CN1135059C - 非晶金属合金电加热元件及电加热系统 - Google Patents

Abstract

一种电加热系统使用由非晶金属合金条带制造的加热元件。加热元件使用长而宽的条带具有大的面积，以实现良好地把热传递到周围环境即低的热阻。在低的工作温度制约下，即正好低于加热元件所用非晶合金脆化温度的温度下，加热元件的面积，因而其热阻，按所需要的热功率确定。加热面积最好大到足以在一个低的温度传递所必须的热量，以便不产生苯并芘或其他有害健康或生态的烟雾和气体。具有低热阻的这种薄条带也能快速稳定加热。这种电加热系统使用低成本的绝缘和支承材料。

Description

非晶金属合金电加热元件及电加热系统

技术领域

本发明涉及电加热器元件和系统，特别涉及其加热元件是由非晶金属合金制造的具有大面积的薄条带，并在中、低温工作的这类加热器系统。

背景技术

目前，电加热系统使用由具有晶态结构且与周围环境接触面很小的金属丝制作的加热元件。为了把所要求的热功率传递到周围环境中，这些元件要在高温工作，较典型的为900～1500℃。这就要求一种能在高温长期工作且在高温具有良好抗腐蚀性的高成本加热器。高温加热器常用的加热元件由镍铬合金、铬铝钴耐热钢、或铁铬合金(Fechralloy)制造。在约800℃范围的较低温度使用的其他材料包括锰镍铜合金和康铜合金。

虽然常规加热元件能耐高温，但它们是昂贵的。而且，因为在高温工作，这种加热系统的其他部分也较其他情况昂贵。例如，为了耐高温，热绝缘、加热器机械支承和所要求的其他材料都必须是高级别和昂贵的。

高的工作温度也产生讨厌的烟雾和气味，例如，在空气中燃烧有机粉尘产生的气味。又如在约180℃的温度开始形成苯并芘。当加热器在闭合空间使用，如室内加热时，这些气体对健康有特别不利的影响。这些加热器对环境是有害的，它们的广泛应用会带来生态问题。

一种薄条带可用作加热器，而且因为它有较大的表面积可在较低温度工作；遗憾的是，制造薄条带或薄片的工艺非常昂贵，它包括装在基底上的耐火材料的刻蚀或丝材的反复轧制。所得薄片呈金属晶体结构。然而，最近几年，非晶金属合金薄条带的制造受到关注，主要在磁应用场合使用。

非晶条带的生产比晶体条带便宜得多。如Ohno的美国专利No.4789022所详述的那样，制造非晶条带的工艺通常包括一步熔融抽丝技术。

非晶金属合金条带广泛用于磁应用中；虽然有种种迹象和说明表明它可能用于加热器中，但这些条带目前尚未用作电加热器。

例如，Morito的日本专利申请No.63-264213，公开号#2-112192公布了一种由具有特定电阻率的非晶合金薄条带制造的薄片加热器，它的制造方法和所用材料。该发明的目的是解决机械强度、高成本以及电阻稳定性问题。没有提供实现一种实用加热系统的详细说明。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种低成本的，有益于健康和环境的电加热器元件和加热系统。

为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种电加热器元件，由非晶金属合金条带制造，上述条带有一个与把所必须的电功率转变为热功率的相应的电阻，上述条带还具有相应的形状和尺寸以实现在必要的工作温度把热功率传递到周围环境所要求的热阻，其中，上述温度低于上述合金的脆化温度，上述条带按照Manov的工艺制造，即在快淬火之前把熔融合金过热到一个精确的温度。

为实现本发明的上述目的，本发明还提供了一种电加热系统，包括：

(A)一个或几个由非晶金属合金条带制造的电加热器元件，上述每一个条带有一个与把所必须的电功率转变为热功率的相应的电阻，上述条带还具有相应的形状和尺寸以实现在必要的工作温度把热功率传递到周围环境所要求的热阻，其中，上述温度低于上述合金的脆化温度；

