CN210157407U

CN210157407U - 一种薄层面状发热装置

Info

Publication number: CN210157407U
Application number: CN201920608237.6U
Authority: CN
Inventors: 赖超英; 金度亨; 吴建华; 陈永华
Original assignee: Jiangxi Zengfu New Material Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Zengfu New Material Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-29
Filing date: 2019-04-29
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2029-04-29

Abstract

本实用新型公开了一种薄层面状发热装置，该面状发热装置包括发热体和位于发热体两侧对发热体进行固定的支架，其特征在于，所述发热体包括供应直流或交流电的电极、由所述电极供电而电阻发热的发热部、位于所述电极和发热部下部的具有绝缘性的导热陶瓷层、位于所述导热陶瓷层下部的金属性发热基体。该薄层面状发热装置通过成分及结构的突破性变化，使其不再需要额外利用导热金属上进行热传递，通过自身便可完成产热和热量的直接转移，因此，加热速度更快，而且热效率更高，实现了节能，同时，一体化的结构还能提高其使用寿命。

Description

一种薄层面状发热装置

技术领域

本实用新型属于一种电驱动发热部件，具体涉及一种薄层面状发热装置。

背景技术

现今，在制热领域中常用的发热体为线状发热体，即通过线性的加热丝等发热装置实现加热；与线状发热体不同是，还有少部分使用的为面状发热体，面状发热体是在平面上均匀发热，所以其比线状发热体节能20～40％，而且当面状发热体采用直流电时，不产生电磁波，是较为安全的发热体，但与之相对的是其成本较高，且制备难度大。而且目前电驱动加热领域中，面状发热体的生产通常是将热导率高的铁、镍、铬、白金等金属发热体均匀喷射或印刷成型在薄膜形态的树脂上，形成可电发热的层极，并将其贴合在导热金属上进行热传递，且通过支架对其进行固定。

目前电驱动加热领域中的面状发热体结构也存在一定的问题，即其电发热的层极仍然需要通过导热金属进行热传递，这样降低了热效率和加热速度，同时，这种接触式导热，还会影响其使用寿命，因此，亟需对其加以改进。

实用新型内容

(1)要解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种薄层面状发热装置，该薄层面状发热装置通过成分及结构的突破性变化，使其不再需要额外利用导热金属上进行热传递，通过自身便可完成产热和热量的直接转移，因此，加热速度更快，而且热效率更高，实现了节能，同时，一体化的结构还能提高其使用寿命。

(2)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了这样一种薄层面状发热装置，该面状发热装置包括发热体和位于发热体两侧对发热体进行固定的支架，其中，所述发热体包括供应直流或交流电的电极、由所述电极供电而电阻发热的发热部、位于所述电极和发热部下部的具有绝缘性的导热陶瓷层、位于所述导热陶瓷层下部的金属性发热基体。

优选地，所述电极位于所述发热部的两侧，并且所述电极与导热陶瓷层接触。

其中，针对本实用新型的方案，通过研究，其发热体的发热部可以为涂敷在导热陶瓷层上的石墨烯和导电性无机粒子；并且，发热部可由纯度为93～99.999％、颗粒大小为0.5～80μm、结构为1～10层层状导电性粒子得到的还原石墨烯粉末，和颗粒大小为2～5μm的球状石墨粉末、颗粒大小为3～20μm的铜粉末、颗粒大小为0.3～5μm的银粉末或颗粒大小为3～20μm的热导性陶瓷粉末中的一种以上构成，并混合无机变性硅胶形成。

