CN107979881A - 一种电加热基板元件以及具有该电加热元件的加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及加热装置领域，具体为一种电加热基板元件以及具有该电加热元件的加热装置，电加热基板元件包括一圆形或弧面基板，基板的背面融合有纳米厚度的电发热涂层，加热涂层分割成多个分隔区间，按精密计算定出特定长度及阔度，使各区间达至均匀热量输出，各电发热涂层区间的两相对的位置分别设置有电极并联各发热区，电极接驳电源；加热装置包括一个或多个电加热基板元件；当电流通过纳米厚度的电发热涂层时，在电发热涂层的超薄体积内，产生极高密度的热能，起到高效能以及快速升温效果；由于平面结构及超薄电发热涂层与基板紧密结合成一体，热能可以大面积均匀快速扩散，不论是圆形或弧面加热基板,都比传统加热元件能达到大面积均热效应。
Description
技术领域
本发明涉及加热装置领域，具体为一种电加热基板元件以及具有该电加热元件的加热装置。
背景技术
传统的加热装置一般采用燃气、或金属线圈、金属线等电加热元件；这些燃气或电加热元件效率低、耗能大；同时温度控制准确性较低，特别是在大面积或在弧面加热的使用状况下，发热面的温度不平均，因而影响热能功率及升温反应，均匀导热会出现困难；近年出现了一种薄膜导电发热涂层加热装置，此等加热装置采用了陶瓷玻璃或陶瓷板作为基板，而在基板背面融合上薄膜导电发热涂层，由于发热涂层与基板紧密结合成一体而没有空间间距，热能效应及升温反应因而大幅提高，温度更能快速，精确地控制；但薄膜导电发热涂层在设计存在一定限制，在发热涂层二边相对的位置需分别设置有平行的电极，平行电极的设计限制了导电发热薄膜的使用，只适合于四方形及长方形的基板上；相对于圆形或弧面的基板，平行电极不能实施于基板的二边，发热的温度在基板不同的地方会存在极大的温度相差，甚至达200-400℃的相差，从而在温度控制及均匀加热上存在极大困难，温度极大差距更可能引至加热装置损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种电加热基板元件以及具有该电加热元件的加热装置，电加热基板元件包一圆形或弧面基板，基板的背面融合有纳米厚度的电发热涂层，加热涂层分割成多个分隔区间，各区间达至均匀热量输出，各电发热涂层区间的两相对的位置分别设置有电极并联各发热区，电极接驳电源；加热装置包括一个或多个电加热基板元件。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案
本发明第一方面，一种电加热基板元件，包一圆形或弧面基板，所述基板的背面融合有纳米厚度的电发热涂层，加热涂层分割成多个分隔区间，各区间达至均匀热量输出，所述各电发热涂层区间的两相对的位置分别设置有电极并联各发热区，所述电极接驳电源。
在本发明的电加热元件的一实施例中，所述基板为陶瓷玻璃板。
在本发明的电加热元件的另一实施例中，所述基板为陶瓷板。
在本发明的电加热元件的一实施例中，所述基板为圆形平面的基板。
在本发明的电加热元件的另一实施例中，所述基板为弧面的基板。
在本发明的电加热元件的一实施例中，所述电发热涂层包括氧化物涂层，其包含的金属源选自锡、铟、镉、钨、钛和钒。
在本发明的电加热元件的一实施例中，所述电极包括玻璃陶瓷烧结油墨，其包含的金属源选自铂、金、银、钯和铜。
在本发明的电加热元件的一实施例，所述电发热涂层分割成适当的区间分隔，每个分割发热涂层区域具不同的适当设定的长度及阔度，电极并联接连各发热涂层区域，达至相近的热量输出。
在本发明的电加热元件的一实施例中，所述基板包括设置在所述基板的表面的纳米厚度的绝缘涂层，所述电发热涂层位于所述绝缘涂层之上。
在本发明的电加热元件的一实施例中，所述绝缘涂层包括由溶胶-凝胶得到的二氧化硅涂层。
在本发明的电加热元件的一实施例中，所述电发热涂层上覆盖有绝缘层，所述绝缘层为玻璃或陶瓷层。
本发明第二方面，一种加热装置，包括加热装置本体，以及设置在加热装置本体上的一个或多个电加热基板元件。
在本发明的加热装置的一实施例中，所述加热装置本体包括金属、塑料或陶瓷的壳体，所述电加热元件设置在所述壳体面层，所述电加热元件的所述基板的背面可设置有隔热及热反射层。
