eng
Выпуск #4/2002
И.Смыслов.
Новые возможности передовой технологии. Позисторные нагреватели
Новые возможности передовой технологии. Позисторные нагреватели
Просмотры: 7699
Позисторы – один из типов многочисленных терморезисторов, технология которых хорошо отработана. Поэтому, казалось бы, они не могут представлять интереса с точки зрения внедрения передовой технологии и получения большой прибыли. Но благодаря своим характеристикам позистор может найти весьма широкое и прибыльное применение, в частности в качестве нагревательного резистора, способного точно поддерживать заданную температуру без вспомогательных управляющих приборов. Рассмотрим возможности такого нагревательного устройства на примере вероятной беседы предпринимателя (П), стремящегося получить высокие прибыли в результате реализации нового изделия, и изобретателя (И), предлагающего это изделие.
П. Под термином “позистор” обычно понимают терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС)*. Что это значит?
И. Сначала отмечу, что приведенное определение вводит читателя в заблуждение, ибо оно не подчеркивает преимуществ позистора перед всеми другими резисторами, большинство которых также имеет положительный ТКС. В действительности позистор – это резистор, сопротивление которого резко возрастает в узкой температурной области обратимого фазового превращения материала, из которого он изготовлен. При достижении температуры фазового превращения сопротивление позистора резко возрастает и ток падает до значения, недостаточного для его дальнейшего нагрева. В результате позистор охлаждается, сопротивление уменьшается, ток растет и температура вновь достигает значения, при котором происходит фазовое превращение материала. Такая же картина наблюдается и при снижении или повышении температуры в результате изменения температуры окружающей среды или технологического процесса. В первом случае сопротивление позистора уменьшается и ток растет, поддерживая заданную температуру, а во втором – ток и, следовательно, мощность (и выделяемое тепло) падает, иногда практически до нуля. Таким образом позистор точно поддерживает заданную температуру фазового превращения без применения каких-либо управляющих устройств.
П. Это, конечно, привлекательно для производителя, поскольку изготовление нагревателя не требует больших затрат. Но ведь имеются и термореле с подобными характеристиками и достаточно высокой точностью поддержания температуры. Не уступают ли им позисторы по этому параметру?
И. Термореле дает "столбчатые" импульсы тока, поэтому температура классического металлического нагревательного элемента изменяется пилообразно. К тому же термореле удалено от нагреваемого объекта, скорость тепловых потоков невелика и поэтому температуры объекта и термореле смещены "по фазе". В результате точность поддержания температуры объекта невелика, возможны и нарушения в его работе. К тому же, у позистора, в отличие от термореле нет подвижных деталей, ухудшающих надежность прибора. Нет и окисляющихся или сваривающихся контактов, сокращающих срок службы и приводящих в ряде случаев к короткому замыканию. Позистор имеет простую форму – как правило, форму таблетки с электродами, выполненными в виде металлических покрытий, т.е. ломаться в нем нечему.
П. С этим все ясно. Но ведь есть еще и автоматизированные системы управления. Они, конечно, дороже позистора, но при этом у них "верно, ангельский быть должен голосок", т.е. точность поддержания заданной температуры должна быть достаточно высокой.
И. В АСУ тоже используется датчик температуры, чаще всего металлический терморезистор, который расположен на определенном расстоянии от нагревателя и нагреваемого объекта, т.е. не находится в непосредственном тепловом контакте с ними. Датчик температуры и другие элементы АСУ, в том числе исполнительное механическое устройство, – инерционные системы. Поэтому неизбежно запаздывание процессов, и даже при неизменной температуре окружающей среды температура нагреваемого объекта может изменяться. Она будет иметь синусоидальную характеристику. А при резких периодических изменениях температуры среды возможен "тепловой резонанс" системы и брак производимой продукции.
Позистор же – функциональный элемент, объединяющий и датчик температуры, и нагревательный, и управляющий элементы, и между этими "звеньями" запаздывания нет.
П. Да, но нам нужно поддерживать температуру не позистора, а нагреваемого объекта. Здесь запаздывание неизбежно.
