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电热膜技术及电暖器产品应用

   日期:2015-02-08     来源:互联网    浏览:81    

  “电热膜”发热体,自上世纪九十年代初,开始应用于家电产品,至本世纪初发扬光大,被广泛应用于室内加热器产品上。

  若从“电热膜”的材料特点及加工工艺来区分,可将“电热膜”分为三大类:1)具有“远红外线”波长特征的碳材电热材料,简称“黑膜或碳膜”;2)无机化工材料掺和的复合膜,简称“透明膜。3)通过导电浆料或材料、粘结料、添加剂及溶剂等组成的导电浆料,附着在绝缘导热基材表面而制作成的电热膜,简称“有色膜或金属膜”。

  无论哪一种膜,其核心是绝缘导热基材表面上的那一层薄薄的导电涂膜。那膜要制成半导体特性,具有一定的电阻,应用丝网印刷技术或喷涂的方法,将其印刷或喷涂附着在绝缘与导热及热膨胀性能适宜的基材上。再通过连接膜上的电极,通以额定的工作电压后,“电热膜”即可将电能转化为热能,并将热量从膜内释放出来。其特点是:无明火、无噪音,不耗氧,无污染,起动快、热效率高。

  如果按涂膜加工成型的温度差别和性能变化来划分,“碳膜电热膜”通常认为是“低温膜”,这种膜片发热体的功率密度设计值要求比较低,若加热介质为静止的空气,其表面负荷不能超过0.6W/cm2,而且耐电压性能较差,对使用环境要求相对较高。 “透明膜电热膜”通常是按照“中温膜”的要求来设计使用的,这种膜片发热体的功率密度设计值要求适中,若加热介质为静止的空气,要根据其导电浆料的配方及理化特性等差异,及载体本身的耐温性能,可将其表面负荷控制在0.42W/cm2至1.2W/cm2范围之内,而且这种“膜”的生产工艺相对较为复杂,成本相对较高。金属膜电热膜通常被业内人士认为是“高温膜”,其性能稳定,若加热介质为静止的空气,其表面负荷最高可达6.8W/cm2,现已被广泛应用于电暖器产品研发与生产上。

  电热膜的质量,除了与配方的组成有关外,与膜的成型工艺有着密切的关系。较常用的工艺方法有“喷涂法和丝网印刷法”。当前,凡应用于电暖器产品上的电热膜,较普遍地是在云母板上,利用丝网印刷法印制生产。膜的厚度是否均匀,是电热膜的一个重要指标。膜越均匀,其同样间隔距离的电势差不会发生陡变,其表面发热温度也均匀,膜片本身不容易发生变形。这样,更有利于保证其工作寿命。

  大家知道,在电热膜使用中,其膜上的电极是必不可缺少的,也是极为重要的。电极的制作,一般可通过“钢箔”粘贴法或压贴法。也有通过贴铜箔法采用引线的。无论采用何种方法制作,均保证电极与膜贴合牢靠,不允许有任何细微的裂缝,且电极处的工作温度要越低越好。这就要求:电极与膜表面平滑,无毛刺;在整机设计时,发热板的“电极”通常必须放置在器具的下部。否则,在电压不稳定或环境条件较恶劣,极容易产生“打火”,而导致“膜片”被烧毁。

  对“丝网印刷”后的洗网、溶剂的选择、浆料浓度的调节等这些,对于“碳膜”和“透明膜”来说,均有严格的要求,这些要求均与配方有关。在配制“导电浆料”时,究竟选用多少目数的导电填料粒子为好,到目前为止还没有一个确切统一的标准。但对于同一种填料来说,粒径越小,表面积越大,导电性能越好,印刷质量也更为理想。但是,粒径越小,耐热性越差,在加热条件下的热稳定性就会有问题。导电填料在涂膜中的分散状态,对电热膜发热特性的影响也不容忽视。分散状态越好,膜的发热越均匀,反之则不然。总之,这种填料制得的电热膜,往往会经不起长期超负荷的发热升温的考验。这也是“碳膜”和“透明膜”的功率密度不宜过高的缘故。

  为了防止导电填料在涂膜中的沉降,在导电浆料的制作过程中,选用什么样的表面活性剂等尤为重要。特别是对密度大的金属填料来说,丝网印刷时涂膜的厚度越大,填料粒子在涂膜干燥固化过程中,就越容易沉降。在填料粒子沉降后,涂膜下层比上层的粒子堆积密度更大,所以厚度大的比厚度小的膜测出的体积电阻要低。假如对涂层厚的膜剖开进行分析,可以发现该膜上、下层中的粒子分布不均。就同一层涂膜来说,各部分厚度是不均匀的,涂膜薄的地方电阻值高,厚的地方电阻值低。这导致在“膜面”上的功率分布不均匀,当对不均匀的涂层通电后,膜层薄的地方周边局部温度过高,电阻回路就很容易被烧坏。

  一般说来,若膜的各部分的温度差在3~8℃之间,这在目前行业内认为:是属于允许范围内的,也就是说这种电热膜的厚度是比较均匀的。为了确保质量,使其更加稳定,在丝网印刷时对金属浆料的浓度、印刷时的墨量大小都是要严格控制的。

