CN1270754A - 电加热器 - Google Patents

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Abstract

一种厚膜加热器,包括一个位于基片上的电绝缘层,和一个施加在绝缘层上的电阻加热轨迹。基片由一种含碳量少于0.01%的钢构成。

Description

电加热器
本发明涉及包括一个位于基片上的电绝缘层和一个施加在电绝缘层上的电阻加热轨迹类型的电加热器。
上述类型的电加热器，例如作为液体加热容器的组成部分并通常被称作“厚膜加热器”的电加热器已为人们所熟知。当被用于液体加热容器时，这样的加热器通常可以用基片的表面构成容器的基底或容器基底的一部分，基片具有绝缘层，绝缘层位于基底的干侧并不接触液体。这种类型加热器的例子在我们的申请WO94/18807、GB-A-2296847和WO96/18331中已被揭示。
这种用于液体加热容器的加热器一般具有一个不锈钢基片。使用不锈钢是因为加热器接触液体的一侧不会被容器内的液体(通常是水)腐蚀。然而，通常被用作这种加热器基片的400系列不锈钢经常会受到孔蚀(Pittingcorrosion)，尤其在使用氯化的水时。因此，事实上这样的钢在使用时并不是真正不锈。钢在生产过程中形成的位于钢表面上的难看的氧化物和不锈钢必须被彻底清理并抛光使其变得美观并恢复其不锈性能。为此，人们通常在不锈钢基片接触液体的表面上施加表面涂层以阻止容器内的液体与其接触并呈现出装饰效果。这样，当在不锈钢施加一层表面涂层后，它的不锈性能就不能被利用。
本申请人已经认识到在这样的加热器中不必用不锈钢制造基片并已确定出了这种加热器基片的必要要求。
总的来说，绝缘层可以是玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷(下面总称为“陶瓷”)，基片应具有足够的机械强度用来支撑陶瓷层并防止陶瓷层开裂。如果基片构成液体容器的基底或基底的一部分，它还需要具有足够的机械强度用来支撑容器内的液体并承受在每天使用中的撞击和清洗。
用于绝缘层的陶瓷的类型和厚度由电绝缘的要求决定。根据国际规范，陶瓷层必须能够承受施加在加热轨迹和基片之间1500V的电势差而不被击穿。进一步讲，由于陶瓷层是一个绝热体，因此在保证电绝缘要求的同时，希望陶瓷层尽可能薄，以使从加热轨迹到基片的热传导达到最大。当然，在对电性能没有不利影响的前提下，陶瓷还必须能够承受加热器在正常和非正常操作状态下所遭受到的温度。这些要求决定了所要采用的陶瓷材料，同时也至少决定了基片的一些特性。
满足上述电性能和热性能的陶瓷材料是可以得到的，这样的陶瓷通常具有较高的熔点，例如高于800℃。因此当陶瓷层在基片上烧成时基片必须能够承受这样的温度。例如，具有很好的导热性的铝因为它的熔点为660℃而不适合用于这样的陶瓷。另外，基片材料不应活泼到在这一温度其表面被显著氧化的程度。
陶瓷层通常通过丝网印刷(screen printing)、喷涂(spraying)或静电喷涂(electrostatic spraying)(象在GB 2306873中描述的那样)等方法施加到基片上，然后在基片上烧成以得到所需的绝缘层。绝缘层附着在基片表面上。当陶瓷处于拉伸状态时，陶瓷层的横向机械强度(the lateral mechanicalstrength)很低，但当陶瓷处于压缩状态时，陶瓷层的横向机械强度提高。因此希望基片具有比陶瓷材料高的热膨胀系数使得加热器在烧成后冷却时基片比陶瓷层收缩的多从而迫使陶瓷层处于压缩状态。陶瓷和基片的热膨胀系数相差不能太大，因为太大了的话，陶瓷层和基片之间的结合可能失效，或者加热器可能弯曲(象双金属那样)，或者陶瓷材料内的应力可能减弱所期望的陶瓷层的电性能。本申请人凭经验发现，基片的热膨胀系数应为陶瓷的热膨胀系数的1.25到1.75倍。
