專利名稱：氣體加熱裝置和方法
氣體加熱裝置和方法

相關(guān)申請這份申請要求2007年2月20日以“GAS HEATINGAPPARATUS (氣體加熱裝置)，，為
題申請的美國專利臨時申請第_號(快遞郵件分類號第797759189號)的利益并且要
求2007年9月11日以“THERMAL RESISTIVE HEATER(熱電阻加熱器)”為題申請的美國專 利臨時申請第60/993，262號的利益。上述申請的全部教導(dǎo)在此通過引證被并入。
背景技術(shù)：
各種不同的用來給氣體(例如，空氣)加熱的裝置是已知的，而且加熱裝置已被用 于很多工業(yè)和家庭應(yīng)用，例如，烹飪和房間供暖，并且被用于許多器具(例如，頭發(fā)烘干機 和衣服烘干機)中。在氣體電加熱器中，給電加熱元件供電，并且使氣體越過該元件流動。 空氣可能要么自然地要么或受送風(fēng)機或風(fēng)扇強迫越過該元件流動。當(dāng)今使用的最普及的電加熱元件是諸如鎳鉻絲之類的盤成加熱線圈的電阻加熱 絲。這些金屬絲型的加熱元件有效地產(chǎn)生熱量，但是往往需要在非常高的溫度下操作，為的 是把足夠的熱量提供給周圍的氣體。該加熱元件的輻射熱通量與其溫度的四次冪成正比， 因此當(dāng)該加熱元件在高溫下工作的時候(例如，當(dāng)它赤熱的時候)，該元件主要靠輻射傳遞 熱量。氣體不能很好地吸收輻射熱，所以這種輻射能大部分不是加熱越過該元件流動的氣 體，而是向周圍的結(jié)構(gòu)輻射并且給周圍的結(jié)構(gòu)加熱。所以，傳統(tǒng)的基于金屬絲的電加熱元件 由于這種輻射熱損失在給氣體加熱方面不是非常有效的。此外，金屬絲加熱元件所產(chǎn)生的 強烈的輻射熱能把周圍的結(jié)構(gòu)加熱到危險的溫度，這能引起安全危險。舉例來說，在衣服烘 干機的情況下，來自加熱元件的輻射熱能加熱使用者可接近的烘干機零部件，從而可能造 成灼傷。

發(fā)明內(nèi)容
熱噴涂型氣體加熱器包括推進氣體通過機殼的氣體流動裝置和粘結(jié)到該裝置表 面上的熱噴涂型加熱器，該加熱器的位置適合于加熱機殼中的氣流。熱噴涂工藝能用來沉積當(dāng)受到電激勵的時候作為加熱器運行的涂層。在優(yōu)選的使 用熱噴涂制造加熱元件的方法中，粉末或金屬絲形式的材料被熔融形成借助載氣向待涂布 的表面加速的微滴流。微滴高速撞擊(有時是超音速撞擊)該表面并且非?？斓啬坛善?坦的小片。通過在該表面上來回移動噴涂裝置，由這些凝固的小片組成的實質(zhì)上呈薄片狀 的涂層形成。在特定的方面中，該加熱器元件的體電阻率和產(chǎn)生熱量的能力能通過提供由導(dǎo)電 材料和電絕緣材料組成的電阻加熱層有所提高，其中電絕緣材料有比導(dǎo)電材料高的電阻。 在特定的實施方案中，熱噴涂型加熱層的材料電阻率大于大約10_4歐姆-厘米。依照另一方面，用于湍流氣體管道的加熱器系統(tǒng)包括有氣體流動通道(該通道有 在通道中提供湍流氣流的成形表面)的管道和位置適合給該通道中的氣流加熱的熱噴涂 型加熱器。
本發(fā)明的熱噴涂型氣體加熱器與采用金屬絲加熱元件的傳統(tǒng)加熱器相比有若干優(yōu)勢。在本發(fā)明中，加熱涂層沉積在氣體加熱器的表面上，在那里氣體實質(zhì)上有機會拾 起加熱涂層產(chǎn)生的熱量。在優(yōu)選的實施方案中，該氣體加熱器被配置成使傳熱方程Q = hA (T1-T0)中的熱通量Q達到最大值，因為傳熱面積A通常比傳統(tǒng)的氣體加熱器大得多，而 且因為氣體速度比較高而且邊界層比較小所以傳熱系數(shù)h通常比較大。在特定的實施方案中，現(xiàn)在的氣體加熱器把它們的功率分布在比采用金屬絲加熱 元件的傳統(tǒng)的加熱器大得多的區(qū)域上，因此，現(xiàn)在的加熱器通常以比在同樣的功率下工作 的金屬絲加熱器涼爽的溫度運行。此外，本發(fā)明的加熱涂層能粘結(jié)在它們覆蓋的表面上，所 以它們的功率是以較小的熱流阻抗傳送到傳熱表面的。本發(fā)明的加熱涂層也能做得非常 薄，通常為0. 030英寸或更薄，從而導(dǎo)致氣體加熱裝置非常緊湊，尤其是相對于龐大的用金 屬絲盤繞的加熱器。因為金屬絲加熱器時常有復(fù)雜的組裝問題和/或需要昂貴的專用組裝 機器，所以現(xiàn)在的裝置跟金屬絲加熱器相比制造費用也比較少。另外，與時?？枯椛涠皇强繉α鱾鬏斴^多的熱量并因此效率低得多的金屬絲加 熱器相反，本發(fā)明的氣體加熱器能主要靠強制對流把它們的能量轉(zhuǎn)移給氣體，而借助輻射 轉(zhuǎn)移的非常少。在優(yōu)選的實施方案中，該氣體加熱器被設(shè)計成促進氣體的湍流流動，尤其是在加 熱器的傳熱表面和該表面附近。在流體動力學(xué)中，湍流或湍流流動是以混亂的隨機的特性 變化為特色的流動狀態(tài)。這包括低動量擴散、高動量傳遞和壓力和速度隨空間和時間迅速 變化。非湍流的流動被稱為層流流動。雷諾數(shù)通常用來表征流動條件究竟是導(dǎo)致層流流 動還是導(dǎo)致湍流流動。層流流動發(fā)生在粘性力占優(yōu)勢的低雷諾數(shù)下，而且以平滑的恒定不 變的流體運動為特色，而湍流流動發(fā)生在高雷諾數(shù)下并且受傾向于產(chǎn)生隨機的渦旋、漩渦 和其它流動變動的慣性力支配。雷諾數(shù)是取決于流體的平均速度、流動幾何學(xué)(特性長 度)和流體運動粘度的無因次參數(shù)。層流流動和湍流流動之間的轉(zhuǎn)變往往是用臨界雷諾數(shù) (Recrit)指出的，該雷諾數(shù)取決于精確的流動結(jié)構(gòu)而且必須通過實驗確定。在這個點周圍的 特定范圍內(nèi)，存在一個流動既不完全是層流也不完全是湍流的逐漸轉(zhuǎn)變的區(qū)域。舉例來說， 在圓形管道內(nèi)，通常接受的臨界雷諾數(shù)是大約2300，在這種情況下雷諾數(shù)以管道直徑和管 內(nèi)的平均速度為基礎(chǔ)，但是介于大約2000到3000之間的雷諾數(shù)表征流動可能部份地是層 流和部份地是湍流的變遷范圍。依照另一方面，形成用于加熱器組件的云母材料的方法包括使云母材料與電絕緣 材料混合形成加熱器組件的基體，該基體有比純云母高的熱膨脹系數(shù)。在進一步的實施方案中，用于有氣體流動系統(tǒng)的烹飪器具的加熱器包括有把氣流 提供給某個空腔烹調(diào)放在該空腔中的材料的氣體流動裝置的烹飪裝置。熱噴涂型加熱器給 遞送到該空腔中的氣流加熱。依照本發(fā)明的另一個方面，用來把加熱器熱噴涂到基體上的方法包括提供有芯的 金屬材料和芯內(nèi)的絕緣體，以及把該金屬材料和絕緣體熱噴涂到基體上形成加熱器?？梢?在有能與金屬的材料反應(yīng)產(chǎn)生絕緣的反應(yīng)產(chǎn)物的反應(yīng)氣體存在的情況下熱噴涂該金屬材 料和絕緣體。這能進一步提高熱噴涂型加熱層的電阻率。在各種不同的其它方面，本發(fā)明指向烘干器具、護壁板加熱器和制造各種不同的 使用熱噴涂型加熱器給氣體加熱的器具和裝置的方法。


圖1是依照本發(fā)明熱噴涂型加熱層的細(xì)微結(jié)構(gòu)的例證；圖2A是依照本發(fā)明的一個方面分層堆積的加熱器元件的剖視圖；圖2B是圖2A的加熱器元件的平面圖；圖3A和圖3B舉例說明依照本發(fā)明的一個實施方案采用加熱嵌板的管道氣體加熱 器的局部剖視圖；圖4A和圖4B是有在送風(fēng)機風(fēng)扇殼體上形成的加熱涂層的氣體加熱系統(tǒng)的透視 圖；圖5A和圖5B是有附著在送風(fēng)機出口的加熱涂層的氣體加熱系統(tǒng)的透視圖；圖6A和圖6B是有送風(fēng)機和在位于送風(fēng)機出口氣流中的多孔基體上形成的加熱涂 層的氣體加熱系統(tǒng)的透視圖；圖7A和圖7B是有軸向入口送風(fēng)機和在送風(fēng)機風(fēng)扇機殼上形成的加熱涂層的氣體 加熱系統(tǒng)的透視圖；圖8A和圖8B是有送風(fēng)機和管狀灼熱氣體出口的氣體加熱系統(tǒng)的透視圖，其中管 狀灼熱氣體出口有在導(dǎo)向葉片元件上形成的加熱涂層的導(dǎo)向葉片元件；圖9是有加熱板和送風(fēng)機用于對流加熱的烤箱的透視圖；圖10是依照本發(fā)明的一個方面用于有加熱涂層的對流烤箱的送風(fēng)機的透視圖；圖11是有用來提供熱氣流的加熱涂層的衣服烘干機的示意圖；而圖12是有加熱涂層的護壁板房間供暖系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式電阻加熱元件能借助熱噴涂工藝形成。