автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование эксплуатационных характеристик плоских плазменно-напыленных низкотемпературных нагревателей

РГ6 о л

1 1 НОЯ ПШ8

На правах рукописи УДК 629. 356. 9

ЕРШОВ Анатолий Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛОСКИХ ПЛАЗМЕННО-НАПЫЛЕННЫХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ

Специальность: 05.09.10. Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск, 1996г.

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете и Томской архитектурно-строительной академии.

Научный руководитель: - доктор технических наук,

профессор B.C. Чередниченко

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор М.В. Радченко

кандидат технических наук, ст.науч.сотр. li.ll. Лукашов

Ведущая организация АО "СКВ СИБЭЛЕКТРОТЕРМ"

Защита состоится "21 " ноября 19У6 г. на заседании диссертационного Совета Д 063.34.09 в Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, лр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан

ан •//"

1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

II. Алиферов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электротехнологические установки низкотемпературного нагрева промышленного, бытового, коммунального и сельскохозяйственного назначения во все исторические периоды их развития как у нас в стране, так и за рубежом испытывали потребность в совершенствовании систем электронагревателей. Особенностью устройств этого класса является рабочий температурный технологический диапазон, не превышающий 150 "С. Наибольшая потребность в таких злектротехнологических установках имеется в бытовом нагреве (обогрев жилых и производственных помещений), нагреве воды до температуры 60 - 70 °С (коммунальное и сельскохозяйственное производство).

Необходимость массового производства рассматриваемых устройств определяет жесткие требования к себестоимости, материалоемкости, сроку службы, экологичности, электробезопасностн. Актуальность создания таких устройств на новом техническом уровне особенно остро проявилась при энергетическом кризисе и возникших сложностях в централизованном производстве и транспортировке тепловой энергии. 'Несмотря на ряд преимуществ электроис-пользующих систем преобразования энергии (возможность автоматического регулирования подачи тепла и как следствие экономия тепловой энергии), ограничения в применении электроэнергии для различных технологий в большей мере связаны с несовершенством электронагревателей этого назначения.

Созданные в конце 80 - начале 90-х годов плоские электронагревательные системы на основе плазменного напыления тонких электроизоляционных и электропроводящих слоев, нанесенных на теплопроводящую основу, оказались перспективными для создания установок низкотемпературного нагрева. Появление принципиально нового технического решения рассматриваемой проблемы определило актуальность комплексного исследования эксплуатационных характеристик и выработки рекомендаций для их совершенствования.

Целью работы является исследование научно-технических основ работы электронагревательных устройств широкого назначения, изготавливаемых методом плазменной электрогехнологни - напыления электроизоляционных и электропроводящих покрытии на теплопроводную основу.

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Обобщенные технические требования к плоским низкотемпературным нагревателям, включающие возможность работы в условиях стабильности во времени интегрального электрического сопротивления, максимальной мощности при низкой усредненной удельной поверхностной мощности, минимальных температурных перепадов по поверхности нагревателя.

2. Результаты физико-математического и экспериментального изучения электромагнитных процессов в тонких (пленочных) проводниках, показавших равномерность токовых распределений по сечению токонесущих одиночных слоев и возможность принятия постоянства плотности тока в линейных участках нагревателей; установленные неравномерности плотности тока в торцевых частях нагревателей за счет концевых аффектов и линейных частях нагревателей за счет неравномерностей покрытий по толщине.

3. Результаты численных и экспериментальных исследований температурных полей в пленочных плоских нагревательных элементах, включающих выявленные зависимости абсолютных максимальных значений температур и относительных перепадов температуры по поверхности нагревателей от теплофизических параметров подложки и электроизоляционных слоев нагревателя.

4. Установленный теплофизический механизм выхода из строя плоских плазменно-напыленных нагревателей, заключающийся в возникновении электродуговых микроразрядных процессов при линейных температурных расширениях нагревателей и появлении зазоров (трещин) между токонесущими порошковыми областями рабочих массивов нанесенных слоев.

5. Рекомендации по совершенствованию технологии нанесения плазменных электропроводящих покрытий, включающие изменение

технических требований к режимам, дисперсности порошка и введением дополнительной технологической операции - обработки нанесенного слоя ламинарной плазменной струей для повышения монолитности электропроводящего слоя.

