专利名称：防结垢氮化硅陶瓷电热板及制作方法
技术领域：
本发明涉及加热水的电热元件制作技术领域，尤其指一种用于制取热水或饮用开水的防结垢氮化硅陶瓷电热板及制作方法。
背景技术：
现代家用电器中烧热水的发热部件，早期是用电热丝管加热，例如烧开水的电热荼壶、直接插入到暖水瓶中烧水的“热得快”、电热淋浴贮水桶等。后来采用电热膜加热器，如电暖锅、电热保温桶等。近年来大都采用电热陶瓷板加热，如电热淋浴器、即热式水龙头、即热式饮水机等。但消费者在实际使用中发现，这类电热板由于基体采用陶瓷板制成，并且要在瞬间达到高温，尤其是一种即热式饮水机，需要在几秒钟内将水烧开，所以加热板的功率都设计得比较大，因而必然在安全防护、机械强度等方面存在一定难度。近年来市场上的一些即热式饮水机，其电热陶瓷板安全隐患确实较多，如漏电、导线接头脱焊、电热丝断裂、电热板表面易结垢使传热效果降低等等。当然近年来有不少这方面的专利都试图解决这些问题。例如专利号为200910048864.X《氮化硅发热体及其制作方法》，该发明专利在基体制作和原料配方上确有较大的先进性。但经本申请人考察，发现该产品在防止电极与导线的连接处脱焊、电热板表面防结垢方面都存在一些缺陷；另外在原料粉体制备过程中用蒸馏水代替无水乙醇显然易造成烧结时产生汽泡，基体成品中有可能产生气孔，影响基体材质的紧密度。此外氮化硅发热体的钨丝直接引出作电极，钨丝的露出部分易在高温烧结时被氧化，影响焊接质量，或许会产生导电性能不佳或容易断裂。因此有必要对此类陶瓷电热板在原料配方、基体结构、加工工艺上作一番改进。
发明内容
本发明的目的是:为克服上述发热元件存在的缺陷，对氮化硅陶瓷电热板在原料配方、基体结构，加工工艺上进行改进，改善和提高氮化硅陶瓷电热板的导热性、机械强度、安全性能及防结垢功能。本发明解决上述技术问题的技术方案是:防结垢氮化硅陶瓷电热板，包括基体、嵌入在基体内部的螺旋状发热钨丝、钥丝电极、高保护性能的绝缘热缩管、耐高温导线连接组成，所述基体由阿尔法相为93以上的氮化娃粉93% 96%质量、氧化乾粉2% 3%质量、氧化镁粉2% 4%质量，经等静压处理后的粉料烧结而成，其平面形状为一端成“凹”字的矩形，在“凹”字的两个突出部位分别设有与导线连接的钥丝电极；所述钨丝卷成螺旋线并迥旋嵌入在基体内部，所述钥丝电极里段插入钨丝螺旋线内，钥丝电极外端与导线焊接牢固，并在焊接处外围套有绝缘热缩管密封保护(见图1)。防结垢氮化硅陶瓷电热板的制作方法和步骤如下:A、基体制作I)粉料制备:将干燥硅粉放入氮化炉中并充入一定量的氩气200 300L/h，氮气600 1000L/h，氢气100 150mL/min，升温至1200 1300°C，烧结48小时后得到阿尔法相为93以上的氮化硅粉，而后将氮化硅粉93% 96%质量、氧化钇粉2% 3%质量、氧化镁粉2% 4%质量混合后放入镶装有氮化硅内衬层的球磨桶中，加入适量工业用无水乙醇作调和剂，用氮化硅磨球对粉料进行磨制，30小时后倒入容器并放入烘箱烘干后过筛，再用等静压机保压，而后再过筛后成40目颗粒状粉料备用。2)干压成型:取相当于素坯质量二分之一的粉料，倒入模具中刮平，然后将引出段插有钥丝电极的螺旋线钨丝嵌入，再加入另外二分之一质量的粉料，刮平后将上压头放入素还模中，用50t压机将粉料压制成密度为1.65g/cm3的氮化娃素还。3)素坯烧结:将素坯放入定制的石墨模具中，并将多个石墨模具组成叠层，然后将多个叠层放在一起，放入真空热压烧结炉中，经加热加压烧结——从室温开始升温，在50分钟内加热至1000°C，然后用液压机对素坯施加5t压力，再在30分钟内加热至1600°C，然后再加压至30t压力，再在30分钟内升温至1800°C，维持30t压力不变，保温30分钟，在烧结同时应对炉内保持一定的真空度，并当温度升至1200°C后开始充氮气保护，直至烧结完成，待炉温冷却降至室温后将基体逐个取出。