CN101622904A - 加热装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种加热装置包括设置在基底(12，100)上的加热元件(10)。所述加热元件(10)包括电极(18，104)和具有纳米厚度的多层导电涂层(16，102)，所述多层导电涂层设置在所述基底(12，100)和所述电极(18，104)之间。所述多层导电涂层(16，102)具有在高温条件下稳定所述加热元件(10)的性能的结构和成分。所述多层导电涂层(16，102)可通过喷雾热解法制成。
Description
相关申请的交叉引用
本发明申请要求以下专利申请的优先权：美国临时专利申请号为60/900,994，申请日为2007年2月13日的专利申请，及美国临时申请号为60/990,619，申请日为2007年11月28日的专利申请，并将其内容在此全文引用。
技术领域
本发明涉及涉及一种加热装置及加热装置的加热元件的制作方法。
背景技术
低温导电涂层已被提出一段时间，但是由于其不稳定性，在高温条件下可能会破裂，以及需要高真空气相淀积处理以达到统一的成分和结构所带来的昂贵的制造成本，因此并未得到大范围的商业应用。跨越整个导电层的统一的成分、厚度以及稳定的结构，对于保持加热装置的加热元件的一致的电阻和温度分布是极其重要的。跨越导电层的电阻的变化将产生温度变化/梯度，并因此在导电层中产生热应力，从而破坏该结构的稳定性，导致导电层的破裂，特别是在高温加热应用中。
申请人为Torpy等等、PCT公开号为WO00/18189(PCT PublicationNO.WO00/1819 by Torpy et al.)的专利申请在此全文引用，其提出一种涂层系统，通过将氧化锡与铈和镧掺杂在一起，以增加用于加热的玻璃基底上的导电膜的稳定性。然而，铈和镧必须均匀地分布在涂层内，以提供稳定效应，但是这通常是很难实现的。在PCT公开号为WO00/18189的专利申请中提出在高温条件下退火1小时，以帮助产生均匀且稳定的涂层。然而，这种方法在制造中并不是成本有效的，并且可导致污染物成分从基底到涂层中的有害扩散。增加铈和镧的摩尔百分比有助于这些稀土元素的分布，但是将导致膜的电阻的增加，从而降低导电性和功率输出，并使得该膜的实施和商业使用受到限制。
以上对背景技术的描述有助于理解本发明申请所公开的加热装置，但并不认为是描述或构成本发明申请所公开的加热装置的相关的在先技术，或将所引用的文件作为考虑本发明申请的权利要求的专利性的材料。
发明内容
本发明涉及一种加热装置，该加热装置，包括设置在基底上的加热元件，所述加热元件包括电极和具有纳米厚度的多层导电涂层，其中，所述多层导电涂层设置在所述基底和电极之间，所述多层导电涂层具有在高温条件下稳定所述加热元件的性能的结构和成分。
在一实施例中，所述加热装置的所述加热元件包括具有纳米厚度的多层绝缘涂层，其设置在所述多层导电涂层和所述基底之间。
在另一实施例中，所述加热装置包括与所述加热装置的加热元件集成的温度监视和控制系统，所述温度监视和控制系统包括用于测量温度的模数转换器和用于调节电源的脉宽调制驱动器。
在又一实施例中，所述加热装置进一步包括分隔腔和风扇，其中，所述分隔腔定出第一风道和第二风道，所述第一风道和第二风道与所述基底和所述多层导电涂层紧邻设置，所述风扇通过所述第一和第二风道其中之一将热空气吹出所述加热装置外。
所述加热装置的所述加热元件的所述多层导电涂层通过喷雾热解法生成。
所述喷雾热解可在温度大约为650℃到750℃的条件下执行。
所述喷雾热解可在喷雾压力大约为0.4MPa到0.7MPa的条件下执行。
所述喷雾热解可在喷头速度小于1000mm/s的条件下执行。
所述喷雾热解可通过交替彼此成90度方向上的喷雾通路来执行。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明所公开的加热装置作进一步说明，附图中：
图1是依据本发明一实施例的加热装置的加热元件的俯视图；
图2是图1所示的加热元件的侧视图；
图3是用于显示图1所示的加热元件的导电涂层的纳米结构的高解析扫描电子显微图；
图4是与加热元件的电源连接的控制单元的电路原理图；
图5是具有模数转换器(ADC)和脉宽调制(PWM)驱动器的温度监视和控制系统的电路原理图；
