專利名稱：電鍋爐加熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種管狀電鍋爐加熱元件，與面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層、面復(fù)合電極有關(guān)，它屬于一種節(jié)能、長壽命、快速啟動、結(jié)構(gòu)合理、制造成本極低的電鍋爐加熱元件。
背景技術(shù)：
沿用了上百年歷史的電熱絲元件始終在電鍋爐行業(yè)占絕對統(tǒng)治地位，約96％以上的電鍋爐采用電熱絲為電發(fā)熱體制成的電熱管作為電鍋爐加熱元件。這種電鍋爐加熱元件的功率密度通常高達(dá)20-60瓦/平方厘米，在這樣高的功率密度下通電加熱，造成了一系列難以克服的性能缺陷，如耗電極高(俗稱電老虎)、壽命較短(工作壽命僅2000-5000小時)、加熱不均勻(電鍋爐元件表面易結(jié)水垢)、需經(jīng)常維修更換電鍋爐加熱元件(電熱絲工作溫度高，造成電熱管超溫爆裂，導(dǎo)致電鍋爐維修費(fèi)用較高)。電鍋爐行業(yè)共同認(rèn)知的理論和實(shí)踐是電鍋爐加熱元件的性能/壽命與加熱元件的功率密度成反比，就是說“電鍋爐加熱元件的功率密度越低，其性能/壽命就越好”。但降低電熱絲加熱元件的功率密度就意味著若干倍的提高元件成本和元件體積。國外采用耐高溫氧化的特殊鋼種和精度極高的電熱絲拔絲技術(shù)，雖然加熱元件體積降下來了，但加熱元件成本仍比普通電熱絲鍋爐元件高出5-10倍。這是電鍋爐行業(yè)延續(xù)至今一直未能解決的技術(shù)難題。也就是說，電鍋爐行業(yè)至今仍未能開發(fā)出替代電熱絲元件的新型電鍋爐加熱元件。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提出一種不采用電熱絲作為電發(fā)熱體的新型電鍋爐加熱元件。本實(shí)用新型采用金屬管作為管狀底材，在管狀底材的內(nèi)/外表面制備絕緣防腐層，在管狀底材外表面的絕緣防腐層上面，相繼制備界面過渡層、面復(fù)合電極、面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層，通過電極環(huán)卡與電源連接。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)原理本實(shí)用新型采用無縫、薄壁金屬管作為管狀底材。絕緣防腐層的作用是(1)將金屬管與管內(nèi)的水隔絕，起到防腐蝕和防漏電的作用；(2)作為面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層的絕緣底層；界面過渡層的作用是提高面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層的牢固度，防止在通電加熱和斷電冷卻的反復(fù)冷熱循環(huán)中，面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層因膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生微觀裂紋(甚至剝落)；面復(fù)合電極的作用是導(dǎo)入和引出電流(與電源連接)，使面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層的電流分布更均勻；面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層的作用是在電流通過時，直接將電能轉(zhuǎn)換成熱能，并經(jīng)界面熱傳導(dǎo)的方式，將熱能直接傳導(dǎo)給管內(nèi)流動的水。本實(shí)用新型的特點(diǎn)是管狀加熱元件外表面的整個瓷質(zhì)電熱層既是加熱面，又是界面導(dǎo)熱面，這是電熱絲根本無法實(shí)現(xiàn)的一體化的復(fù)合面加熱方式，是目前公認(rèn)的具有“單向?qū)嵝浴?單向?qū)嵯禂?shù)高達(dá)0.98以上)的加熱方式(電熱絲屬于非緊密接觸的點(diǎn)/線加熱方式，不具有單向?qū)嵝?，熱效率較低)。具有加熱面積大(加熱元件功率密度大幅降低，達(dá)到電熱絲元件無法實(shí)現(xiàn)的0.2--8瓦/平方厘米的極優(yōu)化的低功率密度)，導(dǎo)熱界面大、導(dǎo)熱熱阻小(導(dǎo)熱速率接近無窮大)等技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了向管內(nèi)的“平衡加熱”(加熱元件無需工作在高溫下，很低的溫度梯度即能實(shí)現(xiàn)向管內(nèi)的、接近無窮大的導(dǎo)熱速率)。