CN106686773A - 一种双面高导热能力的厚膜发热元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双面高导热能力的厚膜发热元件，其特征在于，包括载体、涂覆于载体上的厚膜涂层和覆盖于厚膜涂层上的覆盖层，所述厚膜涂层为加热材料，加热方式为电加热，覆盖层、厚膜涂层、载体三者的材料选择在传热过程中满足下列不等式：Q₂≥Q₃；Q₂≥Q₁；且Q₁＝a×Q₃，Q₂＝b×Q₁，Q₂＝c×Q₃；其中0.1≤a≤150，1≤b≤2500，100≤c≤10000，本发明的厚膜加热元件具有双面高导热能力，两面发热比较均匀，提高传热效率；本发明的厚膜发热元件可应用在需要双面高导热能力的产品上，满足市场上多功能加热产品的需求。

Description

一种双面高导热能力的厚膜发热元件

技术领域

本发明涉及厚膜加热领域，具体为一种双面高导热能力的厚膜发热元件。

背景技术

厚膜发热元件是指在基体上，将发热材料制成厚膜，进行通电发热的发热元件。传统的加热方式，包括电热管加热和PTC加热，电热管加热元件是以金属管为外套，在金属管内以螺旋状分布镍铬或铁铬合金，作为加热丝，在间隙空间填充具有良好导热和绝缘特性的氧化镁砂，两端用硅胶密封；PTC加热元件，以PTC陶瓷作为发热材料。目前的电热管加热和PTC加热的方式是间接加热，表现出较低的热效率，且外形体积大而笨重，从环保角度来看，这两种加热器反复加热后，不耐脏，不易清洁，且PTC加热元件中含有铅等有害物质，易氧化，功率会衰减，使用寿命短。

CN201210320614.9描述了一种通过厚膜加热的铝合金加热管，包括加热管主体和厚膜加热板，所述加热管主体的侧面设有一深度方向沿径向向内的插入槽，所述厚膜加热板位于该插入槽内；所述加热管主体于插入槽的两侧分别设有长度方向沿加热管主体轴向的通孔。这种铝合金加热管是厚膜电路板上的厚膜加热电路是印制在陶瓷或其他绝缘材料的基片上，在厚膜电路的上方又涂覆有一层绝缘介质，因此整个厚膜加热板表面是绝缘的。

CN201010110037.1描述了一种带干烧保护功能的厚膜加热组件，包括用于电加热的厚膜加热器，安装在厚膜加热器上的用于实现厚膜加热器与外部组件连接的点连接支架，以及安装在厚膜加热器上的干烧保护器，电连接支架与干烧保护器构成整体部件，干烧保护器至少包括一个与控制电路点连接的电子干烧保护和一个机械干烧保护。

尽管目前加热元件已经逐渐应用到生活电器领域，但是上述厚膜加热的主体都是附着在电器上面，很少有独立的元件；目前也没有提供能够双面具有高导热能力的厚膜发热元件，并将该双面加热的厚膜元件应用到生活生产领域中，实现双面均匀加热的功能。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种体积小﹑工作效率高﹑环保性好﹑安全性能高和使用寿命长的具有双面高导热能力的厚膜发热元件。

本发明所述厚膜的概念主要是相对薄膜而言的，厚膜是指在载体上用印刷烧结技术所形成的厚度为几微米到数十微米的膜层，制造这种膜层的材料，称为厚膜材料，做成的涂层称为厚膜涂层。厚膜发热体具有功率密度大、加热速度快、工作温度高、升温速度快、机械强度高、体积小，安装方便、加热温度场均匀、寿命长、节能环保、安全等众多优点。

本发明提供一种双面高导热能力的厚膜发热元件，包括载体、涂覆于载体上的厚膜涂层和覆盖于厚膜涂层上的覆盖层，所述厚膜涂层为加热材料，加热方式为电加热，其中对所述载体、厚膜涂层以及覆盖层的选择为满足以下每个不等式的材料：

