一种电加热结构与该结构的电加热装置的制作方法

本实用新型涉及加热装置，更具体说，涉及一种电加热元件以及其应用的实验室加热装置。

背景技术：

传统的实验室加热装置一般采用燃气，或金属线圈、金属线等电加热元件。这些燃气或电加热元件效率低、耗能大，同时温度控制准确度较低，特别是在大面积加热或在弧面加热的使用状况下，发热面的温度亦不平均。燃气加热一般需要在高温度下操作，也容易发生使用安全问题。至于电线圈或金属线加热器，一般需要透过金属板来传热，而发热线圈与金属板面存在一定距离空间，因而影响热能功率及升温反应。而金属板遇酸性或碱性液体都会生锈腐蚀，使用上容易出现问题。同时实验室很多时要使用瓶类器皿(Flask)，部份底部是弧型(Round Bottom)，均匀导热会出现困难。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种电加热元件以及具有该电加热元件的实验室用加热装置。

针对传统实验室加热器的缺点，本实用新型采用了陶瓷玻璃板或陶瓷板作为基板，陶瓷玻璃板及陶瓷板都具有高度防腐蚀性能，更能轻易清洁。同时，由于陶瓷玻璃及陶瓷具绝缘性能，本实用新型采用了创新的发热元件，在所述基板的背面直接融合上纳米厚度的导电发热涂层，由于超薄的纳米厚度发热元件与基板紧密结合成一体而没有空间间距，热能效应及升温反应因而大幅提高，温度更能快速、精准地控制，以快速达至及控制实验所设定的温度要求。同时，所述纳米厚度的导电发热涂层，亦能融合在弧面基板上，从而直接加热于弧型的实验器皿。

实施本实用新型的电加热元件以及实验室用加热装置，具有以下有益效果：由于本实用新型的电加热元件具有纳米厚度的电发热涂层，当电流通过电发热涂层时，在电发热涂层的超薄的体积内，产生极高密度的热能，从而可以起到高效能以及快速升温的效果。同时，由于平面结构及超薄电发热涂层与基板紧密结合成一体，热能可以大面积均匀快速扩散，不论是采用平面或弧面实验器皿, 都比其他传统加热元件更能达到大面积均热效应。

一方面，本实用新型提供了一种电加热元件，包括基板，所述基板的背面融合有纳米厚度的电发热涂层，所述电发热涂层的两相对的位置分别设置有电极，所述电极接驳电源。

在本实用新型的电加热元件的一实施例中，所述基板为陶瓷玻璃板。

在本实用新型的电加热元件的另一实施例中，所述基板为陶瓷板。

在本实用新型的电加热元件的一实施例中，所述基板为平面的基板。

在本实用新型的电加热元件的另一实施例中，所述基板为弧面的基板。

在本实用新型的电加热元件的一实施例中，所述电发热涂层包括氧化物涂层，其包含的金属源选自锡、铟、镉、钨、钛和钒。

在本实用新型的电加热元件的一实施例中，所述电极包括玻璃陶瓷烧结油墨，其包含的金属源选自铂、金、银、钯和铜。

在本实用新型的电加热元件的一实施例中，所述基板包括设置在所述基板的表面的纳米厚度的绝缘涂层，所述电发热涂层位于所述绝缘涂层之上。

在本实用新型的电加热元件的一实施例中，所述绝缘涂层包括由溶胶-凝胶得到的二氧化硅涂层。

在本实用新型的电加热元件的一实施例中，所述电发热涂层上覆盖有绝缘层，所述绝缘层为玻璃或陶瓷层。

另一方面，本实用新型还提供了一种实验室用加热装置，包括加热装置本体，以及设置在加热装置本体上的一个或多个如以上电加热元件的任一实施例中所述的电加热元件。

在本实用新型的实验室用加热装置的一实施例中，所述加热装置本体包括金属、塑料或陶瓷的壳体，所述电加热元件设置在所述壳体面层，所述电加热元件的所述基板的背面可设置有隔热及热反射层。

