一种微小型螺绕环式电加热片的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电加热装置技术领域，具体涉及一种能够抑制加热电流产生磁场的微 小型螺绕环式电加热片。
【背景技术】
[0002] 在很多应用情况下需要保持微小磁场环境下进行高精度温度控制，并且在空间有 限制的情况下，对电加热过程中的降低加热电流产生磁场。核磁共振(NMR)通过检测原子系 综内的一种或几种原子核信息，来获取载体转动或环境磁场等目标信息的新兴探测技术。 在核磁共振中所用敏感原子的原子核至少存在一个质子或中子的不成对（即原子量为奇 数，如 129Xe、131Xe、21Ne等）。这类原子核具有的不对称性使得原子核对磁场的影响特别敏感。 因此，核磁共振陀螺仪对磁场的影响特别敏感，外来的无关磁场的变化会影响核磁共振陀 螺仪的精度。而核磁共振陀螺仪为了提高敏感核心碱金属气室内部的碱金属原子的密度， 需要对气室进行电加热。电加热就成为了外来的无关磁场的主要来源，如何降低电加热过 程中带来的外来磁场就显得尤为重要。
[0003] 此外，原子陀螺、原子磁强计、原子钟等等对磁场环境要求特别严格的量子传感器 件，对外来的磁场变化也非常敏感，同样在电加热过程中，需要抑制外来磁场。
【发明内容】
[0004] 针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种能够抑制加热电流产生磁场的微 小型螺绕环式电加热片，为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。
[0005] -种微小型螺绕环式电加热片，该电加热片是将电加热导体以螺绕环式绕制成中 心对称结构，构造闭合磁路，将通过电加热导体的加热电流产生的磁场约束在螺绕环内部， 使电加热片外部不出现加热电流产生的磁场。
[0006] 电加热导体绕制的螺绕环结构横截面为矩形、多边形或其他任意中心对称形状； 电加热片整体结构横截面为圆形、圆角矩形、圆角多边形或其他中心对称结构。
[0007] 所述电加热导体以密绕螺绕环形式绕制在圆环形绕芯上。
[0008] -种微小型螺绕环式电加热片加工方法，该方法为刚性骨架绕制法，在刚性骨架 上刻绕丝定位槽，将带有绝缘薄层的加热导体线绕在刚性骨架上，然后对电加热导体绕环 涂胶压制或者黏贴保护膜层的方式加工成形。
[0009] -种适合柔性PCB工艺加工的螺绕环电加热片，该电加热片包括上层导体条和下 层导体条，该电加热片结构基本形式为双层结构，横截面呈中心对称，上层导体条和下层导 体条倾斜旋进，上层导体条和下层导体条首尾相接，连成螺绕环式结构。
[0010] -种适合柔性PCB工艺加工的螺绕环电加热片，该电加热片还包括导体条焊盘和 和过孔;上层导体条和下层导体条端部加工过孔，过孔镀铜方式连通上层导体条与下层导 体条，上层导体条和下层导体条引出线焊接在导体条焊盘上，与外部连接。
[0011] -种利用柔性PCB工艺加工电加热片的加工方法，所述方法为柔性电加热片加工 法，利用多层柔性PCB加工制成;具体步骤如下：
[0012] 1)依据电加热片几何模型，设计上层导体条和下层导体条刻蚀版图；
[0013] 2)利用湿法刻蚀法或激光刻蚀法，对上层导体条和下层导体条金属箱进行刻蚀；
[0014] 3)将刻蚀后的上层导体条和下层导体条两层导体层进行贴合，贴合方式为耐高温 贴合方式，或耐高温双面胶贴合方式；
[0015] 4)将上层导体条和下层导体条首尾相接；
[0016] 5)将上层导体条和下层导体条的引出线与外部连接，连接方式选择点焊或锡焊工 艺焊接上层导体条和下层导体条的引出线；
[0017] 6)对上层导体条和下层导体条表面进行覆膜保护。
[0018] 所述的利用柔性PCB工艺加工电加热片的加工方法，上层导体条和下层导体条连 接方式为，在上层导体条和下层导体条端部连接处加工通孔，利用电镀工艺对通孔镀铜进 行上层导体条和下层导体条的连接。
[0019] 一种螺绕环电加热片结构的优化设计方法，该方法包括以下步骤：
[0020] 1)将电加热导体假设为沿导体条中心流动的理想电流，对于电加热导体整体结构 的横截面为圆形结构的电加热片，建立电加热导体空间分布的函数表达式：
