本发明提供电阻加热元件和含有这些元件的热水器。这些装置在
减少热水器和热油器的直流电流腐蚀石灰沉积和元件寿命短促的问题
上是有效的。如同本文所用，名词“流体”和“流体介质”兼指液体
和气体。
参阅附图，特别是图1-3，其中示出本发明的较优的聚合物流体
加热器100，该加热器含有导电的电阻加热材料，其形式例如可为丝、
网、带或蛇形物。在该较优的加热器100中，线圈14具有一对自由端
连接到一对终端12和16上以资产生电阻加热。线圈14被气密地并在
电气上与流体绝缘且具有一层成为整体的高温聚合物材料。换句话说，
起作用的电阻加热材料被聚合物覆盖层保护着使它不能在流体中发生
短路。本发明的电阻材料具有足够的表面面积、长度和剖面厚度，可
将水加热到至少约120°F的温度而不会熔化聚合物层。如从下面的论
述可知，这可通过仔细地选择适当的材料及其尺寸来做到。
具体参阅图3，较优的聚合物流体加热器100一般具有三个整体
部件：一个终端组合件200如图5所示，一个内部模型件300如图4
所示，和一个聚合物覆盖层30。下面继续说明这些亚构件中的每一件
及其装到聚合物流水加热器100中的最终组合件。
图4所示的较优内部模型件300为一由高温聚合物制成的单个注
射模塑件。内部模型件300最好在其最外端设有一个突缘32。与突缘
32邻接为一具有多道螺纹22的轴套部。螺纹22被设计为与通过存储
水箱如热水器水箱13侧壁的安装孔的内直径配合。O型环(未示出)
可用在突缘32的内侧表面上借以提供较为可靠的水密密封。较优的内
部模型件300还包括一个位在其较优的圆形横截面内的热控管空腔
39。热控管空腔39可包括一个端壁33用来使热控管25与流体隔离。
热控管空腔39最好通过突缘32敞开使终端组合件200容易插入。较
优的内部模型件300还含有至少一对导电体空腔31和35位在热控管
空腔和内部模塑件的外壁之间以便用来接纳导电汇流条18和终端组
合件200的终端导电线20。内部模型件300在其外周面上设有一连串
的径向对齐槽38，这些槽可能是螺线槽或不连接的沟槽等，并应充分
间隔开以便使所提供的线座在电气上将较优线圈14的螺旋线隔开。
较优的内部模型件300可用注射模塑法制出。流动通过的空腔11
最好用一12.5英寸长的液压作用的型芯拉棒制出，从而造成一个约为
13-18英寸长的元件。内部模型件300可被填充在采用设在突缘32
对面的环形流道的金属模型内。起作用的元件部分10的目标壁厚希望
小于.5英寸，最好小于.1英寸，目标范围约为.04-.06英寸，该值
据信是注射模塑设备目前能做到的下限。还有一对钩或销45和55也
在起作用元件展开部10上模塑出来位在接续的螺线槽或沟槽之间以
便为一个或多个线圈的螺旋形提供一个终端点或锚固点。在注射模塑
时可采用通过突缘部的侧向型芯拉棒和端向型芯拉棒来制出热控管空
腔39、流动通过空腔11、导电体空腔31和35和流动通过孔57。
参阅图5，现在说明较优的终端组合件200。该组合件200具有一
个聚合物端盖28，它被设计用来接纳一对终端连接件23和24。如图
2所示，终端连接件23和24可含有螺孔34和36以便用来接纳带螺
纹的连接件如螺钉从而安装外部电线。终端连接件23和24为终端导
电线20和热控管导电汇流条21的端部。热控管汇流条21以热控管终
端27在电路上与终端连接件24连接。另一热控管终端29被连接到热
控管导电汇流条18上，该汇流条被设计为可配合在沿着图4下部延伸
的导电体空腔35内。为了完成回路，设有热控管25。这里您可任意
