制造烹饪器具的方法

制造烹饪器具的方法
【专利摘要】一种制造烹饪器具的方法，包括：使用给料，所述给料包括围绕绝缘材料的芯的金属材料的线材，在喷头处使所述给料熔化以产生熔滴流；控制气体流到所述熔滴流的流量，所述气体流包括至少一种反应气体，所述反应气体与熔滴反应，从而产生反应产物，所述反应产物的电阻率高于所述金属材料的电阻率；以及将所述熔滴流从所述喷头喷射到基体上，由此产生电阻加热层以用于烹饪器具。
【专利说明】制造烹饪器具的方法
[0001]本申请是申请日为2009年5月I日、申请号为200980120441.2 (PCT/US2009042560)、发明名称为“使用加热器涂层的烹饪器具”的发明专利申请的分案申请。
[0002]相关申请
[0003]本申请要求2008年5月I日提交的美国临时申请N0.61/126，095的优先权，该申请的全部教示内容通过参引结合在本文中。

【背景技术】
[0004]烹饪过程涉及热以受控制的方式传递到食物。概念上，认为热以三种方式传递:传导、对流和辐射。这些过程一般好理解并且已经通过历史悠久的数学方法被描述。
[0005]在电烤箱中，热通常从位于烤箱炉腔内的电加热元件通过辐射传递。当前最广泛使用的加热元件是Cal-rod，该Cal-rod是线材，通常为镍铬线材，其被封装在镍管或护套中并且通过诸如氧化镁的碎陶瓷与护套绝缘。Cal-rod在所有的方向上辐射热，由此其中大部分能量被引向烤箱的壁，而不是食品。此外，烤箱的通常被覆盖在瓷中的壁吸收其中大部分辐射能量，从而加热壁而不是将能量反射回到正在烹饪的食物。
[0006]现代的烤箱往往增加了对流组件，其中风扇或者鼓风机使烤箱炉腔周围的空气移动，使得空气被Cal-rod加热然后在食物上方和食物周围循环，从而传递其热以烹饪食物。在燃气烤箱中，燃烧器位于烤箱内并且释放对流热。通常，人们不能在烤箱烹饪中发现传导性热传递，虽然传导对热而言通常是最快的方式。实际上，加快的烹饪速度是广受欢迎的设计参数。
[0007]对于烹饪器具，常规的Cal-rod加热元件较为理想，因为其成本低并且非常坚实耐用。但是，这些加热器具有热量较少分配到被烹饪食物的缺点。已经被提出用于烹饪器具的其它加热元件包括电阻材料的厚膜涂层。但是，厚膜由玻璃构成，因此如果热膨胀条件不精确匹配，它们易于脆性破裂。其它类型的加热器涂层包括通过例如喷镀、化学气相沉积以及蒸发制成的薄膜电阻层，它们成本非常高并且对于烤箱烹饪一般不实用。


【发明内容】

[0008]根据本发明的一个方面，制造烹饪器具的方法包括:使用给料，所述给料包括围绕绝缘材料的芯的金属材料的线材，在喷头处使所述给料熔化以产生熔滴流；控制气体流到所述熔滴流的流量，所述气体流包括至少一种反应气体，所述反应气体与熔滴反应，从而产生反应产物，所述反应产物的电阻率高于所述金属材料的电阻率；以及将所述熔滴流从所述喷头喷射到基体上，由此产生电阻加热层以用于烹饪器具。
[0009]在本发明的优选实施方式中,烤箱包括:带有加热元件的壳体,所述加热元件具有加热层；支承结构；以及控制系统，用以控制烤箱的操作温度。所述加热器层优选是热喷涂层。热喷涂涂层工艺可用于沉积涂层，该涂层在通电时作为加热器。在使用热喷涂制造加热元件的优选方法中，粉末或线材形式的材料被熔化并形成熔滴流，利用载气使熔滴朝向将待涂覆的表面加速。熔滴以高速、有时是以超音速撞击表面，并且非常快速地固化成扁平的小片。通过使喷涂设备在表面上方来回移动，形成包括这些固化的小片的大致片层状涂层。
[0010]根据本发明的一个方面，烹饪用烤箱包括:多个壁，所述多个壁限定烤箱炉腔；和加热元件，所述加热元件与所述烤箱炉腔热连通。所述加热元件包括至少一个热喷涂电阻加热层，所述电阻加热层包括大致片层状的结构，所述大致片层状的结构包括第一材料和第二材料，其中，所述第一材料是导电材料，并且所述第二材料是电绝缘材料。电连接器可向所述电阻加热层供电，从而产生热。
[0011]通过提供包括导电材料和电绝缘材料的电阻加热层提高了所述加热器元件的体电阻率和进而提高了热产生能力，其中，电绝缘材料具有比导电材料高的电阻。在一些实施方式中，所述电阻加热层的体电阻率比所述传导材料的电阻率高大约10倍或更多倍。在其它实施方式中，所述电阻加热层的体电阻率比所述传导材料的电阻率高大约10倍到大约1000倍。在所述电阻加热层中所述电绝缘材料的体积含量可为至少大约40%，并且在一些实施方式中，其体积含量在大约40%至80%之间。
[0012]可在支承基体上热喷涂所述电阻加热层，该支承基体包括烤箱炉腔的壁。在支承基体导电的情形下，必需在所述基体上沉积电绝缘层，并在所述绝缘层之上沉积所述电阻加热层。所述电绝缘可热喷涂在所述支承基体上。所述电阻加热层可位于所述烤箱炉腔的外侧或内侧。在所述支承基体电绝缘的情形下，可在所述基体上直接地热喷涂所述电阻加热层。
[0013]加热元件优选地包括平板加热器，其可形成烤箱炉腔的壁或者容置在烤箱炉腔的壁内或靠近烤箱炉腔的壁安装。加热元件可包括在支承基体上预先限定的电路图案。加热器可有利地将其热量均匀地分布在宽阔的表面上。加热器面板可布置在烤箱炉腔内或烤箱炉腔周围的多个表面上，以在所述烤箱炉腔内提供大致均匀分布的辐射热能。加热器面板可悬挂于烤箱炉腔的顶壁，以提供强辐射热，如用于烧烤。
