温控型组装式蜂窝陶瓷红外发热模块的制作方法

文档序号:4441486阅读:182来源:国知局
专利名称:温控型组装式蜂窝陶瓷红外发热模块的制作方法
技术领域
本发明涉及发热装置,更具体地说是蜂窝陶瓷红外发热装置,是用于吸塑机中的 发热装置。
背景技术
蜂窝陶瓷红外发热模块是一种应用在吸塑机中的发热装置,蜂窝陶瓷红外发热装 置虽然相比于更早前的仅靠缠绕电阻丝于耐火耐瓷盘的方式有所改进,但效率的提高很有 限。实际表明,已有的蜂窝陶瓷发热砖存在着效率不高、辐射温度不够等问题,如果进一步 提高辐射温度必将导致功率的增加,这不仅损失效率,而且大大缩短了发热元件的寿命。已有结构形式的蜂窝陶瓷发热砖也在以下方面存在问题因不能准确测量发热砖表面温度,无法实现实时的闭环温度控制,不能满足要求 较高的全自动吸塑机的应用;蜂窝陶瓷发热砖为整体烧结,当发热元件(电阻丝)损坏后就必须报废整个发热 砖,原本可以进行再生利用的部分也随之被弃,而就这些部分本身在制造过程中需要耗费 相当的电能或热能进行烧结,因此显然造成了浪费,包括能源和资源两方面的浪费都较大。

发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处,提供一种温控型组装式蜂窝陶 瓷红外发热模块,以期能够独立更换构件,提高效率,降低使用成本,延长使用寿命。本发明解决技术问题采用如下技术方案本发明温控型组装式蜂窝陶瓷红外发热模块的结构特点是发热模块壳体的结构设置为分体设置围板、后盖板和带有蜂窝孔的蜂窝陶瓷面 板,所述后盖板与围板通过陶瓷螺栓固定连接;所述蜂窝陶瓷面板扣入围板的内周;在所述壳体内,发热丝层设置在所述蜂窝陶瓷面板的背部,自发热丝层至后盖板 依次设置的各结构层分别为陶瓷盖板、二氧化硅气凝胶绝热层、中间绝热层、第二绝热层 以及红外反射绝热层;在所述后盖板与各结构层中,贯穿设置有测温孔,测温热电偶设置在所述测温孔 中,所述测温热电偶的感温端抵于发热丝层的表面。设置所述蜂窝陶瓷面板与陶瓷盖板构成对合结构,以对合结构形成盒体,所述陶 瓷面板上设置有定位槽,所述发热丝层嵌合在所述定位槽中。在所述后盖板上,位于其内侧的外周有一凸沿,所述后盖板是以其凸沿与围板通 过陶瓷螺栓固定连接。所述发热丝层的连接导线以及测温热电偶的信号线分别在后盖板中引出。设置h/Φ = 2. 5 4. 1,其中,h为所述蜂窝陶瓷面板的厚度,Φ为所述蜂窝陶瓷 面板上的蜂窝孔的孔径。所述红外反射绝热层是在石英基底表面形成有纳米材料的红外反射膜。
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所述红外反射膜是以纳米Ti02_Si02为原料,按重量比设定Si Ti的用量为 1 1,所述红外反射膜的折射率为1.2-1.6。所述红外反射膜是将纳米Ti02_Si02原料通过喷涂法或凝胶法在石英基底表面 成型。所述发热丝层采用镍铬合金丝Cr20Ni80,并对所述镍铬合金丝进行预氧化处理, 所述预氧化处理是将安装完毕的红外发热模块通电加热到300-400°C并保温5-10小时,然 后自然冷却。与已有技术相比,本发明有益效果体现在1、本发明为组装式结构,各构件可独立更换,消除了不必要的浪费。2、本发明针对每一发热模块分别设置测温热电偶,可以准确测量发热砖的表面温 度,以利于实现实时的闭环温度控制,满足要求较高的全自动吸塑机的应用;3、本发明热损失小、热效率高、节能效率显著,较之已有技术,节能可达30%以上。4、本发明在减小热损失的同时,有效保护了设备,延长设备使用寿命,降低使用成 本。


