專利名稱：電加熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電加熱元件，尤其是涉及電阻加熱元件，這種元件主要用于為制備食品而對液體進(jìn)行加熱的家用器具，例如水壺、加熱罐、咖啡壺和類似器具，這種元件屬于不占用要加熱的液體的容積的那種類型。
常規(guī)的用于液體的電加熱元件分為兩大類。
第一類為鎧裝(sheathed)元件，這些元件包括一個金屬管，沿此金屬管的縱軸設(shè)置有常規(guī)的螺旋線形元件，并且采用氧化物作為金屬管與螺旋形元件之間的介電(電絕緣)部件。這些鎧裝元件通常形成為某種形式的環(huán)形或螺旋形，并且定位于用于加熱液體的容器的底部。這樣它們就進(jìn)入到要加熱的液體的容積內(nèi)。
后一種形式的元件通常用于僅加熱一種液體，幾乎總是水，因?yàn)槠浠匦螤钍沟秒y以清潔和完全去除一種類型的液體的痕跡，如果需要用于加熱第二種液體的話。
此外，需要有一個外金屬鎧裝將螺旋線形元件與液體分離，并且需要有一種介電氧化物填充材料將金屬鎧裝與元件分離，結(jié)果，這類元件具有較大的質(zhì)量和較小的表面積，這兩種特點(diǎn)結(jié)合導(dǎo)致這類元件加熱液體的工作效率降低。
第二類公知的元件包括那些由平板組成的元件，平板構(gòu)成加熱容器的底，熱量通過平板從元件傳至液體。這類元件不進(jìn)入要加熱的液體的容積內(nèi)。
這第二類元件可以分為兩種類型，具體地講，第一種類型是簡單地采用固定至一個平板背面的常規(guī)鎧裝元件，此平板起到散熱板的作用，第二種類型可以統(tǒng)稱為厚膜電阻加熱元件。
形成厚膜元件的常規(guī)方法是采用一個金屬基底，在此基底的表面上涂敷電介質(zhì)涂層，通常是釉。采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，以包括一個或者多個印刷電路導(dǎo)電軌道的元件構(gòu)形的方式，在一個涂敷的表面上淀(沉)積由溶劑及金屬和/或金屬氧化物的混合物組成的油墨。印刷件爾后被火焰加熱，以去除溶劑并且使金屬和/或氧化物的電阻(性)顆粒熔化。然后在絲網(wǎng)印刷的元件結(jié)構(gòu)上涂敷最后一個電介質(zhì)涂層，通常是釉，此涂層起到保護(hù)層的作用。
盡管這些常規(guī)的鎧裝元件和絲網(wǎng)印刷厚膜元件可以充分地滿足加熱液體的要求，但是它們存在多種結(jié)構(gòu)和工作方面的缺點(diǎn)，其中部分缺點(diǎn)如下所述。
因?yàn)樵阪z裝元件中需要采用氧化物介電填充材料，用于產(chǎn)生熱效應(yīng)的螺旋形電阻絲需要工作在遠(yuǎn)超過使液體沸騰所需的溫度的溫度下。結(jié)果，如果在沒有足夠量的液體圍繞的情況下工作，這類元件非常容易過熱和燒壞。此外，其較高的熱質(zhì)量對其工作效率是有害的，因?yàn)槌跏紩r產(chǎn)生的熱量的大部分直接用于提升介電金屬氧化物和金屬鎧裝的溫度，而不是進(jìn)入液體。這降低了液體的溫升速度。
為了在平板形結(jié)構(gòu)中采用鎧裝元件，必需將其組合至另一支撐金屬板或?qū)印＿@個金屬板或?qū)油ǔＪ卿X的，并且起到散熱板的作用，以便為鎧裝元件消散所產(chǎn)生的熱能提供較大的表面積。鋁板或?qū)拥慕M合體然后被安裝至形成加熱容器底的金屬板。盡管增大了鎧裝元件的散熱面積，但這個鋁板顯著地增大了系統(tǒng)的熱質(zhì)量，熱質(zhì)量的增大又對工作效率造成有害影響，因?yàn)樵诔跏紩r，在熱量傳遞給液體之前，需要更多的能量使系統(tǒng)預(yù)熱。
鎧裝元件和鋁層或板的組合還容易造成工作故障，即，鎧裝元件未充分地安裝至鋁板。在不充分安裝的任何一點(diǎn)處，由鎧裝元件產(chǎn)生的熱量不能完全擴(kuò)散至起散熱板作用的鋁板。結(jié)果，在這種點(diǎn)處，鎧裝元件的溫度可能升至很高的水平。與這些“熱點(diǎn)”相應(yīng)的局部熱膨脹可能導(dǎo)致元件故障，或者導(dǎo)致元件與鋁板的逐步分離，這又會加劇過熱問題并且加速元件故障。
