由导电性装填树脂基材料制成的低成本加热装置 【技术领域】
本发明涉及加热装置，以及特别是涉及由导电性装填树脂基材料塑模成型的加热装置，该材料包括微米导电性粉末、微米导电性纤维、或上述两者的结合，当塑模成型时，上述材料在基础树脂内均匀混合。该制造过程得到导电性部分或可在EMF或电子光谱内使用的材料。
本专利申请要求申请日为2003年4月10日的美国临时专利申请60/461,877和申请日为2003年6月16日的美国临时专利申请60/478,774的优先权。在此一并引用其全文作为参考。
本专利申请是序列号为10/309,429，申请日为2002年12月4日的美国专利申请INT01-002CIP的部分继续申请，在此也一并引用其全文作为参考，上述序列号为10/309,429的美国专利申请也是序列号为10/075,778、申请日为2002年2月14日、案卷(docket)号为INT01-002的美国专利申请的部分继续申请，该序列号为10/075,778的美国专利申请要求了序列号为60/317,808，申请日为2001年9月7日，序列号为60/269,414，申请日为2001年2月16日，和序列号为60/317,808，申请日为2001年2月15日的美国临时专利申请的优先权。
背景技术
从一般的厨房应用到高端地科学应用的温度控制装置，在应用中普遍使用电阻加热元件。大部分加热元件为高电阻金属电线，例如镍-铬(镍铬铁合金)或钨，设计成提供用于加热所需求的必要电阻。该加热元件的电阻由电线的电阻率、横截面积和长度决定。加热元件产生的热量由通过该加热元件的电流决定。一般而言，加热元件还包括作为电绝缘和热导体的外层材料。
电阻加热元件产生的热量通过传导、对流和/或辐射传递到受热物体。传导热传递依赖于加热元件和受热物体之间的直接接触，例如，从电炉到金属锅的热传递基本上通过传导传递。对流热传递依赖于流体流动来传递热量，例如，在沸水锅中烹饪鸡蛋依赖于水流的对流将热量通过水从金属锅传递到鸡蛋。锅底部的水过热导致其密度降低，从而锅底的水上升，这些上升的水将热能传递给浮在水中的鸡蛋。相反地，在锅顶部的水较冷且密度较大，因此，锅顶部的水会沉入锅底。从而在这锅水中形成了水流的对流。辐射热传递依赖于电磁能(例如光)将热量从加热元件传递到物体。例如，在电烤炉中烘烤的面包部分通过从发光的加热元件辐射的热量被加热。辐射加热也是太阳能量到达地球的方式。在实际应用中，发现这三种热传递方式相互影响并经常同时发生。
在各种加热系统中使用和应用的电阻加热元件优于例如基于燃烧的加热源。电加热元件不产生有害或令人窒息的烟雾。电加热元件通过电信号和进一步通过数字电路可以得到精确的控制。电加热元件能制成多种形状，其可以在最小的热量损失下对附近的物体产生非常集中的热量，其可以在不存在氧气的情况下产生热量，流体，即使是易燃的流体，也能通过合适地设计电阻加热元件来加热。
然而，本领域中当前使用的电阻加热元件具有一些缺点。金属基的元件，特别是镍铬铁合金和钨，质地较脆，因此不适合需要用可挠性加热元件来加热的应用。另外，在许多产品应用中内在的较大的热循环和这些材料的脆度将导致热疲劳。其它的金属元件，例如铜基元件，带来了更大的可挠性。然而，如果该应用需要电阻元件改变或弯曲位置，则该电阻元件将会因金属疲劳而损坏。金属基电阻加热元件一般形成为金属电线，这些元件价格昂贵，需求非常高的温度处理，并且形状受限。另外当发生破损时，该破损一般由上面所描述的疲劳所致，那么整个元件不能使用并必须更换。
下述是几个涉及导电性塑料的在先发明。授予McKaveney的美国专利4,197,218描述了导电性物品，该物品用包含分散有导电性的细碎粒状的铁合金、硅合金或混合物的非传导基质构成。授予Marks等的美国专利5,771,027描述了带有栅格的复合天线，该栅格包括导电体作为经纱织入的树脂增强织物，形成该天线的多层层合结构的一层。授予Solberg，Jr.等人的美国专利6,249,261描述了方位测定天线，该天线由导电聚合物复合材料构成，该聚合物复合材料取代传统的金属材料。授予Foulger的美国专利6,277,303描述了传导聚合物复合材料，该导电聚合物复合材料包括具有半晶质聚合物的次生相材料。该复合材料还包括分散在次生相材料中的导电性填充材料，该填充材料具有足够的量，该量等于或大于在次生相材料内产生持续的传导网络所需求的量。该复合材料也包括主相材料，该主相材料是聚合物，当该主相材料与次生相材料混合时将没有促进混相能力的静电相互作用。该主相材料具有分散在其中的次生相材料，该次生相材料的量等于或大于在主相材料中产生持续传导网络所需求的量。然后，该复合物形成具有差别共续相的半导性三元复合物。