本实用新型薄层面状发热装置结构中发热体的制备过程可以为：

步骤一、将发热部各成分按配比投入到旋转式搅拌机、离心搅拌机、超声波搅拌机、辊磨机、砂磨机或球磨机中进行混合，混合处理30～180分钟；

步骤二、在导热陶瓷层一面的两侧通过叠层工艺对称地将两电极叠层结合在导热陶瓷层上，其中，电极为石墨烯或金属性物质中的一种以上；

步骤三、在导热陶瓷层面上通过刷涂、喷涂、丝印或刮涂进行涂装步骤一得到的发热部混合材料；

步骤四、使其在130℃～600℃下干燥30～720分钟一次或两次，即得到本实用新型结构中的发热体。

这种方案可利用石墨烯和导电性粒子改善发热体的电阻性，并使其与无机变性硅酸混合，形成面体结构，而面体是确保热稳定性的涂层，从而使其不受发热体断开或短路等限制，可稳定使用，而且具有绝缘层的发热基体在600℃之内还能保持稳定的耐热性。

这种方案的薄层面状发热装置由构成发热部的石墨烯、导电性无机粒子和耐高温涂层的无机变性硅胶Binder，并在具有硬性及柔性的绝缘基体(substrate)上形成面体结构，这样能极大地抑制因持续发热引起的发热体损伤，从而延长使用寿命，即使发热体发生部分损伤，其不受损伤的部位仍然可以正常发热，并从发热部全面向被发热部导热，使用时增大能效。

本实用新型方案的薄层面状发热装置在通电加热的过程中，通过电极的通电使发热部产热，利用导热陶瓷层对其绝缘阻拦电流的通过，也利用导热陶瓷层对其进行热传递，再通过金属性发热基体对导热陶瓷层的热量进行传递，将热量传递给待加热物。

(3)有益效果

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

该薄层面状发热装置通过成分及结构的突破性变化，使其不再需要额外利用导热金属上进行热传递，通过自身便可完成产热和热量的直接转移，这种一体化的结构，免去了导热金属介质，使其导热更直接，消除了导热行程中因导热金属介质产生的间隙，从而使得加热速度更快，而且因消除了导热行程中的间隙，提高了热效率，实现了节能，同时，一体化的结构还能提高其使用寿命，调高装置的实用耐用性。

此外，这种全面一体式的结构，可以保证即是发热部发生了部分损伤(切开或短路)，其整体的发热功能也不会受其损伤部位的影响，可以继续发挥发热作用，提高使用效率。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术中描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型薄层面状发热装置一种实施方式的结构示意图。

图2为本实用新型薄层面状发热装置中发热体的剖视图。

图3为本实用新型薄层面状发热装置中发热体结构拆解图。

图4为实施例3中TGA-DTA测试的结果。

附图中的标记为：1-电极，2-发热部，3a-导热陶瓷层，3b-金属性发热基体，4-支架。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本实用新型具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，以进一步阐述本实用新型，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本实用新型的一部分实施方式，而不是全部的样式。

本实施方式为薄层面状发热装置，该面状发热装置包括发热体和位于发热体两侧对发热体进行固定的支架，发热体包括供应直流或交流电的电极、由电极供电而电阻发热的发热部、位于电极和发热部下部的具有绝缘性的导热陶瓷层、位于导热陶瓷层下部的金属性发热基体，并且，电极位于所述发热部的两侧，并且所述电极与导热陶瓷层接触。

作为实施方式，发热体的发热部组成物包括无机变性硅胶、导电性粒子、还原石墨烯粒子、热导性无机陶瓷粒子、有机溶剂及分散剂。其中，导电性粒子包含石墨粒子及金属粉末中的一个以上。

本实用新型薄层面状发热装置结构中发热体的发热部可调节有机溶剂及无机变性硅胶的使用量，可以表现为涂料、石墨烯墨水或者浆料等形态。

本实用新型薄层面状发热装置结构中发热体的发热部可调节热导性陶瓷粒子的使用量，可表现为加减电阻率的形态。

本实用新型薄层面状发热装置结构中发热体的发热部若将发热组成物重量份设为100，还原石墨烯重量份为0.5～15，石墨重量份为1～40，无机变性硅胶binder重量份为35～99.5，有机溶剂重量份为1～50，热导性陶瓷粒子重量份0～8，分散剂重量份为0.03～1。

