CN1180981A - 导热耐温复合电热体及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制作导热耐温复合电热体的制造方法及用此方法生产的六种基型的导热耐温电热体系列产品,以碳化硅粉为基料,加上结合剂、添加剂,用生料粘合剂溶液将粉料调和搅拌成泥状,在成型模具中通过机械或人力打捣或浇注成型,干燥固化以后在高温炉中烧制成带有设定槽沟和电极引出孔的基体,在基体槽沟内装电热合金丝并安装电源电极,再用导热耐温胶泥将电热丝封埋在导热耐温基体内,最后再次烘烧烧结或室温固化,而后得到导热耐温复合电热体成品,用本方法制作的导热耐温复合电热体,具有传热快、热效高、寿命长,使用温度和功率范围宽等特点。

Description

导热耐温复合电热体及其制造方法

本发明涉及一种以碳化硅或氮化硅结合碳化硅等高导热率耐高温材料作为基材，用以烧制导热耐温复合电热体基体的配方和烧制工艺、用此基体制作导热耐温复合体的方法，以及用此方法生产的六种基型的导热耐温复合电热体系列产品。

目前，工业和民用电热产品中使用较多的电加热器主要是螺旋缠绕的电热合金丝，或以它为基础制作的电热管，或以电热管为基础再加导热金属制作的电热盘，工业上还将螺旋状电热丝安装在碳化硅炉堂、炉管、炉板的丝孔内，以提高导热性和耐温性。以上这些加热器大都是以空气作为导热介质，或以氧化镁粉作为导热介质的，由于空气的导热率很低，氧化镁的导热率也不高，所以这类加热器存在传热慢，发热元件工作温度过高，元件使用寿命短、器件热效率低、耗能多等缺点；近年来市场上又出现了两种新式的电热器件，一是各种类型的电热膜，一种是导电陶瓷发热元件，电热膜和导电陶瓷的优点是加热速度快，热效高，它们又有各自的严重不足之处，电热膜由于很薄，物质含量少，耐电压冲击和耐电流冲击的性能都很差，容易损坏；导电陶瓷易老化，使用寿命短；这两种器件在高温区和大功率区的使用上都受到限制。

本发明的目的是要提供一种传热快、热效高、寿命长、功率范围大、使用温度范围宽、安装使用方便的导热耐温复合电热体，提供烧制这种复合电热体基体的配方和烧制工艺，以及用基体制作复合电热体的方法。

本发明的目的是这样实现的，分为独立器件型和一体化型两种实现方式，独立器件型是这样制作的，将碳化硅或氮化硅结合碳化硅等高导热耐高温材料烧制成带有设定沟槽和电极引出孔的复合电热器基体，基体分为平面圆型、曲面圆型、平板方型、半圆筒型、管型和坩埚型等六种基型系列，基体烧制好以后，按所需功率选取一定截面积的电热合金丝或带，沿槽沟平直安装在槽内，并通过电极引出孔安装供电电极，电热丝可以是一根或多根，可以是多根并联或串联，工作电源可以是交流或直流，安装好电热合金丝或带及电源电极以后，用高导热耐高温胶泥将槽沟和引出孔部位填平，将电热元件封埋在导热耐温基本内，然后将装填好的电热体送入高温炉中烘烤烧结，或室温固化，待填料固化干燥烧结好以后，就可以使用了，也可以再在复合电热体的表面涂别一层增强辐射的涂料及防护涂料，这就完成了独立器件型的制作；一体化型的导热耐温复合电热体是这样制作的，在被加热器具(导体类)的外壁先制作绝缘支架及电极座，将电热合金丝或带按设计功率安装在绝缘支架上，并接上电源引出电极：对绝缘类被加热器具，可以直接在其外壁安装电热丝或带及电极，然后用导热耐温涂料围绕被加热器具将电热丝或带涂埋在导热耐温涂料内，待涂料干燥后，送入高温炉内烧结或室温固化，然后，再在其外包复保温层及加固层，即完成了一体化型导热耐温复合电热体的制作；另一种一体化型复合电热体是将独立器件型复合电热体用导热耐温胶粘贴于被加热器具的外壁或外底而构成。