И. Конечно, но оно значительно меньше, чем при использовании термореле, ибо позистор во многих случаях может плотно прилегать к металлической детали, которую он должен нагревать. К тому же, эта деталь может служить одним из его питающих проводников. Уменьшение времени запаздывания – задача изобретателя и разработчика позисторного нагревателя. Следовательно, при правильном конструктивно-технологическом решении позистор более точно, чем АСУ, поддерживает заданную температуру. А соотношение цен позисторного нагревателя и АСУ близко к бесконечности. Это первое наиболее известное достоинство нагревательного позистора.
П. А второе?
И. Оно менее заметно, хотя основано на том же свойстве самоподдержания температуры. При знакомстве с принципами работы позисторного нагревателя, как правило, потребитель задает вопрос: "На какое номинальное напряжение рассчитан этот нагреватель?" Специалисты привыкли к тому, что каждое устройство рассчитано на какое-то номинальное напряжение. Поэтому они не могут сразу "врубиться" в мысль, что напряжение питания позисторного нагревателя, как и самого позистора, может быть любой формы (постоянным, переменным, правда, на частоту не выше 1 кГц, импульсным) и любого значения – от напряжения, при котором ток достаточен для нагрева объекта до заданной температуры, до пробивного (для рассматриваемых нагревателей – от 6 до 36 В). И это второе достоинство такого нагревателя.
П. Почему же в Ваших ТУ приводятся значения 12/24 В?
И. Эти позисторные нагреватели созданы в НИИ "Автоэлектроника" для автомобилей, и ТУ предназначены для автовладельцев. Поэтому указаны номинальные значения напряжения электрооборудования автомобиля, хотя это, конечно, затрудняет понимание второго достоинства позисторного нагревателя и сужает круг разработчиков подобных нагревателей для других систем.
П. Есть ли еще какие-либо достоинства позистора и каковы они?
И. Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим сначала приводимую в литературе температурную зависимость сопротивления позистора. Теоретически она имеет S-образную форму (рис.1), но при эксплуатации благодаря самоподдержанию температуры кривая температурной зависимости сопротивления не достигает вершины. Из такой S-образной характеристики следует, что поскольку при включении и нагревании позистора протекающим током сопротивление его вначале уменьшается, он быстро нагревается, тогда как сопротивление любого классического резистора с положительным ТКС с ростом температуры увеличивается постепенно (и он нагревается медленнее). Таким образом, позистор нагревается быстрее металлического терморезистора. Это и есть третье достоинство позисторного нагревательного элемента.
П. Понятно. Преимущества этой технологии перед традиционными в том, что нагрев происходит быстрее, заданная температура поддерживается точнее и без применения дополнительных управляющих устройств, большая часть теплового потока достигает нагреваемого объекта. Следовательно, не нужно тратиться на приобретение АСУ, снижаются энергозатраты (лучше о них и не вспоминать!). А что делается в этом направлении за рубежом?
И. Могу сказать, что в ФРГ на долю позисторных нагревателей приходится почти 50% заявок на нагревательные устройства для автомобильных двигателей.
П. Как же Вам удалось запатентовать такой нагреватель, принципиально не отличающийся от зарубежных?
И. Ну, во-первых, подавляющее число изобретений отличаются не принципом, а существенными отличительными признаками. Созданные в ФРГ нагреватели предназначены для встраивания во вновь разрабатываемые двигатели. Однако такое вмешательство в конструкцию двигателя приводит к снижению его мощности из-за роста аэродинамического сопротивления всасывающего тракта автомобиля. При этом разработчики позисторных нагревателей предлагают автомобильным фирмам или их поставщикам приобретать лицензии на них. Нам пришлось пойти другим путем, поскольку у автозаводов нет денег на приобретение лицензии. Платить могут лишь частные владельцы автомобилей. Но им нужны нагреватели, которые они могли бы сами установить на двигатель, не изменяя его конструкцию.
П. Но почему речь идет только об автомобильных двигателях?
