專利名稱：電加熱器的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括一個位于基片上的電絕緣層和一個施加在電絕緣層上的電阻加熱軌跡類型的電加熱器。
上述類型的電加熱器，例如作為液體加熱容器的組成部分并通常被稱作“厚膜加熱器”的電加熱器已為人們所熟知。當被用于液體加熱容器時，這樣的加熱器通常可以用基片的表面構成容器的基底或容器基底的一部分，基片具有絕緣層，絕緣層位于基底的干側并不接觸液體。這種類型加熱器的例子在我們的申請WO94/18807、GB-A-2296847和WO96/18331中已被揭示。
這種用于液體加熱容器的加熱器一般具有一個不銹鋼基片。使用不銹鋼是因為加熱器接觸液體的一側不會被容器內的液體(通常是水)腐蝕。然而，通常被用作這種加熱器基片的400系列不銹鋼經常會受到孔蝕(Pittingcorrosion)，尤其在使用氯化的水時。因此，事實上這樣的鋼在使用時并不是真正不銹。鋼在生產過程中形成的位于鋼表面上的難看的氧化物和不銹鋼必須被徹底清理并拋光使其變得美觀并恢復其不銹性能。為此，人們通常在不銹鋼基片接觸液體的表面上施加表面涂層以阻止容器內的液體與其接觸并呈現出裝飾效果。這樣，當在不銹鋼施加一層表面涂層后，它的不銹性能就不能被利用。
本申請人已經認識到在這樣的加熱器中不必用不銹鋼制造基片并已確定出了這種加熱器基片的必要要求。
總的來說，絕緣層可以是玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷(下面總稱為“陶瓷”)，基片應具有足夠的機械強度用來支撐陶瓷層并防止陶瓷層開裂。如果基片構成液體容器的基底或基底的一部分，它還需要具有足夠的機械強度用來支撐容器內的液體并承受在每天使用中的撞擊和清洗。
用于絕緣層的陶瓷的類型和厚度由電絕緣的要求決定。根據國際規范，陶瓷層必須能夠承受施加在加熱軌跡和基片之間1500V的電勢差而不被擊穿。進一步講，由于陶瓷層是一個絕熱體，因此在保證電絕緣要求的同時，希望陶瓷層盡可能薄，以使從加熱軌跡到基片的熱傳導達到最大。當然，在對電性能沒有不利影響的前提下，陶瓷還必須能夠承受加熱器在正常和非正常操作狀態下所遭受到的溫度。這些要求決定了所要采用的陶瓷材料，同時也至少決定了基片的一些特性。
滿足上述電性能和熱性能的陶瓷材料是可以得到的，這樣的陶瓷通常具有較高的熔點，例如高于800℃。因此當陶瓷層在基片上燒成時基片必須能夠承受這樣的溫度。例如，具有很好的導熱性的鋁因為它的熔點為660℃而不適合用于這樣的陶瓷。另外，基片材料不應活潑到在這一溫度其表面被顯著氧化的程度。
陶瓷層通常通過絲網印刷(screen printing)、噴涂(spraying)或靜電噴涂(electrostatic spraying)(象在GB 2306873中描述的那樣)等方法施加到基片上，然后在基片上燒成以得到所需的絕緣層。絕緣層附著在基片表面上。當陶瓷處于拉伸狀態時，陶瓷層的橫向機械強度(the lateral mechanicalstrength)很低，但當陶瓷處于壓縮狀態時，陶瓷層的橫向機械強度提高。因此希望基片具有比陶瓷材料高的熱膨脹系數使得加熱器在燒成后冷卻時基片比陶瓷層收縮的多從而迫使陶瓷層處于壓縮狀態。陶瓷和基片的熱膨脹系數相差不能太大，因為太大了的話，陶瓷層和基片之間的結合可能失效，或者加熱器可能彎曲(象雙金屬那樣)，或者陶瓷材料內的應力可能減弱所期望的陶瓷層的電性能。本申請人憑經驗發現，基片的熱膨脹系數應為陶瓷的熱膨脹系數的1.25到1.75倍。
在已知加熱器中用作基片的現存不銹鋼可以滿足上述要求。然而，本申請人已意識到不銹鋼不僅熱傳導率低而且在軌跡單元和液體之間形成高百分率的總熱阻(一般高于40％至60％)。