熱噴涂是用來沉積各種不同材料(包括金 屬和陶瓷)的涂層的用途廣泛的技術(shù)。它包括使用粉末作為原材料的系統(tǒng)(例如，電弧等離 子系統(tǒng)、火焰噴射系統(tǒng)和高速氧基燃料(HVOF)系統(tǒng))；使用金屬絲作為原材料的系統(tǒng)(例 如，電弧焊絲系統(tǒng)、HVOF金屬絲系統(tǒng)和火焰噴射系統(tǒng))和使用組合原材料的系統(tǒng)。電弧等離子噴射是用來在各種不同的基體上沉積材料的方法。直流電弧產(chǎn)生電離 氣體(等離子體)，該電離氣體用來以類似于噴漆的方式噴涂熔融的粉狀材料。電弧金屬絲噴涂系統(tǒng)通過使兩根金屬絲(例如，鋅、銅、鋁或其它金屬)的尖端熔 化和借助載氣(例如，壓縮空氣)把由此產(chǎn)生的熔融微滴輸送到待涂布的表面起作用。金 屬絲給料是靠兩根金屬絲之間的電位差產(chǎn)生的電弧熔融的。在火焰噴射中，金屬絲或粉末給料是借助(通常通過氧氣和另一種氣體(例如，乙 炔)的氣體混合物點火產(chǎn)生的)燃燒火焰熔融的。HVOF使用在小室中點燃 的燃燒氣體(例如，丙烷和氧)。燃燒室中的高燃燒溫度 引起氣體壓力同時上升，后者依次產(chǎn)生從燃燒室的孔口噴射出來的速度非常高的氣體流出 物。這個灼熱的高速氣流被用來使給料(例如，金屬絲、粉末或兩者的組合)熔融和把熔融 的微滴以330-1000米/秒的速度輸送到基體的表面。壓縮氣體(例如，壓縮空氣)用來使 微滴進一步加速和冷卻HVOF裝置。其它的系統(tǒng)(通常用于熔點比較低的材料)把非常高的速度賦予粉末粒子，以致當(dāng)它們撞擊基體的時候，粒子借助動能的轉(zhuǎn)化熔融。熱噴涂的涂層 有獨特的細(xì)微結(jié)構(gòu)。在沉積過程中，每個粒子都進入氣流，熔融，然 后冷卻到與其它粒子無關(guān)的固體形式。當(dāng)粒子撞擊被涂布的表面的時候，它們撞擊(“啪 的一聲落地”)成為扁平的圓形小片并且以高的冷卻速率凝固。涂層是通過反復(fù)地在基體 上來回移動噴射裝置(槍)在基體上建立的，逐層建立的過程持續(xù)到實現(xiàn)預(yù)期的涂層厚度。 因為粒子在啪的一聲落地時凝固，綜合的細(xì)微結(jié)構(gòu)實質(zhì)上呈薄片狀，顆粒近似于圓形小片 隨機地堆積在基體平面上方。如果用來形成電阻加熱層的原材料由兩種以上不同材料的摻混物組成，噴涂的涂 層細(xì)微結(jié)構(gòu)可能是兩種以上顆粒的薄片狀陣列。如圖1所示，兩種不同的材料可以被視為 形成兩種相互穿插的互連柵格，互連的程度是材料出現(xiàn)比例的函數(shù)。具體地說，如果一種材 料碰巧是電絕緣的，而另一種是導(dǎo)電的，那么導(dǎo)電率(或電阻率)將取決于傳導(dǎo)材料的互連 程度。在圖1中，沉積的細(xì)微結(jié)構(gòu)包括沉積在基體100上的不同材料的三種離散相。材料A 和B分別是絕緣體和導(dǎo)體。畫陰影線的相代表可以為了工程學(xué)目的(例如，附著、熱膨脹、 導(dǎo)熱系數(shù)和發(fā)射率)非必選地添加的附加材料。虛線指出經(jīng)過柵格的電流路徑。為了使沉積涂層在外加電壓的時候使用預(yù)期的功率水平產(chǎn)生特定的熱量，該涂層 通常必須有由預(yù)期的功率水平?jīng)Q定的特定的電阻。電阻R是利用外加電壓V和預(yù)期的功率 水平P依照下式計算的R = V2/P涂層的電阻是涂層的幾何形狀的函數(shù)。明確地說，涂層的電阻能根據(jù)電流路徑長 度(L)、電流通過的橫截面積(A)和材料的電阻率(P)用下式測量R= ρ L/A所以，為了設(shè)計將在給定的電壓下操作的有給定的功率水平和給定的幾何形狀的 涂層，人們只需要使用下式確定材料的電阻率ρ = RA/L = V2A/ (PL)有必需的電阻率P的組合物能這樣獲得，舉例來說，通過在給料中使用不同的導(dǎo) 體和絕緣體摻混物，直到憑經(jīng)驗找到有必需的電阻率的涂層。依照下面進一步詳細(xì)描述的 另一種技術(shù)，電阻率至少能部份地通過控制在給料(例如，金屬)和在沉積過程中與給料反 應(yīng)的氣體(例如，周圍氣體)之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的量實施控制。電阻率作為受控的變量是重要的，因為它代表給予加熱器設(shè)計者的額外的自由 度。在大多數(shù)情況下，加熱器材料(例如，鎳-鉻)的電阻率是固定的數(shù)值。在這樣的例證 中，加熱器設(shè)計者為了獲得預(yù)期的功率必須安排加熱器的幾何尺寸(L和A)。舉例來說，如 果需要的是用盤繞在管道周圍的鎳_鉻絲加熱管道，設(shè)計者必須為電流必須通過橫截面積 A選擇直徑正確的金屬絲和為電流路徑的總長度L選擇線圈的間隔。作為電加熱器運轉(zhuǎn)的熱噴涂的涂層可以由任何導(dǎo)電材料組成，但是選擇擁電阻率 高的材料通常是有利的。這允許以高電壓和較小的電流產(chǎn)生功率，優(yōu)選普遍使用的電壓，例 如，120伏或240伏。通過把金屬氧化物之類的絕緣成份添加到熱噴涂的涂層中提高加熱涂 層的電阻率使之大于常用材料(例如，鎳-鉻)的典型數(shù)值可能是更加有利的。這具有允 許加熱涂層的設(shè)計尺寸緊湊的效果，具體地說電流路徑更短，和使它們在多種應(yīng)用中的使 用變得非常實際。
依照本發(fā)明的一個方面，借助熱噴涂沉積的加熱涂層包含導(dǎo)電材料和電絕緣材 料，電絕緣材料具有比導(dǎo)電材料高的電阻，以致加熱涂層的體電阻率(P)相對于導(dǎo)電材料 有所升高。在特定的實施方案中，體電阻率升高大約IO1倍以上。在其它的實施方案中，體電 阻率升高大約IO1到IO3倍，超過導(dǎo)電材料的電阻率。依照特定的實施方案，加熱涂層中絕緣 材料的含量按體積計至少是大約40%，在優(yōu)選的實施方案中，按體積計介于大約40-80% 之間。能用來在熱噴涂的加熱涂層中形成導(dǎo)電成份的材料的例子包括但不限于碳化物 (例如，碳化硅或碳化硼)、硼化物、硅化物(例如，二硅化鉬或二硅化鎢)和氧化物(例如， 有適合該技術(shù)的 導(dǎo)電特性的鉻酸鑭或氧化錫)。對于絕緣材料，氧化物在應(yīng)用中是非常好 的，尤其是難熔的、絕緣的和廉價的ai2O3。氮化鋁和富鋁紅柱石作為絕緣材料也是適當(dāng)?shù)摹＝饘俪煞萁o料也能用來形成加熱涂層的導(dǎo)電成份，具體地說能夠通過與氣體反應(yīng) 形成氧化物、碳化物、氮化物和/或硼化物的金屬成份?？煞滦У慕饘俪煞莅ǖ幌抻谶^ 渡金屬(例如，鈦(Ti)、釩(V)、鈷(Co)、鎳(Ni))和過渡金屬合金；高活性金屬(例如，鎂 (Mg)、鋯(&)、鉿(Hf)和鋁(Al))；難熔金屬(例如，鎢(W)、鉬(Mo)和鉭(Ta))；金屬復(fù)合 材料，例如，鋁/氧化鋁和鈷/碳化鎢；和準(zhǔn)金屬(例如，硅(Si))。這些金屬成份通常有范 圍在1-100X10—8歐姆-米之間的電阻率。在涂布工藝(例如，熱噴涂)期間，金屬成份的給 料(例如，粉末，金屬絲或?qū)嵭拈L棍)被熔融成微滴，暴露在包含氧、氮、碳和/或硼的反應(yīng) 氣體之中。這種暴露允許熔融的金屬成份與該氣體反應(yīng)至少在一部分微滴上產(chǎn)生氧化物、 氮化物、碳化物或硼化物的衍生物或其組合。反應(yīng)金屬成份的性質(zhì)取決于在沉積時使用的氣體的數(shù)量和性質(zhì)。舉例來說，使用 純氧導(dǎo)致形成金屬成份的氧化物。除此之外，氧、氮和二氧化碳的混合物導(dǎo)致形成氧化物、 氮化物和碳化物的混合物。每種成分的精確比例取決于金屬成份的固有特性和氣體的氧、 氮和碳的比例。用該方法生產(chǎn)的膜層的電阻率在500-50000X 10_8歐姆-米的范圍內(nèi)變動。