CN1086034C - 散页片材料的加热装置 - Google Patents
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Abstract
一种加热装置包括：一个由耐热绝缘材料制成的基片，一个在基片上形成的热电阻，和一个在基片上形成的保护玻璃覆盖层，以覆盖热电阻。所述保护玻璃覆盖层由含有3-40wt%的作为添加剂的铝氧粉玻璃材料制成，该铝氧粉平均粒径为0.5～2.0μm。
Description
本发明涉及一种加热装置，该装置用来在复印机中定影静电沉积在纸上的调色剂，或用于胶片层压机加热塑料胶片。
用于上述用途的加热装置曾在特许公开2-59356的日本专利申请或特许公开2-65086的日本专利申请中公开过。该种加热装置包括一在基片上成型的带状热电阻，该基片由耐热绝缘材料如陶瓷制成，以及一在基片上成型的保护玻璃覆盖层以覆盖住热电阻层。保护玻璃覆盖层常设计为可承受在热电阻处产生的热量以达到电绝缘，并且可防止热电阻由于与散页片材料直接接触而被磨损。
在这种加热装置中，保证有足够的电绝缘性是必要的，因为加热散页片材料需要有相当强的电流通过热电阻层以产生热量。但是，用于保护玻璃覆盖层的普通玻璃材料一般只具有每1μm厚度约14～15伏的绝缘强度。这样，为了保证有足够的电绝缘性，必须把保护玻璃覆盖层做得相当厚。结果，在普通加热器中，保护玻璃覆盖层的热容量变得很大，以致于保护玻璃覆盖层表面的热响应可能变差(温度缓慢增加)。为补偿这种热响应的变差，如果在热电阻处产生的热量增加，就存在由于低热量系数而浪费能源的问题。
由于上述问题，PCT公开号WO96/31089(对应于美国专利申请号08/732,351，于1996.3.25提交)公开了一种含有保护玻璃覆盖层的加热器，该保护玻璃覆盖层中含有比例为3～30wt％的铝氧粉填料。该铝氧粉填料的平均粒径低于5μm。与不含任何铝氧粉的保护玻璃覆盖层相比，铝氧粉作为填料的加入，使保护玻璃覆盖层每单位厚度的电绝缘强度增加了1倍。由此，保护玻璃覆盖层可减少相当多的厚度，以改进玻璃覆盖层的热响应(也即导热性)。
但是，实验发现即使加入的铝氧粉超过30wt％，保护玻璃覆盖层的电绝缘强度也不再增加。实际上，当加入的铝氧粉超过30wt％时，保护玻璃覆盖层的电绝缘强度开始降低。
本发明的发明人针对当加入的铝氧粉超过30wt％时，保护玻璃覆盖层的电绝缘强度降低的原因进行研究。结果发现电绝缘强度降低归因于玻璃覆盖层中封有泡沫，如图6所示，在图6中，字母A表示铝氧粉颗粒，而字母B表示泡沫。
具体讲，如果铝氧粉的含量增加到超过30wt％，玻璃材料的表观流化度会降低，因为铝氧粉的软化点比玻璃材料的软化点高，所以玻璃材料的低流化度阻止了气体的逸出。另外，当加入的铝氧粉粒径为5μm时，内部气体势必会滞留在铝氧粉颗粒的阴暗处。
而且，当加入的具有相对大粒径的铝氧粉量超过30wt％时，部分铝氧粉颗粒暴露在保护玻璃覆盖层的表面，如图6所示。结果，玻璃覆盖层表面变粗糙，不能与散页片材料顺利接触。
本发明的一个目的是提供一种加热装置，其中，即使保护玻璃覆盖层含有大量的铝氧粉，该保护玻璃覆盖层仍具有光滑表面，从且而还可提高该保护玻璃覆盖层的电绝缘强度。
本发明的另一个目的是提供一制造这种加热装置的常规方法。
根据本发明的一个方面，提供有一种加热装置，包括：一个由耐热绝缘材料制成的基片；一个在基片上的热电阻；和一个在基片上形成的保护玻璃覆盖层，以覆盖热电阻；其中保护玻璃覆盖层由含有3～40wt％的作为附加成分的铝氧粉的玻璃材料制成，该铝氧粉的平均粒径为0.5～2.0μm。
