CN113678570A

CN113678570A - 包含用于高速烤箱的初级导体的加热器元件

Info

Publication number: CN113678570A
Application number: CN201980074669.6A
Authority: CN
Inventors: N.P.德卢卡; A.珀金斯; J.米纳德
Original assignee: De Luca Oven Technologies LLC
Current assignee: De Luca Oven Technologies LLC
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-11-19
Also published as: EP3850908A4; CA3112527A1; WO2020056131A1; AU2019339478A1; US20220053612A1; EP3850908A1

Abstract

一种加热器元件包括：由单片金属形成的初级导体，其中该初级导体能够在5秒内辐射热量，并且具有小于2ohms/m2的德卢卡元件比；以及未焊接到初级导体的初级导体棒。

Description

包含用于高速烤箱的初级导体的加热器元件

技术领域

本公开教导了一种用于高速烤箱的辐射加热器，其由单个材料原料或网形成并且还包含不同厚度和密度的多于两个部分，它们被调节以最佳地将热量传递至待烹饪的物品。加热器元件允许在被制成0.25mx0.25m面积时德卢卡元件比小于2且具有在整个烤箱长度上测量的电阻的情况下以低电压使用，并且还允许热量在小于3秒内上升到最高温度。加热器元件还包括具有较低电阻的端部以允许元件串联连接，并进一步确保端部不会过热，并且有利于元件的适当夹紧和张紧。加热器还可在结合端处包括优化路径，以最小化电流集中并允许均匀的电阻路径长度。

背景技术

De Luca在美国专利号US20100166397中将使用加热器网充分描述为以低压安全地将高功率输送到烤箱加热腔的方法。De Luca描述的用于在1-3微米波长(最适合烹饪烤面包等食品)下输送高功率输出的典型方法涉及使用一种元件，该元件在形成具有平行的顶部和底部元件的0.25mx0.25m的烤箱时具有的典型特征是其电阻与黑体辐射表面积之比小于2ohms/m²。也可以使用由冲孔、水射流切割、化学蚀刻、激光切割、放电加工或其他工艺形成的平原料来产生类似网，并且对于本领域技术人员而言，可以将其视为显而易见的扩展。产生具有切割图案的网，该网经过裁剪以在适当的驱动电压(比如12-24伏)下提供正确的电阻，这是本领域的又一简单扩展，并且如果形成烤箱，则该网的DER将小于2，对于典型烤箱烹饪面积为0.25mx0.25m(或0.0625m²)。

在专利申请US2016/013183中，De Luca等人描述了用于将网连接到高电流源的初级和次级电导体系统。初级和次级导体棒允许以均匀的方式将电能传递到网，从而延长DOT元件的寿命。

网旨在成为烤箱中的可替换物品，因此，为了降低其成本，而不是直接连接至大型汇流条，大型汇流条也将需要更换从而增加了成本，较小的“初级”导体棒连接到加热器元件，然后用于连接到不可更换的大得多的“次级”配电导体棒。

该初级连接导体棒是必不可少的，因为它允许来自次级导体棒的电流的均匀分布流动，该次级导体棒接收来自电容器组和电源的能量。次级导体棒的较大横截面积也确保它具有最小电阻，因此产生的热量很少，这可能会对网的连接产生不利影响。通常将不锈钢304用作焊接主要材料，因为304不锈钢的材料成分类似于网常用的Kanthal合金(即铁含量高)。

网通常通过焊接连接而连接到初级导体棒。典型的初级导体棒可以使用薄0.010”-0.025的304不锈钢棒制成，然后点焊到网。次级棒通常机械地连接在电源、电容器和/或开关与初级导体棒之间。在上述专利中进一步描述了用于通过机械装置进行该电连接的各种方法，包括在圆形初级上的径向压力、在平初级上的剪切力以及在初级和次级之间的夹紧力。

使用需要被焊接的初级导体棒的过程的显著缺点涉及处理和生产初级部件的相关额外成本。当焊接到网时，这些部件可能难以处理和定位。

焊接网的过程还为在初级和网的界面处的电特性差异产生巨大潜力。例如，网和初级之间的污染会导致焊接质量下降，然后在使用过程中变成热点并导致早期退化。

焊接过程的另一缺点涉及在初级导体棒和网之间可能发生的未对准。该未对准进一步产生具有增加的局部张力的点，该局部张力可能导致应力裂纹和破坏以及平面表面的歪斜，这会影响烹饪结果。

