CN108934090A - 一种高功率节能电热管元件及其制造方法 - Google Patents

一种高功率节能电热管元件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率节能电热管元件及其制造方法，属于电热膜技术领域。本发明以陶瓷管材为基材，通过高温热处理和喷砂处理后，在其表面通过旋转热雾分解工艺制备电热膜，然后采用丝网印刷工艺在管材表面并高温烧结得到导电电极，最后管材两端通过精密磨加工出密封面，得到高功率节能电热管元件。该制造方法得到的电热膜膜厚可控，功率稳定。用该方法制造的电热管元件，克服了传统电热膜加热元件功率密度低的缺点，大大提高了电加热功率，加热速度快，控温精度高，相比传统的电热丝不锈钢电热管可节能20％以上，同时陶瓷材料具有的高强度、耐高温特性大大提高了加热系统的长期运行可靠性。

Description

一种高功率节能电热管元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及电加热技术，尤其涉及的是一种高功率节能电热管元件及其制造方法。
背景技术
电热管是工业领域常用的加热元件，一般用优质进口不锈钢管、进口高温氧化镁粉、高品质电热丝等材料制成发热元件，用不锈钢制成其它结构部分，具有优良的整体性能。但也存在着明显的寿命短、易结垢、加热效率低的缺点。其根本原因在于该形式的电热管和被加热介质，特别是液体介质的接触面积小，因此膜加热的电热管应运而生。它是将一种氧化物半导体薄膜蒸镀于绝缘的非金属表面，一般为玻璃管，通电加热并通过管壁传递给被加热介质，从而大大提高了传热面积，加热速度快，节能效果好。但传统的膜加热电热管存在着明显的缺点是管材热导率低，造成电热管功率密度低，单根管材的电热功率低，对于大功率的加热系统，大大提高了设备和控制成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种高功率节能电热管元件及其制造方法。
本发明的技术方案如下：
一种高功率节能电热管元件的制造方法，包括以下步骤：
(1)表面处理：
将陶瓷管材进行高温热处理和喷砂两步处理；
(2)电热膜制备：
将表面处理后的陶瓷管材通过旋转热雾分解工艺在其表面制备锑和铟共掺杂的氧化锡电热膜；
(3)导电电极制备：
采用丝网印刷工艺和高温烧结工艺在管材表面制备导电电极；
(4)密封端面加工：
采用精磨磨加工工艺在管材的两端加工出密封面。
所述的制造方法，步骤(1)中，所述的陶瓷管材选自氮化硅、氮化铝或碳化硅，其热导率≥80W/m·K，电阻率≥106Ω·cm。
所述的制造方法，步骤(1)中，所述的陶瓷管材表面热处理温度为650-680℃，保温时间为3-4小时。
所述的制造方法，步骤(1)中，所述的陶瓷管材喷砂处理的材料为碳化硅或氧化铝砂，粒度在100-200目。
所述的制造方法，步骤(2)中，将含有5-8％氯化锑、2-5％氯化铟和87-93％氯化锡的混合浆料在旋转高温炉进行喷雾热解制备电热膜。
所述的制造方法，步骤(2)中，所述的旋转热雾分解工艺控制温度为620-650℃。
所述的制造方法，步骤(2)中，所述的氧化锡电热膜的厚度为200-400μm。
所述的制造方法，步骤(3)中，导电电极的厚度控制在0.05～0.1mm。
所述的制造方法，步骤(3)中，所述的所述导电电极可以是两条以上，通过串联、并联方式实现通电工作。
根据任一所述的制造方法获得的高功率电热管元件，其单体功率3KW-20KW，面功率密度最高可达200W/cm2。
与已有的电热管元件制造方法比较，本发明有以下的优点：
(1)本发明对陶瓷管材的表面进行了两步处理，采用旋转热雾分解法制备电加热膜，大大提高了电热膜的高温附着力，电热膜的厚度提高，提高了电加热功率。
(2)本发明对镀膜后的电热元件端面进行了精密磨加工，大大提高了密封面的精度，可以用于高流量、高压力下的封装，大大提高了运行可靠性。
本发明的第二目的提供一种高功率节能电热管元件，具有以下特征：
(1)该电热管元件的基材为可以为氮化硅、氮化铝或碳化硅，其热导率≥80W/m·K，电阻率≥106Ω·cm。
(2)该电热管元件的电热膜的厚度为200-400μm。
(3)该电热管元件的密封面的公差在+-0.05mm，宽度在25-35mm。
(4)该电热管元件的单体功率≥3KW，最高可达20KW，面功率密度最高可达200W/cm2。
本发明提供的电热管元件与目前市场上存在的产品相比，有如下的明显的优点：
(1)由于采用了高导热绝缘陶瓷管材作为电热膜的基材，附着力增强，电热膜的厚度可以提高，大大提高了电热管的功率，最大功率密度可达200W/cm2，节能效果大幅提高。
(2)由于采用了高导热绝缘陶瓷管材作为电热膜和介质的热传递基材，电热膜产生的热量能够迅速被介质带走，加热速度快，控温精度高，节能效果大幅提高。