B、机械加工I)磨光:将烧结成型后的基体放在平面磨床上进行两面及侧边磨光，表面粗糙度应达到0.1 0.2 μ m，其作用是防止表面结垢，提高基体的传热效率和使用时出水的清洁度。2)焊接:将耐高温导线头部与基体上的钥丝电极引出线焊接牢固。3)密封:在导线与钥丝电极引出线焊接处套上受热后收缩的塑料管即热缩管密封保护。所述钥丝电极与导线焊接的外段直径大于插入至螺旋线钨丝内的连接段直径(见图2、图3)，以提高钥丝电极的导电性能及与导线焊接的强度。本发明有益的是:在粉料制备中加入低成本的工业用无水乙醇作混合调和剂，一是因乙醇挥发较快，二是乙醇可回收重复利用以节约生产成本，三是可防止因使用蒸馏水或纯净水在素坯烧结时产生汽泡引起基体材质疏松等质量问题的发生。另外用钥丝电极插入螺旋线钨丝内，可提高钥丝电极与导线焊接强度；在焊接处外围套有绝缘热缩管密封保护，可防止漏电事故的发生。
图1是本发明陶瓷电热板基体的结构(局部剖视)示意图；图2是本发明钥丝电极外形示意图；图3是本发明钥丝电极插入至螺旋线钨丝内的连接段示意图；图中各部名称及标记:1-基体、2-钨丝、3-钥丝电极、4-热缩管、5-导线。
具体实施例方式如图1所示，本发明防结垢氮化硅陶瓷电热板，包括氮化硅基体1、嵌入在基体I内部的发热钨丝2、钥丝电极3、高保护性能的绝缘热缩管4、耐高温导线5连接组成。所述基体I由阿尔法相为93以上的氮化硅粉93% 96%质量、氧化钇粉2% 3%质量、氧化镁粉2% 4%质量，经等静压处理后的粉料烧结而成，其平面形状为一端成“凹”字形的矩形，在“凹”字的两个突出部位分别设有与导线5连接的钥丝电极3，钥丝电极3里段插入螺旋线钨丝2内，钥丝电极3外端与导线5焊接牢固，并在焊接处外围套有绝缘热缩管4密封保护。防结垢氮化硅陶瓷电热板基体的制作须经过原料制备、干压成型、素坯烧结、磨光、焊接、密封过程，现通过以下实施例进一步详细描述:实施例一:将干燥硅粉放入氮化炉中并充入一定量的氩气200 300L/h，氮气600 1000L/h，氢气100 150mL/min，升温至1200 1300°C，烧结48小时后得到阿尔法相为93以上的氮化硅粉，而后将氮化硅粉95g、氧化钇粉3g、氧化镁粉2g混合后放入镶装有氮化硅内衬层的球磨桶中，加入适量工业用无水乙醇，用氮化硅质磨球对粉料进行磨制，30小时后倒入容器中放入烘箱烘干后过筛，再用等静压机保压。而后过筛后成40目以上颗粒状粉料备用。取相当于素坯质量二分之一的上述粉料，倒入模具中刮平，然后将引出段插入有钥丝电极的螺旋线钨丝嵌入，再加入另外二分之一质量的粉料，刮平后将上压头放入素还模中用50t压机将粉料压制成密度为1.65g/cm3的氮化娃素还。将素还放入定制的石墨模具中，并将多个石墨模具组成叠层，然后将多个叠层放在一起，放入真空热压烧结炉中，经加热加压烧结——从室温开始升温，在50分钟内加热至1000°C，然后对素坯施加5t压力，再在30分钟内加热至1600°C，再加压至30t压力，在30分钟内升温至1800°C，维持30t压力不变，保温30分钟。在烧结同时应对炉内保持一定的真空度，在当温度升至1200°C后开始充氮气保护，直至烧结完成，待炉温冷却降至室温后将基体逐个取出。然后将基体在平面磨床上进行两面及侧边磨光，表面粗糙度应达到0.1 0.2 μ m。磨光的作用是防止基体表面结垢，提高传热效率和出水的清洁度。而后将耐高温导线与基体上的钥丝电极外端焊接牢固，并在导线头与钥丝电极的焊接处套上受热后收缩的塑料管即热缩管密封保护，得到防结垢氮化硅陶瓷电热板成品。实施例二:制作方法和步骤与实施例一相同，不同的是素坯制作用氮化硅粉96g、氧化钇粉2g、氧化镁粉2g加入纯净水作混合调和剂，结果制成品在高倍显微镜下发现少量微小气孔，经测试绝缘性能、机械强度有些下降。实施例三:制作方法和步骤与实施例一相同，不同的是素坯制作用氮化硅粉94g、氧化钇粉3g、氧化镁粉3g，加入工业用无水乙醇作混合调和剂，结果制成品在高倍显微镜下未发现微小气孔，但磨光后表面光滑度不及实施例一。从上述各实施例可以看出，以实施例一配方为最佳，制成的防结垢氮化硅陶瓷电热板内部无微小气孔，强度和耐高温断裂韧性较高，绝缘性能好；磨光后表面光滑，水中沉淀粒子较难附着，长期使用而不会结垢；粉料制备的混合调和剂用可回收的工业用无水乙醇，不但能降低生产成本，并且可防止因使用蒸馏水或纯净水在烧结时易产生汽泡造成基体材质疏松质量问题的发生。
