CN212013082U - 一种半导体管状加热装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种半导体管状加热装置，包括管状基体和加热厚膜，管状基体在其内侧具有允许流体流通的流路，加热厚膜与管状基体导热接触，且设有主发热线圈，主发热线圈包括若干第一发热体和多个第二发热体，若干第一发热体沿第一方向平行间隔排列，多个第二发热体沿第二方向间隔排布，其中第一方向和第二方向垂直，且每一第二发热体的两端分别连接相邻两个第一发热体。若干第一发热体作为主要发热体，平行间隔排列，控制相邻第一发热体之间的距离尽可能小，便可在不改变管状基体的情况下排布更多的第一发热体，由此能够提高发热体在管状基体上的面积占比，从而有利于提高热转换效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及流体加热技术领域，具体而言涉及电阻加热领域，特别地涉及一种半导体管状加热装置。
背景技术
管状加热的原理为需要被加热的流体从管内流通时吸收管外加热体产生的热量从而被加热。当前的管状加热技术通常是在管状基体的外侧缠绕发热体，例如发热线圈或者发热电阻丝，通过发热体接电产生热量对流体进行加热。这其中，发热体在管状基体的管壁上所占的面积越大，越有利于提高热转换效率。因此，如何在有限的管壁面积上尽可能增加发热体所占的面积，一直是业界所要研发的趋势。
发明内容
有鉴于此，本实用新型提供一种半导体管状加热装置，以解决现有管状加热技术的发热体在管状基体上的面积占比有待提高的问题。
本实用新型提供的一种半导体管状加热装置，包括管状基体和加热厚膜，所述管状基体在其内侧具有允许流体流通的流路，所述加热厚膜与管状基体导热接触，且设有主发热线圈，所述主发热线圈包括若干第一发热体和多个第二发热体，所述若干第一发热体沿第一方向平行间隔排列，所述多个第二发热体沿第二方向间隔排布，所述第一方向和第二方向垂直，且每一第二发热体的两端分别连接相邻两个第一发热体。
可选地，所述加热厚膜还设置有两个第三发热体，所述半导体管状加热装置还包括两个第一导电焊盘，每一所述第三发热体与每一所述第一导电焊盘连接，每一所述第三发热体连接位于最端侧的第一发热体的一端，所述最端侧的第一发热体的另一端连接所述第二发热体。
可选地，两个第三发热体位于两个最端侧的第一发热体之间。
可选地，两个第三发热体沿第一方向排布，且位于同一直线上。
可选地，所述半导体管状加热装置还包括第二导电焊盘和与电源连通的温度控制器，所述温度控制器与第二导电焊盘可选择性插接。
可选地，第一方向与流体在流路上的流通方向相垂直，所述若干第一发热体之中，任意相邻两个第一发热体之间的距离相同。
可选地，第一方向与流体在流路上的流通方向相同，沿流体在流路上的流通方向，相邻两个第一发热体之间的距离递减。
可选地，加热厚膜还设置有绝缘衬底和封装层，主发热线圈设置于绝缘衬底上，封装层覆盖于绝缘衬底上且包覆主发热线圈。
可选地，加热厚膜通过贴膜方式或印刷方式与管状基体导热接触。
可选地，所述加热厚膜还设置有副发热线圈，所述副发热线圈包括若干第四发热体和多个第五发热体，所述若干第四发热体沿第一方向平行间隔排列，所述多个第五发热体沿第二方向间隔排布，每一第五发热体的两端分别连接相邻两个第四发热体，沿第二方向上，相邻两个第四发热体和相邻两个第一发热体依次交错间隔设置。
本实用新型设计发热体，即主发热线圈，包括若干第一发热体和多个第二发热体，其中若干第一发热体沿第一方向平行间隔排列，多个第二发热体沿第二方向间隔排布，该第一方向和第二方向垂直，且每一第二发热体的两端分别连接相邻两个第一发热体，若干第一发热体作为主要发热体，平行间隔排列，控制相邻第一发热体之间的距离尽可能小，便可在不改变管状基体的情况下排布更多的第一发热体，由此能够提高发热体在管状基体上的面积占比，从而有利于提高热转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中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些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本实用新型一实施例的半导体管状加热装置的结构示意图；
