專利名稱：關(guān)于電加熱元件的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到關(guān)于電加熱元件的改進(jìn)，特別涉及到厚膜式電加熱元件，它包括在一個(gè)襯底上形成的電阻加熱軌跡或?qū)樱缡窃谝粋€(gè)不銹鋼襯底上形成的一種印刷油墨軌跡，同時(shí)在襯底和軌跡之間有一個(gè)絕緣層，最好是還在軌跡上面覆蓋一個(gè)絕緣層。本發(fā)明具體涉及到用于燒水容器的厚膜式加熱元件，例如是家用的水壺和熱水壺，但是還有廣泛的用途。
在電加熱元件過(guò)熱時(shí)切斷元件電源的控制技術(shù)是公知的。進(jìn)一步研究還會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)具體問題，如果水壺和熱水壺中的厚膜加熱元件在傾斜狀態(tài)下工作，例如當(dāng)用具被放在一個(gè)傾斜的排水板上時(shí)，如果加熱元件軌跡有任何部分暴露在用具中的水面以上，元件就會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱，導(dǎo)致加熱元件損壞。因?yàn)楹衲ぜ訜嵩臒豳|(zhì)量很低，并且橫向熱傳導(dǎo)能力有限，加熱元件軌跡暴露在水面以上的任何部分都會(huì)因快速升溫而導(dǎo)致元件損壞。例如，當(dāng)水壺略微傾斜時(shí)，如果拿掉水壺蓋讓水蒸發(fā)，就會(huì)發(fā)生這種情況。
已經(jīng)有人提出了克服這一問題的辦法。例如DE-A-1954770.5(Stiebel Eltron)就提出了防止加熱元件傾斜的方法，但是這種簡(jiǎn)單的方案只能對(duì)一個(gè)軸向上有限的傾斜提供保護(hù)。按照GB-A-2316847的方案是將加熱元件襯底的一些部分升高，讓升高部分在元件被燒干之前首先受到影響，按照EP-A-0715483的方案是圍繞著加熱元件設(shè)置許多PTCR(正溫度系數(shù)電阻)或是其他形式的傳感器，不管元件怎樣傾斜，至少有一個(gè)傳感器會(huì)響應(yīng)元件過(guò)熱狀態(tài)。所有這些方案都會(huì)給制造帶來(lái)困難和/或增加成本，特別是加熱元件控制系統(tǒng)。
進(jìn)一步的困難是關(guān)于如何為熱質(zhì)量很低的厚膜加熱元件提供過(guò)熱保護(hù)，在通電的加熱元件缺少冷卻水的燒干狀態(tài)下，加熱元件會(huì)快速升溫。為了對(duì)此提供保護(hù)，需要一種熱敏快速響應(yīng)的斷路器。為了實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，在為加熱元件過(guò)熱保護(hù)控制的熱激勵(lì)器提供熱量的軌跡中需要大功率密度，這樣會(huì)帶來(lái)加熱元件軌跡工作溫度升高的問題，因?yàn)榻^緣層和加熱元件襯底是隔熱的。這就意味著需要為熱激勵(lì)器設(shè)定很高的工作溫度，這樣帶來(lái)的困難至少是成本增加，以及能夠在所需溫度上工作的一穩(wěn)定的，快速工作的雙金屬器件之制造及調(diào)整的問題。對(duì)于礦物隔離，金屬屏蔽的電阻加熱型浸沒式加熱元件，或者是下面具有牢牢固定的金屬屏蔽加熱元件的一種裝在板下的加熱元件的過(guò)熱保護(hù)來(lái)說(shuō)，典型的溫度設(shè)定值是135±15℃，而厚膜加熱元件的等效溫度設(shè)定值大約是180±5℃，由于雙金屬件的設(shè)定值過(guò)高造成的響應(yīng)遲緩問題會(huì)造成更加嚴(yán)格的公差。
從上述需要解決的具體問題可以看出，如果在使用中要為在傾斜面上工作時(shí)易受影響的厚膜式加熱元件提供有效的加熱元件過(guò)熱保護(hù)，加熱元件上的某一不確定部分會(huì)比其他部分提前發(fā)生過(guò)熱。
本發(fā)明的目的是克服或者至少是基本上緩解上述問題。
