一種電加熱結構與該結構的電加熱裝置的製作方法

2023-08-12 14:34:41 3

本實用新型涉及加熱裝置，更具體說，涉及一種電加熱元件以及其應用的實驗室加熱裝置。

背景技術：

傳統的實驗室加熱裝置一般採用燃氣，或金屬線圈、金屬線等電加熱元件。這些燃氣或電加熱元件效率低、耗能大，同時溫度控制準確度較低，特別是在大面積加熱或在弧面加熱的使用狀況下，發熱面的溫度亦不平均。燃氣加熱一般需要在高溫度下操作，也容易發生使用安全問題。至於電線圈或金屬線加熱器，一般需要透過金屬板來傳熱，而發熱線圈與金屬板面存在一定距離空間，因而影響熱能功率及升溫反應。而金屬板遇酸性或鹼性液體都會生鏽腐蝕，使用上容易出現問題。同時實驗室很多時要使用瓶類器皿(Flask)，部份底部是弧型(Round Bottom)，均勻導熱會出現困難。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種電加熱元件以及具有該電加熱元件的實驗室用加熱裝置。

針對傳統實驗室加熱器的缺點，本實用新型採用了陶瓷玻璃板或陶瓷板作為基板，陶瓷玻璃板及陶瓷板都具有高度防腐蝕性能，更能輕易清潔。同時，由於陶瓷玻璃及陶瓷具絕緣性能，本實用新型採用了創新的發熱元件，在所述基板的背面直接融合上納米厚度的導電發熱塗層，由於超薄的納米厚度發熱元件與基板緊密結合成一體而沒有空間間距，熱能效應及升溫反應因而大幅提高，溫度更能快速、精準地控制，以快速達至及控制實驗所設定的溫度要求。同時，所述納米厚度的導電發熱塗層，亦能融合在弧面基板上，從而直接加熱於弧型的實驗器皿。

實施本實用新型的電加熱元件以及實驗室用加熱裝置，具有以下有益效果：由於本實用新型的電加熱元件具有納米厚度的電發熱塗層，當電流通過電發熱塗層時，在電發熱塗層的超薄的體積內，產生極高密度的熱能，從而可以起到高效能以及快速升溫的效果。同時，由於平面結構及超薄電發熱塗層與基板緊密結合成一體，熱能可以大面積均勻快速擴散，不論是採用平面或弧面實驗器皿, 都比其他傳統加熱元件更能達到大面積均熱效應。

一方面，本實用新型提供了一種電加熱元件，包括基板，所述基板的背面融合有納米厚度的電發熱塗層，所述電發熱塗層的兩相對的位置分別設置有電極，所述電極接駁電源。

在本實用新型的電加熱元件的一實施例中，所述基板為陶瓷玻璃板。

在本實用新型的電加熱元件的另一實施例中，所述基板為陶瓷板。

在本實用新型的電加熱元件的一實施例中，所述基板為平面的基板。

在本實用新型的電加熱元件的另一實施例中，所述基板為弧面的基板。

在本實用新型的電加熱元件的一實施例中，所述電發熱塗層包括氧化物塗層，其包含的金屬源選自錫、銦、鎘、鎢、鈦和釩。

在本實用新型的電加熱元件的一實施例中，所述電極包括玻璃陶瓷燒結油墨，其包含的金屬源選自鉑、金、銀、鈀和銅。

在本實用新型的電加熱元件的一實施例中，所述基板包括設置在所述基板的表面的納米厚度的絕緣塗層，所述電發熱塗層位於所述絕緣塗層之上。

在本實用新型的電加熱元件的一實施例中，所述絕緣塗層包括由溶膠-凝膠得到的二氧化矽塗層。

在本實用新型的電加熱元件的一實施例中，所述電發熱塗層上覆蓋有絕緣層，所述絕緣層為玻璃或陶瓷層。

另一方面，本實用新型還提供了一種實驗室用加熱裝置，包括加熱裝置本體，以及設置在加熱裝置本體上的一個或多個如以上電加熱元件的任一實施例中所述的電加熱元件。

在本實用新型的實驗室用加熱裝置的一實施例中，所述加熱裝置本體包括金屬、塑料或陶瓷的殼體，所述電加熱元件設置在所述殼體面層，所述電加熱元件的所述基板的背面可設置有隔熱及熱反射層。

