专利名称：有高导热聚合物涂层的改进型浸入式加热元件的制作方法
本申请现在的美国专利号是5,586,214，它是1994年12月29日提出的和题为“其上带有电阻加热材料和聚合物层的浸入式加热元件”的美国专利申请序号08/365,920的部分继续。本申请也是1996年11月26日提出的和题为“有框架支承和可选传热片的改进型聚合物浸入式加热元件”的美国专利申请序号08/755,863的部分继续。
本申请涉及电阻加热元件，更具体地说，涉及用于加热气体和液体的装有聚合物的电阻加热元件。
在传统上，一直由金属和陶瓷部件构成用于连接水加热器的电阻加热元件。一种典型的结构包括一对钎焊于一Ni-Cr线圈端部的尾销，然后通过一个U形管状金属套轴向地安装它。用一种通常为氧化镁的粉末陶瓷材料使电阻线圈与金属套绝缘。
虽然这类传统的加热元件几十年来一直是用于水加热器工业的主要设备，但一直存在一些广泛承认的不足。例如，在金属套与罐中任何暴露金属表面之间发生的电流可使系统的各种阳极金属部件产生腐蚀。加热元件的金属套通常是铜或铜合金，它也从水中吸引氧化钙沉淀，从而能导致加热元件的早期失效。此外，随着铜的价格在几年来一直升高，黄铜配件和铜管的使用变得越来越贵。
作为金属元件的替代物，在Cunningham的美国专利No.3,943,328中已经提出了至少一种塑料套电加热元件。在公开的设备中，常规电阻丝和粉末氧化镁与塑料套结合而使用。由于这种塑料套是不导电的，所以对于与罐中水接触的加热单元的其他金属部件不会产生原电池，并且没有氧化钙积累。不幸的是，由于各种原因，这些先有技术，由于塑料套加热元件不能在正常使用寿命范围内达到较高的额定功率，而没有被广泛接收。
本发明提供了结合加热空气和水之类的流体介质使用的电阻加热元件。这些元件包括一个其上带有支撑表面的元件体；和一根电阻丝，缠绕到支撑表面上，并且连接到元件的至少一对端子端部。置于电阻丝和支撑表面上的是，形成绕电阻丝的气密密封的一个导热聚合物涂层。导热聚合物涂层具有至少约0.5W/m°K的导热率值。
本发明的导热元件设计成提供1000W至约6000W和更高的多个额定功率。对于气体加热，这些元件能提供小于约1200W的较低功率。本发明的改进型导热聚合物涂层提供使从电阻丝的散热大大改进的导热率值。这种性能使公开的元件能够提供有效的流体加热，而不熔化相当薄的聚合物涂层。载量范围最好是，聚合涂层中每100份树脂载有约60-200份陶瓷材料。由加热流体所需的导热量设置其下限，而上限是如此设置，以致于可通过标准处理，例如射压造型，使这些元件比较容易造型。纤维强化也有助于向聚合涂层提供机械强度，以便例如在水加热器中经历的那些周期性热负荷期间，阻止开裂和形变。
在本发明的附加实施例中，把改进型导热聚合涂层涂到传统的金属套元件上，以减少水加热器中的电腐蚀，而基本上不影响液体加热效率。
本发明的优选实施例，以及与公开有关的其它信息，在附图中图1是本发明优选聚合物流体加热器的立体图；图2是图1的聚合物流体加热器的左侧平面图；图3是图1的聚合物流体加热器的前视平面图，包括部分横截面和剥开图；图4是图1的聚合物流体加热器的一个优选内型段的前视平面横截面图；图5是用于图1的聚合物流体加热器的一个优选终端组件的前视平面部分横截面图；图6是用于本发明聚合物流体加热器的一个优选线圈端部的放大部分前视平面图；
