CN115039511A - 用于加热机动车辆中的物质的电加热器 - Google Patents

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Abstract

一种电加热器(1、1’)，用于加热机动车辆中的液体或冷冻的物质，特别地用于加热电动汽车电池或者HVAC系统或者用于减少机动车辆的环境污染的系统；所述电加热器(1、1’)包括：金属片(2)，所述金属片(2)适于在其被电流穿过时产生热量；两个聚合物层(3、4)，金属片(2)被布置在两个聚合物层(3、4)之间；两个金属层(5、6)，两个聚合物层(3、4)被布置在两个金属层(5、6)之间；其中两个金属层(5、6)彼此气密地密封，界定外壳，该外壳防止待加热的物质与两个聚合物层(3、4)和金属片(2)接触；其中设置多于一个金属翼部(7)，所述金属翼部(7)从所述两个金属层(5、6)的至少一个金属层(6)的外部面(61)横向延伸。

Description

用于加热机动车辆中的物质的电加热器
发明领域
本发明涉及电加热器领域，所述电加热器用于加热机动车辆中的液体或冷冻的物质，特别地用于加热电动汽车电池或HVAC系统或用于减少机动车辆的环境污染的系统；
所述电加热器特别地适于加热水、水和尿素的溶液或水和乙二醇的溶液。
背景技术
为了加热机动车辆中的液体或冷冻的物质，可以使用加热器，所述加热器设置有通过焦耳效应产生热量的加热元件。
在这些应用中遇到的主要问题之一是加热元件和液体之间的充分绝缘，液体必须不与加热元件接触。
另一个问题涉及由其制成电加热器的材料与待加热的液体的相容性。
特别地，当液体是水和尿素的溶液或者水和乙二醇的溶液时，发生这样的问题。实际上，许多材料，特别地聚合物材料，当它们与这样的溶液接触时降解。因此，有必要选择和使用通常具有高成本的合适材料。
因此，感觉需要这样的电加热器，所述电加热器的加热元件与待加热的液体充分绝缘，并且由与液体相容的材料制成。
感觉还需要优化物质的加热，特别是当物质被冷冻时，特别是在固态时。
发明概述
本发明的目的是产生一种用于加热机动车辆中的液体或冷冻的物质(特别是固态)的电加热器，所述电加热器的加热元件与所述物质例如与待加热的液体充分绝缘，并且由与所述物质(例如液体)相容的材料制成，并且同时允许甚至冷冻的物质的有效加热，并且还可以低成本产生。
在这种情况下，本发明的目的是产生一种还具有紧凑尺寸的电加热器。
通过用于加热机动车辆中的液体或冷冻的物质，特别是用于加热电动车的电池或用于HVAC系统或用于减少机动车辆的环境污染的系统的电加热器，本发明实现了这样的目的中的至少一个以及根据本说明书将明显的其他目的；所述电加热器包括：
金属片，所述金属片适于在其被电流穿过时产生热量；
两个聚合物层，所述金属片被布置在两个聚合物层之间；
两个金属层，所述两个聚合物层被布置在两个金属层之间；
其中所述两个金属层彼此气密地密封，界定外壳，所述外壳防止待加热的物质与所述两个聚合物层和所述金属片接触，优选地其中设置多于一个金属翼部，所述金属翼部从所述两个金属层中的至少一个金属层的外部面横向延伸，例如，从所述两个金属层中的一个金属层或两个金属层的外部面横向延伸。
有利地，彼此密封的金属层防止待加热的物质例如液体与聚合物层和金属片接触。
因此，有利地，不必选择和使用与物质相容的聚合物层，例如与液体相容的聚合物层。
有利地，在所有实施方案中，意图与液体接触的每个金属层优选地设置有外部涂层或保护涂层或涂层。
涂层赋予金属层更好的耐化学性，所述金属层被保护以免于与物质例如与液体的不希望的化学相互作用，所述液体可以是例如水、水和尿素的溶液或者水和乙二醇的溶液。
涂层允许扩展可用金属材料的范围。事实上，金属层可以根据待加热的特定物质被包覆有最合适的涂层，所述特定物质例如特定液体。
有利地，前述翼部允许热量更好地传递至在机动车辆中待加热的物质。当物质被冷冻时，特别是以固体形式被冷冻时，翼部特别地有用，因为它们穿透冷冻的块，即，它们可以被包括在冷冻的物质中。
