CN202652562U - 一种曲面印刷稀土厚膜电路智能电热元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种曲面印刷稀土厚膜电路智能电热元件，其特征在于，它包括曲面基板及其上设置的稀土厚膜介质层和弯曲盘绕的稀土厚膜电阻电路、PTC厚膜电路热敏电阻，PTC厚膜电路热敏电阻连接有稀土厚膜电极。本实用新型目前高低压、交直流均能启动、体积小，表面热负荷大，热效率高，热启动快，温度场均匀可分级自控，导热性能优良、抗热冲击能力强，具有远红外功能，易于加工，绿色、低碳环保、安全可靠，广泛适应太阳能、风能、锂离子电池等新能源要求的新型智能电加热元件系列产品。

Description

一种曲面印刷稀土厚膜电路智能电热元件

技术领域

本实用新型涉及厚膜电路电热元件技术领域，更具体的是涉及一种印刷在曲面基板上的PTC稀土厚膜电路电热元件。

背景技术

随着电热产品在家电、工业电器、电子设备、汽车行业等诸多领域的日益普及，电热元件的应用变得越来越广泛，所以人们对电热元件各方面的性能要求也越来越高。现有技术中的电热元件（以镍铬丝为主）存在以下缺点：功率密度较小，一般为15瓦/厘米2左右，不能很好的满足人们对大功率低电压的要求；启动速度也较慢，并且多具有热惰性；机械强度较低，抗振动、抗热冲击能力弱；元件体积较大，占用较大空间，并且安装也不方便；不易实现控温材料与电热材料共平面、共曲面化设计；温控效果不显著、节能效果不理想；它们的寿命一般较短，而且具有副作用，不利于身体健康；耐腐蚀方面也不理想；工艺性较差。传统的PTC（即Postitive Temperatare Coefficient的简称）加热器存在着如下问题：统的PTC加热器是把若干个圆盘式、蜂窝式PTC元件用粘接或夹持的方法和散热器一起连接起来，引出电极，形成发热器组件。粘接式PTC发热器组件是由波纹式散热条利用硅胶粘接而成。这种结构致使功率不稳和元件容易老化，功率衰竭严重，且本体带电,还可能引起电器短路，甚至会导致火灾。用机械夹持方式代替粘接，选用整体翅片式散热，提高了散热效果，解决了粘接式PTC存在的开胶、老化、本体带电等安全问题。但PTC电热元件的表面温度多在250℃左右，装夹和电极的引出却显得十分重要。除防止接触不良、短路、电场分布不均避免电击穿外，还必须防止机械接触不良而引起的局部过热而击穿。

多个元件串联使用时，由于元件特性难以一致，元件升温不同，电压降分布迅速变化，并产生恶性循环，压降越大，温度升高的元件有可能发生击穿，且会连锁发生。因此，串联时元件严格挑选很重要。

多个元件并联使用时，在一定限度内能够增大系统功率，但系统确定后，多个元件的发热功率，并非单个元件发热的总和，而实际上要小的多。并联时，通电后几秒内将出现较大的冲击电流，由于元件的离散性，各元件的升温的速度不同，因此，冲击电流并不是单个元件冲击电流的叠加，一般要比叠加之和小些。尽管如此，并联时应选用冲击电流较小的元件。

按国际要求，PTC发热器信赖性实验是在无风状态下，施加额定电压运行1000小时功率衰减小于8%；实际测试目前多数厂家产品功率衰减都大于15%。由于以上问题的存在，串联或并联式PTC加热器的应用受到很大限制。

