CN112040575B - 一种红外辐射风扇加热元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种红外辐射风扇加热元件，由加热灯丝、保护气体、密封玻璃管以及红外辐射涂层构成。所述加热丝密封在玻璃管内部，由惰性气体保护，所述加热涂层紧密结合在玻璃管外表面。所述红外辐射涂层以聚铝硅盐层作为底层界面融合层，碳化硅层作为中间层兼红外辐射层，可石墨化高分子层作为上层兼铆钉固定层，球形石墨烯贯穿三层结构并作为红外辐射和对流层。该红外辐射风扇加热元件利用聚铝硅盐的极好的界面融合作用，碳化硅层的高强耐磨性和高辐射性以及褶皱态球形石墨烯的高辐射，高对流特性，实现多级单向红外辐射加热。本发明的风扇加热元件极大提高了加热效率，同时在红外辐射加热领域，增加了人体舒适感，同时极大的减少了能源消耗。

Description

一种红外辐射风扇加热元件
技术领域
本发明属于红外加热应用技术领域，具体地涉及一种红外辐射风扇加热元件。
背景技术
随着社会的发展，人类对能源的依赖性越来越高，但随着化石能源的逐步消耗，能源的成本越来越高，为此人类生活生产活动中对能源的更高效利用迫在眉睫。同时，人们对生产生活的品质要求越来越高，相同能源条件下，舒适性成为了首选。
目前，生活中电加热设备主要是电热风扇是纯粹的电阻丝加热，耗电量巨大，加热范围小；同时其红外辐射波长较短，对人体损伤性大，人体舒适性差。
界面加热主要是高辐射材料表面加热，例如纯碳化硅、碳管等。但是其辐射率已经达到了常规加热极限(红外辐射率95％)。为了进一步增强加热，热传导热对流等加热原理必须引入并良好的应用。但是碳材料红外辐射有着本身的优势，可以辐射8-16μm的红外波，人体舒适感强。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种红外辐射风扇加热元件，该红外辐射加热元件，通过合理设计红外散热涂层的材料堆叠结构实现了热量的多级传递，为界面长程传热提供了可行的方案，同时实现高能源转化效率、快速大面积加热、人体舒适感强等优点。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种红外辐射风扇加热元件，所述红外辐射加热元件由加热灯丝、惰性气体、密封玻璃管以及红外辐射涂层构成。所述加热丝密封在玻璃管内部，由惰性气体保护，所述加热涂层紧密结合在玻璃管外表面。所述红外辐射涂层以聚铝硅盐层作为底层界面融合层，碳化硅层作为中间层兼红外辐射层，可石墨化高分子层作为上层兼铆钉固定层，球形石墨烯贯穿三层结构并作为红外辐射和对流层。所述球形石墨烯尺寸为1～3μm，由底层、中间层和上层组成的三层结构的总厚度不超过球形石墨烯尺寸的1/4；上层的厚度小于三层结构总厚度的1/10。所述红外辐射涂层利用离心喷涂的方式形成层层组装结构。
进一步地，所述可石墨化高分子层由可石墨化高分子构成，所述可石墨化高分子选自分子量为3000-30000的聚酰亚胺、沥青、或聚丙烯腈。
进一步地，所述聚铝硅盐层为长石(K2O·Al2O3·6SiO2)层、云母(K2O·2Al2O3·6SiO2·2H2O)层、高岭土(Al2O3·2SiO2·22H2O)层、沸石(Na2O·Al2O3·3SiO2·22H2O)层或石榴石(3CaO·Al2O3·3SiO2)层。
进一步地，所述碳化硅层为超支化碳硅烷，其分子量为2000-10000，支化度为1.1-2，所述超支化碳硅烷选自聚酰亚胺、沥青、聚丙烯腈等。
进一步地，所述红外辐射涂层的制备方法为：将1重量份球形石墨烯、0.02-0.12重量份可石墨化高分子低聚物、0.002-0.02重量份聚铝硅酸盐、0.1-1重量份超支化碳硅烷以及0.002-0.02份过氧化物交联剂混合均匀，经离心喷涂、紫外固化后，进行加热定型，得到红外辐射涂层。所述紫外固化的温度为60-120℃，时间为1-6h。