(3)由于采用了陶瓷管材作为基材，陶瓷材料的高强度、耐高温特性，大大提高了加热系统的长期运行可靠性。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。
实施例1：
选取外径15mm，内径12mm，长度150mm的氮化铝陶瓷管材，其热导率为180W/m·K，电阻率为2.5×1012Ω·cm。首先将陶瓷管材在空气马弗炉中进行热处理，温度为650℃，保温时间为4小时。然后在用粒度为200目的氧化铝砂进行喷砂处理。管材经过两步处理后，进入旋转高温炉进行喷雾热解制备电热膜。将含有5％氯化锑、2％氯化铟和93％氯化锡的混合浆料在温度620℃进行喷雾到管材表面，蒸镀时间为3min。镀膜后的管材冷却后，通过丝网印刷工艺在管材的两端预留位置印刷银浆电极，电极的厚度为0.05mm，宽度为10mm，电极数量为2条。而后管材在马弗炉中600℃进行高温烧结。烧结电极后的管材经过端面加工出密封面，密封面的宽度为20mm，以供进行可靠的封装工艺。通过该实施例制造的电热元件的电热膜厚度约为220μm，220V电压下电阻为21.5Ω，计算理论功率为2.25KW，功率密度为43W/cm2。
实施例2：
选取外径15mm，内径12mm，长度150mm的氮化铝陶瓷管材，其热导率为180W/m·K，电阻率为2.5×1012Ω·cm。首先将陶瓷管材在空气马弗炉中进行热处理，温度为680℃，保温时间为2小时。然后在用粒度为100目的氧化铝砂进行喷砂处理。管材经过两步处理后，进入旋转高温炉进行喷雾热解制备电热膜。将含有8％氯化锑、5％氯化铟和87％氯化锡的混合浆料在温度650℃进行喷雾到管材表面，蒸镀时间为10min。镀膜后的管材冷却后，通过丝网印刷工艺在管材的两端预留位置印刷银浆电极，电极的厚度为0.05mm，宽度为10mm，电极数量为2条。而后管材在马弗炉中600℃进行高温烧结。烧结电极后的管材经过端面加工出密封面，密封面的宽度为30mm，以供进行可靠的封装工艺。通过该实施例制造的电热元件的电热膜厚度约为380μm，220V电压下电阻为4.2Ω，计算理论功率为11.5KW，功率密度为220W/cm2。
实施例3：
选取外径20mm，内径15mm，长度200mm的氮化硅陶瓷管材，其热导率为90W/m·K，电阻率为4.7×1011Ω·cm。首先将陶瓷管材在空气马弗炉中进行热处理，温度为650℃，保温时间为4小时。然后在用粒度为100目的碳化硅砂进行喷砂处理。管材经过两步处理后，进入旋转高温炉进行喷雾热解制备电热膜。将含有6.5％氯化锑、3.5％氯化铟和90％氯化锡的混合浆料在温度630℃进行喷雾到管材表面，蒸镀时间为6min。镀膜后的管材冷却后，通过丝网印刷工艺在管材的两端预留位置印刷银浆电极，电极的厚度为0.1mm，宽度为10mm，电极数量为3条，串联连接。而后管材在马弗炉中620℃进行高温烧结。烧结电极后的管材经过端面加工出密封面，密封面的宽度为20mm，以供进行可靠的封装工艺。通过该实施例制造的电热元件的电热膜厚度约为320μm，220V电压下电阻为15.6Ω，计算理论功率为6.2KW，功率密度为62W/cm2。
实施例4：
选取外径20mm，内径15mm，长度200mm的氮化硅陶瓷管材，其热导率为90W/m·K，电阻率为4.7×1011Ω·cm。首先将陶瓷管材在空气马弗炉中进行热处理，温度为680℃，保温时间为2小时。然后在用粒度为200目的碳化硅砂进行喷砂处理。管材经过两步处理后，进入旋转高温炉进行喷雾热解制备电热膜。将含有5％氯化锑、5％氯化铟和90％氯化锡的混合浆料在温度650℃进行喷雾到管材表面，蒸镀时间为10min。镀膜后的管材冷却后，通过丝网印刷工艺在管材的两端预留位置印刷银浆电极，电极的厚度为0.1mm，宽度为10mm，而后管材在马弗炉中620℃进行高温烧结。烧结电极后的管材经过端面加工出密封面，密封面的宽度为30mm，以供进行可靠的封装工艺。通过该实施例制造的电热元件的电热膜厚度约为375μm，220V电压下电阻为5.2Ω，计算理论功率为10.6KW，功率密度为121W/cm2。
实施例5：
选取外径25mm，内径20mm，长度300mm的碳化硅陶瓷管材，其热导率为140W/m·K，电阻率为3.2×107Ω·cm。首先将陶瓷管材在空气马弗炉中进行热处理，温度为680℃，保温时间为2小时。然后在用粒度为200目的碳化硅砂进行喷砂处理。管材经过两步处理后，进入旋转高温炉进行喷雾热解制备电热膜。将含有6.5％氯化锑、3.5％氯化铟和90％氯化锡的混合浆料在温度630℃进行喷雾到管材表面，蒸镀时间为10min。镀膜后的管材冷却后，通过丝网印刷工艺在管材的两端预留位置印刷银浆电极，电极的厚度为0.1mm，宽度为10mm，电极数量为3条，串联连接。而后管材在马弗炉中620℃进行高温烧结。烧结电极后的管材经过端面加工出密封面，密封面的宽度为25mm，以供进行可靠的封装工艺。通过该实施例制造的电热元件的电热膜厚度为370μm，220V电压下电阻为4.4Ω，计算理论功率为22KW，功率密度为112W/cm2。
