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1. WO2013004014 - METAL SUBSTRATE ELECTRIC HEATING FOIL

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说明书

金属基板电发热片

技术领域

本发明涉及一种电加热器。

背景技术

现有的电加热器主要有管状电加热器和片状电加热器,温度控制多采用外置 温度感应元件的温度控制形式,即将温度感应元件放置或靠近在需要温度控制的 位置,通过感知温度变化,经温度控制装置控制电加热器通电或断电或控制电压 或电流大小以达到温度控制、过热保护和显示的目的。也有的管状电加热器采用 铸铝扩大散热面积时嵌有温度感应元件。

现有中低温电加热领域的电加热器存在以下缺点,电热管式加热器加热面积 较小,面加热不均匀,局部易过热,液体加热极易结水垢,且体积大,热惯性大, 温度感应元件反应速度相对较慢,效率相对较低,由于热量过于集中寿命短。

片状电加热器,由于大多利用导电油墨或导电浆料采用丝网印刷工艺成型电 热元件,抗热冲击性能差,极易因电压波动及加热环境变化而损坏,而且成本高, 实际推广受到严重影响。

现有片状电加热器的温度感应元件及温度控制装置存在以下缺点,因片状电 加热器厚度较簿,温度感应元件及温度控制器体积较大,安装位置受到局限,导 致温度感知误差相对较大,反应速度相对较慢,过热保护不够及时,适用的场合 受到限制。

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是针对现有技术的不足,提供一种具有热惯

性小、抗热冲击能力强、加热面均匀、温度控制灵敏或 /和限温或 /和过热保护功 能、单位体积加热面积大、安全、环保节能、寿命长、成本低的金属基板电发热 片。为此,本发明采用以下技术方案:它包括金属基板,金属基板上烧结有作 为导热绝缘材料的多相复合玻璃陶瓷,所述多相复合玻璃陶瓷内部主要嵌有或 埋有温度感应元件以及作为电热元件的金属电阻箔片和 /或金属电阻丝。

在采用本发明的上述技术方案的基础上,本发明还可采用以下进一步的技术 方案:

本发明所述多相复合玻璃陶瓷的浆料与金属基板、以及嵌入或埋入其中的 所述电热元件和 /或温度感应元件一起,在压力状态下(一般为 2.0MPa 压力:^ 4.0MPa, 采用压力条件下烧结主要是为了提高致密性、降低烧结温度,对压力 的上限没有限制,但从经济和效果的角度出发,在 4.0MPa时已能达到上述目标 效果,继续增加压力效果已不明显)经一次或多次烧结,提高了致密性,形成相 对密度 95%的多相复合玻璃陶瓷,并在与金属基板、电热元件、温度感应元件 相接处形成共晶层和 /或机械锚定并紧密结合在一起。所述相对密度即实际密度 与理论密度之比。所述共晶层为多相复合玻璃陶瓷与金属基板、电热元件、温 度感应元件烧结时形成的新合金层;而所述机械锚定为烧结过程中,多相复合玻 璃陶瓷渗入金属基板、电热元件、温度感应元件表面的毛细孔隙中,形成胶结 而结合在一起的一种形式。

所述玻璃陶瓷,根据清华大学学术专著《高性能多相复合陶瓷》(清华 大学出版社 2008年 2月出版,黄勇,汪长安等著)一书的描述,玻璃态的 固体是亚稳定状态,某些组成的玻璃经热处理后可以晶化成大量的微晶体。这种 含有大量微晶体的玻璃称为微晶玻璃或玻璃陶瓷。玻璃陶瓷是一种常用的基体 材料,加入其它物相后就形成多相复合玻璃陶瓷。所述多相复合玻璃陶瓷是 由两种以上物相所组成的玻璃陶瓷,所述物相有同类的也有不同类的。