焊接元件的另一缺点涉及难以将元件均匀地分段成多条以在较高电压下操作。尽管如果根据De Luca在美国专利号US20100166397中描述的方法进行测量，有效DER不会改变，但在较高电压下使用元件可以有利于减少与使用电源或变压器进行电压转换相关的成本。将网分段成多个元件时，很难保持每个长度相等。当加热时，不等可能会导致一段或另一段的延伸，并导致在加热时平面表面变形。

因此，以下发明的主要目的是提供一种具有小于2的DER(当在0.25mx0.25m的面积上在烤箱的整个宽度上测量时并且如在专利申请US20100166397中所述以平行配置使用时)的加热器元件，其具有不需要用于制造的单独焊接步骤的初级导体棒(如在美国专利申请US2016/013183中进一步描述)。

本发明的另一目的是按上述约束设计的加热器元件在加热部分的结合处是冷的，而初级导体在该元件的使用过程中保持冷。

本发明的另一目的是根据上述约束设计的加热器元件能够被均匀地张紧。

本发明的另一目的是，根据上述约束，元件能够被分段成相等的段，并且进一步提供用于电流流动的路径而无需焊接过程。

本发明的另一目的是以这样的方式形成网的各个交叉元件，以使颗粒物质在股线之间产生间隙的机会最小化，该间隙可以进一步过热和减弱。

本发明的另一目的是使与非辐射加热段之间的电流传递有关的热量的浓度最小化。

发明内容

本教导提供了新颖的加热器元件的实施例及其特征，其提供了多种益处。本文所述的加热器元件的DER小于2(当在0.25mx0.25m的面积上在烤箱的整个宽度上测量时并且如在专利申请US20100166397中所述以平行配置使用时)，并且可以通过使用丝、带或平坦原料形成。网的端部在厚度和密度上增加，以便提供更多材料用作初级导体。在优选实施例中，使用蚀刻工艺(比如EDM或化学蚀刻)形成元件，该蚀刻工艺在元件中产生两个或更多个不同厚度，以便降低在集成的初级导体区域处的网的电阻。在两个或更多个部分的结合端处还产生特定路径，以使路径长度在各段之间提供相等的电阻并避免热量集中。制造过程进一步使得元件能够形成有准相同的段，这使得易于在次级导体内张紧和对准并且在更高电压下使用。制造过程还允许形成首尾相连的元件卷，从而由单个原始片产生连续元件。在制造过程中，可以以连续自动方式将其他涂层施加到元件上。

应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步解释。

附图说明

附图被包括以提供对本发明的进一步理解并被并入本说明书中并构成其一部分，附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1a是形成有集成的初级导体并且DER小于2的单丝网加热元件的等距视图。

