專利名稱：熱傳遞相適配的層狀加熱器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電熱器，更具體地說，涉及控制電熱器熱傳遞的裝置和方法。
背景技術(shù)：
層狀加熱器一般用在空間有限的場合、輸出熱量橫跨一個表面需變化時、希望熱響應(yīng)快速的場合、或用在水氣或其它污染物會遷移到傳統(tǒng)加熱器中的超凈場合。層狀加熱器通常包括多個施加到基體上的不同材料層，也即介電材料層和電阻材料層。介電材料首先施加到基體上，并在基體與帶電的電阻材料之間提供電絕緣，還減少了操作當(dāng)中電流向地的泄漏。電阻材料以預(yù)定的圖形施加到介電材料上，從而提供了電阻加熱電路。層狀加熱器還包括將電阻加熱電路與一般通過溫度控制器循環(huán)的電源連接的導(dǎo)線。通向電阻層的電路接口一般還通過保護(hù)層提供應(yīng)變消除和電絕緣而受到機(jī)械和電保護(hù)以免與外部接觸。因此，層狀加熱器可定制用于多種加熱場合。
層狀加熱器可以是“厚”膜、“薄”膜、或“熱噴涂”加熱器等，這些類型的層狀加熱器之間的主要區(qū)別是形成這些層的方法。例如，厚膜加熱器層一般采用比如絲網(wǎng)印刷、貼花轉(zhuǎn)印、或膜分配頭等工藝形成。薄膜加熱器層一般是采用比如離子電鍍、濺射、化學(xué)氣相沉積(CVD)以及物理氣相沉積(PVD)等工藝形成的。別的一系列區(qū)別于薄膜和厚膜技術(shù)的工藝是稱作熱噴涂工藝的工藝，作為示例，該工藝可包括火焰噴涂、等離子噴涂、絲材電弧噴涂以及HVOF(高速氧氣燃料)噴涂等。
在基體安置于待加熱的部件或裝置的周圍或之內(nèi)的層狀加熱器場合下，比如美國專利5973296(其與本申請一起共同轉(zhuǎn)讓，且其內(nèi)容在此全部并入以供參考)所公開的，非常希望基體與待加熱部件之間的接觸緊密，以便改進(jìn)層狀加熱器與部件之間的熱傳遞，乃至提高總的加熱器響應(yīng)。不過，在公知的層狀加熱器中，由于存在固有的配合公差，基體與部件之間至少存在一些小的氣隙，這對層狀加熱器的熱傳遞和響應(yīng)產(chǎn)生了負(fù)面影響。其它公知的加熱器在將基體組裝到部件時采用別的材料，例如施加在基體與部件之間的形式為熱傳遞涂料的化合物。不過，在初始操作中，該化合物通常會產(chǎn)生污染加熱器和/或周圍環(huán)境的煙霧。此外，化合物的施加耗時，而且也會殘存一些氣隙。
除了如上所述的熱傳遞的改進(jìn)外，通常希望在一定的場合下改變電熱器的溫度分布曲線或瓦數(shù)分布。一種公知的獲得可變瓦數(shù)分布的方法是改變電熱器內(nèi)電阻電路圖形的寬度和/或間距。圖形可以是寬度恒定的軌跡，在需要較多熱量的區(qū)域中間隔得近，而在需要較少熱量的區(qū)域中間隔得遠(yuǎn)。此外，軌跡的寬度可變化，以便實現(xiàn)理想的瓦數(shù)分布。不過，當(dāng)加熱器與部件之間存在不希望有的氣隙時，這些使電熱器的溫度分布曲線或瓦數(shù)分布相適配(tailoring)的形式也因降低的、無法預(yù)測又不可重復(fù)的熱傳遞特性而受影響。

發(fā)明內(nèi)容
在一優(yōu)選形式中，本發(fā)明提供了一種加熱器系統(tǒng)，它包括限定了室溫周邊的目標(biāo)件和安置在目標(biāo)件周圍或之內(nèi)的層狀加熱器，該層狀加熱器包括具有室溫周邊的基體，該室溫周邊的尺寸被設(shè)定成通過機(jī)械或熱方法在層狀加熱器與目標(biāo)件之間形成干涉配合。層狀加熱器在一形式中安置在目標(biāo)件的周圍，而在另一形式中安置在目標(biāo)件之內(nèi)。
在又一形式中，提供了一種加熱器系統(tǒng)，它包括限定了室溫周邊的目標(biāo)件和安置在目標(biāo)件周圍或之內(nèi)的層狀加熱器，該層狀加熱器包括具有室溫周邊的基體，該室溫周邊的尺寸被設(shè)定成在層狀加熱器與目標(biāo)件之間形成干涉配合。加熱器系統(tǒng)還包括安置在目標(biāo)件周邊與基體周邊之間的凹槽，其中，凹槽沿著層狀加熱器提供了用于相適配的熱傳遞特性的間隙。凹槽還可設(shè)有填料，以進(jìn)行額外的熱傳遞相適配和/或定位分立元件比如熱電偶等。
在另一形式中，提供了一種加熱器系統(tǒng)，它包括目標(biāo)件和靠近目標(biāo)件安置的層狀加熱器。該層狀加熱器包括具有預(yù)涂表面的基體，該表面適于與目標(biāo)件接觸，其中，在目標(biāo)件與層狀加熱器之間形成了高熱傳遞配合。
此外，提供了一種加熱器系統(tǒng)，它包括熱傳遞基體、直接形成在熱傳遞基體上的厚膜層狀加熱器、以及與厚膜層狀加熱器相對地安置在熱傳遞基體上的目標(biāo)件。該目標(biāo)件包括與厚膜層狀加熱器完全不相容的材料，且熱傳遞基體將熱量從厚膜層狀加熱器傳遞至目標(biāo)件。
本發(fā)明提供了另一種加熱器系統(tǒng)，它包括目標(biāo)件、與目標(biāo)件隔開設(shè)置的層狀加熱器、以及多個安置在目標(biāo)件與層狀加熱器之間的隔熱片。因此，在目標(biāo)件與層狀加熱器之間形成了多個相適配的熱傳遞區(qū)域。此外，隔熱片限定了大于或等于目標(biāo)件與層狀加熱器之間的室溫距離的室溫厚度，其中，在層狀加熱器與靠近隔熱片的目標(biāo)件之間形成了高熱傳遞配合，且相適配的熱傳遞區(qū)域沿著層狀加熱器系統(tǒng)提供了相適配的熱傳遞。