Научная значимость и новизна результатов работы состоит в том, что исследован комплекс научных и прикладных задач по новому направлению развития нагревателен для низкотемпературного нагрева, обеспечивающего создание более совершенных электротех-нолопгческих устройств. При этом впервые выявлены определяющие причины катастрофического разрушения электропроводящих тонких слоев, полученных с использованием плазменных технологий; получены новые экспериментальные данные об интегральных и . удельных электросопротивлениях гокоПроводящих нихромовых покрытий и их зависимостях от определяющих параметров (тока, толщины покрытия, температуры).

Разработаны и экспериментально обоснованы электро- и теп-лофизические модели слоистых электропроводных систем, позволяющих проводить исследование режимов работы и оптимизировать конструктивные исполнении таких нагревателен.

' Доказано отсутствие проявления краевых эффектов при распределении протекающего тока в тонких проводящих системах и, как следствие возможности возникновения неравномерности плотности за счет краевых эффектов в линейных частях нагревателя. При этом установлено, что определяющим фактором для проявления неравномерности протекающего тока является возможная разнотол-щинность электропроводящего слоя по длине и ширине. Выявлена роль теплопроводной подложки в формировании тепловых полей и температурных перепадов на теплоотдаюших поверхностях нагревателей.

Совокупность научных результатов позволила решить вопросы, сдерживающие расширение использования новых технических решений для низкотемпературных электротехнолопш.

Методика проведения исследований. Основные результата диссертационной работы получены с. использованием аналитических

н численных методов расчетов нагревателей, физических исследований. Достоверность методов и результатов исследований проверялась путем сравнения с результатами экспериментов на промышленных изделиях.

Практическая ценность работы определяется тем, что она позволила получить обобщенные технические требования к плоским низкотемпературным нагревателям, на основании которых возможно проводить объективные сравнительные оценки различных конструктивных решений и анализ взаимосвязи электротехнологий, используемых при их изготовлении, с эксплуатационными характеристиками. Созданные электро- и теплофизические модели слоистых электропроводных систем и экспериментальные исследования позволили провести совершенствование технологии плазменного нанесения покрытий.

Вклад автора в проведенные исследования состоит в единоличном обосновании общей концепции работы, в формулировании постановки задачи исследований, участии в разработке теоретических положений и анализе результатов, в самостоятельном выборе экспериментальных средств, непосредственном участии в экспериментах и обработке их результатов.

Апробац^ работы. Основные результаты и положения диссертации доложены на Российской научно-технической конференции "Физика низкотемпературной плазмы - ФНТП-95" (Петрозаводск,

1995), научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Новосибирск, 1995), на секции Совета межрегиональной ассоциации "Сибирское соглашение", на научных семинарах Томской государственной архитектурно-строительной академии (Томск, 1993, 1994, 1995) и Новосибирского государственного технического университета (Новосибирск, 1994, 1995,

1996).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 4-х печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, ■ пяти глав, выводов, заключения, списка используемой литературы

из 63 наименований; имеет общий объем 144 стр, включая 49 рис.. и 4 табл.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена рассмотрению состояния и возможности плазменных электротехнологий нанесения покрытий на основе использования порошковых материалов. Анализ выполнен с ориентацией на современные .электротехнологии нанесения электроизоляционных и электропроводных покрытий.

Плазменные электротехнологии нанесения при достигнутых масштабах развития сохраняют тенденции расширения применения в изменяющихся условиях экономики за счет преимуществ перед другими технологиями. На этой основе усиливаются тенденции по созданию новых конструктивных решений с использованием этого технологического метода. Новые конструктивные решения позволяют вывести многие технические устройства на необходимый уровень экологичности,. себестоимости, материалоемкости, что позволило сделать вывод о перспективности широкого использования этого направления технологических решений для создания низкотемпературных устройств.

При изучении известных в литературе результатов, анализе создания электротехнологий низкотемпературных плазменных плоских нагревателей, разработанных в Институте теплофизики СО РАН, было установлено, что практически все технические решения имеют ограничения по работоспособности и эксплуатационным характеристикам. Эти ограничения связаны с выходом из строя нагревателей при превышении режимных параметров по току, температуре и удельным тепловым потокам энергии, отдаваемой нагревателями технологической среде..

Экспериментальные результаты и теоретические оценки эксплуатационных режимов показали необходимость проведения комплексных исследований электромагнитных процессов, протекающих В токопроводящем тонком слое нагревателей, тепловых характеристик многослойной системы нагрева, обобщения этих параметров работы нагревателя и совместного анализа с электротехнологическими режимами нанесения тонких слоев на теплопроводные подложки.