另外，现有的厚膜电路的发热元件是电阻元件，本身不具有温度的可控性，所用基片为两类，一类为高温共烧陶瓷电热元件是直接在氧化铝陶瓷生坯上印刷电阻浆料，经叠片、排胶后，在1600℃左右的高温下共烧成为一体的新一代中低温发热元件，是继合金电热丝、电热管、PTC加热元件之后的又一个换代产品。这类以96AI2O3陶瓷为基片的发热元件是粤科清华的最新成果，但陶瓷基片的公有缺点是脆性大，抗机械与热冲击能力差，外型尺寸只能作到：长≤120mm 宽≤100mm 厚0.5—1.5,受工艺限制目前产品规格只有70×20、70×15、70×10三种。实测热平面功率都≤25w/cm2。陶瓷基片尺寸有限，且机械加工性能差，不利于大面积印刷、切割与安装；陶瓷基片作用单一，不能解决诸如抗电磁干扰等功能多元化问题。应用范围受到很大限制。至今不能引导潮流，推广使用。另一类是430不锈钢（国标号为1Cr17）基片，目前，美国的Dupont 、Est以及德国的Heraeus等极少数公司已经掌握了以美国牌号430（既不锈钢1Cr17）作厚膜电路基板的系列浆料制备技术。国内德利公司依托国防大学力量开发的基于不锈钢1Cr17基片的厚膜电路系列浆料已申请了专利，其申请号分别为CN02139894、CN02139895、CN02139896，发明名称分别为基于不锈钢基板的大功率厚膜电路用电阻浆料及其制备工艺、基于不锈钢基板的大功率厚膜电路用导电浆料及其制备工艺、基于不锈钢基板的大功率厚膜电路用介质浆料及其制备工艺的专利，采用的也是以不锈钢1Cr17作厚膜电路基板的系列浆料。并且上述系列浆料均未涉及PTC电子浆料，所制成的电热元件为电阻式电热元件，因此自身不具有温度可控制性。

由于1Cr17只是普通纯度高烙铁素体（F）型不锈钢，其碳的质量分数为0.1%左右并含少量的氮，它与常用的奥氏体型不锈钢相比，缺点是材质较脆，机械加工工艺及焊接工艺性均较差，极大地限制了它的应用。而奥氏体型1Cr18Ni9系列不锈钢，具有非常好的塑性和韧性，从而具有良好的弯折、卷曲和冲压成形性，机械加工性能优良，便于制成各种形状的构件、容器或管道，因此以1Cr18Ni9系列不锈钢为基板的厚膜电路可控电热元件无疑已经是该技术发展的必然趋势。 

随着电子技术的迅猛发展，热敏电阻的应用领域日益增多。PTC厚膜电路热敏电阻即采用厚膜电路制作工艺融合热敏电阻独特控制性质结合厚膜电阻电路而制作的厚膜电路智能电热元件。这一理论概念《PTC厚膜电路可控电热元件》国家专利(已获得PCT授权），早在2004年以前已经提出，并且得以推广应用。PTC热敏电阻厚膜电路，不但具有热敏电阻一般特性，而且由于其材料的组成及工艺的独特性，又使其具有一般热敏电阻所没有的独特优良性能。它可以厚膜电路的形式和厚膜电阻电路叠加或处于同一平面内，来控制厚膜电路电热元件的温度，使控制精度和灵敏度得以大幅度提高。又可单独以厚膜电路形式做成可控电热元件。因而在很多领域尤其在军工领域有着重要的应用。

迄今为止，国内外绝大部分具有（PTC）效应的热敏电阻仍是BaTiO3 陶瓷掺杂制备而成，由于其室温电阻率高，因而在大电流容量下的应用受到了限制，同时由于其材料本身和工艺缺陷，导致功率衰竭等先天问题，目前应用范围受限。正温系数PTC热敏电阻元件因其制作工艺性差，元件灵敏度低，大多在微电子领域使用，难以在电热领域大面积推广。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种加热温度场均匀可分级自控、热响应快、功率密度大、设计灵活、结构紧凑、节能环保、安全可靠外，还具有高温远红外功能的曲面印刷稀土厚膜电路智能电热元件。

本实用新型是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种曲面印刷稀土厚膜电路智能电热元件，其特征在于，它包括基板形状是曲面，基板材质为金属（包括不锈钢基材及铝基材）材质、玻璃材质或陶瓷材质，基板上设置有稀土厚膜介质层和弯曲盘绕的稀土厚膜电阻电路、PTC厚膜电路热敏电阻，PTC厚膜电路热敏电阻连接有稀土厚膜电极。