图7是用于本发明聚合物流体加热器的一个双线圈实施例的放大部分前视平面图；图8是本发明加热元件的一个优选支承构架的前视立体图；图9是图8的优选支承构架的放大剖分图，说明沉积的导热聚合物涂层；图10是另一支承构架的放大横截面图；图11是图10的支承构架侧视平面图；图12是图10的全支承构架的前视平面图；和图13是涂有本发明导热聚合涂层的改进型金属套元件的横截面侧视图。
本发明提供一些电阻加热元件和装有这些元件的水加热器。这些设备用于把水和油加热器内的电腐蚀，以及氧化钙累积和元件寿命短问题减至最小。如在本文里所用，术语“流体”和“流体介质”既适用于液体又适用气体。
参考诸图，尤其参考其中的图1-3，说明本发明的一个优选聚合物流体加热器100。聚合物流体加热器100包含一种导电的电阻加热材料。这种电阻加热材料可以具有例如线，网，带，或螺旋形状的形式。在优选的加热器100中，为产生电阻热而提供一个线圈14，线圈14具有连接于一对端子端部12与16的一对自由端。用一整层的高温聚合材料在密封和电方面使线圈14与流体隔离。换句话说，保护有效电阻加热材料，使之不会由于聚合物涂层而在流体中短路。本发明的电阻材料具有充分的表面积，长度或横截面厚度，以便把水加热到至少约120°F的温度，而不熔化聚合物层。会从下面的讨论中看出，通过精心选择适宜的材料及其尺寸能够实现这件事。
特别参照图3，优选的聚合物流体加热器100通常包括三个整个部分图5所示的终端组件200，图4所示的内模300，和聚合物涂层30。现在进一步说明这些部分的每一个部分及由它们最终组装成的聚合物流体加热器100。
图4所示的优选内模300是一个由高温聚合物制成的单块模注部件。合意的内模300包括一个在其最外端的凸缘32。在凸缘32的附近，安装一个有多个螺纹22的环段。螺纹22被设计成可在通过例如水加热罐13中储罐侧壁的安装孔内径范围内适配。一个O形密封圈(未示出)可用于凸缘32的内表面上，以提供一种比较可靠的水密封。优选的内模300还包括一个位于它的优选圆截面内的热敏电阻腔39。热敏电阻腔39可以包括一个端壁33，用于隔离热敏电阻25与流体。热敏电阻腔39最好通过凸缘32打开，以便容易插入终端组件200。优选的内模300还包括至少一对导体腔31与35，它们位于热敏电阻腔与内模外壁之间，用于接受终端组件200的导体棒18和终端导体20。内模300还包含一系列围绕其外周安置的径向对准槽38。这些槽可以是螺纹和未连接沟等，并且应当充分隔开，以提供一个用于电隔离所优选线圈14的环的底座。
可用注模工艺制作优选内模300。最好使用一个12.5英寸长的液压起动型芯拉出器来制作流通腔11，借此产生一个约13-18英寸长的元件。在金属模中，可用一个与凸缘相对地安置的环门来装填内模300。希望用于有效元件段10的靶壁厚度小于0.5英寸，最好小于0.1英寸，其靶距离约为0.04-0.06英寸，认为它是用于注模设备的通用下限。还在相邻的螺纹或沟之间沿着有效元件扩展部分10模制一对钩或细棒45和55，以提供一个用于一个或多个线圈环的端点或拉线。在模注期间能够使用一些侧型芯拉出体和通过凸缘段的一个端部型芯拉出体，去提供热敏电阻腔39，流通腔11，导体腔31和35，和流通孔57。