上述獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，使本實(shí)用新型在性能方面實(shí)現(xiàn)了重大突破，熱效率高達(dá)98％以上(節(jié)電達(dá)30％以上)，工作壽命長達(dá)10萬小時以上，超低的工作溫度(熱元件工作溫度僅比管內(nèi)水溫高30-50度，全無“紅熱明火”，基本無需保溫隔熱結(jié)構(gòu)，可大幅減小電鍋爐體積)，因此，本實(shí)用新型是電鍋爐行業(yè)理想的更新?lián)Q代電加熱元件。
本實(shí)用新型制造方法本實(shí)用新型采用無縫、薄壁金屬管(長度不限)作為管狀底材。在承受水壓達(dá)標(biāo)的情況下，金屬管的壁厚應(yīng)盡可能薄一些(壁厚0.3-2.0毫米)，這樣有利于傳熱。
本實(shí)用新型采用涂制/燒結(jié)工藝制備絕緣防腐層。絕緣防腐層的材質(zhì)選擇無機(jī)硅酸鹽瓷釉或類似材質(zhì)，涂制/燒結(jié)工藝參照硅酸鹽瓷釉的制備工藝，為防止毛細(xì)孔，絕緣防腐層可重復(fù)制備直至經(jīng)檢驗(yàn)沒有毛細(xì)孔為合格。
本實(shí)用新型的界面過渡層采用印刷/燒結(jié)工藝制備在管狀底材外部的絕緣防腐層表面，界面過渡層的材質(zhì)和制備工藝采用“硅基標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料和標(biāo)準(zhǔn)工藝”制備，界面過渡層的厚度為0.1--0.6毫米。
本實(shí)用新型的面復(fù)合電極是銀基電極，采用銀基電極的標(biāo)準(zhǔn)印刷/燒結(jié)工藝制備在界面過渡層表面的適當(dāng)部位，面復(fù)合電極的導(dǎo)電界面應(yīng)匹配元件的工作電流強(qiáng)度。面復(fù)合電極的方塊電阻為0.01--0.0001歐姆/方塊，寬度為3--20毫米，厚度為0.1--0.8毫米(形狀和長度適當(dāng))。
本實(shí)用新型的面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層采用“碳/硅基標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料和標(biāo)準(zhǔn)工藝”制備在界面過渡層表面，同時搭接在面復(fù)合電極上，與面復(fù)合電極的搭接界面應(yīng)能承受工作電流。面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層的方塊電阻為3-120歐姆/方塊，功率密度為0.1--8瓦/平方厘米，厚度為0.05--0.8毫米(形狀適當(dāng))。
本實(shí)用新型通常采用電極環(huán)卡(國家標(biāo)準(zhǔn)允許時，可采用焊接方式)與電源連接(普通交流或直流、低壓或高壓電源)；根據(jù)國家安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，可在面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層表面的適當(dāng)部位安裝控溫器，以實(shí)現(xiàn)自動限溫保護(hù)；面復(fù)合電極/面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層與管狀底材之間的耐壓、泄漏電流應(yīng)符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)；管狀底材設(shè)有接地點(diǎn)，其接地方式和接地電流應(yīng)符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)。