选择，也可不用热控管，而用恒温器、固态的TCO(限时断路继电器)、
或者仅用一条连接到外部断路器上的接地的带、或其他。据信接地带
(未示出)可位在与一个终端端部16或12接近之处，这样在聚合物
熔化时便会短路。
在较优的环境中，热控管25可用一个按压作用的恒温器/热保护
器如同Porfage电气公司出售的型式M系列。这种热保护器具有紧凑
的尺寸适宜用于120/240V的AC载荷。它具有一个导电的双金属构
造和一个电工上常用的箱，端盖28最好为一分开模塑的聚合物零件。
在终端组合件200和内部模型件300制造好以后，它们最好先装
配在一起，然后再将外露的线圈14卷绕在起作用的元件部分10的对
齐的槽38上。在这样做的时候，必须小心以便用线圈的终端端部12
和16构成一个完整的回路。这一点可通过将线圈终端端部12和16
铜焊、锡焊或点焊到终端导电线20和热控管导电汇流排18上来做到。
同样重要的是，在敷设聚合物覆盖层之前应先恰当地将线圈14定位在
内部模型件300上。在较优的实施例中，聚合物覆盖层30是挤压出来
而形成的热塑性的聚合物与内部模型件300的结合。如同内部模型件
那样，在模塑过程中可将型芯拉棒插入到模型内借以使流动通过孔眼
57和流动通过空腔11保持敞开。
现在看图6和7，其中示出本发明的聚合物电阻加热元件的单根
和双根的电阻丝实施例。在图6所示的单线实施例中，内部模型件300
的对齐槽38被用来将具有螺旋线42和43的第一线对卷绕成线圈状。
由于该较优实施例包括一根叠合的电阻丝，叠合线的端部或螺旋线的
终端44只要环绕销钉45弯曲就可套在销钉45上。销钉45理想的做
法是内部模型件300的一个部分，可在内部模型件300上注射模塑出
来。
与此类似，还可有双根电阻丝的设计。在这实施例中，第一根电
阻丝的第一对螺旋线42和43与同一根电阻丝的下一接续对的螺旋线
46和47被卷绕在第二销钉55上的第二线圈的螺旋线终端54隔开。
在螺旋线46和47之后，将第二根电阻丝的在电路上与第二线圈的螺
旋线终端连通的螺旋线52和53卷绕在内部模型件300的下一邻接对
的对齐槽内。虽然这里所示双线圈组合件为每根线有一对螺旋线交替
排列，但应知道，如果需要，每根电阻丝也可以两个或多个螺旋线为
一组排列，或者按不规则的数目的螺旋线和卷绕形状卷绕，只要其导
电线圈相互间被内部模型件或某些其他的绝缘材料如分开的塑料覆盖
层等保持绝缘即可。
本发明的塑料零件最好具有“高温”聚合物，它在流体介质温度
约为120-180°F时不会显著地变形或熔化。熔点大于200°F的热
塑性聚合物最为合适，但某些陶瓷和热固性聚合物也可用于这个目
的。较优的热塑性材料可包括：碳氟化合物、聚芳基砜、聚酰亚胺、
聚醚酮醚、对聚苯硫、聚醚基砜及这些热塑性塑料的混合物和共聚物。
对包括某些环氧、酚和硅氧烷的应用，热固性聚合物可被接受。液晶
聚合物也可应用，它可改善高温时的化学过程。
在本发明的较优实施例中，对聚苯硫(PPS)最为合适，因为它能
用在高温下、费用低并较易加工，特别是在注射模塑时。
本发明的聚合物可含有约为5-40重量％的增强纤维如石墨、玻
璃或尼龙纤维。这些聚合物可与各种添加剂混合借以改善导热和脱模
性能。添加碳、石墨和金属粉末或鳞片可提高导热率。但重要的是，
这些添加剂都不能过量使用，因为过多的任何一种导电材料都可以损
害较优的聚合物覆盖层的绝缘和抗腐蚀的效果。本发明的任何一个聚
合物的元件都可用这些材料的任何一种组合来制成，取决于该元件的
