PL235100B1

PL235100B1 - Graphene heater

Info

Publication number: PL235100B1
Application number: PL425260A
Authority: PL
Inventors: Anna Szlachta; Chta Anna Szla
Original assignee: Akademia Sztuk Pieknych Im Jana Matejki W Krakowie
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2020-05-18
Also published as: PL425260A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest grzejnik grafenowy, zwłaszcza do wnętrz mieszkalnych, biurowych. Może być również stosowany w pomieszczeniach, w których, z uwagi na ochronę konserwatorską, nie mogą być montowane grzejniki w tradycyjnym rozumieniu, jak np. w muzeach, kościołach, czy wnętrzach zabytkowych.The subject of the invention is a graphene heater, especially for residential and office interiors. It can also be used in rooms where, due to conservation protection, traditional heaters cannot be installed, such as museums, churches or historic interiors.

Klimat w jakim mieszkamy wymusza stosowanie ogrzewania przez większą część roku. Na rynku dostępne jest szerokie spektrum grzejników konwektorowych (kaloryferów) wykorzystujących zjawisko konwekcji. Najczęściej spotykane, to grzejniki żeliwne, stalowe, aluminiowe, płytowe. 90% grzejników działa na zasadzie systemów rurkowych w różnych kombinacjach. Nowością są płaskie kaloryfery panelowe (promieniowe), które jednak nadal są dużym fragmentem białej lub czarnej płyty stalowej.The climate in which we live requires the use of heating for most of the year. There is a wide range of convector heaters (radiators) on the market that use the phenomenon of convection. The most common are cast iron, steel, aluminum and plate radiators. 90% of radiators work on the principle of tubular systems in various combinations. A novelty are flat panel (radial) radiators, which, however, are still a large fragment of a white or black steel plate.

Na rynku produktów komercyjnych grafen wykorzystywany jest najczęściej w elektronice, automatyce, energetyce solarnej, chemii, biologii i medycynie. Wykorzystanie grafenu w charakterze elementu grzejnego opisuje zgłoszenie patentowe CN105661995A. Opisuje ono grzejnik przeznaczony do podgrzewania łóżka, mający postać umieszczonej w łóżku płyty, która pokryta jest warstwą materiału grafenowego połączonego z zasilaniem w energię elektryczną.On the market of commercial products, graphene is most often used in electronics, automation, solar energy, chemistry, biology and medicine. The use of graphene as a heating element is described in the patent application CN105661995A. It describes a heater for heating the bed, in the form of a plate placed in the bed, which is covered with a layer of graphene material connected to an electric power supply.

Chiński wzór użytkowy CN205783276U odnosi się do rodziny pomocniczych urządzeń grzewczych i opisuje grzejnik w postaci dwóch elastycznych warstw brezentu (płótna) odpornego na wysoką temperaturę, pomiędzy którymi znajduje się elektryczna warstwa grzejna w postaci wklejonej folii grafenowej podłączonej do zasilania elektrycznego.Chinese utility model CN205783276U refers to a family of auxiliary heating devices and describes a heater in the form of two flexible layers of heat-resistant tarpaulin, between which there is an electric heating layer in the form of glued graphene foil connected to the power supply.

Grzejnik według wynalazku tworzą dwie, przylegające do siebie na całej powierzchni tafle szklane z co najmniej jedną warstwą grafenu pomiędzy nimi i naniesionymi elektrochemicznie elektrodami.The heater according to the invention consists of two glass panes, adjacent to each other over the entire surface, with at least one layer of graphene between them and electrochemically applied electrodes.

Wykorzystanie dwóch warstw grafenowych zwiększa parametry przewodności cieplnej, zachowując jednocześnie przezroczystość.The use of two graphene layers increases the parameters of thermal conductivity while maintaining transparency.

Elektrody mają korzystnie długość równą szerokości warstwy grzewczej. Ich wzajemne położenie jest dowolne, najkorzystniej równoległe. Sterowane są poprzez układ sterowania zasilany prądem zmiennym z sieci. Tafle szkła mogą być płaskie lub gięte.The electrodes are preferably of a length equal to the width of the heating layer. Their mutual position is arbitrary, most preferably parallel. They are controlled by a control system powered by alternating current from the network. Glass panes can be flat or curved.

Na jednej tafli szkła można korzystnie umieścić dwa układy elektrod (na prawym i lewym skrzydle, wynikające z usytuowania panelu mocującego), tak aby uzyskać dwie niezależnie od siebie działające powierzchnie grzejne, co w efekcie daje trzy tryby pracy: lewe skrzydło, prawe skrzydło, oba.Two electrode systems can be advantageously placed on one glass pane (on the right and left wings, resulting from the location of the mounting panel), so as to obtain two independently operating heating surfaces, which results in three operating modes: left wing, right wing, both .

