[发明专利]一种基于石墨烯的分区发热的电阻器及发热系统

说明书

一种基于石墨烯的分区发热的电阻器及发热系统，涉及电阻器技术领域，一种基于石墨烯的分区发热的电阻器，单元电阻片的正面热合若干石墨烯同心导电环并引出独立的正面引脚，在单元电阻片的正面和若干石墨烯同心导电环表面热合传热电阻层，传热电阻层完全覆盖单元电阻片的正面，在传热电阻层的表面热合石墨烯热辐射层，石墨烯热辐射层的表面采用尖峰的波浪面，提高红外线的获得率。一种基于石墨烯的分区发热的电阻器的发热系统，贴片热敏电阻和测温电路测量单元电阻片的温度，温度信息通过模数转换器传输给数字信号处理器，数字信号处理器通过数模转换器控制MOS管的导通及导通时间，控制分区发热的电阻器均匀发热及温度，提升分区发热的均匀性。

技术领域

本发明涉及电阻器技术领域，具体为一种基于石墨烯的分区发热的电阻器及发热系统。

背景技术

现有电阻器不能有效产生适合人体吸收的红外线，其具体问题在于，低效：现有电阻器不能有效产生适合人体吸收的红外线，其产生的红外线能量较低，无法达到人体吸收的标准，从而无法发挥红外线的理疗作用；能耗高：现有电阻器的能耗较高，需要消耗大量的电能才能产生足够的红外线能量，从而增加了使用成本；稳定性差：现有电阻器的稳定性较差，易受环境温度、湿度等因素的影响，从而影响其产生的红外线能量的稳定性和一致性。

人体吸收红外线的频谱主要集中在6到14微米波段，人体不吸收或者吸收量小的波段为无效热能，无效热量大量堆积引起烫伤、电解质、内分泌紊乱等热应激反应，随着科技的发展，人们对于生活品质的要求越来越高，现有的穿戴产品无法产生人体容易吸收的红外线，不能均匀控制发热体的温度，不能很好地产生人体容易吸收的红外线。

