CN109874185B - 一种发热装置及发热设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发热装置，包括：壳体，所述壳体内设有中空的腔体；所述腔体内设有发热体；所述发热体由混合状态的硅粉、碳粉及粘合剂组成；所述粘合剂包括混合状态的三氧化二铁粉末、二氧化硅、三氧化二铝及氧化钙粉末。本发明的发热装置使用碳粉、硅粉及三氧化二铁粉末和二氧化硅粉末等混合而成的粘合剂作为发热体，通电后快速发热，并以极低的能量消耗维持较高的温度，同时发热温度可以控制在30℃到1000℃以上。

Description

一种发热装置及发热设备

技术领域

本发明涉及一种电发热装置，特别涉及一种能省电力且以低成本高效率发热的发热装置。

背景技术

发热装置被广泛地用于人类生产生活的各个领域，成为生活中不可或缺的重要物品。对于发热装置来说，例如像电热水壶、空调、电暖气等设备那样，使用电热丝通电发热，为了使温度升高需要几百瓦至一千瓦的电力，进而也为了维持保温状态而需要持续的电力，对电量的消耗很大，迫切期望能省电力且在短时间内使温度上升的发热装置，同时满足在保持高温时消耗交底的电量。

国际公开号为WO 2018/008695 A1的日本专利提供了一种加热装置能有效的解决以上技术问题，能够以低能耗的方式持续发热，但仍然存在一些问题，例如能耗还有进一步降低的空间、发热温度幅度还不够广以及发热膨胀等问题。

发明内容

本发明的目的之一是欲解决以上技术问题，提供一种能耗更低、发热温度区间大及解决发热不膨胀等问题的发热装置，具体技术方案如下：

一种发热装置，包括：壳体，所述壳体内设有中空的腔体；所述腔体内设有发热体；所述发热体由混合状态的硅粉、碳粉及粘合剂组成；所述粘合剂包括混合状态的三氧化二铁粉末、二氧化硅、三氧化二铝及氧化钙粉末。

如前文所述的发热装置，所述腔体内设有至少两个电极；所述电极设置在所述发热体的端部，且将所述发热体密封；所述发热体通过所述电极通电后发热。

如前文所述的发热装置，所述发热体所通的电力包括直流电和交流电；所述交流电还包括三相交流电。

如前文所述的发热装置，所述发热体的电阻可以有1Ω至400Ω；所述发热体的电阻通过所述硅粉、碳粉及粘合剂的组分比例。

如前文所述的发热装置，所述壳体导热且电绝缘的陶瓷结构制成。

如前文所述的发热装置，所述硅粉、碳粉和粘合剂具有5μm～150μm的粒径。

本发明的目的之二是提供前述发热装置的制造方法，具体技术方案如下：

一种如前文所述发热装置的制造方法，包括：

将所述硅粉、碳粉及粘合剂粉末充分混合制成所述发热体；

将所述发热体灌装到所述壳体的容腔内；

在所述发热体的两端设置电极并将所述容腔的密封封装。

本发明的目的之三提供前述发热装置的使用设备，具体技术方案如下：

一种发热设备，包括前文所述发热装置，以及

导热座，至少一根所述发热装置设置在所述导热座中；

至少一根导热管，所述导热管的一端设置在所述导热座中；

所述发热装置发热将热量通过所述导热座转到所述导热管上，所述发热设备通过所述导热管将热量散发出去。

如前文所述的发热装置，所述导热座为铝制作；所述导热管为铜管；所述导热管的一端设置在所述导热座中，其与较长部分插入到待加热的水或待加热其他物质中。

如前文所述的发热装置，所述发热装置在所述导热座中，并且在多个所述导热管的一端的中间位置，使得每个所述导热管都均匀受热。

本发明的发热装置使用碳粉、硅粉及三氧化二铁粉末和二氧化硅粉末等混合而成的粘合剂作为发热体，通电后快速发热，并以极低的能量消耗维持较高的温度，同时发热温度可以控制在30℃到1000℃以上。