本发明所述多相复合玻璃陶瓷采用层状多相复合玻璃陶瓷,即所述多相复 合玻璃陶瓷由多层的玻璃陶瓷基多相复合材料组成,以玻璃陶瓷为基体,各

层根据性能要求的不同加入和 /或烧结形成有其它不同物相的材料,对玻璃 陶瓷起到增强、增韧、增大导热性、提高绝缘、各层间热膨胀系数相匹配等 不同的作用,保证层状多相复合玻璃陶瓷在厚度方向各层的性能变化能够平 缓过渡,以适应金属基板和电热元件之间温度梯度的变化。

所述层状多相复合玻璃陶瓷由底层多相复合玻璃陶瓷和若干功能层多相 复合玻璃陶瓷组成,所述功能层多相复合玻璃陶瓷根据电加热器产品性能要 求的不同可有一层或多层,各层根据性能要求的不同分别具有导热和 /或绝 缘功能以及各层间相匹配的热膨胀系数。

所述层状多相复合玻璃陶瓷的底层多相复合玻璃陶瓷与金属基板之间,功 能层多相复合玻璃陶瓷通过一层或多层组合具有与底层多相复合玻璃陶瓷和 所述电热元件及温度感应元件之间具有相匹配的热膨胀系数,所述多相复合玻璃 陶瓷各层的热膨胀系数为 8 X 10— 7°C 热膨胀系数 17 X 10— 7°c,并适应电热 元件与金属基板之间的温度梯度变化,以提高耐热冲击性能。

电加热器在使用中会出现急冷急热的情况,这时材料的表面和内部之 间的温差增大而出现热应力,产生热冲击。耐热冲击系数是表示耐热冲击 性能的一个指标。所述耐热冲击系数的物理意义是,当材料急冷急热时, 起始温度与材料开始出现裂纹时的温度之间的差值 A Tmax称为耐热冲击系 数。此值愈高,则耐热冲击性能愈强。

为克服玻璃陶瓷基体材料的固有脆性,需对玻璃陶瓷增强、增韧,提高 耐热冲击性能,本发明对玻璃陶瓷采用了如下增强、增韧措施以提高耐热冲 击性能:利用压力烧结提高材料致密性,尽量消除玻璃陶瓷体中的裂纹缺陷; 在玻璃陶瓷中加入第二相,如颗粒(纳米颗粒和 /或微米颗粒)和 /或晶须和 /或纤维等增强体,即采用了颗粒增韧和 /或晶须增韧和 /或纤维增韧等强韧 化方式;采用层状结构的多相复合玻璃陶瓷。在主要采取了上述措施后,本 发明所述层状多相复合玻璃陶瓷的耐热冲击系数为 600 A Tmax 350。

所述层状多相复合玻璃陶瓷的各层浆料或生片与金属基板、电热元件及温

度感应元件叠放在一起,在压力状态下(一般为 2.0MPa 压力 4.0MPa),经一 次或多次烧结后,提高了致密性,所形成的导热绝缘玻璃陶瓷:各层分别形成 相对密度 95%的多相复合玻璃陶瓷;底层多相复合玻璃陶瓷与金属基板之间, 部分功能层多相复合玻璃陶瓷与所述电热元件及温度感应元件之间分别形成有 共晶层和 /或机械锚定并紧密结合在一起;各相邻层多相复合玻璃陶瓷紧密结 合、热膨胀系数相匹配、各种性能变化能够平缓过渡,适应电热元件与金属基 板之间的温度梯度变化。

所述层状多相复合玻璃陶瓷各层间热膨胀系数相匹配,同时与金属基板、 所述电热元件及温度感应元件也具有相匹配的热膨胀系数。

所述多相复合玻璃陶瓷与空气接触部分涂有耐高温绝缘密封涂料,并渗入多 相复合玻璃陶瓷表面毛细孔隙中,隔绝空气,防止水份渗入所述多相复合玻璃陶 瓷,使其具有防潮的性能,所述耐高温绝缘密封涂料为有机或无机非金属材料, 如有机硅、釉等等。