按照本發(fā)明的厚膜加熱元件包括一個(gè)主加熱器部分，以及在電路上與其并聯(lián)連接的具有NTCR(負(fù)溫度系數(shù)電阻)特性的多個(gè)并聯(lián)連接的軌跡部分，還串聯(lián)著一個(gè)具有PTCR特性的軌跡部分，這多個(gè)NTCR軌跡部分被分布在主加熱器部分的周圍。
當(dāng)這種具有元件過(guò)熱保護(hù)裝置的加熱元件被用來(lái)響應(yīng)PTCR軌跡部分的溫度并且響應(yīng)一個(gè)檢測(cè)的過(guò)熱溫度狀態(tài)而動(dòng)作時(shí)，為了切斷加熱元件所有各部分的電源，傾斜的加熱元件的動(dòng)作是這樣的，如果加熱元件燒干會(huì)導(dǎo)致各個(gè)NTCR軌跡部分的溫度升高，就會(huì)首先暴露出一個(gè)NTCR軌跡部分。這隨之又會(huì)降低各個(gè)NTCR軌跡部分的電阻，進(jìn)而流經(jīng)串聯(lián)連接的PTCR軌跡部分的電流就會(huì)增大。在總電路電阻的基礎(chǔ)上，流經(jīng)NTCR軌跡部分的增大的電流會(huì)將其進(jìn)一步加熱并使其電阻進(jìn)一步降低，從而增大其影響。PTCR軌跡部分的溫度會(huì)上升并使其電阻增大，從而使其兩端的電源電壓成比例上升。這樣會(huì)導(dǎo)致PTCR軌跡部分的功率消耗不成比例地增大，因此，即使它仍然處在水平面之下，其溫度也會(huì)上升。由加熱元件過(guò)熱保護(hù)裝置來(lái)檢測(cè)PTCR軌跡部分溫度的上升，在主加熱器部分暴露到水面以上之前就切斷加熱元件，從而防止任何損傷。
可以這樣來(lái)配置PTCR軌跡部分，讓NTCR軌跡部分分布在加熱元件的主加熱器部分周圍。按照這種配置方式就可以使PTCR軌跡部分在加熱元件燒干時(shí)為首先暴露的部位。這樣就能通過(guò)PTCR作用來(lái)促進(jìn)PTCR軌跡部分的溫度上升，從而使加熱元件過(guò)熱保護(hù)裝置再次動(dòng)作。
在附帶的權(quán)利要求書中說(shuō)明了本發(fā)明的上述和其他特征，而下文中參照附圖對(duì)最佳實(shí)施例的詳細(xì)描述有助于更好地理解。


圖1是一個(gè)示意圖，表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的軌跡布置；以及圖2是用來(lái)表示圖1所示的軌跡布置的一個(gè)示意性電路圖。
首先參見圖1，圖中表示了本發(fā)明實(shí)施例的厚膜加熱元件的軌跡布置平面圖。值得注意的是，軌跡的尺寸和比例都只是示意性的而并非實(shí)際尺寸，本領(lǐng)域中熟悉厚膜加熱元件設(shè)計(jì)的普通技術(shù)人員都能將圖1中示意性的布置變換成實(shí)用的形式。
圖1的厚膜加熱元件1例如可以包括一個(gè)不銹鋼盤襯底，在其主體表面的一側(cè)或兩側(cè)具有玻璃的電絕緣層。然后采用淀積之后燒結(jié)的導(dǎo)電油墨漿通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝在絕緣層上形成所述軌跡圖形。然后可以在軌跡圖形頂上覆蓋由玻璃制的電絕緣層作為保護(hù)層。
如圖所示，軌跡圖形包括占據(jù)加熱元件1的主要中心部分的主加熱器部分2和與其并聯(lián)連接的四個(gè)NTCR軌跡段3同時(shí)利用優(yōu)良導(dǎo)電材料例如銀制成的互連軌跡4將NTCR軌跡段相互并聯(lián)連接，同樣利用優(yōu)良導(dǎo)電材料(例如銀)的軌跡將一個(gè)PTCR軌跡段5與四個(gè)NTCR軌跡段4串聯(lián)連接。采用優(yōu)良導(dǎo)電材料例如銀制成的第一和第二端子部分6和7分別連接到主電源的火線和中線，中線端子7連接到主加熱元件軌跡2的一端，而火線端子6連接到作為熱斷路器件(未示出)的一個(gè)端子之連接點(diǎn)的另一個(gè)端子部分8，斷路器件的另一個(gè)端子在使用中被連接到加熱元件軌跡的又一個(gè)端子部分9，端子部分9被連接到主加熱元件軌跡2的另一端。從圖中可以看出，端子部分7和9還連接到NTCR軌跡部分3和串聯(lián)連接的PTCR軌跡段5的陣列上。
