專利名稱：由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料制成的低成本加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加熱裝置，以及特別是涉及由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料塑模成型的加熱裝置，該材料包括微米導(dǎo)電性粉末、微米導(dǎo)電性纖維、或上述兩者的結(jié)合，當(dāng)塑模成型時(shí)，上述材料在基礎(chǔ)樹脂內(nèi)均勻混合。該制造過程得到導(dǎo)電性部分或可在EMF或電子光譜內(nèi)使用的材料。
本專利申請(qǐng)要求申請(qǐng)日為2003年4月10日的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)60/461,877和申請(qǐng)日為2003年6月16日的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)60/478,774的優(yōu)先權(quán)。在此一并引用其全文作為參考。
本專利申請(qǐng)是序列號(hào)為10/309,429，申請(qǐng)日為2002年12月4日的美國(guó)專利申請(qǐng)INT01-002CIP的部分繼續(xù)申請(qǐng)，在此也一并引用其全文作為參考，上述序列號(hào)為10/309,429的美國(guó)專利申請(qǐng)也是序列號(hào)為10/075,778、申請(qǐng)日為2002年2月14日、案卷(docket)號(hào)為INT01-002的美國(guó)專利申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，該序列號(hào)為10/075,778的美國(guó)專利申請(qǐng)要求了序列號(hào)為60/317,808，申請(qǐng)日為2001年9月7日，序列號(hào)為60/269,414，申請(qǐng)日為2001年2月16日，和序列號(hào)為60/317,808，申請(qǐng)日為2001年2月15日的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
從一般的廚房應(yīng)用到高端的科學(xué)應(yīng)用的溫度控制裝置，在應(yīng)用中普遍使用電阻加熱元件。大部分加熱元件為高電阻金屬電線，例如鎳-鉻(鎳鉻鐵合金)或鎢，設(shè)計(jì)成提供用于加熱所需求的必要電阻。該加熱元件的電阻由電線的電阻率、橫截面積和長(zhǎng)度決定。加熱元件產(chǎn)生的熱量由通過該加熱元件的電流決定。一般而言，加熱元件還包括作為電絕緣和熱導(dǎo)體的外層材料。
電阻加熱元件產(chǎn)生的熱量通過傳導(dǎo)、對(duì)流和/或輻射傳遞到受熱物體。傳導(dǎo)熱傳遞依賴于加熱元件和受熱物體之間的直接接觸，例如，從電爐到金屬鍋的熱傳遞基本上通過傳導(dǎo)傳遞。對(duì)流熱傳遞依賴于流體流動(dòng)來傳遞熱量，例如，在沸水鍋中烹飪雞蛋依賴于水流的對(duì)流將熱量通過水從金屬鍋傳遞到雞蛋。鍋底部的水過熱導(dǎo)致其密度降低，從而鍋底的水上升，這些上升的水將熱能傳遞給浮在水中的雞蛋。相反地，在鍋頂部的水較冷且密度較大，因此，鍋頂部的水會(huì)沉入鍋底。從而在這鍋水中形成了水流的對(duì)流。輻射熱傳遞依賴于電磁能(例如光)將熱量從加熱元件傳遞到物體。例如，在電烤爐中烘烤的面包部分通過從發(fā)光的加熱元件輻射的熱量被加熱。輻射加熱也是太陽能量到達(dá)地球的方式。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)這三種熱傳遞方式相互影響并經(jīng)常同時(shí)發(fā)生。
在各種加熱系統(tǒng)中使用和應(yīng)用的電阻加熱元件優(yōu)于例如基于燃燒的加熱源。電加熱元件不產(chǎn)生有害或令人窒息的煙霧。電加熱元件通過電信號(hào)和進(jìn)一步通過數(shù)字電路可以得到精確的控制。電加熱元件能制成多種形狀，其可以在最小的熱量損失下對(duì)附近的物體產(chǎn)生非常集中的熱量，其可以在不存在氧氣的情況下產(chǎn)生熱量，流體，即使是易燃的流體，也能通過合適地設(shè)計(jì)電阻加熱元件來加熱。
然而，本領(lǐng)域中當(dāng)前使用的電阻加熱元件具有一些缺點(diǎn)。金屬基的元件，特別是鎳鉻鐵合金和鎢，質(zhì)地較脆，因此不適合需要用可撓性加熱元件來加熱的應(yīng)用。另外，在許多產(chǎn)品應(yīng)用中內(nèi)在的較大的熱循環(huán)和這些材料的脆度將導(dǎo)致熱疲勞。其它的金屬元件，例如銅基元件，帶來了更大的可撓性。然而，如果該應(yīng)用需要電阻元件改變或彎曲位置，則該電阻元件將會(huì)因金屬疲勞而損壞。金屬基電阻加熱元件一般形成為金屬電線，這些元件價(jià)格昂貴，需求非常高的溫度處理，并且形狀受限。另外當(dāng)發(fā)生破損時(shí)，該破損一般由上面所描述的疲勞所致，那么整個(gè)元件不能使用并必須更換。
下述是幾個(gè)涉及導(dǎo)電性塑料的在先發(fā)明。授予McKaveney的美國(guó)專利4,197,218描述了導(dǎo)電性物品，該物品用包含分散有導(dǎo)電性的細(xì)碎粒狀的鐵合金、硅合金或混合物的非傳導(dǎo)基質(zhì)構(gòu)成。授予Marks等的美國(guó)專利5,771,027描述了帶有柵格的復(fù)合天線，該柵格包括導(dǎo)電體作為經(jīng)紗織入的樹脂增強(qiáng)織物，形成該天線的多層層合結(jié)構(gòu)的一層。授予Solberg，Jr.等人的美國(guó)專利6,249,261描述了方位測(cè)定天線，該天線由導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料構(gòu)成，該聚合物復(fù)合材料取代傳統(tǒng)的金屬材料。授予Foulger的美國(guó)專利6,277,303描述了傳導(dǎo)聚合物復(fù)合材料，該導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料包括具有半晶質(zhì)聚合物的次生相材料。該復(fù)合材料還包括分散在次生相材料中的導(dǎo)電性填充材料，該填充材料具有足夠的量，該量等于或大于在次生相材料內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)的傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)所需求的量。該復(fù)合材料也包括主相材料，該主相材料是聚合物，當(dāng)該主相材料與次生相材料混合時(shí)將沒有促進(jìn)混相能力的靜電相互作用。該主相材料具有分散在其中的次生相材料，該次生相材料的量等于或大于在主相材料中產(chǎn)生持續(xù)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)所需求的量。然后，該復(fù)合物形成具有差別共續(xù)相的半導(dǎo)性三元復(fù)合物。
授予Starz等人的美國(guó)專利6,558,746詳細(xì)描述了一種用于制造導(dǎo)電性涂層的涂層合成物，包括一種或多種導(dǎo)電性顏料和有機(jī)粘結(jié)劑。該涂層合成物可選擇地包括添加劑和助劑。這樣獲得的涂層具有特別優(yōu)異的粘結(jié)性，抗機(jī)械影響性和抗溶劑，并且顯示出了合適的導(dǎo)電性(表面電阻率)值。授予Ushijima的美國(guó)專利6,602,446提供了一種由導(dǎo)電填充物制成的導(dǎo)電膠與加熱元件結(jié)合，適于用電磁感應(yīng)產(chǎn)生熱量。該導(dǎo)電膠與樹脂混合。另外，比利時(shí)科特賴克市的NvBekaertsa制造金屬紗線，針織金屬織物，切斷的金屬纖維和片，和燒結(jié)多孔媒介。這種市售纖維具有從1μm至20μm的直徑，以及可以是被切斷成短纖片斷或連續(xù)的長(zhǎng)絲。2003年1月25日在www.bekaert.com中發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品描述中所示的金屬為不銹鋼、耐熱合金、鎳和鎳合金、鈦、鋁、和銅。在Sbenaty撰寫的“我要我的比薩餅變熱！”這篇文章(《科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育雜志》，2000年1月-4月，第1卷，第1期)中，其中一個(gè)所設(shè)計(jì)的應(yīng)用描述了用于家庭供應(yīng)食物例如比薩餅的加熱元件，該加熱元件利用了由連接在整體銅總線線路之間的可撓性的導(dǎo)電性聚合物材料組成的材料。
