本發(fā)明涉及厚膜領域，具體為一種覆蓋層具有高導熱能力的厚膜元件。

背景技術：

厚膜技術在上個世紀60年代早期就開始產(chǎn)生了，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，厚膜技術在許多行業(yè)里得到了大量的運用。但厚膜發(fā)熱技術的發(fā)展還不長，厚膜發(fā)熱元件是指在基體上，將發(fā)熱材料制成厚膜，進行通電發(fā)熱的發(fā)熱元件。傳統(tǒng)的加熱方式，包括電熱管加熱和PTC加熱，目前的電熱管加熱和PTC加熱的方式是間接加熱，表現(xiàn)出較低的熱效率，且外形體積大而笨重，從環(huán)保角度來看，這兩種加熱器反復加熱后，不耐臟，不易清潔，且PTC加熱元件中含有鉛等有害物質(zhì)，易氧化，功率會衰減，使用壽命短。

CN2011800393787描述了一種電加熱元件和由該電加熱元件加熱的散熱器的組合；所述加熱元件包括基板、位于所述基板上的絕緣層和位于所述絕緣層上的厚膜導體，其中金屬基板的第二側與散熱器接觸，所述散熱器包括在其朝向加熱器的表面上的金屬材料層，并且其中所述基板被硬釬焊到散熱器，而厚膜導體延伸經(jīng)過的加熱元件的表面基本上等于散熱器的表面。

從上述技術中可以看出厚膜技術已逐漸發(fā)展起來，但是上述厚膜發(fā)熱元件的厚膜導體是通過絕緣層與基板結合的，并不是直接涂覆在基板上，這樣的加熱元件厚膜通電發(fā)熱時不能直接傳熱給基板，會影響發(fā)熱速率；并且上述技術利用外置裝置克服厚膜加熱技術中厚膜散熱不佳的問題，但未針對不同的產(chǎn)品設計特定的材質(zhì)的厚膜加熱元件，來解決厚膜加熱溫度過高而導致散熱不佳的技術問題。真正實現(xiàn)厚膜直接加熱性能的厚膜元件產(chǎn)品卻甚少，尤其是只需要一面加熱情況下的，如何設置一面不傳熱以減少熱損失，設置覆蓋層單面?zhèn)鳠岬暮衲る娐吩诋a(chǎn)品中的應用大大擴寬了加熱產(chǎn)品的開發(fā)，目前出現(xiàn)的加熱厚膜元件還不能能滿足該性能，并且單面?zhèn)鳠岬募訜嵩s很少，或者單面?zhèn)鳠嵝Ч患?，無法做到保持單面具有高導熱能力。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種體積小﹑工作效率高﹑環(huán)保性好﹑安全性能高和使用壽命長的覆蓋層具有高導熱能力的厚膜元件。

本發(fā)明所述厚膜的概念主要是相對薄膜而言的，厚膜是指在載體上用印刷燒結技術所形成的厚度為幾微米到數(shù)十微米的膜層，制造這種膜層的材料，稱為厚膜材料，做成的涂層稱為厚膜涂層。厚膜發(fā)熱體具有功率密度大、加熱速度快、工作溫度高、升溫速度快、機械強度高、體積小，安裝方便、加熱溫度場均勻、壽命長、節(jié)能環(huán)保、安全等眾多優(yōu)點。

本發(fā)明提供覆蓋層具有高導熱能力的厚膜元件，包括載體、涂覆于載體上的厚膜涂層和覆蓋于厚膜涂層上的覆蓋層，所述厚膜涂層為加熱材料，加熱方式為電加熱，其中對所述載體、厚膜涂層以及覆蓋層的選擇為滿足以下每個關系式的材料：