  电热膜对基材的要求:为了提高涂膜在基材上的附着力,一般来说,都有要对基材表面进行预处理,通常的方法是先喷砂粗化,后用“等离子技术”氧化处理。另外,要选用“耐温良好,热膨胀系数小”的基材。如果基材本身的耐温性能不好,当电热膜发热至一定温度时,基材板受热发生形变,中心部位应力最集中,首先出现“凹陷”现象。因为电热膜的膨胀系数小,而基材的膨胀系数大,故整个发热材料的形变向有电热膜这一面弯曲凹陷,这种形变将损坏电热膜。所以,基材的热膨胀系数应选择小于电热膜的热膨胀系数,或者选择刚性良好的绝缘材料制作基材。对于云母板来说,其表面平整性及厚度要求不容忽视,涂膜表面绝不允许有凹凸不平的现象存在。

  所涉及到的有关“碳膜”制作的主要工艺流程有:膜浆配制(试制:关键控制点)——云母板处理(喷沙、氧化等工艺处理)——印刷(机械设备印刷)——烧结(温度600±20℃:关键控制点)——缝合——铆接电极——粘合云母板(704硅胶)——加金属边框铆接(压边条)——测量电阻——测量功率及在线老化——电气强度——包装。

  当前,行业里面通常应用的金属膜:主要是采用镍铬合金材料,厚度为0.02-0.03mm厚的金属薄膜,在一定的温度条件下,通过“耐温胶”张贴在相应规格的云母板上,然后通过丝网印刷技术制作相应的电路回路,形成发热膜片。还要经过其它方面工艺处理,并经老化等。所涉及到的“金属膜”制作的主要工艺流程:裁剪云母纸、电热膜(喷胶)——加热粘贴金属膜(温度208-253℃)—印刷电路——补漆——蚀板——测量电阻——涂膜表面处理———电路冲孔——喷胶——粘合云母片(多片)——加金属边框冲压——加热固化(265℃)——压贴电极——测量功率及在线老化——电气强度——包装。

  从以上可看出,“碳膜”的关键控制点相对较多,且复杂。这说明:“金属膜”的生产质量较“碳膜”把控性要强,质量稳定性要高,这也是各电暖器成品生产厂普遍看好“金属膜”的缘故之一。从当前行业来看,以东莞“泰卓”生产的“金属膜”电热膜发热板性能最为稳定,其电热膜的各部分的温度差在3~6℃之间,单位面积的膜片变形量可控制0.25%以内,可承受2kV/2mA/1min的耐压测试,在正常工况条件下,可连续工作1万小时以上。

  对于电热膜的检验:最为重要的是“在线老化”检测。这个检测:既要考虑发热板本身的功率密度,又要考虑检测电压的选择。检测电压过高,若膜本身的功率密度大,又有可能会损坏电热膜;若选择电压低了,又不能发现问题。一般来说,就目前行业内的电热膜技术,凡功率密度小于0.45W/cm2的“碳膜和透明膜”,在充分放热变的条件下,其在线老化时的检测电压可达到320V,测试时间为1-3秒,周期为三次;若超过这个功率密度的“碳膜和透明膜”,在线老化时的检测电压不能超过280V。对功率密度小于3.6W/cm2的“金属膜”来说,其在线老化时的检测电压最高可达到450V,测试时间为3-5秒,周期为三次。但对功率密度超过3.6W/cm2的“金属膜”来说,则其在线老化时的检测电压可选择280V至380V不等。测试时间为1-3秒,周期为三次。

  对于“胶”的选择:众所周知,云母板是由云母纸通过“胶”粘贴后,经烘焙压制而成。对于“胶”的选择极为重要。因为任何“胶”都有一个“耐候性”的问题,其在所允许的最高温度与最低温度的环境中,不允许发生任何的化学突变。另外一个是“胶”的气味,在使用中不能产生任何刺激性的气味。根据“云母纸”的热膨胀及导热性能,一般“云母板”选择厚度为0.3-0.6mm为最佳。对电极材料,通常要考虑其的耐候性及导电性能,行业使用304不锈钢片作金属发热膜的电极,较为普遍且成熟。在电热膜边框封压后,要注意边沿“膜面”与边框之间爬电距离至少应保持9mm,较合适。

  就当前的电热膜电暖器,其中较受市场认可的产品有:以格力牌NDYC-21型为代表的多片式电热膜电暖器产品。这一类产品充分应用了电热(金属)膜的特性,根据热量“对流与辐射”传递规律,确定了具有独出心裁及实用新型专利的结构方式,保证了空气与膜片之间的充分换热,同时最大限度地避免了“膜片与膜片之间”的“热辐射”影响,从而最大限度地提高了“膜片”对空气热交换效率,及有效地控制了“膜片”自身的工作温度,确保了膜片的工作寿命。如下图:

  “膜片”的悬臂横梁与“膜片”的水平投影之间的角度呈30°,这样,膜片与膜片之间相对重叠面的面积降至最小,同时通过调整膜片与膜片之间的距离,使膜片与膜片之间的相互辐射,而产生的负面影响程度降至最低限度,又使空气对流换热的效果提至最高。通过无数实验证明:上图中的“115mm”是当前电热膜产品中的最佳“性价比”设计距离。实验数据表明:在25℃左右的环境中,2000W的格力牌电热膜电暖器从通电开始计时,在45秒的时间内,可将流出器具出气口的空气温度迅速提高至96℃左右,并带有明显“热气流”。经实验证明:在3℃左右的环境中,2000W的格力牌电热膜电暖器的出气口空气温度可保持在72℃左右。这样,可以充分满足消费者在寒冬季节的取暖需求。

  目前,行业内对“电热膜”技术的研究仍在继续之中,有关“电热膜”技术的电暖器产品仍要继续发展。我们在对电热膜技术创新的同时,要加大对电热膜电暖器产品的研发与推广力度,使电热膜技术能够及时转化为现代生产力,为社会的发展与进步服务。

 
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