[0014]根据本发明的烤箱可进一步包括对流部件，其包括例如空气循环系统，该空气循环系统提供与加热元件热接触的空气流。本发明的电阻层加热元件也可定位在空气循环系统内部，如定位在鼓风机的表面上，以便增强向与对流空气流的热传递。
[0015]本发明的加热器元件可布置在烤箱炉腔的表面上，以提供传导性烹饪表面。该传导性烹饪表面可包括所述烤箱炉腔内的搁架。该搁架可以是隔板以形成双烤箱。搁架可包括通过绝缘层分开的位于所述搁架的一侧上的第一加热元件和位于所述搁架的相对侧上的第二加热元件。通过烤箱控制系统可单独地控制所述两个加热元件。
[0016]在其它方面，加热器元件可布置在烤箱架上，该烤箱架可安装在烤箱炉腔内并且电连接到烤箱。该加热器元件可布置在容器上，该容器可容置在烤箱炉腔内并且电连接到烤箱。
[0017]在又进一步的实施方式中，烤箱可包括高温(例如，650° — 700° )比萨烤箱。该比萨烤箱具有通过热喷涂工艺形成的一个或多个电阻加热层。该比萨烤箱可包括在烤箱炉腔内的涂层，以提供石块状的外观。该涂层可通过热喷涂形成，并且可包括堇青石或其它陶瓷材料。
[0018]在多个其它的方面中，本发明针对用于具有热喷涂电阻加热层的烤箱的加热元件，以及制造使用热喷涂涂层的烤箱和烤箱加热元件的方法。

【专利附图】

【附图说明】
[0019]图1是根据本发明的热喷涂加热器层的微观结构的示意图；
[0020]图2A是根据本发明一个方面的分层的加热器元件横截面图；
[0021]图2B是图2A的加热器元件的平面图；
[0022]图3是烤箱的前主视图；
[0023]图4是根据本发明的一个实施方式的在五个壁上具有加热器面板的烤箱的立体图；
[0024]图5是根据本发明实施方式的具有内部辐射加热器的烤箱的立体图；
[0025]图6是具有加热器面板和用于对流加热的鼓风机的烤箱的立体图；
[0026]图7是根据本发明一个方面的用于具有加热器涂层的对流烤箱的鼓风机的立体图；
[0027]图8是具有带加热器涂层的可拆卸隔板的烤箱的立体图；
[0028]图9是具有烤箱架的烤箱的立体图，烤箱架上带有加热器涂层；
[0029]图10是具有烤盘的烤箱的立体图，烤盘中带有整体式加热器元件；
[0030]图11是具有加热搁架并且在顶面和底面上具有加热器涂层元件的比萨烤箱的立体图；
[0031]图12是具有陶瓷壁插入件的比萨烤箱的立体图；
[0032]图13示出具有整体式加热器涂层的灶面燃烧器的仰视图和俯视图；
[0033]图14示出具有安装在云母板上的分开的加热器的灶面燃烧器的俯视图和仰视图；
[0034]图15示出具有安装到灶面下侧的加热器涂层的玻璃灶面。

【具体实施方式】
[0035]本申请要求2008年5月I日提交的美国临时申请N0.61/126，095的优先权，该申请的全部教示内容通过参引结合在本文中。
[0036]通过热喷涂工艺可形成电阻加热元件。对于包括金属和陶瓷在内的各种材料的沉积涂层，热喷涂是一项通用技术。其包括使用粉末作为给料的系统(例如，电弧等离子喷涂系统、火焰喷涂系统和高速氧燃喷涂(HVOF)系统)、使用线材作为给料的系统(例如，电弧线材喷涂系统、HVOF线材喷涂系统和火焰喷涂系统)和使用它们的组合的系统。
[0037]电弧等离子喷涂是一种用于将材料沉积在各种基体上的方法。直流电电弧产生电离的气体(等离子体)，电离的气体被用于以类似于喷漆的方式喷涂熔融的粉末材料。
[0038]电弧线材喷涂系统通过熔化两条线材(例如，锌、铜、铝或其它金属)的末端并且利用载气(例如，压缩空气)将产生的熔滴运送到待涂覆的表面来起作用。通过由两条线材之间的电势差所产生的电弧熔化线材给料。
[0039]在火焰喷涂中，利用燃烧的火焰熔化线材或粉末给料，通常通过点燃氧气与另一种气体(例如，乙炔)的气体混和物来产生燃烧的火焰。
[0040]HVOF使用在小腔室中点燃的燃烧气体(例如，丙烷和氧气)。腔室中高的燃烧温度使气体压力同时升高，进而从腔室中的孔口产生速度非常高的流出气体。该高温、高速气体既用于熔化给料(例如，线材、粉末或者它们的组合物)并且又用于以在330 - 1000米/秒的范围内的速度将熔滴运送到基体的表面。压缩气体(例如，压缩空气)被用于进一步加速熔滴并且冷却HVOF设备。
[0041]通常用于熔点相对较低的材料的其它系统赋予粉末颗粒很高的速度，使得当它们撞击基体时通过动能的转化而使颗粒熔化。
[0042]热喷涂涂层具有独特的微观结构。在该沉积过程中，每个颗粒进入气体流、熔化并且冷却成独立于其它颗粒的固体形式。当颗粒撞击被涂覆的表面时，它们撞击(“溅射(splat)”)成为扁圆形的小片并且以高冷却速率固化。通过在基体上方重复地来回移动喷涂设备(喷枪)从而逐层积聚直至已经达到理想的涂层厚度而在基体上积聚涂层。因为颗粒在溅射时固化，所以产生的微观结构是大致片层状的，其中近乎圆形小片的晶粒无规则地堆叠在基体的平面上方。
