RU2311742C2

RU2311742C2 - Heating element and method for manufacturing said heating element

Info

Publication number: RU2311742C2
Application number: RU2005119286/09A
Authority: RU
Inventors: Владимир Павлович Лапин (BY); Владимир Павлович Лапин; Александр Леонидович Шитенков (BY); Александр Леонидович Шитенков; Геннадий Антонович Говор (BY); Геннадий Антонович Говор
Original assignee: Владимир Павлович Лапин; Александр Леонидович Шитенков; Геннадий Антонович Говор
Priority date: 2003-01-02
Filing date: 2003-01-02
Publication date: 2007-11-27
Also published as: RU2005119286A

Abstract

FIELD: electric heating, in particular, resistive heating, namely, monolithic self-controlling metal-ceramic heating elements, possible use in various electric heating devices of both industrial and home use purposes.

SUBSTANCE: in the heating element which contains resistive element with positive temperature resistance coefficient, positioned in electro-isolating layer, heating resistive structure is made of composite material on basis of iron with specific resistance growing with increase of temperature from 100 to 200 mcOhm.m in form of a serpentine line with width d, consisting of linear sections, which have length not exceeding 10d, and are serially connected by rounded sections, where symmetry axes of resistive element coincide with symmetry axes of heating element, and aforementioned serpentine band of heating resistive element is positioned in electro-isolating layer, which follows its shape. The method for manufacturing aforementioned heating element includes manufacturing heating resistive element, forming electro-isolating layer around it, pressing and caking of heating element. Before caking of the product at least one additional layer is applied to predetermined sections of formed electro-isolating layer with additional pressing after application of each layer, and caking is performed after compression of resulting multi-layer structure. Total surface of resistive element may amount to from 40 to 60% of area of whole heating element. Resistive element may be made in form of serpentine band, positioned inside electro-isolating layer, which follows its shape.

EFFECT: increased efficiency.

2 cl, 6 dwg, 3 app

Description

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

Известно [1], что наиболее эффективным процессом передачи тепла от нагретого тела к холодному в сравнении с нагревом излучением и другими видами теплопередачи является метод контактной теплопроводности. В связи с этим разработка элементов быстрого нагрева с равномерным распределением температуры по поверхности и эффективностью выше η>0,9 является актуальнейшей задачей.It is known [1] that the most effective process of heat transfer from a heated body to a cold one in comparison with heating by radiation and other types of heat transfer is the contact heat conduction method. In this regard, the development of fast heating elements with a uniform temperature distribution over the surface and an efficiency above η> 0.9 is an urgent task.

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

Высокая эффективность нагревательного элемента - передача тепла от нагревательной структуры на поверхность через изоляционную структуру, определяется теплопроводностью последней. Максимальную теплопроводность можно обеспечить в монолитных нагревательных элементах, где в результате диффузионных процессов синтеза образуется единая структура нагревательного и изоляционного слоев. Подобная задача решена в нагревательном элементе по патенту [2].The high efficiency of the heating element - heat transfer from the heating structure to the surface through the insulating structure, is determined by the thermal conductivity of the latter. Maximum thermal conductivity can be achieved in monolithic heating elements, where as a result of diffusion synthesis processes a single structure of the heating and insulating layers is formed. A similar problem is solved in the heating element according to the patent [2].

Надежность нагревательного элемента определяется свойствами нагревательной структуры. В этой связи металлические нагревательные структуры, подверженные окислению, имеют меньшую надежность в сравнении с керамическими или композиционными материалами, где процесс окисления не наблюдается или наблюдается в гораздо меньшей степени. Керамические нагревательные элементы различного назначения предложены в патентах [3-5].The reliability of the heating element is determined by the properties of the heating structure. In this regard, metal heating structures susceptible to oxidation have less reliability compared to ceramic or composite materials, where the oxidation process is not observed or is observed to a much lesser extent. Ceramic heating elements for various purposes are proposed in patents [3-5].

Кроме того, надежность работы элемента во многом зависит от характера температурной зависимости удельного сопротивления нагревательной структуры. Положительный температурный коэффициент (РТС - характеристика) сопротивления позволяет исключить самопроизвольный разогрев элемента и, как следствие, выход его из строя [6].In addition, the reliability of the element largely depends on the nature of the temperature dependence of the resistivity of the heating structure. A positive temperature coefficient (RTS - characteristic) of the resistance eliminates spontaneous heating of the element and, as a result, its failure [6].

Равномерность распределения температуры по поверхности нагревательного элемента и изотропность его расширения при нагреве (определяющие его надежность и долговечность) зависят от формы и симметрии нагревательной структуры. Отчасти влияние симметрии нагревательной структуры на надежность нагревательного элемента рассмотрено в [7].The uniformity of the temperature distribution over the surface of the heating element and the isotropy of its expansion during heating (determining its reliability and durability) depend on the shape and symmetry of the heating structure. In part, the influence of the symmetry of the heating structure on the reliability of the heating element was considered in [7].

Немаловажным фактором является стоимость нагревательного элемента, определяющаяся стоимостью компонентов нагревательной, изоляционной и других структур и технологией его изготовления. Последнее исключает применение редкоземельных оксидов и других дорогостоящих компонентов.An important factor is the cost of the heating element, which is determined by the cost of the components of the heating, insulation and other structures and the technology of its manufacture. The latter excludes the use of rare earth oxides and other expensive components.

Из приведенных данных следует, что существующие нагревательные элементы и способы их изготовления удовлетворяют лишь отдельным требованиям по высокой эффективности, надежности и стоимости.From the above data it follows that the existing heating elements and methods for their manufacture satisfy only certain requirements for high efficiency, reliability and cost.

Задачей настоящего изобретения является создание нагревательного элемента, сочетающего высокую эффективность с надежностью и низкой стоимостью его компонентов и способа его изготовления.An object of the present invention is to provide a heating element combining high efficiency with reliability and low cost of its components and a method for its manufacture.

Поставленная задача в нагревательном элементе, содержащем резистивный элемент с положительным температурным коэффициентом сопротивления, размещенный в электроизоляционном слое, решена тем, что резистивный элемент выполнен из композиционного материала на основе железа с удельным сопротивлением, возрастающим с ростом температуры от 100 до 200 мкОм.мThe problem in the heating element containing a resistive element with a positive temperature coefficient of resistance, located in the insulating layer, is solved by the fact that the resistive element is made of a composite material based on iron with a specific resistance that increases with temperature from 100 to 200 μΩ.m

Суммарная поверхность резистивного элемента составляет от 40 до 60% от площади всего нагревательного элемента.The total surface of the resistive element is from 40 to 60% of the area of the entire heating element.