圖2表示按照?qǐng)D1所示的加熱元件布局的示意性電路圖。
從圖1中可以看出，四個(gè)NTCR軌跡部分4和PTCR軌跡部分5圍住了主軌跡部分2。如果加熱元件在傾斜和燒干狀態(tài)下工作，例如是因?yàn)樯w子脫離了相應(yīng)的設(shè)備，就會(huì)首先暴露出一個(gè)傳感器軌跡，具體地說(shuō)就是NTCR軌跡4和PTCR軌跡5，其溫度就會(huì)上升。如果是一個(gè)NTCR軌跡部分4，其電阻就會(huì)下降，使流過(guò)PTCR軌跡部分5的電流增大。在電路總電阻的基礎(chǔ)上，流經(jīng)NTCR軌跡部分的增大的電流會(huì)將其進(jìn)一步加熱并且降低其電阻，從而放大這種效果。PTCR軌跡5的溫度會(huì)上升，其電阻增大，進(jìn)一步增大出現(xiàn)在其兩端的電源電壓的比例。這樣會(huì)造成在這一軌跡中的功率消耗不成比例地增加，即使它仍然處在水面以下，其溫度也會(huì)上升。熱斷路器件會(huì)檢測(cè)到這一溫升，其將在任何主加熱軌跡2暴露到水面上之前就切斷這一元件，從而避免任何損傷。如果首先暴露的軌跡部分是PTCR軌跡部分5，PTCR效應(yīng)就會(huì)促使其溫度上升，從而觸發(fā)熱斷路器件。如果有局部的任何一、兩個(gè)傳感器軌跡由于加熱元件在任意軸線上的傾斜而暴露到水面以上，用單個(gè)熱斷路器件都能檢測(cè)到。
在本發(fā)明的這一實(shí)施例中使用了和單個(gè)PTCR軌跡部分串聯(lián)連接的四個(gè)并聯(lián)的NTCR軌跡部分。假設(shè)在所有五個(gè)傳感器軌跡中產(chǎn)生的功率是相同的，并且功率密度是每平方厘米10瓦左右，一個(gè)典型元件就會(huì)達(dá)到120℃的工作溫度。作為一種典型的合適材料，假設(shè)是采用0.006/℃的NTCR和PTCR，這就意味著PTCR軌跡的電阻應(yīng)該是每個(gè)NTCR軌跡之電阻的1/16。按照?qǐng)D中所示的布局，在120℃的工作溫度下，傳感器軌跡各自的功率輸出是28瓦。如果由于暴露出一個(gè)NTCR軌跡4而使其溫度上升100℃，其電阻就會(huì)下降至40％，而并聯(lián)的NTCR軌跡的總電阻就會(huì)下降到其120℃值的73％。這樣會(huì)使PTCR軌跡部分的功率隨著電流增大和PTCR軌跡的溫升而增大100％以上。PTCR軌跡的溫升大致與功率的增大成比例，因此，即使這部分元件仍然浸在水中，其溫度預(yù)期也會(huì)上升到220℃左右。
通過(guò)這種簡(jiǎn)單的分析就可以看出，本發(fā)明不僅能使加熱元件在傾斜狀態(tài)下安全工作，還能夠使用雙金屬傳感器，因?yàn)镻TCR軌跡部分5的低工作溫度允許使用規(guī)定工作溫度很低的雙金屬元件，而故障狀態(tài)下很大的溫升意味著能夠采用大范圍的葉片(blade)公差。
圖中的軌跡布局僅僅是一種可能的構(gòu)造?？梢詫⒉煌瑪?shù)量的并聯(lián)的NTCR軌跡部分或者是僅僅一個(gè)和PTCR部分串聯(lián)使用。并聯(lián)的NTCR軌跡部分的數(shù)量越少，電阻的組合作用就越大，而對(duì)PTCR軌跡部分的影響也就越大。然而，減少NTCR軌跡部分的數(shù)量意味著每段軌跡需要覆蓋較大的弧度角，造成其對(duì)傾斜角度不夠敏感，因?yàn)橹挥幸徊糠只【€是暴露的。五個(gè)NTCR軌跡部分(按照上述例子可以使電阻下降到77％)對(duì)于改變電阻的作用最大，而三個(gè)NTCR軌跡部分(下降到67％)對(duì)于適當(dāng)?shù)膬A斜靈敏度是一種不錯(cuò)的選擇。當(dāng)然也可以使用各自具有自己的熱斷路器件的許多NTCR和PTCR電路，以便為直徑很大的加熱元件提供保護(hù)，本發(fā)明可以適合任意外形的加熱元件。在實(shí)施例中，和NTCR軌跡部分對(duì)齊的PTCR軌跡部分被設(shè)在元件的外圍，其實(shí)PTCR軌跡部分還可以裝在加熱元件上的任何位置，例如是和本發(fā)明人的英國(guó)專利申請(qǐng)9808484.1號(hào)中所述的那種X4保護(hù)系統(tǒng)對(duì)齊。
