CN220570700U - 具有连接组件的加热器组件 - Google Patents

Abstract

一种加热器组件包括一对加热段(22)和连接组件(24)。每个加热段都包括传导部分(52)。连接组件(24)包括连接外壳(26)和设置于连接外壳(26)内的连接构件(28)。该对加热段的传导部分通过连接外壳内的连接构件连接。

Description

具有连接组件的加热器组件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年9月25日提交的美国临时专利申请63/083,854的优先权和权益。上述申请的公开内容通过引用的方式整体并入本文。

技术领域

本公开涉及高电压应用中的加热器组件，并且更具体地涉及具有配置成限定一个或多个匝的电阻式加热元件的加热器组件。

背景技术

本部分中的说明仅提供与本公开相关的背景信息，可能不构成现有技术。

常规的电阻式加热元件可以布置成具有蜿蜒式配置，该配置包括多个沿其长度的“发夹”(hairpin)或180°弯曲，以便在诸如热交换器之类的应用中提供较高密度的加热元件。然而，当电阻式加热元件在较高的电压下工作时，在弯曲处围绕电阻线或元件的介电材料可能在制造过程中受到损害，从而降低介电强度。

本公开解决了具有发夹式弯曲或其他非线性路径的电阻式加热元件的这些问题。

实用新型内容

本部分提供了本公开的总体概述，并非对其全部范围或其所有特征的全面公开。

在一种形式中，提供了一种加热器组件，其包括一对加热段和连接组件。每个加热段都包括传导部分。连接组件包括连接外壳和设置于连接外壳内的连接构件。该对加热段的传导部分通过连接外壳内的连接构件连接。

在可以单独使用或以任何组合的形式使用的其他可选的特征中，连接外壳限定了一对孔。传导部分插入至该对孔中以接触连接构件。连接组件还包括设置于连接外壳内的介电材料，用于使连接构件电绝缘。该对加热段中的每个加热段都包括电阻式加热元件、围绕电阻式加热元件的套以及设置于套内的第一介电材料。传导部分从电阻式加热元件延伸，并且从套和第一介电材料暴露。该对加热段的套被焊接至连接外壳。该对加热段中的每个加热段的套的一部分都设置于连接外壳内。加热器组件还包括密封结构，该密封结构在该对加热段中的每个加热段的套和连接外壳之间。在一种形式中，连接构件由不同于电阻式加热元件的材料的材料制成。

在其他变型中，连接外壳包括：壳体，该壳体包括近端部和远端部；元件帽，该元件帽设置于近端部处，并且具有两个孔，两个加热段中的每个加热段都延伸穿过两个孔中的一个孔；以及端帽，该端帽固定至壳体的远端部。元件帽被焊接至该对加热段以形成密封的接口。元件帽还包括从两个孔中的每个孔延伸并围绕两个孔中的每个孔的凸缘，该凸缘接触加热段中的相邻的加热段中的一个。该对加热段中的每个加热段的套都被焊接至其中一个凸缘。壳体和元件帽形成单一的一体式部件。传导部分被焊接至连接构件。加热段在大于约480伏的电压下工作。

在另一种形式中，提供了一种加热器组件，其包括两个加热段和连接组件。每个加热段包括电阻式加热元件、围绕电阻式加热元件的套、设置于套内的第一介电材料、以及从电阻式加热元件延伸并从套和第一介电材料暴露的传导销。连接组件包括连接外壳、连接构件和第二介电材料，连接构件设置于连接外壳内并接触两个加热段的传导销，第二介电材料设置于连接外壳内，并且使连接构件和传导销电绝缘。加热段的套被焊接至连接外壳，以在加热段和连接外壳之间形成密封的接口。两个加热段在大于约480伏的电压下工作。

