防結垢氮化矽陶瓷電熱板及製作方法

2023-04-29 19:38:31 1

專利名稱：防結垢氮化矽陶瓷電熱板及製作方法
技術領域：
本發明涉及加熱水的電熱元件製作技術領域，尤其指一種用於製取熱水或飲用開水的防結垢氮化矽陶瓷電熱板及製作方法。
背景技術：
現代家用電器中燒熱水的發熱部件，早期是用電熱絲管加熱，例如燒開水的電熱荼壺、直接插入到暖水瓶中燒水的「熱得快」、電熱淋浴貯水桶等。後來採用電熱膜加熱器，如電暖鍋、電熱保溫桶等。近年來大都採用電熱陶瓷板加熱，如電熱淋浴器、即熱式水龍頭、即熱式飲水機等。但消費者在實際使用中發現，這類電熱板由於基體採用陶瓷板製成，並且要在瞬間達到高溫，尤其是一種即熱式飲水機，需要在幾秒鐘內將水燒開，所以加熱板的功率都設計得比較大，因而必然在安全防護、機械強度等方面存在一定難度。近年來市場上的一些即熱式飲水機，其電熱陶瓷板安全隱患確實較多，如漏電、導線接頭脫焊、電熱絲斷裂、電熱板表面易結垢使傳熱效果降低等等。當然近年來有不少這方面的專利都試圖解決這些問題。例如專利號為200910048864.X《氮化矽發熱體及其製作方法》，該發明專利在基體製作和原料配方上確有較大的先進性。但經本申請人考察，發現該產品在防止電極與導線的連接處脫焊、電熱板表面防結垢方面都存在一些缺陷；另外在原料粉體製備過程中用蒸餾水代替無水乙醇顯然易造成燒結時產生汽泡，基體成品中有可能產生氣孔，影響基體材質的緊密度。此外氮化矽發熱體的鎢絲直接引出作電極，鎢絲的露出部分易在高溫燒結時被氧化，影響焊接質量，或許會產生導電性能不佳或容易斷裂。因此有必要對此類陶瓷電熱板在原料配方、基體結構、加工工藝上作一番改進。

發明內容
本發明的目的是:為克服上述發熱元件存在的缺陷，對氮化矽陶瓷電熱板在原料配方、基體結構，加工工藝上進行改進，改善和提高氮化矽陶瓷電熱板的導熱性、機械強度、安全性能及防結垢功能。本發明解決上述技術問題的技術方案是:防結垢氮化矽陶瓷電熱板，包括基體、嵌入在基體內部的螺旋狀發熱鎢絲、鑰絲電極、高保護性能的絕緣熱縮管、耐高溫導線連接組成，所述基體由阿爾法相為93以上的氮化娃粉93% 96%質量、氧化乾粉2% 3%質量、氧化鎂粉2% 4%質量，經等靜壓處理後的粉料燒結而成，其平面形狀為一端成「凹」字的矩形，在「凹」字的兩個突出部位分別設有與導線連接的鑰絲電極；所述鎢絲捲成螺旋線並迥旋嵌入在基體內部，所述鑰絲電極裡段插入鎢絲螺旋線內，鑰絲電極外端與導線焊接牢固，並在焊接處外圍套有絕緣熱縮管密封保護(見圖1)。防結垢氮化矽陶瓷電熱板的製作方法和步驟如下:A、基體製作I)粉料製備:將乾燥矽粉放入氮化爐中並充入一定量的氬氣200 300L/h，氮氣600 1000L/h，氫氣100 150mL/min，升溫至1200 1300°C，燒結48小時後得到阿爾法相為93以上的氮化矽粉，而後將氮化矽粉93% 96%質量、氧化釔粉2% 3%質量、氧化鎂粉2% 4%質量混合後放入鑲裝有氮化矽內襯層的球磨桶中，加入適量工業用無水乙醇作調和劑，用氮化矽磨球對粉料進行磨製，30小時後倒入容器並放入烘箱烘乾後過篩，再用等靜壓機保壓，而後再過篩後成40目顆粒狀粉料備用。2)幹壓成型:取相當於素坯質量二分之一的粉料，倒入模具中刮平，然後將引出段插有鑰絲電極的螺旋線鎢絲嵌入，再加入另外二分之一質量的粉料，刮平後將上壓頭放入素還模中，用50t壓機將粉料壓製成密度為1.65g/cm3的氮化娃素還。3)素坯燒結:將素坯放入定製的石墨模具中，並將多個石墨模具組成疊層，然後將多個疊層放在一起，放入真空熱壓燒結爐中，經加熱加壓燒結——從室溫開始升溫，在50分鐘內加熱至1000°C，然後用液壓機對素坯施加5t壓力，再在30分鐘內加熱至1600°C，然後再加壓至30t壓力，再在30分鐘內升溫至1800°C，維持30t壓力不變，保溫30分鐘，在燒結同時應對爐內保持一定的真空度，並當溫度升至1200°C後開始充氮氣保護，直至燒結完成，待爐溫冷卻降至室溫後將基體逐個取出。