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喷涂电阻加热器及其用途

阅读:767发布:2021-01-03

专利汇可以提供喷涂电阻加热器及其用途专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且提供了具有至少一个 热 喷涂 的 电阻 加 热层 的加热器,所述电阻加热层包含导电并且能够与气体反应以形成一种或更多种 碳 化物、 氧 化物、氮化物和 硼 化物衍 生物 的第一金属组分;所述第一金属组分的电绝缘的一种或更多种氧化物、氮化物、碳化物和 硼化物 衍生物;以及能够使所述电阻加热层的 电阻率 稳定的第三组分。在一些实施方案中,第三组分能够钉扎沉积于电阻加热层中的第一金属组分的 晶界 和/或改变沉积于电阻加热层中的氧化 铝 晶粒的结构。,下面是喷涂电阻加热器及其用途专利的具体信息内容。

1.一种加热器,所述加热器包括至少一个喷涂电阻热层,所述电阻加热层包括:
第一金属组分,所述第一金属组分导电并且能够与气体反应以形成化物、化物、氮化物和化物衍生物中的一种或更多种;
所述金属组分的电绝缘的氧化物、氮化物、碳化物和硼化物衍生物中的一种或更多种;
以及
第三组分,所述第三组分能够使所述电阻加热层的电阻率稳定;
其中所述电阻加热层的电阻率为约0.0001Ωcm至约1.0Ωcm;以及
其中将来自电源的电流施加到所述电阻加热层致使通过所述电阻加热层产生热。
2.根据权利要求1所述的加热器,其中所述电阻加热层的电阻率在加热期间基本上不增加,或者在加热期间增加约0.003%/℃或更少。
3.根据权利要求1或2所述的加热器,其中所述第三组分具有电阻率的负温度系数
(NTC)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的加热器,其中所述第三组分能够钉扎沉积于所述电阻加热层中的所述第一金属组分的晶界,所述第三组分分散于所述电阻加热层中所述第一金属组分的晶界处从而在加热期间抑制晶粒生长。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的加热器,其中所述第一金属组分包括(Al)、碳(C)、钴(Co)、铬(Cr)、铪(Hf)、(Fe)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、(Si)、钽(Ta)、(Ti)、钨(W)、(V)、锆(Zr)、或者其混合物或合金
6.根据权利要求5所述的加热器,其中所述第一金属组分包括铝(Al)。
7.根据权利要求5或6所述的加热器,其中所述氧化物、氮化物、碳化物和硼化物衍生物中的一种或更多种包括氧化铝。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的加热器,其中所述第三组分包括铝、钡、铋、硼、碳、镓、锗、铪、镁、钐、硅、锶、碲和钇中的一者或更多者。
9.根据权利要求8所述的加热器,其中所述第三组分包括铝、钡、铋、硼、碳、镓、锗、铪、镁、钐、硅、锶、碲或钇的硼化物、氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物衍生物中的一种或更多种。
10.根据权利要求8或9所述的加热器,其中所述第三组分包括磷化硼、钛酸钡、碳化铪、碳化硅、氮化硼、氧化钇、或者其混合物或合金。
11.根据权利要求4至7中任一项所述的加热器,其中所述第三组分包括锕(Ac)、硼(B)、碳(C)、铪(Hf)、镧(La)、镥(Lu)、钼(Mo)、铌(Nb)、钯(Pd)、铷(Rb)、铑(Rh)、钌(Ru)、钪(Sc)、锶(Sr)、钽(Ta)、锝(Tc)、钛(Ti)、钇(Y)或锆(Zr)的硼化物、氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物衍生物中的一种或更多种;或者其混合物或合金。
12.根据权利要求11所述的加热器,其中所述第三组分包括硼(B)、碳(C)、锶(Sr)、钛(Ti)、钇(Y)或锆(Zr)的硼化物、氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物衍生物中的一种或更多种;或者其混合物或合金。
13.根据权利要求11或12所述的加热器,其中所述第三组分包括二硼化铪、氧化锶、氮化锶、二硼化钽、氮化钛、二氧化钛、氧化钛(II)、氧化钛(III)、二硼化钛、氧化钇、氮化钇、二硼化钇、碳化钇、二硼化锆或硅化锆;或者其混合物或合金。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的加热器,其中所述金属组分包括铝(Al);所述氧化物、氮化物、碳化物和硼化物衍生物中的一种或更多种包括氧化铝;所述第三组分能够改变沉积于所述电阻加热层中的氧化铝晶粒的结构。
15.根据权利要求14所述的加热器,其中所述氧化铝晶粒的形状为柱状。
16.根据权利要求14或15所述的加热器,其中所述氧化铝晶粒的经改变的结构增加所述电阻加热层中所述第一金属组分的抗氧化性或阻止所述电阻加热层中所述第一金属组分氧化。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的加热器,其中所述氧化铝包括Al2O3。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的加热器,其中所述第一金属组分还包括碳(C)、钴(Co)、铬(Cr)、铪(Hf)、铁(Fe)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、钒(V)、锆(Zr)、或者其混合物或合金。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的加热器,其中所述第三组分包括锕(Ac)、铈(Ce)、镧(La)、镥(Lu)、钪(Sc)、unbiunium(Ubu)、钇(Y)、或者其混合物或合金。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的加热器,其中所述电阻加热层还包括所述第三组分的氧化物、氮化物、碳化物和硼化物衍生物中的一种或更多种。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的加热器,其中所述第一金属组分包括铬(Cr)和铝(Al)的混合物。
22.根据权利要求21所述的加热器,其中所述第一金属组分还包括钴(Co)、铁(Fe)和/或镍(Ni)。
23.根据权利要求22所述的加热器,其中所述第一金属组分为基于钴的合金或混合物。
24.根据权利要求22所述的加热器,其中所述第一金属组分为基于铁的合金或混合物。
25.根据权利要求22所述的加热器,其中所述第一金属组分为基于镍的合金或混合物。
26.根据权利要求21或22所述的加热器,其中所述第一金属组分为CrAl、AlSi、NiCrAl、CoCrAl、FeCrAl、FeNiAl、FeNiCrAl、FeNiAlMo、NiCoCrAl、CoNiCrAl、NiCrAlCo、NiCoCrAlHfSi、NiCoCrAlTa、NiCrAlMo、NiMoAl、NiCrBSi、CoCrWSi、CoCrNiWTaC、CoCrNiWC、CoMoCrSi或NiCrAlMoFe。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的加热器,其中所述电阻加热层的电阻率为约
0.0001Ω.cm至约0.001Ω.cm。
28.根据权利要求27所述的加热器,其中所述电阻加热层的电阻率为约0.001至约
0.01。
29.根据权利要求28所述的加热器,其中所述电阻加热层的电阻率为约0.0005至约
0.0020。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的加热器,其中所述电阻加热层的厚度为约
0.002英寸至约0.040英寸。
31.根据权利要求1至30中任一项所述的加热器,其中所述电阻加热层的平均晶粒尺寸为约10微米至约400微米。
32.根据权利要求1至31中任一项所述的加热器,其中所述电阻加热层通过在包含氧、氮、碳和硼中一者或更多者的气体存在下热喷涂包含所述第一金属组分和所述第三组分的原料而形成于基底上,使得所述氧化物、氮化物、碳化物和硼化物衍生物中的一种或更多种在所述原料的所述热喷涂至所述基底上期间形成以形成所述电阻加热层。
33.根据权利要求1至13和21至31中任一项所述的加热器,其中所述电阻加热层通过包含所述第一金属组分和所述第三组分的单质形式的原料在包含氧、氮、碳和硼中一者或更多者的气体存在下的热喷涂而形成于基底上,使得所述氧化物、氮化物、碳化物和硼化物衍生物中的一种或更多种和所述第三组分在所述原料的所述热喷涂至所述基底上期间形成以形成所述电阻加热层。
34.根据权利要求33所述的加热器,其中所述原料还包含所述第三组分。
35.根据权利要求33或34所述的加热器,其中包含所述第三组分的所述单质形式的所述原料包含CrAlY、CoCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlY、CoNiCrAlY、NiCrAlCoY、FeCrAlY、FeNiAlY、FeNiCrAlY、NiMoAlY、NiCrAlMoY或NiCrAlMoFeY。
36.根据权利要求33至35中任一项所述的加热器,其中所述电阻加热层还包含所述第三组分的所述单质形式。
37.根据权利要求1至36中任一项所述的加热器,其中所述电阻加热层是电弧丝喷涂的、等离子体喷涂的或高速氧-燃料喷涂(HVOF)的。
38.根据权利要求32至37中任一项所述的加热器,其中所述原料为丝的形式。
39.根据权利要求32至37中任一项所述的加热器,其中所述原料为粉末的形式。
40.根据权利要求33至37中任一项所述的加热器,其中在喷涂之前将所述第一金属组分、所述第三组分和/或所述第三组分的所述单质形式组合在一起作为混合物或合金。
41.根据权利要求1至31中任一项所述的加热器,还包括其上涂覆有所述电阻加热层的基底。
42.根据权利要求32至41中任一项所述的加热器,其中所述基底包括导体、金属、陶瓷、塑料、石墨或碳纤维元件。
43.根据权利要求32至42中任一项所述的加热器,其中所述基底是管、喷嘴叶轮或无火花点火装置,或用于快速热处理装置。
44.根据权利要求1至43中任一项所述的加热器,还包括偶接至所述电阻加热层的电压源。
45.根据权利要求1至44中任一项所述的加热器,其中所述电阻加热层包括多个热喷涂的层。
46.根据权利要求1至45中任一项所述的加热器,还包括热障层。
47.根据权利要求46所述的加热器,其中所述热障层设置在所述基底与所述电阻加热层之间。
48.根据权利要求46所述的加热器,其中所述电阻加热层设置在所述热障层与所述基底之间。
49.根据权利要求32至48中任一项所述的加热器,还包括以下中的一者或更多者:所述基底与所述电阻加热层之间的接合层;所述基底与所述电阻加热层之间的电绝缘层;以及所述基底与所述电阻加热层之间的热障层。
50.根据权利要求1至49中任一项所述的加热器,还包括所述电阻加热层上的涂层,所述涂层包括热障层、电绝缘层、散热层和热传导层中的一者或更多者。
51.根据权利要求1至50中任一项所述的加热器,其中所述加热器可在空气中不超过
1400℃下操作。
52.一种在基底上的热喷涂的电阻加热层,所述电阻加热层通过原料在包含氧、氮、碳和硼中一者或更多者的气体存在下的热喷涂而形成,所述原料包含具有式I的结构的合金或混合物:
M1X  (I)
其中:
M1是第一金属组分,所述第一金属组分导电并且能够与气体反应以形成其碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物中的一种或更多种;
所述第一金属组分在所述热喷涂期间与所述气体反应,形成其碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物中的一种或更多种;以及
X是第三组分和/或其单质形式,所述第三组分能够使所述电阻加热层的电阻率稳定。
53.根据权利要求52所述的电阻加热层,其中所述第三组分能够钉扎沉积于所述电阻加热层中的所述第一金属组分的晶界。
54.根据权利要求52或53所述的电阻加热层,其中X包含所述第三组分的所述单质形式而不是所述第三组分本身,所述单质形式在所述热喷涂期间与所述气体反应以形成所述第三组分。
55.根据权利要求54所述的电阻加热层,其中所述单质形式仅部分地与所述气体反应,所述第三组分及其所述单质形式二者均沉积于所述电阻加热层中。
56.根据权利要求52所述的电阻加热层,其中X包括所述第三组分及其所述单质形式二者。
57.根据权利要求56所述的电阻加热层,其中所述第三组分及其所述单质形式二者均沉积于所述电阻加热层中。
58.根据权利要求52至57中任一项所述的电阻加热层,其中所述第三组分具有电阻的负温度系数(NTC)。
59.根据权利要求52至58中任一项所述的电阻加热层,其中所述第三组分或其所述单质形式分散于所述电阻加热层中所述第一金属组分的晶界处并且在加热期间抑制晶粒生长。
60.根据权利要求52或53所述的电阻加热层,其中所述原料包含具有式Ia的结构的合金或混合物:
M1AlX  (Ia)
其中:
M1是第一金属组分,所述第一金属组分导电并且能够与气体反应以形成碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物中的一种或更多种;
所述第一金属组分在所述热喷涂期间与所述气体反应,形成碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物中的一种或更多种;
Al在所述热喷涂期间与所述气体反应,形成其的碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物中的一种或更多种;以及
X是第三组分,所述第三组分能够改变沉积于所述电阻加热层中Al的碳化物、氧化物、氮化物和硼化物中的一种或更多种衍生物的晶粒结构。
61.根据权利要求60所述的电阻加热层,其中所述气体包含氧,所述Al的碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物中的一种或更多种包括氧化铝。
62.根据权利要求61所述的电阻加热层,其中所述氧化铝包括Al2O3。
63.根据权利要求60至62中任一项所述的电阻加热层,其中X改变了所述氧化铝或Al2O3的晶粒结构,使得所述氧化铝或Al2O3晶粒的形状为柱状。
64.根据权利要求63所述的电阻加热层,其中所述氧化铝或Al2O3的经改变的晶粒结构增加M1的抗氧化性或阻止M1的氧化。
65.根据权利要求60至64中任一项所述的电阻加热层,其中M1包括碳(C)、钴(Co)、铬(Cr)、铪(Hf)、铁(Fe)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、钒(V)、锆(Zr)、或者其混合物或合金。
66.根据权利要求60至65中任一项所述的电阻加热层,其中X包括锕(Ac)、铈(Ce)、镧(La)、镥(Lu)、钪(Sc)、unbiunium(Ubu)、钇(Y)、或者其混合物或合金。
67.根据权利要求60至66中任一项所述的电阻加热层,其中M1包括铬(Cr)、钴(Co)、铁(Fe)和/或镍(Ni)。
68.根据权利要求60至67中任一项所述的电阻加热层,其中式(I)的合金或混合物包括CrAlY、CoCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlY、CoNiCrAlY、NiCrAlCoY、FeCrAlY、FeNiAlY、FeNiCrAlY、NiMoAlY、NiCrAlMoY或NiCrAlMoFeY。
69.根据权利要求60至68中任一项所述的电阻加热层,其中X在所述热喷涂期间部分地与所述气体反应,形成其碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物中的一种或更多种。
70.根据权利要求69所述的电阻加热层,其中所述电阻加热层包含X及其碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物的一种或更多种。
71.根据权利要求70所述的电阻加热层,其中所述电阻加热层包含X和X的氧化物衍生物。
72.根据权利要求52至71中任一项所述的电阻加热层,其中所述第三组分使所述电阻加热层的电阻率稳定,使得所述电阻加热层的电阻率在加热期间基本上不增加,或者在加热期间增加约0.003%/℃或更少。
73.根据权利要求52至59和72中任一项所述的电阻加热层,其中M1包括铝(Al)、碳(C)、钴(Co)、铬(Cr)、铪(Hf)、铁(Fe)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、钒(V)、锆(Zr)、或者其混合物或合金。