图6是依据本发明一实施例的使用加热元件的加热装置/电炉的透视图；
图7是依据本发明一实施例的加热装置的分隔腔(split chamber)的透视图；
图8是图7所示的分隔腔的侧视图；
图9是覆盖有多层纳米厚度的加热膜的瓷砖的示意图。
具体实施方式
应该理解，本发明的加热装置及其加热元件的制作方法并不限于一下描述的具体实施例，本领域技术人员在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。例如，不同示例实施例中的元素和/或特征可以彼此结合和/或替换而不脱离本发明所公开以及其权利要求的范围。
本文所使用的词语“多层涂层”或“多分层涂层”是指具有多于一层的涂覆材料的涂层。
本文所使用的词语“纳米厚度”是指仅能在纳米水平内测得的每一涂层的厚度。
图1和2分别是依据本发明的一实施例的加热装置的加热元件的俯视图和侧视图。该加热装置具有用于生成热量的加热元件10。加热元件10包括基底12、多层绝缘涂层14、多层导电涂层16和电极18，其中，多层绝涂层14设置在基底12上，多层导电涂层16设置在多层绝缘涂层14上，电极18设置在多层导电涂层16上。
在图示的实施例中，基底12可由陶瓷玻璃或任意别的合适的材料制成。本领域技术人员应当明白，陶瓷玻璃可承受高温和热的冲击，优于别的玻璃基底，以提供一致的和可靠的高温加热功能。
在图示的实施例中，多层绝缘涂层14设置在陶瓷玻璃基底12的表面上。多层绝缘涂层14可由溶胶-凝胶得到的二氧化硅(SiO2)或别的合适的材料制成。多层绝缘涂层14的每一层的纳米厚度大约为30nm到50nm。多层绝缘涂层14可涂覆于具有表面活性剂的陶瓷玻璃基底12的表面上，以确保覆盖在陶瓷玻璃基底12上的SiO2具有100％的润湿，从而防止出现缺陷位置，以使得将陶瓷玻璃基底12(在高温条件下，其可导电)与导电涂层16电隔离，并可防止锂离子和别的污染物成分在加热过程中从陶瓷玻璃基底12扩散到导电涂层16。
通过使用喷雾或浸渍涂布技术或别的合适的技术，可将全氟烷基(perfluoralkyl)表面活性剂与磺代丁二酸二辛钠酯一起使用，以涂覆于陶瓷玻璃基底12上，其中，全氟烷基表面活性剂的浓度大约在O.01到0.001％w/w之间，磺代丁二酸二辛钠酯的浓度大约在0.1到0.01％w/w之间。
可使用浸渍涂布技术或别的合适的技术，将SiO2层设置在陶瓷玻璃基底12上，并可使用正硅酸乙酯(TEOS)作为碱基前体(base precursor)。需要对每一硅溶胶-凝胶层水解、干燥、以及使用分段递增温度循环法(staged rampup temperature cycle)在大约500℃进行烧制，以从基体中去除物理水、化学结合水、碳和有机残留物，从而得到具有最小缺陷的超纯的SiO2层。
在图示的实施例中，多层导电涂层16设置在绝缘涂层14上。多层导电涂层16可以是氧化物涂层，其中使用的金属源可选自掺有有机金属前体的锡、铟、镉、钨、钛和钒，其中有机金属前体可以是例如三氯一丁基锡，其掺杂有等量的施体和受体元素例如大约3mol％的锑和锌并混合有或未混合别的稀土元素。图3是高解析扫描电子显微图，其显示加热元件10的导电涂层16的纳米结构。可以理解的是，也可用别的合适的材料制作多层导电涂层16。
可使用喷雾热解法，将多层导电涂层16设置在绝缘膜14上，其中，喷雾热解的温度控制在大约650℃到750℃之间，喷雾压力控制在大约0.4到0.7MPa，所形成的多分层纳米厚度的涂层的每一层的厚度为大约50到70nm，以确保稀土元素在该涂层内均匀地分布，从而增强在高温时的稳定性。优选地，可控制喷雾运动是在相互之间方向大约为90°的交替喷雾路程上进行。喷头的速度限制在每秒1000mm以下。
多层导电涂层16中的导电涂层材料用于将电能转换成热能。所应用的热量生成原理大大不同于常规的线圈加热，线圈加热方法中，热量输出来自金属线圈的高阻抗，其具有低加热效率和高功耗。相反，通过调节涂层的成分和厚度，可控制涂层的电阻抗，并可增加导电性，从而以最小的能量损耗，得到高加热效率。