Резистивный элемент выполнен в виде извилистой полосы резистивного материала шириной d, состоящей из линейных участков, которые имеют длину, не превышающую 10d, и последовательно соединены закругленными участками, причем оси симметрии резистивного элемента совпадают с осями симметрии нагревательного элемента, а указанная извилистая полоса резистивного элемента размещена внутри электроизоляционного слоя, который повторяет ее форму.The resistive element is made in the form of a tortuous strip of resistive material of width d, consisting of linear sections that have a length not exceeding 10d and connected in series by rounded sections, the symmetry axes of the resistive element coinciding with the symmetry axes of the heating element, and the specified tortuous strip of the resistive element is placed inside an insulating layer that repeats its shape.

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

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

MgOMgO 75-85%75-85% BNBn 10-15%10-15% бесщелочное стеклоalkali-free glass 5-10%5-10%

Оксид магния в указанной стеклокерамике имеет следующий состав, мас.%:Magnesium oxide in the specified glass ceramics has the following composition, wt.%:

MgO с дисперсностью от 40 до 150 мкмMgO with a dispersion of 40 to 150 microns 45-55%45-55% MgO с дисперсностью меньше 40 мкмMgO with a fineness of less than 40 microns 45-55%45-55%

Нагревательный элемент дополнительно снабжен теплоизолирующим слоем, который предпочтительно выполнен из стеклокерамики на основе оксида магния и имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:The heating element is further provided with a heat-insulating layer, which is preferably made of glass oxide based on magnesium oxide and has the following ratio of components, wt.%:

MgOMgO 40-45%40-45% SiO₂ SiO ₂ 40-45%40-45% боросиликатное стеклоborosilicate glass 10-20%10-20%

Поверх слоя указанной теплоизоляционной стеклокерамики уложен хотя бы один слой теплоизоляционной пасты, например Sealant-1200.At least one layer of heat-insulating paste, for example Sealant-1200, is laid on top of a layer of said heat-insulating glass-ceramic.

Слой теплоизоляционный стеклокерамики вместе со слоем пасты пропитан жаропрочной гидроизолирующей силиконовой жидкостью.The heat-insulating glass-ceramic layer together with the paste layer is impregnated with heat-resistant waterproofing silicone fluid.

Поставленная задача для способа изготовления нагревательного элемента, включающего изготовление резистивного элемента с положительным температурным коэффициентом сопротивления, формирование вокруг него электроизоляционного слоя, прессование и спекание нагревательного элемента, решена тем, что до спекания изделия наносят хотя бы один дополнительный защитный или изоляционный слой на заранее заданные участки сформированного электроизоляционного слоя с дополнительным подпрессовыванием после нанесения каждого слоя, а спекание осуществляют после компримирования полученной многослойной структуры.The problem for the method of manufacturing a heating element, including the manufacture of a resistive element with a positive temperature coefficient of resistance, the formation of an electrical insulating layer around it, pressing and sintering of the heating element, is solved by applying at least one additional protective or insulating layer to predefined sections formed electrical insulating layer with additional prepressing after applying each layer, and sintering is carried out stvlyayut after compressing the obtained multilayer structure.

Резистивный элемент выполняют из композиционного материала на основе железа с удельным сопротивлением, возрастающим с ростом температуры от 100 до 200 мкОм.мThe resistive element is made of a composite material based on iron with a resistivity that increases with temperature from 100 to 200 μOhm

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

MgOMgO 75-80%75-80% BNBn 10-15%10-15% бесщелочное стеклоalkali-free glass 7-10%,7-10%

используя при этом оксид магния следующего состава, мас.%:using magnesium oxide of the following composition, wt.%:

В качестве дополнительного слоя наносят слой порошка железа так, что он покрывает три стороны электроизоляционного слоя.As an additional layer, a layer of iron powder is applied so that it covers the three sides of the insulating layer.

На поверхность полученной структуры, свободной от защитного слоя, наносят термоизоляционный слой из стеклокерамики на основе оксида магния со следующим соотношением компонентов, мас.%:On the surface of the obtained structure, free from the protective layer, a thermal insulation layer of glass ceramics based on magnesium oxide is applied with the following ratio of components, wt.%:

Компримирование многослойной структуры нагревательного элемента осуществляют в интервале давлений от 3 до 4 кбар, а спекание многослойной структуры производят на воздухе с выдержкой в течение от 0,5 до 2 часов при температуре в интервале от 900 до 1150°С.Compression of the multilayer structure of the heating element is carried out in the pressure range from 3 to 4 kbar, and the sintering of the multilayer structure is carried out in air with exposure for 0.5 to 2 hours at a temperature in the range from 900 to 1150 ° C.

Поверх указанного термоизолирующего слоя укладывают хотя бы один слой термоизоляционной пасты, например Sealant-1200 и все вместе пропитывают жаропрочной гидроизолирующей силиконовой жидкостью.At least one layer of heat-insulating paste, for example, Sealant-1200, is laid on top of said thermally insulating layer, and all together they are impregnated with a heat-resistant waterproofing silicone fluid.

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

Фиг.2. Температурная зависимость удельного сопротивления резистивного элемента нагревательного элементаFigure 2. Temperature dependence of the resistivity of a heating element

Фиг.3. Схематическое представление теплопередачи плоского нагревательного элемента.Figure 3. Schematic representation of the heat transfer of a flat heating element.

Фиг.4. Распределение тепла на поглощающей поверхности S_а для различных соотношений излучающей и поглощающей поверхностей при различных толщинах демпфирующего слоя.Figure 4. The heat distribution on the absorbing surface S _a for different ratios of the radiating and absorbing surfaces at different thicknesses of the damping layer.

Фиг.5. Пример выполнения резистивного элемента для случая круглого нагревательного элемента.Figure 5. An example of a resistive element for the case of a round heating element.

Фиг.6. Схематическое представление заявляемого способа изготовления заявляемого нагревательного элемента.6. Schematic representation of the inventive method of manufacturing the inventive heating element.

Фиг.7. Распределение температуры на излучающей S_r и поглощающей S_а поверхностях нагревателя с соотношением последних S_r/S_a=0,5.7. The temperature distribution on the radiating S _r and S _and absorbing surfaces of the heater latest ratio S _r / S _a = 0.5.