在本实用新型的实验室用加热装置的一实施例中，还包括用于接驳导线的电源接驳端子，所述电源接驳端子与所述电极焊接连接或通过金属弹片连接。

同时, 本实用新型加热装置更将温度监视和控制系统与加热元件的导电涂层集成一起，以进行最佳的温度和节能控制。在本实用新型的实验室加热装置的一实施例中，驱动软件，控制器和脉宽调制(PWM)驱动器与加热元件相集成，控制器可使用模数转换器(ADC)进行温度测量而脉宽调制(PWM)驱动器进行精确的功率控制。在本实用新型的实验室加热装置的另一实施例中，温度和节能控制可透过比例-积分-微分(PID)控制器进行。温度测量也可采用PT100 或 PT1000温度探测器以达至 1℃或 0.1℃的温度误差。当加热装置的加热元件达到预置的目标温度时，控制系统将立即响应并切断电源，以实现节能的目的和限制加热元件温度的超标﹔当加热元件的温度降到预置温度时，控制系统将响应并导通电源以产生热量，以实现对加热元件的平稳供电，优化其加热性能和节能效率。

在本实用新型的实验室加热装置的另一实施例中，温度和热能控制也可透过无线通讯来控制，例如透过蓝牙装置(Bluetooth), WiFi通讯、云端通讯 (Cloud)或其他无线通讯形式并使用智能电话、穿戴通讯装置或其他设备来设定，收取，储存和控制加热装置操作温度及能源使用及其开关。

在本实用新型的实验室加热装置的另一实施例中，利用导电涂层的厚度与及电极结构的安排，可以使导电涂层的电阻大幅减低，可使用直流电(D.C.)及电池作户外加热实验。传统发热线或线圈电阻较大，在直流电及电池电压下操作，电流量很少，不足够作大面积发热实验用途。

附图说明

图1是本实用新型的实验室用加热装置的第一实施例的立体示意图；

图2是图1中A-A剖面示意图；

图3是本实用新型的实验室用加热装置的实施例所示的电加热元件的截面示意图；

图4是本实用新型的电加热元件一实施例的电发热涂层及电极的结构示意图；

图5是本实用新型的电加热元件另一实施例的电发热涂层及电极的结构示意图；

图6是本实用新型的实验室用加热装置和温度深测及控制器连接示意图；

图7是本实用新型的实验室用加热装置控制器和移动通讯装置、无线通讯连接示意图；

图8是本实用新型的实验室用加热装置另一实施例中无线温度探测装置和控制器及移动通讯装置连接示意图；

图9是本实用新型的实验室用加热装置另一实施例中发热装置和磁力搅拌器结合成一体示意图；

图10是本实用新型图9的实验室用发热装置和磁力搅拌器结B-B剖面示意图；

图11是本实用新型的实验室用加热装置另一实施例中包含弧面发热基板示意图；

图12是本实用新型图11的实验室用加热装置含弧面发热基板C-C剖面示意图；

图13是本实用新型的实验室用加热装置另一实施例中包含弧面发热基板示意图，基板的四边是平面的基板结合成一体；

图14是本实用新型图13的实验室用加热装置含弧面发热基板D-D剖面示意图；

图15是本实用新型的实验室用加热装置另一实施例中可使用电池操作的实验室加热装置示意图；

图16是本实用新型的实验室用加热装置另一实施例中可使用电池操作的实验室加热装置基板的电发热涂层和电极结构示意图；

图17是本实用新型的实验室用加热装置另一实施例中可使用直流电及交流电的电发热涂层和电极结构示意图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

在本实用新型的电加热元件以及实验室用加热装置的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“上端”、“下端”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。本文所使用的词语“纳米厚度”是指仅能在纳米水平内测得的每一涂层的厚度。

如图1及图2所示，为本实用新型的实验室用加热装置100的第一实施例，该实验室用加热装置的加热装置本体包括金属、塑料或陶瓷的壳体2，电加热元件1设置在壳体2面层，电加热元件1的基板背面设置有隔热及热反射层21。隔热及热反射层21可以使热流失减少，而且把热能向前向传导散播。隔热及热反射层21包括各类云母板（mica），以及其他适用材料。为了方便导线的连接，可以增加电源接驳端子，电源接驳端子与电极焊接连接或通过金属弹片连接。

在该实施例中，电加热元件1与隔热及热反射层21可紧贴设置，或二者之间间隔一定距离设置。电加热元件1的电发热涂层可由绝缘物料遮盖，此物料可以是玻璃、陶瓷或其他电流绝缘材料，此物料可以是涂层或固体。电加热元件1的外层亦可含电流绝缘的涂层。电加热元件1同时可放射出强烈的红外线及远红外线，产生热能从而使加热更快速及温度均匀。

