BRPI0720719A2

BRPI0720719A2 - Elemento de aquecimento com resistência elétrica autorreguladora

Info

Publication number: BRPI0720719A2
Application number: BRPI0720719-0A
Authority: BR
Inventors: Jeffery Boardman
Original assignee: 2D Heat Ltd
Priority date: 2007-01-04
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2014-04-01
Also published as: RU2464744C2; GB2445464A; WO2008081167A2; KR20090108601A; US20100102052A1; MX2009007182A; RU2009127361A; GB2445464B; CN101589644A; AU2007341088A1; CA2675394A1; GB0725391D0; EP2116103A2; GB0700079D0; WO2008081167A3

Description

“ELEMENTO DE AQUECIMENTO COM RESISTÊNCIA ELÉTRICA AUTORREGULADORA”

CAMPO DA TÉCNICA

A presente invenção refere-se a um elemento de aquecimento com resistência elétrica autorreguladora para um utensílio que contém o mesmo, e processos para sua fabricação.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Os elementos de aquecimento elétricos convencionais de variedade tubular revestida ou do tipo estampado não apresentam propriedades autorreguladoras e quando são conectados a uma fonte de energia elétrica continuarão a se aquecer até que deixem de funcionar pela queima e autodestruição.

O uso seguro destes elementos convencionais em utensílios é alcançado através da cominação deles em série com alguma forma de dispositivo de controle sensível à temperatura, que interrompa efetivamente o suprimento elétrico quando um nível de temperatura pré-determinado for alcançado.

Geralmente, estes dispositivos de controle sensíveis à temperatura incorporam bimetais em várias configurações e dependem da capacidade de deflexão dos componentes na ou em torno da temperatura pré-determinada para proporcionar uma ação mecânica que "rompe" os contatos de suprimento elétrico, interrompendo assim o suprimento de energia elétrica para os elementos envolvidos.

Enquanto que tal bimetálico sensível à temperatura e outros dispositivos de controle similares são amplamente usados e produzidos em altos padrões de qualidade, eles são geralmente mecânicos e como todos os dispositivos produzidos de massa mecânica estão sujeitos à probabilidade de falha, que aumenta com o uso.

A falha operacional de tais dispositivos de controle sensíveis à temperatura irá resultar no superaquecimento e autodestruição dos elementos associados, com resultados potencialmente catastróficos para o usuário.

Os elementos de aquecimento elétricos que têm características de autocontrole estão disponíveis. Estes são fabricados a partir de várias composições de, usualmente, titanato de bário dopado com pequenas quantidades de outros metais. Sua resistência aumenta em várias potências de dez quando a temperatura é elevada próximo ao Ponto de Curie, também conhecido como temperatura de “comutação". Entretanto, tais elementos de aquecimento têm inúmeras limitações que limitam rigorosamente seu uso e aplicação expandidos. Alguns destes especificados abaixo:

A principal desvantagem dos titanatos de bário dopados é a propriedade inerente de que a resistividade de tais materiais não é constante sobre a faixa de temperatura do ambiente para a temperatura de “comutação” ou Ponto de Curie, mas em vez disso a resistividade reduz progressivamente com o aumento da temperatura antes de aumentar para um alto valor.

Uma desvantagem adicional é que a taxa e a magnitude da redução da resistência em tais materiais variam notavelmente de acordo com a composição e a concentração(s) do dopante ou combinação de dopantes usada.

Como uma conseqüência do que fora supracitado, os elementos de aquecimento fabricados a partir de tais composições exibem resistências operacionais que reduzem significativamente a partir daquelas medidas a temperatura ambiente, para aquela logo antes da temperatura de “comutação” ou Ponto de Curie, uma redução que pode ser tão alta quanto a metade da resistência original. Adicionalmente, esta redução ocorre de modo imprevisível.

As falhas supracitadas apresentam aos fabricantes de utensílio domésticos e outros utilizadores de tais elementos, o problema de decidir qual resistência ambiente produzir para tais elementos com a finalidade de maximizar a saída de potência.