图1为本发明内部结构示意图。图2为本发明背部结构示意图。图3a为本发明中蜂窝陶瓷面板主视示意图。图3b为图3a的A-A剖视图。图4a为本发明中陶瓷盖板主视示意图。图4b为图4a的B-B剖视图。图5为本发明中蜂窝陶瓷面板与陶瓷盖板的对合结构示意图。图6为本发明中蜂窝陶瓷面板中蜂窝结构示意图。图7为本发明中温度分布曲线。图中标号1蜂窝陶瓷面板、Ia定位槽、Ib纵向凸筋、Ic散热孔、2发热丝层、3陶瓷 盖板、4 二氧化硅气凝胶绝热层、5后盖板、6第二绝热层、7中间绝热层、8红外反射绝热层、 9测温热电偶、10陶瓷螺栓、11围板。
具体实施例方式参见图1、图2,本实施例发热模块壳体的结构设置为分体设置围板11、后盖板5 和蜂窝陶瓷面板1,后盖板5与围板11通过陶瓷螺栓10固定连接;蜂窝陶瓷面板1扣入围 板11的内周;在壳体内,发热丝层2设置在蜂窝陶瓷面板1的背部,自发热丝层2至后盖板5依 次设置的各结构层分别为陶瓷盖板3、二氧化硅气凝胶绝热层4、中间绝热层7、第二绝热 层6以及红外反射绝热层8 ;在最靠近发热部件的区域温度为最高,本实施例中,采用了与蜂窝陶瓷面板1的 材质相同的陶瓷盖板3作为多层绝热的第一道高温热屏障,兼具固定发热丝的作用;在陶 瓷盖板3上无间隙覆盖一层厚度为3mm的二氧化硅气凝胶绝热层4,二氧化硅气凝胶绝热层
44具有高热阻、低热容,其强度高、密度低、耐高温,并且导热系数极低、疏水、不可燃、绿色环 保、耐腐蚀,常温下导热系数为0. 015 (w/m · k)。中间绝热层7用于屏蔽从二氧化硅气凝胶绝热层4传导过来的热量,选用市售低 导热的硅酸盐复合绝热毡,其对流和热辐射值小、综合绝热效率高,在实施例中体现出良好 的绝热性能,尤其是它的导热系数比较平稳,适应温区较宽,密度小、导热系数低、热稳定性 好、使用温度较高、吸湿率较小、氯离子含量低、具有一定的抗拉强度、加工性能好等特点, 使产品性价比得以大幅度提高。第二绝热层6选用KN纳米微孔绝热材料,它具有很低的热传导率,体密度为 330kg/m3,100°C时导热系数为 0. 020ff/m. K。本实施例中,红外反射绝热层8是在石英基底表面形成有纳米材料的红外反射 膜,红外反射膜是以纳米Ti02-Si02为原料、控制合适的Si-Ti比,以调节使得薄膜的折射 率在1.2-1. 6之间,本实施例中按重量比选用Si Ti为1 1的用量,以喷涂法或凝胶法 在石英基底表面形成红外反射膜,辐射到红外反射膜表面的红外线可望有80% -90%甚至 更高地被反射回来,以红外反射绝热层8上的红外反射膜形成一道高质量的热屏障,热量 不致被散发出去,一方面可以大大提高热效率,另一方面也有效保护了设备,延长设备使用 寿命;采用多层组合的绝热结构后可以最有效地利用各层的热物理性能,适于高温区域 的材料和适于中温、低温区域的绝热材料均可各得其所地发挥作用,既做到了使产品具有 良好的节能性能,又可使产品达到最佳的性价比。本实施例中,在后盖板5与各结构层中,贯穿设置有测温孔,测温热电偶9设置在 测温孔中,测温热电偶的感温端抵于发热丝层2的表面。