专利名称：聚合物的电阻加热元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及电阻加热元件，特别涉及用于加热气体和液体的基于聚合物的电阻加热元件。
在有关水加热器中使用的电阻加热元件一般由金属和陶瓷元件构成。一种典型的结构包括在Ni-Cr线圈的端部用铜焊接端接销，然后把其沿轴向通过一个U形管状金属护套设置。电阻线圈由通常为氧化镁粉末陶瓷材料与金属护套绝缘。
虽然这种常规的加热元件已在水加热工业中使用了几十年，但它具有若干个普遍承认的缺点。例如，发生在金属护套和在箱体中任何暴露的金属表面之间的电流可以引起系统的各个阳极金属元素的腐蚀。加热元件的金属护套一般是铜或铜合金，它也从水中吸附氧化钙淀积物，这可以导致加热元件过早地失效。此外，使用黄铜配件和铜管导致使成本不断地增加，因为近些年来铜的价格一直在上升。
作为金属元件的替代物，至少有一种塑料护套电加热元件已在Cunningham的美国专利No.3,943,328中提出了。在所披露的装置中，常规的电阻丝和粉末状的氧化镁和塑料护套被结合使用。因为塑料护套是非导电的，所以和与箱中的水接触的加热装置的其它金属部件之间没有电流产生，并且也没有氧化钙的积聚。遗憾的是，由于各种原因，这些现有技术中的塑料护套加热元件在正常使用寿命条件下不能保持高的额定功率，因而不能被广泛地采用。
本发明提供一种聚合物的电阻加热元件和含有这种元件的水加热器。最佳的元件含有具有连接到一对端子部分的一对自由端的导电的电阻加热部件。电阻加热部件在聚合物材料的完整的层内被气密地绝缘。电阻部件和聚合物层一起形成新的加热元件的心脏，它能提供足够的电阻加热把大量的水加热到至少大约120°F[49℃]的温度而聚合物层不发生软化。
本发明的加热元件最适用于加热工业用的和民用的热水。它们被设计成能够产生至少大约100-1200W的功率用于加热气体流质，并能够产生大约1000到大约6000W最好大约1700W-4500W的功率用来加热液体流质。产生这一功率而例如即使在水箱是用塑料制成的情况下也不会使水加热器的聚合物包层或蓄水箱损坏。虽然本发明不限于任何特定的理论，但是确信流质例如油、空气或水的冷却效果使聚合物层的温度保持在其熔点以下，能够使其传递来自电阻加热部件的对流的热量而不熔化。
为了有效地把水加热到大约120°-180°F[49°-82℃]的有用温度，聚合物包层应当尽量薄，最好小于0.5英寸[1.27cm]，理想时应小于大约0.1英寸
。这使得包层能够提供密封而防止电短路同时又不会提供如此厚的包层以致于损害元件的导热效率。聚合物包层应当均匀且基本上无气泡，使得避免沿着元件发生过热点，过热点在液体环境中会导致元件过早地失效。
在本发明的更详细的实施例中，提供了一种用于加热流质的电阻加热元件。这种加热元件含有具有一对自由端部的折迭的电阻丝的螺旋线圈。螺旋线圈被密封地封装在耐高温的聚合物中。元件呈管状，具有一个开口端和一个封闭端，封密端包括一个有螺纹的法兰连接器以及至少一对和电阻元件的自由端相连的并从有螺纹的连接器伸到元件外面用于连接电源的导体。加热元件还包括高温切断装置，在过热、聚合物熔化或发生电短路时它能切断电能供应。
下面的
本发明的最佳实施例以及和本发明有关的其它信息，其中图1是本发明最佳的聚合物流体加热器的透视图；图2是图1的聚合物流体加热器的顶视图；图3是图1的聚合物流体加热器的正视图，其中包括局部剖视图；图4是图1的聚合物流体加热器的最佳的内部形状部分的正视剖面图；图5是用于图1的聚合物流体加热器的最佳的端接装配的正视局部剖面图；图6是用于本发明的聚合物流体加热器的最佳线圈的端部的放大的局部正视图；以及图7是用于本发明聚合物流体加热器的双线圈实施例的放大的局部正视图。
本发明提供电阻加热元件和包含这些元件的水加热器。这些器件对于减少水加热器和油加热器内的电腐蚀和氧化钙积聚以及缩短的元件寿命问题是有用的。这里使用的术语“流体”和“流质”适用于液体和气体。