在McCluskey等人撰寫的“提供高導(dǎo)電性和可撓性的超微合成材料”這篇文章(《第三次關(guān)于電子制造技術(shù)中的粘接和涂層技術(shù)國(guó)際會(huì)議論文集》，1998年，282-286頁)中，描述了一種由導(dǎo)電性銀薄片超微粒子填充物制成的導(dǎo)電性聚合物的機(jī)械和電學(xué)性能。超微填充物的使用使得該材料在顯著較低的微粒填充下獲得與傳統(tǒng)填充聚合物相同水平的導(dǎo)電性。該導(dǎo)電性聚合物兼具填充聚合物的高導(dǎo)電性和穩(wěn)定性以及內(nèi)在導(dǎo)電性聚合物的可撓性和低密度。該超微粒子金屬填充物被測(cè)定具有在200nm和20μm之間的尺寸，以及當(dāng)與非導(dǎo)電性聚合物基質(zhì)混合時(shí)，具有10-1000hm-cm的電阻值。另外，McCluskey等人討論了微粒尺寸為3μm-20μm的銀相對(duì)于硅樹脂重量比率為65-75％時(shí)，銀填充硅樹脂開始具有導(dǎo)電性。200nm的微粒的銀相對(duì)于硅樹脂重量比率為35-40％的情況下銀填充硅樹脂開始具有導(dǎo)電性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要目的在于提供有效的加熱裝置。
本發(fā)明的目的還在于提供一種形成加熱裝置的方法。
本發(fā)明的目的還在于提供一種由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料塑模成型的加熱裝置。
本發(fā)明的目的還在于提供由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料塑模成型的加熱裝置，該加熱裝置的性能可以基于在樹脂基材料中摻雜的導(dǎo)電性材料進(jìn)行選擇。
本發(fā)明的目的還在于提供由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料塑模成型的加熱裝置，該加熱裝置的性能可以基于選用的樹脂基材料的性能進(jìn)行選擇。
本發(fā)明的目的還在于提供結(jié)合不同的材料形狀從導(dǎo)電性裝填樹脂基材料制造加熱裝置的方法。
本發(fā)明的目的還在于提供帶有導(dǎo)電性填充樹脂基材料的加熱元件的一系列的加熱裝置。
依照本發(fā)明的目的，得到了一種加熱裝置。該加熱裝置包括加熱元件，該元件包括在基礎(chǔ)樹脂基質(zhì)中包含導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料。第一終端連接于加熱元件的第一端，第二終端連接于加熱元件的第二端。
依照本發(fā)明的目的，也得到了一種加熱裝置。該加熱裝置包括加熱元件，該元件包括在基礎(chǔ)樹脂基質(zhì)中包含導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料，該導(dǎo)電性材料包括導(dǎo)電性粉末和導(dǎo)電性纖維的結(jié)合體。一電絕緣層包覆該加熱元件。第一終端連接于加熱元件的第一端，第二終端連接于加熱元件的第二端。
依照本發(fā)明的目的，還得到了一種形成加熱元件裝置的方法。該方法包括提供在樹脂基質(zhì)中包含導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料，該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料塑模成型為加熱元件裝置。


形成的本發(fā)明的部分材料如下面附圖所示圖1a和1b圖示本發(fā)明第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了包括導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的加熱裝置。
圖2圖示導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中該導(dǎo)電性材料包括粉末。
圖3圖示導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中該導(dǎo)電性材料包括微米導(dǎo)電性纖維。
圖4圖示導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中該導(dǎo)電性材料包括導(dǎo)電性粉末和微米導(dǎo)電性纖維。
圖5a和5b圖示第四個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中導(dǎo)電性織物類材料由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料形成。
圖6a和6b圖示注入成型裝置和擠出法成型裝置的簡(jiǎn)化示意結(jié)構(gòu)圖，該裝置可用于塑模成型導(dǎo)電性樹脂基材料的導(dǎo)體電路。
圖7圖示本發(fā)明的第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了螺旋形加熱墊形式的導(dǎo)電性裝填樹脂基的加熱裝置。
圖8a和8b圖示本發(fā)明第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的的導(dǎo)電性裝填樹脂基的加熱座位裝置。
圖9圖示本發(fā)明第四個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了導(dǎo)電性裝填樹脂基的加熱窗戶裝置。
圖10圖示本發(fā)明第五個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了導(dǎo)電性裝填樹脂基的加熱鏡子裝置。
圖11圖示本發(fā)明第六個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了導(dǎo)電性裝填樹脂基的輻射地板加熱裝置。
圖12圖示本發(fā)明第七個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了導(dǎo)電性裝填樹脂基的加熱帶裝置。
圖13圖示本發(fā)明第八個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了導(dǎo)電性裝填樹脂基的筒形加熱器裝置。
圖14圖示本發(fā)明第九個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了導(dǎo)電性裝填樹脂基的浸入式加熱器裝置。
圖15圖示本發(fā)明第十個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了導(dǎo)電性裝填樹脂基的帶散熱片的帶狀加熱器裝置。
圖16圖示本發(fā)明第十一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了為電子設(shè)備提供熱補(bǔ)償?shù)膶?dǎo)電性裝填樹脂基的可撓性加熱裝置。
圖17圖示本發(fā)明第十二個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了導(dǎo)電性裝填樹脂基的帶或條加熱裝置。
圖18圖示本發(fā)明第十三個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了導(dǎo)電性裝填樹脂基注入成型的加熱管裝置。
圖19圖示本發(fā)明第十四個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了導(dǎo)電性裝填樹脂基的加熱管裝置。
圖20至22圖示本發(fā)明第十五個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，示出了導(dǎo)電性裝填樹脂基的管狀加熱裝置，該裝置用于熱水加熱器和加熱毛巾架。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料塑模成型的加熱裝置，該材料包括微米導(dǎo)電性粉末，微米導(dǎo)電性纖維，或上述兩者的結(jié)合，當(dāng)塑模成型時(shí)在基礎(chǔ)樹脂內(nèi)均勻混合。
本發(fā)明的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料為裝填導(dǎo)電性材料的基礎(chǔ)樹脂，這使得任何基礎(chǔ)樹脂成為導(dǎo)體而非絕緣體。該樹脂為塑模成型部分提供結(jié)構(gòu)完整性。該微米導(dǎo)電性纖維，微米導(dǎo)電性粉末或兩者的結(jié)合，在塑模成型過程中在樹脂內(nèi)均勻混合，提供電力連接。
該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料可以通過塑模成型，擠出法成型或同類方法來提供幾乎任何所希望的形狀或尺寸。塑模成型的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料也可以進(jìn)行切割、模壓、或從注入成型或擠出層或棒料形成真空、覆蓋塑模成型、層合、研磨或同類方法來提供所希望的形狀和尺寸。利用導(dǎo)電性裝填樹脂基材料來制造的加熱裝置的導(dǎo)熱或?qū)щ娦阅芤蕾囉谠搶?dǎo)電性裝填樹脂基材料的成分，可以調(diào)整該裝填或添加的參數(shù)以幫助得到希望的該材料的結(jié)構(gòu)、電或其它物理性能。所選擇的用于制造加熱裝置的材料利用塑模成型技術(shù)和或例如注入成型、覆蓋塑模成型、熱固樹脂、冷浸、擠出法或同類的方法一起均勻混合。涉及2D、3D、4D和5D設(shè)計(jì)的性能，塑模成型和電學(xué)性能，包括物理和電學(xué)優(yōu)點(diǎn)，可以在實(shí)際部分的塑模成型過程中，和在塑模成型部分或成型的材料內(nèi)的導(dǎo)電性網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的聚合物物理聯(lián)結(jié)達(dá)到。
