CN109788763B - 具有吸收电磁辐射并将热辐射发射到炉腔中的介电涂布玻璃衬底的炉 - Google Patents

具有吸收电磁辐射并将热辐射发射到炉腔中的介电涂布玻璃衬底的炉 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种炉腔，炉腔具有介电涂布玻璃或玻璃‑陶瓷衬底，衬底吸收电磁辐射，由此提高衬底和介电涂层组合物的温度，并将热辐射发射到炉腔中。

Description

具有吸收电磁辐射并将热辐射发射到炉腔中的介电涂布玻璃 衬底的炉
技术领域
本发明涉及一种具有介电涂布玻璃或玻璃-陶瓷衬底的炉，所述介电涂布玻璃或玻璃-陶瓷衬底吸收电磁辐射并将热辐射发射到炉腔中。
背景技术
家用电加热炉和微波炉无法在炉腔内产生均匀的温度。电加热炉内的温度通常上升缓慢并且根据距热源的距离而变化。微波不会穿过炉腔内的每个空间，并且会产生热节点和冷节点。为了改善温度的均匀性，可使用旋转平台使炉腔内的内容物移动，或使用波搅拌器来使微波分散，但微波炉很少达到产生美拉德(Maillard)反应(例如食品中的焦糖化)的必要温度，并且通常需要额外热源来达到电加热炉的温度。
涂层组合物已被涂覆于玻璃衬底，诸如电加热炉的门和窗，以反射热量并改善腔内的温度均匀性。然而，许多涂布衬底不能很好地反射热量，并且热量会穿过玻璃并逸散到外部环境中。
发明内容
本发明提供了一种具有介电涂布玻璃或玻璃-陶瓷衬底的炉，所述介电涂布玻璃或玻璃-陶瓷衬底吸收优选地具有窄波长分布的电磁辐射，由此提高衬底和介电涂层组合物的温度。然后，衬底和介电涂层组合物将优选地具有宽波长分布的热辐射发射到炉腔中。炉腔能够被快速加热到大致均匀的温度。可最小化或消除热节点和冷节点，并且不需要旋转平台和额外的热源。
本发明的一些实施例涉及一种炉，所述炉包括：具有多个壁的封闭腔，其中至少一个壁包括玻璃或玻璃-陶瓷衬底；电磁辐射源，所述电磁辐射源优选地具有窄波长分布；以及涂覆到所述衬底的介电涂层组合物，其中所述介电涂层组合物吸收电磁辐射，由此提高所述衬底和介电涂层组合物的温度。然后，所述衬底和介电涂层组合物将优选地具有宽波长分布的热辐射发射到所述腔中。在一些实施例中，所述介电涂层组合物包括金属氧化物、陶瓷氧化物或其组合，其中所述金属氧化物任选地掺杂有卤素、后过渡金属或其组合。
本发明还提供一种具有电磁辐射源和涂覆到衬底的介电涂层组合物的炉，其中所述炉包括：具有多个壁的封闭腔，其中至少一个壁包括玻璃或玻璃-陶瓷衬底；位于所述衬底的至少一侧上的第一涂层；以及位于所述第一涂层的顶部或位于所述衬底的与所述第一涂层的相对侧上的第二涂层。所述第一涂层可包括锡源、氟源和任选的钛源、任选的二氧化硅源或其组合。所述第二涂层可包括锡源、氟源和任选的铈源、锆源或其组合。
本发明还提供了一种制备具有电磁辐射源和涂覆到所述衬底的介电涂层组合物的炉的方法，包括以下步骤：将未涂布的玻璃或玻璃-陶瓷衬底加热至1050-1200°F之间的温度；并且将涂层组合物涂覆到未涂布的衬底的至少一侧。
本发明的炉可用于所有住宅、商业、实验室和工业应用中以提高炉的内容物的温度。
附图说明
图1示出了现有技术中具有热节点和冷节点的微波炉。
图2示出了本发明一个实施例中炉腔内热量的吸收和辐射。
图3示出了本发明一个实施例中利用介电涂层组合物实现的热量的吸收和辐射。
图4示出了本发明的将介电涂层组合物涂覆在衬底的两侧上的一个实施例。
图5为本发明的多层涂层的示意图。
具体实施方式
图1示出了现有技术中的微波炉。即使当炉壁设计成反射微波时，在炉腔内仍然会存在冷节点或冷区域，在冷节点或冷区域处，加热不如腔内其它地方有效。在穿过腔的微波的节点或低点处会存在冷节点。这种炉通常将利用诸如食物旋转平台或波搅拌器之类的部件来将内容物移动到热节点中或使微波分散。这些部件增加了炉的成本和复杂性，并且不一定能解决腔加热低效的根本问题。