参看附图，特别是其中的图1-3，它们示出了本发明的最佳聚合物流体加热器100。聚合物流体加热器100包含导电的电阻加热部件。这电阻加热部件可以呈丝、网、带或蛇形线的形状。在最佳的加热器100中，具有一对和一对端接部分12、16相连的自由端的线圈14用于产生电阻热量。线圈14用一整层的高温聚合物材料与流体之间形成密封及电绝缘。换句话说，有效的电阻加热部件由聚合物包层保护防止在流体中短路。本发明的电阻部件具有足够的表面积、长度或横截面厚度，以便把水加热到至少大约120°F的温度而不会使聚合物层熔化。从以下的讨论可以看出，这可以通过精心地选择合适的材料及其尺寸来实现。
特别是参看图3，最佳的聚合物流体加热器100一般包括三个整体部分端接装配件200，如图5所示，内模制件300，如图4所示，和聚合物包层30。现在详细说明这些子部件及其最后装配成的聚合物流体加热器100。
如图4所示，最佳的内模制件300是由高温聚合物制成的单件注射模制元件。理想的内模制件300包括法兰32，位于其最外的一端。和法兰32相邻是一个具有许多螺蚊22的安装环部分。螺纹22被设计成能在通过贮蓄箱例如水加热器箱体的侧壁的安装孔的内径内装配。可以在法兰32的内侧表面上使用O形环提供可靠的水密封。最佳的内模制件300还包括位于其优选的圆环截面部分内的热敏电阻空腔39。热敏电阻空腔39可以包括一个端部33，用来使热敏电阻25和流体隔离。热敏电阻空腔39最好有一通过法兰32的开口，从而可以容易地插入端接装配件200。优选的内模制件300还包括位于热敏电阻空腔和内模制件的外侧壁之间的至少一对导体空腔31和35，用来接收端接装配件200的导体杆18和端接导体20。内模制件300含有一系列的就其外圆周设置的径向对准的槽。这些槽可以是螺纹或不连通的沟并且应该有足够的间距以便提供用来电气隔离优选的线圈14的螺旋线的空间。
优选的内模制件300可以使用注射模制工艺制造。流通空腔11最好使用12.5英寸[31.75cm]长的液压驱动的型芯拔具形成，借以制成大约13-18英寸[33.02-45.72cm]长的元件。内模制件300可通过使用和法兰32相对设置的环形入口在金属模具中填充而成。理想的有效元件部分10的目标壁厚需小于0.5英寸[1.27cm]，最好小于0.1英寸
，其目标误差大约为0.04-0.06英寸
，据说这是注入式模制设备目前的下限。一对钩子或销子45和55也沿着有效元件延伸部分10在连续的沟槽之间或在沟槽之间模制而成，以便为一个或几个线圈的螺旋线提供端接点或固定点。可以使用侧面型芯拔具和通过法兰部分的端部型芯拔具，从而在注入模制期间提供热敏电阻空腔39、流通空腔11、导体空腔31和35、以及流通孔57。
现在参看图5说明优选的端接组件200 。端接组件200包括聚合物端帽28，被设计成用来接收一对端子连接件23和24。如图2所示，端子连接件可以包含有螺纹孔34和36，用于接收螺纹连接件例如螺钉，用来固定外部电线。端子连接件23和24是端子导体20和热敏电阻导体杆21的端部。热敏电阻导体杆21使热敏电阻端子27和端子连接件24电气相连。另一个热敏电阻端子29和热敏电阻导体杆18相连，导体杆18被设计成能够向着图4的下部装在导体空腔35内。为了构成电路而提供热敏电阻25。选择地，热敏电阻25可用恒温器代替，也可用一种固态TCO代替，或仅使用和外部断路器相连的接地带。据信接地带(未示出)可以位于一个端头部分16或12附近，使得当聚合物熔化时形成短路。
在最佳实施例中，热敏电阻25是一种速动恒温器/热保护器，例如由Portage Electric销售的型号为W的系列。这种热保护器体积小，并且适用于120/240伏交流负载。它包括一个具有带电壳体的导电的双金属片。端盖28最好是一个单独的模制聚合物零件。