Указанная постановка задач исследования выполнялась с одновременным учетом конкурентоспособности нового низкотемпературного нагревателя по сравнению с известными.

Основное внимание в работе направлено на проблему разработки таких электротехнологических режимов нанесения покрытий, которые бы увеличили срок службы нагревателей в режимах, до 150 "С по температуре, но с максимальными удельными энергиями по поверхности нагревателя. Факторы, лимитирующие ресурс' надежности, сводились к минимизации их влияния за счет роли теплопроводной подложки со снижением абсолютной температуры в области преобразования электрической энергии в тепловую и снижения перепадов температур по всей площади нагревателя.

Для специфических условий теплообмена в слоистой структуре нагревателей необходимо было установить критические плотности тепловых потоков, влияющих на температурные расширения подложки и связанные с ними появления трещин и локальных расстояний между нанесенными частицами в покрытии. Эти задачи определили основную прикладную часть исследований применительно к задачам совершенствования режимов работы и технологии шготов-ления нагревателей.

С отысканием приемлемого способа повышения работоспособности слоистых нагревательных систем связаны разработки рекомендаций по тепловым свойствам подложки и увеличением моно литиости электропроводящего слоя. Это позволило провести постановку задач и их успешное решение при изучении тепловых режи-

мов работы н предельных значений эксплуатационных характеристик.

Во второй главе приводятся общее описания нагревателя как объекта исследовании, его конструкции и схема нагревателя (рис.1). На основе схемы нагревателя формулируются основные научные и прикладные задачи исследований электромагнитных и тепловых условий работы нагревателя.

I II III

Л г г

жщт

г

Рис. 1. Конструкция и схема плоского нагревательного элемента: I - подложка; II - трехслойная композиция нагревателя; III - контакты и токоподвод

Математическая модель теплового состояния плазменно-напылепного электронагревателя (ПНЭ) реализуется на основе решения системы дифференциальных уравнений теплопроводности в каждом напыленном слое и подложке, согласно конструктивной и расчетной схем. В общем виде уравнение теплопроводности в среде с переменными физическими параметрами имеет вид:

где X, с, р - теплопроводность, теплоемкость и плотность; Т - темпе-

_Е2/

ратура нагревательной системы; 4v - /р - объемная мощность

внутренних источников энергии; рэл - удельное электрическое сопротивление материала резистивного слоя; Е - напряженность элек-

трического поля, определяемая посредством решения системы уравнений электродинамики - уравнений Максвелла. В электропроводящей среде, т. е. в резисгивном слое, уравнения Максвелла при- - = дВ иимают следующий вид: го1В = рр0 ) ; ю\Ь = -~; с^уЕ = 0;

ё!уВ = 0.

Для электроизоляционных слоев и подложки внутренние источники теплоты отсутствуют = 0). Поэтому температурный режим ПНЭ можно исследовать при совместном решении системы уравнений электродинамики и дифференциальных уравнений теплопроводности с выбором соответствующих условий однозначности. Такая постановка требует решения трехмерной задачи с переменными физическими свойствами и нелинейными граничными условиями при нестационарном режиме. Из-за большой сложности такой постановки задачи необходимо приведение ее к более простому, разрешимому виду. Это было сделано путем введения ряда обоснованных допущений и ограничений:

1. Нагревательные элементы работают в квазистационарных условиях, на основании чего можно полагать, что в рабочем состоянии ПНЭ находится в условиях стационарного температурного режима.

2. Из-за значительной протяженности резистивного слоя в длину, можно считать, что в рабочей части поле температур слабо зависит от повышенных тепловыделений, наблюдаемых на криволинейных участках и в месте подсоеднненпя токоподвода. Полагая отсутствие градиента температуры по длине ПНЭ, трехмерная задача заменяется двумерной (с распространением теплоты от резистивного слоя только по толщине и ширине многослойной структуры).

3. При расположении нагревателя в горизонтальной плоскости в условиях конвективно-радиационного теплообмена с окружающим свободным пространством воздуха можно пренебречь переизлучением от окружающих тел и считать, что радиационный поток с поверхности определяется законом Стефана-Болццмана.

4. Теплофнзнческие свойства (Я и р) материала напыленных слоев и подложки постоянны и не зависят от температуры, коэффициент теплоотдачи а и степень черноты е постоянны по всей поверхности пнэ.

