Budowa grzałki silikonowej
Elastyczne elementy grzejne składają się z materiału oporowego, materiału izolacyjnego, primera, wyprowadzeń prądowych i spoiwa lutowniczego. Mogą być one rozbudowane o części pozwalające na dostosowanie ich do przeznaczenia danego elementu grzejnego. Są to przede wszystkim części montażowe, części kontrolujące temperaturę oraz części izolujące cieplnie element. Dodatkowa izolacja cieplna ma na celu ukierunkowanie działania elastycznego elementu grzejnego.
Materiał oporowy
Materiał oporowy jest częścią elementu grzejnego odpowiedzialną za jego rozgrzewanie się. Materiał oporowy w zależności od zastosowania może być w postaci drutu oporowego, skrętki oporowej (uformowanego drutu oporowego) lub ścieżki oporowej. Materiał oporowy rozgrzewa się pod wpływem przepływu przez niego prądu elektrycznego, w związku z czym musi posiadać odpowiednie do zastosowania właściwości fizyczne, takie jak opór właściwy oraz współczynnik temperaturowy rezystancji. Jako materiał oporowy najczęściej wykorzystywane są stopy metali oraz włókna węglowe. W przypadku stopów metali są to przede wszystkim stopy zawierające nikiel i/lub chrom, rzadziej stale austenityczne (np. stop AISI 304). Druty oporowe są wytwarzane głównie ze stopów typu Kanthal oraz Nikrothal. Typ Kanthal obejmuje stopy z żelaza, chromu i glinu (FrCrAl). Zaletami stopów z grupy Kanthal względem stopów z grupy Nikrothal są:
- wyższe maksymalne temperatury pracy w powietrzu (do 1400 °C),
- lepsza trwałość długoterminowa,
- wyższe dopuszczalne obciążenie powierzchniowe,
- lepsze właściwości tlenków powstających w trakcie utleniania się stopu,
- niższa gęstość,
- wyższa oporność,
- wyższa granica plastyczności [1],
- przykładowe stopy z tej grupy to:
- Kanthal A-1,
- Kanthal APM,
- Kanthal D.
Typ Nikrothal obejmuje stopy niklu i chromu (NiCr). Zaletami stopów z grupy Nikrothal względem stopów z grupy Kanthal są:
- wyższa wytrzymałość na pełzanie w wysokich temperaturach,
- lepsza plastyczność po długim okresie pracy,
- wyższa emisyjność,
- niemagnetyczność,
- wyższa odporność na korozję w temperaturze pokojowej [1],
- przykładowe stopy z tej grupy to:
- Nikrothal 80,
- Nikrothal 60,
- Nikrothal 20.
Dodatkowo poza Kanthalem i Nikrothalem można wyróżnić typy CuNi (stopy miedzi i niklu) oraz NiFe (stopy niklu i żelaza), te jednak są rzadziej spotykane i rzadziej wykorzystywane. Ścieżki oporowe w elastycznych elementach grzejnych wytwarzane są w procesie trawienia z folii ze stopów metalicznych, przede wszystkim Inconel 600. Inconel 600 to stop składający się przede wszystkim z niklu (min. 72%), chromu (min. 14%) oraz żelaza (min. 6%). Ścieżki oporowe w elementach grzejnych innych niż elastyczne mogą być wykonane ze spiekanej pasty przewodzącej prąd.
Materiał izolacyjny
Jednym z podstawowych materiałów konstrukcyjnych elastycznego elementu grzejnego jest izolator. Materiał izolatora ma na celu nadanie elementowi grzejnemu elastyczności jak również odpowiedniego bezpieczeństwa elektrycznego. Najczęściej spotykanym typem materiału izolacyjnego w przypadku elastycznych elementów grzejnych jest guma silikonowa. Guma silikonowa zapewnia odpowiednie właściwości izolacyjne, elastyczne i wytrzymałość mechaniczną. Silikon charakteryzuje się również bardzo dobrą odpornością chemiczną. Przykładowa guma silikonowa wykorzystywana jako materiał izolacyjny dla elastycznego elementu grzejnego charakteryzuje się temperaturą pracy w zakresie od -50 °C do 220 °C oraz wytrzymałością dielektryczną w zakresie od 16 do 39 kV/mm [2]. Na rysunku 1 przedstawiono budowę zbrojonej gumy silikonowej o następujących warstwach: niezwulkanizowana guma silikonowa, zbrojenie z włókna szklanego, zwulkanizowana guma silikonowa.
Rysunek 1. Schemat ułożenia warstwa w materiale Arlon 51276R015 [3].