可仿效的氧化物物種包括Ti02、TiO、ZrO2, V2O5, V2O3> V2O4, CoO、Co203、CoO2, Co3O4, NiO、MgO, HfO2, A1203、W03、W02、Mo03、MoO2, Ta2O5, TaO2 和 SiO20 氮化物的例子包括 TiN、VN、 Ni3N, Mg3N2, ZrN, AlN 和 Si3N40 可仿效的碳化物包括 TiC、VC、MgC2, Mg2C3、HfC, A14C3、WC、 Mo2C, TaC 和 SiC0 可仿效的硼化物包括 TiB、TiB2, VB2, Ni2B, Ni3B, AlB2, TaB、TaB2, SiB 禾口 ZrB20其它的氧化物、氮化物、碳化物和硼化物是熟悉這項技術(shù)的人已知的。為了獲得金屬成份的氧化物、氮化物、碳化物或硼化物，與該成份反應(yīng)的氣體必須 包含氧、氮、碳和/或硼?？煞滦У臍怏w包括，舉例來說，氧、氮、二氧化碳、三氯化硼、氨、甲 烷和二硼烷。在熱噴涂工藝期間，當(dāng)金屬給料的熔融微滴與出現(xiàn)在熔融流(flux stream)中的 周圍氣體反應(yīng)的時候，涂層的組成不同于給料的組成。舉例來說，微滴能獲得反應(yīng)產(chǎn)物(例 如，金屬成份的氧化物、氮化物、碳化物和/或硼化物衍生物)的表面涂層。一些微滴能完 全反應(yīng)，而另一些能保留大部分游離金屬或能保持不發(fā)生反應(yīng)。由此產(chǎn)生的涂層細(xì)微結(jié)構(gòu) 是薄片狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能由組成復(fù)雜的個別粒子組成。該涂層有減少的游離金屬體積分?jǐn)?shù)， 剩余部分由反應(yīng)產(chǎn)物組成。當(dāng)添加到熔融流中的氣體為了形成電阻率比金屬原材料高的反 應(yīng)產(chǎn)物而被選定的時候，由此產(chǎn)生的涂層呈現(xiàn)比游離金屬成份高的體電阻率。反應(yīng)產(chǎn)物的 濃度和涂層的電阻率至少能部份地通過控制反應(yīng)氣體的濃度得到控制。
在特定的實施方案中，加熱涂層的電阻率能通過為熱噴涂工藝選擇包括至少一種 導(dǎo)電成份和至少一種電絕緣成份的給料得到進一步的提高，其中給料的至少一種成份包含 在熱噴涂工藝期間與氣體反應(yīng)物反應(yīng)產(chǎn)生電阻率比游離金屬成份高的反應(yīng)產(chǎn)物的金屬成 份。舉例來說，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，用于熱噴涂型加熱層的給料包含平直的金 屬帶狀物，該金屬帶狀物組成包圍絕緣材料的芯的金屬絲。絕緣材料可能是粉末，例如，粉 末狀的陶瓷。在一個實施方案中，平直的 金屬帶狀物在氧化鋁的絕緣粉末上形成金屬絲。 這個“有芯的”金屬絲然后在有反應(yīng)氣體存在的情況下優(yōu)選使用雙電弧金屬絲系統(tǒng)進行熱 噴涂，以便在適當(dāng)?shù)幕w上產(chǎn)生涂層。由此產(chǎn)生的熱噴涂的涂層作為給料中的氧化鋁陶瓷 粉末和由熔融金屬鋁與反應(yīng)氣體(例如，氧)的反應(yīng)形成的電絕緣的反應(yīng)產(chǎn)物(例如，氧化 鋁)兩者的結(jié)果以相對于鋁獨自的電阻率實質(zhì)上有所增加的電阻率為特色。因此，金屬鋁 和陶瓷氧化鋁的芯型金屬絲給料提供鋁的非凡粘性力的利益和大氧化鋁體積分?jǐn)?shù)的高電 阻率，其中鋁在正常情況下即使含氧化成份通常也具有低的電阻率?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2A，舉例說明本發(fā)明的電阻加熱器200的可仿效的實施方案。加熱器 200包括基體210，基團可能是諸如鋼板之類的工程材料，它可能包括，舉例來說，氣體能在 其中流動的機殼或管道的壁?；w210的表面可以，舉例來說，通過噴沙變得粗糙，以促使 涂層較好地附著。當(dāng)基體是金屬或其它導(dǎo)電體的時候，在基體210上沉積諸如聚合物或陶 瓷之類的電絕緣層220是必不可少的，為的是使基體220與電阻加熱層絕緣。絕緣層220能 包含任何適當(dāng)?shù)慕^緣材料(例如，氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂，等等)，而且可以是用任何適當(dāng) 的方法加上去的。絕緣層220能借助熱噴涂工藝(例如，上述的工藝)沉積上去。接下來， 借助上述的熱噴涂工藝噴涂電阻加熱涂層230。為了把電壓跨接在加熱器層230兩端利用 電阻產(chǎn)生熱，提供與加熱器層230接觸的電接觸點231、233。加熱器層230能借助任何適當(dāng) 的方法(銅焊連接器、錫焊連接線)或借助物理觸點使用各種不同的機械連接器接到電源 上。為了防止使用者遭受電擊和/或為了防止加熱器受環(huán)境(例如，潮氣)影響，覆蓋 加熱器層230時常是必不可少的。這能通過用另一個陶瓷或聚合物(例如，氧化鋁)的絕 緣層240覆蓋加熱器層230或通過把加熱器封裝在封包中完成。人們將理解上述加熱器200的很多變化能變得與特定的應(yīng)用一致。舉例來說，附 加的層膜和涂層可能是為各種不同的目的準(zhǔn)備的，包括但不限于基體上的粘附或粘結(jié)層、 用來改善熱膨脹系數(shù)不同的膜層之間的熱匹配的膜層和一個或多個促進或抑制傳熱的膜 層，例如，熱發(fā)射層、熱反射層、熱傳導(dǎo)層和絕熱層。人們也將理解電阻加熱器層230可能在 沒有電絕緣層220的情況下直接沉積到非傳導(dǎo)性的基體上。加熱器200 (例如前面結(jié)合圖2A描述的加熱器)可以有任何預(yù)期的形狀。在用于 氣體加熱器的加熱元件的優(yōu)選實施方案中，加熱器200包括嵌板加熱器，該嵌板加熱器能 形成氣體能在其中流動的管道或機殼的壁，或被收容在所述管道或機殼的壁內(nèi)或毗連所述 管道或機殼的壁安裝。平坦的嵌板加熱器200的例子是用圖2B舉例說明的。這樣的設(shè)計 是有利的而且能在幾個主要方面戲劇地提高加熱器性能，因為加熱器220把它的熱量均勻 地分布在表面上，而不是沿著金屬絲集中它。如同在圖2B中能看到的那樣，電阻加熱層220 包括在基體210上用絕緣區(qū)域250分開的定義明確的電路圖。該電路圖可以是在熱噴涂工 藝期間使用可移去的仿制掩膜定義的。該電路圖也可能是在加熱器層220涂在基體上之后形成的，例如，通過用激光或刀具刻畫該圖案。熱噴涂方法適用于許多能適當(dāng)?shù)厝廴诘牟牧?即，任何不分解或升華的材料)的 沉積。此外，熱噴涂能夠把涂層沉積在許多不同的基體上，只要它們在沉積之前被適當(dāng)?shù)販?zhǔn) 備。 因為當(dāng)熱噴涂的粘結(jié)原則機制是涂層和基體的機械互鎖的時候涂層的粘結(jié)強度與基體 的粗糙程度成正比，所以準(zhǔn)備通常包括使基體變粗糙?；w可能是金屬、陶瓷、聚合物或玻 璃。在特定的實施方案中，云母材料是作為基體使用的。能制造有多孔表面的云母，所以不 需要變粗糙就能改善熱涂層的附著。另外，熱膨脹系數(shù)比較高和/或?qū)嵯禂?shù)比較高的材 料能在制造基體期間添加到云母材料中以改善加熱器元件和底層基體的熱匹配。云母是以兩種形式(白云母和金云母)發(fā)現(xiàn)的自然存在的礦物。對于工業(yè)用途，原 料先磨成粉末并且與粘接劑混合，然后同時受壓力和溫度支配形成密集的穩(wěn)定的材料。成 品表面通常是平滑的，沒有多孔性。微結(jié)構(gòu)通常是有弱晶間鍵的呈片狀形態(tài)的微晶。云母是用于特定應(yīng)用的加熱涂層的理想基體。該材料有非常高的介電強度，所以， 不需要與金屬基體的情況一樣在沉積加熱器層之前首先沉積介電層。它是便宜的，這使它 適合低成本、大體積應(yīng)用，例如，氣體加熱器、烹飪器具(例如，烘箱、烤箱、四眼電爐)和其 它器具(例如，衣服烘干機)。它能被制成容易切割而且有可接受的機械強度的片材；而且 它是難熔的，足以經(jīng)受高達1200°C的最高溫度。用云母作為加熱涂層的基體的一個缺點是熱膨脹小。云母的體熱膨脹通常比大多 數(shù)以金屬為基礎(chǔ)的加熱涂層小。因此，當(dāng)該結(jié)構(gòu)升溫的時候，應(yīng)力狀態(tài)由于熱彈性應(yīng)力在基 體-涂層界面建立。這些應(yīng)力能引起基體彎曲或涂層分層。用云母的第二個問題是它難以使用傳統(tǒng)的方法為熱噴涂涂層作準(zhǔn)備。