在本實用新型的實驗室用加熱裝置的一實施例中，還包括用於接駁導線的電源接駁端子，所述電源接駁端子與所述電極焊接連接或通過金屬彈片連接。

同時, 本實用新型加熱裝置更將溫度監視和控制系統與加熱元件的導電塗層集成一起，以進行最佳的溫度和節能控制。在本實用新型的實驗室加熱裝置的一實施例中，驅動軟體，控制器和脈寬調製(PWM)驅動器與加熱元件相集成，控制器可使用模數轉換器(ADC)進行溫度測量而脈寬調製(PWM)驅動器進行精確的功率控制。在本實用新型的實驗室加熱裝置的另一實施例中，溫度和節能控制可透過比例-積分-微分(PID)控制器進行。溫度測量也可採用PT100 或 PT1000溫度探測器以達至 1℃或 0.1℃的溫度誤差。當加熱裝置的加熱元件達到預置的目標溫度時，控制系統將立即響應並切斷電源，以實現節能的目的和限制加熱元件溫度的超標﹔當加熱元件的溫度降到預置溫度時，控制系統將響應並導通電源以產生熱量，以實現對加熱元件的平穩供電，優化其加熱性能和節能效率。

在本實用新型的實驗室加熱裝置的另一實施例中，溫度和熱能控制也可透過無線通訊來控制，例如透過藍牙裝置(Bluetooth), WiFi通訊、雲端通訊 (Cloud)或其他無線通訊形式並使用智慧型電話、穿戴通訊裝置或其他設備來設定，收取，儲存和控制加熱裝置操作溫度及能源使用及其開關。

在本實用新型的實驗室加熱裝置的另一實施例中，利用導電塗層的厚度與及電極結構的安排，可以使導電塗層的電阻大幅減低，可使用直流電(D.C.)及電池作戶外加熱實驗。傳統發熱線或線圈電阻較大，在直流電及電池電壓下操作，電流量很少，不足夠作大面積發熱實驗用途。

附圖說明

圖1是本實用新型的實驗室用加熱裝置的第一實施例的立體示意圖；

圖2是圖1中A-A剖面示意圖；

圖3是本實用新型的實驗室用加熱裝置的實施例所示的電加熱元件的截面示意圖；

圖4是本實用新型的電加熱元件一實施例的電發熱塗層及電極的結構示意圖；

圖5是本實用新型的電加熱元件另一實施例的電發熱塗層及電極的結構示意圖；

圖6是本實用新型的實驗室用加熱裝置和溫度深測及控制器連接示意圖；

圖7是本實用新型的實驗室用加熱裝置控制器和移動通訊裝置、無線通訊連接示意圖；

圖8是本實用新型的實驗室用加熱裝置另一實施例中無線溫度探測裝置和控制器及移動通訊裝置連接示意圖；

圖9是本實用新型的實驗室用加熱裝置另一實施例中發熱裝置和磁力攪拌器結合成一體示意圖；

圖10是本實用新型圖9的實驗室用發熱裝置和磁力攪拌器結B-B剖面示意圖；

圖11是本實用新型的實驗室用加熱裝置另一實施例中包含弧面發熱基板示意圖；

圖12是本實用新型圖11的實驗室用加熱裝置含弧面發熱基板C-C剖面示意圖；

圖13是本實用新型的實驗室用加熱裝置另一實施例中包含弧面發熱基板示意圖，基板的四邊是平面的基板結合成一體；

圖14是本實用新型圖13的實驗室用加熱裝置含弧面發熱基板D-D剖面示意圖；

圖15是本實用新型的實驗室用加熱裝置另一實施例中可使用電池操作的實驗室加熱裝置示意圖；

圖16是本實用新型的實驗室用加熱裝置另一實施例中可使用電池操作的實驗室加熱裝置基板的電發熱塗層和電極結構示意圖；

圖17是本實用新型的實驗室用加熱裝置另一實施例中可使用直流電及交流電的電發熱塗層和電極結構示意圖。

具體實施方式

為了對本實用新型的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本實用新型的具體實施方式。

在本實用新型的電加熱元件以及實驗室用加熱裝置的描述中，需要理解的是，術語「前」、「後」、「上」、「下」、「上端」、「下端」、「上部」、「下部」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。本文所使用的詞語「納米厚度」是指僅能在納米水平內測得的每一塗層的厚度。

