專利名稱：關(guān)于電加熱元件的改進的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到關(guān)于電加熱元件的改進，特別涉及到厚膜式電加熱元件，它包括在一個襯底上形成的電阻加熱軌跡或?qū)?，例如是在一個不銹鋼襯底上形成的一種印刷油墨軌跡，同時在襯底和軌跡之間有一個絕緣層，最好是還在軌跡上面覆蓋一個絕緣層。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。
在電加熱元件過熱時切斷元件電源的控制技術(shù)是公知的。進一步研究還會發(fā)現(xiàn)一個具體問題，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，例如當用具被放在一個傾斜的排水板上時，如果加熱元件軌跡有任何部分暴露在用具中的水面以上，元件就會出現(xiàn)局部過熱，導(dǎo)致加熱元件損壞。因為厚膜加熱元件的熱質(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因快速升溫而導(dǎo)致元件損壞。例如，當水壺略微傾斜時，如果拿掉水壺蓋讓水蒸發(fā)，就會發(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，但是這種簡單的方案只能對一個軸向上有限的傾斜提供保護。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，至少有一個傳感器會響應(yīng)元件過熱狀態(tài)。所有這些方案都會給制造帶來困難和/或增加成本，特別是加熱元件控制系統(tǒng)。
進一步的困難是關(guān)于如何為熱質(zhì)量很低的厚膜加熱元件提供過熱保護，在通電的加熱元件缺少冷卻水的燒干狀態(tài)下，加熱元件會快速升溫。為了對此提供保護，需要一種熱敏快速響應(yīng)的斷路器。為了實現(xiàn)快速響應(yīng)，在為加熱元件過熱保護控制的熱激勵器提供熱量的軌跡中需要大功率密度，這樣會帶來加熱元件軌跡工作溫度升高的問題，因為絕緣層和加熱元件襯底是隔熱的。這就意味著需要為熱激勵器設(shè)定很高的工作溫度，這樣帶來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熱保護來說，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)定值過高造成的響應(yīng)遲緩問題會造成更加嚴格的公差。
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易受影響的厚膜式加熱元件提供有效的加熱元件過熱保護，加熱元件上的某一不確定部分會比其他部分提前發(fā)生過熱。
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主加熱器部分，以及在電路上與其并聯(lián)連接的具有NTCR(負溫度系數(shù)電阻)特性的多個并聯(lián)連接的軌跡部分，還串聯(lián)著一個具有PTCR特性的軌跡部分，這多個NTCR軌跡部分被分布在主加熱器部分的周圍。
當這種具有元件過熱保護裝置的加熱元件被用來響應(yīng)PTCR軌跡部分的溫度并且響應(yīng)一個檢測的過熱溫度狀態(tài)而動作時，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作是這樣的，如果加熱元件燒干會導(dǎo)致各個NTCR軌跡部分的溫度升高，就會首先暴露出一個NTCR軌跡部分。這隨之又會降低各個NTCR軌跡部分的電阻，進而流經(jīng)串聯(lián)連接的PTCR軌跡部分的電流就會增大。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將其進一步加熱并使其電阻進一步降低，從而增大其影響。PTCR軌跡部分的溫度會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，其溫度也會上升。由加熱元件過熱保護裝置來檢測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為首先暴露的部位。這樣就能通過PTCR作用來促進PTCR軌跡部分的溫度上升，從而使加熱元件過熱保護裝置再次動作。
在附帶的權(quán)利要求書中說明了本發(fā)明的上述和其他特征，而下文中參照附圖對最佳實施例的詳細描述有助于更好地理解。


圖1是一個示意圖，表示本發(fā)明一個實施例的軌跡布置；以及圖2是用來表示圖1所示的軌跡布置的一個示意性電路圖。
首先參見圖1，圖中表示了本發(fā)明實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際尺寸，本領(lǐng)域中熟悉厚膜加熱元件設(shè)計的普通技術(shù)人員都能將圖1中示意性的布置變換成實用的形式。
圖1的厚膜加熱元件1例如可以包括一個不銹鋼盤襯底，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NTCR軌跡段3同時利用優(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PTCR軌跡段5與四個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)的一個端子之連接點的另一個端子部分8，斷路器件的另一個端子在使用中被連接到加熱元件軌跡的又一個端子部分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表示按照圖1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，例如是因為蓋子脫離了相應(yīng)的設(shè)備，就會首先暴露出一個傳感器軌跡，具體地說就是NTCR軌跡4和PTCR軌跡5，其溫度就會上升。如果是一個NTCR軌跡部分4，其電阻就會下降，使流過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將其進一步加熱并且降低其電阻，從而放大這種效果。PTCR軌跡5的溫度會上升，其電阻增大，進一步增大出現(xiàn)在其兩端的電源電壓的比例。這樣會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，其溫度也會上升。熱斷路器件會檢測到這一溫升，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，用單個熱斷路器件都能檢測到。
