CN107690206B - 一种加热电极结构和加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种加热电极结构，包括2n个电极，其中n为大于等于2的整数；所述电极的形状为圆弧形和/或扇形，且2n个电极组成一个同心圆；所述2n个电极中，一个电极与其圆心对称的另一个电极组成一个电极组，形成n个电极组。本发明还提供了一种加热装置。本发明从电极加热的结构入手，设计一种新型电极分布方式，将圆形基材边缘分为2n份(n为大于等于2的整数)，按照圆心对称的结构，相对应的两个电极作为对电极，这种多段式中心对称的电极结构保证在加热时，圆形加热区内任一点到电极的距离都相等，电阻大小相等，从而达到整个发热面均匀发热的效果。
Description
技术领域
本发明涉及加热电极技术领域，涉及一种加热电极结构和加热装置，尤其涉及一种多组加热电极结构和脉冲式驱动加热装置。
背景技术
电加热是将电能转变成热能以加热物体，是电能利用的一种形式，与一般燃料加热相比，电加热可获得较高温度，如电弧加热装置，能够将加热温度达到3000℃以上，而且易于实现温度的自动控制和远距离控制，并可按需要，使被加热物体保持一定的温度分布。同时，电加热能在被加热物体内部直接生热，因而热效率高，升温速度快，并可根据加热的工艺要求，实现整体均匀加热或局部加热(包括表面加热等)，容易实现真空加热和控制气氛加热。更主要的是，在电加热过程中，产生的废气、残余物和烟尘少，可保持被加热物体的洁净，不污染环境。正因为如此，电加热的方式被生产、科研和试验等各个领域广泛应用，特别是在单晶和晶体管的制造、机械零件和表面淬火、铁合金的熔炼和人造石墨的制造等方面，已经成为日常生产、研究和生活中不可或缺的加热方式，也是目前对材料加热中，效率较高、速度较快、低耗节能环保和应用最广泛的加热方式。
电加热根据电能转换方式的不同，电加热通常分为电阻(电极)加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热和介质加热等。这其中，电阻加热又称为电极加热，是利用电流的焦耳效应将电能转变成热能以加热物体。通常分为直接电阻加热和间接电阻加热。间接电阻加热需由专门的合金材料或非金属材料制成发热元件，即电极，由发热元件产生热能，通过辐射、对流和传导等方式传到被加热物体上。由于被加热物体和发热元件分成两部分，因此被加热物体的种类一般不受限制，操作简便。
现今许多领域会遇到将圆形面进行加热的问题，目前的解决方式是将导电基材利用两个半圆形电极围绕成圆形，两个电极分别与电源正负极连接，通电后持续进行加热。但是这种加热方式存在发热区域发热不均匀，加热效果差等问题，无法满足一些对加热均匀性要求高的领域的要求。
因此，如何得到一种更为适宜的电极加热装置，能够使发热区域均匀受热，达到良好加热效果，已成为诸多应用领域和生产厂商均亟待解决的问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种加热电极结构和加热装置，是一种多组加热电极结构和脉冲式驱动的加热装置。本发明提供的具有多组加热电极结构的加热装置，能够使发热区域均匀受热，达到良好加热效果，而且结构简单，易于工业化实现。
本发明提供了一种加热电极结构，包括：
2n个电极，其中n为大于等于2的整数；
所述电极的形状为圆弧形和/或扇形，且2n个电极组成一个同心圆；
所述2n个电极中，一个电极与其圆心对称的另一个电极组成一个电极组，形成n个电极组。
优选的，所述n的个数为2～30。
优选的，所述电极的材质包括铜、铜合金、铝、铝合金、铁、铁合金、石墨、硅和含有石墨和/或硅的复合材料中的一种或多种。
本发明提供了一种加热装置，包括上述技术方案任意一项所述的加热电极结构和2n个电源；
所述2n个电源中，一个电源的正负极与一个电极相连接。
优选的，所述2n个电源中，与一个电极组分别相连接的2个电源组成一个电源组，形成n个电源组。
优选的，所述n个电源组之间采用脉冲式的驱动形式进行供电，使得n个电极组之间交替、间隔或随机进行加热。
优选的，所述脉冲式为矩形波脉冲式。
优选的，所述n个电极组中，一个电极组的加热时间为0.1s～5min。
优选的，所述电源包括直流电或交流电；
所述电源的电压为3～380V。
优选的，所述加热装置还包括基体；
所述基体与所述加热电极结构相连接；
所述加热装置为用于圆形面加热的加热装置。
本发明提供了一种加热电极结构，包括2n个电极，其中n为大于等于2的整数；所述电极的形状为圆弧形和/或扇形，且2n个电极组成一个同心圆；所述2n个电极中，一个电极与其圆心对称的另一个电极组成一个电极组，形成n个电极组。本发明还提供了一种加热装置。与现有技术相比，本发明针对现有的加热电极结构通电后持续加热时，存在发热区域发热不均匀，加热效果差等问题，本发明认为由于正负电极为两个半圆形，导致在整个半圆内，导电基材上任一点到正负电极的总距离都是不同的，这个差异会导致线路电阻不同，导致发热程度不同，靠近正负电极交界处温度非常高，远离正负电极交界处温度低。
基于此，本发明创造性的从电极加热的结构入手，设计一种新型电极分布方式，将圆形基材边缘分为2n份(n为大于等于2的整数)，按照圆心对称的结构，相对应的两个电极作为对电极，这种多段式中心对称的电极结构保证在加热时，圆形加热区内任一点到电极的距离都相等，电阻大小相等，从而达到整个发热面均匀发热的效果，有效的解决了传统半圆形电极加热时，正负电极接近，电阻小，发热严重，长时间工作发热不均匀的固有缺陷。