Grafenowa warstwa grzewcza połączona jest z co najmniej jednym czujnikiem temperatury i kontrolerem. Przy układzie wyposażonym w więcej czujników temperatury, korzystnym jest rozmieszczenie czujników na przeciwległych końcach powierzchni grzewczej. W przypadku jednego czujnika temperatury korzystnym jest zamontowanie go w środku ciężkości figury, jaką tworzy warstwa grzewcza. Kontroler kontroluje sprawność układu i wysyła sygnały informujące o stanach alarmowych. Korzystnym jest jeśli kontroler ma połączenie z siecią informatyczną w celu umożliwienia rozbudowy systemów automatyki domowej.The graphene heating layer is connected to at least one temperature sensor and controller. In an arrangement with more than one temperature sensor, it is preferable to arrange the sensors at opposite ends of the heating surface. In the case of one temperature sensor, it is advantageous to mount it at the center of gravity of the figure formed by the heating layer. The controller controls the efficiency of the system and sends signals informing about alarms. It is advantageous if the controller is connected to an IT network in order to enable the expansion of home automation systems.

Sterowanie zasilaniem układu grzewczego odbywa się w sposób ręczny lub automatyczny. W przypadku sterowania ręcznego układ wyposażony jest w termostat.The heating system power supply is controlled manually or automatically. In the case of manual control, the system is equipped with a thermostat.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony został w przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia budowę grzejnika grafenowego z płaskich tafli szklanych w widoku perspektywicznym z elektrodami na przeciwległych końcach grafenowej warstwy grzewczej, fig. 2 - budowę grzejnika grafenowego z płaskich tafli szklanych w widoku perspektywicznym z elektrodami rozmieszczonymi równolegle do dłuższego boku grafenowej warstwy grzewczej, fig. 3 - budowę grzejnika w widoku z boku z jedną grafenową warstwą grzewczą, fig. 4 - budowę grzejnika w widoku z boku z dwoma grafenowymi warstwami grzewczymi, fig. 5 - schemat blokowy układu sterowania grzejnika, fig. 6 - grzejnik z płaskich tafli szklanych w widoku z góry, fig. 7 - grzejnik z giętych tafli szklanych w widoku z góry.The subject of the invention has been shown in the examples and in the drawing, in which Fig. 1 shows the structure of a graphene heater made of flat glass panes in a perspective view with electrodes at the opposite ends of the graphene heating layer, Fig. 2 - the structure of a graphene heater made of flat glass panes in a perspective view. with electrodes arranged parallel to the longer side of the graphene heating layer, Fig. 3 - construction of the heater in a side view with one graphene heating layer, Fig. 4 - construction of the heater in side view with two graphene heating layers, Fig. 5 - block diagram of the system control of the heater, fig. 6 - flat glass heater in top view, fig. 7 - bent glass heater in top view.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Grzejnik grafenowy tworzą dwie płaskie, sklejone tafle szklane 1,2 z naniesionymi elektrochemicznie elektrodami 9 i 10. Na powierzchnię tafli 1, naniesiona jest grafenowa warstwa grzewcza 4 połączona z niepokazanymi na rysunku, czujnikiem temperatury 5, kontrolerem 6 i termostatem 7, zamontowanymi w panelu mocującym 8. Elektrody 9 i 10 rozmieszczone są równolegle na przeciwległych końcach powierzchni grafenu 4 tworząc między sobą przestrzeń grzejną.The graphene heater consists of two flat, glued glass sheets 1,2 with electrochemically applied electrodes 9 and 10. On the surface of the sheet 1, there is a graphene heating layer 4 connected with the temperature sensor 5, controller 6 and thermostat 7, not shown in the drawing, mounted in the panel The electrodes 9 and 10 are disposed in parallel at opposite ends of the graphene surface 4 forming a heating space between them.