在本发明的加热装置的一实施例中，所述加热装置包括用于接驳导线的电源接驳端子，所述电源接驳端子与所述电极焊接连接或通过金属弹片连接。
在本发明的加热装置的一实施例中，所述加热装置更将温度监视和控制系统与加热元件的导电涂层集成一起，以进行最佳的温度和节能控制。
在本发明的加热装置的一实施例中，驱动软件，控制器和脉宽调制(PWM)驱动器与加热元件相集成，控制器可使用模数转换器(ADC)进行温度测量而脉宽调制(PWM)驱动器进行精确的功率控制。
在本发明的加热装置的另一实施例中，温度和节能控制可透过比例-积分-微分(PID)控制器进行；温度测量也可采用PT100或PT1000温度探测器以达至1℃或0.1℃的温度误差；当加热装置的加热元件达到预置的目标温度时，控制系统将立即回应并切断电源，以实现节能的目的和限制加热元件温度的超标﹔当加热元件的温度降到预置温度时，控制系统将响应并导通电源以产生热量，以实现对加热元件的平稳供电，优化其加热性能和节能效率。
在本发明的加热装置的另一实施例中，温度和热能控制也可透过无线通信来控制，例如通过蓝牙装置(Bluetooth)、WiFi通讯、云端通讯(Cloud)或其他无线通信形式并使用智能电话、穿戴通讯装置或其他设备来设定、收取、储存和控制加热装置操作温度及能源使用及其开关。
在本发明的加热装置的一实施例中，利用导电涂层的厚度与及电极结构的安排，可以使导电涂层的电阻大幅减低，可使用直流电(D.C.)及电池作户外加热；传统发热线或线圈电阻较大，在直流电及电池电压下操作，电流量很少，不足够作大面积发热用途。
本发明的有益效果：由于本发明的电加热元件具有纳米厚度的电发热涂层，当电流通过电发热涂层时，在电发热涂层的超薄的体积内，产生极高密度的热能，从而可以起到高效能以及快速升温的效果；同时，由于平面结构及超薄电发热涂层与基板紧密结合成一体，热能可以大面积均匀快速扩散，不论是圆形或弧面加热基板,都比其他传统加热元件更能达到大面积均热效应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的电加热基板一实施例的电发热涂层及电极的结构示意图；
图2是本发明的电加热基板实施例的电发热涂层及电极结构的A-A剖面示意图；
图3是本发明的电加热基板实施例的电发热涂层及电极结构的B-B剖面示意图；
图4是本发明的电加热基板另一实施例的电发热涂层及电极结构示意图；
图5是本发明的电加热基板另一实施例的电发热涂层及电极结构示意图；
图6是本发明的加热装置另一实施例中包含弧面发热基板示意图；
图7是本发明的弧面加热装置一实施例中弧面发热基板的电发热涂层及电极的结构示意图；
图8是本发明的弧面加热装置一实施例中弧面发热基板的电发热涂层及电极的结构平面示意图；
图9是本发明的弧面加热装置另一实施例中弧面发热基板的电发热涂层及电极的结构平面示意图。
图1、2、3、4、5中，1-电加热元件、10-基板、11-电发热涂层、12-电极12；图6、7、8、9中，2-电加热元件、20-基板、21-电发热涂层、22-电极、200-加热装置。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
下面详细描述本发明的电加热元件以及加热装置的实施例，这些实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
在本发明的电加热元件以及加热装置的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“上端”、“下端”、“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；本文所使用的词语“纳米厚度”是指仅能在纳米水平内测得的每一涂层的厚度。
图1所示是本发明的电加热圆形平面基板元件一实施例的电发热涂层及电极的结构；电发热涂层在相同物料及厚度一致的情况下，发热能量受到相对电极距离的影响及控制；在圆形发热基板上，建设沿在导电发热区等距的电极存在困难，因而发热区各部份发热的能量存在极大差距，难以达至均温或温度接近的效果；如图1所示，本发明的电发热涂层及电极的安排作了特别的结构，发热区作出多个对称分隔区域，每个区域的长度及阔度在精密计算下作出特定的设计，以致各区域的热量输出接近，从而达至均温或温度接近的效应；二相对电极沿圆形基板的边缘特定位置并联连接各导电发热区，以达至基板最大的发热面积，电极接驳电源。