实验结果表明，采用新型电极结构及驱动方式时，圆形发热基体整体发热更为均匀，发热基体中心温度明显提高，单位面积平均功率较传统结构及驱动方式也有提高。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的加热电极结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的加热电极结构工作流程示意图；
图3为本发明实施例2中的加热装置的实物图；
图4为本发明实施例2中的加热装置的热成像图；
图5为普通加热装置的热成像图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明所用材料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明所用材料，对其规格没有特别限制，采用本领域的常规规格即可，本发明优选为相关电加热行业的相关要求。
本发明所有材料，对其纯度没有特别限制，本发明优选符合电加热制造领域的相关要求。
本发明提供了一种加热电极结构，包括：
2n个电极，其中n为大于等于2的整数；
所述电极的形状为圆弧形和/或扇形，且2n个电极组成一个同心圆；
所述2n个电极中，一个电极与其圆心对称的另一个电极组成一个电极组，形成n个电极组。
本发明对所述电极没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于电加热装置的电极即可，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整。
本发明对所述电极的材质没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于电加热装置的电极材质即可，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整，本发明所述电极的材质优选包括铜、铜合金、铝、铝合金、铁、铁合金、石墨、硅和含有石墨和/或硅的复合材料中的一种或多种，更优选为铜、铜合金、铝、铝合金、铁、铁合金、石墨、硅或含有石墨和/或硅的复合材料，更优选为铜、铝、铁等金属元素或其他金属元素，或者上述金属元素其中两种或多种的金属合金，或者铜合金、铝合金、铁合金，也可以包括石墨、硅等常见的用于制作电极的非金属材料或复合材料等等。
本发明对所述2n，n为大于等于2的整数的具体范围没有特别限制，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整，本发明所述n的个数优选为2～30，更优选为5～28，更优选为8～25，更优选为10～23，更优选为15～20。
在本发明中，所述电极的形状优选为圆弧形和/或扇形，更优选为圆弧形或扇形；且2n个电极组成一个同心圆。本发明对所述2n个电极中，每一个电极的具体形状没有特别限制，可以为相同的形状，也可以为不同的形状，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整，本发明优选为相同的形状。在其他实施例中，所述电极的形状也可以为其他形状，电极之间的形状可以相同，也可以不同，以能够实现均匀快速加热为优选方案。
在本发明中，所述2n个电极中，一个电极与其圆心对称的另一个电极组成一个电极组，形成n个电极组，也就是说，电极组中的两个电极为圆心对称结构，电极组也可以称为对电极。在其他实施例中，电极组也可以采用其他的形成方式，以能够实现均匀快速加热为优选方案。
本发明还提供了一种加热装置，包括上述技术方案任意一项所述的加热电极结构和2n个电源；
所述2n个电源中，一个电源的正负极与一个电极相连接。
本发明上述加热装置中，所涉及材料和参数的选择和优选原则与前述加热电极结构中材料和参数的选择和优选原则均一致，在此不再一一赘述。
本发明对所述电源的形式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的电源形式即可，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整，本发明所述电源优选为直流电或交流电。
本发明对所述电源的电压没有特别限制，以本领域技术人员熟知的电源电压即可，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整，本发明所述电压优选为3～380V，更优选为5～220V，更优选为9～110V。
本发明对所述2n的具体范围没有特别限制，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整，本发明所述n为大于等于2的整数，其个数优选为2～30，更优选为5～28，更优选为8～25，更优选为10～23，更优选为15～20。
本发明对所述相连接的具体方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的连接方式即可，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整，本发明所述相连接可以为直接连接或通过导线相连接，更优选为通过导线相连接。