所述200≤a≤10⁴，0<b≤1000，0<c≤5×10⁵；

所述T₂<T_{覆蓋層最低熔點}；

所述T₂<T_{載體最低熔點}；

所述T₀≤30℃

其中所述的值表示所述覆蓋層的傳熱速率；所述的值表示所述厚膜涂層的發(fā)熱速率；所述的值表示所述載體的傳熱速率；

所述λ₁表示所述覆蓋層在T₁時的導熱系數(shù)；所述λ₂表示所述厚膜涂層在T₂時的導熱系數(shù)；所述λ₃表示所述載體在T₃時的導熱系數(shù)；

所述A表示所述厚膜涂層與覆蓋層或者載體的接觸面積；

所述d₁表示所述覆蓋層的厚度；所述d₂表示所述厚膜涂層的厚度；所述d₃表示所述載體的厚度；

所述T₀厚膜發(fā)熱元件的初始溫度；所述T₁表示所述覆蓋層的表面溫度；所述T₂表示所述厚膜涂層的加熱溫度；所述T₃表示所述載體的表面溫度；

所述厚膜涂層的厚度d₂≤50微米；

且10微米≤d₁≤10毫米，d₃≥10微米；

所述T_{載體最低熔點}>25℃；

所述覆蓋層的導熱系數(shù)λ₁≥載體的導熱系數(shù)λ₃；

所述覆蓋層是指通過印刷或者燒結覆蓋在厚膜涂層上面的介質(zhì)層，覆蓋層的面積大于厚膜涂層。

所述載體是指承載厚膜涂層的介質(zhì)層，厚膜涂層通過印刷或者燒結涂覆在載體上，為厚膜元件的涂覆基質(zhì)。

所述導熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側表面的溫差為1度(K，℃)，在1秒鐘內(nèi)(1S)，通過1平方米面積傳遞的熱量，單位為瓦/米·度(W/(m·K)，此處為K，可用℃代替)。

在厚膜加熱元件的電加熱部位，覆蓋層、厚膜涂層以及載體是緊密粘接的，厚膜涂層的兩端連接外接電極，當厚膜涂層通電后，對厚膜涂層進行加熱，電能轉化為熱能，厚膜涂層開始發(fā)熱，厚膜涂層的發(fā)熱速率可以通過檢測得到厚膜涂層的導熱系數(shù)、接觸面積、起始溫度、加熱溫度以及厚度，并運用公式可以計算出來，其中T₂表示厚膜的加熱溫度。

本發(fā)明的技術特征是覆蓋層具有高導熱能力的厚膜發(fā)熱元件，該技術特征要求覆蓋層、載體、厚膜涂層的發(fā)熱速率滿足以下幾個要求：

(1)覆蓋層的傳熱速率與載體的傳熱速率的限定條件滿足如下關系式，即其中200≤a≤10⁴，滿足上述不等式的厚膜元件的覆蓋層傳熱能力大于載體，即覆蓋層的升溫速度快，載體的升溫速度慢，或者達到受熱平衡穩(wěn)定后覆蓋層與載體的溫差較大，總體上是厚膜元件呈現(xiàn)出覆蓋層加熱的技術效果；

(2)厚膜涂層的發(fā)熱速率與覆蓋層的傳熱速率的限定條件滿足如下關系式，即其中0<b≤1000，如果厚膜涂層的發(fā)熱速率比覆蓋層的傳熱速率高出太多，厚膜涂層持續(xù)不斷的積累的熱量不能及時傳導出去，致使厚膜涂層的溫度不斷升高，當溫度超過覆蓋層的最低熔點時，覆蓋層開始融化，甚至燃燒，從而破壞覆蓋層或者載體的結構，損壞厚膜加熱元件；

(3)厚膜涂層的發(fā)熱速率與載體的傳熱速率的限定條件滿足如下關系式，即0<c≤5×10⁵，由于載體的導熱系數(shù)較小，且傳熱速率也較低，如果厚膜涂層的發(fā)熱速率遠遠大于載體的傳熱速率，載體不能及時散熱，厚膜涂層的溫度不斷升高，當加熱溫度超過載體的最低熔點時，載體開始融化或者發(fā)生熱形變，甚至燃燒，從而破壞載體的結構，損壞厚膜加熱元件；