Допущение о стационарности температурного режима позволило не проводить совместного решения систем уравнений электродинамики и дифференциальных уравнений теплопроводности. Таким образом, для исследовательских целей прикладного характера представляется возможным существенно упростить исходную постановку и в дальнейшем рассмотреть двумерную стационарную задачу теплопроводности с внутренними источниками теплоты и граничными условиями, определяемыми конвективным теплообменом с постоянным коэффициентом теплоотдачи и излучением в свободное пространство.

Третья глава содержит постановку задачи исследования энергетического состояния плоского пленочного нагревательного элемента, изучение распределения параметров электромагнитного поля по сечению резистивного слоя, анализ расчетной схемы, математическую модель электромагнитных процессов в токонесущем слое плоского пленочного нагревателя, анализ результатов расчетов указанной системы нагревателей.

На основании опыта зксплуатащш и предварительных экспериментальных исследований сделан вывод, включающий положения о том, что предельные эксплуатационные энергетические характеристики (удельная поверхностная мощность и максимальная рабочая температура) плоского плазменно-напыленного нагревателя определяются тепло- и электрофизическими процессами, протекающими в подложке и напыленных слоях нагревателя. Интегральные свойства нагревателя определяются взаимосвязанными явлениями и эффектами, анализ которых выполнен в диссертации.

Основные явления и эффекты, наблюдаемые в плоском пленочном нагревателе. Мощность внутренних источников теплоты является функциональной зависимостью плотности тока ) и удельного электросопротивления токопроводящего материала р}л и в соответст-

вш! с законом Джоуля-Ленца может быть представлена по выражению = I2 ■ рм.

На основании анализа физических процессов в тонких слоистых проводниковых системах на основе дифференциальных уравнений Максвелла был сделан вывод о возможности упрощения задачи с введением следующих допущений: глубина проникновения электромагнитной волны значительно превосходит толщину токонесущего слоя; токонесущий слой достаточно длинный и можно пренебречь изменением параметров электромагнитного поля (2?, <уу) по его продольной координате; рассматривать процессы только при синусоидальном токе; пренебречь влиянием близости к токонесущему слою ферромагшггной подложки; считать рл и // в системе по стоянными; представить систему токонесущей пленки и систему то-коподводов в виде осевой шшскосимметрнчной системы.

В работе получено интегродифференциальное уравнение, характеризующее распределение напряженности электрического поля в резистивном слое. Ввиду симметричности расположения обоих слоев исследование и анализ результатов проводился для одного из них:

« (У,-У.)

РоИ-8-Ь „ ц

где « = — - обобщенный комплекс, характеризующий конкретную систему; рзл - удельное электросопротивление материала омического слоя; Ом м; // - относительная магнитная проницаемость вещества между резистивными слоями и токопроводом; ¡ля =4,-т 10 7 Гн/м - магнитная постоянная; 6 - толщина омического слоя, м; Ь - ширина омтеского слоя; Еь = 11/2-1 - напряженность электростатического поля, созданного внешним источником, В/м.

Решение уравнений проводилось численно для квазистицио-нарного режима. Вычисления изменения тока по ширине резистив-иого слоя осуществлялось по закону Ома в дифференциальной форме, а мощности внутренних источников теплоты по закону Джо-уля-Ленца в дифференциальной форме.

Проведенные численные исследования, подтвержденные экс периментальными результатами, позволили сделать выводы и сформулировать следующие рекомендации.

Неоднородность поля по ширине резисгнвного слоя плоского нагревателя становится существенной при значениях параметра N. превышающих 0,05 - 0,1, и сильно зависит ог взаимного расположения нагревателя и токоподвода (обратного проводника) и расстояния между ними. При расположении нагревателя и токоподвода в параллельных плоскостях увеличение расстояния между ними приводт1 к усилению неоднородности в случаях, когда они расположены в одной плоскости с обратными протеканиями токов.

Существенным может оказаться взаимовлияние токов, протекающих в нескольких параллельных дорожках, нанесенных на одну подложку. Уменьшение расстояний между ними приводит к уснле-ншо неоднородности плотности тока.

Если подложка нагревателя выполнена из магнитного материала, то расположение ее между токоподводом и резнстивным слоем может резко увеличить токовую перегрузку токонесущего слоя. По этому располагать элементы токоподвода необходимо так, чтобы омический слой был обращен в сторону токоподвода.