(B)覆盖上述条带并防止在转换热功率时电冲击的电绝缘装置，其中，上述绝缘装置由任何能在上述工作范围的较低温度工作的材料制造；

(C)用机械方法把上述条带固定在上述加热系统的支承装置，其中，上述支承装置由任何仅能在上述工作温度范围的较低温度工作的任何材料制造。

按照本发明，这个目的基本上通过提供由非晶金属合金条带制造的电加热元件和包括这些加热元件的电加热系统实现。这些加热元件由非晶金属合金条带制造。

本发明另一个目的是提供一种可在反复的机械、电和温度负荷条件长时可靠工作的电加热器元件和系统。这种加热元件具有一种新的结构和工作：这种新颖结构包括长而宽的条带形成的较大面积以实现与周围环境良好的热交换，即对周围环境有较低的热阻。

在低工作温度的制约下，即正好低于所用非晶合金脆化温度的一个温度制约下，这种加热元件的面积，因此其热阻，按所希望的热功率确定。因此，可实现低温甚至大的辐射热功率的新的工作条件。另一个新颖性能是快速稳定加热，即加热器短时达到其稳态温度。

加热元件条带用V.Manov等人发展的方法制造，即在快速淬火之前使熔融(液态)合金过热，可得到可更好地重现其性能的更可靠的加热器元件。

在一个最佳实施例中，加热元件的结构保持其工作温度低到不产生苯并芘或其他有害于健康或环境的烟雾或气体。

这种加热元件使用较低成本的合金，即仅能在低温抗氧化的合金。为实现低成本系统，这种电加热系统还使用低成本的绝缘和支承材料，即仅在低温使用的材料。

附图说明

下面将通过实例并参照附图说明本发明，附图中：

图1A描述现有技术加热线圈元件，图1B-1D是使用这类线圈现有技术的实例，图1B示出一电炉，图1C示出空间加热器，图1D则是头发吹风器。

图2A-2C图示本发明一个加热元件，图2A为局部剖去的透视图，图2B为局部剖去的侧视图，图2C是顶视图。

图3是局剖断开的头发吹风器的透视图，它按本发明的原理制造，使用图2A-2C中的加热元件。

图4A-4D描述按本发明原理构成的一个空间加热器，图4A是构成该加热器的三个组件的透视图，图4B示出一个组件上的条带加热元件花样，图4C是通过图4B的4C-4C线的横截面视图，图4D更详细地示出用于连接相邻板的掣爪。

图5A和5B描绘按本发明原理构成的另一种形式的空间加热器，图5A是局部剖去的透视图，图5B是沿图5A的5B-5B线截取的横截面视图。

图6A和6B是按本发明原理构成的一个替换的空间加热器的两个对比视图，图6A是局部剖去的透视图，图6B是沿图6A的6B-6B线切取的横截面视图。

图7A描述按本发明原理构成的具有水加热元件88的普通散热器，图7B是其加热元件的详细视图。

图8A和8B是按本发明原理构成的一种替换的水加热元件的对比视图。

图1A示出由线圈形的镍铬合金丝制成的现有技术加热元件12。这种丝具有一种晶态结构，是可使金属逐渐凝固所得的正常状态。图1B示出使用加热线圈12和18的一个电炉。两个线圈嵌入陶瓷板14中，通过电连接(图中未示出)把电功率加到加热线圈上。

图1C示出用于加热的现有技术晶态线圈的另一种众所周知的用途。这种空间加热器包括壳体22，两个加热线圈24和26，两个反射器23和25，一个电源开关27。

具体实施方式

图1D示出用于加热的现有技术晶态金属的另一种应用头发吹风器。壳体32和手柄34通常是一个整体塑料模压件。功率从电源软线48通过开关38上的接点传到缠绕到云母构架40的金属丝42上。这个必须耐高温的云母构架用作支承丝加热元件。这个加热装置包含在云母绝缘套筒44内。当开关38连通时，电动机(图中未示出)使加热元件后面的风扇36转动。普通的头发吹风器的成本的主要部分在加热元件42。