如圖1及圖2所示，為本實用新型的實驗室用加熱裝置100的第一實施例，該實驗室用加熱裝置的加熱裝置本體包括金屬、塑料或陶瓷的殼體2，電加熱元件1設置在殼體2面層，電加熱元件1的基板背面設置有隔熱及熱反射層21。隔熱及熱反射層21可以使熱流失減少，而且把熱能向前向傳導散播。隔熱及熱反射層21包括各類雲母板（mica），以及其他適用材料。為了方便導線的連接，可以增加電源接駁端子，電源接駁端子與電極焊接連接或通過金屬彈片連接。

在該實施例中，電加熱元件1與隔熱及熱反射層21可緊貼設置，或二者之間間隔一定距離設置。電加熱元件1的電發熱塗層可由絕緣物料遮蓋，此物料可以是玻璃、陶瓷或其他電流絕緣材料，此物料可以是塗層或固體。電加熱元件1的外層亦可含電流絕緣的塗層。電加熱元件1同時可放射出強烈的紅外線及遠紅外線，產生熱能從而使加熱更快速及溫度均勻。

如圖3所示，為本實用新型的電加熱元件的一實施例，在該實施例中，電加熱元件1包括基板10，基板10的背面直接融合上一層或多層納米厚度的導電發熱塗層11。導電發熱塗層11可以是單層或多層結構，由於超薄的納米厚度發熱元件與基板緊密結合成一體而沒有空間間距，熱能效應及升溫反應因而大幅提高，電發熱塗層11的兩相對的邊緣分別設置有電極12，兩個電極12平行設置，電極接駁電源。當電流通過電發熱塗層11時，電發熱塗層11將電能轉化為熱能。

在本實施例中的電加熱元件1中，基板10可由陶瓷玻璃或陶瓷或任意別的合適的材料製成。本基板具有高度防腐蝕性能，更能輕易清潔，對實驗化學物料具防腐蝕性，比一般金屬基板耐用。本領域技術人員應當明白，陶瓷玻璃可承受高溫和熱的衝擊，優於別的玻璃基底，以提供一致的和可靠的高溫加熱功能。

在本實施例中的電加熱元件1中，電發熱塗層11設置基板10的背面。電發熱塗層11可以是氧化物塗層，其中使用的金屬源可選自摻有有機金屬前體的錫、銦、鎘、鎢、鈦和釩。可以理解的是，也可用別的合適的材料製作電發熱塗層11。電發熱塗層11中的導電塗層材料用於將電能轉換成熱能。所應用的熱量生成原理大大不同於常規的線圈加熱，線圈加熱方法中，熱量輸出來自金屬線圈的高阻抗，其具有低加熱效率和高功耗。電線圈或金屬線加熱器，一般需要透過金屬板來傳熱，而發熱線圈與金屬板面存在一定距離空間，因而更影響熱能功率及升溫反應。相反，通過調節塗層的成分和厚度，可控制塗層的電阻抗，並可增加導電性，從而以最小的能量損耗，得到高加熱效率。在電發熱塗層的超薄的體積內，產生極高密度的熱能，從而達至高效能及快速升溫的效果。同時由於平面結構及超薄電發熱塗層與基板緊密結合成一體，故此熱能可作大面積均勻快速擴散。

在本實施例中的電加熱元件1中，電極12設置在電發熱塗層11上。兩個間隔開的電極12分別沿著電發熱塗層11的兩個相對的側邊設置。電極12可由玻璃陶瓷燒結油墨(glass ceramic frit based ink)製成，其中金屬源選自鉑、金、銀、鈀和銅。