因此，获得了一种加热器，所述加热器允许优化热传递，特别是允许改进物质的解冻，并且其中聚合物层和金属片由待加热的物质合适地保护。
有利地，加热的金属片或加热的轨道可以任选地设置有至少一个PTC层(PTC，正温度系数)，即，其电阻率随着温度的升高而增加。因此，基本上获得金属片的温度的自身调节，并且因此避免聚合物层的不希望的过热。因此，可以扩展可用聚合物材料的范围。
优选的是通过激光焊接将金属层彼此焊接。激光焊接是特别有利的，因为它可以快速进行，并且可以在相对低的温度进行，并且因此与材料诸如铝相容。特别地，激光焊接不允许金属层变形，金属层还可以被制成具有薄的厚度。
此外，激光焊接允许避免布置在两个金属层之间的聚合物层的不希望的过热。
本发明还涉及根据权利要求12所述的装置。
本发明还涉及根据权利要求16所述的工艺。
在特别有利的实例中，电加热器可以作为分隔件(divider)被布置在前述装置的主体中。
因此，在电加热器与物质(例如，液体)之间存在热传递的优化，因为电加热器的大部分外部表面可以与物质(例如，液体)接触，而仅一小部分与装置的主体接触。
装置可以有利地具有小的尺寸，例如，装置可以具有从0.5升至5升的内部容积，特别是对于液体。然而，内部容积可以是例如从0.5升至30升，优选地从0.5升至5升或从12升至24升。
例如，装置可以有利地用于加热电动车中的电池或用于HVAC系统。
例如，装置可以被插入到机动车辆的冷却回路内，以便不必添加另外的热交换罐。
例如，装置可以用于加热水和尿素的溶液或者水和乙二醇的溶液。
在本说明书中，“液体或冷冻的物质”意指特别是可以经历冷冻和解冻的液体。
根据非排他性示例性实施方案的详细描述，本发明的另外的特征和优点将变得更明显。
从属权利要求描述了本发明的特定实施方案。
附图简述
在本发明的描述中，参考附图，附图通过非限制性实例的方式提供，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的电加热器的实例的截面，其中未示出一些任选的部件；
图2示出了图1的放大细节；
图2A示出了根据本发明的电加热器的任选的特征的细节；
图3示意性地示出了根据本发明的电加热器的特定实例的截面；
图4示出了根据图3的实例的电加热器的透视图；
图5示出了根据本发明的装置的透视图；
图6示出了图5的装置的部件的透视图；
图7示意性地示出了根据图5的装置的实例的截面图；
图8示意性地示出了根据图5的装置的另一实例的截面图。
在附图中，相同的元件或功能等同的元件具有相同的附图标记。
发明的实施方案的描述
参考附图，描述了根据本发明的电加热器1、1’的示例性实施方案。电加热器1、1’适于被布置在适于接收机动车辆(诸如，例如汽车、货车或卡车)的液体的罐或另一装置中。电加热器1、1’适于加热机动车辆中的液体或冷冻的物质，特别是用于加热电动汽车电池；或者用于加热、通风和空气调节(HVAC)系统；或者用于减少机动车辆的环境污染的系统。电加热器1、1’还适于被布置在容纳用于清洁机动车辆的部件的物质的罐中，所述部件例如挡风玻璃、前灯或一个或更多个传感器。
电加热器1、1’特别适于加热水或水溶液，例如水和乙二醇的溶液或者水和尿素的溶液，诸如，例如
Figure BDA0003674462750000051
溶液。
在所有实施方案中，电加热器1、1’包括：
金属片2或加热片，其适于被连接至电源以当其被电流穿过时产生热量；
两个聚合物层3、4，金属片2被布置在两个聚合物层3、4之间；
两个金属层5、6，两个聚合物层3、4被布置在两个金属层5、6之间；
其中两个金属层5、6彼此气密地密封，界定外壳，所述外壳防止待加热的液体或冷冻的物质与两个聚合物层3、4和金属片2接触；两个金属层5、6，两个聚合物层3、4和金属片2基本上界定夹心结构。
优选地，两个聚合物层3、4和/或两个金属层5、6基本上是平坦的。
优选地，金属片2粘附至两个聚合物层3、4；和/或每个聚合物层3、4粘附至相应的金属层5、6。
金属片2特别地界定加热的轨道或路径，例如包括一个或更多个蛇形部分的轨道。
金属片2可以由例如这样的材料制成，所述材料包括钢、铝或铜或者由钢、铝或铜组成。