授予Starz等人的美国专利6,558,746详细描述了一种用于制造导电性涂层的涂层合成物，包括一种或多种导电性颜料和有机粘结剂。该涂层合成物可选择地包括添加剂和助剂。这样获得的涂层具有特别优异的粘结性，抗机械影响性和抗溶剂，并且显示出了合适的导电性(表面电阻率)值。授予Ushijima的美国专利6,602,446提供了一种由导电填充物制成的导电胶与加热元件结合，适于用电磁感应产生热量。该导电胶与树脂混合。另外，比利时科特赖克市的NvBekaertsa制造金属纱线，针织金属织物，切断的金属纤维和片，和烧结多孔媒介。这种市售纤维具有从1μm至20μm的直径，以及可以是被切断成短纤片断或连续的长丝。2003年1月25日在www.bekaert.com中发现的产品描述中所示的金属为不锈钢、耐热合金、镍和镍合金、钛、铝、和铜。在Sbenaty撰写的“我要我的比萨饼变热！”这篇文章(《科学、技术、工程和数学教育杂志》，2000年1月-4月，第1卷，第1期)中，其中一个所设计的应用描述了用于家庭供应食物例如比萨饼的加热元件，该加热元件利用了由连接在整体铜总线线路之间的可挠性的导电性聚合物材料组成的材料。
在McCluskey等人撰写的“提供高导电性和可挠性的超微合成材料”这篇文章(《第三次关于电子制造技术中的粘接和涂层技术国际会议论文集》，1998年，282-286页)中，描述了一种由导电性银薄片超微粒子填充物制成的导电性聚合物的机械和电学性能。超微填充物的使用使得该材料在显著较低的微粒填充下获得与传统填充聚合物相同水平的导电性。该导电性聚合物兼具填充聚合物的高导电性和稳定性以及内在导电性聚合物的可挠性和低密度。该超微粒子金属填充物被测定具有在200nm和20μm之间的尺寸，以及当与非导电性聚合物基质混合时，具有10-1000hm-cm的电阻值。另外，McCluskey等人讨论了微粒尺寸为3μm-20μm的银相对于硅树脂重量比率为65-75％时，银填充硅树脂开始具有导电性。200nm的微粒的银相对于硅树脂重量比率为35-40％的情况下银填充硅树脂开始具有导电性。
【发明内容】
本发明主要目的在于提供有效的加热装置。
本发明的目的还在于提供一种形成加热装置的方法。
本发明的目的还在于提供一种由导电性装填树脂基材料塑模成型的加热装置。
本发明的目的还在于提供由导电性装填树脂基材料塑模成型的加热装置，该加热装置的性能可以基于在树脂基材料中掺杂的导电性材料进行选择。
本发明的目的还在于提供由导电性装填树脂基材料塑模成型的加热装置，该加热装置的性能可以基于选用的树脂基材料的性能进行选择。
本发明的目的还在于提供结合不同的材料形状从导电性装填树脂基材料制造加热装置的方法。
本发明的目的还在于提供带有导电性填充树脂基材料的加热元件的一系列的加热装置。
依照本发明的目的，得到了一种加热装置。该加热装置包括加热元件，该元件包括在基础树脂基质中包含导电性材料的导电性装填树脂基材料。第一终端连接于加热元件的第一端，第二终端连接于加热元件的第二端。
依照本发明的目的，也得到了一种加热装置。该加热装置包括加热元件，该元件包括在基础树脂基质中包含导电性材料的导电性装填树脂基材料，该导电性材料包括导电性粉末和导电性纤维的结合体。一电绝缘层包覆该加热元件。第一终端连接于加热元件的第一端，第二终端连接于加热元件的第二端。
依照本发明的目的，还得到了一种形成加热元件装置的方法。该方法包括提供在树脂基质中包含导电性材料的导电性装填树脂基材料，该导电性装填树脂基材料塑模成型为加热元件装置。
【附图说明】
形成的本发明的部分材料如下面附图所示：
图1a和1b图示本发明第一个优选实施例，示出了包括导电性装填树脂基材料的加热装置。
图2图示导电性装填树脂基材料的第一个优选实施例，其中该导电性材料包括粉末。
图3图示导电性装填树脂基材料的第二个优选实施例，其中该导电性材料包括微米导电性纤维。
图4图示导电性装填树脂基材料的第三个优选实施例，其中该导电性材料包括导电性粉末和微米导电性纤维。
图5a和5b图示第四个优选实施例，其中导电性织物类材料由导电性装填树脂基材料形成。
图6a和6b图示注入成型装置和挤出法成型装置的简化示意结构图，该装置可用于塑模成型导电性树脂基材料的导体电路。
图7图示本发明的第二个优选实施例，示出了螺旋形加热垫形式的导电性装填树脂基的加热装置。
图8a和8b图示本发明第三个优选实施例的的导电性装填树脂基的加热座位装置。
图9图示本发明第四个优选实施例，示出了导电性装填树脂基的加热窗户装置。
图10图示本发明第五个优选实施例，示出了导电性装填树脂基的加热镜子装置。
图11图示本发明第六个优选实施例，示出了导电性装填树脂基的辐射地板加热装置。
图12图示本发明第七个优选实施例，示出了导电性装填树脂基的加热带装置。
图13图示本发明第八个优选实施例，示出了导电性装填树脂基的筒形加热器装置。
图14图示本发明第九个优选实施例，示出了导电性装填树脂基的浸入式加热器装置。
图15图示本发明第十个优选实施例，示出了导电性装填树脂基的带散热片的带状加热器装置。
图16图示本发明第十一个优选实施例，示出了为电子设备提供热补偿的导电性装填树脂基的可挠性加热装置。
图17图示本发明第十二个优选实施例，示出了导电性装填树脂基的带或条加热装置。
图18图示本发明第十三个优选实施例，示出了导电性装填树脂基注入成型的加热管装置。