权利要求
1.一种防结垢氮化硅陶瓷电热板，包括氮化硅基体(I)、嵌入在基体(I)内部的螺旋线发热钨丝(2)、钥丝电极(2)、高保护性能的绝缘热缩管(4)、耐高温导线(5)连接组成，其特征是所述基体(I)由阿尔法相为93以上的氮化硅粉93% 96%质量、氧化钇粉2% 3%质量、氧化镁粉2% 4%质量，经等静压处理后的粉料烧结而成，其平面形状为一端成“凹”字的矩形，在“凹”字的两突出部位分别设有与导线(5)连接的钥丝电极(3)，所述钥丝电极(3)里段插入至卷成螺旋线的钨丝(2)内，所述钥丝电极(3)外端与导线(5)焊接牢固，并在焊接处外围套有绝缘热缩管(4)密封保护； 防结垢氮化硅陶瓷电热板的制作方法和步骤如下: A、基体制作 1)粉料制备:将干燥硅粉放入氮化炉中并充入一定量的氩气200 300L/h，氮气600 1000L/h，氢气100 150mL/min，升温至1200 1300°C，烧结48小时后得到阿尔法相为93以上的氮化硅粉，而后将氮化硅粉93% 96%质量、氧化钇粉2% 3%质量、氧化镁粉1.5% 4%质量混合后放入镶装有氮化硅内衬层的球磨桶中，加入工业用无水乙醇适量，用氮化硅磨球对粉料进行磨制，30小时后倒入容器中放入烘箱烘干后过筛，再用等静压机保压，而后过筛后成40目以上颗粒状粉料备用； 2)干压成型:取相当于素坯质量二分之一的上述混合粉料，倒入模具中刮平，然后将引出段插入有钥丝电极的螺旋线钨丝嵌入，再加入另外二分之一质量的粉料，刮平后将上压头放入素坯模中用50t压机将粉料压制成密度为1.65g/cm3的氮化硅素坯； 3)素坯烧结:将素坯放入定制的石墨模具中，并将多个石墨模具组成叠层，然后将多个叠层放在一起，放入真空热压烧结炉中，经加热加压烧结——从室温开始升温，在50分钟内加热至1000°C，然后用液压机对素坯施加5t压力，再在30分钟内加热至1600°C，然后再加压至30t压力，再在30分钟内升温至1800°C，维持30t压力不变，保温30分钟，在烧结同时应对炉内保持一定的真空度，并当温度升至1200°C后开始充氮气保护，直至烧结完成，待炉温冷却降至室温后将基体逐个取出。
B、机械加工 1)磨光:将烧结成型后的基体放在平面磨床上进行两面及侧边磨光，表面粗糙度应达到 0.1 0.2 μ m ; 2)焊接:将耐高温导线头部与基体上钥丝电极的外露部分焊接牢固； 3)密封:在导线头部与钥丝电极外露部分的焊接处外围套上受热后收缩的塑料管即热缩管密封保护。
2.根据权利要求1所述的防结垢氮化硅陶瓷电热板，其特征是所述钥丝电极(3)与导线(5)焊接的外段直径大于插入至螺旋线钨丝(2)内的连接段直径。
全文摘要
本发明涉及防结垢氮化硅陶瓷电热板及制作方法。电热板包括基体、螺旋线发热钨丝、钼丝电极、绝缘热缩管、导线连接组成。基体由阿尔法相为93以上的氮化硅粉93％～96％质量、氧化钇粉2％～3％质量、氧化镁粉2％～4％质量，经过等静压处理后的粉料烧结而成，基体为一端平面成“凹”字形的矩形；两突出部位设有与导线连接的钼丝电极。钨丝卷成螺旋线嵌入在基体内部，钼丝电极插入至钨丝螺旋线内，外端与导线焊接牢固，在焊接处外围套有绝缘热缩管。制作过程经过原料混和，粉料烧结，素坯成型再烧结；然后经磨光、焊接、密封过程。本产品在螺旋线钨丝内插入高温烧结后不会氧化的钼丝作电极，焊接牢固。基体磨光后不易结垢，能提高传热效率。
文档编号H05B3/10GK103108420SQ201210596610
公开日2013年5月15日 申请日期2012年12月25日 优先权日2012年12月25日
发明者闻本良, 闻文博, 闻优达, 何吉峰 申请人:宁波中博瓷热能科技有限公司