還已知道，也存在與現(xiàn)有的絲網(wǎng)印刷厚膜電阻加熱元件相關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作問題，這些問題簡述如下。
(a)絲網(wǎng)印刷工藝中涂敷的導(dǎo)電性/電阻性油墨的厚度或均勻性的變化，將導(dǎo)致最終形成的電阻性元件軌道的不均勻。這種局部的不均勻會導(dǎo)致在元件軌道內(nèi)產(chǎn)生“熱點(diǎn)”，從而造成工作故障。
(b)在最終形成的保護(hù)釉層中存在任何缺陷或孔，例如由于留有溶劑痕跡形成的缺陷，會使電阻性軌道局部氧化，形成局部熱點(diǎn)，從而導(dǎo)致軌道故障。
(c)絲網(wǎng)印刷的元件是軌道形的，通常是螺旋軌道。軌道是分立的，并且通常再分成平行的路徑，這樣構(gòu)形是為了盡可能最大程度地覆蓋基底面積。盡管采用這種構(gòu)形，但實(shí)際應(yīng)用中，只有基底面積的很少部分被元件實(shí)際覆蓋，因此，為通過基底實(shí)現(xiàn)良好的熱傳遞，元件的工作溫度需要遠(yuǎn)高于所加熱的液體的沸點(diǎn)。
(d)對于從元件到液體的熱傳遞帶來有害影響的另一因素是金屬基底和絕緣釉層的結(jié)合。已被使用的金屬基底一般是不銹鋼的，與(比如)銅或鋁相比，不銹鋼具有低的傳熱系數(shù)。
本發(fā)明的目的是要克服或者顯著地減少與公知的結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)相關(guān)的上述問題。
按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于液體的電阻(性)加熱元件，它包括一個基底，此基底由電絕緣材料形成或者由帶有電絕緣涂層的導(dǎo)電材料形成，由此在兩種情況下基底均在至少一側(cè)上提供了一個非導(dǎo)電表面；橫向隔離的第一和第二接觸區(qū)，它們設(shè)置在所述的非導(dǎo)電表面上；以及一個熱噴涂的電阻性氧化物層，此氧化物層涂敷在所述非導(dǎo)電表面的至少部分區(qū)域上，并且設(shè)置于所述接觸區(qū)的至少部分區(qū)域的上面或者下面，以便電流能夠通過所述的第一和第二接觸區(qū)流經(jīng)電阻性氧化物層。
這里使用的術(shù)語“熱噴涂”和“熱噴涂工藝”是指任何一種這樣的工藝，即，采用一個熱源淀積熔化的或半熔化的金屬、陶瓷或金屬和陶瓷材料的組合物的顆粒。
在一個優(yōu)選實(shí)施例中，基底是圓盤狀的，電阻性氧化物層基本上是圓形的或者環(huán)形的，但包含一個角狀截?cái)嗖糠?，此截?cái)嗖糠钟糜谌菁{一個溫度限制裝置。
有益的是，在后一實(shí)施例中，第一和第二接觸區(qū)分別設(shè)置在圓盤狀基底的中心和周邊上，并且包括相應(yīng)的舌形部分，舌形部分伸入電阻性氧化物層中的所述截?cái)嗖糠謨?nèi)，以便形成用于接納所述溫度限制裝置的端子區(qū)域。
在一個實(shí)施例中，中心接觸區(qū)是圓形的，周邊接觸區(qū)是環(huán)形的，并且電阻性氧化物層如此涂敷在所述的非導(dǎo)電表面上，即至少部分地與所述接觸區(qū)重疊。
在另一實(shí)施例中，電阻性氧化物層是環(huán)形的，并且直接涂敷在所述的非導(dǎo)電表面上，中心接觸區(qū)是圓形的，并且與環(huán)形的電阻性氧化物層的內(nèi)周邊重疊，而周邊接觸區(qū)是環(huán)形的，并且與環(huán)形的電阻性氧化物層的外周邊重疊。
在又一實(shí)施例中，電阻性氧化物層是圓形的，并且直接涂敷在所述的非導(dǎo)電表面上，中心接觸區(qū)是圓形的，并且設(shè)置在電阻性氧化物層上，而周邊接觸區(qū)是環(huán)形的，并且至少部分地與電阻性氧化物層的外周邊重疊。