图2是本实用新型一实施例的加热厚膜在展开时的结构俯视图；
图3是本实用新型另一实施例的加热厚膜在展开时的结构俯视图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下述实施例仅是本实用新型一部分而非全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可相互组合。
图1是本实用新型一实施例的半导体管状加热装置的结构示意图，图2是本实用新型一实施例的加热厚膜在展开时的结构俯视图。请一并参阅图1和图2，半导体管状加热装置10包括管状基体11和加热厚膜12，管状基体11为内部中空的柱状结构，加热厚膜12围设于管状基体11的外表面，于此，加热厚膜12与导热管11之间接触并实现热传递路径。
请参阅图2，所述加热厚膜12设置有主发热线圈121，该主发热线圈121包括若干第一发热体121a和多个第二发热体121b。
在所述加热厚膜12处于平面展开状态下，若干第一发热体121a沿第一方向x平行间隔排列，多个第二发热体121b沿第二方向y间隔排布，其中，所述第一方向x和第二方向y相垂直，例如第一方向x可以为水平方向，第二方向y为竖直方向。另外，每一第二发热体121b的两端分别连接相邻两个第一发热体121a。
换言之，所述主发热线圈121可视为采用蛇形方式排布，第一发热体121a和第二发热体121b的具体数量可以根据实际情况需求进行设定。以图2所示为例，所述主发热线圈121设置有10个第一发热体121a和9个第二发热体121b。沿第一方向x上，这些第一发热体121a之间的距离可以相等。加热厚膜12的上端分布有5个第二发热体121b，加热厚膜12的下端分布有4个第二发热体121b。
第一发热体121a的长度远大于第二发热体121b的长度，第二发热体121b用于实现相邻第一发热体121a之间的导电连接，但第二发热体121b也属于发热体。于此，第一发热体121a可视为半导体管状加热装置10的主要发热体，这些第一发热体121a平行间隔排列，在不改变管状基体11尺寸的情况下，加热厚膜12的尺寸不变，设置主发热线圈121的区域尺寸不变，通过控制相邻两个第一发热体121a之间的距离尽可能小，便可以排布更多的第一发热体121a，当然也排布了更多的第二发热体121b，由此能够提高发热体在管状基体11上的面积占比，从而有利于提高热转换效率。
在一具体实施例中，所述主发热线圈121可以采用半导体材料制备，即第一发热体121a和第二发热体121b可以为半导体发热体。例如，该主发热线圈121的材料可以为氧化铟镓锌(Indium Gallium Zinc Oxide,IGZO)，由此，主发热线圈121可视为采用非晶态氧化半导体技术的发热体，具有该主发热线圈121的加热厚膜12采用半导体集成电路设计，电子迁移率高，驱动能力强，有利于提高电路稳定性。
当然，该主发热线圈121也可以为采用低温多晶硅(Low Temperature Poly-silicon，LTPS)技术的发热体，例如多晶硅(P-Si)，由此，加热厚膜12可视为采用半导体集成电路设计，驱动功耗较低。
半导体发热体的制备过程可以为：首先可采用PVD(Physical Vapor Deposition,物理气相沉积)工艺形成覆盖一整面非晶硅(a-Si)层，然后对非晶硅层进行热退火处理，例如ELA(excimer laser anneal，准分子激光退火)处理，从而形成多晶硅层，即主发热线圈121。
对于采用电加热方式的设计，所述半导体管状加热装置10还可以设有正电极和负电极(图中未示出)、以及两个第一导电焊盘131，加热厚膜12还设置有两个第三发热体121c，每一第三发热体121c与每一第一导电焊盘131连接，其中一个第一导电焊盘131连接与正电极连接，另一个第一导电焊盘131连接与负电极连接。
