本發(fā)明涉及厚膜領(lǐng)域，具體為一種覆蓋層具有高導(dǎo)熱能力的厚膜元件。

背景技術(shù)：

厚膜技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)60年代早期就開始產(chǎn)生了，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，厚膜技術(shù)在許多行業(yè)里得到了大量的運(yùn)用。但厚膜發(fā)熱技術(shù)的發(fā)展還不長，厚膜發(fā)熱元件是指在基體上，將發(fā)熱材料制成厚膜，進(jìn)行通電發(fā)熱的發(fā)熱元件。傳統(tǒng)的加熱方式，包括電熱管加熱和PTC加熱，目前的電熱管加熱和PTC加熱的方式是間接加熱，表現(xiàn)出較低的熱效率，且外形體積大而笨重，從環(huán)保角度來看，這兩種加熱器反復(fù)加熱后，不耐臟，不易清潔，且PTC加熱元件中含有鉛等有害物質(zhì)，易氧化，功率會(huì)衰減，使用壽命短。

CN2011800393787描述了一種電加熱元件和由該電加熱元件加熱的散熱器的組合；所述加熱元件包括基板、位于所述基板上的絕緣層和位于所述絕緣層上的厚膜導(dǎo)體，其中金屬基板的第二側(cè)與散熱器接觸，所述散熱器包括在其朝向加熱器的表面上的金屬材料層，并且其中所述基板被硬釬焊到散熱器，而厚膜導(dǎo)體延伸經(jīng)過的加熱元件的表面基本上等于散熱器的表面。

從上述技術(shù)中可以看出厚膜技術(shù)已逐漸發(fā)展起來，但是上述厚膜發(fā)熱元件的厚膜導(dǎo)體是通過絕緣層與基板結(jié)合的，并不是直接涂覆在基板上，這樣的加熱元件厚膜通電發(fā)熱時(shí)不能直接傳熱給基板，會(huì)影響發(fā)熱速率；并且上述技術(shù)利用外置裝置克服厚膜加熱技術(shù)中厚膜散熱不佳的問題，但未針對(duì)不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)特定的材質(zhì)的厚膜加熱元件，來解決厚膜加熱溫度過高而導(dǎo)致散熱不佳的技術(shù)問題。真正實(shí)現(xiàn)厚膜直接加熱性能的厚膜元件產(chǎn)品卻甚少，尤其是只需要一面加熱情況下的，如何設(shè)置一面不傳熱以減少熱損失，設(shè)置覆蓋層單面?zhèn)鳠岬暮衲る娐吩诋a(chǎn)品中的應(yīng)用大大擴(kuò)寬了加熱產(chǎn)品的開發(fā)，目前出現(xiàn)的加熱厚膜元件還不能能滿足該性能，并且單面?zhèn)鳠岬募訜嵩s很少，或者單面?zhèn)鳠嵝Ч患?，無法做到保持單面具有高導(dǎo)熱能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種體積小﹑工作效率高﹑環(huán)保性好﹑安全性能高和使用壽命長的覆蓋層具有高導(dǎo)熱能力的厚膜元件。

本發(fā)明所述厚膜的概念主要是相對(duì)薄膜而言的，厚膜是指在載體上用印刷燒結(jié)技術(shù)所形成的厚度為幾微米到數(shù)十微米的膜層，制造這種膜層的材料，稱為厚膜材料，做成的涂層稱為厚膜涂層。厚膜發(fā)熱體具有功率密度大、加熱速度快、工作溫度高、升溫速度快、機(jī)械強(qiáng)度高、體積小，安裝方便、加熱溫度場均勻、壽命長、節(jié)能環(huán)保、安全等眾多優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明提供覆蓋層具有高導(dǎo)熱能力的厚膜元件，包括載體、涂覆于載體上的厚膜涂層和覆蓋于厚膜涂層上的覆蓋層，所述厚膜涂層為加熱材料，加熱方式為電加熱，其中對(duì)所述載體、厚膜涂層以及覆蓋層的選擇為滿足以下每個(gè)關(guān)系式的材料：

所述200≤a≤10⁴，0<b≤1000，0<c≤5×10⁵；

所述T₂<T_{覆蓋層最低熔點(diǎn)}；

所述T₂<T_{載體最低熔點(diǎn)}；

所述T₀≤30℃

其中所述的值表示所述覆蓋層的傳熱速率；所述的值表示所述厚膜涂層的發(fā)熱速率；所述的值表示所述載體的傳熱速率；

所述λ₁表示所述覆蓋層在T₁時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)；所述λ₂表示所述厚膜涂層在T₂時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)；所述λ₃表示所述載體在T₃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)；