在本實施例中的電加熱元件1中，基板10還可以包括設置在基板10的表面的納米厚度的絕緣塗層，電發熱塗層11位於絕緣塗層之上，也即在基板10和電發熱塗層11之間具有納米厚度的絕緣塗層。絕緣塗層可由溶膠-凝膠得到的二氧化矽(SiO2)或別的合適的材料製成。絕緣塗層可塗覆於具有表面活性劑的陶瓷玻璃基板10的表面上，以確保覆蓋在陶瓷玻璃基板10上的SiO2具有100％的潤溼，從而防止出現缺陷位置，以使得將陶瓷玻璃基板10與電發熱塗層11電隔離，並可防止鋰離子和別的汙染物成分在加熱過程中從陶瓷玻璃基板10擴散到電發熱塗層11。

在本實施例中的電加熱元件1中，電發熱塗層11上還可以覆蓋有絕緣層，絕緣層可以為玻璃、陶瓷層或其他電流絕緣材料，絕緣層可以是塗層或固體。

在本實施例中的電加熱元件1中，所提到的電發熱塗層11、絕緣塗層以及絕緣層可以是單層或多層結構，單層或多層的每一層的厚度在納米量級，可以在數納米到數十納米的範圍內。

當電流通過此電加熱元件1的電發熱塗層11時，在電發熱塗層11的超薄的體積內，產生極高密度的熱能，從而達至高效能及快速升溫的效果。同時由於平面結構及超薄電發熱塗層與基板緊密結合成一體，故此熱能可作大面積均勻快速擴散，比其他傳統發熱件更能達到大面積均熱效應。電加熱元件1的基板10亦可作弧型設計，對弧型實驗器皿達到更佳的加熱效應。

如圖4所示，是本實用新型的電加熱元件一實施例的電發熱塗層及電極結構，基板10的背面融合有納米厚度的電發熱塗層11，所述電發熱塗層的兩相對的邊緣分別設置有電極12，所述電極接駁電源。上述結構為單一發熱區，當電流通過電極，基板上整個發熱區會同時發熱。

圖5是本實用新型的電加熱元件另一實施例的電發熱塗層及電極的結構。基板10的背面融合多個分隔的發熱區，每個發熱區融合有納米厚度的電發熱塗層11，當電流通過特定發熱區的電極12，特定發熱區會產生熱能。各個發熱區可分別獨立運作或同時運作，各個發熱區也可作串聯或並聯連接的安排。

圖6所示是本實用新型的實驗室用加熱裝置100和溫度深測及控制器200連接示意圖。溫度探測及控制器可使用模數轉換器(ADC) 及脈寬調製驅動器(PMC)進行精確的控制。在本實用新型的實驗室加熱裝置的另一實施例中，溫度和節能控制可透過比例-積分-微分(PID)控制器進行。溫度測量也可採用PT100 或 PT1000溫度探測器以達至 1℃或 0.1℃的溫度誤差。當加熱裝置的加熱元件達到預置的目標溫度時，控制系統將立即響應並切斷電源，以實現節能的目的和限制加熱元件溫度的超標﹔當加熱元件的溫度降到預置溫度時，控制系統將響應並導通電源以產生熱量，以實現對加熱元件的平穩供電，優化其加熱性能和節能效率。溫度探測裝置可以是內置於本實用新型實驗室加熱裝置，也可以是外置插入本實用新型實驗室加熱裝置，也可以是一個或多個溫度探測裝置以監視及控制不同發熱區或不同溫度的操作。

圖7所示是本實用新型的實驗室用加熱裝置控制器200和移動通訊裝置300，無線通訊連接示意圖。溫度和節能控制也可透過無線通訊來控制，例如透過藍牙裝置(Bluetooth), WiFi通訊、雲端通訊 (Cloud)或其他無線通訊形式並使用智慧型電話、穿戴通訊裝置或其他設備來設定，收取，儲存和控制加熱裝置操作溫度及能源使用及其開關。