图19图示本发明第十四个优选实施例，示出了导电性装填树脂基的加热管装置。
图20至22图示本发明第十五个优选实施例，示出了导电性装填树脂基的管状加热装置，该装置用于热水加热器和加热毛巾架。
【具体实施方式】
本发明涉及由导电性装填树脂基材料塑模成型的加热装置，该材料包括微米导电性粉末，微米导电性纤维，或上述两者的结合，当塑模成型时在基础树脂内均匀混合。
本发明的导电性装填树脂基材料为装填导电性材料的基础树脂，这使得任何基础树脂成为导体而非绝缘体。该树脂为塑模成型部分提供结构完整性。该微米导电性纤维，微米导电性粉末或两者的结合，在塑模成型过程中在树脂内均匀混合，提供电力连接。
该导电性装填树脂基材料可以通过塑模成型，挤出法成型或同类方法来提供几乎任何所希望的形状或尺寸。塑模成型的导电性装填树脂基材料也可以进行切割、模压、或从注入成型或挤出层或棒料形成真空、覆盖塑模成型、层合、研磨或同类方法来提供所希望的形状和尺寸。利用导电性装填树脂基材料来制造的加热装置的导热或导电性能依赖于该导电性装填树脂基材料的成分，可以调整该装填或添加的参数以帮助得到希望的该材料的结构、电或其它物理性能。所选择的用于制造加热装置的材料利用塑模成型技术和或例如注入成型、覆盖塑模成型、热固树脂、冷浸、挤出法或同类的方法一起均匀混合。涉及2D、3D、4D和5D设计的性能，塑模成型和电学性能，包括物理和电学优点，可以在实际部分的塑模成型过程中，和在塑模成型部分或成型的材料内的导电性网络内的聚合物物理联结达到。
在加热装置的制造中，通过将这些材料成型为所希望的形状和尺寸，导电性装填树脂基材料的使用显著降低了材料的耗费，以及设计和制造过程容易控制紧公差。利用常规的成型方法例如注入成型、覆盖塑模成型、或挤出法成型或同类方法，该加热装置能制成任意形状和尺寸。当该导电性装填树脂基材料塑模成型时，电阻率的希望使用范围一般但不排它地制成大约每平方5至25ohms，但是通过改变掺杂参数和/或树脂选择可以得到其它值的电阻率。
该导电性装填树脂基材料包括微米导电性粉末，微米导电性纤维，或上述两者的任意结合，在塑模成型过程中，上述材料在基础树脂内混合均匀，易于生产出低成本，导电性，紧公差的制造部分或电路。该微米导电性粉末可以是碳、石墨、胺或同类物质，和/或金属粉末例如镍、铜、银、或镀金属物质或同类物质。碳或其它形式的粉末例如石墨等的使用能产生附加的低水平的电子交换，且当与微米导电性纤维联合使用时，能产生在纤维微米传导网络内的微米填充元件，从而产生更进一步的电子交换，也作为塑模成型设备的润滑剂。该微米导电性纤维可以是镀镍碳纤维、不锈钢纤维、铜纤维、银纤维、或同类纤维，或者是上述的组合物。该结构材料是任意的聚合树脂，在此举例的结构材料可以但不排他的有，摩洛哥，匹兹菲尔德市，GEPLASTICS生产的聚合树脂；摩洛哥，匹兹菲尔德市，GEPLASTICS生产的其它系列的塑料；，由其它制造商生产的其它系列的塑料；纽约，沃特福德，，GESILICONES生产的硅树脂；，或由其它制造商生产的其它可挠性树脂基橡胶复合物。
该装填了微米导电性粉末，微米导电性纤维，或上述两者的结合的树脂基结构材料，可以利用常规的塑模成型方法例如注入成型或覆盖塑模成型，或挤出法成型来产生所希望的形状和尺寸。该塑模成型的导电性装填树脂基材料也可以按所需通过模压、切割或碾压以形成产生所希望的形状形成要素的加热装置。在该装填的基础树脂内的添加的成分和与微米导体结合的方向效应能影响该加热装置的电学和结构性能，也能通过模具的设计、浇注系统和或挤出设计和或在塑模成型过程中得到精确控制。另外，可以选择该树脂基以获得所希望的热性能例如非常高的熔点或特定的导热性。
也可以用无规则或连续丝网状的微米不锈钢纤维或其它导电性纤维形成织物状材料来制造树脂基复合层。该丝网状的导电性纤维可以被层合或用同类方法联结到例如特弗珑、聚酯、或任何树脂基可挠性或固体材料，当其纤维含量、方向和形状被分别设计时，将产生非常高导电性的可挠的织物类材料。这样的织物类材料也可以与其它树脂材料例如橡胶或塑料一样，作为埋入人类服装内的加热装置而使用。当作为层合物或织物类材料的部分的网状导体而使用导电性纤维时，该纤维可以具有在大约3和12微米之间的直径，一般在大约8和12微米之间或大约10微米的范围内，长度可以无缝或重叠。
通过选择抗腐蚀和/或抗金属电解的微米导电性纤维和/或微米导电性粉末和基础树脂，本发明的导电性装填树脂基材料可以制成抗腐蚀和/或抗金属电解。例如，若抗腐蚀/抗电解基础树脂与不锈钢纤维和碳纤维/粉末相结合，就得到了一种抗腐蚀和/或金属电解导电性装填树脂基材料。本发明的其它附加的和重要的特征是，本发明的导电性装填树脂基材料可以制成具备阻燃性的材料，选择阻燃剂(FR)基础树脂材料使得最终产品显示阻燃性能。如上所述的性能在加热元件的应用中尤为重要。