值得注意的是加熱軌跡的工作溫度與加熱軌跡和液體之間的熱阻直接相關，上述熱阻包括基片和絕緣陶瓷層之間的熱阻。實際上，為了保證一個給定的輸出功率，加熱軌跡和液體之間的熱阻越大，加熱軌跡用以維持加熱器液體接觸表面所需溫度的工作溫度就越高。
一方面，本發明提供一種電加熱器，其包括一個位于基片上的電絕緣層，絕緣層具有一個施加在其上的電阻加熱軌跡，其中絕緣體是一種熔點高于800℃的陶瓷材料(如本文所定義的)，基片材料具有小于15×10-6℃-1的熱膨脹系數和高于50Wm-1℃-1的熱傳導率。
因此根據本發明的加熱器具有如下優點基片和陶瓷層不僅可以滿足上述關于它們的相對熱膨脹系數的所有要求，而且基片還具有比已知不銹鋼基片高的熱傳導率。熱傳導率的提高意味著在相同輸出功率下加熱軌跡的工作溫度比以前已知的要低。加熱軌跡的低溫具有延長加熱器使用壽命和允許使用溫度傳感致動器(temperature sensitive actuators)來控制運行在較低溫度下的加熱器的優點。
此外，基片較高的熱傳導率將允許基片內存在較高的橫向熱流以提供一個更均勻的熱量分布并能防止在加熱器上產生局部過熱點。
另一方面，本發明提供一種電加熱器，其包括一個位于基片上的電絕緣層，絕緣層具有一個施加在其上的電阻加熱軌跡，其中絕緣層是一個能夠耐1500V電勢差的薄陶瓷(如本文所定義的)材料層，基片的熱膨脹系數為陶瓷材料的熱膨脹系數的1.25到1.75倍，并且基片具有高于50Wm-1℃-1的熱傳導率。
基片最好是金屬質的，在本發明的優選實施例中，基片包括低碳鋼，例如含碳量小于0.01％，最好是小于0.005％的低碳鋼。鋼的低含碳量可阻止當鋼被加熱到高溫例如800℃時在鋼的表面上形成碳化物。低碳鋼可例如用鋁進行表面處理，以限制燒成陶瓷層時由于高溫而產生的鋼氧化物。
因此，從又一方面，本發明提供一種電加熱器，包括一個位于基片上的電絕緣陶瓷(如本文所定義的)層，絕緣層具有一個施加在其上的電阻加熱軌跡，其中基片由含碳量小于0.01％的低碳鋼組成。
很清楚，采用低碳鋼基片或者其他任何易受腐蝕的基片，由于它們將與加熱容器內的液體例如水接觸，因此必須采取措施以阻止基片的腐蝕。例如，基片可以涂敷一層適當的涂層，如聚四氟乙烯(PTFE)或者杜邦公司商標名為＂Silverstone＂的材料(DuPont“Silverstone”)。可選擇的是，基片可以電鍍一層適當的防腐金屬。然而在本發明的優選實施例中基片朝向液體的一側具有一層陶瓷(如本文所定義的)。由于考慮到制造的簡便和熱膨脹的原因，該陶瓷層最好與絕緣層采用相同的材料，并且可以通過一個相似的方法施加到基片上，最好是通過一次涂敷法(a single coating process)同時涂敷。如果朝向液體的陶瓷層不承擔任何電絕緣的作用，例如在一個接地的電器中，它就可以做的比絕緣層薄很多。因此朝向液體的陶瓷層可以僅具有一個充分的厚度以提供一個均勻的無氣孔層(pin-hole free)，從而使包括這一層在內的基片的總熱傳導率不會減少太多。典型地，這一層可大約為15微米厚。這一陶瓷層應覆蓋基片在使用中所有與液體接觸的區域。
在基片的兩側提供陶瓷層具有如下優點由材料的熱膨脹系數的差別而引起的應力被相互抵銷從而維持基片大體上平直。陶瓷薄層起到機械地加強基片的作用。
因此，從再一方面，本發明提供一種電加熱器，其包括一個位于基片上的電絕緣陶瓷(如本文所定義的)層的絕緣層具有一個施加在其上的電阻加熱軌跡，其中基片大體平直，在基片與具有第一陶瓷層的表面相對的表面上還具有另一陶瓷(如本文所定義的)層。
金屬基片的厚度優選地小于1mm，不大于0.7mm更好。