本發(fā)明還涉及一種制造用于液體的電阻(性)加熱元件的方法，包括以下步驟(a)由電絕緣材料或者由帶有非導(dǎo)電涂層的導(dǎo)電材料形成一個基底，由此在每種情況下，基底均在至少一側(cè)上提供了一個非導(dǎo)電表面；并且采用下列任一方式(b)在所述的非導(dǎo)電表面上淀積第一和第二接觸區(qū)；和(c)通過前面定義的一種熱噴涂工藝涂敷一個電阻性氧化物層，此氧化物層涂敷在所述非導(dǎo)電表面的暴露部分上，以便部分地與所述的第一和第二接觸區(qū)重疊，并且在所述接觸區(qū)之間通過電阻性氧化物層界定一個導(dǎo)電路徑；或者(d)通過前面定義的一種熱噴涂工藝，在所述的非導(dǎo)電表面上涂敷一個電阻性氧化物層，和(e)在電阻性氧化物層上淀積第一和第二接觸區(qū)，以在所述接觸區(qū)之間通過電阻性氧化物層界定一個導(dǎo)電路徑。
在任一種情況下，熱噴涂的電阻性層最好按照EP-A-302586和US-A-5039840中描述的工藝形成。
有益的是，在金屬或者金屬性的基底的情況下，所述非導(dǎo)電涂層在基底上涂敷這樣的厚度，即它能夠承受基底與非導(dǎo)電涂層表面之間施加的至少4000V的電壓而不擊穿。
元件接觸區(qū)最好以如此構(gòu)形淀積在非導(dǎo)電表面上，即，適于達(dá)到電阻性氧化物層對基底的最大覆蓋，并且能夠接納所需的溫度限制裝置。
非導(dǎo)電涂層最好呈搪瓷或者多種金屬氧化物或者氮化物的形態(tài)，這些材料公知具有高的介電特性，例如氧化鋁、二氧化鈦和氧化鎂。
非導(dǎo)電涂層可以在一個或者多個步驟中，以搪瓷或者一種絕緣金屬氧化物或者多種金屬氧化物組合的形態(tài)涂敷。它可以采用熱噴涂技術(shù)淀積或者采用根據(jù)(例如)基于“溶膠-凝膠”技術(shù)的原理的化學(xué)工藝淀積。
可以通過混入其它陶瓷材料提高非導(dǎo)電涂層的導(dǎo)熱性，所述其它陶瓷材料具有相當(dāng)?shù)幕蛘吒玫慕殡娞匦?，但具有更好的?dǎo)熱性。這些陶瓷材料為(例如)硼或鋁的氮化物。
接觸區(qū)最好通過物理或者化學(xué)淀積技術(shù)涂敷在非導(dǎo)電表面或者電阻性氧化物表面上，這些技術(shù)包括真空蒸發(fā)、磁控濺射、電解或無電淀積或者任何形式的熱噴涂。
接觸區(qū)最好包括一種金屬或者多種金屬或其它非金屬材料的組合，這些材料公知具有高的導(dǎo)電特性，例如銀、銅、鋁、鎳和金。
金屬接觸區(qū)的厚度最好是這樣的，即它們將能承載該元件所需的最大工作電流，此電流通常最大為15A。
接觸區(qū)的構(gòu)形最好是這樣的，即，它們將提供電阻性氧化物層在電介質(zhì)層上的最大覆蓋，并且如果需要的話，還能容納一個工作溫度限制裝置。
工作溫度限制裝置可以是常規(guī)的雙金屬開關(guān)型的、熔斷絲型的或者其它熱作用形式的。
有益的是，電阻性氧化物是這樣的，即，其表面是足夠電絕緣的，不需要增加另外的保護(hù)層。可以按另一種方式或者附加地在電阻性氧化物和接觸區(qū)的暴露表面上涂敷另一個非導(dǎo)電保護(hù)層。
采用本發(fā)明的方法，可以獲得如此結(jié)構(gòu)的電阻性熱噴涂氧化物層，即，氧化物表面上任一點(diǎn)處的電流密度僅僅是所承載的總電流的一小部分，如果接觸區(qū)形成在氧化物表面上，在工作時僅僅是一個小的漏電流流出，因此該元件比常規(guī)的分立線形或條形元件要安全。
由于元件尺寸和形狀方面的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明提供的方法和結(jié)構(gòu)使得所得到的加熱元件更便于裝配操作，并且使得有可能將液體加熱器具設(shè)計(jì)為最佳地利用有效空間以及減少生產(chǎn)材料至最低程度。
下面參照附圖僅以舉例方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，附圖中

圖1和2分別顯示出根據(jù)本發(fā)明的電阻性液體加熱元件的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的極其概括的反向剖視圖和平面示意圖；圖3是圖1所示的實(shí)施例的實(shí)用形式的平面示意圖；圖4是沿圖3中的線3-3截取的圖3所示實(shí)施例的剖視圖；圖5和6分別是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的平面示意圖和剖視圖；圖7和8是第三實(shí)施例和其它實(shí)施例的剖視圖。