在本发明中，所述2n个电源中，与一个电极组分别相连接的2个电源优选组成一个电源组，形成n个电源组。从而实现一个电极组相同的供电时间和供电方式，以能够提供均匀快速的加热。在其他实施例中，也可以实现其他组合方式，以能够实现均匀快速加热为优选方案。
在本发明中，所述n个电源组之间优选采用脉冲式的驱动形式进行供电。使得n个电极组之间能够交替、间隔或随机进行加热，更优选为交替进行加热，从而实现均匀快速的加热。在其他实施例中，也可以采用其他的驱动方式进行供电，以能够实现均匀快速加热为优选方案。
本发明对所述脉冲式的概念没有特别限制，以本领域技术人员熟知的脉冲概念即可，类似脉冲电流的方式，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整。
本发明对所述脉冲式的具体方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的脉冲电流的具体方式即可，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整，本发明所述脉冲式优选为矩形波脉冲式，即一个电极组通电加热然后停止，另一个电极组通电加热然后停止，再下一个电极组通电加热然后停止等等的模式。本发明所述一个电极组、另一个电极组和下一个电极组之间的关系可以为交替、间隔或随机，本发明更优选为交替，即相邻。
本发明对所述n个电极组中，一个电极组的加热时间没有特别限制，以本领域技术人员熟知的方式设置即可，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整，本发明所述个电极组的加热时间优选为0.1s～5min，更优选为0.5s～3min，更优选为1s～2min，更优选为5～60s，具体可以为10～30s。
本发明对所述加热装置没有其他特别限制，以本领域技术人员熟知的加热设置即可，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整，本发明所述加热装置优选为用于圆形面加热的加热装置。
本发明为提高加热装置的实用性和操控性，所述加热装置优选还包括基体；所述基体与所述加热电极结构相连接，用于基体加热或导热。
本发明对所述基体没有特别限制，以本领域技术人员熟知的发热基材即可，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整，本发明所述基体可以为被加热的基体，也可以为导热的基材，再用于加热其他材质。本发明对所述基体的具体选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规发热基材即可，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整，本发明所述基体优选包括ITO薄膜、金属薄膜、金属氧化物导电薄膜和石墨薄膜中的一种或多种，更优选为ITO薄膜、金属薄膜、金属氧化物导电薄膜或石墨薄膜。
本发明为提高加热装置的实用性和操控性，所述加热装置优选还包括电源控制器，用于控制n个电极组之间交替、间隔或随机进行加热。本发明对所述电源控制器的选择和参数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的电源控制器即可，本领域技术人员可以根据应用情况、加热要求和产品要求进行选择和调整。
本发明上述步骤提供了一种多组加热电极结构和脉冲式驱动的加热装置，特别是一种用于薄膜加热的电极结构和加热装置，本发明创造性的从电极加热的结构入手，设计一种新型电极分布方式，将圆形基材边缘分为2n份(n为大于等于2的整数)，按照圆心对称的结构，相对应的两个电极作为对电极(电极组)，形成多段式中心对称电极组结构，圆形加热区内任一点到电极的距离都相等，电阻大小相等，从而能够均匀发热，有效的解决了传统半圆形电极加热时，正负电极接近，电阻小，发热严重，长时间工作发热不均匀的固有缺陷。再进一步优选通过对多组电极进行脉冲式驱动的供电方式，将含有相对电极的电极组，每组依次供电x秒(x可以根据发热要求和发热效果确定)，形成脉冲式驱动形式，从而达到整个发热面均匀发热的效果。
实验结果表明，采用新型电极结构及驱动方式时，圆形发热基体整体发热更为均匀，发热基体中心温度明显提高，单位面积平均功率较传统结构及驱动方式也有提高。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种多组加热电极结构和脉冲式驱动加热装置进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
圆形面加热装置
包括4个电极，电极形状为圆弧形，且4个电极组成一个同心圆；
4个电极中，一个电极与其圆心对称的另一个电极组成一个电极组，形成2个电极组。电极的材质为铜合金电极。
还包括4个交流电电源，每个电源的正负极与一个电极通过导线相连接。一个电极组分别相连接的2个电源组成一个电源组，形成2个电源组。
还优选包括一个电源控制器，控制2个电源组之间采用矩形波脉冲式的驱动形式进行供电，2个电极组之间交替进行加热。
参见图1，图1为本发明实施例1提供的加热电极结构示意图，其中，包括对电极组1和对电机组2。