A título de explicação, considera-se o uso de um elemento convencional em dispositivo de aquecimento de água doméstico que opera com um suprimento de CA de 230 volts de fase única. A máxima corrente permitida para utensílios de 230 volts é 13 A e pela Iei de Ohm isto define a saída de potência máxima de tais utensílios de elemento único em aproximadamente 3 quilowatts e, consequentemente, a resistência mínima do elemento de aquecimento empregada foi de 17,7 ohms.

Em geral, a resistência de tais elementos convencionais não aumenta levemente com aumentos na temperatura operacional, mas somente cerca de 1 a 2%. Consequentemente, a geração de calor pelo elemento e a transferência desta energia para a água, atinge um máximo quando a temperatura está em um mínimo é apenas reduzida levemente disto, conforme o ponto de ebulição é alcançado.

As mesmas limitações de potência e corrente se aplicam aos elementos de titanato de bário dopado, de modo que a resistência mínima de 17,7 ohms necessitaria estar em uma temperatura próxima à "comutação" ou Ponto de Curie, resultando em uma resistência mais alta à temperatura ambiente. Considerando-se que uma resistência diminui ao longo da faixa de temperatura adequada de 25 %, um elemento de titanato de bário dopado típico necessitaria ser produzido com uma resistência ambiente de 23,6 ohms. Usando a Iei de Ohm, pode ser mostrado que no início do ciclo de aquecimento da água, a energia térmica disponível é somente 2,24 kW, se elevando a 3 kw somente quando o ponto de ebulição é alcançado.

Isto é o efeito oposto àquele exigido pelos fabricantes de utensílio doméstico e um exemplo da característica resistência-temperatura de uma composição de titanato de bário dopado com a temperatura de “comutação” do Ponto de Curie a 120° C é mostrado na Figura 1. Ainda, uma desvantagem adicional dos elementos de titanato de bário dopado surge do método usado para produzi-los. Os titanatos de bário dopados derivam suas propriedades de temperatura/resistência particulares principalmente das características dos limites de grão entre as partículas individuais preparando a matriz de volume de qualquer peça articular. Dessa forma, os objetos feitos de titanatos de bário dopados são produzidos através do pressionamento mútuo até o formato e tamanho apropriado dependendo do objeto final exigido, a quantidade exigida de partículas de pó fino da composição apropriada em uma prensa, usualmente com uma agente de aglutinação e, então, sinterizando a massa pressionada em uma fornalha na temperatura requisitada para produzir um produto homogêneo. Apesar de este ser um processo de fabricação adequado, isto pode resultar em produtos que não são completamente densos a partir do estágio de pressionamento e, portanto, não exibem características operacionais uniformes ou têm estresse residual a partir do estágio de sinterização. Como uma conseqüência, eles propensos a fissuras e falha operacional durante os ciclos térmicos subsequentes. Consequentemente, é necessário pré-testar os elementos para descartar os elementos com falhas.

O inventor propôs anteriormente o uso de dois óxidos de metal diferentes para produzir um elemento de aquecimento autorregulador. Os pedidos publicados incluem GB2344042, GB237383 e GB 2374784. O mais pertinente é o GB2374783 que propõe o uso de camadas sucessivas de óxidos de metal diferentes depositados em um substrato de metal eletricamente condutor, as camadas de óxidos de metal possuem tanto diferentes composições como graus de oxidação. Na realidade, isto propõe o uso de óxidos de metal do tipo níquel-cromo em combinação com titanatos de bário. Significativamente, tanto estes como outros pedidos ensinam a metodologia na qual ambas as camadas de óxido de metal camadas são depositadas usando técnicas de aspersão térmica. O inventor revelou que a metodologia empregada e descrita em aplicações anteriores não resultou em elementos que possuem características desejadas, pois a aspersão térmica dos titanatos de bário dopados resultou na destruição dos dopantes (provavelmente, devido à vaporização).