[0043]如果用于形成电阻加热层的原始材料由两种或更多种不同材料混合构成，则喷涂涂层的微观结构可以是两种或更多种晶粒的片层状阵列。如在图1中所示，可看到两种不同的材料形成两种互穿、互连的晶格，而互连度是所给材料的比例的函数。特别是，如果一种材料碰巧是电绝缘的，而一种导电，则导电率(电阻率)将取决于导电材料的互连度。在图1中，沉积的微观结构包括沉积在基体100上不同材料的三个离散相。材料A和B分别是绝缘体和导体。画有阴影线的相表示附加的材料，其可被选择地添加用于工程目的，例如，为了粘合、热膨胀、热传导和发射能力。虚线指示通过晶格的电流路径。
[0044]为了使沉积的涂层在施加电压时利用期望的功率水平来产生特定量的热，该涂层总体上必须具有特定电阻，该电阻由所述期望的功率水平决定。如下式，由所施加的电压V和期望的功率水平P来计算电阻R。
[0045]R = V2/P
[0046]涂层的电阻是涂层的几何结构的函数。具体地，可根据电流路径长度(L)、电流通过的横截面面积(A)以及材料的电阻率P，通过下述公式测量涂层的电阻:
[0047]R = P.L/A
[0048]因此，为了设计将在给定电压下工作的针对给定功率水平和给定几何结构的涂层，人们仅仅只能使用下述公式确定材料的电阻率:
[0049]P = R.A/L = V2.A/ (P.L)
[0050]例如，可通过在给料中使用导体和绝缘体的不同混合直到以经验为主地找到具有所需电阻率的涂层而获得具有所需电阻率P的混合物。根据另一项技术，如在下面进一步详细描述地，通过控制在沉积过程中给料(如，金属)和与给料进行反应的气体(如，环境气体)之间发生的化学反应的量可至少部分地控制电阻率。
[0051]电阻率为受控变量这一点非常重要，因为这对于加热器设计者而言意味着附加的自由度。在大部分情形下，例如镍一铬的加热器材料的电阻率是固定值。在此情况下，加热器设计者必须调整加热器的几何结构(L和A)以获得期望的功率。例如，如果需要通过绕管缠绕镍一铬线来加热管，那么设计者必须针对A即电流必须通过的横截面面积来选择恰当直径的线和针对L即电流的总路径长度来选择绕组的间距。
[0052]作为电加热器作用的热喷涂涂层可包括任何导电材料，但是总体上选择具有高电阻率的材料是有利的。这样允许产生具有高电压和低电流的功率，优选通常使用诸如120V或240V的电压。甚至可更有利地，通过增加诸如金属氧化物的绝缘组分到热喷涂涂层而促使加热器涂层的电阻率大于比如镍一铬之类的普通材料的通常值。这样具有允许加热器涂层的设计具有紧实的尺寸、特别是更短的电流路径的效果，并且使这些加热器涂层的设计在各种应用中非同寻常地实用。
[0053]根据本发明的一个方面，通过热喷涂沉积的加热器涂层包括导电材料和电绝缘材料，电绝缘材料具有比导电材料高的电阻，使得加热器涂层的体电阻率(P)较导电材料升高。在某些实施方式中，体电阻率升高大约11倍或更多倍。在其它一些实施方式中，体电阻率升高超过导电材料电阻率大约11到大约13倍。根据某些实施方式，在电热器涂层中绝缘材料的体积含量为至少大约40 %，并且在优选实施方式中，体积含量在大约40 % —80%之间。
[0054]可用于在热喷涂加热器涂层中形成导电组分的材料示例包括但不限于:诸如金刚砂或碳化硼的碳化物；硼化物；诸如二硅化钥或二硅化钨的硅化物；以及诸如铝酸镧或氧化锡之类的氧化物，它们具有对该技术适用的导电特性。对于绝缘材料，氧化物在应用中非常好，特别是Al2O3,其耐火其耐熔、绝缘并且便宜。氮化铝和莫来石也可适合作为绝缘材料。
[0055]金属组分的给料也可用于形成加热器涂层的导电组分，并且特别是能够通过与气体的反应形成氧化物、碳化物、氮化物和/或硼化物的金属组分。示例性的金属组分包括但不限于:诸如钛(Ti)、钒(V)、钴(Co)、镍(Ni)的过渡金属以及过渡金属合金；诸如镁(Mg)、锆(Zr)、铪(Hf)和铝(Al)的高活性金属；诸如钨(W)、钥(Mo)和钽(Ta)的耐熔金属；诸如铝/氧化铝和碳化钴/碳化钨的金属化合物；以及诸如硅(Si)的类金属。这些金属组分通常具有范围为1-100X10_8的电阻率。在涂覆工艺(例如，热喷涂)过程中，金属组分的给料(例如，粉末、线材或实心棒)被熔化以产生熔滴并且暴露于包含氧气、氮气、碳和/或硼的反应气体中。该暴露允许熔融金属组分与气体反应，从而在熔滴的至少一部分上产生氧化物、氮化物、碳化物或硼化物的衍生物，或者它们的组合物。
[0056]反应的金属组分的性质取决于沉积中所使用的气体的量及气体的性质。例如，使用纯氧气得到金属组分的氧化物。另外，氧气、氮气和二氧化碳的混合物得到氧化物、氮化物和碳化物的混合物。每种物质的确切比例取决于金属组分的固有特性并且取决于气体中氧气、氮气和碳的比例。通过此处描述的方法产生的层的电阻率可在自500到50，000Χ1(Γ8Ω.πι 的范围内。