本实用新型薄层面状发热装置结构中发热体的发热部若将发热组成物重量份设为100，亦可，还原石墨烯重量份为0.5～15，石墨重量份为1～40，铜粉末重量份为3～10，无机变性硅胶binder重量份为35～99.5，有机溶剂重量份为1～50，热导性陶瓷粒子重量份0～8，分散剂重量份为0.03～1。

此时，若导电性粒子包含金属粉末或热导性陶瓷粒子构成电极，金属粉末或热导性陶瓷粒子形成主电极和导电网络，金属粉末之间的空隙被还原石墨烯或石墨粒子填充，从而具有三维随机网络。

无机变性硅胶binder的作用是使发热部组成物在600℃左右温度也可保持稳定的寿命且保持持续性电阻率，作为上述导电性粒子的binder使用，同时提高涂层与发热基体表面的粘接特性，无需将导电性粒子填充到树脂而紧密粘结，从而可作为最小化其发热部电阻率的功能性binder使用。

而且上述binder的构成是，金属性发热基体包含着具有热导性性质的无机物或此混合物。具体是，上述陶瓷系无机物可选择氧化铝(Al₂O₃)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)、氢氧化铍(Be(OH)₂)、氧化锆(ZrO₂)、氧化镁(MgO)、氧化钛(TiO₂)、碳化硅(SiC)等群族中的一种以上。

其具体的反应式如下：

在上述反应式中，由脱水聚合反应生成的部分聚合体位于高耐热性无机变性硅胶binder内的硅酸离子周围，从而使硅酸离子处于稳定状态，并与功能性binder及导电性粒子或具有高热导性的无机粒子进行硅烷醇结合，提高粘接性。

还原石墨烯粒子可以是被加工成纯度为93～99.999％、大小为0.5～80μm、层数1～10层层状结构导电性粒子的还原石墨烯粉末。

石墨粒子可以是大小为2～5μm的球状石墨粉末。

还原石墨烯和石墨粒子是主导电性物质，形态可以是碎片(flake)、圆形、多角形板状型等。

而且，碳结构的还原石墨烯和石墨粒子具有黑体辐射功能，将提高发热组成物的耐热性，还因碳粒子可提高发热速度及能效。

金属粒子可以是大小为3～20μm的铜粉、大小为0.3～5μm的银粉。

金属粒子有助于电极和碳素性的发热部顺利构成导电网络，从而可减少电极和发热部结合面的界面电阻。

热导性陶瓷粒子可选择大小为3～20μm的氧化铝(Al₂O₃)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)、氢氧化铍(Be(OH)₂)、氧化锆(ZrO₂)、氧化镁(MgO)、氧化钛(TiO₂)、碳化硅(SiC)等群族中的一种以上。

有机溶剂分散导电性粒子、金属粉末、热导性粒子及binder，可在甲醇、乙醇、IPA、MEK、环己酮等群族中选择一种以上。

本实用新型薄层面状发热装置结构中发热体的制备方法中，分散工艺可使用常用的各种方法，比如是旋转式混合机、离心混合机、超声波处理(Ultra-sonication)、辊磨机(Roll mill)、砂磨机(Bead mill)或球磨机(Ball mill)等。

其中，分散剂的作用是更加圆满地进行分散，可使用BYK类等本行业通常使用的分散剂Triton X-100等双向性界面活性剂。

本实用新型薄层面状发热装置结构中发热体的制备方法中，在步骤三中，可在刷涂(brush)、喷涂、丝印(silk screen)、刮涂(knife coating)等涂装方法中选择一种以上，用上述发热部组成物制作的ink实施叠层工艺。