发明内容

针对以上问题，至少解决其中一个问题，本发明的目的在于通过分区发热的方式，控制发热的区域和温度，通过石墨烯层表面的尖峰波浪面辐射出红外线，提供一种基于石墨烯的分区发热的电阻器及发热系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于石墨烯的分区发热的电阻器，包括：单元电阻片、石墨烯同心导电环、石墨烯热辐射层、绝缘体、反射膜，其中，石墨烯同心导电环包括石墨烯同心导电圆环或者石墨烯正多边形同心导电环，单元电阻片采用第一种电阻材料，单元电阻片的形状包括圆形或者正多边形的片状结构，单元电阻片的正面热合若干石墨烯同心导电环并引出独立的正面引脚，在单元电阻片的正面和若干石墨烯同心导电环表面热合传热电阻层，传热电阻层完全覆盖单元电阻片的正面，传热电阻层采用第二种电阻材料，第二种电阻材料的电阻率大于第一种电阻材料的电阻率，传热电阻层至少两层，独立的正面引脚从传热电阻层内部的层与层之间引出，在传热电阻层的表面热合石墨烯热辐射层，石墨烯热辐射层的表面采用尖峰的波浪面；单元电阻片的背面热合若干石墨烯同心导电环并引出独立的背面引脚，背面引脚由绝缘体包裹；对单元电阻片的侧面和背面设置绝缘体层，在绝缘体层的表面镀反射膜；切换正面引脚和背面引脚的导通位置，单元电阻片将电转为热能，单元电阻片分区域发热，反射膜将单元电阻片侧面和背面的热能汇聚到正面，传热电阻层传递热能，石墨烯热辐射层吸收热能，石墨烯热辐射层的尖峰波浪面向外辐射热能；需要说明的是，石墨烯同心导电环包括石墨烯同心导电圆环或者石墨烯正多边形同心导电环，石墨烯同心导电环是由石墨烯构成的多层环形结构，每一层石墨烯环都连接在一起，形成一个同心的圆环或正多边形，这些多层石墨烯环具有非常高的导电性能，能够实现高效的电子传导；石墨烯同心导电圆环或者正多边形导电环在均匀导电方面的好处包括：极高的电导率：石墨烯具有非常高的电导率，比铜还高约6倍；在导电环中使用石墨烯可以提高整体的导电性能，确保电流能够均匀地分布在导电环的各个部位，减少电阻和能量损耗；无内外向性：石墨烯的导电性质不受环形或多边形结构的限制，具有无内外向性，这意味着导电环可以在任意方向上均匀地导电，不会受到电流在环内的传输路径的限制；优秀的热导率：除了电导率高外，石墨烯还具有优秀的热导率，在导电环中使用石墨烯可以促进热量的均匀传递，防止热量集中，提高整体的热导性能；高稳定性：石墨烯具有极高的化学稳定性，对氧化、腐蚀和高温具有良好的抵抗能力；石墨烯同心导电环的导电性来自于石墨烯的特殊结构和材料属性，石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有优异的电导率和导电性能，将多层石墨烯环堆叠在一起，利用石墨烯层之间的相互作用，可以实现电子在同心导电环中的快速传导；石墨烯同心导电环可以通过控制石墨烯环的层数、尺寸和形状等参数，来调控其导电性能，从而实现对电子传导的精确控制；单元电阻片的形状包括圆形或者正多边形的片状结构，圆形或正多边形形状可以更容易地组装和连接，同时也有助于获得均匀的电阻值分布；单元电阻片的正面热合若干石墨烯同心导电环并引出独立的正面引脚，石墨烯同心导电环是将石墨烯薄片切割成同心圆环的形状，并将它们热压合并到单元电阻片的正面上，这样可以在单元电阻片上形成多个石墨烯导电环，可以提高电流在电阻片上的均匀分布；石墨烯同心导电环与金属引脚之间可以通过焊接或者导线连接，从而形成一个具有独立引脚的单元电阻片；传热电阻层完全覆盖单元电阻片的正面，保证单元电阻片的正面热合若干石墨烯同心导电环的分区导电功能，同时，可以提高电阻片的散热效果，从而避免因过热而引起的故障，第二种电阻材料的电阻率大于第一种电阻材料的电阻率，起到分隔若干石墨烯同心导电环的作用，比如，传热电阻层采用导电性能好的导体，将若干石墨烯同心导电环连接为一体，就失去了分区导通的作用；传热电阻层通常由导热材料制成，能够有效地将热量从电阻片散发出去，使其保持较低的温度，这样可以延长电阻片的使用寿命，提高工作稳定性；此外，传热电阻层还可以保护电阻片不受外界环境的影响，如尘土、湿气等，从而提高电阻片的可靠性；总的来说，传热电阻层的存在可以提高电阻片的散热性能和稳定性，确保其正常工作；传热电阻层至少两层，独立的正面引脚从传热电阻层内部的层与层之间引出；传热电阻层至少包括两层，可以是两片不同材料的薄膜或者两个不同材料的厚块；这两层之间可以通过热胶或者热导胶黏合在一起，以确保热从一层传递到另一层；在传热电阻层的表面热合石墨烯热辐射层，具有出色的热导和电导性能；因此，在传热电阻层的表面热合石墨烯热辐射层可以提高传热效率；石墨烯热辐射层具有以下特性，高热导性：石墨烯具有很高的热导率，可以快速传导热量；宽波段吸收：石墨烯能够吸收宽范围的波段的热能；高效辐射：石墨烯在受热后会产生强烈的热辐射，将热量转移到周围环境；通过在传热电阻层的表面热合石墨烯热辐射层，可以实现以下效果：提高传热效率：石墨烯的高热导性能可以快速将热量传导到热辐射层，并通过辐射的方式将热量散发出去，从而提高传热效率；石墨烯热辐射层的表面采用尖峰的波浪面可以增加表面积，从而增强辐射吸收和发射能力；石墨烯作为一种二维材料，具有单原子厚度和高导电性的特点；其独特的电子能带结构使得其在红外波段具有良好的热电特性；而石墨烯热辐射层的表面采用尖峰的波浪面，则可以进一步增加石墨烯的表面积；这是因为尖峰的波浪面具有较多的曲面特征，使得表面更加起伏，从而增加了有效的辐射吸收和发射区域；通过增加表面积，石墨烯热辐射层可以更有效地吸收和发射热辐射能量；同时，尖峰的波浪面也可以增加石墨烯与周围环境的接触面积，进一步增加了热传导的效率；总之，石墨烯热辐射层的表面采用尖峰的波浪面可以通过增加表面积来增强辐射吸收和发射能力，从而提高石墨烯在热电转换和热辐射传热中的应用性能；单元电阻片的背面热合若干石墨烯同心导电环并引出独立的背面引脚，背面引脚由绝缘体包裹，以防止石墨烯导电环短路，影响单元电阻片的分区发热；背面引脚由绝缘体包裹，可以避免背面引脚与其他金属结构接触导致短路的问题发生，同时也能避免外界物质进入背面引脚与石墨烯导电环之间的空隙，影响电阻片的性能；有效保护单元电阻片的导电环和引脚，提高其使用寿命和稳定性，并且也有利于电阻片的制造和维护；对单元电阻片的侧面和背面设置绝缘体层，在绝缘体层的表面镀反射膜，绝缘体层起到保温和电隔离的作用，单元电阻片的侧面和背面的反射膜通过反射方式，阻止热能从侧面和背面散失，提高单元电阻片从正面输送热量的总量，单元电阻片将电能转为热能从正面输送热量到传热电阻层和石墨烯热辐射层；提高单元电阻片的发热速度，反射膜阻止了热能从侧面和背面散失，这可以缩短单元电阻片达到设定温度所需的时间，提高加热的响应速度；提高红外线的获得率，由于单元电阻片的侧面和背面是没有石墨烯热辐射层，只有单元电阻片的正面有石墨烯热辐射层，通过石墨烯热辐射层获得理想的红外线波段；石墨烯同心导电环把单元电阻片分成不同的区域，单元电阻片的分区发热是利用焦耳热效应，切换正面引脚和背面引脚的导通位置，单元电阻片将电转为热能，单元电阻片分区域发热，切换正面引脚和背面引脚的导通位置会导致电流方向发生改变，而单元电阻片将电能转化为热能的原理就是电流通过电阻时会产生电阻热；当电流通过单元电阻片时，电子与电阻片内的原子发生碰撞，电子的动能转化为原子的热运动，从而使电阻片发热；石墨烯层吸收单元电阻片的热能，石墨烯层表面的尖峰波浪面辐射出红外线，激发出的红外线的主要波长范围在6到14微米波段的，提高6到14微米波段的获得率；石墨烯吸收热能，由石墨烯内部的碳原子在运动状态被改变时，激发出主要波长范围在6到14微米波段的红外线，石墨烯随温度变化，6到14微米波段的红外线的变化非常小，人体吸收和发射的红外频谱在6到14微米波段的红外线。