发热体组件及其制备方法和应用与流程

本发明属于生活电器领域，具体而言，涉及发热体组件及其制备方法和应用。

背景技术：

1、烹饪器皿中应用到很多陶瓷、玻璃等无机材料，比如电炖锅中的陶瓷内胆、玻璃养生壶水壶采用玻璃材料内胆、电磁炉等用到的微晶锅、陶瓷锅等等。玻璃陶瓷等材料具有非常好的耐化学稳定性，健康环保材质。但是这些无机材料也有很多的缺陷，比如传热效率低，韧性差易碎等问题。因此，用于烹饪器皿的玻璃陶瓷等材料仍有待进一步改进。

技术实现思路

1、本发明主要是基于以下问题提出的：

2、针对玻璃加热器皿，现有常规的应用方案主要为采用发热管、发热盘等发热组件，玻璃器皿与发热盘发热管接触传热，该方案的特点为整体组件简单，但是存在较大的问题，如接触面积小，难以紧密接触，传热效率太低，应用于水壶等1l水加热时间超过15min，有相关的厂商针对热效率在该技术上进行改进，但是收益较小。进一步的，有厂家采用厚膜加热等方案，在玻璃板上印刷厚膜电路进行加热，该方案热效率高，加热均匀，但是对玻璃要求较高，如要采用耐温的石英玻璃等，并且也存在安规的问题，玻璃碎裂的情况下电流大，对消费者安全构成极大的隐患，类似方案也有印刷氧化锡、热喷涂发热丝等。近期有厂家采用印刷或者热转印金属导磁膜位于玻璃板外侧，通过电磁加热的方式进行加热，该方案金属膜发热效率高，无安规问题，但也存在玻璃器皿的加热过程应力大，玻璃热阻大，传热效率低，应力大易出现玻璃破裂等问题。

3、另外，采用浮法工艺制备玻璃器皿时，玻璃的一面为锡面，玻璃中残留金属锡，若该锡面与导电金属(如银)面直接接触，在长期老化过程中界面会形成原电池反应，进而造成界面结合大幅度变差。

4、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出发热体组件及其制备方法和应用，以提高烹饪器具等产品的传热效率、抗碎裂能力、安全性和耐用性。

5、根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种发热体组件。根据本发明的实施例，该发热体组件包括：第一无机层和第二无机层，所述第一无机层和所述第二无机层之间夹设有加热层和粘结层，其中，所述加热层的一侧与所述第一无机层相连、另一侧通过所述粘结层与所述第二无机层相连，所述加热层与所述粘结层之间相互嵌入连接。

6、发明人发现，通过在加热层和第二无机层之间形成与加热层互相嵌入连接的粘结层，一方面可以增加加热层与第二无机层之间的热阻，促进加热层的热量更多的向第一无机层传递；另一方面，还可以通过加热层与粘结层互相嵌入连接的结构来进一步提高加热层和第二无机层之间的结合强度，同时提高加热层热量向粘结层传递时的均匀性，降低粘结层中出现热量集中现象的风险，由此可以进一步有利于提高粘结层与加热层之间的结合力；再一方面，还可以根据第二无机层的材质选择适宜的粘结层材质以提高粘结层和第二无机层的结合强度，例如，当第二无机层为玻璃层时，可以在加热层和第二无机层之间设置具有玻璃相的粘结层来避免加热层与玻璃锡面直接接触，尤其是当加热层是通过金属材料实现加热时，还可以优选使粘结层不含金属元素，由此可以避免二者在长期老化过程中可能出现的因界面形成原电池反应而导致加热层和第二无机层结合强度大幅变差的问题，以及随之产生的因结合强度变差，导致第二无机层耐冷热冲击性能变差，在加热或使用过程中易出现变形或开裂的问题。由此，相对于现有技术，本发明上述实施例的发热体组件不仅在使用过程中具有优势导热方向，且抗碎裂能力更好，安全性更高，而且加热层与第二无机层的结合力强，耐用性好，可以广泛应用于可加热锅具、烹饪器具的内胆或电热壶等产品中。