在又一种形式中，提供了一种加热器组件，其包括两个加热段和连接组件。每个加热段包括电阻式加热元件、围绕电阻式加热元件的套、设置于套内的第一介电材料、以及从电阻式加热元件延伸并从套和第一介电材料暴露的传导销。一对管状介电元件设置于围绕传导销的套内。固体的介电构件被放置于传导销上。连接组件包括连接外壳、连接构件和第三介电材料，连接构件设置于连接外壳内并且接触两个加热段的传导销，第三介电材料设置于连接外壳内，并且使连接构件和传导销电绝缘。加热段的套被焊接至连接外壳，以在加热段和连接外壳之间形成密封的接口。两个加热段在大于约480伏的电压下工作。

在又一种形式中，提供了一种用于在大于约480伏的电压下工作的加热器系统的连接组件，其包括连接外壳、连接构件和介电材料。连接外壳限定了一对孔，用于容纳一对加热段的传导部分。连接构件设置于连接外壳内，用于连接该对加热段的传导部分。介电材料设置于连接外壳内，用于使连接构件和加热段的传导部分电绝缘。

在其他可选的特征中，连接外壳包括限定了孔的元件帽。加热段被焊接至孔周围的元件帽。连接组件还包括沿孔的外围在加热段和连接外壳之间的密封结构。连接构件具有板式配置或圆形棒式配置。介电材料围绕加热段的传导部分。

从本文提供的描述中，进一步的适用范围将变得明显。应当理解，描述和具体示例仅旨在说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。

附图说明

为了更好地理解本公开，现在将参考附图描述其通过示例的方式给出的各种形式，其中：

图1A为热交换器的立体图，其中布置有根据本公开的教导所构造的加热器组件；

图1B为图1A的热交换器的端部的局部剖面立体图；

图2A为加热器组件的立体图，该加热器组件包括根据本公开的教导所构造的连接组件；

图2B为图2A的加热器组件的立体图，其中为了清楚的目的，移除了连接组件的连接外壳；

图3为图2A的加热器组件的加热段的剖面图；

图4为根据本公开的教导所构造的连接组件的连接外壳的立体图；

图5为根据本公开的教导所构造的连接组件的连接外壳的元件帽的立体图；

图6为加热器组件的立体图，该加热器组件包括根据本公开的教导所构造的连接组件；

图7为另一种形式的加热器组件的立体图，该加热器组件包括根据本公开的教导所构造的连接组件；

图8为又一种形式的加热器组件的立体图，该加热器组件包括根据本公开的教导所构造的连接组件；

图9为又一种形式的加热器组件的剖面图，该加热器组件包括根据本公开的教导所构造的连接组件；

图10为又一种形式的加热器组件的剖面图，该加热器组件包括根据本公开的教导所构造的连接组件；和

图11为又一种形式的加热器组件的剖面图，该加热器组件包括根据本公开的教导所构造的连接组件。

本文所描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。应当理解，在全部附图中，相应的附图标记指示相似或相应的部件和特征。

参考图1A和图1B，示出了根据本公开的教导所构造的加热器组件20。一种形式的加热器组件20用于高电压(例如，大于约480伏)应用。美国专利US10941988描述了一个这样的申请，该专利与本申请共同拥有，并且其内容通过引用全部并入本文。在该申请中，加热器组件20用在热交换器10中，热交换器10通常包括限定了入口14和出口16的管状容器12，以及设置于管状容器12内的一个或多个加热器组件20，用于加热流入入口14和离开出口16的流体。

如图1B所清晰示出的，在一种形式中，热交换器10包括一个或多个加热器组件20，加热器组件20包括多个加热段22和用于连接多个加热段22的多个连接组件24(以虚线矩形框示意性地示出)。为了更好地说明本公开的典型加热器的弯曲18和连接组件24的可互换性，一些加热段22通过连接组件24连接，而一些加热段22可以通过典型的加热器的弯曲16连接，而不被连接组件24所替换。可替代地，连接组件24可以被用于加热段22转回另一方向的每个端部分处。在一种形式中，加热器组件20包括通过连接组件24连接的一对加热段22。在另一种形式中，加热器组件20可以包括由多个连接组件24连接的多对加热段22。