进一步地，如图1和图2所示，半导体管状加热装置10还可以设置有第二导电焊盘132和温度控制器14。温度控制器14与第二导电焊盘132可选择性插接，在插接时温度控制器14可以检测当前加热温度，用于控制切换快速加热和保温功能。该第二导电焊盘132可以排布于加热厚膜12的上端，基于此，主发热线圈121需要绕过该第二导电焊盘132进行前述排布，这会导致第一发热体121a的长度并非完全相同，例如，最端侧的4个第一发热体121a的长度相等，其余6个第一发热体121a的长度相等，但前者的长度大于后者的长度。加热厚膜12上端的5个第二发热体121b中，位于中间的3个低于另外2个，加热厚膜12下端的4个第二发热体121b可以位于同一直线上。
为了节约空间并进一步提高主发热线圈121在管状基体11上的面积占比，两个第三发热体121c可以位于加热厚膜12的下端，并且位于最端侧的两个第一发热体121a之间，于此，每一第三发热体121c连接位于最端侧的第一发热体121a的一端，而最端侧的第一发热体121a的另一端连接第二发热体121b。进一步地，两个第三发热体121c可以沿第一方向x排布，且两者位于同一直线上。
在一应用场景中，所述主发热线圈121可以为电阻线圈，其采用电阻体(例如导线)按照前述排布方式环绕于管状基体11的外侧而成。沿流体在管状基体11内的流通方向，结合图1和图2所示，对于管状基体11的下端为流体入口、上端为流体出口的设计，流体在管状基体11内的流通方向为从下往上，第一发热体121a的数量越多，第二发热体121b的数量越多，主发热线圈121的密度越大。
对正电极和负电极分别施加正性电压和负性电压时，发热体12可视为电阻，在电压驱动下发热，热量传递至管状基体11，以此来加热位于管状基体11内的流体。主发热线圈121的密度越大，单位时间内传递至流体的热量越多，因此能够提高热转换效率。
管状基体11可以采用热膨胀系数合适的材料，例如金属材质，当热量传递至其上时，管状基体11产生热膨胀，与主发热线圈121的接触更加紧密，进一步有利于主发热线圈121的热量快速传递至管状基体11。此时，主发热线圈121的外层应当包裹有绝缘层，以实现主发热线圈121和管状基体11之间的绝缘，避免加热时出现短路。
在一实施例中，所述绝缘层可以为加热厚膜12的绝缘衬底。具体地，所述加热厚膜12可以设置有绝缘衬底和封装层，主发热线圈121设置于该绝缘衬底上，封装层覆盖于绝缘衬底上，并且包覆主发热线圈121。其中，所述绝缘衬底可以通过绝缘材料，采用例如溅射等成膜方式直接形成于管状基体11外侧面上，或者绝缘衬底也可以通过粘胶贴附于管状基体11上。该封装层可以为电绝缘层。
在另一实施例中，管状基体11的外侧可以设置有绝缘导热层，该绝缘导热层包裹附着于该管状基体11的外表面，此时，主发热线圈121的外部可以无需包裹有绝缘层。所述主发热线圈121围设于绝缘导热层的外表面上，于此，主发热线圈121与管状基体11之间通过绝缘导热层实现绝缘隔离，但同时仍可以实现热传导。
在前述基础上，作为发热体的主发热线圈121可通过贴膜或者印刷方式设置于加热厚膜12上。并且，主发热线圈121不仅可以附着于管状基体11的外侧，也可以埋设于管状基体11的内部。
本实用新型实施例可根据实际需求设计管状基体11、绝缘导热层及主发热线圈121的结构及尺寸。例如，管状基体11可以为不锈钢管材，绝缘导热层可以为绝缘釉层或喷涂的其他绝缘导热层。
应理解，对于上述结构设计的主发热线圈121，所述第一发热体121a、第二发热体121b和第三发热体121c可以为片状结构。相比较于发热丝或导线，所述发热片的发热面积较大，于此，在同样的能耗下，发热片发热较快，有利于提高加热速率。
本实用新型实施例可采用同一道工艺形成主发热线圈121，即主发热线圈121为采用同一道工艺制成的一体形成结构。以刻蚀工艺为例，本实用新型实施例可以首先提供一金属套件(例如金属筒)，该金属套件能够紧密套设于绝缘导热层的外部，或者在绝缘导热层的外部包覆一整面金属层以形成该金属套件，接着在该金属套件上沉积一整面光刻胶，然后采用光罩对该光刻胶进行曝光，被曝光部分的光刻胶被显影去除以暴露金属套件，而未曝光部分的光刻胶被保留，接着刻蚀去除金属套件的被暴露部分，而被光刻胶遮挡的部分被保留，于此，该金属套件被蚀刻形成多个穿孔，这些穿孔界定了上述发热片，最后去除剩余的光刻胶，保留的金属套件即为上述主发热线圈121。