如图1所示，在圆形基板中部的导电发热区具有最大的长度(a1)，而各导电发热区间的长度沿电极向基板的顶部及底部渐次减短；为保持各发热区热能及温度接近，本发明设定相邻发热区的长度减少比率需维持在1％-10％；设定中部发热区的中线长度为a1，相邻发热区的中线长度为a2，再相邻发热区的中线长度为a3，则(a1-a2)/a1的比率需设定在0.01至0.1之间，而(a2-a3)/a2的比率也需设定在0.01至0.1之间，并类推至其他相邻发热区。
同时，为保持各发热区热能输出及温度接近，中部发热区具有最大的阔度(b1)，而各导电发热区间的阔度沿电极向基板的顶部及底部渐次减少；本发明设定相邻发热区的阔度减少比率需维持在10％-100％之内；设定中部发热区的阔度为b1，相邻发热区的阔度为b2，再相邻发热区的阔度为b3，则(b1-b2)/b1的比率需在0.1-1.0之间，而(b2-b3)/b2的比率也需在0.1-1.0之间，并类推至其他相邻发热区。
图2所示是本发明的电加热元件的A-A剖面示意图；在该实施例中，电加热元件1包括基板10，基板10的背面直接融合上一层或多层纳米厚度的导电发热涂层11；导电发热涂层11可以是单层或多层结构，由于超薄的纳米厚度发热涂层与基板紧密结合成一体而没有空间间距，热能效应及升温反应因而大幅提高，电发热涂层11的两相对的边缘分别设置有电极12，两个电极12平行设置，电极接驳电源；当电流通过电发热涂层11时，电发热涂层11将电能转化为热能。
在本实施例中的电加热元件1中，基板10可由陶瓷玻璃或陶瓷或任意别的合适的材料制成；本基板具有高度防腐蚀性能，更能轻易清洁，对化学物料具防腐蚀性，比一般金属基板耐用；本领域技术人员应当明白，陶瓷玻璃可承受高温和热的冲击，优于别的玻璃基底，以提供一致的和可靠的高温加热功能。
在本实施例中的电加热元件1中，电发热涂层11设置基板10的背面；电发热涂层11可以是氧化物涂层，其中使用的金属源可选自掺有有机金属前体的锡、铟、镉、钨、钛和钒；可以理解的是，也可用别的合适的材料制作电发热涂层11；电发热涂层11中的导电涂层材料用于将电能转换成热能；所应用的热量生成原理大大不同于常规的线圈加热，线圈加热方法中，热量输出来自金属线圈的高阻抗，其具有低加热效率和高功耗；电线圈或金属线加热器，一般需要透过金属板来传热，而发热线圈与金属板面存在一定距离空间，因而更影响热能功率及升温反应；相反，通过调节涂层的成分和厚度，可控制涂层的电阻抗，并可增加导电性，从而以最小的能量损耗，得到高加热效率；在电发热涂层的超薄的体积内，产生极高密度的热能，从而达至高效能及快速升温的效果；同时由于平面结构及超薄电发热涂层与基板紧密结合成一体，故此热能可作大面积均匀快速扩散。
在本实施例中的电加热元件1中，电极12设置在电发热涂层11上；两个间隔开的电极12分别沿着电发热涂层11的两个相对的侧边设置；电极12可由玻璃陶瓷烧结油墨(glassceramicfritbasedink)制成，其中金属源选自铂、金、银、钯和铜。
在本实施例中的电加热元件1中，基板10还可以包括设置在基板10的表面的纳米厚度的绝缘涂层，电发热涂层11位于绝缘涂层之上，也即在基板10和电发热涂层11之间具有纳米厚度的绝缘涂层；绝缘涂层可由溶胶-凝胶得到的二氧化硅(SiO2)或别的合适的材料制成；绝缘涂层可涂覆于具有表面活性剂的陶瓷玻璃基板10的表面上，以确保覆盖在陶瓷玻璃基板10上的SiO2具有100％的润湿，从而防止出现缺陷位置，以使得将陶瓷玻璃基板10与电发热涂层11电隔离，并可防止锂离子和别的污染物成分在加热过程中从陶瓷玻璃基板10扩散到电发热涂层11。
在本实施例中的电加热元件1中，电发热涂层11上还可以覆盖有绝缘层，绝缘层可以为玻璃、陶瓷层或其他电流绝缘材料，绝缘层可以是涂层或固体。
在本实施例中的电加热元件1中，所提到的电发热涂层11、绝缘涂层以及绝缘层可以是单层或多层结构，单层或多层的每一层的厚度在纳米量级，可以在数纳米到数十纳米的范围内。