我們的專利申請WO 96/18331揭示了一種基片兩側具有陶瓷層的厚膜加熱器。然而，那種基片不是大體平直因此它需要周邊加強凸緣用以維持它的機械強度。
絕緣層最好不僅覆蓋基片相關的表面，而且還覆蓋板件的邊緣，從而使整個板件被絕緣物覆蓋。這是更可取的因為它使得加熱器具有一個二級特性(a Class II rating)，即加熱器是雙絕緣(double insulated)的，這意味著加熱器不必接地。板件兩側的涂層厚度最好相同或相近。典型地，涂敷厚度在70-150μm之間，最好是在100μm左右。
本發明還涉及一種包括一個金屬基片的電加熱器，金屬基片的兩側和大體圍繞其整個邊緣處具有相同材料和相同或相近厚度的絕緣層。
根據本發明的加熱器可以通過任何傳統的方法制造，例如通過絲網印刷絕緣體的各層。然而，至少絕緣層可以通過其他方法獲得高生產率。例如，板件一側的絕緣層可通過使用一種幕涂系統(a curtain coating system)施加到一個很高的精度。在這種系統中板件從一個以液體為載體的絕緣體幕下通過同時通過控制板件的速度使板件被涂敷到一個很高的精度。
另一個非常合適的方法是電泳沉積(electrophoretic deposition)。在這個方法中，板件被浸沒在一個盛放以適當物質為載體的絕緣體漿的槽內。槽和板件之間施加一個電壓從而使板件的兩側和邊緣被沉積上一絕緣體層。這一過程可以被控制以得到一個期望的涂層厚度，通常板件兩側的厚度大體相同。
在一個優選實施例中，可將多個板件適當地連接在一起而使它們連續地穿過槽。更可取的是，多個板件由帶狀材料制成，帶狀材料預先通過沖壓等方法形成適當的板件形狀并且每個板件至少一邊與帶狀材料相連。帶狀材料與板件相連的一邊作為板件在浸沒過程和接下來的制造步驟如加熱軌跡的沉積和燒成等中的載體。形成加熱器部分的帶狀材料可以卷起來以便存放，如下道工序中需要則可不卷。當加熱器板件從載體上分離時會存在一個裸露金屬的暴露邊。在雙絕緣的加熱器中，這個裸露材料需要用更多的絕緣體來覆蓋然后燒成以獲得一個完全涂敷的產品。這步燒成通常可以在另外的燒成步驟中同時完成，例如當給加熱器施加釉面時的燒成。
從另一方面，本發明提供一種制造厚膜加熱器的方法，包括在一個帶狀材料上形成一系列加熱器板件以使得所述一系列加熱器板件在它們相應邊處與帶相連，使連接的板件經過一系列的加工步驟，包括在所述板件上形成一層或多層絕緣層，將所述板件從所述帶上分離開，以及用絕緣材料覆蓋位于分離部位的暴露金屬邊。
板件的一邊最好是通過一系列可被破壞以分離板件的橋來與帶狀材料相連。帶狀材料最好具有定位或標定構件以便板件在加工過程中，例如加熱軌跡的沉積過程中能精確定位。
根據本發明的一種已被證明非常適合制造加熱器的預涂金屬基片是Fujimetax涂瓷鋼板(Fujimetax porcelain enamelled steel plate)，由日本Fujikura Limited制造。這種產品包括一個通常在其兩側具有無堿結晶搪瓷(an alkali-free crystallis porcelain enamel)絕緣層的脫碳鋼(decarburisedsteel)基片。它可以達到0.4-1.6mm的基片厚度范圍和100-200μm的絕緣層厚度范圍。這種基片從前被認為不適合用于電加熱(power heating)設備，因此從另一方面，本發明提供一種包括一個脫碳鋼(decarburised steel)基片的加熱器，脫碳鋼(decarburised steel)基片至少一側具有搪瓷(porcelainenamel)絕緣層和一個沉積在一側或所述絕緣層上的厚膜加熱軌跡。本發明還涉及一種包括上述加熱器的水加熱裝置。