在加熱裝置的制造中，通過將這些材料成型為所希望的形狀和尺寸，導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的使用顯著降低了材料的耗費(fèi)，以及設(shè)計(jì)和制造過程容易控制緊公差。利用常規(guī)的成型方法例如注入成型、覆蓋塑模成型、或擠出法成型或同類方法，該加熱裝置能制成任意形狀和尺寸。當(dāng)該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料塑模成型時(shí)，電阻率的希望使用范圍一般但不排它地制成大約每平方5至25ohms，但是通過改變摻雜參數(shù)和/或樹脂選擇可以得到其它值的電阻率。
該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料包括微米導(dǎo)電性粉末，微米導(dǎo)電性纖維，或上述兩者的任意結(jié)合，在塑模成型過程中，上述材料在基礎(chǔ)樹脂內(nèi)混合均勻，易于生產(chǎn)出低成本，導(dǎo)電性，緊公差的制造部分或電路。該微米導(dǎo)電性粉末可以是碳、石墨、胺或同類物質(zhì)，和/或金屬粉末例如鎳、銅、銀、或鍍金屬物質(zhì)或同類物質(zhì)。碳或其它形式的粉末例如石墨等的使用能產(chǎn)生附加的低水平的電子交換，且當(dāng)與微米導(dǎo)電性纖維聯(lián)合使用時(shí)，能產(chǎn)生在纖維微米傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的微米填充元件，從而產(chǎn)生更進(jìn)一步的電子交換，也作為塑模成型設(shè)備的潤(rùn)滑劑。該微米導(dǎo)電性纖維可以是鍍鎳碳纖維、不銹鋼纖維、銅纖維、銀纖維、或同類纖維，或者是上述的組合物。該結(jié)構(gòu)材料是任意的聚合樹脂，在此舉例的結(jié)構(gòu)材料可以但不排他的有，摩洛哥，匹茲菲爾德市，GEPLASTICS生產(chǎn)的聚合樹脂；摩洛哥，匹茲菲爾德市，GEPLASTICS生產(chǎn)的其它系列的塑料；，由其它制造商生產(chǎn)的其它系列的塑料；紐約，沃特福德，，GESILICONES生產(chǎn)的硅樹脂；，或由其它制造商生產(chǎn)的其它可撓性樹脂基橡膠復(fù)合物。
該裝填了微米導(dǎo)電性粉末，微米導(dǎo)電性纖維，或上述兩者的結(jié)合的樹脂基結(jié)構(gòu)材料，可以利用常規(guī)的塑模成型方法例如注入成型或覆蓋塑模成型，或擠出法成型來產(chǎn)生所希望的形狀和尺寸。該塑模成型的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料也可以按所需通過模壓、切割或碾壓以形成產(chǎn)生所希望的形狀形成要素的加熱裝置。在該裝填的基礎(chǔ)樹脂內(nèi)的添加的成分和與微米導(dǎo)體結(jié)合的方向效應(yīng)能影響該加熱裝置的電學(xué)和結(jié)構(gòu)性能，也能通過模具的設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)和或擠出設(shè)計(jì)和或在塑模成型過程中得到精確控制。另外，可以選擇該樹脂基以獲得所希望的熱性能例如非常高的熔點(diǎn)或特定的導(dǎo)熱性。
也可以用無規(guī)則或連續(xù)絲網(wǎng)狀的微米不銹鋼纖維或其它導(dǎo)電性纖維形成織物狀材料來制造樹脂基復(fù)合層。該絲網(wǎng)狀的導(dǎo)電性纖維可以被層合或用同類方法聯(lián)結(jié)到例如特弗瓏、聚酯、或任何樹脂基可撓性或固體材料，當(dāng)其纖維含量、方向和形狀被分別設(shè)計(jì)時(shí)，將產(chǎn)生非常高導(dǎo)電性的可撓的織物類材料。這樣的織物類材料也可以與其它樹脂材料例如橡膠或塑料一樣，作為埋入人類服裝內(nèi)的加熱裝置而使用。當(dāng)作為層合物或織物類材料的部分的網(wǎng)狀導(dǎo)體而使用導(dǎo)電性纖維時(shí)，該纖維可以具有在大約3和12微米之間的直徑，一般在大約8和12微米之間或大約10微米的范圍內(nèi)，長(zhǎng)度可以無縫或重疊。
通過選擇抗腐蝕和/或抗金屬電解的微米導(dǎo)電性纖維和/或微米導(dǎo)電性粉末和基礎(chǔ)樹脂，本發(fā)明的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料可以制成抗腐蝕和/或抗金屬電解。例如，若抗腐蝕/抗電解基礎(chǔ)樹脂與不銹鋼纖維和碳纖維/粉末相結(jié)合，就得到了一種抗腐蝕和/或金屬電解導(dǎo)電性裝填樹脂基材料。本發(fā)明的其它附加的和重要的特征是，本發(fā)明的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料可以制成具備阻燃性的材料，選擇阻燃劑(FR)基礎(chǔ)樹脂材料使得最終產(chǎn)品顯示阻燃性能。如上所述的性能在加熱元件的應(yīng)用中尤為重要。
本發(fā)明中，微米導(dǎo)電性纖維和/或微米導(dǎo)電性粉末和基礎(chǔ)樹脂的均勻混合也可以稱為摻雜質(zhì)。也就是說，均勻混合過程使得一般的非導(dǎo)電性基礎(chǔ)樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電性材料。該過程類似于半導(dǎo)體材料的摻雜質(zhì)過程，例如硅，可以通過半導(dǎo)體裝置領(lǐng)域公知的引入供體/受體離子技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電性材料。因此，本發(fā)明使用的術(shù)語摻雜質(zhì)，表示通過將微米導(dǎo)電性纖維和/或微米導(dǎo)電性粉末均勻混合入基礎(chǔ)樹脂，使一般的非導(dǎo)電性基礎(chǔ)樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電性材料。
本發(fā)明一個(gè)附加的且重要的特征，即該塑模成型的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料顯示了優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。因此，由該塑模成型的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料所制造的加熱裝置能為應(yīng)用提供更多的熱交換能力。
參照附圖1a和1b，為本發(fā)明的第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖解，下面展示和討論本發(fā)明的幾個(gè)重要特征?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1a，圖示根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的電阻加熱元件12，該加熱元件12包括導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的固體帶16，該固體帶與電源Vheat14連接。該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料具有導(dǎo)電性。通過調(diào)整基礎(chǔ)樹脂中導(dǎo)電性材料的相關(guān)量或類型，可以容易地調(diào)整該材料的體電阻率。該加熱元件12的電阻值等于該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的體電阻率乘以該元件的直線長(zhǎng)度除以該元件的橫截面積?；A(chǔ)樹脂材料可以基于許多因素進(jìn)行選擇，例如機(jī)械強(qiáng)度、撓性、外觀、抗腐蝕/電解性、阻燃性、化學(xué)性質(zhì)、加工性質(zhì)、透明度/不透明度、成本等，以及應(yīng)用中對(duì)熱量的要求。例如，當(dāng)選擇應(yīng)用用于給定的加熱元件的材料時(shí)，必須考慮塑模成型的樹脂基材料的玻璃態(tài)溫度或最大操作溫度。根據(jù)本發(fā)明，可以使用耐高溫的基礎(chǔ)樹脂材料，例如那些能耐1000℃的操作的材料，來獲得導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的非常高溫度的電阻元件。
在這個(gè)例子中，元件12為U形，從而電流Iheat從電源Vheat14流經(jīng)頂部引線/終端并流經(jīng)底部引線/終端返回。當(dāng)電流Iheat傳導(dǎo)時(shí)，依據(jù)I2R，元件12產(chǎn)生熱量。由于該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，該I2R的熱能傳導(dǎo)至該元件的外表面。于是依賴于放入元件12的應(yīng)用和環(huán)境條件，這些熱能可以通過傳導(dǎo)、對(duì)流或輻射從元件12中轉(zhuǎn)移。在該例子中，元件12使用直流電(DC)，然而，當(dāng)元件12由有效的供電線供能例如在住宅中或工業(yè)安裝時(shí)，也可以容易地使用交流電(AC)。