本发明中，微米导电性纤维和/或微米导电性粉末和基础树脂的均匀混合也可以称为掺杂质。也就是说，均匀混合过程使得一般的非导电性基础树脂转变为导电性材料。该过程类似于半导体材料的掺杂质过程，例如硅，可以通过半导体装置领域公知的引入供体/受体离子技术转变为导电性材料。因此，本发明使用的术语掺杂质，表示通过将微米导电性纤维和/或微米导电性粉末均匀混合入基础树脂，使一般的非导电性基础树脂转变为导电性材料。
本发明一个附加的且重要的特征，即该塑模成型的导电性装填树脂基材料显示了优异的导热性能。因此，由该塑模成型的导电性装填树脂基材料所制造的加热装置能为应用提供更多的热交换能力。
参照附图1a和1b，为本发明的第一个优选实施例的图解，下面展示和讨论本发明的几个重要特征。现在参照图1a，图示根据本发明的导电性装填树脂基材料的电阻加热元件12，该加热元件12包括导电性装填树脂基材料的固体带16，该固体带与电源Vheat14连接。该导电性装填树脂基材料具有导电性。通过调整基础树脂中导电性材料的相关量或类型，可以容易地调整该材料的体电阻率。该加热元件12的电阻值等于该导电性装填树脂基材料的体电阻率乘以该元件的直线长度除以该元件的横截面积。基础树脂材料可以基于许多因素进行选择，例如机械强度、挠性、外观、抗腐蚀/电解性、阻燃性、化学性质、加工性质、透明度/不透明度、成本等，以及应用中对热量的要求。例如，当选择应用用于给定的加热元件的材料时，必须考虑塑模成型的树脂基材料的玻璃态温度或最大操作温度。根据本发明，可以使用耐高温的基础树脂材料，例如那些能耐1000℃的操作的材料，来获得导电性装填树脂基材料的非常高温度的电阻元件。
在这个例子中，元件12为U形，从而电流Iheat从电源Vheat14流经顶部引线/终端并流经底部引线/终端返回。当电流Iheat传导时，依据I2R，元件12产生热量。由于该导电性装填树脂基材料优异的导热性能，该I2R的热能传导至该元件的外表面。于是依赖于放入元件12的应用和环境条件，这些热能可以通过传导、对流或辐射从元件12中转移。在该例子中，元件12使用直流电(DC)，然而，当元件12由有效的供电线供能例如在住宅中或工业安装时，也可以容易地使用交流电(AC)。
图1a中横截面图示在基础树脂中的导电性纤维和/或粉末的网络的晶格结构16，导电性纤维和/或粉末网络16也代表元件12的表面，但为了容易图示，未在顶视图中示出。图1a所示的本发明的加热元件12没有外绝缘层，也就是说，元件12表面的物体或流体会与导电性材料直接接触并成为电回路的一部分在大多数情况下，并不希望如此。因此，电绝缘材料18和20可以形成于导电性装填树脂基材料16之上，即在第二横截面17中，该电绝缘材料18和20可以包括具有大的导热性或具有小的导热性材料。在热辐射的情况下，该断绝缘材料18和20可以包括选用为在特定波长下具有高电磁能传递系数的材料。可选择地，若该加热元件12作为暖垫时，那么有利于用导热性材料形成顶侧电绝缘体20，这样元件12产生的热量传导至坐在垫子上的物体。在这种情况下，底侧电绝缘体18可包括既具备电绝缘又具备热绝缘的材料，这样元件12产生的热量不会在向下的方向上损失。可选择地，顶侧和底侧的电绝缘层20和18可以包括相同的材料。
电绝缘材料18和20包括但并不限于高温树脂基材料、金属氧化物、聚碳酸酯材料、陶瓷、和云母。电绝缘材料18和20可以通过浸渍法、喷涂、涂层、电镀、覆盖塑模成型、挤出法、应用粘结剂、和同类方法来应用。在第二横截面17中，电绝缘材料18和20仅覆盖元件12每个引线的水平表面。可选择地，可以通过如第三横截面19所示的电绝缘层22覆盖该导电性装填树脂基加热元件16的整个表面区域。在加热元件12的引线之间，该层可以有或没有桥接间隔13。若该电绝缘层22有桥接间隔13，则该电绝缘层22能增大该加热元件12的机械强度和热表面面积。
如另一个可选择的特征，如第四和第五横截面21和23所示，可以在导电性装填树脂基材料表面上形成金属层24。在该第四横截面21中，金属层24直接形成于导电性装填树脂基材料16之上。在第五横截面23中，电绝缘层25首先形成于导电性装填树脂基材料之上，再形成金属层27。附加到加热元件12的金属层24或27改变了得到的复合结构的电、热、视觉和表面特征。若该金属层24直接形成于该导电性装填树脂基材料16之上，则金属层24可以通过电镀或涂层形成。若形成方法为金属电镀，则该导电性装填树脂基材料24的树脂基结构材料应该是可以金属电镀的。可用金属层电镀非常多的聚合物树脂，例如，GEPlastics，SUPEC，VALOX，ULTEM，CYCOLAC，UGIKRAL，STYRON，CYCOLOY是一些可以用金属电镀的树脂基材料。金属层24可以通过例如电镀或物理蒸镀来形成。类似地，若树脂基材料用作第五横截面23的电绝缘材料25，则树脂基材料25优选为如上所述可金属电镀的。未示出的另外的可选择实施例包括多个绝缘层，在导电性装填树脂基材料16或电绝缘层18、20、22和25中埋入导体和/或其它结构，和/或在导电性装填树脂基元件12内埋入电绝缘层。