实施例6：
选取外径25mm，内径20mm，长度300mm的碳化硅陶瓷管材，其热导率为140W/m·K，电阻率为3.2×107Ω·cm。首先将陶瓷管材在空气马弗炉中进行热处理，温度为650℃，保温时间为4小时。然后在用粒度为100目的碳化硅砂进行喷砂处理。管材经过两步处理后，进入旋转高温炉进行喷雾热解制备电热膜。将含有6.5％氯化锑、3.5％氯化铟和90％氯化锡的混合浆料在温度650℃进行喷雾到管材表面，蒸镀时间为10min。镀膜后的管材冷却后，通过丝网印刷工艺在管材的两端预留位置印刷银浆电极，电极的厚度为0.1mm，宽度为10mm，电极数量为3条，串联连接。而后管材在马弗炉中620℃进行高温烧结。烧结电极后的管材经过端面加工出密封面，密封面的宽度为25mm，以供进行可靠的封装工艺。通过该实施例制造的电热元件的电热膜厚度为360μm，220V电压下电阻为5.6Ω，计算理论功率为17.2KW，功率密度为88W/cm2。
实施例7：
选取外径25mm，内径20mm，长度300mm的碳化硅陶瓷管材，其热导率为140W/m·K，电阻率为3.2×107Ω·cm。首先将陶瓷管材在空气马弗炉中进行热处理，温度为650℃，保温时间为4小时。然后在用粒度为100目的碳化硅砂进行喷砂处理。管材经过两步处理后，进入旋转高温炉进行喷雾热解制备电热膜。将含有6.5％氯化锑和93.5％氯化锡的混合浆料在温度650℃进行喷雾到管材表面，蒸镀时间为10min。镀膜后的管材冷却后，通过丝网印刷工艺在管材的两端预留位置印刷银浆电极，电极的厚度为0.1mm，宽度为10mm，电极数量为3条，串联连接。而后管材在马弗炉中620℃进行高温烧结。烧结电极后的管材经过端面加工出密封面，密封面的宽度为25mm，以供进行可靠的封装工艺。通过该实施例制造的电热元件的电热膜厚度为350μm，220V电压下电阻为12.8Ω，计算理论功率为7.6KW，功率密度为39W/cm2，相比于同样的掺杂3.5％氯化铟的电热膜配方，功率密度下降一半以上。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种高功率节能电热管元件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)表面处理：
将陶瓷管材进行高温热处理和喷砂两步处理；
(2)电热膜制备：
将表面处理后的陶瓷管材通过旋转热雾分解工艺在其表面制备锑和铟共掺杂的氧化锡电热膜；
(3)导电电极制备：
采用丝网印刷工艺和高温烧结工艺在管材表面制备导电电极；
(4)密封端面加工：
采用精磨磨加工工艺在管材的两端加工出密封面。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的陶瓷管材选自氮化硅、氮化铝或碳化硅，其热导率≥80W/m·K，电阻率≥106Ω·cm。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的陶瓷管材表面热处理温度为650-680℃，保温时间为3-4小时。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的陶瓷管材喷砂处理的材料为碳化硅或氧化铝砂，粒度在100-200目。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，将含有5-8％氯化锑、2-5％氯化铟和87-93％氯化锡的混合浆料在旋转高温炉进行喷雾热解制备电热膜。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的旋转热雾分解工艺控制温度为620-650℃。
7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的氧化锡电热膜的厚度为200-400μm。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，导电电极的厚度控制在0.05～0.1mm。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的所述导电电极可以是两条以上，通过串联、并联方式实现通电工作。
10.根据权利要求1-9任一所述的制造方法获得的高功率电热管元件，其单体功率3KW-20KW，面功率密度最高可达200W/cm2。
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