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

На фиг.1 показано схематическое изображение заявляемого нагревательного элемента в разрезе на примере исполнения его в виде плоского нагревательного элемента. Основой заявляемого нагревательного элемента является резистивный элемент 1, охваченный со всех сторон электроизоляционным слоем 2, повторяющим ее форму. Защитный слой 3 на основе порошка металла имеет форму, охватывающую с трех сторон электроизоляционный слой 2. Четвертая сторона электроизолирующего слоя закрыта теплоизолирующим слоем 4, выполненным в виде слоя теплоизолирующей стеклокерамики 5, усиленного слоем теплоизоляционной пасты 6. Декоративный слой 7 выполнен поверх защитного слоя 3.Figure 1 shows a schematic representation of the inventive heating element in the context of an example of its execution in the form of a flat heating element. The basis of the inventive heating element is a resistive element 1, covered on all sides by an electrical insulating layer 2, repeating its shape. The protective layer 3 based on metal powder has a shape that covers the insulating layer 2 on three sides. The fourth side of the insulating layer is covered by a heat-insulating layer 4 made in the form of a layer of heat-insulating glass ceramics 5, reinforced with a layer of heat-insulating paste 6. Decorative layer 7 is made on top of the protective layer 3.

Резистивный элемент 1 выполнен из композиционного материала на основе железа с удельным сопротивлением, возрастающим с ростом температуры от 0 до 1000°С в пределах от 100 до 200 мкОм.м. Характер температурной зависимости удельного сопротивления резистивного элемента 1 нагревательного элемента показан на фиг.2. Как следует из приведенного графика, удельное сопротивление резистивного элемента 1 на два-три порядка выше сопротивления известных металлических проводников при сохранении положительного температурного коэффициента - металлического характера проводимости. В качестве материала для такого резистивного элемента 1 может быть использован, например композиционный материал на основе железа, где каждая частица железа покрыта тонким слоем диэлектрика, например SMC-500 фирмы Höganäs AB (Швеция).The resistive element 1 is made of a composite material based on iron with a specific resistance that increases with temperature from 0 to 1000 ° C in the range from 100 to 200 μOhm. The nature of the temperature dependence of the resistivity of the resistive element 1 of the heating element is shown in figure 2. As follows from the above graph, the resistivity of resistive element 1 is two to three orders of magnitude higher than the resistance of known metal conductors while maintaining a positive temperature coefficient - the metallic nature of conductivity. As the material for such a resistive element 1, for example, an iron-based composite material can be used, where each iron particle is coated with a thin dielectric layer, for example, SMC-500 from Höganäs AB (Sweden).

Особенности температурной зависимости удельного сопротивления металлокерамического резистивного элемента 1 обеспечивают разогрев указанного элемента 1 до номинальной температуры за несколько секунд. Кроме того, высокое удельное сопротивление позволяет существенно уменьшить размеры нагревателей.Features of the temperature dependence of the specific resistance of the ceramic-metal resistive element 1 ensure the heating of the specified element 1 to the nominal temperature in a few seconds. In addition, high resistivity can significantly reduce the size of the heaters.

Суммарная поверхность металлокерамического резистивного элемента заявленного нагревательного элемента составляет от 40 до 60% от площади всего нагревательного элемента.The total surface of the ceramic-metal resistive element of the claimed heating element is from 40 to 60% of the area of the entire heating element.

В общем случае теплопередача от излучающей поверхности, т.е. от резистивного элемента 1, к поглощающей поверхности, которую можно считать совпадающей с поверхностью нагревательного элемента, определяется уравнением:In general, heat transfer from a radiating surface, i.e. from the resistive element 1, to the absorbing surface, which can be considered coincident with the surface of the heating element, is determined by the equation:

где

- коэффициент теплопередачи,Where

- heat transfer coefficient,

λ₁, λ₂ - теплопроводности стеклокерамического изоляционного и защитного металлического слоев соответственно; δ₁ и δ₂ - толщины соответственно стеклокерамического изоляционного и металлического слоев;λ ₁ , λ ₂ - thermal conductivity of the glass-ceramic insulating and protective metal layers, respectively; δ ₁ and δ ₂ are the thicknesses of the glass-ceramic insulating and metal layers, respectively;

F - суммарная поверхность резистивного элемента;F is the total surface of the resistive element;

Δt=t_н-t_в - разница температуры резистивного элемента и окружающей среды.Δt = t _n -t _in - the difference in temperature of the resistive element and the environment.

Поскольку t_н>>t_в, то в первом приближении можно принять температуру резистивного элемента за Δt.Since t _n >> t _in , in a first approximation, we can take the temperature of the resistive element for Δt.

Радиационные потери энергии определяютсяRadiation energy losses are determined

где σ - постоянная Стефана-Больцмана,where σ is the Stefan-Boltzmann constant,

Т - абсолютная температура нагревательного элемента.T is the absolute temperature of the heating element.

Из (2) следует, что для минимизации потерь температура нагревательного элемента должна быть минимальной. Из условий пожаробезопасности, кроме того, максимальное значение температуры нагревательного элемента определено в пределах 500-600°С.From (2) it follows that in order to minimize losses, the temperature of the heating element should be minimal. From the fire safety conditions, in addition, the maximum value of the temperature of the heating element is determined in the range of 500-600 ° C.

В этом случае теплопередача (Q_max) при максимальных значениях коэффициента теплопередачи (k_max) и суммарной поверхности нагревательного элемента (F_max) и при некотором заданном предельном значении температуры нагревательной структуры (t_const) определится:In this case, the heat transfer (Q _max ) at the maximum values of the heat transfer coefficient (k _max ) and the total surface of the heating element (F _max ) and at a certain specified limit value of the temperature of the heating structure (t _const ) is determined:

Поскольку λ₂>>λ₁, влиянием λ₂ на величину коэффициента теплопередачи можно пренебречь, и максимальное значение коэффициента теплопередачи определяется собственно теплопроводностью изоляционной стеклокерамики λ₁, включающей согласно настоящему изобретению оксид магния и нитрид бора:Since λ ₂ >> λ ₁ , the influence of λ ₂ on the value of the heat transfer coefficient can be neglected, and the maximum value of the heat transfer coefficient is determined by the thermal conductivity of the insulating glass ceramic λ ₁ , which includes magnesium oxide and boron nitride according to the present invention:

где С_MgO и C_NB - соответственно концентрации оксида магния и нитрида бора,where C _MgO and C _NB - respectively, the concentration of magnesium oxide and boron nitride,

λ_MgO и λ_NB - теплопроводности оксида магния и нитрида бора.λ _MgO and λ _NB - thermal conductivity of magnesium oxide and boron nitride.

В результате величина теплопередачи k от резистивного элемента к поглощающей поверхности также определенная величина.As a result, the heat transfer value k from the resistive element to the absorbing surface is also a certain value.