本實(shí)用新型的有益效果●實(shí)現(xiàn)了一體化的復(fù)合面加熱方式，單向?qū)嵯禂?shù)高達(dá)0.98以上，熱效率高，節(jié)電效果顯著(達(dá)30％以上)；●本實(shí)用新型熱惰性小、熱啟動快、具有快熱快冷的特性，通水通電5-8分鐘即可連續(xù)供給熱水，斷電后的余熱很小，冷卻很快；●采用金屬管狀底材，承壓性、耐沖擊性、導(dǎo)熱性、底材的工作壽命、安全性更好；●絕緣防腐層、界面過渡層、面復(fù)合電極、面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層均采用無機(jī)/硅酸鹽材料制成，絕無有機(jī)高分子材料，長期使用不老化、不變質(zhì)，性能穩(wěn)定，使用壽命極長(達(dá)10萬小時以上)；●全部基礎(chǔ)材料均為普通化工原料(絕無稀貴材料)，因此，本實(shí)用新型的制造成本很低，平均約為6元-12元/千瓦元件，具有極強(qiáng)的市場競爭力(在經(jīng)濟(jì)方面完全可以和電熱絲元件競爭)；●采用本實(shí)用新型制造的電鍋爐，在保溫隔熱結(jié)構(gòu)方面可極其簡化，這樣即可減小電鍋爐的整機(jī)體積，又可大幅降低制造成本；●本實(shí)用新型極易實(shí)現(xiàn)元件標(biāo)準(zhǔn)化(加熱元件維修、更換十分方便)，同一種電熱元件，通過串/并聯(lián)，可十分方便的制成不同加熱功率的系列電鍋爐加熱機(jī)芯、進(jìn)而制成系列電鍋爐整機(jī)產(chǎn)品；●本實(shí)用新型的投資費(fèi)用不高，設(shè)計(jì)原理和制造工藝有中級技術(shù)人員既可勝任，生產(chǎn)環(huán)節(jié)的操作工人屬于熟練工種。
●獨(dú)特的優(yōu)越性能、低廉的制造成本使本實(shí)用新型在電鍋爐領(lǐng)域具備了極強(qiáng)的市場競爭力和廣闊的市場前景，在今后的十年中，本實(shí)用新型必將在電鍋爐領(lǐng)域廣泛替代電熱絲加熱元件，而成為新一代節(jié)能/環(huán)保電鍋爐的核心電熱元件。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。


圖1電鍋爐加熱元件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2螺紋鎖緊式外連接結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3法蘭螺紋鎖緊式外連接結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4螺栓/法蘭拉緊式外連接結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.絕緣防腐層，2.電極環(huán)卡，3.面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層，4.接地點(diǎn)，5.面復(fù)合電極，6.界面過渡層，7.管狀底材，8.控溫器絕緣墊，9.面接觸控溫器，10.外連接管件，11.電鍋爐加熱元件，12.外護(hù)套，13.橡膠密封圈，14.絕緣內(nèi)護(hù)套，15.外連接管件，16.法蘭鎖緊件，17.外護(hù)套，18.橡膠密封圈，19.電鍋爐加熱元件，20絕緣內(nèi)護(hù)套，21.外連接管件，22.法蘭，23.外護(hù)套，24.拉緊螺栓，25.電鍋爐加熱元件，26.橡膠密封圈，27.絕緣內(nèi)護(hù)套。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1(
圖1)管狀底材(7)選用長800毫米、直徑50毫米的無縫/薄壁(壁厚1.2毫米)鋼管在管狀底材(7)的內(nèi)/外表面采用涂制/燒結(jié)工藝制備絕緣防腐層(1)，絕緣防腐層(1)的材質(zhì)選擇無機(jī)硅酸鹽瓷釉中可以和金屬直接結(jié)合的柔韌性較好的底釉，為防止毛細(xì)孔，絕緣防腐層(1)可重復(fù)制備(一般2--3遍，每一遍的層厚約為0.10毫米)，直至經(jīng)檢驗(yàn)沒有毛細(xì)孔為合格；在管狀底材(7)外部的絕緣防腐層(1)表面，采用印刷/燒結(jié)工藝制備界面過渡層(6)，界面過渡層(6)的材質(zhì)和制備工藝采用“硅基標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料和標(biāo)準(zhǔn)工藝”制備，其層厚為0.2毫米；面復(fù)合電極(5)采用銀基電極的標(biāo)準(zhǔn)印刷/燒結(jié)工藝制備在界面過渡層(6)表面兩端的適當(dāng)部位，面復(fù)合電極(5)的寬度為15毫米，厚度為0.50毫米，其方塊電阻應(yīng)小于0.0001歐姆/方塊；面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