附图说明

图1A为本发明发热装置的第一个实施例立体结构示意图。

图1B为本发明发热装置的第一个实施例平面结构示意图。

图2为本发明发热体的分子结构示意图。

图3A为本发明发热装置的第二个实施例平面结构示意图。

图3B为本发明发热装置的第三个实施例平面结构示意图。

图4为本发明发热装置的第四个实施例连接结构示意图。

图5A为本发明发热设备的立体结构示意图。

图5B为本发明发热设备的立体结构爆炸图。

图6A为本图5A、5B所示发热设备的平面结构示意图。

图6B为本发明发热设备的另一种实施例的平面结构示意图。

图7为本发明发热装置的发热效果示意图。

图8A、8B分别为采用常规发热装置和本发明发热装置进行对比加热实验示意图。

图9A、9B、9C为图8A、8B两种加热方式加热效果的数据对比图。

具体实施方式

本专利是WO 2018/008695 A1号日本专利的改进发明，本说明将WO 2018/008695A1全文进行引用，本文未尽说明之处引用该专利说明书。下面将参考构成本说明书一部分的附图对本申请的各种具体实施方式进行描述(应该理解的是，虽然在本申请中使用表示方向的术语，诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等描述本申请的各种示例结构部分和元件，但是在此使用这些术语只是为了方便说明的目的，基于附图中显示的示例方位而确定的。由于本申请所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制。在可能的情况下，本申请中使用的相同或者相类似的附图标记指的是相同的部件)。

图1A、图1B分别为本发明发热装置的第一个实施例立体结构示意图和平面结构示意图。

如图1A、图1B所示为一个发热装置100的立体结构透视示意图，从图中可以看出，发热装置100整体为圆柱体，包括一外壳101，外壳101内部设有中空的容腔102，容腔102内填充有发热材料即发热体103，发热体103的两端设有两个电极104、105，电极104、105通过导线106、107连接电力。

外壳101为绝缘导热材料制成，现阶段为陶瓷材料最佳，若为其他材料例如金属制成，内壁还需经电绝缘涂层处理。直接使用陶瓷材料具有制造或操作容易，并且因其温度保持能力高而蓄热性性能优异的特点成为最佳选择，而且可省电力且长时间地维持由加热器所生成的高温状态。

发热体103主要有混合状态的硅粉和碳粉及少量的粘合剂组成，发热体103通电后发热。通过电极104、105施加的电压可利用交流电也可利用直流电，以及三相交流电。

图2为本发明发热体的分子结构示意图。

发热体103的分子结构如图2所示，形成为硅粉2a及碳粉2b为主的相互混合的混合状态。关于该混合状态，粉体的混合程度并无特别限定，只要硅粉2a及碳粉2b无偏差地分散化即可，更优选以5μm～150μm粒径大小粉粒均匀地混合。形成该混合状态的方法并无特别限定，例如可通过将该硅粉2a及碳粉2b搅拌或振动而形成。通电时硅粉2a和碳粉2b发热，且碳粉2b具有较佳的导热性。随着发热时间的延续因通电而膨胀，碳粉体2b间的接触面增大，但由于碳粉体2b具有导电性，因而由该接触面的增大导致该发热体103中的导电性提高并且电阻成分减少，而有发热性经时地缓慢略微降低的倾向，形成呈负热敏系数(NTC)的发热体。

在硅粉2a及碳粉2b之间是粘合剂2c，即Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃及CaO粉粒，粘合剂的添加，可以解决硅粉2a和碳粉2在高温下膨胀的问题，同时调解发热体的电阻率，增加电阻特性，更为了防止负热敏系数的发热体的电阻在长时间高温条件下电阻趋于零。粘合剂本身的配比是任意的，在碳原子和硅原子时间，使得碳粉体2b间的接触面增大，其离散状态也变得均质化，且在高温状态时，粘合剂中的金属原子活跃度增强，其导电性增强，电阻减小，能耗降低。通过控制发热体103中粘合剂的配比，可以调解发热体的电阻，一般控制在1～80Ω。粘合剂中非金属氧化物的比例越高，电阻越小，加大粘合剂中非金属成分的比例，可以实现300～400Ω的电阻。

制造发热装置100的方法即将硅粉、碳粉及粘合剂粉末充分混合制成发热体103，将发热体103灌装到壳体101的容腔102内；在发热体103的两端设置电极104、105并将空腔的密封封装即可。