И. А какие двигатели самые распространенные и какие из них большей частью находятся в частном владении?
П. Пора рассказать о Ваших нагревателях.
И. Сначала общие данные. Сегодня на рынке представлены сотни марок позисторов, в том числе и российских. В предлагаемых изделиях обычно используют позисторы в виде таблеток диаметром 15 мм и толщиной 2 мм с номинальным сопротивлением ~1 Ом. Температура фазового превращения, значение которой зависит от легирования материала позистора, может быть достигнута за несколько секунд (например, 150°С – за 2 с). Наиболее удобны прижимные нагреватели, такие как, например, нагреватель карбюратора в виде тепловода с двухзубой вилкой на одном конце и позистором, прикрепленным электротеплопроводным клеем на другом (рис.2). Такой нагреватель может устанавливаться с минимальными трудозатратами (достаточно гайкой крепления карбюратора зажать вилку тепловода) на автомобилях марок ГАЗ, ВАЗ, УАЗ, ИЖ, “Москвич” независимо от сроков их эксплуатации. Пусковой ток нагревателя составляет 10 А, средний рабочий ток – 3,5 А. Значение пускового тока при включении достигается за 2 с. Разогрев двигателя при температуре -20°С и указанном рабочем токе занимает 7 мин, после чего он запускается с первой попытки (ведь прогреваются и аккумуляторы, отдающие большой пусковой ток для стартера). Таким образом, экономится топливо и увеличивается срок службы двигателя. В зависимости от объема двигателя и зимних температур на карбюратор можно устанавливать до четырех нагревателей.
По телевидению был показан сюжет о том, как дизельный автомобиль, шедший из Болгарии в Ярославль, не смог своевременно прибыть в пункт назначения. Причина этого в том, что парафин, растворенный в дизельном топливе, на холоде замерз и образовал пробки в топливной системе двигателя. Такая ситуация не могла бы возникнуть, будь автомобиль оснащен системой позисторных нагревателей. Причем для дизельного двигателя, бак и теплопроводы которого не нагреваются при его работе, нагреватели нужнее, чем для карбюраторного.
П. И это все?
И. Позисторные нагреватели пригодны не только для автомобильных двигателей. Их можно применять для подогрева замерзающих водопроводных труб, питая от понижающих трансформаторов. На трубы достаточно поставить тепловые переходники с полуцилиндрическими поверхностями, соприкасающимися с трубой и тепловодом нагревателя. Разработан нагреватель воздухопроводов троллейбусов, на стенках которых зимой могут образовываться ледяные пробки вследствие осаждения водяного пара. Есть и нагреватели газовых редукторов высокого давления (для предотвращения замерзания конденсата, выделяющегося из газа при понижении температуры или давления) и сжиженного газа (для предотвращения осаждения и замерзания воды).
На основе позисторного нагревателя создан и ручной сварочный инструмент (сварник) для скрепления термопластовых пленок. Причем им можно выполнять не только прямой шов небольшой длины, подобный шву, получаемому с помощью настольного сварочного аппарата, но и непрямые швы (даже на сферической поверхности) любой длины, например сваривать чехлы парников и т.п. А позисторный вулканизатор-сварник (вулкосварник) пригоден не только для ремонта камер и изготовления мелких технических деталей, но и для сварки термопластовых деталей. В нем использован тепловод в виде широкой пластины, прижимаемой струбциной с двух сторон к заплате из сырой резины на камере. Таким вулкосварником можно сваривать толстые термопластовые детали.
Умельцы могут использовать позисторные нагреватели так, как изобретатель и предположить не мог.
П. Сколько же стоят эти изделия?
И. Они не дешевы, поскольку пока не налажено их массовое производство и изготавливаются они практически по заказу в единичных экземплярах. Нагреватель, выполненный по предварительному заказу, стоит 20 у.е., сварник – 200 у.е. Цена вулканизаторов, производство которых освоено, ниже – 200 руб. Но разработчик больше заинтересован в продаже лицензий. Цена зависит от условий производства, поскольку требуется корректировка имеющейся конструкторско-технологической документации в соответствии с оборудованием покупателя.