層(3)采用“碳/硅基標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料和標(biāo)準(zhǔn)工藝”制備在界面過渡層(6)的表面，同時與面復(fù)合電極(5)搭接(搭接寬度大于3毫米)，面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層(3)的功率電阻為9.68歐姆，加熱功率為5千瓦(220伏交流電源)，功率密度為4.3瓦/平方厘米；選用0.1毫米人造云母紙(2層)作為控溫器絕緣墊(8)，面接觸控溫器(9)緊密壓接觸(中間有控溫器絕緣墊)在面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層(3)的表面，控溫器的斷電溫度為180-260攝氏度；接地點(diǎn)(4)必須直接與管狀底材(7)的金屬表面焊接牢固；電極環(huán)卡(2)選用0.5毫米銅板、電鍍厚銀層的工藝制備，電極環(huán)卡(2)鎖緊時應(yīng)確保與面復(fù)合電極(5)的環(huán)形表面直接緊密接觸。本實(shí)施例是一種通用的電鍋爐加熱元件，熱效率高達(dá)98％以上，使用壽命10萬小時以上，可廣泛用于各種供熱電鍋爐作為加熱元件。
實(shí)施例(2)(圖2)本實(shí)施例通過外連接管件(10)、外護(hù)套(12)、橡膠密封圈(13)實(shí)現(xiàn)了電鍋爐加熱元件(11)與外部管路的連接。絕緣內(nèi)護(hù)套(14)可提高本實(shí)施例的安全性(國家安全標(biāo)準(zhǔn)允許的情況下，可省去絕緣內(nèi)護(hù)套)。連接管件(10)和外護(hù)套(12)可采用塑料或金屬制成，由螺紋連接并鎖緊，同時將橡膠密封圈(13)壓緊；橡膠密封圈(13)可采用耐熱橡膠(如硅橡膠)；絕緣內(nèi)護(hù)套(14)可采用人造云母紙或耐溫聚酯薄膜制成；本實(shí)施例的技術(shù)參數(shù)是選用長度800毫米、直徑30毫米、壁厚1.0毫米的無縫鋼管作為管狀底材，(絕緣防腐層、界面過渡層、面復(fù)合電極、面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層的材質(zhì)和制備工藝、控溫器參數(shù)均可參照實(shí)施例(1))，本實(shí)施例的技術(shù)參數(shù)加熱功率為4千瓦(220伏交流電源)，功率電阻為12.1歐姆，功率密度為5.73瓦/平方厘米。本實(shí)施例可用于較小管徑的加熱元件。
實(shí)施例(3)(圖3)本實(shí)施例通過外連接管件(15)、法蘭鎖緊件(16)、外護(hù)套(17)、橡膠密封圈(18)完成了電鍋爐加熱元件(19)與外部管路的連接。絕緣內(nèi)護(hù)套(20)用于提高本實(shí)施例的安全性(國家安全標(biāo)準(zhǔn)允許的情況下，可省去絕緣內(nèi)護(hù)套)。外連接管件(15)、法蘭鎖緊件(16)、外護(hù)套(17)可采用塑料或金屬制成，法蘭鎖緊件(16)通過螺紋與外護(hù)套(17)連接并鎖緊，同時將外連接管件(15)與橡膠密封圈(18)壓緊；橡膠密封圈(18)可采用耐熱橡膠(如硅橡膠)制成；絕緣內(nèi)護(hù)套(20)可采用人造云母紙或耐溫聚酯薄膜制成；本實(shí)施例的技術(shù)參數(shù)選用長度1000毫米、直徑60毫米、壁厚1.5毫米的無縫鋼管作為管狀底材，(絕緣防腐層、界面過渡層、面復(fù)合電極、面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層的材質(zhì)和制備工藝、控溫器參數(shù)均可參照實(shí)施例(1))，本實(shí)施例的技術(shù)參數(shù)是加熱功率為10千瓦(220伏交流電源)，功率電阻為4.84歐姆，功率密度為5.64瓦/平方厘米。本實(shí)施例可用于中等管徑的加熱元件。
