CN204987192U - 一种智能温控的电暖气 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种智能温控的电暖气，电加热膜层固定于框架上，包括温度控制模块和温度传感器，以对加热温度进行控制；所述电加热膜层由一个低电压透明电热膜构成，或由多个低电压透明电热膜通过导线串联或并联在一起构成，最终通过温度控制模块与电源电连接；低电压透明电热膜通入低压直流电后，对外产生热辐射，实现电暖气功能。本实用新型通过温度控制模块与传感器的设置，可实现远程摇控电暖气的温度，还可以通过手机控制温度，使用更加便捷和多样，更加人性化。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种采用直流电加热的电暖气，特别是涉及一种采用石墨烯加热作为加热元件的受控电暖气。
背景技术
冬季室内取暖在我国大部分地区都是一个现实问题，在中部和南部地区没有集中供暖的地区，家庭自助供暖经常会用到。取暖方式有自装燃气锅炉、电热油汀以及空调等。自装燃气锅炉涉及较大的工程，不很方便。空调和电热油汀是自主取暖的主要方式，其中电热油汀使用比例更高。电热油汀的缺点是散热面积小，热效率不高，需要将内部的导热油加热到较高的温度来获得所需要的取暖效果。这里隐含着泄露烫伤的危险。此外，这两种电取暖方式都是用交流市电供电，非安全电压，安规要求严格。
中国专利CN201320660203公开了一种碳纤维超导电暖挂画，用铜板画作为散热器，紧贴碳纤维导热板，对碳纤维导热板通电加热，再通过铜画板辐射热量出去。还设计了中空的画框，内充超导液提升散热效果。这一方案相对电热油汀，可实现低温取暖，安全性比较好，但是结构比较复杂，成本也不会低。
在直流安全电压加热技术方面有金属电热丝网膜、金属箔型电热膜、厚膜电热膜以及碳纤维电热膜等。由于这些电热元件的内阻偏高，一般都需要都需要加比较高的电压，而电热丝盘绕的加热方式，也存在发热面分布不均匀的问题。
实用新型内容
本实用新型提出了一种可以使用更低电压，甚至低至1.5V的干电池也可以工作的智能温控的电暖气。
本实用新型的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种智能温控的电暖气，电加热膜层固定于框内，包括温度控制模块和温度传感器，以对加热温度进行控制；所述电加热膜层由一个低电压透明电热膜构成，或由多个低电压透明电热膜通过导线串联或并联在一起构成，最终通过温度控制模块与电源电连接；低电压透明电热膜通入低压直流电后，对外产生热辐射，实现电暖气功能。一般来说，这种热辐射为红外热辐射。
优选的，所述电暖气还设置有表面装饰层和背部覆盖保护层，电加热膜层位于表面装饰层和背部覆盖保护层中间，表面装饰层、中间电加热膜层和背部覆盖保护层被画框框住。
进一步优选的，所述中间电加热膜层与表面装饰层之间或中间电加热膜层与背部覆盖保护层之间设有导热层；所述导热层由填充于中间电加热膜层与表面装饰层之间或中间电加热膜层与背部覆盖保护层之间的导热胶质或导热脂质构成。更进一步优选的，所述导热层的材料为导热硅脂。
表面装饰层采用散热性好的材料，比如金属材料。
优选的，所述低电压透明电热膜，包括透明基材、透明导电层、电极；电极由汇流条和内电极构成，内电极由汇流条相向延伸形成叉指电极；汇流条接电源的正极或负极，使得两相邻的内电极极性相反，通电时正极汇流条提供的电流由各正极内电极流入对应负极内电极最终全部汇入负极汇流条；电极位于透明导电层上且与透明导电层电接触；
进一步优选的，所述低电压透明电热膜可以在透明导电层两面分别设置正、负两套电极，这两套电极的内电极错开一定距离，即正、负叉指电极分别置于透明导电层两侧，形成被透明导电层隔开的叉指电极，保证电流均匀通过透明导电层，这样可进一步保证加热的均匀性。