所述的金属电阻箔片、金属电阻丝为镍铬或铁铬铝合金材料制成,具有较好 的韧性,抗热冲击能力强。

所述的金属电阻箔片或金属电阻丝为由金属电阻型材加工成形的金属电阻 元件。金属电阻箔片或金属电阻丝为一种成熟、可靠性高,成本低的传统电热材 料,在传统的电加热元件中有广泛的应用。

所述金属电阻箔片和 /或金属电阻丝设置有局部相对薄弱环节,具有局部过 热自熔断功能,起到最终自毁的熔断器作用,避免因整体过热引发恶性事故。所 述局部相对薄弱环节是相对于金属电阻箔片和 /或金属电阻丝正常发热部分而 言,通过金属电阻箔片和 /或金属电阻丝的结构、形状、材质等的设计,专门设 置一处或多处局部相对薄弱环节,当其它所有的温控、过热保护出现故障时,所 述金属电阻箔片和 /或金属电阻丝首先出现所述局部相对薄弱环节因局部过热熔 断,起到最终自毁的熔断器作用,避免因整体过热引发恶性事故。

所述的温度感应元件具有输出温度感应信号和 /或限温和 /或调温和 /或过热 保护功能,数量有一只或多只。

所述温度感应元件可以为与所述电热元件直接紧密结合的半导体温度感应 元件。与所述电热元件组合成为具有发热、温度控制功能的电热组件,数量可有 一组或多组电热组件,所述多组电热组件为组件间串联、并联或串并联混合连接。

所述温度感应元件也可以为与所述电热元件直接紧密结合的 PTC (正温度系 数)温度感应元件,与金属电阻箔片和 /或金属电阻丝组合成为具有发热、限温或 过热保护功能的电热组件,数量可有一组或多组电热组件,所述多组电热组件为 组件间串联、并联或串并联混合连接。利用 PTC (正温度系数)温度感应元件电阻 随温度升高而增大及具有开关特性的性能,对本发明的电加热器起到限温或过热 保护的功能。本发明的 PTC温度感应元件仅是作为一个温度感应及控制元件,与 其他 PTC电加热器中的 PTC元件主要作为加热元件是一个很大的区别。

所述温度感应元件还可采用与所述电热元件绝缘的温度感应元件,具有温度 感应信号输出功能,在本发明中可采用金属热电偶温度感应元件和 /或金属热电 阻温度感应元件和 /或半导体温度感应元件和 /或温度压力型温度感应元件和 /或 温度形变型温度感应元件等。通过温度感应信号输出给控制装置,对本发明的电 加热器起到温度控制和 /或过热保护和 /或温度显示的作用。

作为本发明的金属基板可有一个工作面或一个以上工作面;所述金属基板的 表面形状可以是平面、曲面等,外形可以是方形、圆形、管状及其它立体形状等。

所述金属基板材料可以为钢材、铸铁、铜材及铜合金和不锈钢等等,有较 好的综合机械性能。

所述金属基板如采用低熔点金属如铝等,亦可以铸造的工艺与多相复合玻璃 陶瓷片紧密结合在一起,所述多相复合玻璃陶瓷片内部埋有作为电热元件的金 属电阻箔片或金属电阻丝及温度感应元件,制成各种功能的电加热器。

简单的制作过程和方法如下:在所述的金属基板表面涂覆所述底层多相复 合玻璃陶瓷浆料或放上底层多相复合玻璃陶瓷生片,再在所述底层多相复合 玻璃陶瓷上放上一层或多层所述功能层多相复合玻璃陶瓷生片,在底层多相

复合玻璃陶瓷与功能层多相复合玻璃陶瓷生片之间或在各功能层多相复合 玻璃陶瓷生片之间放上作为电热元件的金属电阻箔片或金属电阻丝及温度感应 元件,在这过程中,经一般的脱脂、排胶工序,在压力状态下,经一次或多 次烧结,发生物理化学反应而形成层状多相复合玻璃陶瓷,在烧结过程中, 各层多相复合玻璃陶瓷被扩散到金属基板、作为电热元件的金属电阻箔片或金 属电阻丝及温度感应元件表面的毛细孔隙中,分别形成有共晶层和 /或机械锚定, 使所述金属基板和底层多相复合玻璃陶瓷之间、作为电热元件的金属电阻箔片 或金属电阻丝及温度感应元件和作为导热绝缘材料的功能层多相复合玻璃陶瓷 之间牢固结合在一起,各相邻层多相复合玻璃陶瓷之间亦紧密结合在一起。