A presente invenção busca superar ou reduzir muito substancialmente os problemas descritos acima e produzir elementos com as características desejadas. PRESENTE INVENÇÃO

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido um elemento de aquecimento com resistência elétrica autorreguladora, que compreende:

um substrato que é, ou compreende, uma superfície eletricamente condutora e que compreende um primeiro contato elétrico;

um primeiro óxido de metal que tem um coeficiente de temperatura negativo ou positivo de resistência; um segundo óxido de metal que tem um coeficiente de temperatura de resistência oposto ao do dito primeiro óxido de metal;

um dos ditos primeiro e segundo óxidos de metal é disposto sobre a superfície eletricamente condutora e o outros dos primeiro e segundo óxidos de metal é disposto eletricamente em série acima dos ditos primeiro ou segundo óxido de metal,

um segundo contato elétrico disposto sobre o óxido de metal que não está disposto na dita superfície eletricamente condutora, de modo que uma corrente possa passar entre os contatos através dos óxidos de metal caracterizados pelo fato de que o dito óxido de metal que tem um coeficiente de temperatura de resistência compreende um dopante que 10 está presente em uma quantidade, de tal modo que em combinação com o primeiro e o segundo óxidos de metal fornecem uma resistência combinada substancialmente constante de uma temperatura ambiente para uma temperatura operacional e um aumento muito substancial na resistência acima da temperatura operacional.

Através do fornecimento de um elemento de aquecimento elétrico que tenha as 15 características de autocontrole exigidas, nos quais a resistividade e a resistência do dito elemento estão quase constantes ao longo da faixa de temperatura do ambiente para o limite de operação exigido, mas que, uma vez que a temperatura operacional tenha se excedido marginalmente o limite de operação pré-determinado, a resistência aumenta a uma potência de dez ou mais, resultando em um elemento mais eficiente e mais seguro.

Adicionalmente a metodologia para sua produção assegura que a maior

consistência seja alcançada durante a produção de tais elementos.

Preferencialmente, os primeiro e segundo óxidos de metal são selecionados para fornecer uma resistência combinada constante a partir de uma temperatura ambiente para uma temperatura operacional pré-determinada e com um aumento muito substancial em resistência acima da temperatura operacional.

Em uma modalidade preferida, o primeiro óxido de metal é um óxido de ao menos níquel e cromo e, mais preferencialmente, ao menos níquel, cromo e ferro e o segundo óxido de metal é um material ferroelétrico.

Preferencialmente, o material ferroelétrico é uma estrutura cristalina do tipo perovskita e é tem a fórmula geral de ABO3 onde A é um cátion mono, di ou trivalente, B é um cátion penta, tetra ou trivalente e O3 é um ânion de oxigênio.

Com mais preferência, o material ferroelétrico é titanato de bário dopado.

Os dopantes típicos são aquelas familiares aos versados na técnica e incluem: lantânio, estrôncio, chumbo, césio, cério e outros elementos provenientes da série dos lantanídeos e actinídeos.

Preferencialmente, o material ferroelétrico compreende partículas granulares e as ditas partículas granulares são, mais preferencialmente, depositadas em um líquido ou como uma pasta fluida, dispersão ou pasta. É importante que o material ferroelétrico seja depositado de uma maneira que não resulte em suas propriedades resistivas, que são caracterizadas por, dentre outras coisas, alteração dos dopantes usados. Com relação a isto, os processos térmicos que podem vaporizar o dopante ou, de outro modo, destruir o material não são usados, tendo em vista que o produto resultante não terá as características desejadas.

Preferencialmente, as partículas são partículas finas com um tamanho na faixa de a 100 mícrons e são depositadas em uma camada que uma espessura de, tipicamente, 100 a 500 mícrons.

Tais óxidos de metal de ferro elétrico misturados também são conhecidos como materiais ferroelétricos octaédricos de oxigênio e as características destes materiais, que include resistividade inicial, variação de resistividade com temperaturas e Ponto de Curie ou temperatura de “comutação”, podem ser variadas de acordo com as variações na composição.