圖1a中橫截面圖示在基礎(chǔ)樹脂中的導(dǎo)電性纖維和/或粉末的網(wǎng)絡(luò)的晶格結(jié)構(gòu)16，導(dǎo)電性纖維和/或粉末網(wǎng)絡(luò)16也代表元件12的表面，但為了容易圖示，未在頂視圖中示出。圖1a所示的本發(fā)明的加熱元件12沒有外絕緣層，也就是說，元件12表面的物體或流體會(huì)與導(dǎo)電性材料直接接觸并成為電回路的一部分在大多數(shù)情況下，并不希望如此。因此，電絕緣材料18和20可以形成于導(dǎo)電性裝填樹脂基材料16之上，即在第二橫截面17中，該電絕緣材料18和20可以包括具有大的導(dǎo)熱性或具有小的導(dǎo)熱性材料。在熱輻射的情況下，該斷絕緣材料18和20可以包括選用為在特定波長(zhǎng)下具有高電磁能傳遞系數(shù)的材料?？蛇x擇地，若該加熱元件12作為暖墊時(shí)，那么有利于用導(dǎo)熱性材料形成頂側(cè)電絕緣體20，這樣元件12產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至坐在墊子上的物體。在這種情況下，底側(cè)電絕緣體18可包括既具備電絕緣又具備熱絕緣的材料，這樣元件12產(chǎn)生的熱量不會(huì)在向下的方向上損失?？蛇x擇地，頂側(cè)和底側(cè)的電絕緣層20和18可以包括相同的材料。
電絕緣材料18和20包括但并不限于高溫樹脂基材料、金屬氧化物、聚碳酸酯材料、陶瓷、和云母。電絕緣材料18和20可以通過浸漬法、噴涂、涂層、電鍍、覆蓋塑模成型、擠出法、應(yīng)用粘結(jié)劑、和同類方法來應(yīng)用。在第二橫截面17中，電絕緣材料18和20僅覆蓋元件12每個(gè)引線的水平表面。可選擇地，可以通過如第三橫截面19所示的電絕緣層22覆蓋該導(dǎo)電性裝填樹脂基加熱元件16的整個(gè)表面區(qū)域。在加熱元件12的引線之間，該層可以有或沒有橋接間隔13。若該電絕緣層22有橋接間隔13，則該電絕緣層22能增大該加熱元件12的機(jī)械強(qiáng)度和熱表面面積。
如另一個(gè)可選擇的特征，如第四和第五橫截面21和23所示，可以在導(dǎo)電性裝填樹脂基材料表面上形成金屬層24。在該第四橫截面21中，金屬層24直接形成于導(dǎo)電性裝填樹脂基材料16之上。在第五橫截面23中，電絕緣層25首先形成于導(dǎo)電性裝填樹脂基材料之上，再形成金屬層27。附加到加熱元件12的金屬層24或27改變了得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)的電、熱、視覺和表面特征。若該金屬層24直接形成于該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料16之上，則金屬層24可以通過電鍍或涂層形成。若形成方法為金屬電鍍，則該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料24的樹脂基結(jié)構(gòu)材料應(yīng)該是可以金屬電鍍的?？捎媒饘賹与婂兎浅６嗟木酆衔飿渲?，例如，GEPlastics，SUPEC，VALOX，ULTEM，CYCOLAC，UGIKRAL，STYRON，CYCOLOY是一些可以用金屬電鍍的樹脂基材料。金屬層24可以通過例如電鍍或物理蒸鍍來形成。類似地，若樹脂基材料用作第五橫截面23的電絕緣材料25，則樹脂基材料25優(yōu)選為如上所述可金屬電鍍的。未示出的另外的可選擇實(shí)施例包括多個(gè)絕緣層，在導(dǎo)電性裝填樹脂基材料16或電絕緣層18、20、22和25中埋入導(dǎo)體和/或其它結(jié)構(gòu)，和/或在導(dǎo)電性裝填樹脂基元件12內(nèi)埋入電絕緣層。
現(xiàn)在參照?qǐng)D7，為本發(fā)明第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施例100的圖解。根據(jù)本發(fā)明，電阻加熱元件100由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料形成，元件100具有帶外終端105和內(nèi)終端106的螺旋形，這種布置特別利于形成通過傳導(dǎo)、對(duì)流或輻射傳遞熱量的大的平坦表面區(qū)域。如橫截面所示，導(dǎo)電性裝填樹脂基加熱元件104優(yōu)選為包入電絕緣材料108和112中，例如，導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的螺旋形式樣可以覆蓋塑模成型在電絕緣底層108之上，然后，電絕緣層112薄膜可以通過噴涂、浸漬或同類方法形成于螺旋形式樣104之上。該頂部絕緣層112提供了一個(gè)非導(dǎo)電性的工作表面，從而當(dāng)熱量從元件110傳導(dǎo)至任何與表面112向接觸的物體時(shí)，該頂部絕緣層112防止了電擊。
該螺旋形元件100顯示了非?？焖俚募訜嵝阅埽⑶姨貏e利于諸如電熱板和電爐灶口(cooktops)的應(yīng)用。通過在導(dǎo)電性裝填樹脂基材料104和可撓性樹脂基絕緣體108和112中選擇可撓性基礎(chǔ)樹脂，該螺旋形元件100可以形成為可撓性材料。在這種情況下，該螺旋形元件100會(huì)彎曲，因此特別有利于應(yīng)用其來直接接觸非平面的表面。該螺旋形元件100通過粘合或其它機(jī)械保持方法施加于物體，這樣非水平應(yīng)用成為可能。例如，該螺旋形元件100可以用于計(jì)算機(jī)顯示器或其它在航空應(yīng)用中非常低的溫度下操作的電設(shè)備。該螺旋形元件100可以在車輛應(yīng)用中用于鏡子的背面以除霜和除霧，或在浴室/指示器應(yīng)用中防止蒸汽。螺旋形式樣導(dǎo)電性裝填樹脂基加熱元件100保持在本發(fā)明的精神之內(nèi)可以有多種改變方式。雖然圖示了正方形的式樣，但是可以使用包括圓形、橢圓形、多邊形、三維的周邊以及類似的任意形狀。
現(xiàn)在參照?qǐng)D8a，為本發(fā)明第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施例120的圖解。在這種情況下，圖示了加熱座位120。根據(jù)本發(fā)明，電阻加熱元件124和130埋入椅子或座位系統(tǒng)120中，較低的加熱器124埋入座位系統(tǒng)120的較低部位121中，背部加熱器130埋入座位系統(tǒng)120的背部123中?？蛇x擇地，僅使用較低的加熱器124或背部加熱器130，或配置單一的加熱元件，該元件延伸穿過較低部位121和背部123。根據(jù)本發(fā)明，加熱元件124和130包括導(dǎo)電性裝填樹脂基材料。該元件124和130可以是如圖7所示的螺旋形式樣，或使用如圖8a所示的交替式樣?？蛇x擇地，可以使用如圖8b所示的不帶線條或引線式樣的均勻墊。加熱元件124和130如上所述被電絕緣。
通過從導(dǎo)電裝填樹脂基材料來構(gòu)建加熱元件，在材料中的微米導(dǎo)電性纖維和/或粉末的網(wǎng)絡(luò)中存在許多電流通路，因此，該加熱元件124和130在機(jī)械和電疲勞方面具有高可靠性。通過與使用線圈或鎳鉻鐵合金線的常規(guī)加熱座位的比較發(fā)現(xiàn)，較低座位和座位背部不斷的撓曲導(dǎo)致了鎳鉻鐵合金元件的機(jī)械疲勞，并導(dǎo)致破損。由于這些在先技術(shù)基于單一電線，因此任何的破損都會(huì)導(dǎo)致形成開路和使加熱器停止操作。本發(fā)明的加熱元件124和130固有地提供了許多電流通路，從而提高了可靠性。即使是其部分?jǐn)嗔?，上述元件仍然?huì)持續(xù)工作。另外，該基礎(chǔ)樹脂的可撓性吸收了因使用者的運(yùn)動(dòng)而致的撓曲能量，從而提高了可靠性。
每個(gè)元件124和130都連接到一對(duì)供應(yīng)能量的電線126和128或132和134。未示出的感應(yīng)溫度和控制溫度的裝置和回路，可用來為座位使用者提供舒適的加熱。這類的座位加熱裝置尤其利于在寒冷的冬季為只能接受較低環(huán)流的長(zhǎng)途駕駛的車輛應(yīng)用。另外，熱的座位利于空中旅行，辦公室應(yīng)用，周末旅游汽車，醫(yī)院的床，和家具。
現(xiàn)在參照?qǐng)D8b，為座位加熱元件另一個(gè)實(shí)施例139的圖解。在這種情況下，該座位/背部加熱元件139被分成頂部140和底部141，根據(jù)本發(fā)明，頂部和底部140和141都包括導(dǎo)電性裝填樹脂基材料。中間絕緣層142將頂部140和底部141電絕緣，這樣，該電連接145和146能制成加熱元件139的單一端。頂部和底部140和141通過導(dǎo)電性短纖維，導(dǎo)電性電線，或?qū)щ娦约喚€143在相對(duì)端電連接。
現(xiàn)在參照?qǐng)D9，為本發(fā)明第四個(gè)優(yōu)選實(shí)施例150的圖解，圖示了加熱窗戶150。如在加熱的鏡子的情況下一樣，窗戶被加熱以防止霧、蒸汽、或結(jié)冰。然而，與鏡子不同的是，必須配置窗戶的加熱方法以避免干擾光線從窗戶的傳輸。先前的提供加熱窗戶的嘗試為使用例如在粘貼于窗戶上的透明的薄膜中的非常細(xì)的金屬電線的供電回路、或柵格，或者將透明的導(dǎo)電性氧化銦錫(ITO)薄膜應(yīng)用于窗戶上。在本發(fā)明中，將導(dǎo)電性裝填樹脂基材料156首先與透明面板152直接相連，或在這種情況下層合在兩塊窗面板(玻璃)152和154之間。導(dǎo)電性裝填樹脂基材料156的基礎(chǔ)樹脂包括透明的材料，微米導(dǎo)電性纖維和/或粉末為不透明的。然而，在該基礎(chǔ)樹脂中均勻混合的小尺寸微米導(dǎo)電性纖維和/或粉末結(jié)合細(xì)選的摻雜密度，使得視線充分無障礙地穿過該導(dǎo)電性裝填樹脂基面板156。該面板元件156在相對(duì)的端部158和160處電連接，并且可以連接到車輛用蓄電池電源或AC電源。為了容易制造，該加熱元件156擠成薄片。這種窗戶加熱裝置156有利于在包括信息顯示、軍用車輛、海軍飛行甲板設(shè)備、重型設(shè)備的控制面板和農(nóng)用設(shè)備、潛望鏡、和離岸演練平臺(tái)的范圍內(nèi)的應(yīng)用。
