抑垢电加热器及其制造方法

专利名称：抑垢电加热器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及电加热装置，具体地说，涉及抑垢电加热器及其制造方法。
背景技术：
所有天然水都含有可溶解的化学物质。这些化学物质中的一些会沉 淀在加热器的发热表面上，形成垢。主要来说，垢包含钙的硫酸盐、碳 酸盐、氧化物等。还可以在垢中发现相对低浓度的镁盐、铝盐和铁盐。
用于加热水和其他液体的常用电加热器包括加热单元，或者更具体 地说，包括电阻加热材料，其将流经该材料的电流转换成热。该单元通
常由包括一层或者更多层电绝缘复合物(compound)的导热鞘封套，该电 绝缘复合物能够进行从加热单元到液体的合理高的热传递。另一方面， 在该鞘表面上形成的垢热传导性差。因此，其积累会导致该单元过热而 不能工作。此外，成块的垢在物理上也会使加热器变形，从而导致其故 障。最后，垢会从加热器表面脱落进入被加热的液体中，从而染污该液 体。
已经提出了各种方案来抑制在加热器上形成坭。例如在以下公开中 揭示了这种技术中的一些Meineke的美国专利7,299,742、 Jackson的美 国专利5,774,627、 Tweedy等人的美国专利6,744,978、 Eckman的美国专 利5,586,214、 Hughes等人的美国专利6,205,291、 Shi等人的美国专利 6,571,865以及Linow等人的美国专利6,909,841。
具体地说，美国专利7，299，742公开了一种用于制备热饮的设备，其 包括煮器(boiler)和抑垢装置。该装置包括至少一个定位于所述煮器上、 在所述煮器内部或者在所述煮器区域中的超声发射器。所述超声发射器 被设置成耦合到所述煮器，并激励它以其固有频率振荡。美国专利6,744,978描述了加热元件及其制作和使用方法。所述加热 元件包括电阻加热材料和设置在所述电阻加热材料上的基本不透水的电 绝缘鞘，以形成具有大约50i^的封套、至少1000W的总瓦特数和不大 于60W/in2的功率密度的有源元件部分。
美国专利6，571，865描述了一种包括暴露的传热面的热水器，其中水 与该暴露的传热面接触。所述传热面包括一层四面体非晶碳和/或类金刚 石碳和/或它们的复合物。所述传热面可以用于水壶、洗衣机、洗碗机和 冷凝器中。
美国专利6,205,291揭示了一种抑垢热水器元件。该热水器元件涂敷 有类金刚石涂层，其具有防止垢形成的低表面张力，并且是导热性的， 这有助于防止过热。例如可以通过在标准热水器元件上涂敷非晶硅附着 层，然后利用脉冲辉光放电处理来施加类金刚石涂层从而制造所述抑垢 热水器元件。
美国专利5,774,627揭示了一种用于热水器的延长寿命电热元件，其 包括每匝线圈具有均匀功率输出的线圈型加热电阻丝。在加热电阻丝通 过导热鞘上的关键区域(例如，半环形管)时，减小元件单位长度上的 线圈匝数以便减小该元件单位长度上的热功率输出。可以通过简单地拉 伸线圈型加热丝以获取元件的单位长度上的期望电阻丝长度来减小在弯 曲区域中元件单位长度上的线圈匝数。单位长度上热输出不同的电阻丝 可以和不同程度的拉伸相结合，以达到期望元件温度。
美国专利5,586,214提供了聚合物加热元件和包含这些元件的热水 器，其利用了与电阻加热材料和待加热的液体接触的聚合物材料。所述 加热元件包括能够在被给予能量时对液体进行加热的导电电阻材料。通 过一体地设置在电阻材料上的聚合物层来使绕组绝缘并保护该绕组。
美国专利6,909,841描述了红外线发射器元件，其包括由石英玻璃 制成的至少一个发射管，其具有两个端部；在所述发射管中设置的至少 一个电导体，作为辐射源；由石英玻璃制成的冷却管，其围绕所述至少 一个发射管并且所述至少一个发射管与所述冷却管间隔开，并在该冷却 管的端部直接连接到所述至少一个发射管，使得在所述电导体的区域内在所述至少一个发射管和所述冷却管之间形成至少一个流动支持通道
