CN216146482U - 一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构及加热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于加热器技术领域，涉及一种石墨烯层悬空于加热腔体结构，包括加热腔体、石墨烯电热层、第一导体、第二导体，所述石墨烯电热层包括石墨烯导电层和耐温绝缘层，所述第一导体和所述第二导体分别电连接于所述石墨烯电热层的不同位置，所述第一导体和所述第二导体延伸至所述加热腔体外部，所述石墨烯电热层悬空于所述加热腔体内部，所述加热腔体是密封结构。本实用新型提供的石墨烯层悬空于加热腔体的结构及加热器，石墨烯电热层不仅可耐受800‑1100℃高温，长期稳定工作温度达800℃，加热效果快速均匀，还可以实现良好的防水性能与绝缘性能。

Description

一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构及加热器

技术领域

本实用新型属于加热器技术领域，特别是涉及一种石墨烯层悬空于加热腔体结构。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，是最薄的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光，石墨烯导热系数高于碳纳米管和金刚石，常温下的电子迁移率又比碳纳米管或硅晶体高，电阻率低于铜或银。石墨烯具有极好的电热转化效率与电热辐射转化效率。通电后能高效的把电能转化成热能，并通过远红外线辐射出去。因此石墨烯是理想的电加热材料。但是由于石墨烯在500℃就有明显的氧化过程，电阻不断增大，导致功率不断衰减；因此基于石墨烯的加热产品无法实现功率密度>2W/cm²，温度高于500℃的长时间通电加热，这限制了石墨烯加热产品的应用范围。同时，现有的石墨烯加热产品高温表面绝缘与封装难以实现，无法实现良好的防水性能与绝缘性能。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是现有的石墨烯加热产品无法实现温度高于500℃的长时间加热，石墨烯加热产品高温表面绝缘与封装难以实现，无法实现良好的防水性能与绝缘性能的问题，本实用新型提供一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构及加热器。

为解决上述技术问题，一方面，本实用新型实施例提供一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构，包括加热腔体、石墨烯电热层、第一导体、第二导体，所述石墨烯电热层包括石墨烯导电层和耐温绝缘层，所述第一导体和所述第二导体分别电连接于所述石墨烯电热层的不同位置，所述第一导体和所述第二导体延伸至所述加热腔体外部，所述石墨烯电热层悬空于所述加热腔体内部，所述加热腔体为密封结构。

优选的，所述耐温绝缘层为耐温绝缘基片；所述石墨烯导电层形成于所述耐温绝缘基片表面以形成一体结构，所述耐温绝缘基片包括云母片、陶瓷片、玻璃片或石英片。

优选的，所述第一导体和所述第二导体延伸至所述加热腔体外部部分置于所述加热腔体的两侧或置于加热腔体的同侧。

优选的，所石墨烯导电层为纯石墨烯纤维编织层、石墨烯玻璃纤维编织层或石墨烯碳纤维编织层。

优选的，所述石墨烯导电层膜厚度为0.01-500μm；所述耐温绝缘层厚度为10-2000μm。

优选的，所述加热腔体内部为真空状态或者填充保护气体。

优选的，还包括第一电极层和第二电极层，所述第一电极层的一端与所述石墨烯电热层电连接，所述第一电极层的另一端与所述第一导体电连接，所述第二电极层的一端与所述石墨烯电热层电连接，所述第二电极层的另一端与所述第二导体电连接。

优选的，所述第一电极层和所述第二电极层为金属层；所述第一电极层厚度为1-50μm，所述第二电极层厚度为1-50μm。

优选的，所述的加热腔体形状包括圆柱形、方形或球形。

另一方面，本实用新型提供一种加热器，包括上面所述的一种石墨烯悬空于加热腔体的结构。

本实用新型提供的一种石墨烯电热层悬空于加热腔体的结构，石墨烯电热层悬空于加热腔体内部，可以实现快速均匀加热的效果；加热腔体良好密封，内部真空或者是填充保护气体，加热腔体中的石墨烯电热层可耐受800-1100℃高温，长期稳定工作温度达800℃；加热腔体与外界隔绝，还可以实现良好的防水性能与绝缘性能。