PL 235 100 B1PL 235 100 B1

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Grzejnik grafenowy tworzą dwie płaskie, sklejone tafle szklane 1, 2 z naniesionymi elektrochemicznie elektrodami 9 i 10. Na powierzchnię tafli 1, naniesiona jest grafenowa warstwa grzewcza 4 połączona z niepokazanymi na rysunku, czujnikiem temperatury 5, kontrolerem 6 i termostatem 7, zamontowanymi w panelu mocującym 8 rozdzielającym tafle szklane 1 i 2 na dwa skrzydła, przy czym elektrody 9 i 10 na grafenowej warstwie grzewczej 4 zamontowane są na każdym skrzydle oddzielnie tworząc w ten sposób dwie przestrzenie grzejne.The graphene heater consists of two flat, glued glass sheets 1, 2 with electrochemically applied electrodes 9 and 10. On the surface of the sheet 1, there is a graphene heating layer 4 connected with a temperature sensor 5, controller 6 and a thermostat 7, not shown in the drawing, mounted in the panel fixing 8 separating the glass sheets 1 and 2 into two wings, the electrodes 9 and 10 on the graphene heating layer 4 being mounted separately on each wing, thus forming two heating spaces.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Grzejnik grafenowy tworzą dwie gięte, sklejone tafle szklane 1,2 z naniesionymi elektrochemicznie elektrodami 9 i 10. Na powierzchnię tafli 2 naniesione są dwie grafenowe warstwy grzewcze 4 połączone z niepokazanymi na rysunku, czujnikiem temperatury 5, kontrolerem 6 połączonym z siecią informatyczną, zamontowanymi w panelu mocującym 8. Elektrody 9 i 10 rozmieszczone są równolegle do dłuższych boków grafenowej warstwy grzewczej 4.The graphene heater consists of two bent, glued glass sheets 1,2 with electrochemical electrodes 9 and 10. The surface of the sheet 2 is covered with two graphene heating layers 4 connected with a temperature sensor 5, not shown in the drawing, a controller 6 connected to a computer network, installed in mounting panel 8. Electrodes 9 and 10 are arranged parallel to the long sides of the graphene heating layer 4.

P r z y k ł a d 4P r z k ł a d 4

Grzejnik grafenowy tworzą dwie, sklejone tafle szklane 1, 2 z naniesionymi elektrochemicznie elektrodami 9 i 10. Na powierzchnię tafli 2 naniesione są dwie grafenowe warstwy grzewcze 4 połączone z niepokazanymi na rysunku, czujnikiem temperatury 5 zamontowanym w środku ciężkości figury, jaką tworzy warstwa grzewcza 4, kontrolerem 6 połączonym z siecią informatyczną, zamontowanymi w panelu mocującym 8. Elektrody 9 i 10 rozmieszczone są równolegle do dłuższych boków grafenowej warstwy grzewczej 4.The graphene heater consists of two glued glass sheets 1, 2 with electrochemically applied electrodes 9 and 10. Two graphene heating layers 4 are applied to the surface of the sheet 2, connected with a temperature sensor 5, not shown in the drawing, mounted in the center of gravity of the figure, which is formed by the heating layer 4 , a controller 6 connected to a computer network, mounted in the mounting panel 8. The electrodes 9 and 10 are arranged parallel to the long sides of the graphene heating layer 4.

P r z y k ł a d 5P r z k ł a d 5

Grzejnik grafenowy tworzą dwie płaskie, sklejone tafle szklane 1, 2 z naniesionymi elektrochemicznie elektrodami 9 i 10. Na powierzchnię tafli 1, naniesiona jest grafenowa warstwa grzewcza 4 połączona z niepokazanymi na rysunku, dwoma czujnikami temperatury 5 rozmieszczonymi na przeciwległych końcach warstwy grzewczej 4, kontrolerem 6 i termostatem 7, zamontowanymi w panelu mocującym 8. Elektrody 9 i 10 rozmieszczone są równolegle na przeciwległych końcach powierzchni grafenu 4 tworząc między sobą przestrzeń grzejną.The graphene heater consists of two flat, glued glass sheets 1, 2 with electrochemically applied electrodes 9 and 10. On the surface of the sheet 1, there is a graphene heating layer 4 connected with two temperature sensors 5, not shown in the drawing, arranged at opposite ends of the heating layer 4, a controller 6 and a thermostat 7 mounted in the mounting panel 8. The electrodes 9 and 10 are arranged in parallel at opposite ends of the graphene surface 4 to form a heating space between them.

Zasilanie grzejnika odbywa się przewodami L, N. Układ sterownia 3 jest uziemiony. Układ sterowania 3 poprzez przewód 3a i 3b zasila elektrody 9 i 10. Elektrody 9 i 10 zasilają warstwę grzewczą 4. Zamontowany na powierzchni grzewczej czujnik temperatury 5 przewodem 5a przekazuje informacje do kontrolera 6. Kontroler 6 przewodem 6a połączony jest z układem sterowania 3.The heater is powered by the L, N conductors. The control system 3 is earthed. The control system 3 supplies the electrodes 9 and 10 via the line 3a and 3b. The electrodes 9 and 10 supply the heating layer 4. The temperature sensor 5 mounted on the heating surface transmits information to the controller via a line 5a. The controller 6 is connected to the control system 3 via a line 6a.