根據(jù)本發(fā)明的方法，將加熱器系統(tǒng)組裝起來以采用機(jī)械工藝和熱工藝形成干涉配合，機(jī)械工藝比如是施壓或推動(drive)工藝，熱工藝比如是直接焊或?qū)訝罴訜崞飨到y(tǒng)的目標(biāo)件和/或基體加熱/冷卻。此外，根據(jù)本發(fā)明的啟示，提供了組裝加熱器系統(tǒng)以便提供高熱傳遞配合的方法。
自下面詳細(xì)的說明，本發(fā)明的其它應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒆兊蔑@而易見。應(yīng)該理解的是，在表示本發(fā)明優(yōu)選實施例的同時，詳細(xì)的說明和具體的實例僅起到解釋的目的，并非要限制本發(fā)明的范圍。


自下面的詳細(xì)說明和附圖，本發(fā)明將得到更充分的理解，其中圖1a是依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的層狀加熱器的側(cè)視圖；圖1b是沿著圖1a中的線A-A所示的、依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的層狀加熱器的局部放大截面?zhèn)纫晥D；圖2a是依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的加熱器系統(tǒng)的安置在熱流道噴嘴周圍的層狀加熱器的截面?zhèn)纫晥D；圖2b是沿著圖2a中的細(xì)部B所示的、依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的加熱器系統(tǒng)的層狀加熱器與熱流道噴嘴之間的氣隙和不一致熱傳遞路徑的細(xì)部圖；圖2c是沿著圖2b中的線C-C所示的、依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的加熱器系統(tǒng)的層狀加熱器與目標(biāo)件之間的非同心配合的截面圖；圖3a是依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的層狀加熱器和目標(biāo)件的截面?zhèn)纫晥D；圖3b是依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的安置在目標(biāo)件周圍的層狀加熱器的截面?zhèn)纫晥D；圖3c是沿著圖3b中的細(xì)部D所示的、依據(jù)本發(fā)明原理的層狀加熱器與目標(biāo)件之間的干涉配合的細(xì)部圖；圖3d是沿著圖3c中的線E-E所示的、依據(jù)本發(fā)明原理的層狀加熱器與目標(biāo)件之間的同心配合的截面圖；圖4a是依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的層狀加熱器與目標(biāo)件的截面?zhèn)纫晥D；圖4b是依據(jù)本發(fā)明原理的安置在目標(biāo)件之內(nèi)的層狀加熱器的截面?zhèn)纫晥D；圖5a是依據(jù)本發(fā)明原理的安置在方形目標(biāo)件周圍的方形層狀加熱器的截面?zhèn)纫晥D；圖5b是依據(jù)本發(fā)明原理的安置在方形目標(biāo)件之內(nèi)的方形層狀加熱器的截面?zhèn)纫晥D；圖6是依據(jù)本發(fā)明原理的安置在橢圓形目標(biāo)件周圍的橢圓形層狀加熱器的截面?zhèn)纫晥D；圖7是依據(jù)本發(fā)明原理的安置在矩形目標(biāo)件周圍的矩形層狀加熱器的截面?zhèn)纫晥D；圖8是依據(jù)本發(fā)明原理的安置在花鍵目標(biāo)件之內(nèi)的花鍵層狀加熱器的截面?zhèn)纫晥D；圖9是依據(jù)本發(fā)明原理的具有錐形結(jié)構(gòu)的層狀加熱器和目標(biāo)件的截面?zhèn)纫晥D；圖10a是依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的、形成在加熱器系統(tǒng)的目標(biāo)件的外表面上的凹槽的截面?zhèn)纫晥D；圖10b是依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的、形成在加熱器系統(tǒng)的層狀加熱器的內(nèi)表面上的凹槽的截面?zhèn)纫晥D；圖10c是依據(jù)本發(fā)明原理的、形成在加熱器系統(tǒng)的目標(biāo)件的外表面和層狀加熱器的內(nèi)表面上的凹槽、以及凹槽內(nèi)的填料和分立元件的截面?zhèn)纫晥D；圖10d是依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的、形成在加熱器系統(tǒng)的目標(biāo)件的外表面和層狀加熱器的內(nèi)表面上的凹槽的截面?zhèn)纫晥D；圖11是包括安置在目標(biāo)件與層狀加熱器之間的隔熱片的加熱器系統(tǒng)的截面?zhèn)纫晥D；圖12a是依據(jù)本發(fā)明原理的加熱器系統(tǒng)的截面?zhèn)纫晥D，該加熱器系統(tǒng)包括具有預(yù)涂層的層狀加熱器和目標(biāo)件；圖12b是依據(jù)本發(fā)明原理的在層狀加熱器與目標(biāo)件之間具有高熱傳遞配合的加熱器系統(tǒng)的截面?zhèn)纫晥D；圖13是加熱器系統(tǒng)的截面?zhèn)纫晥D，該加熱器系統(tǒng)包括直接形成在熱傳遞基體上的厚膜層狀加熱器，且目標(biāo)件與層狀加熱器相對地安置在熱傳遞基體上；圖14是沿著電阻層軌跡縱向所示的、依據(jù)本發(fā)明的啟示示出了絕熱墊的截面?zhèn)纫晥D。