Таким образом, как это следует из выражения (3) для теплопередачи, максимальное значение теплопередачи определяется суммарной площадью резистивного элемента.Thus, as follows from expression (3) for heat transfer, the maximum value of heat transfer is determined by the total area of the resistive element.

Рассмотрим влияние соотношения излучающей и поглощающей поверхностей на основные параметры нагревательного элемента - эффективность, температуру излучаемой поверхности и другие.Consider the effect of the ratio of the emitting and absorbing surfaces on the main parameters of the heating element — efficiency, temperature of the emitted surface, and others.

Для удобства оценки представим (см. фиг.3) резистивный элемент 1 нагревательного элемента состоящим из m параллельных плоских проводников 8 бесконечной длины шириной d каждый, разделенных изоляционными промежутками 9 шириной I_i.For convenience of assessment, imagine (see FIG. 3) the resistive element 1 of the heating element consisting of m parallel flat conductors 8 of infinite length d each, separated by insulating gaps 9 of width I _i .

Кроме того, излучающая поверхность S_r (практически совпадающая с поверхностью резистивного элемента 1) и поглощающая поверхность S_a разделены демпфирующим защитным металлическим слоем толщиной δ₂ с теплопроводностью λ₂, осуществляющим, с одной стороны, сглаживание температуры на поглощающей поверхности. С другой стороны, демпфирующий слой выполняет функции изоляции и защиты поглощающей поверхности.In addition, the radiating surface S _r (almost coinciding with the surface of the resistive element 1) and the absorbing surface S _{a are} separated by a damping protective metal layer of thickness δ ₂ with thermal conductivity λ ₂ , which, on the one hand, smooths the temperature on the absorbing surface. On the other hand, the damping layer performs the functions of insulation and protection of the absorbing surface.

При определении количества тепла, проходящего через слой 3, каждый плоский проводник 8 рассматриваем состоящим из n линейных источников 10 бесконечной длины. Суммарное значение количества тепла в точке «А» на поглощающей поверхности определим как суперпозицию от m плоских проводников 8, каждый из которых состоит из n линейных источников 10:When determining the amount of heat passing through layer 3, we consider each flat conductor 8 consisting of n linear sources 10 of infinite length. The total value of the amount of heat at point “A” on the absorbing surface is defined as a superposition of m flat conductors 8, each of which consists of n linear sources 10:

где q_ij - количество тепла от i-го линейного источника 10 излучения j-го плоского проводника 8.where q _ij is the amount of heat from the i-th linear radiation source 10 of the j-th flat conductor 8.

Для установившегося режима величина q_ij определяется выражением:For the steady state, q _ij is determined by the expression:

где t_r-t_a - разность температур на излучающей S_r и поглощающей S_а поверхностях.where t _r -t _a is the temperature difference on the radiating S _r and the absorbing S _a surfaces.

Расчеты были выполнены для различных соотношений излучающей и поглощающей плоскостей и разных значений толщины δ слоя 3 при заданной разности температур t_r-t_a.The calculations were performed for different ratios of the emitting and absorbing planes and different values of the thickness δ of layer 3 for a given temperature difference t _r -t _a .

На фиг.4 приведены результаты расчета количества тепла, передаваемого от излучающей поверхности к поглощающей при различных соотношениях их площадей S_r/S_a=0,5 (фиг.4а), S_r/S_a=0,25 (фиг.4б) и S_r/S_a=0,1 (фиг.4с) через слой 3 при различных значениях его толщины δ=0,5d (кривые 1, 4, 7), δ=d (кривые 2, 5, 8) и δ=2d (кривые 3, 6, 9).Figure 4 shows the results of calculating the amount of heat transferred from the radiating surface to the absorbing one at various ratios of their areas S _r / S _a = 0.5 (Fig. 4a), S _r / S _a = 0.25 (Fig. 4b) and S _r / S _a = 0.1 (Fig. 4c) through layer 3 at various values of its thickness δ = 0.5d (curves 1, 4, 7), δ = d (curves 2, 5, 8) and δ = 2d (curves 3, 6, 9).

Из анализа приведенных кривых следует, что для соотношения излучающей и поглощающей поверхностей S_r/S_a=0,5 даже при наличии тонкого демпфирующего слоя δ=0,5d (фиг.4а, кривая 1) обеспечивается равномерный нагрев поглощающей поверхности - ΔQ=0,1 Q_m, где ΔQ - неравномерность количества тепла на поглощающей поверхности.From the analysis of the curves it follows that for the ratio of the emitting and absorbing surfaces S _r / S _a = 0.5, even in the presence of a thin damping layer δ = 0.5d (Fig. 4a, curve 1), uniform heating of the absorbing surface is provided - ΔQ = 0 , 1 Q _m , where ΔQ is the unevenness of the amount of heat on the absorbing surface.

В то же время для случая, когда соотношение излучающей и поглощающей поверхностей составляет S_r/S_a=0,1, указанное выше значение неравномерности нагрева поглощающей поверхности достигается только при толщине демпфирующего слоя 3 δ=2d.At the same time, for the case when the ratio of the emitting and absorbing surfaces is S _r / S _a = 0.1, the above-mentioned value of the non-uniformity of heating of the absorbing surface is achieved only when the thickness of the damping layer 3 δ = 2d.

Увеличение толщины защитного слоя металла 3 и снижение соотношения излучающей и поглощающей поверхностей от S_r/S_a=0,5 до 0,1 приводит к существенному уменьшению передачи тепла на поглощающую поверхность, в данном случае (фиг.4) - Q₁/Q₃=7.An increase in the thickness of the protective layer of the metal 3 and a decrease in the ratio of the radiating and absorbing surfaces from S _r / S _a = 0.5 to 0.1 leads to a significant decrease in the heat transfer to the absorbing surface, in this case (Fig. 4) - Q ₁ / Q ₃ = 7.

В результате, как следует из приведенного анализа, использование нагревательных элементов с соотношением излучающей и поглощающей поверхностей S_r/S_a=0,5 и больше приводит к повышению эффективности элемента вследствие того, что заданная температура поглощающей поверхности может быть достигнута при меньшей температуре излучающей поверхности (т.е. при меньшей температуре резистивного элемента 1). Как следствие, это приводит к снижению потерь на излучение.As a result, as follows from the above analysis, the use of heating elements with a ratio of emitting and absorbing surfaces S _r / S _a = 0.5 and more leads to an increase in the efficiency of the element due to the fact that the given temperature of the absorbing surface can be achieved at a lower temperature of the radiating surface (i.e., at a lower temperature of the resistive element 1). As a result, this leads to a reduction in radiation losses.

