CN112601299A - 一种分布式均热的石墨烯发热结构 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种分布式均热的石墨烯发热结构，包括第一基材和第二基材，所述第一基材与第二基材之间设有石墨烯发热层，所述石墨烯发热层的两端分别设有电极，所述第一基材和第二基材朝向石墨烯发热层的一面设有接地层，所述石墨烯发热层与所述第一基材之间设有分布电容电流吸收层。所述石墨烯发热层包括若干分布式排列的发热区，每个所述发热区均设有温控器，电源上连接有若干分支导线，每个所述温控器分别与分支导线电连接；所述电极贯通于每个所述发热区的两侧。该发热结构能够分区域检测并控制发热，使整片材料的温度较均匀，避免出现过热的情况，有利于提升舒适度和安全性。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯发热技术领域，尤其涉及一种分布式均热的石墨烯发热结构。
背景技术
石墨烯是目前为止市场所见导热系数最高的材料，其具有良好的热传导性能，因此大量应用在采暖行业。与传统的燃煤、蒸汽、热风和电阻等取暖方法相比，石墨烯具有加热速度快、电-热转化率高、加热稳定、加热过程无异响、运行费用低、占地面积小、投资与生产费用低、使用寿命长和工作效率高等诸多优点，更有利于推广应用，用石墨烯代替传统加热，节电效果尤其显著，一般可节电30％左右，个别场合甚至可达60％～70％。并且石墨烯加热过程中还能够产生对人力有益的远红外光波，能够促使表皮温升，相对于其他加热方式，人体的舒适度较高。
市场上常见的石墨烯加热形式多采用发热板、发热膜等。其中，发热板是通过对片状石墨烯板通电，使其产生热量来发热的。但是由于完整的片状石墨烯成本较高，现有的石墨烯加热板采用的制造工艺是将石墨烯浆料涂覆在基板上形成石墨烯发热层。再在基材的两端配置电极，通电后使石墨烯发热层发热。这种方式的石墨烯发热材料存在的问题是在有保温材料覆盖的情况下，其中心区域的温度会过高，而边缘区域的温度偏低甚至不达标，温控装置不能合理探测各区域的温度，进而合理控制整体的温度。
因此，如何提供一种能够均匀发热的石墨烯加热材料，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出一种分布式均热的石墨烯发热结构，其能够分区域检测并控制发热，使整片材料的温度较均匀，避免出现过热的情况，有利于提升舒适度和安全性。
为实现上述目的，本发明公开了一种分布式均热的石墨烯发热结构，包括第一基材和第二基材，所述第一基材与第二基材之间设有石墨烯发热层，所述石墨烯发热层的两端分别设有电极，所述第一基材和第二基材朝向石墨烯发热层的一面设有接地层，所述石墨烯发热层与所述第一基材之间设有分布电容电流吸收层。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以有以下进一步的改进方案。
进一步，所述石墨烯发热层包括若干分布式排列的发热区，每个所述发热区均设有温控器，电源上连接有若干分支导线，每个所述温控器分别与分支导线电连接；所述电极贯通于每个所述发热区的两侧。
进一步，所述电极包括分别连接在每个所述发热区两侧的导电条，所述导电条采用铜条或银条，所述导电条通过银浆、铜条或导电胶连接于所述石墨烯发热层。
进一步，每个所述发热区上均设有独立控制的压力传感器和/或倾斜传感器。
进一步，所述发热区上设有若干排通孔，所述通孔的大小由外向内逐渐缩小。
进一步，所述发热区包括若干连接在电极之间的发热条，所述发热条平行排列，所述发热条垂直于所述导电条。
进一步，所述发热条由连续的正六边形拼接而成。
进一步，所述发热区包括两条盘旋的发热圈，两条所述发热圈的末端相连，所述发热圈的宽度由外向内逐渐增大，所述发热圈的相邻两段之间的间隔由外向内逐渐减小。
进一步，所述发热区包括若干子发热区，每个所述子发热区上均包括一组发热圈。