现在参照图7，为本发明第二个优选实施例100的图解。根据本发明，电阻加热元件100由导电性装填树脂基材料形成，元件100具有带外终端105和内终端106的螺旋形，这种布置特别利于形成通过传导、对流或辐射传递热量的大的平坦表面区域。如横截面所示，导电性装填树脂基加热元件104优选为包入电绝缘材料108和112中，例如，导电性装填树脂基材料的螺旋形式样可以覆盖塑模成型在电绝缘底层108之上，然后，电绝缘层112薄膜可以通过喷涂、浸渍或同类方法形成于螺旋形式样104之上。该顶部绝缘层112提供了一个非导电性的工作表面，从而当热量从元件110传导至任何与表面112向接触的物体时，该顶部绝缘层112防止了电击。
该螺旋形元件100显示了非常快速的加热性能，并且特别利于诸如电热板和电炉灶口(cooktops)的应用。通过在导电性装填树脂基材料104和可挠性树脂基绝缘体108和112中选择可挠性基础树脂，该螺旋形元件100可以形成为可挠性材料。在这种情况下，该螺旋形元件100会弯曲，因此特别有利于应用其来直接接触非平面的表面。该螺旋形元件100通过粘合或其它机械保持方法施加于物体，这样非水平应用成为可能。例如，该螺旋形元件100可以用于计算机显示器或其它在航空应用中非常低的温度下操作的电设备。该螺旋形元件100可以在车辆应用中用于镜子的背面以除霜和除雾，或在浴室/指示器应用中防止蒸汽。螺旋形式样导电性装填树脂基加热元件100保持在本发明的精神之内可以有多种改变方式。虽然图示了正方形的式样，但是可以使用包括圆形、椭圆形、多边形、三维的周边以及类似的任意形状。
现在参照图8a，为本发明第三个优选实施例120的图解。在这种情况下，图示了加热座位120。根据本发明，电阻加热元件124和130埋入椅子或座位系统120中，较低的加热器124埋入座位系统120的较低部位121中，背部加热器130埋入座位系统120的背部123中。可选择地，仅使用较低的加热器124或背部加热器130，或配置单一的加热元件，该元件延伸穿过较低部位121和背部123。根据本发明，加热元件124和130包括导电性装填树脂基材料。该元件124和130可以是如图7所示的螺旋形式样，或使用如图8a所示的交替式样。可选择地，可以使用如图8b所示的不带线条或引线式样的均匀垫。加热元件124和130如上所述被电绝缘。
通过从导电装填树脂基材料来构建加热元件，在材料中的微米导电性纤维和/或粉末的网络中存在许多电流通路，因此，该加热元件124和130在机械和电疲劳方面具有高可靠性。通过与使用线圈或镍铬铁合金线的常规加热座位的比较发现，较低座位和座位背部不断的挠曲导致了镍铬铁合金元件的机械疲劳，并导致破损。由于这些在先技术基于单一电线，因此任何的破损都会导致形成开路和使加热器停止操作。本发明的加热元件124和130固有地提供了许多电流通路，从而提高了可靠性。即使是其部分断裂，上述元件仍然会持续工作。另外，该基础树脂的可挠性吸收了因使用者的运动而致的挠曲能量，从而提高了可靠性。
每个元件124和130都连接到一对供应能量的电线126和128或132和134。未示出的感应温度和控制温度的装置和回路，可用来为座位使用者提供舒适的加热。这类的座位加热装置尤其利于在寒冷的冬季为只能接受较低环流的长途驾驶的车辆应用。另外，热的座位利于空中旅行，办公室应用，周末旅游汽车，医院的床，和家具。
现在参照图8b，为座位加热元件另一个实施例139的图解。在这种情况下，该座位/背部加热元件139被分成顶部140和底部141，根据本发明，顶部和底部140和141都包括导电性装填树脂基材料。中间绝缘层142将顶部140和底部141电绝缘，这样，该电连接145和146能制成加热元件139的单一端。顶部和底部140和141通过导电性短纤维，导电性电线，或导电性纱线143在相对端电连接。
现在参照图9，为本发明第四个优选实施例150的图解，图示了加热窗户150。如在加热的镜子的情况下一样，窗户被加热以防止雾、蒸汽、或结冰。然而，与镜子不同的是，必须配置窗户的加热方法以避免干扰光线从窗户的传输。先前的提供加热窗户的尝试为使用例如在粘贴于窗户上的透明的薄膜中的非常细的金属电线的供电回路、或栅格，或者将透明的导电性氧化铟锡(ITO)薄膜应用于窗户上。在本发明中，将导电性装填树脂基材料156首先与透明面板152直接相连，或在这种情况下层合在两块窗面板(玻璃)152和154之间。导电性装填树脂基材料156的基础树脂包括透明的材料，微米导电性纤维和/或粉末为不透明的。然而，在该基础树脂中均匀混合的小尺寸微米导电性纤维和/或粉末结合细选的掺杂密度，使得视线充分无障碍地穿过该导电性装填树脂基面板156。该面板元件156在相对的端部158和160处电连接，并且可以连接到车辆用蓄电池电源或AC电源。为了容易制造，该加热元件156挤成薄片。这种窗户加热装置156有利于在包括信息显示、军用车辆、海军飞行甲板设备、重型设备的控制面板和农用设备、潜望镜、和离岸演练平台的范围内的应用。