Q₂≥Q₃

Q₂≥Q₁

且Q₁＝a×Q₃，Q₂＝b×Q₁，Q₂＝c×Q₃；

所述0.1≤a≤150，1≤b≤2500，100≤c≤10000；

其中Q₁的计算公式为：

Q₂的计算公式为：

Q₃的计算公式为：

所述T₂<T_{覆盖层最低熔点}；

所述T₂<T_{载体最低熔点}；

所述T₀≤25℃

其中所述Q₁表示所述覆盖层的传热速率；所述Q₂表示所述厚膜涂层的发热速率；所述Q₃表示所述载体的传热速率；

所述λ₁表示所述覆盖层的导热系数；所述λ₂表示所述厚膜涂层的导热系数；所述λ₃表示所述载体的导热系数；

所述A表示所述厚膜涂层与覆盖层或者载体的接触面积；

所述b₁表示所述覆盖层的厚度；所述b₂表示所述厚膜涂层的厚度；所述b₃表示所述载体的厚度；

所述T₀厚膜加热元件的初始温度；所述T₁表示所述覆盖层的表面温度；所述T₂表示所述厚膜涂层的加热温度；所述T₃表示所述载体的表面温度；

所述厚膜涂层的厚度b₂≤50微米；

所述载体的厚度b₃≥覆盖层的厚度b₁，且b₁≤1毫米，b₃≥1毫米；

所述T_{载体最低熔点}>25℃。

所述覆盖层是指通过印刷或者烧结覆盖在厚膜涂层上面的介质层，覆盖层的面积大于厚膜涂层。

所述载体是指承载厚膜涂层的介质层，厚膜涂层通过印刷或者烧结涂覆在载体上。

所述导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度(K，℃)，在1秒钟内(1S)，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度(W/(m·K)，此处为K，可用℃代替)。

在厚膜加热元件的电加热部位，覆盖层、厚膜涂层以及载体是紧密粘接的，厚膜涂层的两端连接外接电极，当厚膜涂层通电后，对厚膜涂层进行加热，电能转化为热能，厚膜涂层开始发热，厚膜涂层的发热速率可以通过检测得到厚膜涂层的导热系数、接触面积、起始温度、加热温度以及厚度，并运用公式可以计算出来，其中T₂表示厚膜的加热温度。

本发明的技术特征是双面高导热能力的厚膜发热元件，该技术特征要求覆盖层、载体、厚膜涂层的发热速率满足以下几个要求：

(1)覆盖层的传热速率与载体的传热速率的限定条件满足如下关系，即Q₁＝a×Q₃，其中0.1≤a≤150，满足上述不等式的发热厚膜元件的覆盖层和载体的发热能力较均匀，防止出现一面发热过快不断升温而另一面温度上升较慢，出现两面发热不均匀的现象，而达不到本发明产品的技术效果；

(2)厚膜涂层的发热速率与覆盖层的传热速率的限定条件满足如下不等式，即Q₂≥Q₁，且Q₂＝b×Q₁，其中1≤b≤2500，如果厚膜涂层的发热速率比覆盖层的传热速率高出太多，厚膜涂层持续不断的积累的热量不能及时传导出去，致使厚膜涂层的温度不断升高，当温度超过覆盖层的最低熔点时，覆盖层开始融化，甚至燃烧，从而破坏覆盖层或者载体的结构，损坏厚膜加热元件；

(3)厚膜涂层的发热速率与载体的传热速率的限定条件满足如下不等式，即Q₂≥Q₃，且Q₂＝c×Q₃，100≤c≤10000，如果厚膜涂层的发热速率比载体的传热速率高出太多，厚膜涂层持续不断的积累的热量不能及时传导出去，致使厚膜涂层的温度不断升高，当温度超过载体的最低熔点时，载体开始融化，甚至燃烧，从而破坏载体的结构，损坏厚膜加热元件；

(4)厚膜涂层的加热温度不能高于覆盖层或者载体的最低熔点，需满足T₂< T_{覆盖层最低熔点}，T₂<T_{载体最低熔点}，避免加热温度过高而损坏厚膜加热元件。

满足上述几个要求，覆盖层、载体的传热速率是由其材料本身的性质以及该厚膜加热元件产品的性能决定，覆盖层的传热速率计算公式为其中λ₁表示所述覆盖层的导热系数，单位是W/m.k，是由制备覆盖层的材料的性质决定的；b₁是表示覆盖层的厚度，由制备工艺以及厚膜加热元件要求决定的；T₁是覆盖层的表面温度，是由厚膜加热元件性能决定的。