附图说明

图1是含有电极层的石墨烯层悬空于加热腔体的结构示意图；

图2是不含有电极层的石墨烯层悬空于加热腔体的结构示意图；

图3是导体置于加热腔体同侧结构示意图。

说明书附图中的附图标记如下：

1、石墨烯电热层；1-1、石墨烯导电层；1-2、耐温绝缘层；2、加热腔体；3-1、第一导体；3-2、第二导体；4-1、第一电极层；4-2、第二电极层。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2所示，本实用新型提供一实施例一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构，包括石墨烯电热层1，加热腔体2，第一导体3-1，第二导体3-2；石墨烯电热层1包括石墨烯导电层1-1和耐温绝缘层1-2，第一导体3-1和第二导体3-2分别电连接于石墨烯电热层1的不同位置，所述第一导体3-1和所述第二导体3-2延伸至所述加热腔体2的外部；石墨烯电热层1悬空于所述加热腔体2内部，加热腔体2为密封结构。

本实施例中，石墨烯电热层1包括石墨烯导电层1-1和耐温绝缘层1-2；其中耐温绝缘层1-2不导电，可以减少电能的消耗，并将电能全部供给石墨烯导电层1-1，从而达到节能的目的；同时耐温绝缘层1-2不影响石墨烯导电层1-1的热量辐射。石墨烯电热层1的其中一端与第一导体3-1的一端电连接，第一导体3-1的另一端延伸至加热腔体2外连接电源装置；石墨烯电热层1的另一端与第二导体3-2的一端电连接，第二导体3-2的另一端延伸至加热腔体2外连接电源装置；电源将电能输送给石墨烯电热层1，石墨烯电热层1将电能转换为热能并将热量通过远红外线辐射四周，热量传递给加热腔体2。本实施例中第一导体3-1、第二导体3-2是类似于金属导线类的导体，可以输送电能的作用。

本实施例中石墨烯电热层1悬空于加热腔体2的内部，可以更加均匀、快速的将热量辐射四周并传递给加热腔体2。本实施例中的石墨烯电热层1悬空于加热腔体2的内部的位置并没有具体限定，可以在加热腔体2的中间偏上部分的位置，或是在加热腔体2的中间位置，或者是在加热腔体2的中间偏下部分的位置，如果需要加热的产品受热更加均匀，将石墨烯电热层1悬空于加热腔体2的中间位置比较好；这是因为当石墨烯电热层1悬空于加热腔体2的中间位置时，距离加热腔体2的上下距离相同，热量传递会更加均匀，对于需要加热的产品，受热也会更加均匀。

本实施例中，加热腔体2是密封结构，隔绝空气，阻止石墨烯电热层中石墨烯氧化，同时可以大幅度提升石墨烯电热层1的耐温性能；加热腔体2的密封结构，将通电加热区域有效隔绝在封闭腔体中，制备的加热器可以实现良好的防水性能与绝缘性能。

本实施例中的石墨烯电热层1包括石墨烯导电层1-1，石墨烯具有极好的电热转化效率，石墨烯导电层1-1通电后，石墨烯能高效的把电能转换为热能，根据石墨烯本身的热辐射特性，将热能通过远红外线等方式将热量辐射出去，从而实现电能快速转换为热能的效果。

第一导体3-1和第二导体3-2延伸至所述加热腔体2外部的部分分别置于所述加热腔体2的两侧，或者是同时置于加热腔体2的同侧。本实施例不限定延伸至加热腔体2外部的部分的具体位置，且本实施例中的第一导体3-1和第二导体3-2不仅是能起到传输电能的作用，还能起到支撑石墨烯电热层1悬空于加热腔体2内部的作用。

石墨烯导电层1-1可以是石墨烯粉体与耐温基料结合，通过涂覆、挤压成膜，形成膜厚度为0.01-100μm的石墨烯导电层1-1，石墨烯导电层1-1膜厚度低于0.01μm，石墨烯含量低，形成的石墨烯电热层1不能达到长期稳定工作温度800℃以上的效果。耐温基料包括耐高温的金属或金属合金、金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物材料，或者是石墨、碳化硅、硅、氮化硅、氧化硅等非金属材料。耐温基料要求具有耐高温性能，同时与石墨烯能够实现良好结合。石墨烯粉体与耐温基料结合制备的石墨烯导电层1-1，通电能快速加热，石墨烯能高效的将电能转换为热能，并将热量通过远红外线等方式快速辐射出去。