本发明提供了一种具有介电涂布玻璃或玻璃-陶瓷衬底的炉。涂布衬底吸收优选地具有窄波长分布的电磁辐射，由此提高衬底和介电涂层组合物的温度，并将优选地具有宽波长分布的热辐射发射到炉腔中。无论其形状如何，涂布衬底(诸如涂布炉腔壁)几乎都能够被即时且均匀地加热。被加热的涂层组合物和衬底会即时地将热量发射到炉腔中，这减少了将腔内的内容物加热到期望温度所需的时间。不需要现有技术中的用于使炉内的内容物移动并使电磁辐射分散的附加部件。图2示出了利用本发明的涂布衬底实现的炉腔中热量的吸收和辐射。尽管图2中示出了波搅拌器，但是如上所述，在本发明的装置中不需要波搅拌器。
本发明的涂布衬底在衬底的一侧或多侧上可以具有一个或多个涂层。因为第一涂层不一定会吸收100％的电磁辐射并且一定百分比的电磁辐射可能会透射穿过涂布衬底，因此可有利地设置第二涂层。附加的涂层将吸收穿过第一涂层的透射的电磁辐射，并将这种吸收的辐射作为热量发射到炉腔中。这样，能够确保100％的电磁辐射被吸收并作为热量发射到炉腔中。在一些实施例中，第一涂层吸收至少80％、至少90％或至少95％的电磁辐射，第二涂层吸收剩余的20％、10％或5％的电磁辐射。本发明的涂层能够通过热解沉积来涂覆，热解沉积不与大气或化学物质发生反应，并且不受高温的影响。这样就克服了溅射涂层的局限性。
在本发明中使用的术语“玻璃”应理解为包括玻璃和玻璃-陶瓷，包括但不限于钠钙、硼硅酸盐和锂硅铝酸盐玻璃和玻璃-陶瓷。术语“衬底”表示能够涂覆本文所述的涂层的平台。本发明的衬底的形状不受限制。衬底可以为扁平的、弯曲的、凹面的或凸面的，并且可以具有矩形、正方形或其它形状。
因为本发明的涂层组合物(至少与衬底接触的涂层)通过共用氧原子并成为Si-O-X链的一部分而化学键合到衬底，因此他们是热解性的。热解涂层是“硬质的”，且不同于机械粘附到衬底上的例如涂料的“软”涂层。与粘附涂层相比，热解涂层具有优异的耐磨性，不易被刮掉，并且通常不需要保护性面层(topcoat)。
本发明的至少与衬底接触的涂层组合物为介电性的。介电材料的温度不会因频率振荡而升高。介电材料的频率是迟滞的，并且与随频率振荡的例如水分子相比，这种力的累积与一些摩擦一起将以更快的速率产生热量。本发明的热解涂层应该足够迟滞以抵抗试图使其移动的力，从而具有这种能量累积。来自炉的电磁辐射能够具有许多不同的波长，并且应对介电涂层的组成和性质进行选择以使迟滞存在。例如，如果介电涂层以较长波长的频率振荡，则介电涂层不会快速发热。如果频率太高，则介电涂层将具有较小的响应和较少的能量累积，并且介电涂层可能不太快速地升温。在本发明的一些实施例中，电磁辐射是微波辐射。微波辐射应使得介电涂层快速发热。
优选地，电磁辐射具有窄波长分布，并且介电涂层组合物发射具有宽波长分布的热辐射。如果超过50％的辐射在λ0-0.05λ0至λ0+0.05λ0的波长区间内，则波长分布较窄，其中，λ0为具有最高强度的波长。2.45MHz为电磁辐射的典型频率。波长通常为12.2厘米，其相对光源的变化最小。这样的波长较窄，并且产生的大多数电磁辐射也较窄。如果小于50％的辐射在λ0-0.25λ0至λ0+0.25λ0的波长区间内，则波长分布较宽，其中λ0为具有最高强度的波长。宽波长分布例如为1,000至15,000nm或1,000至21,000nm。在21,000nm之后几乎没有影响。峰值波长与温度有关，但大约90％的发射的热辐射非常宽。例如，3,500nm处的峰值分布为大约1,000至15,000nm。