首先參照圖1和2，其中為便于描繪，各層的厚度是放大的，而且不是按比例繪制的，此第一實(shí)施例包括一個基底10，此基底是由金屬或者其它材料制成的，制造材料具有良好的導(dǎo)熱特性并且經(jīng)過處理/加工成型為形成一個液體加熱容器的底所需的形狀，或者能夠方便地安裝至這種容器的基座上。在圖1和2中，所示出的基底為圓形，但原則地講，它可以是任何需要的形狀。
銅通常是優(yōu)選的制造基底10的材料，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱系數(shù)為377W(瓦)/M(米)/°K(絕對溫度)，遠(yuǎn)超過不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，后者僅為18W/M/°K?；?0通常制成圓的平整盤片形狀，其直徑適于安裝至一個相關(guān)的液體加熱容器上或者裝入容器中?；妆P片可以是完全平整的，或者以其它結(jié)構(gòu)成型的，例如，帶有用于輔助與容器的其它部分的裝配的凸緣。
在基底10的一側(cè)(圖1的反向示意圖的上側(cè)，但在實(shí)際制造過程中是下側(cè))涂敷一個電介質(zhì)(非導(dǎo)電/絕緣)層12，此電介質(zhì)層足夠厚，以便能夠承受基底10與此電介質(zhì)層12的外表面之間的規(guī)定電壓V，而不被擊穿。在一種典型的情況下，預(yù)定電壓V大約為4000V(伏)。
電介質(zhì)層12可以由合適的搪瓷(vitreous enamel)構(gòu)成，其典型的厚度大約是100微米，以便達(dá)到上述的電壓擊穿能力。電介質(zhì)層12可以在任一步驟中或者一系列步驟中涂敷，或者它可以包括熱噴的金屬氧化物諸如氧化鋁、二氧化鈦或者氧化鎂的系列或者組合，其總厚度通常仍然是在100微米左右。
在有些情況下，可以通過混入其它陶瓷材料來增強(qiáng)電介質(zhì)層12的導(dǎo)熱性，所述其它陶瓷材料具有等同的或者更好的介電特性，但具有更好的導(dǎo)熱性。所述其它陶瓷材料的例子包括硼和鋁的氮化物。
在電介質(zhì)層12上涂敷元件接觸區(qū)14。在圖1和2的例子中，接觸區(qū)包括位于中心的圓接觸區(qū)14a和位于周邊的環(huán)形接觸區(qū)14b。這些接觸區(qū)14a、14b的設(shè)置是為了使電流能夠通過后面將要涂敷的電阻性加熱元件，對此加熱元件將在下面進(jìn)一步描述。
接觸區(qū)14a、14b可以采用任何一種合適的化學(xué)或者物理淀積技術(shù)涂敷至電介質(zhì)層12上，例如真空淀積、磁控濺射、無電淀積、絲網(wǎng)印刷或者任何形式的熱噴技術(shù)。接觸區(qū)可以由諸如銀、金、銅、鋁和鎳這些金屬中的一種或者多種組合構(gòu)成，這些金屬公知具有良好的導(dǎo)電特性。金屬接觸區(qū)的厚度僅僅需要滿足承載下面將描述的液體加熱元件的工作電流的要求，這種工作電流通常達(dá)到15A(安培)的典型最大值，但實(shí)際上會更高。
接觸區(qū)14a、14b的尺寸和結(jié)構(gòu)是這樣設(shè)定的，即，如果需要安裝一個工作溫度限制裝置(未示出)，這些接觸區(qū)將象結(jié)合圖3和4、圖5和6的實(shí)際實(shí)施例進(jìn)一步描述的那樣。
現(xiàn)在，在電介質(zhì)層12的暴露的表面上涂敷形成一個電阻性元件16，該元件覆蓋兩個接觸區(qū)14a、14b之間的區(qū)域并且至少部分地與這些接觸區(qū)重疊。
構(gòu)成電阻性元件16的電阻性材料是由一種或者多種粉末狀的金屬氧化物諸如NiCr粉末組成的，它采用熱噴方法并且最好是通過歐洲專利申請EP-A-302586和美國專利US-A-5039840中描述和要求保護(hù)的火焰噴涂工藝涂敷。