所述多相复合玻璃陶瓷生片为多相复合玻璃陶瓷浆料经流延或轧膜或 其它成型工艺制成。

由于本发明采用在压力状态下烧结,降低了烧结温度,同时降低了制 造过程的能源消耗,也大大提高产品了质量和合格率以及生产效率,降低 了生产成本,节能减排。

所述金属基板可以本身就是电加热器具的容器体的一个或多个加热工作面。 本发明可以铸造的工艺与低熔点金属的容器体结合在一起,制成电加热器 具。

本发明也可分别以机械的方法、焊接或粘接的工艺与电加热器具的容器体 结合在一起,制成电加热器具。

本发明所提供的电加热器即金属基板电发热片是一种运用功能梯度材料概 念,以金属作为基板提供强度支撑、以金属电阻型材加工成形的金属电阻箔片或 金属电阻丝作为电热元件、以层状多相复合玻璃陶瓷作为绝缘导热材料,内置温 度感应元件,在压力状态下,采用多层低温烧结技术制成的,具有通电发热、温 度控制或信号输出功能的电加热器。

由于采用本发明的技术方案,本发明所述多相复合玻璃陶瓷与金属基板、电 热元件、温度感应元件之间的结合强度高,既具有近年出现的新型片状电加热器 热惯性小、加热面均匀的优点,又有传统电热管式加热器耐热冲击能力强、成本 低的长处。同时本发明温度控制灵敏度高、过热保护反应迅速、使用寿命长,大 大提高了安全性。功率密度大,热效率高,单位体积散热面积大,结构形状和功 率密度设计灵活性大,不消耗有色金属、铅等重金属及贵金属,环保节能。在工 业和家用电器的中低温电加热领域有广泛的应用前景。

附图说明

图 1为本发明所提供的电加热器实施例的俯剖视图。

图 2为本发明所提供的电加热器实施例的剖视图。

图 3为本发明所提供的电加热器具实施例的剖视图。

具体实施方式

实施例 1,参照附图 1、 2。

本发明所提供的金属基板电发热片包括导热金属基板 21,所述导热金属基 板 21上烧结有作为绝缘导热材料的底层多相复合玻璃陶瓷 22-1、功能层多相复 合玻璃陶瓷 22-2、 22-3, 所述功能层多相复合玻璃陶瓷 22-3嵌有或埋有作为电 热元件的金属电阻箔片 23和作为限温元件的 PTC (正温度系数)温度感应元件 24。

简单的制作过程如下:(参考图 1、 2 )

第一步:在作为加热工作面的上下金属基板的一个表面分别涂覆所述底层多 相复合玻璃陶瓷浆料或放上底层多相玻璃陶瓷生片 22-1 ;

第二步:在所述底层多相复合玻璃陶瓷上放上所述功能层多相复合玻璃陶瓷 生片 22-2及 22-3;

第三步:将预先加工好的作为电热元件的金属电阻箔片 23与作为限温或过 热保护元件的 PTC温度感应元件 24组件放在所述上下功能层多相复合玻璃陶瓷 生片 22-3之间;

在这过程中,经脱脂、排胶等工序,再在压力状态下,经一次或多次烧结, 底层多相复合玻璃陶瓷 22-1被扩散到金属基板表面的毛细孔隙中,功能层多相 复合玻璃陶瓷 22-3渗入金属电阻箔片 23与 PTC温度感应元件 24表面的毛细孔 隙中,分别形成有共晶层和 /或机械锚定并紧密结合在一起;各相邻层多相复合 玻璃陶瓷之间相互渗透,结合在一起。作为加热工作面的金属基板和底层多相复 合玻璃陶瓷之间,金属电阻箔片 23和 PTC温度感应元件 24组成的组件与功能层 多相复合玻璃陶瓷 22-3之间牢固结合在一起,各层多相复合玻璃陶瓷之间亦紧 密结合,制成一种新型的电加热器,即金属基板电发热片。