Снижение толщины демпфирующего слоя, а следовательно, и массы элемента, в конечном итоге уменьшает время разогрева элемента до нескольких секунд и в целом снижает стоимость нагревательного элемента.Reducing the thickness of the damping layer, and hence the mass of the element, ultimately reduces the heating time of the element to several seconds and generally reduces the cost of the heating element.

Малое время разгона заявляемого нагревательного элемента налагает особые требования на его конструкцию. При подаче на резистивный элемент 1 напряжения питания, протекающий ток вызывает его нагрев. При повышении температуры возрастает сопротивление резистивного элемента 1 (см. фиг.2), ток, протекающий через него, уменьшается и температура стабилизируется на заданном уровне.The short acceleration time of the inventive heating element imposes special requirements on its design. When a supply voltage is applied to the resistive element 1, the flowing current causes it to heat up. With increasing temperature, the resistance of the resistive element 1 increases (see Fig. 2), the current flowing through it decreases, and the temperature stabilizes at a given level.

Поскольку резистивный элемент 1 изменяет свою температуру за доли секунды, можно считать этот процесс адиабатическим без обмена теплом с защитным металлическим слоем 3. Разогрев последнего происходит в течение нескольких секунд.Since the resistive element 1 changes its temperature in fractions of a second, this process can be considered adiabatic without heat exchange with the protective metal layer 3. The latter is heated within a few seconds.

Сверхбыстрый разогрев резистивного элемента приводит к неравномерным механическим напряжениям нагревательного элемента и, как следствие, возможности его коробления. Для исключения коробления, сохранения целостности и, как следствие, надежности работы нагревательного элемента следует обеспечить равномерность расширения последнего.Ultrafast heating of the resistive element leads to uneven mechanical stresses of the heating element and, as a consequence, the possibility of its warping. To exclude warpage, maintain integrity and, as a consequence, the reliability of the heating element should ensure uniformity of expansion of the latter.

Достигается изотропность расширения выполнением резистивного элемента 1 в виде извилистой полосы резистивного материала шириной d, состоящей из линейных участков, которые имеют длину, не превышающую 10d, и последовательно соединенных закругленными участками, причем оси симметрии резистивного элемента 1 совпадают с осями симметрии нагревательного элемента, а указанная извилистая полоса резистивного элемента 1 размещена внутри электроизоляционного слоя 2, который повторяет ее форму.Isotropic expansion is achieved by designing the resistive element 1 in the form of a tortuous strip of resistive material of width d, consisting of linear sections that have a length not exceeding 10d and connected in series by rounded sections, the symmetry axes of the resistive element 1 coinciding with the symmetry axes of the heating element, and a winding strip of the resistive element 1 is placed inside the insulating layer 2, which repeats its shape.

На фиг.5 приведен пример выполнения резистивного элемента для случая круглого нагревательного элемента. Для решения указанной задачи резистивный элемент 1 выполнен в виде извилистой полосы резистивного материала шириной d, состоящей из линейных участков 11, которые имеют длину, не превышающую 10d, и последовательно соединены закругленными участками 12. Из фиг.5 видно, что резистивный элемент в данном примере имеет ось симметрии 6-го порядка.Figure 5 shows an example of the implementation of the resistive element for the case of a round heating element. To solve this problem, the resistive element 1 is made in the form of a winding strip of resistive material of width d, consisting of linear sections 11, which have a length not exceeding 10d, and connected in series with rounded sections 12. From figure 5 it is seen that the resistive element in this example has an axis of symmetry of the 6th order.

Равномерность адиабатного расширения резистивного элемента 1 обеспечивается высокой степенью симметрии и расположением линейных участков 11 как по радиусам, так и параллельно окружностям соответствующих радиусов.The uniformity of the adiabatic expansion of the resistive element 1 is ensured by a high degree of symmetry and the arrangement of linear sections 11 both along the radii and parallel to the circles of the respective radii.

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

Согласование коэффициентов термического расширения осуществляется выбором соответствующих компонент стеклокерамики и их массовых соотношений.Coordination of thermal expansion coefficients is carried out by choosing the appropriate components of glass ceramics and their mass ratios.

С этой целью изолирующий стеклокерамический слой 2 с плотностью, близкой к теоретической, выполнен на основе периклаза (кристаллического оксида магния) с добавлением для увеличения теплопроводности и удельного сопротивления гексагонального нитрида бора и бесщелочного стекла в нижеприведенном соотношении:To this end, the insulating glass-ceramic layer 2 with a density close to theoretical is made on the basis of periclase (crystalline magnesium oxide) with the addition of hexagonal boron nitride and alkali-free glass in order to increase the thermal conductivity and specific resistance:

Теплоизолирующей слой 4 включает в себя слой 5 стеклокерамики на основе оксида магния со следующим соотношением компонентов, мас.%:The heat-insulating layer 4 includes a layer 5 of glass-ceramic based on magnesium oxide with the following ratio of components, wt.%:

Поверх слоя 5 указанной теплоизоляционной стеклокерамики уложен хотя бы один слой 6 теплоизоляционной пасты, например Sealant-1200.At least one layer 6 of heat-insulating paste, for example Sealant-1200, is laid on top of layer 5 of said heat-insulating glass-ceramic.

Слой 5 теплоизоляционной стеклокерамики вместе со слоем 6 пасты пропитан жаропрочной гидроизолирующей силиконовой жидкостью.Layer 5 of heat-insulating glass ceramics together with layer 6 of the paste is impregnated with heat-resistant waterproofing silicone fluid.

Способ изготовления предложенного нагревательного элемента можно подробно представить на примерах, приведенных ниже.A method of manufacturing the proposed heating element can be presented in detail on the examples below.

Пример 1. Изготовление плоского круглого нагревательного элемента мощностью 600 Вт и внешним диаметром 125 ммExample 1. The manufacture of a flat round heating element with a power of 600 W and an outer diameter of 125 mm

Этапы указанного процесса схематично представлены на фиг.6.The steps of this process are shown schematically in FIG. 6.

А. Композитный материал с удельным сопротивлением, возрастающим с ростом температуры в интервале до 1000°С от 100 до 200 мкОм.м, например композиционный материал на основе железа, где каждая частица железа покрыта тонким слоем диэлектрика, например SMC-500 фирмы Höganäs АВ (Швеция), использовали в форме порошка, в который добавили ПВА в количестве 5%.A. A composite material with a resistivity that increases with temperature in the range up to 1000 ° C from 100 to 200 μOhm.m, for example, an iron-based composite material, where each iron particle is coated with a thin dielectric layer, for example, SMC-500 from Höganäs AB ( Sweden) was used in powder form, to which PVA was added in an amount of 5%.

