг. 5), в виде плиты (фиг. 6), в виде трехлучевой звезды (фиг. 7), в виде ленты (фиг. 8), в виде пленки, закрепленной на стене (фиг. 9). As mentioned, the resistance heating element may have a different shape depending on the installation location in the building or room. It can be made in the form of a hollow cylinder (Fig. 5), in the form of a plate (Fig. 6), in the form of a three-beam star (Fig. 7), in the form of a tape (Fig. 8), in the form of a film fixed to the wall ( Fig. 9).
Если необходимо, чтобы на разных участках нагревательного элемента была различная температура, нагревательный элемент выполняют разной толщины (фиг. 10,11). Кроме того, один из токовыводов может быть закреплен на поверхности резистивного элемента с возможностью перемещения (фиг. 13). If it is necessary that different temperatures of the heating element have a different temperature, the heating element is made of different thicknesses (Fig. 10.11). In addition, one of the current outputs can be mounted on the surface of the resistive element with the possibility of movement (Fig. 13).
На фиг. 12, 14 и 15 показаны различные формы резистивного нагревательного элемента. In FIG. 12, 14 and 15 show various forms of a resistive heating element.
Claims (14)
Электропроводящее вещество 15 84
Электроизолирующее вещество 0,1 70
2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что размер частиц электропроводящего вещества находится в пределах 0,5 100 мкм, при этом размер частиц электроизолирующего вещества находится в пределах 3 50 мкм.Polymeric binder 5 75
Electrically conductive substance 15 84
Electrical insulating substance 0.1 70
2. The composition according to p. 1, characterized in that the particle size of the electrically conductive substance is in the range of 0.5 to 100 μm, while the particle size of the electrically insulating substance is in the range of 3 to 50 μm.
Электропроводящее вещество 15 84
Электроизолирующее вещество 0,1 70
12. Способ изготовления резистивного нагревательного элемента, заключающийся в том, что перемешивают частицы электропроводящего вещества с частицами электроизолирующего вещества и полученную смесь смешивают с полимерным связующим, размещают полученную смесь на диэлектрической подложке и снабжают токовыводами и выдерживают полученную смесь до завершения процесса полимеризации, отличающийся тем, что используют смесь компонентов, содержащую 15 75 мас. полимерного связующего, 15 84 мас. электропроводящего вещества и 0,1 40 мас. электроизолирующего вещества, подложку с нанесенной смесью нагревают до 100oС и выдерживают при этой температуре в течение 0,5 ч, затем подложку с нанесенной смесью нагревают до температуры, находящейся в пределах 100 300oС и выдерживают при этой температуре около двух часов, в результате чего получают слой резистивного нагревательного элемента, имеющий прочное сцепление с подложкой, после чего подложку с полученным резистивным нагревательным элементом охлаждают до комнатной температуры.Polymeric binder 5 75
Electrically conductive substance 15 84
Electrical insulating substance 0.1 70
12. A method of manufacturing a resistive heating element, which consists in mixing particles of an electrically conductive substance with particles of an electrically insulating substance and the resulting mixture is mixed with a polymer binder, the resulting mixture is placed on a dielectric substrate and provided with current leads and the resulting mixture is held until the completion of the polymerization process, characterized in that use a mixture of components containing 15 to 75 wt. a polymer binder, 15 84 wt. conductive substance and 0.1 to 40 wt. of an electrically insulating substance, the substrate with the applied mixture is heated to 100 ° C. and maintained at this temperature for 0.5 hours, then the substrate with the applied mixture is heated to a temperature in the range of 100 to 300 ° C. and maintained at this temperature for about two hours, as a result, a layer of a resistive heating element having strong adhesion to the substrate is obtained, after which the substrate with the obtained resistive heating element is cooled to room temperature.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94009698A RU2082239C1 (en) | 1994-03-16 | 1994-03-16 | Electricity conducting compound for resistive heating element; resistive heating element and its manufacturing process |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94009698A RU2082239C1 (en) | 1994-03-16 | 1994-03-16 | Electricity conducting compound for resistive heating element; resistive heating element and its manufacturing process |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94009698A RU94009698A (en) | 1997-03-20 |