74.根据权利要求73所述的电阻加热层,其中M1包括铝(Al)。
75.根据权利要求74所述的电阻加热层,其中所述氧化物、氮化物、碳化物和硼化物衍生物中的一种或更多种包括氧化铝。
76.根据权利要求52至59和72至75中任一项所述的电阻加热层,其中X包括铝、钡、铋、硼、碳、镓、锗、铪、镁、钐、硅、锶、碲和钇中的一者或更多者。
77.根据权利要求52至59和72至75中任一项所述的电阻加热层,其中X包括铝、钡、铋、硼、碳、镓、锗、铪、镁、钐、硅、锶、碲或钇的硼化物、氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物衍生物中的一种或更多种。
78.根据权利要求52至59和72至75中任一项所述的电阻加热层,其中X包括磷化硼、钛酸钡、碳化铪、碳化硅、氮化硼、氧化钇、或者其混合物或合金。
79.根据权利要求52至59和72至75中任一项所述的电阻加热层,其中所述第三组分包括铝、钡、铋、硼、碳、镓、锗、铪、镁、钐、硅、锶、碲和钇中的一者或更多者。
80.根据权利要求52至59和72至75中任一项所述的电阻加热层,其中所述第三组分包括铝、钡、铋、硼、碳、镓、锗、铪、镁、钐、硅、锶、碲或钇的硼化物、氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物衍生物中的一种或更多种。
81.根据权利要求52至59和72至75中任一项所述的电阻加热层,其中所述第三组分包括磷化硼、钛酸钡、碳化铪、碳化硅、氮化硼、氧化钇、或者其混合物或合金。
82.根据权利要求52至59和72至75中任一项所述的电阻加热层,其中X包括锕(Ac)、硼(B)、碳(C)、铪(Hf)、镧(La)、镥(Lu)、钼(Mo)、铌(Nb)、钯(Pd)、铷(Rb)、铑(Rh)、钌(Ru)、钪(Sc)、锶(Sr)、钽(Ta)、锝(Tc)、钛(Ti)、钇(Y)或锆(Zr)的硼化物、氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物衍生物中的一种或更多种;或者其混合物或合金。
83.根据权利要求52至59和72至75中任一项所述的电阻加热层,其中X包括硼(B)、碳(C)、锶(Sr)、钛(Ti)、钇(Y)或锆(Zr)的硼化物、氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物衍生物中的一种或更多种;或者其混合物或合金。
84.根据权利要求82或83所述的电阻加热层,其中X包括二硼化铪、氧化锶、氮化锶、二硼化钽、氮化钛、二氧化钛、氧化钛(II)、氧化钛(III)、二硼化钛、氧化钇、氮化钇、二硼化钇、碳化钇、二硼化锆或硅化锆;或者其混合物或合金。
85.根据权利要求52至75中任一项所述的电阻加热层,其中X包括锕(Ac)、硼(B)、碳(C)、铪(Hf)、镧(La)、镥(Lu)、钼(Mo)、铌(Nb)、钯(Pd)、铷(Rb)、铑(Rh)、钌(Ru)、钪(Sc)、锶(Sr)、钽(Ta)、锝(Tc)、钛(Ti)、钇(Y)或锆(Zr);或者其混合物或合金。
86.根据权利要求52至59和72至75中任一项所述的电阻加热层,其中X包括硼(B)、碳(C)、锶(Sr)、钛(Ti)、钇(Y)或锆(Zr);或者其混合物或合金。
87.根据权利要求52至59和72至75中任一项所述的电阻加热层,其中所述第三组分包括二硼化铪、氧化锶、氮化锶、二硼化钽、氮化钛、二氧化钛、氧化钛(II)、氧化钛(III)、二硼化钛、氧化钇、氮化钇、二硼化钇、碳化钇、二硼化锆和硅化锆中的一者或更多者。
88.根据权利要求52至59和72至75中任一项所述的电阻加热层,其中M1包括铬(Cr)和铝(Al)的混合物。
89.根据权利要求88所述的电阻加热层,其中M1还包括钴(Co)、铁(Fe)和/或镍(Ni)。
90.根据权利要求89所述的电阻加热层,其中M1是基于钴的合金或混合物。
91.根据权利要求89所述的电阻加热层,其中M1是基于铁的合金或混合物。
92.根据权利要求89所述的电阻加热层,其中M1是基于镍的合金或混合物。
93.根据权利要求88或89所述的电阻加热层,其中M1是CrAl、AlSi、NiCrAl、CoCrAl、FeCrAl、FeNiAl、FeNiCrAl、FeNiAlMo、NiCoCrAl、CoNiCrAl、NiCrAlCo、NiCoCrAlHfSi、NiCoCrAlTa、NiCrAlMo、NiMoAl、NiCrBSi、CoCrWSi、CoCrNiWTaC、CoCrNiWC、CoMoCrSi或NiCrAlMoFe。
94.根据权利要求52至59和72至93中任一项所述的电阻加热层,其中式(I)的合金或混合物包括CrAlY、CoCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlY、CoNiCrAlY、NiCrAlCoY、FeCrAlY、FeNiAlY、FeNiCrAlY、NiMoAlY、NiCrAlMoY或NiCrAlMoFeY。
95.一种加热器,包括根据权利要求52至94中任一项所述的热喷涂的电阻加热层。
96.一种生产具有基底和电阻加热层的电阻加热器的方法,所述方法包括以下步骤:
a)选择导电并且能够与气体反应以形成碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物中的一种或更多种的第一金属组分,所述气体包含氮、氧、碳和硼中的一者或更多者;
b)选择第三组分和/或其单质形式,所述第三组分能够使所述电阻加热层的电阻率稳定;以及
c)在所述气体的存在下将所述第一金属组分和所述第三组分和/或其单质形式的混合物或合金在以下条件下热喷涂到所述基底上:至少部分所述第一金属组分与所述气体反应以形成所述碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物中的一种或更多种;如果存在的话,所述第三组分的所述单质形式至少部分地与所述气体反应以形成所述第三组分;
使得所述电阻加热层沉积在所述基底上,所述电阻加热层包含所述第一金属组分,所述其碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物中的一种或更多种,以及所述第三组分。
97.根据权利要求96所述的方法,其中所述第三组分具有电阻率的负温度系数(NTC)。
98.根据权利要求96或97所述的方法,其中所述第三组分使所述电阻加热层的电阻率稳定,使得所述电阻加热层的电阻率在加热期间基本上不增加,或者在加热期间增加约
0.003%/℃或更少。
99.根据权利要求96至98中任一项所述的方法,其中所述第三组分能够钉扎沉积于所述电阻加热层中的所述第一金属组分的晶界,所述第三组分分散于所述电阻加热层中所述第一金属组分的晶界处并且在加热期间抑制所述第一金属组分的晶粒生长。
100.根据权利要求96至99中任一项所述的方法,还包括以下步骤:
d)确定所述电阻加热层的期望电阻率;以及
e)选择所述第一金属组分和所述气体的比例,使得当其被喷涂时获得所述电阻加热层的所述期望电阻率。
101.根据权利要求96至100中任一项所述的方法,还包括在所述基底与所述电阻加热层之间设置电绝缘层的步骤。
102.根据权利要求101所述的方法,还包括在所述绝缘层与所述基底之间设置粘合层的步骤。
103.根据权利要求102所述的方法,其中所述粘合层包含镍-铬合金、镍-铬-铝-钇合金或镍-铝合金
104.根据权利要求96至103中任一项所述的方法,还包括在所述电阻加热层与所述基底之间设置热反射层的步骤。
105.根据权利要求104所述的方法,其中所述热反射层包含氧化锆。
106.根据权利要求96至105中任一项所述的方法,还包括将陶瓷层设置到所述电阻加热层表面的步骤。
107.根据权利要求106所述的方法,其中所述陶瓷层包含氧化铝。
108.根据权利要求96至107中任一项所述的方法,还包括将金属层设置到所述电阻加热层表面的步骤。
109.根据权利要求108所述的方法,其中所述金属层包含钼或钨。
110.根据权利要求96至109中任一项所述的方法,其中在所述热喷涂的步骤之前不存在所述第一金属组分与所述气体的反应。
111.根据权利要求96至110中任一项所述的方法,还包括向所述电阻加热层提供电的步骤。
112.根据权利要求96至111中任一项所述的方法,其中所述第一金属组分包含铝(Al)、碳(C)、钴(Co)、铬(Cr)、铪(Hf)、铁(Fe)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、钒(V)、锆(Zr)、或者其混合物或合金。
113.根据权利要求112所述的方法,其中所述第一金属组分包含铝(Al)。
114.根据权利要求113所述的方法,其中所述氧化物、氮化物、碳化物和硼化物衍生物中的一种或更多种包括氧化铝。
115.根据权利要求114所述的方法,其中所述第三组分改变沉积于所述电阻加热层中的所述氧化铝晶粒的结构。
116.根据权利要求115所述的方法,其中沉积于所述电阻加热层中的所述氧化铝晶粒的形状为柱状。
117.根据权利要求115或116所述的方法,其中所述氧化铝晶粒的所述经改变的结构增加沉积于所述电阻加热层中的所述第一金属组分的抗氧化性或阻止沉积于所述电阻加热层中的所述第一金属组分氧化。
118.根据权利要求115至117中任一项所述的方法,其中所述氧化铝包括Al2O3。
119.根据权利要求115至118中任一项所述的方法,其中所述第三组分包含锕(Ac)、铈(Ce)、镧(La)、镥(Lu)、钪(Sc)、unbiunium(Ubu)、钇(Y)、或者其混合物或合金。
120.根据权利要求115至119中任一项所述的方法,其中所述电阻加热层还包含所述第三组分的氧化物、氮化物、碳化物和硼化物衍生物中的一种或更多种。
121.根据权利要求115至120中任一项所述的方法,其中所述第一金属组分包含铬(Cr)和铝(Al)的混合物。
122.根据权利要求121所述的方法,其中所述第一金属组分还包含钴(Co)、铁(Fe)和/或镍(Ni)。
123.根据权利要求115至122中任一项所述的方法,其中所述第一金属组分为基于钴的合金或混合物。
124.根据权利要求115至122中任一项所述的方法,其中所述第一金属组分为基于铁的合金或混合物。
125.根据权利要求115至122中任一项所述的方法,其中所述第一金属组分为基于镍的合金或混合物。
126.根据权利要求115至125中任一项所述的方法,其中所述第一金属组分包括铝和选自以下的一种或更多种另外的金属组分:碳(C)、钴(Co)、铬(Cr)、铪(Hf)、铁(Fe)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、钒(V)、锆(Zr)及其混合物,所述铝和所述一种或更多种另外的金属组分以合金或混合物的形式一起提供。
127.根据权利要求126所述的方法,其中所述合金或混合物为CrAl、AlSi、NiCrAl、CoCrAl、FeCrAl、FeNiAl、FeNiCrAl、FeNiAlMo、NiCoCrAl、CoNiCrAl、NiCrAlCo、NiCoCrAlHfSi、NiCoCrAlTa、NiCrAlMo、NiMoAl或NiCrAlMoFe。
128.根据权利要求96至114中任一项所述的方法,其中所述第三组分包含铝、钡、铋、硼、碳、镓、锗、铪、镁、钐、硅、锶、碲和钇中的一者或更多者。
129.根据权利要求96至114中任一项所述的方法,其中所述第三组分包含铝、钡、铋、硼、碳、镓、锗、铪、镁、钐、硅、锶、碲或钇的硼化物、氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物衍生物中的一种或更多种。
130.根据权利要求96至114中任一项所述的方法,其中所述第三组分包含磷化硼、钛酸钡、碳化铪、碳化硅、氮化硼、氧化钇、或者其混合物或合金。
131.根据权利要求96至114中任一项所述的方法,其中所述第三组分包含锕(Ac)、硼(B)、碳(C)、铪(Hf)、镧(La)、镥(Lu)、钼(Mo)、铌(Nb)、钯(Pd)、铷(Rb)、铑(Rh)、钌(Ru)、钪(Sc)、锶(Sr)、钽(Ta)、锝(Tc)、钛(Ti)、钇(Y)或锆(Zr)的硼化物、氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物衍生物中的一种或更多种;或者其混合物或合金。
132.根据权利要求131所述的方法,其中所述第三组分包含硼(B)、碳(C)、锶(Sr)、钛(Ti)、钇(Y)或锆(Zr)的硼化物、氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物衍生物中的一种或更多种;或者其混合物或合金。
133.根据权利要求131或132所述的方法,其中所述第三组分包含二硼化铪、氧化锶、氮化锶、二硼化钽、氮化钛、二氧化钛、氧化钛(II)、氧化钛(III)、二硼化钛、氧化钇、氮化钇、二硼化钇、碳化钇、二硼化锆或硅化锆;或者其混合物或合金。
134.根据权利要求96至114和128至133中任一项所述的方法,其中所述第一金属组分包含铬(Cr)和铝(Al)的混合物。
135.根据权利要求134所述的方法,其中所述第一金属组分还包含钴(Co)、铁(Fe)和/或镍(Ni)。
136.根据权利要求135所述的加热器,其中所述第一金属组分为基于钴的合金或混合物。
137.根据权利要求135所述的加热器,其中所述第一金属组分为基于铁的合金或混合物。
138.根据权利要求135所述的加热器,其中所述第一金属组分为基于镍的合金或混合物。
139.根据权利要求96至114和128至138中任一项所述的方法,其中所述第一金属组分为CrAl、AlSi、NiCrAl、CoCrAl、FeCrAl、FeNiAl、FeNiCrAl、FeNiAlMo、NiCoCrAl、CoNiCrAl、NiCrAlCo、NiCoCrAlHfSi、NiCoCrAlTa、NiCrAlMo、NiMoAl、NiCrBSi、CoCrWSi、CoCrNiWTaC、CoCrNiWC、CoMoCrSi或NiCrAlMoFe。
140.根据权利要求96至114和128至139中任一项所述的方法,其中所述第一金属组分和所述第三组分和/或其单质形式的所述混合物包括CrAlY、CoCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlY、CoNiCrAlY、NiCrAlCoY、FeCrAlY、FeNiAlY、FeNiCrAlY、NiMoAlY、NiCrAlMoY或NiCrAlMoFeY。
141.根据权利要求96至140中任一项所述的方法,其中所述电阻加热层的电阻率为约
0.0001Ω.cm至约0.001Ω.cm。
142.根据权利要求96至141中任一项所述的方法,其中所述电阻加热层的厚度为约
0.002英寸至约0.040英寸或约0.002英寸至约0.020英寸。
143.根据权利要求96至142中任一项所述的方法,其中所述电阻加热层的平均晶粒尺寸为约10微米至约400微米。
144.根据权利要求96至143中任一项所述的方法,其中所述混合物是未预合金化的粉末。
145.根据权利要求96至143中任一项所述的方法,其中所述合金是丝或粉末。
146.一种电烤炉,包括根据权利要求1至51和95中任一项所述的加热器或根据权利要求52至94中任一项所述的热喷涂的电阻加热层。
147.一种电烤炉,包括格栅;位于所述格栅下方的隔热罩;和所述隔热罩表面上方的根据权利要求52至95中任一项所述的电阻加热层。
148.一种电烤炉,包括金属板,所述金属板被成型为提供用于支撑所述板上的食物和用于从所述食物中排出液体的结构;和所述金属板表面上方的根据权利要求52至95中任一项所述的电阻加热层。
149.一种生产具有格栅的电烤炉的方法,所述格栅包括用于支撑所述格栅上的食物和用于从所述食物中排出液体的结构,所述方法包括:将根据权利要求52至95中任一项所述的电阻加热层沉积于电绝缘体上以提供加热元件,所述加热元件与所述格栅热连通。
150.一种电烤炉,包括:
格栅;
位于所述格栅底部上的电绝缘体层;
沉积于所述电绝缘体层的底部上的与所述格栅相对的部分上的根据权利要求52至95中任一项所述的热喷涂的电阻加热层;
位于所述格栅与所述电绝缘体层之间的加热器板,其中所述加热器板能够接收从所述加热层发出的能量且将所接收的能量转移至所述格栅。
151.根据权利要求146至148和150中任一项所述的电烤炉,其中所述电阻加热层为在
120伏特或220伏特下工作的电阻加热器。
152.根据权利要求146至148和150至151中任一项所述的电烤炉,还包括连接至所述电阻加热层的电源。
153.根据权利要求146至148和150至152中任一项所述的电烤炉,其中所述烤炉主要通过辐射对流加热或其组合进行加热。