现在参照图10，为本发明第五个优选实施例170的图解，图示了加热的镜子170。该加热镜子170包括具有导电性装填树脂基加热元件174的镜子组件170，该元件与反射板172的背侧相接触。如在横截面中所示，反射板172和加热元件174在镜子外罩176内塑模成型。加热元件可以容易地注入成型为所需要的确切的尺寸和形状。电线178和180将加热元件174连接到电源，未示出。通过选择塑模成型的绝缘塑料和镜面(玻璃)加热元件174不需要绝缘层。显示了一种后视镜170，例如通常安装在机动车上。然而，本发明也有效地用于外部的车辆镜子。另外，该导电性装填树脂基加热元件可以应用于浴室/指示器镜子的背侧，以防止成雾或蒸汽。
现在参照图11，为本发明第六个优选实施例的图解。根据本发明，在这个实施例中形成了辐射地板加热器200，相对于安装在许多家庭中的一般的加压空气加热系统，辐射地板加热系统提供了一些独特的优点。通过为地板供暖，提高了房间内尤其是花砖地面浴室内的感知温度，另外，也实现了房间的均匀加热，最后，由于该系统并不依赖空气运动(对流)来加热房间/房子，从而也消除了空气污染和过滤的问题。一般的辐射地板加热系统使用金属电线回路作为加热元件。根据本发明，加热元件208的优选实施例包括导电性装填树脂基材料。可以通过例如挤出成型导电性装填树脂基材料薄片，并将回路结构模压在该片上，来形成具有连续回路结构200的加热元件208。
导电性材料的加热元件208由电绝缘材料222所包围。加热元件200铺在地板表面204上，例如混凝土地板或覆盖木地板的混凝土基水平材料。可以将可选择的网206连接到加热元件200以提供机械稳定性和增强涂覆的泥浆210。涂覆的泥浆或砂浆从加热元件200溢出和可选择的网以产生用于安放瓷砖212的地基。本发明的这种地板加热元件200尤其利于住宅的浴室和墙角。
现在参照图12，为本发明第七个优选实施例的图解，根据本发明，在这个实施例中，加热带230由导电性装填树脂基材料形成。加热带230用于为流体管道236提供局部加热以防止冻结。冷水管道236一般应用在住宅供电线或水管等通过的槽隙或车库中。一般的加热带由嵌入橡胶的金属电线形成。根据本发明，加热带230优选的实施例包括导电性装填树脂基加热元件232和234，和终端带238。终端带238与电源线相对地在带230的端部与加热元件232和234相连，另外，加热元件232和234由外部绝缘体239电绝缘。加热元件232和234由可挠性基础树脂形成。绝缘层239也由可挠性树脂形成。一种典型的制造过程为，首先通过挤出法形成导电性装填树脂基加热元件232和234，然后将绝缘层239挤出覆盖该加热元件232和234。
现在参照图13，为本发明第八个优选实施例的图解，根据本发明，利用导电性装填树脂基加热元件形成筒形加热器装置250。在本领域中，筒形加热器装置用于为需要封闭热控制的受限工作区域提供局部加热。许多商业和工业的应用，例如压缩机曲轴箱加热、复印机、模具、食品加工、塑料铸模、蜡罐，以及同类应用，都使用了筒形加热器。一般的筒形加热器利用绝缘的镍铬铁合金电线作为加热元件，并将该已缠绕的元件包入密封的金属外壳中。根据本发明，筒形加热器装置250的优选实施例如带有绝缘层中心260和外绝缘层262的导电性装填树脂基加热元件252a和252b所示。在典型的筒形加热器装置中，加热元件252可以环绕中心绝缘体260注入成型。金属电线256和258将该筒形加热器装置与电源相连，未示出。该加热元件为U形，使得顶部元件引线252a和底部元件引线252b相对于电线接头256和258在端部相连。若有需要，可以选择性地将金属层(未示出)电镀于筒形加热器装置250的外侧以改变热性能。
现在参照图14，为本发明第九个优选实施例的图解，图示了一种浸入式加热器装置270。浸入式加热器装置用于加热流体，浸入式加热器通常安装入贮水池，为贮水池内的流体提供精确的加热控制。一般的浸入式加热器利用密封地密封入金属管的绝缘的镍铬铁合金加热电线来形成。根据本发明，浸入式加热器装置270的优选实施例如密封于电绝缘且不透液的树脂基罩278中的导电性装填树脂基电阻元件276所示。在这个实施例中，电源终端在管螺纹终端271处相连。一条电线与电阻元件276的终端271相连，而另一条电线与穿过电阻元件276的绝缘的导体272和274相连。在与螺纹终端271相对的一端，嵌入绝缘树脂基材料280的金属节流阀端盖(三通阀)282用于将中心导体272连接到导电性装填树脂基材料276以完成加热器回路。利用这项技术，该电阻加热元件截面，如在横截面中所示，可以通过挤出法成型为任意长度来形成，然后切割形成浸入式加热器270的特定尺寸。