(flow-supporting channel);以及金属反射器。所述冷却管在其背向所述 发射管侧被反射器完全覆盖。所述红外发射器元件可以用作特别是用于 高纯度流体的流通式(flow-through)加热器，例如热交换机。
英国专利申请GB2244898A描述了一种加热元件，其用于通过将该 元件浸入流体中来加热流体。所述加热元件设置有能够抵抗该加热元件 所遭受到的高温并且抑制垢从被加热的水中沉淀到该元件上的适当塑料 材料的涂层。

发明内容
尽管存在抑垢技术领域的现在技术，但是本领域中仍然需要一种电 加热器，在该电加热器用于加热硬水或者尤其是包含钙离子、镁离子、 铝离子、铁离子、硫酸根离子、碳酸根离子、氧化物或者基于这些离子 形成的盐的其他垢形成液体时能够抑制垢的形成，这样的电加热器将是 有用的。具有用于抑制在加热器表面上形成垢的方法也将是有利的。
本发明通过提供一种新颖的用于加热包含一种或者更多种垢形成成 分的液体的电加热器及该加热器的制造和使用方法来满足上述需要。
根据本发明的一个总的方面，提供了一种加热包含至少一种标形成 成分的液体的电加热器。所述垢形成成分的示例包括但不限于钙离子、 镁离子、铝离子、铁离子、硫酸根离子、碳酸根离子、氧化物或者基于 这些离子形成的盐。
根据本发明的一个实施方式，该电加热器包括包括电阻加热材料
的加热单元；设置在所述加热单元的至少一部分上的导热鞘；以及一对 端子端部，该一对端子端部从所述电阻加热材料延伸出并用于将所述加 热单元连接到外部电源。所述导热鞘具有外表面，所述外表面的至少一 部分在工作时与所述液体接触。当需要时，可以对所述外表面中与所述 液体接触的一部分进行抛光。
根据本发明的一个实施方式，所述导热鞘包括电绝缘复合物，其表 现出沿着垂直于所述电阻加热材料的表面的轴对红外辐射具有增强的透明性的各向异性导热性。当需要时，所述导热鞘的电绝缘复合物可以表 现出液体不渗透性和疏水特性。此外，所述鞘的复合物可以表现出高温 稳定性并且具有晶格与在所述外表面上的垢沉积物的晶格不同的晶体结 构。
根据本发明的一个实施方式，所述导热鞘的复合物可以是玻璃陶瓷
复合物。所述玻璃陶瓷复合物的一个示例包括但不限于ZERODUR。
根据本发明的一个实施方式，所述导热鞘的复合物可以被掺杂有一 种或者更多种垢形成成分。
根据本发明的一个实施方式，本发明的加热单元可以是直线形状、U 形形状、之字形状、螺线形状、线圈形状和盘旋形状。
根据本发明的一个实施方式，所述加热单元的电阻加热材料表现出 高温稳定性和低的热膨胀性。
根据本发明的一个实施方式，所述加热材料的形式可以是成型导线 或者扁平导线。所述成型导线的截面形状例如可以是圆形、椭圆形、多 边形和/或D形。
根据本发明的一个实施方式，所述加热材料可以被掺杂有一种或者
更多种垢形成成分。
本发明的电加热器具有先前提到的技术的许多优点，同时还克服了 通常与其相关的一些缺点。
本发明的电加热器节能且以最小的热辐射损失工作。 根据本发明的电加热器可以容易地并且有效地制造和销售。 根据本发明的电加热器具有耐用并且可靠的结构。 根据本发明的电加热器的制造成本低。
根据本发明的另一个总的方面，提供了一种用于加热包含至少一种
垢形成成分的液体的电加热器的制造方法。该方法包括以下步骤提供
加热单元，该加热单元具有电阻加热材料；以及在所述加热单元的至少 一部分上设置导热鞘。该方法还包括提供一对端子端部并将该一对端子 端部(19)应用于所述加热材料，用于将所述加热单元连接到外部电源。当 需要时，该制造方法还包括对所述鞘的外表面的至少一部分进行抛光。根据本发明的一个实施方式，设置鞘的步骤包括以下步骤将所述 加热单元的至少一部分与所述鞘的复合物一起放置在模具中，并对它们 施加压强或者热量中的至少一种。
根据本发明的一个实施方式，所述提供加热单元的步骤包括以下步 骤提供所述加热材料；将其置于模具中并对所述加热材料施加压强或 热量中的至少一种。