所述A表示所述厚膜涂層與覆蓋層或者載體的接觸面積；

所述d₁表示所述覆蓋層的厚度；所述d₂表示所述厚膜涂層的厚度；所述d₃表示所述載體的厚度；

所述T₀厚膜發(fā)熱元件的初始溫度；所述T₁表示所述覆蓋層的表面溫度；所述T₂表示所述厚膜涂層的加熱溫度；所述T₃表示所述載體的表面溫度；

所述厚膜涂層的厚度d₂≤50微米；

且10微米≤d₁≤10毫米，d₃≥10微米；

所述T_{載體最低熔點(diǎn)}>25℃；

所述覆蓋層的導(dǎo)熱系數(shù)λ₁≥載體的導(dǎo)熱系數(shù)λ₃；

所述覆蓋層是指通過印刷或者燒結(jié)覆蓋在厚膜涂層上面的介質(zhì)層，覆蓋層的面積大于厚膜涂層。

所述載體是指承載厚膜涂層的介質(zhì)層，厚膜涂層通過印刷或者燒結(jié)涂覆在載體上，為厚膜元件的涂覆基質(zhì)。

所述導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1度(K，℃)，在1秒鐘內(nèi)(1S)，通過1平方米面積傳遞的熱量，單位為瓦/米·度(W/(m·K)，此處為K，可用℃代替)。

在厚膜加熱元件的電加熱部位，覆蓋層、厚膜涂層以及載體是緊密粘接的，厚膜涂層的兩端連接外接電極，當(dāng)厚膜涂層通電后，對(duì)厚膜涂層進(jìn)行加熱，電能轉(zhuǎn)化為熱能，厚膜涂層開始發(fā)熱，厚膜涂層的發(fā)熱速率可以通過檢測得到厚膜涂層的導(dǎo)熱系數(shù)、接觸面積、起始溫度、加熱溫度以及厚度，并運(yùn)用公式可以計(jì)算出來，其中T₂表示厚膜的加熱溫度。

本發(fā)明的技術(shù)特征是覆蓋層具有高導(dǎo)熱能力的厚膜發(fā)熱元件，該技術(shù)特征要求覆蓋層、載體、厚膜涂層的發(fā)熱速率滿足以下幾個(gè)要求：

(1)覆蓋層的傳熱速率與載體的傳熱速率的限定條件滿足如下關(guān)系式，即其中200≤a≤10⁴，滿足上述不等式的厚膜元件的覆蓋層傳熱能力大于載體，即覆蓋層的升溫速度快，載體的升溫速度慢，或者達(dá)到受熱平衡穩(wěn)定后覆蓋層與載體的溫差較大，總體上是厚膜元件呈現(xiàn)出覆蓋層加熱的技術(shù)效果；

(2)厚膜涂層的發(fā)熱速率與覆蓋層的傳熱速率的限定條件滿足如下關(guān)系式，即其中0<b≤1000，如果厚膜涂層的發(fā)熱速率比覆蓋層的傳熱速率高出太多，厚膜涂層持續(xù)不斷的積累的熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)出去，致使厚膜涂層的溫度不斷升高，當(dāng)溫度超過覆蓋層的最低熔點(diǎn)時(shí)，覆蓋層開始融化，甚至燃燒，從而破壞覆蓋層或者載體的結(jié)構(gòu)，損壞厚膜加熱元件；

(3)厚膜涂層的發(fā)熱速率與載體的傳熱速率的限定條件滿足如下關(guān)系式，即0<c≤5×10⁵，由于載體的導(dǎo)熱系數(shù)較小，且傳熱速率也較低，如果厚膜涂層的發(fā)熱速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載體的傳熱速率，載體不能及時(shí)散熱，厚膜涂層的溫度不斷升高，當(dāng)加熱溫度超過載體的最低熔點(diǎn)時(shí)，載體開始融化或者發(fā)生熱形變，甚至燃燒，從而破壞載體的結(jié)構(gòu)，損壞厚膜加熱元件；

(4)厚膜涂層的加熱溫度不能高于覆蓋層或者載體的最低熔點(diǎn)，需滿足T₂<T_{覆蓋層最低熔點(diǎn)}，T₂<T_{載體最低熔點(diǎn)}，避免加熱溫度過高而損壞厚膜加熱元件。