我们发现当铝氧粉的平均粒径减小到0.5～2.0μm时，玻璃覆盖层内部产生的气体在烘烤时即可逸出该玻璃覆盖层。这样，即使铝氧粉的含量增加到30wt％或更多，泡沫也不会滞留在玻璃覆盖层中，从而玻璃覆盖层的绝缘强度可相应提高。但是，如果铝氧粉的含量增加到高于40wt％，烘烤时玻璃材料的视流化度便会降低而阻止气体逸出，玻璃覆盖层的表面变粗糙。由此，玻璃材料中所含的铝氧粉比例最好应为30～40wt％。
另外，如果玻璃材料的软化点低至580～630℃会更有益处。为此，玻璃材料可包含PbO和B2O3，发现这两种元素均可使玻璃材料的软化点降低。在这方面，还发现PbO可提高保护玻璃覆盖层的线性膨胀系数，而B2O3则降低保护玻璃覆盖层的线性膨胀系数。这样，通过适当选择PbO和B2O3间的混合比，就可以调节保护玻璃覆盖层的线性膨胀系数，以使其与基片的线性膨胀系数一致，从而防止加热装置因玻璃覆盖层和基片间的热膨胀系数的差异而变形。
在一个最佳实施例中，热电阻为带状。并且基片是由在一端的第一端电极和与第一端电极相邻的第二端电极构成，带状热电阻从第一端电极延伸至基片的另一端，随后返回第二端电极并在此连接。
根据本发明的另一方面，提供一制造加热装置的方法，包括如下步骤：在由耐热绝缘材料制成的基片上形成一热电阻；在基片上形成一保护玻璃覆盖层，以覆盖热电阻；其中，保护玻璃覆盖层按下述步骤制成，将玻璃材料与3～40wt％的平均粒径为0.5～2.0μm的铝氧粉混合，制备玻璃涂料，在基片上印刷该玻璃涂料，烘烤印刷好的玻璃涂料。
另外，铝氧粉最好以30～40wt％的比例与玻璃材料混合。并且，由于含有如PbO和B2O3，玻璃材料的软化点有益地降低至580～630℃。而且，可调节PbO和B2O3的配合比，以使保护玻璃覆盖层的线性热膨胀系数为55×10-7～70×10-7/K。
本发明的其他特征与有益效果将通过参照附图对实施例的详细描述而显而易见。
图1是根据本发明一个实施例的加热装置的透视图。
图2是图1中沿II-II剖线的剖面图。
图3是加热装置中保护玻璃覆盖层内部结构的局部放大剖面图。
图4是制造加热装置步骤的流程图。
图5是类似于图1，但是显示进行电绝缘破坏实验方式的透视图。
图6是当铝氧粉的平均粒径增加时，保护玻璃覆盖层内部结构的局部放大剖视图。
下面将参照附图描述本发明的最佳实施例。
在图1和图2中，标号1通常表示本发明采用的加热装置。该加热装置1包括一细长的由耐热绝缘材料如氧化铝陶瓷制成的带状基片2。该基片2具有由带状电阻层3形成的表面，该电阻层3通过在厚膜上印刷一层银-钯(Ag-Pd)涂料或一层氧化钌涂料而制成。另外，在基片2的表面还形成有位于基片2一端的第一端电极4，和与第一端电极4相邻的第二端电极5。这两个端电极4，5均由导电涂料如银涂料制成。
带状热电阻层3从第一端电极4延伸至基片2的另一端，然后拐成“U”形，延伸至第二端电极5。基片2的表面还另外形成有保护玻璃覆盖层6以整个覆盖电阻层3。但是，第一和第二端电极4，5应露出，以便与外部电源(未示出)连接。
在使用中，未示出的外部电源在两个端电极4，5之间提供一预定电压，从而使电流流过带状热电阻层3以产生热量。使需加热的散页片材料(未示出)与保护玻璃覆盖层6接触，以对该散页片材料进行预热处理。例如，当使用加热装置1作为复印机的定影加热器时，送入一页纸，使其与保护玻璃覆盖层6相接触，从而沉积在纸上的调色剂即可定影。在加热过程中，安装在基片2上的温度传感器(未示出)监测着加热条件，以控制供给加热装置1的电源。
通常，保护玻璃覆盖层6需具有良好的电绝缘性，很高的表面光滑度和高导热性。良好的电绝缘性能是必要的，因为会有相对强的电流通过热电阻层3，以产生大量热量。很高的表面光滑度也是需要的，以使被加热的散页片材料可顺利送入，与玻璃覆盖层6相接触。高导热性也是必要的，以缩短预热时间，也就是说，可提高热敏度。