进一步地，所述过氧化物交联剂包括但不限于：过氧化二异丙苯、过氧化甲乙酮、过氧化苯甲酸、2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷。
进一步地，所述球形石墨烯是由浓度为0.1mg/mL-1mg/mL的氧化石墨烯溶液喷雾而成，并经过化学还原和在1600-2000℃热还原处理得到，所述球形石墨烯的ID/IG值不大于0.1，壁厚小于4个原子层。
进一步地，所述离心的离心力范围为2000-10000rcf。
进一步地，加热定型的具体方法为：在0-250℃下，升温速度小于5℃/min，控制保温0.1-1h；然后升温到500℃，升温速度小于5℃/min，控温保持1-2h；然后快速升温到1300℃，升温速度大于50℃/min，控温保持1-5min。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：其一，本发明利用离心喷涂的方式，根据材料密度不同实现了红外散热涂层材料的层层定向组装，并最终实现了红外辐射加热；其二，聚铝硅酸盐层起到了和密封玻璃管完美融合的作用，增强界面作用力；另一方面可以将热量传递给高辐射的碳化硅层。碳化硅层将热量用辐射的形式向外界快速散发。可石墨化高分子层实为纳米薄膜，链接球形石墨烯和碳化硅起到铆钉的作用；球形石墨烯有三个作用：其一，将热从界面引导而出，到高比表面积球形石墨烯上，其二，球形石墨烯具有高辐射率，快速高效辐射热量，极大增强碳化硅的辐射效果，其三，球形石墨烯表面具有少量缺陷态结构，再者其外悬挂结构增强了发热材料表面的温度梯度，使得其可以和气体具有良好的热对流作用，进一步增强材料界面加热效果。再有，高温修复过的石墨烯微球等材料具有极好的空气耐氧性，可以在500摄氏度以内全功率长时间工作，因而具有良好的稳定性。此外，碳材料的重大应用优势在于，其可以将高能光波转换成低能人体舒适光波，提高辐射舒适性。
石墨烯球和三层结构的厚度设计，尽可能减弱了界面层的热阻效应，同时增加石墨烯球作为散热主体的地位，提高辐射、对流以及热传导效果。上层的厚度小于三层结构总厚度的1/10，在起到铆钉作用的同时，对碳化硅辐射层没有过多的热阻效应。因此，该红外辐射加热风扇具有节能、高辐射、均匀散热的特点。
具体实施方式
为了使本发明的目的和效果变得更加明白，下面结合具体实施例进一步详述本发明。
实施例1
本发明提供了一种红外辐射风扇加热元件：所述红外辐射加热元件由加热灯丝、保护气体、密封玻璃管以及红外辐射涂层构成。所述加热丝密封在玻璃管内部，由惰性气体保护，所述加热涂层紧密结合在玻璃管外表面。所述红外辐射涂层通过以下方法制备得到：
(1)将浓度为0.1mg/mL的氧化石墨烯溶液在200℃下进行喷雾处理，并经过HI在80℃下还原8h，1600摄氏度热处理1h，制备得到球形石墨烯。
经扫描电镜检测证明最终获得球形石墨烯，经拉曼检测检测，该球形石墨烯的ID/IG值为0.1，且其尺度为1μm,球形石墨烯壁厚为2个原子层。
(2)取上述1重量份球形石墨烯和0.02重量份分子量为3000的聚酰亚胺、0.002重量份长石纳米粉、0.5重量份分子量为9800、支化度为1.1的超支化碳硅烷以及0.002重量份过氧化二异丙苯混合均匀，得到混合涂料。
(3)将步骤(2)获得的混合涂料经离心喷涂，设置离心的离心力为2000rcf，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为60℃，时间为6h。
(4)随后采用微波加热定型工艺:在250℃下，升温速度为4℃/min，控制保温0.1h；然后升温到500℃，升温速度为3℃/min，控温保持1h；然后升温到1300℃，升温速度为55℃/min，控温保持1min，得到红外辐射涂层。
