Электрический нагревательный элемент

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению Совместное закрытое акционерное общество БелТЭН(72) Авторы Говор Геннадий Антонович Лапин Владимир Павлович Шитенков Александр Леонидович(73) Патентообладатели Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению Совместное закрытое акционерное общество БелТЭН(56)5449886 А, 1995.93015165 А, 1995.2005119286 А, 2006.968898, 1982.9260031 , 1997. ГОВОР Г.А. и др. Веснк Гродзенскага дзяржанага унверстэта мя Янк Купалы. - Гродна. - 2003. - Сер. 2. -2. С. 78-83.(57) 1. Электрический нагревательный элемент, содержащий резистивный элемент, керамическую изоляцию и металлическую основу, отличающийся тем, что резистивный элемент выполнен однородным из компримированной и спеченной металлокерамики, содержащей частицы железа, покрытые изолирующим керамическим слоем карбидов железа и оксидов алюминия. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что в резистивном элементе покрытие частиц железа изолирующим керамическим слоем выполнено в результате реакционной диффузии, приводящей к образованию на поверхности частиц железа слоя карбидов железа и оксидов алюминия. 3. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что объем изолирующего керамического слоя покрытия частиц железа в резистивном элементе составляет величину от 1 до 20 вес.от общего веса элемента. 11016 1 2008.08.30 Изобретение относится к технике нагрева пропусканием электрического тока через резистивный элемент с высоким удельным сопротивлением. Известны электрические нагревательные элементы, состоящие из резистивного элемента, изолирующей керамики, металлической основы и ряда других элементов 1. Резистивный элемент нагревательного элемента изготавливается из металлов с положительным значением температурного коэффициента удельного сопротивления при его значении порядка 10-7 Омм и высокой жаростойкостью, таких как тантал, вольфрам, молибден,нихром и некоторых других. Недостатком указанных нагревательных элементов является возможность их окисления резистивного элемента с постепенным увеличением его сопротивления и выходом нагревательного элемента из строя. Кроме того, низкое удельное сопротивление металлических резистивных элементов 10-7 Омм требует изготовления их из проволоки, длина которой достигает десятков метров. Большая длина проволоки приводит к значительному росту размеров нагревательного элемента и распределению излучающего тепла в довольно большом объеме. Известны нагревательные элементы с керамическим резистивным элементом, имеющим полупроводниковую температурную зависимость с удельного сопротивления и его значением от 10-3 Омм и выше 2, 3. Недостатком керамических резистивных элементов является их низкая прочность и возможность неконтролированного увеличения потребляемой мощности вследствие понижения его сопротивления при повышении температуры. Для устранения отрицательного значения температурной зависимости удельного сопротивления резистивного элемента металлические элементы резистивного элемента последовательно соединяются с керамическими элементами 4. Данный патент принят в качестве прототипа предложенному электрическому нагревательному элементу. Недостатком прототипа является низкая надежность узла соединения металлической части резистивного проводника с неметаллической его частью, связанная с его неоднородностью и обусловливающая уменьшение срока его службы. Задачей настоящего изобретения явилось создание однородного по составу резистивного элемента с положительным значением температурного коэффициента удельного сопротивления, характерного для металлов, и удельным сопротивлением порядка 10-3 Омм,свойственным керамическим нагревательным элементам, при достижении механических параметров, близких к металлическим элементам. Поставленная задача в предложенном электрическом нагревательном элементе, содержащем резистивный элемент, керамическую изоляцию и металлическую основу, решена за счет того, что резистивный элемент выполнен однородным из компримированной и спеченной металлокерамики, содержащей частицы железа, покрытые изолирующим керамическим слоем карбидов железа и оксидов алюминия. Покрытие частиц железа изолирующим керамическим слоем выполнено в результате реакционной диффузии, приводящей к образованию на поверхности частиц железа слоя карбидов железа и оксидов алюминия. Объем изолирующего керамического слоя покрытия частиц железа в резистивном элементе составляет величину от 1 до 20 вес.от общего веса элемента. Настоящее изобретение проиллюстрировано следующими фигурами. Фиг. 1 - фотография микроструктуры предложенного нагревательного элемента. Фиг. 2 - рентгенограммы исходной-- С системы нагревательного элемента до спекания (а) и после спекания на воздухе при 900 С. Фиг. 3 - температурные зависимости удельного сопротивления предложенного нагревательного элемента. 2 11016 1 2008.08.30 Предложенный резистивный элемент состоит из металлических частиц, поверхность которых покрыта изолирующим керамическим слоем. На фиг. 1 показана микроструктура предложенного нагревательного элемента. Размер частиц металла колеблется в интервале от 40 до 150 мкм. Толщина изолирующего керамического слоя составляет от 0,1 до 20 мкм. В весовом отношении изолирующая керамическая фаза в зависимости от требуемого значения удельного сопротивления составляет от 0,1 до 20 от общего веса нагревательного элемента. В качестве металлических частиц использовался порошок железа 100.26, а керамическое покрытие формировалось на основе системы-- С. Рентгенограмма исходного состояния нагревательного элемента перед спеканием приведена на фиг. 2.1, на которой видны рефлексы, соответствующие системе-- С. После спекания на воздухе при 900 С в результате реакционной диффузии происходит образование на границах раздела металлических зерен изолирующей керамической фазы на основе карбонатов,карбонилов железа и железоалюминиевых оксидов (фиг. 2.2). Технология изготовления нагревательного элемента включает предварительный процесс изготовления металлических частиц, поверхность которых в результате реакционной диффузии покрывается тонким слоем карбонатов железа и железоалюмооксидных соединений. Следующим процессом является компримирование порошка в пресс-форме с изготовлением нагревательного элемента заданной формы и размеров. Спекание изготовленного нагревательного элемента происходит на воздухе при температуре от 900 до 1200 С в зависимости от последующей рабочей температуры элемента. Температурные зависимости удельного сопротивления предложенного нагревательного элемента для различных значений весового содержания изолирующего керамического слоя приведены на фиг. 3, соответственно для содержания керамической фазы 20(3),12(4) и 8(5). С уменьшением содержания керамической фазы от 20 до 8 вес.изменяется характер проводимости от полупроводникового характера для кривых 1 и 2 к металлическому характеру - кривая 3. Наибольший интерес в применении в качестве резистивного элемента представляет собой нагревательный элемент с металлическим характером проводимости и удельным сопротивлением порядка 10-3 Омм. Увеличение удельного сопротивления нагревательного элемента при сохранении металлического характера проводимости от 10-7 Омм для металлических нагревательных элементов до 10-3 Омм позволяет уменьшить размеры нагревательного элемента и создавать на его основе, например, точечные нагревательные или световые источники. К примеру, заявляемый нагревательный элемент для паяльника в виде разрезного цилиндра с размерами - диаметр 8 мм и длина 5 мм, при мощности от 25 до 50 Вт. В сравнении с предложенным нагревательным элементом проволочный нагреватель для паяльника мощностью 25 Вт имеет размеры - диаметр 10 мм при длине нагревателя 40 мм. Источники информации 1. Патент США 5560851, МПК Н 05 В 003/10, 1996. 2. Патент США 5948306, МПК Н 05 В 003/10, 1999. 3. Патент США 5498855, МПК Н 05 В 003/10, 1996. 4. Патент США 5449886, МПК Н 05 В 003/10, 1995. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4