专利名称：碳纤维远红外电热管中的发热元件及电极引线的制作方法
技术领域：
本发明涉及远红外电热管的制作技术，特别是远红外电热管中的发热元件及电极引线的制作方法背景技术碳纤维远红外电热管都有一个以碳纤维为发热材料的发热元件，发热元件上连接有电极引线。目前公知的制作发热元件及电极引线的方法有两种。一种是将碳纤维压固成片状，两端缠绕金属电极引线。这种方法的缺点是碳纤维片状体的柔性差，难以制成各种弯曲形状的异型电热管，而且碳纤维片状体制造成本昂贵，难以普及应用。另一种方法是将碳纤维制成毡毯，然后剪成条状，两端缠绕金属电极引线。此种方法主要有以下缺点1、目前工艺水平很难保证碳纤维毡毯的厚度均匀性，而且剪切宽度偏差也难以控制，这就使功率难以控制在技术要求范围内；2、碳纤维毡毯厚度不均匀以及微孔分布不均匀都会导致发热不均匀；3、碳纤维毡毯与金属电极引线简单缠绕存在极大缺陷，其接点电阻达2Ω以上，接点表面负荷每平方厘米高达几十瓦甚至上百瓦，温度大大高于发热元件，长期通电电位差会不断加大，接点易烧断，寿命难保证；4、由于高温下气相沉积作用，碳纤维挥发物将逐渐填满碳纤维毡毯条的微孔，使电阻变小功率陡增导致电热管的石英管壳爆裂损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的制作发热元件及其电极引线的方法，以该方法制成的发热元件能适用于各种形状的异型电热管，能够准确地达到设计功率要求，而且金属电极引线接点电阻小，稳定可靠。
为达到上述目的，本发明方法包括以下步骤a、在由多支碳纤维单丝集拢而成的碳纤维束上涂覆水溶性树脂三聚氰胺甲醛；b、待碳纤维束上的三聚氰胺甲醛干燥后，将碳纤维束均匀螺旋缠绕在耐高温的柔性纤维绳上，以此制成发热元件；c、在发热元件的两端紧密缠绕金属电极引线，然后将发热元件的两端分别置于一个模腔内；d、将重量比为75～80％的石墨、15～20％的铜粉末、5～10％的银粉末放入硅酸钠溶液混合均匀，形成混合物，将混合物以大于500N/cm2的压力注入模腔内，使混合物与发热元件两端的电极引线缠绕部位结合在一起，接着脱模干燥，再将发热元件放入气体保护炉内加温，使金属粉末融熔并与石墨固化成型。
以上述方法制成的发热元件具有良好的弯曲变形性能，能方便地放入弯曲的管壳内，适用于制成各种形状的异型电热管，而且由于碳纤维丝单位长度的电阻稳定，因此能够根据所设计的功率，准确算出碳纤维束的长度和绕制螺距，使制成的发热元件准确地达到设计功率要求。再者，由于发热元件与金属电极引线除紧密缠绕外，还用石墨和金属粉末压固烧结，因此大大降低了接点电阻，稳定可靠。
本发明的优点是1、将碳纤维束缠绕在纤维绳上的制作成本大大低于制作碳纤维片状体的成本，有利于碳纤维远红外电热管的推广应用；2、可方便地制成各种形状的异型电热管，扩大了碳纤维远红外电热管的应用范围；3、电极引线接点电阻小，使得碳纤维远红外电热管的使用寿命得到保障；4、能够使制成的碳纤维远红外电热管准确地达到设计功率要求，可适用于对发热功率要求较严格的场合；5、只要碳纤维束的缠绕螺距均匀，就能使发热元件发热均匀，容易保证碳纤维远红外电热管的发热均匀性。
图1是在碳纤维束上涂覆三聚氰胺甲醛的操作流程示意图；图2是以机械将碳纤维束缠绕在纤维绳上的工作原理图；
图3是制成的发热元件的外形结构示意图；图4是将缠绕有金属电极引线的发热元件的两端分别置于一个模腔内的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的各步骤作进一步详细说明。
