CN109805750A - 内胆组件以及液体加热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种内胆组件以及液体加热器，其中，所述内胆组件包括内胆、高导热层、电热管以及亲水性涂层，所述高导热层设于所述内胆底壁的外表面，所述高导热层的导热系数大于或者等于100W/m.k，所述电热管安装在所述高导热层的外表面，所述亲水性涂层设于所述内胆底壁的内表面，以使得所述内胆底壁形成有覆盖所述亲水性涂层的亲水区域，所述电热管位于所述亲水区域内，所述亲水性涂层的气泡接触角为θ，且20°≤θ≤75°。本发明提供的液体加热器中，通过在内胆底壁的内表面设置所述亲水性涂层，加快了气泡脱离内胆底壁的速度，从而降低了液体加热器加热时产生的噪音，提高了产品的用户体验。
Description
技术领域
本发明涉及生活电器技术领域，特别涉及一种内胆组件以及液体加热器。
背景技术
目前市场上液体加热器，例如电热水壶，电热水壶内胆大都采用304不锈钢，电热管加热过程中,气泡会储能生成大量的较大气泡，较大气泡脱离电水壶底壁会立马内爆产生较大的噪声，特别是水温在55℃-75℃之间，噪声最大。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种内胆组件以及液体加热器，旨在解决现有的液体加热器加热过程中产生较大噪声的问题。
为实现上述目的，本发明提出的内胆组件，用以液体加热器，所述内胆组件包括：
内胆；
高导热层，设于所述内胆底壁的外表面，所述高导热层的导热系数大于或者等于100W/m.k；
电热管，安装在所述高导热层的外表面；以及，
亲水性涂层，设于所述内胆底壁的内表面，以使得所述内胆底壁形成有覆盖所述亲水性涂层的亲水区域，所述电热管位于所述亲水区域内，所述亲水性涂层的气泡接触角为θ，且20°≤θ≤75°。
优选地，30°≤θ≤70°。
优选地，30°≤θ≤50°。
优选地，所述亲水性涂层的厚度为5μm到500μm。
优选地，所述亲水性涂层的厚度为10μm到100μm。
优选地，所述亲水性涂层的厚度为15μm到50μm。
优选地，所述亲水性涂层为无机硅酸盐涂层、Al2O3层或者ZrO2层。
优选地，所述亲水性涂层布设在一环形区域；或者，
所述亲水性涂的布设区域覆盖所述底壁内表面的中心。
优选地，所述高导热层为高导热板或者高导热涂层。
本发明还提供一种液体加热器，包括内胆组件，所述内胆组件包括：
内胆；
高导热层，设于所述内胆底壁的外表面，所述高导热层的导热系数大于或者等于100W/m.k；
电热管，安装在所述高导热层的外表面；以及，
亲水性涂层，设于所述内胆底壁的内表面，以使得所述内胆底壁形成有覆盖所述亲水性涂层的亲水区域，所述电热管位于所述亲水区域内，所述亲水性涂层的气泡接触角为θ，且20°≤θ≤75°。
本发明提供的技术方案中，液体加热器包括内胆组件，内胆底壁的内表面设有亲水性涂层，亲水性涂层的气泡接触角为θ，且20°≤θ≤75°。本发明的发明人在研究过程中发现，液体加热器在烧水过程中，与电热管相对位置的内胆底壁会产生大量的气泡，气泡会储能生成大量的大气泡后脱离内胆底壁，在上升一点高度就会因被内胆底部温度较低的水吸收大部分热量而发生破裂，并且，气泡离开内胆底壁的快慢是与底壁内表面的气泡接触角有关的，气泡接触角越小，气泡脱离内胆底壁的速度也会越快，这样就缩短了气泡在内胆底壁储能的时间，气泡储存的能量较小，相应的破裂时发出的噪音也小，同时也减少了水与底壁之间的空气量，从而减少气泡生成的数量。本发明通过选择具有合适气泡接触角的亲水性涂层，加快了气泡脱离内胆底壁的速度，从而降低了液体加热器加热时产生的噪音，提高了产品的用户体验，并且，也避免了较小的气泡接触角设置，导致成本的增加，加大加工难度的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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示出的结构获得其他的附图。
图1为气泡接触角的定义原理图；
图2为现有的液体加热器的电热管加热的原理示意图；
图3为本发明提供的液体加热器的第一实施例的电热管加热的原理示意图；
