光电一体化芯片热水器.docx

1、光电一体化芯片热水器光电一体化芯片热水器项目可行性研究报告二0一二年六月目 录一、立项的背景和意义2二、国内外研究现状和发展趋势3三、研究开发内容及和技术关键4四、预期目标11五、研究方案技术路线组织方式与课题分解12六、计划进度安排14七、现有工作基础和条件14八经费预算15一、项目立项的背景和意义热水器是一种可供浴室、洗手间及厨房等场合使用的电器产品。目前市场上热水器主要品种有电热水器、太阳能热水器、燃气热水器。就中国的具体情况而言，由于太阳能热水器的使用受天气因素的限制，使用范围窄；燃气热水器以石油、天然气为燃料，由于燃料供应量难以满足人们日益增长的需求，且不利于环保。因此，电热水器越来

2、越受到消费者的青睐。目前电热水器可分为贮水式电热水器、快热式电热水器、即热式电热水器三大类。贮水式热水器，预热时间长，洗浴时水温难以控制，微调频繁。即热式电热水器功率在8KW以上，电流为36A，超出我国目前大部分住宅卫生间所承受的电流15A范围。因此家庭在选择即热式电热水器时，必须先考虑是否达到电流36A要求，是近年即热式电热水器发展缓慢的主要原因。目前，国内外流行的快热式电热水器，是集贮水式电热水器和即热式电热水器优点于一身，颇受广大用户好评。目前，市场上的电热水器也存在热效率低（一般只有80%左右）、加热管表面易结垢和安全性能低等缺陷。由此可见，热水器产品不仅需要效率高，还必须符合国家节能

3、、减排、环保等政策要求。我公司研发的光电一体化芯片热水器，结合太阳能热水器和电热水器的功能，在热效率、节能效果和保温效能方面具有显著优势。项目产品光电一体化芯片热水器的立项意义在于：1、提高了人们生活品质，给广大用户带来了高科技享受。由于光电一体化热水器节能环保、快速安全、外观精美等优点，正好符合现代生活节奏快的要求。2、产品节能减排、低碳符合时代潮流。光电一体化芯片热水器在有阳光的条件下，优先开启太阳能加热模式，将太阳能转化为热能。在无光照或光照强度不足条件下，开启芯片（厚膜电阻）加热模式，将电能高效率转化为热能（热效率达到98%）。3、为推动我国科技发展做出了贡献。光电一体化芯片热水器研制

4、成功，将大功率厚膜芯片加热技术运用于热水器中，打破百年只能用电热丝加热的传统方式，这是加热元件革命性突破。项目还将太阳能热水器的设计理念运用到芯片热水器，达到双重节能效果。这项技术填补了国内空白，处国内领先地位。同时，本课题符合国家“863计划”及当前重点推动的科技发展工作中新材料应用和先进制造科学技术的课题。二、项目的国内外研究现状和发展趋势项目光电一体化芯片热水器是太阳能热水器和芯片电热水器的结合体。由于太阳能热水器受天气、季节及安装条件的影响较大，国内外对太阳能热水器研究的主攻方向：提高太阳板的吸热能力和太阳能的利用率。目前，国内外对太阳能热水器相关技术的研究已经比较成熟，对芯片热水器相

5、关技术的研究才刚起步，取得的成果并不显著。1、项目国内现状厚膜加热体（大功率厚膜电阻电路）是在厚膜电子电路制造技术的基础上研制成功。厚膜电子电路源于欧洲，普遍应用于航空、航天、军事领域。如隔离启动电路、推换功率变换电路、整流滤波电路等，我国对该厚膜加热体的研究历史较长，技术成熟。我公司研发的厚膜芯片电路，是高科技前沿技术，各国都在研发中，我国国防科技大学对这种厚膜浆料于上世纪90年代初也投入开发，并列入国家863计划，目前仍处在研发阶段，未取得突破性成果。2、项目国外现状厚膜电阻是厚膜电路中最重要的元件，其发展最早、制造技术也最成熟，目前已广泛应用于厚膜及混合集成电路中。早在上世纪50 年代就