滿足上述幾個(gè)要求，覆蓋層、載體的傳熱速率是由其材料本身的性質(zhì)以及該厚膜元件產(chǎn)品的性能決定：

覆蓋層的傳熱速率計(jì)算公式為其中λ₁表示所述覆蓋層的導(dǎo)熱系數(shù)，單位是W/m.k，是由制備覆蓋層的材料的性質(zhì)決定的；d₁是表示覆蓋層的厚度，由制備工藝以及厚膜加熱元件要求決定的；T₁是覆蓋層的表面溫度，是由厚膜加熱元件性能決定的。

載體的傳熱速率計(jì)算公式為其中λ₃表示所述載體的導(dǎo)熱系數(shù)，單位是W/m.k，是由制備載體的材料的性質(zhì)決定的；d₃是表示載體的厚度，由制備工藝以及厚膜加熱元件要求決定的；T₃是載體的表面溫度，是由厚膜加熱元件性能決定的；

優(yōu)選的，所述所述載體的導(dǎo)熱系數(shù)λ₃≤3W/m.k，所述覆蓋層的導(dǎo)熱系數(shù)λ₁≥3W/m.k；所述200≤a≤10⁴，10≤b≤1000，10⁴≤c≤5×10⁵。

優(yōu)選的，所述載體與厚膜涂層之間通過印刷或者燒結(jié)粘結(jié)，所述厚膜涂層與覆蓋層通過印刷或者燒結(jié)粘結(jié)或者真空吸附。

優(yōu)選的，所述載體與覆蓋層中間沒有厚膜涂層的區(qū)域通過印刷或涂覆或噴涂或和燒結(jié)粘結(jié)或粘膠粘結(jié)。

優(yōu)選的，所述載體包括聚酰亞胺、有機(jī)絕緣材料、無機(jī)絕緣材料、陶瓷、微晶玻璃、石英、水晶、石材材料、布料、纖維。

優(yōu)選的，所述厚膜涂層為銀、鉑、鈀、氧化鈀、金或者稀土材料中的一種或幾種。

優(yōu)選的，所述覆蓋層為聚酯、聚酰亞胺或聚醚亞胺、陶瓷、硅膠、石棉、云母板、布料、纖維中的一種或幾種制成的。

優(yōu)選的，所述厚膜涂層的面積小于或等于覆蓋層或載體的面積。

本發(fā)明提供的一種厚膜元件的用途，用于覆蓋層發(fā)熱的產(chǎn)品。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明的厚膜元件覆蓋層具有高導(dǎo)熱能力，適用于覆蓋層發(fā)熱的產(chǎn)品，提高傳熱效率，減少無需兩面加熱情況下的熱能損失；適用于當(dāng)載體能夠涂覆厚膜但導(dǎo)熱系數(shù)非常小的厚膜元件，此時(shí)覆蓋層具有高導(dǎo)熱能力能實(shí)現(xiàn)單面?zhèn)鳠嵝Ч?/p>

2、本發(fā)明的厚膜元件從用三層結(jié)構(gòu)通過印刷或燒結(jié)直接粘接，厚膜涂層通電后對(duì)覆蓋層直接加熱，無需在通過其他介質(zhì)，熱能直接傳導(dǎo)給覆蓋層，提高導(dǎo)熱效率，且本發(fā)明覆蓋層是覆蓋在厚膜涂層上，避免了厚膜涂層在通電后漏電問題，提高安全性能；

3、本發(fā)明的厚膜元件是采用厚膜涂層加熱的，涂層的厚度在微米級(jí)別，在通電后發(fā)熱速率均勻，且使用壽命長。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明：

本發(fā)明提供一種覆蓋層具有高導(dǎo)熱能力的厚膜元件，包括載體、涂覆于載體上的厚膜涂層和覆蓋于厚膜涂層上的覆蓋層，所述厚膜涂層為加熱材料，加熱方式為電加熱，其中對(duì)所述載體、厚膜涂層以及覆蓋層的選擇為滿足以下每個(gè)關(guān)系式的材料：

所200≤a≤10⁴，0<b≤1000，0<c≤5×10⁵；優(yōu)選的，所述200≤a≤10⁴，10≤b≤1000，10⁴≤c≤5×10⁵；

所述T₂<T_{覆蓋層最低熔點(diǎn)}；

所述T₂<T_{載體最低熔點(diǎn)}；

所述T₀≤30℃

所述厚膜涂層的厚度d₂≤50微米；

且10微米≤d₁≤10毫米，d₃≥10微米；

所述T_{載體最低熔點(diǎn)}>25℃；

所述覆蓋層的導(dǎo)熱系數(shù)λ₁≥載體的導(dǎo)熱系數(shù)λ₃；

下面實(shí)施例中給出了本申請(qǐng)人制備的20種厚膜元件，這20種厚膜元件覆蓋層、厚膜涂層、載體的制備材料是選自滿足上述不等式的材料，具體制備方法以及關(guān)系如下：