说明书全文

喷涂电阻加热器及其用途

[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2014年11月26日提交的美国临时申请第62/085,225号、2014年11月26日提交的美国临时申请第62/085,224号和2014年11月26日提交的美国临时申请第62/085,223号的优先权,其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

[0003] 本发明涉及热喷涂的电阻加热器领域、用于制造电阻加热器的方法及其应用。

背景技术

[0004] 热喷涂技术已经被用于沉积用于加热器的涂层。电阻加热器通过加热器材料原子电子的激发而产生热。产生热的速率为功率,其取决于电流流动的量和由材料对电流提供的电阻。加热器的电阻取决于称为“电阻率”的材料特性,以及描述电流路径的长度和电流必须通过的截面面积的几何因子。
[0005] 热喷涂涂层具有独特的显微结构。在沉积过程期间,每个颗粒进入气流、熔化并冷却成独立于其他颗粒的固体形式。当熔融颗粒碰撞正在被涂覆的基底时,其作为平坦的圆片碰撞(“泼溅”)并以高冷却速率凝固。涂层通过在基底上重复来回移动等离子体枪装置而堆积在基底上,逐层堆积直到已达到涂层的期望厚度。因为颗粒在泼溅时凝固,所以生成的显微结构是非常薄的层状,并且晶粒近似于无规堆叠在基底平面上方的圆片。
[0006] 电阻涂层已预先使用热喷涂进行沉积。在一个这样的实例中,将金属合金例如80%镍-20%铬沉积并用作加热器。在另一个实例中,在沉积之前将粉末形式的金属合金与电绝缘体(例如)的粉末混合。然后使用热喷涂沉积经混合的材料以形成电阻材料的涂层。然而,当镍-铬沉积为电阻加热器时,所述层的体电阻率仍然相当低,因此在没有小截面和/或长路径长度的情况下,不能获得加热元件的高电阻。当沉积氧化物-金属共混物时,电阻层组成中的大间断频繁存在,其产生基底上功率分布的变化。
[0007] 在另一个实例中,已经描述(见例如美国专利第6,919,543号)了包含导电(即,具有低电阻率)的金属组分和所述金属组分的电绝缘(即,具有高电阻率)的氧化物、氮化物、化物和/或化物衍生物的电阻加热器。通过在使用热喷涂方法沉积金属组分和衍生物期间控制氧化物、氮化物、碳化物和硼化物形成的量而部分地控制电阻率。还已经描述了用于使用这样的电阻加热器层加热材料的系统和方法(见例如美国专利第6,924,468号)及其各种应用(例如如美国专利第7,834,296号中所述,包括电阻加热层的电烤炉)。然而,电阻加热层在加热期间可能不稳定,导致不均匀的加热、减少的加热器寿命和/或最终的加热器故障。
[0008] 因此,工业中存在着至今尚未解决的需求:解决上述缺陷和不足。