[0057]示例性氧化物的种类包括:Ti02、T1、Zr02、V205、V2O3>V204、CoO、Co2O3, CoO2, Co3O4,Ni0、Mg0、Hf02、Al203、TO3、W02、Mo03、Mo02、Ta205、Ta02、和 Si02。示例性氮化物包括:TiN、VN、Ni3N、Mg3N2、ZrN、AlN、和 Si3N40 示例性碳化物包括:TiC、VC、MgC2、Mg2C3、HfC、Al4C3、WC、Mo2C、TaCJP SiC0 示例性硼化物包括:TiB、TiB2' VB2、Ni2B' Ni3B' AlB2' TaB, TaB2' SiBjP ZrB20本领域技术人员已知其它氧化物、氮化物、碳化物和硼化物。
[0058]为了获得金属组分的氧化物、氮化物、碳化物和硼化物，与该组分反应的气体必须包括氧气、氮气、碳和/或硼。示例性气体包括例如氧气、氮气、二氧化碳、三氯化硼、氨、甲烧和乙砸烧。
[0059]在热喷涂工艺过程中，当金属进料的熔滴与熔剂流中存在的环境气体反应时，涂层的成分不同于给料的成分。熔滴可获得例如反应产物(例如，金属组分的氧化物、氮化物、碳化物和/或硼化物的衍生物)的表面涂层。一些熔滴可完全地反应，而其它熔滴可保留大部分的游离金属，或者可保持不反应。产生的涂层的微观结构是片层状结构，其可由复合成分的单个颗粒组成。涂层具有量减少的游离金属部分，而反应产物构成其余部分。当选择加入到熔剂流的气体以形成比原始金属材料具有更高的电阻率的反应产物时，则产生的涂层表现出比游离金属组分更高的体电阻率。通过控制反应气体的浓度，可至少局部地控制反应产物的浓度进而控制涂层的电阻率。
[0060]在某些实施方式中，通过选择用于热喷涂工艺的给料可进一步提高加热器涂层的电阻率,其中给料包括至少一种导电组分和至少一种电绝缘组分,并且其中给料的至少一种组分包括金属组分，在热喷涂工艺过程中该金属组分与反应气体反应，从而产生具有比游离金属组分更高的电阻率的反应产物。例如，在本发明的一个优选实施方式中，用于热喷涂加热器层的给料包括扁平金属条板，其被形成为环绕绝缘材料的芯的线材。绝缘材料可以是粉末，例如，陶瓷粉末。在一个实施方式中，扁平金属条板被形成为氧化铝绝缘粉末的线材。随后，该包芯的线材优选地使用双丝电弧系统在反应气体存在的情况下被热喷涂，以在适当的基体上产生涂层。所形成的热喷涂涂层的特征是电阻率相较于只有铝大大增加，其是进料中的陶瓷氧化铝粉末以及由熔融的铝金属与反应气体(例如，氧气)的反应所形成的电绝缘反应产物(例如，氧化铝)的结果。因此，铝金属和氧化铝陶瓷的包芯线材给料提供非常粘的铝粉末以及高电阻率的较大量的氧化铝部分的有益效果，而一般即使带有氧化的组分铝的电阻率也通常较小。
[0061]现在参见图2A，示意出本发明的电阻加热器200的示例性实施方式。加热器200包括基体210，其可以是工程材料，如钢板，其可包括例如烹饪用烤箱的壁。基体210的表面可通过例如喷砂处理变得粗糙，以促进涂层更好地粘附。当基体是金属或其它导电体时，必须在基体210上面沉积诸如聚合物或陶瓷的电绝缘层220，以使基体220与电阻加热器层绝缘。绝缘层220可包括任何适当的绝缘材料(例如，氧化铝、氧化锆、氧化镁等等)，并且可通过任何适当的方法施加绝缘材料。可通过热喷涂工艺一诸如以上描述的工艺一沉积绝缘层220。接下来，如上所述，通过热喷涂工艺施加电阻加热器涂层230。为了将电压跨接到加热器层230并且产生热电阻率，设置电触头垫片231、233与加热器层230接触。加热器层230可通过任何适当的方法连接到电源，如通过铜焊连接件、焊丝或者通过使用各种机械连接件的物理接触连接到电源。
[0062]通常必需覆盖加热器层230，以保护用户免于触电和/或保护加热器不受诸如湿气等环境影响。这可通过用诸如氧化铝的陶瓷或聚合物的另一绝缘层240覆盖在加热器层230上或者通过将加热器封装在外罩中实现。
[0063]应当理解，可与特定应用相符合地进行上述加热器200的许多变型。例如，可为各种目的设置附加的层或涂层，包括但不限于:在基体上的粘附层或结合层；为改善具有不同热膨胀系数的层与层之间的热匹配的层；和用以促进或抑制热传递的一个或多个层，如热发射层、热反射层、热传导层以及热绝缘层。还应当理解，电阻加热器层230可直接沉积到没有电绝缘层220的非传导性基体上。
[0064]诸如以上结合图2A所述的加热器200可具有任何期望的形状。在用于烹饪用烤箱的加热器200的优选实施方式中，加热器200包括平板加热器，平板加热器可形成烤箱炉腔的壁，或者被安置在烤箱炉腔的壁内或靠近烤箱炉腔的壁安装。在图2B中示意出平板加热器200的例子。由于加热器200将其热量均匀地分布在表面上而不是使其热量沿线材集中，因此这种设计是有利的并且可显著地提高烤箱的性能。如可在图2B中看到的，电阻加热器层220包括在基体210上的通过绝缘区域250分开的限定的电路图案。可使用可移除的带图案的掩膜在热喷涂工艺过程中限定电路图案。也可在加热器层220被涂覆在基体上之后，诸如通过微磨或者利用激光或刀具刻划图案来形成该电路图案。