图4为图3所示液体加热器的立体结构示意图；
图5为本发明提供的内胆组件的第一实施例的立体结构示意图；
图6为图5中的内胆组件的剖面示意图；
图7为图6中A处的局部放大示意图；
图8为本发明提供的内胆组件的第二实施例的结构示意图；
图9为图8中B处的局部放大示意图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 100 | 内胆组件 | 5 | 开盖按键 |
| 1 | 内胆 | 6 | 手柄 |
| 11 | 底壁 | 7 | 开关 |
| 2 | 亲水性涂层 | 8 | 底座 |
| 3 | 电热管 | 9 | 外壳 |
| 31 | 铝板 | 200 | 液体加热器 |
| 4 | 壶盖 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
结合图1首先对本发明涉及的“气泡接触角”进行说明:
亲水性涂层的气泡接触角是指在固/液/气三相交叉点，做气/液界面的切线，此切线与固/液交界线之间的夹角θ。
本发明提供一种液体加热器，液体加热器可以是电热水壶、电热水瓶或咖啡壶等，以下将以电热水壶为例进行介绍，液体加热器可以是双层壶体结构，即为包括内胆和外壳，也可以单层壶体结构，即为只包括内胆。图3和图4为本发明提供的液体加热器的第一实施例，液体加热器包括内胆组件。
请参阅图3和图4，在本实施例中，液体加热器200包括内胆组件100、壶盖4、开盖按键5、手柄6、开关7、底座8以及外壳9，内胆组件100设于外壳9内，通过开盖按键5控制壶盖4，打开和盖合内胆组件100，可以通过把手6提起壶体，放置在底座8上为内胆组件100供电。
图5至图7为本发明提供的内胆组件的第一实施例，请参阅图5至图7，内胆组件100包括内胆1、高导热层、电热管3以及亲水性涂层2，高导热层设于内胆1底壁11的外表面，高导热层的导热系数大于或者等于100W/m.k，电热管3安装在高导热层的外表面，亲水性涂层2设于所述内胆1底壁11的内表面(一般采用静电喷涂工艺)，以使得内胆1底壁11形成有覆盖亲水性涂层2的亲水区域，电热管3位于亲水区域内，亲水性涂层2的气泡接触角为θ，且20°≤θ≤75°。
本发明提供的技术方案中，液体加热器200包括内胆组件100，内胆1底壁11的内表面设有亲水性涂层2，亲水性涂层2的气泡接触角为θ，且20°≤θ≤75°。现有的液体加热器200在烧水过程中，与电热管3相对位置的内胆1底壁11会产生大量的气泡，气泡会储能生成大量的大气泡后脱离内胆1底壁11，在上升一点高度就会因被内胆1底部温度较低的水吸收大部分热量而发生破裂(请参阅图2，现有电热水壶内胆的材料一般是304不锈钢，其气泡接触角的范围为80°＜θ≤90°)。本发明的发明人在研究过程中发现，请参阅图1，在固/液/气三相交叉点处的液气界面、固气界面和固液界面的表面自由能分别为γlg、γsg和γsl，且γlgcosθ＝γsg－γsl，固相该处的表面自由能△E＝△A(γsg－γsl)，其中，△A为体系自由能变化量，可知，当θ＜90°时，△E＞0；当θ大于90°时，△E＜0。在固体表面某处的总能量大于其附近的总能量(即△E＞0)，气泡易于从该处脱离，设置亲水性涂层2的气泡接触角为θ，且20°≤θ≤75°时，气泡可以快速脱离亲水性涂层2的表面，并且请参阅图3，气泡离开内胆1底壁11的快慢是与底壁11内表面的气泡接触角有关的，气泡接触角越小，气泡脱离内胆1底壁11的速度也会越快，这样就缩短了气泡在内胆1底壁11储能的时间，气泡储存的能量较小，相应的破裂时发出的噪音也小，同时也减少了水与底壁11之间的空气量，从而减少气泡生成的数量。本发明通过选择具有合适气泡接触角的亲水性涂层2，加快了气泡脱离内胆1底壁11的速度，从而降低了液体加热器200加热时产生的噪音，提高了产品的用户体验，并且，也避免了较小的气泡接触角设置，导致成本的增加，加大加工难度的问题。
为了验证气泡接触角对噪声的影响，本发明给出一实验，如下：
实验一
实验条件：选用加热功率1800W电热水壶，壶内水量为1.3L—1.7L，直径为110mm的电热管，电热水壶最低热效率值应不小于85％。