透明导电层的材料包含但不限于石墨烯、碳纳米管、ITO、FTO、AZO等；优选地，电极材料包含但不限于银、银浆、铜、铜浆、铝、ITO、石墨烯等导电性能良好的材料；优选地，电极可由透明导电材料制成，其中，更优选的电极材料为石墨烯；最佳电极材料为铜箔；优选地，电极被形成于透明导电层上；优选地，电极位于石墨烯层上且与石墨烯层一体形成；优选地，电极可形成于透明基材与透明导电层之间；优选地，透明基材可为玻璃或聚合物，透明基材包含但不限于PET、PVC、PE、PC等薄膜；更优选地，聚合物可为：PET，PMMA，PVDF，PANI，或者其组合物；优选地，所述透明导电层为单层或多层石墨烯，最佳优选单层石墨烯；
进一步优选的，石墨烯层可使用掺杂剂；更优选地，掺杂剂可为无机/有机掺杂剂；优选地，可在电极和石墨烯层上覆盖保护层；更优选地，保护层可采用柔性透明材料；优选地，透明覆盖层的材料包含但不限于PET、PVC、PE、PC等薄膜。
优选的，所述内电极为直线形、波浪形或锯齿形，所述汇流条和内电极组成的图案形状根据电热膜的形状和应用需求，可呈直线形、曲线形，也可围成圆形、椭圆形或任意形状。
优选的，透明电热膜最终升温温度、起始温度、供电电压、两内电极间距和透明导电层的方块电阻符合如下公式：
T＝kU2/d2R+t(1)
其中：
t——起始温度，单位为℃；
T——电热膜升温所至最终升温温度，单位为℃；
U——供电电压，单位为V，U≤12V；
d——内电极间距，单位为cm；
R——透明导电层方块电阻，单位为Ω/□；
k——常数，取值范围为10-200，k取值范围根据电热膜与空气之间的传导系数会有不同，与电热膜与空气之间的传导系数成反比。
优选的，透明电热膜的汇流条的设置应保证内电极设置在汇流条的不同位置最高电压和最低电压相差不超过10％，满足如下公式(2)：
n(n+1)lρl/WHR＜1/5(2)
其中：
n——内电极使汇流条围成的面积内共产生了n个间隔；
ρ1——汇流条材料电阻率，单位为Ω·m；
l——内电极每根长度，长度不等时按其中最长内电极计算，单位为m；
W——汇流条宽度，单位为m；
H——汇流条厚度，单位为m；
R——透明导电层方块电阻，单位为Ω/□。
所述电源电压为1.5V，可采用干电池作为电源。
优选的，所述一个或多个低电压透明电热膜上集成有作为温度传感器的薄膜热敏电阻，与温度控制模块电连接，以检测电热膜的温度，提供给温度控制模块以实现反馈控制。
温度控制模块通过控制对低电压透明电热膜的供电电流，实现对低电压透明电热膜的发热温度控制；温度传感器，集成于低电压透明电热膜上，并与温度控制模块电连接，实时检测电热膜的温度并反馈至温度控制模块，温度控制模块根据当前温度和温度控制目标，调整开关频率和占空比，实现所需目标温度的恒温加热控制。
优选的，温度控制模块设置了手动和无线智能遥控两种模式，可适应不同的应用条件的需要；
其中，
优选的，手动操作通过设置在控制模块上的一个或多个按键操作，提供一定的时序逻辑控制，使电加热膜层的供电按照预设的规律和强度进行，实现不同等级的加热；
优选的，无线智能遥控可以通过在温度控制模块外设有一个专用的遥控器，遥控器与设置在电暖气的温度控制模块通过无线方式实现单向或双向通讯，通过遥控器的按键操作，控制电加热膜层按照预设的控制逻辑，实施开关和加热等级操作；进一步优选的，无线智能遥控采用在温度控制模块内设置有蓝牙通讯模块，所述蓝牙通讯模块与智能手机实现数据通讯，使电暖气中电加热膜层的温度显示和控制能够通过安装在智能手机内的专用APP操作实现；
进一步优选的，所述温度控制模块设置有电力线载波通讯模块，电暖气的开关和变温操作通过供电线路远程控制。
优选地，可以在画框或画面的某个位置设置温度显示窗口，可实时显示散热器或者加热膜的温度，提升用户体验。
本实用新型通过采用特殊结构的电极、减小两内电极间的间距使得两电极间的透明导电层的电阻减小，从而可以使用低电压供电，正常可以采用日用的锂电池电压，即可达到迅速加热至90-180℃。可以将正、负两套电极分别设置于石墨烯两面，形成被石墨烯隔开的叉指电极，这样可进一步保证加热的均匀性，在同样的低电压下提高加热的温度。同时，分叉电极的设置，有在定程度上增加电热膜的加热整度和加热的均匀性。