Пресс-форму 13 для изготовления резистивного элемента, приведенного на фиг.5, заполнили 5 г указанного порошка и провели предварительное компактирование резистивного элемента с удельным давлением в интервале 0,3 кбар (фиг.6а).A mold 13 for manufacturing the resistive element shown in FIG. 5 was filled with 5 g of said powder and the resistive element was pre-compacted with a specific pressure in the range of 0.3 kbar (FIG. 6 a).

Полученную заготовку резистивного элемента 1 выпрессовали из пресс-формы 13 так, чтобы она оказалась на ее поверхности (фиг.6б).The resulting workpiece of the resistive element 1 was pressed out of the mold 13 so that it was on its surface (figb).

Б. Сверху пресс-формы 13 установили шаблон 14, (фиг.6в) с внутренней полостью в виде извилистой структуры для изготовления электроизолирующего слоя 2, повторяющего форму резистивного элемента 1. Шаблон 14 полностью заполнили 20 г порошка стеклокерамики следующего состава:B. On top of the mold 13, a template 14 was installed (Fig. 6c) with an internal cavity in the form of a tortuous structure for the manufacture of an electrically insulating layer 2 repeating the shape of the resistive element 1. Template 14 was completely filled with 20 g of glass ceramic powder of the following composition:

MgOMgO 80%80% BNBn 10%10% бесщелочное стеклоalkali-free glass 10%.10%.

Для обеспечения плотности данной стеклокерамики, близкой к теоретической, использовали 11 г оксида магния с дисперсностью от 40 до 150 мкм и 9 г оксида магния с дисперсностью меньше 40 мкм.To ensure the density of this glass ceramic close to theoretical, 11 g of magnesium oxide with a dispersion of 40 to 150 μm and 9 g of magnesium oxide with a dispersion of less than 40 μm were used.

Подпрессовали порошок электроизоляционной керамики при давлении 0,3 кбар.The powder of insulating ceramic was pressed at a pressure of 0.3 kbar.

В. Шаблон 14 удалили и установили пресс-форму 15 (фиг.6г) для защитного слоя 3 и полностью заполнили ее порошком железа с антикоррозионными добавками. Для нагревательного элемента с указанными параметрами вес порошка железа составляет 130 г.B. Template 14 was removed and mold 15 (FIG. 6 d) was installed for the backing layer 3 and completely filled with iron powder with anti-corrosion additives. For a heating element with the indicated parameters, the weight of the iron powder is 130 g.

Г. Поверх полученной слоистой заготовки установили пресс-форму 16 (фиг.6д) для декоративного покрытия из стеклокерамического порошка следующего состава:G. On top of the obtained laminated preform, a mold 16 was installed (Fig.6d) for a decorative coating of glass-ceramic powder of the following composition:

MgOMgO 80%80% боросиликатное стеклоborosilicate glass 20%twenty%

В 5 г стеклокерамического порошка добавили ПВА в количестве 5%.In 5 g of glass-ceramic powder, PVA was added in an amount of 5%.

Тонкий слой декоративного покрытия толщиной 0,2-0,3 мм обеспечивает защиту металла от окисления при спекании.A thin layer of a decorative coating with a thickness of 0.2-0.3 mm protects the metal from oxidation during sintering.

Подпрессовали порошок стеклокерамики при давлении 0,3 кбар.Glass ceramic powder was pressed at a pressure of 0.3 kbar.

Д. Пресс-форму 16 перевернули и на нижнюю поверхность полученной слоистой заготовки установили шаблон 17 (фиг.6е) для теплоизоляционного покрытия. Шаблон 17 заполнили 20 г порошка стеклокерамики следующего состава:D. The mold 16 was turned over and a template 17 (FIG. 6e) was installed on the lower surface of the resulting laminated preform for a heat-insulating coating. Template 17 was filled with 20 g of glass ceramic powder of the following composition:

MgOMgO 40%40% SiO₂ SiO ₂ 40%40% боросиликатное стеклоborosilicate glass 20%,twenty%,

в который добавили ПВА в количестве 5%.which added PVA in an amount of 5%.

Толщина слоя теплоизолирующей стеклокерамики составляет от 0,6 до 0,8 мм.The thickness of the insulating glass ceramic layer is from 0.6 to 0.8 mm.

Е. Полученную многослойную порошковую структуру компактировали при нормальных условиях при давлении 4 кбар.E. The resulting multilayer powder structure was compacted under normal conditions at a pressure of 4 kbar.

Ж. Спрессованную заготовку нагревательного элемента спекали на воздухе при температуре 1150°С с выдержкой в течение 0,5 ч.G. The pressed billet of the heating element was sintered in air at a temperature of 1150 ° C with a holding time of 0.5 h.

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

З. Поверх слоя указанного слоя 5 теплоизолирующей стеклокерамики нанесли в один слой 6-10 г теплоизоляционной пасты Sealant-1200.H. On top of the layer of said layer 5 of heat-insulating glass ceramics, 6-10 g of Sealant-1200 heat-insulating paste was applied in one layer.

И. Слой 5 теплоизолирующей стеклокерамики вместе со слоем 6 пасты пропитан жаропрочной гидроизолирующей силиконовой жидкостью.I. Layer 5 of heat-insulating glass ceramics together with layer 6 of paste is impregnated with heat-resistant waterproofing silicone fluid.

Вес полученного нагревательного элемента составил 200 г.The weight of the resulting heating element was 200 g.

Экспериментально измерили распределение температуры на излучающей S_r и поглощающей S_a поверхностях изготовленного нагревательного элемента с соотношением последних S_r/S_a=0,5 (фиг.7). Из приведенных на фиг.7 результатов видно, что потеря температуры на демпфирующем слое не превышает Δt=20°С.The temperature distribution was experimentally measured on the radiating S _r and absorbing S _a surfaces of the manufactured heating element with the ratio of the latter S _r / S _a = 0.5 (Fig. 7). From the results shown in Fig.7 shows that the temperature loss on the damping layer does not exceed Δt = 20 ° C.

Экспериментально измеренный КПД разработанного нагревательного элемента определяется в основном потерями на излучение и составляет величину η=0,95.The experimentally measured efficiency of the developed heating element is determined mainly by radiation losses and amounts to η = 0.95.

Пример 2. Изготовление плоского нагревательного элемента мощностью 600 Вт.Example 2. The manufacture of a flat heating element with a power of 600 watts.