實(shí)施例

選用導(dǎo)熱系數(shù)為λ₂的銀漿材料制備厚膜涂層，導(dǎo)熱系數(shù)為λ₃的聚酰亞胺材料制備載體，導(dǎo)熱系數(shù)為λ₁的聚酰亞胺復(fù)合材料制備覆蓋層，將三層材料通過燒結(jié)粘結(jié)，所制備的厚膜涂層的面積為A₂，厚膜涂層的厚度為d₂；覆蓋層的面積為A₁，厚度為d₁；載體的面積為A₃，厚度為d₃。

打開外接直流電源的開關(guān)后，給厚膜涂層通電，厚膜逐漸升溫，等到厚膜元件發(fā)熱穩(wěn)定后，測出受熱穩(wěn)定后的覆蓋層和載體的表面溫度，以及厚膜涂層的加熱溫度，通過如下計(jì)算公式：計(jì)算出覆蓋層和載體的傳熱速率以及厚膜涂層的發(fā)熱速率。

下面表1至表4是本申請(qǐng)人制備的20種厚膜元件，將厚膜元件通電加熱2分鐘后，采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測量得到表中性能數(shù)據(jù)(導(dǎo)熱系數(shù)、表面溫度)，厚度、接觸面積、初始溫度在加熱前測量。

覆蓋層、厚膜涂層、載體導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法為：

1.接通電源，調(diào)節(jié)加熱電壓至規(guī)定值，打開儀器6V電源開關(guān)，預(yù)熱20分鐘；

2.光點(diǎn)檢流計(jì)零位校正；

3.根據(jù)室溫校正UJ31型電位差計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓，電位差計(jì)轉(zhuǎn)換開關(guān)放在標(biāo)準(zhǔn)位置，調(diào)整電位差計(jì)的工作電流；

由于標(biāo)準(zhǔn)電池的電壓隨溫度變化，室溫校正按下式進(jìn)行計(jì)算：

E_t＝E₀－[39.94(t－20)+0.929(t－20)²]

其中，E₀＝1.0186V

4.在薄試件的下部放上加熱板及下部熱電偶；在薄試件的上部放上上部熱電偶。注意熱電偶一定要放在試件的中心位置。熱電偶的冷端放在冰瓶內(nèi)；

5.電位差計(jì)轉(zhuǎn)換開關(guān)放在位置1，測出試件的上、下部的初始溫度，要求溫差小于0.004mv(0.1℃)時(shí)實(shí)驗(yàn)方可繼續(xù)進(jìn)行；

6.上部熱電偶的初始熱電勢預(yù)先加0.08mv，打開加熱開關(guān)開始加熱，同時(shí)用秒表計(jì)時(shí)，當(dāng)光點(diǎn)檢流計(jì)的光點(diǎn)回到零位時(shí)，關(guān)閉加熱電源。得到上部的過余溫度及加熱時(shí)間；

7.過4～5分鐘后測出下部熱電偶的熱電勢，得到下部的過余溫度及時(shí)間；

8.電位差計(jì)轉(zhuǎn)換開關(guān)放在位置2，打開加熱開關(guān)測出加熱電流；

9.實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉電源，整理儀器設(shè)備。

溫度的測量方法為：采用熱電偶式溫度計(jì)測量，

1、連接感溫線到發(fā)熱部件的發(fā)熱涂層表面、載體表面、覆蓋層表面、室外空氣中。

2、采用額定功率對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行通電，測試各個(gè)部件的溫度。

3、通過連接的電腦記錄產(chǎn)品各個(gè)時(shí)間段各個(gè)部件的溫度，T₀；T₁；T₂；T_3；

厚度的測量方法為：采用千分尺進(jìn)行量度，采用堆疊求平均的方式進(jìn)行測定。

熔點(diǎn)的測量方法具體如下：

檢測儀器:美國TA公司差示掃描量熱儀,型號(hào)DSC2920,該儀器經(jīng)檢定合格(A級(jí)),檢定依據(jù):JG(教委){014—1996熱分析儀檢定規(guī)程}

1.環(huán)境條件溫度:(20～25)℃,相對(duì)濕度:<80％。

2.儀器校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):熱分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(銦),標(biāo)準(zhǔn)429.75K(156.6O)。