导热耐温复合电热体的制作流程方框图如附图(16)所示，主要流程为：

1.将原料、结合剂、生粘合剂、添加剂等充分混合。

2.加水进行混料，充分搅拌成粘稠泥状。

3.将泥状料投入成形模具中经机械或人工捣固成形。

4.进行风干、烘干、干燥固化。

5.挑选质理合格者送入炉窑进行高温烧结而得到基体。

6.在基体上装埋电热丝和电源电极并用导热胶泥修整填平。

7.进行烘烤、干燥固化并再次烧结。

8.进行测式质检。

9.包装入库。

基体按质量高低和生产成本分为三种基型，粘土结合型为低档型，硅石结合型为中档型，氮化硅结合型为高档型，每种档次又按生料粘合剂的不同或成型工艺不同分为两种不同型式，下表为六种型式的配方：

配方：(按重量百分比)表内参数为实施例典型值

表中双格左侧的物料总量为100份，两条双格之间的物料用量为左侧总量的百分比。

配方中各参数的取值范围如下表所示：

配制及操作步骤如下：

1.将表中双格左侧的物料投入混料机中充分混合；

2.将生粘合剂加水配制成一定比重的溶液，如Al₂(SO₄)₃·18H₂O，加水溶解，使其比

  重至1.3为止；硅溶胶为液体，且不溶于水，不用加水；

3.将增韧剂和扩散剂分别加入上述粘合剂溶液并充分搅拌；

4.将上一步配得之粘合剂溶液逐渐加入混合好的物料中，边加边搅拌，使混合物料

  湿润并呈面团状可塑泥；

5.将上述湿润物料密封困料24小时；

6.将困好的物料投入成形模具中，通过人工打捣或机械振捣，或通过浇注而成形基

  体，待物料半干燥以后，将成形基体脱模，继续烘干或自然干燥，待完全干燥固化

  以后，挑选合格者送入高温炉中烧结；

7.烧结：按附图(15)中的温度曲线T进行冷进冷出烧结；对氮化硅结合型，虚线曲线

  N₂为氮含量控制曲线，虚点曲线O₂为氧含量控制曲线；

8.烧制好的基体按前述方法安装电热合金丝或带、安装电源电极，封埋，再烧结或烘

  烤固化，而后进行表面处理，涂复增辐射涂层和防护涂层，最后得到导热耐温复合

  电热体成品。

用本发明制作的导热耐温复合电热体由于是将电热合金丝或带直接封埋在高导热率、耐高温材料中，电热丝产生的热量能直接快速地传给导热体，发热元件工作温度低，使用寿命长，又由于电热体本身就是被加热器具，如一体化型及坩埚型电热体，或是电热体是紧靠被加热器具的，所以传热快，热效高，节约能源，导热耐温复合电热体综合了电热膜和导电陶瓷加热迅速和热效高的优点及电热丝耐用、温度和功率范围宽的长处。

下列结合实施例和附图作进一步说明：附图(1)至附图(14)是用本发明方法生产的六种基型系列制品。

附图(1)是长方型电热体的结构图；附图(2)是其侧视图，图中1是电极帽；2是电热体基体；3是布线槽；4是电热丝，L为电热体长，取10mm至2000mm之间值；W为电热体宽，取5mm至1500mm之间值；D为电热体厚，取1mm至100mm之间值；e为槽距，取1mm至200mm之间值；n为槽数，取3至300之间值；g为槽宽，取0.2mm至20mm之间值；h为槽深，取0.2mm至50mm之间值；B为电极引出孔直径，取0.2mm至50mm之间值。

附图(3)是正方型电热体的基体外型图，附图(4)是其侧视图，L、W、D、e、n、g、h、B的取值范围与上述长方型电热体相同，这里L＝W。

附图(5)是平面圆型电热体的基体的外型图，附图(6)是其侧视图，D、h、B、n、e、h的取值范围与长方型电热体相同，φA为圆型电热体的直径，A取10mm至2000mm之间值：φC为中心测温孔的直径，C取0至50mm之间值。

附图(7)为曲面圆型电热体的基体外型图，附图(8)是其侧视图，A、C、D、h、B、n、e、g的取值范围与面平圆型电热体的相同，R是曲面的曲率半径，R取10mm至10000mm之间值。