Todos os óxidos de metais com materiais ferroelétricos octaédricos de oxigênio exibe a característica de redução da resistividade (coeficiente de temperatura de resistência negativo) com temperatura ascendente até o Ponto de Curie ou temperatura de “comutação” e isto é compensado nos elementos da invenção através da colocação de um ou mais óxidos de metal diferente (com um coeficiente de temperatura de resistência positivo) em serie, de tal modo que a resistividade seja "equilibrada". Isto é ilustrado mais claramente na Figura 2.

O processo para derivação desta compensação equilibrada na redução da resistência não é direto, envolvendo uma combinação de cálculo e comportamentos observados empiricamente. Os fatores envolvidos na consideração incluem: o valor final do Ponto de Curie exigido,

a natureza do óxido de metal de materiais ferroelétricos octaédricos de oxigênio a ser usado,

a natureza e a concentração do dopante ou dopantes a ser usado, a taxa resultante de diminuição de resistividade e resistência para o Ponto de Curie, a natureza e a composição das combinações de óxido de metal ou óxido de metal resistivo termicamente aspergido que se faz necessária a aplicação com a finalidade de compensar tanto o nível de resistência inicial à temperatura ambiente como a taxa de aumento do mesmo ao Ponto de Curie exigido, e

a espessura física (e o custo econômico conseqüente) das duas camadas de elemento consecutivas bem como o diferencial de temperatura resultante que opera por toda a combinação.

Essencialmente, a seleção de combinações adequadas para um dado propósito envolve um grau de tentativa e erro, levando em consideração o supracitado. A realização do nível inicial exigido de resistência para as combinações de óxido de metal ou óxido de metal resistivo termicamente aspergido (Níquel/Ferro/Cromo) pode opcionalmente incluir o ajuste usando uma corrente elétrica de alta voltagem com pulso intermitente, tanto AC como DC e que é o assunto do pedido de patente do Reino Unido GB2419505 (PCT/GB2005/003949).

Dessa forma, o aumento em resistência com a temperatura da camada de óxido de metal do tipo Níquel/Ferro/Cromo, essencialmente, compensa a diminuição em resistência com a temperatura da camada de titanato de bário dopado, de modo que a resistência combinada das duas camadas resistivas em série permanece substancialmente constante a partir da temperatura ambiente para uma temperatura operacional pré-determinada, mas na temperatura operacional pré-determinada, o Ponto de Curie ou temperatura de “comutação” da camada de titanato de bário dopado, a resistência desta camada aumenta por diversas potências de dez, aumentando efetivamente a resistência do elemento combinada como um todo a um alto nível, reduzindo assim a saída de potência térmica para um nível muito baixo e atuando como um mecanismo autorregulador para evitar o superaquecimento do elemento a temperaturas acima do nível operacional pré-determinado.

Tendo em vista o que fora supracitado, é essencial que no depósito das respectivas camadas, sua resistividade característica não seja alterada de tal modo que elas não funcionem como originalmente pretendido.

As propriedades resistivas dos titanatos de bário dopados derivam principalmente dos efeitos de limite de grão nas junções entre as partículas sucessivas. Quanto menor a faixa de tamanho da partícula, maior o número de qualquer volume determinado da camada de titanato de bário e maior a resistividade da camada. O processo de depósito de titanatos de bário dopados com o uso de um processo térmico, tal como aspersão por chama, altera as propriedades resistivas, provavelmente, como um resultado da vaporização ou destruição dos dopantes. Isto também destrói o efeito do Ponto de Curie/comutação.

Em uma modalidade preferida, os primeiro e segundo óxidos de metal estão em contato íntimo. Alternativamente, uma camada eletricamente condutora pode ser depositada entre eles.

O substrato ou superfície eletricamente condutor pode ser qualquer metal ou liga metálica eletricamente condutora incluindo, por exemplo, alumínio, cobre, aço inoxidável ou doce. Alternativamente, um material eletricamente isolante, tal como, por exemplo, plásticos, cerâmicas, vidros ou compósitos pode ser usado como um substrato e uma camada eletricamente condutora aplicada a isto. Esta camada pode servir como um contato elétrico em um lado do compósito de óxidos de metal, um segundo contato é fornecido no outro lado do compósito de óxidos de metal. De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é fornecido um utensílio elétrico que compreende um elemento de aquecimento da invenção.