载体的传热速率计算公式为其中λ₃表示所述载体的导热系数，单位是W/m.k，是由制备载体的材料的性质决定的；b₃是表示载体的厚度，由制备工艺以及厚膜加热元件要求决定的；T₃是载体的表面温度，是由厚膜加热元件性能决定的。

优选的，所述载体与厚膜涂层之间通过印刷或者烧结粘结，所述厚膜涂层与覆盖层通过印刷或者烧结粘结。

优选的，所述载体与覆盖层中间没有厚膜涂层的区域通过印刷或者烧结粘结。

优选的，所述载体包括聚酰亚胺、有机绝缘材料、无机绝缘材料、陶瓷、微晶玻璃、石英、水晶、石材材料。

优选的，所述厚膜涂层为银、铂、钯、氧化钯、金或者稀土材料中的一种或几种。

优选的，所述覆盖层为聚酯、聚酰亚胺或聚醚亚胺、陶瓷、硅胶、石棉、云母板中的一种或几种制成的。

优选的，所述厚膜涂层的面积小于或等于覆盖层或载体的面积。

本发明提供的一种厚膜发热元件的用途，用于双面发热的产品。

本发明的有益效果：

1、本发明的厚膜发热元件具有双面高导热能力，两面发热比较均匀，提高传热效率；

2、本发明的厚膜发热元件从用三层结构通过印刷或烧结直接粘接，厚膜涂层通电后对覆盖层直接加热，热能直接传导给覆盖层，提高导热效率，且本发明覆盖层是覆盖在厚膜涂层上，避免了厚膜涂层在通电后漏电问题，提高安全性能；

3、本发明的厚膜发热元件可应用在需要双面高导热能力的产品上，满足市场上多功能加热产品的需求；

4、本发明的厚膜发热元件是采用厚膜涂层加热的，涂层的厚度在微米级别，在通电后发热速率均匀，且使用寿命长。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明提供一种双面高导热能力的厚膜发热元件，其特征在于，包括载体、涂覆于载体上的厚膜涂层和覆盖于厚膜涂层上的覆盖层，所述厚膜涂层为加热材料，加热方式为电加热，其中对所述载体、厚膜涂层以及覆盖层的选择为满足以下每个不等式的材料：

Q₂≥Q₃

Q₂≥Q₁

且Q₁＝a×Q₃，Q₂＝b×Q₁，Q₂＝c×Q₃；

所述0.1≤a≤150，1≤b≤2500，100≤c≤10000；

其中Q₁的计算公式为：

Q₂的计算公式为：

Q₃的计算公式为：

所述T₂<T_{覆盖层最低熔点}；

所述T₂<T_{载体最低熔点}；

所述T₀≤25℃；

所述厚膜涂层的厚度b₂≤50微米；

所述载体的厚度b₃≥覆盖层的厚度b₁，且b₁≤1毫米，b₃≥1毫米；

所述T_{载体最低熔点}>25℃。

下面实施例中给出了本申请人制备的20种厚膜元件，这20种后膜元件覆盖层、厚膜涂层、载体的制备材料是选自满足上述不等式的材料，具体制备方法以及关系如下：

实施例

选用导热系数为λ₂的银浆材料制备厚膜涂层，导热系数为λ₃的聚酰亚胺材料制备载体，导热系数为λ₁的聚酰亚胺材料制备覆盖层，将三层材料通过烧结粘结，所制备的厚膜涂层的面积为A₂，厚膜涂层的厚度为b₂；覆盖层的面积为A₁，厚度为b₁；载体的面积为A₃，厚度为b₃。

打开外接直流电源的开关后，给厚膜涂层通电，厚膜逐渐升温，等到厚膜元件发热稳定后，测出受热稳定后的覆盖层和载体的表面温度，以及厚膜涂层的加热温度，通过如下 计算公式：计算出覆盖层和载体的传热速率以及厚膜涂层的发热速率。

下面表1至表4是本申请人制备的20种厚膜发热元件，将厚膜元件通电加热2分钟后，采用国家标准方法测量得到表中性能数据(导热系数、表面温度)，厚度、接触面积、初始温度在加热前测量，表1是检测实施例1至实施例20中厚膜元件覆盖层的性能数据，具体如下：