圖8是本實用新型的實驗室用加熱裝置另一實施例中無線溫度探測裝置400和控制器200及移動通訊裝置300連接示意圖。在此實例中，溫度探測裝置具無線傳訊功能，而溫度變化資料可以無線模式傳送回加熱裝置控制器及移動通訊裝置，以操控加熱元件溫度及能源使用。

圖9所示是本實用新型的實驗室用加熱裝置另一實施例中發熱裝置和磁力攪拌器500結合成一體示意圖。圖10是本實用新型的實驗室用加熱裝置和磁力攪拌器結合成一體B-B截面示意圖。該實驗室用加熱裝置的加熱裝置和磁力攪拌器本體包括金屬、塑料或陶瓷的殼體3，電加熱元件1設置在殼體3面層，電加熱元件1的基板背面可設置有隔熱及熱反射層31。隔熱及熱反射層31可以使熱流失減少，而且把熱能向前向傳導散播。隔熱及熱反射層31包括各類雲母板（mica），以及其他適用材料。為了方便導線的連接，可以增加電源接駁端子，電源接駁端子與電極焊接連接或通過金屬彈片連接。發熱基板下端安裝了磁力電動馬達32。由於本實用新型的發熱元件不會產生磁場幹擾，故此發熱基板及磁力電動馬達並不互相干擾運作，並可較近距離安裝，從而使整體裝置體積減少達至更薄的設計，與及增強磁力攪動的效應。在本實用新型的加熱攪拌裝置所施實例中，溫度及攪拌操控裝置可安裝在本體上，亦可和外置控制器以有線或無線連繫操作。同時攪拌裝置和加熱裝置可同時運作或獨立運作。

圖11是本實用新型的實驗室用加熱裝置600一實施例中包含弧面發熱基板示意圖。圖12是本實用新型圖11的實驗室用加熱裝置600含弧面發熱基板C-C剖面示意圖。傳統弧型的實驗室加熱裝置一般不是一體式結構，清潔困難，化學液體容易滲入裝置內部，損壞裝置。本實用新型的加熱裝置發熱基板為一體化結構，適用於弧型底部的實驗器皿，達到快速、均勻、大面積加熱。同時防腐蝕性能高，易於清潔，化學液體不會滲漏至裝置內部而引至使用失效或使用安全。在本實施例中，電加熱元件包括基板10，基板10的背面直接融合上一層或多層納米厚度的導電發熱塗層11。導電發熱塗層11可以是單層或多層結構，由於超薄的納米厚度發熱元件與基板緊密結合成一體而沒有空間間距，熱能效應及升溫反應因而大幅提高，電發熱塗層11的兩相對的位置分別設置有電極，在本實例中，其中一電極位於弧面頂部，另一電極環繞弧面底部，在其他實施例中，電極的位置亦可作其他適合的設計安排，電極接駁電源。當電流通過電發熱塗層11時，電發熱塗層11將電能轉化為熱能。在本實施例中的電加熱元件中，基板10可由陶瓷玻璃或陶瓷或任意別的合適的材料製成。圖13是本實用新型的實驗室用加熱裝置700另一實施例中包含弧面發熱基板, 基板的四邊是平面的基板與弧面部分結合成一體。電發熱塗層的平面的基板部分設置有兩相對電極，所述電極接駁電源。圖14是本實用新型圖13的實驗室用加熱裝置含弧面發熱基板D-D剖面示意圖。如圖12及圖14所示，為本實用新型的實驗室用加熱裝置的實施例，該實驗室用加熱裝置的加熱裝置本體包括金屬、塑料或陶瓷的殼體4，電加熱元件設置在殼體4面層，電加熱元件的基板10的背面直接融合上一層或多層納米厚度的導電發熱塗層11及設置有隔熱及熱反射層41。隔熱及熱反射層41可以使熱流失減少，而且把熱能向前向傳導散播。隔熱及熱反射層41包括各類雲母板（mica），以及其他適用材料。為了方便導線的連接，可以增加電源接駁端子，電源接駁端子與電極焊接連接或通過金屬彈片連接。