作為在基片朝向水的一側提供一個表面涂層或陶瓷層的替代方法，基片可以通過例如釬焊使其附著在液體加熱容器的金屬例如不銹鋼基底下側。采用這種方法，不銹鋼容器就不必忍受例如在陶瓷層的燒成中所需要的高溫加熱過程，因此不銹鋼容器在生產過程中很少受氧化并且隨后易于擦亮。容器甚至可以由300系列不銹鋼制造，就象現在普通的情況。此外，基片的高熱傳導率有力于由加熱軌跡產生的熱量在容器基底上均勻分布。有利的是，任何需要從加熱器具有加熱軌跡的一側凸出的安裝凸臺等在釬焊過程中可以在不銹鋼容器和基片之間獲得并且從基片上凸出。作為另一種方式，這種附件可以在釬焊之前被彎曲出基片。
加熱器不必附著在整個金屬容器上。例如加熱器可以附著例如層疊在一個形成塑料容器或水加熱金屬容器的基底的板件等上。板件可以由不銹鋼制造并可以通過在WO96/18331中所描述的方法將其附著在塑料容器上。
下面僅以舉例的方式并結合附圖對本發明的一些實施例進行描述。其中
圖1所示為根據本發明的一種電加熱器的局部示意圖；圖2所示為根據本發明的一種附著在液體加熱金屬容器上的加熱器的局部示意圖；圖3所示為根據本發明的一一種附著在一個用于液體加熱容器的基底的板件上的加熱器的局部示意圖；圖4所示為根據本發明的另一種加熱器的局部示意圖；以及圖5所示為根據本發明的一種加熱器在制造過程中的一個中間步驟的示意圖。
如圖1所示，一種電加熱器1，包括一個由0.7mm厚的VE級低碳鋼制造的基片3。基片3具有一個用已知方法由適當的陶瓷制成的厚度為100微米的絕緣陶瓷層5。例如，低碳鋼基片在進行涂敷陶瓷之前可以進行噴砂處理以清潔需要涂敷陶瓷的表面。電阻加熱軌跡7通過已知的方法提供在陶瓷層5上。另一個厚度為30微米的陶瓷保護層9提供在一側具有絕緣層5的基片3的另一側上。保護層9向基片3的邊緣延伸一個足夠的距離使得它比位于水加熱容器的塑料壁13下面的密封墊11向外更遠處結束，加熱器1通過夾緊裝置(未示出)固定在水加熱容器上。
與熱傳導率為22Wm-1℃-1的400系列不銹鋼和熱傳導率為16Wm-1℃-1的300系列不銹鋼相比較，VE級低碳鋼的熱傳導率為65Wm-1℃-1。與線性膨脹系數為8×10-6℃-1的陶瓷相比較，低碳鋼的線性膨脹系數是12×10-6℃-1。400和300系列不銹鋼的熱膨脹系數分別為10×10-6℃-1和16×10-6℃-1。
因此，圖1所示的加熱器1即使存在保護層9的絕熱作用，也能從加熱軌跡7到水之間提供較大的熱量傳輸，同時還能保證機械強度和熱膨脹系數的必要匹配。
測試結果顯示，如圖1所示的加熱器1運行在功率密度為0.61Wmm-2時軌跡的溫度比同等不銹鋼加熱器運行在相同功率密度下的軌跡溫度低大約為5℃。
圖2所示是一種與圖1所示的加熱器相似的加熱器1。然而，圖2所示的加熱器1的基片3不具有保護層9。代替的是，基片3被直接釬焊在一個象在WO 96 18331中描述的不銹鋼板件15上。在這種方法中，板件15通過用已知方法形成的周邊可變形的凹槽16裝置固定在塑料壁容器上，同時保證在圖1中描述的增加的熱量的輸出。
圖3所示是一種與圖2所示的加熱器相似的加熱器1。但是圖3所示的加熱器1被釬焊在不銹鋼加熱容器17的基底上。
圖4所示為本發明的又一個實施例。在這個實施例中，加熱器包括一個脫碳鋼基片3，脫碳鋼基片3在其兩個表面和圍繞其邊緣處被全部覆蓋一個燒成的結晶搪瓷(crystallized porcelain enamel)絕緣層5。絕緣層5通常具有恒定的厚度。這種基片可以在商業上獲得，例如Fujikura Limited的“Fujimetax”。加熱軌跡7用傳統的方法沉積在絕緣層5上。這種加熱器可以以任何適當的方法安裝在液體加熱容器的基底上。