根据本发明的一个实施方式，所述方法包括利用一种或者更多种坭 形成成分对所述导热鞘的电绝缘复合物进行掺杂。
根据本发明的一个实施方式，所述方法包括利用一种或者更多种坭 形成成分对所述电阻加热材料进行掺杂。
根据本发明的另一个总的方面，提供了一种用于抑制在电加热器的 表面上形成垢的方法，该电加热器用于加热包含至少一种垢形成成分的 液体。该方法包括在加热器的加热单元的至少一部分上设置导热鞘。
根据本发明的一个实施方式，该方法的导热鞘包括电绝缘复合物， 其表现出沿着垂直于所述电阻加热材料的表面的轴对红外辐射具有增强 的透明性的各向异性导热性。当需要时，所述导热鞘的电绝缘复合物可 以表现出液体不渗透性和疏水特性。此外，所述鞘的复合物可以表现出 高温稳定性并且具有晶格与在所述外表面上的垢沉积物的晶格不同的晶 体结构。
根据本发明的一个实施方式，该方法还可以包括对鞘的外表面中在 工作时与所述液体接触的至少一部分进行抛光。
根据本发明的一个实施方式，所述方法包括利用一种或者更多种垢 形成成分对所述导热鞘的电绝缘复合物进行掺杂。
根据本发明的一个实施方式，所述方法包括利用一种或者更多种垢 形成成分对所述加热单元的电阻加热材料进行惨杂。
因此，这里相当广泛地概述了本发明的较重要的特征，从而可以更 好地理解此后的详细描述并且更好地理解当前本领域做出的贡献。将在 该详细描述中阐述本发明的附加细节和优点。


为了理解本发明并搞清楚在实践中如何实施本发明，现在仅通过非 限制性示例，参照附图来描述一些实施方式，附图中
图1是根据本发明的一个实施方式的用于加热包含至少一种垢形成 成分的液体的电加热器的示意性表示；
图2A到图2E是根据本发明的一个实施方式的用于图1所示的电加 热器中的加热单元的示意结构的非限制性示例；
图3是根据本发明的另一个实施方式的具有盘旋形加热单元的电加 热器的结构的示意图4A是例示图3中所示的加热单元的长条(dongated run)的宽度、 长条之间的距离和长条相对于加热单元中心的位置之间的示例性关系的 图4B是根据图4A中所示的图制造的电加热器的示意图；以及 图5是根据本发明的一个实施方式的电加热器的制造方法的框图。
具体实施例方式
根据本发明的方法的原理可以参照附图及所附说明来更好地理解， 其中，相同参考标号通篇用来指代相同元件。应当理解的是，不一定成 比例地绘制的这些图仅仅是为了说明性目的而给出的，并不是要限制本 发明的范围。对所选择的元件提供了构造和制造过程的示例。本领域的 技术人员应当理解的是，许多示例具有可以利用的适当替代。
参照图1，提供了根据本发明的实施方式的用于加热包含一种或更 多种垢形成成分的液体100的电加热器10的示意性表示。电加热器10 包括加热单元12，其包括电阻加热材料。电加热器10还包括与加热单元 12相关联并从其电阻加热材料延伸出的一对端子端部19。端子端部19 通过电引线17电连接到电源11。加热器10被置于含有液体100的箱18 中。
通过包括电绝缘复合物的导热鞘13封套加热单元12的至少一部分。 根据图1所示的实施方式，鞘13采用环绕加热单元12的一部分的圆管的形式。应当理解的是鞘13可以是任何期望形状或者尺寸的。在工作时， 鞘的至少一部分与液体100接触。
根据本发明的一个实施方式，鞘13的复合物表现出沿着垂直于电阻
加热材料的表面14的轴15对红外辐射具有增强的透明性的各向异性导
热性。当需要时，该复合物还可以表现出液体不渗透性和疏水特性。此 外，电绝缘复合物可以具有高温稳定性并且具有晶格与工作时可能在鞘
13的外表面16上形成的垢沉积物的晶格不同的晶体结构。
根据本发明的一个实施方式，可以对外表面16中与液体接触的一部 分进行抛光。
根据本发明的一个实施方式，鞘13的电绝缘复合物可以是玻璃陶瓷 复合物。玻璃陶瓷复合物可以包括基本为无孔的无机材料。这样的材料 通常具有晶相和玻璃相，并且除上述特征之外还可以表现出非常低的热 膨胀系数(CTE)。