相對應(yīng)的參考標(biāo)號表示在所有圖中相對應(yīng)的部件。
具體實施例方式
下面優(yōu)選實施例的說明僅是示范性的，決非要限制本發(fā)明及其應(yīng)用或用途。
參見圖1a和1b，依據(jù)本發(fā)明的層狀加熱器系統(tǒng)優(yōu)選采用層狀加熱器，該層狀加熱器在圖中示出，總體上用參考標(biāo)號10表示。層狀加熱器10包括多個安置在基體12上的層，其中基體12可以是靠近待加熱的部件或裝置布置的單獨元件，或基體12可以是部件或裝置本身。如圖1b最好地示出那樣，該多個層優(yōu)選包括介電層14、電阻層16和保護(hù)層18。介電層14在基體12與電阻層16之間提供電絕緣，且以與層狀加熱器10的功率輸出、施加電壓、預(yù)定的使用溫度或其組合相匹配的厚度形成在基體12上。電阻層16形成在介電層14上且給層狀加熱器10提供了加熱電路，從而給基體12提供熱量。保護(hù)層18形成在電阻層16上且優(yōu)選是絕緣體，不過，也可根據(jù)特定加熱應(yīng)用的要求采用其它材料比如導(dǎo)電或?qū)岬牟牧希幻撾x本發(fā)明的范圍。
正如進(jìn)一步示出的那樣，端子焊盤(terminal pad)20優(yōu)選安置在介電層14上且與電阻層16接觸。因此，電導(dǎo)線22與端子焊盤20接觸且將電阻層16與電源(未示出)連接。(為清楚起見，僅示出一個端子焊盤20和一根電導(dǎo)線22，并且，應(yīng)該理解的是，每一端子焊盤20帶一根電導(dǎo)線22的兩個端子焊盤20是本發(fā)明的優(yōu)選形式。)端子焊盤20不是必須與介電層14接觸，由此圖1中實施例的圖示不是要限制本發(fā)明的范圍，只要端子焊盤20以某種形式與電阻層16電連接就行。正如進(jìn)一步示出的那樣，保護(hù)層18形成在電阻層16上，并優(yōu)選是使電阻層16與操作環(huán)境電絕緣并保護(hù)電阻層16不受操作環(huán)境影響的介電材料。此外，保護(hù)層18可如圖所示覆蓋端子焊盤20的一部分，只要留有足夠的區(qū)域促進(jìn)與電源的電連接就行。
正如在本文使用的那樣，術(shù)語“層狀加熱器”應(yīng)被解釋成包括包含至少一個功能層(例如，介電層14、電阻層16和保護(hù)層18等)的加熱器，其中，該至少一個功能層是通過采用與厚膜、薄膜、熱噴涂或溶膠-凝膠等相關(guān)的工藝將材料施加或堆積在基體或別的層上而形成的。這些工藝也稱作“分層工藝”、“成層工藝”或“層狀加熱器工藝”。此類工藝和功能層更為詳細(xì)地描述在共同待審的申請中，該申請的名稱為“電熱器的組合成層技術(shù)”，申請日為2004年1月6日，其與本申請一起共同轉(zhuǎn)讓且其內(nèi)容在此全部并入以供參考。
現(xiàn)在參見圖2a，示出了現(xiàn)有技術(shù)中的加熱器系統(tǒng)30，其包括安置在注射成型系統(tǒng)的熱流道噴嘴34周圍的層狀加熱器32。層狀加熱器32的尺寸通常適于在熱流道噴嘴34上實現(xiàn)“滑動配合”或干涉配合，其中，層狀加熱器32在環(huán)境溫度或室溫以較低的物理阻力在熱流道噴嘴34上滑動，以進(jìn)行組裝。遺憾的是，該“滑動配合”在層狀加熱器32與熱流道噴嘴34之間產(chǎn)生氣隙36，這就降低了層狀加熱器32與熱流道噴嘴34之間的熱傳遞特性。另外，此類配合難于從一部件到另一部件和從一批到另一批地重復(fù)和復(fù)制加熱器系統(tǒng)30的熱傳遞特性。氣隙36的存在和最終造成的熱傳遞損失導(dǎo)致層狀加熱器系統(tǒng)30的響應(yīng)較慢，這對加熱器系統(tǒng)30的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。如圖2b更詳細(xì)示出的那樣，即便層狀加熱器32與熱流道噴嘴34之間的配合較為緊密，氣隙36仍然存在且僅在位置38處有間歇性的傳導(dǎo)熱傳遞。因此，由于會導(dǎo)致熱傳遞減弱，所以在此類加熱器系統(tǒng)中氣隙36是不可取的。此外，如圖2c所示，間隙配合通常導(dǎo)致層狀加熱器32相對于熱流道噴嘴34產(chǎn)生不同心的定位。這一不同心的配合產(chǎn)生了更為明顯的氣隙36，這進(jìn)一步降低了加熱器系統(tǒng)30的性能。
因此，本發(fā)明提供了如圖3a-3c所示的加熱器系統(tǒng)40，以便改進(jìn)層狀加熱器42(為清楚起見，未示出所有的層)與待加熱部件之間的熱傳遞，該待加熱部件在下文中稱作目標(biāo)件44。如圖所示，層狀加熱器42和目標(biāo)件44都優(yōu)選是圓柱形的，盡管本發(fā)明也設(shè)想了其它形狀，如同在下面更詳細(xì)描述的那樣。層狀加熱器42包括基體46，它限定了室溫內(nèi)徑D1，其小于或等于目標(biāo)件44的室溫外徑D2。在層狀加熱器42與目標(biāo)件44線到線配合的情況下，室溫內(nèi)徑D1的尺寸可設(shè)定為等于D2。因此，采用機(jī)械或熱方法將層狀加熱器42與目標(biāo)件44組裝在一起，以便形成干涉配合48，正如在圖3b和3c中最好地示出那樣。干涉配合48由此改進(jìn)了層狀加熱器42與目標(biāo)件44之間的熱傳遞，從而提高了層狀加熱器42的響應(yīng)。