上述方法制备得到的红外辐射涂层的结构具体为：以聚铝硅盐层作为底层的绝缘层和热量输入层；碳化硅层作为中间层的绝缘层和红外辐射层，是主要的辐射层，粗糙的表面积加上高辐射率(95％)，极大的提高了辐射加热效率；聚合物层作为上层用于链接碳化硅和球形石墨烯，其厚度为底层、中间层和上层组成的三层结构的8％；球形石墨烯贯穿三层结构作为外层辐射层，三层结构的厚度为球形石墨烯厚度的20％，球形石墨烯的比表面积巨大，辐射率高达98％，极大提高了红外辐射加热，同时高比表面积缺陷态石墨烯具有极好的热传导效果，可以和外界气体形成极好的热对流界面，增强加热，最终形成多级单向高效红外辐射涂层。
将上述方法制备得到的红外辐射涂层与密封玻璃管的外表面紧密结合，组装在红外辐射风扇加热元件上，经热成像仪对该该风扇加热元件在给50m2的保温房间10摄氏度作为参考温度进行加热检测，10分钟左右，房间温度上升至26度，温差为3度；而没有该红外辐射涂层的风扇加热元件消耗同样的功率后，其房间温度仅由21度，且温差为7度。因此，该风扇加热元件可广泛房间的高品质均匀供暖，切具有节能的效果。经过舒适性研究反馈，具有红外加热涂层的风扇加热元件其辐射波长在8-16μm左右，正是人体易吸收波长，因此舒适性增强。而未加该红外加热涂层的风扇加热元件，其辐射波长较短，能量较高，容易灼伤衣物甚至皮肤，因此体感较差。
实施例2
本发明提供了一种红外辐射风扇加热元件：所述红外辐射加热元件由加热灯丝、保护气体、密封玻璃管以及红外辐射涂层构成。所述加热丝密封在玻璃管内部，由惰性气体保护，所述加热涂层紧密结合在玻璃管外表面。所述红外辐射涂层通过以下方法制备得到：
(1)将浓度为1mg/mL氧化石墨烯溶液在180℃下进行喷雾处理，并经过HI在100℃下还原2h，1800摄氏度处理1.5h，制备得到球形石墨烯。
经SEM检测证明最终获得球形高褶皱石墨烯，经拉曼检测，该球形石墨烯的ID/IG值为0.07，且其尺度为3μm,球形石墨烯壁厚为3个原子层。
(2)取上述1重量份球形石墨烯和0.12重量份分子量为10000的沥青、0.02重量份云母纳米粉、0.1重量份分子量为2000、支化度为2的超支化碳硅烷以及0.01重量份过氧化苯甲酸混合均匀，得到混合涂料。
(3)将步骤(2)获得的混合涂料经离心喷涂，设置离心的离心力为10000rcf，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为120℃，时间为3h。
(4)随后采用高温加热定型工艺：在0℃下，升温速度为4℃/min，控制保温1h；然后升温到500℃，升温速度为3℃/min，控温保持2h；然后升温到1300℃，升温速度为51℃/min，控温保持5min，得到红外辐射涂层。
所述红外辐射涂层以聚铝硅盐层作为底层界面融合层，碳化硅层作为中间层兼红外辐射层，可石墨化高分子层作为上层兼铆钉固定层，球形石墨烯贯穿三层结构并作为红外辐射和对流层。由底层、中间层和上层组成的三层结构的总厚度为球形石墨烯尺寸的25％；上层的厚度为三层结构总厚度的9％。
将上述方法制备得到的红外辐射涂层与密封玻璃管的外表面紧密结合，组装在红外辐射风扇加热元件上，经热成像仪对该该风扇加热元件在给50m2的保温房间10摄氏度作为参考温度进行加热检测，10分钟左右，房间温度上升至28度，温差为4度；而没有该红外辐射涂层的风扇加热元件消耗同样的功率后，其房间温度仅由22度，且温差为8度。因此，该风扇加热元件可广泛房间的高品质均匀供暖，切具有节能的效果。经过舒适性研究反馈，具有该红外加热涂层的风扇加热元件其辐射波长在8-16μm左右，正是人体易吸收波长，因此舒适性增强。而未加该红外辐射涂层的风扇加热元件，其辐射波长较短，能量较高，容易灼伤衣物甚至皮肤，因此体感较差。
实施例3