如图3所示，为本实用新型的电加热元件的一实施例，在该实施例中，电加热元件1包括基板10，基板10的背面直接融合上一层或多层纳米厚度的导电发热涂层11。导电发热涂层11可以是单层或多层结构，由于超薄的纳米厚度发热元件与基板紧密结合成一体而没有空间间距，热能效应及升温反应因而大幅提高，电发热涂层11的两相对的边缘分别设置有电极12，两个电极12平行设置，电极接驳电源。当电流通过电发热涂层11时，电发热涂层11将电能转化为热能。

在本实施例中的电加热元件1中，基板10可由陶瓷玻璃或陶瓷或任意别的合适的材料制成。本基板具有高度防腐蚀性能，更能轻易清洁，对实验化学物料具防腐蚀性，比一般金属基板耐用。本领域技术人员应当明白，陶瓷玻璃可承受高温和热的冲击，优于别的玻璃基底，以提供一致的和可靠的高温加热功能。

在本实施例中的电加热元件1中，电发热涂层11设置基板10的背面。电发热涂层11可以是氧化物涂层，其中使用的金属源可选自掺有有机金属前体的锡、铟、镉、钨、钛和钒。可以理解的是，也可用别的合适的材料制作电发热涂层11。电发热涂层11中的导电涂层材料用于将电能转换成热能。所应用的热量生成原理大大不同于常规的线圈加热，线圈加热方法中，热量输出来自金属线圈的高阻抗，其具有低加热效率和高功耗。电线圈或金属线加热器，一般需要透过金属板来传热，而发热线圈与金属板面存在一定距离空间，因而更影响热能功率及升温反应。相反，通过调节涂层的成分和厚度，可控制涂层的电阻抗，并可增加导电性，从而以最小的能量损耗，得到高加热效率。在电发热涂层的超薄的体积内，产生极高密度的热能，从而达至高效能及快速升温的效果。同时由于平面结构及超薄电发热涂层与基板紧密结合成一体，故此热能可作大面积均匀快速扩散。

在本实施例中的电加热元件1中，电极12设置在电发热涂层11上。两个间隔开的电极12分别沿着电发热涂层11的两个相对的侧边设置。电极12可由玻璃陶瓷烧结油墨(glass ceramic frit based ink)制成，其中金属源选自铂、金、银、钯和铜。

在本实施例中的电加热元件1中，基板10还可以包括设置在基板10的表面的纳米厚度的绝缘涂层，电发热涂层11位于绝缘涂层之上，也即在基板10和电发热涂层11之间具有纳米厚度的绝缘涂层。绝缘涂层可由溶胶-凝胶得到的二氧化硅(SiO2)或别的合适的材料制成。绝缘涂层可涂覆于具有表面活性剂的陶瓷玻璃基板10的表面上，以确保覆盖在陶瓷玻璃基板10上的SiO2具有100％的润湿，从而防止出现缺陷位置，以使得将陶瓷玻璃基板10与电发热涂层11电隔离，并可防止锂离子和别的污染物成分在加热过程中从陶瓷玻璃基板10扩散到电发热涂层11。

在本实施例中的电加热元件1中，电发热涂层11上还可以覆盖有绝缘层，绝缘层可以为玻璃、陶瓷层或其他电流绝缘材料，绝缘层可以是涂层或固体。

在本实施例中的电加热元件1中，所提到的电发热涂层11、绝缘涂层以及绝缘层可以是单层或多层结构，单层或多层的每一层的厚度在纳米量级，可以在数纳米到数十纳米的范围内。

当电流通过此电加热元件1的电发热涂层11时，在电发热涂层11的超薄的体积内，产生极高密度的热能，从而达至高效能及快速升温的效果。同时由于平面结构及超薄电发热涂层与基板紧密结合成一体，故此热能可作大面积均匀快速扩散，比其他传统发热件更能达到大面积均热效应。电加热元件1的基板10亦可作弧型设计，对弧型实验器皿达到更佳的加热效应。

如图4所示，是本实用新型的电加热元件一实施例的电发热涂层及电极结构，基板10的背面融合有纳米厚度的电发热涂层11，所述电发热涂层的两相对的边缘分别设置有电极12，所述电极接驳电源。上述结构为单一发热区，当电流通过电极，基板上整个发热区会同时发热。

图5是本实用新型的电加热元件另一实施例的电发热涂层及电极的结构。基板10的背面融合多个分隔的发热区，每个发热区融合有纳米厚度的电发热涂层11，当电流通过特定发热区的电极12，特定发热区会产生热能。各个发热区可分别独立运作或同时运作，各个发热区也可作串联或并联连接的安排。