图3A、图3B为本发明发热装置的第二、三个实施例平面结构示意图。

图1A、1B是本发明最优选的“一”字型发热装置结构，这种简单结构最有利于工业生产及应用，但本发明的发热装置的结构并不限定形状，WO 2018/008695 A1号日本专利的各种形状的实施例都可以适用于本发明，只要将本发明的发热体103严实的置于绝缘导热的密闭容腔内通电即可发热。前述的实施例中，每个发热装置都设置两个电极，接直流电时一个正极一个负极，或者接交流电时接火线或者零线。但本发明的发热装置的通电的方式并不限于在只有一对电极的设置，如图3A所示的Y型结构301和如图3B所示的X型结构302。图3A所述的Y型结构301包括三个电极，分别是左边的电极3b和3c以及右边的电极3a，接直流电时其中的任意两个电极可以为正极，另一个为负极，或者任意两个电极为负极，另一个接正极。接交流电时，其中的任意两个电极可以接火线，另一个接零线，或者任意两个电极为零线，另一个接火线，即有一个与其他两个接不同电极或者火线(或零线)即可。

图3B所示的X型结构302具有四个电极，分别为3d、3e、3f、3g，使用时，只需要一个电极与其他三个接不同电源即可以，例如接直流电时3d为正极，其他三个为负极；接交流电时3e为火线，其他三个为零线。

此外，发热装置在使用时可以并联、串联或者其他组合式的连接方法，本发明还示例性的示出了发热装置的连接三相交流电的接法，即如图4为本发明发热装置的第四实施例连接结构示意图。

如图4所示，三个图1A所示的发热装置401、402、403的一个电极相连在一起形成电极4e，另外三个电极分别是4a、4b、4c，三个电极4a、4b、4c分别接三相交流电，电极4e接地，形成电流回路。

图5A、图5B为本发明发热设备的立体结构示意图以及立体结构爆炸图。

在发热装置100的外壳优选为陶瓷时，有些使用环境下在其高温状态时不能直接接触类似于冷水等待加热物体，否则会使其热胀冷缩而炸裂，因此需要借助其他部件进行导热，例如铜管或者散热片等。本发明还示例性的示出了发热装置的使用设备，如图5A等所示，发热设备500包括导热座510、发热装置100及导热管501、502、503等，其中，发热装置100设置在导热座510的中心内部，其两端的电极伸出用于连接导线，导热管501等一端插入到导热座510中，与发热装置100均匀分布。其中导热座为耐高温的导热材料制作，例如钢材或者铝材，导热管501、502、503等也为导热耐高温耐腐蚀的金属材料例如铜制作。使用时，仅导热管501、502、503等深入到待加热的物体例如水中，导热座510和发热装置100在水体之外。发热装置100导电发热将热量通过导热座510传输给导热管501、502、503等，导热管501、502、503将水加热，避免了发热装置100直接接触冷水而炸裂。

如图5B所示，导热座510由多块金属块510a、510b、510c、510d、510e等拼接而成，金属块在相互接触的面上内设相应的预设凹槽，两块金属块扣紧时形成能够紧密容纳仅导热管501、502、503等一端和发热装置100的容腔，将各部分金属块510a、510b、510c、510d、510e等拼接好后通过螺栓紧固即可。

图6A为本图5A、5B发明发热设备的平面结构示意图。图6中示出的是使用四根导热管501、502、503、504和一根发热装置100的实施例，事实上，根据不同的发热需求，可以使用任意组合的发热装置和导热管，只需要改变导热座的设置即可，例如图6B。

图6B为本发明发热设备的另一种实施例的平面结构示意图。图6B中示出了8根导热管601～608和3根发热装置100a、100b和100c的组合结构，3根发热装置100a、100b和100c分别设置在8根导热管601～608的中央，使得导热管均匀受热。

图7为本发明发热装置的发热效果示意图。

本发明的发热装置的发热体中硅粉、碳粉和粘合剂的比例及粘合剂中各成分的比例都没有特别限定，各组分粉末的混合程度也无特别限定。图7示出了施加不同电力的三个发热装置实施例的发热效果，在电力分别是120W、300W和450W的情况下的发热数据。

根据所得的结果，由图7可以看出：三种条件下在1、2分钟确认到急剧的温度上升，并且即便经过30分钟后，上升的温度也不降低而维持一定温度。尤其根据所得的结果确认到：在图中的经过时间为8～12分钟左右，温度变化确认到微小的波动，由此推测该时段中，硅粉体与碳粉体的混合状态发生变化，由于该粉体的混合状态的变化，导电性及导热性发生变化，由此从温度上升的局面向维持一定温度的局面过渡。当施加电力450W时，根据图7所示的结果确认，上升温度达到1026℃，之后可以持续在此温度。

