CN112118649B - 具有铜镀层的电热管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有铜镀层的电热管，从内向外依次包括合金电热丝、绝缘填充层以及金属管外壳；合金电热丝的外表面包覆有铜镀层且两者间隙为0.25～1.0nm。通过在合金电热丝表面包覆镀铜层，并将合金电热丝与铜膜层间距控制在一定范围内，可以有效降低合金电热丝与绝缘填充材料之间的界面热阻，进而降低合金电热丝和绝缘填充材料的温差。在同等功率下，可以有效增加电热管金属管外壳加热温度，进而提升加热效率，同时也降低了合金电热丝的温度，增加了安全性，提升了其使用寿命。本发明成本低、工艺操作简单，在提高电热管加热温度的同时，也提高了其加热效率和安全性，优点突出。

Description

具有铜镀层的电热管
技术领域
本发明属于电加热技术领域，具体而言，涉及一种具有铜镀层的电热管。
背景技术
电热管是一种管状电热元件，用来将电能转化为热能。常见的电热管包括翅片式电热管、单头电热管以及铁氟龙电热管。由于电热管可以用来加热熔盐、液体以及建筑取暖等等，被广泛应用于多种加热场合，用途广泛。
电热管加热的热量来自合金电热丝通电后产生的焦耳热，热量产生后，由电热丝传到金属外管。热量传递过程中，电热丝与绝缘填充材料、绝缘填充材料与金属外管间的界面热阻和接触热阻以及绝缘填充材料、金属外管的本身热阻，都会影响金属管外壳温度，进而影响加热效率。其中，电热丝与绝缘填充材料之间的界面热阻，影响较大。除了影响加热温度外，电热丝与绝缘填充材料之间较大的界面热阻，使电热丝和绝缘填充材料之间的温度出现跳变，使高温局域在电热丝，影响电热管的安全性。
为解决上述问题，提高电热管外壳加热温度，现有的方法多见于提高加热功率或提高绝缘填充材料热导率，例如通过表面化学改性等，二者虽然能一定程度上提高电热管外壳加热温度，但没法解决合金电热丝与绝缘填充材料间的大温差，使合金电热丝温度严重高于绝缘填充材料。而合金电热丝的熔点又大幅低于绝缘填充材料，因此电热管外壳能够达到的最高温度依然受限，使其无法适用于较高温加热的应用场合。
另一方面，目前有研究采用高热导率的软质热界面材料来填充两种材料的界面间隙，以降低合金电热丝与绝缘填充材料的接触热阻，例如用软质材料(橡胶)包裹氧化铝颗粒的导热填料等，该方法虽然一定程度降低了界面间的接触热阻，改善了合金电热丝到绝缘填充材料的界面传热，但一般软质材料的熔点较低，只能适用于低温范围，而且该方法并未触及到影响两种材料界面间传热本质的界面热阻。
发明内容
本发明旨在提供一种具有铜镀层的电热管，该电热管的铜镀层能够降低合金电热丝与绝缘填充层之间界面热阻，提高外壳加热温度，从而提高加热效率。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种具有铜镀层的电热管，其从内向外依次包括合金电热丝、绝缘填充层以及金属管外壳；所述合金电热丝的外表面包覆有铜镀层且两者间隙为0.25～1.0nm。
进一步地，合金电热丝与其外表面包覆的铜镀层间隙为0.25～0.6nm。
进一步地，铜镀层的厚度为d，其中0.7nm≤d≤100nm；优选0.7nm≤d≤20nm。更优选0.7nm≤d≤10nm。
进一步地，合金电热丝为Cr20Ni80，绝缘填充层为MgO，铜镀层的厚度d为1.1nm，铜镀层与合金电热丝间隙为0.36nm；或者合金电热丝为Cr20Ni80，绝缘填充层为Al2O3，铜镀层的厚度d为2.2nm，铜镀层与合金电热丝的间隙为0.36nm。
进一步地，合金电热丝呈螺旋结构且沿电热管管内中心轴向均匀分布；铜镀层的厚度沿合金电热丝径向均匀分布。