現(xiàn)在參照?qǐng)D10，為本發(fā)明第五個(gè)優(yōu)選實(shí)施例170的圖解，圖示了加熱的鏡子170。該加熱鏡子170包括具有導(dǎo)電性裝填樹脂基加熱元件174的鏡子組件170，該元件與反射板172的背側(cè)相接觸。如在橫截面中所示，反射板172和加熱元件174在鏡子外罩176內(nèi)塑模成型。加熱元件可以容易地注入成型為所需要的確切的尺寸和形狀。電線178和180將加熱元件174連接到電源，未示出。通過選擇塑模成型的絕緣塑料和鏡面(玻璃)加熱元件174不需要絕緣層。顯示了一種后視鏡170，例如通常安裝在機(jī)動(dòng)車上。然而，本發(fā)明也有效地用于外部的車輛鏡子。另外，該導(dǎo)電性裝填樹脂基加熱元件可以應(yīng)用于浴室/指示器鏡子的背側(cè)，以防止成霧或蒸汽。
現(xiàn)在參照?qǐng)D11，為本發(fā)明第六個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖解。根據(jù)本發(fā)明，在這個(gè)實(shí)施例中形成了輻射地板加熱器200，相對(duì)于安裝在許多家庭中的一般的加壓空氣加熱系統(tǒng)，輻射地板加熱系統(tǒng)提供了一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。通過為地板供暖，提高了房間內(nèi)尤其是花磚地面浴室內(nèi)的感知溫度，另外，也實(shí)現(xiàn)了房間的均勻加熱，最后，由于該系統(tǒng)并不依賴空氣運(yùn)動(dòng)(對(duì)流)來加熱房間/房子，從而也消除了空氣污染和過濾的問題。一般的輻射地板加熱系統(tǒng)使用金屬電線回路作為加熱元件。根據(jù)本發(fā)明，加熱元件208的優(yōu)選實(shí)施例包括導(dǎo)電性裝填樹脂基材料?？梢酝ㄟ^例如擠出成型導(dǎo)電性裝填樹脂基材料薄片，并將回路結(jié)構(gòu)模壓在該片上，來形成具有連續(xù)回路結(jié)構(gòu)200的加熱元件208。
導(dǎo)電性材料的加熱元件208由電絕緣材料222所包圍。加熱元件200鋪在地板表面204上，例如混凝土地板或覆蓋木地板的混凝土基水平材料?？梢詫⒖蛇x擇的網(wǎng)206連接到加熱元件200以提供機(jī)械穩(wěn)定性和增強(qiáng)涂覆的泥漿210。涂覆的泥漿或砂漿從加熱元件200溢出和可選擇的網(wǎng)以產(chǎn)生用于安放瓷磚212的地基。本發(fā)明的這種地板加熱元件200尤其利于住宅的浴室和墻角。
現(xiàn)在參照?qǐng)D12，為本發(fā)明第七個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖解，根據(jù)本發(fā)明，在這個(gè)實(shí)施例中，加熱帶230由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料形成。加熱帶230用于為流體管道236提供局部加熱以防止凍結(jié)。冷水管道236一般應(yīng)用在住宅供電線或水管等通過的槽隙或車庫中。一般的加熱帶由嵌入橡膠的金屬電線形成。根據(jù)本發(fā)明，加熱帶230優(yōu)選的實(shí)施例包括導(dǎo)電性裝填樹脂基加熱元件232和234，和終端帶238。終端帶238與電源線相對(duì)地在帶230的端部與加熱元件232和234相連，另外，加熱元件232和234由外部絕緣體239電絕緣。加熱元件232和234由可撓性基礎(chǔ)樹脂形成。絕緣層239也由可撓性樹脂形成。一種典型的制造過程為，首先通過擠出法形成導(dǎo)電性裝填樹脂基加熱元件232和234，然后將絕緣層239擠出覆蓋該加熱元件232和234。
現(xiàn)在參照?qǐng)D13，為本發(fā)明第八個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖解，根據(jù)本發(fā)明，利用導(dǎo)電性裝填樹脂基加熱元件形成筒形加熱器裝置250。在本領(lǐng)域中，筒形加熱器裝置用于為需要封閉熱控制的受限工作區(qū)域提供局部加熱。許多商業(yè)和工業(yè)的應(yīng)用，例如壓縮機(jī)曲軸箱加熱、復(fù)印機(jī)、模具、食品加工、塑料鑄模、蠟罐，以及同類應(yīng)用，都使用了筒形加熱器。一般的筒形加熱器利用絕緣的鎳鉻鐵合金電線作為加熱元件，并將該已纏繞的元件包入密封的金屬外殼中。根據(jù)本發(fā)明，筒形加熱器裝置250的優(yōu)選實(shí)施例如帶有絕緣層中心260和外絕緣層262的導(dǎo)電性裝填樹脂基加熱元件252a和252b所示。在典型的筒形加熱器裝置中，加熱元件252可以環(huán)繞中心絕緣體260注入成型。金屬電線256和258將該筒形加熱器裝置與電源相連，未示出。該加熱元件為U形，使得頂部元件引線252a和底部元件引線252b相對(duì)于電線接頭256和258在端部相連。若有需要，可以選擇性地將金屬層(未示出)電鍍于筒形加熱器裝置250的外側(cè)以改變熱性能。
現(xiàn)在參照?qǐng)D14，為本發(fā)明第九個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖解，圖示了一種浸入式加熱器裝置270。浸入式加熱器裝置用于加熱流體，浸入式加熱器通常安裝入貯水池，為貯水池內(nèi)的流體提供精確的加熱控制。一般的浸入式加熱器利用密封地密封入金屬管的絕緣的鎳鉻鐵合金加熱電線來形成。根據(jù)本發(fā)明，浸入式加熱器裝置270的優(yōu)選實(shí)施例如密封于電絕緣且不透液的樹脂基罩278中的導(dǎo)電性裝填樹脂基電阻元件276所示。在這個(gè)實(shí)施例中，電源終端在管螺紋終端271處相連。一條電線與電阻元件276的終端271相連，而另一條電線與穿過電阻元件276的絕緣的導(dǎo)體272和274相連。在與螺紋終端271相對(duì)的一端，嵌入絕緣樹脂基材料280的金屬節(jié)流閥端蓋(三通閥)282用于將中心導(dǎo)體272連接到導(dǎo)電性裝填樹脂基材料276以完成加熱器回路。利用這項(xiàng)技術(shù)，該電阻加熱元件截面，如在橫截面中所示，可以通過擠出法成型為任意長(zhǎng)度來形成，然后切割形成浸入式加熱器270的特定尺寸。
現(xiàn)在參照?qǐng)D15，為本發(fā)明第十個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖解，示出了一種帶散熱片的帶狀加熱器裝置300。帶散熱片的帶狀加熱器裝置用于在烘箱和儲(chǔ)物庫中加熱空氣。一般的帶散熱片的帶狀加熱器利用密封入金屬外罩的絕緣的鎳鉻鐵合金加熱電線，并使用金屬散熱片將熱量傳遞給空氣。根據(jù)本發(fā)明，帶散熱片的帶狀加熱器裝置300的優(yōu)選實(shí)施例如密封入電絕緣層310的導(dǎo)電性裝填樹脂基電阻元件304所示。電阻元件304為導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的單一帶，該材料從嵌入終端314延伸到另一個(gè)嵌入終端316。外罩308從內(nèi)部的電阻元件304電隔離，然而，元件304產(chǎn)生的熱量易于傳遞到外罩308，在此，熱量通過散熱片318的大的表面區(qū)域傳遞到空氣中。每片散熱片320由間隔322分隔開。附加的散熱片可以形成于外罩308的底側(cè)，外罩308可以包括沖壓金屬，然而，作為一個(gè)可選擇的特征，根據(jù)本發(fā)明，外罩308可以包括導(dǎo)電性裝填樹脂基材料，這種材料顯示了優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。形成帶散熱片的帶狀加熱器裝置300的優(yōu)選方法為將絕緣層310覆蓋塑模成型至注入成型的電阻元件304之上，然后，將外罩308覆蓋塑模成型至絕緣體-電阻元件配件304和310之上。
現(xiàn)在參照?qǐng)D16，為本發(fā)明第十一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖解，示出了一種可撓性加熱裝置330?？蓳闲约訜嵫b置可用于提供局部加熱不同形狀和尺寸物體的多種應(yīng)用，可撓性加熱裝置用于，例如在超低溫環(huán)境如航空中為電子部件保持適當(dāng)?shù)牟僮鳒囟?。一般可撓性加熱裝置包括包入絕緣體的蝕刻金屬薄片。根據(jù)本發(fā)明，可撓性加熱裝置330的優(yōu)選實(shí)施例如形成交織回路的導(dǎo)電性裝填樹脂基電阻加熱元件332所示。電線336和338被包入加熱元件332的終端內(nèi)以提供電源，以及電阻加熱元件332被包入電絕緣層334中。優(yōu)選地，電絕緣層334包括樹脂基材料，更優(yōu)選地，包括與電阻元件332的基礎(chǔ)樹脂相同的材料?？蓳闲约訜嵫b置330與被加熱的物體密切相連，在這種情況下，形成完整的回路裝置342和340?？梢允褂谜澈蟿┮员ＷC加熱裝置330和物體342之間持續(xù)連接。可撓性加熱裝置330可以通過例如將均勻混合的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的電阻元件332注入成型，并在其上覆蓋塑模成型或涂覆絕緣層334來形成。