参照图5，现在讨论优选的终端组件200。终端组件200包括一个聚合物端帽28，它被设计成接受一对终端接头23和24。如图2所示，终端接头23和24可包含螺旋孔34和36，用于接受螺旋接头，例如用于安装外部电线的螺钉。终端接头23和24是终端导体20和热敏电阻导体棒21的端部。热敏电阻导体棒21把终端接头24电连接于热敏电阻端子27。另一热敏电阻端子29被连接于热敏电阻导体棒18，棒18被设计成在导体腔35内沿着图4所示下段适配。为了完成回路，提供一个热敏电阻25。可以任选地用一个恒温器、一个固态TCO或只用一个连接于外部断路器或类似部件的接地带，来代替热敏电阻25。大家相信，能够在一个端子端部16或12附近安置接地带(未示出)，以便在聚合物熔化期间短路。
在优选的环境中，热敏电阻25是一个快速动作的恒温器/热保护器，例如Portage Electric公司销售的w型系列产品。这种热保护器具有小型尺寸，适用于120/240VAC负荷，它包括一个带有电活性盒的导电双金属结构。端帽28最好是一个独立的模制聚合物部件。
在制作终端组件200和内模300以后，最好在通过有效元件段10的对准槽38缠绕所公开线圈14之前，把它们组装在一起。在这样作时，人们必须小心，以提供一个带有线圈端子端部12和16的完整电路。可通过把线圈端子端部12和16铜焊。锡焊或点焊到端子导体20和热敏电阻导体棒18上，来保证这一点。在涂敷聚合物涂层30之前在内模300上适当地定位线圈14也是重要的。在本优选实施例中，又形成聚合物涂层30，以便与内模300一起形成一个热塑聚合物带。象内模300的情况那样，可在模制过程中把一些型芯拉出体引入模子中，以保持流通孔57和流通腔11打开。
根据图6和7，说明用于本发明聚合物电阻加热元件的单和双电阻线实施例。在图6所示的单线实施例中，内模300的对准槽38用于把具有环42和43的第一线对缠绕成线圈形式。图为本优选实施例包括一个折迭电阻线，故折迭线的端部或螺旋终点44是通过围绕细棒45折迭来覆盖的。细棒45在理论上是内模300的一部分，并且和内模300一起注射模制。
同样，能够提供一种双电阻线结构。在这实施例中，通过围绕第二细棒55缠绕的二次线圈环终点54，把第一电阻线的第一对环42和43从同一电阻线中的下一个相邻对的环46和47隔开。然后紧挨着对准槽的下一个相邻对中的环46和47，围绕内模300缠绕第二电阻线的第二对环52和53，环52和53电连接于二次线圈环终点54。虽然双线圈组件显示用于每个线的环的交替对，但很清楚，当仍然通过内模或象分隔塑料涂层等之类的某些其它绝缘材料把传导线圈互相绝缘时，就能够按照用于每个电阻线的两个或多个环的组或者按照希望的不规则数量和缠绕形状来缠绕诸环。
本发明的塑料部件，例如聚合物涂层30，支承构架70和内模300，最好包括一种“高温”聚合物，它在约120-180°F的流体介质温度下和在约450-650°F的线圈温度下不明显变形或熔化。虽然某些陶瓷和热固性聚合物也能够用于此用途，但最希望的是热塑性聚合物，它们具有大于200°F，并且最好大于线圈温度的熔化温度。优选的热塑性材料可包括碳氟化合物，聚芳基砜、聚酰亚胺，双顺丁烯二酰亚胺，聚邻苯二甲酰胺(polypathalamides)，聚醚醚酮，聚亚苯基硫醚，聚醚砜，以及这些热塑料的混合物和共聚物。适用于这类应用的热固性聚合物包括聚酰亚胺，某些环氧化物，酚醛塑料，和聚硅酮。液晶聚合物(“LCP”)也能够用于改进高温性能。
在本发明的优选实施例中，聚亚苯基硫醚(“PPS”)是最合乎需要的，因为它具有高温使用性能，低成本，尤其在模注期间容易加工。