进一步地，合金电热丝为镍铬合金丝或铁铬合金丝；优选地，合金电热丝为Cr20Ni80、Cr30Ni70、Cr15Ni60、Cr20Ni35或Cr20Ni30。
进一步地，绝缘填充层的材料为氧化镁、氧化铝和二氧化硅中的一种或多种。
进一步地，采用物理气相沉积的方法在合金电热丝的表面设置铜镀层。
进一步地，氩气气氛下采用直流磁控溅射法在合金电热丝表面设置铜镀层。
进一步地，具有铜镀层的电热管还包括：密封件，设置在电热管两端用于密封绝缘填充层；螺纹安装底座，设置在密封件周侧；以及引出棒，与合金电热丝连接并从螺纹安装底座端向外延伸至伸出金属管外壳。
本发明的有益效果：
针对现有技术的缺陷以及需求，本发明创造性地在合金电热丝表面包覆铜镀层，并将合金电热丝与铜镀层间距控制在一定范围内，可以有效降低合金电热丝与绝缘填充层之间的界面热阻，进而降低合金电热丝和绝缘填充层的温差。在同等功率下，可以有效增加电热管金属管外壳加热温度，进而提升加热效率，从而解决了现有产品中存在的外壳加热温度偏低以及由此而带来的加热效率低下等问题，同时也降低了合金电热丝的温度，增加了安全性，提升了其使用寿命。此外，该制备工艺操作简单，成本低，在提高电热管加热温度的同时，也提高了其加热效率和安全性，优点突出。
附图说明
图1是本发明实施例1中提供的具有铜镀层的电热管的结构剖面示意图。
图2是本发明实施例1中同等加热功率下镀铜膜层前后的温度跳变示意图。
图3是本发明实施例2中同等加热功率下镀铜膜层前后的温度跳变示意图。
附图标记1、合金电热丝；2、铜镀层；3、绝缘填充层；4、金属管外壳；5、密封件；6、螺纹安装底座；7、引出棒。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合本附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。
如图1和图2所示，具有铜镀层的电热管从内向外依次包括：合金电热丝1、绝缘填充层3，金属管外壳4以及设置在两端用于密封绝缘填充层3的密封件5，密封件5的外侧设置有螺纹安装底座6，引出棒7与合金电热丝1连接并从螺纹安装底座6一端向外延伸直至伸出金属管外壳4。在合金电热丝1的外表面包覆有铜镀层2，合金电热丝1的外表面与铜镀层2的间距为0.25～1.0nm。
优选地，合金电热丝1与其外表面包覆的铜镀层2的间隙为0.25～0.6nm
在本发明的一个实施例中，所采用的合金电热丝1可以为镍铬合金丝或铁铬合金丝，考虑其使用温度较高且寿命较长等因素，优选合金电热丝1为Cr20Ni80。绝缘填充层3的材料可以为氧化镁、氧化铝或二氧化硅石英砂。
考虑到影响整个电热管加热温度的除了材料本身的热阻因素外，还有材料间的界面热阻，本发明创造性地在合金电热丝1表面设置铜镀层，并将合金电热丝1表面与铜镀层的间距限定在一定范围内，从而降低了合金电热丝和绝缘填充材料的界面热阻，以此提高了电热管外壳加热温度。本发明在合金电热丝1表面包覆铜镀层，并非常规利用铜的高热导率，而是利用铜与合金电热丝1以及绝缘填充层3之间高吸附强度以及好的声子匹配，这两点才是与界面热阻相关的。如图2所示，镀铜层后，温差的减小发生在界面处，而不是铜材料上，这说明镀铜膜层对界面热阻的影响与Cu的高热导率无关。
在未镀铜镀层之前，界面热阻为合金电热丝和绝缘填充层3间的界面热阻；镀膜后该界面热阻包括合金电热丝1与铜镀层2的界面热阻、铜镀层2的热阻以及铜镀层2与绝缘填充层3的界面热阻。总体而言，体系内部热流、导热系数和温差的关系，可以用傅里叶定律进行计算。在加热功率不变的情况下，热阻的大幅下降，会使合金电热丝1与绝缘填充层3的温差大幅减小。由于合金电热丝1保持不变，其内部热阻保持不变，绝缘填充材料的温度会大幅增加。而绝缘填充层3与金属外壳4未改变，从绝缘填充层3到金属管外壳4的传热环境(包括传热系数)未变，金属管外壳4的温度也随之大幅提升。同样重要的是，降低合金电热丝1与绝缘填充层3热阻后，可以避免合金电热丝1因热量无法及时散发，温度过高而引起氧化变质以及高温下部分融化的风险。如此，既可以增加合金电热丝1的使用寿命，也能增加安全性。同时，镀层材料为铜，熔点较高，为1083℃，在高低温都能使用。根据本发明，铜镀层2的适用温度低于1273K。