发明内容

[0009] 本发明提供了电阻加热器及其用途。电阻加热器包括至少一个热喷涂的电阻加热层,加热层包含:导电(即,具有低电阻率)的第一金属组分;该第一金属组分的电绝缘(即,具有高电阻率)的一种或更多种氧化物、氮化物、碳化物和硼化物衍生物;以及使加热层的电阻率稳定的第三组分(例如,具有电阻率的负温度系数(NTC))。电阻率通过在第一金属组分及其衍生物的沉积期间控制氧化物、氮化物、碳化物和/或硼化物形成的量来部分地控制。第三组分在加热期间使加热器或加热层的电阻率稳定,从而提供更大的稳定性和/或寿命。电阻加热器具有许多工业和商业应用,例如电烤炉、模塑的热塑性部件、纸和半导体晶片的生产。
[0010] 因此,在本发明的第一个方面中,提供了包括热喷涂的电阻加热层的电阻加热器,该热喷涂的电阻加热层具有稳定的电阻率(例如,电阻率在加热期间基本上不增加,或者在加热期间可能增加约0.003%/℃或更少)。电阻加热层的电阻率为约0.0001Ω.cm至约1.0Ω.cm。将来自电源的电流施加到电阻加热层致使产生热。理想地,加热器设置在基底(例如烤炉或烹饪表面或元件)上。
[0011] 在特定实施方案中,第一金属组分中包含多于一种金属或类金属。例如,在这样的实施方案中,第一金属组分可包含一种或更多种金属或类金属,例如铝(Al)、铬(Cr)、钴(Co)、(Fe)和镍(Ni)。
[0012] 在一个特定实施方案中,第三组分能够钉扎沉积于电阻加热层中的第一金属组分的晶界。第一金属组分的晶界可被第三组分钉扎,在加热期间抑制晶粒生长或进一步的晶粒生长,从而为电阻加热层提供更大的稳定性和/或寿命。因此,在一些实施方案中,提供了包括热喷涂的电阻加热层的电阻加热器,该电阻加热层中具有第一金属组分的稳定金属晶粒。
[0013] 在另一个实施方案中,第一金属组分至少包含铝;第一金属组分的一种或更多种氧化物、氮化物、碳化物和硼化物衍生物至少包括氧化铝;第三组分能够改变沉积于电阻加热层中的氧化铝晶粒的结构。在这样的实施方案中,氧化铝晶粒的结构被第三组分改变,产生可以增加电阻加热层中第一金属组分的抗氧化性或阻止其进一步氧化的柱状氧化铝晶粒。因此,在一些实施方案中,提供了包括热喷涂的电阻加热层的电阻加热器,该热喷涂的电阻加热层具有增加电阻加热层中第一金属组分的抗氧化性或阻止其进一步氧化的柱状氧化铝晶粒。在这样的实施方案中,第一金属组分可包含例如铝和一种或更多种另外的金属或类金属,如铬(Cr)、钴(Co)、铁(Fe)和镍(Ni)。
[0014] 在本发明的第二个方面中,提供了基底上的热喷涂的电阻加热层。热喷涂的电阻加热层通过在气体的存在下热喷涂原料来形成,该气体包含氧、氮、碳和硼中的一者或更多者。原料包含组分M1和X的混合物、或者具有I的结构的合金或混合物:
[0015] M1X  (I)
[0016] M1是导电并且能够与气体反应(例如,在热喷涂期间)形成一种或更多种碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物的第一金属组分。X是第三组分和/或第三组分的单质形式(即,在热喷涂期间与气体反应以形成第三组分的物质),第三组分使沉积的电阻加热层的电阻率稳定(例如,在加热期间)。例如,在一个实施方案中,第三组分具有电阻率的负温度系数(NTC),从而使电阻加热层的电阻率稳定。在一个实施方案中,第三组分使电阻率稳定,使得电阻率在加热期间基本上不增加。在另一个实施方案中,电阻率在加热期间增加约0.003%/℃或更少。
[0017] 在一些实施方案中,第三组分能够钉扎沉积于电阻加热层中的第一金属组分的晶界。
[0018] 在一个实施方案中,M1包含CrAl。在另一个实施方案中,M1包含AlSi。在另一个实施方案中,M1包含NiCrAl。在另一个实施方案中,M1包含CoCrAl。在另一个实施方案中,M1包含FeCrAl。在另一个实施方案中,M1包含FeNiAl。在另一个实施方案中,M1包含FeNiAlMo。在另一个实施方案中,M1包含FeNiCrAl。在另一个实施方案中,M1包含NiCoCrAl。在另一个实施方案中,M1包含CoNiCrAl。在另一个实施方案中,M1包含NiCrAlCo。在另一个实施方案中,M1包含NiCoCrAlHfSi。在另一个实施方案中,M1包含NiCoCrAlTa。在另一个实施方案中,M1包含NiCrAlMo。在另一个实施方案中,M1包含NiMoAl。在另一个实施方案中,M1包含NiCrAlMoFe。在另一个实施方案中,M1包含NiCrBSi。在另一个实施方案中,M1包含CoCrWSi。在另一个实施方案中,M1包含CoCrNiWTaC。在另一个实施方案中,M1包含CoCrNiWC。在另一个实施方案中,M1包含CoMoCrSi。
[0019] 在一个实施方案中,X包含铝。在另一个实施方案中,X包含钡。在另一个实施方案中,X包含铋。在另一个实施方案中,X包含硼。在另一个实施方案中,X包含碳。在另一个实施方案中,X包含镓。在另一个实施方案中,X包含锗。在另一个实施方案中,X包含铪。在另一个实施方案中,X包含镁。在另一个实施方案中,X包含钐。在另一个实施方案中,X包含。在另一个实施方案中,X包含锶。在另一个实施方案中,X包含碲。在另一个实施方案中,X包含钇。在另一个实施方案中,X包含磷化硼。在另一个实施方案中,X包含酸钡。在另一个实施方案中,X包含碳化铪。在另一个实施方案中,X包含碳化硅。在另一个实施方案中,X包含氮化硼。在另一个实施方案中,X包含氧化钇。
[0020] 在一个实施方案中,具有式I的结构的合金或混合物包含CrAlY。在另一个实施方案中,具有式I的结构的合金或混合物包含CoCrAlY。在另一个实施方案中,具有式I的结构的合金或混合物包含NiCrAlY。在另一个实施方案中,具有式I的结构的合金或混合物包含NiCoCrAlY。在另一个实施方案中,具有式I的结构的合金或混合物包含CoNiCrAlY。在另一个实施方案中,具有式I的结构的合金或混合物包含NiCrAlCoY。在另一个实施方案中,具有式I的结构的合金或混合物包含FeCrAlY。在另一个实施方案中,具有式I的结构的合金或混合物包含FeNiAlY。在另一个实施方案中,具有式I的结构的合金或混合物包含FeNiCrAlY。在另一个实施方案中,具有式I的结构的合金或混合物包含NiMoAlY。在另一个实施方案中,具有式I的结构的合金或混合物包含NiCrAlMoY。在另一个实施方案中,具有式I的结构的合金或混合物包含NiCrAlMoFeY。
[0021] 在一个特定实施方案中,原料包含组分M1、Al和X的混合物、或者具有式Ia的结构的合金或混合物:
[0022] M1AlX  (Ia)
[0023] 其中M1是导电并且能够与气体反应(例如,在热喷涂期间)形成一种或更多种碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物的第一金属组分。铝(Al)也在热喷涂期间与气体反应以形成其一种或更多种碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物。在这些实施方案中,X可以是能够改变沉积于电阻加热层中的一种或更多种铝衍生物的晶粒结构的第三组分。在一个特定实施方案中,气体包含氧,并且氧化铝例如Al2O3沉积于电阻加热层中,在电阻加热层中氧化铝的晶粒结构理想地被X改变,例如,产生柱状的氧化铝晶粒。在这些实施方案中,气体还可以包含氢、氦和氩中的一者或更多者。
[0024] 此外,在一些实施方案中,电阻加热层具有类似多个平坦的圆盘或片的显微结构,该圆盘或片具有任选地第一金属组分和铝的氮化物、氧化物、碳化物和/或硼化物的衍生物的外部区域和第一金属组分的内部区域,其中外部区域中铝的氮化物、氧化物、碳化物和/或硼化物衍生物以柱状晶粒沉积,并因此与在没有第三组分的情况下具有无定形氧化铝结构的电阻加热层相比,可以增加内部区域中第一金属组分的抗氧化性或阻止其氧化,产生更均匀的加热和/或更长的加热器寿命。
[0025] 为简单起见,原料中“X”被称为第三组分,应当理解的是:原料中的X旨在包含第三组分和/或第三组分的单质形式二者。例如,在氧化钇为使电阻加热层的电阻率稳定的第三组分的情况下,原料中的“X”可包含氧化钇、钇(第三组分的单质形式)或其混合物。换句话说,原料可包含第三组分本身(在这个实例中,氧化钇)和/或原料可包含第三组分的单质形式(在这个实例中,钇)、然后通过在喷涂过程期间与气体反应以形成第三组分(在这个实例中,氧化钇)。
[0026] 在另一个实例中,在氮化钛(TiN)为第三组分且钉扎电阻加热层中第一金属组分的晶界的情况下,原料中的“X”可包含氮化钛、钛(第三组分的单质形式)或其混合物。换句话说,原料可包含第三组分本身(在这个实例中,氮化钛)或者原料可包含第三组分的单质形式(在这个实例中,钛),在喷涂过程期间通过与气体反应以形成第三组分(在这个实例中,氮化钛)。
[0027] 在一个特定实施方案中,气体包含氧并且M1包含铝,使得氧化铝(例如Al2O3)与游离的金属组分和第三组分一起沉积于电阻加热层中。
[0028] 在一些实施方案中,气体还包含氢、氦和氩中的一者或更多者。
[0029] 在特定实施方案中,第三组分可包含一种或更多种陶瓷或半导体材料或稀土元素。例如,第三组分可以不限于包含铝、钡、铋、硼、碳、镓、锗、铪、镁、钐、硅、锶、碲和钇中的一者或更多者;或者其硼化物、氧化物、碳化物、氮化物或碳氮化物衍生物;或者其混合物或合金。在一些实施方案中,第三组分可以不限于包含磷化硼、钛酸钡、碳化铪、碳化硅、氮化硼或氧化钇。
[0030] 众所周知,对于包括金属在内的大多数材料,电阻率随着升高的温度而增加,降低了材料的电导率。与此相反,对于具有电阻率的负温度系数(NTC)的材料,电阻率随着升高的温度而减小(并且电导率增加)。本发明至少部分基于本发明人的以下发现:在电阻加热层加热期间电阻率的不均匀增加可以弱化加热层,导致例如不均匀的加热和/或加热器故障。不希望受限于理论,认为:至少部分由于热喷涂的涂层不均匀的显微结构(如上所述以及如图1示出的),在加热期间电阻率的不均匀变化可以产生局部热点;这样的热点还经受更高的氧化速率,进一步降低加热层的完整性,并且潜在地导致更热点的恶性循环,随后更多的氧化等。本发明人发现,这些效应可以通过使电阻率稳定的第三组分的存在来减轻,有效地使电阻加热层的电阻率的温度系数(TCR)平稳,并因此使对电阻加热层的期望机械特性、电特性和/或热特性有害的电阻率的不利的不均匀增加最小化。此外,本发明人已经发现,具有NTC的材料的存在可以起理想地使电阻加热器或加热层的电阻率稳定的作用。
[0031] 在一个实施方案中,电阻加热层具有类似多个平坦的圆盘或片的显微结构,该圆盘或片具有第一金属组分的氮化物、氧化物、碳化物和/或硼化物衍生物的外部区域和第一金属组分的内部区域,第三组分分散于电阻加热层中。与没有第三组分并且在加热期间倾向于电阻率增加的电阻加热层相比,第三组分致使更均匀的加热、减少的加热器故障和/或更长的加热器寿命。
[0032] 众所周知,多晶材料由晶粒和晶界构成。占据的晶界的总体积取决于晶粒尺寸。当晶粒尺寸增大时,晶界的体积分数降低。这种材料的不同特性(例如机械的、电的、光学的、磁的)受其晶粒尺寸以及其晶界的原子结构的影响。在一些实施方案中,本发明至少部分地基于本发明人的以下发现:在电阻加热层加热期间晶粒生长可以弱化加热层(导致例如不均匀的加热和/或加热器故障),这种效应可以通过起钉扎晶界作用的第三组分的存在来减轻,使对电阻加热层的机械特性、电特性和/或热特性有害的不利晶粒生长最小化。在这样的实施方案中,第三组分可以包含一种或更多种金属、类金属、陶瓷或稀土元素。例如,第三组分可以包含硼(B)、碳(C)、锶(Sr)、钛(Ti)、钇(Y)和锆(Zr)的一种或更多种硼化物、氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物衍生物或者其混合物或合金。此外,在这样的实施方案中,电阻加热层可具有类似多个平坦的圆盘或片的显微结构,该圆盘或片具有第一金属组分的氮化物、氧化物、碳化物和/或硼化物衍生物的外部区域和第一金属组分的内部区域,第三组分分散于第一金属组分晶界的处。不希望受限于理论,认为:与没有第三组分以及在加热期间倾向于晶粒生长或滑移的电阻加热层相比,分散于晶界处的第三组分可以产生更加均匀的加热、减少的加热器故障和/或更长的加热器寿命。
[0033] 在第三相关方面中,本发明的特征为生产具有基底和电阻加热层的电阻加热器的方法,该电阻加热层具有稳定的电阻率(例如,电阻率在加热期间基本上不增加,或者在加热期间可增加约0.003%/℃或更少)。该方法包括以下步骤:选择导电并且能够与气体反应以形成一种或更多种碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物的第一金属组分;选择能够使电阻加热层的电阻率稳定的第三组分;以及在气体存在下将第一金属组分和第三组分(或其单质形式)的混合物热喷涂到基底上,使得电阻加热层沉积在基底上。热喷涂在以下条件下进行:至少部分第一金属组分与气体反应以形成一种或更多种碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物;如果存在的话,第三组分的单质形式至少部分地与气体反应以形成第三组分;使第三组分分散在电阻加热层中。沉积的电阻加热层包含第一金属组分,其一种或更多种碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物,以及第三组分。
[0034] 在一些实施方案中,该方法包括选择能够钉扎电阻加热层中第一金属组分的晶界的第三组分的步骤。在这样的实施方案中,热喷涂可以在以下条件下进行:第三组分分散于电阻加热层中第一金属组分的晶界处。此外,在这样的实施方案中,第三组分可包含锕(Ac)、硼(B)、碳(C)、铪(Hf)、镧(La)、镥(Lu)、钼(Mo)、铌(Nb)、钯(Pd)、铷(Rb)、铑(Rh)、钌(Ru)、钪(Sc)、锶(Sr)、钽(Ta)、锝(Tc)、钛(Ti)、钇(Y)、锆(Zr)的一种或更多种硼化物、氧化物、碳化物、氮化物、碳氮化物或类似衍生物、或其混合物。在一些这样的实施方案中,第三组分包含硼(B)、碳(C)、锶(Sr)、钛(Ti)、钇(Y)、锆(Zr)的硼化物、氧化物、碳化物或氮化物衍生物、或其混合物。这样的实施方案中示例性的第三组分不限于包含二硼化铪、氧化锶(SrO)、氮化锶(Sr3N2)、二硼化钽、氮化钛(TiN)、碳化钛、二氧化钛(TiO2)、氧化钛(II)(TiO)、氧化钛(III)(Ti2O3)、二硼化钛(TiB2)、三氧化二钇(也称为氧化钇(Y2O3))、氮化钇(YN)、二硼化钇(YB2)、碳化钇(YC2)、二硼化锆及其混合物。在一些这样的实施方案中,第三组分包含硅化锆(Zr3Si)。
[0035] 在一些实施方案中,第一金属组分包含铝(Al);气体包含氧和任选地氮、碳和硼中的一者或更多者;以及选择能够改变沉积于电阻加热层中的氧化铝晶粒的结构的第三组分;其中在气体的存在下将第一金属组分和第三组分的混合物热喷涂到基底上,使得电阻加热层沉积在基底上。在这样的实施方案中,热喷涂可在以下条件下进行:至少部分包含铝的第一金属组分与氧反应以形成氧化铝;如果存在的话,至少部分另外的金属组分与气体反应以形成一种或更多种碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物;仅仅部分第三组分与气体反应(换句话说,第三组分仅部分地与气体反应);第三组分改变沉积于电阻加热层中的氧化铝晶粒的结构,例如产生柱状的氧化铝晶粒。在这样的实施方案中,沉积的电阻加热层包含第一金属组分,其包括氧化铝的一种或更多种碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物,以及第三组分。在一些这样的实施方案中,第三组分可包含锕(Ac)、铈(Ce)、镧(La)、镥(Lu)、钪(Sc)、unbiunium(Ubu)、钇(Y)、或者其混合物或合金。在一个这样的实施方案中,第三组分是稀土元素。在一个特定实施方案中,第一金属组分和铝以混合物或合金的形式一起提供。例如,其可以不限于提供为CrAl、AlSi、NiCrAl、CoCrAl、FeCrAl、FeNiAl、FeNiCrAl、FeNiAlMo、NiCoCrAl、CoNiCrAl、NiCrAlCo、NiCoCrAlHfSi、NiCoCrAlTa、NiCrAlMo、NiMoAl或NiCrAlMoFe。在另一些这样的实施方案中,第一金属组分、铝和第三组分以混合物或合金的形式一起提供,例如不限于CrAlY、CoCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlY、CoNiCrAlY、NiCrAlCoY、FeCrAlY、FeNiAlY、FeNiCrAlY、NiMoAlY、NiCrAlMoY或NiCrAlMoFeY。混合物或合金可以以多种物理形式提供,不限于包括丝、粉末和锭。注意,在粉末的情况下,混合物不需要预合金化。
[0036] 在多个实施方案中,热喷涂可包括电弧喷涂、等离子体喷涂、火焰喷涂、用于喷涂的Rockide系统、电弧丝喷涂和/或高速氧-燃料(high velocity oxy-fuel,HVOF)热喷涂以及其他形式的热喷涂和冷喷涂
[0037] 在一些实施方案中,第一金属组分包含铝(Al)、碳(C)、钴(Co)、铬(Cr)、铪(Hf)、铁(Fe)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、(V)、锆(Zr)、或者其混合物或合金。
[0038] 在一些实施方案中,第三组分包含铝、钡、铋、硼、碳、镓、锗、铪、镁、钐、硅、锶、碲和钇中的一者或更多者;其一种或更多种硼化物、氧化物、碳化物、氮化物或碳氮化物衍生物;和/或其混合物或合金。在一些实施方案中,第三组分包含磷化硼、钛酸钡、碳化铪、碳化硅、氮化硼和/或氧化钇。
[0039] 在一个特定实施方案中,第一金属组分包含可以以混合物或合金的形式一起提供的多于一种的金属或类金属组分。例如,第一金属组分可包含提供为合金或混合物的两种或更多种金属或类金属组分,例如不限于,CrAl、AlSi、NiCrAl、CoCrAl、FeCrAl、FeNiAl、FeNiCrAl、FeNiAlMo、NiCoCrAl、CoNiCrAl、NiCrAlCo、NiCrBSi、CoCrWSi、CoCrNiWTaC、CoCrNiWC、CoMoCrSi、NiCoCrAlHfSi、NiCoCrAlTa、NiCrAlMo、NiMoAl或NiCrAlMoFe。
[0040] 在另一些实施方案中,原料中的第一金属组分和第三组分(或其单质形式)以混合物或合金的形式一起提供,例如不限于,CrAlY、CoCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlY、CoNiCrAlY、NiCrAlCoY、FeCrAlY、FeNiAlY、FeNiCrAlY、NiMoAlY、NiCrAlMoY或NiCAlMoFeY。
[0041] 原料中的混合物或合金可以以多种物理形式提供,不限于包括丝、粉末和锭。注意,在粉末的情况下,混合物不需要预合金化。
[0042] 在第四相关方面中,本发明提供了用于加热材料的系统和方法。简要地描述,在构造上,其中系统的一个实施方案可以如下施行:系统包括第一层,其上可以放置材料以用于加热材料,其中第一层具有足够的传导性以允许热穿过第一层。该系统还包括设置在第一层上的加热器层,其能够向用于加热材料的第一层提供热。此外,该系统具有用于保护加热器层免受污染的绝缘体层。在一些实施方案中,将本发明的加热器层或电阻加热层热喷涂在第一层上,其中第一层能够支撑待加热的材料;并且在加热器层(或电阻加热层)上制造绝缘体层,其中绝缘体层保护加热器层(或电阻加热层)免受污染。
[0043] 在第五相关方面中,本发明的特征为包括本发明的加热器或电阻加热层的电烤炉。在一个实施方案中,电烤炉具有格栅、位于格栅底部的电绝缘体层、沉积在电绝缘体层底部上格栅相反部分的热喷涂的电阻加热层、以及位于格栅与电绝缘体层之间的加热器板,其中该加热器板能够接收从加热层发出的能量且将接收的能量转移至格栅。
[0044] 在另一个实施方案中,电烤炉具有格栅、位于该格栅上方的第一电绝缘体层、沉积在第一电绝缘体层顶表面的加热器层、以及位于加热器层上方用于保护加热器层的顶层。
[0045] 电阻加热层还可以设置在例如隔热罩、用于陶瓷等的支撑托盘或烤炉罩的悬挂加热器面板上。在一些实施方案中,电烤炉包括成型的金属板,其可以通过模压来形成例如以提供具有多个凸脊的烤炉。
[0046] 在另一些方面中,提供了用于例如通过使用热喷涂(例如电弧喷涂、等离子体喷涂、火焰喷涂、电弧线喷涂和/或高速氧-燃料(HVOF)热喷涂、或任何其他形式的热喷涂和冷喷涂)沉积电阻加热层而生产包括电阻加热层的电烤炉的方法。
[0047] 在另一些方面中,提供了本发明的加热器和电阻加热层的其他应用。例如,在一些实施方案中,基底是用于半导体晶片加工的注射模具、辊或压印盘。在一个方面中,提供了注射模具,其包括(i)模腔表面和(ii)包括本发明的电阻加热器的涂层,该电阻加热器又包括如本文该的电阻加热层,该涂层存在于至少部分表面上。在一些实施方案中,模具包括流槽(runner),并且涂层布置在流槽的至少部分表面上。
[0048] 在另一方面中,提供了圆柱形辊,包括外表面、围绕中空芯的内表面、和包括本发明电阻加热层(偶接至电源)的电阻加热器。在另一个方面中,提供了在制造期间干燥纸的方法。该方法包括以下步骤:提供含量为大于约5%的纸和一个或更多个如上所述的圆柱形辊;用本发明的电阻加热器加热该辊;以及使纸与辊接触适合将纸干燥至水含量小于约5%的时间。
[0049] 在另一个方面中,本发明的特征为半导体晶片加工系统,包括限定反应室的外壳;安装于反应室内的支撑结构,该支撑结构安装待在该室内加工的半导体晶片;以及包括本发明的电阻加热层(偶接至电源)的电阻加热器。在一个实施方案中,加热器放置在反应室的顶部,使得晶片的一侧(通常抛光的)可以与加热器邻近或接触放置。在另一个实施方案中,加热器放置在室的底部,使得晶片的一侧(抛光的或未抛光的)可以与加热器邻近或接触放置。在另一个实施方案中,加热器放置在室的顶部和底部。
[0050] 在任何上述方面的多个实施方案中,电阻加热层的电阻率为约0.0001Ω.cm至约1.0Ω.cm(例如约0.0001Ω.cm至约0.001Ω.cm、约0.001Ω.cm至0.01Ω.cm、约0.01Ω.cm至约0.1Ω.cm、约0.1Ω.cm至约1.0Ω.cm或约0.0005Ω.cm至约0.0020Ω.cm)。在一些实施方案中,电阻加热层的厚度为约0.002英寸至约0.040英寸。在一些实施方案中,电阻加热层中第一金属组分的平均晶粒尺寸为约10微米至约400微米。
[0051] 将来自电源的电流施加到电阻加热层致使由电阻加热层产生热。在各实施方案中,电阻加热层能够产生大于约200℉、约350℉、约400℉、约500℉、约600℉、约900℉、约1200℉、约1400℉或约2200℉的持续温度。在一个特定实施方案中,加热器和/或电阻加热层在120伏特下工作。在另一个实施方案中,加热器和/或电阻加热层在220伏特下工作。
[0052] 在多个另一些实施方案中,电阻加热器包括基底与电阻加热层之间的电绝缘层(例如,包含氧化铝或二氧化硅的层);该绝缘层与该基底之间的粘合层(例如包括镍-铬合金、镍-铬-铝-钇合金或镍-铝合金的层);电阻加热层与基底之间的热反射层(例如包含氧化锆的层);电阻加热层表面上的陶瓷层(例如包含氧化铝的层);和/或电阻加热层表面上的金属层(例如包括钼或钨的层)。在特定实施方案中,绝缘层位于加热器的上方或下方以使电阻加热层与邻近的导电组件电绝缘。可以添加另外的层来以经选择的模式反射或散出来自加热器的热。还可以包括一个或更多个层以提供组件之间改善的热匹配,以防止具有不同热膨胀系数的不同层的弯曲或断裂。还可以使用改善层与基底之间粘合的层。
[0053] 在一些实施方案中,电阻加热层与电源连接。
[0054] 当审查以下附图和详细说明时,本发明的其他系统、方法、特征和优点将对本领域技术人员是或变得显而易见。旨在所有这些附加系统、方法、特征和优点包括于本说明书内、在本发明的范围内、以及受所附权利要求保护。

附图说明

[0055] 本发明的其他特征和优点将由结合附图的以下本发明的详细描述变得显而易见。附图中的组件未必符合比例,而是通常将重点放在清楚地阐明本发明的原理。此外,在附图中,相同的标记表示几个视图中的相应部件。
[0056] 图1示出本发明的电阻加热层的一个实施方案的沉积显微结构图示;
[0057] 图2示出使用金属丝4作为原料并且燃料气体6的燃烧用于熔化原料的HVOF线系统2的图示。反应物气体8与熔融的原料反应并将熔融的液滴运输至基底10以产生层12;
[0058] 图3示出使用金属粉末110作为原料并且产生氩120/氢130等离子体以熔化粉末的等离子体喷涂系统100的图示。将另一种反应物气体140通过喷嘴150供给至熔融的液滴。熔融液滴作为层160沉积在基底170上;
[0059] 图4是示出根据本发明的一个示例性实施方案的电烤炉实例的示意图;
[0060] 图5是示出根据本发明的一个示例性实施方案的电烤炉实例的示意图;
[0061] 图6是进一步示出位于图5的电烤炉内的格栅的示意图;
[0062] 图7是示出图4的电烤炉的变型的示意图;
[0063] 图8是示出根据本发明的一个示例性实施方案的电烤炉的示意图;
[0064] 图9是示出根据本发明的一个示例性实施方案的电烤炉的示意图;
[0065] 图10是示出根据本发明的一个实施方案的电烤炉的示意图;
[0066] 图11是示出被开放空间分离的多个脊的图10的电烤炉的截面视图;
[0067] 图12是示出图10的电烤炉下侧的示意图;
[0068] 图13是提供电烤炉的方法的示意图;
[0069] 图14是示出根据本发明的一个实施方案的电烤炉的示意图;
[0070] 图15是示出根据本发明的一个实施方案的电烤炉的示意图;
[0071] 图16是示出根据本发明的一个实施方案的具有气味去除装置的电烤炉的示意图;
[0072] 图17是示出根据本发明的一个实施方案的具有与热交换器结合的气味去除装置的电烤炉的示意图;
[0073] 图18是示出根据本发明的一个实施方案的具有与热交换器和再循环器结合的气味去除装置的电烤炉的示意图;