De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, é fornecido um método de ajuste da resistência de uma camada de óxido de metal resistiva que compreende submeter a camada à pulsação intermitente com uma corrente de alta voltagem. A corrente pode ser uma corrente AC ou DC.

De acordo com um quarto aspecto da presente invenção, é fornecido um processo para fabricar um elemento de aquecimento com resistência autorreguladora que compreende:

Aplicar a um substrato, que é ou compreende uma superfície eletricamente condutora que atua como um primeiro contato elétrico, um primeiro óxido de metal que possui um coeficiente de temperatura de resistência negativo ou positivo;

Aplicar acima do dito primeiro óxido de metal, e eletricamente em série a isto, um segundo óxido de metal que possui um coeficiente de temperatura de resistência oposto àquele do dito primeiro óxido de metal;

Aplicar um segundo contato elétrico sobre o dito segundo óxido de metal, de tal modo que uma corrente possa passar entre os contatos através dos óxidos de metal caracterizados pelo fato de que o dito óxido de metal que tem um coeficiente de temperatura de resistência negativo é depositado de uma maneira e a uma temperatura abaixo para que nenhum dopante presente não seja destruído, de tal como que em combinação com os primeiro e segundo óxidos de metal fornece uma resistência combinada substancialmente a partir de uma temperatura ambiente para uma temperatura operacional pré-determinada e um aumento muito substancial na resistência acima da temperatura operacional.

Os vários aspectos da invenção serão descritos adicionalmente, por meio de exemplo, com referência às seguintes Figuras, nas quais:

A Figurai é um gráfico que mostra as características de temperatura da resistência de uma composição de titanato de bário com uma temperatura de “comutação” do Ponto de Curie a 120° C;

A Figura 2 é um gráfico similar com os dados para óxido de metal de Ni/Cr/Fe sobrepostos contra os dados para um titanato de bário dopado para ilustrar o “alisamento” das resistências; e

A Figura 3 é um plano de um elemento de aquecimento da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

A Figura 1 ilustra as características de temperatura da resistência de uma composição de titanato de bário com uma temperatura de “comutação” do Ponto de Curie a 120° C. Observa-se entre 20° C e 100° C, o óxido de metal tem um coeficiente de temperatura de resistência negativo e entre 100° C e 140° C a resistência aumenta muito significativamente. Na Figura 2, os dados de resistência/temperatura para um óxido de metal do tipo níquel, cromo e ferro que tem um coeficiente de resistência positivo são mostrados juntos com os do óxido de bário dopado com um Ponto de Curie de 160° C. Antes de alcançar o Ponto de Curie, as resistências negativas e positivas se cancelam efetivamente entre si (linha intermediária) para fornecer uma resistência substancialmente constante que, então, aumenta significativamente no Ponto de Curie. Este aumento em resistência é uma conseqüência do cristalino tetragonal da alteração para uma forma cúbica, travando os elétrons e eliminando a condução.

Exemplo 1 - Construção

Referindo-se à Figura 3, elemento de aquecimento com resistência elétrica autorreguladora (10) compreende um substrato (12) que compreende um revestimento eletricamente condutor (12a) que serve como um primeiro contato elétrico (18) em um lado das camadas de óxido de metal do compósito. Disposto no dito camada eletricamente condutora (12a) está um primeiro óxido de metal (14) que tem um coeficiente de temperatura de resistência positivo. Sobreposto ao primeiro óxido de metal camada, e em série elétrica a isto, está um segundo óxido de metal camada (16) que tem um coeficiente de temperatura de resistência negativo e sobrepondo esta camada está um segundo contato elétrico (20).

As primeira e segunda camadas de óxido de metal estão em contato íntimo mutuamente, mas em um exemplo alternativo, uma camada de contato elétrico (não mostrada) pode ser fornecida entre elas.

Um corrente pode passar entre os primeiro e segundo contatos elétricos, através das camadas de óxido de metal respectivas.