参见图2，图2为本发明实施例1提供的加热电极结构工作流程示意图。
实施例2
采用实施例1中的圆形面加热装置进行加热测试。
参见图3，图3为本发明实施例2中的加热装置的实物图。其中，发热体基材采用厚度100微米的掺锡氧化铟薄膜，简称为ITO薄膜。其直径10厘米。圆弧电极为4个，电极宽度为1毫米，均布于发热基材边缘。外接4个电极。电极分别与脉冲电源连接(图中未表示出)。
工作方式采用12V直流脉冲电源进行驱动，脉冲频率为1赫兹/秒。
参见图4，图4为本发明实施例2中的加热装置的热成像图。参见图5，图5为普通加热装置的热成像图。
由图4和图5可知，在同等条件下，本发明实施例2提供的加热装置，圆形加热面清晰可见，发热均匀。电极位置温度与发热体中心温度温差不超过3℃，不存在明显热点。发热体整体温度在29℃～33℃，热量分布情况明显好于传统驱动结构及驱动方式结果。而普通加热装置电极区域发热明显，存在显著热点，温度达到34.4℃。中心区域温度较低，较电极区域温度低4℃。发热体边缘温度明显降低，较电极区域温度低4.5℃。因此，传统发热体及驱动方式驱动效果差，温度不均匀，温差明显，存在局部热点，容易起火，存在显著缺陷，有重大安全隐患。
实施例3
圆形面加热装置
包括20个电极，电极形状为圆弧形，且20个电极组成一个同心圆；
20个电极中，一个电极与其圆心对称的另一个电极组成一个电极组，形成10个电极组。电极的材质为铜合金电极。
还包括10个交流电电源，每个电源的正负极与一个电极通过导线相连接。一个电极组分别相连接的1个电源组成一个电源组，形成10个电源组。
还包括一个电源控制器，控制10个电源组之间采用矩形波脉冲式的驱动形式进行供电，10个电极组之间交替进行加热。
发热体基材采用厚度100微米的掺锡氧化铟薄膜，简称为ITO薄膜。其直径10厘米。圆弧电极为20个，电极宽度为1毫米，均布于发热基材边缘。外接20个电极。电极分别与脉冲电源连接(图中未表示出)。采用12V直流脉冲电源进行驱动，脉冲频率为1赫兹/秒。
经检测，圆形加热面清晰可见，发热均匀。电极位置温度与发热体中心温度温差不超过3℃，不存在明显热点。发热体整体温度在30℃～33℃。
发热效果与实施例2结果相似，发热均匀面积比例比实施例2更大，温差更小。热量分布情况明显好于传统驱动结构及驱动方式结果。
实施例4
圆形面加热装置
包括60个电极，电极形状为圆弧形，且60个电极组成一个同心圆。
60个电极中，一个电极与其圆心对称的另一个电极组成一个电极组，形成30个电极组。电极的材质为铜合金电极。
还包括30个交流电电源，每个电源的正负极与一个电极通过导线相连接。一个电极组分别相连接的1个电源组成一个电源组，形成30个电源组。
还包括一个电源控制器，控制30个电源组之间采用矩形波脉冲式的驱动形式进行供电，30个电极组之间交替进行加热。
发热体基材采用厚度100微米的掺锡氧化铟薄膜，简称为ITO薄膜。其直径20厘米。圆弧电极为60个，电极宽度为2毫米，均布于发热基材边缘。外接60个电极。电极分别与脉冲电源连接(图中未表示出)。采用36V直流脉冲电源进行驱动，脉冲频率为1赫兹/秒。
经检测，圆形加热面清晰可见，发热均匀。电极位置温度与发热体中心温度温差不超过5℃，不存在明显热点。发热体整体温度在45℃～48℃。
发热效果与实施例2、实施例3结果相似，发热均匀面积比例比实施例3更大，温差更小。热量分布情况明显好于传统驱动结构及驱动方式结果。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种用于薄膜加热的加热装置，其特征在于，包括加热电极结构和2n个电源；
所述2n个电源中，一个电源的正极或负极与一个电极相连接；
所述2n个电源中，与一个电极组分别相连接的2个电源组成一个电源组，形成n个电源组；
所述n个电源组之间采用脉冲式的驱动形式进行供电，使得n个电极组之间交替、间隔或随机进行加热；
所述脉冲式为矩形波脉冲式；
所述加热电极结构，包括：
2n个电极，其中n为大于等于2的整数；
所述电极的形状为圆弧形和/或扇形，且2n个电极组成一个同心圆；
所述2n个电极中，一个电极与其圆心对称的另一个电极组成一个电极组，形成n个电极组。
2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述n的个数为2～30。
3.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述电极的材质包括铜、铜合金、铝、铝合金、铁、铁合金、石墨、硅和含有石墨和/或硅的复合材料中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述n个电极组中，一个电极组的加热时间为0.1s～5min。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的加热装置，其特征在于，所述电源包括直流电或交流电；
所述电源的电压为3～380V。
6.根据权利要求1～4任意一项所述的加热装置，其特征在于，所述加热装置还包括基体；
所述基体与所述加热电极结构相连接；
所述加热装置为用于圆形面加热的加热装置。
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