本發(fā)明的傾斜保護(hù)系統(tǒng)可以和其他元件控制系統(tǒng)相互組合，例如是本發(fā)明人的英國(guó)專利申請(qǐng)9816645.7號(hào)中的蒸汽稀少控制系統(tǒng)，或者是任何簡(jiǎn)單的元件保護(hù)控制，例如GB-A-2283156中所述的X2控制。PTCR軌跡可以用來(lái)操作X4保護(hù)系統(tǒng)中的一個(gè)雙金屬元件，而其他雙金屬元件往往可以由主加熱器軌跡來(lái)操作。這樣能夠減少對(duì)昂貴和精密的雙金屬元件的需求。或者是使用兩個(gè)NTCR/PTCR電路，每個(gè)PTCR軌跡控制X4保護(hù)系統(tǒng)中的一個(gè)雙金屬元件。這種布局的局限性在于元件的布局對(duì)實(shí)際的形狀和電路有限制，因?yàn)檫@樣的電路很復(fù)雜，另外，為了縮小元件面積和降低成本還需要讓盡量多的元件獲得均勻的高功率密度。
本發(fā)明的一特征在于，它可形成一個(gè)不穩(wěn)定的電路，其中，電路中的NTCR軌跡造成檢測(cè)電路總電阻隨著電流增大而下降，導(dǎo)致發(fā)熱的劇變，如果不加以控制，就造成傳感器軌跡損壞。這種不穩(wěn)定性可以被有利地用來(lái)加快系統(tǒng)對(duì)故障狀態(tài)的響應(yīng)，并且使PTCR軌跡的溫度即使在低功率密度或低初始溫度下也能更快地上升。在PTCR軌跡和/或其電阻的溫度系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于NTCR網(wǎng)絡(luò)的情況下，就能夠滿足這種條件。這雖然是一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子，它還可以應(yīng)用于空氣動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定的戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)原理，使其對(duì)控制作出更加迅速的反應(yīng)。這與我們?cè)谟?guó)專利申請(qǐng)9816645.7號(hào)中對(duì)改善蒸汽稀少控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性所提出的建議是相反的，在這種系統(tǒng)中，NTCR軌跡的作用是通過(guò)很大的鎮(zhèn)流PTC電阻來(lái)控制的。在后一種情況下，通過(guò)電壓補(bǔ)償?shù)淖饔镁涂梢韵魏尾环€(wěn)定性。
本發(fā)明進(jìn)一步的變化是在熱斷路器件動(dòng)作時(shí)僅僅切斷加熱元件的主要部分，而留下傳感器電路。由此產(chǎn)生的熱量會(huì)阻止斷路器件恢復(fù)，可以利用電壓維持的熱斷路器件手工恢復(fù)。為此就要求傳感器電路不能受熱失控，但是如上所述要具有足夠低的溫度穩(wěn)定狀態(tài)。
本發(fā)明是參照著具體實(shí)施例和可能的變更來(lái)描述的，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在不脫離權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明范圍的條件下，對(duì)上述實(shí)施例的各個(gè)方面都可以進(jìn)行修改和變更。
權(quán)利要求
1.一種厚膜加熱元件包括一個(gè)主加熱器部分，以及在電路上與其并聯(lián)連接的具有NTCR(負(fù)溫度系數(shù)電阻)特性的多個(gè)并聯(lián)連接的軌跡部分，還串聯(lián)著一個(gè)具有PTCR(正溫度系數(shù)電阻)特性的軌跡部分，這多個(gè)NTCR軌跡部分被分布在主加熱器部分的周圍。