当电流通过此电加热元件1的电发热涂层11时，在电发热涂层11的超薄的体积内，产生极高密度的热能，从而达至高效能及快速升温的效果；同时由于平面结构及超薄电发热涂层与基板紧密结合成一体，故此热能可作大面积均匀快速扩散，比其他传统发热件更能达到大面积均热效应。
图3所示是本发明的电加热基板实施例的电发热涂层及电极结构的B-B剖面示意图；在该实施例中，电加热元件包括基板10，基板10的背面直接融合上一层或多层纳米厚度的导电发热涂层11，发热涂层11上再设置电极12；如图3剖面图所示，各发热区涂层具有不同的设定阔度，以中部发热区涂层阔度最大，按设定比率向二旁相邻发热区渐次减少。
图4所示是本发明电加热基板另一实施例；在特定情况下，圆形加热基板的最外沿发热区温度偏高，在本实施例中，最外沿发热区可适当移除，以减少各发热区的温度差距，从而达至精准热能输出及温度控制，以致均温的效应。
图5所示是本发明电加热基板另一实施例；在本实施例中，外沿多个发热区改为弧形设计，从而增加二边电极相对的距离，从而使各发热区热量输出接近，达至均温的效果。
图6是本发明的实验室用加热装置200一实施例中包含弧面发热基板示意图。
图7是本发明的弧面加热装置一实施例中弧面发热基板的电发热涂层及电极的结构示意图；传统弧型的加热装置一般不是一体式结构，清洁困难，液体容易渗入装置内部，损坏装置；本发明的加热装置发热基板为一体化结构，适用于弧型底部的器皿，达到快速、均匀、大面积加热；同时防腐蚀性能高，易于清洁，液体不会渗漏至装置内部而引至使用失效或使用安全；在本实施例中，电加热元件2包括基板20，基板20的背面直接融合上一层或多层纳米厚度的导电发热涂层21；导电发热涂层21可以是单层或多层结构，由于超薄的纳米厚度发热元件与基板紧密结合成一体而没有空间间距，热能效应及升温反应因而大幅提高，电发热涂层21的两相对的边沿位置分别设置有电极22，电极22接驳电源；当电流通过电发热涂层21时，电发热涂层21将电能转化为热能；在本实施例中的电加热元件中，基板20可由陶瓷玻璃或陶瓷或任意别的合适的材料制成；如图6所示，为本发明的弧面加热装置的实施例，该加热装置的加热装置本体包括金属、塑料或陶瓷的壳体，电加热元件2设置在壳体面层，电加热元件2的基板20的背面直接融合上一层或多层纳米厚度的导电发热涂层21及设置有隔热及热反射层；隔热及热反射层可以使热流失减少，而且把热能向前向传导散播；隔热及热反射层包括各类云主板(mica)，以及其他适用材料；为了方便导线的连接，可以增加电源接驳端子，电源接驳端子与电极焊接连接或通过金属弹片连接。
在该实施例中，电加热元件与隔热及热反射层可紧贴设置，或二者之间间隔一定距离设置；电加热元件的电发热涂层可由绝缘物料遮盖，此物料可以是玻璃、陶瓷或其他电流绝缘材料，此物料可以是涂层或固体；电加热元件的外层亦可含电流绝缘的涂层；电加热元件同时可放射出强烈的红外线及远红外线，产生热能从而使加热更快速及温度均匀。
在弧面发热基板上，建设沿在导电发热区等距的电极存在困难，因而发热区各部份发热的能量存在极大差距，难以达至均温或温度接近的效果；如图7所示，本发明的电发热涂层及电极的安排作了特别的结构，电发热涂层21作出多个对称分隔区域，每个区域的长度及阔度在精密计算下作出特定的设计，以致各区域的热量输出接近，从而达至均温或温度接近的效应；二相对电极22沿圆形基板的边缘特定位置并联连接各导电发热区，以达至基板最大的发热面积，电极接驳电源。
如图8所示，在圆形基板中部的导电发热区具有最大的长度，而各导电发热区间的长度沿电极向基板的顶部及底部渐次减短；为保持各发热区热能及温度接近，本发明设定相邻发热区的长度减少比率需维持在1％-10％；同时，为保持各发热区热能输出及温度接近，中部发热区具有最大的阔度，而各导电发热区间的阔度沿电极向基板的顶部及底部渐次减少；本发明设定相邻发热区的阔度减少比率需维持在10％-100％之内。
图9所示是本发明的弧面加热装置另一实施例中，弧面发热基板20的电发热涂层21及电极22的结构的平面示意图；在特定情况下，弧面发热基板的外沿发热区温度偏高，在本实施例中，将图8实施例中外沿发热区中一个或多个发热区作适当移除，以减少各发热区的温度差距，从而进行精准热能输出及温度控制，以达至均温的效应。