換句話說， 云母難以使用機械方法(例如，噴沙)或通過使用磨蝕工具變粗糙。這是因為它的晶體微 結(jié)構(gòu)既不像金屬那樣經(jīng)受塑性變形，也不像許多陶瓷那樣出現(xiàn)簡單的顆粒脫落。更確切地 說，云母在變得粗糙和微破裂在殘存表面以下發(fā)展的時候容易剝落和崩解。用云母的第三個問題是它的導(dǎo)熱系數(shù)極低。因此，當(dāng)高溫度加熱涂層沉積在它上 面的時候，加熱器所產(chǎn)生的熱量不容易與在金屬中一樣流向未涂布區(qū)域。確切地說，大的溫 度梯度被建立起來，這引起相當(dāng)大的熱膨脹梯度。這些梯度產(chǎn)生能超過云母的斷裂強度并 引起破裂的應(yīng)力。為了解決與云母有關(guān)的問題，本發(fā)明的某些實施方案在制造期間把氮化鋁之類的 電絕緣體插入云母粉末。絕緣體被選定，為的是使基體有比純云母高的導(dǎo)熱系數(shù)借此增加 基體由此產(chǎn)生的體導(dǎo)熱系數(shù)。在另一個優(yōu)選實施方案中，相對于純云母擁有比較高的熱膨 脹系數(shù)的高溫電絕緣體(例如，氧化鋯、氧化鋁和/或氧化鎂或硅酸鹽)能用來改善加熱器 分層結(jié)構(gòu)的熱匹配特性。使用這個工藝形成的眾多云母層能用來形成層壓基體和加熱器復(fù) 合物。另外，云母表面能被加工成多孔表面，以增加熱噴涂的涂層對云母表面的機械附 著。具體地說，云母或其它基體材料能用粉末制作，其中調(diào)整粒度和粘接劑體積能通過增加 表面小孔的和/或大小使表面變粗糙，以致機械糙化是不必要的。最后，把涂層加到沉積在云母上需要在高溫下工作的加熱器上是困難的。這樣的 保護層往往是保證用電安全和防止加熱器遭受環(huán)境攻擊必需的。在低溫下，有各種不同的 聚合物和硅樹脂材料能作為覆蓋物，然而，在大約300°C以上，可以使用硅酸鹽或其它陶瓷材料?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖3A和圖3B，依照本發(fā)明的一個實施方案展示有加熱嵌板310、311的管 道氣體加熱器300。嵌板310和311能包括有在適當(dāng)?shù)幕w上形成的熱噴涂的電阻加熱層 的加熱板，例如，前面 結(jié)合圖2A和圖2B描述的。管道氣體加熱器300包括定義氣體能在其 中流動的外殼的四壁313、314、315、316。與管道氣體加熱器300流體連通的送風(fēng)機或風(fēng)扇 能迫使氣體通過該外殼。在這個實施方案中，所示的兩塊加熱板310和311插在氣流中。然 而，人們將理解可以使用不同數(shù)目的嵌板。另外，雖然在這里展示的管道加熱器300包括矩 形的橫截面，但是其它的結(jié)構(gòu)是可能的。舉例來說，圓形的氣體管道能包括內(nèi)在的加熱板。在圖3A和圖3B的管道氣體加熱器300中，嵌板310和311被接到電源上，以致在 給嵌板供電的時候，該電阻加熱層產(chǎn)生熱量。嵌板310和311優(yōu)選相對于氣體流動方向形成 某個角度，以有助于改善熱量向正在流動的氣流的轉(zhuǎn)移。成角度的嵌板310和311促使氣 流在氣流和加熱板的界面形成湍流流動。這個湍流流動改善加熱板和氣流之間的熱耦合。 熱傳遞在較大的接觸面積上能以對流傳熱為主。此外，在嵌板310、311上的氣流有助于冷 卻嵌板，所以嵌板通過輻射損失的熱量比較少。人們將理解在本發(fā)明的管道氣體加熱器300中各種不同的其它配置是可能的。舉 例來說，加熱板能在管壁313、314、315、316上提供，甚至能形成該外殼的一個或多個殼壁。 此外，能提供各種不同的結(jié)構(gòu)以促使氣流形成湍流，例如，管道里面的導(dǎo)向葉片相對于加熱 表面以某種角度導(dǎo)引氣體。用來促進湍流形成和提高傳熱效率的其它機制包括，舉例來說， 增加傳熱表面的表面粗糙度和增加管道內(nèi)傳熱表面的皺褶和不平度。在特定的實施方案中，本發(fā)明的管道氣體加熱器300能用來把暖風(fēng)(例如，空氣) 遞送給房間或建筑物。這個系統(tǒng)的優(yōu)勢是每個個別的加熱板能為了控制提供給特定的房間 或區(qū)域的熱量被個別地控制。此外，因為現(xiàn)在的加熱器提供大的傳熱面積、傳熱媒體(例 如，空氣)的湍流流動和居主導(dǎo)地位的對流傳熱，所以，舉例來說，與金屬絲加熱元件相比， 熱量能以相對低的功率提供。圖4A和圖4B展示有風(fēng)扇410的灼熱氣體送風(fēng)機400，其中加熱涂層413是在圍繞 風(fēng)扇的機殼411上形成的。加熱涂層413包括優(yōu)選借助熱噴涂工藝形成的電阻加熱器層。 加熱涂層413能直接熱噴涂到機殼411上。使用熱噴涂工藝的好處是加熱涂層容易與機殼 411的形狀和輪廓一致，在這個實施方案中機殼是部份地包圍風(fēng)扇葉片的外圓周的彎曲機 殼。在用導(dǎo)電材料制作機殼411的情況下，為了防止電短路，加熱器層可以沉積在中間的絕 緣層上。該中間膜層可以包含也能借助熱噴涂沉積的絕緣材料。加熱涂層413能被仿制成 用絕緣區(qū)域417分開的電路415。電連接器418、419與電路415連接，以便給加熱涂層413 供電和產(chǎn)生熱量。為了提供，舉例來說，絕熱、環(huán)保和/或安全，可以在在加熱涂層413上提 供一個或多個附加膜層。在工作時，空氣之類的氣體靠風(fēng)扇410的運行被徑向吸入送風(fēng)機機殼411，而且旋 轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉片迫使氣體以較高的速度接觸機殼411的內(nèi)壁。機殼411的壁被加熱涂層413 直接加熱并且把熱量傳遞給氣流。送風(fēng)機設(shè)計和風(fēng)扇運行產(chǎn)生的力促成高湍流度的氣流， 這將使熱量容易傳遞給氣流。送風(fēng)機400在加熱表面的和氣體之間有利地提供大的熱接觸 表面區(qū)域，而且氣體相對于(彎曲的)機殼411主要以某個角度流動，因此增強湍流和促進 對氣體的有效對流傳熱。當(dāng)氣體在送風(fēng)機機殼411的內(nèi)部(在圖4B中沿著逆時針方向)作圓周運動的時候，氣體繼續(xù)吸收熱量，最后，熱氣通過出口管道420排出。然后，該熱氣能被用于任何適當(dāng)?shù)哪康?，例如，舉例來說，加熱供暖、烹飪食物或烘干衣服。加熱涂層413的電路圖415能形成，以便把統(tǒng)一的加熱提供給氣體，或在一些實施 方案中，把不統(tǒng)一的加熱提供給氣體。舉例來說，電阻電路415的幾何形狀能被配置成在送 風(fēng)機400的較涼爽的氣體入口一側(cè)提供的功率較多并因此提供的傳熱較多，而且離出口管 道420越近提供的功率和熱量越少。灼熱氣體送風(fēng)機500的進一步的實施方案是用圖5A舉例說明的。這個實施方案 與圖4A和圖4B的實施方案類似，而且包括至少被部份地封在機殼511中的風(fēng)扇510。氣體 從機殼511的底部吸進送風(fēng)機500，然后經(jīng)由出口管道520離開。在這個實施方案中，加熱 涂層513是在風(fēng)扇510下游的出口管道520的表面上提供的。加熱涂層513優(yōu)選包括借助 熱噴涂形成的電阻加熱層，而且可以被直接噴射到管道520的表面上。作為替代，該涂層可 以被噴涂到分開的基體上，以便提供附著在管道520上的加熱板521，像前面結(jié)合圖2A和圖 2B描述的那樣。加熱板521可以包含云母之類非傳導(dǎo)性基體或金屬材料。在加熱板521和 管道520之間可以提供熱傳導(dǎo)襯墊。圖5A所示的送風(fēng)機實施方案與圖4A和圖4B的實施方案相比通常將提供較少湍 流的氣流，因為加熱涂層是在出口管道上提供的而且通常是平行于氣流方向定向的。一種 改善送風(fēng)機500傳熱效果的方法是在出口管道520里面提供導(dǎo)向葉片523。導(dǎo)向葉片523 能增加可用于傳熱的表面積，而且依據(jù)它們的配置能增加送風(fēng)機里面的湍流度。圖5A舉例說明在管道520內(nèi)垂直延伸的導(dǎo)向葉片523。圖5B所示的替代配置包 括按水平和垂直兩個方向延伸的導(dǎo)向葉片523。導(dǎo)向葉片523優(yōu)選利用好的熱導(dǎo)體材料制 作，以便來自加熱板521的熱量沿著導(dǎo)向葉片523傳導(dǎo)到管道內(nèi)部，在那里它能被賦予經(jīng)過 的氣流。