火焰噴涂工藝的參數(shù)設(shè)定為所形成的金屬氧化物淀積層的電阻率通常約為14Ωmms，在這種條件下，按圖1和2所示的結(jié)構(gòu)噴涂的電阻性氧化物淀積層將具有能夠工作在如此情況下所必要的厚度，即工作在典型電流密度水平大約為0.8-1.0A/mm2的情況下。
采用上面引用的在此作為參考的專利中所述的工藝，電阻性元件16可以在多個通道(passes)中形成，以實(shí)現(xiàn)(例如)具有多種淀積厚度的電阻性元件，因此，在施加的電壓為230/240V的情況下，最終得到的電阻使元件功率輸出在1.5-3.0KW(千瓦)范圍內(nèi)。其它實(shí)施例可以具有(例如)這樣的淀積層電阻率和厚度，即，能夠制造相同總體結(jié)構(gòu)的元件，但在施加的電壓為110/120V的情況下，能夠產(chǎn)生的功率輸出在0.75-1.5KW范圍內(nèi)。
現(xiàn)在參照圖3和4，這兩個圖示意性地示出一個實(shí)際實(shí)施例，該實(shí)施例與圖1和2的實(shí)施例相似。對于圖1和2中顯示的相應(yīng)部件，圖3和4中采用了相同參考數(shù)字。因此，這個實(shí)施例也采用了一個圓形的金屬盤片基底10、一個電介質(zhì)層12、一個圓形的內(nèi)接觸區(qū)14a、一個環(huán)形的外接觸區(qū)14b以及一個基本上呈環(huán)形的電阻性氧化物層16。但是，如圖3所示，在這個實(shí)施例中，為了能夠容納一個(常規(guī)的)溫度限制裝置(未示出)，這種不同的環(huán)形電阻性氧化物層包括一個位于側(cè)邊緣18a、18b之間的角狀截?cái)嗖糠?，在此截?cái)嗖糠痔庪娊橘|(zhì)層12是暴露的。接觸區(qū)14a、14b具有相應(yīng)的一體式舌形部分20a、20b，它們在電介質(zhì)層12的暴露區(qū)域上分別沿徑向向外和向內(nèi)伸出，由此提供了安裝位置，溫度限制裝置的相應(yīng)端子可以安裝至這些安裝位置。例如，通過軟焊接、硬釬接或者類似方法進(jìn)行安裝。溫度限制裝置起到一個開關(guān)作用，它通常用于從電源向電阻性加熱元件16供給電流，但是如果此限制裝置周圍的環(huán)境溫度超過一定水平，它就自動地切斷所述的電流供給。它可以是(例如)常規(guī)的雙金屬型的、熔斷絲型的或者其它熱作用形式的。
接觸區(qū)14a、14b的尺寸和結(jié)構(gòu)是如此選擇的，即，它們將能容納工作溫度限制裝置，并且還能允許電阻性層16最大可能地覆蓋電介質(zhì)層。
在實(shí)際應(yīng)用中，此裝置當(dāng)然與圖4中所示的位置反向的，以便基底可以形成或者安裝至一個液體加熱容器的基座上。因此，溫度限制裝置通常安裝在容器的一個底部容室中加熱元件的下面。
除了以下區(qū)別外，圖5和6的實(shí)施例與圖3和4的實(shí)施例是相同的，即(a)構(gòu)成該元件的發(fā)熱部分的電阻性氧化物層在整個內(nèi)接觸區(qū)14a下面是連續(xù)的，因此與圖3和4中的電阻性層的環(huán)形相比實(shí)際上成為圓形的；(b)接觸區(qū)14a可以具有比圖3和4中更小的直徑。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在這種結(jié)構(gòu)中，至少部分電流流過電阻性氧化物層的中心部分，從而提供了相應(yīng)的加熱作用，盡管它完全被接觸元件14a所覆蓋。
顯然，在圖1-6所示的實(shí)施例中，接觸區(qū)14a、14b首先被涂敷，然后至少部分地被電阻性氧化物層16重疊覆蓋，而在其它實(shí)施例中，這個過程可以反向進(jìn)行，即可以首先涂敷電阻性氧化物層16，爾后涂敷接觸區(qū)14a、14b，后者至少部分地與前者重疊。因此，在圖7所示的實(shí)施例中，首先在電介質(zhì)層12上涂敷一個環(huán)形的電阻性氧化物層16，然后涂敷內(nèi)和外接觸區(qū)14a、14b。同樣在圖8中，首先涂敷一個圓形的電阻性氧化物區(qū)域16，然后涂敷一個圓形的內(nèi)接觸區(qū)14a和環(huán)形的外接觸區(qū)14b。當(dāng)從平面圖中觀視時，后面的這些實(shí)施例也將需要在電阻性氧化物層中形成一個如圖3和5中所示的角狀截?cái)嗖糠?，以便容納溫度限制裝置。