参考图2A和图2B，在一种形式中，加热器组件20包括一对加热段22和用于连接该对加热段的连接组件24。连接组件24包括连接外壳26、设置于连接外壳26内的连接构件28、以及设置于连接外壳26内的介电材料30，用于嵌入连接构件28和连接至连接构件28的加热段22的部分，并且使连接构件28和连接至连接构件28的加热段22的部分电绝缘。为了清楚地观察连接外壳26内部的部件，在图2A中示出了具有透明表面的连接外壳26。在一种形式中，连接外壳26可以具有盒式构造，并且限定了一对孔32，以允许该对加热段22的端部分插入其中。

该对加热段22的每个加热段都具有相对端。每个加热段22的相对端中的一个插入至孔32中的相应的一个孔内，以连接至设置于连接外壳26内的连接构件28，并且相对端中另一个可以连接至电源或控制器(未示出)以使电路完整。连接构件28由导电材料制成。当使用两个以上的加热段22时，可以使用两个或多个连接组件24来连接这些加热段22，并且因此一个或多个加热段22可以具有两个相对端，两个相对端连接至连接组件24中的相邻的一个连接组件。加热段22可以被布置成彼此平行，或者可以根据需要限定角度。在任何一种情况下，连接组件24都用于连接两个加热段22的相邻端，否则在典型的加热器组件中，其将通过180°的“弯曲”18(如图1B所示)或“发夹”结构被连接。因此，加热段22和连接组件24被布置和连接以限定具有一个或多个匝的加热组件或具有蜿蜒式配置的加热组件。

参考图3，该对加热段22中的每个都包括电阻式加热元件46、围绕电阻式加热元件46的套48、以及设置于套48内以嵌入电阻式加热元件46并使其电绝缘的介电材料50。电阻式加热元件46可以是电阻式线圈(未示出)的一种形式。介电材料50可以是氧化镁(MgO)，并且其在套48内围绕电阻式加热元件46被压紧。这种加热元件的结构(包括如上所述的常规发夹式弯曲)在美国专利9,113,501中进行了描述，该专利与本申请共同拥有，并且其内容通过引用全部并入本文。

介电材料50可以与连接组件24的连接外壳26内的介电材料30相同或不同。在一种形式中，介电材料30和介电材料50都是氧化镁(MgO)。然而，应当理解，在保持于本公开的范围内的同时，可以使用各种绝缘材料。

返回参考图2B，每个加热段22还包括传导销52的形式的传导部分，该传导销52连接至电阻式加热元件46的端部并且从电阻式加热元件46的端部延伸。如图所示，介电材料50的一部分围绕传导销52并从套48暴露。传导销52具有从介电材料50和套48暴露的端部分，用于接触连接构件28。连接构件28在传导销52之间延伸，并且与传导销52电接触。在一种形式中，连接构件28为铜材料。在另一种形式中，连接构件28为镀镍的钢。连接构件28因此提供了传导销52之间的电连接，并且因此提供了加热段22的电阻式加热元件48之间的电连接。由于电阻式加热元件48为镍合金，所以连接构件28为与电阻式加热元件48的材料不同的材料。然而，这些材料可能是相同的。作为一个示例，电阻式加热元件48可以具有冷销(未示出)，该冷销为镀镍的钢，并且连接构件28也可以为镀镍的钢。

在一种形式中，连接构件28被焊接至传导销52，以提供用于在较高电压下运行的更坚固的连接。例如，连接构件28可以是平板的形式，用于在其上支撑传导销52。虽然附图中未示出，但可以理解，在不脱离本公开的范围的情况下，传导销52可以通过任何附接工具固定至连接构件28。