玻璃陶瓷复合物的一个示例包括但不限于例如可以从Schott Glass Technologies公司获得的ZERODUR⑧。ZERODUR具有多个晶相，例如 堇青石、锂辉石、锂霞石等。例如，ZERODUR的堇青石晶相具有六方 晶格。ZERODUR还具有对红外辐射具有增强的透明性的各向异性导热 性。因此，当ZERODUR用于鞘13时，沿着垂直于电阻加热材料的表面 14的轴15的热辐射基本于高于沿着与表面14相切的方向的辐射。此外， ZERODUR将高硬度和机械强度与高软化温度和耐化学性相结合起来。
根据对电绝缘的要求，当需要时，加热单元12的表面可以用一层或 更多层附加绝缘材料层覆盖，使加热单元12与鞘13隔离开。这种附加 层可以由聚合物、热塑性树脂、热固性树脂或任何其他复合物制成。
一起参照图2A到图2E，来解释本发明的加热单元的示意性结构的 非限制性示例。具体地说，图2A示出了具有U形图案的示例性加热单 元12。图2B示出了具有螺线形的示例性加热单元12。图2C示出了具有 线圈形(coil shape)的示例性加热单元12。图2D示出了具有盘旋形的 示例性加热单元12。图2E示出了具有直线形的示例性加热单元12。
根据本发明的一个实施方式，加热单元12的电阻加热材料表现出高温稳定性和低的热膨胀性。电阻加热材料例如可以提供为导线。术语"导 线"这里作广义解释，并且可以是固态或者流态，并可以实现为块的形 式、粉的形式或者糊的形式。导线可以实现为成型导线或扁平导线。成 型导线的截面形状例如可以是圆形、椭圆形、多边形和/或D形。电阻加 热材料例如可以是金属、金属合金、导电聚合物、陶瓷或者其组合。
材料的选择和加热单元的结构决定了该加热单元的工作温度。如同 下面将描述的，根据加热单元表面的工作温度，可以形成具有两种不同 晶体结构的碳酸钙的垢，例如主要悬浮在液体体内的霰石或者主要沉淀 在加热器表面上的方解石。根据本发明的一个实施方式，为了减少方解 石的形成，鞘(图1中的13)的外表面(图1中的16)的工作温度不应该超过
大约470°C。
参照图3，根据本发明的另一个实施方式例示了具有盘旋形加热单 元的电加热器30的结构的示意图；加热器30包括具有盘旋形状的扁平 导线33的形式的加热单元31。通过导热鞘39封套加热单元31的至少一 部分。根据该实施方式，鞘39是其中嵌入有加热单元31的电绝缘复合 物体。扁平导线33包括多个弯部34和多个长条部32。加热单元31包括 用于使加热单元31电耦接到电源(未示出)的一对端子端部38。
根据另一个实施方式，形成加热单元31的扁平导线的表面是粗糙 的，由此提高加热单元31的热发射能力。实际上，表面上优选应当具有 最大粗糙度。
根据该实施方式，加热单元利用扁平导线。申请人相信，使用了扁 平加热导线的加热器的热发射率高于利用相应的圆导线的加热器的热发 射率。实际上，可以通过以下关系来表述热发射率dQ/&=f '(1>72), 其中，g是加热单元的热发射量，F是加热单元的发射表面面积，fl是取 决于材料的热发射系数，乃是发射表面的温度，而T2是被加热液体的温 度。
应当理解的是热发射率dQ/^取决于表面面积F。因此，采用扁平 导线的加热器的发射表面面积f可以大于具有相同尺寸和加热材料但采 用了圆导线的加热器的发射表面面积。根据本发明的一个实施方式，弯部34除制成弧形，还制成直角形状。 可以相信，来自弧形弯部的热流大于来自直边段的热流。这会导致加热 单元在弯的区域过热，并导致加热器的故障(例如，参见美国专利
5,774,627和5,943,475)。因此，为了实现由加热单元31沿其长度发出相 对均匀的热流，使用由直的短条35构成的直角弯部34 (rectangular bend) 而不使用弧形弯部(如图2D所示)。