本发明的聚合物可包含多达约5-60wt.％的强化纤维。纤维强化热塑料和恒温器可急剧地提高强度。例如，在约30wt.％装料下的短玻璃纤维可使工程塑料的拉伸强度提高到约两倍。优选的纤维包括象E-玻璃或S-玻璃之类的切碎玻璃纤维、硼纤维、象凯夫拉29或49之类的芳族聚酰胺纤维，包含高强度模量石墨的石墨和碳纤维。其它合乎需要的纤维包括热处理的聚亚苯基苯并双噻唑(PBT)纤维，聚亚苯基苯并双噁唑(PBO)纤维，和2％变形碳/石墨纤维。
这些聚合物可与各种其它添加剂混合，以改善导热性和脱模性。添加金属氧化物，氮化物，碳酸盐或碳化物(下文有时叫作“陶瓷添加剂”)和低浓度的碳或石墨，能够改善导热性。这些添加剂可以是粉末，薄片或纤维形式。良好实例包括锡、锌、铜、钼、钙、钛、锆、硼、硅、钇、铝或镁的氧化物、碳化物、碳酸盐和氮化物，或云母，玻璃陶瓷材料或熔融石英。
用于这些导热材料的在聚合物基体中的添加剂加入量范围最好是100份树脂加入约60至200份添加剂(“PPH”)，更好是约80-180PPH。虽然在此后要用较大电绝缘的聚合物层进行超模制或涂敷的情况下，能够使用不锈铜、铝、铜或黄铜之类金属的纤维、粉末薄片，和较高浓度的碳或石墨之类的导电添加剂，但所述添加剂通常是不导电的。若采用导电的添加剂则必须精心使芯体电绝缘，以防线圈之间短路。
然而，重要的是，上述添加剂不要过量使用，因为已知过量的强化纤维或金属或金属氧化物添加剂会损害模制操作。可用这些材料的任何组合物制作本发明的任何聚合物元件，或者根据元件的使用目的在有或没有用于本发明各种部件的添加剂的情况下，使用在这些聚合物中选择的聚合物。
本发明特别期待聚合树脂、玻璃纤维和各种浓度的不同导热的填料的许多组合可用于聚合物组成，以提供用于各种额定功率加热元件的需要导热值。除了强化物和导热填料之外，本发明的塑料组成可包含脱模添加剂，冲击变形剂和热氧化稳定剂，它们不但改善塑料部件性能和延长加热元件寿命，而且有助于模制工艺。
根据技术上熟知的方法，通过把聚亚苯基硫醚与所述数量的铝氧化物、镁氧化物、和切碎玻璃纤维组合在一起，制成下表1中所列的组成。模注这些材料丸，以制作按照ASTM方法测试的ASTM试样，从而提供表1中所示的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、和艾式缺口冲击数据。类似地得出导热率值。
曾发现，对比实例1具有太低的导热率，以致不能用于水加热元件。当来自实例8的具有最高导热率的材料被超模注成一个绕线芯体以形成本发明的水加热元件时，对小于0.030英寸的壁厚发生裂纹和断裂。然而，大于0.030英寸的壁厚能够受这类较高的负荷。这就证明，拉伸和弯曲强度以及冲击强度由于添加粉末状陶瓷添加剂而有表1
全部添加剂测量单位每100份聚亚苯基硫醚基质对应的份数不利的影响，但可用改变元件设计和树脂的方法去克服高负荷效应。
理想地，如果维持满意的导热率，则聚合物涂层的拉伸强度应当至少是约7,000psi，最好是约7,500-10,000psi。在工作温度下的弯曲模量应当是至少约500Kpsi，最好是大于1,000Kpsi。
最后，曾发现，在来自表1的全部材料中，那些相当于实例6和7的材料最适用于水加热元件，因为它们具有结构与导热性的最佳平衡。当然，约60-200ppH的陶瓷装载意味着尽量增加导热率，而不干扰模制操作。所得涂层的导热率应当是至少约0.5W/m°K，最好是约0.7W/m°K，理想是大约1W/m°K。