Предварительно созданную пресс-форму 13 для изготовления резистивного элемента, вписанного в квадрат, заполнили указанным порошком в количестве 3 г и провели предварительное компактирование резистивного элемента с удельным давлением 0,4 кбар (фиг.6а).A previously created mold 13 for manufacturing a resistive element inscribed in a square was filled with the indicated powder in an amount of 3 g and preliminary compaction of the resistive element with a specific pressure of 0.4 kbar was performed (Fig. 6a).

Полученную заготовку резистивного элемента 1 выпрессовали из пресс-формы 13 так, чтобы она оказалась на ее поверхности (фиг.6а).The resulting blank of the resistive element 1 was pressed out of the mold 13 so that it was on its surface (figa).

Б. Сверху пресс-формы 13 установили шаблон 14 (фиг.6б) с внутренней полостью в виде извилистой структуры для изготовления электроизолирующего слоя 2, повторяющего форму резистивного элемента 1. Шаблон 14 заполнили 10 г порошка стеклокерамики следующего состава:B. On top of the mold 13, a template 14 was installed (Fig.6b) with an internal cavity in the form of a tortuous structure for the manufacture of an electrically insulating layer 2, repeating the shape of the resistive element 1. Template 14 was filled with 10 g of glass ceramic powder of the following composition:

MgOMgO 70%70% BNBn 23%23% бесщелочное стеклоalkali-free glass 7%,7%

Для обеспечения плотности данной стеклокерамики, близкой к теоретической, использовали 4 г оксида магния с дисперсностью от 40 до 150 мкм и 6 г оксида магния с дисперсностью меньше 40 мкм.To ensure the density of this glass ceramic close to theoretical, 4 g of magnesium oxide with a dispersion of 40 to 150 μm and 6 g of magnesium oxide with a dispersion of less than 40 μm were used.

Подпрессовали порошок электроизоляционной керамики при давлении 0,4 кбар.The powder of insulating ceramic was pressed at a pressure of 0.4 kbar.

В. Шаблон 14 удалили и поверх полученной слоистой заготовки установили пресс-форму 15 (фиг.6в) для защитного слоя 3 и заполнили ее 100 г порошка железа с антикоррозионными добавками, в который добавили ПВА в количестве 5%.B. Template 14 was removed and a mold 15 (FIG. 6c) was installed on top of the resulting laminated preform for FIG. 6c and filled with 100 g of iron powder with anti-corrosion additives, to which 5% PVA was added.

Г. Поверх полученной слоистой заготовки установили пресс-форму 16 (фиг.6г) для декоративного покрытия из стеклокерамического порошка следующего состава:G. On top of the obtained laminated preform, a mold 16 was installed (Fig. 6 g) for a decorative coating of glass-ceramic powder of the following composition:

Подпрессовали стеклокерамический порошок при давлении 0,5 кбар.The glass-ceramic powder was pressed at a pressure of 0.5 kbar.

Д. Пресс-форму 16 перевернули и на нижнюю поверхность полученной слоистой заготовки установили шаблон 17 (фиг.6д) для теплоизоляционного покрытия. Шаблон 17 заполнили 20 г порошка стеклокерамики следующего состава:D. The mold 16 was turned over and a template 17 (Fig. 6e) was installed on the lower surface of the obtained laminated blank for a heat-insulating coating. Template 17 was filled with 20 g of glass ceramic powder of the following composition:

MgOMgO 45%45% SiO₂ SiO ₂ 40%40% боросиликатное стеклоborosilicate glass 15%,fifteen%,

Е. Полученную многослойную порошковую структуру компактировали при комнатной температуре при давлении 3,5 кбар.E. The resulting multilayer powder structure was compacted at room temperature under a pressure of 3.5 kbar.

Ж. Спрессованную заготовку нагревательного элемента спекали на воздухе при температуре 1050°С с выдержкой в течение 1,0 часа.G. The compressed billet of the heating element was sintered in air at a temperature of 1050 ° C with holding for 1.0 hour.

З. Поверх слоя указанного слоя 5 теплоизолирующей стеклокерамики нанесли в один слой 6 10 г теплоизоляционной пасты Sealant-1200.H. On top of the layer of said layer 5 of heat-insulating glass ceramics, 10 10 g of Sealant-1200 heat-insulating paste was applied in one layer of 6.

Вес полученного нагревательного элемента мощностью 600 Вт составил 150 г.The weight of the resulting 600 W heating element was 150 g.

Экспериментально измеренный КПД полученного нагревательного элемента составляет величину η=0,92.The experimentally measured efficiency of the obtained heating element is η = 0.92.

Пример 3. Изготовление плоского круглого нагревательного элемента мощностью 300 Вт.Example 3. The manufacture of a flat round heating element with a power of 300 watts.

А. Предварительно созданную пресс-форму 13 для изготовления резистивного элемента, вписанного в квадрат, заполнили указанным порошком в количестве 2 г и провели предварительное компактирование резистивного элемента с удельным давлением 0,4 кбар (фиг.6а).A. A previously created mold 13 for manufacturing a resistive element inscribed in a square was filled with the indicated powder in an amount of 2 g and preliminary compacting of the resistive element with a specific pressure of 0.4 kbar (Fig. 6a).

MgOMgO 80%80% BNBn 10%10% бесщелочное стеклоalkali-free glass 10%,10%,

Для обеспечения плотности данной стеклокерамики, близкой к теоретической, использовали 5 г оксида магния с дисперсностью от 40 до 150 мкм и 5 г оксида магния с дисперсностью меньше 40 мкм.To ensure the density of this glass ceramic close to theoretical, 5 g of magnesium oxide with a dispersion of 40 to 150 μm and 5 g of magnesium oxide with a dispersion of less than 40 μm were used.

Г. Поверх полученной слоистой заготовки установили пресс-форму 16 (фиг.6 г) для декоративного покрытия из стеклокерамического порошка следующего состава:G. On top of the obtained laminated preform, a mold 16 was installed (Fig. 6 g) for a decorative coating of glass-ceramic powder of the following composition:

Подпрессовали стеклокерамический порошок при давлении 0,4 кбар.Glass ceramic powder was pressed at a pressure of 0.4 kbar.

Е. Полученную многослойную порошковую структуру компактировали при комнатной температуре при давлении 3,0 кбар.E. The resulting multilayer powder structure was compacted at room temperature under a pressure of 3.0 kbar.

Ж. Спрессованную заготовку нагревательного элемента спекали на воздухе при температуре 950°С с выдержкой в течение 1,5 часа.G. The pressed billet of the heating element was sintered in air at a temperature of 950 ° C with a holding time of 1.5 hours.