石墨烯导电层1-1也可以是纯石墨烯纤维编织层、石墨烯玻璃纤维编织层或石墨烯碳纤维编织层。

石墨烯导电层1-1也可以是通过化学气相沉积、涂覆、喷涂方法形成。

耐温绝缘层为耐温绝缘基片；石墨烯电热层1是石墨烯导电层1-1与耐温绝缘基片结合而成的一体结构，其中石墨烯导电层的膜厚度为0.01-500μm；耐温绝缘层厚度为10-2000μm；耐温绝缘基片包括云母片、陶瓷片、玻璃片、石英片等。

本实施例中，石墨烯电热层1可以是经过化学气相沉积、涂覆、喷涂方法形成的石墨烯导电层1-1与耐温绝缘基片结合形成的一体结构；石墨烯电热层1可以是由石墨烯粉体与耐温基料结合通过涂覆、挤压形成的石墨烯导电层1-1与耐温绝缘基片结合形成的一体结构；石墨烯电热层1还可以是纯石墨烯纤维编织层、石墨烯玻璃纤维编织层或石墨烯碳纤维编织层形成的石墨烯导电层1-1与耐温绝缘基片结合形成的一体结构。本实施例中，形成的石墨烯导电层的结构不同，石墨烯导电层的膜厚度范围0.01-500μm是较佳的厚度范围，低于范围值石墨烯含量减少，加热效果降低，高于范围值，石墨烯导电层与耐温绝缘基片结合难度增加，电阻增加。

本实施例中，石墨烯电热层1的结构中选用的是耐温绝缘基片如云母片、陶瓷片、玻璃片、石英片等，耐温绝缘基片不导电，可以减少电能的消耗，将电能全部供给石墨烯导电层1-1，从而达到节能的目的；同时耐温绝缘基片不影响石墨烯导电层1-1的热量辐射。本实施例不限定石墨烯电热层1的层数结构，可以是一层石墨烯导电层1-1与耐温绝缘基片共同形成的具有两层结构的石墨烯电热层1；也可以是三层结构，如耐温绝缘基片的两个表面各有一层石墨烯导电层；或是为了增强加热效果，还可以是三层以上的结构。

石墨烯电热层1还可以由石墨烯导电层1-1独自支撑形成石墨烯电热层1，减少生产成本，通过单独石墨烯导电层1-1，也可以实现将电能快速转换为热能，并将热能快速辐射出去的效果。

本实施例中，石墨烯导电层1-1可以是经过化学气相沉积、涂覆、喷涂方法形成的石墨烯导电层1-1，可以是石墨烯粉体与耐温基料结合通过涂覆、挤压形成的石墨烯导电层1-1，还可以是纯石墨烯纤维编织层、石墨烯玻璃纤维编织层或石墨烯碳纤维编织层形成的石墨烯导电层1-1。

本实施例的结构为第一导体3-1和所述第二导体3-2分别电连接所述石墨烯导电层1-1的两端，所述石墨烯导电层1-1由所述第一导体3-1和所述第二导体3-2支撑悬空于所述加热腔体2中，所述第一导体3-1和所述第二导体3-2分别从所述加热腔体2的两端引出。

加热腔体内部是真空状态，或者内部填充保护气体。保护气体包括氦气、氩气中的至少一种。

如附图1所示，本实用新型提供的石墨烯层悬空于加热腔体内的结构还包括第一电极层4-1和第二电极层4-2，所述第一电极层4-1的一端与所述石墨烯电热层1电连接，所述第一电极层4-1的另一端与所述第一导体3-1电连接，所述第二电极层4-2的一端与所述石墨烯电热层1电连接，所述第二电极层4-2的另一端与所述第二导体3-2电连接。