铜镀层2与合金电热丝1表面的间距为范德瓦尔斯力作用下的平衡间距，根据合金电热丝1以及绝热填充层3材料种类变化，其范围在0.25～1.0nm。本发明将合金电热丝1与铜镀层2的间距保持在该范围内，主要是考虑合金电热丝与绝缘填充材料之间的界面热阻会大幅下降，进而降低合金电热丝1和绝缘填充层3的温差，增加电热管金属管外壳加热温度，进而提升加热效率。
在本发明的一个优选实施例中，合金电热丝1呈螺旋结构且沿电热管管内中心轴向均匀分布，铜镀层2厚度沿电热丝径向均匀分布，以确保热量整体沿径向传播，减小沿铜镀层内部其他方向的热流损失。其中，合金电热丝1可以为镍铬合金丝或铁铬合金丝。优选地，合金电热丝1可以为Cr20Ni80、Cr30Ni70、Cr15Ni60、Cr20Ni35或Cr20Ni30。绝缘填充层3的材料可以为氧化镁、氧化铝或二氧化硅，密封件5的材质可以为硅胶，本发明优选上述材质，但并不局限于此。
在本发明的优选实施例中，铜镀层2的厚度为d，其中0.7nm≤d≤100nm。将铜镀层2设置在此范围内，主要是考虑到界面热阻的变化，当铜镀层2的厚度d小于0.7nm时，其对界面热阻的减小效果急剧下降。更优选地，0.7nm≤d≤20..nm；优选镀铜层为0.7nm≤d≤10nm。
根据本发明，铜镀层2可以采用物理气相沉积的方法包覆在合金电热丝1的表面。优选地，采用直流磁控溅射法镀在合金电热丝1的表面设置铜镀层2，整个过程采用氩气保护。合金电热丝1在镀铜层之前，优选在丙酮溶液中超声波清洗15分钟，之后用异丙酮冲洗干净。
实施例1
以合金电热丝(Cr20Ni80)与绝缘填充材料(MgO)为例，其中铜镀层的厚度d为1.1nm，铜膜层与合金电热丝的间隙为0.36nm。采用数值模拟得到电热管的界面热阻(通过时域热反射法测得)和界面温差。通过对比发现，增加铜的镀层后，Cr20Ni80合金电热丝与氧化镁的界面热阻(包括Cr20Ni80与镀层铜、镀层铜与氧化镁的界面热阻以及铜镀层的本身热阻)较原来降低了68％，即界面热阻降低为原来的32％。
由于界面发生在两个接触面，所以在两个面之间就会有很大的温度跳变(如图2所示)，而材料的本身热阻对温度的影响是连续的。温度跳变的特质首先会限制绝缘材料能够达到的最高温度，进而影响外壳加热温度；其次，温度跳变会使合金电热丝的温度极大的高于绝缘填充材料，高温会影响电热丝的使用寿命。
采用数值模拟分子动力学方法测试镍铬合金丝(Cr20Ni80)中心温度为880K情况下，镀铜层和未镀铜层的镍铬合金丝和氧化镁之间的温度分布。结果如图2所示，经对比发现，在同等加热功率下，镀铜层后其界面温差降低到原来的32％，从141.5K下降到47.0K。绝缘填充材料的温度从725.1K提升到818.8K，增加了93.7K。相应的，电热管金属外壳加热温度也会提升93.7K。
实施例2
以合金电热丝(Cr20Ni80)与绝缘填充材料氧化铝(Al2O3)为例，其中铜层的厚度d为2.2nm，铜层与合金电热丝的间隙为0.36.nm，采用数值模拟得到电热管的界面热阻和界面温差。通过对比发现，增加铜镀层后，Cr20Ni80合金电热丝与氧化铝的界面热阻(包括Cr20Ni80与铜镀层、铜镀层与氧化铝的界面热阻以及铜镀层本身热阻)较原来降低了58.5％，即界面热阻降低为原来的41.5％。