Na modalidade ilustrada, o substrato de suporte (12) é um ladrilho de cerâmica circular sobre o qual foi depositada uma camada de cobre (12a), embora qualquer metal ou liga metálica eletricamente condutor possa ser usado. A camada de óxido de metal resistiva termicamente aspergida de Níquel/Ferro/Cromo (14) é mostrada depositada sobre uma área apropriada da camada eletricamente condutora (12a) e um primeiro contato elétrico (18) é mostrado sobre a camada de cobre (12a).

Disposto sobre, e eletricamente em série com, o primeiro óxido de metal camada (14) está uma camada de titanato de bário dopado (16) e sobrepondo-se a isto está um segundo contato elétrico (20).

Será observado que as camadas respectivas foram depositadas de modo que uma corrente que passa entre o primeiro e o segundo contato é forçada através das camadas resistivas e não pode passar diretamente de um contato para outro em torno, por exemplo, de um perímetro. O substrato de suporte pode ter uma ampla variedade de formatos e configurações que se situam entre uma placa circular plana (conforme ilustrado) a formato que incluem esferas, hemisférios e tubos ocos de seção transversal redonda ou quadrada, sendo tanto continuamente retas como flexionadas em formas toroidais ou helicoidais.

O formato do substrato de suporte será determinado pela exigência de otimização da transferência da energia térmica desenvolvida pelo elemento de aquecimento elétrico para o meio exigido para ser aquecido pelo utensílio particular em questão.

A camada de contato pode ser compreendida de qualquer material eletricamente condutor tal como cobre, níquel, alumínio, ouro, prata, latão ou polímeros condutores e pode ser aplicada por uma ampla variedade de meios, ilustrada por (mas não restrita a) aspersão por chama, deposição química de vapor, técnicas de bombardeamento iônico por magnétron, processos químicos ou eletrólitos, a uma peça sólida sendo mantida no local com adesivos, pressão mecânica ou meios magnéticos.

As configurações relativas e os tamanhos relativos dos depósitos da dita camada de contato e óxido de metal são tais que evitam a passagem direta de uma corrente elétrica a partir da área de contato para o substrato condutor ou camada condutora em um substrato isolante quando uma voltagem é aplicada entre os contatos e os substratos.

Para a camada de contato condutora, a espessura deve ser tal que carregue a corrente máxima exigida e permita distribuir de maneira justa sobre o Molde sua superfície de tal modo que a corrente que passa através dos óxidos de metal seja uniforme em densidade para cada área da unidade dos óxidos de metal. Esta provisão assegura que a energia térmica gerada dentro do volume dos óxidos de metal resistivos seja distribuída uniformemente, produzindo uma temperatura uniforme ao longo da área apropriada do substrato de suporte sem quaisquer pontos quentes localizados.

É preferível, mas não necessário, fazer com que a área da camada de contato, na qual o ponto de suprimento de potência externo deve ser fixado de modo mais espesso que as áreas remanescentes, auxilie na distribuição justa da corrente.

O substrato de suporte pode ser compreendido de qualquer metal ou liga metálica eletricamente condutora ou um material eletricamente isolante e deve ser de uma espessura suficiente para fornecer estabilidade dimensional para o elemento durante a produção e uso operacional subsequente.

Exemplo 2 - Metodologia

Os elementos de aquecimento podem ser fabricados por, por exemplo, aspersão térmica de um óxido de metal resistivo (14) com um coeficiente de temperatura de resistência positivo sobre uma superfície eletricamente condutora (12a) de um substrato (12). Na realidade, as camadas sucessivas do óxido de metal podem ser aplicadas por uma pluralidade de passes (qualquer lugar de 1 a 10, mais preferencialmente, de 2 a 5, dependendo da espessura desejada - tipicamente até 500 μηι) usando o equipamento de aspersão térmica. Tendo em vista que a resistência elétrica do depósito de óxido de metal resistivo depende da espessura, é possível aumentar a resistência através do aumento da espessura da camada depositada. Isto é, portanto, preferido para depositar várias camadas.