进一步，所述第一基材和第二基材采用PE基复合材料，包括：HDPE30～40份、LDPE40～50份、三元乙丙橡胶20～30份、过氧化苯甲酰2～7份、双二辛氧基焦磷酸酯基钛酸酯1～2份、己二酸二异癸酯1～2份、环氧脂肪酸辛酯1～2份。
本发明提出的一种分布式均热的石墨烯发热结构，能够分区域检测并控制发热，使整片材料的温度较均匀，避免出现过热的情况，有利于提升舒适度和安全性，实现分布式温度控制的效果。
附图说明
图1是本发明公开的一种分布式均热的石墨烯发热结构的具体实施方式的分层结构示意图；
图2是图1所示具体实施方式的平面结构示意图；
图3是实施例1中的发热区的示意图；
图4是实施例2中的发热区的示意图；
图5是实施例3中的发热区的示意图；
图6是实施例4中的发热区的示意图；
图7是实施例5中的发热区的示意图；
图8是实施例6中的发热区的示意图；
图9是实施例7中的发热区的示意图。
其中，图中的件号表示为：1、石墨烯发热层；11、发热区；2、第一基材；3、第二基材；4、分布电容电流吸收层；5、接地层；6、导电条；7、发热条；71、发热圈；8、温控器。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，需要说明的是，附图仅为为说明本发明所提供的示意图，而非真正的实物投影图；另外，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
请参照图1至9，图1是本发明公开的一种分布式均热的石墨烯发热结构的具体实施方式的分层结构示意图；图2是图1所示具体实施方式的平面结构示意图；图3是实施例1中的发热区的示意图；图4是实施例2中的发热区的示意图；图5是实施例3中的发热区的示意图；图6是实施例4中的发热区的示意图；图7是实施例5中的发热区的示意图；图8是实施例6中的发热区的示意图；图9是实施例7中的发热区的示意图。
实施例1：如图1和图2所示，本发明首选实施方式的一种分布式均热的石墨烯发热结构，包括第一基材2和第二基材3，第一基材2与第二基材3之间设有石墨烯发热层1，石墨烯发热层1与电源电连接。石墨烯发热层1与第一基材2之间还设有分布电容电流吸收层4。第一基材2和第二基材3朝向石墨烯发热层1的一面设有接地层5，接地层5上连接有地线。第一基材2和第二基材3可以采用云母片、聚酯纤维片或PET片材等硬质耐高温，并且导热较好的材料。第一基材2和第二基材3采用PE基复合材料，其中：HDPE(高密度聚乙烯)30～40份、LDPE(低密度聚乙烯)40～50份、三元乙丙橡胶20～30份、过氧化苯甲酰2～7份、双二辛氧基焦磷酸酯基钛酸酯1～2份、己二酸二异癸酯1～2份、环氧脂肪酸辛酯1～2份，作为优选，该PE基复合材料为：HDPE35份、LDPE45份、三元乙丙橡胶25份、过氧化苯甲酰5份、双二辛氧基焦磷酸酯基钛酸酯1份、己二酸二异癸酯1份、环氧脂肪酸辛酯1份。这种PE基复合材料具有良好的强度和耐热性，在长期加热使用的过程中能够保持性能，抗老化效果较好。
分布电容电流吸收层4与电路零线相连接，会吸收分布电容所产生的泄漏电流，再通过导线还原到零线上，防止电热板断路保护器误动作断电，以维持石墨烯电热板正常工作。
如图2所示，石墨烯发热层1包括若干分布式排列的发热区11，每个发热区11上设有一个温控器8，电源上连接有若干分支导线，每个温控器8分别与分支导线电连接，以实现对每个温控器8单独控制。此外，石墨烯发热层1上设有若干压力传感器和倾斜传感器(图中未示出)，压力传感器和倾斜传感器与发热区11一一对应。压力传感器在感受到压力后把信号传输给控制器，进而控制温控器8调整加热区域，同理，倾斜传感器检测到发热层倾斜或者竖起后通过温控器8来停止加热动作。
如图1、图2和图3所示，石墨烯发热层1的两端分别设有电极，两个电极分别与电源的两极相连，电极包括连接在分别连接在发热区11两侧的导电条6，导电条6采用铜条或银条。导电条与发热区之间通过银浆、铜条或导电胶连接。