此外，如圖3d所示，由于存在干涉配合48，在層狀加熱器42與目標(biāo)件44之間產(chǎn)生了同心配合。由于層狀加熱器42繞著目標(biāo)件44熱成形或機(jī)械成形，正如在下面更詳細(xì)描述的那樣，目標(biāo)件44的外徑與層狀加熱器42的內(nèi)徑相一致，這就使層狀加熱器42和目標(biāo)件44同心地定位，如圖所示。該同心配合還減小了氣隙、提供了更為均勻的熱傳遞、且由此提高了層狀加熱器42的響應(yīng)。
優(yōu)選的形成干涉配合48的機(jī)械方法包括施壓或推動工藝，盡管也可采用其它本領(lǐng)域的公知方法而不脫離本發(fā)明的范圍。熱方法可包括但不限于對目標(biāo)件44和/或?qū)訝罴訜崞?2進(jìn)行冷卻和/或加熱。例如，可在冷卻目標(biāo)件44的同時，將層狀加熱器42保持在室溫，由此減小了室溫外徑D2，從而使得目標(biāo)件44可定位于層狀加熱器42之內(nèi)。在返回至室溫時，目標(biāo)件44向回朝著室溫外徑D2膨脹以形成干涉配合48。作為選擇，可在冷卻目標(biāo)件44的同時加熱層狀加熱器42，或可在將目標(biāo)件44保持在室溫的同時加熱層狀加熱器42。
如圖4a和4b所示，層狀加熱器42可選地位于目標(biāo)件44內(nèi)，而不是像前面所述的那樣圍繞著目標(biāo)件。因此，層狀加熱器42包括室溫外徑D3，而目標(biāo)件44限定了室溫內(nèi)徑D4，使得在采用如上所述機(jī)械或熱工藝時，在層狀加熱器42與目標(biāo)件44之間形成干涉配合48。
參見圖5至8，層狀加熱器42和目標(biāo)件44不必一定要制成圓柱形狀，在本發(fā)明的范圍內(nèi)亦可采用其它形狀，其中，在層狀加熱器與目標(biāo)件之間形成干涉配合48。作為示例，這些形狀可包括圖5a和5b所示的方形形狀50、圖6所示的橢圓形狀52、圖7所示的矩形形狀54或圖8所示的曲線形狀56、或它們的組合。因此，例如，如圖5a所示，層狀加熱器60包括限定室溫內(nèi)周64的基體62、限定室溫外周68的目標(biāo)件66，其中，層狀加熱器60的室溫內(nèi)周64小于或等于目標(biāo)件66的室溫外周68。由于采用了如上所述的機(jī)械或熱工藝，就在層狀加熱器60與目標(biāo)件66之間形成了干涉配合70，由此改進(jìn)了層狀加熱器60與目標(biāo)件66之間的熱傳遞特性。作為替換，如圖5b所示，層狀加熱器60可安置在目標(biāo)件66之內(nèi)，而不是如圖5a所示的那樣安置在目標(biāo)件66之外，其中，層狀加熱器60的室溫外周72大于或等于目標(biāo)件66的室溫內(nèi)周74。盡管在圖6和7中分別示出層狀加熱器60′和60″安置在目標(biāo)件66′和66″的周圍，在圖8中示出層狀加熱器60安置在目標(biāo)件66之內(nèi)，但在本發(fā)明的范圍內(nèi)可按特定應(yīng)用的需要將層狀加熱器安置在這些目標(biāo)件的周圍或之內(nèi)。應(yīng)該理解的是，在此示出并描述的形狀和結(jié)構(gòu)是示范性的，不應(yīng)解釋成將本發(fā)明的范圍僅限制于這些形狀和結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在參見圖9，本發(fā)明還設(shè)計了這樣的幾何形狀，其包括如圖所示的非等截面，以錐形結(jié)構(gòu)將層狀加熱器76安置在目標(biāo)件78的周圍。通常，使目標(biāo)件78和層狀加熱器76接合，且錐形結(jié)構(gòu)利于同心度和干涉配合，以改進(jìn)熱傳遞。由于錐形結(jié)構(gòu)，較之上述具有等截面的替換形式，層狀加熱器76和目標(biāo)件78更易組裝和拆卸。更具體地說，由于錐形結(jié)構(gòu)，層狀加熱器76相對于目標(biāo)件78僅需較小的線性位移以使層狀加熱器76和目標(biāo)件78接合和脫離。因此，通過采用本發(fā)明一種形式的機(jī)械自鎖錐，在層狀加熱器76與目標(biāo)件78之間形成干涉配合79。此外，還可采用如上所述的熱方法來產(chǎn)生干涉配合79。另外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可選地將層狀加熱器76安置在目標(biāo)件78內(nèi)。
在如圖10a-10d所示的本發(fā)明的另一形式中，本發(fā)明提供了相適配的熱傳遞系統(tǒng)78，其不僅包括高熱傳遞特性(利用如上所述的干涉配合)，還包括沿著加熱器系統(tǒng)78的長度受阻或選擇性地受限的熱傳遞特性，由此產(chǎn)生了相適配的熱傳遞特性。更具體地說，如圖10a所示，層狀加熱器80安置在目標(biāo)件82的周圍，其中在它們之間安置有凹槽84。在可能需要這樣的相適配控制的應(yīng)用中，凹槽84沿著層狀加熱器80的長度提供了局部受限的熱傳遞特性。此外，盡管在此只示出了一個凹槽84，但應(yīng)該理解的是，還可采用多個凹槽而不脫離本發(fā)明的范圍。因此，依據(jù)本發(fā)明的啟示，相適配的熱傳遞系統(tǒng)78包括至少一個凹槽84。