本发明的涂层组合物(至少与衬底接触的涂层)为具有导电性的介电涂层。应对涂层组合物的化学组成、厚度和其它性质进行选择以与电磁辐射相耦合，从而根据需要缓慢或快速地升高温度。此外，应考虑炉的操作参数，诸如电磁辐射开/关周期、频率、波长和电磁辐射瓦数输出。还能够使用具有可变功率输出的固态设备。应平衡涂布衬底和炉的性能，以避免可能会熔化玻璃并造成可能破坏玻璃的热冲击的剧增温度。
电导率通常以欧姆/平方为单位来测量。在本发明的一些实施例中，涂布衬底的导电率为1至100、35至65、1至50或51至100欧姆/平方。
图3示出了利用介电涂层组合物实现的电磁辐射到热辐射的转换。当电磁辐射到达介电涂层组合物时，一些电磁辐射被反射回到腔中，并且一些电磁辐射穿过介电涂层组合物。然而，大部分电磁辐射被介电涂层组合物吸收，并且将热辐射发射到腔中。另外的介电涂层组合物能够用于转化穿过第一介电涂层组合物而透射的电磁辐射。
图4示出了本发明的一个实施例，其中介电涂层组合物涂覆在衬底的两侧上。在该实施例中，第二介电涂层组合物与已经穿过第一涂层组合物的电磁辐射相互作用，并且吸收电磁辐射并将热辐射发射到腔中，该电磁辐射也提高了衬底和介电涂层组合物的温度。
能够根据需要将一个或多个涂层组合物层涂覆到衬底的每一侧。类似地，炉腔的门或一个或多个壁能够包括涂布衬底。在一些实施例中，在门上不具有涂层组合物。在一些实施例中，衬底为厚度为1至10mm或2至5mm的玻璃或玻璃-陶瓷材料。在一些实施例中，对于衬底的每一侧，涂层组合物的厚度为20至400或70至120nm，或在其间的任意子范围内。炉的门和每个壁能够具有不同的衬底和不同的涂层组合物。
调整涂层的数量、厚度和组成将影响所反射的光的波长。能够将涂层选择为吸收1,000至5,000nm范围内的电磁辐射以用于高热应用(诸如烘焙和自清洁)，并允许在5,000至21,000nm的范围内进行优化。玻璃衬底每侧上的组合涂层的总厚度应为500nm或以下，优选为350nm或以下，并包括其任意子范围。因此，玻璃衬底两侧上的涂层的总组合厚度为1,000nm或以下，优选为700nm或以下，包括其任意子范围。在另一个实施例中，玻璃衬底每侧上的涂层的组合厚度为120nm或以下，包括其任意子范围。各个涂层能够具有不同的厚度：20至200nm、150至200nm、50至120nm或90至120nm，包括其任意子范围。
参照图5，玻璃衬底10涂布有第一涂层组合物或子层20、任选的第二涂层组合物30、和任选的第三涂层组合物或顶层40。玻璃衬底10能够用于微波炉的门或壁中，诸如顶壁、底壁、左壁、右壁或后壁中，但是本发明不限于这些应用。能够以本文所述的方式将子层20和任选的第二和第三涂层组合物30、40涂覆到衬底10的一侧或两侧。对所有层和炉的组成和性质进行选择，使得涂层组合物与电磁辐射相耦合来加热涂层组合物和衬底，涂层组合物和衬底继而加热炉腔。
第一介电涂层组合物能够用于涂层组合物或子层20，其可为涂覆到衬底任一侧的唯一涂层。可将一种或多种相同或不同的涂层组合物涂覆到衬底的每一侧，或仅涂覆到衬底的一侧。在一些实施例中，介电涂层组合物包括但不限于金属氧化物、陶瓷氧化物或其组合。金属氧化物能够不受限制地选自锡(Sn)、钛(Ti，包括钛的所有氧化态)、硅(Si)、铈(Ce)、锆(Zr)及其组合。合适的锡氧化物能够为单丁基氧化锡、二丁基氧化锡、二辛基氧化锡及其组合。也可为其它具有直链碳的锡氧化物。陶瓷氧化物能够不受限制地选自锆VI、铈III及其组合。在一些实施例中，金属氧化物、陶瓷氧化物或其组合的量为涂层组合物的1至50或10至20wt％，包括其任意子范围。
涂层组合物可包括呈纯的未掺杂形式的金属氧化物或掺杂的金属氧化物。合适的掺杂剂包括非限制性示例的卤素、后过渡金属及其组合。卤素能够不受限制地选自氟、氯、碘及其组合。后过渡金属能够不受限制地选自锡、铟、锗及其组合。掺杂剂的量能够为例如涂层组合物的0.1至40或5至20wt％，包括其任意子范围。在一个具体实施例中，涂层组合物包括掺杂氟的氧化锡和任选的钛源、任选的二氧化硅源或其组合。