本发明提供了一种红外辐射风扇加热元件：所述红外辐射加热元件由加热灯丝、保护气体、密封玻璃管以及红外辐射涂层构成。所述加热丝密封在玻璃管内部，由惰性气体保护，所述加热涂层紧密结合在玻璃管外表面。所述红外辐射涂层通过以下方法制备得到：
(1)将浓度为0.1mg/mL的氧化石墨烯在220℃下进行喷雾处理，并经过HI在90℃下还原4h，2000摄氏度处理0.2h，制备得到球形石墨烯。
经SEM检测证明最终获得多褶皱球形石墨烯，经拉曼检测，该球形石墨烯的ID/IG值为0.04，且其尺度为1μm,球形石墨烯壁厚为3个原子层。
(2)取上述1重量份球形石墨烯和0.1重量份分子量为30000的聚丙烯腈、0.01重量份高岭土纳米粉、1重量份分子量为1000、支化度为1.6的超支化碳硅烷以及0.02重量份2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷混合均匀，得到混合涂料。
(3)将步骤(2)获得的混合涂料经离心喷涂，设置离心的离心力为4000rcf，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为120℃，时间为2h。
(4)随后采用高温加热定型工艺：在250℃下，升温速度为2℃/min，控制保温1h；然后升温到500℃，升温速度为4.5℃/min，控温保持2h；然后升温到1300℃，升温速度为60℃/min，控温保持1min，得到红外辐射涂层。
所述红外辐射涂层以聚铝硅盐层作为底层界面融合层，碳化硅层作为中间层兼红外辐射层，可石墨化高分子层作为上层兼铆钉固定层，球形石墨烯贯穿三层结构并作为红外辐射和对流层。由底层、中间层和上层组成的三层结构的总厚度为球形石墨烯尺寸的18％；上层的厚度为三层结构总厚度的6％。
将上述方法制备得到的红外辐射涂层与密封玻璃管的外表面紧密结合，组装在红外辐射风扇加热元件上，经热成像仪对该风扇加热元件在给50m2的保温房间10摄氏度作为参考温度进行加热检测，10分钟左右，房间温度上升至26度，温差为4度；而没有该红外辐射涂层的风扇加热元件消耗同样的功率后，其房间温度仅由20度，且温差为8度。因此，该风扇加热元件可广泛房间的高品质均匀供暖，切具有节能的效果。经过舒适性研究反馈，具有该涂层的风扇加热元件其辐射波长在8-16μm左右，正是人体易吸收波长，因此舒适性增强。而未加该红外辐射涂层的风扇加热元件，其辐射波长较短，能量较高，容易灼伤衣物甚至皮肤，因此体感较差。
实施例4
本发明提供了一种红外辐射风扇加热元件：所述红外辐射加热元件由加热灯丝、保护气体、密封玻璃管以及红外辐射涂层构成。所述加热丝密封在玻璃管内部，由惰性气体保护，所述加热涂层紧密结合在玻璃管外表面。所述红外辐射涂层通过以下方法制备得到：
(1)将浓度为0.4mg/mL的氧化石墨烯在300℃下进行喷雾处理，并经过HI在90℃下还原5h，2000摄氏度处理2h，制备得到球形石墨烯。
经SEM检测证明最终获得多褶皱球形石墨烯，经拉曼检测，该球形石墨烯的ID/IG值为0.01，且其尺度为2μm,球形石墨烯壁厚为3-4个原子层。
(2)取上述1重量份球形石墨烯和0.08重量份分子量为5000的聚丙烯腈、0.02重量份石榴石纳米粉、1重量份分子量为8000、支化度为1.8的超支化碳硅烷以及0.006重量份过氧化甲乙酮混合均匀，得到混合涂料。
(3)将步骤(2)获得的混合涂料经离心喷涂，设置离心的离心力为6000rcf，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为80℃，时间为4h。
(4)随后采用高温加热定型工艺：在250℃下，升温速度为4℃/min，控制保温1h；然后升温到500℃，升温速度为3℃/min，控温保持1h；然后升温到1300℃，升温速度为58℃/min，控温保持2min，得到红外辐射涂层。
