CN103546998B - 一种大功率陶瓷发热体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陶瓷发热体技术领域，尤其涉及大功率陶瓷发热体，包括氧化铝陶瓷芯及氧化铝基片，氧化铝基片的内侧面印刷有厚膜发热线路，厚膜发热线路呈往复回折结构，厚膜发热线路之间形成有间距H，氧化铝基片呈卷状包覆于氧化铝陶瓷芯的外侧面，厚膜发热线路的线宽L为0.3-1.3mm，厚膜发热线路形成的间距H与厚膜发热线路的线宽L的比值H/L为0.5-1.5；氧化铝基片的厚度T为0.3-0.8mm，氧化铝陶瓷芯的壁厚W与氧化铝基片的厚度T的比值W/T为2-5。本发明在工作时能达到3000W以上的大功率，实现小体积发热体进行大功率发热的新突破，且保持发热体表面均温，产生的气泡小，不易附在发热体的表面，耐久性卓越。

Description

一种大功率陶瓷发热体

技术领域

本发明涉及陶瓷发热体技术领域，尤其涉及一种大功率陶瓷发热体。

背景技术

目前陶瓷发热管主要应用在智能坐便器，储水式电热水器及储水式饮水机上。陶瓷发热管是一种在陶瓷片上印刷W、Re、Mo等熔点高的金属，形成发热电阻体及引线电极，然后将印刷有发热电阻体的面作为内侧，卷绕在陶瓷管的外侧，再通过真空热压或液压工艺将两者压紧，其后将整体烧制成一体，在陶瓷片外部的电极引出部，通过形成在陶瓷片上的通孔将发热电路与电极焊盘连通，通孔中根据需要注入导体焊料，再在焊盘上焊接引线。

智能坐便器及储水式电热水器功率要求较低（一般在2000W以下），但近年来节能环保的即热式电热水器逐渐推入市场，其主要特点就是功率大，需要实现即开即热，因此对陶瓷发热管的功率要求也随之增大，单个发热管的功率则至少需要3000W，现有的低功率发热管已不能满足要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种大功率陶瓷发热体，工作时其能达到3000W以上的大功率，且保持发热体表面温度均匀，产生的气泡体积小，不易附着在发热体的表面，耐久性卓越。

为实现上述目的，本发明的一种大功率陶瓷发热体，包括氧化铝陶瓷芯及氧化铝基片，所述氧化铝基片的内侧面印刷有厚膜发热线路，所述厚膜发热线路呈往复回折结构，呈往复回折结构的厚膜发热线路之间形成有间距H，所述氧化铝基片呈卷状包覆于所述氧化铝陶瓷芯的外侧面，所述厚膜发热线路的线宽L为0.3-1.3mm，厚膜发热线路形成的间距H与所述厚膜发热线路的线宽L的比值H/L为0.5-1.5；

所述氧化铝基片的厚度T为0.3-0.8mm，氧化铝陶瓷芯的壁厚W与所述氧化铝基片的厚度T的比值W/T为2-5。

其中，所述氧化铝陶瓷芯与氧化铝基片通过共烧完成封装。

其中，所述氧化铝基片的外侧面设置有两个电极焊盘，所述厚膜发热线路的两末端穿过所述氧化铝基片分别与两个电极焊盘连接。

其中，两个所述电极焊盘均焊接有引线。

其中，所述氧化铝陶瓷芯呈管状。

本发明的有益效果：

1、将厚膜发热线路的线宽L设计为0.3-1.3mm范围内，在保证厚膜发热线路的载流能力的同时，能有效的扼制大功率发热体在加热液体时产生气泡的体积过大，而造成的发热体表面与液体间出现局部隔离形成局部干烧而损坏；

2、将厚膜发热线路形成的间距H与厚膜发热线路的线宽L的比值H/L设计为0.5-1.5范围内，有利于厚膜发热线路间的温度保持均匀，降低对发热体的热冲击，而间距过大会导致发热体表面的温度不均匀，间距过小则会使得厚膜发热线路间的绝缘强度不够而出现短路；