Приведенные выводы следуют из теоретического анализа полученных результатов. В реальных условиях (промышленная частота, правильное размещение нагревателя, когда ц = 1) существующие конструкции пленочных плоских нагревателей (с толщиной омического слоя Л »0,1 мм и шириной Ь = 20 мм) имеют величины относительных параметров Л, = 1-И0 и Л/ = 10б+105. Для такого диапазона изменения параметров N и 1ч не наблюдается существенной неравномерности плотности тока по ширине резистивного слоя (¡„шх/]тт < 1.0001). Аналогичный характер изменения будет

Из приведенного анализа сделаны следующие выводы: - на прямолинейных участках плоских пленочных нагревательных элементов, эксплуатируемых на промышленной частоте,

обеспечивается равномерное распределение плотности тока и напряженности электрического поля по сечению омического слоя; в связи с этим исключается из причин разрушения многослойной пленочной структуры неравномерность напряженности электрического поля в омическом слое;

- плоские нагревательные элементы имеют на промышленной частоте равномерное распределение мощности внутренних источников теплоты *7у по сечению резистивного слоя, поэтому при разработке тепловой модели можно считать <7У постоянным и равным среднему по сечению значению удельной мощности, т.е.

ш

В четвертой главе изложены методические вопросы и результаты численного моделирования поля температур в ПНЭ в зависимости от нескольких варьируемых факторов, а также изменения температурных эффектов, влияющих на эксплуатационную надежность.

С учетом допущений, принятых при общей постановке задачи, тепловое состояние ПНЭ можно представить системой дифференциальных уравнений теплопроводности и граничных условий, записанных для каждой пластины в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис. 2.

с>2Т, 8%

Пластана 1: ^2 +

Граничные условия:

- на свободной поверхности, контактирующей с воздушной средой,

ат,

л,

ду

= а'(Т|П0„ ) + е,ст-Т}(

1пов>

на торцах пластины

. зт,

дх

х>о

дТ, Эх

= МТ1|Х,0-Тч,)+е|<Т-Т?М1; = «-(Т1М-Тср) + е1стТ?М1;

£

.у,

О

.г

Рис. 2. Расчетная схема плоского нагревательного элемента: 1 - подложка: 2 и 4 - электроизолирующие слои (АЬ^Оз): 3 - резистивный слой

на границе с пластиной 2

Пластина 2:

ах2 ду2

= 0.

У

I.

Граничные условия: - на торцах пластины

31

4=1,

= «-(Т2М1-Тср) + е2ст-Т24Мз;

дх

"='1+11

- на границах с пластинами 1 и 3

= а • (Т2М,+Ь - Тср) + е2СТ • ТгМИ, ■

>ду

ет,

ду

; А.2

д\\

ду

ОТ, ду

Пластина 3:

^Т, с?2Т3 ду(х) ах2 ау3 х,

Граничные услов1м: - на торцах пластины

Х^Ц

= а •(тз1х=1) -Тср) + Ега

ЭТэ ' дх

х=1,+1г

= «" (Т^хх!,^ - Т^ ) + е3ст • >+,2;

- на границах с пластинами 2 и 4

ОТ, ду

ву

: :кзеу

=к4-

ду

Пластина 4:

<РГ4

ах2 + ау2 "ц

Граничные условия: - на свободной поверхности

-А..

ЭТ, <5х

= а - 'Г ) + е4а • Т4)П

- на торцах пластины

ат4

к

дх

ч=1,

' дк

на границах с пластиной 3

. гг.

: а ■ (Тцк^-и, - тч>) + с,сг • •

^ Л-

¿Т,

«Эу

Данная задача исследована численным методом с использованием широко применяемого для решения нелинейных уравнений те п.то- и массопереноса метода конечных разностей. Полученные при атом разностные схемы решены на ПЭВМ методом прогонки.

Результаты численного эксперимента получены в виде графи ков поля температур по ширине Г1НЭ в зависимости от варьируемых факторов (вид материала, толщина и теплопроводность слоев). Анализ профиля температур дает основание для оптимизации конструкции и геометрических параметров ПНЭ.-На рис. 3 приведены результаты расчетом температурных полей в слоистом нагревателе по ширине положки в зависимости от ее теплопроводности (Я - Бт/(м-К)) при — 2 мм, 5;>-- Бу— 84 — 0,1 мм и при различных

Приведенные результаты показывают, что с точки зрения эффективной работы нагревателей целесообразно выполнять подложку

а 6

Рис. 3 Распределение температуры по ширине подложки при постоянном значении А,,- 5, (Вт/К) при различных <7, (а) и зависимость от теплопроводности X, при 5,= 2мм, 5,= 5,= 5,= 0.1мм и постоянных Х3, (6)

--г— .