这些组成是用实例方法介绍的，不是为了限制。然而，对本专业技术人员来说，应当清楚，树脂中各种导热填料与强化纤维的组合是数不清的，也能在本发明的设备中适当进行最佳化组合。这种组合可包括例如高温LCP或PEEK树脂与硼氮化物和切碎玻璃添加剂，或者如果成本成问题，则包括PPS树脂和Al2O3，或MgO，和切碎玻璃添加剂。
借助于本发明的上述聚合材料，有可能涂敷常规电阻加热元件的金属套，以避免这类元件以前经受的许多问题。已知这类套包括铜和不锈钢。此外，本发明设想用不耐腐蚀的材料，例如碳钢作套。对于耐腐蚀材料，涂层应当相对薄于不耐腐蚀材料的涂层，这应当需要至少约10mils厚的涂层和较高的导热率值。
图13说明一种改进型的常规电阻加热元件201。元件201具有一个通过U形管状金属套220轴向地安置的电阻加热线210，在加热线210与金属套220之间装有粉末陶瓷材料230。然后用本发明的高导热聚合物涂层240涂敷套220 ，以防在金属套与系统中任何暴露阳极金属部件之间产生电流。特别具有其中所公开添加剂的聚合材料的优秀导热率，容许加热元件获得高的额定功率，这是在不熔化涂层的情况下把水有效地加热到超过120°的温度所必需的。
用射压造型法，或者在PPS、PEEK、LCD等之类的丸状或粉末状聚合物的流化床中浸涂金属套的方法，可把聚合物涂层涂敷到含有例如铜、黄铜、不锈钢或碳钢的金属套上。
用于在本发明的流体加热器中传导电流和产生热量的电阻材料，最好包含一种导电和耐热的电阻材料。虽然某些铜、钢和不锈钢合金可能是适宜的，但通用的金属是Ni-Cr合金。还设想，例如用含有石墨、碳或金属粉末或纤维的导电聚合物作金属电阻材料的替代品，只要它们能够产生足够的电阻热去加热象水之类的流体即可。也能够用这些导电材料去制作优选聚合物流体加热器100的其它导电体。
作为本发明的优选内模300的替代品，图8和9示出的支承构架70已表明可提供一些附加的优点。当象管之类的坚固内模300用于压射造型操作时，有时由于加热器设计需要小至0.025英寸的薄壁厚度和大到14英寸的特殊长度而产生不适宜的装模填。导热聚合物还出现一个问题因为它需要含有添加剂，例如玻璃纤维和陶瓷粉末，铝氧化物(Al2O3)和镁氧化物(MgO)，故使熔融的聚合物很粘。结果，需要过量的压力才能适当地装填模，并且有时这种压力引起模打开。
为了把这类问题的影响减至最小，本发明打算使用一种支承构架70，它具有多个开口和一个用于保持加热线66的支承表面。在一个优选实施例中，支承构架70包括一个管状构件，它具有约6-8个沿构架70全长展布的纵隔条69。用一系列支环60把隔条69固定在一起，支环60在管状构件长度范围纵向地隔开。这些支环60最好小于约0.05英寸厚，更好是约0.025-0.030英寸厚。隔条69在顶部宽度最好是约0.125英寸，并希望渐渐减小成尖锐传热片62。这些片62在涂敷聚合物涂层64以后应当至少伸出最终元件内径约0.125英寸，最好达0.250英寸，以便最大限度把热量导入象水之类的流体中。
隔条69的外径表面最好包括一些槽，这些槽能够适应优选电阻加热线66的一个双螺纹对准。
虽然本发明把传热片62描述成支承构架70的一部分，但也可把这些片62做成支环60或超模制聚合物涂层64的一部分，或由多个这些表而形成。同样，可在隔条69外侧上提供传热片62，以穿出聚合物涂层64。此外，本发明设想沿着所提供加热元件的内或外表面提供多个不规则的或几何形状的凸块或凹坑。已知这类传热表面有利于把热量从诸表面传入液体中。可用一些下述方式提供这些表面压注造型成聚合物涂层64或传热片62的表面，蚀刻，砂磨，或机械加工本发明的加热元件的外表面。