[0065]图3不出根据本发明一个方面的烤箱30的一个实施方式。烤箱30总体上包括由顶面、底面、前表面、后表面、侧面、和门33限定的加热炉腔或外壳，门33通常定位在烤箱30的前部并且可枢转地安装到烤箱以提供通往内部加热炉腔的通路。门33可具有把手34和窗口 35，该把手34用以允许操作者打开及关闭门，该窗口 35用以允许操作者观看内部炉腔。烤箱30可包括控制器和/或指示器32，用于控制烤箱30的操作。烤箱30通过电连接装置37连接到电源39。电源39可以是常规电源，其给加热元件、以及烤箱的需要电的其它组件(例如，对流风扇、显示面板、相关的电气灶面等)供电。常规电源可从诸如家用设施源提供100伏(V)或220伏(V)电压。可采用提供大于220伏(V)或小于110伏(V)或者介于二者之间的任何电压的电源。
[0066]图4是根据本发明一个实施方式的烤箱30的立体图。没有示出门300以示意出烤箱的内部加热炉腔40。面板41定位在限定烤箱的内部加热炉腔40的一个或多个壁上，该面板41包括具有热喷涂电阻加热器涂层的平板加热器。在图4的实施方式中，加热器面板41定位在烤箱的五个壁上，该五个壁包括顶壁42、底壁43、后壁44、左侧壁45以及右侧壁46。加热器面板41可布置在与烤箱炉腔40热连通的任意数量的表面上。加热器41也可布置在烤箱的前表面上，包括烤箱门上。优选地，加热器面板布置围绕烤箱炉腔的多个表面上，以促使辐射热能在烤箱炉腔内均匀分布。当热均匀地分布在烤箱壁上时，其效果类似于砖炉的效果，其中食物从所有方向以均匀的方式接收辐射能。这一般被认为是烘焙的最佳模式。
[0067]在烤箱壁的内表面或外表面或者二者兼而有之，加热器涂层面板可直接沉积在烤箱壁上。热喷涂加热器可有利地直接沉积在用于形成烤箱壁的工程材料上，例如钢上。这有别于通过诸如厚膜沉积的某些其它方法沉积的加热器涂层，如果热膨胀条件没有精确地匹配，那些以其它方法沉积的加热器涂层易于脆性破裂。涂层的碎裂，特别是在电阻加热器与金属支承基体之间的绝缘层的碎裂特别成问题，因为这会导致过量的电流泄漏和电介质击穿(dielectric breakthrough) 0已经发现,使用热喷涂工艺制造加热器元件极大地减少或消除了这些问题。热喷涂电阻加热元件与材料非常好地结合，这些材料包括通常用于生产烤箱壁的金属材料，如低碳钢、不锈钢(例如，300系列)、铁素体不锈钢(例如，400系列)、铝以及钛。此外，热喷涂工艺和材料的灵活性使得能够将涂层形成为具有良好的热匹配特征。已经发现，热喷涂电阻加热器元件可在高温下(例如，在铝基体上高达440°C、在300系列钢上高达600°C、在400系列钢上高达750°C、以及在钛上高达900°C )长期保持它们的完整性、功能性和介电强度。
[0068]在其它实施方式中，加热器面板可形成在分开的基体上，然后将该基体安装在烤箱上或烤箱中，以向烤箱炉腔40提供热。在图4的实施方式中，加热器涂覆层形成在绝缘材料的面板上，并且该面板被安装到烤箱壁的外表面。使用分开的加热器面板可有利于容易地制造，从而将电容漏泄电流减少到最小，并且有利于容易地维护和更换。绝缘材料的面板可包括云母，云母具有良好的介电性能并且成本相对较低。可替代地，加热器涂层可沉积在诸如聚酰亚胺的聚合物膜上，然后将该聚合物膜用适当的粘合剂附连到烤箱壁。
[0069]当加热器面板安装在烤箱壁外侧时，如在图4中示出的，重要的是存在热能充分传输透过烤箱壁并进入到烤箱炉腔内。如果烤箱的内壁被包覆在具有非常高的热发射率的瓷料中，烤箱外侧上的加热器将从最大的辐射效率受益，同时被保护免受诸如食物或碳变色(carbon stain)的环境因素的影响。进一步有利地，在加热器的外侧上设置热绝缘材料，如热绝缘覆盖层，使得大部分热能被引入到烤箱炉腔内。
[0070]在加热器面板在烤箱炉腔内侧起作用的情形下，为安全和卫生原因一般优选地将加热器涂层隔离。如果加热器形成在诸如云母面板的绝缘基体上，可将第二云母和绝缘体层结合到顶面(加热器)。如果加热器沉积在金属面板上，则可附连另一金属面板以形成完整的外罩，或者可替代地，可在加热器上沉积玻璃、瓷料或者陶瓷层用于保护。带有沉积在其上的加热器涂层的钢面板可被完全封装在瓷料中从而保护钢和加热器。
[0071]图5示意出烤箱的替代性实施方式，该烤箱具有加热器面板51，该加热器面板51附连到烤箱的顶壁42并且悬置在烤箱炉腔40内。悬置面板51可传递例如烧烤会需要的强辐射热，而不会使烤箱壁承受相同的温度。悬置面板51还将其自身的热量有效地传递到可通过循环系统吹送到面板上的空气，该循环系统用于提供传导性加热。
[0072]可使用以上结合图4描述的用于形成电阻加热器面板41的任何方法和材料形成悬置面板51。面板51通过诸如柱53的一个或多个间隔件与烤箱的内壁隔开。可将一个或多个面板51安装到烤箱的任何内壁，并且使用适当的间隔件与壁分隔开。