在已知加热器中用作基片的现存不锈钢可以满足上述要求。然而，本申请人已意识到不锈钢不仅热传导率低而且在轨迹单元和液体之间形成高百分率的总热阻(一般高于40％至60％)。
值得注意的是加热轨迹的工作温度与加热轨迹和液体之间的热阻直接相关，上述热阻包括基片和绝缘陶瓷层之间的热阻。实际上，为了保证一个给定的输出功率，加热轨迹和液体之间的热阻越大，加热轨迹用以维持加热器液体接触表面所需温度的工作温度就越高。
一方面，本发明提供一种电加热器，其包括一个位于基片上的电绝缘层，绝缘层具有一个施加在其上的电阻加热轨迹，其中绝缘体是一种熔点高于800℃的陶瓷材料(如本文所定义的)，基片材料具有小于15×10-6℃-1的热膨胀系数和高于50Wm-1℃-1的热传导率。
因此根据本发明的加热器具有如下优点：基片和陶瓷层不仅可以满足上述关于它们的相对热膨胀系数的所有要求，而且基片还具有比已知不锈钢基片高的热传导率。热传导率的提高意味着在相同输出功率下加热轨迹的工作温度比以前已知的要低。加热轨迹的低温具有延长加热器使用寿命和允许使用温度传感致动器(temperature sensitive actuators)来控制运行在较低温度下的加热器的优点。
此外，基片较高的热传导率将允许基片内存在较高的横向热流以提供一个更均匀的热量分布并能防止在加热器上产生局部过热点。
另一方面，本发明提供一种电加热器，其包括一个位于基片上的电绝缘层，绝缘层具有一个施加在其上的电阻加热轨迹，其中绝缘层是一个能够耐1500V电势差的薄陶瓷(如本文所定义的)材料层，基片的热膨胀系数为陶瓷材料的热膨胀系数的1.25到1.75倍，并且基片具有高于50Wm-1℃-1的热传导率。
基片最好是金属质的，在本发明的优选实施例中，基片包括低碳钢，例如含碳量小于0.01％，最好是小于0.005％的低碳钢。钢的低含碳量可阻止当钢被加热到高温例如800℃时在钢的表面上形成碳化物。低碳钢可例如用铝进行表面处理，以限制烧成陶瓷层时由于高温而产生的钢氧化物。
因此，从又一方面，本发明提供一种电加热器，包括一个位于基片上的电绝缘陶瓷(如本文所定义的)层，绝缘层具有一个施加在其上的电阻加热轨迹，其中基片由含碳量小于0.01％的低碳钢组成。
很清楚，采用低碳钢基片或者其他任何易受腐蚀的基片，由于它们将与加热容器内的液体例如水接触，因此必须采取措施以阻止基片的腐蚀。例如，基片可以涂敷一层适当的涂层，如聚四氟乙烯(PTFE)或者杜邦公司商标名为＂Silverstone＂的材料(DuPont“Silverstone”)。可选择的是，基片可以电镀一层适当的防腐金属。然而在本发明的优选实施例中基片朝向液体的一侧具有一层陶瓷(如本文所定义的)。由于考虑到制造的简便和热膨胀的原因，该陶瓷层最好与绝缘层采用相同的材料，并且可以通过一个相似的方法施加到基片上，最好是通过一次涂敷法(a single coating process)同时涂敷。如果朝向液体的陶瓷层不承担任何电绝缘的作用，例如在一个接地的电器中，它就可以做的比绝缘层薄很多。因此朝向液体的陶瓷层可以仅具有一个充分的厚度以提供一个均匀的无气孔层(pin-hole free)，从而使包括这一层在内的基片的总热传导率不会减少太多。典型地，这一层可大约为15微米厚。这一陶瓷层应覆盖基片在使用中所有与液体接触的区域。
在基片的两侧提供陶瓷层具有如下优点：由材料的热膨胀系数的差别而引起的应力被相互抵销从而维持基片大体上平直。陶瓷薄层起到机械地加强基片的作用。