在图示的实施例中，电极18设置在导电涂层16上。两个间隔开的电极18分别沿着导电涂层16的两个相对的侧边设置。电极18可由玻璃陶瓷烧结油墨(glass ceramic frit based ink)制成，其中金属源选自铂、金、银、钯和铜(90-95％)，玻璃粉(5-10％)由PbO、SiO2、CeO2和Li2O并添加乙基纤维素/乙醇有机载体所制成。油墨可丝网印刷在导电涂层区域上，并最佳匹配于电极18、涂层14、16和陶瓷玻璃基底12之间，以提供跨越整个涂层区域的一致的导电性。对油墨进行丝网印刷，并在大约700℃烘烤大约5分钟，以形成加热元件10上的电极18。这将防止电极18可能出现的从涂层14、16和基底12上脱层，脱层会导致加热元件10失效。这种方法不需要长时间的高温退火来固定涂层和电极。
对于实际的商业和工业使用中，执行加热功能以达到大约300℃到350℃时，绝缘涂层14不需要设置在陶瓷玻璃基底12的表面上。取而代之的是，将温度监视和控制系统与加热元件的导电涂层16集成在一起，以进行最佳的温度和节能控制。在该实施例中，驱动软件、控制器和脉宽调制(PWM)驱动器与加热元件相集成，其中，控制器使用模数转换器(ADC)进行温度测量，脉宽调制(PWM)驱动器进行精确的功率控制。图4和5示出了温度监视和控制系统的电路原理图。
对于该温度监视和控制系统，可使用加热伺服系统与加热装置的加热元件相匹配并优化其快速有效的加热特性，以实现快速的加热时间(1分钟以内)、准确的温度目标(+/-5℃)和最大的节能(效率达到90％)。当加热装置的加热元件达到预置的目标温度时，ADC和PWM将立即响应并切断电源，以实现节能的目的和限制加热元件温度的超标。当加热元件的温度降到预置温度时，接着，ADC和PWM将响应并导通电源以产生热量。因此，伺服系统提供连续的监视和控制并快速响应，以实现对加热元件的平稳供电，同时优化其加热性能和节能效率。
基于涂层的成分，加热装置的加热元件10可通过便宜的淀积方法，在露天环境中，使用喷雾热解法来制造。另外，在形成多层导电涂层的过程中采用多程调控喷雾，可将铈和镧的使用量最小化到低于PCT公布号为WO00/18189的专利申请所要求的2.5mol％，并可在执行高温加热功能时维持导电涂层的稳定性。设置喷头的运动条件，速度限制低于每秒1000mm。通过陶瓷玻璃上的涂层系统和所规定的喷雾处理条件，本申请的加热元件可实现稳定且可靠的性能，以实现高达大约600℃的实际的高温加热功能。本申请的加热元件也可承受2500次的寿命测试循环，其中每一循环的加热时间为40分钟。
可确定的是，喷雾参数可影响加热元件的特性，并可设置最优条件。如下表1、2和3提供对于涂层面积为150mm×150mm的相关例子，其中，变量为加热元件10的有效电阻和额定功率(220V)。
表1示出了通过2、6、10和12个喷雾调程、喷头运动速度为750mms-1、喷雾压力为0.5MPa的条件下制造出来的加热元件的有效电阻和额定功率的变化，。
| 喷雾通路 | 2 | 6 | 10 | 12 |
| 电阻(欧姆) | 300 | 72 | 38 | 29 |
| 220V下的额定功率(W) | 161 | 672 | 1273 | 1668 |
表1
表2示出了以不同的喷头运动速度且喷雾压力为0.625MPa的条件下制造出来的加热元件的有效电阻和额定功率的变化。在喷头速度为每秒1000mm时，涂层的形成变得不均匀，其加热性能不稳定。
| 喷头速度(mm/s) | 250 | 750 | 1000 |
| 电阻(欧姆) | 147 | 66 | 不均匀 |
| 220V下的额定功率(W) | 329 | 733 | - |
表2
表3示出了在不同的温度范围下制造出的加热元件的有效电阻和功率输出的变化。在大约700℃到750℃的较高的温度，可实现较低的电阻，并因此获得较高的功率输出。
| 温涂层度(℃) | 650-700 | 700-750 |
| 电阻(欧姆) | 85 | 75 |
| 220V下的额定功率(W) | 569 | 645 |
表3
本申请所公开的多分层纳米厚度的涂层所具有的特性为：涂层材料可在露天环境中通过低成本的喷雾过程来淀积。这一多分层纳米厚度涂层系统使得加热装置的加热元件保持稳定的结构和高导电性，并因此在高温下具有一致的电阻抗和加热性能，甚至对于长时间使用亦是如此。
为了实现上述的结果，对基体和掺杂元素的涂层材料的成分和特性、覆盖基底表面的喷雾热解的工艺条件(包括温度、喷头的运动、喷嘴设计和喷雾压力)进行的特定选择，需要最适宜的喷雾材料溶液的雾化和在基底表面的淀积。具有高导电性的纳米厚度的多层涂层可提高涂层稳定性并最小化形成裂缝的风险。