其他附图图示了本发明的作为加热元件使用的非晶条带。本发明列举了电加热系统的新结构和工作，这种系统的加热元件是由非晶金属合金制造的大面积薄条带，并在中低温工作。

图2A是按本发明原理构成的加热元件的局部剖去的透视图；图2B是局部剖去的这个加热元件的侧视图；图2C是一个顶视图。这种加热元件由安装在胶接、层压或其他方法连接成一个装置52的两块塑料板(图中所示为圆柱形)之间的非晶金属合金条带50组成。用作图2A-2C中加热元件的合适的塑料是聚苯乙烯和聚酰胺。一般地说，包容这种条带的材料应具有好的导热性和差的导电性。图示的条带端子50a和50b可以连接到接线片上。这些加热元件由非晶金属合金制造。

大多数金属和金属合金都呈晶体形式。然而，最近几年，对于非晶金属合金条带的制造十分关注，它们主要用于磁性应用中。

非晶条带具有极好的机械性能(如硬度、柔韧性和拉伸强度)，它们的生产较晶态条带便宜得多，且容易加工。

在授予Ohno的美国专利No.4789022中公开了一个制造非晶条带的方法的实例。大多数常用的非晶条带由一步熔融抽丝技术生产。在熔体可能自身排列成晶体结构之前就快速淬火以“冷冻”金属原子可以构成一种条带。非晶条带可以制成宽范围的宽度和厚度。典型宽度是1-100mm，典型厚度是20～35μm(微米)。这类非晶条带电阻率可高达20E-6ohm*m，虽然它们的电阻率一般在1.5E-6ohm*m，但仍等于或大于晶态条带的电阻率。

尽管非晶金属条带具有上述各种作用，但这类材料在此之前仍未用作加热元件。相信这是由两个原因造成的：非晶条带的再生产性，低的许用工作温度。

第一个原因是：非晶金属条带的性能一般是不可重复产生的，在这个意义上，从一炉到下一炉，甚至从任何一个单条带的开始到结尾，其材料特性都是不一致的。不同的电阻率导致不同的发射热功率，这在用户使用的标准加热器中是不允许的；而且，加热器的不同部分可以加热到不同的温度，这将导致加热器破坏，因而降低加热器系统可靠性。

我们的一个惊人发现是条带材料经长期工作其特性并没有降解。这与未确认非晶金属材料实际用作加热元件以来的所有预测不同。在一个实验中，我们制造了一个空间加热器，其非晶金属条带在150℃工作一年多，从始至终其工作特性完全没有差别。

本发明提出采用Manoy的过热方法实现可重复产生特性的非晶条带。在Manov等人的一篇文章中，即发表在Materials Science andEngineering(材料科学与工程)1991年A133卷P535-540上的题为“淬火温度对非晶合金结构和性能的影响”的文章中，公开了“过热”技术，即在快速淬火之前，使熔融合金(液态)过热到一精确温度，以实现具有可重复性能的更可靠的加热器。

虽然上述Manov等人的文章详述了液态熔体的过热方法以及产生的条带的某些最终性能，即更高更可靠的电阻率，但这些性能对电加热器没有价值。因此，这篇文章未提及这个方法对电加热器生产的任何应用。

然而，Manov工艺还有其他的优点，它也实现了具有新的不同结构和成分分布、在体积和表面都更为均匀的条带，使条带内的局部显微缺陷更少。当电流通过条带时，这些显微缺陷是裂纹扩展的主要原因，裂纹最终导致加热元件失效。因此，从由此制造的加热元件可以长期工作这个意义上看，这种条带更为可靠。至今尚未发表的这些发现证明Manov工艺用于生产加热元件的条带是有道理的。

因此，采用Manov方法与由非晶金属合金制造的加热器结合是本发明的一个新方法，它解决了妨碍这些合金作为加热器元件的广泛实际应用的长期未解决的问题。

非晶合金未用作加热元件的第二个原因是低的允许工作温度。加热元件所要求的电阻很容易确定。功率输入等于跨加热元件电压的平方除以加热元件电阻。由于满线电压通常加在加热元件上，所需功率已知(由可引导的最大电流限制)，因此可以计算所要求的电阻。现有技术加热器在900～1500℃之间的高温工作，具有小尺寸的优点，因为小的加热器可提供更大热量，并把热量传递到周围环境。