图1b是形成有集成的初级导体并且DER小于2的由带制成的单网加热元件的等距视图。

图1c是包含初级导体棒并且DER小于2的由单平片制成的平网加热元件的等距视图。

图2是图1c的剖视图，示出了从初级导体棒到加热元件的过渡区域。

图3是由图1c中的网形成的分段网的等距视图。

图4是用于保持图3的网的张紧系统的等距视图。

图5是由元件(比如图1c中的元件)依次形成以便产生连续元件串的卷的等距视图。

图6是还包括涂覆过程的用于制造图1c的元件的制造过程的等距视图。

图7是描述各种网厚度及其适当网尺寸以保持DER小于2并以各种尺寸操作的表。

图8是示出如何计算DER值的等距示意图。

图9是图3的元件的等距视图，具有修改结合端以允许相等的电阻值。

图10是图3的元件的等距视图并与图9中的类似。

图11是示出在图10中的元件的整个宽度上的路径长度的相等电阻的表。

在整个附图和详细描述中，除非另有说明，否则相同的附图标号将被理解为表示相同的元件、特征和结构。为了清楚、说明和方便起见，可能会夸大这些元件的相对大小和描述。

具体实施方式

本教导公开了一种包含初级元件的DER小于2的新颖加热元件，其不需要将初级元件焊接或以其他方式接合至网。

图1a是单线网加热元件30的等距视图，其形成有集成的初级导体并且具有小于2的DER。线网1形成有交叉元件2，在该交叉元件2上，电压从烤箱的一侧施加到另一侧且丝元件3通常正交于2编织。在该应用中使用的典型线网可能具有0.012"的线直径并且彼此间隔0.055"，从而形成具有18股线交叉的网。根据本发明，可以将线元件3在空间4处压紧在一起，或者将直径较大的线比如股线5编织到网中，以产生集成到加热元件中的元件的初级导体部分6。这种初级导体的电阻要比网加热器部分的电阻低得多，应该有助于降低端部7和8处的网的温度。例如，通过将端部处的股线之间的间距4减小一半(从0.055"至0.0275")，并将线10的直径增加两倍(至0.024"，从而使交叉线3的横截面积增加4倍，并与线2一起，总横截面积增加2.5倍)，因此在端部初级导体棒部分中的电阻降低了40％。

与图1a中的元件30类似，图1b是元件20的等距视图，其中展平的线或带21和22交叉编织在一起以形成网50。也像网30一样，交叉平带22在初级导体区域23中移动得更靠近在一起，并且使用具有两倍厚度的带，以产生初级导体，其与元件30一样具有减小40％的区域24中的网的电阻。

在优选实施例中，图1c中的元件40由经化学或电蚀刻的实心片41形成，以产生加热器网区域42和初级导体部分43。如图所示，初级导体区域43的电阻比网区域42小75％，因为材料是两倍厚且没有穿孔44。与图1b中的带状网20不同，长度方向45和交叉方向46的厚度都可以增加。另外，由于材料平且硬，因此将次级导体连接到区域43中的初级导体的能力要容易得多。

图2示出了元件40的剖视图50。在网区域42与导体部分43之间的界面台阶51处，从次级导体棒流出的电流进入网。使用增加界面51上方的材料厚度的步骤有助于确保残留的热量可被添加的金属吸收，以保持区域冷。另外，可以使用蚀刻工艺在网区域42中产生各种厚度渐变，蚀刻工艺可以通过减少区域中的疲劳或温度来帮助延长网的整体寿命。作为示例，来自初级导体43的初始电流可以在网42中产生与网的其余部分相比最初更热的区域。在数以千计的加热和冷却循环中，这些区域可能更容易发生应力破裂。因此，可以在网上相应地且可变地调节厚度以增加厚度并因此减小电阻，从而进一步增加网的寿命。

图3是元件40比如图1c的元件40的等距视图，其已经在线60处被分段成两个相等的区域61和62，每个具有其自己的初级导体63和64以及在两者之间的邻接区域65以形成元件70。区域65被设计为在没有次级导体的情况下使用，但进一步保持尽可能冷。通过沿方向66增加区域65的长度，实现电阻的额外减小。区域66也可以形成为第三厚度，不同于在63和64处的初级导体并且通常更厚。孔200和201可用于在烤箱内对准和定位网。

图4是元件70的图示，其已经在区域65处与张紧机构71连接，以随着元件被加热而在方向66上产生张力。以这种方式形成元件70的益处在于，其有助于将元件70的载流端63和64与张紧机构71分离，从而简化次级导体棒的设计力学。

图5示出了图1c的元件40的连续卷80，网部分42在初级导体43之后，初级导体43可以在卷被分度时重新使用。美国专利申请US151183967描述了一种连续网系统，但并未使用极大地促进电流向网传输的初级导体。

图6示出了制造过程，用于从坯料卷原料100在蚀刻机90中蚀刻和形成元件40并进一步施加涂层91。可以通过将最终产品40缠绕成卷80或通过单独分开每个元件40而制造连续卷80。

在设计具有穿孔的平膜元件40的过程中，厚度对于有效电阻至关重要。材料越厚，电阻越低，因此需要更多的功率才能使元件在0.5-3微米范围内散发热。图7的下表示出了用于各种厚度的各种元件的各种网开口尺寸。注意，所有这些元件的DER均小于2。

图8示出了如De Luca在美国专利8495526B2和9500374B2中进一步描述的如何测量DER。在这些计算中，通过考虑覆盖烤箱中整个0.25mx0.25m的单网或元件材料并进一步以平行施加到顶部和底部元件的能量同时操作两个元件来计算DER。通过使用该标准化方法来计算DER，该值将保持一致并准确地反映材料的性能以及材料是制成较小还是较大和其是否以各种长或短构造被使用以获得不同的电阻。