同时，本实用新型中电热膜，尤其是采用石墨烯薄膜作为加热元件时，具有超薄(厚度可达到250μm以下)、强度高、热响应快等突出优点；特别是，合理设计薄膜面积内的叉指电极分布，可以在不改变薄膜厚度的前提下获得任意所需要的电阻值，以适应不同的加热条件要求。
本实用新型通过温度控制模块与传感器的设置，可实现远程摇控电暖气的温度，还可以通过手机控制温度，使用更加便捷和多样，更加人性化。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是本实用新型实施例1的电暖气内部低电压透明电热膜分布示意图；
图2是本发明电暖气主示图；
图3是本发明电暖气剖面结构示意图；
图4是图3的局部放大图；
图5是本发明电暖气中集成了薄膜热敏电阻的低电压透明电热膜的示意图；
图6是本发明电暖气中低电压透明电热膜的剖面图；
图7是本实用新型实施例4中的电热膜的电极分布图；
图8是本实用新型实施例1的电热膜红外热像仪拍摄的温度分布照片；
图9是本实用新型实施例1的电热膜直线温度分布图，横坐标是电热膜从左到右的位置表示，纵坐标是温度；
图中，1--透明导电层，2--电极，21--汇流条，22-内电极，3--透明基材，4--透明覆盖层，5--表面装饰层，6--电加热膜层，7--覆盖保护层，8--导热层，61、62、63、64、65、66、67、68--低压透明电热膜，9--电源、10--温度控制模块，11--传感器、12--画框，13--LED数字显示器，14--按键。
具体实施方式
首先需要指出，本实用新型的实施例仅仅公开几个优选的实施方式，不应该理解成对本实用新型实施的限制，本实用新型的保护范围仍以权利要求书所公开的内容为准。
在以下实施例中，虽然数值均同时满足两个公式，但对于粗汇流条细内电极的图案电极来说，只要参数满足至少任何一个公式均能实现本实用新型的实用新型目的，解决本实用新型要解决的技术问题。实施例中只是给出了同时满足两个公式的实施方式，但不会对本实用新型技术方案构成任何限制。
以下实施例中涉及到材料的电阻率都是本领域公知的，比如，铜的电阻率为1.75×10-8Ω·m，银浆的电阻率为8×10-8Ω·m，石墨烯(单层)1×10-8Ω·m。
实施例1：
如图1-6所示，本实用新型的的电暖气，图2-4显示了所述电暖气的横剖面结构，自左至右依次是表面装饰层5、导热层8、电加热膜层6、导热层8、背部覆盖保护层7，上下为画框12的剖面。如图1所示，电加热膜层6由画框面内均匀分布的8个低电压透明电热膜61～68构成。8个低电压透明电热膜61～68通过并联方式连接到温度控制模块10，温度控制模块10与外接电源9相连，温度控制模块10本质上是集成在画框内的，只是为了展示方便，将控制器8画在画框外。如图2所示，两个触摸感应式操作按键14布置在画框正面中部下方，通过两个按键14的组合操作可以控制所述电暖气通电加热并设置温度。
如图5-6所示，在低电压透明电热膜61上集成了作为传感器11的薄膜式热敏电阻，热敏电阻接入温度控制模块10，实施温度测量。用于实现实时温度检测和反馈控制。如图2所示，在画框正面中部上方设置了一个LED数字显示器13，用于实时显示环境温度或者加热膜的温度。
在温度控制模块10内部集成电力线载波或者蓝牙通讯模块，可以实现远程载波控制或者智能手机APP无线控制。
低压透明电热膜61-68参见图5-6所示，单层石墨烯作为加热构件的低电压透明电热膜，1--透明导电层，2--电极，21--汇流条，22-内电极，3--透明基材，4--透明覆盖层，电极采用银浆印刷。图案形状如图5所示，内电极间距为6mm，宽1mm，银浆厚度25μm。
此种情况下，测得电热膜电阻为2.7Ω，将引线分别连接5V电源的正负极，经测试，60秒即可达到稳定状态，图8所示为使用红外热像仪拍摄的温度分布照片，图9所示为直线温度分布图，此时电热膜的平均温度可达66℃左右(室温为22℃)，符合公式T＝kU2/d2R+t(k＝158)若电压为3.7V稳定后平均温度为42℃，若电压为7.4V稳定后平均温度为103℃，符合公式T＝kU2/d2R+t(k＝133)。