(4)厚膜涂層的加熱溫度不能高于覆蓋層或者載體的最低熔點，需滿足T₂<T_{覆蓋層最低熔點}，T₂<T_{載體最低熔點}，避免加熱溫度過高而損壞厚膜加熱元件。

滿足上述幾個要求，覆蓋層、載體的傳熱速率是由其材料本身的性質(zhì)以及該厚膜元件產(chǎn)品的性能決定：

覆蓋層的傳熱速率計算公式為其中λ₁表示所述覆蓋層的導熱系數(shù)，單位是W/m.k，是由制備覆蓋層的材料的性質(zhì)決定的；d₁是表示覆蓋層的厚度，由制備工藝以及厚膜加熱元件要求決定的；T₁是覆蓋層的表面溫度，是由厚膜加熱元件性能決定的。

載體的傳熱速率計算公式為其中λ₃表示所述載體的導熱系數(shù)，單位是W/m.k，是由制備載體的材料的性質(zhì)決定的；d₃是表示載體的厚度，由制備工藝以及厚膜加熱元件要求決定的；T₃是載體的表面溫度，是由厚膜加熱元件性能決定的；

優(yōu)選的，所述所述載體的導熱系數(shù)λ₃≤3W/m.k，所述覆蓋層的導熱系數(shù)λ₁≥3W/m.k；所述200≤a≤10⁴，10≤b≤1000，10⁴≤c≤5×10⁵。

優(yōu)選的，所述載體與厚膜涂層之間通過印刷或者燒結粘結，所述厚膜涂層與覆蓋層通過印刷或者燒結粘結或者真空吸附。

優(yōu)選的，所述載體與覆蓋層中間沒有厚膜涂層的區(qū)域通過印刷或涂覆或噴涂或和燒結粘結或粘膠粘結。

優(yōu)選的，所述載體包括聚酰亞胺、有機絕緣材料、無機絕緣材料、陶瓷、微晶玻璃、石英、水晶、石材材料、布料、纖維。

優(yōu)選的，所述厚膜涂層為銀、鉑、鈀、氧化鈀、金或者稀土材料中的一種或幾種。

優(yōu)選的，所述覆蓋層為聚酯、聚酰亞胺或聚醚亞胺、陶瓷、硅膠、石棉、云母板、布料、纖維中的一種或幾種制成的。

優(yōu)選的，所述厚膜涂層的面積小于或等于覆蓋層或載體的面積。

本發(fā)明提供的一種厚膜元件的用途，用于覆蓋層發(fā)熱的產(chǎn)品。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明的厚膜元件覆蓋層具有高導熱能力，適用于覆蓋層發(fā)熱的產(chǎn)品，提高傳熱效率，減少無需兩面加熱情況下的熱能損失；適用于當載體能夠涂覆厚膜但導熱系數(shù)非常小的厚膜元件，此時覆蓋層具有高導熱能力能實現(xiàn)單面?zhèn)鳠嵝Ч?/p>

2、本發(fā)明的厚膜元件從用三層結構通過印刷或燒結直接粘接，厚膜涂層通電后對覆蓋層直接加熱，無需在通過其他介質(zhì)，熱能直接傳導給覆蓋層，提高導熱效率，且本發(fā)明覆蓋層是覆蓋在厚膜涂層上，避免了厚膜涂層在通電后漏電問題，提高安全性能；

3、本發(fā)明的厚膜元件是采用厚膜涂層加熱的，涂層的厚度在微米級別，在通電后發(fā)熱速率均勻，且使用壽命長。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明：

本發(fā)明提供一種覆蓋層具有高導熱能力的厚膜元件，包括載體、涂覆于載體上的厚膜涂層和覆蓋于厚膜涂層上的覆蓋層，所述厚膜涂層為加熱材料，加熱方式為電加熱，其中對所述載體、厚膜涂層以及覆蓋層的選擇為滿足以下每個關系式的材料：