然而，本发明加热器设计在较低温度工作，约为50～300℃，最佳范围在50～200℃。较低的工作温度按几个考虑决定：非晶合金条带在约250～300℃变脆(脆化温度)，在稍高的温度，约350～400℃变成晶体。因此，工作温度应保持在这些温度值以下。而且，按照本发明，加热元件的结构应保持工作温度低到不产生苯并芘或其他有害于健康或生态的烟雾或气体。

按照本发明，这种加热元件有一种新的结构和工作：这种新颖的结构包括长而宽的条带形成的大面积，以实现对周围环境良好的热传递，即对周围环境低的热阻。

在低的工作温度制约下，即受正好低于按上述使用的非晶合金脆性温度的一个温度制约下，加热元件的面积，因而其热阻按所需热功率确定。

因此，较低的工作温度导致较少热量传递到周围环境，这是因为传递的热量与温差成比例；为了对此进行补偿并按需要实现所有热功率的良好传递，应使用大表面的加热元件。

就热传递性能来说，非晶条带加热元件因有较大热传递面积而比晶态金属丝加热元件更为有效。对于相同的稳态加热元件温度，经条带传递到周围环境空气的热量比相同质量的金属丝所传递的热量大得多。质量因直接影响成本而成为一个极为重要的考虑。如果用晶态条带取代这种金属丝，因晶态条带较大的面积其热传递特性更为突出。然而，晶态条带成本较类似的非晶条带高得多。

加热元件电阻用现有的众所周知的方法从所需要的电功率和所加电压进行计算。

“热阻”是定义材料或一个物体与周围环境之间的热传递性能的技术术语，定义为1w热功率的流动产生的温度差。提高加热元件面积可实现较低的热阻。因此，提高加热元件面积可以提高把所需要的热功率传递到周围环境的能力，然而这些元件仍保持在较低温度。

众所周知，电阻与丝或条带长度成正比，与其横截面成反比。因此，对于厚度一定的条带，可用短而窄的条带或宽而长的条带实现相同的电阻。

在现有加热元件的应用中使用薄而短的条带，如日本专利JP-112192反复说明一种10mm宽的条带；而我们使用200mm宽度的条带，其宽度提高20倍，要求其长度也提高20倍，以保持相同的电阻，因此面积提高400倍，显著降低到周围环境的热阻，工作温度降低到1/400。这是一个极端宽的加热元件实例，用于本发明极高功率和极低工作温度的场合；加热元件较实用的宽度约为30～100mm，然而，这个实例用于证明本发明新颖方法的很大的适应性，在这种方法中，精确控制加热器面积确定了其工作温度，并固定在一个较低的值，有这里要说明的几个方面的优越性。

因此，实现了在低温甚至大的辐射热功率的新的工作条件。另一个新颖性能和优点是：实现稳定的快速加热，即加热器短时达到其稳态温度。这对用户很有利，因为房间可很快被加热；这将导致较低的电功率消耗，并且由于非晶合金的限制在加热器内不允许高的温度差和高的温度，因而机械应力较小，提高了加热器的可靠性。

众所周知，在现有技术中，材料温度越高，对氧化越敏感。在实用中氧化导致锈蚀，使加热元件降解。为在高温工作，加热元件必须由能耐高温氧化的昂贵金属制造。

然而，在本发明的结构和工作中，加热元件使用低成本合金，就是说，由于加热元件只在低温工作，只使用能在低温抗氧化的合金。因此，由于还使用低成本的绝缘和支承材料，即设计只在低温使用的材料，整个电加热系统是便宜的。

本发明加热器条带的支承材料可由聚四氟乙烯、硅树脂、橡胶、室温硫化橡胶、聚酰亚胺薄膜等材料制造。为提高作为加热元件的非晶条带工作的可靠性，本实施例有一种改型，其中条带做成带孔的形式，孔的尺寸、位置和数量根据防止在加热元件工作时由于任何原因出现的裂纹扩展的条件确定。孔的尺寸和位置应该使呈直线的任何裂纹在扩展一短的距离后遇见孔，并在此孔处停止扩展。