所述金属基板为铁素体1Cr15\1Cr17\00Cr18Mo2系列不锈钢圆柱状基板，所述玻璃基板为微晶玻璃管，陶瓷基板为氮化铝及功能陶瓷基板。

所述PTC厚膜电路热敏电阻由PTC厚膜电路热敏电阻浆料制成，稀土厚膜电阻电路由稀土介质浆料和稀土电极浆料制成。

所述PTC厚膜电路热敏电阻由PTC厚膜电路热敏电阻浆料制成，稀土厚膜电阻电路由稀土介质浆料和稀土电极浆料制成。

本实用新型采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

本实用新型采用在金属或非金属曲面基板上设置稀土厚膜介质层和弯曲盘绕的稀土厚膜电阻电路、PTC厚膜电路热敏电阻，是对现有技术的进一步升级和提高，除加热温度场均匀可分级自控、热响应快、功率密度大、设计灵活、结构紧凑、节能环保、安全可靠外，还具有高温远红外功能，该智能电热元件温度适应范围广：25--400℃. 高低压（3—380V）、交直流：Ac、Dc均能启动使用，广泛适用于太阳能、风能、锂离子电池等各类新能源领域。

附图说明

图1为本实用新型的曲面稀土厚膜介质层结构示意图；

图2为本实用新型的曲面PTC厚膜电路热敏电阻结构示意图；

图3为图2的展开示意图；

图4为本实用新型的曲面稀土厚膜电阻电路结构示意图；

图5为图4的展开示意图；

图6为本实用新型电热元件结构示意图；

图7为图6的展开示意图。

附图标记说明：1、曲面圆筒基板  2、稀土厚膜介质层  3、稀土厚膜电阻电路  4、PTC厚膜电路热敏电阻  5、稀土厚膜电极。

具体实施方式

如图1-图7所示，本实用新型一种曲面PTC稀土厚膜电路智能电热元件，它包括以曲面基板1及其上设置的稀土厚膜介质层2和弯曲盘绕的稀土厚膜电阻电路3、PTC厚膜电路热敏电阻4，PTC厚膜电路热敏电阻连接有稀土厚膜电极5。其中，PTC厚膜电路热敏电阻，是以厚膜电路的形式和稀土厚膜电阻电路叠加或处于同一平面内，来控制厚膜电路电热元件的温度，使控制精度和灵敏度得以大幅度提高；也可不设此PTC厚膜电路热敏电阻，以普通热敏电阻形式亦可；或是以厚膜电路形式做成可控电热元件。金属基板为铁素体1Cr15\1Cr17\00Cr18Mo2系列不锈钢管或铝质圆筒基板或不规则曲面基板；玻璃基板为微晶玻璃管的圆筒基板或不规则曲面基板；陶瓷基板为氮化铝及功能陶瓷规制成的则圆管或不规则曲面基板。

所述PTC厚膜电路热敏电阻由PTC厚膜电路热敏电阻浆料制成，稀土厚膜电阻电路由稀土介质浆料和稀土电极浆料制成。

所述稀土介质浆料由固相成分与有机溶剂载体组成，其重量比为：65 : 35 ~ 85 : 15 ；固相成分为：Si0₂ ~ Al₂0₃~CaO~B₂O₃ ~ La₂O₃稀土氧化物系微晶玻璃，重量配比为：Si0₂  30 ~ 65 ％、Al₂0₃  5 ~ 26 ％、CaO 15~38 ％、 B₂O₃  2 ~16 ％、La₂O₃  0 . 3 ~15 ％。Co₂O₃ 0 . 05~ 6 ％；晶核剂为TiO₂ 1 ~ 10 ％、ZrO : 1 ~10 ％；溶剂载体配比为：丁基卡必醇 66 ~89 ％、柠檬酸三丁醋 5~ 15% 、乙基纤维素 0.5 ~10 ％、氢化蓖麻油 0.1 ~ 5 ％、卵磷脂 0.1~5 ％；稀土氧化物为镧、铈、钕、钷、钆、铒、钪、钇和氧化铽中的一种或多种；