現(xiàn)在參照?qǐng)D17，為本發(fā)明第十二個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖解，示出了一種帶形或條加熱裝置。條加熱裝置350用于提供承壓管354的流體的局部加熱以防止結(jié)冰或在多種應(yīng)用中控制流體360的粘性。一般的條加熱器包括繞管纏繞的包入金屬環(huán)中的絕緣的鎳鉻鐵合金電線。根據(jù)本發(fā)明，條加熱裝置350的優(yōu)選實(shí)施例如包入條電絕緣材料353和362的導(dǎo)電性裝填樹脂基電阻加熱元件352所示。終端電線356和358在其周圍的每個(gè)端部處被包入電阻加熱元件352中以提供電源。條加熱器裝置350可以通過例如將均勻混合的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料注入成型來形成。然后通過浸漬或涂覆，形成絕緣層353和362，也可以是單一層。如另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，通過選擇用作導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的可撓性基礎(chǔ)樹脂和用作絕緣層353和362的可撓性樹脂基材料，該條加熱裝置可以制成充分的撓性以允許搭鎖(“snap-on”)扣住。
現(xiàn)在參照?qǐng)D18，為本發(fā)明第十三個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖解，示出了一種注入成型的加熱管裝置370。加熱管裝置用于由管子或管道傳輸?shù)牧黧w，以防止結(jié)冰或在多種應(yīng)用中控制流體378的粘性。根據(jù)本發(fā)明，注入成型的加熱管裝置370的優(yōu)選實(shí)施例如包入電絕緣材料外殼372的導(dǎo)電性裝填樹脂基電阻加熱元件374所示。該裝置370優(yōu)選通過首先塑模成型導(dǎo)電性裝填樹脂基加熱元件374，然后在樹脂基材料外覆蓋塑模成型外殼372來形成。電終端376被嵌入電阻元件374中來為該元件提供電源。
現(xiàn)在參照?qǐng)D19，為根據(jù)本發(fā)明第十四個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖解，示出了一種加熱管裝置400。管加熱裝置用于加熱在管子或管道內(nèi)傳輸?shù)囊后w，以防止結(jié)冰或在多種應(yīng)用中控制流體414的粘性。一般的管加熱器包括包入橡膠管內(nèi)的金屬電線加熱元件。管加熱裝置400的優(yōu)選實(shí)施例包括傳輸管，例如能傳輸流體414的橡膠管401，導(dǎo)電性裝填樹脂基加熱元件402包圍該傳輸管401。電絕緣層409包圍該加熱元件402以提供電隔離。
在最簡(jiǎn)單的形狀中，加熱元件可以通過暴露導(dǎo)電性裝填樹脂基材料402，在其長(zhǎng)度方向的每個(gè)端部簡(jiǎn)單地接觸，然后進(jìn)行機(jī)械箝位或銷連接。接著由電源供應(yīng)的電流流過該加熱管400的長(zhǎng)度，未示出。為了促進(jìn)完成回路，也可以將絕緣的電線416嵌入導(dǎo)電性裝填樹脂基材料402中，這種電線416利用如圖所示的箝位/接合機(jī)構(gòu)410和412促進(jìn)回路的完成。在這個(gè)實(shí)施例中，箝位/接合機(jī)構(gòu)410和412包括金屬接合器412，該接合器穿過絕緣的電線416，并被嵌入電阻元件402中，從而在一端將電線416和電阻元件402相連。在相對(duì)端，箝位/接合機(jī)構(gòu)410和412僅用于接通電阻元件402。優(yōu)選地，導(dǎo)電性裝填樹脂基材料402和絕緣層409的基礎(chǔ)樹脂均包括可撓性材料?？蛇x擇地，傳輸軟管401可以包括與導(dǎo)電性裝填樹脂基材料402的基礎(chǔ)樹脂相同的材料。該實(shí)施例的加熱管裝置400可以通過例如在傳輸軟管401擠出法成型處共擠出成型，然后將傳輸軟管401和絕緣的電線416牽引過電阻元件402擠壓機(jī)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D20至22，為本發(fā)明第十五個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖解，示出了管狀加熱裝置。管狀加熱裝置在如熱水加熱器、廚房加熱墊、烘箱，和同類的應(yīng)用中用于加熱流體和其它材料。一般的管狀加熱器包括密封入金屬管內(nèi)的絕緣的金屬電線加熱元件。現(xiàn)在尤其參照?qǐng)D20，示出了根據(jù)本發(fā)明的管狀加熱裝置450的優(yōu)選實(shí)施例。管狀加熱裝置450包括由電絕緣層454包圍的導(dǎo)電性裝填樹脂基中心452，該管狀加熱裝置450形成將應(yīng)用的回路形狀，例如，應(yīng)用于食物或水的加熱裝置中。接觸終端456為管狀加熱裝置450中的電阻元件452的每一端提供電連接。該管狀加熱裝置可以通過例如擠出法成型可撓性導(dǎo)電性裝填樹脂基元件452，切割并成形該擠出的元件，然后用絕緣層454涂覆該元件。可選擇地，管狀加熱元件452可以通過注入成型來形成。尤其參照?qǐng)D21，示出帶有導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的上部和下部管狀加熱元件464和468熱水加熱器裝置460。
現(xiàn)在尤其參照?qǐng)D22，根據(jù)本發(fā)明，該管狀加熱裝置應(yīng)用于加熱毛巾架480。毛巾?xiàng)U483由導(dǎo)電性裝填樹脂基加熱元件482形成，加熱元件482再次由電絕緣層484所包覆。另外，外層金屬層486可以涂覆或鍍金于絕緣層484之上，以獲得金屬外觀。每個(gè)加熱桿483被保持支架488所固定，該桿483由電線487連接到控制單元489，該控制單元調(diào)節(jié)流經(jīng)桿483的電流以控制溫度。管狀加熱桿483可以通過例如擠出法形成。
在此描述的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料一般包括導(dǎo)體粒子的微米粉末和/或與在基礎(chǔ)樹脂基質(zhì)內(nèi)均勻混合的微米纖維結(jié)合。圖2示出了導(dǎo)電性裝填樹脂基材料32的一個(gè)例子的橫截面視圖，在該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料32的基礎(chǔ)樹脂基質(zhì)30中具有導(dǎo)體粒子粉末34。在這個(gè)例子中粉末狀的導(dǎo)體粒子34的直徑D為大約3和12微米之間。
圖3顯示導(dǎo)電性裝填樹脂基材料36的一個(gè)例子的橫截面視圖，在該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料36的基礎(chǔ)樹脂基質(zhì)30中具有導(dǎo)體纖維38。導(dǎo)體纖維38具有大約在3和12微米之間的直徑，一般在10微米的范圍，或者在大約8和12微米之間，以及長(zhǎng)度在2和14毫米之間。用作這些導(dǎo)體粒子34或?qū)w纖維38的導(dǎo)體可以是不銹鋼、鎳、銅、銀，或其它合適的金屬或?qū)щ娦岳w維，或以上的結(jié)合。這些導(dǎo)體粒子和或纖維在基礎(chǔ)樹脂內(nèi)均勻混合。正如上面所提到的，該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料具有大約在5和25ohm之間的電阻值，可以通過改變摻雜質(zhì)的參數(shù)和/或樹脂的選擇來獲得其它的電阻值。為獲得這個(gè)電阻值，導(dǎo)體材料的重量比例，在該例子中，導(dǎo)體粒子34或?qū)w纖維38相對(duì)于基礎(chǔ)樹脂基質(zhì)30的重量在大約0.20和0.40之間，以及優(yōu)選為大約0.30。相對(duì)于基礎(chǔ)樹脂的重量比例為0.30的8-11微米直徑，4-6mm長(zhǎng)度的不銹鋼纖維能產(chǎn)生非常高的在任何EMF光譜內(nèi)有效的傳導(dǎo)參數(shù)?，F(xiàn)在參照?qǐng)D4，圖示本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中導(dǎo)電性材料包括導(dǎo)電性粉末34和微米導(dǎo)電性纖維38的結(jié)合，其在塑模成型過程中在樹脂基礎(chǔ)30內(nèi)均勻混合在一起。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5a和5b，圖示該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的優(yōu)選組合。該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料可以形成為纖維或織物，然后上述纖維或織物紡織或成網(wǎng)為導(dǎo)電性織物。該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料形成為如圖所示的可紡織的紗線。圖5a圖示導(dǎo)電性織物42，其中纖維在纖維或紡織品的二維編織46和50中織在一起。圖5b圖示導(dǎo)電性織物42′，其中，該纖維形成為網(wǎng)狀排列。在該網(wǎng)狀排列中，導(dǎo)電性織物的一根或多根連續(xù)的紗線嵌套為任意的形式。最終的導(dǎo)電性織物或紡織品42，見圖5a，和42′，見圖5b，可以制成很薄、厚、硬、可撓性或固體形式。