实验步骤：1、在消声室外连续烧开两壶满刻度水并倒掉；2、冷却水壶后第三次加入最大刻度水量并放置测试台正中间；3、温度传感器置于水壶中心的水位高度的中间处；4、按下水壶的“启动”键，同时开始计时；5、壶内水温上升到跳停时停止计时测量；5、剔除声功率值≤45dB的噪声值，对测试噪声值进行A计权，取平均声功率作为主要判定值，取最大声功率作为辅助判定值。
先测得如图2结构所示的现有的电热水壶(内胆1底壁11的材料为304不锈钢，气泡接触角为85°)的实验数据具体见下表1。
表1
| 最大声功率/dB | 平均声功率/dB | 热效率值 |
| 70.05 | 64.15 | 89.0％ |
再选用如图7结构所示的电热水壶，当亲水性涂层2(直径为120mm，厚度为5μm)在气泡接触角不同时所对应的实验数据具体见下表2。
表2
| θ | 最大声功率/dB | 平均声功率/dB | 热效率值 |
| 15° | 58.69 | 55.79 | 89.8％ |
| 20° | 57.77 | 54.89 | 90.1％ |
| 25° | 56.89 | 53.78 | 90.5％ |
| 29° | 55.98 | 52.87 | 90.7％ |
| 30° | 55.41 | 52.09 | 90.9％ |
| 31° | 56.67 | 53.89 | 90.8％ |
| 35° | 57.65 | 54.12 | 90.7％ |
| 40° | 59.23 | 55.56 | 90.6％ |
| 45° | 59.71 | 56.64 | 90.3％ |
| 50° | 60.37 | 57.36 | 90.1％ |
| 55° | 63.08 | 59.04 | 89.7％ |
| 60° | 64.12 | 59.69 | 89.5％ |
| 65° | 65.21 | 60.03 | 89.3％ |
| 70° | 66.04 | 61.47 | 89.1％ |
| 75° | 68.04 | 62.56 | 88.7％ |
| 76° | 69.71 | 63.87 | 88.6％ |
| 77° | 69.74 | 63.89 | 88.5％ |
对比表1和表2的数据可知，当亲水性涂层2的气泡接触角为θ，且20°≤θ≤75°时，液体加热器200工作时所产生的噪音的最大声功率降低了至少2.01dB，平均声功率降低了至少1.59dB，并且，液体加热器200的热效率值都在85％以上，满足使用要求，符合安规规定。
单独看表2的数据可知，当θ＞75°时，最大声功率和平均声功率降与现有产品相差不大，例如当θ为76°时，最大声功率只降低了0.34dB，平均声功率只降低了0.28dB。当θ＜20°，容易在内胆1底壁11结水垢，水垢会对液体加热器200的热效率值产生影响，长期也会影响的降噪效果，也会给用户清洗内胆1增加麻烦，降低用户体验，故选取气泡接触角的范围为20°≤θ≤75°，降噪效果较为明显，且不易在内胆1底壁11结水垢，提升了用户体验。
单独看表2的数据可知，当θ≤70°时，热效率值都是不低于89％，热效率值是高于现有产品的，且最大声功率降低了至少4.01dB，平均声功率降低了至少2.68dB，降噪效果相对更为明显。
一般要得到较小的气泡接触角，是通过在亲水性涂层2的基材里面增加亲水基团来改变θ值的大小，从基材性能的稳定性以及成本的考虑，常用的亲水性涂层2的基材为Al2O3层(Al2O3层的θ为45°到50°)和ZrO2涂层(ZrO2涂层的θ为30°到35°)，因为基材ZrO2涂层的θ的下限值为30°，故要得到θ为30°以下的亲水性涂层2，一般是通过在ZrO2涂层里面增加亲水基团来改变θ值的大小，但是要得到的θ值越小，加工工艺难度越大，成本也会越高，并且，因为θ太小易在内胆1底壁11结水垢，影响热效率值，θ＝30°时的热效率值是高于θ＝29°和31°时的热效率值的，综上可得，可以优化选取气泡接触角的范围为30°≤θ≤70°，降噪效果较为明显，性价比较高，降低了水垢对热效率值的影响，且热效率值高于现有产品。
如上所介绍的，常用的亲水性涂层2的基材还有Al2O3层，考虑到Al2O3层的θ为45°到50°，Al2O3层的θ的上限值为50°，故可以优化选取气泡接触角的范围为30°≤θ≤50°，最大声功率降低了至少9.68dB，平均声功率降低了至少6.79dB，降噪效果得到了进一步提升，且亲水性涂层2的生产成本较为适中。