如图3所示，石墨烯发热层1包括若干连接在电极之间的发热条7，发热条7平行排列，发热条7垂直于导电条6，该发热条7为片状结构。
实施例2：一种分布式均热的石墨烯发热结构，如图4所示，与实施例1的区别在于，发热条7由连续的正六边形拼接而成。正六边形拼接而成的蜂窝结构是覆盖二维平面的最佳拓扑结构，可以实现以最少原料达到最大容积的效果，可以更进一步的提高发热性能。
实施例3：一种分布式均热的石墨烯发热结构，如图5所示，与实施例1的区别在于，发热区11上设有若干排菱形开孔，同一排菱形开孔的连线垂直于导电条6，开孔的大小从发热区的外部向中央处逐渐缩小。
实施例4：一种分布式均热的石墨烯发热结构，如图6所示，与实施例3的区别在于，发热区11上设有若干圆形开孔，圆形开孔的直径由外向内逐渐缩小。
对于实施例3和实施例4的开孔大小，由于发热材料边缘区域相对中间区域，其热量容易散逸，故在边缘区域设置尺寸较大的开孔，在中央区域设置较小的开孔，可以使得发热材料表面保持相对均匀的发热。
实施例5：一种分布式均热的石墨烯发热结构，如图7所示，与实施例1的区别在于，石墨烯发热层1上设有两条盘旋的发热圈71，两条发热圈71的末端相连。
实施例6：一种分布式均热的石墨烯发热结构，如图8所示，与实施例5的区别在于，发热圈71的宽度由外向内逐渐增大，发热圈71相邻的两段之间的间隔由外向内逐渐减小。
实施例7：一种分布式均热的石墨烯发热结构，如图9所示，与实施例5的区别在于，每片发热区11包含4个子发热区，每个子发热区上分别设有一组发热圈71。
性能检测：
对比例1：石墨烯发热结构，包括第一基材和第二基材，所述第一基材与第二基材之间设有石墨烯发热层，所述石墨烯发热层的两端分别设有电极，所述第一基材和第二基材朝向石墨烯发热层的一面设有接地层，第一基材2和第二基材3采用PE基复合材料，材料成分与实施例1相同；与实施例1的区别在于，发热层采用现有技术整体发热，未设置若干分布式排列的发热区及温控装置。
对比例2：石墨烯发热结构，包括第一基材和第二基材，所述第一基材与第二基材之间设有石墨烯发热层，所述石墨烯发热层的两端分别设有电极，所述第一基材和第二基材朝向石墨烯发热层的一面设有接地层，石墨烯发热层与第一基材之间还设有分布电容电流吸收层，石墨烯发热层设置若干分布式排列的发热区及温控装置；与实施例1的区别在于，第一基材和第二基材为现有技术普通导热材料，未采用本发明实施例1的材料组分。
对实施例1-7及对比例1、2的产品进行发热温度检测和耐用性检测。
发热温度检测为：对测试产品均匀合理的随机选取4-8个点进行局部温度测试，对本实施例1-7产品不同分区设置不同温度，至少在2个以上分区选取测试点，计算每个测试点的实际温度与设置温度的差值，对对比例1、2计算各测试点钟最高温度与最低温度的差值。
耐用性检测包括：
1)耐冷热交变性试验，一个循环：200℃,5h，室温2h，-30℃，3h，室温2h，进行8个循环；结果分为：
优：基体无裂缝、变形情况，涂层表面无粉化、鼓泡、裂纹、剥落现象；
良：基体轻微裂缝或变形情况，涂层表面轻微粉化、鼓泡、裂纹或剥落现象；
差：基体明显裂缝、变形情况，涂层表面有明显粉化、鼓泡、裂纹或剥落现象。
2)弯折试验，将检测产品卷在一个直径为55mm的直筒上，置于-30℃±3℃的低温试验箱中存放4h，之后再20℃～25℃下，将检测产品打开，从相反方向重新卷好，在30min内重复三次，之后在环境温度下恢复4h；结果分为：
优：无脆化、破裂、变形或起层现象；
良：轻微脆化、破裂、变形或起层现象；
差：明显脆化、破裂、变形或起层现象。
3)工作寿命试验，检测产品在1.3倍额定电压下连续通电工作6000h，试验结束后检测加热器的电-热辐射转换效率值低于初始值的百分比。
具体检测结果见下表1。
表1检测结果