优选地，金属片2具有从5μm至100μm(微米)的厚度。
任选地，金属片2的至少一个表面被包覆有具有正温度系数的导电层，还被称为正温度系数(PTC)层，未示出。例如，可以通过导电油墨形成PTC层。PTC层可以例如具有从5μm至50μm(微米)的厚度。
PTC层优选地与金属片2直接接触。
优选地，金属片的表面的50％至90％，特别是总表面的50％至90％被包覆有PTC层。
PTC层允许金属片2的温度调节，使得可以确保性能安全，并且避免不希望的过热。
两个聚合物层3、4可以由例如包括以下或由以下组成的材料制成：PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、有机硅、聚酰亚胺(例如，Kapton)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)或PP(聚丙烯)。
优选地，每个聚合物层3、4具有从0.05mm至4mm的厚度。
优选地，每个聚合物层3、4是双面粘合层，即，其设置有两个彼此相对的具有粘合性质的面。因此，每个聚合物层3、4可以在一侧上粘附至金属片2并且在相对侧上粘附至相应的金属层5、6。
任选地，金属片2还被密封在两个聚合物层3、4之间，特别地，使得液体可以不渗透到两个聚合物层3、4内部，并且因此防止液体与金属片2接触。因此提供了金属片2的另外保护，免于与待加热的物质接触。
优选地，两个金属层5、6由包括铝或铜或者由铝或铜组成的材料制成，因为它们是优异的热导体。
附图标记61指示远离聚合物层4的金属层6的表面或面，其还被称为外部面61。
附图标记51指示远离聚合物层3的金属层5的表面或面，其还被称为外部面51。
特别地，外部面61是彼此相对的两个表面中的一个，具有金属层6的最大延伸部(extension)。
特别地，外部面51是彼此相对的两个表面中的一个，具有金属层5的最大延伸部。
金属层5、6有利地适于将由金属片2产生的热量传递至待加热的物质，例如传递至待加热的液体或待解冻的物质。
此外，金属层5、6有利地适于防止待加热的物质(例如液体)与聚合物层3、4和金属片2接触。
实际上，水和乙二醇的溶液以及水和尿素的溶液可能损坏聚合物层3、4，因此聚合物层3、4被金属层5、6保护。
优选地，在所有实施方案中，两个金属层5、6中的至少一个设置有外部涂层或涂层。
特别地，金属层5和/或金属层6可以设置有外部涂层，或者换言之，设置有相应的外部涂层。
更详细地，金属层5的外部面51设置有外部涂层，和/或金属层6的外部面61设置有外部涂层。
优选地，当设置时，外部面51的外部涂层(或涂层)基本上覆盖整个外部面51。
优选地，当设置时，外部面61的外部涂层(或涂层)基本上覆盖整个外部面61。
仅通过实例的方式而非限制的方式，图2a示意性地示出了金属层6上的外部涂层611。
外部涂层由相对于金属层5、6不同的材料制成，并且特别地适于保护金属层免于与待加热的液体的化学相互作用。
外部涂层有利地用于避免物质损坏金属层5、6，所述物质例如液体，特别是水和乙二醇的溶液以及水和尿素的溶液。
取决于哪些金属层意图与液体接触，可以仅包覆两个金属层中的一个或两个金属层5、6。
应当注意，金属层5、6以及当设置时相应的涂层优选地是电加热器1、1’的最外元件。
外部涂层优选地且有利地由包括以下或由以下组成的材料制成：PTFE(聚四氟乙烯)、陶瓷材料或环氧树脂。陶瓷材料可以例如是金属陶瓷(cermet)。特别地，PTFE为非弹性体的，更特别地，它不是含氟弹性体聚合物。PTFE、陶瓷材料或环氧树脂是特别有利的，特别是对于含氟弹性体聚合物，特别是因为它们可以用于制造薄的涂层。
通过与物质相容的涂层，可以任选地使用包覆有所述涂层的金属材料，所述金属材料与物质不相容或不太相容，并且因此更便宜。
优选地，外部涂层具有从3μm至50μm(微米)的厚度。
具有这样薄的厚度是特别有利的，因为它允许节省材料。
所述厚度优选地沿着垂直于外表面51、61的轴线测量，涂层(当设置时)从所述外表面51、61延伸。