具体实施方式

[0074] 本文提供了包括至少一个热喷涂的电阻加热层的加热器(和制造其的方法及其应用),该热喷涂的电阻加热层包括导电并且能够与气体反应以形成其一种或更多种碳化物、氧化物、氮化物和硼化物衍生物的第一金属组分;金属组分的电绝缘的氧化物、氮化物、碳化物和/或硼化物衍生物;以及能够使电阻加热层的电阻率稳定的第三组分。当偶接至电源时,电阻加热层起加热器的作用,如例如美国专利第6,919,543号中描述的,其内容通过整体引用并入本文。
[0075] 在一些实施方案中,第三组分能够钉扎沉积于电阻加热层中的第一金属组分的晶界。
[0076] 在一些实施方案中,第一金属组分包括铝(Al);金属组分的氧化物、氮化物、碳化物和/或硼化物衍生物包括氧化铝;第三组分能够改变沉积于电阻加热层中的氧化铝晶粒的结构(例如产生柱状的氧化铝晶粒)。
[0077] 简而言之,为了沉积在施加电压时将产生热的加热层,所述层必须具有由期望的功率水平决定的电阻。电阻R由施加的电压V和期望的功率水平P由R=V2/P来计算。根据方程式R=ρL/Acs,电阻与加热器涂层的几何结构(电流路径长度L和电流通过的截面面积A)和材料电阻率(ρ)有关。因此,为了设计将在给定电压下运行的用于给定功率水平和给定几何结构的加热层,只需通过ρ=RAcs/L=V2Acs/PL确定材料的电阻率。
[0078] 在本文提供的电阻加热层中,电阻率部分地通过在第一金属组分及其衍生物的热喷涂和沉积期间控制氧化物、氮化物、碳化物和/或硼化物形成的量来控制。电阻率是受控可变的是重要的,因为其代表对于加热器设计者的另外的自由度。然而,在没有第三组分的情况下,当被加热时加热器或加热层的电阻率可能不均匀地增加,导致电阻加热层的弱化、不均匀加热和/或最终的加热器故障,可能缩短加热器寿命。
[0079] 在一些实施方案中,其中第一金属组分仅包含铝,电阻率部分地通过在第一金属组分及其沉积物的热喷涂和沉积期间控制氧化铝形成的量来控制。
[0080] 在一些实施方案中,在没有第三组分的情况下,当被加热时第一金属组分的晶粒的尺寸可能增长,可能导致晶粒滑移和电阻加热层的弱化。在一些实施方案中,在没有第三组分的情况下,氧化铝形成无定形晶粒,其通常近似于无规堆叠在基底平面上方的圆片。这样的电阻加热层也倾向于不均匀加热和/或最终的加热器故障,可能缩短加热器的寿命。
[0081] 本发明至少部分地基于本发明人的以下发现:与电阻率不稳定且在加热期间可能不均匀地增加的电阻加热层相比,使电阻加热层的电阻率稳定提供了更稳定的电阻加热层或加热器,具有更均匀的加热和/或更长的加热器寿命的优点。在一些实施方案中,本发明至少部分地基于本发明人的以下发现:与其中晶界没有被钉扎的电阻加热层相比,钉扎第一金属组分的晶界提供了更稳定的电阻加热层,具有更均匀的加热和/或更长的加热器寿命的优点。
[0082] 应注意,以无定形的晶粒结构沉积的氧化铝几乎不提供或不提供抗电阻加热层中第一金属组分的氧化的保护。在这种情况下,第一金属组分仍然易于氧化或在加热期间进一步氧化。因此,在一些实施方案中,本发明至少部分地基于本发明人的以下发现:在第三组分的存在下,氧化铝晶粒的结构被改变。具体地,氧化铝形成为形状相当均匀且能够紧密堆积在一起的柱状晶粒。不希望受限于理论,认为:紧密堆积的柱状氧化铝晶粒增加了电阻加热层中下面的第一金属组分的抗氧化性和/或防止其氧化。与具有无定形氧化铝晶粒的加热层相比,这种效果可以提供更均匀的加热、电阻加热层更甚的稳定性和/或更长的加热器寿命。
[0083] 在第三组分存在下形成的本发明的电阻加热层结构的示意性表示示出于图1中。在图1中,示出了形成于基底50上的本发明电阻加热层的一个说明性实施方案,描述如下:
氧化铝晶粒65;沉积于层中的第一金属组分55(非阴影材料)及其氧化物、氮化物、碳化物或硼化物衍生物60(点画材料);和分散于电阻加热层中的第三组分70。在一个说明性实施方案中,第三组分70分散于第一金属组分55的晶界处。图1还示出在第三组分存在下形成的氧化铝晶粒结构的示意性表示。在一个说明性实施方案中,其中柱状且紧密堆积的氧化铝晶粒65抑制沉积于层中的第一金属组分55(非阴影材料)及其氧化物、氮化物、碳化物或硼化物衍生物60(点画材料)的氧化或进一步氧化。
[0084] 我们现在描述电阻加热器层、其作为涂层组件的应用及其作为电阻加热器的用途。
[0085] 第一金属组分及其氧化物、氮化物、碳化物和硼化物
[0086] 用作本发明的第一金属组分的金属组分包括能够与气体反应以形成碳化物、氧化物、氮化物、硼化物或其组合的任何金属或类金属。示例性第一金属组分不限于包括过渡金属例如钛(Ti)、钒(V)、钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)、铬(Cr)和过渡金属合金;高度反应性金属,例如镁(Mg)、锆(Zr)、铪(Hf)和铝(Al);难熔金属,例如钨(W)、钼(Mo)和钽(Ta);金属复合材料,例如铝/氧化铝和钴/碳化钨;以及类金属,例如硅(Si)。金属组分还可包含另外的元素例如碳(C)。
[0087] 第一金属组分还可以是这些金属或类金属中的两种或更多种的混合物。示例性混合物不限于包括铁和铝、镍和铝、钴和铝、铬和铝、以及硅和铝的混合物。另外的示例性混合物不限于包括以下的混合物:铁、铬和铝;镍、铬和铝;以及钴、铬和铝。可将两种或更多种金属或类金属在喷涂期间混合在一起或者在喷涂之前在原料中预混合。
[0088] 在一些实施方案中,两种或更多种金属的混合物为合金形式。用作第一金属组分的合金的非限制性实例包括CrAl、NiAl、CoCr、AlSi、NiCrAl、CoCrAl、FeCrAl、FeNiAl、FeNiCrAl、FeNiAlMo、NiCoCrAl、CoNiCrAl、NiCrAlCo、NiCoCrAlHfSi、NiCoCrAlTa、NiCrAlMo、NiCrBSi、NiMoAl和NiCrAlMoFe。其他合金是本领域技术人员已知的。合金可以以诸如粉末、丝、实心棒、锭等多种形式提供。应当理解,不要求两种或更多种金属的混合物是预合金化的,在一些实施方案中,两种或更多种金属的混合物是未预合金化的。
[0089] 第一金属组分的电阻率通常在1×10-8Ω.m至100×10-8Ω.m的范围内。在涂覆过程(例如热喷涂)期间,金属组分的原料(例如粉末、丝或实心棒)熔化以产生例如液滴并暴露于包含氧、氮、碳和/或硼的气体。这种暴露允许熔融的第一金属组分与气体反应而在液滴的至少部分表面上产生氧化物、氮化物、碳化物或硼化物衍生物或其组合。
[0090] 应当理解,当两种或更多种金属包含于第一金属组分中时,在热喷涂过程期间,一种或更多种金属可形成衍生物。例如,在氧的存在下,铝通常被氧化形成氧化铝例如Al2O3;另外的金属组分也可被氧化。反应的金属组分的性质取决于沉积中使用的气体的量和性质。例如,使用纯氧产生金属组分的氧化物,而氧气、氮气和二氧化碳的混合物产生氧化物、氮化物和碳化物的混合物。各自的精确比例取决于金属组分的固有特性和气体中氧气、氮-8
气和碳的比例。由本文中的方法产生的层的电阻率变化并且可以为例如约500×10 Ω.m至约50,000×10-8Ω.m或约0.0001Ω.cm至约1.0Ω.cm。
[0091] 氧化物的示例性种类不限于包括TiO2、TiO、ZrO2、V2O5、V2O3、V2O4、CoO、Co2O3、CoO2、Co3O4、NiO、MgO、HfO2、Al2O3、Al2O、AlO、WO3、WO2、MoO3、MoO2、Ta2O5、TaO2和SiO2。氮化物的非限制性实例包括TiN、VN、Ni3N、Mg3N2、ZrN、AlN和Si3N4。期望的碳化物包括例如TiC、VC、MgC2、Mg2C3、HfC、Al4C3、WC、Mo2C、TaC和SiC。示例性硼化物包括TiB、TiB2、VB2、Ni2B、Ni3B、AlB2、TaB、TaB2、SiB、和ZrB2。其他氧化物、氮化物、碳化物和硼化物是本领域技术人员已知的。
[0092] 气体
[0093] 为了获得金属组分的氧化物、氮化物、碳化物或硼化物,与组分反应的气体必须包含氧、氮、碳和/或硼。示例性气体包含氧气、氮气、二氧化碳、空气、三氯化硼、、甲烷和二硼烷。其他气体是本领域技术人员已知的。
[0094] 在一些实施方案中,气体还可包含氢、氦和氩中的一者或更多者。
[0095] 第三组分
[0096] 本发明的第三组分包括能够使电阻加热层的电阻率稳定的任何材料。尽管可以使用其他材料,但是第三组分通常为陶瓷、半导体或稀土元素。通常,具有电阻率的负温度系数(NTC)的任何材料在加热期间可以起使电阻率稳定的作用。示例性的第三组分不限于包括铝、钡、铋、硼、碳、镓、锗、铪、镁、钐、硅、锶、碲和钇中的一者或更多者;或其硼化物、氧化物、碳化物、氮化物或碳氮化物衍生物;或者其混合物或合金。在一些实施方案中,第三组分可以不限于包括硼化磷、钛酸钡、碳化铪、碳化硅、氮化硼和氧化钇中的一者或更多者。
[0097] 第三组分可以在热喷涂过程期间由其单质形式形成。例如,可以喷涂第三组分的单质形式,所述单质形式在喷涂期间与气体反应以形成其硼化物、氧化物、氮化物、碳化物或碳氮化物衍生物(因此形成第三组分);第三组分的单质形式以此方式基本上充当第三组分的前体。应当理解,在喷涂第三组分的单质形式的情况下,一些实施方案中沉积的加热层可包含第三组分及其单质形式二者。
[0098] 单质形式的第三组分还可以是两种或更多种材料的混合物。示例性混合物不限于包括硼和锶、硅和硼、钛和硼以及硼和钇的混合物。第三组分或其单质形式可在用于涂覆过程之前(例如通过将粉末混合在一起以形成用于热喷涂的原料)或涂覆过程期间与第一金属组分混合。或者,第一组分和第三组分(或其单质形式)可以任选地在另外的金属或类金属的存在下一起存在于合金中,所述合金用作原料。包含第一组分和第三组分(或其单质形式)的用作用于热喷涂本发明的电阻加热层的原料的合金或混合物的非限制性实例包括CrAlY、NiAlY、CoCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlY、CoNiCrAlY、NiCrAlCoY、FeCrAlY、FeNiAlY、FeNiCrAlY、NiMoAlY、NiCrAlMoY和NiCrAlMoFeY。其他合金和混合物是本领域技术人员已知的。
[0099] 应当理解,在涂覆过程期间(例如,暴露于含有氧、氮、碳和硼中的一种或更多种的气体的热喷涂),熔融的第三组分的单质形式可与气体反应产生其一种或更多种氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和碳氮化物衍生物。反应的第三组分的性质取决于用于沉积的气体的量和性质。例如,使用纯氧产生第三组分的氧化物。此外,氧气、氮气和二氧化碳的混合物产生氧化物、氮化物、碳化物的混合物。各自的精确比例取决于第三组分的固有特性和气体中氧、氮和碳的比例。反应程度还取决于喷涂的条件。热喷涂条件将由本领域技术人员选择,使得至少部分第三组分的单质形式以如下量被反应:足以理想地使电阻加热层的电阻率稳定(或者,在一些实施方案中,理想地钉扎沉积于电阻加热层中第一金属组分的晶界)。
[0100] 如本领域技术人员已知的,使电阻加热层的电阻率稳定(或者理想地钉扎第一金属组分的晶界)所需的第三组分的量将根据许多因素变化,例如所选择用于电阻加热层的材料和沉积层或涂层的方法。在特定实施方案中,用于喷涂的材料或原料包含约0.4%或更多的第三组分或其单质形式。在一些实施方案中,待喷涂的材料或原料包含约0.4%至约2%的第三组分(或其单质形式)、约0.4%至约1%的第三组分(或其单质形式)或约0.5%的第三组分(或其单质形式)。只要加热器或电阻加热层的期望性能参数不受到不利地影响,或多或少的第三组分(或其单质形式)可包含于待喷涂的材料或原料中。
[0101] 类似地,在特定实施方案中,电阻加热层包含约4%或更多的第三组分;约0.4%至约2%的第三组分;约0.4%至约1%的第三组分;约0.2%至约0.5%的第三组分;约0.1%或更多的第三组分;或约0.5%的第三组分。应当理解,所得的电阻加热层中第三组分的量将取决于在喷涂期间多少第三组分(或多少第三组分的单质形式)与气体反应和其他过程条件,以及起始材料或原料。
[0102] 在一些实施方案中,电阻加热层的电阻率被第三组分稳定,使得其在从约25℃至约400℃的加热期间增加不大于约0.05%至约1.5%。例如,在从约25℃至约400℃的加热期间,电阻加热层(或电阻加热器)的电阻率可增加不大于约0.05%、约0.1%、约0.2%、约0.5%、约1%、约1.25%或约1.5%。在一个实施方案中,在从约25℃至约400℃的加热期间,电阻加热层(或电阻加热器)的电阻率增加不大于约0.05%至约1.25%、不大于约0.08%至约0.12%或不大于约0.1%。在另一个实施方案中,在从约25℃至约400℃的加热期间,电阻加热层(或电阻加热器)的电阻率增加约0.05%或更少、约0.1%或更少、约0.2%或更少、约
0.5%或更少、约1%或更少、约1.25%或更少、或约1.5%或更少。作为一个说明性实例,从
25℃开始并加热至400℃,电阻率可增加0.1欧姆或不超过8欧姆。这与已知的加热元件和没有第三组分的电阻加热层相反,其在该范围内加热期间通常表现出电阻率增加10%至
20%。在一些实施方案中,“电阻率被稳定”意指在加热期间电阻率基本上不增加,例如在从约25℃至约400℃的加热期间,增加不大于约1.25%至约1.5%。或者,电阻率的变化可以以加热每度的%变化来表示;因此在一些实施方案中,在加热期间电阻加热层的电阻率增加不大于约0.003%/℃或增加约0.003%/℃或更小。在一些实施方案中,电阻加热层的电阻率在加热期间可增加约0.004%/℃或更小、0.0027%/℃或更小、0.0013%/℃或更小或
0.00027%/℃或更小等。在一个实施方案中,电阻加热层的电阻率在加热期间增加约
0.00004%/℃至约0.00006%/℃,或约0.00005%/℃。