在本发明的一个优选实施例中，支承构架70含有热塑树脂，它可以是此中所述“高温”聚合物之一，例如聚亚苯硫醚(“PPS”)，加有少量用于结构支承的玻璃纤维，和用于改进导热率的任选陶瓷粉末，例如Al2O3或MgO粉末。此外，支承构架可以是一种熔铸的陶瓷构件，陶瓷包括一种或多种氧化铝硅酸盐，Al2O3,MgO，石墨，ZrO2,Si3N4,Y2O3,SiC,SiO2等；或者是一种热塑性或热固性聚合物，该聚合物不同于涂层30所用的“高温”聚合物。如果热塑性聚合物用于支承构架70，则它应当具有的热偏移温度大于用来模制涂层30的熔融聚合物的温度。
支承构架70被置于绕线机中，并且在优选支承表面，即间隔槽68中围绕支承构架70按照双螺旋结构折迭和缠绕优选的电阻加热线66。此后，完全缠绕的支承构架70被置于注模中，并且然后用本发明的优选聚合树脂配方之一进行超模制。在一个优选实施例中，只有一小部分传热片62保持暴露于接触的流体，而支承构架70的其余部分则在它是管子形状时在其内侧和外侧用模制的树脂覆盖。这暴露部分最好是小于支承构架70的表面积的约10％。
开放的横截面区域构成支承构架70的多个开口，它使装填较容易，并且可用模制树脂更多地覆盖电阻加热线66，同时使气泡和过热点的发生减至最小。在一些优选实施例中，开放区域应当至少占支承构架70的整个管状表面积的约10％，希望大于20％，以便在支承构架70和电阻加热线66的周围，熔融的聚合物能较容易地流动。
在图10-12中，示出另一种支承构架200。这另一支承构架200也包括多个纵向条268，条268具有一些用于接纳一个缠绕电阻加热线(未示出)的间隔槽260。纵向条268最好用一些间隔支环266固定在一起。间隔支环266包括一种有多个辐264和一个中枢262的“车轮”结构。这可增强支承构架70上的结构支承力，同时基本上不干扰优选的压射造型操作。
另一方面，能够在例如丸状或粉末状的象PPS之类的聚合物的流化床中，通过浸渍所公开的支承构架70或200和绕线芯10，涂敷本发明的聚合物涂层。在这种处理中，应当把电阻线缠绕到支承构架表面上，并且通电以产生热量。如果采用PPS，则应当在把支承构架浸入丸状聚合物的流化床中之前，产生至少约500°F的温度。流化床可使丸状聚合物与加热电阻线之间紧密地接触，从而完全围绕电阻加热线和基本围绕支承构架，大体均匀地提供一个聚合物涂层。所得元件可包括一个相当结实的结构，或者具有大量开放横截面区域，尽管假设电阻加热线应当密封地隔离流体接触。还很清楚，支承构架和电阻加热线能够被预先加热，而不是通电电阻加热线，以产生足够的热量去把聚合物丸熔化到它的表面上。这种工艺也能包括一个后流化床加热，以提供更均匀的涂层。工艺的其它改进属于当前聚合物技术范围。
对于在加热水时使用的本发明优选聚合物流体加热器，虽然能够改变电传导线圈14的长度和线直径，以提供从1000W至约6000W的多种额定功率，并且最好在1700W至4500W之间，但其标准的额定参数是240v和4500W。对于气体加热，可使用约100-1200W的较低功率。通过在沿着有效元件段10的不同段使用多个圈或多种电阻材料端接，可提供双功率，甚至三功率的能力。
从上述可知，本发明提供改进型流体加热元件，用于全部类型的流体加热设备，包括水加热器和油槽加热器。本发明的优选设备主要是聚合物作的，以便把成本减至最低，并且显著减小流体储罐内的电流腐蚀作用。在本发明的某些实施例中，聚合物流体加热器能够结合聚合物储罐使用，以避免一起产生金属离子相关腐蚀。