Primer
Primer to środek promujący adhezję niezwulkanizowanego silikonu lub silikonowego środka klejącego do powierzchni metalicznych. Przeznaczeniem primera jest polepszenie adhezji silikonu lub przyśpieszenie procesu narastania adhezji do metalu. Zastosowanie primera gwarantuje silne połączenie silikonu do powierzchni metalicznej.
Wyprowadzenia prądowe
Wyprowadzenia prądowe to przewód lub przewody doprowadzające energię elektryczną do elastycznego elementu grzejnego. Istnieje wiele różnych typów przewodów zasilających. Każdy przewód charakteryzuje się kilkoma cechami:
- typ: 1-żyłowy, 2 żyłowy, 3 żyłowy lub więcej;
- pole powierzchni przekroju poprzecznego: 0,50 mm2, 0,75 mm2, 1,0 mm2, 1,5 mm2;
- materiał przewodzący: miedź czysta lub z pokryciami, nikiel, srebro;
- materiał izolujący: silikon, silikon wysokotemperaturowy, włókno szklane, teflon itp.
W celu dobrania odpowiedniego przewodu do danego modelu elementu grzejnego poza konstrukcją (np. uziemienie) należy kierować się względami dopuszczalnego obciążenia i wymaganiami wobec izolacji przewodu Wyprowadzenia prądowe są montowane do elastycznego elementu grzejnego. Obecnie najpowszechniej stosowaną metodą montażu wyprowadzeń prądowych do elastycznych elementów grzejnych jest lutowanie miękkie. Lutowanie to metoda trwałego łączenia elementów metalowych za pomocą metalowego spoiwa o temperaturze topnienia niższej niż temperatura topnienia łączonych elementów. Lutowanie miękkie charakteryzuje się temperaturą lutowania poniżej 450 °C. Do lutowania miękkiego wykorzystuje się stop lutowniczy. Główną grupę stopów lutowniczych stanowią stopy cyny, charakteryzujące się stosunkowo niską temperaturą topnienia: od około 180 °C do 250 °C w zależności od stopu. Najpopularniejszymi stopami lutowniczymi cyny są:
- stopy cyny z ołowiem (tzw. „cyna ołowiowa”): Sn60Pb40, Sn63Pb37, Pb50Sn50;
- stopy cyny z miedzią: Sn97Cu3, Sn99,3Cu0,7;
- stopy cyny ze srebrem i miedzią: Sn96,5Ag3Cu0,5, Sn99Cu0,7Ag0,3.
Spoiwa lutownicze do lutowania miękkiego występują w postaci drutów lutowniczych o różnych średnicach, płaskowników lub prętów.
Elementy dodatkowe
Do konstrukcji podstawowego elastycznego elementu grzejnego mogą być dodane dodatkowe części, rozbudowując go i dostosowując do docelowego miejsca pracy i przeznaczenia. Do elementów dodatkowych zalicza się:
- elementy montażowe – są to wszystkie dodatkowe części umożliwiające zamontowanie elastycznego elementu grzejnego w miejscu przeznaczenia, np.: sprężyny napinające, haki, taśmy samoprzylepne typu PSA (ang. Pressure Sensitive Adhesive), metalowe oczka, plastikowe opaski zaciskowe;
- elementy sterujące pracą elementu grzejnego – wszystkie dodatkowe części pozwalające na pośrednie lub bezpośrednie sterowanie pracą elementu grzejnego poprzez kontrolę temperatury na jego powierzchni, np.: termostaty bimetalowe, termistory, kontrolery temperatury, czujniki PT100, termopary, czujniki PTC lub NTC;
- izolatory cieplne – dodatkowe materiały izolujące cieplnie mające za zadanie ukierunkowanie grzania elementu, w tym celu stosowane są między innymi dodatkowe warstwy spienionego silikonu.
Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy silikonowy element grzejny wyposażony w sterowanie temperatury oraz sprężyny napinające.
Rysunek 2. Silikonowy element grzejny wyposażony w sterownik temperatury oraz napinające sprężyny umożliwiające montaż w postaci opaski [źródło własne].
Bibliografia:
- Kanthal Handbook – Heating Alloys for Electric Household Appliances, Kanthal AB, 2003;
- Arlon – Flexible Heater Substrate Guide, Rogers Corporation;
- ARLON FLEX HEATER SUBSTRATE SPECIFICATION 51276R015 – karta techniczna
T.D.
Specjalista ds. Badań i Rozwoju
Selfa GE S.A.