3.測量過程:檢測過程參照“GB/T19466.3—2O04/IS0

4.重復(fù)測量三次以確保儀器狀態(tài)正常,然后再進(jìn)行樣品測試；稱樣量:(1～2)nag,準(zhǔn)確到0.01mg,置于鋁制樣品盤內(nèi)；檢測條件:以1O℃/min升溫到200℃；重復(fù)測量10次；測量模型隨著電腦和儀器采集樣品熔點(diǎn)，測定可以通過對(duì)測量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和譜圖的程序分析,由熔融吸熱峰的初始外推溫度直接給出測量模型，用貝塞爾公式計(jì)算得出測定結(jié)果。

表1是檢測實(shí)施例1至實(shí)施例20中厚膜元件覆蓋層的性能數(shù)據(jù)，具體如下：

表1

表2是檢測實(shí)施例1至實(shí)施例20中厚膜元件厚膜涂層的性能數(shù)據(jù)，具體如下表2所示：

表2

表3是檢測實(shí)施例1至實(shí)施例20中厚膜元件載體的性能數(shù)據(jù)，具體如下表3所示：

表3

表4是根據(jù)上述表1/2/3中各性能數(shù)據(jù)，計(jì)算得到熱傳導(dǎo)速率數(shù)據(jù)，并將覆蓋層、厚膜涂層、載體三層的傳熱速率數(shù)值大小按比值運(yùn)算得到滿足本發(fā)明的材料限定條件，即滿足下列關(guān)系式：其中200≤a≤10⁴，0<b≤1000，0<c≤5×10⁵；

表4

表4結(jié)果表明實(shí)施例1至實(shí)施例20制備的厚膜元件均滿足不等式，且上述厚膜元件的載體層即覆蓋層具有發(fā)熱功能，兩面溫差在40度以上，實(shí)現(xiàn)覆蓋層單面發(fā)熱功能，在產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)，只需要厚膜元件在覆蓋層單面加熱的情況下會(huì)減少熱損失；在通電兩分鐘后覆蓋層的表面溫度最高能上升到100℃以上，這說明本發(fā)明的厚膜發(fā)熱元件發(fā)熱效率較高。

表5至表8是針對(duì)本發(fā)明的厚膜元件的對(duì)比例1-10的各性能數(shù)據(jù)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)檢測方法跟表1-表4中一樣，具體數(shù)據(jù)如下：

表5

表6

表7

表8

上述表中對(duì)比例1-10提供的厚膜元件在選材以及結(jié)構(gòu)不符合本發(fā)明的選材要求，不滿足本發(fā)明的不等式關(guān)系，在通電加熱后，對(duì)比例1-10的兩面發(fā)熱升溫差別不大，覆蓋層和載體面的發(fā)熱溫差在15℃以下，這種選材設(shè)置和制備出來的厚膜元件不符合本發(fā)明的覆蓋層具有高導(dǎo)熱能力厚膜元件的要求，不滿足本發(fā)明產(chǎn)品要求，以此證實(shí)本發(fā)明中傳熱速率關(guān)系。

將實(shí)施例1-20的厚膜元件應(yīng)用在冬季衣服上，覆蓋層傳熱的一面設(shè)于接近人體的方向，厚膜元件的載體面背對(duì)著人體，厚膜元件通電發(fā)熱后，只在覆蓋層發(fā)熱。覆蓋層具有高導(dǎo)熱能力的厚膜元件的有益效果是：1)只需要覆蓋層導(dǎo)熱，對(duì)載體的導(dǎo)熱性能要求不高，可選擇較寬范圍的材料作為厚膜的涂覆基質(zhì)；2)該厚膜元件的覆蓋層要求非常薄，使厚膜元件更加輕巧，質(zhì)量較輕，置于衣服中更加舒適；3)應(yīng)用在衣服中，只需要接近人體的一面?zhèn)鳠峒纯?，無需背面也傳熱，這樣避免了背面填充絕熱物質(zhì)，還減少熱損失。而對(duì)比例給出的后膜元件兩邊傳熱效果相差不大，應(yīng)用在覆蓋層單面?zhèn)鳠岬囊路蠒r(shí)，會(huì)造成熱損失，

且背面還需填充絕熱物質(zhì)，增加成本以及衣服的重量，舒適感降低。

根據(jù)上述說明書的揭示和教導(dǎo)，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行變更和修改。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實(shí)施方式，對(duì)發(fā)明的一些修改和變更也應(yīng)當(dāng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術(shù)語，但這些術(shù)語只是為了方便說明，并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制。