通过使用本申请所描述的涂层成分和处理，能够实现电器设备的低和高温/功率输出加热，这些电器设备包括但不限于电子炉灶、电子加热板(实验室加热板)、毛巾和衣物加热架、电加热器、除霜装置和温热装置。
对于纳米厚度加热元件的特点，如图6所示的不具有常规的加热线圈的紧凑型加热装置例如加热板70已发展到具有小于或等于30mm的厚度。加热元件设置在加热区域72的底面。加热区域72可由陶瓷玻璃制成。温度监视和控制系统与加热元件集成。使用具有大约50欧姆的有效电阻的加热元件，将1升水从25℃加热到95℃需要大约0.1千瓦小时的能量，效率提高大约85％。
为了防止外壳74和加热板70的非加热区域76的过热，可在加热板70中设置如图7和8所示的分隔的风道腔82。分隔的风道腔82定出上部热风道84和下部冷风道86。上部热风道84紧邻设置有加热元件的加热区域72的底面。风扇88用于通过上部热风道84将热空气吹出加热装置70，如图中箭头所示。
通过使用分隔的风道腔82，热空气和冷空气在加热板70中是相隔离的。风扇88产生的气流可将热空气从上部热风道84中吹出，并有效地去除过多的热量，降低加热板70内部和外壳74的温度。通过使用分隔风道腔82，可将温度降低15℃，以使得外壳74和加热板70的非加热区域76的温度低于40℃，否则将不能使得加热板进行实际使用，其中加热板70使用本申请的纳米厚度的加热元件。
本申请所公开的纳米厚度的多层涂层可应用于别的基底材料上，包括但不限于用于车道和屋顶除霜的瓷砖和厚玻璃板以及墙、地板、以及冬天房屋加热、衣物和鞋子的加热。如图9所示，通过如前所描述的可控喷雾处理，可将多层纳米厚度的导电涂层102与瓷砖100结合起来。通过本申请所描述的处理，也可形成一对电极104。在具有涂覆面积为150mm×150mm的加热元件上，可实现大约2000欧姆的有效电阻，并提供大约25W的功率输出。
本申请所公开的纳米厚度的多层涂层可应用于汽车工业，包括但不限于冬天时用于便捷启动的引擎加热、仪表板、镜子和挡风板的加热和除霜。
本申请所公开的纳米厚度的多层涂层也可应用于航空工业，包括但不限于冬天时飞机机翼和座舱的加热和除霜。
本申请的涂层系统可集成到交流、直流电源和/或太阳能系统以用于生热功能。常规的加热元件通常具有高电阻，因此直流电源供电，电流低，并不能在整个加热和烹调区域产生足够的一致的能量。通过可控的喷雾处理，可提高加热膜的导电性，并且将电阻降低为小于或等于10欧姆。通过使用直流电源和/或集成太阳能电源，可生成足够的热量以执行实际的加热功能。通过使用24V的直流电源供电，本申请所描述的加热元件可在2分钟内达到150℃的温度并产生足够的热量，以执行加热、烹调和升温功能。通过使用12V的直流电源供电，可在8分钟内达到150℃的温度。
对于使用交流电源供电的加热装置，可快速和有效的加热到高达600℃的温度，同时具有低功耗。可使用的加热装置包括但不限于炉灶、加热板、加热器、以及除霜和升温装置。由于其具有高的能量效率，节约的电能消耗将近30％，在环境方面，对于减少污染和全球升温，也提供的显著的效益，同时也有助于消费者降低电费支出。
在炉灶和加热板应用方面，快速和有效的加热可比得上并胜过电磁感应加热技术。与感应加热相比，本申请的加热元件不产生电磁辐射和干擾(感应加热使用电磁感应)，并具有较低的材料成本(感应加热使用昂贵的铜线圈)。进一步地，本申请所公开的涂层材料和方法具有较低的成本，并且对烹调器具没有任何限制(感应加热只能在高级不锈钢器具上实现)。本申请的加热装置重量轻并可进行通用设计。
本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。
Claims (20)
1、一种加热装置，包括设置在基底上的加热元件，其特征在于，所述加热元件包括电极和具有纳米厚度的多层导电涂层，其中，所述多层导电涂层设置在所述基底和所述电极之间，所述多层导电涂层具有在高温条件下稳定所述加热元件的性能的结构和成分。
2、根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述多层导电涂层包括氧化物涂层，其包含的金属源选自锡、铟、镉、钨、钛和钒。
3、根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述电极包括玻璃陶瓷烧结油墨，其包含的金属源选自铂、金、银、钯和铜。