2.按照權(quán)利要求1的厚膜加熱元件，其特征是至少設(shè)有三個(gè)上述NTCR軌跡部分。
3.按照權(quán)利要求2的厚膜加熱元件，其特征是設(shè)有四或五個(gè)上述NTCR軌跡部分。
4.按照以上任何一項(xiàng)權(quán)利要求的厚膜加熱元件，其特征是PTCR軌跡部分和NTCR軌跡部分一起分布在主加熱器部分的周圍。
5.按照以上任何一項(xiàng)權(quán)利要求的厚膜加熱元件，其特征是包括能夠使一個(gè)溫度敏感控制器件操作連接到加熱元件上的端子部分，使其響應(yīng)于上述NTCR軌跡部分的溫度而用于至少切斷上述主加熱器軌跡部分的電源。
6.按照以上任何一項(xiàng)權(quán)利要求的厚膜加熱元件，其特征是包括一個(gè)例如用不銹鋼制成的襯底，在其一個(gè)主要表面上形成例如用玻璃制成的一個(gè)電絕緣層，并且具有在上述電絕緣層上面形成的軌跡圖形，在軌跡圖形上面還覆蓋著一個(gè)例如用玻璃制成的電絕緣層。
7.按照以上任何一項(xiàng)權(quán)利要求的厚膜加熱元件，其特征是設(shè)有多個(gè)加熱器軌跡部分，各自具有一個(gè)與其相關(guān)連的檢測(cè)電路，在電路中包括上述的多個(gè)NTCR軌跡部分和一個(gè)串聯(lián)連接的上述PTCR軌跡部分。
8.按照以上任何一項(xiàng)權(quán)利要求的厚膜加熱元件，其特征是還包括用來(lái)響應(yīng)每個(gè)上述NTCR軌跡部分之溫度的一個(gè)熱敏控制器件，用來(lái)至少控制與加熱器軌跡部分有關(guān)的電源。
9.按照權(quán)利要求8的厚膜加熱元件，其特征是上述熱敏控制器件具有用來(lái)響應(yīng)PTCR軌跡部分之溫度的第一傳感器和用來(lái)響應(yīng)各個(gè)加熱器軌跡部分之溫度的第二傳感器。
10.按照權(quán)利要求7或8的厚膜加熱元件，其特征是上述熱敏控制器件具有用來(lái)響應(yīng)與第一主加熱器軌跡部分有關(guān)的第一PTCR軌跡部分之溫度的第一傳感器和用來(lái)響應(yīng)與第二加熱器軌跡部分有關(guān)的的第二PTCR軌跡部分之溫度的第二傳感器。
11.一種電動(dòng)熱水器，其特征是包括以上任何一項(xiàng)權(quán)利要求的厚膜加熱元件。
12.按照權(quán)利要求1到10之一的厚膜加熱元件或是包括這種厚膜加熱元件的電力熱水器，其特征是不采用多個(gè)并聯(lián)連接的NTCR軌跡部分，而是僅有一個(gè)NTCR軌跡部分并和PTCR軌跡部分串聯(lián)連接。
全文摘要
厚膜加熱元件會(huì)造成一些問題,如果將采用厚膜加熱元件的水加熱容器放在一個(gè)斜面上使用,當(dāng)容器被燒干時(shí),加熱元件的一個(gè)升高部分就會(huì)因首先暴露而過(guò)熱并自毀。為了對(duì)此提供保護(hù),本發(fā)明提出將加熱元件軌跡劃分成并聯(lián)連接的主加熱器和傳感器部分,圍繞主加熱器部分的傳感器部分包括具有NTCR(負(fù)溫度系數(shù)電阻)特性的多個(gè)并聯(lián)連接的軌跡部分,還串連著一個(gè)具有PTCR(正溫度系數(shù)電阻)特性的軌跡部分。借助于這種構(gòu)造,如果有一個(gè)NTCR軌跡部分因開始燒干而使其溫度上升,其電阻就會(huì)下降,使更大的電流流過(guò)PTCR軌跡部分造成其溫度上升。采用雙金屬熱響應(yīng)控制原理來(lái)檢測(cè)PTCR軌跡部分的溫度,并且在過(guò)熱時(shí)至少切斷主加熱器部分,利用雙金屬控制原理可以對(duì)加熱器的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)有效的控制。
文檔編號(hào)H05B1/02GK1344482SQ9981206
公開日2002年4月10日 申請(qǐng)日期1999年8月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月12日
發(fā)明者R·A·奧內(nèi)爾 申請(qǐng)人:奧特控制有限公司