测试结果显示，使用我们实用新型的电极设计方案，使用3.7V电压供电时加热膜的平均加热功率为1300w/m2左右，而电压为3.7V时使用传统的无内电极的电热膜平均加热功率为5w/m2左右，要达到与我们新设计的电热膜相同的加热效果使用电压需提高至60V左右，这已经远远超过了人体安全电压。
实施例2：
本实施例基本同实施例1，不同之处在于，内电极和汇流条采用不同的材料。可以是透明导电材料作内电极，金属材料作汇流条；也可以是不同的金属材料分别作为内电极和汇流条；还可以是透明导电材料作汇流条，金属材料作内电极。本实施例优选金属铜箔或银浆作为汇流条的材料，至少5层的石墨烯作为内电极的材料。本实施例更优选以铜箔作为汇流条的材料和10层的石墨烯作为内电极的材料。单层石墨烯作为透明导电层的材料(方阻为250Ω/□)。石墨烯内电极间距为5mm，长108mm，宽1mm，共32条，汇流条宽8mm，厚度25μm。
此种情况下，测得电热膜电阻为1.9Ω，将引线分别连接12V电源的正负极，经测试，30S即可达到稳定状态，此时电热膜的平均温度可达243℃左右(室温为22℃)，符合公式T＝kU2/d2R+t(K＝96)。
经测试，汇流条的不同位置最高电压和最低电压相差1.5％，内电极上最大电压差不超过2.3％。
实施例3：
本实施例基本同实施例1，不同之处在于电极的具体设计。
为了保证内电极设置在汇流条的不同位置最高电压和最低电压相差不超过10％，本实施例在制作时，对内电极产生的间隔数n、内电极最长长度l，汇流条的宽度W、汇流条的厚度H进行测算后精确处理，使其符合上述公式(2)。本实施例要求电极的设置为：内电极长108mm，共产生15个间隔，汇流条宽8mm，厚25μm。经测试，汇流条的不同位置最高电压和最低电压相差0.2％。
将引线分别连接1.5V电源的正负极，经测试，75S钟即可达到稳定状态，此时电热膜的平均温度可达51℃左右(室温为22℃)。
实施例4
本实施例基本同实施例1，不同之处在于电热膜电极的具体设计。
双层石墨烯作为加热构件的低电压透明电热膜(石墨烯经过掺杂，方阻为120Ω/□)，电极采用银浆印刷，银浆厚度为25μm，图案形状如图7所示，汇流条外圆直径96mm，最长内电极为73mm，内电极间距为6mm，共产生17个间隔，宽1mm，汇流条宽8mm，在汇流条上由第一根内电极起到最后一根内电极止的长度为130mm,银浆厚度25μm。
此种情况下，测得电热膜电阻为2Ω，将引线分别连接5V电源的正负极，经测试，40S钟即可达到稳定状态，此时电热膜的平均温度可达90.9℃左右(室温为22℃)。符合公式T＝kU2/d2R+t(k＝119.1)
测试结果显示，使用我们发明的电极设计方案，使用3.7V电压供电时加热膜的平均加热功率为1300w/m2左右，而电压为3.7V时使用传统的无内电极的电热膜平均加热功率为5w/m2左右，要达到与我们新设计的电热膜相同的加热效果使用电压需提高至60V左右，这已经远远超过了人体安全电压。
经测试，汇流条的不同位置最高电压和最低电压相差0.2％，内电极上最大电压差不超过0.004％。
以上实施例中的内电极均可制作成相互平行的波浪状或锯齿状等其它形状，夹缝可切成波浪或其它曲线形状。
最后还应指出，任何单位和个人使用或实施本实用新型的技术方案都是对本实用新型的侵犯，任何单位和个人未经过本申请人的允许，都不能单独实施本专利。而任何单位和个人受到本实用新型的启发或经过简单调整而实施，也应认为是本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种智能温控的电暖气，电加热膜层固定于框架上，其特征在于：包括温度控制模块和温度传感器，以对加热温度进行控制；所述电加热膜层由一个低电压透明电热膜构成，或由多个低电压透明电热膜通过导线串联或并联在一起构成，最终通过温度控制模块与电源电连接；低电压透明电热膜通入低压直流电后，对外产生热辐射，实现电暖气功能。