[0073]图6示意出根据本发明具有加热器涂层元件的对流烤箱60。使用加热器涂层的对流烤箱由于到空气的有效热传递而可表现出非常快的加热速率。在图6的对流烤箱中，烤箱包括一个或多个加热器面板61，它们定位在烤箱壁上或者靠近烤箱壁定位，并且与烤箱炉腔40热连通。加热器面板61可与以上结合图4和5描述的面板相同，并且可向烤箱炉腔40内的物品提供辐射热部分。在该实施方式中，加热器面板61安装在烤箱的顶壁42和底壁43的外表面上。应当理解，加热器面板61可定位在烤箱炉腔的外壁和内壁上的另外的表面上。另外，对流烤箱60包括空气循环系统，用于提供传导加热部分。在该实施方式中，空气循环系统包括鼓风机63,该鼓风机63安装在烤箱的后壁44的后面。该鼓风机63产生空气流，空气流经由烤箱后壁44中的通风孔65被引入到烤箱炉腔40内。通过鼓风机63强制流动的空气经过由加热器面板61加热的表面并且由此带走热量用于传递到置于烤箱炉腔40中的物品(例如，食物)。由于加热器面板61的面积大，所以增强了到循环空气的热传递。这与通常仅有一小部分空气经过Cal-rod加热元件的常规对流烤箱形成对比。
[0074]如果加热器涂层在诸如图5中示出的悬置面板51的分开的面板上插入到烤箱炉腔内，则因为加热器51被布置在更大的表面面积上，所以被强制流动到面板51上的空气将比常规的Cal-rod式烤箱更快地接收更大量的热。
[0075]本发明对流烤箱的其它优点包括因为不存在常规的加热元件而扩大了烤箱炉腔中的可用空间、组装时间缩短、加热迅速并且效率高。
[0076]包含加热器涂层的面板61可放置在空气流中的任何地方，优选地，放置在大部分的流动空气从面板本身上流过或者另外地从由面板加热的表面上流过的地方，以便热量有效地传递到循环空气。面板61或加热表面可改型成具有诸如波纹或凹凸不平的特征，以在表面上引起湍流，用于改善热传递。还可设置叶片或者孔口以有目的地将气流引导到烤箱炉腔中被加热的表面上方。另外，可通过调整空气流动使得空气流不平行于热传递表面而是垂直于被加热的表面或者相对于被加热的表面成角度来增强热传递。当空气在被加热表面处被强制改变方向时，这样就引起湍流，因此改善热传递。
[0077]如在图7中所示，加热器涂层71可被结合到鼓风机63中，以改善与循环对流空气的热传递。在该实施方式中，基本上通过鼓风机强制流动的所有空气都从加热器涂层71上经过并且由此带走热量用于传递到烤箱炉腔40。加热器涂层71包括电阻加热层，该电阻加热层可被热喷涂到鼓风机壳体73上，并且被形成有图案以当跨电极74、75提供电压时提供电阻加热电路。加热器涂层71可被施加到鼓风机63上或鼓风机63内的任何表面上。电动风扇76强制空气靠近加热器涂层71流动，在该加热器涂层71处空气被加热并且随后经由空气管道71进入到烤箱内。
[0078]根据更进一步的方面，本发明涉及依赖于传导性热传递的烤箱。通过传导流动的热通常提供最快的加热速率，因为热可更容易地集中并且烤箱可被构造为较少地阻碍热能向负载——即食物——的流动。对于烤箱，通常需要提供与食品接触或与食品容器接触的热源。在大多数烤箱中，食品容器放置在烤箱炉腔中的烤箱架或搁架上。根据本发明的某些实施方式，热传导式的烤箱包括搁架或烤箱架，该搁架或烤箱架上放置有热喷涂加热器元件，以向置于该搁架或烤箱架上的食品提供传导性热传递。
[0079]例如，图8示意出具有定位在烤箱炉腔40内的搁架81的烤箱80。搁架81可被拆除，并且搁架81的高度可以是可调节的，类似于常规的烤箱架。搁架81包括电阻加热元件，该电阻加热元件包括热喷涂加热器涂覆层。加热器元件可包括诸如结合图2A和2B描述的形成有图案的、平板加热器。搁架81优选地包括电连接装置，该电连接装置连接到烤箱炉腔中的配合连接器，以给加热器元件供电。例如，搁架81可包括电插头，其插入定位在烤箱炉腔的内壁上的插座。当给搁架81通电时，电阻加热元件产生热，热可非常快地传导到放置于搁架上的负载(即，烹饪烤盘)。搁架81可将烤箱分成两个单独的烤箱炉腔82、83从而形成双烤箱。搁架81可包括两个分开的加热元件:通过热绝缘体86分开的位于搁架顶部上的元件84和位于搁架底部上的元件85。烤箱的控制系统可被构造成使得加热器元件84和86中的每一个能被独立地控制，从而能够单独地控制炉腔82和83中的温度。在图8中示出的实施方式中，诸如结合图5描述的那样的悬置加热面板51可在上烤箱炉腔82中传递强辐射热，该辐射热连同由搁架元件84提供的传导加热一起可提供非常均匀且快速的食品加热系统。也可通过鼓风机63提供对流加热部分。
[0080]图9示意出具有加热的烤箱架91的烤箱90。该烤箱架81具有位于其条棒上的加热器涂层，该加热器涂层可利用热喷涂工艺沉积在条棒的顶部或底部(或二者)上。该烤箱架91可从烤箱炉腔40移除，并且与常规的烤箱架一样其高度可调。加热的烤箱架91可包括用于实现到烤箱电源的电连接的适当的机构，例如，位于烤箱架一端的电连接器，以从位于烤箱背面的电插头汲取电能。该烤箱架91上的通电的加热元件可向位于烤箱架91上的食品容器提供传导性热传递。在食品直接放置在烤箱架91上的情况下该烤箱架91还能充当烤架。加热的烤箱架91可与顶部辐射面板51和对流鼓风机63结合在一起加热食物。烤箱架91的条棒之间的开口允许空气绕烤箱架流动和穿过烤箱架流动，以便对流加热，并且如果食品直接放置在烤箱架91上也允许油经开口滴落。