加熱板521可以在加熱涂層513上包括一個或多個保護性覆蓋層525，如圖5B所 示。該覆蓋物能提供隔熱、免受環(huán)境影響的保護和/或安全。人們將理解加熱涂層可以在送風(fēng)機500的任何表面上提供。舉例來說，送風(fēng)機可 能包括在圖4A和4B圖所示的風(fēng)扇機殼上和在圖5A和圖5B所示的出口管道上的加熱涂層。 此外，雖然圖5A和圖5B展示加熱涂層在出口管道的頂面上，但是加熱涂層可能是在該管道 的任何內(nèi)表面或外表面上提供的，而且可以是在該管道的多個表面上提供的。涂層也可能 是在導(dǎo)向葉片上提供的，或在風(fēng)扇的零部件(例如，風(fēng)扇葉片)上提供的。為了促成湍流氣 流，可以使送風(fēng)機的任何表面變得粗糙，起皺或變得凹凸不平。圖6A和圖6B展示灼熱氣體送風(fēng)機600的另一個實施方案。這個實施方案與圖 4A、圖4B、圖5A和圖5B的送風(fēng)機類似，但是包括放置在出口氣流中的多孔基體630。多孔 基體630包括在該基體上提供的加熱涂層613。該加熱涂層優(yōu)選包含借助熱噴涂形成的電 阻加熱層。該電阻加熱層可能是直接熱噴涂到基體630的表面上的(該基體可以是在沉積 加熱層之前或之后打孔的)。在基體630包含導(dǎo)電材料的情況下，可以在加熱層和基體之間 提供居中的絕緣層。在圖6A和圖6B的實施方案中，電阻加熱層形成在基體630的表面上 蜿蜒的不間斷的電路軌跡615。 多孔基體630優(yōu)選包含導(dǎo)熱材料，而且能包含金屬。在特定的實施方案中，加熱涂 層613可以沉積在包含屏障材料的基體630 (例如，涂瓷鋼)上。
多孔基體630是在出口管道620的內(nèi)部提供的，而且通常能垂直于氣流方向定向。 這種結(jié)構(gòu)促成湍流氣流和更有效的傳熱。多孔基體630也可能是相對于氣流方向呈某個角 度提供的。在特定的實施方案中，送風(fēng)機600能包括在出口管道620內(nèi)連續(xù)提供的多個基 體630，每個基體都有加熱涂層613。每個基體630的孔可以與毗連基體的孔錯位以促成增 強的湍流?？梢匝刂鴼怏w流動路徑在送風(fēng)機的任何表面上使表面變粗糙、形成褶皺或凹凸 不平，以促成附加的湍流。圖7A和圖7B舉例說明依照本發(fā)明的灼熱氣體送風(fēng)機700的進一步的實施方案。 這個實施方案與圖4A和圖4B所示的實施方案類似。然而，在圖7A和圖7B的實施方案中， 送風(fēng)機700屬于氣體先沿軸向進入送風(fēng)機機殼711然后沿徑向被吸入風(fēng)扇710的那種類 型。在這個實施方案中，加熱涂層713可能實質(zhì)上是在送風(fēng)機機殼711的整個圓周上提供 的，從而導(dǎo)致大的表面區(qū)域用于傳熱。此外，這個實施方案提供通常呈湍流狀態(tài)的氣流，以 促成有效的對流傳熱。另一個替代方案是用圖8A和圖8B舉例說明的。在這個實施方案中，熱氣送風(fēng)機 800包括軸向的氣體入口 831和管狀的氣體出口管道833。出口管道833包括導(dǎo)向葉片834， 加熱涂層813是在導(dǎo)向葉片834上提供的。與在早先的實施方案中一樣，加熱涂層813包 括優(yōu)選借助熱噴涂沉積的電阻加熱層。在圖8A和圖8B中，導(dǎo)向葉片834是放在出口管道 833外面展示的，為的是更好地舉例說明該導(dǎo)向葉片，然而，在運行時該導(dǎo)向葉片是在管道 833里面提供的，而且加熱涂層813被接到電源上以便提供電阻加熱。導(dǎo)向葉片834包括螺 旋狀結(jié)構(gòu)，而且電阻加熱層可以直接噴涂到螺旋狀導(dǎo)向葉片的表面上(例如，使用車床或 類似的裝置旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向葉片同時把涂層熱噴涂到該導(dǎo)向葉片上)。螺旋狀導(dǎo)向葉片834促成 適合于有效傳熱的高湍流度氣流。在替代配置中，導(dǎo)向葉片836可能包括沿著管狀管道的 軸線延伸的平直表面，而加熱涂層是在導(dǎo)向葉片836的一個或多個表面上提供的。圖9舉例說明有依照本發(fā)明的加熱涂層元件的對流烤箱60。使用加熱涂層的對流 烤箱能證明因為熱量被有效地傳送給空氣所以升溫速度非?？臁Ｔ趫D9的對流烤箱中，烤 箱包括一個或多個位于烤箱壁之上或附近與烤箱內(nèi)腔40有熱交換的加熱板61。加熱板61 可能是前面結(jié)合圖2A和圖2B描述的加熱板，而且能把輻射熱成分提供給烤箱腔體40里面 的物體。在這個實施方案中，加熱板61安裝在烤箱的頂板42和底板43的外表面上。人們 將理解加熱板61可以位于其它的表面上，在烤箱腔壁的外面或里面。除此之外，對流烤箱 60包括空氣循環(huán)系統(tǒng)以便提供傳導(dǎo)性加熱部件。在這個實施方案中，空氣循環(huán)系統(tǒng)包括安 裝在烤箱后壁44后面的送風(fēng)機63。送風(fēng)機63產(chǎn)生經(jīng)由烤箱后壁44上的排氣孔65進入烤 箱空腔40的氣流?？諝馐芩惋L(fēng)機63強迫在用加熱板61加熱的表面上經(jīng)過并因此吸收熱 量傳送給位于烤箱內(nèi)腔40中的物體(例如，食物)。對循環(huán)空氣的傳熱由于加熱板61的面 積大有所增強。這與通常只有一小部分空氣在傳統(tǒng)的加熱元件(例如，Cal-rod加熱元件) 上經(jīng)過的傳統(tǒng)的對流烤箱相反。如果加熱涂層在分開的嵌板(例如，在圖9中舉例說明的懸空嵌板51)懸空嵌板 51上被插進烤箱內(nèi)腔，那么與傳統(tǒng)的Cal-rod型烤箱相比由于安排加熱器51表面區(qū)域更大 被迫在嵌板51上經(jīng)過的空氣將更迅速地接受更多的熱量。本發(fā)明的對流烤箱的其它優(yōu)勢包括因為缺少傳統(tǒng)加熱元件所以烤箱內(nèi)腔可用空 間增大、組裝時間短、升溫快和效率高。
包含加熱涂層的嵌板61能放在氣流中的任何地方，優(yōu)選放在大部分流動空氣將 在嵌板本身之上或在用嵌板加熱的表面上流動的地方，為的是有效地把熱量傳遞給循環(huán)空 氣。為了在表面產(chǎn)生湍流增強傳熱，嵌板61或加熱表面能用皺紋或凹凸不平之類的特征來 改進。為了在烤箱內(nèi)腔的加熱表面上故意地引導(dǎo)氣流，也可以提供導(dǎo)向葉片或孔。除此之 外，傳熱可以通過這樣安排氣流以致該氣流不平行于傳熱表面而是垂直于加熱表面或相對 于加熱表面成某種角度而得到增強。當(dāng)空氣在加熱表面被迫改變方向的時候，這將產(chǎn)生湍 流，因此改善傳熱。如圖10所示，加熱涂層71能被并入送風(fēng)機63以改善對循環(huán)對流空氣的傳熱。在 這個實施方案中，本質(zhì)上所有受送風(fēng)機強迫的空氣在加熱涂層71上經(jīng)過并因此吸收熱量 傳送給烤箱內(nèi)腔40。加熱涂層71包括電阻加熱層，該電阻加熱層可能是熱噴涂到送風(fēng)機機 殼73上的而且有電阻加熱電路的圖案，當(dāng)提供跨接電極74、75的電壓的時候該電路提供電 阻加熱。加熱涂層71可以加到送風(fēng)機63之上或之內(nèi)的任何表面上。電動風(fēng)扇76迫使空 氣鄰近加熱涂層71流動，在那里空氣被加熱，然后經(jīng)由風(fēng)道71進入烤箱。圖11是有用來提供灼熱氣流的熱噴涂型加熱器的衣服烘干機850的示意圖。烘干 機850包括機殼851。在機殼851里面的是當(dāng)灼熱空氣通過鼓853的時候翻轉(zhuǎn)衣服的轉(zhuǎn)鼓 853。門854位于機殼851的前面用來接近鼓853的內(nèi)部?？刂破?55控制烘干機850的 操作。當(dāng)烘干機850工作的時候，風(fēng)扇860或其它運動裝置工作把周圍的氣體吸進烘干機 機殼851。在這個實施方案中，氣體通過在烘干機后面的通風(fēng)孔857進入機殼851。然后， 氣體被迫在加熱元件859上經(jīng)過，該加熱元件在這個實施方案中由一個或多個熱噴涂的加 熱器組成。熱噴涂的加熱器859把熱量傳遞給氣體，優(yōu)選主要靠幅射熱損失最小的對流傳 遞熱量。然后，熱氣體能通過在鼓的后壁上的孔口進入鼓853。