Электронагревательная плита

05 3/30 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(73) Патентообладатель Левин Андрей Рафаилович(57) Электронагревательная плита, содержащая корпус, по крайней мере, с одним каналом с установленным в него с натягом нагревательным элементом, состоящим из электрорезистивного материала, помещенного в теплопроводящий изолятор, отличающаяся тем, что теплопроводящий изолятор выполнен из материала,обладающего холодной текучестью или ползучестью и усадкой при повышении температуры, при которой величина приращения толщины нагревательного элемента не менее модуля разности величин теплового расширения канала и нагревательного элемента в диапазоне рабочих температур плиты, при этом величина натяга не менее суммы высот микронеровностей сопрягаемых поверхностей канала и нагревательного элемента. 4541 1 Изобретение относится к средствах электрического нагрева, в частности, к электронагревательным плитам, и может быть использовано в горячих прессах. Известна электронагревательная плита, содержащая корпус с каналами, в которые помещены нагревательные элементы, изготовленные из электрорезистивного материала, помещенного в теплопроводящий изолятор. Теплопроводящий изолятор (например, периклазовый порошок) заполняет все сечение между поверхностью электрорезистивного материала и внутренней поверхностью канала 1. Корпус плиты имеет большую жесткость, обеспечивающую ее эксплуатацию при больших (сотни и тысячи тонн) нагрузках. Недостатками описанной плиты являются ее низкая надежность и долговечность при работе с большими изгибными знакопеременными нагрузками, а также плохая ремонтопригодность. Известна также электронагревательная плита 2, по крайней мере с одним каналом. В канал по посадке с натягом установлен нагревательный элемент с теплопроводящим изолятором из эластичного материала. Величина натяга не менее модуля разности величин теплового расширения канала и нагревательного элемента в диапазоне рабочих температур плиты, увеличенного на сумму высот микронеровностей сопрягаемых поверхностей. Использование для создания стабильного теплового контакта между тепловыделяющим электрорезистивным материалом нагревательного элемента и корпусом плиты упругих свойств эластичного теплопроводящего изолятора позволило увеличить надежность и долговечность плиты при работе с большими изгибными знакопеременными нагрузками, обеспечить ее разборность и вследствие этого улучшить ее ремонтопригодность. Описанная конструкция является прототипом настоящего изобретения. Недостатком прототипа является его высокая стоимость, обусловленная высокой стоимостью материалов эластичных теплопроводящих изоляторов, например керамикополимерных композиций на основе кристаллического нитрида алюминия, получаемого по взрывной технологии, и кремнийорганических каучуков. Изобретение решает задачу снижения стоимости электронагревательной плиты. Эта задача решается за счет того, что, согласно изобретению, электронагревательная плита содержит, как и прототип, корпус с каналом, по крайней мере одним, с установленным в него с натягом нагревательным элементом, состоящим из электрорезистивного материала, помещенного в теплопроводящий изолятор. В отличие от прототипа теплопроводящий изолятор выполнен из материала, обладающего холодной текучестью или ползучестью и усадкой при повышении температуры, при которой величина приращения толщины нагревательного элемента не менее модуля разности величин теплового расширения канала и нагревательного элемента в диапазоне рабочих температур плиты, при этом величина натяга не менее суммы высот микронеровностей сопрягаемых поверхностей канала и нагревательного элемента. Сопряжение канала и нагревательного элемента с указанным натягом гарантирует, при усилии сжатия сопрягаемых поверхностей не менее предела текучести или ползучести материала теплопроводящего изолятора, полный контакт теплопередающих поверхностей при температуре окружающей среды, а приращение толщины нагревательного элемента., за счет усадки изолятора, на величину не менее модуля разности величин теплового расширения канала и нагревательного элемента обеспечивает сохранение этого контакта при нагреве плиты в