在后盖板5上,位于其内侧的外周有一凸沿,后盖板5是以其凸沿与围板11通过 陶瓷螺栓固定连接,如果需要更换电热丝,则可以打开陶瓷螺栓,取出对合式蜂窝并更换其 中损坏的发热部件,其余部分可多次使用,节约了材料和成本。发热丝层2的连接导线以及测温热电偶9的信号线分别在后盖板5中引出,反映 被测温度的热电偶电势由信号线引出后接于控制用单片机输入端以实现温度自动控制。本实施例中设置所述蜂窝陶瓷面板1与陶瓷盖板3构成对合结构,以形成盒体,盒 体内以平行设置在蜂窝陶瓷面板ι上的各道纵向凸筋Ib形成定位槽la,发热丝层2嵌合在 定位槽Ia中,蜂窝孔位于定位槽Ia的所在位置处,在各道纵向凸筋Ib上,均勻分布有各散 热孔lc。本实施例中采用盒式蜂窝,电热丝被置入盒体内的定位槽中,既相当于增加了一道 绝热层,又可以使电热丝紧卡于槽内,不受电磁力抖动的扰动,非常可观地增加了电热丝的 使用寿命。蜂窝陶瓷面板的材质为多孔性工业用陶瓷,目前市售的该材质主要是由堇青石 (2Mg0. 2AL203. 5Si02)、钛酸铝(AL2Ti05)、莫来石(3AL203. 2Si02)和刚玉(AL203)复合而 成,其内部有许多贯通的蜂窝形状的平行通道,其功能是消除发热模块表面的热扰动,抑制 对流、减少热损失,可以大大改善热流的均勻分布,使发热元件产生的热量主要通过远红外 在一定的角度范围内向受热体辐射,具有热阻小、导热性能好、耐热冲击强等综合优点。具体实施中,基于热力学原理,采用CFD软件对蜂窝结构模型进行模拟计算,采用 连续性方程、动量方程、能量方程及标准k- ε方程建立蜂窝传热的数学模型,运用FLUENT 软件对模型进行求解。通过求解得到了蜂窝传热的详尽信息,特别是针对较大孔径对合式蜂窝结构中对流_辐射耦合的传热计算和针对蜂窝结构抑制对流、减少热损失效应进行的 多轮试验研究,确立了在吸塑机使用条件下,对合式蜂窝几何尺寸的最佳比例为h/Φ = 2. 5 4. 1,其中,h为蜂窝陶瓷面板的厚度,Φ为蜂窝陶瓷面板上蜂窝的孔径,如图6所示。模块后盖板5和围板11是以高强度二氧化硅和三氧化二铝复合材料烧制而成的 陶瓷板,盖板和外壳的装配采用陶瓷螺栓及螺孔工艺,既考虑到元件的绝热性能,又增加了 电气绝缘的可靠性,陶瓷螺栓的装卸极为方便,便于发热部件的维修及有用部分的回收和 再利用。本实施例中,发热丝层2采用镍铬合金丝Cr20Ni80(6J20),为延长使用寿命,本实 施例中,对于镍铬合金丝进行预氧化处理,是将安装完毕的红外发热模块在干燥的空气中 通电加热到300-400°C并保温5-10小时,然后自然冷却。试验表达,本实施例中蜂窝陶瓷面板1与陶瓷盖板3构成对合结构,以及蜂窝结 构的设置具有理想的热辐射角度,非常适宜于吸塑机及需要一定距离烘烤的加热设备的使 用,其经过优化计算的烘烤温度分布如图7所示,图中纵坐标为距发热模块中轴线170mm平 面上的烘烤温度T,以相对值表示,设中轴线处的温度为100% ;横坐标为17mm平面上沿模 块长度方向两侧的温度分布衰减曲线。正是这一温度分布曲线及其红外辐射角度大大提高 了发热模块阵列的烘烤温度,相对于加工同一产品,阵列所需模块数将可望明显减少,从而 可在模块本身节能的基础上,由于减少模块数量使吸塑机额外地实现节能。
权利要求