所述红外辐射涂层以聚铝硅盐层作为底层界面融合层，碳化硅层作为中间层兼红外辐射层，可石墨化高分子层作为上层兼铆钉固定层，球形石墨烯贯穿三层结构并作为红外辐射和对流层。由底层、中间层和上层组成的三层结构的总厚度为球形石墨烯尺寸的20％；上层的厚度为三层结构总厚度的8％。
将上述方法制备得到的红外辐射涂层与密封玻璃管的外表面紧密结合，组装在红外辐射风扇加热元件上，经热成像仪对该风扇加热元件在给50m2的保温房间10摄氏度作为参考温度进行加热检测，10分钟左右，房间温度上升至27度，温差为2.8度；而没有该红外辐射涂层的风扇加热元件消耗同样的功率后，其房间温度仅由21.8度，且温差为7.2度。因此，该风扇加热元件可广泛房间的高品质均匀供暖，切具有节能的效果。经过舒适性研究反馈，具有该红外辐射涂层的风扇加热元件其辐射波长在8-16μm左右，正是人体易吸收波长，因此舒适性增强。而未加该红外辐射涂层的风扇加热元件，其辐射波长较短，能量较高，容易灼伤衣物甚至皮肤，因此体感较差。

Claims (8)

1.一种红外辐射风扇加热元件，其特征在于，所述红外辐射加热元件由加热灯丝、惰性气体、密封玻璃管以及红外辐射涂层构成；所述加热灯丝密封在玻璃管内部，由惰性气体保护，所述红外辐射涂层紧密结合在玻璃管外表面；所述红外辐射涂层以聚铝硅盐层作为底层界面融合层，碳化硅层作为中间层兼红外辐射层，可石墨化高分子层作为上层兼铆钉固定层，球形石墨烯贯穿三层结构并作为红外辐射和对流层；所述球形石墨烯尺寸为1～3μm，由底层、中间层和上层组成的三层结构的总厚度不超过球形石墨烯尺寸的1/4；上层的厚度小于三层结构总厚度的1/10；所述红外辐射涂层利用离心喷涂的方式形成层层组装结构；所述可石墨化高分子层由可石墨化高分子构成，所述可石墨化高分子选自分子量为3000-30000的聚酰亚胺、沥青、聚丙烯腈。
2.根据权利要求1所述红外辐射风扇加热元件，其特征在于，所述聚铝硅盐层为长石层、云母层、高岭土层、沸石层或石榴石层。
3.根据权利要求1所述红外辐射风扇加热元件，其特征在于，所述碳化硅层为超支化碳硅烷，其分子量为2000-10000，支化度为1.1-2，所述超支化碳硅烷选自聚酰亚胺、沥青、聚丙烯腈等。
4.根据权利要求1所述红外辐射风扇加热元件，其特征在于，所述红外辐射涂层的制备方法为：将1重量份球形石墨烯、0.02-0.12重量份可石墨化高分子低聚物、0.002-0.02重量份聚铝硅酸盐、0.1-1重量份超支化碳硅烷以及0.002-0.02份过氧化物交联剂混合均匀，经离心喷涂、紫外固化后，进行加热定型，得到红外辐射涂层；所述紫外固化的温度为60-120℃，时间为1-6h。
5.根据权利要求4所述红外辐射风扇加热元件，其特征在于，所述过氧化物交联剂包括过氧化二异丙苯、过氧化甲乙酮、过氧化苯甲酸、2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷。
6.根据权利要求4所述红外辐射风扇加热元件，其特征在于，所述球形石墨烯是由浓度为0.1mg/mL-1mg/mL的氧化石墨烯溶液喷雾而成，并经过化学还原和在1600-2000℃热还原处理得到，所述球形石墨烯的ID/IG值不大于0.1，壁厚小于4个原子层。
7.根据权利要求4所述红外辐射风扇加热元件，其特征在于，所述离心的离心力范围为2000-10000rcf。
8.根据权利要求4所述红外辐射风扇加热元件，其特征在于，加热定型的具体方法为：在0-250℃下，升温速度小于5℃/min，控制保温0.1-1h；然后升温到500℃，升温速度小于5℃/min，控温保持1-2h；然后快速升温到1300℃，升温速度大于50℃/min，控温保持1-5min。
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