另一方面，这些聚合物流体加热器能够被设计成分别地用作它们自己的储存容器，以同时存储和加热气体或流体。在这种实施例中，能够以罐或储存槽形式模制流通腔11，并且加热线圈14能够装于罐或槽的壁内，和通电以加热罐或槽中的流体或气体。本发明的加热设备也能够用于食品加热器，卷发加热器，头发干燥器，卷发熨铁，衣服熨斗，和用于温泉和水池的娱乐加热器。
本发明也可用于流通加热器，其中流体介质流过一个装有本发明的一个或多个绕组或电阻材料的聚合物管。当流体介质流过这种管的内径处时，通过管的内径聚合物壁产生电阻热以加热气体或液体。流通加热器用于头发干燥器，和常用于加热水的“即热式”加热器。
虽然已说明各种实施例，但这是为了说明目的，而不是限制本发明。各种修正是本专业技术人员清楚的，属于所附权利要求书范围内。
权利要求
1．一种在加热流体介质方面使用的电阻加热元件，包括(a)一个在其上有支承表面的元件体；(b)一个电阻线，它绕在所述支承表面上，并且连接于至少一对所述元件端子端部；和(c)一个用于密封地封装所述电阻线和电气地绝缘所述电阻线和所述流体的，装于所述电阻线和所述支承表面上的导热聚合物涂层，所述聚合物涂层包含一种导热而不导电的陶瓷添加剂。
2．根据权利要求1所述的加热元件，其中所述的聚合物涂层具有至少约0.5W/m°K的导热率值。
3．根据权利要求2所述的加热元件，其中所述的聚合物涂层包括一种具有大于200°F的熔点的热塑性树脂。
4．根据权利要求3所述的加热元件，其中所述的聚合物涂层包括一种强化纤维。
5．根据权利要求4所述的加热元件，其中所述的强化纤维包括玻璃，硼，石墨，芳族聚酰胺或碳纤维。
6．根据权利要求1所述的加热元件，其中所述的陶瓷添加剂包括氮化物，氧化物或碳化物。
7．根据权利要求6所述的加热元件，其中所述的聚合物涂层包括一种装料，其数量是在所述聚合物涂层中每100份聚合物装入约60-200份所述陶瓷添加剂。
8．根据权利要求7所述的加热元件，其中所述聚合物涂层是压射成型的。
9．根据权利要求1所述的加热元件，其中所述的电阻线在成型操作期间完全封装在所述聚合物涂层中。
10．一种水加热器，包括(a)一个用于装水的罐；(b)一个附于所述罐壁上的加热元件，用于向所述罐中水部分提供电阻加热，所述的加热元件包括一个支承架；一个电阻线，它缠绕于所述支承架上，并且连接于至少一对端子端部；和一个置于所述电阻线和所述支承架主要部分上的导热聚合物涂层，用于密闭地封装所述电阻线和电气地绝缘所述电阻线和所述流体，所述聚合物涂层包括一种导热而不导电的添加剂，用于提供至少约0.5W/m°K的导热率值。
11．根据权利要求10所述的水加热元件，其中所述的聚合物涂层包括一种用于改善机械强度的纤维添加剂；并且所述的导热而不导电的添加剂包括一种含有氮化物、碳化物或氧化物的陶瓷添加剂。
12．一种制作用于加热流体的电阻元件的方法，包括(a)提供一个支承架；(b)把一个电阻加热线缠绕到所述支承架上；(c)在所述电阻加热线和所述支承架基本部分上涂敷一个导热聚合物层，以便电气地绝缘所述线和所述流体并且密封地封装所述线，所述导热聚合物涂层具有至少约0.5W/m°K的导热率值。
13．根据权利要求12所述的方法，其中所述的涂敷步骤(c)包括压射造型。