在加热程中，理论上主发热线圈121的各部位接收到的电压和电流相同，主发热线圈121任意位置产生的热量相同，对任何位置的液体的加热是相同的。以液体从管的一端流入并从管的另一端流出为例，管下端的液体由于刚刚进入管体，受热时间较短，温度较低，而管上端的液体进入管体时间较长，受热时间长，温度较高。于此，液体温度较低的位置，保持较大的加热功率，自然有利于加热效果，而液体温度较高的位置，如果继续保持较大的加热功率，热量不能有效的被液体吸收，热转换效率则会降低。尤其是，当发生缺水这种极端状况时，管的上端会最先出现缺水，加热体出现干烧，易被烧毁。
为了解决这一问题，请继续参阅图1，本实用新型可以设计若干第一发热体121a沿第二方向y依次间隔排布，其中第二方向y与流体在流路上的流通方向(由左往右)相垂直，或者，若干第一发热体121a沿第一方向x依次间隔排布，该第一方向x与流体在流路上的流通方向(由下往上)相垂直。并且，在这两种情况下，沿流体在流路上的流通方向，相邻第一发热体121a之间的距离可以递减。
这些主发热线圈121的环绕密度从下往上递减，环绕密度越大的位置热量越多，温度越高，对应地环绕密度越小的位置热量越多，温度越低，由此，在流体温度较低的管状基体11下端，保持较大的加热功率，在流体温度较高的管状基体11下端，保持较低的加热功率，相当于根据温度高低实现针对性加热，从而有利于热量被流体有效吸收，提高热转换效率。并且，即使在缺水这种极端状况时，最先出现缺水的管状基体11的上端的加热功率最低，上端的温度保持于相对较低的状态，加热厚膜12不易被烧毁，有利于延长其使用寿命。
图3是本实用新型另一实施例的加热厚膜在展开时的结构示意图。请一并参阅图3，所述加热厚膜12还可以设置有副发热线圈122，副发热线圈122包括若干第四发热体122a和多个第五发热体122b。
若干第四发热体122a沿第一方向x平行间隔排列，多个第五发热体122b沿第二方向y间隔排布，每一第五发热体122b的两端分别连接相邻两个第四发热体122a，沿所述第二方向y上，相邻两个第四发热体122a和相邻两个第一发热体121a依次交错间隔设置。
其中，第四发热体122a的长度远大于第五发热体122b的长度，第五发热体122b用于实现相邻第四发热体122a之间的导电连接，但第五发热体122b也属于发热体。于此，第四发热体122a可视为副发热线圈122的主要发热体。该主要发热体的宽度小于第一发热体121a的宽度，于此，副发热线圈122较细，主发热线圈121较粗。
根据焦耳定律的关系式1-1、以及电阻与热量关系式1-2，可知，导线的电阻与横截面积呈反比例关系，导线的电阻与热量呈反比关系，则可以计算得到热量与横截面积呈正比例关系。
Q＝U2/R*t关系式1-1
R＝ρ*L/S关系式1-2
其中，Q表示热量，单位是焦耳(J)；U表示电压，单位是伏特(V)；R表示电阻，单位是欧姆(Ω)；t表示时间，单位是秒(s)。ρ表示导线的电阻率，S表示导线的横截面积，L表示导线的长度。
对于电阻率相同的两个发热线圈，副发热线圈122较细，主发热线圈121较粗，因此在接受相同电压时，副发热线圈122的发热量较小，主发热线圈121的发热量较大。
于此，电加热装置10利用主发热线圈121和副发热线圈122共同工作，总发热量为主发热线圈121的发热量Q1和副发热线圈122的发热量Q2之和，即总发热量Q0大于任一发热线圈的发热量，Q0＞Q1且Q0＞Q2，从而有利于实现快速加热。而在快速加热之后，例如水烧开之后，管状加热装置10可以仅利用副发热线圈122进行保温。综合而言，该管状加热装置10能够兼顾快速加热和保温两种功能。
请继续参阅图3，所述副发热线圈122还可以设置有两个第六发热体122c和两个第三焊盘133，每一第六发热体122c与每一第三焊盘133连接，其中一个第三焊盘133连接与正电极连接，另一个第三焊盘133连接与负电极连接。
为了节约空间并进一步提高副发热线圈121在管状基体11上的面积占比，两个第六发热体122c可以位于加热厚膜12的上端，并且位于最端侧的两个第四发热体122a之间，于此，每一第六发热体122c连接位于最端侧的第四发热体122a的一端，而最端侧的第四发热体122a的另一端连接第五发热体122b。进一步地，两个第六发热体122c可以沿第一方向x排布，且两者位于同一直线上。