Вес полученного нагревательного элемента мощностью 300 Вт составил 150 г.The weight of the resulting 300 W heating element was 150 g.

Экспериментально измеренный КПД полученного нагревательного элемента составляет величину η=0,9.The experimentally measured efficiency of the obtained heating element is η = 0.9.

Из вышесказанного следует, что разработанный плоский электрический элемент быстрого нагрева имеет ряд преимуществ в сравнении с известными объемными Ni-Cr - элементами:From the foregoing, it follows that the developed flat electric element of rapid heating has several advantages in comparison with the known bulk Ni-Cr elements:

- коэффициент полезного действия 0,9-0.95;- coefficient of performance 0.9-0.95;

- практически односторонний нагрев;- almost one-sided heating;

- время разогрева - не более 5-10 сек;- warm-up time - no more than 5-10 seconds;

- удельная теплоотдача - до 100 Вт/см² в зависимости от свойств среды;- specific heat transfer - up to 100 W / cm ² depending on the properties of the medium;

- высокая степень защиты и надежности;- high degree of protection and reliability;

- компактность и низкая себестоимость.- compactness and low cost.

Из приведенных основных показателей следует, что разрабатываемые плоские нагревательные элементы быстрого нагрева - экспресс-элементы, по основным показателям существенно превосходят параметры известных в настоящее время элементов.From the above main indicators, it follows that the developed flat heating elements of rapid heating - express elements, in terms of basic indicators significantly exceed the parameters of currently known elements.

Применение разработанных электрических элементов быстрого нагрева в различных устройствах позволит снизить примерно в два раза расход энергии в сравнении с традиционными Ni-Cr - элементами, используемыми в настоящее время.The use of the developed electric elements of rapid heating in various devices will reduce energy consumption by about two times in comparison with traditional Ni-Cr elements that are currently used.

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

Источники информации:Information sources:

1. В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомол. Теплопередача, Москва, Энергия, 1975, 486 с.1. V.P. Isachenko, V.A. Osipova, A.S. Sukomol. Heat Transfer, Moscow, Energy, 1975, 486 p.

2. US 6328913, публ. 11.12.2001.2. US 6328913, publ. 12/11/2001.

3. US 5948306, публ. 07.09.1999.3. US 5948306, publ. 09/07/1999.

4. US 6025579, публ. 15.02.2000.4. US 6025579, publ. 02/15/2000.

5. US 6143238, публ. 07.11.2000.5. US 6143238, publ. 11/07/2000.

6. US 6350969, публ. 26.02.2002.6. US 6350969, publ. 02/26/2002.

7. US 4596922, публ. 24.06.1986.7. US 4,596,922, publ. 06/24/1986.

Claims

1. A heating element containing a resistive element with a positive temperature coefficient of resistance, placed in an insulating layer, and a heat-insulating layer, characterized in that the resistive element is made of a composite material based on iron with a specific resistance that increases with temperature from 100 to 200 μOhm · m

2. The heating element according to claim 1, characterized in that the total surface of the resistive element is from 40 to 60% of the area of the entire heating element.

3. The heating element according to claim 1 or 2, characterized in that the resistive element is made in the form of a winding strip of resistive material of width d, consisting of linear sections that have a length not exceeding 10d, and are connected in series by rounded sections, with the axis of symmetry of the resistive element coincide with the axis of symmetry of the heating element.

4. The heating element according to claim 3, characterized in that the winding strip of the resistive element is placed inside the insulating layer, which repeats its shape.

5. The heating element according to claim 1, characterized in that it is additionally provided with a protective layer based on iron powder with a thickness of 0.5 ÷ 1d, which has a shape covering on three sides an insulating layer containing a resistive element.

6. The heating element according to claim 1, characterized in that the insulating layer is made of MgO-based glass ceramics with the following ratio of components, wt.%:

MgO 75-85 Bn 10-15 Alkaline-free glass 5-10

7. The heating element according to claim 6, characterized in that the magnesium oxide has the following composition, wt.%:

MgO with a dispersion of 40 to 150 microns 45-55 MgO with a fineness of less than 40 microns 45-55

8. The heating element according to claim 1, characterized in that the heat-insulating layer is located on the surface of the insulating layer, free from the protective layer, and contains a layer of heat-insulating glass ceramics based on magnesium oxide with the following ratio of components, wt.%:

MgO 40-45 SiO ₂ 40-45 Borosilicate glass 10-20

9. The heating element of claim 8, characterized in that at least one layer of heat-insulating paste, for example Sealant-1200, is laid on top of the specified layer of heat-insulating glass ceramics.

10. The heating element according to claim 9, characterized in that said layer of heat-insulating glass ceramics, together with said layer of paste, is impregnated with a heat-resistant waterproofing silicone fluid.

11. A method of manufacturing a heating element, including the manufacture of a resistive element with a positive temperature coefficient of resistance, the formation of an electrical insulating layer around it, pressing and sintering of the heating element, characterized in that at least one additional protective or insulating layer is applied to the predetermined sections of the formed electrical insulating layer with additional prepressing after applying each layer, and sintering is carried out after lump priming the resulting multilayer structure.

12. The method according to claim 11, characterized in that the resistive element is made of a composite material based on iron with a specific resistance that increases with temperature from 100 to 200 μΩ · m.

13. The method according to claim 11, characterized in that the insulating layer is made of glass ceramic based on MgO with the following ratio of components, wt.%:

MgO 75-85 Bn 10-15 Alkaline-free glass 5-10

using magnesium oxide of the following composition, wt.%:

14. The method according to claim 11, characterized in that, as an additional layer, a protective layer of iron powder is applied so that it covers three sides of the insulating layer.

15. The method according to claim 11, characterized in that as a second additional layer on the surface of the obtained insulating layer, free from the protective layer, apply a layer of heat-insulating glass ceramics based on magnesium oxide with the following ratio of components, wt.%:

MgO 40-45 SiO ₂ 40-45 Borosilicate glass 10-20

16. The method according to claim 11, characterized in that the compression of the multilayer structure of the heating element is carried out in the pressure range from 3 to 4 kbar.

17. The method according to claim 11, characterized in that the sintering of the multilayer structure is carried out in air with exposure for from 0.5 to 2 hours at a temperature in the range from 900 to 1150 ° C.

18. The method according to 17, characterized in that at least one layer of thermal insulation paste, for example Sealant-1200, is laid on top of the specified layer of heat-insulating glass ceramics.

19. The method according to p. 18, characterized in that the specified layer of heat-insulating glass ceramics together with the specified layer of paste is impregnated with a heat-resistant waterproofing silicone fluid.