卤素能够为可与金属氧化物和涂层组合物中的其它组分混溶的任意化合物。在一个实施例中，卤素为氟化合物，诸如具有氟化物基团的羧酸。一个合适的示例为三氟乙酸。卤素的量能够为涂层组合物的5-30wt％，包括其任意子范围。
涂层组合物可任选地包括钛源、二氧化硅源或其组合，诸如在一个实施例中为有机氧化钛。一个合适的示例为异丙醇钛。这些任选的钛源和二氧化硅源的量能够为涂层组合物的2-15wt％，包括其任意子范围。
溶剂可为涂层组合物的组分。在一个实施例中，溶剂为直链或支链烃，诸如乙醇。应对涂层组合物中存在的每种化合物进行选择，使得在涂层组合物中不存在相分离。涂层组合物中不应存在固体颗粒，涂层组合物也不应分离成两种或多种不同的液相，如同在乳剂中的情况。
衬底能够由任意玻璃或玻璃-陶瓷材料制成。具体示例可包括但不限于钠钙、硼硅酸盐、锂铝硅酸盐玻璃或玻璃-陶瓷及其组合。将涂层组合物涂覆到衬底的一种合适的方法如下所述。将衬底加热至1050°F至1200°F的温度。然后将涂层组合物喷涂或以其它方式涂覆在加热的衬底上。在该方法中，通过热解形成涂层组合物。玻璃衬底的热量会烧尽涂层组合物的挥发性组分(例如乙醇溶剂)。也可以使用其它方法(诸如化学气相沉积)将涂层组合物涂覆到衬底。
可以将一种或多种涂层组合物涂覆到衬底，诸如以形成如图5所示的子层20、第二层30和顶层40。涂层组合物可以具有相同或不同的组成和性质。在一些实施例中，将两种涂层组合物涂覆到衬底的一侧或多侧，并且顶部涂层组合物不含任何钛源和二氧化硅源。这样确保了顶部涂层组合物具有比基础涂层组合物低的折射率。
第二/顶部涂层组合物中的金属氧化物(如果存在)能够与第一/基础涂层组合物中的金属氧化物相同或相似，诸如氧化锡。一个合适的示例为单丁基三氯化锡。第二组合物中的锡源的量可为涂层组合物的15-50wt％。
第二/顶部涂层组合物中的卤素能够与第一/基础组合物中的卤素相同或相似。在一个实施例中，卤素为氟源，诸如为具有氟化物基团的羧酸。第二/顶部涂层组合物中的氟源也能够是无机氟化物。一个合适的示例为氢氟酸。第二涂层组合物中的卤素的量能够为涂层组合物的2-15wt％。
与第一/基础涂层组合物一样，用于第二/顶部涂层组合物的溶剂能够为直链或支链烃，诸如乙醇。在一个实施例中，第二/顶部涂层组合物中的溶剂可为水。第二/顶部涂层组合物中的溶剂能够构成第二/顶部涂层组合物的其余部分。与第一/基础涂层组合物一样，应对第二/顶部涂层组合物的组分进行选择，使得他们彼此可混溶，不引起任何沉淀，并且不引起任何相分离。
第一/基础涂层组合物可具有比第二/顶部涂层组合物更高的折射率。折射率的比可为ns/nt＝1.05至1.35，其中ns为第一/基础涂层组合物的折射率，并且nt为第二/顶部涂层组合物的折射率。
第二/顶部涂层组合物可以与第一/基础涂层组合物相同或不同的方式和在相同或不同的条件下涂覆。由于第一/基础涂层组合物的热解几乎是瞬时的，因此第二/顶部涂层组合物能够几乎在第一/基础涂层组合物之后立即涂覆。在两种涂层组合物的涂覆中间也可能存在短暂的停顿，其中如果需要，可将衬底再加热至所期望的温度范围。第一和第二涂层组合物中的化合物在将他们涂覆到衬底上并经受热解之后可产生变化。例如，第一和第二涂层组合物中的每一涂层组合物中的钛源在涂覆期间可以在高温下与环境氧反应，以在第一或第二涂层组合物中的一个或两个涂层组合物中形成二氧化钛。然而，除了将要蒸发的溶剂之外，第一或第二涂层组合物将以变化后的形式保留金属氧化物、卤素、钛源和二氧化硅源。