[0081]图10示意出具有诸如烤盘110的容器的烤箱100，该烤盘110中带有整体式加热器元件。加热器元件包括电阻加热元件，该电阻加热元件通过热喷涂工艺沉积在烤盘110的表面上。加热元件给烤盘I1内的食品提供传导热。烤盘110可放置在烤箱炉腔40内，并且优选地具有诸如电缆102的电连接器，用于将加热元件连接到烤箱电源。在烤盘110以传导方式加热食品的同时，烤箱100还提供附加的热，如来自安装在烤箱炉腔内的面板加热器51的辐射热。来自烤盘110和烤箱100的组合加热都可通过烤箱控制系统控制，以提供非常均匀且快速的食品加热系统。
[0082]在其它实施方式中，本发明涉及具有热喷涂电阻加热层的比萨烤箱。比萨烤箱的总体特征是用于大的扁平的饼的低的、宽阔的炉腔，并且比萨烤箱通常在高温(例如，650 - 700 0F )下操作。对于快速且均匀的烘焙，理想的是使均匀且持续的热流到达饼。这解释了为什么砖炉烘焙或者使用加热的石块一般被认为是用于烘焙比萨的最佳方法。砖和石块具有高的热容量，因而意味着它们需要大量的热以升高到给定的温度。高热容量也意味着大量的热被储存在石块中，因而在烘焙食物的过程中不会从石块的总能量中汲取过多的能量。因此，石块可保持相当恒定且均一的温度，以对比萨提供均匀的烘焙。
[0083]在石块提供以传导方式传递的热的情形下，砖炉提供以辐射方式传递的热。然而，由于砖的高热容量，热从所有的方向并且以基本恒定的速率均匀地辐射到比萨。
[0084]因为本发明的加热器涂层可被构造成既提供具有恒定的温度和均匀的热流的传导热又提供具有恒定的来自所有方向的通量的热辐射，所以本发明的加热器涂层具有与砖炉或加热的石块基本相同的效果。图11描绘出比萨烤箱111，比萨烤箱111在烤箱炉腔40内的搁架115上带有加热器涂层112并在烤箱的顶壁和底壁上带有加热器涂层113、114。搁架加热器112以传导的方式向上给搁置在搁架115上的烤盘提供均匀恒定的热流，并且以辐射的方式向下给搁置在烤箱111的底壁上的饼提供均匀、恒定的热流。类似于以上结合图8描述的分隔搁架，该搁架上可设置有两个通过绝缘体分开的单独的加热器元件。可构造出多个炉腔用于烘焙两个以上的比萨，或者可构造单个炉腔，用于每次烘焙一个饼。如结合图6和7描述的可增加对流特征。
[0085]出于商业的和/或美观的原因，理想的是可给比萨烤箱增加石块状的外观。图12示意出比萨烤箱111，其具有定位在搁架上和烤箱壁上的堇青石或其它适合的陶瓷的板层116。加热器涂层可根据需要定位在陶瓷层116下方，或者定位在该陶瓷层116内。可替代地，可使用例如热喷涂使堇青石或其它陶瓷材料沉积为在烤箱的金属壁上的涂层，以提供砖炉的外观并且提供高的热发射率。
[0086]在其它实施方式中，本发明涉及具有热喷涂电阻加热层的灶面，例如燃烧器或玻璃灶面。灶面可使用辐射、对流和/或传导热传递以烹饪食物。对于电烹饪表面，通过加热元件(最常见的是盘绕的Cal-rod)产生热，并且热被传导到与烹饪表面接触放置的烹饪用具中。在气体燃烧器中，得自使气体燃烧的热向上对流到烹饪用具。在辐射玻璃灶面中，定位在玻璃面下方的加热元件使其能量向上辐射穿过玻璃，该玻璃用作窗口和烹饪用具的支承。通过烹饪用具的下侧吸收辐射热。虽然辐射玻璃灶面因它们的外观而很受欢迎，但是众所周知，它们效率低且加热食物比其它灶面设计慢很多。
[0087]在图13中示意出具有热喷涂电阻加热层的灶面燃烧器的示例性实施方式。燃烧器140的基体141包括适当材料的平板。基体141可包括诸如铸铁的金属。基体141也可包括诸如陶瓷、玻璃或云母的非金属。加热器涂层143定位在基体141的下侧142上。加热器涂层143可包括电阻加热层，该电阻加热层被热喷涂到基体141的下侧142上，并且形成有图案以当跨电极144和145提供电压时提供电阻加热电路。可在基体141和/或加热器143之上设置瓷保护涂层。在基体141的顶面146之上的瓷保护涂层可被着色，以向燃烧器提供装饰性元素。因为热被更均匀地遍布于基体141的整个表面，所以图13的燃烧器140相较于常规的具有盘绕的Cal-rod的电燃烧器更有利。此外，由于基体141通常是实心平板，所以容易清洁并且使食物或溢出物不能落在加热元件下方。另外，扁平基体可比较容易地容纳诸如热电偶的温度传感器。增加热电偶允许对加热元件进行更精确的温度控制。
[0088]图14示意出使用加热器涂层的替代性燃烧器构造。在该实施方式中，分开的加热元件153被附连到板151，该板151用于支承烹饪用具并且将来自加热元件的热传递到烹饪用具。分开的元件153可包括基体152，该基体152上设有带有热喷涂电阻加热层154。基体152可包括云母，并且电阻加热层可以被直接热喷涂到云母基体上并且形成电阻加热电路的图案。板151可包括坚固的工程材料，例如铸铁。分开的元件153优选地可从板151移除，使得当元件烧坏时，板151可与新的元件一起再使用。由于加热器可被形成在诸如云母的廉价基体上，所以降低了制造加热器的成本。
[0089]图15示意出根据本发明又一方面的具有热喷涂加热器涂层的灶面。在常规的玻璃灶面中，玻璃表面通常作为烹饪用具的支承并且作为用于传递来自位于玻璃下方I英寸一 2英寸的燃烧器的辐射热的窗口。