| RU2082239C1 true RU2082239C1 (en) | 1997-06-20 |
Family
ID=20153758
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU94009698A RU2082239C1 (en) | 1994-03-16 | 1994-03-16 | Electricity conducting compound for resistive heating element; resistive heating element and its manufacturing process |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2082239C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2251754C2 (en) * | 1999-06-22 | 2005-05-10 | Ператек Лтд | Conducting structures |
| US7186356B2 (en) | 2001-06-07 | 2007-03-06 | Peratech Ltd. | Analytical device |
| RU2341839C1 (en) * | 2007-10-31 | 2008-12-20 | Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ТНЦ СО РАН) | Electroconductive composite material, charge for its preparation and electroconductive composition |
| RU2390863C1 (en) * | 2009-04-21 | 2010-05-27 | Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ТНЦ СО РАН) | Electrically conducting composite material, charge for its obtaining and electrically conducting composition |
| RU2464744C2 (en) * | 2007-01-04 | 2012-10-20 | 2Д Хит Лимитед | Self-controlled heating element with electric resistance |
| RU2758085C1 (en) * | 2018-07-23 | 2021-10-26 | Чайна Тобэкко Хубэй Индастриал Корпорейшн Лимитед | Composition of electronic paste, method for its preparation and application |
-
1994
- 1994-03-16 RU RU94009698A patent/RU2082239C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Патент ФРГ N 2635699, кл. Н 01 С 7/00, 1979. 2. Патент США N 5196145, кл. Н 01 В 1/06, 1993. 3. Патент США N 5147580, кл. Н 01 В 1/06, 1992. * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2251754C2 (en) * | 1999-06-22 | 2005-05-10 | Ператек Лтд | Conducting structures |
| US7186356B2 (en) | 2001-06-07 | 2007-03-06 | Peratech Ltd. | Analytical device |
| RU2464744C2 (en) * | 2007-01-04 | 2012-10-20 | 2Д Хит Лимитед | Self-controlled heating element with electric resistance |
| RU2341839C1 (en) * | 2007-10-31 | 2008-12-20 | Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ТНЦ СО РАН) | Electroconductive composite material, charge for its preparation and electroconductive composition |
| RU2390863C1 (en) * | 2009-04-21 | 2010-05-27 | Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ТНЦ СО РАН) | Electrically conducting composite material, charge for its obtaining and electrically conducting composition |
| RU2758085C1 (en) * | 2018-07-23 | 2021-10-26 | Чайна Тобэкко Хубэй Индастриал Корпорейшн Лимитед | Composition of electronic paste, method for its preparation and application |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU94009698A (en) | 1997-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2080414B1 (en) | Heating element | |
| US3412358A (en) | Self-regulating heating element | |
| JPH0517835Y2 (en) | ||
| EP0790754A2 (en) | Heating elements and a process for their manufacture | |
| US5993698A (en) | Electrical device containing positive temperature coefficient resistor composition and method of manufacturing the device | |
| EP0376195B1 (en) | Method of producing a self-temperature control flexible plane heater | |
| US4859835A (en) | Electrically resistive tracks | |
| EP0140893B1 (en) | Self-limiting heater and resistance material | |
| RU2082239C1 (en) | Electricity conducting compound for resistive heating element; resistive heating element and its manufacturing process | |
| CN112770422A (en) | Self-temperature-control electric heating film and preparation method and application thereof | |
| JPS6239678A (en) | Polymer thick film ink and its use | |
| JP3882622B2 (en) | PTC resistor | |
| JP3564758B2 (en) | PTC composition | |
| JPH09190873A (en) | Method of manufacturing sheet heating element | |
| JPH0696843A (en) | Temperature self-control conductive composition, temperature self-control surface heating element and temperature self-control pipe heater | |
| US20070029307A1 (en) | Electrically conductive coatings and method of their use | |
| WO2005124471A1 (en) | Heater for fixing and method of manufacturing the same | |
| JP2857408B2 (en) | Insulation or heating plate | |
| CA1133085A (en) | Temperature sensitive electrical device | |
| RU2653176C2 (en) | Electrically conductive composition and method for manufacturing heating panels based on it | |
| KR960022851A (en) | Composition of Polymer PTC (Constant Temperature Coefficient) | |
| JP3085307B2 (en) | Tape or plate heating element with self-controlled temperature | |
| JP4357684B2 (en) | Conductive ink composition and planar heating element using the same | |
| RU2050702C1 (en) | Process of manufacture of electric heater from graphite | |
| JP3428857B2 (en) | Self-temperature control surface heating element |