類似地，導(dǎo)電性但布樣的材料可以利用紡織或成網(wǎng)微米不銹鋼纖維或其它的微米導(dǎo)電性纖維來形成。這些紡織或成網(wǎng)的導(dǎo)電性織物也可以夾層層合于一或多層的材料例如聚乙烯、特弗瓏、凱弗拉或任何其它希望的樹脂基材料。然后這種導(dǎo)電性織物可以切割成希望的形狀和尺寸。
由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料形成的加熱裝置可以用多種方法成形或塑模成型，包括注入法成型、擠出法或化學(xué)誘導(dǎo)成型或成形。圖6a表示注入法成型的簡(jiǎn)化示意圖，顯示了模具50的較低部位54和上部部位58。導(dǎo)電性裝填混合樹脂基材料通過注入開口60注入模具空腔64，然后通過熱反應(yīng)固化均勻混合的導(dǎo)電性材料，然后分離或分開該模具的上部部位58和較低的部位54，并移出該加熱裝置。
圖6b表示利用擠出法形成加熱裝置的擠出機(jī)70的簡(jiǎn)化示意圖。導(dǎo)電性裝填樹脂基材料放置于擠出單元74的給料斗80中，然后一活塞、螺桿、壓力機(jī)或其它的部件78通過擠出開口82擠壓出熱熔的或化學(xué)誘導(dǎo)處理的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料，使該經(jīng)熱熔處理或化學(xué)誘導(dǎo)處理的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料成形為希望的形狀。然后通過化學(xué)反應(yīng)或熱反應(yīng)充分固化，使該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料充分變硬或成柔韌狀態(tài)以備用。
現(xiàn)在概述本發(fā)明的一些優(yōu)點(diǎn)。得到了有效的加熱裝置，得到了形成加熱裝置的方法。該加熱裝置由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料塑模成型。由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料成型的加熱裝置的性能可以基于在樹脂基材料中摻雜的導(dǎo)電性材料來選擇。由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料塑模成型的加熱裝置的性能可以基于所選擇的樹脂基材料的性能來選擇。從導(dǎo)電性裝填樹脂基材料制造加熱裝置的方法因不同的材料形狀而異。得到了帶導(dǎo)電性裝填樹脂基材料的加熱元件的一系列的加熱裝置。
如在優(yōu)選實(shí)施例中所示，本發(fā)明的新方法和裝置相對(duì)于先前技術(shù)提供了有效和可制造的選擇。
然而，本發(fā)明參照其優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了特定的圖示和描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知道，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以改變形式和細(xì)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種加熱裝置，包括加熱元件，該元件包括在基礎(chǔ)樹脂基質(zhì)中含有導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料；第一終端，該第一終端在所述加熱元件的第一端連接；和第二終端，該第二終端在所述加熱元件的第二端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述導(dǎo)電性材料相對(duì)于所述樹脂基質(zhì)的重量比例在大約0.20和大約0.40之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述導(dǎo)電性材料包括金屬粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述金屬粉末為鎳、銅或銀。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述金屬粉末為帶金屬鍍層的非導(dǎo)電性材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述金屬鍍層為鎳、銅、或銀。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述金屬粉末的直徑在大約3μm和大約12μm之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述導(dǎo)電性材料包括非金屬粉末。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述非金屬粉末為碳、石墨、或胺基材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述導(dǎo)電性材料包括金屬粉末和非金屬粉末的結(jié)合。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述導(dǎo)電性材料包括微米導(dǎo)電性纖維。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述微米導(dǎo)電性纖維為鍍鎳碳纖維、不銹鋼纖維、銅纖維、銀纖維或上述的結(jié)合。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述微米導(dǎo)電性纖維的直徑在大約3μm和大約12μm之間，以及長(zhǎng)度在大約2mm和大約14mm之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述導(dǎo)電性材料包括導(dǎo)電生粉末和導(dǎo)電性纖維的結(jié)合。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述裝置還包括包覆所述加熱元件的電絕緣層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述電絕緣層為高導(dǎo)熱性的。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述電絕緣層為樹脂基材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述電絕緣層為金屬氧化物。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述電絕緣層為陶瓷。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述電絕緣層為聚碳酸酯材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述電絕緣層為云母基材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述加熱元件和所述電絕緣層是可撓性的。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述裝置還包括嵌入所述電絕緣層的電線。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述基礎(chǔ)樹脂和所述電絕緣層包括阻燃材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述裝置還包括覆蓋所述加熱元件的金屬層。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述加熱元件包括一個(gè)平坦的墊。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于所述平坦的墊為螺旋式樣。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述加熱裝置被埋入座位裝置中。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述加熱裝置被層壓到一透明的面板上。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于所述基礎(chǔ)樹脂為透明的。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述加熱裝置附在一鏡子上。
32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述加熱裝置被埋入地板系統(tǒng)中。