圖5所示是根據本發明的加熱器在制造過程中的一個中間步驟的示意圖。該圖示出了由金屬材料帶23沖壓出來的一系列板件21。帶23的一邊25被完整地保留并通過材料橋27與每個板件21相連。邊25具有定位孔29用以輔助板件在一系列的加工步驟中精確移動。這些步驟依次包括一層或多層絕緣層的沉積，例如通過電泳方法；這些層的燒成；和在絕緣層上的加熱軌跡的沉積。
板件21在經過所需的步驟后，在橋的內端31處與邊25分離。如果需要，例如當需要一個雙絕緣加熱器時，留在分離點處的板件的原始邊可以用絕緣體覆蓋并燒成，可能的話，與通常提供在加熱軌跡表面上的保護釉面的燒成同時進行。釉面最好在板件連接在一起時施加，直到板件與帶25分離才燒成。
需要理解的是，上面所描述的本發明允許用于液體加熱裝置的加熱器被節約地生產。象這樣的加熱器當與一個主電源例如100、110、或220/240V電源連接時通常具有500W的電功率，甚至1KW或更高。因此應將它們與那些不以加熱為目的的厚膜電子元件區別開。
權利要求
1.一種電加熱器，包括一個位于一基片上的電絕緣層，絕緣層具有一個施加在其上的電阻加熱軌跡，其中絕緣體是一種熔點高于800℃的陶瓷材料(如本文所定義的)，基片材料具有小于15×10-6℃-1的熱膨脹系數和高于50Wm-1℃-1的熱傳導率。
2.一種電加熱器，包括一個位于一基片上的電絕緣層，絕緣層具有一個施加在其上的電阻加熱軌跡，其中絕緣層是一個能夠耐1500V電勢差的薄陶瓷(如本文所定義的)材料層，基片的熱膨脹系數為陶瓷材料的熱膨脹系數的1.25到1.75倍，并且基片具有高于50Wm-1℃-1的熱傳導率。
3.根據權利要求1或2所述的電加熱器，其中所述基片由一種含碳量小于0.01％的鋼制成。
4.一種電加熱器，包括一個位于一基片上的電絕緣陶瓷層(如本文所定義的)，絕緣層具有一個施加在其上的電阻加熱軌跡，其中基片由含碳量小于0.01％的鋼組成。
5.根據權利要求3或4所述的加熱器，其中含碳量小于0.005％。
6.根據上述任意一項權利要求所述的電加熱器，其中基片兩側各具有一個陶瓷層。
7.根據權利要求6所述的電加熱器，其中絕緣層覆蓋基片的邊緣。
8.根據上述任意一項權利要求所述的電加熱器，其中絕緣層的厚度為70-150μm。
9.一種電加熱器，包括一個脫碳鋼基片，基片上具有一個搪瓷絕緣層，絕緣層上具有一個厚膜加熱軌跡。
10.一種電加熱器，包括一個金屬基片，金屬基片的兩面和大體圍繞整個邊緣處具有相同材料和相同或相近厚度的絕緣層。
11.一種液體加熱裝置，包括一個如上述任意一項權利要求所述的電加熱器。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中電加熱器封閉位于該裝置基底的一個開口。
13.根據權利要求11所述的裝置，其中加熱器附著在一個金屬加熱容器的基底的下側。
14.一種制造厚膜加熱器的方法，包括在一個帶狀材料上形成一系列加熱器板件以使得所述一系列加熱器板件在它們相應邊處與帶相連，然后使連接的板件經過一系列的加工步驟，包括在所述板件上形成一層或多層絕緣層，以及將所述板件從所述帶上分離開。
15.根據權利要求14所述的方法，還包括后續用絕緣材料覆蓋位于分離部位的暴露金屬邊。
全文摘要
一種厚膜加熱器,包括一個位于基片上的電絕緣層,和一個施加在絕緣層上的電阻加熱軌跡。基片由一種含碳量少于0.01%的鋼構成。
文檔編號G01N27/30GK1270754SQ98809089
公開日2000年10月18日 申請日期1998年8月5日 優先權日1997年8月5日
發明者約翰·C·泰勒, 基思·B·多伊爾 申請人:斯特里克斯有限公司
專業數控銑床產品供應商
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