由于上述的通常要求，制备保护玻璃覆盖层6的玻璃材料要含有平均粒径为0.5～2.0μm的铝氧粉填料(α-Al2O3粉填料)。该玻璃材料中铝氧粉填料的比例为3～40wt％，最好为30～40wt％。因为氧化铝的熔点比玻璃的软化点高得多，所以保护玻璃覆盖层6中的铝氧粉填料可保持它的粉末状态，如图3所示。
应用于保护玻璃覆盖层6的玻璃材料最好具有580～630℃的软化点，此软化点比用于该保护玻璃覆盖层6中一般玻璃材料的软化点低。尤其是使用由低软化点玻璃如SiO2-PbO-B2O3玻璃制成的玻璃材料。
玻璃材料也可以含有其它玻璃成分如Al2O3或附加成分如色素。但是，作为玻璃成分的氧化铝(Al2O3)不应和铝氧粉填料相混淆。具体地说，在制造玻璃过程中，当加热到温度高于氧化铝熔点的温度时，作为玻璃成分的氧化铝混入熔融状态的玻璃结构中，而铝氧粉填料却还保持它的粉末状态，而没有混入玻璃结构。
保护玻璃覆盖层6可以由厚膜印刷方法制成(见图4)。具体地讲，将作为玻璃材料的玻璃原料在溶剂中与铝氧粉填料相混合，从而制备玻璃涂料，该玻璃涂料经漏模印刷法沉积基片2上约30～60μm厚，以覆盖热电阻3。然后，将基片2和沉积的玻璃涂料一起放入烘箱中，在810℃温度下烘烤。
在烘烤过程中，当玻璃材料(原料)流化时，沉积的玻璃涂料中的溶剂蒸发。此时，因为玻璃材料含有PbO和/或B2O3而使其软化点降低，所以玻璃材料的流化度相对升高。此外，因为作为填料而加入的铝氧粉具有相对小的平均粒径0.5～2.0μm，所以当允许溶剂蒸发而产生的气体逸出时，粉末颗粒可很容易被高度流化玻璃包覆。此外，还因为粉末颗粒小，它不可能局部露出流化玻璃的表面部分。结果，保护玻璃覆盖层6可具有强绝缘性，良好的导热性和很高的表面光滑度。
另外，因为加入的铝氧粉填料占有很高的30～40wt％比例，所以保护玻璃覆盖层6可制成单位厚度具有强绝缘性。并且，因为铝氧粉粒径相对较小，所以泡沫不会滞留在保护玻璃覆盖层6中，从而避免了因泡沫而导致绝缘性能降低。
另一方面，电绝缘性的提高又允许保护玻璃覆盖层6的厚度减小。这样，保护玻璃覆盖层6的导热性(也即热响应)可以相应提高。在这方面，作为粉末填料的氧化铝具有相对较高的导热性，所以铝添加氧粉填料本身也可提高保护玻璃覆盖层6的导热性。例如：通过将铝氧粉的比例提高到不少于30wt％，保护玻璃覆盖层6的导热性可提高到3.0×10-3～6.0×10-3cal/cm.s.K(约1.26×10-2～2.52×10-2J/cm.s.K)，相反一般保护玻璃覆盖层的玻璃材料所呈现的导热性为1.5×10-3～2.5×10-3cal/cm.s.K(约6.3×10-3～1.05×10-2J/cm.s.K)。
如前所述，由于玻璃材料含有PbO和/或B2O3而使其软化点降低。已发现的这些化合物与碱金属(如K，Na)或碱土金属(如Ca)相反，不具有结晶作用。这样，含有PbO和/或B2O3的保护玻璃覆盖层6可防止由于玻璃的结晶而造成的表面粗糙不平。
另外，还发现PbO可提高玻璃材料的线性膨胀系数，而B2O3可降低玻璃材料的线性膨胀系数。这样，通过适当选择PbO和B2O3的混合比，便可调节保护玻璃覆盖层6的线性膨胀系数，以使其与基片2的线性膨胀系数基本一致，从而防止加热装置1由于保护玻璃覆盖层6与基片2之间的热膨胀系数的差异而产生变形。
为了更好地理解本发明，下面给出本发明的具体实施例和比较实例。
〖实施例〗
在图1和图2示出的加热装置1中，保护玻璃覆盖层6通过在玻璃上涂覆并烘烤玻璃涂料而制成。该玻璃涂料是通过将铝氧粉填料加入到含有下表1所示组分的玻璃材料中而形成的。
表1
| 玻璃组分 | 比例(wt％) |
| B2O3 | 10 |
| PbO | 60 |