3、将氧化铝基片的厚度T设计为0.3-0.8mm范围内，防止氧化铝基片出现厚度过大导致在卷绕过程中表面开裂，厚度过小导致绝缘强度不够的问题，适中的厚度保证发热体不会发生绝缘击穿；

4、将氧化铝陶瓷芯的壁厚W与氧化铝基片的厚度T的比值W/T设计为2-5范围内，有利于降低发热体的功率密度，减小发热体内外的温度差，防止发热体断裂损坏。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的结构分解示意图。

图3为本发明厚膜发热线路的结构示意图。

图4为本发明做试样实验的结构示意图。

附图标记包括：

1—氧化铝陶瓷芯2—氧化铝基片11—电极焊盘

12—引线21—厚膜发热线路100—发热体

200—加热器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1至图4所示，本发明的一种大功率陶瓷发热体，包括氧化铝陶瓷芯1及氧化铝基片2，所述氧化铝基片2的内侧面印刷有厚膜发热线路21，所述厚膜发热线路21呈往复回折结构，呈往复回折结构的厚膜发热线路21之间形成有间距H，所述氧化铝基片2呈卷状包覆于所述氧化铝陶瓷芯1的外侧面，所述厚膜发热线路21的线宽L为0.3-1.3mm，厚膜发热线路21形成的间距H与所述厚膜发热线路21的线宽L的比值H/L为0.5-1.5；所述氧化铝基片2的厚度T为0.3-0.8mm，氧化铝陶瓷芯1的壁厚W与所述氧化铝基片2的厚度T的比值W/T为2-5。本技术方案通过上述的设计可以实现在工作时能达到3000W的大功率，且保持发热体表面温度均匀，产生的气泡体积小，不易附着在发热体的表面，耐久性卓越。以下通过几组实验数据体现：实验一：

将厚膜发热线路21设计成不同线宽的发热体100做样对比测试，每种试样发热体100取样20支，功率均为3000W，装在发热体100外壁与腔体内壁单边间隙M为3mm的加热器200腔内进行30秒通电、30秒断电的方式循环测试100000个周期，检测其使用寿命的情况。

从上述表中的数据可以看出，当厚膜发热线路21的线宽小于0.3mm时，发热体100试样出现失效情况，主要表现为厚膜发热线路21的载电流能力下降，出现烧线现象而导致发热体100试样损坏并失效；而当厚膜发热线路21的线宽大于1.3mm时，发热体100试样在发热的过程中出现较大气泡，导致发热体100试样的表面与加热器200腔内壁间出现气泡搭桥（气泡搭桥即发热体100表面产生的气泡搭接于加热器200的内腔的壁上形成桥状）而引发局部干烧损坏；而当厚膜发热线路21的线宽在0.3-1.3mm范围时，发热体100试样的运行状况稳定，未出现失效现象；传统技术为使发热体能够进行大功率发热，将发热线路设计成极细状或者极粗状，以达到有较大的发热表面积，但是发热线路设计成极细状或者极粗状时，往往导致发热体表面产生的气泡较大，从而会导致发热体局部干烧，从而发热体烧损导致失效。即，本技术方案的上述设计在保证厚膜发热线路21的载流能力的同时，能有效的扼制大功率发热体100在加热液体时产生气泡的体积过大，而造成的发热体100表面与液体间出现局部隔离形成局部干烧而损坏。

实验二：

将厚膜发热线路21形成的间距H与厚膜发热线路21的线宽L的比值设计成不同比例的发热体100做样进行对比测试，每种试样发热体100取样20支，功率均为3000W，装在发热体100外壁与腔体内壁单边间隙M为3mm的加热器200腔内进行30秒通电，30秒断电的方式循环测试100000个周期，检测其使用寿命的情况。