温控型组装式蜂窝陶瓷红外发热模块,其特征是所述发热模块的壳体的结构设置为分体设置围板(11)、后盖板(5)和带有蜂窝孔的蜂窝陶瓷面板(1),所述后盖板(5)与围板(11)通过陶瓷螺栓固定连接;所述蜂窝陶瓷面板(1)扣入围板(11)的内周;在所述壳体内,发热丝层(2)设置在所述蜂窝陶瓷面板(1)的背部,自发热丝层(2)至后盖板(5)依次设置的各结构层分别为陶瓷盖板(3)、二氧化硅气凝胶绝热层(4)、中间绝热层(7)、第二绝热层(6)以及红外反射绝热层(8);在所述后盖板(5)与各结构层中,贯穿设置有测温孔,测温热电偶(9)设置在所述测温孔中,所述测温热电偶(9)的感温端抵于发热丝层(2)的表面。
2.根据权利要求1所述的温控型组装式蜂窝陶瓷红外发热模块,其特征是设置所述蜂 窝陶瓷面板(1)与陶瓷盖板(3)构成对合结构,以对合结构形成盒体,所述陶瓷面板(1)上 设置有定位槽(Ia),所述发热丝层(2)嵌合在所述定位槽(Ia)中。
3.根据权利要求1所述的温控型组装式蜂窝陶瓷红外发热模块,其特征是在所述后盖 板(5)上,位于其内侧的外周有一凸沿,所述后盖板(5)是以其凸沿与围板(11)通过陶瓷 螺栓(10)固定连接。
4.根据权利要求1所述的温控型组装式蜂窝陶瓷红外发热模块,其特征是所述发热丝 层⑵的连接导线以及测温热电偶(9)的信号线分别在后盖板(5)中引出。
5.根据权利要求1所述的温控型组装式蜂窝陶瓷红外发热模块,其特征是设置h/Φ= 2. 5 4. 1,其中,h为所述蜂窝陶瓷面板(1)的厚度,Φ为所述蜂窝陶瓷面板(1)上的蜂窝 孔的孔径。
6.根据权利要求1所述的温控型组装式蜂窝陶瓷红外发热模块,其特征是所述红外反 射绝热层(8)是在石英基底表面形成有纳米材料的红外反射膜。
7.根据权利要求6所述的温控型组装式蜂窝陶瓷红外发热模块,其特征是所述红外反 射膜是以纳米Ti02-Si02为原料,所述红外反射膜的折射率为1.2-1.6。
8.根据权利要求7所述的温控型组装式蜂窝陶瓷红外发热模块,其特征是所述红外反 射膜是将纳米Ti02-Si02原料通过喷涂法或凝胶法在石英基底表面成型。
9.根据权利要求1所述的温控型组装式蜂窝陶瓷红外发热模块,其特征是所述发热丝 层(2)采用镍铬合金丝Cr20Ni80,并对所述镍铬合金丝进行预氧化处理,所述预氧化处理 是将安装完毕的红外发热模块通电加热到300-400°C并保温5-10小时,然后自然冷却。
全文摘要
本发明公开了一种温控型组装式蜂窝陶瓷红外发热模块,其特征是所述发热模块壳体的结构设置为分体设置围板、后盖板和带有蜂窝孔的蜂窝陶瓷面板;在壳体内,发热丝层设置在蜂窝陶瓷面板的背部,自发热丝层至后盖板依次设置的各结构层分别为陶瓷盖板、二氧化硅气凝胶绝热层、中间绝热层、第二绝热层以及红外反射绝热层;在后盖板与各结构层中贯穿设置有测温孔,测温热电偶设置在测温孔中,测温热电偶的感温端抵于发热丝层的表面。本发明期能够独立更换构件,提高效率,降低使用成本,延长使用寿命。
文档编号B29C51/10GK101913247SQ20101025042
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者余世杰, 华青梅, 张培山, 杜贤平 申请人:安徽鑫阳能源开发有限公司
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