金属层5、6优选地通过焊接彼此紧固，即，金属层5、6彼此焊接。
金属层5、6彼此固定，优选地在其外围处彼此固定。特别地，金属层5的边缘部分，优选地整个外围部分，被固定至金属层6的外围部分，优选地被固定至金属层6的整个外围部分。
当两个金属层5、6彼此固定时，例如彼此焊接时，金属层5的外围部分与金属层6的外围部分接触，特别地与金属层6的外围部分直接接触。
应当注意，在图1和图3中，两个金属层5、6之间的紧固仅被示意性地表示。
金属层5、6可以是例如两个不同的元件，例如两个片或两个箔，两个不同的元件例如通过焊接彼此连接；或者金属层可以是相同元件例如片或箔的一部分，其被折叠以便形成两个金属层，两个金属层在外围处彼此焊接。
优选地，每个金属层5、6具有从0.5mm至4mm的厚度。
优选地，在所有实施方案中，电加热器1、1’设置有多于一个金属翼部7，所述金属翼部7从所述两个金属层5、6中的至少一个金属层(例如仅一个或两个金属层)的外部面横向延伸，例如正交延伸。
特别参考图3和图4，加热器1’的特定实例设置有多于一个金属翼部7，所述金属翼部7从金属层6的外部面61横向延伸，例如正交延伸。优选地，金属层5、6中的仅一个，例如金属层6，设置有翼部7。
优选地，金属翼部7与金属层例如金属层6成一体，金属翼部7从金属层6延伸，并且由与金属翼部7从其延伸的金属层相同的材料制成。换言之，优选的是，翼部7和它们从其延伸的金属层形成单个整体部件，该单个整体部件例如通过模具铸造(die-casting)或通过挤出制成。
翼部7有利地允许热量更好地传递至待加热的物质。当物质被冷冻时，翼部7特别地有用，因为它们穿透冷冻的块，特别是冷冻的固体块。
优选地，金属翼部7还设置有外部涂层，金属翼部7从其延伸的金属层任选地设置有该外部涂层。
特别地，优选地，每个翼部7的基本上整个表面，特别是外部表面被所述涂层覆盖。翼部7的涂层(coating)或涂层(coating layer)的厚度优选地是从3μm至50μm，并且优选地该厚度等于或基本上等于翼部7从其延伸的金属层的涂层的厚度。
优选地，每个翼部7具有它从其延伸的金属层开始的从5mm至100mm的高度。
优选地，翼部的数量是从2个至30个。
对于用附图标记1指示的电加热器，未示出任选地设置有金属层5和/或任选地设置有金属层6的翼部。
优选地，电加热器1、1’具有从2mm至10mm的厚度t1；所述厚度t1由两个金属层5、6的彼此相对的外部面51、61之间的距离界定。因此，电加热器1有利地非常薄。翼部7当设置时优选地具有相对于所述厚度t1更大的厚度或高度。
厚度t1优选地相对于电加热器1、1’的宽度和长度更小，特别地，小得多。
用于获得电加热器1、1’的工艺的实例包括以下步骤：
a)将两个聚合物层3、4和金属片2布置在两个金属层5、6之间；
b)将两个金属层5、6彼此气密地固定，特别是彼此气密地密封。
两个聚合物层3、4和金属片2优选地形成预组装的部件。
如已经提及的，两个金属层5、6优选地通过焊接(优选地通过激光焊接)彼此固定。
激光焊接是特别有利的，因为它可以快速进行，并且可以在相对低的温度进行，并且因此与材料诸如铝或铝合金相容。特别地，激光焊接不允许金属层5、6变形，金属层5、6还可以被制成薄的厚度。
此外，激光焊接允许避免布置在两个金属层5、6之间的聚合物层3、4的不希望的过热。
本发明还涉及一种装置(图5、图6、图7和图8)，所述装置用于加热机动车辆中的液体或冷冻的物质，特别地用于加热电动汽车电池或者用于HVAC系统或者用于减少机动车辆的环境污染的系统；
装置100包括主体8、8’，主体8、8’界定适于接收待加热的物质例如液体的环境9、9’；以及电加热器1、1’(在图7和图8中，通过实例示出了电加热器1)，电加热器1、1’被布置在所述环境9、9’中。
优选地，所述环境9、9’具有从0.5升至30升，优选地从0.5升至5升或从12升至24升的总容积和/或装置100的厚度t2为从10mm至100mm，例如从15mm至100mm或从15mm至50mm或从50mm至100mm；装置100的厚度小于其宽度和长度。