6、由美国杜邦公司(DuPont)首先开发出了Pd/Ag - PdO为主的厚膜电阻浆料，应用于IBM公司的360计算机上。60年代开发出了Ru2O电组浆料，70年代出现了钌酸盐系列的电阻。现有人用BaPbO3制作出厚膜电阻，据说性能与Ru2O基的相似，但价格要便宜很多。厚膜电阻浆料的组成成分复杂，可分为导电相(如Pd/AgPdO，Ru2O，Pb2Ru2O6，Bi2Ru2O7，BaPbO3等)、玻璃相(如硼硅酸盐玻璃，铅、硼、铝硅酸盐玻璃等)、有机粘合剂(有机树脂与溶剂等)和改性剂。到上世纪80年代，国外科学家将无机相改成钌化合物及钯等合金粉末，使厚膜电子电路变成厚膜电子电路，作为小功率发热体进入民

7、用领域（如：激光打印机、咖啡机、开水杯等）。大功率发热元件的厚膜电路制造难度相当大（尤其是发热浆料与基板的膨胀系数匹配，温度升高基板弯曲变形及固定安装等一系列难题需要解决），因此大功率厚膜加热技术国内外均为处于研究摸索阶段。目前，能供应质量稳定的厚膜浆料仅有美国、英国和德国三个国家。由于钌系厚膜电阻具有优良的电气性能，良好的工艺重复性、稳定性，阻值范围宽及可在大气中烧成等优点，使其在厚膜混合集成电路的制造中占据重要地位。由此可见，在电热水器加热领域内采用厚膜芯片加热将全面替代电热丝加热，成为未来热水器发展的主要方向之一。三、项目的研究开发内容和关键技术1、项目研究开发内容（1）解决厚膜浆料的优

8、选问题，以满足快速加热的要求；（关键技术之一）（2）解决不锈钢基板选择问题，实现膨胀系数与浆料匹配，以防止膜层脱落；（3）攻克单片厚膜加热元件（厚膜芯片）受热弯曲及安装难题。打破了国外专家看来，厚膜加热元件不可焊接的禁区；（关键技术之一）（4）集太阳能热水器和芯片电热水器于一体，通过单片机控制系统实现对光电一体化热水器的智能控制，实现水温、水位的精确控制。（关键技术之一）2、关键技术及创新点创新点之一：设计光电一体化结构，集太阳能热水器和芯片电热水器于一体，对太阳能加热模式优先选择，同时结合芯片进行加热，解决太阳能热水器冬天不足之处，在保证使用需求的同时，使节能效果更加显著。常见的太阳能热水器

9、对太阳光照的依赖程度较高，在光照不充足的阴雨天不能生产热水，只能依靠电加热来弥补太阳能的不足，也存在能源的浪费现象，特别是在阴雨天较多的南方地区使用太阳能热水器并不经济。因此，我们研制出一种将太阳能热水器和芯片电热水器结合在一起（如图1所示），优选太阳能进行加热，如果加热水温没有达到设定的温度值，开启芯片电热水器进行加热，使水温达到设定值。图1 光电一体机芯片加热器工作原理图项目产品与普通电热水器性能比较如下表1所示： 表1 项目产品与普通电热水器的指标对比序号性能指标普通电热水器光电一体机芯片热水器1功率2KW4.8KW2热效率80%96%3使用寿命3-6千小时1万小时4安全性绝缘电阻2M安