這種類型的厚膜電阻性液體加熱元件具有許多實(shí)際的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)可以概括如下。
(1)正如從圖1、3和5中所看到的，電流沿徑向從外接觸環(huán)14b向內(nèi)接觸區(qū)14a流動或者按相反方向流動。因此，與包括印刷電路導(dǎo)電軌道的現(xiàn)有元件的情況不同，電流不是局限于沿任一特定的軌道流動。由此產(chǎn)生的一個好處是，元件的局部損壞不會對元件工作帶來有害的影響。電流會圍繞局部損壞處簡單地增大其流密度。從這方面講，元件可以被視為“自適應(yīng)性的”，即，這種結(jié)構(gòu)允許電流適應(yīng)電阻性層內(nèi)各種變化。這種“自適應(yīng)”特性對于提高元件的壽命和增強(qiáng)其承受局部損壞而不發(fā)生故障的能力是極其重要的。常規(guī)的分立軌道型元件不具有這種自適應(yīng)能力。
(2)從圖5中所示的元件結(jié)構(gòu)和尺寸考慮，應(yīng)當(dāng)指出的是，電阻性淀積層16大約覆蓋了總基底面積的86％。這是比常規(guī)的印刷電路導(dǎo)電軌道型加熱元件或者與金屬板組合的鎧裝型元件達(dá)到的覆蓋度要高得多的覆蓋度。因此，所產(chǎn)生的熱能具有大得多的傳遞面積，在此面積上熱能傳遞至要被加熱的液體，結(jié)果，與上述的兩種常規(guī)類型的元件相比，元件將工作在更低的溫度下。這種降低的工作溫度允許這種新型的元件更容易與目前用于制造液體加熱元件的低熔點(diǎn)聚合材料聯(lián)合使用。
本發(fā)明提供的元件可以更輕，因此可以比平板鎧裝型元件或者厚膜印刷電路型元件具有更低的熱質(zhì)量(therma lmass)。例如，一個常規(guī)的2KW平板鎧裝型元件的重量大約為225/230g(克)，一個相同輸出能力的印刷電路型元件重量大約為110g，而一個2.5KW的本發(fā)明的厚膜噴涂元件的典型重量大約為95g。這種重量方面的差異會如此地影響工作效率，即，對于較輕的元件，初始時將元件提升至要求的工作溫度需要的能量較少。
(4)本發(fā)明的熱噴涂元件可以通過全自動化工藝制造，僅僅需要兩/三個簡單的步驟(不必按照這種順序)在金屬基底10上涂敷非導(dǎo)電層12(如果采用金屬基底的話)；淀積高導(dǎo)電性的金屬接觸區(qū)14a、14b；并且熱噴涂淀積電阻性區(qū)域16。該制造工藝的每一步驟均可控制在小的容差內(nèi)。
(5)根據(jù)本發(fā)明的元件的另一優(yōu)點(diǎn)是，它們比常規(guī)的軌道型元件具有低的電磁特征(signature)。其原因可能是短的徑向電流路徑和大的斷面面積，這允許在切斷電源時建立的電子集聚更容易地消散。
權(quán)利要求
1.一種用于液體的電阻(性)加熱元件，包括一個基底，此基底由電絕緣材料形成或者由帶有電絕緣涂層的導(dǎo)電材料形成，由此在兩種情況下基底均在至少一側(cè)上提供了一個非導(dǎo)電表面；橫向隔離的第一和第二接觸區(qū)，它們設(shè)置在所述的非導(dǎo)電表面上；以及一個熱噴涂的電阻性氧化物層，此氧化物層涂敷在所述非導(dǎo)電表面的至少部分區(qū)域上，并且設(shè)置于所述接觸區(qū)的至少部分區(qū)域的上面或者下面，以便電流能夠通過所述的第一和第二接觸區(qū)流經(jīng)電阻性氧化物層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的加熱元件，其中，基底是圓盤狀的，電阻性氧化物層基本上是圓形的或者環(huán)形的，但包含一個角狀截?cái)嗖糠?