根据本发明的另一个实施方式，长条之间的距离按照长条的宽度和 长条相对于加热单元的中心的位置二者的函数而变化。图4A是例示图3 中所示的加热单元的长条的宽度、长条之间的距离和长条相对于加热单 元中心的位置之间的示例性关系的图。例如，当长条的宽度为6.5mm， 并且该长条为从加热单元最近边缘开始的第四根长条时，则该长条与第 五条之间的距离为约7mm。图4B例示了根据这些原理制造的电加热器 40的示意图。从图4B中可以看出，长条之间在中心处的距离大于靠近 加热单元边缘的距离。
应当理解的是，与长条从中心位置均匀分布的加热单元相比，加热 单元的这种结构使得所发射的热能够均匀分布并降低了加热材料的温 度。
本发明的电加热器具有先前提到的技术的许多优点，同时还克服了 通常与其相关的一些缺点。本发明的电加热器可以适合于任何个人或者
工业应用。因为具有耐水和耐化学性，本发明的加热器可以应用于对包
含垢形成成分的任何液体进行加热。它节能且以最小的热辐射损失工作。
图5例示了本发明的电加热器的制造的示例性方法50的流程图。为 了便于理解，在图1中用来标识电加热器的元件的标号也用于方法50的 描述。方法50包括以下步骤提供包括电阻加热材料的加热单元12(步 骤51);在加热单元12的至少一部分上设置导热鞘13(步骤52);提供一 对端子端部19并将其应用于加热材料，以使加热单元通过引线17连接 到外部电源11(步骤53)。当需要时，该制造方法还可以包括对鞘13的外 表面中与液体接触的至少一部分进行抛光。
如上所述，导热鞘包括电绝缘复合物，其表现出沿着垂直于所述电阻加热材料的表面的轴对红外辐射具有增强的透明性的各向异性导热 性。当需要时，导热鞘的电绝缘复合物可以表现出液体不渗透性和疏水 特性。此外，鞘的复合物可以表现出高温稳定性并且具有晶格与在外表 面上的垢沉积物的晶格不同的晶体结构。导热鞘的复合物可以是玻璃陶
瓷复合物，例如ZERODUR。
根据本发明的一个实施方式，提供加热单元12的步骤51包括提供 电阻加热材料。加热材料可以是固态的或者液态的。该方法还包括将该 材料置于模具中，并对该加热材料施加热量或者同时施加热量和压强 (pressure)。加热温度和/或压强取决于加热材料的化学成分。例如，当 加热材料为镍基合金并对置于模具中的电阻加热材料仅施加热量时，温 度可以在150(TC到170(TC的范围内。同时，当对该材料既施加热量又施 加压强时，温度可以在150(TC到170(TC的范围内而压强可以为10kg/m2 或者更大。
根据本发明的一个实施方式，在加热单元12上设置鞘的步骤52包 括将提前准备的加热单元12的至少一部分与鞘13的电绝缘复合物一起 放置在模具中并对其施加热量，以便将加热单元12嵌入到鞘13的复合 物中。例如，温度可以在1100°C-1300°C的范围内。
当加热单元的制造温度大于在制造鞘时使用的温度时，可以实现在 存在加热单元12的情况下对复合物进行脱模而不损坏加热单元的结构。
根据本发明的一个实施方式，电阻加热材料和/或电绝缘复合物可以
被掺杂有一种或者更多种垢形成成分。加热材料的掺杂可以在制造加热 单元12的步骤中进行。具体地说，在加热材料被置于模具中之前使一种 或者更多种垢形成成分与加热材料混合。同样，复合物的掺杂可以在将 导热鞘13设置在加热单元12上的步骤52之前或者期间进行。
根据本发明的另一个总的方面，提供了一种用于抑制在电加热器的 表面上形成垢的方法，该电加热器用于加热包含至少一种垢形成成分的 液体。电加热器具有包括电阻加热材料的加热单元。该方法包括在加热 器的加热单元的至少一部分上设置导热鞘。
如上所述，导热鞘包括电绝缘复合物，该电绝缘复合物表现出沿着垂直于所述电阻加热材料的表面的轴对红外辐射具有增强的透明性的各 向异性导热性。当需要时，导热鞘的电绝缘复合物可以表现出液体不渗 透性和疏水特性。此外，鞘的复合物可以表现出高温稳定性并且具有晶 格与外表面上的垢沉积物的晶格不同的晶体结构。导热鞘的复合物可以