10、全性低绝缘电阻100M安全性高经对比分析，光电一体化芯片热水器具备有以下的特点：1、节能高效:在光照强度充足达到加热水温时，芯片电加热不工作，完全依靠太阳能加热，实现电能的零消耗。在光照强度不足或无光照时，启动芯片电加热，使水温达到设定温度值后停止工作，芯片（厚膜电阻电路）热效率高达98.9%，而电热丝一般在80%左右。厚膜芯片电阻具有绝缘层热阻小、导热快、工作温度低等特点，在电能转为热能过程中，光能、辐射能等变量极小。即开即用，省去保温耗电环节，节能效果近30%左右。2、加热快，体积小：家庭用HL22热水器一般预热10多分钟就可以沐浴。因体积小，安装后，占用空间少，美化了家居环境。3、 安全

11、耐用：光电一体化芯片热水器电控板，设有144次/秒安全自检，出现异常会立即自动关机。下表2所示为项目产品安全技术参数：表2 厚膜电阻（芯片）与电热丝指标对比名称厚膜电阻（实测）国标（电热丝）倍数备注耐电压1500V1250 V大1.2倍越大越安全绝缘电阻100M2 M大250倍越大越安全泄漏电流0.5mA/4.8KW3.6 mA/4.8KW小7.2倍越小越安全接地电阻0.020.1小5倍越小越安全厚膜电阻片表面涂有玻璃釉保护层，厚膜电阻电热水器使用寿命远远大于电热丝热水器。4、低碳环保：光电一体化芯片热水器在运行过程中无CO2排放，比传统热水器节能，使用时可随时开机，不使用时也可以立即关机，省

12、去保温耗电环节。创新点之二：自主开发平板太阳能控制器，利用单片机控制技术，实现对水温、水位等参数进行实时采集和处理，使水温自动达到用户设定值，满足洗浴要求。为满足现代化经济生活的需求，使生活更加简便，项目开发了平板太阳能控制器，通过单片机控制技术，控制热水器各过程的参数。蓄水箱水位和温度是光电一体化芯片热水器的核心控制参数，因此对水位、水温的检测部分（如图2）实现智能控制的重要环节。太阳能热水器利用集热器将太阳能能量聚集，再通过连接管道将热量传输至蓄水箱，将水温加热到设定值。在此过程中需要判断水位和水温情况：如果水位和温度达到设定值，不需要开启芯片电热水器；当判断水位到达设定值，而温度未达到，

13、需要开启芯片电热水器，使水温达到设定值后停止加热。图2 水位检测与显示电路项目采用传感器集水量、水温测量及传输转换技术于一体。水量测量采用导电硅胶作为敏感元件的电极点式水量测量，施加振荡频率约为1Hz的方波信号激励，以防止电流对水中离子的吸引而产生的结垢现象，并采用电流/电压转换电路，实现二线制传输。水温测量使用NTC测温电阻及微电脑非线性补偿，控制精确，误差小于1，具有良好的一致性。因本传感器长期工作于冷热交替的水环境中，为提高其可靠性及使用寿命，独创了二次硫化一体成型硅胶密封技术。将测量元件密封于硅胶体中，为防止各材料的膨胀系数不一，将测量信号通过特制的硅胶线传输于转换电路上, 并将导电硅

14、胶、硅胶线通过独创的二次硫化压合技术与生硅胶紧密压制成一体,以保证本传感系统可长期工作于待测液体中。创新点之三：利用厚膜电子电路的制造原理，优选合适的无机相融入厚膜电阻（钯合金及钌化合物粉末），使其制成的电路为厚膜芯片电阻电路，取代常用的电热丝发热体，达到快速加热效果。厚膜芯片电阻的导电微结构是由许多导电链组成的三维导电网络，而导电链本身由许多导电粒子所组成。导电粒子之间并非纯粹接触状态，也不是被较厚的玻璃层所隔开，更不是完全凝聚而形成的连续导电膜。厚膜芯片电阻具有方阻范围宽、电阻温度系数低、电压系数低、电流噪声低等特性。由此可判断在厚膜中组成导电链的导电粒子是处于“部分凝聚接触”状态，这种状