由上述测试结果可知，本发明分布式均热的石墨烯发热结构分区温控效果优异，实施例1-7的产品按需设置不同区域的温度，加热稳定后实际温度与设置温度误差均小于3.5℃，显著优于对比例1未分区发热结构整体的温度均匀性，以及采用普通导热材料的对比例2产品。并且本发明布式均热的石墨烯发热结构耐用性优异，实施例1-7的产品在耐冷热交变性试验、弯折试验、工作寿命试验中均表现出良好的性能，抗老化效果及使用寿命显著优于对比例2的产品。
本发明的一种分布式均热的石墨烯发热结构在使用时，比如使用在床垫下的发热时，由于其上方还有被褥等保暖材料的存在，被褥中央区域的温度会偏高，边缘处的温度会偏低，而传统的电热材料只能整体调节，不能使各区域都获得舒适合适的温度。而本发明所提供的一种分布式均热的石墨烯发热结构中，如果其中某一个温控器8检测到温度高于设定温度时，即向切断电源，达到局部降温的目的。当温度过低时，温控器8接通电源，继续进行加热，使微环境保持在合理舒服的温度范围内。通过不同的发热区的设置，可以对任意发热区进行单独温度控制，通过压力传感器和倾斜传感器的设置，还可以对整个发热结构的姿态及压力进行监测，通过控制程序的预先设置，可以灵活控制每一个发热区的温度，已达到人们想要得到的温度状态。
本发明的一种分布式均热的石墨烯发热结构能够分区域检测并控制发热，使整片材料的温度较均匀，避免出现过热的情况，有利于提升舒适度和安全性，实现分布式温度控制的效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包括于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种分布式均热的石墨烯发热结构，包括第一基材和第二基材，所述第一基材与第二基材之间设有石墨烯发热层，所述石墨烯发热层的两端分别设有电极，所述第一基材和第二基材朝向石墨烯发热层的一面设有接地层，其特征在于，所述石墨烯发热层与所述第一基材之间设有分布电容电流吸收层。
2.根据权利要求1所述的一种分布式均热的石墨烯发热结构，其特征在于，所述石墨烯发热层包括若干分布式排列的发热区，每个所述发热区均设有温控器，电源上连接有若干分支导线，每个所述温控器分别与分支导线电连接；所述电极贯通于每个所述发热区的两侧。
3.根据权利要求2所述的一种分布式均热的石墨烯发热结构，其特征在于，所述电极包括分别连接在每个所述发热区两侧的导电条，所述导电条采用铜条或银条，所述导电条通过银浆、铜条或导电胶连接于所述石墨烯发热层。
4.根据权利要求3所述的一种分布式均热的石墨烯发热结构，其特征在于，每个所述发热区上均设有独立控制的压力传感器和/或倾斜传感器。
5.根据权利要求3所述的一种分布式均热的石墨烯发热结构，其特征在于，所述发热区上设有若干排通孔，所述通孔的大小由外向内逐渐缩小。
6.根据权利要求3所述的一种分布式均热的石墨烯发热结构，其特征在于，所述发热区包括若干连接在电极之间的发热条，所述发热条平行排列，所述发热条垂直于所述导电条。
7.根据权利要求6所述的一种分布式均热的石墨烯发热结构，其特征在于，所述发热条由连续的正六边形拼接而成。
8.根据权利要求3所述的一种分布式均热的石墨烯发热结构，其特征在于，所述发热区包括两条盘旋的发热圈，两条所述发热圈的末端相连，所述发热圈的宽度由外向内逐渐增大，所述发热圈的相邻两段之间的间隔由外向内逐渐减小。
9.根据权利要求8所述的一种分布式均热的石墨烯发热结构，其特征在于，所述发热区包括若干子发热区，每个所述子发热区上均包括一组发热圈。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种分布式均热的石墨烯发热结构，其特征在于，所述第一基材和第二基材采用PE基复合材料，包括：HDPE30～40份、LDPE40～50份、三元乙丙橡胶20～30份、过氧化苯甲酰2～7份、双二辛氧基焦磷酸酯基钛酸酯1～2份、己二酸二异癸酯1～2份、环氧脂肪酸辛酯1～2份。
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