a、在由多支碳纤维单丝集拢而成的碳纤维束上涂覆水溶性树脂三聚氰胺甲醛。本步骤中的由多支碳纤维单丝集拢而成的碳纤维束，可从市场上直接购得，一般是数千支构成一束。如果购得的碳纤维束的支数不够，还可以将购得的多条碳纤维束再集拢成一束。水溶性树脂聚氰胺甲醛起粘结保护作用，以防碳纤维束在后续加工过程中断裂或起毛。为便于涂覆三聚氰胺甲醛，可如图1所示，先将碳纤维束1通过调速电机缠绕在缠绕设备的轴2上，然后使碳纤维束1穿过一个盛有三聚氰胺甲醛水溶液的容器3，使三聚氰胺甲醛水溶液4涂覆在碳纤维束1上，最后将碳纤维束1缠绕于绕制盘5上。对三聚氰胺甲醛水溶液的浓度没有严格要求，只要不太稠，以免碳纤维束太硬，也不要太稀，以免涂覆的三聚氰胺甲醛过少，起不到粘结保护作用，浓度范围一般可以是重量比为30～60％的三聚氰胺甲醛、40～70％的纯水。在容器内设置的一组滑轮6，作用是延长碳纤维束1在溶液中的浸泡时间，保证溶液能均匀涂覆在碳纤维束上。在容器上的碳纤维束穿出孔中设置有毛毡圈7，以挤去碳纤维束上多余的溶液。为了加快干燥速度，还可令碳纤维束穿过一个恒温箱13，恒温箱温度可以取80～100℃。
b、待碳纤维束上的三聚氰胺甲醛干燥后，将碳纤维束均匀螺旋缠绕在耐高温的柔性纤维绳上，以此制成发热元件。纤维绳可以是石英纤维绳、硅酸铝纤维绳或者陶瓷纤维绳。缠绕方式最简单的可采用手工缠绕，但为提高生产效率，最好以机械缠绕。以机械缠绕的基本工作原理可如图2所示，使纤维绳8穿过绕制盘5的中心孔，一边让纤维绳8在牵引轮9的带动下作匀速直线运动，一边让缠绕有碳纤维束的绕制盘5作匀速圆周运动，使碳纤维束1缠绕在纤维绳8上。只要调节纤维绳8的直线运动速度与绕制盘5的转动速度的比率，就能控制缠绕的螺距。制成的发热元件如图3所示，纤维绳8上缠绕着碳纤维束1。
c、在发热元件的两端分别如图4所示紧密缠绕金属电极引线10，并将缠绕部位置于一个模腔11内。金属电极引线10可采用钼丝。模腔上开有供下一步骤注射用的通孔12。模腔11的腔体形状无严格限定，可根据所设计的碳纤维远红外电热管的外形结构而定。
d、将重量比为75～80％的石墨、15～20％的铜粉末、5～10％的银粉末放入硅酸钠溶液中，形成均匀混合物，将混合物以大于500N/cm2的压力注入图4中的模腔内，使混合物与发热元件两端的电极引线缠绕部位结合在一起，接着脱模干燥，然后将发热元件放入气体保护炉内加温，使金属粉末融熔并与石墨固化成型。在本步骤中，硅酸钠溶液的浓度影响着混合物的干燥速度，浓度越高干燥速度越快，但不能太浓，以免混合物干燥过快而产生裂缝，浓度范围可以是波美度40～60％。将混合物注入模腔可采用现有的注射成型机。对气体保护炉的加热温度无严格限制，只要能使混合物中的金属粉末熔化即可。保护气体可采用氮气、氢气或氩气，作用是防止碳纤维在高温下与氧气接触而氧化。经过本步骤，即在发热元件的两端固定了金属电极引线，连接电阻可低至0.01Ω。由于接点电阻小，而且石墨耐高温，因此发热元件在高温、大功率，例如400W～2000W的状态下能长期稳定、可靠地工作，延长了碳纤维远红外电热管的使用寿命。
由于从市场购得的碳纤维束难免会附着一些有机物，在本发明的上述加工过程中也会沾染一些有机物，这些有机物杂质在高温下有极大破坏性，会影响发热元件的使用寿命和效率。为此，作为进一步改进，还可在上述步骤之后增加清除杂质的步骤将已缠绕好碳纤维束的发热元件放入丙酮和乙醇的混合溶液中浸泡，浸泡时间视碳纤维束中的有机物多少而定，一般需10～20分钟，待碳纤维束中的有机物充分溶解后，再将发热元件放入高纯度的乙醇溶液中浸泡，以进一步溶解碳纤维束中的有机物，浸泡时间一般需10分钟左右，最后将发热元件放入气体保护炉内，一边加热发热元件，使发热元件上残存的有机物挥发，一边将保护气体不断充入和排出保护炉，将有机物从保护炉内吹出。经过如此处理后，碳纤维束上的有机物被彻底清除，发热元件更加耐用。在丙酮和乙醇的混合溶液中，主要依靠丙酮来溶解有机物，乙醇主要起到稀释丙酮的作用，以免丙酮挥发太快，因此丙酮和乙醇的混合比例无严格限制，例如可以是重量比为70～80％的丙酮与20～30％的乙醇混合。在第二次浸泡过程中所使用的高纯度乙醇，纯度应尽可能高，例如可采用分析醇。不断向气体保护炉充入的保护气体可以是氮气、氢气或氩气，作用是防止碳纤维在高温下与氧气接触而氧化。发热元件在保护炉内的加热温度和加热时间无严格限定，只要能使有机物彻底挥发即可，例如可以在900℃下加热10～20分钟。