表1

表2是检测实施例1至实施例20中厚膜元件厚膜涂层的性能数据，具体如下表2所示：

表2

表3是检测实施例1至实施例20中厚膜元件载体的性能数据，具体如下表3所示：

表3

表4是根据上述表1/2/3中各性能数据，计算得到热传导速率数据，并将覆盖层、厚膜涂层、载体三层的传热速率数值大小按比值运算得到满足本发明的材料限定条件，即满足下列不等式：Q₂≥Q₃；Q₂≥Q₁；且Q₁＝a×Q₃，Q₂＝b×Q₁，Q₂＝c×Q₃；所述0.1≤a≤150，1≤b≤2500，100≤c≤10000。

表4

表4结果表明实施例1至实施例20制备的厚膜发热元件均满足不等式，且上述厚膜发热元件双面发热均匀，两面温差在16℃以下；在通电两分钟后温度最高能上升到100℃以上，说明本发明的厚膜发热元件发热效率高。

表5至表8是针对本发明的厚膜发热元件的对比例1-3的各性能数据，各项数据监测方法跟表1-表4中一样，具体数据如下：

表5

表6

表7

表8

上述表中对比例1-3提供的厚膜发热元件在选材以及结构不符合本发明的选材要求，不满足不发明的不等式关系，在通电加热后，对比例1-3的两面发热不均匀，覆盖层和载体面的发热温差达到40℃以上，这是覆盖层升温过快而载体发热过慢的结果，不符合本发明的双面均具有高导热能力厚膜发热元件的要求，不满足本发明产品要求，以此证实本发明中传热速率关系。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些 修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种双面高导热能力的厚膜发热元件，其特征在于，包括载体、涂覆于载体上的厚膜涂层和覆盖于厚膜涂层上的覆盖层，所述厚膜涂层为加热材料，加热方式为电加热，其中对所述载体、厚膜涂层以及覆盖层的选择为满足以下每个不等式的材料：

Q₂≥Q₃

Q₂≥Q₁

且Q₁＝a×Q₃，Q₂＝b×Q₁，Q₂＝c×Q₃；

所述0.1≤a≤150，1≤b≤2500，100≤c≤10000；

其中Q₁的计算公式为：

Q₂的计算公式为：

Q₃的计算公式为：

所述T₂<T_{覆盖层最低熔点}；

所述T₂<T_{载体最低熔点}；

所述T₀≤25℃

其中所述Q₁表示所述覆盖层的传热速率；所述Q₂表示所述厚膜涂层的发热速率；所述Q₃表示所述载体的传热速率；

所述λ₁表示所述覆盖层的导热系数；所述λ₂表示所述厚膜涂层的导热系数；所述λ₃表示所述载体的导热系数；

所述A表示所述厚膜涂层与覆盖层或者载体的接触面积；

所述b₁表示所述覆盖层的厚度；所述b₂表示所述厚膜涂层的厚度；所述b₃表示所述载体的厚度；

所述T₀厚膜发热元件的初始温度；所述T₁表示所述覆盖层的表面温度；所述T₂表示所述厚膜涂层的加热温度；所述T₃表示所述载体的表面温度；

所述厚膜涂层的厚度b₂≤50微米；

所述载体的厚度b₃≥覆盖层的厚度b₁，且b₁≤1毫米，b₃≥1毫米；

所述T_{载体最低熔点}>25℃。

2.根据权利要求1所述的厚膜发热元件，其特征在于，所述载体与厚膜涂层之间通过印刷或者烧结粘结，所述厚膜涂层与覆盖层通过印刷或者烧结粘结。

3.根据权利要求2所述的厚膜发热元件，其特征在于，所述载体与覆盖层中间没有厚膜涂层的区域通过印刷或者烧结粘结。

4.根据权利要求1所述的厚膜发热元件，其特征在于，所述载体包括聚酰亚胺、有机绝缘材料、无机绝缘材料、陶瓷、微晶玻璃、石英、水晶、石材材料。

5.根据权利要求1所述的厚膜发热元件，其特征在于，所述厚膜涂层为银、铂、钯、氧化钯、金或者稀土材料中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的厚膜发热元件，其特征在于，所述覆盖层为聚酯、聚酰亚胺或聚醚亚胺、陶瓷、硅胶、石棉、云母板中的一种或几种制成的。

7.根据权利要求1所述的厚膜发热元件，其特征在于，所述厚膜涂层的面积小于或等于覆盖层或载体的面积。

8.一种厚膜发热元件的用途，用于双面加热的产品。