CN110139408B - 一种板式电加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种板式电加热器，涉及加热器领域，包括正极板，负极板和发热部件；所述正极板和所述负极板分别设置在发热部件的两端；所述发热部件被设置为泡沫金属。本发明的板式加热器表面功率分布均匀、具有高的表面功率密度且其加热部件的厚度易于焊接。

Description

一种板式电加热器
技术领域
本发明涉及加热器领域，尤其涉及一种板式电加热器。
背景技术
电加热设备在工业应用及实验研究等诸多领域均有着广泛的应用。近年来，在两相流研究领域，平板矩形通道由于其在反应堆设计(如韩国的KIJANG研究堆)、紧凑型换热器以及微电子领域的广泛应用而吸引了越来越多科研工作者对板式矩形通道进行工程性以及机理性研究。为研究矩形通道的沸腾换热特性，需使用板式电加热器对通道进行加热。实验研究或工程应用对高功率板式电加热器(表面功率密度大于50w/cm^2)均有必要的需求。
电加热器多为利用电流的焦耳效应将电能转换为热能以加热物体。现有的板式电加热器主要可分为不锈钢电热板、陶瓷电热板、铸铝铸铁电热板、ITO电加热以及金属薄膜电加热等。前三者的区别在于使用的板面材料不同，从而获得了不同的传热、耐腐蚀、耐温等特性，其产热部件均为布置于内部的电阻丝或加热管。ITO电加热方式则为直接对氧化铟锡膜通电进行加热，其主要的优点为表面加热功率分布均匀。金属薄膜电加热与ITO类似，直接对金属薄膜通电进行加热。
采用电阻丝加热的电加热板由于内部热源为电阻丝而非整体发热，受电阻丝布置及内部填充材质的影响，其表面功率分布不够均匀，此外受限于电阻丝的布置空间需求，该类型电加热板最大表面功率亦有所受限(市场常见的最大表面功率密度仅为10w/cm^2左右)，为获得大的加热功率需要体积较大。ITO电加热虽能使加热板表面功率分布均匀，但其最大功率极低,通常整体加热功率仅为十几瓦特，无法应用于高加热功率需求场所。金属薄膜电加热方式，可获得较为均匀得表面功率分布，且理论上可达到较大得加热功率，但实际应用中，由于金属材料低电阻率的特性，为达到高的加热功率，在加热板面积一定的条件下，一方面需要采用低电压大电流的电源对其进行供电，另一方面需要使用尽可能薄的金属膜。电路铜排与金属薄膜之间存在接触电阻，若接触电阻较大，则会在接触处大量产热，不仅会使得电能有效利用率降低还会产生安全隐患。降低接触电阻最有效的方式为焊接，然而金属薄膜由于厚度过小，无法与铜排进行焊接，仅可依靠压紧的方式进行固定。因此，实际使用中，金属薄膜电加热亦无法达到高的加热功率。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种板式电加热器，其表面功率分布均匀、具有高的表面功率密度且其加热部件的厚度易于焊接。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种表面功率分布均匀、具有高的表面功率密度且其加热部件的厚度易于焊接的电加热器。
泡沫金属亦称高孔率金属，是指具有三维网状结构、在金属基体中分布着大量连通或不连通孔洞的新型轻质结构-功能材料。由常用作电加热材料的铁铬铝、镍铬等合金制备的泡沫金属，其电阻率可达传统同材料合金的几十倍，且同样具备耐高温氧化、使用温度高等特性。对于大功率电热器，作为与外部电源正负极连接的铜排和发热元件之间的接触电阻是限制金属薄膜电加热器最大功率的主要原因之一。本发明核心思想为使用通孔泡沫金属代替金属薄膜，使得在同等电阻及加热板面积的情况下，泡沫金属的厚度可达到金属薄膜厚度的数十倍。从而满足铜排与发热元件焊接的条件，减小接触电阻，进而使得板式的电加热器可在高功率下运行。
由于通孔泡沫金属内部存在大量孔隙，若加热板为封闭式设计，则充斥在孔隙中的静止空气会在一定程度上影响加热板传热效果，为增强导热效果，提高加热板表面功率分布的均匀化程度，本发明认为封闭加热器设计，可向泡沫金属加热板孔隙内填充合适的导热物质，若所采用的泡沫金属为粗孔材料(孔径>50μm),推荐通过挤压方式使用导热硅脂填充泡沫金属内部孔隙，若所使用泡沫金属属于中孔(2μm<孔径<50μm)材料，则可使用导热油通过浸泡方式填充泡沫金属内部孔隙。
为实现上述目的，本发明提供了一种板式电加热器，包括正极板，负极板和发热部件；所述正极板和所述负极板分别设置在发热部件的两端；所述发热部件被设置为泡沫金属。
进一步地，所述泡沫金属的材质为铁铬铝或镍铬。
进一步地，所述正极板的材质为铜；所述负极板的材质为铜。
进一步地，所述泡沫金属内部填充导热介质。
进一步地，所述导热介质为导热油或是导热脂。