因此，从再一方面，本发明提供一种电加热器，其包括一个位于基片上的电绝缘陶瓷(如本文所定义的)层的绝缘层具有一个施加在其上的电阻加热轨迹，其中基片大体平直，在基片与具有第一陶瓷层的表面相对的表面上还具有另一陶瓷(如本文所定义的)层。
金属基片的厚度优选地小于1mm，不大于0.7mm更好。
我们的专利申请WO 96/18331揭示了一种基片两侧具有陶瓷层的厚膜加热器。然而，那种基片不是大体平直因此它需要周边加强凸缘用以维持它的机械强度。
绝缘层最好不仅覆盖基片相关的表面，而且还覆盖板件的边缘，从而使整个板件被绝缘物覆盖。这是更可取的因为它使得加热器具有一个二级特性(a Class II rating)，即加热器是双绝缘(double insulated)的，这意味着加热器不必接地。板件两侧的涂层厚度最好相同或相近。典型地，涂敷厚度在70-150μm之间，最好是在100μm左右。
本发明还涉及一种包括一个金属基片的电加热器，金属基片的两侧和大体围绕其整个边缘处具有相同材料和相同或相近厚度的绝缘层。
根据本发明的加热器可以通过任何传统的方法制造，例如通过丝网印刷绝缘体的各层。然而，至少绝缘层可以通过其他方法获得高生产率。例如，板件一侧的绝缘层可通过使用一种幕涂系统(a curtain coating system)施加到一个很高的精度。在这种系统中板件从一个以液体为载体的绝缘体幕下通过同时通过控制板件的速度使板件被涂敷到一个很高的精度。
另一个非常合适的方法是电泳沉积(electrophoretic deposition)。在这个方法中，板件被浸没在一个盛放以适当物质为载体的绝缘体浆的槽内。槽和板件之间施加一个电压从而使板件的两侧和边缘被沉积上一绝缘体层。这一过程可以被控制以得到一个期望的涂层厚度，通常板件两侧的厚度大体相同。
在一个优选实施例中，可将多个板件适当地连接在一起而使它们连续地穿过槽。更可取的是，多个板件由带状材料制成，带状材料预先通过冲压等方法形成适当的板件形状并且每个板件至少一边与带状材料相连。带状材料与板件相连的一边作为板件在浸没过程和接下来的制造步骤如加热轨迹的沉积和烧成等中的载体。形成加热器部分的带状材料可以卷起来以便存放，如下道工序中需要则可不卷。当加热器板件从载体上分离时会存在一个裸露金属的暴露边。在双绝缘的加热器中，这个裸露材料需要用更多的绝缘体来覆盖然后烧成以获得一个完全涂敷的产品。这步烧成通常可以在另外的烧成步骤中同时完成，例如当给加热器施加釉面时的烧成。
从另一方面，本发明提供一种制造厚膜加热器的方法，包括：在一个带状材料上形成一系列加热器板件以使得所述一系列加热器板件在它们相应边处与带相连，使连接的板件经过一系列的加工步骤，包括在所述板件上形成一层或多层绝缘层，将所述板件从所述带上分离开，以及用绝缘材料覆盖位于分离部位的暴露金属边。
板件的一边最好是通过一系列可被破坏以分离板件的桥来与带状材料相连。带状材料最好具有定位或标定构件以便板件在加工过程中，例如加热轨迹的沉积过程中能精确定位。
根据本发明的一种已被证明非常适合制造加热器的预涂金属基片是Fujimetax涂瓷钢板(Fujimetax porcelain enamelled steel plate)，由日本Fujikura Limited制造。这种产品包括一个通常在其两侧具有无碱结晶搪瓷(an alkali-free crystallis porcelain enamel)绝缘层的脱碳钢(decarburisedsteel)基片。它可以达到0.4-1.6mm的基片厚度范围和100-200μm的绝缘层厚度范围。这种基片从前被认为不适合用于电加热(power heating)设备，因此从另一方面，本发明提供一种包括一个脱碳钢(decarburised steel)基片的加热器，脱碳钢(decarburised steel)基片至少一侧具有搪瓷(porcelainenamel)绝缘层和一个沉积在一侧或所述绝缘层上的厚膜加热轨迹。本发明还涉及一种包括上述加热器的水加热装置。