，此截?cái)嗖糠钟糜谌菁{一個溫度限制裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的加熱元件，其中，所述的第一和第二接觸區(qū)分別設(shè)置在圓盤狀基底的中心和周邊上，并且包括相應(yīng)的舌形部分，舌形部分伸入電阻性氧化物層中的所述截?cái)嗖糠謨?nèi)，以便形成用于接納所述溫度限制裝置的端子區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的加熱元件，其中，中心接觸區(qū)是圓形的，周邊接觸區(qū)是環(huán)形的，并且電阻性氧化物層如此涂敷在所述的非導(dǎo)電表面上，即至少部分地與所述接觸區(qū)重疊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的加熱元件，其中，電阻性氧化物層是環(huán)形的，并且直接涂敷在所述的非導(dǎo)電表面上，中心接觸區(qū)是圓形的，并且與環(huán)形的電阻性氧化物層的內(nèi)周邊重疊，而周邊接觸區(qū)是環(huán)形的，并且與環(huán)形的電阻性氧化物層的外周邊重疊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的加熱元件，其中，電阻性氧化物層是圓形的，并且直接涂敷在所述的非導(dǎo)電表面上，中心接觸區(qū)是圓形的，并且設(shè)置在電阻性氧化物層上，而周邊接觸區(qū)是環(huán)形的，并且至少部分地與電阻性氧化物層的外周邊重疊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)權(quán)利要求的加熱元件，設(shè)有一個溫度限制裝置。
8.一種制造用于液體的電阻(性)加熱元件的方法，包括以下步驟(a)由電絕緣材料或者由帶有非導(dǎo)電涂層的導(dǎo)電材料形成一個基底，由此在每種情況下，基底均在至少一側(cè)上提供了一個非導(dǎo)電表面；并且采用下列任一方式(b)在所述的非導(dǎo)電表面上淀積第一和第二接觸區(qū)；和(c)通過前面定義的一種熱噴涂工藝涂敷一個電阻性氧化物層，此氧化物層涂敷在所述非導(dǎo)電表面的暴露部分上，以便部分地與所述的第一和第二接觸區(qū)重疊，并且在所述接觸區(qū)之間通過電阻性氧化物層界定一個導(dǎo)電路徑；或者(d)通過前面定義的一種熱噴涂工藝，在所述的非導(dǎo)電表面上涂敷一個電阻性氧化物層，和(e)在電阻性氧化物層上淀積第一和第二接觸區(qū)，以在所述接觸區(qū)之間通過電阻性氧化物層界定一個導(dǎo)電路徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中，在金屬或者金屬性的基底的情況下，所述非導(dǎo)電涂層在基底上涂敷這樣的厚度，即它能夠承受基底與非導(dǎo)電涂層表面之間施加的至少4000V的電壓而不擊穿。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的方法，其中，元件接觸區(qū)以如此構(gòu)形淀積在非導(dǎo)電表面上，即，達(dá)到電阻性氧化物層對基底的最大覆蓋，并且能夠接納所需的溫度限制裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求8、9或10的方法，其中，非導(dǎo)電涂層呈搪瓷或者多種金屬氧化物或者氮化物的形態(tài)，這些材料公知具有高的介電特性，例如氧化鋁、二氧化鈦和氧化鎂。
12.根據(jù)權(quán)利要求8、9或10的方法，其中，非導(dǎo)電涂層是在一個或者多個步驟中，以搪瓷或者一種絕緣金屬氧化物或者多種金屬氧化物組合的形態(tài)涂敷的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，非導(dǎo)電涂層是采用熱噴涂技術(shù)淀積的。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，非導(dǎo)電涂層是采用基于“溶膠-凝膠”技術(shù)的化學(xué)工藝淀積的。