是玻璃陶瓷复合物，例如ZERODUR。
当需要时，抑制垢的形成的方法还包括对鞘的外表面的至少一部分 进行抛光。
鞘的抑塘属性可以根据以下解释更好地理解。
液体中垢的形成是该液体中溶解的一种或更多种垢形成成分的超饱 和从而形成这些成分的结晶的结果。当该成分的浓度超过其在液体中的 平衡状态时达到超饱和。该成分的结晶分两个阶段进行，例如晶体成核 和进一步的晶体生长，例如生长到可见大小。通常，成核速率限制了结 晶速率，这取决于温度。
因此，当加热器表面上的温度高于被加热液体的温度时，该表面上 的坭形成成分的超饱和速率、晶体成核速率和相应垢形成速率都大于液 体体内的速率。
另一方面，当加热器表面的温度低于被加热液体体内的温度时，液 体体内晶核的生成大于加热器表面上的生成。换句话说，由垢形成成分 形成的晶体形成于被加热液体的体内。
垢形成的过程可以通过碳酸钙的垢形成的示例来更好地理解。
液体中碳酸钙的浓度取决于钙离子(C^+)和碳酸氢根离子(HCCV)的 浓度。由以下反应式可以理解，碳酸氢根是二氧化碳(032)与水相互反应 以及碳酸(H2C03)的相关分解的中间产物。
C02 +H20 " H2C03— HC03_ + H+
反应的速度和方向还取决于水温。具体地说，当温度降低时，二氧 化碳与水的反应增加，由此使反应朝向碳酸的浓度增加的方向。
钙的碳酸氢盐(Ca(HC03)2)可以在正电荷钙离子(C^+)与两个碳酸氢 根离子(HCCV)反应时生成。碳酸氢钙是不稳定的化合物，因此能够分解 成碳酸钙(CaC03)、 二氧化碳(C02)和水。此外，碳酸钙也可以与二氧化碳饱和的水反应，由此形成可溶的碳酸氢钙。
Ca2+ + 2HCOf h Ca(HC03)2 ^ CaC03 + C02 + H20
另一方面，当水温上升时，溶解在水中的C02的浓度降低。结果，该
反应将导致碳酸钙的形成。该盐主要以两种晶体结构存在，例如主要沉淀 在表面上的方解石和主要悬浮在液体中的霰石。方解石是碳酸钙的最稳
定的同质多形体。方解石晶体具有三方-菱面体(trigonal-rhombohedral) 晶格。相比之下，霰石具有正交晶格。当包含霰石的液体的温度超过 47(TC时，在该液体中形成了能够形成方解石的条件。
当液体中的碳酸钙浓度恒定时，该盐的超饱和度主要由加热表面与 液体体内之间的温度梯度确定。
根据本发明，鞘的复合物表现出沿着垂直于电阻加热材料的表面的 轴对红外(IR)辐射具有增强的透明性的各向异性导热性。考虑鞘的复合物 的这些属性，可以将热辐射导入液体体内的特定区域，由此形成所谓的 "工作加热体积(working heating volume)",其位于鞘的表面附近。因此， 热量会集中在"工作加热体积"处，结果在"工作加热体积"与其他液 体体积之间成温度梯度，而不是在"工作加热体积"与加热器表面之间 形成温度梯度。
此外，形成"工作加热体积"的处理导致已溶解的垢形成成分的超 饱和，接着在"工作加热体积"内发生晶体成核。换句话说，晶体成核 主要发生在液体体内，而不是鞘的表面上。
根据本发明的另一个实施方式，鞘或者加热单元可以被掺杂有液体 中所包含的一种或者更多种垢形成成分(例如钙离子、镁离子、铝离子、 铁离子、硫酸根离子、碳酸根离子、氧化物或者基于这些离子形成的盐)。 当加热单元通过鞘发射热量时，加热单元和鞘都以与液体中呈现的垢形 成成分的原子和分子的自谐振振荡频率一致的频率发出IR热辐射，从而 激活它们。这种激活将这些元素"转换"成液体体内的垢成核中心，由 此减少在鞘表面上的垢形成。
根据本发明的一个实施方式，如果鞘的复合物的晶格和垢复合物 (scale composite)的晶格不同，则鞘的复合物可以抑制在表面上垢成核的开始。可以相信，只有表面复合物的晶体晶系与表面上形成的垢的晶体 晶系之间的差别不超过20%时才会开始成核。因此，在方解石垢和由