所述底层多相复合玻璃陶瓷与金属基板之间、所述功能层多相复合玻璃陶 瓷与电热元件及温度感应元件之间具有相匹配的热膨胀系数,同时,各层多相 复合玻璃陶瓷之间也具有相匹配的热膨胀系数,以适应电热元件与金属基板之 间的温度梯度变化。

本实施例的多相复合玻璃陶瓷由于采用压力烧结提高材料致密性,尽量 消除玻璃陶瓷体中的裂纹缺陷;在玻璃陶瓷中加入第二相,如颗粒(纳米颗 粒和 /或微米颗粒)和 /或晶须和 /或纤维等增强体,即采用了颗粒增韧和 / 或晶须增韧和 /或纤维增韧等强韧化方式;采用层状结构的多相复合玻璃陶 瓷等技术措施,所述层状多相复合玻璃陶瓷具有较强的耐热冲击性能。

本实施例的金属电阻箔片为镍铬或铁铬铝合金材料制成,具有较好的韧性, 由金属电阻型材冲裁成形。金属电阻箔片为一种成熟、可靠性高、成本低、抗热 冲击能力强的传统电热材料,在传统的电加热元件中有广泛的应用。

PTC温度感应元件 24具有正温度系数特性,在一定的温度下电阻会急剧增 大。因此,利用其开关功能,将根据所需温度设计好的 PTC温度感应元件 24与 金属电阻箔片 23组合,制成一种具有限温或过热保护功能的电加热组件。本实 施例中的 PTC元件 24仅是作为一个温度感应及控制元件,与其他 PTC电加热器 中的 PTC元件主要作为加热元件是一个很大的区别。所述 PTC (正温度系数)温度 感应元件,与金属电阻箔片组合成为具有发热、限温或过热保护功能的电热组件, 数量可有一组或多组电热组件,所述多组电热组件为组件间串联和 /或并联和 / 或串并联混合组成。

通过以上方式实现了金属基板电发热片的内置过热保护功能,具有良好的安 全性能。

本实施例具有单位体积加热面积大的特点,其单位体积加热面积与相同长 度、直径 10 的普通管状电加热器相比,达 2. 5倍以上。

本实施例具有加热面均匀、热惯性小、耐热冲击能力强、单位体积加热面积 大、内置温控和 /或过热保护功能元件、成本低的优点,在工业和家用电器的中 低温电加热领域的气体、液体、食品加热装置中有着广泛的应用前景。

实施例 2,参照附图 3

本发明所提供的电加热器具包括容器体,容器体具有作为加热工作面的导热 金属底,即所述的金属基板 21,所述金属基板 21上烧结有作为绝缘导热材料的 层状多相复合玻璃陶瓷(由 22-1 22-2 22-3 22_4组成),所述层状多相复 合玻璃陶瓷嵌有或埋有作为电热元件的金属电阻箔片 23和金属热电阻温度感应 元件 24。层状多相复合玻璃陶瓷和金属基板 21、作为电热元件的金属电阻箔片 23、金属热电阻温度感应元件 24的结合方式为:

第一步:在容器体 1作为加热工作面的金属基板 21外表面涂覆如图 3所示 底层多相复合玻璃陶瓷浆料或放上底层多相复合玻璃陶瓷生片 22-1 ;

第二步:在所述底层多相复合玻璃陶瓷上放上如图 3所示功能层多相复合玻 璃陶瓷 22-2生片;

第三步:将作为电热元件的金属电阻箔片 23放在如图 3所示功能层多相复 合玻璃陶瓷 22-2生片表面;

