陶瓷发热元件、陶瓷发热组件及其制备方法.pdf

本发明涉及一种陶瓷发热元件，包括至少两层氧化铝基材、形成于氧化铝基材层间的导电层、连接导电层的电极及导线。基于上述陶瓷发热元件的发热组件，由至少一个发热单元构成，发热单元由上述陶瓷发热元件、绝缘胶及散热片粘接组成。本发明提供的陶瓷发热元件从通电启动到稳定工作温度的整个工作期间电阻与温度为正线性关系，无明显的冲击电流；陶瓷发热组件在工作时散热片表面不带电，并能通过4500V/1s耐压测试，安全可靠，温度与时间、功率与时间为缓慢变化的近似线性关系，初始升温速率明显在相同加热条件下比PTC发热组件快，达到相同加热效果时的平衡功率比PTC发热组件明显节能。本发明还提供一种制作陶瓷发热元件的方法。

1、  一种陶瓷发热元件，其特征在于：包括至少两层氧化铝基材、形成于氧化铝基材层间的导电层、连接导电层的电极及导线。

2、  根据权利要求1所述的陶瓷发热元件，其特征在于，所述导电层由耐高温的金属电阻浆料及作为添加物的绝缘材料构成。

3、  根据权利要求2所述的陶瓷发热元件，其特征在于，其中一层氧化铝基材设有内凹闭孔，电极及导线的端部设置在该内凹闭孔内，内凹闭孔采用绝缘硅胶填补。

4、  根据权利要求3所述的高温共烧陶瓷发热元件，其特征在于，所述电极为镍镀层电极。

5、  根据权利要求4所述的高温共烧陶瓷发热元件，其特征在于，所述导线采用铁氟龙胶管套住引出。

6、  一种基于陶瓷发热元件的发热组件，由至少一个发热单元构成，其特征在于：发热单元由陶瓷发热元件、绝缘胶及通过绝缘胶粘接在氧化铝陶瓷发热元件上下表面的散热片组成，所述陶瓷发热元件包括至少两层氧化铝基材、形成于氧化铝基材层间的导电层、连接导电层的电极及导线。

7、  根据权利要求6所述的高温共烧陶瓷发热组件，其特征在于：所述散热片为放射式、波纹式或鳍片式中的一种或其结合。

8、  一种制作权利要求5所述的陶瓷发热元件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)用流延法制备纯度为96％及以上的氧化铝陶瓷片；
2)在每两片氧化铝陶瓷片之间用丝网印刷方式形成导电层；
3)叠压处理后的多片氧化铝陶瓷片在通入一定比例水蒸气的湿氢气还原气氛下在高于1600℃条件下高温烧结；
4)设置两个与导电层连接的电极，在电极处进行镀镍，形成镍镀层电极；
5)在氢气气氛炉中用银铜合金作为焊料将电极与镍金属导线焊接；
6)用高温铁氟龙套管套住镍金属导线，并在镍金属导线与镍镀层电极连接处附上绝缘硅胶。

9、  根据权利要求8所述的制作陶瓷发热元件的方法，其特征在于，步骤2)中的所述导电层的金属浆料为耐高温的金属电阻浆料，同时添加纯度为96％及以上的绝缘材料作为添加物以调整电阻浆料的电阻率。