15、态介于“完全凝聚”与“纯粹颗粒接触”之间。除了与实际电阻的宏观特性符合以外，也与光学、电子显微技术的研究结果相吻合。图3为厚膜电阻的扫描电镜照片，白亮的为导电相。图3 厚膜芯片电阻的扫描电镜照片根据上述模型，结合各种厚膜电阻在烧成时特有的过程和化学反应，它的微观结构如图4所示。图4 厚膜芯片电阻的微观结构由厚膜芯片电阻的微观结构可知，厚膜芯片电阻的电阻特性由导电链决定，因此可从两方面来控制厚膜电阻的阻值(电阻浆料的方阻)。一是改变导电链的链数，二是改变导电链本身的阻值。改变导电链的数量很容易，如改变厚膜电阻中导电相的浓度、玻璃相的成分、电阻材料的颗粒度、颗粒形状、烧结温度和工艺等。而导电链的阻

16、值却由许多影响电子传输的因素决定。我们先看导电链结构。如图5所示：图5 导电链的结构示意图图5中1,2,3,4,5,6,7,8均为组成导电链的导电粒子，它们可以是金属(Ag)、合金(Ag-Pd)、金属氧化物半导体(PdO)，也可以是由这些导电粒子凝聚成的粒子团。一般情况下，导电链中可能存在三种不同的接触状态:导电粒子导电粒子接触，称为直接接触，如图5中23，45之间的接触；导电粒子空隙导电粒子接触，称为空隙接触，如图5中A所示；导电粒子玻璃导电粒子接触，称为夹层接触，如图5中G所示。根据以上假定，可以给出厚膜电阻中每条导电链电阻的表示式:式中，导电粒子自身电阻Rn由材料种类决定；RC的大小取决

17、于接触条件，受到材料的电阻率、粒子间的接触压力、顺粒形状、尺寸和烧成条件等因素影响；位垒电阻Rb的存在是因为各导电粒子之间存在玻璃层或空隙，电子不能在导电粒子之间自由穿梭，但当导电粒子间的空隙足够小，或电子的能量足够大时，电子也能穿过位垒。由此可见，当位垒宽度一定时，Rb与温度、材料、特性等因素有关。我们在厚膜浆料中掺入微细电阻金属粉末，如钯合金、钌系化合物粉末等，可制成厚膜电阻电路，作为发热体应用在各种加热场合。对厚膜浆料筛选分注意以下几种：（1） 绝缘介质浆料：绝缘性能要好，抗电强度要达到1500V以上，绝缘电阻大于100M。（2） 电阻浆料：电阻率要高，一般在7.110mm2/m，元素高

18、温稳定，熔点高，钌系电阻是较理想的电阻浆料，其电阻率在7.1mm2/m，溶点在2334。（3） 导体浆料：选择导电性能好的浆料，一般用钌钯浆料。（4） 包封浆料：一般选择绝缘性能好的浆料，大多采用高级玻璃釉。创新点之四：采用两片合拼焊接及焊上凸耳的方法，解决厚膜加热元件（芯片）发热产生高温弯曲变形造成损坏的难题，同时解决了固定安装问题，打破了单片成品厚膜电阻电路发热体不可焊接的禁区，此项技术获得国家发明专利。将厚膜芯片加热技术应用于液体加热领域，具有加热速度快、表面清洁、外观美观等优点。其基本结构是在金属基板的一面上印制一层厚膜电路（芯片）。当金属基板其中一面与液体接触加热时，会导致基板两面温

19、差较大，从而使两侧面受温膨胀不同而变形，造成使用寿命降低。而本项目产品厚膜加热技术方案如图6所示，采用两块对称的金属基板两相贴合，中间用云母绝缘层，在金属基板的外边缘位置密封固定相联接，解决传统电热器易变形导致使用寿命短的缺陷，使用寿命最高达2万小时以上。1：金属基板 2：云母绝缘层 3：凸耳图6 厚膜结构其制造工艺分为以下步骤：制作两块厚膜芯片电热板。步骤：在金属基板一侧焊接固定凸耳对金属基板另一侧表面处理，在该表面上印制厚膜电路（接线触点设置在固定凸耳的上方）对金属基板的焊接有固定凸耳的一面进行喷砂，喷涂耐高温耐腐蚀涂漆层的氟隆涂层；将印制有厚膜芯片的电热板，一面先设置一层绝缘层后相向贴合