参考导热陶瓷层和金属性发热基体的耐热温度，对于上述得出的发热部可实施在130℃～600℃温度下一次或两次干燥30～720分钟的干燥工艺。

因为金属性发热基体的材质，利用上述发热部使用的binder和导热性陶瓷粒子，采用上述发热部叠层方式中刷涂(brush)、喷涂、丝印(silk screen)、刮涂(knifecoating)等涂装方法中的一种或一种以上进行涂装叠层，然后实施干燥过程，从而可在发热部和导电发热基体之间再叠层绝缘层。

如图1所示，其是本实用新型薄层面状发热装置一种实施方式的结构示意图，图2为本实用新型薄层面状发热装置中发热体的剖视图，图3为本实用新型薄层面状发热装置中发热体结构拆解图。

实施例1

利用旋转混合机，在常温下将有机溶剂IPA 40重量份、还原石墨烯4重量份、石墨16重量份搅拌30分钟，然后利用离心搅拌机，与无机变性硅胶binder搅拌120分钟，从而制作得到发热部组成物。将厚度为15μm的铜模叠层于宽8mm、厚度35μm的聚酰亚胺薄膜且两边留有15mm，利用刮涂(knife coating)法叠层上述已制作的发热部ink。再利用通道型干燥炉在80℃干燥30分钟，然后在180℃干燥20分钟，从而制作得到发热体。

实施例2

利用旋转混合机，在常温下将有机溶剂IPA 40重量份、还原石墨烯10重量份、石墨20重量份搅拌30分钟，然后利用离心搅拌机，与无机变性硅胶binder搅拌120分钟，从而制作得到发热部组成物。在厚度为1mm的铝材上形成厚度为30μm的陶瓷材质绝缘层然后叠层于厚度为15μm、宽度为4mm的铜模上且两边留有1mm间隙，并利用刮涂(knife coating)法叠层上述已制作的发热部ink。再利用通道型干燥炉在80℃干燥30分钟，然后在180℃干燥20分钟，从而制作发热体。

实施例3

用使用于实施例1的binder制作试片，并对此进行TGA-DTA测试，测量最大热稳定性温度，结果如图4所示，其高耐热性无机变性硅胶binder的涂层薄膜在602.40℃下保持总重量的79.55％，最高1,280℃下保持总重量的78％，从而确认热稳定性很高。

实施例5

分别取实施例1和实施例2制得的发热体，并结合现今常用的支架得到两份面状发热装置，并分别使其与使用镍铬线的线状发热体进行发热性能测试，测试条件按标准规范230℃下进行电压及功耗的测试，结果如下表：

分类	温度	电压	功耗
				实施案例1	233℃	73V	121W
实施案例2	241℃	74V	117W
				比较案例	237℃	171V	213W

通过上表可以知道，与使用镍线相比，采用本实用新型的技术方案在相同面积相同温度条件下功耗减少。

添加还原石墨烯的实施案例2，持续保持511.5℃发热温度或在529W功率情况下持续6小时，发热部的外形没有发生变化，考虑到测量仪器的误差范围，误差范围2W以内，功耗变化被测量为误差范围以内，从而可确认发热部的电阻没有发生变化。

如此，实施案例1或2的发热部组成物包含还原石墨烯，实施案例3的使用高耐热无机变性硅胶binder的发热部组成物在600℃温度条件下也具有稳定的耐热性。

以上描述了本实用新型的主要技术特征和基本原理及相关优点,对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性具体实施方式的细节，而且在不背离本实用新型的构思或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将上述具体实施方式看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照各实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种薄层面状发热装置，该面状发热装置包括发热体和位于发热体两侧对发热体进行固定的支架，其特征在于，所述发热体包括供应直流或交流电的电极、由所述电极供电而电阻发热的发热部、位于所述电极和发热部下部的具有绝缘性的导热陶瓷层、位于所述导热陶瓷层下部的金属性发热基体。

2.根据权利要求1所述的一种薄层面状发热装置，其特征在于，所述电极位于所述发热部的两侧，并且所述电极与导热陶瓷层接触。