[0090]本发明的加热器涂层可被有利地用于使玻璃灶面从辐射加热转换为传导加热，并且提高了总效率。图15示意出具有用于支承烹饪用具的平坦的上表面162、和下表面164的灶面161，该灶面161可包括玻璃。基体163直接设置在灶面161的下表面164下方并且与灶面161处于良好的热接触状态。加热器涂层165设置在基体163上，该加热器涂层165优选地包括热喷涂加热层，该热喷涂加热层形成有图案以形成电阻加热电路。
[0091]基体163可以例如是云母或者可以是任何适当的材料，如陶瓷或金属。应当理解，加热器涂层165可直接被沉积到灶面161的下侧164上，从而消除对单独的基体163的需要。
[0092]诸如在图15中示出的灶面的优点在于，加热元件的正温度系数(PTC)特性可被利用用于实时温度监控。这样允许了元件温度的有效控制，以防止诸如油着火的险情，并且用于更精确的燃烧器温度。
[0093]在某些实施方式中，温度传感器与在前述烹饪器具的任一个中描述的各加热元件相关联，该温度传感器连接到控制器，用于控制传送到该元件的功率。温度传感器可以是加热元件本身，或者其可以是诸如热电偶、电阻式温度传感器(RTD)或红外检测器的单独的温度传感器，其紧靠加热表面区域，加热元件用于对该区域提供温度控制。温度传感器可以是邻近加热元件的沉积层或者可以是分立设备。还与每一加热元件和温度传感器相关联的是至少两个电端子和互连件。互连件优选是沉积层但也可以是线、销或者使用诸如微焊接、球焊、溶结、钎焊以及铜焊的常规电子技术附连的机械触头。
[0094]控制器和电源优选地连接到每个加热元件和与各加热元件相关联的每个温度传感器。多个加热元件和相关联的温度传感器可形成阵列。控制器和电源向单个加热元件提供能量，该能量与由使用者设定的设定点温度和从温度传感器解读出的在该点实时呈现的温度之间的差相对应。另外，控制器可已经在存储器中存储用于将温度传感器的信息解读成温度的必要数据以及用于精确控制表面温度的必要算法。在一种构造中，通过解读由温度传感器响应于已知供给的能量输入记录的温度升高的速率，控制器能够感测用于单个元件的热负载的存在和定位以及其大小。例如，在具有多个加热元件阵列的灶面的情形中，当控制器向阵列中的每个加热元件供给电能脉冲然后测量响应于每个加热元件的输出的温度时，控制器从温度响应的时间来判定元件上是否有烹饪用具及其当前的表面温度的值。因此，控制器获得了关于烹饪用具被定位在表面上的什么地方以及它们当前的温度是多少的信息。另外，优选的控制器具有将任何加热元件保持在设定的最大温度以及使其达到设定的最大电流或电压的能力。因此，其可将功率分配到期望加热元件组。而且，在灶面的示例中，控制器可将大量的功率引向例如位于需要大量功率的大型烹饪用具下方的一小组加热元件，而将少量的功率引向其它烹饪用具。即使由于加热装置可使用的总功率有限使得表面上的整个加热元件阵列不能同时被供给该水平的功率，温度、电流和电压控制仍然允许这种情况发生。
[0095]所述的加热装置和控制系统将以优于常规设计的许多优点均匀地加热表面或者在任意指定的位置处加热到不同的温度。多加热元件阵列仅在需要热能的地方提供热能的选择性应用。通过它们密切结合到表面并紧靠负载的特性，加热元件允许高度的热效率和快速响应。适当的电子控制的增加提供了热负载感测、热负载跟随器进程标识符(PID)控制、对表面的选定区域的可变功率密度、超温、电流限制和电压水平控制。给加热表面施加不同层的能力对加热装置增加了很大的灵活性，从而实现了各种性能，如安全性、清洁性、耐用性以及美观性。
[0096]在以下文献中描述了电阻加热器涂层和用于制造加热元件的方法的示例、以及加热器涂层的各种应用:共有的美国专利N0.6，762，396,6, 919，543,6, 294，468和 7，482，556 ;共有的美国公布专利申请 N0.2003/0121906AU2006/0288998A1 和2008/0217324A1 ;以及2008年5月30日递交的共有的美国专利申请N0.12/156，438。上述专利和专利申请的全部教导被结合在此作为参考。
[0097]尽管已经结合具体的方法和器具说明了本发明，但本领域技术人员可认知此处【具体实施方式】的等同物。能够理解，这些说明是作为示例的而不是作为对本发明范围的限定，并且意在通过所附权利要求涵盖这些等同物。
【权利要求】
1.一种制造烹饪器具的方法，包括: 使用给料，所述给料包括围绕绝缘材料的芯的金属材料的线材，在喷头处使所述给料熔化以产生熔滴流； 控制气体流到所述熔滴流的流量，所述气体流包括至少一种反应气体，所述反应气体与熔滴反应，从而产生反应产物，所述反应产物的电阻率高于所述金属材料的电阻率；以及将所述熔滴流从所述喷头喷射到基体上，由此产生电阻加热层以用于烹饪器具。
【文档编号】C23C4/12GK104313529SQ201410479880
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2009年5月1日 优先权日:2008年5月1日
【发明者】理查德·C·阿博特 申请人:萨莫希雷梅克斯公司