因此，连接构件28可以用于替换连接至电阻式加热元件(如循环加热器中的电阻式加热元件)的传统的发夹或180°弯曲。通过消除发夹或180°弯曲、或者通过电阻式加热元件46的变形，用连接构件28来替换典型的发夹或180°弯曲可以增加加热器组件20的整体介电强度。通常，典型的加热器的发夹或180°弯曲部分是电阻式加热元件46的整体部分。通过使用作为与电阻式加热元件46分离的部件且具有较低电阻的连接构件28，并且通过增加加热段22的相邻端周围的介电材料30的量，可以提高连接组件中的介电强度。

参考图4和图5，连接外壳26包括具有近端部56和远端部58的壳体54、设置于近端部56的元件帽60以及设置于远端部56的端帽62。虽然连接外壳26示出为具有“盒式”形状，但连接外壳26可以具有任何其他配置，只要连接外壳26能够将介电材料30、连接构件28和传导销52的暴露的部分包围于其中即可。壳体54可以具有管形形状或矩形形状，并且在近端部56和远端部58处沿平行于加热段22的纵向方向的方向上限定了相对开口。元件帽60和端帽62连接至壳体54的相对端，以闭合壳体54的相对开口。

如图5所清晰示出的，元件帽60包括板部分64和一对凸缘66，板部分64限定了该对孔32，凸缘66沿孔32的外围设置，并且沿平行于孔32的中心轴线的方向延伸。凸缘66可以被挤压或机加工以提供柱形表面，以在加热段22插入孔32内时围绕加热段22的套48。通过将加热段22的套48焊接至凸缘66的柱形表面，加热段22被焊接至元件帽60。元件帽60可以是与壳体54分离的部件。在加热段22被焊接至元件帽60之后，元件帽60可以被焊接至壳体54。可替代地，元件帽60可以与壳体54组合为单个的整体部分，以减少部件和焊接(weld)的数量。应当理解，在保持于本公开的范围内的同时，焊接仅仅是连接技术的一个示例，因此可以采用其他技术/材料(如通过粘接的方式)。

返回参考图2B，孔32和凸缘66允许加热段22的端部插入其中，使得加热段22的套48接触元件帽60的凸缘66的柱形表面。在一种形式中，加热段22的套48可以被焊接至元件帽60的凸缘66，以在加热段22和元件帽60之间形成密封的接口/结构。在另一种形式中，诸如O形环之类的密封构件(未示出)可以设置于加热段22的每个套48和元件帽60的凸缘66中的相应的一个凸缘之间。这种密封的接口/结构还可以为诸如流体循环加热器之类的应用提供压力边界。元件帽60也可以被焊接至壳体54的近端部56，以在它们之间形成密封的接口。

参考图6和图7，端帽62可以具有板式配置，并且可以附接至与元件帽60相对的壳体54的远端部58。端帽62可以如图6所示设置于壳体54外，或者可以如图7所示凹进壳体54内。在任何一种情况下，端帽60都可以被焊接至壳体54。当端帽62凹进壳体54内时，端帽62被制成比壳体54小，并且在制造过程中被推入壳体54内以产生压缩的介电材料30。在介电材料30被压缩并且端帽62被放置就位之后，端帽62可以被焊接至壳体54以闭合壳体54。

可以理解，在不偏离本公开的范围的情况下，端帽62可以具有不同于图6和图7所示的配置，只要它可以用于闭合壳体54的远端部58并提供密封的接口。

参考图8，除了包括具有不同配置的连接构件28’的连接组件24’的配置之外，根据本公开的教导所构造的加热器组件20’的变型在结构上类似于图2A的加热器组件。因此，使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件，并且为了清楚起见省略了对其的描述。如图所示，连接构件28’可以具有U形配置，或者可以是圆形棒的形式，其被焊接(例如，对接焊接)至加热段22的传导销52。

参考图9，除了连接组件72的配置之外，根据本公开的教导所构造的加热器组件70的另一个变型在结构上类似于图2A的加热器组件20以及图8的加热器组件20’。因此，使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件，并且为了清楚起见省略了对其的描述。