所200≤a≤10⁴，0<b≤1000，0<c≤5×10⁵；優(yōu)選的，所述200≤a≤10⁴，10≤b≤1000，10⁴≤c≤5×10⁵；

所述T₂<T_{覆蓋層最低熔點}；

所述T₂<T_{載體最低熔點}；

所述T₀≤30℃

所述厚膜涂層的厚度d₂≤50微米；

且10微米≤d₁≤10毫米，d₃≥10微米；

所述T_{載體最低熔點}>25℃；

所述覆蓋層的導熱系數(shù)λ₁≥載體的導熱系數(shù)λ₃；

下面實施例中給出了本申請人制備的20種厚膜元件，這20種厚膜元件覆蓋層、厚膜涂層、載體的制備材料是選自滿足上述不等式的材料，具體制備方法以及關系如下：

實施例

選用導熱系數(shù)為λ₂的銀漿材料制備厚膜涂層，導熱系數(shù)為λ₃的聚酰亞胺材料制備載體，導熱系數(shù)為λ₁的聚酰亞胺復合材料制備覆蓋層，將三層材料通過燒結粘結，所制備的厚膜涂層的面積為A₂，厚膜涂層的厚度為d₂；覆蓋層的面積為A₁，厚度為d₁；載體的面積為A₃，厚度為d₃。

打開外接直流電源的開關后，給厚膜涂層通電，厚膜逐漸升溫，等到厚膜元件發(fā)熱穩(wěn)定后，測出受熱穩(wěn)定后的覆蓋層和載體的表面溫度，以及厚膜涂層的加熱溫度，通過如下計算公式：計算出覆蓋層和載體的傳熱速率以及厚膜涂層的發(fā)熱速率。

下面表1至表4是本申請人制備的20種厚膜元件，將厚膜元件通電加熱2分鐘后，采用國家標準方法測量得到表中性能數(shù)據(jù)(導熱系數(shù)、表面溫度)，厚度、接觸面積、初始溫度在加熱前測量。

覆蓋層、厚膜涂層、載體導熱系數(shù)的測量方法為：

1.接通電源，調(diào)節(jié)加熱電壓至規(guī)定值，打開儀器6V電源開關，預熱20分鐘；

2.光點檢流計零位校正；

3.根據(jù)室溫校正UJ31型電位差計的標準工作電壓，電位差計轉換開關放在標準位置，調(diào)整電位差計的工作電流；

由于標準電池的電壓隨溫度變化，室溫校正按下式進行計算：

E_t＝E₀－[39.94(t－20)+0.929(t－20)²]

其中，E₀＝1.0186V

4.在薄試件的下部放上加熱板及下部熱電偶；在薄試件的上部放上上部熱電偶。注意熱電偶一定要放在試件的中心位置。熱電偶的冷端放在冰瓶內(nèi)；

5.電位差計轉換開關放在位置1，測出試件的上、下部的初始溫度，要求溫差小于0.004mv(0.1℃)時實驗方可繼續(xù)進行；

6.上部熱電偶的初始熱電勢預先加0.08mv，打開加熱開關開始加熱，同時用秒表計時，當光點檢流計的光點回到零位時，關閉加熱電源。得到上部的過余溫度及加熱時間；

7.過4～5分鐘后測出下部熱電偶的熱電勢，得到下部的過余溫度及時間；

8.電位差計轉換開關放在位置2，打開加熱開關測出加熱電流；

9.實驗結束，關閉電源，整理儀器設備。

溫度的測量方法為：采用熱電偶式溫度計測量，

1、連接感溫線到發(fā)熱部件的發(fā)熱涂層表面、載體表面、覆蓋層表面、室外空氣中。

2、采用額定功率對發(fā)熱體進行通電，測試各個部件的溫度。

3、通過連接的電腦記錄產(chǎn)品各個時間段各個部件的溫度，T₀；T₁；T₂；T_3；

厚度的測量方法為：采用千分尺進行量度，采用堆疊求平均的方式進行測定。

熔點的測量方法具體如下：

檢測儀器:美國TA公司差示掃描量熱儀,型號DSC2920,該儀器經(jīng)檢定合格(A級),檢定依據(jù):JG(教委){014—1996熱分析儀檢定規(guī)程}