20、，然后再固定凸耳下方的外边缘位置，对两板进行密封焊接（粘接）固定。四、项目预期目标1、产品主要指标（1）功率：4.8kw；（2）热效率：96%；（3）泄漏电流：1250V；（5）绝缘电阻：100M；（6）接地电阻：0.05。2、项目预计实现经济指标： 年销售收入： 960万元；年净利润： 102万元；年交税总额： 75万元。3、知识产权申请情况 项目已申请1项国家专利。4、应用情况我国人口众多，随着我国国民经济的快速增长，城镇化步伐日益加快以及人们生活水平的迅速提高，房地产业飞速发展，需要大量的热水器产品与之配套。目前市场规模已突破千亿元，并且正呈现高速发展势头。然而，目前占据市场主体地位的燃

21、气热水器因其安全隐患及越来越高的使用成本正逐渐淡出市场，太阳能热水器也因其受天气及安装条件等影响很难大有所有，而电热水器（贮水式、快热式、即热式）由于存在耗电，不安全等缺陷也逐渐退出市场竞争，市场对用水供给提出了新的要求，特别是在能源资源日益缺乏的今天，越来越需要高效安全、节能环保的新型热水器产品来适应市场需求。我公司研制的光电一体化芯片热水器产品具有安全、环保、高效节能等优点，技术达到国内领先水平，目前国内还没有同类产品问世，竞争优势明显。预计未来几年内，随着我国经济强劲发展，国内市场容量进一步扩大，加上出口创汇，项目前景一片光明。预计随着项目产品市场销路逐渐打开，市场占有率将大幅提高。五、

22、研究方案技术路线组织方式与课题分解1、研究方案本项目旨在研发一种光电一体化芯片热水器，集太阳能热水器和芯片电热水器于一体，同时对提升芯片热水器的热效率进行研究，取得突破性成果，达到双重节能效果。根据关于加快中国（温州）激光与光电产业集群建设发展的实施意见、中国（温州）激光与光电科技孵化器、中国（温州）激光与光电产业集群工业用地项目入园管理办法、中国（温州）激光与光电产业集群建设专用经费管理办法要求，面向产业化发展需求，以科学发展观为指导，重点突破和全面发展相结合，近期工作与长远规划相结合，提升我国激光与光电技术水平。实施方案、技术路线可分解为：成立研发课题组；搜集相关资料；厚膜浆料的优选；单片

23、厚膜加热元件（芯片）受热弯曲及安装难题的研究；不锈钢基板选择；太阳能热水器和芯片电热水器一体化结构设计；总结研制工作七个阶段。2、技术路线本项目主要是开发光电一体化芯片热水机，研究大功率厚膜加热技术及相关新材料及工艺应用，采用大功率厚膜发热体代替电热丝加热，实现加热速度快；采用太阳能热水器与芯片电热水器相结合结构设计，实现安全环保、节能减排、低碳高效，无CO2排放，热效率高的目的，其技术路线如下图7所示：图7 项目技术路线3、组织方式与课题分解本项目实施是在总经理直接领导下，由课题组负责具体实施的组织方式。抽调技术骨干成立课题组，在人力资源、研发资金、场所、研发设施等方面给予优先安排，公司各职

24、能部门和生产车间积极配合课题组研发，形成以课题组为主，各部门协同对本项目实施研发。六、计划进度安排2012年1月至2012年3月，准备阶段，组织研发小组及成员，资料相关收集。2012年4月至2012年9月，中试阶段，改善产品图纸，提高产品的可靠性和精确度，并送样机测试。2012年10月至2013年5月，小批量试产，进行生产设备购置及安装。2013年6月至2013年12月，增加生产及检测设备，完成生产流水线的建设，项目进入批量生产。七、现有工作基础和条件1、人员基础公司现有大专以上学历的科技人员28人，占职工总数的62.22%，直接从事研发开发的技术人员13人，从事本行业的实践经验平均有10年以