[0103] 在特定实施方案中,本发明的第三组分可包括能够钉扎沉积于电阻加热层中的第一金属组分的晶界的任何材料。通常,尽管可以使用其他材料,但是在这样的实施方案中第三组分通常为金属、类金属、陶瓷或稀土元素。通常,在沉积的晶粒基体中形成硬结核的任何材料例如不溶性颗粒或析出物可以在加热期间起钉扎晶界以及防止晶粒生长的作用。示例性的这样的第三组分不限于包括锕(Ac)、硼(B)、碳(C)、铪(Hf)、镧(La)、镥(Lu)、钼(Mo)、铌(Nb)、钯(Pd)、铷(Rb)、铑(Rh)、钌(Ru)、钪(Sc)、锶(Sr)、钽(Ta)、锝(Tc)、钛(Ti)、钇(Y)或锆(Zr)的硼化物、氧化物、氮化物、碳化物或碳氮化物衍生物,以及其混合物和合金。另外的示例性第三组分不限于包括二硼化铪、氧化镧、氧化镥、氧化锶、氮化锶、氧化钪、二硼化钽、氮化钛、二氧化钛、氧化钛(II)、氧化钛(III)、二硼化钛、氧化钇、氮化钇、二硼化钇、碳化钇、二硼化锆和硅化锆,以及其混合物和合金。
[0104] 在特定实施方案中,本发明的第三组分可以包括能够理想地改变沉积于电阻加热层中的氧化铝晶粒的结构的任何材料。尽管可以使用其他材料,但是在这样的实施方案中,第三组分通常为金属、类金属、陶瓷或稀土元素。示例性的这样的第三组分不限于包括锕(Ac)、铈(Ce)、镧(La)、镥(Lu)、钪(Sc)、unbiunium(Ubu)和钇(Y),以及其混合物和合金。此外,这样的第三组分可以是这些材料中两种或更多种的混合物。示例性混合物不限于包括钪和钇、镧和钪以及镧和铈的混合物。可在用于涂覆过程之前将第三组分与第一金属组分混合,例如通过将粉末混合在一起而形成用于热喷涂的原料。或者,第一组分和第三组分可以任选地在另外的金属或类金属的存在下一起存在于合金中,该合金用作原料。在这样的实施方案中,包含第一组分和第三组分的用作用于热喷涂的电阻加热层的原料的合金或混合物的非限制性实例包括CrAlY、NiAlY、CoCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlY、CoNiCrAlY、NiCrAlCoY、FeCrAlY、FeNiAlY、FeNiCrAlY、NiMoAlY、NiCrAlMoY和NiCrAlMoFeY。其他合金和混合物是本领域技术人员已知的。应当理解,在这样的实施方案中,在涂覆过程期间(例如,暴露于包含氧、氮、碳和硼中一者或更多者的气体的热喷涂),熔融的第三组分还可以部分地与气体反应产生其一种或更多种氧化物、氮化物、碳化物和硼化物衍生物。例如,当第三组分暴露于氧时,在涂覆过程期间可以形成氧化钪(III)、氧化钇(III)、氧化镧(III)或氧化镥(III)。此外,热喷涂条件将由本领域技术人员选择,使得至少部分第三组分以足以理想地改变电阻加热层中氧化铝晶粒结构的量保持未反应。如本领域技术人员已知的,理想地改变氧化铝晶粒结构所需的第三组分的量将根据许多因素变化,例如所选择用于电阻加热层的材料和沉积层或涂层的方法。
[0105] 基于本领域中通常已知的考虑例如加热器层的期望电阻率和所用的涂覆方法,用于本发明的电阻加热层的第一金属组分和第三组分将由本领域技术人员选择。
[0106] 热喷涂
[0107] 本发明的电阻加热层和涂层的其他层理想地使用热喷涂装置来沉积。示例性热喷涂装置不限于包括电弧、等离子体、火焰喷涂、Rockid系统、电弧丝和高速氧-燃料系统。典型的HVOF丝系统由喷枪或喷头组成,其中三种单独的气体聚集在一起(见图2)。丙烷气体和氧通常被用作燃料气体,选作反应物气体的气体用于使熔融的液滴加速以及使喷枪中的喷嘴冷却。一般地,这个最后的功能通过使用空气来实现。气体通过流量计和压调节器或通过质量流量控制器进给至喷头,使得存在各种气体的可控的独立流量。如果想要递送减少量的反应物气体,可将其与非反应物气体例如氩混合,使得体积和流量足以以适当的速度运行喷枪。混合可以通过流量计和压力调节器,质量流量控制器或通过使用预混合筒来完成,其中每个都是本领域技术人员通常已知的。原料(其在图2中示出的实施方案中是丝)通过送丝器供给至喷头,送丝器控制材料递送至喷枪的速率。喷枪本身可以附接至动作控制系统例如线性平移器或多轴机器人
[0108] 在一些实施方案中,使用双丝电弧系统例如SmartArcTM双丝电弧系统(Oerlikon Metco,温特图尔,瑞士)。在一些实施方案中,使用等离子体喷涂系统。
[0109] 理想地构造热喷涂装置使得反应气体可以被注入到熔融的喷涂流体流中。对于燃烧系统和电弧丝系统,此注入可通过使用气体作为加速剂来实现。对于等离子体系统,如果等离子体气体没有也用作反应气体,则可使用附加喷嘴注入气体(见图3)。并入用于反应物气体注入的附加喷嘴也适用于其他系统。或者,喷涂过程可以在富有反应物气体或全部由反应物气体构成的气氛中进行。
[0110] 沉积层的组成可能受使用的热喷涂装置的类型影响。例如,相比于其他技术,液滴非常迅速地从HVOF系统发出,这些液滴因此暴露于反应物更短的时间段并因此更小程度地与气体反应。此外,通过HVOF沉积的层具有比通过其他系统沉积的层更高的粘合强度。
[0111] 电阻层可以以限定的图案沉积在基底上。所述图案可以例如由可去除的掩模来限定。图案化的应用允许在一个或更多个基底上制造多于一个空间上分离的电阻加热层。图案化的层还允许基底局部区域内的可控加热。还可以产生具有变化的电阻率(例如连续梯度函数或阶梯函数,如作为基底上位置的函数)的涂层。例如,加热层的电阻率可以在1cm、10cm或100cm的距离内增加或减少50%、100%、200%、500%或1000%。使用的装置可包括热喷涂喷枪和气体源,气体源包含可以以任何任意组合混合的两种或更多种气体。通过控制热喷涂喷枪中使用的气体的组成,涂层的组成以及因此电阻率得以控制。例如,气体(例如氧气)中反应物的逐渐增加导致涂层的电阻率逐渐增加。这种逐渐增加可以用于在基底上产生具有电阻率梯度的涂层。类似地,电阻率的其他模式例如阶梯函数可通过适当控制气体混合物来形成。气体的混合物可包含多于一种反应性物类(例如氮和氧)或反应性物类与惰性物类(例如氧与氩)。还可使用计算机控制气体的混合。
[0112] 本文中的“基底”是指电阻加热层沉积于其上的任何物体。基底可以是例如裸陶瓷,或者其可在其表面上具有一个或更多个层例如电绝缘层。
[0113] 热喷涂方法产生涂层的典型层状显微结构。在热喷涂过程中,由原料产生熔融液滴的熔体,其被加速并被导向基底。通常以每秒数百米的速度移动的液滴碰撞基底并以接近每秒一百万度的速率非常快速地冷却。这种冷却速率引起非常快速的凝固。然而,在碰撞期间,随着喷头来回横穿基底移动,液滴变形成像片状的形状并堆叠在彼此的顶部以构建涂层。显微结构因此采取层状的结构,并且平坦颗粒全部平行于基底且垂直于沉积线排列。
[0114] 如果被沉积的材料没有与存在于熔体流中的气体进行反应,则涂层的组成与原料的组成相同。然而,如果熔融的液滴在沉积过程期间与环境气体反应,则涂层的组成与原料的组成不同。液滴可以获得反应产物的表面涂层,其厚度根据例如反应速率、遇到的温度和气体的浓度而变化。在一些情况下,液滴完全反应;在另一些情况下,液滴在其中心处具有大体积分数的游离金属。所得涂层的显微结构是层状结构,其由复杂组成的单个颗粒组成。涂层具有减少体积分数的游离金属,并且剩余物由通常作为围绕包含在每个片状颗粒中的游离金属的材料而分布的反应产物组成。
[0115] 在第三组分存在下,游离金属和第三组分散布在电阻加热层中,所述第三组分分散在电阻加热层中并使加热层的电阻率稳定。在一些实施方案中,在第三组分存在下,游离金属和第三组分散布在电阻加热层中,第三组分分散在晶界处且钉扎下面的金属组分的晶界并因此使加热层稳定。在一些实施方案中,在第三组分存在下,氧化铝晶粒以柱状沉积并紧密堆积在一起,覆盖未氧化的“游离”第一金属组分/铝,并提供防止下面金属组分氧化或进一步氧化的保护屏障。
[0116] 当添加到流体流中的气体是经选择以形成具有高得多的电阻率的反应产物时,那么所得的涂层表现出比游离金属组分高的体电阻率。此外,当控制气体的浓度从而控制反应产物的浓度时,涂层的电阻率得以成比例地控制。例如,因为在层中存在较高浓度的氧化铝并且氧化铝具有非常高的电阻率,所以在纯氧中喷涂的铝的电阻率高于在空气中喷涂的铝的电阻率。此外,在一些实施方案中,其中本发明的第三组分包含于原料中,则氧化铝可以以具有相当均匀的柱状形状和紧密堆积在一起的尺寸的晶粒沉积,保护所得涂层中剩余的游离金属组分免受氧化或进一步氧化。
[0117] 应用
[0118] 涂层。基底上的涂层可以包括本发明的电阻加热层。此外,其他层可存在于涂层中以提供另外的特性。另外的涂层的实例不限于包括粘合层(例如镍-铝合金)、电绝缘层(例如氧化铝、氧化锆或氧化镁)、电接触层(例如)、热绝缘层(例如二氧化锆)、散热涂层(例如氧化铬)、用于具有不同热膨胀系数的层之间改善的热匹配的层(例如,氧化铝与铝之间的镍)、热传导层(例如钼)和热反射层(例如)。这些层可以位于电阻加热层与基底之间(例如粘合层)或者在基底的远离电阻加热层的一侧。电阻加热层还可以沉积于没有电绝缘层的非导电表面上。
[0119] 加热器。可通过将电源偶接至电阻加热层来将电阻加热层制成电阻加热器。然后施加的通过电阻层的电流产生电阻热。电源与电阻加热层之间的连接例如通过钎焊连接器、焊料丝或者通过使用多种机械连接器的物理接触来形成。这些电阻加热器在要求局部加热的应用中是有利的。
[0120] 例如,本发明的电阻加热器或加热层的一个应用在于注射成型。注射模具具有热塑性材料的熔体所被推入的腔。一旦材料冷却并硬化,其可以从模具中移除,然后可以重复该过程。本发明的注射模具可以具有在腔的至少部分表面上包含电阻加热层的涂层。电阻加热层可被金属层(例如钼或钨)覆盖。将电阻加热层放置在模具腔内以及通向腔的导管内的目的是更好地控制凝固过程并减少循环时间。可以使用紧密地接近熔体的加热器来保持熔体是热的,使得其在较小的压力下更好地流动,并且在凝固阶段期间以可控制的方式使熔体冷却。
[0121] 本发明的电阻加热器或加热层的另一应用在于加热辊。加热辊被用于许多产业,包括造纸,印刷,层合以及纸张、膜和箔加工产业。本发明的电阻加热器或加热层的一个应用是造纸中的干燥器。纸分几个阶段制造,包括成型、压榨和干燥。干燥阶段通常去除压榨阶段剩余的水(通常约30%)并通常将水含量降低至约5%。干燥过程通常包括将纸张的两侧与经加热的圆柱形辊接触。因此,可以通过本发明的方法生产用于干燥器的具有电阻加热层的辊。包括电阻加热层的涂层沉积在这种辊的内部或外部。还可以涂敷其他涂层例如防腐蚀涂层。加热器可在沉积步骤中通过掩模以限定的图案来涂敷。例如,由于端部比辊的中心冷却得更快,辊的两个末端处集中热的区域图案向纸提供更均匀的热。包括加热区的辊的实例在美国专利第5,420,395号中给出,通过整体引用并入此文。
[0122] 沉积的电阻加热器或加热层可以施加到用于造纸过程中的干燥器罐(或辊)以从纸浆中去除水分。在一个实施例中,将加热器施加到辊或罐的内表面。首先,通过热喷涂施加氧化铝的绝缘体层并用纳米相氧化铝或一些其他适当的高温电介质密封剂密封。然后,使用高速氧-燃料丝喷涂系统、钛丝和氮气使电阻加热层沉积。末端通过焊接螺栓固定到罐的内部并被绝缘,使得可以将电源施加到沉积的电阻加热层。最后,将整个电阻加热层用高温硅氧烷或另外的热喷涂氧化铝层涂覆,其如前所述被密封。
[0123] 或者,电阻加热层和绝缘体层可以施加至干燥器罐的外表面并涂覆有热喷涂金属层例如镍。然后将镍磨回期望尺寸。对于较小的加热辊应用,金属外壳可以被粘在或收缩在辊及其施加的加热器上。
[0124] 本发明的电阻加热器或加热层的另一应用在于半导体晶片加工。本发明的半导体晶片加工系统包括室、一个或更多个电阻加热器以及用于安装并操作半导体晶片的工具。所述系统可以用于晶片加工应用,例如退火烧结、硅化、玻璃回流、CVD、MOCVD、热氧化和等离子体蚀刻。包括这样的加热器的系统还可用于促进晶片和反应性气体之间的反应例如氧化和氮化。此外,所述系统可用于外延反应,其中材料(例如硅)以单晶形式沉积在加热表面上。最后,这样的系统允许气相反应的产物以无定形形式化学气相沉积在加热基底上。
[0125] 本发明加热器的许多另外的应用是可能的。例如,另外的应用包括:管上的毯式加热器,其具有顶部的金属接触层和在接触处的氧化铝绝缘体;用于厨房火炉、炉、电热水器或加热系统上的天然气点火器的加热器尖端;通过在可移动心轴上喷涂成型制造的独立弗管(muffle tube);以及用于浴室除臭器的低压加热器涂层。
[0126] 实验室应用也是可能的,例如电阻加热涂覆的玻璃和塑料实验室容器;操作盘;解剖盘;细胞培养皿;管子;管道;热交换器;歧管;表面消毒实验室罩;自消毒操作表面;消毒容器;可加热过滤器;玻璃料(frits);填充床;高压灭菌器;自消毒医用细菌和组织培养工具(例如环和分离器);孵化器;台式加热器;无火焰焊割炬;实验室炉;焚化炉;真空炉;恒温水槽;干浴(drybath);热压板;射线照相笔;反应容器;反应室;燃烧室;可加热混合器和叶轮电泳设备;阳极阴极;加热电极电解和气体发生系统;脱盐系统;去离子系统;光谱和质谱设备;色谱设备;HPLC;IR传感器;高温探针;热塑性袋;盖和管密封层;热循环仪;热水器;蒸汽发生系统;加热喷嘴;热活化在线;形状记忆合金/导电陶瓷体系;冷冻干燥器;热墨笔和印刷系统。
[0127] 医学和牙科应用也是可能的,例如自消毒和自灼烧手术工具(例如手术刀刀片、钳子);培养器;升温床;升温盘;血液升温系统;热控制流体系统;amalgum加热器;透析系统;电泳系统;蒸汽布轮;超高温焚化系统;自消毒工作台和表面;药物递送系统(例如,掺入药物的蒸汽吸入器;热活化transcutaneal贴片);皮肤工具;可加热瓷砖;洗脸盆;淋浴地板;
毛巾架;迷你高压灭菌器;场加热器检测设备;和身体升温系统。
[0128] 工业应用也是可能的,例如无电火花点火器系统;无电火花内燃机;棒加热器;带加热器;燃烧室;反应室;化学处理生产线;喷嘴和管;静态和主动混合器;催化加热平台(例如辐射防护);化学加工设备和机器;环境修复系统;纸浆加工和制备系统;玻璃和陶瓷加工系统;热气刀/气刀应用;房间取暖器;无电火花焊接设备;惰性气体焊接设备;导电磨料;加热器水喷射或液体喷射切割系统;加热叶轮和混合箱;融合和电阻;使用新的惰性气体的超级加热荧光灯;可加热阀;可加热的所有类型的互连和界面;可加热陶瓷瓷砖;自加热电路板(例如,自焊接板;自层合板);消防栓加热器;食品加工设备(例如烤箱、大桶、蒸汽系统、烧烙系统、收缩包装系统、压力锅、锅炉、炸锅、热密封系统);在线食品加工设备;选择地将热施加给2-D结构或3-D结构的可编程温度格栅和压台(例如热塑性焊接和密封系统);尖端脉冲加热器;电池供电的加热器;记录器和标记系统;静态混合器;蒸汽清洁器;IC芯片加热器;液晶面板加热器;冷凝器;加热飞机部件(例如翼、螺旋桨、襟翼、副翼、垂直尾翼、水平旋翼);导电陶瓷笔和探针;自固化釉;自焙陶器;步入式炉(walk-in-oven);自焊垫圈;和