如上所介绍的，气泡接触角θ的大小与亲水性涂层2的材料有关，为此，在本发明的第一实施例中通过选用不同材料制成亲水性涂层2，来改变气泡接触角θ的大小。
具体地，在第一实施例中，亲水性涂层2为无机硅酸盐涂层、Al2O3层或者ZrO2层，例如，Al2O3层(纯度99.9％以上)的气泡接触角为45°到50°，ZrO2层的气泡接触角为30°到35°，无机硅酸盐涂层的气泡接触角为25°到30°，通过给无机硅酸盐涂层、Al2O3层或者ZrO2层增加亲水基团(-CH2、-COOH、-OH)来改变亲水性涂层2的气泡接触角。
通过设置亲水性涂层2来加快气泡脱离内胆1底壁11的速度，让气泡只吸收到较少的能量，在未变成较大气泡前脱离内胆1底壁11，因此随着亲水性涂层2的气泡接触角的逐渐减小，气泡可以越快脱离内胆1底壁11，气泡吸收的能量也越少，气泡直径增长也会越小，通过设置上述范围内的气泡接触角，亲水性涂层2生成的气泡脱离亲水性涂层2时的直径大小在0.1mm到2mm范围内，如此，液体加热器200所产生的噪声较小，并且，因为被气泡吸收的能量减少了，液体加热器200的加热效率也会有所提升。
除了上述亲水性涂层2的气泡接触角对降低液体加热器200的噪音有影响之外，亲水性涂层2的厚度也会影响到液体加热器200的降噪效果，在第一实施例中，亲水性涂层2的厚度为5μm到500μm，如此设置，液体加热器200加热时的噪音会得到降低，也可以避免亲水性涂层2的厚度太薄易被磨损掉，厚度太厚对液体加热器200的加热效率会产生较大的影响，且增加生产成本的问题。
为了验证亲水性涂层2的厚度对噪声的影响，本设计又给出了一实验：
实验二
实验条件：跟实验一相同。
实验步骤：跟实验一相同。
选用如图7结构所示的电热水壶，当亲水性涂层2(亲水性涂层2的直径为120mm，θ为50°，为Al2O3层)在厚度不同时所对应的实验数据具体见下表3。
表3
对比表1和表3的数据知道，当亲水性涂层2的厚度为5μm到500μm时，最大声功率降低了至少9.68dB，平均声功率降低了至少6.79dB，并且，液体加热器200的热效率值都在85％以上，满足使用要求，符合安规规定。
单独看表3的数据可知，随着亲水性涂层2的厚度的逐渐增加，平均声功率降和最大声功率整体呈下降的趋势，并且，热效率值也会逐渐下降。当厚度大于500μm时，热效率值是低于87％，例如，厚度为510μm时，热效率值为86.9％，代表着电热管3的热量对外传递受到了影响，会减小电热管3的使用寿命，并且，一般的喷涂工艺较难形成5μm以下的亲水性涂层2，故可以选取亲水性涂层2的厚度为5μm到500μm。
单独看表3的数据可知，当厚度大于100μm时，随着厚度毎增加100μm，最大声功率和平均声功率都只降低0.01到0.02dB，降噪效果进一步优化效果不明显，但是随着亲水性涂层2厚度的增加，会导致成本的不断增加，同时，考虑到当亲水性涂层2的厚度小于10μm时，涂层易被磨损掉和脱落，故可以优化选取亲水性涂层2的厚度为10μm到100μm。
单独看表3的数据可知，对比当厚度从40μm增加到50μm时(最大声功率降低了1.23dB，平均声功率降低了0.82dB)，当厚度从50μm增加到60μm时(最大声功率降低了0.03dB，平均声功率降低了0.08dB)，最大声功率和平均声功率下降幅度减小，但是生产亲水性涂层2的成本会随着厚度的增加而增加，且当亲水性涂层2不超过50μm时，热效率值都是高于89％，优于现有产品的，同时考虑到当亲水性涂层2的厚度小于15μm时，喷涂工艺难度较大，且难以保证表面喷涂的均匀性，可以进一步优化选取亲水性涂层2的厚度为15μm到50μm，最大声功率降低了至少10.69dB，平均声功率降低了至少7.99dB，降噪效果明显，性价比较高，热效率值优于现有产品，加工工艺较为简单，适用于大型批量生产。
通过在内胆1底壁11形成覆盖亲水性涂层2的亲水区域，将电热管3设于亲水区域内，来实现降低液体加热器200加热时所产生的噪音。
具体地，电热管3位于亲水区域内的方式有多种，可以是亲水性涂层2的布设区域覆盖底壁11内表面的中心，即亲水性涂层2呈盘状，例如，请参阅图6和图7，在第一实施例中，亲水性涂层2覆盖整个底壁11内表面，如此设置工艺相对较为简单，更加适用于大型批量加工生产。