實(shí)施例(4)(圖4)本實(shí)施例通過外連接管件(21)、法蘭(22)、拉緊螺栓(24)、橡膠密封圈(26)，完成了電鍋爐加熱元件(25)與外部管路的連接。絕緣內(nèi)護(hù)套(27)和外護(hù)套(23)用于提高本實(shí)施例的安全性(國家安全標(biāo)準(zhǔn)允許的情況下可省去)。外連接管件(21)、法蘭(22)可采用塑料或金屬制成，拉緊螺栓(24)通過法蘭(22)將外連接管件(21)拉緊，同時將橡膠密封圈(26)壓緊；橡膠密封圈(26)采用耐熱橡膠(如硅橡膠)制成；絕緣內(nèi)護(hù)套(27)可采用人造云母紙或耐溫聚酯薄膜制成；外護(hù)套(23)可采用塑料或金屬制成。本實(shí)施例的技術(shù)參數(shù)選用長度1000毫米、直徑80毫米、壁厚1.6毫米的無縫鋼管作為管狀底材，(絕緣防腐層、界面過渡層、面復(fù)合電極、面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層的材質(zhì)和制備工藝、控溫器參數(shù)均可參照實(shí)施例(1))，本實(shí)施例的技術(shù)參數(shù)是加熱功率為16千瓦(220伏交流電源)，功率電阻為3.03歐姆，功率密度為6.77瓦/平方厘米。本實(shí)施例可用于較大管徑的加熱元件。
權(quán)利要求1.一種電鍋爐加熱元件，其特征是在管狀底材(7)的內(nèi)/外表面制備絕緣防腐層(1)，在管狀底材(7)外表面的絕緣防腐層(1)上面，相繼制備界面過渡層(6)、面復(fù)合電極(5)、面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電鍋爐加熱元件，其特征是管狀底材(7)為無縫、薄壁金屬管，壁厚為0.3-2.0毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電鍋爐加熱元件，其特征是絕緣防腐層(1)可重復(fù)制備直至經(jīng)檢驗(yàn)沒有毛細(xì)孔為合格。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電鍋爐加熱元件，其特征是界面過渡層(6)的厚度為0.1--0.6毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電鍋爐加熱元件，其特征是面復(fù)合電極(5)的方塊電阻為0.01--0.0001歐姆/方塊，寬度為3--20毫米，厚度為0.1--0.8毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電鍋爐加熱元件，其特征是面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層(3)的方塊電阻為3-120歐姆/方塊，功率密度為0.1--8瓦/平方厘米，厚度為0.05--0.8毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電鍋爐加熱元件，其特征是通過外連接管件(10)、外護(hù)套(12)、橡膠密封圈(13)構(gòu)成了電鍋爐加熱元件與外部管路的連接，連接管件(10)和外護(hù)套(12)由螺紋連接并鎖緊，同時將橡膠密封圈(13)壓緊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電鍋爐加熱元件，其特征是通過外連接管件(15)、法蘭鎖緊件(16)、外護(hù)套(17)、橡膠密封圈(18)構(gòu)成了電鍋爐加熱元件與外部管路的連接，法蘭鎖緊件(16)通過螺紋與外護(hù)套(17)連接并鎖緊，同時將外連接管件(15)、橡膠密封圈(18)壓緊。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電鍋爐加熱元件，其特征是通過外連接管件(21)、法蘭(22)、拉緊螺栓(24)、橡膠密封圈(26)，構(gòu)成了電鍋爐加熱元件與外部管路的連接，拉緊螺栓(24)通過法蘭(22)將外連接管件(21)拉緊，同時將橡膠密封圈(26)壓緊。
專利摘要一種電鍋爐加熱元件，采用金屬管作為管狀底材(7)，在管狀底材(7)的內(nèi)/外表面制備絕緣防腐層(1)，在管狀底材(7)外表面的絕緣防腐層(1)上面，相繼制備界面過渡層(6)、面復(fù)合電極(5)、面復(fù)合瓷質(zhì)電熱層(3)，通過電極環(huán)卡(2)與電源連接，接地點(diǎn)(4)與地線連接，控溫器絕緣墊(8)和面接觸控溫器(9)是為防止水溫超高而設(shè)置的。本實(shí)用新型是一種節(jié)能(30％以上)、長壽命(10萬小時以上)、快速啟動、結(jié)構(gòu)合理、制造成本極低的電鍋爐加熱元件。
文檔編號F24H9/18GK2779311SQ200520011789
公開日2006年5月10日 申請日期2005年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月13日
發(fā)明者尹維平 申請人:尹維平