熱氣體在經(jīng)過排氣口 861離 開轉(zhuǎn)鼓853和機殼851之前在該轉(zhuǎn)鼓中翻轉(zhuǎn)的衣服上流動，采集濕氣。圖12是依照本發(fā)明的另一方面的護壁板房間供暖系統(tǒng)900的示意圖。護壁板房 間供暖器900通常安裝在房間的地板901之上或附近，通?？恐鴫Ρ?02在沒有障礙的地 方。這個類型的供暖系統(tǒng)依靠熱空氣的自然對流分配熱量。圖12的供暖系統(tǒng)900包括有 接納氣流911的下孔口 904和通過它把熱氣體913送進房間的上孔口 906的機殼910。為 了舉例說明按任何適當(dāng)?shù)呐渲媚茉跈C殼中提供的熱噴涂型加熱器913，機殼910被局部剖 開。氣體911借助自然對流被吸進孔口 904，在那里加熱器913把熱量傳遞給氣體。然后， 溫暖的氣體借助自然對流通過上孔口 906離開，并且通過房間散布，供暖。本發(fā)明的熱噴 涂型加熱器在護壁板加熱器中使用是特別有利的，因為它們以輻射熱損失低為特色，所以 它們將不會使周圍的結(jié)構(gòu)(例如，房間里的人、寵物或灰塵和污垢)過熱或灼傷。此外，因 為對流傳熱的程度高，它們與傳統(tǒng)的金屬絲型的加熱元件相比能以低功率提供所需要的熱 量，因此更便宜，更有效。電阻加熱涂層的范例、制作加熱元件的方法和加熱涂層的各種不同的應(yīng)用是在共 同擁有的美國專利第6，762，396、6，919，543和6，294，468號和共同擁有的美國專利申請公 開第2005/0252906A1和2006/0288998A1中描述的。上面引證的專利和專利申請公開的全 部教導(dǎo)在此通過引證被并入。雖然已經(jīng)結(jié)合借助熱噴涂形成的電阻加熱層描述了氣體加熱器的各種不同的實 施方案，但是人們將理解在此描述的那種類型的氣體加熱器能包括各種不同類型的電阻加熱器，包括，舉例來說，使用濺射、溶膠-凝膠、離子注入、蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積和各種不同的 厚膜技術(shù)(例如，絲網(wǎng)印刷和分發(fā))作為涂層沉積的電阻加熱器。覆蓋表面的其它電阻加 熱器(例如，薄箔和柔性加熱器)也適用于在此描述的氣體加熱器。
雖然已結(jié)合特定的方法和裝置描述了本發(fā)明，但是熟悉這項技術(shù)的人將認(rèn)出在此 描述的特定實施方案的其它等價方案。人們將理解這份說明書是作為例子而不是作為對本 發(fā)明范圍的限制，而且這些等價方案傾向于被權(quán)利要求書陳述的權(quán)項囊括。
權(quán)利要求
1.一種熱噴涂型氣體加熱器，其中包括推進氣體通過機殼的氣體流動裝置；以及粘結(jié)到裝置表面上的熱噴涂型加熱器，該加熱器的位置適合于給機殼中的氣流加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的熱噴涂型氣體加熱器，其中熱噴涂型加熱器包含實質(zhì)上呈薄片狀 結(jié)構(gòu)的電阻加熱層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的熱噴涂型的氣體加熱器，其中電阻加熱層包含第一材料和第二材 料，其中第一材料是導(dǎo)電材料而第二材料是電絕緣材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的熱噴涂型的氣體加熱器，進一步包括支承基體，加熱層是在該支承基體上提供的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的熱噴涂型氣體加熱器，其中支承基體包含該裝置的表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的熱噴涂型氣體加熱器，其中支承基體包含粘結(jié)到裝置表面上的分 開的基體。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的熱噴涂型氣體加熱器，進一步包括絕緣層，該絕緣層是在支承基 體上提供的，而加熱層是在該絕緣層上提供的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的熱噴涂型氣體加熱器，其中絕緣層包含實質(zhì)上由薄片狀結(jié)構(gòu)組成 的熱噴涂層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的熱噴涂型氣體加熱器，其中支承基體包含電絕緣材料，而且加熱 層是在與支承基體的接觸中提供的。
10.根據(jù)權(quán)利要求4的熱噴涂型氣體加熱器，其中支承基體包含云母材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的熱噴涂型氣體加熱器，其中云母材料包含云母與電絕緣材料的 混合物，該混合物具有比純云母高的熱膨脹系數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求4的熱噴涂型氣體加熱器，其中支承基體由聚合物組成。
13.根據(jù)權(quán)利要求4的熱噴涂型氣體加熱器，進一步包括保護層，該保護層是在加熱層 和支承基體之上提供的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的熱噴涂型氣體加熱器，其中保護層由絕緣材料組成。
15.根據(jù)權(quán)利要求2的熱噴涂型氣體加熱器，其中電阻加熱層被模式化的以便提供電 路，而且至少兩個電連接器與該電阻加熱層電接觸，以便提供跨接該電路的電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求3的熱噴涂型氣體加熱器，其中電阻加熱層的體電阻率比傳導(dǎo)性材 料的電阻高大約10倍以上。
17.根據(jù)權(quán)利要求3的熱噴涂型氣體加熱器，其中電阻加熱層的體電阻率比傳導(dǎo)性材 料的電阻高大約10到大約1000倍。
18.根據(jù)權(quán)利要求3的熱噴涂型氣體加熱器，其中在電阻加熱層中電絕緣材料的含量 按體積計至少為大約40%。
19.根據(jù)權(quán)利要求3的熱噴涂型氣體加熱器，其中在電阻加熱層中電絕緣材料的含量 按體積計在大約40-80%之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求3的熱噴涂型氣體加熱器，其中導(dǎo)電材料包含金屬材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的熱噴涂型氣體加熱器，其中金屬材料至少包含鈦(Ti)、釩(V)、 鈷(Co)、鎳(Ni)、鎂(Mg)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鋁(Al)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉭(Ta)、硅(Si)、金屬 合金，金屬復(fù)合材料和準(zhǔn)金屬之一。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的熱噴涂型氣體加熱器，其中導(dǎo)電材料包含鋁。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的熱噴涂型氣體加熱器，其中電絕緣材料包含金屬材料的反應(yīng)產(chǎn)物。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的熱噴涂型氣體加熱器，其中反應(yīng)產(chǎn)品至少包含氧化物、氮化物、 碳化物和硼化物之一。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的熱噴涂型氣體加熱器，其中電絕緣材料包含氧化鋁。