本发明采用了陶瓷玻璃板或陶瓷板作为基板，陶瓷玻璃板及陶瓷板都具有高度防腐蚀性能，更能轻易清洁；同时，由于陶瓷玻璃及陶瓷具绝缘性能，本发明采用了创新的发热元件，在所述基板的背面直接融合上纳米厚度的导电发热涂层，由于超薄的纳米厚度发热涂层与基板紧密结合成一体而没有空间间距，热能效应及升温反应因而大幅提高，温度更能快速、精准地控制，以快速达至及控制所设定的温度要求；同时，为适应圆形或弧面加热装置，本发明导电薄膜加热区及加热区二边的电极作了特别的设计，加热区作了适当的区间分隔，以致每个分隔的加热区达至接近的热能量输出，从而达至接近的加热温度。
实施本发明的电加热元件以及加热装置，具有以下有益效果：由于本发明的电加热元件具有纳米厚度的电发热涂层，当电流通过电发热涂层时，在电发热涂层的超薄的体积内，产生极高密度的热能，从而可以起到高效能以及快速升温的效果；同时，由于平面结构及超薄电发热涂层与基板紧密结合成一体，热能可以大面积均匀快速扩散，不论是圆形或弧面加热基板,都比其他传统加热元件更能达到大面积均热效应。
本发明的电加热元件可以用于各种加热装置，这种加热装置包括加热装置本体，以及设置在加热装置本体上的电加热元件，电加热元件的数量可以根据需要是一个或多个，电加热元件的设置方式也可以是多样的，根据不同用途的加热装置而改变，电加热元件可以串联或并联连接。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均落入本发明的保护之内。
Claims (14)
1.一种电加热基板元件，其特征在于，包括一圆形或弧面基板，所述基板的背面融合有一层或一层以上纳米厚度的电发热涂层，纳米厚度发热涂层与基板紧密结合成一体，所述发热涂层分割成多个分隔区间，其特征在于，所述基板中部导电发热区具最大的阔度，而各导电发热区的阔度沿电极向基板的顶部及底部渐次减少。所述电发热涂层的各区间的两相对的位置分别设置有电极，并联连接各个发热区，所述电极接驳电源。
2.根据权利要求1所述的一种电加热基板元件，其特征在于，所述基板各相邻发热区的阔度减少比率设定在0.1-1.0之间。
3.根据权利要求1所述的一种电加热基板元件，其特征在于，所述基板的电发热涂层中部导电发热区具最大的长度及各导电发热区间的长度沿电极向基板的顶部及底部渐次减少。
4.根据权利要求1所述的一种电加热基板元件，其特征在于，所述基板各相邻发热区的长度减少比率设定在0.01至0.1之间。
5.根据权利要求1所述的一种电加热基板元件，其特征在于，所述基板为陶瓷玻璃板或陶瓷板。
6.根据权利要求1所述的一种电加热基板元件，其特征在于，所述电发热涂层包括氧化物涂层，其包含的金属源选自锡、铟、镉、钨、钛和钒。
7.根据权利要求1所述的一种电加热基板元件，其特征在于，所述电极包括玻璃陶瓷烧结油墨，其包含的金属源选自铂、金、银、钯和铜。
8.根据权利要求1所述的一种电加热基板元件，其特征在于，所述基板包括设置在所述基板的表面的纳米厚度的绝缘涂层，所述电发热涂层位于所述绝缘涂层之上。
9.根据权利要求8所述的一种电加热基板元件，其特征在于，所述绝缘涂层包括由溶胶-凝胶得到的二氧化硅涂层。
10.根据权利要求1所述的一种电加热基板元件，其特征在于，所述电发热涂层上覆盖有绝缘层，所述绝缘层为玻璃或陶瓷层。
11.一种加热装置，其特征在于，包括加热装置本体，以及设置在加热装置本体上的一个或多个如权利要求1-10任一项所述的电加热基板元件。
12.根据权利要求11所述的一种加热装置，其特征在于，所述加热装置本体包括金属、塑料或陶瓷的壳体，所述电加热元件设置在所述壳体面层，所述电加热元件的所述基板的背面可设置有隔热及热反射层。
13.根据权利要求11所述的一种加热装置，其特征在于，所述加热装置还包括用于接驳导线的电源接驳端子，所述电源接驳端子与所述电极焊接连接或通过金属弹片连接。
14.根据权利要求11所述的一种加热装置，其特征在于，所述加热装置还包括温度和热能控制模块，可通过无线通信来控制，并使用智能电话、穿戴通讯装置来设定、收取、储存和控制加热装置操作温度及电源开关。
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