用于包括新型张紧系统的高速烤箱的多平面加热元件的制作方法

本公开教导了一种用于高速烤箱的辐射加热器，该高速烤箱由紧密堆叠以形成有效单个元件的两个或更多个平面加热器元件形成，并通过最小化两个元件中的集中涡流来延长寿命。与单个平面元件相比，多平面加热器元件产生了改进的磁场，该磁场有助于均匀地扩散电流，并通过产生导致局部热点或凹穴的电流集中来最小化大大降低元件使用寿命的任何集中电流。如在2018年9月13日提交的共同未决美国临时专利申请号62/730893(后来于2019年9月12日作为题为“用于高速烤箱的包含初级导体的加热元件”的pct/us2019/050805(“‘805pct申请”)提交，其全部内容通过引用结合于此)中进一步描述，本发明使得能够使用蚀刻或冲压金属板或带，以在高功率水平下运行，寿命显著增加(观察到3到75次)。该元件可以由单一材料原料或网状形成，具有两个或更多个不同厚度和密度的部分，其被调节以最佳地将热量传递给待烹饪的物品。加热器元件适用于在低电压下使用，de luca元件比小于2(与0.25m×0.25m的平坦区域相比且在整个烤箱长度上测量电阻)，并且还允许在不到3秒的时间内加热上升至最高温度。在一些实施例中，加热器元件包括具有较低电阻的端部，以允许串联元件的连接，并进一步确保端部不会过热，以及便于元件的适当夹紧和张紧。本发明还包括一种用于加热器元件的新型张紧和夹紧方法。张紧和夹紧机构能够在使用过程中快速变化以及在使用过程中的放置和对准期间正确配准。

背景技术：

1、de luca在美国专利号8498526b2中充分描述了加热器网的使用，作为在低电压下将高功率安全地输送到烤箱腔的手段。de luca描述的用于在1-3微米(这对于烹饪食物比如烤面包片是最理想的)的波长下输送高功率输出的典型手段包括使用一种元件，当形成具有平行的顶部和底部元件的0.25m×0.25m的烤箱时，该元件具有其电阻与黑体辐射表面积之比小于2欧姆/平方米的典型特征。如de luca在美国专利8498526b2中进一步描述，快速升高元件温度的能力对于促进高速烹饪、避免烤箱不使用时的能量消耗、允许“即时”使用以及进一步能够循环开启和关闭加热器以防止过度加热是重要的。能够使用高功率辐射加热器烹饪的过程需要循环加热器的能力，并且物品制法通常可以包括3-15个开启关闭循环。

2、共同未决的‘805pct申请描述了一种由单个平面片金属形成的加热器，并且包括用于减小加热器区域中的金属厚度并因此增加元件加热速度的步骤。该元件可以形成有网图案的孔，从而增加黑体辐射面积，并且还增加金属的电阻。尽管在具有显著循环(即通常大于30瓦每平方英寸的平烹饪表面和大于1000个开启关闭循环)的高功率水平下，使用平片网相对于丝网具有显著的制造优势，但已经观察到加热器元件在失效之前具有小于1000-5000个循环的使用寿命。相比之下，在类似功率水平下运行的圆形丝网可能具有10-15000个循环的运行寿命。

3、加热器材料的预期寿命数据通常以恒定开启模式运行，主要劣化与元件在高温时的氧化有关。作为示例，根据‘805pct申请形成的平面网在2500瓦时可以具有远大于100000秒的寿命，但当在相同瓦数下循环开启5秒、关闭5秒时，该元件将仅持续5-15000秒。作为示例，下图显示了在2000w和1500w两种功率状态下运行的单层5”×8.25”平面加热元件np25的3种不同测试的结果。平面加热元件np25在循环5秒开启、5秒关闭时总共持续8220秒对比在两种不同功率水平的连续测试期间仅循环28次时持续100000+秒。

4、

5、

6、类似地，在示例2中，测量5”×8.25”的平面加热元件np-16在每5秒循环开启和关闭时总共持续11000秒，但在连续测试期间仅循环28次时持续超过100000秒。

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8、在上述示例1和2中，使用的材料分别是kanthal(铁基材料)和304不锈钢。在这两种情况下，很明显元件的循环是早期失效的原因，而不是材料本身的结果。