正如進(jìn)一步示出的那樣，電阻層16還可沿著層狀加熱器80的長度改變，以除了由凹槽84提供的相適配外，還提供額外的熱傳遞特性的相適配。因此，電阻層16的圖示是示范性的，不應(yīng)解釋成限制本發(fā)明的范圍。此外，如上所述，在層狀加熱器80與目標(biāo)件82之間形成了干涉配合86，由此在這些區(qū)域中改進(jìn)了層狀加熱器80與目標(biāo)件82之間的熱傳遞特性。圖10a中所示的凹槽84是目標(biāo)件82內(nèi)的外表面凹槽，不過，在圖10b-10c中示出了形成凹槽84、多個凹槽以及間隔位置的其它形式。
如圖10b所示，凹槽84是層狀加熱器80的基體12內(nèi)的內(nèi)表面凹槽。圖10c中示出了層狀加熱器80內(nèi)的內(nèi)表面凹槽和目標(biāo)件82內(nèi)的外表面凹槽，以形成凹槽84。作為替換，層狀加熱器80內(nèi)的內(nèi)表面凹槽84′和目標(biāo)件82內(nèi)的外表面凹槽84″在圖10d中示出，其中，沿著加熱器系統(tǒng)78的長度在間隔的位置上設(shè)有多個凹槽。應(yīng)該理解的是，層狀加熱器80可替換地安置在目標(biāo)件82內(nèi)，還可采取前述的替換形狀，而不脫離本發(fā)明的范圍。
正如圖10c作為示例進(jìn)一步示出的那樣，另一形式的相適配的熱傳遞系統(tǒng)78包括填料88，其安置在凹槽84內(nèi)，以改變靠近凹槽84的熱傳遞性能。填料88可按照需要是絕緣的或傳導(dǎo)的，以用于較低或較高的熱傳遞特性。例如，在一形式中，填料88可以是用于較高熱傳遞的液態(tài)金屬，或用于較低熱傳遞的鹽或Sauereisen接合劑(cement)。在另一形式中，相適配的熱傳遞系統(tǒng)78包括分立元件89，其安置在凹槽84內(nèi)，以執(zhí)行可能希望得到的一些功能。例如，分立元件89可以是熱電偶，以檢測預(yù)定區(qū)域的溫度。附加的分立元件可包括但不限于RTD(電阻溫度檢測器)、熱敏電阻器、應(yīng)變片、熱熔絲、光纖、微處理器以及控制器等。因此，根據(jù)本發(fā)明的啟示，熱傳遞系統(tǒng)78提供了改進(jìn)的熱傳遞特性、阻礙的熱傳遞特性以及分立的功能性能力。
參見圖11，本發(fā)明的另一形式作為加熱器系統(tǒng)90示出，其通過選擇性地改進(jìn)和/或阻礙的熱傳遞提供了相適配的熱傳遞。加熱器系統(tǒng)90包括靠近目標(biāo)件94安置的層狀加熱器92，其中，在層狀加熱器92與目標(biāo)件94之間安置有多個隔熱片96。因此，形成多個相適配的熱傳遞區(qū)98和99來實現(xiàn)相適配的熱傳遞。隔熱片96與層狀加熱器92之間和隔熱片96與目標(biāo)件94之間示出有熱傳遞區(qū)98，而層狀加熱器92與目標(biāo)件94之間示出有熱傳遞區(qū)99。因此，熱傳遞區(qū)98和99可以相適配，以實現(xiàn)改進(jìn)和/或阻礙的熱傳遞，例如，如果隔熱片96是傳導(dǎo)的，熱傳遞區(qū)98就提供改進(jìn)的熱傳遞，而熱傳遞區(qū)99則提供阻礙的熱傳遞。
優(yōu)選的是，隔熱片96的熱膨脹系數(shù)(CTE)大于層狀加熱器92(更具體地說，為清楚起見在此未示出的層狀加熱器的基體)和目標(biāo)件94的熱膨脹系數(shù)。因此，隔熱片96在工作時膨脹，以在層狀加熱器92與靠近隔熱片96的目標(biāo)件94之間形成高熱傳遞配合98。在一形式中，隔熱片96是鋁材，不過，也可采用其它材料而不脫離本發(fā)明的范圍。
作為替換，如上所述的干涉配合可被加熱器系統(tǒng)90采用，其中，采用機(jī)械或熱工藝來形成干涉配合，且由此在指定的區(qū)域中提供改進(jìn)的熱傳遞特性。例如，隔熱片96會限定大于或等于層狀加熱器92與目標(biāo)件94之間的室溫距離D的室溫厚度T。隔熱片96可采用比如熱噴涂的工藝形成在目標(biāo)件94上，或隔熱片96可替換地依然采用熱噴涂工藝形成在層狀加熱器92上。應(yīng)該理解的是，也可采用其它工藝來形成隔熱片96，而不脫離本發(fā)明的范圍。因此，根據(jù)本發(fā)明的啟示，加熱器系統(tǒng)90提供了改進(jìn)的熱傳遞特性和阻礙的熱傳遞特性。
圖12a和12b中示出了本發(fā)明的另一形式，其中加熱器系統(tǒng)100包括層狀加熱器102，其包括帶有預(yù)涂表面106的基體104。預(yù)涂表面106優(yōu)選涂有釬焊材料，不過，也可采用其它材料而不脫離本發(fā)明的范圍。如圖所示，層狀加熱器102的內(nèi)徑D5小于或等于目標(biāo)件108的外徑D6。因此，可如上所述地采用機(jī)械或熱工藝，以便在層狀加熱器102與目標(biāo)件108之間形成高熱傳遞配合110。此外，可將層狀加熱器布置在目標(biāo)件內(nèi)，且可如上所述地采用其它形狀而不脫離本發(fā)明的范圍。其它處理層狀加熱器102和/或目標(biāo)件108以形成高熱傳遞配合的變型應(yīng)解釋成落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。作為示例，這些變型可包括直接焊(例如，攪拌摩擦焊接)等。