14．根据权利要求13所述的方法，其中所述的导热聚合物涂层包含约60-200份陶瓷添加剂每100份所述聚合物。
15．根据权利要求12所述的方法，其中所述的聚合物涂层包含热塑性树脂，陶瓷粉末，和切碎的玻璃纤维。
16．根据权利要求15所述的方法，其中所述的热塑性树脂包括PPS，并且所述的导热率值大于约0.7W/m°K。
17．根据权利要求15所述的方法，其中所述的热塑性树脂包括LCP。
18．根据权利要求12所述的方法，其中所述的涂敷步骤(c)包括所述电阻加热线和所述支承架浸入一个流化床中。
19．一种能通过罐壁安置的在加热流体介质方面使用的电阻加热元件，包括(a)一个聚合物支承架；(b)一个具有连接于一对端子端部的一对自由端的电阻加热线，所述电阻加热线缠绕于所述支承架上和由该架支承；和(c)一个聚合物涂层含有电绝缘而导热的陶瓷添加剂用于改善所述涂层的导热率，所述的涂层被置于所述电阻线和所述支承架一部分上，用于密封地封装所述电阻线和电气地绝缘所述电阻线和所述流体，所述的聚合物涂层具有至少约0.5W/m°K的导热率值。
20．根据权利要求19所述的加热元件，其中所述的陶瓷添加剂包括一种铝或镁的氧化物。
21．根据权利要求20所述的加热元件，其中所述聚合物涂层还包括一些切碎的玻璃纤维。
22．一种在加热流体介质方面使用的电阻加热元件，包括(a)一个其上有支承表面的元件体；(b)一个电阻线，它缠绕于所述支承表面上并且连接于所述元件的至少一对端子端部；和(c)一个被置于所述电阻线和所述支承表面主要部分上的导热聚合物涂层，用于密封地封装所述电阻线和电气地绝缘所述电阻线和所述流体，所述聚合物涂层包括一种用于通过所述涂层达到至少约0.5W/m°K的导热率值的，导热而不导电的陶瓷添加剂。
23．一种结合加热流体介质使用的电阻加热元件，包括(a)一个电阻线；(b)一个围绕和电气绝缘所述线的陶瓷材料；(c)一个包装所述陶瓷材料和电阻线的金属套；和(d)一个被置于所述金属套上的导热聚合物涂层，用于密封地封装所述金属套和电气地绝缘所述金属和所述流体，所述聚合物涂层具有至少约0.5W/m°K的导热率。
24．一种在加热流体介质方面使用的电阻加热元件，包括(a)一个电阻线；(b)一种绕围绕和电气绝缘所述线的陶瓷材料；(c)一个包装所述陶瓷材料和电阻线的金属套；和(d)一个被置于所述金属套上的导热聚合物涂层，用于密封地封装所述金属套和电气地绝缘所述金属套和所述流体，所述聚合物涂层包含一种导热而不导电的陶瓷添加剂。
25．根据权利要求24所述的加热元件，其中所述聚合物涂层具有至少约0.5W/m°K的导热率值。
全文摘要
提供电阻加热元件(100),用于加热流体介质,例如空气和水。加热元件包括—个有支承表面(10)的元件体(100),和一个绕于支承表面(10)上的连接于一对端子端部(16和12)的电阻线(14)。把—个聚合物涂层(30)涂于电阻线(14)上和大部分支承表面(10)上,涂层可密闭地封装电阻线(14)和电气地绝缘电阻线(14)和要加热的流体。导热聚合物涂层(30)具有至少约0.5W/m°K的导热率值。最好通过陶瓷粉末、铝氧化物和镁氧化物、和玻璃纤维添加剂,提供改进的性质。
文档编号H05B3/04GK1237317SQ97199646
公开日1999年12月1日 申请日期1997年12月2日 优先权日1996年12月16日
发明者查尔斯·M·俄克曼, 詹姆斯·S·勒登, 阿里·霍赫伯格 申请人:能源转换公司, 里姆斯制造公司