26.根據(jù)權(quán)利要求20的熱噴涂型氣體加熱器，其中電絕緣材料包含熱噴涂絕緣材料和 導(dǎo)電材料反應(yīng)產(chǎn)物。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的熱噴涂型氣體加熱器，其中循環(huán)系統(tǒng)包含鼓風(fēng)裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的熱噴涂型氣體加熱器，其中加熱器粘結(jié)在鼓風(fēng)裝置的表面上。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的熱噴涂型氣體加熱器，其中鼓風(fēng)裝置包括風(fēng)扇和至少包圍一部 分風(fēng)扇圓周的機殼，熱噴涂型加熱器粘結(jié)在該風(fēng)扇機殼上。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的熱噴涂型氣體加熱器，其中風(fēng)扇機殼實質(zhì)上包圍整個風(fēng)扇圓 周，熱噴涂型加熱器粘結(jié)在風(fēng)扇機殼上而且實質(zhì)上遍布風(fēng)扇的整個圓周。
31.根據(jù)權(quán)利要求27的熱噴涂型氣體加熱器，其中鼓風(fēng)裝置包括有一個或多個葉片的 風(fēng)扇，熱噴涂型加熱器粘結(jié)到風(fēng)扇的葉片上。
32.根據(jù)權(quán)利要求1的熱噴涂型氣體加熱器，其中熱噴涂型加熱器粘結(jié)在機殼表面上。
33.根據(jù)權(quán)利要求1的熱噴涂型氣體加熱器，其中機殼包括內(nèi)在的導(dǎo)向葉片，加熱器的 位置適合給該導(dǎo)向葉片加熱。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的熱噴涂型氣體加熱器，其中導(dǎo)向葉片促進氣體的湍流流動。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的熱噴涂型氣體加熱器，其中熱噴涂型加熱器粘結(jié)在導(dǎo)向葉片上。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的熱噴涂型氣體加熱器，其中導(dǎo)向葉片包括螺旋狀的導(dǎo)向葉片。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的熱噴涂型氣體加熱器，進一步包括放置在機殼里面的多孔基 體，氣體被推進通過該多孔基體，加熱器粘結(jié)在該多孔基體上。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的熱噴涂型氣體加熱器，其中多孔基體包括熱噴涂的屏障材料。
39.根據(jù)權(quán)利要求1的熱噴涂型氣體加熱器，其中氣體流動裝置結(jié)束至少在一部分裝 置之上促成湍流氣流，加熱器的位置適合于給機殼里面的湍流氣流加熱。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的熱噴涂型氣體加熱器，其中氣體流動裝置特征在于雷諾數(shù)超過 大約2000。
41.根據(jù)權(quán)利要求39的熱噴涂型氣體加熱器，其中氣體流動裝置特征在于雷諾數(shù)超過 大約3000。
42.根據(jù)權(quán)利要求1的熱噴涂型氣體加熱器，其中氣體流動裝置配置成主要靠強制對 流轉(zhuǎn)移熱量。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的熱噴涂型氣體加熱器，其中氣體流動裝置配置成將輻射熱損失 減到最少。
44.根據(jù)權(quán)利要求1的熱噴涂型加熱器，其中熱噴涂型加熱器的厚度小于大約0.030英寸。
45.根據(jù)權(quán)利要求1的熱噴涂型加熱器，熱噴涂型加熱器特征在于，材料電阻率大于大約10-4歐姆-厘米。
46.一種湍流氣流管道的加熱器系統(tǒng)，其中包括有氣體流動通道的管道，該通道有在該通道中提供湍流氣流的成形表面；以及 放置在該通道中給氣流加熱的熱噴涂型加熱器。
47.根據(jù)權(quán)利要求46的加熱器系統(tǒng)，其中熱噴涂型加熱器位于該通道中。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的加熱器系統(tǒng)，其中熱噴涂型加熱器粘結(jié)到該成形表面上。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的加熱器系統(tǒng)，其中成形表面包括相對于通道中氣流的主體方向 呈某個角度的嵌板加熱器。
50.根據(jù)權(quán)利要求46的加熱器系統(tǒng)，其中氣體流動通道特征在于，雷諾數(shù)超過大約 2000。
51.根據(jù)權(quán)利要求46的加熱器系統(tǒng)，其中氣體流動通道特征在于，雷諾數(shù)超過大約 3000。
52.根據(jù)權(quán)利要求46的加熱器系統(tǒng)，其中氣體流動管道被配置成主要靠強制對流傳遞熱量。
53.根據(jù)權(quán)利要求52的加熱器系統(tǒng)，其中氣體流動管道配置成將輻射熱損失減到最少。
54.根據(jù)權(quán)利要求46的加熱器系統(tǒng)，其中熱噴涂型加熱器的厚度小于大約0.030英寸。
55.根據(jù)權(quán)利要求46的加熱器系統(tǒng)，其中熱噴涂型加熱器特征在于，材料電阻率大于 大約10-4歐姆-厘米。
56.根據(jù)權(quán)利要求46的加熱器系統(tǒng)，其中熱噴涂型加熱器包含實質(zhì)上呈薄片狀結(jié)構(gòu)的 電阻加熱層。
57.根據(jù)權(quán)利要求56的加熱器系統(tǒng)，其中電阻加熱層包含第一材料和第二材料，其中 第一材料是導(dǎo)電材料，而第二材料是電絕緣材料。
58.根據(jù)權(quán)利要求46的加熱器系統(tǒng)，其中熱噴涂型加熱器是沉積在絕緣材料上的。
59.根據(jù)權(quán)利要求58的加熱器系統(tǒng)，其中絕緣材料由云母材料組成。
60.根據(jù)權(quán)利要求59的加熱器系統(tǒng)，其中云母材料由云母與電絕緣材料的混合物組 成，該混合物具有比純云母高的熱膨脹系數(shù)。
61.根據(jù)權(quán)利要求57的加熱器系統(tǒng)，其中電阻加熱層的體電阻率比傳導(dǎo)性材料的電阻 率高大約10倍以上。
62.根據(jù)權(quán)利要求57的加熱器系統(tǒng)，其中電阻加熱層的體電阻率比傳導(dǎo)性材料的電阻 率高大約10到大約1000倍。
63.根據(jù)權(quán)利要求57的加熱器系統(tǒng)，其中在電阻加熱層中電絕緣材料的含量按體積計 至少為大約40%。
64.根據(jù)權(quán)利要求57的加熱器系統(tǒng)，其中在電阻加熱層中電絕緣材料的含量按體積計 介于大約40-80%之間。
65.根據(jù)權(quán)利要求57的加熱系統(tǒng)，其中導(dǎo)電材料由金屬材料組成。
66.根據(jù)權(quán)利要求65的加熱系統(tǒng)，其中金屬材料至少包含鈦(Ti)、釩(V)、鈷(Co)、鎳 (Ni)、鎂(Mg)、鋯⑶、鉿(Hf)、鋁(Al)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉭(Ta)、硅(Si)、金屬合金、金屬 復(fù)合材料和準(zhǔn)金屬之一。
67.根據(jù)權(quán)利要求65的加熱系統(tǒng)，其中導(dǎo)電材料包含鋁。
68.根據(jù)權(quán)利要求65的加熱系統(tǒng)，其中電絕緣材料包含金屬材料的反應(yīng)產(chǎn)物。
69.根據(jù)權(quán)利要求68的加熱系統(tǒng)，其中反應(yīng)產(chǎn)物至少包含氧化物、氮化物、碳化物和硼 化物之一。
70.根據(jù)權(quán)利要求68的加熱系統(tǒng)，其中電絕緣材料由氧化鋁組成。
71.根據(jù)權(quán)利要求68的加熱系統(tǒng)，其中電絕緣材料包含熱噴涂的絕緣材料和導(dǎo)電材料 的反應(yīng)產(chǎn)物。
72.一種用于有氣體流動系統(tǒng)的烹飪器具的加熱器，其中包括有把氣流提供給某個空腔烹調(diào)放置在該空腔中的材料的氣體流動裝置的烹飪裝置；以及給遞送到該空腔中的氣流加熱的熱噴涂型加熱器。
73.根據(jù)權(quán)利要求72的加熱器，其中氣體流動裝置包括鼓風(fēng)裝置。