在端接组件200和内模制件300制成之后，在往有效元件部分10的对齐的槽38上绕上所述的线圈14之前，最好先把端接组件200和内模制体300装配在一起。在进行装配时必须仔细，以便提供一个具有线圈端接部分12和16的完整的电路。这可以通过利用铜焊、焊接或点焊把线圈端接部分12和16焊在端接导体20和热敏电阻导体棒18上。在施加聚合物包层30之前正确地使线圈14在内模制件300上定位也是重要的。在最佳实施例中，聚合物包层30被过挤压，从而和内模制件形成热塑聚合物连接。正如内模制件300的情况一样，在模压处理期间插入型芯拔具以保持流通孔57和流通腔11被打开。
图6和图7所示是用于本发明的聚合物电阻加热元件的单电阻丝和双电阻丝实施例。在图6所示的单丝实施例中，内模制件300的对准的槽38用于把具有螺旋线42和43的第一对丝绕成线圈形式。因为最佳实施例包括折迭的电阻丝，折迭的端部或螺旋线终点44通过套在销子45上被固定。在理想情况下，销45是内模制件300的一部分并和其一道通过注射模制而成。
类似地，可以提供双电阻丝结构。在本实施例中，第一电阻丝的第一对螺旋线42和43与用一电阻丝中的下一对连续的螺旋线46和47被套在第二销子55上的第二线圈螺旋线端头54分开。和第二线圈螺旋线端头54电气相连的第二电阻丝的第二对螺旋线52和53被绕在内模制件300的和螺线线46、47相邻的下一对对准的槽中。虽然双线圈结构对每一电阻丝表现为不同的螺旋线对，但是应该理解，对于每一电阻丝的螺旋线可以以两个或多个螺旋线为一组进行绕制，或以不规则的数量进行分组绕制，并且绕制形状按需要确定，只要它们的导电线圈由内模制件或某些绝缘材料例如单独的塑料包层互相保持绝缘即可。
本发明的塑料部件最好包括在大约120-180°F[49°-82℃]的流质温度下不会严重变形或熔化的“高温”聚合物。熔化温度大于200°F[93℃]的热塑性聚合物是最理想的，虽然某些陶瓷和热固聚合物也可使用。优选的热塑聚合物可以包括碳氟化合物、聚芳基砜、聚酰亚胺、聚醚酮(Polyetheretherketone)、聚苯撑硫、聚醚砜、以及这些热塑性塑料的混合物和共聚物。可使用的热固性聚合物包括某些环氧树脂、酚醛塑料和硅酮。为改善高温化学处理也可使用液晶聚合物。
在本发明的最佳实施例中，聚苯撑硫(“PPS”)是理想的，这是因为它的耐热温度高、价格低以及特别在注射模制期间的容易的可处理性。
本发明的聚合物可以包括大约高达5-40％重量百分比的纤维加强物，例如石墨、玻璃或聚酰胺纤维。这些聚合物可以和各种添加剂混合，以便改善导热性和脱模性能。导热性可以通过加入碳、石墨以及金属粉末或金属片状粉末得以改善。不过，重要的是，这些填加物不得过量使用，因为任何导热材料的过量加入都会影响优选聚合物包层的绝缘和抗腐蚀性能。本发明的任何聚合物成分可以通过这些材料组合而成，或从这些聚合物中选出一些并根据该成分的用途确定加或不加填加物，用于制造本发明的各个部件。
用于在本发明的流体加热器中传导电流并产生热量的电阻材料最好包括导电而耐热的电阻金属。一种广泛使用的金属是Ni-Cr合金，虽然也可使用某些铜、钢和不锈钢合金。可以设想，其中含有石墨、碳或金属粉末或金属片状粉末的导电的聚合物可用作金属电阻材料的代用品，只要它们能够产生足够的电阻热量加热流体例如水即可。也可以使用这些导电材料制造优选的聚合物流体加热器100的其它的导电元件。
用于加热水的本发明的优选的聚合物流体加热器的标准额定值是240V，4500W，但是可以改变导电线圈14的长度和直径，从而提供从1000W到大约6000W最好在大约1700W和4500W之间的多种额定值。对于气体加热器，可以使用大约100至1200W的较低的功率。通过在有效元件部分10的不同部分使用多种线圈或多种电阻材料可以提供两种甚至三种功率定额。
由上述可见，本发明可以提供改进的用于所有类型的流体加热装置中的流体加热元件，其中包括水加热器和油加热器。本发明的优选的器件大部分由聚合物制成，从而降低了成本，并大大减少了在流体贮存箱中的电流作用。在本发明的某些实施例中，聚合物流体加热器可和聚合物贮蓄箱结合使用，从而可以共同避免产生和金属离子相关的腐蚀。