进一步地，所述正极板和所述发热部件焊接连接。
进一步地，所述负极板和所述发热部件焊接连接。
进一步地，还包括对所述加热器进行封装外壳和支架；所述发热部件与所述外壳之间通过所述支架进行压紧固定。
进一步地，所述外壳的材质为铝。
进一步地，所述支架的材质为陶瓷。
技术效果
1)本发明直接对发热部件通电，使得发热部件的表面功率分布均匀；
2)本发明加热器的发热部件采用泡沫金属，其电阻率比一般金属要高，可以获得较高的表面功率密度；在使用于大功率电加热情况，表面加热功率密度可达50w/cm^2以上；
3)在相同的表面功率和相同的表面积下，发热部件采用泡沫金属的厚度要远远大于其他一般金属，这样有利于焊接；
4)泡沫金属空隙内部填充有导热介质，使得发热部件导热更为均匀。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的板式电加热器；
图2是本发明的另一个较佳实施例的板式电加热器；
图3是图2所示的板式电加热器的组装图；
其中，1-正极板，2-负极板，3-发热部件，4-支架，5-外壳一，6-外壳二，7-密封槽，8-通孔，9-螺纹孔。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，一种板式电加热器，其特征在于，包括正极板1，负极板2和发热部件3；正极板1和负极板2分别设置在发热部件3的两端；发热部件3被设置为泡沫金属。在一些实施例中，泡沫金属的材质为铁铬铝或镍铬，或者其他类似的金属。
在一些实施例中，正极板1的材质为铜；负极板2的材质为铜。
在一些实施例中，为了导热更为均匀，泡沫金属内部填充导热介质。优选地，导热介质为导热油或是导热脂。若所采用的泡沫金属为粗孔材料(孔径>50μm)，优选地，通过挤压方式使用导热硅脂填充泡沫金属内部孔隙；若所使用泡沫金属属于中孔(2μm<孔径<50μm)材料，优选地，使用导热油通过浸泡方式填充泡沫金属内部孔隙。
为了减少正极板1和负极板2与发热部件3之间的接触电阻，在一些实施例中，优选地，正极板1和负极板2分别与发热部件3之间采用焊接连接的方式。
具体应用说明如下：
以加热面长为L＝600mm,宽W＝70mm，加热功率P＝30KW，供电电源为U＝36V的设计需求为例，假设电加热元件采用80ppi、95％孔隙率、电阻率ρ＝108μΩ.m的铁铬铝泡沫金属。
根据电阻率定义
Figure BDA0002078862480000041
其中，ρ为电阻率，R为电阻，S为元件横截面积，L为元件沿电流方向长度。
以及功率计算式
Figure BDA0002078862480000042
其中，P为功率，U为电压，R为电阻
可得
Figure BDA0002078862480000043
根据设计需求，将参数具体数值代入可得
泡沫金属板厚度d＝21.3mm
如图2所示，本发明提供了另外一种板式加热器，在以上描述的基础上，增加了对所述加热器进行封装外壳和支架4；发热部件3与外壳之间通过支架4进行压紧固定。外壳包括外壳一5和外壳二6，采用螺栓通过通孔8进行连接；另外，外壳二6上设置有密封槽7，外壳一5和外壳二6在密封槽7上通过密封圈或密封垫进行密封。在一些实施例中，外壳的材质选为铝。发热部件3被压夹固定在两块支架4之间，两块支架4通过螺纹孔9连接在外壳上；在一些实施例中，支架4的材质为陶瓷、云母板、电木或其他类似绝缘耐热材料。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种板式电加热器，其特征在于，包括正极板，负极板和发热部件；所述正极板和所述负极板分别设置在发热部件的两端；所述发热部件被设置为泡沫金属，所述泡沫金属内部填充导热介质，所述导热介质为导热油或导热脂；所述泡沫金属的孔径大于50μm时，所述导热脂被设置为通过挤压方式填充所述泡沫金属，所述泡沫金属的孔径大于2μm且小于50μm时，所述导热油被设置为通过浸泡方式填充所述泡沫金属；所述正极板、所述负极板分别和所述发热部件焊接连接。
2.如权利要求1所述的一种板式电加热器，其特征在于，所述泡沫金属的材质为铁铬铝或镍铬。
3.如权利要求1所述的一种板式电加热器，其特征在于，所述正极板的材质为铜；所述负极板的材质为铜。
4.如权利要求1所述的一种板式电加热器，其特征在于，还包括对所述加热器进行封装的外壳和支架；所述发热部件与所述外壳之间通过所述支架进行压紧固定。
5.如权利要求4所述的一种板式电加热器，其特征在于，所述外壳的材质为铝。
6.如权利要求4所述的一种板式电加热器，其特征在于，所述支架的材质为陶瓷。
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