从上表中的数据可以看出，当厚膜发热线路21形成的间距H与厚膜发热线路21的线宽L的比值H/L小于0.5时，发热体100试样开始出现失效，主要表现为厚膜发热线路21间的绝缘强度下降，导致厚膜发热线路21短路损坏；当厚膜发热线路21形成的间距H与厚膜发热线路21的线宽L的比值H/L大于1.5时，发热体100试样的表面发热区与非发热区之间的温度差过大，导致发热体100试样的表面温度不均匀而使得发热体100试样断裂损坏；传统技术的发热体为实现大功率发热（即一般在3000W以上），即盲目的增大发热线路的整体表面积，导致生产出的发热体的发热线路常出现短路，从而烧坏发热体。出现上述问题，一方面原因即是未考虑将厚膜发热线路21形成的间距H与厚膜发热线路21的线宽L的比值H/L设计在0.5-1.5的范围内，另外一方面即使有考虑将厚膜发热线路21形成的间距H与厚膜发热线路21的线宽L形成某一比值，但比值设计不合理，导致生产出的发热体一样未能实现大功率发热（即使实现大功率发热，也在短期的使用过程中就烧坏失效）。即，本技术方案的上述设计有利于厚膜发热线路21间的温度保持均匀，降低高温度对发热体100产生的热冲击，防止出现厚膜发热线路21形成的间距H过大导致发热体100表面的温度不均匀，间距H过小导致厚膜发热线路21间的绝缘强度不够而出现的厚膜发热线路21短路问题，同时，保证发热体100能进行大功率发热。

实验三：

将试样发热体100的氧化铝基片2设计成不同的厚度做样测试，每种试样发热体100取样20支，功率均为3000W，装在发热体100外壁与腔体内壁单边间隙M为3mm的加热器200腔内进行30秒通电，30秒断电的方式循环测试100000个周期，检测其使用寿命的情况。

从上表中的数据可以看出，当氧化铝基片2的厚度小于0.3mm时，试样发热体100测试后漏电流过大，试样发热体100开始失效；而当氧化铝基片2的厚度大于0.8mm时，卷绕于氧化铝陶瓷芯1的过程中氧化铝基片2的表面出现裂缝，从而导致试样发热体100绝缘击穿。即，本技术方案的上述设计将氧化铝基片2的厚度控制为0.3-0.8mm值，可以防止氧化铝基片2出现厚度过大导致在卷绕过程中表面开裂，厚度过小导致绝缘强度不够的问题，氧化铝基片2适中的厚度保证发热体100不会发生绝缘击穿。

实验四：

将试样发热体100的氧化铝陶瓷芯1的壁厚W与氧化铝基片2的厚度T的比值设计成不同比例的发热体100做样进行对比测试，每种试样发热体100取样20支，试样发热体100的外径Φ为15.0mm，功率均为3000W，装在发热体100外壁与腔体内壁单边间隙M为3mm的加热器200腔内进行30秒通电，30秒断电的方式循环测试100000个周期，检测其使用寿命的情况。

由上表中的数据可以看出，当氧化铝陶瓷芯1的壁厚W与氧化铝基片2的厚度T的比值W/T小于2时，试样发热体100开始出现失效，主要表现为加热时试样发热体100管内散热快，水温高，与试样发热体100管外水温出现较大的温度差，从而导致试样发热体100断裂损坏；当氧化铝陶瓷芯1的壁厚W与氧化铝基片2的厚度T的比值W/T大于5时，试样发热体100开始出现失效，主要表现为试样发热体100的管芯散热慢，试样发热体100的本体温度高，试样发热体100的本体与水之间形成的温差导致试样发热体100断裂而损坏。即，本技术方案的上述设计有利于降低发热体100的发热功率密度，减小发热体100的内外温度差，防止发热体100断裂损坏。