尽管已经相对于一个或多个实现方式示出并描述了本实用新型，但本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本实用新型包括所有此修改和变型，并且由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本说明书的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。
即，以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本说明书及附图内容所作的等效结构变换，例如各实施例之间技术特征的结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
另外，在前述实施例的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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，不能理解为对本实用新型的限制。另外，对于特性相同或相似的结构元件，本实用新型可采用相同或者不相同的标号进行标识。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
Claims (10)
1.一种半导体管状加热装置，其特征在于，包括管状基体和加热厚膜，所述管状基体在其内侧具有允许流体流通的流路，所述加热厚膜与管状基体导热接触，且设有主发热线圈，所述主发热线圈包括若干第一发热体和多个第二发热体，所述若干第一发热体沿第一方向平行间隔排列，所述多个第二发热体沿第二方向间隔排布，所述第一方向和第二方向垂直，且每一第二发热体的两端分别连接相邻两个第一发热体。
2.根据权利要求1所述的半导体管状加热装置，其特征在于，所述加热厚膜还设置有两个第三发热体，所述半导体管状加热装置还包括两个第一导电焊盘，每一所述第三发热体与每一所述第一导电焊盘连接，每一所述第三发热体连接位于最端侧的第一发热体的一端，所述最端侧的第一发热体的另一端连接所述第二发热体。
3.根据权利要求2所述的半导体管状加热装置，其特征在于，两个所述第三发热体位于两个所述最端侧的第一发热体之间。
4.根据权利要求3所述的半导体管状加热装置，其特征在于，两个所述第三发热体沿所述第一方向排布，且两者位于同一直线上。
5.根据权利要求1所述的半导体管状加热装置，其特征在于，所述半导体管状加热装置还包括第二导电焊盘和与电源连通的温度控制器，所述温度控制器与所述第二导电焊盘可选择性插接。
6.根据权利要求1所述的半导体管状加热装置，其特征在于，所述第一方向与所述流体在流路上的流通方向相垂直，所述若干第一发热体之中，任意相邻两个所述第一发热体之间的距离相同。
7.根据权利要求1所述的半导体管状加热装置，其特征在于，所述第一方向与所述流体在流路上的流通方向相同，沿所述流体在流路上的流通方向，相邻两个所述第一发热体之间的距离递减。
8.根据权利要求1所述的半导体管状加热装置，其特征在于，所述加热厚膜还设置有绝缘衬底和封装层，所述主发热线圈设置于所述绝缘衬底上，所述封装层覆盖于所述绝缘衬底上且包覆所述主发热线圈。
9.根据权利要求1所述的半导体管状加热装置，其特征在于，所述加热厚膜通过贴膜方式或印刷方式与所述管状基体导热接触。
10.根据权利要求1～9任一项所述的半导体管状加热装置，其特征在于，所述加热厚膜还设置有副发热线圈，所述副发热线圈包括若干第四发热体和多个第五发热体，所述若干第四发热体沿第一方向平行间隔排列，所述多个第五发热体沿第二方向间隔排布，每一第五发热体的两端分别连接相邻两个第四发热体，沿所述第二方向上，相邻两个所述第四发热体和相邻两个所述第一发热体依次交错间隔设置。
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