[0129] 家庭和办公室应用也是可能的,例如所有类型的可加热器具;自清洁烤箱;点火器;烤炉;扒炉;用于微波炉的基于感应器的可加热陶瓷烧烙系统;加热搅拌机;叶轮;搅拌器;蒸笼;缸罐;压力锅;电炉灶顶部;箱除霜机构;加热冰淇淋收集器和用于上菜的勺;便携式操作的加热器和取暖器;热水器和开关;咖啡加热器系统;可加热食品加工机;可加热马桶座圈;可加热毛巾架;衣服取暖器;身体取暖器;猫用床;即刻加热熨斗;水床加热器;洗涤器;干燥机;龙头;加热浴缸和洗脸盆;除湿机;用于加热洗涤或蒸汽清洁的软管喷嘴;加热潮湿擦拭巾的压台;浴巾纸加热器;毛巾加热器;加热的肥皂分配器;加热剃头刀;蒸发冷却系统;自热键;用于吸引虫并消灭系统的室外CO2和热产生系统;水族管加热器;浴室镜子;椅子取暖器;可加热的叶片吊扇;和地板加热器。
[0130] 另外的加热器应用包括整体表面几何加热器;直接接触加热器;纯陶瓷加热系统;涂覆的金属加热系统;自检故障系统;等离子体喷涂的热电偶和传感器;等离子体球状床反应系统(例如,用于半导体工业的硼气体产生系统;可加热导电色谱床和珠系统);在更低成本或更有效的加热方法之前的加热表面的预加热器;和传感器(例如,作为集成电路芯片封装部件的加热器)。
[0131] 微波和电磁应用也是可能的,例如磁感受器涂层;涂覆的烹饪服装;磁感应烤箱和炉灶顶部。
[0132] 热塑性塑料制造应用也是可能的,例如电阻加热大型操作表面和大型加热器;加热注射模具;工具;模具;门;喷嘴;流道;进料线;大桶;化学反应模具;螺旋体;驱动器;压缩系统;挤出口模;热成型设备;炉;退火设备;焊接设备;热粘合设备;湿度固化炉;真空和压力成型系统;热密封设备;膜;层合制品;盖子冲压设备;和收缩包装设备。
[0133] 汽车应用也是可能的,例如洗涤液加热器;在线加热器和喷嘴加热器;挡玻璃雨刮器加热器;发动机组加热器;油盘加热器;方向盘加热器;基于电阻的锁定系统;微催化转化器;排气洗涤器;座椅加热器;空气加热器;加热镜;加热键锁;加热外部灯;油漆下或代替油漆的集成加热器;入口和出口端边缘;无电火花“火花塞”;发动机阀门、活塞轴承;和微型排气催化管。
[0134] 海事应用也是可能的,如防垢涂层;可除冰涂层(例如栏杆、走道);电解系统;脱盐系统;船上海鲜加工系统;罐头设备;干燥设备;冰钻孔机和取样器;救生服;潜水服加热器;以及干燥和除湿系统。
[0135] 国防应用也是可能的,例如高温热靶和诱饵;热定位器系统;热信号浮标;障碍物加热器;MRE加热系统;武器预热器;便携式加热器;烹饪设备;电池供电可加热刀;基于不燃烧的气体膨胀枪;喷气式飞机翼上除冰涂层;热融合自破坏系统;焚化炉;闪加热系统;应急加热系统;应急蒸馏炉;以及脱盐和灭菌系统。
[0136] 标志应用也是可能的,例如加热的道路标识;温敏性颜色变化标识;和在磁场中发荧光的惰性气体(例如氖)浸渍的微气球。
[0137] 印刷和摄影应用也是可能的,例如复印机;打印机;打印机加热器;蜡加热器;热固化墨系统;热传递系统;静电印刷和印刷加热器;射线照相的和摄影的胶片处理加热器;和陶瓷打印机。
[0138] 建筑应用也是可能的,例如加热的走道垫;格栅;排水沟;水槽;落水管;和屋顶边缘。
[0139] 运动应用也是可能的,例如加热的高尔夫球杆头;球拍;球棒;握柄;加热溜刀尖;滑橇和滑雪板刀尖;用于溜冰场除冰和再结冰的系统;加热的防护眼镜;加热的眼镜;加热的观众座位;露营火炉;电烤炉;和可加热的食品储存容器。
[0140] 注射成型。在一个实施方案中,本发明的加热器可以用于注射成型系统中以管理和控制模腔空间中熔融材料的流动。加热器可以作为涂层的一部分直接沉积于模腔区域的表面上以精确地管理移动的熔融材料中的温度分布。对于一些应用,加热器可以具有跨越模腔区域表面的可变电阻率,以允许精密调节熔融材料的温度梯度,从而提供精确的热流控制和恒定的(或精确管理的)熔体流动粘度和速度。模具热管理和流量控制取决于具体应用和所用的材料的类型。任选地,加热器与热传感器(例如热敏电阻或热电偶)和/或压力传感器结合使用。将包含加热器的涂层直接沉积于模腔区域上可以减少或消除加热器与被加热表面之间的空气间隙,提供加热器与被加热表面之间紧密且直接的接触以用于改善温度传递。
[0141] 电烤炉。在一些实施方案中,本发明的加热器可以用于电烤炉或烧烤炉。电烤炉可以以涂层形式使用本发明的电阻加热层作为热源。以前已经使用电烤炉来缓和对明火和可燃气体的需求,然而,使用线型管状元件的电烤炉在120伏或220伏的普通家庭电压下效率太低以至于不能为在相当大小的烹饪区域烤肉提供足够的温度。此外,这种电烤炉的低效率阻止电烤炉实现对进行烹调功能例如烤肉必需的升高的温度以及在食物已经分布在烧烤表面后恢复到烹饪温度。
[0142] 包括电阻加热器或加热层的电烤炉的实例描述于美国专利第7,834,296号和美国专利申请公开第2011/0180527号中,其各自的全部内容通过引用并入本文。原则上,烤炉将主要通过热传导或主要通过热辐射(或通过两者的组合)来加热。在本文提供的烤炉中,热通过使电流通过本发明的电阻加热器或电阻加热层来产生。
[0143] 当热传导是热传递的主要模式时,电阻加热层可以设置在烤炉表面上方的烧烤表面的顶部或烧烤表面的下面。热通过使电流通过电阻加热层来产生,因此如果元件在烤炉的顶部表面则热直接传导给食物,或者如果元件在烤炉底部表面则热穿过金属烧烤表面然后传导给食物。
[0144] 当热辐射是热传递的主要模式时,膜元件可以设置在位于烧烤表面下方或烧烤表面上方的表面上。此处,电流穿过膜加热元件使得其上沉积有元件的基底加热至足够高的温度用于待被发出的热辐射以足够的强度来将食物加热到期望的烹饪温度。
[0145] 简而言之,电烤炉通常包括用于支持其上食物的支撑结构(即格栅)、用于排出来自电烤炉上食物烹饪的油脂或任何其他液体的工具和加热器。根据本发明,加热器可以设置为例如但不限于包括本发明的电阻加热层的涂层。在电烤炉的一个实施方案中,其中,电烤炉具有格栅、位于格栅上方的第一电绝缘体层、沉积于第一电绝缘体层顶部表面的电阻加热层和位于电阻加热层上方的用于保护加热层的顶层。
[0146] 在一些实施方案中,电阻加热层(在本文中也称为加热器层)设置在例如隔热罩、用于陶瓷块等的支撑托盘或从烤炉罩的悬挂加热器面板上。在一个实施方案中,电烤炉包括成型的金属片,其可以通过例如压模来形成以提供具有多个凸脊的烤炉。多个加热器层可以设置在凸脊上且由一对导电线路并联连接。在另一个实施方案中,格栅包括具有加热器层的气味降低的设备。尽管如本领域技术人员已知的,可以使用其他方法来提供加热器层,但是上述加热器层或电阻加热层优选地设置为涂层,并且可以使用许多不同的涂覆技术来制造。涂覆技术的实例包括但不限于热喷涂,其中许多类型是本领域已知的。涂层的性能将取决于许多因素,例如所选择用于电阻加热层的材料、加热元件的尺寸以及涂层沉积的方法。
[0147] 图4是示出根据本发明的一个示例性实施方案的电烤炉实例400的示意图。如在图4中所示,电烤炉400包括其上放置待烹饪食物的固体铸造格栅410。可以用于固体铸造格栅
410的材料的实例为铝。当然,也可以使用其他已知的传导材料例如铸铁碳钢不锈钢。电绝缘体层420(例如电绝缘体涂层)位于固体铸造格栅410的底部。此外,加热器层430(例如包括电阻加热层的加热器涂层)沉积于电绝缘体层420的底部的与固体铸造格栅410相反的部分上。根据本发明的该示例性实施方案,热基本上畅通无阻地从加热器层430通过电绝缘体层420流到固体铸件格栅410。当然,固体铸造格栅410可以由不是固体或简单地不同成型的格栅代替。
[0148] 图5是示出根据本发明的另一个示例性实施方案的电烤炉的另一个实例500的示意图。如在图5中示出的,电烤炉500包括固体铸造格栅510。图6是进一步示出其上没有沉积层的格栅510的示意图,如本文进一步解释的。
[0149] 返回图6,可以看出,格栅510包括一系列的脊550,其是格栅510的凸起部分。格栅510的其他部分的形状是凹的。第一电绝缘体层520(例如电绝缘体涂层)位于格栅510与加热器层530(例如加热器涂层)之间,其中加热器层530沉积在第一电绝缘体层520的顶部表面。具体地,第一电绝缘层520位于格栅510的顶部表面。此外,膜加热器层530位于第一电绝缘层520的顶部表面。
[0150] 顶层540设置在加热器层530的顶部表面上且可以以涂层或其他设置在加热器层530上。顶层540用于保护加热器层530免受油脂、其他物质和滥用。应当注意,顶层540可以包括第二电绝缘体层542(例如陶瓷绝缘体)或第二电绝缘体层542(例如陶瓷绝缘体)与位于第二电绝缘体层542上的金属层544。应当注意,顶层540防止电烤炉500的使用者暴露于电气危险。
[0151] 图6的示例性电烤炉500示出:第一电绝缘体层520、加热器层530和顶层540位于电烤炉500的每个脊550内。因此,存在许多组上述的组件,其中各个组位于脊550之下。或者,整个固体铸造格栅510可以用一个第一电绝缘体层520、一个加热器层530和一个顶层540(未示出)覆盖。
[0152] 图7是示出图4电烤炉400变型的示意图。具体地,电烤炉400还包括位于电绝缘体层420(例如电绝缘体涂层)与固体铸造格栅410的底部之间的加热器板450。所述加热器板450能够传导来自加热器层430的热(即接收能量)且将能量传递至固体铸造格栅410。应当注意,加热器板450可以可拆卸地连接至固体铸造格栅410和/或电绝缘体层420。或者,固体铸造格栅410可以简单地搁置在加热器板450上。此外,根据本发明的另一备选实施方案,加热器板450可以在其中包括加热器层430。
[0153] 图8是示出根据本发明的另一个示例性实施方案的电烤炉800的示意图。如图8所示,电烤炉800具有与图4的格栅410不同设计的格栅810。具体地,格栅810包括一系列具有连接条830的成形棒820,所述连接条连接成形棒820。描述一个成形棒820A,每个成型棒820A具有位于成形棒820A的底部表面的电绝缘体层840和位于电绝缘体层840下方的加热器层850。应当注意,陶瓷瓷砖860可以位于格栅810下方用于蒸发来自电烤炉800上正被烹饪的食物中的油脂和其他分泌物。此外,尽管图8示出了为三形形状的每个成形棒820,本领域普通技术人员将理解,成形棒820可以不同地成形。
[0154] 图9是示出根据本发明的第四示例性实施方案的电烤炉900的示意图。如图9所示,电烤炉900具有与图4的格栅410不同设计的格栅910。具体地,格栅910包括一系列具有连接条930的成形棒920,所述连接条连接成形棒920。为了将能量辐射(即提供热)直到位于格栅910上的食物的目的,加热板950可以位于格栅910下方。为了辐射热的目的,加热板950可以以许多不同方式来成形和确定尺寸。电绝缘层960位于加热板950的下方以及加热器层970位于电绝缘体层960之下。
[0155] 加热板950可以是隔热罩的形式。隔热罩通常用于气体烤炉,位于气体燃烧器与烹饪格栅之间。隔热罩保护燃烧器免受腐蚀性的滴下物,有助于将热量更均匀地分散遍及烤炉的表面,以及可以蒸发滴下物以使食物充满另外的风味。通过将本发明的层状加热元件设置在隔热罩上,可以易于将常规的气体格栅改装成电烤炉,例如在图9中示出的。
[0156] 或者,加热板950、电绝缘体层960和加热器层970可以与格栅910分离设置。作为一个实例,加热板950、电绝缘体层960和加热器层970可以位于格栅910上方,例如烧烤烤炉的罩上,或者其可以位于食物(搁置在格栅910上)上方的架子状结构上。在这种布置中,能量向下辐射至食物。这种结构对于烤炙搁置在格栅910上的食物是理想的。
[0157] 图10是示出根据本发明的另一个实施方案的电烤炉1000的示意图。在此实施方案中,烤炉1000是由材料板例如金属板形成的,其已经被机器加工来产生格栅结构。在一个实施方案中,板是钢板例如400系列不锈钢板,其已经通过冲压板机器加工来提供格栅结构。图10是格栅1000的顶部平面图,其包括通常平坦的部分1010(延伸围绕烤炉的边缘)和一系列平行的凸脊1020(延伸穿过烤炉1000的中心区域)。烤炉1000可以包括脊1020之间的开放空间1030,其允许来自烤炉1000上的食物产品的脂肪和油脂落到烤炉1000下方。
[0158] 图11是被开放空间1030分离的多个脊1020的截面图。在此实施方案中,脊相对紧密地间隔开(例如相距约3/16英寸),但是应当理解脊可以具有任何适当的间隔。此实施方案中的脊1020具有倒转的“U”或“V”形状。在各个脊1020的下侧上是层状的加热元件,所述加热元件包括位于脊1020下侧的第一绝缘层1021、第一绝缘层1021上与脊1020相反的加热器层1022和加热器层1022上与脊1020相反的第二绝缘层1023。热从加热器层1022穿过第一绝缘层1021和脊1020向上流动以加热烤炉1000上的食品。根据此实施方案的烤炉1000可以由相对薄的金属板制备。机器加工的板可以具有任何合适的厚度,并且可以为例如1/2英寸或更少、1/4英寸或更少、1/8英寸或更少、1/16英寸或更少、或1/32英寸或更少的厚度。在一个实施方案中,机器加工的的板厚度在约0.005英寸至0.100英寸以及可以为例如约0.028英寸厚。
[0159] 图12是示出图10和图11的电烤炉1000下侧的平面图。加热器层1022位于平行脊1020的下侧。一对导电体(其可以是导电线路1031、1032)沿着烤炉1000相反的边缘延伸并以并联电路结构连接各个加热器层1022。此并联电路构造的优点在于一个加热元件的故障将不会导致整个烤炉故障。在图12的实施方案中,各个导电线路1031、1032在各自的电连接器1033、1034处终止。连接器1033、1034可以彼此邻近设置(例如在图12示出的)以使得烤炉
1000易于连接至电源。导电线路1031、1032可以包括任何合适的导体例如丝或带,或者可以包括导电材料的涂层,其可以通过合适的方法例如通过喷涂或丝网印刷沉积于烤炉1000上。