B、機械加工I)磨光:將燒結成型後的基體放在平面磨床上進行兩面及側邊磨光，表面粗糙度應達到0.1 0.2 μ m，其作用是防止表面結垢，提高基體的傳熱效率和使用時出水的清潔度。2)焊接:將耐高溫導線頭部與基體上的鑰絲電極引出線焊接牢固。3)密封:在導線與鑰絲電極引出線焊接處套上受熱後收縮的塑料管即熱縮管密封保護。所述鑰絲電極與導線焊接的外段直徑大於插入至螺旋線鎢絲內的連接段直徑(見圖2、圖3)，以提高鑰絲電極的導電性能及與導線焊接的強度。本發明有益的是:在粉料製備中加入低成本的工業用無水乙醇作混合調和劑，一是因乙醇揮發較快，二是乙醇可回收重複利用以節約生產成本，三是可防止因使用蒸餾水或純淨水在素坯燒結時產生汽泡引起基體材質疏鬆等質量問題的發生。另外用鑰絲電極插入螺旋線鎢絲內，可提高鑰絲電極與導線焊接強度；在焊接處外圍套有絕緣熱縮管密封保護，可防止漏電事故的發生。


圖1是本發明陶瓷電熱板基體的結構(局部剖視)示意圖；圖2是本發明鑰絲電極外形示意圖；圖3是本發明鑰絲電極插入至螺旋線鎢絲內的連接段示意圖；圖中各部名稱及標記:1-基體、2-鎢絲、3-鑰絲電極、4-熱縮管、5-導線。
具體實施例方式如圖1所示，本發明防結垢氮化矽陶瓷電熱板，包括氮化矽基體1、嵌入在基體I內部的發熱鎢絲2、鑰絲電極3、高保護性能的絕緣熱縮管4、耐高溫導線5連接組成。所述基體I由阿爾法相為93以上的氮化矽粉93% 96%質量、氧化釔粉2% 3%質量、氧化鎂粉2% 4%質量，經等靜壓處理後的粉料燒結而成，其平面形狀為一端成「凹」字形的矩形，在「凹」字的兩個突出部位分別設有與導線5連接的鑰絲電極3，鑰絲電極3裡段插入螺旋線鎢絲2內，鑰絲電極3外端與導線5焊接牢固，並在焊接處外圍套有絕緣熱縮管4密封保護。防結垢氮化矽陶瓷電熱板基體的製作須經過原料製備、幹壓成型、素坯燒結、磨光、焊接、密封過程，現通過以下實施例進一步詳細描述:實施例一:將乾燥矽粉放入氮化爐中並充入一定量的氬氣200 300L/h，氮氣600 1000L/h，氫氣100 150mL/min，升溫至1200 1300°C，燒結48小時後得到阿爾法相為93以上的氮化矽粉，而後將氮化矽粉95g、氧化釔粉3g、氧化鎂粉2g混合後放入鑲裝有氮化矽內襯層的球磨桶中，加入適量工業用無水乙醇，用氮化矽質磨球對粉料進行磨製，30小時後倒入容器中放入烘箱烘乾後過篩，再用等靜壓機保壓。而後過篩後成40目以上顆粒狀粉料備用。取相當於素坯質量二分之一的上述粉料，倒入模具中刮平，然後將引出段插入有鑰絲電極的螺旋線鎢絲嵌入，再加入另外二分之一質量的粉料，刮平後將上壓頭放入素還模中用50t壓機將粉料壓製成密度為1.65g/cm3的氮化娃素還。將素還放入定製的石墨模具中，並將多個石墨模具組成疊層，然後將多個疊層放在一起，放入真空熱壓燒結爐中，經加熱加壓燒結——從室溫開始升溫，在50分鐘內加熱至1000°C，然後對素坯施加5t壓力，再在30分鐘內加熱至1600°C，再加壓至30t壓力，在30分鐘內升溫至1800°C，維持30t壓力不變，保溫30分鐘。在燒結同時應對爐內保持一定的真空度，在當溫度升至1200°C後開始充氮氣保護，直至燒結完成，待爐溫冷卻降至室溫後將基體逐個取出。然後將基體在平面磨床上進行兩面及側邊磨光，表面粗糙度應達到0.1 0.2 μ m。磨光的作用是防止基體表面結垢，提高傳熱效率和出水的清潔度。而後將耐高溫導線與基體上的鑰絲電極外端焊接牢固，並在導線頭與鑰絲電極的焊接處套上受熱後收縮的塑料管即熱縮管密封保護，得到防結垢氮化矽陶瓷電熱板成品。實施例二:製作方法和步驟與實施例一相同，不同的是素坯製作用氮化矽粉96g、氧化釔粉2g、氧化鎂粉2g加入純淨水作混合調和劑，結果製成品在高倍顯微鏡下發現少量微小氣孔，經測試絕緣性能、機械強度有些下降。實施例三:製作方法和步驟與實施例一相同，不同的是素坯製作用氮化矽粉94g、氧化釔粉3g、氧化鎂粉3g，加入工業用無水乙醇作混合調和劑，結果製成品在高倍顯微鏡下未發現微小氣孔，但磨光後表面光滑度不及實施例一。從上述各實施例可以看出，以實施例一配方為最佳，製成的防結垢氮化矽陶瓷電熱板內部無微小氣孔，強度和耐高溫斷裂韌性較高，絕緣性能好；磨光後表面光滑，水中沉澱粒子較難附著，長期使用而不會結垢；粉料製備的混合調和劑用可回收的工業用無水乙醇，不但能降低生產成本，並且可防止因使用蒸餾水或純淨水在燒結時易產生汽泡造成基體材質疏鬆質量問題的發生。