25、上。其中，高级职称1名，中级职称5名，助理工程师3名。公司与全国各大高校建立了良好的合作关系，利用高校的资源优势进行互补。2、研发基础和条件公司已通过ISO9001质量管理体系认证，全体员工严格按照体系文件要求组织原材料、标准件、外购、外协件的采购、生产及销售服务，对生产过程中的质量控制，严格按工艺规定生产。积极开展岗位竞赛活动，自检与专检相结合。对从事主要岗位的管理人员和操作人员进行必要的培训，从而保证了管理人员和操作人员的业务水平。检验工作已按体系程序文件及管理制度要求进行，做到检测数据准确、记录完整、达到可追溯性的要求。对在库房、车间、生产线的半成品、成品、待检品、已检品做到标识分别，认

26、真做好废品的隔离工作，对于生产计划以及产品设计和制造均采用计算机（CAD）辅助设计和其他先进的计算系统计算，从而有效地保证了产品质量的长期稳定。每年将总销售额的6%以上的资金投入研发，并制定了一系列的绩效奖励制度和相应的激励机制。3、技术基础项目产品的关键技术获得3项国家专利，包括2项实用新型专利和1项发明专利，知识产权完全归属本公司所有。光电一体化芯片热水器具有普通热水器产品无可比拟的高安全性、高效性和环保性，技术水平国内领先，更加符合现代人生活高品质需求，目前项目产品已达试制阶段，技术水平日臻成熟，有利于市场推广应用。八、经费预算1、项目总投资约320万元，自筹资金250万元，市科技局申请

27、资助70万元。详见下表1所示： 表1 经费预算表 （单位：万元）序号经费概算科目名称合计市科技局拨款经费自筹经费（1）（2）（3）（4）1经费支出（合计）3207025021、设备费157708732、能源材料费808043、设计实验费202054、技术图书资料和信息费5565、会议调研费3376、人员费505087、其他费用55经费说明：（1）设备费：157万元。主要用于本项目的美国PTU遂道炉、日本高精印刷机、多功能测试仪、多功能测试仪、分析天平等。需要市科技局资助70万元。详见下表2所示：表2 项目需要购买设备清单名称及规格型号数量单价（万元）金额（万元）市科技局拨款（万元）自筹或其它（

28、万元）用途说明美国PTU遂道炉190907020加工日本高精印刷机1606060印刷多功能测试仪13.53.53.5检测分析天平11.31.31.3测量温度记录机10.40.40.4测量测厚仪10.70.70.7测量水质仪10.60.60.6测量宽底座显微镜10.30.30.3观察绝缘测试仪10.70.70.7测量合计1577087（2）能源材料费：80万元。主要用于本项目试验中所需的材料73万元、所需电5.2万度，按1元/度的话，约需5.2万元，所需的水0.6万吨，按3元/吨的话，约需1.8万元。（3）设计实验费：20万元。主要用于研究开发过程中样机制造、试验的费用。依据前期已研发成功的产品来估算。（4）信息费：5万元。在项目研究开发过程中需要支付的出版费以及书籍购买费、资料费、文献检索费，入网费、通信费等。；（5）会议调研费：3万元。项目调研出差费用。研发人员出差项目考察按5批次计算，每批次1-2人，费用约0.6万元估算。（6）人员费：50万元。实验研究人员及生产试验人员的劳务费。实验研究人员及生产试验人员的劳务费。研发人员计5人，人年均工资6万元，计30万元；生产试验人员计5人，人年均工资4万元，计20万元。 （7）其他开支：5万元。与项目相关的一些其他支出。按总投入的1.56%估算。