图6所示是本实用新型的实验室用加热装置100和温度深测及控制器200连接示意图。温度探测及控制器可使用模数转换器(ADC) 及脉宽调制驱动器(PMC)进行精确的控制。在本实用新型的实验室加热装置的另一实施例中，温度和节能控制可透过比例-积分-微分(PID)控制器进行。温度测量也可采用PT100 或 PT1000温度探测器以达至 1℃或 0.1℃的温度误差。当加热装置的加热元件达到预置的目标温度时，控制系统将立即响应并切断电源，以实现节能的目的和限制加热元件温度的超标﹔当加热元件的温度降到预置温度时，控制系统将响应并导通电源以产生热量，以实现对加热元件的平稳供电，优化其加热性能和节能效率。温度探测装置可以是内置于本实用新型实验室加热装置，也可以是外置插入本实用新型实验室加热装置，也可以是一个或多个温度探测装置以监视及控制不同发热区或不同温度的操作。

图7所示是本实用新型的实验室用加热装置控制器200和移动通讯装置300，无线通讯连接示意图。温度和节能控制也可透过无线通讯来控制，例如透过蓝牙装置(Bluetooth), WiFi通讯、云端通讯 (Cloud)或其他无线通讯形式并使用智能电话、穿戴通讯装置或其他设备来设定，收取，储存和控制加热装置操作温度及能源使用及其开关。

图8是本实用新型的实验室用加热装置另一实施例中无线温度探测装置400和控制器200及移动通讯装置300连接示意图。在此实例中，温度探测装置具无线传讯功能，而温度变化资料可以无线模式传送回加热装置控制器及移动通讯装置，以操控加热元件温度及能源使用。

图9所示是本实用新型的实验室用加热装置另一实施例中发热装置和磁力搅拌器500结合成一体示意图。图10是本实用新型的实验室用加热装置和磁力搅拌器结合成一体B-B截面示意图。该实验室用加热装置的加热装置和磁力搅拌器本体包括金属、塑料或陶瓷的壳体3，电加热元件1设置在壳体3面层，电加热元件1的基板背面可设置有隔热及热反射层31。隔热及热反射层31可以使热流失减少，而且把热能向前向传导散播。隔热及热反射层31包括各类云母板（mica），以及其他适用材料。为了方便导线的连接，可以增加电源接驳端子，电源接驳端子与电极焊接连接或通过金属弹片连接。发热基板下端安装了磁力电动马达32。由于本实用新型的发热元件不会产生磁场干扰，故此发热基板及磁力电动马达并不互相干扰运作，并可较近距离安装，从而使整体装置体积减少达至更薄的设计，与及增强磁力搅动的效应。在本实用新型的加热搅拌装置所施实例中，温度及搅拌操控装置可安装在本体上，亦可和外置控制器以有线或无线连系操作。同时搅拌装置和加热装置可同时运作或独立运作。

图11是本实用新型的实验室用加热装置600一实施例中包含弧面发热基板示意图。图12是本实用新型图11的实验室用加热装置600含弧面发热基板C-C剖面示意图。传统弧型的实验室加热装置一般不是一体式结构，清洁困难，化学液体容易渗入装置内部，损坏装置。本实用新型的加热装置发热基板为一体化结构，适用于弧型底部的实验器皿，达到快速、均匀、大面积加热。同时防腐蚀性能高，易于清洁，化学液体不会渗漏至装置内部而引至使用失效或使用安全。在本实施例中，电加热元件包括基板10，基板10的背面直接融合上一层或多层纳米厚度的导电发热涂层11。导电发热涂层11可以是单层或多层结构，由于超薄的纳米厚度发热元件与基板紧密结合成一体而没有空间间距，热能效应及升温反应因而大幅提高，电发热涂层11的两相对的位置分别设置有电极，在本实例中，其中一电极位于弧面顶部，另一电极环绕弧面底部，在其他实施例中，电极的位置亦可作其他适合的设计安排，电极接驳电源。当电流通过电发热涂层11时，电发热涂层11将电能转化为热能。在本实施例中的电加热元件中，基板10可由陶瓷玻璃或陶瓷或任意别的合适的材料制成。图13是本实用新型的实验室用加热装置700另一实施例中包含弧面发热基板, 基板的四边是平面的基板与弧面部分结合成一体。电发热涂层的平面的基板部分设置有两相对电极，所述电极接驳电源。图14是本实用新型图13的实验室用加热装置含弧面发热基板D-D剖面示意图。如图12及图14所示，为本实用新型的实验室用加热装置的实施例，该实验室用加热装置的加热装置本体包括金属、塑料或陶瓷的壳体4，电加热元件设置在壳体4面层，电加热元件的基板10的背面直接融合上一层或多层纳米厚度的导电发热涂层11及设置有隔热及热反射层41。隔热及热反射层41可以使热流失减少，而且把热能向前向传导散播。隔热及热反射层41包括各类云母板（mica），以及其他适用材料。为了方便导线的连接，可以增加电源接驳端子，电源接驳端子与电极焊接连接或通过金属弹片连接。