74.根據(jù)權(quán)利要求73的加熱器，其中鼓風(fēng)裝置包括風(fēng)扇和機殼，熱噴涂型加熱器被粘 結(jié)到機殼上。
75.根據(jù)權(quán)利要求72的加熱器，其中熱噴涂型加熱器被放置在空腔之內(nèi)。
76.根據(jù)權(quán)利要求72的加熱器，其中熱噴涂型加熱器包括放置在遞送給空腔的氣流中 的嵌板加熱器。
77.根據(jù)權(quán)利要求72的加熱器，其中熱噴涂型加熱器沉積在絕緣材料上。
78.根據(jù)權(quán)利要求77的加熱器，其中絕緣材料包含云母材料。
79.根據(jù)權(quán)利要求78的加熱器，其中云母材料由云母與電絕緣材料的混合物組成，該 混合物具有比純云母高的熱膨脹系數(shù)。
80.根據(jù)權(quán)利要求72的加熱器，其中烹飪器具包括對流烤箱。
81.—種形成用于加熱器組件的云母材料的方法，該方法包括使云母材料與電絕緣材料混合形成用于加熱器組件的基體，該基體有比純云母高的熱 膨脹系數(shù)。
82.一種把加熱器熱噴涂到基體上的方法，該方法包括 提供有芯的金屬材料和芯內(nèi)的絕緣體，以及把金屬材料和絕緣體熱噴涂到基體之上形成加熱器。
83.根據(jù)權(quán)利要求82的方法，進一步包括 提供反應(yīng)氣體，以及在有反應(yīng)氣體的情況下把金屬材料和絕緣體熱噴涂到基體之上，金屬材料與反應(yīng)氣體 反應(yīng)產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物，該反應(yīng)產(chǎn)物組成絕緣體。
84.—種制造熱噴涂型氣體加熱器的方法，該方法包括 提供推進氣體通過機殼的氣體流動裝置；熱噴涂某種材料形成電阻加熱層；以及把電阻加熱層粘結(jié)到該裝置的表面上，該加熱 層的位置適合于給機殼中的氣流加熱。
85.根據(jù)權(quán)利要求84的方法，其中電阻加熱層是至少借助電弧焊絲(arcwire)、火焰 噴涂、高速氧基燃料(high-velocityoxy-fuel)、電弧等離子和運動噴涂程序之一熱噴涂 的。
86.根據(jù)權(quán)利要求84的方法，進一步包括把電阻加熱層熱噴涂到裝置表面上以使加熱 層粘結(jié)到裝置上。
87.根據(jù)權(quán)利要求84的方法，進一步包括把電阻加熱層熱噴涂到基體上并且把該基體 粘結(jié)到裝置表面上。
88.根據(jù)權(quán)利要求84的方法，進一步包括 提供電阻加熱層的電路圖。
89.根據(jù)權(quán)利要求88的方法，其中電路圖是通過在可移去的仿制掩膜上熱噴涂電阻加 熱層提供的。
90.根據(jù)權(quán)利要求88的方法，其中電路圖是通過在基體上熱噴涂電阻加熱層之后把一 部分電阻加熱層除去提供的。
91.根據(jù)權(quán)利要求84的方法，進一步包括提供由金屬材料和反應(yīng)氣體組成的原材料，以及在有反應(yīng)氣體存在的情況下熱噴涂金屬材料，該金屬材料與反應(yīng)氣體反應(yīng)產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn) 物，該反應(yīng)產(chǎn)物組成絕緣體。
92.根據(jù)權(quán)利要求91的方法，其中原材料包括有芯的金屬材料和芯內(nèi)的絕緣體，該金 屬材料和絕緣體被熱噴涂成電阻加熱層。
93.根據(jù)權(quán)利要求84的方法，進一步包括提供絕緣材料和在該絕緣材料上形成電阻加 執(zhí)層。
94.根據(jù)權(quán)利要求93的方法，進一步包括使云母材料與電絕緣材料混合以便提供絕緣 材料，該絕緣材料有比純云母高的熱膨脹系數(shù)。
95.根據(jù)權(quán)利要求84的方法，其中電阻加熱層是以大約0.030英寸或更小的厚度形成的。
96.根據(jù)權(quán)利要求84的方法，其中電阻加熱層有大于大約10-4歐姆-厘米的材料電阻率。
97.一種制造湍流氣流管道的加熱器系統(tǒng)的方法，該方法包括提供有氣體流動通道的管道，該通道有在該通道中提供湍流氣流的成形表面；以及 熱噴涂某種材料形成電阻加熱層； 使電阻加熱層定位以便給通道中的氣流加熱。
98.根據(jù)權(quán)利要求97的方法，其中電阻加熱層是至少借助電弧焊絲(arcwire)、火焰 噴涂、高速氧基燃料(high-velicityoxy-fuel)、電弧等離子和運動噴涂程序之一熱噴涂 的。
99.根據(jù)權(quán)利要求97的方法，進一步包括把電阻加熱層熱噴涂到成形表面上。
100.根據(jù)權(quán)利要求98的方法，進一步包括把電阻加熱層熱噴涂到基體上形成加熱板，以及 把該加熱板放置在通道里以便給氣流加熱。
101.根據(jù)權(quán)利要求100的方法，其中放置加熱板包括相對于通道中氣流的主體方向按 某個角度安排加熱板。
102.根據(jù)權(quán)利要求97的方法，進一步包括提供由金屬材料和反應(yīng)氣體組成的原材料，以及在有反應(yīng)氣體存在的情況下熱噴涂金屬材料，該金屬材料與反應(yīng)氣體反應(yīng)產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn) 物，該反應(yīng)產(chǎn)物組成絕緣體。
103.根據(jù)權(quán)利要求102的方法，其中原材料包括有芯的金屬材料和芯內(nèi)的絕緣體，該 金屬材料和絕緣體被熱噴涂成電阻加熱層。
104.根據(jù)權(quán)利要求97的方法，進一步包括提供絕緣材料并且在該絕緣材料上形成電 阻加熱層。
105.根據(jù)權(quán)利要求104的方法，進一步包括使云母材料與電絕緣材料混合提供某種絕 緣材料，該絕緣材料有比純云母高的熱膨脹系數(shù)。
106.根據(jù)權(quán)利要求97的方法，其中電阻加熱層是以大約0.030英寸或更小的厚度形成的。
107.根據(jù)權(quán)利要求97的方法，其中電阻加熱層具有大于大約10-4歐姆-厘米的材料 電阻率。
108.一種制造用于有氣體流動系統(tǒng)的烹飪器具的加熱器的方法，該方法包括 提供有把氣流提供給某個空腔烹調(diào)放置在該空腔中的材料的氣體流動裝置的烹飪裝置；以及熱噴涂某種材料形成電阻加熱層；使電阻加熱層定位以便給遞送到該空腔中的氣流加熱。
109.一種用于有氣體流動系統(tǒng)的烘干器具的加熱器，其中包括有把氣流提供給空腔烘干放置在該空腔中的材料的氣體流動裝置的烘干器具，以及 給遞送到該空腔中的氣流加熱的熱噴涂型加熱器。
110.根據(jù)權(quán)利要求109的加熱器，其中熱噴涂型加熱器包括放置在遞送給該空腔的氣 流中的區(qū)域加熱器。
111.根據(jù)權(quán)利要求109的加熱器，其中烘干器具包括衣服烘干機。
112.—種房間供暖器，其中包括機殼，該機殼有允許氣體從機殼底部進入的孔口和位于該入口上方允許氣體通過它退 出的出口 ；以及把熱量提供給機殼里的氣體的熱噴涂型加熱器。
113.根據(jù)權(quán)利要求112的房間供暖器，其中加熱器包括護壁板加熱器。
114.根據(jù)權(quán)利要求81的方法，其中絕緣材料選自氧化鎂、氧化鋁和氧化鋯。
115.根據(jù)權(quán)利要求81的方法，進一步包括通過改變云母粒度和/或粘結(jié)劑體積調(diào)整材 料的多孔性。
116.根據(jù)權(quán)利要求81的方法，進一步包括粘結(jié)到第一層上的第二層云母。
全文摘要
熱噴涂型氣體加熱器包含推進氣體經(jīng)過機殼的氣體流動裝置；以及粘結(jié)到裝置表面上的熱噴涂型加熱器，該加熱器的適合于給機殼中的氣流加熱。在其它方面，用于湍流氣體管道加熱器系統(tǒng)包含有氣流通道的管道，該通道有在該通道中提供湍流氣流的成形表面，而且熱噴涂型加熱器的位置適合于給通道中的氣流加熱。
文檔編號F24C7/00GK102089589SQ200880008529
公開日2011年6月8日 申請日期2008年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月20日
發(fā)明者R·C·阿布伯特 申請人:西莫塞萊米克斯公司