对于本发明的最佳实践，加热元件条带的厚度不应大于100μm。然而，在许多情况中，它可以厚到足以不需要支承底层(虽然仍在100μm以下)。在所有情况，条带厚度都应尽可能均匀。

最佳合金包括有65～88克分子百分比的铁、镍和钴中的一种或几种，12～28克分子百分比的硼、硅和磷中的一种或几种，0～11％克分子百分比的铬。对于这类合金，条带厚度最好在45μm以下。本发明使用的合金电阻率在1E-6～1E-5ohm*m，最好在1-5*E～6ohm*m范围。

下面列出可以用于生产本发明加热器元件的非晶合金：

Fe80B20

Fe40Ni40B15C1Si4

Ni70Si15B15

Fe85B15

Fe13Ni60Cr5Si10B12

Fe76B24

Fe78B18Si4

Fe74Co2.5Cr7.5B16

Ti48.5Cu45Ni5Si1.5

Al65Co10Ge25

图3描述图2A～2C的加热元件的一个用途-头发吹风器。壳体56和手柄58是一整体模压件，手柄上的电源开关62控制来自电源软线66的电流。开关62控制加热条带和驱动风扇60的电动机。加热元件安装在壳体56内。不需要像图1D所示现有技术的头发吹风器那样的高温云母支承或高温绝缘。为使这种新的头发吹风器与现有技术吹风器匹配，只需更换加热元件。现有技术吹风器使用的加热元件是由直径0.4mm，长度486cm的晶态铬铝钴耐热钢丝制造。这个装置在920w工作，丝的温度约600℃。

新的加热器由Fe80B20材料制造，也在920w工作。条带厚度20μm，宽度5mm，长度388cm。条带加热元件工作温度测量为100℃，比商品头发吹风器加热元件工作温度低6倍。所用的非晶条带成本为商品产品的丝材的一半。显然，由于低的工作温度，不再需要使用昂贵的高温绝缘材料，头发吹风器的总成本还可进一步降低。

图4A的空间加热器由多个组件构成。图4B清楚地示出加热条带70的花样。条带终端为两个端子70a，70b。图4A仅示出一个中间组件。

最左边的组件包括一个用于控制传送到加热器上的功率的旋钮72以及一个电源软线。

为使几个组件或壁板相互连接，它们都设有如图4D清楚地示出的掣爪66。当压下按钮68时，掣爪脱开使它们插入相邻组件的缺口(未示出)中；松开这个按钮时，掣爪抓住相应的销子(未示出)，以便保持紧固连接。当然也可以采用其他类似的连接机构。

图4C是一个壁板的横截面。加热器壁板后部是盖板76；如果这个盖板76由绝缘材料制造，条带70可以连接在这个盖板76上。壁板前部是用一层硅胶74固定在条带上的铝盖板73。示于图4A～4D的仅有单壁板的这类加热器用非晶合金Fe78B18Si4制造。条带厚度20μm，宽度1cm，长度10.15m。它连接在面积为0.3m2的铝板上。当在约500W工作时，加热元件温度仅为150℃。

图5A和5B是一个没有底层支承的非晶条带的空间加热器。这个加热器有一个底板84，一个具有许多孔81a的顶盖81，以及环绕加热元件且在底部具有若干缺口78a的辐射壳体78。缺口78a和孔81a使空气向上流通通过对流带走热量。

加热元件包括一根垂直绝缘杆79，长的非晶条带80缠绕在杆79上。优选地由硅胶把条带80固定在杆上。底板包括一个调节按钮82和普通设计的电绝缘软线插座83。

条带80由Fe78B18Si4材料构成，厚度20μm，宽度2cm，长度8m。在以约1300w的功率工作时，条带表面温度不超过130℃。

这种加热器以及前述的500w加热器工作1000小时以上。在每一种情况，都用x射线衍射检验非晶条带，没有发现条带结构的变化。

图6A和6B的空间加热器与图5A和5B的加热器类似，但有一个主要差别。这种塔形加热器包括相同的带孔81a的顶盖81，辐射壳体78，以及具有调节旋钮82和软线插座83的底板84。但是不用非晶金属条带缠绕到绝缘杆上，而是采用如图2A～2C所示的加热元件类型，虽然用于空间加热器的加热元件比图3的头发吹风器所用的加热元件要大些。支承在单塑料板83的条带50示于图6B，这个条带的两个端子50a，50b终接在一个中心块85上。