[0160] 层状加热元件可以封装在保护层中以保护加热元件免受环境破坏以及提供电绝缘。保护层可以提供防水密封,烤炉1000可以是可用于洗碗机的。第二绝缘层1023可以用作保护层,或一个或更多个另外的层可以设置在第二绝缘层1023上方以提供保护层。在一个实施方案中,保护层可以是硅氧烷材料。硅氧烷构成了为层状加热器提供理想工程特性的一类材料。硅氧烷可以抵抗极端温度、潮湿、腐蚀、放电和风化。硅氧烷还为涂层应用提供了另外的优点。例如,其可以使用廉价的方法例如喷涂、浸渍和刷涂之类来施加,其可以使用在低温下操作的带式烤箱来固化。在一个实施方案中,第一绝缘层1021第二绝缘层1023(其也用作保护层)二者由硅氧烷材料构成。
[0161] 已经发现,尽管这种薄板实施方案中的加热元件具有相对较小的热容,但是其能够为烧烤食物提供必要的功率。通过为加热器层选择适当的加热器几何结构和电阻率,使用常规的家庭电源(例如100V至240V),烤炉1000可以容易地加热至并维持高达900华氏度的烹饪温度。
[0162] 在图10至图12的备选实施方案中,类似于图5和图6的实施方案,第一绝缘层1021、加热器层1022和第三绝缘层1023可以位于脊1020的顶侧。
[0163] 图13示出了系统1300和用于制备根据本发明实施方案的电烤炉1000的方法。如果必要,将金属板1310(其可以是400系列不锈钢板)切割成适当的尺寸,然后进给至冲压机1320,其构造成在一个或更多个阶段使金属板1310变形和/或将金属板1310切割成烤炉
1000的形状。然后将板1310供给至加工工作台1330用于对金属板1310的下侧提供多种涂层以产生电烤炉1000。如图11和图12中示出的,例如,加热元件1022和导电线路1031、1032可以以期望的图案设置在金属板1310的下面。加工工作台1330可以包括一个或更多个工作区域,其具有用于以适当的顺序和图案为板1310提供多种涂层以产生烤炉1000的适当设备。
[0164] 在一个实施方案中,电阻加热层1022(图11)通过热喷涂来沉积,并且加工工作台1330包括一个或更多个热喷涂设备1340(也称为喷“枪”)。在某些实施方案中,第一绝缘层
1021和第二绝缘层1023(图11)还可以通过热喷涂来形成。在另一些实施方案中,绝缘层
1021、1023通过不同技术形成,例如通过将硅氧烷喷涂、浸渍和刷涂到金属板1310上来形成。
[0165] 喷涂设备1340可以是电弧线喷涂系统,其通过以下来运行:将两根丝(例如锌、铜、铝或其他金属)的末端熔化并凭借载体气体(例如压缩空气)将所得的熔融液滴运输到待涂覆的表面。丝原料被由两根丝之间的电势差产生的电弧熔化。喷枪布置在基底1310的上方。丝原料可以通过送料器机构供应至喷枪,所述送料器机构控制原料材料供应至喷枪的速率。载体气体被迫通过喷枪中的喷嘴并将熔融液滴以高速率运输到基底1310以产生加热层
1022。载体气体可以由一种或更多种加压气体源来供应。在优选的实施方案中,载体气体包括至少一种反应物气体,其与熔融的液滴反应以控制沉积层的电阻率。反应物气体可以是例如含氧、氮、碳或硼气体,其与熔融液滴中的金属材料(例如一些实施方案中的第一金属组分例如铝)反应以提供反应产物,相对于原料材料的电阻率,所述反应产物可以增加沉积层的电阻率。在一些实施方案中,气体还可以包含氢、氦和氩中的一者或更多者。喷枪可以相对于基底1310平移以便经过多程(multiple pass)堆积涂层。喷枪1340可以附接至运动控制系统例如线性平移器或多轴机器人。控制系统(优选计算机控制系统),可以控制喷枪
1340的操作。
[0166] 其他已知的喷涂涂技术可以用于本发明以沉积加热器层,包括电弧等离子体喷涂系统、火焰喷涂系统、高速氧燃料(HVOF)系统和动力喷涂系统或“冷”喷涂系统。
[0167] 导电线路1031、1032(图12)还可以通过以适当的图案将导体材料喷涂到板1310上来形成。或者,导电线路1031、1032可以通过使用另外的技术例如通过丝网印刷沉积导体材料来形成。在加热层1022和导电线路1031、1032已经施加在板1310之后,可以施加绝缘材料例如硅氧烷的保护层来使烤炉1000的电子组件绝缘并对其进行保护。
[0168] 图14示出根据本发明的另一个实施方案的电烤炉1400。在此实施方案中,烤炉1400包括烹饪格栅1410(其可以是任何常规的烤炉烹饪表面)和位于格栅1410之下并且支持多个陶瓷瓷砖或块1430的支撑托盘1420。层状加热元件1424设置在支撑托盘1420的至少一个表面上,该层状加热元件1424可以包括第一绝缘层1421、电阻加热层1422和第二绝缘外涂层1423,如上面结合图4至图13所述。在图14的实施方案中,层状加热元件1424设置在托盘1420的底部表面上,但是应当理解,加热元件可以设置在托盘1420的任何表面上。当加热元件1424通电时,来自加热层1422的热被传导至块1430,其依次向上辐射至位于格栅
1410上的食物。块1430还可以蒸发从食物中滴落的油脂和其他分泌物。应当理解,除了陶瓷块之外,其他合适的用于辐射热的材料例如熔岩可以设置在支撑托盘1420上。支撑托盘
1420可以是用于支持陶瓷块或熔岩的岩石格栅,如常见于常规气体烤炉。
[0169] 图15是根据本发明的另一个实施方案的电烤炉1500的截面图示。在此实施方案中,烤炉1500包括格栅1510,其可以是任何常规的烤炉烹饪表面。格栅1510设置在底部格栅壳体1520上并由其支撑。格栅罩1530可以位于底部格栅壳体1520的上方以提供封闭的烤炉腔。加热器板1540附接至烤炉罩1530并悬挂在烤炉腔内。电阻加热层1541设置在加热器板1540上。使用单独的加热器板可以有利于容易地制造以使电容性漏电流最小化,以及易于维护和更换。
[0170] 加热器板1540可以由绝缘材料构成,电阻加热层1541可以以涂层直接沉积到板1540上。电阻膜加热层可以使用以上结合图4至14所述的任何方法来沉积。板1540可以包含母,其具有良好的电介质特性以及相对低的成本。绝缘保护层可以任选地设置在电阻加热层1541的上方。在一个实施方案中,板1540可以包括一对绝缘基底例如云母基底,其夹入沉积于基底之一上的电阻加热层1541。
[0171] 在板1540是由导电材料例如金属制备的情况下,绝缘层可以设置在板表面上方以及电阻加热层1541可以设置在绝缘层上方。
[0172] 悬挂的板1540可以将强烈的辐射热递送至位于格栅1510上的食物。悬挂的板1540可以特别有利于烤炙。板1540可以通过一个或更多个间隔物(例如柱1550)与罩1530的内壁间隔开。一个或更多个板1540可以安装到罩1530或底部烤炉外壳1520的任何内壁以及使用合适的间隔物隔开远离壁。
[0173] 加热器板1540可以是用于烤炉1500的主要热源。在其他实施方案中,除了加热器板1540之外,烤炉1500可以包括其他热源,例如如结合图4至图14所述的电热源以及常规的气体或木炭热源。
[0174] 图16是根据本发明另外的实施方案的格烤炉1600的截面图示。此实施方案中的烤炉1600包括烹饪格栅1610、底部格栅外壳1620和格栅罩1630,类似于图15的烤炉1500。格栅罩1630包括排烟系统1640(其通常是用于排放来自烤炉1600的烟和烟气的一个或更多个排放孔)和与排气系统1640协作关联的气味去除设备1650。气味去除设备1650设置为使得在经处理的烟通过排气系统1640排放到环境之前烤炉1600产生的大多数或全部烟通过用于去除污垢物的气味去除设备1650。
[0175] 众所周知,烧烤烤炉产生不期望的烟排放物,其包括不期望的污垢物例如蒸发的油脂滴下物,其是恶臭的、潜在危险的以及大大地抑制了烧烤烤炉在室内或在其他封闭空间中的广泛使用。因此,气味去除设备1650被设置来处理来自烧烤过程的烟排放,例如通过催化转化以便将复杂的有机污染物分解成更简单的分子从而使来自烤炉1600的难闻气味排放最小化。
[0176] 在一个实施方案中,气味去除设备1650包括催化剂材料1652和与催化剂材料1652热连通的层状加热器1651。催化剂材料1652作用于烹饪排放物以分解复杂的有机分子并减少气味。层状加热器1651将催化剂材料1652加热至足以支持催化反应的温度。
[0177] 在一个实施方案中,催化剂材料1652是涂覆有高表面积的氧化铝涂层的层状金属基底,其已经用催化活性元素浸渍。对基底加工以提供多个穿过基底的来自烤炉的烟可以通过其流动的通道。催化活性元素可以是铂族金属系列的一种或更多种元素。催化活性元素作用于来自烹饪过程的排放物以将其分解成更简单的形式。应当理解,除了层状的金属基底之外,可以使用用于支撑催化活性元素的其他基底材料,例如蜂窝结构、丝网、多孔金属网(expanded metal)、金属泡沫或陶瓷。此外,除了铂族金属系列的元素之外的其他材料(例如元素周期表IVA族至IIB族的元素)可以用作催化活性元素。适合用于本发明的催化剂材料1652的示例性实施方案描述于Robinson,Jr.的美国公开申请第2009/0050129号中,其全部教导通过引用并入本文。
[0178] 图17是根据本发明的另一个实施方案的烤炉格栅1700的截面图示。此实施方案中的烤炉1700包括烹饪格栅1710、底部格栅外壳1720和格栅罩1730,类似于图15的烤炉1500和图16的烤炉1600。格栅罩1730包括类似于图15排烟系统1540的排烟系统1740(其通常是用于排放来自烤炉1700的烟和烟气的一个或更多个排放孔)和与排气系统1740协作关联的气味去除设备1750。类似于图15气味去除设备1550的气味去除设备1750设置为使得在净化的烟排放到与鼓风机1765连接的管道1760之前烤炉1700产生的大多数或全部烟通过用于去除污垢物的气味去除设备1750。鼓风机1765的出口偶接至第二管道1780,所述管道与底部、背部或侧上的烤炉外壳1720连接。第二管道1780运载经处理的加热的烟,其在烤炉1700中再循环以经由具有扩散器孔1785的通风室1790提供对流热。
[0179] 任选地,鼓风机可以用电阻加热器表面覆盖,以控制再循环进入烤炉1700的经处理的烟的热。
[0180] 图18是根据本发明的另一个实施方案的烤炉格栅1800的截面图示。此实施方案中的烤炉1800包括烹饪格栅1810、底部格栅外壳1820和格栅罩1830,类似于图15的烤炉1500和图16的烤炉1600。格栅罩1830包括类似于图15排烟系统1540的排烟系统1840(其通常是用于将来自烤炉1800的烟和烟气排放到再循环管道1860的一个或更多个排放孔)。管道1860偶接至鼓风机1865,其依次偶接至类似于图15的气味去除设备1550的气味去除设备置
1850。气味去除设备设置为使得在经处理的烟通过与底部、背部或侧面上的烤炉外壳1820连接的第二管道1880返回到烤炉1800之前通过鼓风机1865再循环的大多数或全部烟通过用于去除污垢物的气味去除设备1850。第二管道1880运载净化的加热空气,所述空气通过烤炉1800的鼓风机1865再循环以经由具有扩散器孔1885的通风室1890提供对流热。任选地,鼓风机可以用电阻加热器表面覆盖以控制再循环进入烤炉1800的经处理的烟的热。
[0181] 层状加热器1651形成为涂层以及可以包括例如使用上述关于图9讨论的技术沉积的电阻加热层。层状加热器1651可以设置于紧密地接近催化剂材料1652以及通过传导、辐射或对流热传递方法或通过这些方法的组合将热传递给催化剂材料1652。例如,层状加热器1651可以直接沉积在催化剂材料1652上或在催化剂材料1652被支撑在其上用于最大的导热传递的托盘或其他支撑物上。层状加热器1651可以隔开远离催化剂材料1652,例如面向催化剂材料1652并且提供辐射加热至催化剂材料1652的分开的板上。加热器层1651还可以位于催化剂材料1652上游的输送管或其他气体导管内,以及可以将从烤炉散发的烟加热至足以支持催化剂材料1652催化反应的温度。在一些实施方案中,加热器层1651可以将烟加热至不使用昂贵的贵金属催化剂材料足以使烟中的碳污垢物氧化的温度。
[0182] 应当理解,气味去除设备1650可有利地与如结合图4至图15所述的任意电烤炉实施方案以及与任何常规的气体烤炉或木炭烤炉一起使用。
[0183] 通常,可以用对施加的电压和期望功率的认识设计本发明任何实施方案的加热器层。由这些量计算出必需的电阻。知道电阻和材料的电阻率,然后可以确定加热器层或包括加热器层的元件的大小。根据沉积技术,材料电阻率可以被修改以优化设计。应当注意,加热器层或包括加热器层的元件可以以许多不同的方式成形以便根据所需的加热模式提供加热。
[0184] 使用根据本发明以涂层提供的电阻加热层具有许多优点,其包括但不限于:加热器涂层几乎不占用空间以及几乎没有质量,从而允许紧凑的设计以及因为加热器涂层不需要能量来加热所以增加了热效率;加热器涂层通常良好地结合至其沉积的部件或基底,从而维持非常小的对热流向所述部件的阻抗(即,提高的热效率);加热器涂层在其覆盖的区域上分配功率;加热器涂层具有在其表面上非均匀地分配功率以补偿边缘损耗的能力,从而在烤炉表面上提供均匀的温度分布;和/或加热器涂层可依照常用的制造方法,其中成本和规模是重要的。
[0185] 本发明的加热器和电阻加热层的各种应用以及用于制造加热元件的方法描述于共有的美国专利第6,919,543号、美国专利第6,924,468号、美国专利第7,123,825号、美国专利第7,176,420号、美国专利第7,834,296号、美国专利第7,919,730号、美国专利第7,482,556号、美国专利第8,306,408号、美国专利第8,428,445号和共有的美国公开专利申请第2011/0180527 Al号、美国公开专利申请第2011/0188838 A1号和美国公开专利申请第
2012/0074127 A1号中。以上参考专利和专利申请的全部教导通过引用并入本文。
[0186] 应当强调的是,上述本发明的实施方案仅是可能的实施实例,仅仅为了清楚地理解本发明的原理而提出。在基本上不脱离本发明的精神和原理的情况下,可以对本发明的上述实施方案做出许多改变和修改。所有这些修改和改变旨在在此包括在本公开内容和本发明的范围内并受权利要求保护。
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