9、对上述循环寿命限制的一个显而易见的解决方案是在较低电压值下工作并使较少的电流通过元件。在800-1400℃的辐射状态下工作的材料的典型寿命曲线随着温度和相关功率的增加而呈指数下降。然而，在使用高速烤箱的情况下，这不是解决方案，因为元件所需的温度上升通常为每秒100-500℃，因此不是选择，因为8.5×5”平面元件通常需要15000-5000w。

10、增加平面元件寿命的另一显而易见的选择包括修改张紧系统以减小张力。材料中的裂纹扩展与材料中的应力有关，因此应力的增加会加速潜在的裂纹扩展和失效似乎是合乎逻辑的。虽然减小弹簧力有一定效果，但下面的示例3清楚地表明，即使张力减小10倍，平面元件的寿命也仅增加约50％。

11、示例3

12、

13、在进一步考虑与恒定开启模式对比循环相关的巨大寿命差异时，可以观察到另一明显现象，即随着元件的冷却和加热，裂纹会扩展。可以得出：通过保持测试期间的平均温度更稳定地高，材料在测试期间将经历更少的伸长变化，因此寿命将会增加。在示例4中，5秒开启5秒关闭测试的循环被改变为5秒开启2秒关闭，希望看到性能的改善。没有看到这种改善。

14、

15、如共同未决的‘805pct申请(其指定美国)中所述，由单平面金属形成的紧凑u形元件允许从非电流施加侧张紧和从固定端部输送功率。然而在使用期间，当电流从一个终端缠绕到另一个终端时，观察到在“u”型腿之间的联合端部形成集中的热模式，并且在联合端部和网的接合处出现故障。观察到的这些热量集中是联合部分金属上发光的热点，并且它们的大小和深度会随着网运行的循环数而增加。具体地，在所述应用中，图3、4、9和10示出了带有联合端部的“u”形元件和过热区域的指示。此外，描述了在具有等效电阻路径的“u”形元件的联合区域内的连接的形成，这已被证明有助于降低联合内的功率和热量的集中。虽然这有助于减少联合内热点的形成，但与实现相同的10000个循环的丝网寿命相比，寿命的延长似乎只有最低限度的意义。如示例5所示，考虑到功率下降，通过在联合端部应用均匀路径，仅实现了最小的增加(如果有的话)。

16、

17、当使用上述优选的“u”形元件设计时，该元件的失效模式表现为在长段和联合的接合处的单丝过热。当电流路径上的单丝出现故障时，由于电流集中在越来越少的线束中，直到元件不再工作，就会出现级联效应。尝试使用管吹送空气来冷却该区域将是显而易见的选择，然而这样做提供了最小或没有增加的寿命，如示例6所示。

18、

19、

20、另一种也是最后一种明显的结构是试图增加用于循环应用的平面加热元件比如“u”形元件的寿命，这种结构将增加元件的厚度，并进一步避免使用可能引起应力集中的台阶。虽然增加元件的厚度将固有地增加元件的质量并因此增加加热所需的时间，但可以假定这样做也将增加元件的强度并降低由于循环而导致裂纹扩展的可能性。在示例7中，比较了多个元件，包括由单厚度0.015”的kanthal a1制成的两个和由0.004”厚的kanthal d制成的一个。尽管存在与张力和功率水平相关的变化，但对于较厚的元件，与其他平面元件相比，元件的寿命几乎没有增加，尽管它们由kanthal a1(用于本技术的更高级材料)制成。

21、

22、虽然除了重力之外，没有对元件施加张力(上述np04-k实现了约4118个循环的寿命)和在某些情况下不使用“u”而是作为单个元件在整个宽度上均匀施加电压(在这种情况下，直np04-k在部分退化之前实现6000个循环)相关的寿命有所增加，但没有使用平片的测试显示出与丝网相同的寿命。

23、在本文描述的发明之前，图9示出了根据‘805pct申请或美国专利#8498526b2“丝网热辐射和在辐射烤箱中的使用”生产的各种平加热元件的循环寿命。所有元件的尺寸约为5”×8.25”，几何网格切割模式各不相同，以适应适当的电压和电流。