рабочем диапазоне температур. Такая конструкция электронагревательной плиты позволяет получить экономический результат, состоящий в снижении ее стоимости, за счет использования для изготовления теплопроводящего изолятора более дешевых, по сравнению с прототипом, материалов. Изобретение иллюстрируется чертежом, где показано на фиг. 1 - вариант конструкции электронагревательной плиты с плоским нагревательным элементом, виды в плане и сбоку на фиг. 2 - вариант конструкции электронагревательной плиты с круглым нагревательным элементом, виды в плане и сбоку. Согласно изобретению, электронагревательная плита содержит разъемный корпус 1 с каналом, в котором установлен с натягом нагревательный элемент 2, состоящий из электрорезистивного материала 3, помещенного в теплопроводящий изолятор, выполненный из материала, обладающего холодной текучестью или ползучестью и усадкой при повышении температуры. Величина приращения толщины нагревательного элемента, за счет усадки изолятора, не менее модуля разности величин теплового расширения канала корпуса 1 плиты и нагревательного элемента 2 в диапазоне рабочих температур, а величина натяга не менее суммы высот микронеровностей сопрягаемых поверхностей канала корпуса 1 и нагревательного элемента 2. Описанная плита работает следующим образом. При протекании электрического тока через электрорезистивный материал 3, за счет рассеивания мощности на его активном сопротивлении, в нем выделяется тепло. Тепловой поток проходит через теплопроводящий изолятор к внешней поверхности нагревательного элемента 2, сопряженной с корпусом 1 плиты по посадке с натягом, обеспечивающим, за счет холодной текучести или ползучести материала теплопроводящего 2 4541 1 изолятора, хороший тепловой контакт сопрягаемых поверхностей при температуре окружающей среды. При увеличении температуры высота канала в корпусе 1 плиты, вследствие теплового расширения, и толщина нагревательного элемента 2, вследствие теплового расширения и усадки теплопроводящего изолятора, увеличиваются. Поскольку материал теплопроводящего изолятора выбран таким, что величина приращения толщины нагревательного элемента за счет усадки изолятора не менее модуля разности величин теплового расширения канала и нагревательного элемента в диапазоне рабочих температур плиты, то хороший тепловой контакт сохраняется во всем рабочем диапазоне температур и тепловой поток от внешней поверхности нагревательного элемента 2 проходит к внутренней поверхности канала корпуса 1 плиты с минимальными потерями. Перенос тепла на наружные рабочие поверхности корпуса 1 плиты происходит за счет теплопроводности корпуса 1. Так, при изготовлении корпуса 1 электронагревательной плиты из стали (коэффициент теплового линейного расширения 11110-6 1/град) с каналом прямоугольной формы высотой Н 0,8 мм, а теплопроводящего изолятора из политетрафторэтилена (коэффициент теплового линейного расширения 210-4 1/град) при толщине изолятора В 0,3 мм и при изменении температуры плиты от 120 С до 2150 С величина приращения толщины нагревательного элемента 1, согласно изобретению, должна быть не менее 1(1-2)(2-1)(0,81110-6-0,310-4) (150-20)2,7610-3 мм ,где 1 - величина приращения толщины нагревательного элемента за счет усадки изолятора при повышении температуры Н - высота канала в корпусе плиты при температуре 1 1, 2 - коэффициенты теплового линейного расширения корпуса плиты и теплопроводящего изолятора соответственно В - толщина теплопроводящего изолятора после установки нагревателя в канал корпуса плиты при температуре 1 1 - температура плиты в холодном состоянии 2 - рабочая температура на поверхности канала корпуса плиты (на наружной поверхности изолятора). При высоте микронеровностей сопрягаемых поверхностей канала корпуса 1 плиты и нагревательного элемента 2 Нмо 2,510-3 мм величина натяга 2 при установке нагревательного элемента в канал корпуса плиты, согласно изобретению, должна быть не менее 24 Нмо 42,510-310-2 (мм),где В 2 - величина натяга при установке нагревательного элемента в канал корпуса плиты Нмо - высота микронеровностей каждой из сопрягаемых поверхностей нагревательного элемента и корпуса плиты. Если в исполнении по фиг. 1 электрорезистивный