7、另外，根据本发明上述实施例的发热体组件还可以具有如下附加的技术特征：

8、在本发明的一些实施例中，所述加热层和所述粘结层中均形成有玻璃相，所述加热层中的玻璃相与所述粘结层中的玻璃相相互连接。

9、在本发明的一些实施例中，所述粘结层的熔融温度不高于所述加热层的熔融温度。

10、在本发明的一些实施例中，所述加热层中形成有玻璃相，所述加热层中玻璃相的熔融温度大于所述粘结层的熔融温度，所述加热层中玻璃相的熔融温度不高于800℃。

11、在本发明的一些实施例中，所述粘结层中的玻璃相由第一无机氧化物形成，所述加热层中的玻璃相由第二无机氧化物形成，所述第一无机氧化物和所述第二无机氧化物中均包括硅氧化合物，在单位面积截面中，所述粘结层中硅元素的含量小于所述加热层中硅元素的含量。

12、在本发明的一些实施例中，满足以下条件中的至少之一：所述第一无机氧化物包括30～60wt％氧化铋和10～40wt％的氧化硅；所述第二无机氧化物包括氧化硅，所述第二无机氧化物在所述发热层中的占比为10～30wt％；所述第一无机氧化物和所述第二无机氧化物分别独立地包括选自氧化铝、氧化硼、氧化钛、氧化锌、氧化铬、氧化锂中的至少之一。

13、在本发明的一些实施例中，发热体组件满足以下条件中的至少之一：所述加热层的厚度不大于所述粘结层的厚度；所述加热层在所述粘结层上的正投影位于所述粘结层的内部；所述加热层和所述粘结层中均形成有玻璃相，在所述发热体组件的至少一部分区域，所述第一无机层和所述第二无机层通过所述加热层中的玻璃相和所述粘结层中的玻璃相连接；所述粘结层和所述第二无机层之间的连接界面为相对平整的表面。

14、在本发明的一些实施例中，所述加热层的厚度为10～25μm，所述粘结层的厚度为10～45μm。

15、在本发明的一些实施例中，发热体组件满足以下条件中的至少之一：所述第一无机层和所述第二无机层相对布置；所述第一无机层的厚度不大于所述第二无机层的厚度；所述第一无机层和所述第二无机层分别独立地为玻璃层、陶瓷层或微晶玻璃板；所述加热层与所述第一无机层之间通过过渡层相连。

16、在本发明的一些实施例中，发热体组件满足以下条件中的至少之一：所述过渡层与所述第一无机层和所述加热层互渗粘结；所述加热层中具有金属元素，所述过渡层中金属元素的含量大于或等于0，在单位面积截面中，所述加热层中的金属元素含量大于所述过渡层中的金属元素含量；所述加热层和所述过渡层中均包括硅氧化合物，在单位面积截面中，所述加热层中的硅元素含量小于所述过渡层中的硅元素含量；所述加热层、所述过渡层和所述粘结层中均包括硅氧化合物，在单位面积截面中，所述加热层中的硅元素含量小于所述过渡层中的硅元素含量，且所述粘结层中的硅元素含量大于所述过渡层中的硅元素含量；所述过渡层中形成有玻璃相，所述粘结层中玻璃相的熔融温度不大于所述过渡层中玻璃相的熔融温度，所述过渡层中玻璃相的熔融温度不高于800℃；所述过渡层的厚度不大于所述加热层的厚度；所述加热层在所述过渡层上的正投影位于所述过渡层的内部。

17、在本发明的一些实施例中，发热体组件满足以下条件中的至少之一：所述过渡层和所述加热层中的金属元素种类相同，且所述过渡层和所述加热层中的玻璃相种类相同；所述加热层中包括不低于70wt％的金属元素；所述加热层中包括相对磁导率小于1的可感磁金属元素；所述金属元素包括选自银、铜和铝中的至少之一；所述过渡层的厚度为0.1～5μm。

18、根据本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备上述发热体组件的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