在本發(fā)明的這一實施例中使用了和單個PTCR軌跡部分串聯(lián)連接的四個并聯(lián)的NTCR軌跡部分。假設(shè)在所有五個傳感器軌跡中產(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，一個典型元件就會達到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NTCR軌跡之電阻的1/16。按照圖中所示的布局，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NTCR軌跡4而使其溫度上升100℃，其電阻就會下降至40％，而并聯(lián)的NTCR軌跡的總電阻就會下降到其120℃值的73％。這樣會使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)期也會上升到220℃左右。
通過這種簡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，因為PTCR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，造成其對傾斜角度不夠敏感，因為只有一部分弧線是暴露的。五個NTCR軌跡部分(按照上述例子可以使電阻下降到77％)對于改變電阻的作用最大，而三個NTCR軌跡部分(下降到67％)對于適當?shù)膬A斜靈敏度是一種不錯的選擇。當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，本發(fā)明可以適合任意外形的加熱元件。在實施例中，和NTCR軌跡部分對齊的PTCR軌跡部分被設(shè)在元件的外圍，其實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)明人的英國專利申請9808484.1號中所述的那種X4保護系統(tǒng)對齊。
本發(fā)明的傾斜保護系統(tǒng)可以和其他元件控制系統(tǒng)相互組合，例如是本發(fā)明人的英國專利申請9816645.7號中的蒸汽稀少控制系統(tǒng)，或者是任何簡單的元件保護控制，例如GB-A-2283156中所述的X2控制。PTCR軌跡可以用來操作X4保護系統(tǒng)中的一個雙金屬元件，而其他雙金屬元件往往可以由主加熱器軌跡來操作。這樣能夠減少對昂貴和精密的雙金屬元件的需求?；蛘呤鞘褂脙蓚€NTCR/PTCR電路，每個PTCR軌跡控制X4保護系統(tǒng)中的一個雙金屬元件。這種布局的局限性在于元件的布局對實際的形狀和電路有限制，因為這樣的電路很復(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，它可形成一個不穩(wěn)定的電路，其中，電路中的NTCR軌跡造成檢測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加快系統(tǒng)對故障狀態(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)遠遠低于NTCR網(wǎng)絡(luò)的情況下，就能夠滿足這種條件。這雖然是一個很簡單的例子，它還可以應(yīng)用于空氣動力學(xué)不穩(wěn)定的戰(zhàn)斗機設(shè)計原理，使其對控制作出更加迅速的反應(yīng)。這與我們在英國專利申請9816645.7號中對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軌跡的作用是通過很大的鎮(zhèn)流PTC電阻來控制的。在后一種情況下，通過電壓補償?shù)淖饔镁涂梢韵魏尾环€(wěn)定性。
本發(fā)明進一步的變化是在熱斷路器件動作時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)明是參照著具體實施例和可能的變更來描述的，應(yīng)該認識到，在不脫離權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明范圍的條件下，對上述實施例的各個方面都可以進行修改和變更。
權(quán)利要求
1.一種厚膜加熱元件包括一個主加熱器部分，以及在電路上與其并聯(lián)連接的具有NTCR(負溫度系數(shù)電阻)特性的多個并聯(lián)連接的軌跡部分，還串聯(lián)著一個具有PTCR(正溫度系數(shù)電阻)特性的軌跡部分，這多個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)有四或五個上述NTCR軌跡部分。
4.按照以上任何一項權(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.按照以上任何一項權(quán)利要求的厚膜加熱元件，其特征是包括能夠使一個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.按照以上任何一項權(quán)利要求的厚膜加熱元件，其特征是包括一個例如用不銹鋼制成的襯底，在其一個主要表面上形成例如用玻璃制成的一個電絕緣層，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例如用玻璃制成的電絕緣層。
7.按照以上任何一項權(quán)利要求的厚膜加熱元件，其特征是設(shè)有多個加熱器軌跡部分，各自具有一個與其相關(guān)連的檢測電路，在電路中包括上述的多個NTCR軌跡部分和一個串聯(lián)連接的上述PTCR軌跡部分。
8.按照以上任何一項權(quán)利要求的厚膜加熱元件，其特征是還包括用來響應(yīng)每個上述NTCR軌跡部分之溫度的一個熱敏控制器件，用來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響應(yīng)PTCR軌跡部分之溫度的第一傳感器和用來響應(yīng)各個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。
11.一種電動熱水器，其特征是包括以上任何一項權(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并聯(lián)連接的NTCR軌跡部分，而是僅有一個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斜面上使用,當容器被燒干時,加熱元件的一個升高部分就會因首先暴露而過熱并自毀。為了對此提供保護,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(負溫度系數(shù)電阻)特性的多個并聯(lián)連接的軌跡部分,還串連著一個具有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NTCR軌跡部分因開始燒干而使其溫度上升,其電阻就會下降,使更大的電流流過PTCR軌跡部分造成其溫度上升。采用雙金屬熱響應(yīng)控制原理來檢測PTCR軌跡部分的溫度,并且在過熱時至少切斷主加熱器部分,利用雙金屬控制原理可以對加熱器的動作實現(xiàn)有效的控制。
文檔編號H05B1/02GK1344482SQ9981206
公開日2002年4月10日 申請日期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 申請人:奧特控制有限公司