现在参照图15，为本发明第十个优选实施例的图解，示出了一种带散热片的带状加热器装置300。带散热片的带状加热器装置用于在烘箱和储物库中加热空气。一般的带散热片的带状加热器利用密封入金属外罩的绝缘的镍铬铁合金加热电线，并使用金属散热片将热量传递给空气。根据本发明，带散热片的带状加热器装置300的优选实施例如密封入电绝缘层310的导电性装填树脂基电阻元件304所示。电阻元件304为导电性装填树脂基材料的单一带，该材料从嵌入终端314延伸到另一个嵌入终端316。外罩308从内部的电阻元件304电隔离，然而，元件304产生的热量易于传递到外罩308，在此，热量通过散热片318的大的表面区域传递到空气中。每片散热片320由间隔322分隔开。附加的散热片可以形成于外罩308的底侧，外罩308可以包括冲压金属，然而，作为一个可选择的特征，根据本发明，外罩308可以包括导电性装填树脂基材料，这种材料显示了优异的导热性能。形成带散热片的带状加热器装置300的优选方法为将绝缘层310覆盖塑模成型至注入成型的电阻元件304之上，然后，将外罩308覆盖塑模成型至绝缘体-电阻元件配件304和310之上。
现在参照图16，为本发明第十一个优选实施例的图解，示出了一种可挠性加热装置330。可挠性加热装置可用于提供局部加热不同形状和尺寸物体的多种应用，可挠性加热装置用于，例如在超低温环境如航空中为电子部件保持适当的操作温度。一般可挠性加热装置包括包入绝缘体的蚀刻金属薄片。根据本发明，可挠性加热装置330的优选实施例如形成交织回路的导电性装填树脂基电阻加热元件332所示。电线336和338被包入加热元件332的终端内以提供电源，以及电阻加热元件332被包入电绝缘层334中。优选地，电绝缘层334包括树脂基材料，更优选地，包括与电阻元件332的基础树脂相同的材料。可挠性加热装置330与被加热的物体密切相连，在这种情况下，形成完整的回路装置342和340。可以使用粘合剂以保证加热装置330和物体342之间持续连接。可挠性加热装置330可以通过例如将均匀混合的导电性装填树脂基材料的电阻元件332注入成型，并在其上覆盖塑模成型或涂覆绝缘层334来形成。
现在参照图17，为本发明第十二个优选实施例的图解，示出了一种带形或条加热装置。条加热装置350用于提供承压管354的流体的局部加热以防止结冰或在多种应用中控制流体360的粘性。一般的条加热器包括绕管缠绕的包入金属环中的绝缘的镍铬铁合金电线。根据本发明，条加热装置350的优选实施例如包入条电绝缘材料353和362的导电性装填树脂基电阻加热元件352所示。终端电线356和358在其周围的每个端部处被包入电阻加热元件352中以提供电源。条加热器装置350可以通过例如将均匀混合的导电性装填树脂基材料注入成型来形成。然后通过浸渍或涂覆，形成绝缘层353和362，也可以是单一层。如另一个优选实施例，通过选择用作导电性装填树脂基材料的可挠性基础树脂和用作绝缘层353和362的可挠性树脂基材料，该条加热装置可以制成充分的挠性以允许搭锁(“snap-on”)扣住。
现在参照图18，为本发明第十三个优选实施例的图解，示出了一种注入成型的加热管装置370。加热管装置用于由管子或管道传输的流体，以防止结冰或在多种应用中控制流体378的粘性。根据本发明，注入成型的加热管装置370的优选实施例如包入电绝缘材料外壳372的导电性装填树脂基电阻加热元件374所示。该装置370优选通过首先塑模成型导电性装填树脂基加热元件374，然后在树脂基材料外覆盖塑模成型外壳372来形成。电终端376被嵌入电阻元件374中来为该元件提供电源。
现在参照图19，为根据本发明第十四个优选实施例的图解，示出了一种加热管装置400。管加热装置用于加热在管子或管道内传输的液体，以防止结冰或在多种应用中控制流体414的粘性。一般的管加热器包括包入橡胶管内的金属电线加热元件。管加热装置400的优选实施例包括传输管，例如能传输流体414的橡胶管401，导电性装填树脂基加热元件402包围该传输管401。电绝缘层409包围该加热元件402以提供电隔离。
在最简单的形状中，加热元件可以通过暴露导电性装填树脂基材料402，在其长度方向的每个端部简单地接触，然后进行机械箝位或销连接。接着由电源供应的电流流过该加热管400的长度，未示出。为了促进完成回路，也可以将绝缘的电线416嵌入导电性装填树脂基材料402中，这种电线416利用如图所示的箝位/接合机构410和412促进回路的完成。在这个实施例中，箝位/接合机构410和412包括金属接合器412，该接合器穿过绝缘的电线416，并被嵌入电阻元件402中，从而在一端将电线416和电阻元件402相连。在相对端，箝位/接合机构410和412仅用于接通电阻元件402。优选地，导电性装填树脂基材料402和绝缘层409的基础树脂均包括可挠性材料。可选择地，传输软管401可以包括与导电性装填树脂基材料402的基础树脂相同的材料。该实施例的加热管装置400可以通过例如在传输软管401挤出法成型处共挤出成型，然后将传输软管401和绝缘的电线416牵引过电阻元件402挤压机。