第四步;在所述电热元件的金属电阻箔片 23上面放上如图 3所示功能层多 相复合玻璃陶瓷 22-3生片;

第五步;将金属热电阻温度感应元件 24放在如图 3所示功能层多相复合玻 璃陶瓷 22-3生片表面;

第六步;最后放上如图 3所示功能层多相复合玻璃陶瓷 22-4生片。

在这过程中,通过脱脂、排胶等工序,再在压力状态下,经一次或多次烧结, 发生物理化学反应,底层多相复合玻璃陶瓷被扩散到金属基板表面的毛细孔隙 中,功能层多相复合玻璃陶瓷扩散渗入作为电热元件的金属电阻箔片、金属热电 阻温度感应元件表面毛细孔隙内,并分别形成有共晶层和 /或机械锚定,使作为 加热工作面的金属基板和底层多相复合玻璃陶瓷之间,作为电热元件的金属电阻 箔片和金属热电阻温度感应元件分别与作为绝缘导热材料的功能层多相复合玻 璃陶瓷之间,各相邻层多相复合玻璃陶瓷之间牢固结合在一起,制成带有本发明 的电加热器具。

所述底层多相复合玻璃陶瓷与金属基板之间、所述功能层多相复合玻璃陶 瓷与电热元件及温度感应元件之间具有相匹配的热膨胀系数,同时,各层多相 复合玻璃陶瓷之间也具有相匹配的热膨胀系数,以适应电热元件与金属基板之 间的温度梯度变化。

本实施例的多相复合玻璃陶瓷由于采用压力烧结提高材料致密性,尽量 消除玻璃陶瓷体中的裂纹缺陷;在玻璃陶瓷中加入第二相,如颗粒(纳米颗 粒和 /或微米颗粒)和 /或晶须和 /或纤维等增强体,即采用了颗粒增韧和 / 或晶须增韧和 /或纤维增韧等强韧化方式;采用层状结构的多相复合玻璃陶 瓷等技术措施,所述层状多相复合玻璃陶瓷具有较强的耐热冲击性能。

本实施例的金属电阻箔片为镍铬或铁铬铝合金材料制成,具有较好的韧性, 由金属电阻型材冲裁成形。金属电阻箔片为一种成熟、可靠性高、成本低、抗热 冲击能力强的传统电热材料,在传统的电加热元件中有广泛的应用。

金属热电阻温度感应元件电极穿出玻璃陶瓷与外部的温度控制装置连接,随 着温度变化,金属热电阻温度感应元件的电阻也随着发生变化,发出温度感应信 号,外部的温度控制装置根据变化的温度感应信号,对加热温度进行及时的控制 和显示。通过以上方式实现了电加热器具的温度控制,具有反应灵敏、良好的安 全性能。

本实施例的温度感应元件采用传统的金属电阻型温度感应元件,具有可靠性 高的特点。

作为本发明的温度感应元件也可采用金属热电偶型温度感应元件或温度压 力型温度感应元件或半导体温度感应元件等等。

作为本实施例的金属电阻型温度感应元件可有一只或多只,每只有两根电极 穿出绝缘层与温度控制装置和 /或电源连接。

金属底即金属基板可以本身即为容器体底或者是通过钎焊等手段连接到容 器体底上的金属薄板,如果金属底采用通过钎焊等手段连接到容器体底上的金属 薄板时,可以先将金属薄板与所述层状多相复合玻璃陶瓷一起烧结后,再连接到 容器体底上。金属底的表面形状可以是平面、曲面等根据需要而设计的形状,金 属底的材料可以是碳钢、铸铁、不锈钢、铜及铜合金等导热金属材料。

所述容器体可以是锅、壶、杯、盘等器具,比如加热食品、液体的锅、壶、 杯;烧、煎、烤、炸食品的盘、锅等。

通过以上方式制成的安装有本发明即金属基板电发热片的电加热器具,具有 加热面均匀、热惯性小、耐热冲击能力强、温控灵敏、安全可靠的特点。