Grzejnik grafenowy wykorzystuje zarówno grzanie konwekcyjne jak i promieniowe. Podgrzewanie warstwy grafenowej nie jest toksyczne dla człowieka w przeciwieństwie do innych przezroczystych materiałów przewodzących, np. szkła pokrytego nasyconą tlenem kompozycją cyny i indu (ITO).The graphene heater uses both convection and radial heating. Heating of the graphene layer is not toxic to humans, unlike other transparent conductive materials, e.g. glass covered with oxygen-saturated tin and indium (ITO) composition.

W jednoatomowej warstwie węgla nie zachodzą nieprzewidziane reakcje. Grzejnik jest również bezpieczny dla środowiska.There are no unforeseen reactions in the monatomic carbon layer. The heater is also safe for the environment.

Grzejnik grafenowy według wynalazku może z powodzeniem zastąpić grzejniki wykorzystywane obecnie. Może również być wykorzystany jako szklana grzejna gablota, zachowująca stałą temperaturę (np. do przechowywania książek, dokumentów w muzeum) do szczególnie wymagających eksponatów.The graphene heater according to the invention can successfully replace the heaters currently used. It can also be used as a heating glass display case that maintains a constant temperature (e.g. for storing books, documents in a museum) for particularly demanding exhibits.

Istotnym elementem, który odróżnia grzejnik grafenowy od produktów dostępnych na rynku, jest bardzo krótki czas nagrzewania, aż do osiągnięcia wskazanej temperatury. Czas nagrzewania do temperatury ok. 70°C wynosi kilkadziesiąt sekund. Jest to możliwe ze względu na nieporównywalną z innymi materiałami przewodność cieplną grafenu. Zmierzona przewodność cieplna grafenu wynosi od 4840±440 do 5300±480 W/mK (dla porównania srebro - 429 W/mK). W ogrzewaniu można zastosować impulsowość ponieważ grafen dzięki swoim właściwościom bardzo dobrze i równomiernie rozprowadza ciepło. W szkle nie występują naprężenia. Dzięki temu można zasilać grzejnik grafenowy według wynalazku impulsami o wyższej wartości, dobierając odpowiednią amplitudę, obniżając przy tym znacznie koszty energii.An important element that distinguishes a graphene heater from products available on the market is a very short heating time until the indicated temperature is reached. The heating time to a temperature of about 70 ° C is several dozen seconds. It is possible due to the incomparable thermal conductivity of graphene. The measured thermal conductivity of graphene ranges from 4840 ± 440 to 5300 ± 480 W / mK (for comparison silver - 429 W / mK). In heating, you can use impulsivity because graphene, thanks to its properties, distributes heat very well and evenly. There is no stress in the glass. Thanks to this, it is possible to supply the graphene heater according to the invention with pulses of a higher value, selecting the appropriate amplitude, at the same time significantly reducing energy costs.

Claims

Patent claims

1. Graphene heater, characterized by the fact that it is made of two glass panes (1, 2), adjacent to each other on the entire surface, with a mounting panel (8) installed, between which there is at least one graphene heating layer (4) with electrodes ( 9 and 10) controlled by a control system (3) connected to at least one temperature sensor (5) mounted on the surface of the graphene heating layer (4) and a controller (6).

PL 235 100 B1

2. Heater according to claim The method of claim 1, characterized in that the temperature sensor (5) and the controller (6) are mounted in the mounting panel (8).

3. A heater according to claim The method of claim 1 or 2, characterized in that a thermostat (7) is mounted on the mounting panel (8).

4. Heater according to claim The method of claim 1, characterized in that the electrodes (9, 10) on the graphene heating layer (4) are arranged arbitrarily relative to each other.

5. Heater according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that the electrodes (9, 10) on the graphene heating layer (4) are arranged at opposite ends of the heating surface (4) parallel to each other.

6. Heater according to claim The method as claimed in claim 1 or 4, characterized in that the electrodes (9, 10) have a length equal to the width of the heating layer (4).

7. Heater according to claim The method of claim 1, characterized in that two electrode arrays are installed on the right and left wings of the graphene heating layer (4).

8. Heater according to claim The method of claim 1, characterized in that a single temperature sensor (5) is mounted in the center of gravity of a figure formed by the heating layer (4).

9. Heater according to claim The method of claim 1, characterized in that, in the case of the system equipped with more than one temperature sensors (5), they are arranged at opposite ends of the heating layer (4).

10. Heater according to claim The method of claim 1, characterized in that the controller (6) is connected to a computer network.

11. Heater according to claim The method of claim 1, characterized in that the glass panes (1, 2) are flat.

12. Heater according to claim The method of claim 1, characterized in that the glass panels (1, 2) are bent.