作为在基片朝向水的一侧提供一个表面涂层或陶瓷层的替代方法，基片可以通过例如钎焊使其附着在液体加热容器的金属例如不锈钢基底下侧。采用这种方法，不锈钢容器就不必忍受例如在陶瓷层的烧成中所需要的高温加热过程，因此不锈钢容器在生产过程中很少受氧化并且随后易于擦亮。容器甚至可以由300系列不锈钢制造，就象现在普通的情况。此外，基片的高热传导率有力于由加热轨迹产生的热量在容器基底上均匀分布。有利的是，任何需要从加热器具有加热轨迹的一侧凸出的安装凸台等在钎焊过程中可以在不锈钢容器和基片之间获得并且从基片上凸出。作为另一种方式，这种附件可以在钎焊之前被弯曲出基片。
加热器不必附着在整个金属容器上。例如加热器可以附着例如层叠在一个形成塑料容器或水加热金属容器的基底的板件等上。板件可以由不锈钢制造并可以通过在WO96/18331中所描述的方法将其附着在塑料容器上。
下面仅以举例的方式并结合附图对本发明的一些实施例进行描述。其中：
图1所示为根据本发明的一种电加热器的局部示意图；
图2所示为根据本发明的一种附着在液体加热金属容器上的加热器的局部示意图；
图3所示为根据本发明的一一种附着在一个用于液体加热容器的基底的板件上的加热器的局部示意图；
图4所示为根据本发明的另一种加热器的局部示意图；以及
图5所示为根据本发明的一种加热器在制造过程中的一个中间步骤的示意图。
如图1所示，一种电加热器1，包括一个由0.7mm厚的VE级低碳钢制造的基片3。基片3具有一个用已知方法由适当的陶瓷制成的厚度为100微米的绝缘陶瓷层5。例如，低碳钢基片在进行涂敷陶瓷之前可以进行喷砂处理以清洁需要涂敷陶瓷的表面。电阻加热轨迹7通过已知的方法提供在陶瓷层5上。另一个厚度为30微米的陶瓷保护层9提供在一侧具有绝缘层5的基片3的另一侧上。保护层9向基片3的边缘延伸一个足够的距离使得它比位于水加热容器的塑料壁13下面的密封垫11向外更远处结束，加热器1通过夹紧装置(未示出)固定在水加热容器上。
与热传导率为22Wm-1℃-1的400系列不锈钢和热传导率为16Wm-1℃-1的300系列不锈钢相比较，VE级低碳钢的热传导率为65Wm-1℃-1。与线性膨胀系数为8×10-6℃-1的陶瓷相比较，低碳钢的线性膨胀系数是12×10-6℃-1。400和300系列不锈钢的热膨胀系数分别为10×10-6℃-1和16×10-6℃-1。
因此，图1所示的加热器1即使存在保护层9的绝热作用，也能从加热轨迹7到水之间提供较大的热量传输，同时还能保证机械强度和热膨胀系数的必要匹配。
测试结果显示，如图1所示的加热器1运行在功率密度为0.61Wmm-2时轨迹的温度比同等不锈钢加热器运行在相同功率密度下的轨迹温度低大约为5℃。
图2所示是一种与图1所示的加热器相似的加热器1。然而，图2所示的加热器1的基片3不具有保护层9。代替的是，基片3被直接钎焊在一个象在WO 96 18331中描述的不锈钢板件15上。在这种方法中，板件15通过用已知方法形成的周边可变形的凹槽16装置固定在塑料壁容器上，同时保证在图1中描述的增加的热量的输出。
图3所示是一种与图2所示的加热器相似的加热器1。但是图3所示的加热器1被钎焊在不锈钢加热容器17的基底上。