現(xiàn)在參見圖13，本發(fā)明提供改進(jìn)熱傳遞的另一形式作為加熱器系統(tǒng)120示出。在該形式中，厚膜層狀加熱器122直接形成在熱傳遞基體126的加熱表面124上。如圖所示，目標(biāo)件128安置在熱傳遞基體126上，與厚膜層狀加熱器122相對置，該目標(biāo)件128由一種與厚膜層狀加熱器122完全不相容的材料形成。因此，熱傳遞基體126將熱量從厚膜層狀加熱器122傳遞到目標(biāo)件128上，由此厚膜層狀加熱器122可與先前不相容的目標(biāo)件128一起使用。在此使用的“完全不相容”涉及厚膜層狀加熱器和目標(biāo)件的組合，其中，厚膜層狀加熱器與目標(biāo)件間的CTE差較大，這樣，該大的CTE差導(dǎo)致厚膜加熱器的結(jié)構(gòu)整體性降低。此外，對由不能經(jīng)受加熱器層處理溫度的材料構(gòu)成的目標(biāo)件來說，厚膜層狀加熱器的高焙燒溫度顯得過高。另外，厚膜層狀加熱器的高焙燒溫度會改變目標(biāo)件的材料性能，例如，在目標(biāo)件包括會在焙燒期間改變的熱處理表面的情形下。因此，“完全不相容”意指厚膜層狀加熱器與目標(biāo)件間大的CTE差，其中目標(biāo)件是不能經(jīng)受厚膜層狀加熱器高焙燒溫度的目標(biāo)件，和/或包括會在焙燒期間改變的材料的目標(biāo)件。
此外，如上所述，目標(biāo)件128可安置在熱傳遞基體126之外，且層狀加熱器122安置在熱傳遞基體126之內(nèi)，而不脫離本發(fā)明的范圍。此外，還可像在此描述的一樣，在熱傳遞基體126與目標(biāo)件128之間形成干涉配合，而不脫離本發(fā)明的精髓和范圍。另外，如上所述，可根據(jù)特定場合的要求采用替換形狀，而不脫離本發(fā)明的啟示。
如圖14所示，本發(fā)明提供相適配的熱傳遞特性的另一形式作為加熱器系統(tǒng)130示出。加熱器系統(tǒng)130包括安置在目標(biāo)件134周圍的層狀加熱器132，盡管層狀加熱器132可選擇地安置在目標(biāo)件134內(nèi)。層狀加熱器132還包括如所示直接形成在目標(biāo)件134上的介電層136，不過，介電層136可選擇地形成在基體上，且如上所述地在基體與目標(biāo)件134之間形成干涉配合。正如進(jìn)一步示出的那樣，多個絕熱墊138形成在介電層136上，電阻層140形成在絕熱墊138的上方，緊跟著，在電阻層140的上方形成有保護(hù)層142。電阻層140與目標(biāo)件134之間安置有絕熱墊138，以按照需要減小從電阻層140至目標(biāo)件134的熱傳遞速度。作為替換，可將絕熱墊138安置在電阻層140與保護(hù)層142之間，以減小向周圍環(huán)境熱傳遞的速度。因此，采用絕熱墊138以進(jìn)一步沿著層狀加熱器132使熱傳遞特性相適配。
本發(fā)明的說明僅是示范性的，因此，可在本發(fā)明的范圍內(nèi)做出不脫離本發(fā)明要旨的變型。可在目標(biāo)件之內(nèi)或周圍安置在此示出并描述的層狀加熱器，可使用不同的幾何結(jié)構(gòu)，還可在整個層狀加熱器系統(tǒng)的不同位置采用熱傳遞相適配的元件。此外，在此描述的加熱器系統(tǒng)可采用如以下兩件共同待審的申請中示出并描述的雙線式控制器，該兩件申請中的一件申請的序列號為10/719327、發(fā)明名稱為“雙線式層狀加熱器系統(tǒng)”、申請日為2003年11月21日，而另一件申請的發(fā)明名稱為“電熱器的組合材料成層技術(shù)”、申請日為2004年1月6日，該兩件申請與本申請一起共同轉(zhuǎn)讓，且其內(nèi)容在此全部并入以供參考。此類變型不被認(rèn)為是脫離了本發(fā)明的精髓和范圍。
權(quán)利要求
1.一種加熱器系統(tǒng)，包括圓柱形目標(biāo)件，其限定了室溫外徑；和圓柱形層狀加熱器，其安置在該圓柱形目標(biāo)件的周圍，該圓柱形層狀加熱器包括基體，其具有室溫內(nèi)徑，該室溫內(nèi)徑小于或等于圓柱形目標(biāo)件的室溫外徑，其中，在該圓柱形層狀加熱器與圓柱形目標(biāo)件之間形成有干涉配合。
2.如權(quán)利要求1所述的加熱器系統(tǒng)，其中，該圓柱形目標(biāo)件是熱流道噴嘴。
3.一種加熱器系統(tǒng)，包括圓柱形目標(biāo)件，其限定了室溫內(nèi)徑；和圓柱形層狀加熱器，其安置在該圓柱形目標(biāo)件內(nèi)，該圓柱形層狀加熱器限定了室溫外徑，該室溫外徑大于或等于圓柱形目標(biāo)件的室溫內(nèi)徑，其中，在該圓柱形層狀加熱器與圓柱形目標(biāo)件之間形成有干涉配合。
4.一種圓柱形層狀加熱器，包括基體，該基體具有室溫內(nèi)徑，該室溫內(nèi)徑小于或等于圓柱形目標(biāo)件的外徑，其中，在該圓柱形層狀加熱器與圓柱形目標(biāo)件之間形成有干涉配合。
5.一種圓柱形層狀加熱器，其限定了室溫外徑，該室溫外徑大于或等于圓柱形目標(biāo)件的內(nèi)徑，其中，在該圓柱形層狀加熱器與圓柱形目標(biāo)件之間形成有干涉配合。
6.一種加熱器系統(tǒng)，包括目標(biāo)件，限定了室溫外周；和層狀加熱器，其安置在該目標(biāo)件的周圍，該層狀加熱器包括基體，該基體具有室溫內(nèi)周，該室溫內(nèi)周小于或等于該目標(biāo)件的室溫外周，其中，在該層狀加熱器與目標(biāo)件之間形成有干涉配合。
7.如權(quán)利要求6所述的加熱器系統(tǒng)，其中，該層狀加熱器選自于由厚膜、薄膜、熱噴涂和溶膠-凝膠構(gòu)成的組。