以上则为在3000W发热功率下测试的部分实验数据，当然在厚膜发热线路21的线宽L为0.4-1.3mm，厚膜发热线路21形成的间距H与厚膜发热线路21的线宽L的比值H/L为0.5-1；氧化铝基片2的厚度T为0.3-1.0mm，氧化铝陶瓷芯1的壁厚W与氧化铝基片2的厚度T的比值W/T为2-5设计范围内进行过3000W以上发热功率的测试，试样发热体100同样能实现正常工作并达到保证厚膜发热线路21的载流能力的同时，能有效的扼制大功率发热体100在加热液体时产生气泡的体积过大，而造成的发热体100表面与液体间出现局部隔离形成局部干烧而损坏。

实验五：

将试样发热体100取样20支，装在发热体100外壁与腔体内壁单边间隙M为3mm的加热器200腔内进行30秒通电，30秒断电的方式循环测试100000个周期，检测其使用寿命情况，得出如下发热体100表面热处理前与热处理后的测试对比表。

从上表中的数据可以看出，经过热处理表面的产品无失效现象，未经过热处理表面的产品出现失效现象，主要表现为产品表面在加热过程中出现大量气泡，造成产品局部干烧而烧坏，因此本技术方案增加该表面热处理工序可以防止本发明在大功率发热时出现失效现象。

因此，本技术方式实现了大功率的发热（3000W以上），且可保证发热体100正常工作，不易产生气泡，同时，保证长期在高温条件下工作，氧化铝陶瓷芯1及氧化铝基片2都能够承受且不出现干裂或者烧断现象，进行使得发热体100的使用寿命更长。

进一步地，所述氧化铝陶瓷芯1与氧化铝基片2通过共烧完成封装，采用共烧技术，可以提高组装密度，保证氧化铝基片2易于与氧化铝陶瓷芯1实现一体化封装，进一步减小整体结构的体积和重量，提高产品的可靠性能。

再进一步地，所述氧化铝基片2的外侧面设置有两个电极焊盘11，所述厚膜发热线路21的两末端穿过所述氧化铝基片2分别与两个电极焊盘11连接；进一步的，两个所述电极焊盘11均焊接有引线12，电极焊盘11的设计确保印刷于氧化铝基片2内侧面的厚膜发热线路21与引线12连通，引线12与外界的电源连接通电后，即可以使得厚膜发热线路21正常工作并产生热量进行加热。

具体的，所述氧化铝陶瓷芯1呈管状，管状的氧化铝陶瓷芯1应用于电热水器上时，中心通孔可以使得冷水流经通孔进行加热，提高加热效率，结构设计合理，实用性强。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种大功率陶瓷发热体，包括氧化铝陶瓷芯（1）及氧化铝基片（2），所述氧化铝基片（2）的内侧面印刷有厚膜发热线路（21），所述厚膜发热线路（21）呈往复回折结构，呈往复回折结构的厚膜发热线路（21）之间形成有间距H，所述氧化铝基片（2）呈卷状包覆于所述氧化铝陶瓷芯（1）的外侧面，其特征在于：

所述厚膜发热线路（21）为平行设置的两条；

所述厚膜发热线路（21）的线宽L为0.8-1.2mm，两条所述厚膜发热线路（21）形成的间距H与所述厚膜发热线路（21）的线宽L的比值H/L为0.5-1；

所述氧化铝基片（2）的厚度T为0.4-0.75mm，氧化铝陶瓷芯（1）的壁厚W与所述氧化铝基片（2）的厚度T的比值W/T为4-5。

2.根据权利要求1所述的一种大功率陶瓷发热体，其特征在于：所述氧化铝陶瓷芯（1）与氧化铝基片（2）通过共烧完成封装。

3.根据权利要求1所述的一种大功率陶瓷发热体，其特征在于：所述氧化铝基片（2）的外侧面设置有两个电极焊盘（11），所述厚膜发热线路（21）的两末端穿过所述氧化铝基片（2）分别与两个电极焊盘（11）连接。

4.根据权利要求3所述的一种大功率陶瓷发热体，其特征在于：两个所述电极焊盘（11）均焊接有引线（12）。

5.根据权利要求1所述的一种大功率陶瓷发热体，其特征在于：所述氧化铝陶瓷芯（1）呈管状。