24、此外，根据美国专利#8498526b2，下表列出了这些不同元件的测试细节以及它们相应的der。

25、

26、重要指出的是，代表元件快速发热和辐射功率的能力的der值都远低于阈值2。

27、同样重要的是要考虑由于元件中高电流而产生的磁场以及加热器切换时感应的电流。通过导线的电流可以用安培定律来表征：

28、b＝i xμ0/2πr

29、其中，b是距离为r的电流i产生的以特斯拉为单位的磁场，自由空间的磁导率等于：

30、μ0＝4πx 10-7tm/a

31、例如，承载110安培的导线在约0.1米处会产生2.2高斯的磁场。此外，当电流被脉冲开启或关闭时产生的磁场产生更大的磁场，该磁场由法拉第定律描述，该定律指出感应电流与磁场的变化率成比例。当使用单层元件时，产生的感应电流和磁场会迫使电流在特定区域流动，从而集中热量并导致元件劣化。在非屏蔽区域中的上面进一步描述的单层元件上测量0-40高斯范围内的磁场。

32、将平面加热元件放置在加热腔内并确保加热器正确连接到电气和张紧系统可能是困难的。在快速服务或免下车餐馆中使用的情况下，快速更换元件是必要的。在某些情况下，元件可能无法正确锁定，并可能在使用期间发生的正常膨胀和收缩过程中滑落。此外，如果没有在电连接端部施加适当的力，高电流可能会电弧放电并增加连接处的温度，最终导致氧化和热降解，包括熔化。

33、因此，下述发明的主要目的是提供一种平面加热器元件，其可以用在高速烤箱中，可以在超过1500瓦下工作，并且可以以5秒开启5秒关闭的速率循环空气和关闭，寿命大于15000个循环。

34、以下发明的另一目的是，上述加热器元件可以根据共同未决的‘805pct申请(其指定美国)的描述来制造，因此不需要单独的焊接步骤来制造。

35、本发明的另一目的是，加热元件可用于安全的高速烤箱，并可在0-48v的低电压下工作，且具有小于2欧姆的低电阻，从而对于5”×8.5”尺寸的元件来说输送至少1500w。

36、本发明的另一目的是，加热元件能够实现至少每秒100℃的升温速率。

37、以下发明的另一目的是，提供der小于2欧姆/平方米的加热器元件。

38、以下发明的另一目的是，提供的加热元件易于配准且放置在烤箱或保持器内，并且在使用过程中被适当张紧。

技术实现思路

1、本教导提供了新型双平面加热器元件的实施例及其特征，其提供了各种益处。本发明提供了一种双平面加热元件，其可以用在高速烤箱中，并且可以在超过1500瓦下工作，并且可以以5秒开启5秒关闭的速率循环开启和关闭，寿命大于15000个循环。本文描述的一个元件已经在2500瓦下循环超过74000次。加热器由两个相似的元件重叠而成，形成共同的电流通路。每个元件在工作期间在另一个元件中感应磁场，使得电涡流和通常存在于单个层中的电流集中在整个元件中更均匀地移动，从而增加元件的寿命。该元件还能够由单件片金属制造，该单件片金属可以根据‘805pct申请(其指定美国)的描述制成，因此不需要单独的焊接步骤来制造。高瓦数加热器还能够在0-48v的低电压下在高速烤箱内安全操作，并且具有小于2欧姆的低电阻，以便在低电压下为5”×8.5”尺寸的元件输送至少1500w。该元件由足够薄的材料形成，该材料能够被供电并实现每秒至少100℃的升温速率，并且能够循环开启和关闭以获得最佳烹饪制法。因此，本发明提供了一种加热器元件，其具有小于2欧姆/平方米的der，如由美国专利#8498526b2“丝网热辐射和在辐射烤箱中的使用”进一步限定。在一些实施例中，双平面加热器元件具有厚度和密度增加的端部，以便提供更多的材料用作初级导体，如在共同未决的美国专利申请“用于高速烤箱的台阶式加热元件”中进一步描述。在优选实施例中，使用蚀刻过程(比如edm或化学蚀刻)形成元件，该蚀刻过程在元件中产生两个或更多个不同的厚度，以降低集成初级导体区域处的网的电阻，然后自身折叠以产生两个加热层。该制造过程还使得元件能够形成为具有准相同的段，这允许在次级导体内容易张紧和配准，并在较高电压下使用。该制造过程还允许形成首尾相连的元件卷，从而由单个原始片形成连续元件，该单个原始片在使用时可以形成双层加热元件。附加涂层可以在制造过程中施加到元件上，这可以以连续自动化的方式完成。

2、应该理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步解释。