П. А результаты маркетинговых исследований?
И. При принятии решения о выпуске дешевого товара исследования рынка не рентабельны – любой автовладелец купит нагреватель, который при массовом производстве будет сопоставим по цене с паяльником.
П. Что ж, решение принято. Думаю, что оно сулит мне определенные выгоды.
Тел.: 259-8991
И. Сначала отмечу, что приведенное определение вводит читателя в заблуждение, ибо оно не подчеркивает преимуществ позистора перед всеми другими резисторами, большинство которых также имеет положительный ТКС. В действительности позистор – это резистор, сопротивление которого резко возрастает в узкой температурной области обратимого фазового превращения материала, из которого он изготовлен. При достижении температуры фазового превращения сопротивление позистора резко возрастает и ток падает до значения, недостаточного для его дальнейшего нагрева. В результате позистор охлаждается, сопротивление уменьшается, ток растет и температура вновь достигает значения, при котором происходит фазовое превращение материала. Такая же картина наблюдается и при снижении или повышении температуры в результате изменения температуры окружающей среды или технологического процесса. В первом случае сопротивление позистора уменьшается и ток растет, поддерживая заданную температуру, а во втором – ток и, следовательно, мощность (и выделяемое тепло) падает, иногда практически до нуля. Таким образом позистор точно поддерживает заданную температуру фазового превращения без применения каких-либо управляющих устройств.
П. Это, конечно, привлекательно для производителя, поскольку изготовление нагревателя не требует больших затрат. Но ведь имеются и термореле с подобными характеристиками и достаточно высокой точностью поддержания температуры. Не уступают ли им позисторы по этому параметру?
И. Термореле дает "столбчатые" импульсы тока, поэтому температура классического металлического нагревательного элемента изменяется пилообразно. К тому же термореле удалено от нагреваемого объекта, скорость тепловых потоков невелика и поэтому температуры объекта и термореле смещены "по фазе". В результате точность поддержания температуры объекта невелика, возможны и нарушения в его работе. К тому же, у позистора, в отличие от термореле нет подвижных деталей, ухудшающих надежность прибора. Нет и окисляющихся или сваривающихся контактов, сокращающих срок службы и приводящих в ряде случаев к короткому замыканию. Позистор имеет простую форму – как правило, форму таблетки с электродами, выполненными в виде металлических покрытий, т.е. ломаться в нем нечему.
П. С этим все ясно. Но ведь есть еще и автоматизированные системы управления. Они, конечно, дороже позистора, но при этом у них "верно, ангельский быть должен голосок", т.е. точность поддержания заданной температуры должна быть достаточно высокой.
И. В АСУ тоже используется датчик температуры, чаще всего металлический терморезистор, который расположен на определенном расстоянии от нагревателя и нагреваемого объекта, т.е. не находится в непосредственном тепловом контакте с ними. Датчик температуры и другие элементы АСУ, в том числе исполнительное механическое устройство, – инерционные системы. Поэтому неизбежно запаздывание процессов, и даже при неизменной температуре окружающей среды температура нагреваемого объекта может изменяться. Она будет иметь синусоидальную характеристику. А при резких периодических изменениях температуры среды возможен "тепловой резонанс" системы и брак производимой продукции.
Позистор же – функциональный элемент, объединяющий и датчик температуры, и нагревательный, и управляющий элементы, и между этими "звеньями" запаздывания нет.
П. Да, но нам нужно поддерживать температуру не позистора, а нагреваемого объекта. Здесь запаздывание неизбежно.
И. Конечно, но оно значительно меньше, чем при использовании термореле, ибо позистор во многих случаях может плотно прилегать к металлической детали, которую он должен нагревать. К тому же, эта деталь может служить одним из его питающих проводников. Уменьшение времени запаздывания – задача изобретателя и разработчика позисторного нагревателя. Следовательно, при правильном конструктивно-технологическом решении позистор более точно, чем АСУ, поддерживает заданную температуру. А соотношение цен позисторного нагревателя и АСУ близко к бесконечности. Это первое наиболее известное достоинство нагревательного позистора.