8.如權(quán)利要求6所述的加熱器系統(tǒng)，其中，干涉配合通過選自由施壓操作、推動操作以及熱操作構(gòu)成的組而形成。
9.如權(quán)利要求6所述的加熱器系統(tǒng)，其中，該目標(biāo)件包括熱處理外表面。
10.一種加熱器系統(tǒng)，包括目標(biāo)件，其限定了室溫內(nèi)周；和層狀加熱器，其安置在該目標(biāo)件之內(nèi)，該層狀加熱器限定了室溫外周，該室溫外周大于或等于該目標(biāo)件的室溫內(nèi)周，其中，在該層狀加熱器與目標(biāo)件之間形成有干涉配合。
11.如權(quán)利要求10所述的加熱器系統(tǒng)，其中，該層狀加熱器選自于由厚膜、薄膜、熱噴涂以及溶膠-凝膠構(gòu)成的組。
12.如權(quán)利要求10所述的加熱器系統(tǒng)，其中，干涉配合通過選自由施壓操作、推動操作、釬焊操作、直接焊操作以及熱操作構(gòu)成的組而形成。
13.如權(quán)利要求10所述的加熱器系統(tǒng)，其中，該目標(biāo)件包括熱處理外表面。
14.一種加熱器系統(tǒng)，包括目標(biāo)件，其限定了室溫外周；層狀加熱器，其安置在該目標(biāo)件的周圍，該層狀加熱器包括基體，該基體具有室溫內(nèi)周，該室溫內(nèi)周小于或等于該目標(biāo)件的室溫外周；和凹槽，其安置在該目標(biāo)件的外周與基體的內(nèi)周之間，其中，在該層狀加熱器與目標(biāo)件之間形成有干涉配合，并且，所述凹槽沿著該層狀加熱器提供了用于相適配熱傳遞特性的間隙。
15.如權(quán)利要求14所述的加熱器系統(tǒng)，其中，所述凹槽是由目標(biāo)件內(nèi)的外表面凹槽形成的。
16.如權(quán)利要求14所述的加熱器系統(tǒng)，其中，所述凹槽是由基體內(nèi)的內(nèi)表面凹槽形成的。
17.如權(quán)利要求14所述的加熱器系統(tǒng)，其中，所述凹槽是由目標(biāo)件內(nèi)的外表面凹槽和基體內(nèi)的內(nèi)表面凹槽形成的。
18.如權(quán)利要求14所述的加熱器系統(tǒng)，還包括安置在所述凹槽內(nèi)的填料。
19.如權(quán)利要求18所述的加熱器系統(tǒng)，其中，該填料選自于由液態(tài)金屬、鹽以及sauereisen接合劑構(gòu)成的組。
20.如權(quán)利要求14所述的加熱器系統(tǒng)，還包括安置在所述凹槽內(nèi)的分立功能元件。
21.如權(quán)利要求20所述的加熱器系統(tǒng)，其中，該分立元件選自于由熱電偶、RTD、熱敏電阻器、應(yīng)變片、熱熔絲、光纖、微處理器以及控制器構(gòu)成的組。
22.一種加熱器系統(tǒng)，包括目標(biāo)件，其限定了室溫內(nèi)周；層狀加熱器，其安置在該目標(biāo)件之內(nèi)，該層狀加熱器限定了室溫外周，該室溫外周大于或等于該目標(biāo)件的室溫內(nèi)周；和凹槽，其安置在該目標(biāo)件的內(nèi)周與基體的外周之間，其中，在該層狀加熱器與目標(biāo)件之間形成有干涉配合，并且，所述凹槽沿著該層狀加熱器提供了用于相適配熱傳遞特性的間隙。
23.如權(quán)利要求22所述的加熱器系統(tǒng)，其中，所述凹槽是由目標(biāo)件內(nèi)的內(nèi)表面凹槽形成的。
24.如權(quán)利要求22所述的加熱器系統(tǒng)，其中，所述凹槽是由基體內(nèi)的外表面凹槽形成的。
25.如權(quán)利要求22所述的加熱器系統(tǒng)，其中，所述凹槽是由目標(biāo)件內(nèi)的內(nèi)表面凹槽和基體內(nèi)的外表面凹槽形成的。
26.如權(quán)利要求22所述的加熱器系統(tǒng)，還包括安置在所述凹槽內(nèi)的填料。
27.如權(quán)利要求26所述的加熱器系統(tǒng)，其中，該填料選自于由液態(tài)金屬、鹽以及sauereisen接合劑構(gòu)成的組。
28.如權(quán)利要求22所述的加熱器系統(tǒng)，還包括安置在所述凹槽內(nèi)的分立功能元件。
29.如權(quán)利要求28所述的加熱器系統(tǒng)，其中，該分立元件選自于由熱電偶、RTD、熱敏電阻器、應(yīng)變片、熱熔絲、光纖、微處理器以及控制器構(gòu)成的組。
30.一種加熱器系統(tǒng)，包括目標(biāo)件；和層狀加熱器，其靠近該目標(biāo)件安置，該層狀加熱器包括基體，該基體具有適于與該目標(biāo)件接觸的預(yù)涂表面，其中，在該目標(biāo)件與層狀加熱器之間形成有高熱傳遞配合。
31.一種加熱器系統(tǒng)，包括目標(biāo)件；和層狀加熱器，其靠近該目標(biāo)件安置，其中，通過直接焊工藝在該目標(biāo)件與層狀加熱器之間形成有高熱傳遞配合。
32.一種加熱器系統(tǒng)，包括傳熱基體，其限定了至少一個加熱表面；厚膜層狀加熱器，其直接形成在該傳熱基體的加熱表面上；和目標(biāo)件，其與該厚膜層狀加熱器相對置地安置在該傳熱基體上，其中，該目標(biāo)件包括與該厚膜層狀加熱器完全不相容的材料，并且，該傳熱基體將熱量從該厚膜層狀加熱器傳遞到目標(biāo)件上。