1ср Ч

'. 1.3 -:--;----

1.1 —-----——

0.9---

0.7 -----

I

0.51 !

0.05 0.10 0.15 0.20 6,мм 1 2 3 4 N

Рис. ' 4 Экспериментальная Рис. 5 Зависимость распределе-З'Ншсимость величины удель- ния напряженности электричес-иого сопротивления нихромовой кого поля и плотности тока по пленки ош ее толщины . ширине зоны изгиба резистив-

иой дорожки нагревателя

с максимальным значением теплопроводности и толщины. Это при водит к минимизации перепадов температуры и, следовательно, к возможности увеличения абсолютной мощности нагревательной пластины.

В пятой главе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований рабочих характеристик плоских нагревателей, включающих изучение эксплуатационных характеристик (вольт-амперные характеристики и зависимости температуры от мощности, потребляемой нагревателем), зависимости распределения параметров электромагнитного и температурного полей по ширине резистивного слоя (рис. 4, 5). Кроме этого, приведены исследования структуры многослойного покрытия и определены результаты предельных режимов работы. Установлено, что вольт амперные характеристики совпадают в пределах точности измерения (до 1 %) при работе нагревателя при постоянном и переменном токе. Показано, что температура в центре резистивного слоя зависит от равномерности по толщине покрытия и может достигать неравномерности по температуре в пределах 50 "С. При исследовании электрического и температурного полей в торцевых зонах нагревателей установлены закономерные неравномерности этих полей от конфигурации токонесущего поля (концевые эффекты плоских нагревателей). Эти явления могут служить причинами аварийного выхода из работы нагревательных систем.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что разрушение пленочных нагревателей за счет наибольшей вероятности по явления микродуг в пленочной структуре имеют области нагревателя с повышенным значением напряженности электрического поля и температуры (на криволинейном участке - это внутренняя облаете изгиба, на прямолинейном - наиболее ослабленная и термически на пряженная, т. е. близкая К краю слоя).

Основные выводы:

1. Можно считать доказанным, что для изготовления нового типа низкотемпературных нагревателей для крупномасштабного применения в областях, требующих нагрева до температуры 150-

-180 °С, целесообразно использовать электротехнологни плазменного напыления покрытий с формированием тонких электроизоляционных и электропроводных слоев на токопроводящей подложке (основе).

2. Установлено, что по сечению напыленных слоев (омических и диэлектрических) формируется равномерное температурное поле с максимальной неоднородностью не более 1-2 %.

3. Доказано, что по ширине подложки при теплопроводности X < 120 Вт/(м°С) возникают значительные температурные градиенты, которые могут стать источниками разрушения многослойной структуры за счет неравномерного линейного расширения подложки.

4. Установлено, что для исследованной слоистой структуры низкотемпературного нагревателя существенна зависимость неоднородности температурного поля подложки от соотношения ее коэффициентов теплопроводности и толщины; снижение теплового сопротивления по ширине подложки приводит к интенсификации теп-лоотвода из области резистивного слоя в результате чего возникает выравнивание поля температур в подложке, и одновременно понижается уровень температуры в омическом слое, что обеспечивает возможность увеличения абсолюгной мощности нагревательных элементов, повышая их среднюю удельную мощность при сравнительно невысокой температуре токонесущего слоя; наиболее существенно подобное явление проявляется для металлических подложек при произведении Коэффициента теплопроводности иа толщину подложки, превышающем AS — 0,12 Вт/К; в практике создания плоских нагревателей подобный эффект обнаружен впервые.

5. Показано, что при выполнении подложки из керамических материалов (Л = 1+10 Вт/м К) практически невозможно получить требуемую равномерность температуры по ширине нагревателя, если омический слой не покрывает всю рабочую поверхность подложки; установленная конструктивная особенность нагревателей с керамической подложкой указывает на то, что при одинаковом уровне предельной рабочей темгю/х-гтуры они должны обладать меньшей

удельной поверхностной мощностью, чем нагреватели с металлической подложкой. Эта особенность не позволяет нагревателям на ке рамической основе выполнить с приемлемыми экологическими тре бованнямн.