更具体地，连接组件72包括连接外壳74、U形介电元件76、类似于图8所示的并且被容纳于U形介电元件76内的连接构件28’、设置于U形介电构件76内的一对配合件78、一对管状介电元件80、以及设置于连接外壳74内并围绕U形介电构件76和该对管状介电元件80的介电材料30。介电材料30类似于图2A和图8所示的介电材料，并且可以是与U形介电构件76和该对管状介电元件80的材料相同或不同的材料。

U形介电构件76具有固体的U形体，该U形体在其自由端限定了U形容纳空间82和一对开口84。连接外壳74限定了一对孔32，该对孔32类似于图2A中所示的孔，并且与U形介电构件76的开口84对齐。通过将加热段22的传导销52插入连接外壳74的孔32和U形介电构件76的开口84内，加热段22的传导销52可以接合U形介电构件76内的连接构件28’。该对配合件78设置于靠近连接构件28’的自由端的U形介电构件76内。加热段22的导电销52被压配合成与具有配合件78的连接构件28’接合。因此在一种形式中，加热段22可以通过压配合而非通过焊接连接至连接组件72。

该对管状介电元件80被配置成插入连接外壳74的孔32和U形介电构件76的开口84内，以围绕加热段22的传导销52并使其电绝缘。该对管状介电元件80的一部分设置于加热段22的套48内。与图2A的加热器组件20和图8的加热器组件20’相似，加热段22的套48也插入至连接外壳74的孔32内，并且被焊接至连接外壳74，以提供密封的接口。U形介电构件76、填充于连接外壳74内的介电材料30以及管状介电元件80可以包括相同或不同的介电材料。

参考图10，根据本公开的教导所构造的加热器组件90的另一变型在结构上类似于图9的加热器组件70，不同之处在于连接组件92包括具有不同配置的介电构件94，并且省略了该对配合件。因此，使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件，并且为了清楚起见省略了对其的描述。

如图所示，连接组件92包括固体块形式的介电构件94，用于将连接构件28’容纳于其中。介电构件94限定了U形容纳空间，用于容纳连接构件28’和该对管状介电元件80。连接构件28’的自由端被焊接至加热段22的传导销52。连接构件28’可以由与加热段22的传导销52的材料相同的材料制成，或者由不同的材料(具有较高或较低的电阻率)制成，以调整U形连接构件28’周围的功率密度。介电构件94的U形容纳空间具有与连接构件28’、传导销52和管状介电元件80的外轮廓相一致的形状，使得连接构件28’、传导销52和管状介电元件80能够紧密地纳入介电构件94的U形容纳空间内。

参考图11，根据本公开的教导所构造的加热器组件100的另一变型在结构上类似于图9和图10的加热器组件70、90，不同之处在于连接组件102不包括固体形式的介电构件。在这种形式中，连接构件28’被焊接至加热段22的传导销52。连接构件28’和加热段22的传导销52直接嵌入介电材料30中，该介电材料30填充于连接外壳74的空间中。类似地，连接组件102包括围绕传导销52的一对管状介电元件80，以使连接外壳74内的传导销52以及传导销52靠近外壳74的孔32的部分电绝缘。

在上述任何一个实施例中，连接外壳26、74包围连接构件28、28’以及加热段22的传导销52。介电材料30设置于连接外壳26内，并且围绕传导销52和连接构件28。介电材料30将加热段22的传导销52和连接构件28与连接外壳26及其其他的部件隔离。在图9和图10的加热器组件70、90中，预成形为具有固体U形配置或块状配置的额外的介电构件74、94用于进一步隔离连接构件28’和连接构件28’与传导销52之间的接口。在加热器组件70、90、100中，一对管状介电元件80被额外地用于隔离传导销52的靠近连接外壳74的孔32的部分。

尽管仅示出和描述了两个加热段22和一个连接组件24，但应当理解，在保持于本公开的范围内的同时，可以采用多个加热段22和多个连接组件24、72、92、102以限定蜿蜒式配置。此外，连接构件28、28’可以采用任何数量的形状，而不是如本文所示的平坦配置或圆形销。例如，连接构件28、28’可以包括用于传导销52的定位特征件(如槽或凹槽)，并且可以至少部分地围绕传导销52缠绕。