33.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述所述加熱裝置為筒形加熱器。
34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述加熱裝置還包括多個(gè)傳導(dǎo)性散熱片。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于所述傳導(dǎo)性散熱片包括導(dǎo)電性裝填樹脂基材料。
36.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述加熱裝置繞管子結(jié)合。
37.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述加熱裝置為可傳輸流體的中空管子或管道。
38.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述加熱裝置為圓桿。
39.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述裝置還包括嵌入所述加熱元件的電線。
40.一種加熱裝置，包括加熱元件，該元件包括在基礎(chǔ)樹脂基質(zhì)中包括導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料，其中所述導(dǎo)電性材料包括導(dǎo)電性粉末和導(dǎo)電性纖維的結(jié)合；電絕緣層，該電絕緣層包覆所述的加熱元件；第一終端，該終端在所述加熱元件的第一端連接；和第二終端，該終端在所述加熱元件的第二端連接。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述導(dǎo)電性材料相對(duì)于所述樹脂基質(zhì)的重量比例在大約0.20至大約0.40之間。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述導(dǎo)電性粉末包括非金屬粉末。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，其特征在于所述非金屬粉末為碳、石墨或胺基材料。
44.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述導(dǎo)電性粉末包括金屬粉末。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其特征在于所述金屬粉末為鎳、銅或銀。
46.根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其特征在于所述金屬粉末為帶金屬鍍層的非導(dǎo)電性材料。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的裝置，其特征在于所述金屬鍍層為鎳、銅或銀。
48.根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其特征在于所述金屬粉末的直徑在大約3μm和大約12μm之間。
49.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述微米導(dǎo)電性纖維為鍍鎳碳纖維、不銹鋼纖維、銅纖維、銀纖維或上述的結(jié)合。
50.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述微米導(dǎo)電性纖維的直徑在大約3μm和大約12μm之間，以及長(zhǎng)度在大約2mm和14mm之間。
51.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述電絕緣層為樹脂基材料。
52.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述電絕緣層為金屬氧化物。
53.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述電絕緣層為陶瓷。
54.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述電絕緣層為聚碳酸酯材料。
55.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述電絕緣層為云母基材料。
56.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述加熱元件和所述電絕緣層為可撓性的。
57.一種形成加熱元件裝置的方法，所述方法包括提供一種在樹脂基質(zhì)中包含導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料；并將所述導(dǎo)電性裝填樹脂基材料塑模成型為一種加熱元件裝置。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于所述導(dǎo)電性材料相對(duì)于所述樹脂基質(zhì)的重量比例在大約0.20和大約0.40之間。
59.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于所述導(dǎo)電性材料包括導(dǎo)電性粉末。
60.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于所述導(dǎo)電性材料包括微米導(dǎo)電性纖維。
61.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于所述導(dǎo)電性材料包括導(dǎo)電性粉末和導(dǎo)電性纖維的結(jié)合。
62.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于，所述塑模成型包括將所述導(dǎo)電性裝填樹脂基材料注入模具中；固化所述導(dǎo)電性裝填樹脂基材料；并將所述加熱元件裝置從所述模具中移開。
63.根據(jù)權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于所述方法還包括在所述加熱元件裝置上形成電絕緣層。
64.根據(jù)權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于所述形成電絕緣層的步驟包括覆蓋塑模成型。
65.根據(jù)權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于所述形成電絕緣層的步驟包括浸漬、噴涂或涂覆。
66.根據(jù)權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在將所述導(dǎo)電性裝填樹脂基材料注入模具之前形成電絕緣層，其中將所述加熱元件裝置覆蓋塑模成型到所述電絕緣層之上。
67根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于，所述塑模成型包括將所述導(dǎo)電性裝填樹脂基材料裝入容器；通過一成形的排出口將所述導(dǎo)電性裝填樹脂基材料從所述容器內(nèi)擠出；并固化所述導(dǎo)電性裝填樹脂基材料以形成所述加熱元件裝置。
68.根據(jù)權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于所述方法還包括沖壓或研磨所述的導(dǎo)電性裝填樹脂基材料。
69.根據(jù)權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于所述方法還包括在所述加熱元件裝置之上形成電絕緣層。
70.根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其特征在于所述形成電絕緣層的步驟包括擠出法成型。
71.根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其特征在于所述形成電絕緣層的步驟包括浸漬、噴涂或涂覆。
全文摘要
一加熱裝置由導(dǎo)電性裝填樹脂基材料形成。該材料包括微米導(dǎo)電性粉末、導(dǎo)電性纖維，或在基礎(chǔ)樹脂基質(zhì)中的導(dǎo)電性粉末和導(dǎo)電性纖維的結(jié)合。導(dǎo)電性粉末、導(dǎo)電性纖維或?qū)щ娦苑勰┖蛯?dǎo)電性纖維的結(jié)合相對(duì)于基礎(chǔ)樹脂基質(zhì)的重量比例在約0.20和0.40間。該微米導(dǎo)電性粉末由非金屬形成也可以金屬電鍍，或同類物質(zhì)，或由金屬形成，也可以金屬電鍍，或同類物質(zhì)，或由非金屬與鍍金的結(jié)合或與金屬粉末的結(jié)合形成。微米導(dǎo)電性纖維優(yōu)選鍍鎳碳纖維、不銹鋼纖維、銅纖維、銀纖維或同類纖維?？墒褂萌缱⑷氤尚?、壓縮成型或擠出法成型方法形成該加熱裝置。該導(dǎo)電性裝填樹脂基材料可以是薄的可撓性編織織物的形式以能容易切割成希望的形狀。
文檔編號(hào)F24D13/02GK1543264SQ20041003874
公開日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2004年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月10日
發(fā)明者托馬斯·艾森布雷, 托馬斯 艾森布雷 申請(qǐng)人:整體技術(shù)公司