所述PTC厚膜电路热敏电阻浆料，由二氧化钌、氧化铜、氧化钇复合粉和微晶玻璃粉及有机载体组成，二氧化钌、氧化铜、氧化钇与有机载体的重量比为 65 ~85 : 35 ~15；二氧化钌、氧化铜、氧化钇复合粉与微晶玻璃粉组成固相成分，固相成分中二氧化钌、氧化铜、氧化钇复合粉与微晶玻璃的重量比为 75 ~ 55 : 25~ 45 ；二氧化钌、氧化铜、氧化钇复合粉中的二氧化钌、氧化铜、氧化钇粉的重量比为：75 ~59：15~40.5 : 10 ~ 0.5，二氧化钌、氧化铜、氧化钇复合粉的粒径为：0.30--1.0μm；微晶玻璃粉为：CaO~SiO₂ ~ A1₂O₃ ~ B₂O₃ ~ Bi₂O₃ ~ La₂ 0₃ 的稀土氧化物系微晶玻璃；各氧化物重量比：SiO₂ 20 ~ 60 ％、A1₂O₃ 5 ~ 35 ％、CaO 10 ~ 350%、Bi₂O₃1O ~ 30 ％、B₂0₃ 1~ 10 ％、 La₂O₃ O.3 ~8 ％；晶核剂为：TiO₂1~8 ％、ZrO₂1~10 %；有机载体各组分的重量比：松油醇 68 ~ 78 ％、柠檬酸三丁醋 2 ~ 18 ％、乙基纤维素 0 .4 ~ 9％、硝基纤维素 0 .4~ 9％、氢化蓖麻油 0 .1 ~ 6% 、卵磷脂 0 .1 ~ 6％；上述稀土氧化物为；镧、铈、钕、钷、钆、铒、钪、钇和氧化铽中的一种或几种。

所述稀土电极浆料由固相成分与有机溶剂载体组成，重量比为 70 ~ 90：30~10 ；固相成分包括银钯钇复合粉与微晶玻璃粉，银钯钇复合粉与微晶玻璃粉重量比为 99.4 ~0.6：0.6~6；银钯钇复合粉重量比为： 0.6 ~10 ：99~82：0.4 ~ 8；粒径为：3μm；有机溶剂载体重量比为：松油醇 60 ~ 98 ％、柠檬酸三丁醋 10~30 ％、乙基纤维素 2 ~10 ％、硝基纤维素 1~5 ％、氢化蓖麻油 0.1~5 ％、卵磷脂 0.1~5 ％；微晶玻璃为SiO₂ ~A1₂O₃~CaO~B₂0₃~Bi₂O₃ ~La₂O₃ 的稀土、氧化物系微晶玻璃，各氧化物的成分重量比为：SiO₂ 20~60 ％、A1₂O₃5~35 ％、CaO 10~35 ％、B₂0₃1~15 ％、La₂O₃ 0. 3~15 ％、 Bi₂O₃ 10 ~30 ％。晶核剂为：Ti0₂1~10 ％、ZrO₂1~10 ％；稀土氧化物为镧、铈、钕、钷、钆、铒、钪、钇和氧化铽中的一种或几种。

按工艺流程制备成PTC稀土厚膜电路电热元件，其工艺流程如下：

A、曲面基板→CAD\光绘制版→G网印刷→烘干烧结→检验包装,其中介质层厚度＞65μm，PTC厚膜电路热敏电阻膜厚度＞15μm ；

B、烧结，升、降温速率50-70℃∕min，峰值温度：800-950℃。

所述稀土介质浆料的制备工艺，它包括如下步骤： 

1、制备稀土微晶玻璃粉：按重量配比将各氧化物，晶核剂，经混合均匀后熔炼，熔炼温度为：1100 ~1450 ℃。保温 90 ~180 分钟后，出炉水淬，得到玻璃微渣；球磨玻璃微渣，制备出粒径1 ~3 微米的微晶玻璃粉；

2、配制有机溶剂载体：将各化工原料按配比混合均匀，在80 ~100 ℃ 的水中溶浴数小时；调整乙基纤维素含量，将有机载体的粘度调整在150 ~ 28OmPaS的范围内； 

3、介质浆料调制：将固相成分与有机溶剂载体的重量比按 65 : 85 ~ 35 ：15；经R-S01型双向旋转＋振动机械，混合、搅拌、分散一小时后，三棍轧制得到成品，粘度值为150 ~ 200PaS / RPM。