4、根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述加热元件包括具有纳米厚度的多层绝缘涂层，其设置在所述多层导电涂层和所述基底之间。
5、根据权利要求4所述的加热装置，其特征在于，所述多层绝缘涂层包括溶胶-凝胶得到的二氧化硅。
6、根据权利要求4所述的加热装置，其特征在于，进一步包括设置在所述基底上的表面活性剂，所述表面活性剂包括浓度在0.01到0.001％w/w之间的全氟烷基表面活性剂，与浓度在0.1到0.01％w/w之间的磺代丁二酸二辛钠酯一起使用。
7、根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，进一步包括与所述加热装置的加热元件集成在一起的温度监视和控制系统，所述温度监视和控制系统包括用于测量温度的模数转换器和用于调节电源的脉宽调制驱动器。
8、根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，进一步包括分隔腔和风扇，其中，所述分隔腔定出第一风道和第二风道，所述第一风道和第二风道与所述基底和所述多层导电涂层紧邻设置，所述风扇通过所述第一和第二风道其中之一将热空气吹出所述加热装置。
9、一种加热装置，包括设置在基底上的加热元件，其特征在于，所述加热元件包括电极和具有纳米厚度的多层导电涂层，其中，所述多层导电涂层设置在所述基底和所述电极之间，所述多层导电涂层通过喷雾热解法生成，具有在高温条件下稳定所述加热元件的性能的结构和成分。
10、根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于，所述喷雾热解在温度为650℃到750℃的条件下执行。
11、根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于，所述喷雾热解在喷雾压力为0.4MPa到0.7MPa的条件下执行。
12、根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于，所述喷雾热解在喷头速度小于1000mm/s的条件下执行。
13、根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于，所述喷雾热解通过交替彼此成90度方向上的喷雾路程来执行。
14、根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于，所述电极通过丝网印刷设置在所述多层导电涂层上。
15、根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于，所述加热元件包括具有纳米厚度的多层绝缘涂层，其设置在所述多层导电涂层和所述基底之间。
16、根据权利要求15所述的加热装置，其特征在于，所述多层绝缘涂层通过浸渍涂布并使用正硅酸乙酯作为碱基前体设置在所述基底上，且所述多层绝缘涂层的每一层进行水解、干燥、以及在大约500℃进行烧制。
17、根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于，进一步包括与所述加热装置的加热元件集成的温度监视和控制系统，所述温度监视和控制系统包括用于测量温度的模数转换器和用于调节电源的脉宽调制驱动器。
18、根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于，进一步包括分隔腔和风扇，其中，所述分隔腔定出第一风道和第二风道，所述第一风道和第二风道与所述基底和所述多层导电涂层紧邻设置，所述风扇通过所述第一和第二风道的其中之一将热空气吹出所述加热装置。
19、一种加热装置的加热元件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
设置基底；
通过喷雾热解法生成多层导电涂层；及
在所述导电涂层上设置电极。
20、根据权利要求19所述的加热装置的加热元件的制作方法，其特征在于，进一步包括：在所述基底上设置具有纳米厚度的多层绝缘涂层。
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