[0022] 式中：绕线圆环半径R，单位m;圆环中心线半径R〇，单位m;绕线匝数N，参变量t，t取 值范围为〇到2π; Xf，Yf，Zf为电加热导体电流空间分布位置，单位m;对于电加热导体整体结 构的横截面非圆形结构，函数表达式为分段式函数；
[0023] 2)利用毕奥萨伐尔定理，求解计算空间中的磁感应强度分布，以磁感应强度大小 或磁场空间分布均匀性为目标，优化参数Ro、R和N;
[0024] 3)根据电加热片的加热强度、加热频率与目标加热温度的预设目标值，修正参数 1?〇、财刚。
[0025] 所述电加热片的加热强度、加热频率与目标加热温度分别与电加热片螺绕环内部 的磁场强度、加热片的电感和加热片的热值这三个量相对应，修正参数Ro、R和N时，可通过 改变电加热片螺绕环内部的磁场强度、加热片的电感和加热片的热值的方式实现电加热片 的加热强度、加热频率与目标加热温度的调整。
[0026] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0027] 本发明利用螺绕环式电流分布构造闭合的磁路，约束加热电流产生的磁场分布于 绕线环内部，从而达到外部无磁场的效果。
[0028] 本发明可以降低磁场对核磁共振陀螺仪的影响，提高核磁共振陀螺仪的精度。
[0029] 本发明还可以用于极低磁场环境要求下的加热，如航天、医疗等对磁场有特殊要 求的情况，特别是可以应用于原子陀螺、原子磁强计、原子钟等对磁场环境要求特别严格的 量子传感器件，其作用是在将其敏感核心碱金属气室加热到特定温度并抑制加热电流的带 来的磁场。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明一种基本的螺绕环式电加热片结构示意图；
[0031] 图2是本发明螺绕环电加热片轴向中心截面的磁场分布示意图；
[0032] 图3是本发明一种绕线环横截面为矩形的电加热片结构示意图；
[0033] 图4是本发明一种绕线环为圆角矩形的螺绕环电加热片结构示意图；
[0034] 图5是本发明一种适合柔性PCB工艺加工的螺绕环电加热片结构的示意图；
[0035]图中：1_上层导体条、2-导体条焊盘、3-下层导体条、4-过孔。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明一种微小型螺绕环式电加热片作详细说 明。
[0037] 本发明一种微小型螺绕环式电加热片，将电加热导体以螺绕环式绕制成中心对称 结构，构造闭合磁路，将通过电加热导体的加热电流产生的磁场约束在螺绕环内部，使得电 加热片外部不出现加热电流产生的磁场。
[0038] 如图1和图2所示，本发明一种基本的螺绕环式电加热片结构，为密绕螺绕环的形 式。圆环形的芯子上均匀而紧密地绕有N匝线圈，若线圈中通以电流I，因为线圈的几何形状 为中心对称，螺绕环线圈内部的磁力线都是一些同心圆，而且在同一条磁力线上磁场强度 都相等，并与磁力线的方向一致，构成闭合的磁力线，这就构成了一个闭合的磁路，磁场会 集中分布在线圈的内部，而线圈的外部磁场为零。在如图2所示的坐标系内，磁场强度空间 分布为：
[0040] 式中：霧为磁感强度，单位Τ;μ〇为空气的磁导率，以〇 = 431\1〇1/!11』为线圈匝数；1 为电流强度，单位A，r为环形封闭磁力线的半径，单位m。
[0041] 当利用本发明加热对象时，如核磁共振陀螺仪用的碱金属气室，置于绕线环外部 时将不会感受到电加热片加热电流产生的磁场。
[0042] 本发明电加热导体绕制的螺绕环结构的横截面为中心对称结构，并不限于圆形截 面，可以根据实际使用需要，设置为矩形、多边形或其他任意中心对称形状，螺绕环结构的 截面形状并不会对闭合磁路的构造产生影响，因此，也不会对加热电流产生的磁场分布产 生影响。图3给出了一种绕线环横截面为矩形的电加热片结构。
[0043] 本发明电加热片结构的横截面为中心对称结构，但当电加热片结构的横截面不是 圆形时，其会在拐角或者曲率发生变化的局部产生漏磁现象，会导致加热电流产生的磁场 无法全部约束在螺绕环内部，对于磁场环境要求较低的使用环境，这种漏磁现象是可以忽 略的，但对于磁场环境要求较高的使用环境，为了减弱漏磁现象，电加热片结构的横截面最 好为圆形，也可以是中心对称的多边