在本公开的加热器组件20、20’、70、90、100中，连接组件24、24’、72、92、102可以用于替换传统的180°弯曲或发夹部分，并且可以提供高介电强度。连接组件24、24’、72、92、102在加热段22之间提供隔离连接的压力边界，而不使用180°弯曲。

除非本文另有明确说明，否则表示机械/热特性、成分百分比、尺寸和/或公差或其他特性的所有数值应被理解为在描述本公开的范围时由“大约”或“近似”一词修饰。出于包括工业实践、材料、制造和组装公差以及测试能力的各种原因，需要进行这种修饰。

如本文所使用的，短语A、B和C中的至少一个应被解释为指使用非排他逻辑“或”(OR)的逻辑(A或B或C)，而不应被理解为指“A中的至少之一、B中的至少一个和C中至少一个”。

本公开的描述本质上仅是示例性的，因此，不偏离本公开实质的变型旨在处于本公开的范围内。例如，可以在本公开的各种外壳内使用一种或多种介电材料。这种变型不应被视为偏离本公开的精神和范围。

Claims (15)

1.一种加热器组件，其特征在于，所述加热器组件包括：

成对的加热段，每个加热段包括电阻式加热元件、传导部分和第一介电材料，所述传导部分沿所述电阻式加热元件延伸；和

连接组件，所述连接组件包括连接外壳和设置于所述连接外壳内的连接构件，

其中，所述成对的加热段的所述传导部分通过所述连接外壳内的所述连接构件连接。

2.根据权利要求1所述的加热器组件，其中，所述连接外壳限定成对的孔，所述传导部分插入至所述成对的孔内以接触所述连接构件。

3.根据权利要求2所述的加热器组件，其中，所述连接组件还包括设置于所述连接外壳内的第二介电材料，用于使所述连接构件电绝缘。

4.根据权利要求1所述的加热器组件，其中，所述成对的加热段中的每个加热段都包括围绕所述电阻式加热元件的套以及设置于所述套内的所述第一介电材料，其中，所述传导部分从所述套和所述第一介电材料暴露。

5.根据权利要求4所述的加热器组件，其中，所述成对的加热段的所述套被焊接至所述连接外壳。

6.根据权利要求5所述的加热器组件，其中，所述成对的加热段中的每个加热段的所述套的一部分设置于所述连接外壳内。

7.根据权利要求6所述的加热器组件，其中，所述加热器组件还包括密封结构，所述密封结构位于所述成对的加热段中的每个加热段的所述套和所述连接外壳之间。

8.根据权利要求4所述的加热器组件，其中，所述连接构件由与所述电阻式加热元件的材料不同的材料制成。

9.根据权利要求1所述的加热器组件，其中，所述连接外壳包括：

壳体，所述壳体包括近端部和远端部；

元件帽，所述元件帽设置于所述近端部处，并且具有两个孔，所述成对的加热段中的每个加热段都延伸穿过所述两个孔中的一个孔；和

端帽，所述端帽固定至所述壳体的所述远端部。

10.根据权利要求9所述的加热器组件，其中，所述元件帽被焊接至所述成对的加热段以形成密封的接口。

11.根据权利要求10所述的加热器组件，其中，所述元件帽还包括从所述两个孔中的每个孔延伸并围绕所述两个孔中的每个孔的凸缘，所述凸缘接触所述加热段中的相邻的加热段中的一个。

12.根据权利要求11所述的加热器组件，其中，所述成对的加热段中的每个加热段的所述套都被焊接至所述凸缘中的一个凸缘。

13.根据权利要求9所述的加热器组件，其中，所述壳体和所述元件帽形成单一的一体式部件。

14.根据权利要求1所述的加热器组件，其中，所述传导部分被焊接至所述连接构件。

15.根据权利要求1所述的加热器组件，其中，所述加热段在大于约480伏的电压下工作。