1.環(huán)境條件溫度:(20～25)℃,相對濕度:<80％。

2.儀器校準用標準物質(zhì):熱分析標準物質(zhì)(銦),標準429.75K(156.6O)。

3.測量過程:檢測過程參照“GB/T19466.3—2O04/IS0

4.重復測量三次以確保儀器狀態(tài)正常,然后再進行樣品測試；稱樣量:(1～2)nag,準確到0.01mg,置于鋁制樣品盤內(nèi)；檢測條件:以1O℃/min升溫到200℃；重復測量10次；測量模型隨著電腦和儀器采集樣品熔點，測定可以通過對測量數(shù)據(jù)的自動采集和譜圖的程序分析,由熔融吸熱峰的初始外推溫度直接給出測量模型，用貝塞爾公式計算得出測定結果。

表1是檢測實施例1至實施例20中厚膜元件覆蓋層的性能數(shù)據(jù)，具體如下：

表1

表2是檢測實施例1至實施例20中厚膜元件厚膜涂層的性能數(shù)據(jù)，具體如下表2所示：

表2

表3是檢測實施例1至實施例20中厚膜元件載體的性能數(shù)據(jù)，具體如下表3所示：

表3

表4是根據(jù)上述表1/2/3中各性能數(shù)據(jù)，計算得到熱傳導速率數(shù)據(jù)，并將覆蓋層、厚膜涂層、載體三層的傳熱速率數(shù)值大小按比值運算得到滿足本發(fā)明的材料限定條件，即滿足下列關系式：其中200≤a≤10⁴，0<b≤1000，0<c≤5×10⁵；

表4

表4結果表明實施例1至實施例20制備的厚膜元件均滿足不等式，且上述厚膜元件的載體層即覆蓋層具有發(fā)熱功能，兩面溫差在40度以上，實現(xiàn)覆蓋層單面發(fā)熱功能，在產(chǎn)品應用時，只需要厚膜元件在覆蓋層單面加熱的情況下會減少熱損失；在通電兩分鐘后覆蓋層的表面溫度最高能上升到100℃以上，這說明本發(fā)明的厚膜發(fā)熱元件發(fā)熱效率較高。

表5至表8是針對本發(fā)明的厚膜元件的對比例1-10的各性能數(shù)據(jù)，各項數(shù)據(jù)檢測方法跟表1-表4中一樣，具體數(shù)據(jù)如下：

表5

表6

表7

表8

上述表中對比例1-10提供的厚膜元件在選材以及結構不符合本發(fā)明的選材要求，不滿足本發(fā)明的不等式關系，在通電加熱后，對比例1-10的兩面發(fā)熱升溫差別不大，覆蓋層和載體面的發(fā)熱溫差在15℃以下，這種選材設置和制備出來的厚膜元件不符合本發(fā)明的覆蓋層具有高導熱能力厚膜元件的要求，不滿足本發(fā)明產(chǎn)品要求，以此證實本發(fā)明中傳熱速率關系。

將實施例1-20的厚膜元件應用在冬季衣服上，覆蓋層傳熱的一面設于接近人體的方向，厚膜元件的載體面背對著人體，厚膜元件通電發(fā)熱后，只在覆蓋層發(fā)熱。覆蓋層具有高導熱能力的厚膜元件的有益效果是：1)只需要覆蓋層導熱，對載體的導熱性能要求不高，可選擇較寬范圍的材料作為厚膜的涂覆基質(zhì)；2)該厚膜元件的覆蓋層要求非常薄，使厚膜元件更加輕巧，質(zhì)量較輕，置于衣服中更加舒適；3)應用在衣服中，只需要接近人體的一面?zhèn)鳠峒纯?，無需背面也傳熱，這樣避免了背面填充絕熱物質(zhì)，還減少熱損失。而對比例給出的后膜元件兩邊傳熱效果相差不大，應用在覆蓋層單面?zhèn)鳠岬囊路蠒r，會造成熱損失，

且背面還需填充絕熱物質(zhì)，增加成本以及衣服的重量，舒適感降低。

根據(jù)上述說明書的揭示和教導，本發(fā)明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對發(fā)明的一些修改和變更也應當落入本發(fā)明的權利要求的保護范圍內(nèi)。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發(fā)明構成任何限制。