终极用途。
用来在本发明的流体加热器中传导电流并产生热的电阻材料最好
为一种导电而耐热的电阻金属。通用的金属为Ni-Cr合金，但某些
铜、钢和不锈钢合金也可适用。另外可以预见的是含有石墨、碳或金
属粉末或纤维的导电聚合物，例如，它们可用来作为金属电阻材料的
替代物，只要它们能产生足够的电阻热来加热如水的流体即可。较优
聚合物流体加热器100的其余导电体也可用这些导电材料制造。
作为本发明的较优内部模型件300的替代，图8和9示出的支承
骨架70已被证实能提供另外的好处。当一固体的内部模型件300如一
根管子被应用在注射模塑的操作中时，由于加热器的设计要求像
0.025英寸那样小的壁厚，和可达14英寸的异常长度，有时会发生模
型不恰当地被充填的情况。导热聚合物还有一个问题是，它适宜含有
添加剂如玻璃纤维和陶瓷粉、氧化铝(Al2O3)和氧化镁(MgO)，但
这些添加剂会使熔化的聚合物变得极其粘稠。结果需要过量的压力才
能恰当地充填模型，并且这种压力有时会使模型开启。
为了减少这些问题的发生，本发明考虑采用了一种具有多个开口
和一个用来保持电阻加热丝66的支承表面的支承骨架70。在一较优
的实施例中，支承骨架70包括一个管状件，其上设有大约6-8个互
相间隔开在骨架70整个长度上延伸的纵长键槽69。这些键槽69被一
连串在管状件的长度上沿纵向间隔开的支承环60夹持在一起。这些支
承环60适宜小于约0.05英寸的厚度，并且较好约为0.025-0.030
英寸的厚度。键槽69最好在顶部约为0.125英寸宽并且适宜逐渐变窄
到成为一个尖头的热传递翅片62。这些翅片62在敷设聚合物覆盖层
以后应伸出到最终元件的内直径之外至少约0.125英寸，多到0.250
英寸，以便将最大的热传导给流体如水。
键槽69的外部径向表面上最好具有能接纳较优电阻加热丝66的
双螺旋线的对齐的槽。
虽然本发明热传递翅片62为支承骨架70的一部分，但这种翅片
62也可成形为支承环60或在外面模塑的聚合物覆盖层64的一部分，
或从多个这些表面上伸出。与此类似，热传递翅片62能被设置在键槽
69的外侧，使它穿透到聚合物覆盖层64之外。另外，本发明设想可
在所提供的加热元件的内表面或外表面上设置多个不规则的或几何形
状的隆起或凹陷。已知这样一种热传递表面可使热量容易从表面上移
走到液体内。它们可用多种方法设置，包括将它们注射模塑到聚合物
覆盖层64或翅片62的表面内、蚀刻、喷砂或机械加工本发明的加热
元件的外表面。
在本发明的较优实施例中，支承骨架70含有热塑性树脂，它可以
是本文所说的“高温”聚合物中的一种，如对聚苯硫(PPS)加上少量的
玻璃纤维作为结构支撑，并可任意选用陶瓷粉如Al2O3或MgO以便提高
热传导率。或者支承骨架可以是一种熔融的陶瓷件，包括一种或多种
的硅酸氧化铝、Al2O3、MgO、石墨、ZrO2、Si3N4、Y2O3、SiC、SiO2等，
或者一个与所建议的“高温”聚合物不同的热塑性或热固性聚合物可
被用于覆盖层30。如果热塑性塑料被用作支承骨架70，那么其热变形
温度应大于用来模塑覆盖层30的熔化聚合物的温度。
支承骨架70被放置在绕线机上，所说较优的电阻加热丝66被叠
合并环绕支承骨架70成双螺旋线的外形卷绕在较优的支承表面上即
间隔开的槽66内。然后将完全卷绕好的支承骨架放置到注射模型内，
用本发明的较优聚合物中的一种在外面进行包塑。在一较优的实施例
中，只有一小部分热传递翅片62露出与流体接触，如果支承骨架为管