Sabe-se que as ligas metálicas do tipo níquel-cromo quando oxidadas e aspergidas termicamente exibem a característica desejada de resistividade/resistência aumentada com a temperatura aumentada. Tais ligas metálicas são descritas em, por exemplo, EP302589, US5039840 e PCT/GB96101351. Tais ligas metálicas do tipo níquel-cromo podem ser oxidadas ao grau desejado, como uma operação precursora, antes de serem termicamente aspergidas como uma ou mais camadas do depósito de óxido de metal resistivo, conforme descrito em GB2344042, ou podem ser oxidadas ao grau desejado durante a operação de aspersão térmica. Na prática, os níveis e taxas de aumento em resistividade e resistência desta camada de liga de óxido de metal que aumentam a temperatura são fatores significativos na compensação para diminuições assimétricas em resistividade e resistência da camada de óxido resistivo ABO3.

A outra camada de óxido resistivo aplicada é, preferencialmente, uma camada de titanato de bário dopado. Isto não deve ser depositado em altas temperaturas ou sua resistividade é comprometida. Em uma modalidade preferencial, isto é aplicado na forma de um líquido ou uma pasta, dispersão ou pasta fluida, compreendendo partículas finas de titanato de bário junto com um dopante ou dopantes selecionados para corresponderem à temperatura de comutação operacional pré-determinada para um projeto de elemento particular.

A pasta, dispersão ou pasta fluida pode ser produzida através da trituração de pelotas de titanato de bário dopado que tenham sido produzidas para a composição exigida com características de Ponto de Curie e que incorporem elas em, por exemplo, um adesivo líquido adequado.

A pasta, dispersão ou pasta fluida (16) pode, então, ser aplicada sobre a superfície superior da primeira camada de óxido de metal resistivo (14) por qualquer um de uma ampla faixa de meios adequados, incluindo, mas não se limitando a, estamparia, pintura, revestimento Ka-bar, aspersão ou aplicação de uma quantidade com alisamento subsequente.

O adesivo líquido pode ser de qualquer composição adequada de modo que tenha as características de aglutinação das partículas finas de titanato de bário dopado mencionadas anteriormente próximas entre si, para alcançar o contato do limite de grão desejado e o contato íntimo com o outro óxido de metal e um segundo contato elétrico.

Na realidade, o adesivo pode ser um que se cure ou ajuste em temperaturas elevadas ou ambientes (mas não tão altas de modo que altere as características resistivas do óxido de metal) ou quando exposto ao ar, seja curado por Iuz ou por um processo de cura iniciado quimicamente.

Novamente, a resistência elétrica da camada de titanato de bário dopado pode ser controlada através da alteração da faixa de tamanho da partícula e da espessura da pasta, dispersão ou pasta fluida aplicada.

Alternativamente, pode ser possível depositar uma camada usando o bombardeamento iônico por magnétron sob temperaturas e vácuo controlados.

Um segundo contato elétrico (20) pode ser aplicado à superfície superior da camada de titanato de bário dopado, de modo que na aplicação de um suprimento de voltagem (V) entre este segundo contato elétrico (20) e um contato elétrico (18) sobre a camada condutora (12a) uma corrente elétrica (I) pode passar a partir do segundo contato elétrico (20) através da espessura das duas camadas resistivas (14; 16).

Esta segunda camada de contato pode ser compreendido de qualquer material eletricamente condutor tal como cobre, níquel, alumínio, ouro, prata, latão ou polímeros condutores e pode ser aplicada por quaisquer meios adequados, exemplificados por, mas não restritos a, aspersão por chama, deposição química de vapor, técnicas de bombardeamento iônico por magnétron, processos químicos ou eletrólitos e aplicação de uma quantidade em uma peça sólida com adesivos, pressão mecânica ou meios magnéticos:

A segunda camada de contato é, preferencialmente, menor em área que a camada de óxido de metal na qual isto é depositado com a finalidade de assegurar que a corrente elétrica passe diretamente a partir da área de contato para o substrato condutor ou camada condutora em um substrato isolante quando uma voltagem é aplicada entre os contatos.