所述PTC厚膜电路热敏电阻浆料的制备工艺，它包括如下步骤：

1、微晶玻璃粉制备：按上述氧化物、晶核剂配比在三维混料机中混合均匀后，熔炉熔炼，温度为：1100 ~ 1450℃，保温1 ~ 3小时后，将玻璃熔液水淬，得到微渣，经球磨获得粒径1.0~3.0 微米的玻璃微粉；

2、二氧化钌、氧化铜、氧化钇复合粉制备：二氧化钌、氧化铜、氧化钇重量配比为：75 ~ 59 : 15 ~ 40.5 : 10 ~ 0.5，经三维搅拌、混合均匀、球磨得到复合粉，粒径均为：0.30--1.0μm ；

3、有机载体制备：将上述化工原料按比例，经高效搅拌、混合均匀，在 80 ~ 100 ℃ 的水中溶解数小时，调整增稠剂含量，将有机载体溶剂的粘度调整在 180~280mPaS 的范围内即可；

4、PTC厚膜电路热敏电阻浆料综合调制：固相成分由二氧化钌、氧化铜、氧化钇复合粉和微晶玻璃粉组成，重量比为： 75~ 55 : 25 ~ 45；固相成分和有机载体重量比：65~85 : 35 ~ 15，将固相粉体、有机载体溶剂经R-S01型双向旋转＋振动机械，搅拌、混合均匀后，进行三辊反复轧制得到成品，粘度值为150 ~ 200PaS / RPM 。

所述稀土电极浆料的制备工艺，它包括如下步骤：

1、微晶玻璃粉制备：按原料重量比将各氧化物、晶核剂混合均匀后熔炼，温度为：1100 ~1450℃ ，保温1~3 小时，水淬得到玻璃微渣，球磨获得3 微米玻璃微粉；

2、制备银钯钇复合粉；银钯钇复合粉，粒径为： 3μm ，在三维混料机中按重量比为；99 ~82：0.6 ~10：0.4~8 调制混合均匀； 

3、有机载体制备；按原料重量比混合后在 80~100℃水中溶解数小时，调整乙基纤维素含量，粘度控制在150~280mPas 范围； 

4、制备稀土电极浆料：按比例将微晶玻璃粉、银钯钇复合粉、有机溶剂载体置于三维混料机中搅拌混合均匀后入三辊轧机反复轧制，得到稀土电极浆料，粘度值为150 ~200PaS / RPM。

本实用新型上述实施例和附图所示仅为本实用新型较佳实施例之一，并不能以此局限本实用新型，如厚膜电路加热元件在基片上的电路轨迹还可为同心圆状或阿基米德螺旋线状，厚膜电路加热元件的基片也可以为不同形状及不同材质的基板等，在不脱离本发明精髓的条件下，本领域技术人员所做的任何变动，都属本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种曲面印刷稀土厚膜电路智能电热元件，其特征在于，它包括曲面基板及其上设置的稀土厚膜介质层和弯曲盘绕的稀土厚膜电阻电路、PTC厚膜电路热敏电阻，PTC厚膜电路热敏电阻连接有稀土厚膜电极。

2.根据权利要求1所述的一种曲面印刷稀土厚膜电路智能电热元件，其特征在于，所述金属基板为铁素体1Cr15\1Cr17\00Cr18Mo2系列不锈钢管或铝质的圆筒状基板，或为不规则曲面基板。

3.根据权利要求1所述的一种曲面印刷稀土厚膜电路智能电热元件，其特征在于，所述玻璃基板为微晶玻璃管或为不规则曲面基板。

4.根据权利要求1所述的一种曲面印刷稀土厚膜电路智能电热元件，其特征在于，所述陶瓷基板为氮化铝及功能陶瓷制成的圆管或为不规则曲面基板。

5.根据权利要求1所述的一种曲面印刷稀土厚膜电路智能电热元件，其特征在于，所述PTC厚膜电路热敏电阻，是以厚膜电路的形式和稀土厚膜电阻电路叠加或处于同一平面内。

6.根据权利要求1所述的一种曲面印刷稀土厚膜电路智能电热元件，其特征在于，所述PTC厚膜电路热敏电阻单独以厚膜电路形式做成可控电热元件。

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