状，那么支承骨架70的其余部分在内外两侧都被熔化的树脂覆盖。这
个露出部分最好小于支承骨架70的表面面积的约10％。
构成支承骨架70的多个孔的开通的横截面面积使熔化的树脂更
容易充填并在电阻加热丝66上作更大的覆盖，同时减少气泡和热点的
发生。在较优的实施例中，孔面积应为支承骨架的整个管状表面面积
的至少约10％，最好大于20％，使熔化的聚合物能更容易地环绕支承骨
架70和电阻加热丝66流动。
图10-12示出另一种支承骨架200。该骨架也包括多条纵长的键
槽260，其上设有间隔开的凹槽260用来接纳卷绕的电阻加热丝(未示
出)。纵长键槽268最好用间隔开的支承环266夹持在一起。间隔开的
支承环266具有“车轮”设计，其上设有多个辐条264和一个毂部262。
这样可在支承骨架70上增加结构支承而不显著干扰较优的注射模型
操作。
或者，本发明的聚合物覆盖层可用浸渍的方法来敷设，例如将外
露的支承骨架70或200浸入到丸状化或粉状化的聚合物如PPS的流态
化床内。在这样一个过程中，电阻丝应先卷绕到骨架的支承表面上并
通上电流产生热量。如果采用PPS，那么在将支承骨架浸入到丸状化
聚合物的流态化床内之前应产生至少约为500°F的温度。流态化床将
使丸状化聚合物与加热的电阻丝紧密地接触，这样便可基本上均匀地
提供一个聚合物覆盖层，该覆盖层可完全包围电阻加热丝并基本上包
围支承骨架。这样造成的元件可包括一个比较结实的结构，具有相当
多的开通的横截面面积，而电阻加热丝仍可气密地绝缘，不与流体接
触。还应知道，支承骨架和电阻加热丝能被预热而不是将电流通到电
阻加热丝内来产生足够的热量供熔化在其表面上的聚合物丸之用。这
个过程还可包括流态化床以后的加热，以便得到更均匀的覆盖层。在
目前的聚合物技术的技巧内还可对该过程作出其他修改。
本发明的较优的聚合物流体加热器的标准额定功率在加热水时为
240V和4500W，虽然可以通过改变导电线圈14的长度和线的直径来
提供从1000W到约6000W的多种功率，功率最好在约1700W到4500W
之间。对于气体加热，可用较低的约为100-1200W的功率。两个甚
至三个功率也可提供，只要将多个线圈或电阻材料终止在起作用的元
件部10上的不同部位即可。
从上可知本发明能提供改进的流体加热元件供各种流体加热装置
包括热水器和油空间加热器使用。本发明的较优装置主要是聚合物的，
这样可减少费用，并可显著减少在流体存储箱内发生直流电流的作
用。在本发明的某些实施例中，聚合物的流体加热器可与聚合物的存
储箱结合使用，这样便可完全防止产生与金属离子有关的腐蚀。
或者，这些聚合物流体加热器可被这样设计使它们各有自己的存
储容器，可分开来使用，同时存储并加热气体或液体。在这种实施例
中，流动通过的空腔11可被模塑成箱或存储盆的形式，而加热线圈
14可被包含在箱或盆的壁内，在通入电流时便可加热箱或盆内的液体
或气体。本发明的加热装置还可用于食物温热器、卷发夹加热器、头
发干燥器、烫发钳、衣服熨斗、及用于矿泉和泳池的休闲加热器。
本发明还可用于流动通过的加热器，其中流体介质流动通过含有
本发明的一个或多个绕组或电阻材料的聚合物管。当流体介质通过这
样一根管子的内直径时，电阻热便会产生，通过管子内直径的聚合物
壁加热气体或液体。流动通过的加热器可用于头发干燥器和常被用来
加热水的“按需”加热器中。
虽然上面示出了各种实施例，但只是为了说明的目的而不是要限制
本发明。在所附权利要求限定的范围内，行家显然可以作出各种修改。