电热管3位于亲水区域内的方式还有请参阅图8和图9，在第二实施例中，亲水性涂层2布设在一环形区域，即亲水性涂层2呈环状，液体加热器200加热过程中，主要是在电热管3与内胆1底壁11的连接区产生大量的气泡，而电热管3一般绕制呈环状，通过设置环形的亲水性涂层2不但可以达到降低噪音的效果，并且，相对于整个底壁11内表面设置亲水性涂层2，大大降低了生产成本。
为了验证环形设置的亲水性涂层2对噪声的影响，本设计又给出了一实验：
实验三
实验条件：跟实验一相同。
实验步骤：跟实验一相同。
在现有电热水壶加设亲水性涂层2(为Al2O3层，θ为50°，厚度为5μm，外径为120mm)，测得了亲水性涂层2在内径尺寸不同时所对应的实验数据，具体分别见下表4。
表4
对比表1和表4中的数据可知，当亲水性涂层2呈环状布置时，也能达到降噪效果，在亲水性涂层2内径在不超过105mm时(电热管3的内径为105mm，故亲水性涂层2内径是不超过105mm的)，最大声功率降低了至少2.86dB，平均声功率降低了至少1.0dB，并且，热效率值都在85％以上，满足使用要求，符合安规规定。
单独看表4中的数据，随着亲水性涂层2的内径逐渐变大，最大声功率和平均声功率都会增大，但是热效率值是整体呈上升趋势的。当亲水性涂层2内径不超过60mm时，最大声功率降低了至少5.86dB，平均声功率降低了至少2.99dB，降噪效果相对较好良好。对比当内径从50mm降到到40mm时(最大声功率降低了1.51dB，平均声功率降低了1.31dB，热效率值降低了0.1％)，当内径从40mm降到到30mm时(最大声功率降低了0.61dB，平均声功率降低了0.84dB，热效率值降低了0.2％)，最大声功率和平均声功率下降幅度减小，并且热效率值多降低了0.1％，生产亲水性涂层2的成本会随着内径的变小而增加，综上所述，可以选取亲水性涂层2内径为40mm到60mm，降噪效果良好，且性价比较高。
电热管3位于亲水区域内，并且是安装在高导热层的外表面，且高导热层的大于或者等于100W/m.k，电热管3通过高导热层与内胆1底壁11导接，增加了电热管3对内胆1底部的有效加热面积，让电热管3的热量能够均匀传递至内胆1的底部，可以让液体加热器200加热时的噪音降低。
具体地，高导热层可以是高导热板，也可以是高导热涂层，在第二实施例中，高导热层为铝板31，如此设置，高导热层不但具有良好的导热性能，并且性价比较高，并且，通过铝板31安装电热管3，有利于电热管3的安装定位。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种内胆组件，用于液体加热器，其特征在于，所述内胆组件包括：
内胆；
高导热层，设于所述内胆底壁的外表面，所述高导热层的导热系数大于或者等于100W/m.k；
电热管，安装在所述高导热层的外表面；以及，
亲水性涂层，设于所述内胆底壁的内表面，以使得所述内胆底壁形成有覆盖所述亲水性涂层的亲水区域，所述电热管位于所述亲水区域内，所述亲水性涂层的气泡接触角为θ，且20°≤θ≤75°。
2.如权利要求1所述的内胆组件，其特征在于，30°≤θ≤70°。
3.如权利要求2所述的内胆组件，其特征在于，30°≤θ≤50°。
4.如权利要求1所述的内胆组件，其特征在于，所述亲水性涂层的厚度为5μm到500μm。
5.如权利要求4所述的内胆组件，其特征在于，所述亲水性涂层的厚度为10μm到100μm。
6.如权利要求5所述的内胆组件，其特征在于，所述亲水性涂层的厚度为15μm到50μm。
7.如权利要求1所述的内胆组件，其特征在于，所述亲水性涂层为无机硅酸盐涂层、Al2O3层或者ZrO2层。
8.如权利要求1所述的内胆组件，其特征在于，所述亲水性涂层布设在一环形区域；或者，
所述亲水性涂层的布设区域覆盖所述底壁内表面的中心。
9.如权利要求1所述的内胆组件，其特征在于，所述高导热层为高导热板或者高导热涂层。
10.一种液体加热器，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的内胆组件。
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