如图5所示，将第一/基础涂层组合物20直接涂覆到衬底10的两侧。然而，本发明预期，在衬底10和第一/基础涂层组合物20之间可以存在中间层(图5中未显示)。该中间层可以增强衬底10的外观、强度或其它性能。中间层可以由诸如但不限于氧化锡、二氧化硅或二氧化钛的材料制成。
不受该理论约束，相信第一涂层组合物中的钛源(如果存在)可改变第一涂层组合物的折射率并且也可提供热反射性质。通过产生具有所调节的折射率的反射热解涂层(例如通过使用钛)，能够实现从1000nm到3000nm的反射光波长的改进。这些红外反射表面能够提高整体性能并提供针对某些波长的可见光的抗反射效果。与金属氧化物一起热解沉积的钛源不与大气或其它化学物质反应。其增强了用于热反射应用中的玻璃和玻璃-陶瓷衬底上的多层涂层的整体性能。现有的多层涂层可采用具有相同折射率的材料，这些材料没有显示出良好的热反射效果。
本发明的涂布衬底可用在其中对波长为700至21,000纳米的反射可能有利的应用中。如上所述，此类应用中的一种应用为家用和商用炉或其它加热器具，其工作温度在245℃至500℃的范围内，其中将玻璃衬底用作窗或门。本发明的衬底还可用于在500℃以上的温度范围内工作的炉或加热器具内，其中将低膨胀玻璃衬底用作窗或现场玻璃(siteglass)。
虽然已经参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不旨在限于作为预期实施本发明的最佳模式而公开的特定实施例。本文公开的范围包括其间的所有子范围。

Claims (14)

1.一种炉，包括：
具有门和多个壁的封闭腔，其中至少一个壁包括玻璃或玻璃-陶瓷衬底；
电磁辐射源；以及
涂覆到所述衬底的介电涂层组合物，
其中所述介电涂层组合物通过共用氧原子而化学键合到所述衬底，
其中所述介电涂层组合物吸收电磁辐射，由此提高所述衬底和所述介电涂层组合物的温度，并且
其中所述介电涂层组合物将具有宽波长分布的热辐射发射到所述腔中，
其中所述介电涂层组合物包括金属氧化物、陶瓷氧化物或其组合。
2.根据权利要求1所述的炉，其中存在所述金属氧化物，并且所述金属氧化物掺杂有卤素、后过渡金属或其组合。
3.根据权利要求1或2所述的炉，其中存在所述金属氧化物，并且所述金属氧化物包括氧化锡、氧化钛、氧化硅、氧化铈、氧化锆或其任意组合。
4.根据权利要求1或2所述的炉，其中存在所述陶瓷氧化物，并且所述陶瓷氧化物包括锆VI、铈III或其组合。
5.根据权利要求1或2所述的炉，其中存在所述金属氧化物，并且所述金属氧化物掺杂有卤素，并且其中所述卤素包括氟、氯、碘或其任意组合。
6.根据权利要求2所述的炉，其中所述后过渡金属包括锡、铟、锗或其组合。
7.根据权利要求1或2所述的炉，其中所述介电涂层组合物包括掺杂氟的氧化锡和任选的钛源、二氧化硅源或其组合。
8.根据权利要求1或2所述的炉，其中所述介电涂层组合物包括第一涂层和第二涂层，其中所述第一涂层设置在所述玻璃或玻璃-陶瓷衬底上，并且所述第二涂层设置在上述第一涂层上，其中所述第一涂层包括掺杂氟的氧化锡和钛源、二氧化硅源或其组合，并且其中所述第二涂层包括掺杂氟的氧化锡。
9.根据权利要求8所述的炉，其中所述第二涂层不含钛源。
10.根据权利要求1或2所述的炉，其中所述电磁辐射是微波辐射。
11.根据权利要求1或2所述的炉，其中所述炉是微波炉。
12.根据权利要求1或2所述的炉，其中涂布的所述衬底的导电率为35至65 欧姆/平方。
13.根据权利要求1或2所述的炉，其中所述至少一个壁是腔的顶壁、腔的底壁、腔的左壁、腔的右壁或腔的后壁。
14.根据权利要求1或2所述的炉，其中所述介电涂层组合物不被施加至门。
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