在该实施例中，电加热元件与隔热及热反射层可紧贴设置，或二者之间间隔一定距离设置。电加热元件的电发热涂层可由绝缘物料遮盖，此物料可以是玻璃、陶瓷或其他电流绝缘材料，此物料可以是涂层或固体。电加热元件的外层亦可含电流绝缘的涂层。电加热元件同时可放射出强烈的红外线及远红外线，产生热能从而使加热更快速及温度均匀。而弧面加热装置的温度及热能控制，也可如平面加热装置一样的有线或无线传讯的安排。在另一实施例中，弧面加热装置底部也可以加装磁力搅拌马达，使加热装置和搅拌装置结合成一体。

图15所示是是本实用新型的实验室用加热装置800另一实施例中可使用电池900操作的实验室加热装置。在本实用新型的实验室加热装置的实施例中，利用导电涂层的厚度与及电极结构的安排，可以使导电涂层的电阻大幅减低，可使用直流电(D.C.)及电池作户外加热实验。由于平面结构及超薄电发热涂层与基板紧密结合成一体，故此热能可作大面积均匀快速扩散，比其他传统发热件更能达到大面积均热效应。同时传统发热线或线圈电阻较大，在直流电及电池电压下操作，电流量很少，不足够作大面积发热实验用途。

图16所示是本实用新型的实验室用加热装置实施例中可使用电池操作的实验室加热装置的涂层和电极结构示意图。在本实施例中，导电涂层分割成多个区域, 而每个区域可以并联方式连接。每个区域可以是相同尺寸或不同尺寸，与及每个区域涂层可以含有相同或不同的导电及传热特性。电加热元件的基板10的背面直接融合上一层或多层纳米厚度的导电发热涂层11，而直流电源的正极及负极分别接驳电极 21 及 22，当电流通过电极 21 及 22，发热涂层11可接设定要求进行发热。在本实施例中，直流电源可以是交流电转直流电的变压装置，或外置电池, 或连接汽车电池的装置。

图17所示是本实用新型的实验室用加热装置另一实施例中可使用直流电及交流电的涂层11和电极21, 22, 23, 24及25极结构示意图。在本实施例中，发热基板10设有两组或多组的电极安排。电源可接驳不同组合的电极而达至不同电阻组合，从而产生不同的功率输出与及达至可以直流电源或电池发热的要求。在本实施例中其中一种情况，当电极 21 和 23 分别接驳电源线二端，涂层电阻会变高而适用交流电 (A.C.) 的使用。但当电极 21，23 及 25 接驳电源线一端而电极 22 及24 接驳电源线的另一端，则涂层电阻会变低而适用直流电 (D.C.) 的使用。上述只是其中一例证, 涂层及电极可作不同的区域及连接安排从而达至不同电压的使用安排。

本实用新型的电加热元件可以用于各种实验室用加热装置，这种实验室用加热装置包括加热装置本体，以及设置在加热装置本体上的电加热元件，电加热元件的数量可以根据需要是一个或多个，电加热元件的设置方式也可以是多样的，根据不同用途的实验室加热装置而改变，电加热元件可以串联或并联连接。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

应当认识到，上述实施例用于说明而非是限制本发明，并且本领域技术人员能够在不背离本发明权利要求范围的情况下设计许多备选实施例。在权利要求中，置于圆括号之间的任何参考标记不应当解释为对权利要求构成限制。“包括”一词以及其结合的使用并不排除权利要求中所述的那些元件或步骤之外元件或步骤。不定冠词“一”或“一个”并不排除多个此类元件的存在。本发明可以通过包括若干分立元件的硬件方式实施，以及通过适当编程的计算机的方式实施。在装置权利要求中列举了若干模块，这些模块中的一些可以通过硬件中的一个或相同内容实现。在相互不同的从属权利要求中所应用的特定措施并不指示不能有利的使用这些措施的组合。