附图(9)是半圆筒电热体基体的外型图，附图(10)是其侧视图，L是半圆筒的高，φA是半圆筒的内径，D是半圆筒的厚，n是槽数，e是槽距、g是槽宽，h是槽深，B是电极引出孔直径，L、A、D、B、h、n、e、g的取值与圆型电热体相同。

附图(11)是管型电热体基体的外型图，附图(12)是其侧视图，L为管长，A为管内径，D为管壁厚，L、A、D、n、e、g、h的取值范围与半圆筒电热体相同。

附图(13)是坩埚型电热体基体的外型图，L为坩埚高，φA的坩埚内径，D为壁厚，L、A、D、n、e、g、h的取值范围与管型相同。

附图(14)为一体化型电热体的结构图，5是被加热器；6是保护加固层，7是绝缘支架；8是电热丝；9是导热耐温涂料；10是电源电极；11是热电偶；12是保温层。L是高，A是内径，D为壁厚，A、L、D的取值范围与独立器件型中坩埚型的取值范围相同。

附图(15)为炉内参数控制曲线，T实线为温度控制曲线；N₂虚线为氮气浓度控制曲线；O₂点线为氧气含量曲线。

附图(16)为制作流程方框图。

Claims (8)

1.一种导热耐温复合电热体，其主要特征是用碳化硅或氮化硅结合碳化硅等高导热率耐高温材料烧制成带有设定沟槽和电极引出孔的复合电热体基体，将所需功率的电热合金丝或带沿槽沟平直安装在槽内，并通过电极引出孔安装供电电极，然后用导热耐温胶泥将槽沟和引出孔部位填平，将电热丝或带封埋在槽内，再经烘烤烧结或室温固化而制成。

2.根据权利要求1所述的复合电热体，其特征在于电热体的外表面可以再涂刷一层增强辐射的涂料及防护涂料。

3.根据权利要求1所述的复合电热体，其特征在于电热体分为平面圆型、曲面圆型、平板方型、半圆筒型、管型和坩埚型六种基型系列。

4.根据权利要求3所述的6种复合电热体基型系列，其特征在于它们的长或高L及直径A取10mm至2000mm之间值，它们的宽W取5mm至1500mm之间值，厚度D取1mm至200mm之间值，槽深h取0.2mm至50mm之间值，槽距e取1mm至200mm之间值，槽数n取3至300之间值，槽宽g取0.2mm至20mm之间值，中心孔直径C取0至50mm之间值，电极引出孔直经B取0.2至50mm之间值。

5.一种制造导热耐温复合电热体的方法，其主要特征是以碳化硅作为基料，加上结合剂，添加剂，用生料粘合剂将它们搅拌粘合成胶泥状，在成形模具中通过机械振捣或人工打捣成形为带有设定槽沟和电极引出孔的基体，待基体坯干燥固化以后，送入高温炉中烧结，在烧结好的基体槽沟内安装电热合金丝或带并接上电源电极，而后用导热耐温胶泥填平槽沟，将电热丝封埋在导热耐温体内，然后，烘干烧结或室温固化，最后进行表面处理，可再涂刷一层增强辐射的涂料及防护涂料。

6.根据权利要求5所述的复合电热体的制造方法，其特征在于，硅化硅基料分为粉料和骨料两种组分，骨料用量占基料用量的10％至90％，粉料用量占基料用量的90％至10％，骨料粒度为0.05mm至5mm之间，粉料粒度由0.01μm至125μm之间。

7.根据权利要求5所述的复合电热体的制造方法，其特征在于所用结合剂分为三种剂型，粘土结合型，结合剂为粘土，用量1％至50％，粒度0.01μm至0.1mm；硅石结合型，结合剂为SiO₂，用量1％至50％，粒度0.01μm至0.1mm；氮化硅结合型，结合剂为金属Si粉及石墨粉及烧结炉中的N₂气，用量1％至30％，Si与c的粒度为0.01μm至0.1mm。

8.根据权利要求5所述的复合电热体的制造方法，其特征在于，所用的生料粘合剂分别为Al(H₂PO₄)₃、Al₂(SO₄)₃·18H₂O、硅溶胶、水玻璃，用量为粉料的0％至40％。

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