主体8、8’设置有用于液体的入口开口81和出口开口82。
主体8、8’由例如金属或塑料制成。
电加热器1、1’被布置在主体8、8’中，使得两个金属层5、6中的至少一个金属层适于与液体接触。
优选地，电加热器1的最大延伸部的表面，特别地面51、61，与主体8、8’的最大延伸部的表面基本上平行。
主体8、8’包括以下或由以下组成：彼此固定特别地彼此气密地密封的两个壳体11、12、11’、12’，它们界定所述环境9、9’。
优选地，两个壳体中的至少一个，例如至少壳体11、11’，设置有适于接收液体的凹陷区域15，突起13、13’(特别是内部突起)从凹陷区域15的底部突出。凹陷区域15包括靠近入口开口81的部分和靠近出口开口82的部分，这两个部分通过通道16优选地变窄的通道彼此连通，通道16部分地由突起13、13’界定。因此，待加热的液体保持在主体8、8’中的持续时间增加，从而获得对液体的更大加热。
特别参考图7，电加热器1可以被布置在主体8中，以便将所述环境9分为两个区域91、92，由此电加热器1的两个金属层5、6都适于与液体接触。换言之，电加热器1在主体8中形成被布置在两个壳体11、12之间的分隔件。因此，获得从加热器1至待加热的液体的高效热传递，所述待加热的液体可以与两个金属层5、6接触。
任选地，多于一个翼部7(在图7中未示出)从面51延伸和/或多于一个翼部7(在图7中未示出)从面61延伸。
优选地，每个壳体11、12设置有彼此面对的至少一个相应的突起13、14，电加热器1被布置在突起13、14之间。特别地，电加热器1被两个突起13、14阻挡。因此，电加热器1和主体8之间的接触被最小化，并且因此从加热器1至主体8的热传递被最小化，同时至液体的热传递的效率增加。优选地，每个突起13、14包括布置电加热器1的平坦面。
特别参考图8，电加热器1被布置在主体8’中，使得两个金属层中的仅一个金属层6适于与液体接触。
例如，壳体12’包括底表面，该底表面优选地基本上平坦，在该底表面中布置有电加热器1。例如，电加热器1的金属层5被固定至壳体12’的底表面。基本上，壳体12’是盖。优选地，隔热层介于壳体12’和电加热器1之间，以便限制通过壳体12’对热量的吸收，并且因此增加与液体的热交换的效率。
壳体11’的突起13’具有相对于壳体11’的外围边缘更大的高度，并且电加热器1被布置在突起13’(特别是在突起13’的平坦表面上)和壳体12’的底表面之间。
任选地，多于一个翼部7(在图8中未示出)从面61延伸；优选地，仅金属层6设置有所述翼部7。

Claims (16)

1.一种电加热器(1、1’)，用于加热机动车辆中的液体或冷冻的物质，特别地用于加热电动汽车电池或者HVAC系统或者用于减少所述机动车辆的环境污染的系统；
所述电加热器(1、1’)包括：
金属片(2)，所述金属片(2)适于当其被电流穿过时产生热量；
两个聚合物层(3、4)，所述金属片(2)被布置在所述两个聚合物层(3、4)之间；
两个金属层(5、6)，所述两个聚合物层(3、4)被布置在所述两个金属层(5、6)之间；
其中所述两个金属层(5、6)彼此气密地密封，界定外壳，所述外壳防止待加热的物质与所述两个聚合物层(3、4)和所述金属片(2)接触；
其中设置多于一个金属翼部(7)，所述金属翼部(7)从所述两个金属层(5、6)的至少一个金属层(6)的外部面(61)横向延伸。
2.根据权利要求1所述的电加热器(1、1’)，其中所述金属翼部(7)与它们从其延伸的所述金属层(6)成一体，并且由与它们从其延伸的所述金属层(6)相同的材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的电加热器(1、1’)，其中所述两个聚合物层(3、4)和/或所述两个金属层(5、6)基本上是平坦的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电加热器(1、1’)，其中所述金属片(2)粘附至所述两个聚合物层(3、4)；和/或其中所述两个聚合物层(3、4)中的每一个聚合物层粘附至所述两个金属层(5、6)中的相应的金属层。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电加热器(1、1’)，其中所述两个金属层(5、6)中的至少一个金属层设置有外部涂层，