陶瓷发热元件、陶瓷发热组件及其制备方法
技术领域
本发明涉及电热类产品，具体涉及发热元件、基于发热元件的发热组件及其制备方法。
背景技术
参见图1，目前电热类产品中通常使用PTC(正温度系数)发热组件，该发热组件由至少一组发热单元构成(图1中为三组)，发热单元包括至少一个PTC发热体1-3和通过导电胶1-2粘连于PTC发热体两侧的散热铝片1-1，PTC发热组件通过每个发热单元两侧的散热铝片延长作为电极1-4。上述PTC发热组件工作时整个散热铝片1-1表面带电，不安全，必须采用额外的绝缘防护处理；此外，PTC发热元件固有的启动功率在5～15秒内非线性急剧变化，动态调节过程有以下不好地方：一是导致PTC发热元件的升温速率慢，二是对电路存在一个非常明显大的冲击电流，电路设计要求比较苛刻。
发明内容
本发明目的是解决现有技术的缺陷，提供一种新型陶瓷发热元件、基于陶瓷发热元件的发热组件、以及陶瓷发热元件的制备方法。
上述目的通过以下技术方案实现：
一种陶瓷发热元件，包括至少两层氧化铝基材、形成于氧化铝基材层间的导电层、连接导电层的电极及导线。
一种基于上述陶瓷发热元件的发热组件，由至少一个发热单元构成，发热单元由陶瓷发热元件、绝缘胶及通过绝缘胶粘接在氧化铝陶瓷发热元件上下表面的散热片组成，所述陶瓷发热元件包括至少两层氧化铝基材、形成于氧化铝基材层间的导电层、连接导电层的电极及导线。
一种制作上述陶瓷发热元件的方法，其包括以下步骤：
1)用流延法制备纯度为96％及以上的氧化铝陶瓷片；
2)在每两片氧化铝陶瓷片之间用丝网印刷方式形成导电层；
3)叠压处理后的多片氧化铝陶瓷片在通入一定比例水蒸气的湿氢气还原气氛下在高于1600℃条件下高温烧结；
4)设置两个与导电层连接的电极，在电极处进行镀镍，形成镍镀层电极；
5)在氢气气氛炉中用银铜合金作为焊料将电极与镍金属导线焊接；
6)用高温铁氟龙套管套住镍金属导线，并在镍金属导线与镍镀层电极连接处附上绝缘硅胶。
通过实验验证，本发明提供的陶瓷发热元件从通电启动到稳定工作温度的整个工作期间电阻与温度为正线性关系，无明显的冲击电流；本发明提供的陶瓷发热组件在工作时散热片表面不带电，并能通过4500V/1s耐压测试，安全可靠，温度与时间、功率与时间为缓慢变化的近似线性关系，初始升温速率明显在相同加热条件下比PTC发热组件快，达到相同加热效果时的平衡功率比PTC发热组件明显节能。
附图说明
图1是现有的PTC发热组件的分立组成图；
图2是本发明采用的陶瓷发热组件的分立组成图；
图3是本发明采用的陶瓷发热组件中陶瓷发热元件的俯视表面图；
图4是图3中A-A处即陶瓷发热元件电极处的剖面图；
图5是陶瓷发热元件的电阻-温度特性图；
图6是现有的PTC发热元件的电阻-温度特性图；
图7是本发明陶瓷发热组件与PTC发热组件的温度-时间特性对比图；
图8是本发明陶瓷发热组件与PTC发热组件的电流-时间特性对比图。
具体实施方式
如图3所示，氧化铝陶瓷发热元件2-1包括氧化铝绝缘基体陶瓷3-1、设置于氧化铝绝缘基体陶瓷3-1内部的导电层(图中未示)、连接导电层的电极3-2及导线3-3。如图4所示，本实施例中，氧化铝绝缘基体陶瓷3-1具体包括氧化铝底层3-6及氧化铝上层3-5，所述导电层形成于氧化铝底层3-6和氧化铝上层3-5之间，氧化铝上层3-5上设置狭小内凹闭孔，该内凹闭孔表面积占整个氧化铝绝缘基体陶瓷3-1总表面的比例小于5％，电极3-2及导线3-3的端部设置在该内凹闭孔内，用于发热元件电极引出，内凹闭孔采用绝缘硅胶填补。导线为镍线，且采用铁氟龙胶管套住引出。为了导通顺畅，内凹闭孔处的导电层上设置镍镀层3-4。
上述陶瓷发热元件的制作方法，步骤如下：1)用流延法制备纯度为96％及以上的氧化铝陶瓷片，如氧化铝底层3-6、氧化铝上层3-5；2)在每两片氧化铝陶瓷片之间用丝网印刷方式形成导电层；3)叠压处理后的多片氧化铝陶瓷片在通入一定比例水蒸气的湿氢气还原气氛下在高于1600℃条件下高温烧结；4)设置两个与导电层连接的电极，在电极处进行镀镍，形成镍镀层电极；5)在氢气气氛炉中用银铜合金作为焊料将电极与镍金属导线焊接；6)用高温铁氟龙套管套住镍金属导线，并在镍金属导线与镍镀层电极连接处附上绝缘硅胶。
其中，步骤2)中的所述导电层的金属浆料为耐高温的金属电阻浆料，同时添加纯度为96％及以上的绝缘材料作为添加物以调整电阻浆料的电阻率。
图4中的爬电距离(两个导电部件之间或导电部件与器具边界之间的沿绝缘物表面测得的最短距离)完全符合GB 4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全第1部分：通用要求》和IEC 60335-1-2006《Household and similar electricalappliances-Safety-Part 1：General requirements》家用及类似用途电器安全标准。
如图2所示，陶瓷发热组件包括至少一组陶瓷发热单元(图中为三组)，每组发热单元由氧化铝陶瓷发热元件2-1、绝缘胶2-2及散热片1-1粘接组成。氧化铝陶瓷发热元件2-1上下表面均通过绝缘胶粘接一散热片1-1，散热片1-1采用铝或铝合金材料，绝缘胶采用耐500℃高温的绝缘胶。
通过绝缘硅胶和高温铁氟龙套管处理，两边用能耐500℃高温的绝缘胶与铝散热片粘连起来作为一发热单元，铝散热片可采用放射式、波纹式、鳍片式等结构，发热组件由这样的一个或多个发热单元通过并联或者串联方式连接起来构成。结合图2及上述表述，每组陶瓷发热单元及整个陶瓷发热组件表面不带电，加上氧化铝基体材料的良好绝缘性能，发热组件能通过4500V/1S的耐压测试，完全消除了表面带电的潜在安全隐患。
下面进一步结合实验数据，说明本发明的有益效果：
图5是本发明的陶瓷发热元件在常温(25±2℃)阻值为94Ω的电阻-温度曲线的实验数据，该陶瓷发热元件的电阻随着温度缓慢平稳变化，这种变化为正温度系数的线性关系，明显不同于图6所示的现有的PTC发热元件的电阻-温度特性图，由图6可知，PTC发热元件刚一通电时，元件的电阻值随温度的升高而下降，呈负温度亦即NTC特性；当温度升高到一定范围时，PTC发热元件将呈正温度特性，正温度特性的起点即为所谓的居里点。正是由于本发明的电阻-温度的正线性关系，本质上决定了本发明的陶瓷发热元件不存在冲击电流。
将本发明的陶瓷发热元件与PTC发热元件在粘连相同面积与加热长度的同一规格散热装置形成相应的发热组件，在相同的加载电压下，在相同的空载启动后，30秒通过自制风机加载恒定量的风阻(自制风机分别与PTC发热组件及陶瓷发热组件组成热风机)，表1、表2分别是PTC发热组件及本发明陶瓷发热组件的测试数据。
表1