图7A示出把本发明用于在普通散热片87中加热水，图7B详细示出由加热元件88替代热水管的零件。

加热元件包括：一个从底部流进冷水及从顶部流出热水的铜管89，一层约0.3mm厚的硅绝缘体52，一层安装在与绝缘层52胶接的塑料载体91上的条带50，一层约2.4mm厚的无机热绝缘体90。在本发明一个实施例中，水的流速是2kg/min，水的输入温度是10～20℃，铜管顶部输出温度是96～98℃。铜管89的内径8mm，外径10mm，长度0.5m。三个条带平行相连，缠绕在管上。

每个条带厚度为25μm，宽度为1cm，长度为3m，总重14.5g。条带材料是Fe78B18Si4。总功率是11kw。条带测量温度是180℃。这种热水加热器工作200小时未出现麻烦。

图8A和8B类似于图7A和7B，示出在水通过普通管时用于加热水的一个替换机构。图8B示出加热元件层板94，是图2A～2C所示的类型。加热元件94安装在管89内，水绕这个加热元件按图8A箭头95所示方向流动。在这里加热元件直接加热水。

虽然已参照特定实施例说明了本发明，但很显然，这些实施例只是本发明原理的应用实例。在不违背本发明精神和范围情况下，可以从中产生许多改型和其他结构。

Claims (9)

1.一种电加热器元件，由非晶金属合金条带制造，上述条带有一个与把所必须的电功率转变为热功率的相应的电阻，上述条带还具有相应的形状和尺寸以实现在必要的工作温度把热功率传递到周围环境所要求的热阻，其中，上述温度低于上述合金的脆化温度，上述条带按照Manov的工艺制造，即在快淬火之前把熔融合金过热到一个精确的温度。

2.按照权利要求1所述的电加热器元件，其特征在于，上述工作温度低于产生苯并芘或产生其他有害于健康和生态的烟雾或气体的温度。

3.按照权利要求1所述的电加热器元件，其特征在于，上述工作温度在50～200℃范围。

4.按照权利要求1所述的电加热器元件，其特征在于，上述条带的形状和尺寸一般呈平面形，其厚度小于100μm，上述条带的长度和宽度应能实现上述电阻和热阻。

5.按照权利要求1所述的电加热器元件，上述条带由Fe78B18Si4或Fe13Ni60Cr5Si10B12，或Fe74Co25Cr75B16，或Al65Co10Ge25合金制造。

6.按照权利要求1所述的电加热器元件，其特征在于，上述条带由下列成分的一个合金制造：65～80克分子百分比的铁、镍和铝中的一个或几个，12～28克分子百分比的硼、硅和磷中的一个或几个，以及0～11克分子百分比的铬。

7.一种电加热系统，包括：

(A)一个或几个由非晶金属合金条带制造的电加热器元件，上述每一个条带有一个与把所必须的电功率转变为热功率的相应的电阻，上述条带还具有相应的形状和尺寸以实现在必要的工作温度把热功率传递到周围环境所要求的热阻，其中，上述温度低于上述合金的脆化温度；

(B)覆盖上述条带并防止在转换热功率时电冲击的电绝缘装置，其中，上述绝缘装置由任何能在上述工作范围的较低温度工作的材料制造；

(C)用机械方法把上述条带固定在上述加热系统的支承装置，其中，上述支承装置由任何仅能在上述工作温度范围的较低温度工作的任何材料制造。

8.按照权利要求7所述的电加热系统，其特征在于，上述绝缘装置包括覆盖上述条带的塑料层压板。

9.按照权利要求8所述的电加热系统，其特征在于，上述塑料层压板由聚苯乙烯或聚酰胺或硅树脂制造。

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