图8A、8B分别为采用常规发热装置和本发明发热装置进行对比加热实验示意图，图9A、9B、9C为图8A、8B两种加热方式加热效果的数据对比图。

为了展示本发明的发热效果和节能效果，我们采用单一变量对比测试的方法进行了测试。图8A中我们采用4跟普通的镍铬线作为发热丝的加热棒801、802、803、804插入到铝块810中进行加热测试，图8B采用的是本发明的发热棒811、812、813、814插入到铝块810中进行加热测试。铝块统一为115×240×24mm大小规格，重量为2.3KG，实验条件是使用400w的电力加热30分钟后切段电源，对加热铝块810进行连续温度测试。

实验结果如图9A所示：普通加热棒加热30分钟后关闭电源，铝块从温度20.8℃升到268℃，而本发明的加热装置加热30分钟后关闭电源，铝块从20.8温度升到301.5℃(图中显示为约300℃，具体为301.5℃，实际数据以后文表格数据为准)。

图9B所示按照公式Q＝mcΔt(m为铝块质量，c为铝的比热率880J/(kg·℃)；Δt为升高的温度)计算的铝块吸收的热量。普通镍铬加热棒和本发明的加热装置加热相同的铝块，铝块吸收的热量如图9B所示分别为500Kj和568Kj。发热量方面，本发明的加热棒较普通镍铬发热棒提高14％，具有极佳的加热效果。

图9C所示为为两种不同加热装置的综合功率示意图。30分钟内，本发明的加热装置耗电功率386瓦，普通镍铬加热棒的耗电功率为455瓦，换算成实际综合电能，分别耗电0.1925KW·H和0.2275KW·H。在能耗方面，本发明的发热装置较普通的镍铬发热板节电18％，具有极佳的节能效果。

表：本发明发热装置与普通发热器加热铝块温度上升实验结果比较

尽管参考附图中出示的具体实施方式将对本申请进行描述，但是应当理解，在不背离本申请教导的精神和范围和背景下，本申请的发热装置及制造方法和发热设备可以有许多变化形式。本领域技术普通技术人员还将意识到有不同的方式来改变本申请所公开的实施例中的参数，均落入本申请和权利要求的精神和范围。

Claims (9)

1.一种发热装置，其特征在于包括：

壳体，所述壳体内设有中空的腔体；

所述腔体内设有发热体；

所述发热体由混合状态的硅粉、碳粉及粘合剂组成；

所述粘合剂包括混合状态的三氧化二铁粉末、二氧化硅、三氧化二铝及氧化钙粉末；

所述发热体为负热敏系数(NTC)发热体，其电阻率随温度升高而降低；

所述发热体的电阻为300～400Ω。

2.如权利要求1所述的发热装置，其特征在于：

所述腔体内设有至少两个电极；

所述电极设置在所述发热体的端部，且将所述发热体密封；

所述发热体通过所述电极通电后发热。

3.如权利要求2所述的发热装置，其特征在于：

所述发热体所通的电力包括直流电和交流电；

所述交流电还包括三相交流电。

4.如权利要求1所述的发热装置，其特征在于：

所述壳体由导热且电绝缘材料的陶瓷材料制造。

5.如权利要求1所述的发热装置，其特征在于：

所述硅粉、碳粉和粘合剂具有5μm～150μm的粒径。

6.一种如权利要求1～5任一项所述发热装置的制造方法，其特征在于包括：

将所述硅粉、碳粉及粘合剂粉末充分混合制成所述发热体；

将所述发热体灌装到所述壳体的容腔内；

在所述发热体的两端设置电极并将所述容腔的密封封装。

7.一种发热设备，其特征在于包括权利要求1～5任一项所述发热装置，以及

导热座，至少一根所述发热装置设置在所述导热座中；

至少一根导热管，所述导热管的一端设置在所述导热座中；

所述发热装置发热将热量通过所述导热座转到所述导热管上，所述发热设备通过所述导热管将热量散发出去。

8.如权利要求7所述的发热装置，其特征在于：

所述导热座为铝材；

所述导热管为铜管；

所述导热管的一端设置在所述导热座中，其与较长部分插入到待加热的水或待加热其他物质中。

9.如权利要求7所述的发热装置，其特征在于：

所述发热装置在所述导热座中，并且在多个所述导热管的一端的中间位置，使得每个所述导热管都均匀受热。

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