15.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中，通過混入其它陶瓷材料提高非導(dǎo)電涂層的導(dǎo)熱性，所述其它陶瓷材料具有相當(dāng)?shù)幕蛘吒玫慕殡娞匦裕哂懈玫膶?dǎo)熱性。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中，所述的其它陶瓷材料為硼或鋁的氮化物。
17.根據(jù)權(quán)利要求8-16中任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中，接觸區(qū)是通過物理或者化學(xué)淀積技術(shù)涂敷在非導(dǎo)電表面或者電阻性氧化物表面上的，這些技術(shù)包括真空蒸發(fā)、磁控濺射、電解或無電淀積或者熱噴涂。
18.根據(jù)權(quán)利要求8-17中任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中，接觸區(qū)包括一種金屬或者多種金屬或其它非金屬材料的組合，這些材料公知具有高的導(dǎo)電特性。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，所述金屬包括銀、銅、鋁、鎳和金中的任一種。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19的方法，其中，金屬接觸區(qū)的厚度是這樣的，即它們將能承載該元件所需的最大工作電流。
21.根據(jù)權(quán)利要求8-20中任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中，接觸區(qū)的構(gòu)形是這樣的，即，它們將提供電阻性氧化物層在電介質(zhì)層上的最大覆蓋，并且還能容納一個工作溫度限制裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中，工作溫度限制裝置是常規(guī)的雙金屬開關(guān)型的、熔斷絲型的或者其它熱作用形式的。
23.根據(jù)權(quán)利要求8-22中任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中，電阻性氧化物是這樣的，即，其表面是足夠電絕緣的，而不需要增加另外的保護(hù)層。
24.根據(jù)權(quán)利要求8-22中任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中，可以按另一種方式或者附加地在電阻性氧化物和接觸區(qū)的暴露表面上涂敷另一個非導(dǎo)電保護(hù)層。
25.一種電阻性加熱元件，實(shí)質(zhì)上就象前面參照附圖描述的和由附圖顯示的那樣。
26.一種制造電阻性加熱元件的方法，實(shí)質(zhì)上就象前面參照附圖描述的那樣。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于液體的電阻(性)加熱元件及其制造方法。該加熱元件包括一個基底(10),此基底由電絕緣材料形成或者由帶有電絕緣涂層的導(dǎo)電材料形成,由此在兩種情況下基底(10)均在至少一側(cè)上提供了一個非導(dǎo)電表面。橫向隔離的第一和第二接觸區(qū)(14a,14b)設(shè)置在非導(dǎo)電表面上,一個熱噴涂的電阻性氧化物層(16)涂敷在非導(dǎo)電表面上,并且設(shè)置于接觸區(qū)(14a,14b)的部分區(qū)域的上面或者下面,以便電流能夠通過第一和第二接觸區(qū)流經(jīng)電阻性氧化物層(16)。
文檔編號H01B3/02GK1187284SQ9619458
公開日1998年7月8日 申請日期1996年6月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月7日
發(fā)明者杰夫里·波德曼 申請人:蒂曼產(chǎn)品發(fā)展公司