П. А второе?
И. Оно менее заметно, хотя основано на том же свойстве самоподдержания температуры. При знакомстве с принципами работы позисторного нагревателя, как правило, потребитель задает вопрос: "На какое номинальное напряжение рассчитан этот нагреватель?" Специалисты привыкли к тому, что каждое устройство рассчитано на какое-то номинальное напряжение. Поэтому они не могут сразу "врубиться" в мысль, что напряжение питания позисторного нагревателя, как и самого позистора, может быть любой формы (постоянным, переменным, правда, на частоту не выше 1 кГц, импульсным) и любого значения – от напряжения, при котором ток достаточен для нагрева объекта до заданной температуры, до пробивного (для рассматриваемых нагревателей – от 6 до 36 В). И это второе достоинство такого нагревателя.
П. Почему же в Ваших ТУ приводятся значения 12/24 В?
И. Эти позисторные нагреватели созданы в НИИ "Автоэлектроника" для автомобилей, и ТУ предназначены для автовладельцев. Поэтому указаны номинальные значения напряжения электрооборудования автомобиля, хотя это, конечно, затрудняет понимание второго достоинства позисторного нагревателя и сужает круг разработчиков подобных нагревателей для других систем.
П. Есть ли еще какие-либо достоинства позистора и каковы они?
И. Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим сначала приводимую в литературе температурную зависимость сопротивления позистора. Теоретически она имеет S-образную форму (рис.1), но при эксплуатации благодаря самоподдержанию температуры кривая температурной зависимости сопротивления не достигает вершины. Из такой S-образной характеристики следует, что поскольку при включении и нагревании позистора протекающим током сопротивление его вначале уменьшается, он быстро нагревается, тогда как сопротивление любого классического резистора с положительным ТКС с ростом температуры увеличивается постепенно (и он нагревается медленнее). Таким образом, позистор нагревается быстрее металлического терморезистора. Это и есть третье достоинство позисторного нагревательного элемента.
П. Понятно. Преимущества этой технологии перед традиционными в том, что нагрев происходит быстрее, заданная температура поддерживается точнее и без применения дополнительных управляющих устройств, большая часть теплового потока достигает нагреваемого объекта. Следовательно, не нужно тратиться на приобретение АСУ, снижаются энергозатраты (лучше о них и не вспоминать!). А что делается в этом направлении за рубежом?
И. Могу сказать, что в ФРГ на долю позисторных нагревателей приходится почти 50% заявок на нагревательные устройства для автомобильных двигателей.
П. Как же Вам удалось запатентовать такой нагреватель, принципиально не отличающийся от зарубежных?
И. Ну, во-первых, подавляющее число изобретений отличаются не принципом, а существенными отличительными признаками. Созданные в ФРГ нагреватели предназначены для встраивания во вновь разрабатываемые двигатели. Однако такое вмешательство в конструкцию двигателя приводит к снижению его мощности из-за роста аэродинамического сопротивления всасывающего тракта автомобиля. При этом разработчики позисторных нагревателей предлагают автомобильным фирмам или их поставщикам приобретать лицензии на них. Нам пришлось пойти другим путем, поскольку у автозаводов нет денег на приобретение лицензии. Платить могут лишь частные владельцы автомобилей. Но им нужны нагреватели, которые они могли бы сами установить на двигатель, не изменяя его конструкцию.
П. Но почему речь идет только об автомобильных двигателях?
И. А какие двигатели самые распространенные и какие из них большей частью находятся в частном владении?
П. Пора рассказать о Ваших нагревателях.