此外，这些聚合物流体加热器可被设计成用自身作为存贮容器的形式，以便同时存贮与加热气体或流体。在这种实施例中，流通腔11可被模制成箱体或贮槽的形式，加热线圈14可装在箱体或槽的壁内，并被通电从而加热箱或槽中的流体或气体。本发明的加热装置也可用作食物加热装置、卷曲器加热器、头发干燥器、卷曲烙铁、熨衣服的熨斗以及用作医疗保健中的加热器。
本发明还可以用于流动加热器，其中使流质流过含有一个或几个本发明的线圈或电阻部件的聚合物管道。当流质通过这种管道的内部时，管道内径的聚合物壁产生的电阻热量用来加热气体或液体。流动加热器可用作头发烘干器以及经常用来加热水的随时需要加热的加热器。
虽然已说明了本发明的各个实施例，但这只是为了说明而已，并不构成对本发明的限制。在权利要求中规定的本发明的范围之内，本领域技术人员可以作出各种改型。
权利要求
1.一种加热元件，包括导电的电阻加热体[14]，它具有一对和一对端接部分[12、16]相连的自由端，其特征在于，所述电阻加热体用模制的热塑聚合物材料的一个整层进行密封和电绝缘，所述电阻加热体通过所述聚合物层提供足够的热量，用于把流体加热到所需的温度而不使所述聚合物材料熔融化。
2.如权利要求1所述的加热元件，其中所述的层包括一个用于支撑所述电阻加热体的中心部分(core)。
3.如权利要求1所述的加热元件，其中所述电阻加热体包括至少一个螺旋线圈。
4.如权利要求1所述的加热元件，其中所述的聚合材料的层由注射模制的聚合物层构成。
5.如权利要求2所述的加热元件，其中所述的中心部分含有至少一个流通孔，用于接收流体并使其通过。
6.如权利要求1所述的加热元件，其中所述加热元件被安装在一个箱体的壁上，用于加热所述箱中的液体。
7.如权利要求1所述的加热元件，还包括高温断电装置。
8.如权利要求1所述的加热元件，其中所述的加热元件被安装在水加热器箱体上用于加热所述箱体中的水。
9.如权利要求1所述的加热元件，其中聚合物材料的层包括流体存贮容器的壁的至少一部分。
10.如权利要求1所述的加热元件，其中所述加热元件产生的热量大约为1000瓦到6000瓦，用于把液体流质加热到至少大约120°F[49℃]的温度。
11.如权利要求10所述的加热元件，其中的液体流质是水。
12.如权利要求1所述的加热元件，其中所述加热元件产生的热量从大约100瓦到大约1200瓦，用于加热气体流质。
13.如权利要求12所述的加热元件，其中的气体流质是空气。
14.如权利要求1所述的加热元件，其中所述的聚合物材料层的厚度为从大约0.04英寸(0.10cm)到大约0.5英寸(1.27cm)。
15.如权利要求1所述的加热元件，其中的热塑聚合物材料包括从聚芳基砜、聚酰亚胺、聚醚酮(Polyether ether ketone)、聚苯撑硫、硅酮、聚醚砜、液晶聚合物及其混合物和共聚物中选择的树脂。
16.如权利要求1所述的加热元件，其中聚合物材料的层含有用以改善所述聚合物材料层的导热性的添加剂。
17.如权利要求1所述的加热元件，其中聚合物材料的层含有用以使其加强的占所述聚合物层的重量的从大约5％到大约40％的添加剂。
18.如权利要求1所述的加热元件，其中所述加热元件包括具有开口端和封闭端的管道，所述封闭端具有含有螺纹的法兰连接件。
19.如权利要求1所述的加热元件，其中所述聚合物材料被模制盖住所述导电的电阻加热体。
20.一种水加热器，其中含有权利要求1的加热元件。
全文摘要
一种聚合物加热元件(10)以及含有这些元件的水加热器,利用加热元件(10)加热水。加热元件(10)包括导电的电阻体(14),当通电时可以加热流体。元件(14)被绕成螺旋形,并由完整地设置在电阻体(14)上的聚合物层(30)保护与绝缘。这种加热元件(10)重量轻,价格低,并且能减少电腐蚀和氧化钙积聚而又不牺牲加热能力。
文档编号H05B3/78GK1171878SQ95197192
公开日1998年1月28日 申请日期1995年12月28日 优先权日1994年12月29日
发明者查尔斯·M·埃克曼 申请人:能源转换公司, 里姆制造公司