在該實施例中，電加熱元件與隔熱及熱反射層可緊貼設置，或二者之間間隔一定距離設置。電加熱元件的電發熱塗層可由絕緣物料遮蓋，此物料可以是玻璃、陶瓷或其他電流絕緣材料，此物料可以是塗層或固體。電加熱元件的外層亦可含電流絕緣的塗層。電加熱元件同時可放射出強烈的紅外線及遠紅外線，產生熱能從而使加熱更快速及溫度均勻。而弧面加熱裝置的溫度及熱能控制，也可如平面加熱裝置一樣的有線或無線傳訊的安排。在另一實施例中，弧面加熱裝置底部也可以加裝磁力攪拌馬達，使加熱裝置和攪拌裝置結合成一體。

圖15所示是是本實用新型的實驗室用加熱裝置800另一實施例中可使用電池900操作的實驗室加熱裝置。在本實用新型的實驗室加熱裝置的實施例中，利用導電塗層的厚度與及電極結構的安排，可以使導電塗層的電阻大幅減低，可使用直流電(D.C.)及電池作戶外加熱實驗。由於平面結構及超薄電發熱塗層與基板緊密結合成一體，故此熱能可作大面積均勻快速擴散，比其他傳統發熱件更能達到大面積均熱效應。同時傳統發熱線或線圈電阻較大，在直流電及電池電壓下操作，電流量很少，不足夠作大面積發熱實驗用途。

圖16所示是本實用新型的實驗室用加熱裝置實施例中可使用電池操作的實驗室加熱裝置的塗層和電極結構示意圖。在本實施例中，導電塗層分割成多個區域, 而每個區域可以並聯方式連接。每個區域可以是相同尺寸或不同尺寸，與及每個區域塗層可以含有相同或不同的導電及傳熱特性。電加熱元件的基板10的背面直接融合上一層或多層納米厚度的導電發熱塗層11，而直流電源的正極及負極分別接駁電極 21 及 22，當電流通過電極 21 及 22，發熱塗層11可接設定要求進行發熱。在本實施例中，直流電源可以是交流電轉直流電的變壓裝置，或外置電池, 或連接汽車電池的裝置。

圖17所示是本實用新型的實驗室用加熱裝置另一實施例中可使用直流電及交流電的塗層11和電極21, 22, 23, 24及25極結構示意圖。在本實施例中，發熱基板10設有兩組或多組的電極安排。電源可接駁不同組合的電極而達至不同電阻組合，從而產生不同的功率輸出與及達至可以直流電源或電池發熱的要求。在本實施例中其中一種情況，當電極 21 和 23 分別接駁電源線二端，塗層電阻會變高而適用交流電 (A.C.) 的使用。但當電極 21，23 及 25 接駁電源線一端而電極 22 及24 接駁電源線的另一端，則塗層電阻會變低而適用直流電 (D.C.) 的使用。上述只是其中一例證, 塗層及電極可作不同的區域及連接安排從而達至不同電壓的使用安排。

本實用新型的電加熱元件可以用於各種實驗室用加熱裝置，這種實驗室用加熱裝置包括加熱裝置本體，以及設置在加熱裝置本體上的電加熱元件，電加熱元件的數量可以根據需要是一個或多個，電加熱元件的設置方式也可以是多樣的，根據不同用途的實驗室加熱裝置而改變，電加熱元件可以串聯或並聯連接。

對於本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應該屬於本發明權利要求的保護範圍之內。

應當認識到，上述實施例用於說明而非是限制本發明，並且本領域技術人員能夠在不背離本發明權利要求範圍的情況下設計許多備選實施例。在權利要求中，置於圓括號之間的任何參考標記不應當解釋為對權利要求構成限制。「包括」一詞以及其結合的使用並不排除權利要求中所述的那些元件或步驟之外元件或步驟。不定冠詞「一」或「一個」並不排除多個此類元件的存在。本發明可以通過包括若干分立元件的硬體方式實施，以及通過適當編程的計算機的方式實施。在裝置權利要求中列舉了若干模塊，這些模塊中的一些可以通過硬體中的一個或相同內容實現。在相互不同的從屬權利要求中所應用的特定措施並不指示不能有利的使用這些措施的組合。