考虑到图3所示的网40，该网在一侧为5"x8.375"或0.027m²，但具有50％的开放区域，在一侧的黑体辐射面积为0.014m²或每个元件为0.027m²。如果在烤箱的端到端(整个8"上)或边缘105和106之间测量，单元件250的电阻为0.14ohms。如果将2个与元件251平行放置(如图8所示)以覆盖烤箱中的0.25mx0.25m，则电阻将降至0.07ohms，黑体辐射面积将增加至0.055m²。如专利US20100166397的第25段所述，从美国专利8498526B2号的第6列的第43行开始，具有0.25mx0.25m面积的典型烤箱将具有4个表面，或者因此平行的2个另外元件(253和254)通过同一电压源供电。因此电阻将再次下降2，黑体表面积将增加2。因此对于具有该网的“标准”烤箱的总计为0.035ohms，黑体辐射面积为0.110m²。因此，DER等于0.035/.11＝0.31。

图9示出了图3和4的元件，其中作为元件700制成的元件70具有该元件的修改区域65，其电阻在变薄部分与结合部和孔703之间的相交区域600和601上相等。通过产生具有相同电阻的修改路径800，以使电流通过结合部65在正端704和负端705之间穿过，区域701和702保持较冷，因为电流更均匀地穿过结合部65。

与图9相似，图10示出了具有形成有路径800的修改结合端65的平元件70和700。

图11的表示出了穿过图10中的元件的结合端的每个路径800的相等电阻。

本文介绍的示例旨在说明潜在和特定的实施方式。可以理解的是，这些示例主要是为了对本领域技术人员进行说明。本文所描绘的图是作为示例提供的。在不背离本发明的精神的情况下，这里描述的这些图或操作可以有变化。例如，在某些情况下，可以以不同的顺序执行方法步骤或操作，或者可以添加、删除或修改操作。

Claims

1.一种加热器元件，包括：

由单片金属形成的初级导体，其中该初级导体能够在5秒内辐射热量，并且具有小于2ohms/m²的德卢卡元件比；以及

未焊接到初级导体的初级导体棒。

2.根据权利要求1所述的加热器元件，其中，所述单片金属包括两个或更多个厚度。

3.根据权利要求1所述的加热器元件，其中，所述初级导体成形为U形状。

4.根据权利要求3所述的加热器元件，其中，所述U形状包括端部和弯曲部，U的端部连接到电路，并且弯曲部用张紧器张紧。

5.根据权利要求3所述的加热器元件，其中，所述弯曲部的一部分包括用于电流流动的多个路径。

6.根据权利要求1所述的加热器元件，其中，所述加热器元件适于在操作期间以大于每秒100℃的速率升高温度。

7.根据权利要求1所述的加热器元件，其中，所述单片金属包括网或格子结构。

8.根据权利要求1所述的加热器元件，其中，所述单片金属包括厚度大于0.001英寸的平面部分。

9.根据权利要求1所述的加热器元件，其中，所述单片金属包括端部和设置在端部之间的用于辐射的中间部，并且每个端部的厚度大于中间部的厚度。

10.根据权利要求1所述的加热器元件，其中，所述单片金属是卷或连续片的一部分。

11.一种由单片金属制成加热元件的方法，包括提供具有单个或顺序形成的两个或更多个厚度的片。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括将所述加热器元件安装在烤箱腔内。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括焊接所述两个或更多个片部。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括将电力从电源供应到多平面加热元件。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电源将AC或DC电流供应到所述多平面加热元件。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括存储电能以操作所述多平面加热元件。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电源通过开关将功率输送到所述加热器元件。

18.根据权利要求14所述的方法，还包括循环进行接通和断开供应给所述多平面元件的电能。

19.根据权利要求14所述的方法，还包括利用包括来自传感器的输入的反馈回路来控制供应给所述多平面加热元件的电能。

20.根据权利要求11所述的方法，其还包括提供烤箱腔；以及当所述多平面加热元件处于使用中时，监测烤箱腔中的温度升高。

21.根据权利要求11所述的方法，还包括使所述多平面加热元件循环地接通和断开。

22.根据权利要求11所述的方法，还包括与预设程序相关联地循环所述多平面加热元件。

23.根据权利要求11所述的方法，还包括将所述多平面加热元件浸没在液体中。