由于碳纤维材料存在负温度特性，亦即随着温度上升，碳纤维的电阻减小并呈非线性，因此当电压波动范围大时，以碳纤维作为发热材料的电热管就容易因实际功率超出额定功率而烧毁。这是已有技术未能解决的问题。为此，本发明可作如下改进根据所设计的发热元件的额定工作温度，在步骤d中，使气体保护炉的加热温度至少高于所设计的额定工作温度100℃；或者也可以在清除杂质的步骤中，使气体保护炉的加热温度至少高于所设计的额定工作温度100℃；或者还可以是在步骤d以及清除杂质的两个步骤中，都使气体保护炉的加热温度至少高于所设计的额定工作温度100℃。例如，如果所设计的发热元件的额定工作温度为800℃，则保护炉的加热温度至少为900℃；如果所设计的发热元件的额定工作温度为1000℃，则保护炉的加热温度至少为1100℃。当然，最高温度以不损坏发热元件为限。如此处理后，可以使碳纤维束在额定工作温度下，电阻值保持较稳定的状态，从而使碳纤维远红外电热管工作更稳定、可靠。
权利要求
1.一种碳纤维远红外电热管中的发热元件及电极引线的制作方法，其特征是包括以下步骤a、在由多支碳纤维单丝集拢而成的碳纤维束上涂覆水溶性树脂三聚氰胺甲醛；b、待碳纤维束上的三聚氰胺甲醛干燥后，将碳纤维束均匀螺旋缠绕在耐高温的柔性纤维绳上，以此制成发热元件；c、在发热元件的两端紧密缠绕金属电极引线，然后将发热元件的两端分别置于一个模腔内；d、将重量比为75～80％的石墨、15～20％的铜粉末、5～10％的银粉末放入硅酸钠溶液混合均匀，形成混合物，将混合物以大于500N/cm2的压力注入模腔内，使混合物与发热元件两端的电极引线缠绕部位结合在一起，接着脱模干燥，再将发热元件放入气体保护炉内加温，使金属粉末融熔并与石墨固化成型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是在最后步骤之后增加以下步骤将已缠绕好碳纤维束的发热元件放入丙酮和乙醇的混合溶液中浸泡，待碳纤维束中的有机物充分溶解后，再将发热元件放入高纯度的乙醇溶液中浸泡，进一步溶解碳纤维束中的有机物，最后将发热元件放入气体保护炉内，一边加热发热元件，使发热元件上残存的有机物挥发，一边将保护气体不断充入和排出保护炉，将有机物从保护炉内吹出。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征是权利要求1所述的d步骤中的气体保护炉的加热温度，或者权利要求2所述步骤中的气体保护炉的加热温度，至少高于所设计的发热元件的额定工作温度100℃。
全文摘要
一种碳纤维远红外电热管中的发热元件及电极引线的制作方法，其主要特点是将碳纤维束经三聚氰胺甲醛浸泡后，螺旋缠绕在耐高温的柔性纤维绳上，以此制成发热元件，接着在发热元件的两端紧密缠绕金属电极引线，将缠绕部位置于一个模腔内，并往模腔内注入导电混合物，使混合物与电极引线缠绕部位结合在一起，经脱模干燥、加温后，电极引线便与发热元件牢固地连接在一起。以本发明方法制成的发热元件具有良好的弯曲变形性能，适用于制成各种形状的异型电热管，而且由于碳纤维丝单位长度的电阻稳定，因此能够使制成的发热元件准确地达到设计功率要求。发热元件与金属电极引线的接点电阻小，使碳纤维远红外电热管的使用寿命得到保障。
文档编号H05B3/40GK1545369SQ200310112289
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月17日 优先权日2003年11月17日
发明者李家俊 申请人:李家俊