由于界面发生在两个接触面，所以在两个面之间就会有很大的温度跳变(如图3所示)，而材料的本身热阻对温度的影响是连续的。温度跳变的特质首先会限制绝缘材料能够达到的最高温度，进而影响外壳加热温度；其次，温度跳变会使合金电热丝的温度极大的高于绝缘填充材料，高温会影响电热丝的使用寿命。
采用数值模拟分子动力学方法测镍铬合金丝(Cr20Ni80)中心温度为550K情况下，未镀铜层和镀铜层后镍铬合金丝和氧化铝之间的温度分布。其结果如图3所示，对比可发现，在同等加热功率下，加了镀铜膜层后，其界面温差降低到原来的41.5％，从82.1K下降到34.1K。填充层氧化铝的温度从456.2K提升到503.9，增加了47.7K。相应地，电热管金属外壳加热温度也会提升47.7K。

Claims (11)

1.一种具有铜镀层的电热管，其特征在于，从内向外依次包括合金电热丝(1)、绝缘填充层(3)以及金属管外壳(4)；所述合金电热丝(1)的外表面包覆有铜镀层(2)且两者间隙为0.25～1.0nm；
所述铜镀层(2)的厚度为d，其中0.7nm≤d≤100nm；
所述合金电热丝(1)为镍铬合金丝或铁铬合金丝；
所述绝缘填充层(3)的材料为氧化镁、氧化铝和二氧化硅中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的具有铜镀层的电热管，其特征在于，所述合金电热丝(1)与其外表面包覆的所述铜镀层(2)的间隙为0.25～0.6nm。
3.根据权利要求1或2所述的具有铜镀层的电热管，其特征在于，所述铜镀层(2)的厚度为d，其中0.7nm≤d≤20nm。
4.根据权利要求3所述的具有铜镀层的电热管，其特征在于，所述铜镀层(2)的厚度为d，0.7nm≤d≤10nm。
5.根据权利要求3所述的具有铜镀层的电热管，其特征在于，所述合金电热丝(1)为Cr20Ni80，所述绝缘填充层(3)为MgO，所述铜镀层(2)的厚度d为1.1nm，所述铜镀层(2)与所述合金电热丝(1)的间隙为0.36nm；或者所述合金电热丝(1)为Cr20Ni80，所述绝缘填充层(3)为Al2O3，所述铜镀层(2)的厚度d为2.2nm，所述铜镀层(2)与所述合金电热丝(1)的间隙为0.36nm。
6.根据权利要求1、2、4、5中任一项所述的具有铜镀层的电热管，其特征在于，所述合金电热丝(1)呈螺旋结构且沿电热管管内中心轴向均匀分布；所述铜镀层(2)的厚度沿所述合金电热丝(1)径向均匀分布。
7.根据权利要求3所述的具有铜镀层的电热管，其特征在于，所述合金电热丝(1)呈螺旋结构且沿电热管管内中心轴向均匀分布；所述铜镀层(2)的厚度沿所述合金电热丝(1)径向均匀分布。
8.根据权利要求1所述的具有铜镀层的电热管，其特征在于，所述合金电热丝(1)为Cr20Ni80、Cr30Ni70、Cr15Ni60、Cr20Ni35或Cr20Ni30。
9.根据权利要求1、2、4、5、7、8中任一项所述的具有铜镀层的电热管，其特征在于，采用物理气相沉积的方法在所述合金电热丝(1)的表面设置所述铜镀层(2)。
10.根据权利要求9所述的具有铜镀层的电热管，其特征在于，在氩气气氛下采用直流磁控溅射法在所述合金电热丝(1)的表面设置所述铜镀层(2)。
11.根据权利要求1、2、4、5、7、8、10中任一项所述的具有铜镀层的电热管，其特征在于，还包括：密封件(5)，设置在所述电热管两端用于密封绝缘填充层(3)；螺纹安装底座(6)，设置在所述密封件(5)周侧；以及引出棒(7)，与所述合金电热丝(1)连接并从螺纹安装底座(6)端向外延伸至伸出金属管外壳(4)。
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