所述外部涂层由相对于所述至少一个金属层不同的材料制成，并且特别适于保护所述至少一个金属层免于与所述待加热的物质的化学相互作用。
6.根据权利要求5所述的电加热器(1、1’)，其中所述外部涂层由包括以下或由以下组成的材料制成：PTFE(聚四氟乙烯)、陶瓷材料或环氧树脂。
7.根据权利要求5或6所述的电加热器(1)，其中所述外部涂层具有从3μm至50μm的厚度。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的电加热器(1、1’)，其中所述金属翼部(7)设置有所述外部涂层。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电加热器(1、1’)，其中所述金属片(2)的至少一个表面被包覆有具有正温度系数的导电层。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电加热器(1、1’)，具有从2mm至10mm的厚度(t1)；所述厚度(t1)特别地由所述两个金属层(5、6)的彼此相对的外部面(51、61)之间的距离界定。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电加热器(1、1’)，其中所述两个金属层(5、6)由包括铝或铜或者由铝或铜组成的材料制成。
12.一种装置(100)，用于加热机动车辆中的液体或冷冻的物质，特别地用于加热电动汽车电池或者用于HVAC系统或者用于减少所述机动车辆的环境污染的系统；
所述装置(100)包括：主体(8、8’)，其界定适于接收待加热的物质的环境(9、9’)；以及根据权利要求1至11中任一项所述的电加热器(1、1’)，其被布置在所述环境(9、9’)中。
13.根据权利要求12所述的装置(100)，其中所述主体(8、8’)设置有用于所述物质的入口开口(81)和出口开口(82)；
其中所述电加热器(1、1’)被布置在所述主体(8)中，使得所述两个金属层(5、6)中的至少一个金属层适于与所述物质接触；优选地，其中所述主体(8、8’)包括彼此固定的两个壳体(11、12、11’、12’)或由彼此固定的两个壳体(11、12、11’、12’)组成，所述两个壳体(11、12、11’、12’)界定所述环境(9、9’)；
优选地，其中所述两个壳体(11、12、11’、12’)中的至少一个壳体设置有至少一个突起(13、14)，所述电加热器(1)被布置在所述突起(13、14)处；
任选地，其中每个壳体(11、12、11’、12’)设置有至少一个相应的突起(13、14)，所述电加热器(1、1’)被布置在所述突起(13、14)处。
14.根据权利要求12或13所述的装置(100)，其中所述电加热器(1、1’)被布置在所述主体(8)中，使得将所述环境(9)分为两个区域(91、92)，由此所述电加热器(1、1’)的所述两个金属层(5、6)两者都适于与所述物质接触；或者其中所述电加热器(1、1’)被布置在所述主体(8)中，使得所述两个金属层中的仅一个金属层(6)适于与所述物质接触。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的装置(100)，其中所述环境(9、9’)具有从0.5升至30升，优选地从0.5升至5升或从12升至24升的总容积。
16.一种用于获得根据权利要求1至11中任一项所述的电加热器(1、1’)的工艺，包括以下步骤：
a)将所述两个聚合物层(3、4)和所述金属片(2)布置在所述两个金属层(5、6)之间；
b)将所述两个金属层(5、6)彼此气密地密封，优选地通过焊接，优选地通过激光焊接彼此气密地密封。
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