19、(1)利用加热层浆料在第一无机层上形成加热层，利用粘结层浆料在所述加热层上形成粘结层；

20、(2)将形成有加热层和粘结层的第一无机层与第二无机层进行烧结处理，以便使所述第一无机层与所述第二无机层粘结，得到所述发热体组件。

21、根据本发明上述实施例的制备发热体组件的方法：通过在加热层和第二无机层之间形成与加热层互相嵌入连接的粘结层，一方面可以增加加热层与第二无机层之间的热阻，促进加热层的热量更多的向第一无机层传递；另一方面，通过烧结可以实现加热层和粘结层的互相嵌入连接，从而不仅能够进一步提高加热层和第二无机层之间的结合强度，还能提高加热层热量向粘结层传递时的均匀性，降低粘结层中出现热量集中现象的风险，由此可以进一步有利于提高粘结层与加热层之间的结合力；再一方面，还可以根据第二无机层的材质选择适宜的粘结层材质以提高粘结层和第二无机层的结合强度，例如，当第二无机层为玻璃层时，可以在加热层和第二无机层之间设置具有玻璃相的粘结层来避免加热层与玻璃锡面直接接触，尤其是当加热层是通过金属材料实现加热时，还可以优选使粘结层不含金属元素，由此可以避免二者在长期老化过程中可能出现的因界面形成原电池反应而导致加热层和第二无机层结合强度大幅变差的问题，以及随之产生的因结合强度变差，导致第二无机层耐冷热冲击性能变差，在加热或使用过程中易出现变形或开裂的问题。相对于现有技术，采用该方法制得的发热体组件不仅在使用过程中具有优势导热方向，且抗碎裂能力更好，安全性更高，而且加热层与第二无机层的结合力强，耐用性好，可以广泛应用于可加热锅具、烹饪器具的内胆或电热壶等产品中。

22、在本发明的一些实施例中，步骤(1)进一步包括：(1-1)在所述第一无机层上印刷所述加热层浆料，并进行干燥或烧结；(1-2)在干燥或烧结得到加热层上印刷所述粘结层浆料，并进行烧结。

23、在本发明的一些实施例中，步骤(1)和步骤(2)中的烧结温度分别独立地为550～650℃。

24、在本发明的一些实施例中，在进行步骤(1)之前进一步包括：在所述第一无机层上印刷过渡层浆料，进行干燥或烧结；步骤(1)中，在干燥或烧结得到的过渡层上形成所述加热层。

25、根据本发明的第三个方面，本发明提出了一种可加热器皿。根据本发明的实施例，该可加热器皿包括上述发热体组件或采用上述制备发热体组件的方法制得的发热体组件。相对于现有技术，该可加热器皿在加热过程中具有优势导热方向，不易发生碎裂，具有安全性高、热稳定性好和使用寿命更长的特点。

26、在本发明的一些实施例中，可加热器皿满足以下条件中的至少之一：所述发热体组件设在所述可加热器皿底部；所述可加热器皿包括密封相连的侧壁和底壁，所述底壁的至少一部分为所述发热体组件；所述可加热器皿的材质为微晶玻璃、高硼硅玻璃或陶瓷。

27、在本发明的一些实施例中，所述侧壁和所述底壁限定出所述可加热器皿的容腔，所述发热体组件的平均厚度小于所述侧壁的平均厚度。

28、在本发明的一些实施例中，所述发热体组件与所述侧壁熔融焊接相连，所述熔融焊接采用如下步骤实现：(i)对所述发热体组件进行预热；(ii)采用热源对预热后的发热体组件边缘和所述侧壁进行焊接；(iii)对焊接后的器皿进行退火处理。

29、在本发明的一些实施例中，所述预热温度为300～600℃，所述退火处理温度为500～700℃。

30、根据本发明的第四个方面，本发明提出了一种电器。根据本发明的实施例，该电器包括上述可加热器皿。相对于现有技术，采用该电器具有安全隐患更小、使用寿命更长的优点，更有利于提升客户满意度。

31、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。