表2


从表1和表2的数据可以明显看出，在其它相同条件下加载固定电压，本发明陶瓷发热组件空气加热效果优于PTC发热组件空气加热效果，一是表现在空载加载的30S内，本发明陶瓷发热组件升温明显快，15S时，本发明陶瓷发热组件温度达140℃，而PTC发热组件对应温度仅为78℃；二则空气加热组件表明平衡温度本发明陶瓷发热组件为169℃，PTC发热组件对应平衡温度为153℃；三则加载相同风阻后的风口平衡温度本发明陶瓷发热组件(风口5mm温度：138℃；风口40mm温度：78℃)也同样优于PTC发热组件(风口5mm温度：119℃；风口40mm温度：71℃)。
图7、图8分别是本发明陶瓷发热组件与PTC发热组件的温度-时间、电流-时间特性对比图。
在本实验例中，由于在其它相同条件下，加载电压恒定，回路电流就表征了加热组件的功耗，
从表1与表2及图8电流曲线图可知，本发明陶瓷发热组件的平衡电流为0.91A，PTC发热组件为1.28A，电流表征功率，故本发明陶瓷发热组件的平衡功率仅为PTC发热组件的71.09％(0.91/1.28)，从节能情况看，本发明陶瓷发热组件的功耗明显低于PTC发热组件，比PTC发热组件节能29.91％((1.28-0.91)/1.28)。从图8看出，PTC发热组件有一个非常大的冲击电流3.86A。
在本实验例中对电流曲线积分，就能看出在某时间段内，PTC发热组件及本发明陶瓷发热组件的功耗情况。我们可以对两者的电流曲线取0S→5400S(1.5h)积分，图8中的附表给出了对应的积分计算结果。从积分面积看，本发明陶瓷发热组件为4918.05，PTC发热组件为6899.45，本发明陶瓷发热组件积分面积少了28.72％((6899.45-4918.05)/6899.45)。前面分析得知，电流表征电功率，由此可知，在相同条件下，空载启动，30S加载相同风阻，在测试时间段内(5400S，1.5h)，本发明陶瓷发热组件的功耗比PTC发热组件低了28.72％。
本发明不局限于上述实施例；例如，所述高温共烧陶瓷发热元件可以包括三片或三片以上的氧化铝陶瓷片以及；所述高温共烧陶瓷发热组件可以由一个、两个或三个以上的高温共烧陶瓷发热单元组成；基于上述实施例的、未做出创造性劳动的简单替换，应当属于本发明揭露的范围。