6. Для повышения срока службы исследованного тина низкотемпературных' нагревателей рекомендовано ввести в электротехно логию изготовления дополнительную операцию - после нанесения резнгшвного слоя электронагревателя произвести дополнительное оплавление этого слоя ламинарной плазменной струей для повыше ния монолитности в областях, сформированных из крупно порошковой структуры слоя.

7. Технология нанесения электроизоляционного слоя может формироваться независимо от тепловых условий работы системы.

8. С целью уменьшения термических напряжений, возникающих за счет различных величин коэффициентов линейного расширения у материалов многослойного нагревателя, в пределах общей толщины электроизоляционного слоя до 1 мм следует наносить буферные слои.

9. Доказано, что поле температур в подложке за пределами ре знстивного слоя будет одинаковым, если выдерживать одинаковое значение произведения Аи5 подложки; выявленное условие имеет существенное значение при проведении оптимизации конструкции и геометрических параметров плоских нагревателей.

10. Теоретически и экспериментально доказано, что на прямолинейном участке по ширине резистивного слоя практически отсутствует проявление краевых эффектов и можно считать плотность тока в электропроводном слое постоянной; на криволинейных участках резистивных дорожек формируется неравномерное распределение плотности тока, напряженности электрического поля и температуры по ширине омического слоя; такая неоднородность может быть причиной разрушения токонесущего слоя по внутреннему краю изгиба; поэтому для повышения работоспособности пленочных нагревателей следует отдавать предпочтение их конструктивному исполнению с прямолинейными дорожками напыления.

11. На прямолинейных участках напыленного резистивного слоя может существовать значительная неравномерность плотности тока по ширине слоя, вызванная разнотолщинностыо омического слоя (0,05 +1,2 мм) и зависимостью удельного электросопротивления нагреваемой пленки от толщины покрытия.

Заключение. Анализ теоретических и экспериментальных исследований показал, что основные причины разрушения пленочных нагревателей, созданных с использованием плазменных технологий нанесения покрытий, связаны с отсутствием комплексного подхода к выбору материала подложки, электроизоляционных и резистив-ных слоев, обладающих существенно отличающимися по величине коэффициентами линейного расширения.

Развитию этих же процессов выхода из строя нагревателей способствует возможное неравномерное (некачественное) по толщине нанесения слоев покрытий за счет использования ручных методов изготовления нагревателей. Автоматизация и механизация электротехнологического процесса позволит повысить качество нагревателей по всем эксплуатационным параметрам.

Для повышения работоспособности плоских пленочных нагревателей следует при их конструировании использовать материалы многослойной структуры нагревателя с близкими по значениям контактирующих слоев коэффициентами линейного расширения; омический слой выполнять с учетом зависимости удельного электрического сопротивления от толщины резистивного слоя, а тепловое сопротивление подложки (А • S) выбирать исходя из минимума градиента температуры по ширине подложки.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Алиферов А.И., Казанов A.M., Ершов A.A. Экспериментальные характеристики резнстивных плоских электронагревателей// Электротехнологические процессы и установки. - Новосибирск: Инс-т теплофизики СО РАН. - 1995.

2. Алиферов А.И., Ершов A.A., Юдин Б.И. Экологические нагревательные элементы для обогрева помещений // Экологически

перспективные системы и технологии. Сб. науч. тр. - Новосибирск. НГТУ, 1996.

3. Чередниченко B.C., Алиферов А.И., Ершов A.A. Оптимизация эксплуатационных характеристик плоских напыленных нагревательных элементов // Сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. "Проблемы комплексного развития регионов Казахстана". - Павло дар: ПГУ, - 1996.

4. Ершов A.A., Урбах Э.К., Фалеев В.А., Чередниченко B.C. Плазменное напыление резистнвных слоев ленточных электронагревателей // Физика низкотемпературной плазмы: Материалы междунар. конфе., ч. 3, - Петрозаводск: ПГУ, - 1995.

Анатолий Алексеева Ершов Исследование эксплуатационных характеристик плоских плазменно-напыленлых низкотемпературных нагревателей

, Автореферат

Редактор Н.Ф. Фабричная

Подписано к печати 07. 10.96 г. Формат бумаги 60 х 84 1/16 Бумага офсетная. Тираф 100 экз. Уч.-изд. л. 1,3. Печ. л. 1,5 _______Заказ № НЗ ■________

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического унивеситега 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20