现在参照图20至22，为本发明第十五个优选实施例的图解，示出了管状加热装置。管状加热装置在如热水加热器、厨房加热垫、烘箱，和同类的应用中用于加热流体和其它材料。一般的管状加热器包括密封入金属管内的绝缘的金属电线加热元件。现在尤其参照图20，示出了根据本发明的管状加热装置450的优选实施例。管状加热装置450包括由电绝缘层454包围的导电性装填树脂基中心452，该管状加热装置450形成将应用的回路形状，例如，应用于食物或水的加热装置中。接触终端456为管状加热装置450中的电阻元件452的每一端提供电连接。该管状加热装置可以通过例如挤出法成型可挠性导电性装填树脂基元件452，切割并成形该挤出的元件，然后用绝缘层454涂覆该元件。可选择地，管状加热元件452可以通过注入成型来形成。尤其参照图21，示出带有导电性装填树脂基材料的上部和下部管状加热元件464和468热水加热器装置460。
现在尤其参照图22，根据本发明，该管状加热装置应用于加热毛巾架480。毛巾杆483由导电性装填树脂基加热元件482形成，加热元件482再次由电绝缘层484所包覆。另外，外层金属层486可以涂覆或镀金于绝缘层484之上，以获得金属外观。每个加热杆483被保持支架488所固定，该杆483由电线487连接到控制单元489，该控制单元调节流经杆483的电流以控制温度。管状加热杆483可以通过例如挤出法形成。
在此描述的导电性装填树脂基材料一般包括导体粒子的微米粉末和/或与在基础树脂基质内均匀混合的微米纤维结合。图2示出了导电性装填树脂基材料32的一个例子的横截面视图，在该导电性装填树脂基材料32的基础树脂基质30中具有导体粒子粉末34。在这个例子中粉末状的导体粒子34的直径D为大约3和12微米之间。
图3显示导电性装填树脂基材料36的一个例子的横截面视图，在该导电性装填树脂基材料36的基础树脂基质30中具有导体纤维38。导体纤维38具有大约在3和12微米之间的直径，一般在10微米的范围，或者在大约8和12微米之间，以及长度在2和14毫米之间。用作这些导体粒子34或导体纤维38的导体可以是不锈钢、镍、铜、银，或其它合适的金属或导电性纤维，或以上的结合。这些导体粒子和或纤维在基础树脂内均匀混合。正如上面所提到的，该导电性装填树脂基材料具有大约在5和25ohm之间的电阻值，可以通过改变掺杂质的参数和/或树脂的选择来获得其它的电阻值。为获得这个电阻值，导体材料的重量比例，在该例子中，导体粒子34或导体纤维38相对于基础树脂基质30的重量在大约0.20和0.40之间，以及优选为大约0.30。相对于基础树脂的重量比例为0.30的8-11微米直径，4-6mm长度的不锈钢纤维能产生非常高的在任何EMF光谱内有效的传导参数。现在参照图4，图示本发明另一个优选实施例，其中导电性材料包括导电性粉末34和微米导电性纤维38的结合，其在塑模成型过程中在树脂基础30内均匀混合在一起。
现在参照图5a和5b，图示该导电性装填树脂基材料的优选组合。该导电性装填树脂基材料可以形成为纤维或织物，然后上述纤维或织物纺织或成网为导电性织物。该导电性装填树脂基材料形成为如图所示的可纺织的纱线。图5a图示导电性织物42，其中纤维在纤维或纺织品的二维编织46和50中织在一起。图5b图示导电性织物42′，其中，该纤维形成为网状排列。在该网状排列中，导电性织物的一根或多根连续的纱线嵌套为任意的形式。最终的导电性织物或纺织品42，见图5a，和42′，见图5b，可以制成很薄、厚、硬、可挠性或固体形式。
类似地，导电性但布样的材料可以利用纺织或成网微米不锈钢纤维或其它的微米导电性纤维来形成。这些纺织或成网的导电性织物也可以夹层层合于一或多层的材料例如聚乙烯、特弗珑、凯弗拉或任何其它希望的树脂基材料。然后这种导电性织物可以切割成希望的形状和尺寸。
由导电性装填树脂基材料形成的加热装置可以用多种方法成形或塑模成型，包括注入法成型、挤出法或化学诱导成型或成形。图6a表示注入法成型的简化示意图，显示了模具50的较低部位54和上部部位58。导电性装填混合树脂基材料通过注入开口60注入模具空腔64，然后通过热反应固化均匀混合的导电性材料，然后分离或分开该模具的上部部位58和较低的部位54，并移出该加热装置。
图6b表示利用挤出法形成加热装置的挤出机70的简化示意图。导电性装填树脂基材料放置于挤出单元74的给料斗80中，然后一活塞、螺杆、压力机或其它的部件78通过挤出开口82挤压出热熔的或化学诱导处理的导电性装填树脂基材料，使该经热熔处理或化学诱导处理的导电性装填树脂基材料成形为希望的形状。然后通过化学反应或热反应充分固化，使该导电性装填树脂基材料充分变硬或成柔韧状态以备用。
现在概述本发明的一些优点。得到了有效的加热装置，得到了形成加热装置的方法。该加热装置由导电性装填树脂基材料塑模成型。由导电性装填树脂基材料成型的加热装置的性能可以基于在树脂基材料中掺杂的导电性材料来选择。由导电性装填树脂基材料塑模成型的加热装置的性能可以基于所选择的树脂基材料的性能来选择。从导电性装填树脂基材料制造加热装置的方法因不同的材料形状而异。得到了带导电性装填树脂基材料的加热元件的一系列的加热装置。
如在优选实施例中所示，本发明的新方法和装置相对于先前技术提供了有效和可制造的选择。
然而，本发明参照其优选实施例进行了特定的图示和描述，本领域技术人员可以知道，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以改变形式和细节。