ZERODUR构成的鞘的情况下，ZERODUR的平移周期为9.841A的六方 晶体晶系与具有三方-菱面体晶系且平移周期为6.37A的方解石相差 54.8%。换句话说，由ZERODUR制成的鞘的表面由于与方解石垢晶格之 间的不同而抑制了方解石垢成核的开始。
此外，鞘的外表面的平滑抛光也能够减小在表面上形成垢的可能性。 抛光减少了表面的凹处，该凹处能够用作垢形成结晶化的表面基体的作 用。因此，鞘中与液体接触的表面的抛光会减小垢形成的速率。
因此，本发明所属领域的技术人员可以理解，虽然己经从优选实施 方式方面描述了本发明，但是本公开所基于的概念可以很容易地用作设 计其他结构系统以及实现本发明的多个目的的过程的基础。
在随后的方法权利要求中，用于指代权利要求的步骤的字母符号只 是为了方便而提供，并不暗示执行这些步骤的任何特定顺序。
而且，需要理解的是，这里所使用的措词和术语只是为了描述的目 的，而不应当看作是限制。
最后，应当注意的是，整个所附权利要求书中使用的"包括" 一词 应当解释为意思是"包括但不限于"。
因此，重要的是本发明的范围不解释为受到这里阐述的示例性实施 方式的限制。在所附权利要求书所限定的本发明的范围内可以存在其他 变型。
权利要求
1.一种用于加热包含至少一种垢形成成分的液体(100)的电加热器(10)，该电加热器(10)包括包括电阻加热材料的加热单元(12)，包括电绝缘复合物的导热鞘(13)，该导热鞘(13)置于所述加热单元(12)的至少一部分上；其中，所述导热鞘(13)具有外表面(16)，该外表面(16)的至少一部分与所述液体(100)接触；以及一对端子端部(19)，该一对端子端部(19)从所述电阻加热材料延伸出并用于将所述加热单元(12)连接到外部电源(11)；其特征在于，所述鞘(13)的所述电绝缘复合物表现出沿着垂直于所述电阻加热材料的表面的轴对红外辐射具有增强的透明性的各向异性导热性。
2. 根据权利要求1所述的电加热器，其中，所述外表面(16)中与所述 液体(100)接触的至少一部分被抛光。
3. 根据权利要求1或2所述的电加热器，其中，所述鞘(13)的所述电 绝缘复合物表现出液体不渗透性和疏水特性。
4. 根据前述权利要求中的任何一项所述的电加热器，其中，所述电 绝缘复合物表现出高温稳定性，并且所述电绝缘复合物具有晶格与在所 述外表面(16)上的垢沉积物的晶格不同的晶体结构。
5. 根据前述权利要求中的任何一项所述的电加热器，其中，所述电 绝缘复合物为玻璃陶瓷复合物。
6. 根据前述权利要求中的任何一项所述的电加热器，其中，所述电 绝缘复合物为ZERODUR。
7. 根据前述权利要求中的任何一项所述的电加热器，其中，所述加 热单元(12)的形状选自直线形状、U形形状、之字形状、螺线形状、线 圈形状和盘旋形状。
8. 根据前述权利要求中的任何一项所述的电加热器，其中，所述电 阻加热材料表现出高温稳定性和低的热膨胀性。
9. 根据前述权利要求中的任何一项所述的电加热器，其中，所述电 阻加热材料的形式为成型导线或者扁平导线。
10. 根据权利要求9所述的电加热器，其中，所述成型导线的截面形状选自圆形、椭圆形、多边形和D形。
11. 根据前述权利要求中的任何一项所述的电加热器，其中，所述加热单元(12)的所述电阻加热材料被惨杂有所述至少一种垢形成成分。
12. 根据前述权利要求中的任何一项所述的电加热器，其中，所述鞘 (13)的所述电绝缘复合物被惨杂有所述至少一种垢形成成分。
13. 根据前述权利要求中的任何一项所述的电加热器，其中，所述至少一种垢形成成分选自钙离子、镁离子、铝离子、铁离子、硫酸根离子、碳酸根离子、氧化物以及基于这些离子形成的盐。