2.根据权利要求1所述智能温控的电暖气，其特征在于：所述框架设置成画框结构，画框上还设置有表面装饰层和背部覆盖保护层，电加热膜层位于表面装饰层和背部覆盖保护层中间，表面装饰层、中间电加热膜层和背部覆盖保护层被画框框住，固定于画框上。
3.根据权利要求2所述的智能温控的电暖气，其特征在于：所述中间电加热膜层与表面装饰层之间或中间电加热膜层与背部覆盖保护层之间设有导热层；所述导热层由填充于中间电加热膜层与表面装饰层之间或中间电加热膜层与背部覆盖保护层之间的导热胶质或导热脂质构成。
4.根据权利要求1所述智能温控的电暖气，其特征在于：所述低电压透明电热膜，包括透明基材、透明导电层、电极；电极由汇流条和内电极构成，内电极由汇流条相向延伸形成叉指电极；汇流条接电源的正极或负极，使得两相邻的内电极极性相反，通电时正极汇流条提供的电流由各正极内电极流入对应负极内电极最终全部汇入负极汇流条；电极位于透明导电层上且与透明导电层电接触。
5.根据权利要求4所述的智能温控的电暖气，其特征在于：所述低电压透明电热膜在透明导电层两面分别设置正、负两套电极，这两套电极的内电极错开一定距离，即正、负叉指电极分别置于透明导电层两侧，形成被透明导电层隔开的叉指电极，保证电流均匀通过透明导电层，这样可进一步保证加热的均匀性。
6.根据权利要求4或5所述的智能温控的电暖气，其特征在于：透明电热膜最终升温温度、起始温度、供电电压、两内电极间距和透明导电层的方块电阻符合如下公式：
T＝kU2/d2R+t(1)
其中：
t——起始温度，单位为℃；
T——电热膜升温所至最终升温温度，单位为℃；
U——供电电压，单位为V，U≤12V；
d——内电极间距，单位为cm；
R——透明导电层方块电阻，单位为Ω/□；
k——常数，取值范围为10-200，k取值范围根据电热膜与空气之间的传导系数会有不同，与电热膜与空气之间的传导系数成反比。
7.根据权利要求4或5任一项所述的智能温控的电暖气，其特征在于：透明电热膜的汇流条的设置应保证内电极设置在汇流条的不同位置最高电压和最低电压相差不超过10％，满足如下公式(2)：
n(n+1)lρl/WHR＜1/5(2)
其中：
n——内电极使汇流条围成的面积内共产生了n个间隔；
ρ1——汇流条材料电阻率，单位为Ω·m；
l——内电极每根长度，长度不等时按其中最长内电极计算，单位为m；
W——汇流条宽度，单位为m；
H——汇流条厚度，单位为m；
R——透明导电层方块电阻，单位为Ω/□。
8.根据权利要求1-5任一项所述的智能温控的电暖气，其特征在于：所述电源电压为1.5V。
9.根据权利要求1-5任一项所述的智能温控的电暖气，其特征在于：所述一个或多个低电压透明电热膜上集成有作为温度传感器的薄膜热敏电阻，与温度控制模块电连接，以检测电热膜的温度，提供给温度控制模块以实现反馈控制。
10.根据权利要求1-5任一项所述的智能温控的电暖气，其特征是：温度控制模块设置了手动和无线智能遥控两种模式，可适应不同的应用条件的需要；
其中，
手动操作通过设置在控制模块上的一个或多个按键操作，提供一定的时序逻辑控制，使电加热膜层的供电按照预设的规律和强度进行，实现不同等级的加热；
无线智能遥控通过在温度控制模块外设有一个专用的遥控器，遥控器与设置在电暖气的温度控制模块通过无线方式实现单向或双向通讯，通过遥控器的按键操作，控制电加热膜层按照预设的控制逻辑，实施开关和加热等级操作；无线智能遥控在温度控制模块内设置有蓝牙通讯模块，所述蓝牙通讯模块与智能手机实现数据通讯，使电暖气中电加热膜层的温度显示和控制能够通过安装在智能手机内的专用APP操作实现。
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2015
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