материал 3 выполнен в виде углероднотканевой ленты толщиной Вэ 0,5 мм, а теплопроводящий изолятор изготовлен из ориентированного политетрафторэтилена толщиной Во 0,4 мм, фактическая толщина нагревательного элемента 2 в холодном состоянии Вно (до установки в плиту) составит ВноВэВо 0,50,40,9 . При установке такого нагревательного элемента в канал плиты высотой Н 0,8 мм фактическая величина натяга в сопрягаемых элементах 2 составит В 2 фВно - Н 0,9-0,80,1 (мм). Так как величина натяга 22, то за счет холодной текучести или ползучести теплопроводящего изолятора обеспечивается полный контакт теплопередающих поверхностей нагревательного элемента 2 и корпуса 1 плиты. При этом, при отсутствии сжатия электрорезистивного материала 3, толщина теплопроводящего изолятора В уменьшится на величину натяга 2 и составит ВВо - 20,4-0,10,3 (мм). Учитывая, что электрическая прочность политетрафторэтилена составляет 30 МВ/м, электрическая прочность теплопроводящего изолятора при толщине 0,15 мм (В/2 с каждой из сторон электрорезистивного материала) составит 4500 В, что для большинства практических случаев гарантированно обеспечивает электрическую изоляцию токопроводящих частей нагревательного элемента 2 от корпуса 1 плиты. Поскольку фактическая величина приращения толщины 1 за счет усадки ориентированного политетрафторэтилена при его нагреве достигает 50 от его толщины в холодном состоянии, то при толщине В 0,3 мм она составит 1 В 0,50,30,50,15 (мм)1,510-4 (м),т 11. Величину перегрева ( - 2) внутренней поверхности теплопроводящего изолятора над наружной, при толщине изолятора В 1,510-4 м, изготовленного из ориентированного политетрафторэтилена (коэффициент теплопроводности 0,23 Вт/(мград, сопряженного со стальным корпусом плиты площадью 1 м 2,при максимальной, используемой в реальных электронагревательных плитах, величине теплового потока Р 19300 Вт, определим по закону Фурье, согласно которому 3 4541 1 Р( - 2)/,где- коэффициент теплопроводности материала теплопроводящего изолятора- температура внутренней поверхности теплопроводящего изолятора, сопряженной с электрорезистивным материалом 2 - рабочая температура на поверхности канала корпуса плиты (на наружной поверхности изолятора)- площадь поверхности теплопроводящего изолятора, сопряженная с корпусом плиты В - толщина теплопроводящего изолятора, установленного в канал корпуса плиты,откуда ( - 2)/19300,510-4/(0,231)12,6. При максимальной длительно допустимой рабочей температуре политетрафторэтилена 260 С температура 2 на внутренней поверхности канала корпуса плиты может достигать 2- 12,6260 - 12,6247,4 (С) ,что для большинства практических случаев является приемлемым. Таким образом, из приведенного выше примера видно, что при реально выполнимых требованиях к конструкции электронагревательной плиты, в реально необходимом диапазоне рабочих температур, при использовании известных, более дешевых чем в прототипе, материалов для изготовления теплопроводящего изолятора, возможно обеспечить сопряжение теплопередающих поверхностей нагревательного элемента 2 и корпуса 1 нагревательной плиты по посадке с натягом, при котором плотный контакт между ними, достигнутый за счет холодной текучести или ползучести изолятора, поддерживается в рабочем диапазоне температур плиты за счет превышения величины приращения толщины нагревательного элемента при термической усадке теплопроводящего изолятора модуля разности теплового расширения канала и нагревательного элемента, обеспечивая возможность поддержания максимальной величины теплового потока на участке электрорезистивный элемент 3 - корпус 1 плиты. Поскольку в приведенном примере теплопропроводящий изолятор изготавливается из тонких пленок политетрафторэтилена, имеющих ничтожно малую жесткость на изгиб, большое удлинение при растяжении и большие деформации при сжатии, то такая плита может эксплуатироваться при больших изгибных знакопеременных нагрузках, а разборность корпуса обеспечивает ее хорошую ремонтопригодность. Источники информации 1. Афанасьев П.С. Конструкции и расчеты деревообрабатывающего оборудования. - М., 1970. - С. 393,рис. 252 г. 2. Патент РБ 2152 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.