14. 一种用于加热包含至少一种垢形成成分的液体(100)的电加热器(IO)的制造方法，该制造方法包括以下步骤(a) 提供加热单元(12)，该加热单元(12)包括电阻加热材料；(b) 在所述加热单元(12)的至少一部分上设置导热鞘(13)，其中，所述导热鞘(13)包括电绝缘复合物；以及(c) 提供一对端子端部(19)并将该一对端子端部(19)应用于所述电阻加热材料，用于将所述加热单元(12)连接到外部电源(11);其特征在于，所述鞘(13)的所述电绝缘复合物表现出沿着垂直于所述电阻加热材料的表面的轴对红外辐射具有增强的透明性的各向异性导热性。
15. 根据权利要求14所述的方法，该方法还包括以下步骤对所述 鞘(13)的外表面(16)中与所述液体(100)接触的至少一部分进行抛光。
16. 根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述提供加热单元(12)的步骤包括(a) 提供所述电阻加热材料；(b) 将所述电阻加热材料置于模具中；以及(c) 对所述模具中的所述电阻加热材料施加压强或者热量中的至 少一种。
17. 根据权利要求14到16中任何一项所述的方法，其中，所述设置导热鞘(13)的步骤包括以下步骤(a) 将所述加热单元(12)的至少一部分连同所述电绝缘复合物一起置于模具中；以及(b) 向所述加热单元(12)和所述电绝缘复合物一起施加热量。
18. 根据权利要求14到17中任何一项所述的方法，该方法还包括以 下步骤利用所述至少一种垢形成成分对所述电阻加热材料进行掺杂。
19. 根据权利要求14到18中任何一项所述的方法，该方法还包括以 下步骤利用所述至少一种垢形成成分对所述鞘(13)的所述电绝缘复合物 进行掺杂。
20. —种抑制在电加热器(10)的表面上形成垢的方法，该电加热器(IO) 用于加热包含至少一种垢形成成分的液体(100)，并且该电加热器(10)具有 包括电阻加热材料的加热单元(12)，该方法包括以下步骤在所述加热单元(12)的至少一部分上设置导热鞘(13);其特征在于，所述导热鞘(13)包括电绝缘复合物，该电绝缘复合物表现出沿着垂直 于所述加热单元(12)的表面的轴对红外辐射具有增强的透明性的各向异 性导热性。
21. 根据权利要求20所述的方法，该方法还包括以下步骤对所述 鞘(13)的外表面(16)的至少一 部分进行抛光。
22. 根据权利要求20或21所述的方法，其中，所述鞘(13)的所述电 绝缘复合物表现出液体不渗透性和疏水特性。
23. 根据权利要求20到22中任何一项所述的方法，其中 所述电绝缘复合物表现出高温稳定性，并且所述电绝缘复合物具有晶格与所述外表面(16)上的垢沉积物的晶格 不同的晶体结构。
24. 根据权利要求20到23中任何一项所述的方法，其中，所述电绝缘复合物为玻璃陶瓷复合物。
25. 根据权利要求20到24中任何一项所述的方法，其中，所述电绝缘复合物为ZERODUR。
26. 根据权利要求20到25中任何一项所述的方法，该方法还包括以 下步骤利用所述至少一种垢形成成分对所述加热单元(12)的所述电阻加热材料进行掺杂。
27. 根据权利要求20到26中任何一项所述的方法，该方法还包括以 下步骤利用所述至少一种垢形成成分对所述电绝缘复合物进行掺杂。
28. 根据权利要求20到27中任何一项所述的方法，其中，所述至少 一种垢形成成分选自钙离子、镁离子、铝离子、铁离子、硫酸根离子、 碳酸根离子、氧化物以及基于这些离子形成的盐。
全文摘要
本发明描述了一种用于加热包含至少一种垢形成成分的液体的电加热器及该加热器的制造和使用方法。该电加热器包括具有电阻加热材料的加热单元以及设置在所述加热单元的至少一部分上的导热鞘。该加热器还包括从电阻加热材料延伸出的用于将加热单元连接到外部电源的一对端子端部。该导热鞘包括电绝缘复合物，其表现出沿着垂直于所述电阻加热材料的表面的轴对红外辐射具有增强的透明性的各向异性导热性。
文档编号H05B3/78GK101617560SQ200880005460
公开日2009年12月30日 申请日期2008年2月21日 优先权日2007年2月22日
发明者列弗·贝尔金 申请人:列弗·贝尔金