И. Сначала общие данные. Сегодня на рынке представлены сотни марок позисторов, в том числе и российских. В предлагаемых изделиях обычно используют позисторы в виде таблеток диаметром 15 мм и толщиной 2 мм с номинальным сопротивлением ~1 Ом. Температура фазового превращения, значение которой зависит от легирования материала позистора, может быть достигнута за несколько секунд (например, 150°С – за 2 с). Наиболее удобны прижимные нагреватели, такие как, например, нагреватель карбюратора в виде тепловода с двухзубой вилкой на одном конце и позистором, прикрепленным электротеплопроводным клеем на другом (рис.2). Такой нагреватель может устанавливаться с минимальными трудозатратами (достаточно гайкой крепления карбюратора зажать вилку тепловода) на автомобилях марок ГАЗ, ВАЗ, УАЗ, ИЖ, “Москвич” независимо от сроков их эксплуатации. Пусковой ток нагревателя составляет 10 А, средний рабочий ток – 3,5 А. Значение пускового тока при включении достигается за 2 с. Разогрев двигателя при температуре -20°С и указанном рабочем токе занимает 7 мин, после чего он запускается с первой попытки (ведь прогреваются и аккумуляторы, отдающие большой пусковой ток для стартера). Таким образом, экономится топливо и увеличивается срок службы двигателя. В зависимости от объема двигателя и зимних температур на карбюратор можно устанавливать до четырех нагревателей.
По телевидению был показан сюжет о том, как дизельный автомобиль, шедший из Болгарии в Ярославль, не смог своевременно прибыть в пункт назначения. Причина этого в том, что парафин, растворенный в дизельном топливе, на холоде замерз и образовал пробки в топливной системе двигателя. Такая ситуация не могла бы возникнуть, будь автомобиль оснащен системой позисторных нагревателей. Причем для дизельного двигателя, бак и теплопроводы которого не нагреваются при его работе, нагреватели нужнее, чем для карбюраторного.
П. И это все?
И. Позисторные нагреватели пригодны не только для автомобильных двигателей. Их можно применять для подогрева замерзающих водопроводных труб, питая от понижающих трансформаторов. На трубы достаточно поставить тепловые переходники с полуцилиндрическими поверхностями, соприкасающимися с трубой и тепловодом нагревателя. Разработан нагреватель воздухопроводов троллейбусов, на стенках которых зимой могут образовываться ледяные пробки вследствие осаждения водяного пара. Есть и нагреватели газовых редукторов высокого давления (для предотвращения замерзания конденсата, выделяющегося из газа при понижении температуры или давления) и сжиженного газа (для предотвращения осаждения и замерзания воды).
На основе позисторного нагревателя создан и ручной сварочный инструмент (сварник) для скрепления термопластовых пленок. Причем им можно выполнять не только прямой шов небольшой длины, подобный шву, получаемому с помощью настольного сварочного аппарата, но и непрямые швы (даже на сферической поверхности) любой длины, например сваривать чехлы парников и т.п. А позисторный вулканизатор-сварник (вулкосварник) пригоден не только для ремонта камер и изготовления мелких технических деталей, но и для сварки термопластовых деталей. В нем использован тепловод в виде широкой пластины, прижимаемой струбциной с двух сторон к заплате из сырой резины на камере. Таким вулкосварником можно сваривать толстые термопластовые детали.
Умельцы могут использовать позисторные нагреватели так, как изобретатель и предположить не мог.
П. Сколько же стоят эти изделия?
И. Они не дешевы, поскольку пока не налажено их массовое производство и изготавливаются они практически по заказу в единичных экземплярах. Нагреватель, выполненный по предварительному заказу, стоит 20 у.е., сварник – 200 у.е. Цена вулканизаторов, производство которых освоено, ниже – 200 руб. Но разработчик больше заинтересован в продаже лицензий. Цена зависит от условий производства, поскольку требуется корректировка имеющейся конструкторско-технологической документации в соответствии с оборудованием покупателя.
П. А результаты маркетинговых исследований?
И. При принятии решения о выпуске дешевого товара исследования рынка не рентабельны – любой автовладелец купит нагреватель, который при массовом производстве будет сопоставим по цене с паяльником.
П. Что ж, решение принято. Думаю, что оно сулит мне определенные выгоды.
Тел.: 259-8991
Отзывы читателей