图4所示为本发明的又一个实施例。在这个实施例中，加热器包括一个脱碳钢基片3，脱碳钢基片3在其两个表面和围绕其边缘处被全部覆盖一个烧成的结晶搪瓷(crystallized porcelain enamel)绝缘层5。绝缘层5通常具有恒定的厚度。这种基片可以在商业上获得，例如Fujikura Limited的“Fujimetax”。加热轨迹7用传统的方法沉积在绝缘层5上。这种加热器可以以任何适当的方法安装在液体加热容器的基底上。
图5所示是根据本发明的加热器在制造过程中的一个中间步骤的示意图。该图示出了由金属材料带23冲压出来的一系列板件21。带23的一边25被完整地保留并通过材料桥27与每个板件21相连。边25具有定位孔29用以辅助板件在一系列的加工步骤中精确移动。这些步骤依次包括：一层或多层绝缘层的沉积，例如通过电泳方法；这些层的烧成；和在绝缘层上的加热轨迹的沉积。
板件21在经过所需的步骤后，在桥的内端31处与边25分离。如果需要，例如当需要一个双绝缘加热器时，留在分离点处的板件的原始边可以用绝缘体覆盖并烧成，可能的话，与通常提供在加热轨迹表面上的保护釉面的烧成同时进行。釉面最好在板件连接在一起时施加，直到板件与带25分离才烧成。
需要理解的是，上面所描述的本发明允许用于液体加热装置的加热器被节约地生产。象这样的加热器当与一个主电源例如100、110、或220/240V电源连接时通常具有500W的电功率，甚至1KW或更高。因此应将它们与那些不以加热为目的的厚膜电子元件区别开。

Claims (15)

1.一种电加热器，包括一个位于一基片上的电绝缘层，绝缘层具有一个施加在其上的电阻加热轨迹，其中绝缘体是一种熔点高于800℃的陶瓷材料(如本文所定义的)，基片材料具有小于15×10-6℃-1的热膨胀系数和高于50Wm-1℃-1的热传导率。
2.一种电加热器，包括一个位于一基片上的电绝缘层，绝缘层具有一个施加在其上的电阻加热轨迹，其中绝缘层是一个能够耐1500V电势差的薄陶瓷(如本文所定义的)材料层，基片的热膨胀系数为陶瓷材料的热膨胀系数的1.25到1.75倍，并且基片具有高于50Wm-1℃-1的热传导率。
3.根据权利要求1或2所述的电加热器，其中所述基片由一种含碳量小于0.01％的钢制成。
4.一种电加热器，包括一个位于一基片上的电绝缘陶瓷层(如本文所定义的)，绝缘层具有一个施加在其上的电阻加热轨迹，其中基片由含碳量小于0.01％的钢组成。
5.根据权利要求3或4所述的加热器，其中含碳量小于0.005％。
6.根据上述任意一项权利要求所述的电加热器，其中基片两侧各具有一个陶瓷层。
7.根据权利要求6所述的电加热器，其中绝缘层覆盖基片的边缘。
8.根据上述任意一项权利要求所述的电加热器，其中绝缘层的厚度为70-150μm。
9.一种电加热器，包括一个脱碳钢基片，基片上具有一个搪瓷绝缘层，绝缘层上具有一个厚膜加热轨迹。
10.一种电加热器，包括一个金属基片，金属基片的两面和大体围绕整个边缘处具有相同材料和相同或相近厚度的绝缘层。
11.一种液体加热装置，包括一个如上述任意一项权利要求所述的电加热器。
12.根据权利要求11所述的装置，其中电加热器封闭位于该装置基底的一个开口。
13.根据权利要求11所述的装置，其中加热器附着在一个金属加热容器的基底的下侧。
14.一种制造厚膜加热器的方法，包括：在一个带状材料上形成一系列加热器板件以使得所述一系列加热器板件在它们相应边处与带相连，然后使连接的板件经过一系列的加工步骤，包括在所述板件上形成一层或多层绝缘层，以及将所述板件从所述带上分离开。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括后续用绝缘材料覆盖位于分离部位的暴露金属边。
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