權利要求
1.一種防結垢氮化矽陶瓷電熱板，包括氮化矽基體(I)、嵌入在基體(I)內部的螺旋線發熱鎢絲(2)、鑰絲電極(2)、高保護性能的絕緣熱縮管(4)、耐高溫導線(5)連接組成，其特徵是所述基體(I)由阿爾法相為93以上的氮化矽粉93% 96%質量、氧化釔粉2% 3%質量、氧化鎂粉2% 4%質量，經等靜壓處理後的粉料燒結而成，其平面形狀為一端成「凹」字的矩形，在「凹」字的兩突出部位分別設有與導線(5)連接的鑰絲電極(3)，所述鑰絲電極(3)裡段插入至捲成螺旋線的鎢絲(2)內，所述鑰絲電極(3)外端與導線(5)焊接牢固，並在焊接處外圍套有絕緣熱縮管(4)密封保護； 防結垢氮化矽陶瓷電熱板的製作方法和步驟如下: A、基體製作 1)粉料製備:將乾燥矽粉放入氮化爐中並充入一定量的氬氣200 300L/h，氮氣600 1000L/h，氫氣100 150mL/min，升溫至1200 1300°C，燒結48小時後得到阿爾法相為93以上的氮化矽粉，而後將氮化矽粉93% 96%質量、氧化釔粉2% 3%質量、氧化鎂粉1.5% 4%質量混合後放入鑲裝有氮化矽內襯層的球磨桶中，加入工業用無水乙醇適量，用氮化矽磨球對粉料進行磨製，30小時後倒入容器中放入烘箱烘乾後過篩，再用等靜壓機保壓，而後過篩後成40目以上顆粒狀粉料備用； 2)幹壓成型:取相當於素坯質量二分之一的上述混合粉料，倒入模具中刮平，然後將引出段插入有鑰絲電極的螺旋線鎢絲嵌入，再加入另外二分之一質量的粉料，刮平後將上壓頭放入素坯模中用50t壓機將粉料壓製成密度為1.65g/cm3的氮化矽素坯； 3)素坯燒結:將素坯放入定製的石墨模具中，並將多個石墨模具組成疊層，然後將多個疊層放在一起，放入真空熱壓燒結爐中，經加熱加壓燒結——從室溫開始升溫，在50分鐘內加熱至1000°C，然後用液壓機對素坯施加5t壓力，再在30分鐘內加熱至1600°C，然後再加壓至30t壓力，再在30分鐘內升溫至1800°C，維持30t壓力不變，保溫30分鐘，在燒結同時應對爐內保持一定的真空度，並當溫度升至1200°C後開始充氮氣保護，直至燒結完成，待爐溫冷卻降至室溫後將基體逐個取出。
B、機械加工 1)磨光:將燒結成型後的基體放在平面磨床上進行兩面及側邊磨光，表面粗糙度應達到 0.1 0.2 μ m ; 2)焊接:將耐高溫導線頭部與基體上鑰絲電極的外露部分焊接牢固； 3)密封:在導線頭部與鑰絲電極外露部分的焊接處外圍套上受熱後收縮的塑料管即熱縮管密封保護。
2.根據權利要求1所述的防結垢氮化矽陶瓷電熱板，其特徵是所述鑰絲電極(3)與導線(5)焊接的外段直徑大於插入至螺旋線鎢絲(2)內的連接段直徑。
全文摘要
本發明涉及防結垢氮化矽陶瓷電熱板及製作方法。電熱板包括基體、螺旋線發熱鎢絲、鉬絲電極、絕緣熱縮管、導線連接組成。基體由阿爾法相為93以上的氮化矽粉93％～96％質量、氧化釔粉2％～3％質量、氧化鎂粉2％～4％質量，經過等靜壓處理後的粉料燒結而成，基體為一端平面成「凹」字形的矩形；兩突出部位設有與導線連接的鉬絲電極。鎢絲捲成螺旋線嵌入在基體內部，鉬絲電極插入至鎢絲螺旋線內，外端與導線焊接牢固，在焊接處外圍套有絕緣熱縮管。製作過程經過原料混和，粉料燒結，素坯成型再燒結；然後經磨光、焊接、密封過程。本產品在螺旋線鎢絲內插入高溫燒結後不會氧化的鉬絲作電極，焊接牢固。基體磨光後不易結垢，能提高傳熱效率。
文檔編號H05B3/10GK103108420SQ201210596610
公開日2013年5月15日 申請日期2012年12月25日 優先權日2012年12月25日
發明者聞本良, 聞文博, 聞優達, 何吉峰 申請人:寧波中博瓷熱能科技有限公司