本实施例中，石墨烯电热层1的两端分别连接有第一电极层4-1和第二电极层4-2，其中第一电极层4-1和第二电极层4-2是通过导电金属浆料烧结而成，或者是通过导电金属沉积而成，形成的第一电极层厚度为1-50μm，第二电极层厚度为1-50μm。本实施例中，第一、第二电极层厚度范围是1-50μm，高于此范围，电极层厚度增加，相应的内阻增加，增加电能消耗；电极层厚度低于范围值，不易于形成电极层结构。其中，导电金属是铜、铝、钼、银、铁等。第一电极层4-1的另外一端与第一导体3-1的其中一端电连接，第一导体3-1的另一端穿过加热腔体2并延伸至加热腔体2的外部；第一导体3-1的另一端可与电源装置连接，为石墨烯电热层1供电；同理，第二电极层4-2的另外一端与第二导体3-2的一端电连接，第二导体3-2的另一端穿过加热腔体2并延伸至加热腔体2的外部；第二导体3-2的另一端与电源装置连接，为石墨烯电热层1供电。本实施例中，第一电极层4-1和第二电极层4-2的主要作用是导电，电源输送的电能通过导体和电极层传送给石墨烯电热层1。本实施例中，可以去除电极层4，如附图2所示，石墨烯电热层1直接与金属导线3连接，也可以实现电源通过金属导线3将电能输送给石墨烯电热层1的目的。本实施例中，第一电极层4-1、第二电极层4-2与第一导体3-1和第二导体3-2相互作用，不仅可以起到传输电能的作用，还起到支撑石墨烯电热层1悬空于加热腔体2中的作用。

本实施例中的石墨烯电热层1本身的结构及特性，不限定加热腔体2的具体结构，加热腔体2的形状可以是管状结构、圆柱状结构、球形，还可以是方形结构。加热腔体2的材质可以是石英、玻璃、陶瓷等可常见的耐温绝缘材质。

本实用新型提供的将石墨烯电热层1悬空于加热腔体2内的结构，可以实现均匀加热的效果；本实用新型提供的石墨烯电热层1结构与良好密封并真空或者保护性气体填充的加热腔体2结合，石墨烯电热层1不仅可耐受温度范围达到800-1100℃高温，长期稳定工作温度达800℃以上，功率密度达20W/cm²；还可以实现良好的防水性能与绝缘性能。

本实施例提供一种加热器，包括上述的石墨烯层悬空于加热腔体结构，可以应用到浸入式加热器、干烧加热器、面加热式加热器与远红外加热器、水加热器，电锅炉，照烧烤炉，烤箱，烤盘，料理锅，电饭锅，火锅加热盘，取暖器，工业烤箱，工业隧道炉等领域。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构，其特征在于，包括加热腔体、石墨烯电热层、第一导体、第二导体，所述石墨烯电热层包括石墨烯导电层和耐温绝缘层，所述第一导体和所述第二导体分别电连接于所述石墨烯电热层的不同位置，所述第一导体和所述第二导体延伸至所述加热腔体外部，所述石墨烯电热层悬空于所述加热腔体内部，所述加热腔体为密封结构。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构，其特征在于，所述耐温绝缘层为耐温绝缘基片；所述石墨烯导电层形成于所述耐温绝缘基片表面以形成一体结构，所述耐温绝缘基片包括云母片、陶瓷片、玻璃片或石英片。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构，其特征在于，所述第一导体和所述第二导体延伸至所述加热腔体外部部分置于所述加热腔体的两侧或置于加热腔体的同侧。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构，其特征在于，所述石墨烯导电层为纯石墨烯纤维编织层、石墨烯玻璃纤维编织层或石墨烯碳纤维编织层。

5.根据权利要求1所述的一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构，其特征在于，所述石墨烯导电层膜厚度为0.01-500μm；所述耐温绝缘层厚度为10-2000μm。

6.根据权利要求1所述的一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构，其特征在于，所述加热腔体内部为真空状态或者填充保护气体。

7.根据权利要求1所述的一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构，其特征在于，还包括第一电极层和第二电极层，所述第一电极层的一端与所述石墨烯电热层电连接，所述第一电极层的另一端与所述第一导体电连接，所述第二电极层的一端与所述石墨烯电热层电连接，所述第二电极层的另一端与所述第二导体电连接。

8.根据权利要求7所述的一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层为金属层；所述第一电极层厚度为1-50μm，所述第二电极层厚度为1-50μm。

9.根据权利要求1所述的一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构，其特征在于，所述的加热腔体形状包括圆柱形、方形或球形。

10.一种加热器，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的一种石墨烯层悬空于加热腔体的结构。

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