| SiO2 | 20 |
| Al2O3 | 10 |
表1中所示的玻璃材料在加入铝氧粉填料之前具有580℃的软化点。应该知道表1中列出的Al2O3是形成玻璃结构的玻璃成分之一。
铝氧粉填料是平均粒径为0.8～1.3μm的α-Al2O3粉末填料。α-Al2O3粉末添加的比例为35wt％。
通过漏模印刷法和在810℃温度下烘烤，制备玻璃涂料。得到的保护玻璃覆盖层6的厚度为45μm，线性膨胀系数为65×10-7/K，该线性膨胀系数与绝缘基片2的线性膨胀系数基本相同。另外保护玻璃覆盖层6具有0.6μm的表面粗糙度RZ，该表面粗糙度被认为足够光滑。
为了检测保护玻璃覆盖层6的电绝缘性能，在端电极4、5之一和保护玻璃覆盖层6的表面之间施加1.5KV的交流电压3秒钟，如图5所示。为了便于统计，在其它类似方法制成的加热装置上做同样的绝缘实验。结果发现只有2％的被检测产品的电绝缘性衰变。
〖比较实例〗
代替上述实施例中采用的玻璃涂料，通过将铝氧粉填料加入到含有下表2所示组分的玻璃材料中，制备玻璃涂料。
表2
| 玻璃组分 | 比例(wt％) |
| PbO | 50 |
| SiO2 | 22 |
| Al2O3 | 20 |
| MgO+CaO | 8 |
铝氧粉填料是具有平均粒径为5μm的α-Al2O3粉末。加入的α-Al2O3粉末比例为20wt％。
涂覆制备好的玻璃涂料，并在810℃温度下烘烤。结果保护玻璃覆盖层的厚度为45μm，线性膨胀系数为63×10-7/K。
为了检测保护玻璃覆盖层的电绝缘性能，用大量相似方法制成的产品进行如图5所示的相同测试。结果发现10％被测产品的绝缘性衰变。
尽管上文对本发明进行了描述，显然用许多方式可使本发明发生改变。例如，玻璃材料的具体组分可根据保护玻璃覆盖层的预期特征而选择。这种改变不应被认为脱离了本发明的构思和保护范围，并且所有这些本专业技术人员显而易见的改进都应包含在下述权利要求的保护范围中。
Claims (7)
1.一种加热装置，包括：
一个由耐热绝缘材料制成的基片；
一个在基片上形成的热电阻；和
一个在基片上形成的保护玻璃覆盖层，以覆盖热电阻；
其中所述保护玻璃覆盖层由含有30-40wt％的作为添加剂的铝氧粉的玻璃材料制成，铝氧粉的平均粒径为0.5～2.0μm；
其中所述玻璃材料具有580～630℃的软化点；以及
其中所述保护玻璃覆盖层的线性热膨胀系数与基片的线性热膨胀系数大致相同。
2.根据权利要求2所述的加热装置，其中所述玻璃材料包含PbO和B2O3。
3.根据权利要求1所述的加热装置，其中所述热电阻为带状。
4.根据权利要求3所述的加热装置，其中所述基片由在其一端的第一端电极和与第一端电极相邻第二端电极构成，带状热电阻从第一端电极延伸至基片的另一端，然后返回至第二端电极，以在此连接。
5.一种制造加热装置的方法，包括以下步骤：
在由耐热绝缘材料制成的基片上形成一热电阻；并且
在基片上形成一保护玻璃覆盖层，以覆盖热电阻；
其中所述保护玻璃覆盖层通过以下步骤制成：通过将玻璃材料与30～40wt％的具有平均粒径为0.5～2.0μm的铝氧粉混合的步骤制备成玻璃涂料，将玻璃涂料印刷在基片上，并且烘烤印刷好的玻璃涂料。
其中所述玻璃材料具有580～630℃的软化点；以及
其中所述保护玻璃覆盖层的线性热膨胀系数与基片的线性热膨胀系数大致相同。
6.根据权利要求6所述的方法，其中所述玻璃材料包含PbO和B2O3。
7.根据权利要求6所述的方法，其中调节所述玻璃材料中含有的PbO和B2O3的比例，以使保护玻璃覆盖层具有55×10-7～70×10-7/K的线性热膨胀系数。
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