33.一種加熱器系統(tǒng)，包括目標(biāo)件；層狀加熱器，其靠近該目標(biāo)件安置；和多個安置在該目標(biāo)件與層狀加熱器之間的隔熱片，由此在該目標(biāo)件與層狀加熱器之間形成多個相適配的熱傳遞區(qū)域，其中，所述隔熱片的熱膨脹系數(shù)大于該目標(biāo)件和層狀加熱器的熱膨脹系數(shù)，由此在目標(biāo)件與靠近隔熱片的層狀加熱器之間形成高熱傳遞配合。
34.一種加熱器系統(tǒng)，包括目標(biāo)件；層狀加熱器，其與該目標(biāo)件隔開設(shè)置；和多個安置在該目標(biāo)件與層狀加熱器之間的隔熱片，由此在該目標(biāo)件與層狀加熱器之間形成多個相適配的熱傳遞區(qū)域，所述隔熱片限定了大于或等于目標(biāo)件與層狀加熱器之間的室溫距離的室溫厚度，其中，在該層狀加熱器與靠近隔熱片的目標(biāo)件之間形成有高熱傳遞配合，并且，相適配的熱傳遞區(qū)域沿著該層狀加熱器提供了相適配的熱傳遞。
35.一種加熱器系統(tǒng)，包括目標(biāo)件；層狀加熱器，其與該目標(biāo)件隔開設(shè)置；和多個安置在該層狀加熱器之內(nèi)的絕熱墊，其中，該絕熱墊沿著該層狀加熱器提供了相適配的熱傳遞。
36.一種加熱器系統(tǒng)，包括目標(biāo)件，其限定了錐形結(jié)構(gòu)；和層狀加熱器，其靠近該目標(biāo)件安置，該層狀加熱器限定了錐形結(jié)構(gòu)，其中，在該層狀加熱器與目標(biāo)件之間形成有干涉配合。
37.一種組裝加熱器系統(tǒng)的方法，包括的步驟有將具有外周的目標(biāo)件壓入層狀加熱器中，該層狀加熱器包括基體，該基體限定了內(nèi)周，該內(nèi)周小于或等于該目標(biāo)件的外周，其中，在該層狀加熱器與目標(biāo)件之間形成有干涉配合。
38.一種組裝加熱器系統(tǒng)的方法，包括的步驟有將具有外周的層狀加熱器壓入具有內(nèi)周的目標(biāo)件中，該內(nèi)周小于或等于該層狀加熱器的外周，其中，在該層狀加熱器與目標(biāo)件之間形成有干涉配合。
39.一種組裝加熱器系統(tǒng)的方法，包括的步驟有在層狀加熱器的基體的內(nèi)周內(nèi)設(shè)置限定了外周的目標(biāo)件，其中，該基體的內(nèi)周預(yù)涂有釬焊材料，并且，在該目標(biāo)件與層狀加熱器之間形成有高熱傳遞配合。
40.一種組裝加熱器系統(tǒng)的方法，包括的步驟有在層狀加熱器外周的周圍設(shè)置限定了內(nèi)周的目標(biāo)件，其中，該層狀加熱器的外周預(yù)涂有釬焊材料，并且，在該目標(biāo)件與層狀加熱器之間形成有高熱傳遞配合。
41.一種組裝加熱器系統(tǒng)的方法，包括的步驟有(a)對限定了室溫外周的目標(biāo)件和包括限定了室溫內(nèi)周的基體的層狀加熱器的至少一個進(jìn)行熱處理，使得相應(yīng)的周邊在尺寸上改變；(b)將該目標(biāo)件設(shè)置在層狀加熱器內(nèi)；(c)使該目標(biāo)件和層狀加熱器中的至少一個處于室溫，由此在該層狀加熱器與目標(biāo)件之間形成干涉配合。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其中，所述熱處理包括冷卻該目標(biāo)件。
43.如權(quán)利要求41所述的方法，其中，所述熱處理包括冷卻該目標(biāo)件和加熱該層狀加熱器。
44.如權(quán)利要求41所述的方法，其中，所述熱處理包括加熱該層狀加熱器。
45.一種組裝加熱器系統(tǒng)的方法，包括的步驟有(a)對限定了室溫內(nèi)周的目標(biāo)件和限定了室溫外周的層狀加熱器的至少一個進(jìn)行熱處理，使得相應(yīng)的周邊在尺寸上改變；(b)將該目標(biāo)件設(shè)置在層狀加熱器的周圍；(c)使該目標(biāo)件和層狀加熱器中的至少一個處于室溫，由此在該層狀加熱器與目標(biāo)件之間形成干涉配合。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其中，所述熱處理包括冷卻該層狀加熱器。
47.如權(quán)利要求45所述的方法，其中，所述熱處理包括冷卻該層狀加熱器和加熱該目標(biāo)件。
48.如權(quán)利要求45所述的方法，其中，所述熱處理包括加熱該目標(biāo)件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種熱傳遞相適配的層狀加熱器系統(tǒng)，它包括限定了室溫周邊的目標(biāo)件(44)和安置在該目標(biāo)件(44)周圍或之內(nèi)的層狀加熱器(10)，該層狀加熱器(10)包括具有室溫周邊的基體(12)，該室溫周邊的尺寸被設(shè)定成通過機(jī)械或熱方法在層狀加熱器(10)與目標(biāo)件(44)之間形成干涉配合。該層狀加熱器(10)在一種形式中安置在目標(biāo)件的周圍，而在另一形式中安置在目標(biāo)件之內(nèi)。此外，采用比如隔熱片、絕熱墊的其它裝置和本發(fā)明其它形式的傳熱基體，沿著層狀加熱器使熱傳遞相適配。
文檔編號H05B3/46GK1922925SQ200580005124
公開日2007年2月28日 申請日期2005年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月6日
發(fā)明者K·普塔申斯基, J·麥克米林, L·P·斯坦豪瑟 申請人:沃特洛電氣制造公司