A camada de contato deve ter uma espessura de tal modo que carregue a corrente máxima exigida e permita a distribuição uniforme sobre toda sua superfície, a fim de que a corrente que passa através dos óxidos de metal seja uniforme em densidade para cada área da unidade do óxido de metal. Esta provisão assegura que a energia térmica gerada dentro do volume do elemento combinado seja uniformemente distribuída, produzindo uma temperatura uniforme sobre a área apropriada do substrato de suporte sem quaisquer pontos quentes localizados.

Tornar-se-á aparente para o versado na técnica que diferentes óxidos de metal podem ser depositados em qualquer ordem.

Exemplo 3 - Metodologia alternativa

Os óxidos de metal que compreendem as camadas diferentes do elemento de aquecimento autorregulador podem ser aplicados ao substrato de suporte por uma variedade de maneiras com o uso de técnicas diferentes.

Uma primeira metodologia consiste em depositar um primeiro óxido de metal produzido a partir de, por exemplo, ligas de Ni/Cr/Fe ou similares como uma camada completa sobre a superfície condutora de um substrato. Isto pode ser depositado pela aspersão térmica sobre uma determinada área e em uma determinada configuração para a espessura calculada exigida. O segundo óxido de metal, produzido a partir de, por exemplo, 5 titanato de bário dopado, é, então, aplicado sobre o primeiro óxido de metal, novamente para a espessura calculada exigida e a configuração do objeto é "correspondente" aos dois óxidos de metal para produzir as propriedades e características combinadas exigidas do elemento de aquecimento em questão.

Alternativamente, o inverso desta primeira metodologia pode ser utilizado, por meio disso, o componente de óxido de material ferroelétrico octaédrico de oxigênio é primeiramente aplicado ao substrato de suporte seguido pelo segundo óxido de metal componente.

Em outras palavras, através da seleção de óxidos de metal diferentes é possível determinar, pelo uso de cálculo e comportamentos observados empiricamente, as dimensões e a relação entre os vários componentes que compreendem o tipo de elemento de aquecimento com resistência elétrica que é o assunto desta presente invenção.

Claims

1. Elemento de aquecimento com resistência autorreguladora (10), que compreende: um substrato (12) que é, ou compreende, uma superfície eletricamente condutora (12a) e que compreende um primeiro contato elétrico (18); um primeiro óxido de metal (14) que possui um coeficiente de temperatura de resistência positivo ou negativo; um segundo óxido de metal (16) que possui um coeficiente de temperatura de resistência oposto ao do dito primeiro óxido de metal; um do dito primeiro ou segundo óxido de metal é disposto sobre a superfície eletricamente condutora (12a) e o outro do primeiro ou segundo óxido de metal é disposto eletricamente em série acima do dito primeiro ou segundo óxido de metal, um segundo contato elétrico (20) disposto sobre o óxido de metal que não é disposto na dita superfície eletricamente condutora (12a), de tal modo que uma corrente possa passar entre os contatos através dos óxidos de metal. CARACTERIZADO pelo fato de que o dito óxido de metal que possui um coeficiente de temperatura de resistência negativo compreende um dopante que está presente em uma quantidade, de tal modo que em combinação com os primeiro e segundo óxidos de metal fornecem uma resistência combinada substancialmente constante a partir de uma temperatura ambiente para uma temperatura operacional pré-determinada e um aumento muito substancial em resistência acima da temperatura operacional, e o dito óxido de metal que possui um coeficiente de temperatura de resistência negativo compreende partículas granulares que são depositadas em um líquido ou como uma pasta fluida, dispersão ou pasta.

2. Elemento de aquecimento com resistência autorreguladora, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o óxido de metal que possui um coeficiente de temperatura de resistência positivo é um óxido de, ao menos, um níquel, ferro e cromo.

3. Elemento de aquecimento com resistência autorreguladora, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que o óxido de metal que possui um coeficiente de temperatura de resistência negativo é um material elétrico de ferro.

4. Elemento de aquecimento com resistência autorreguladora, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o material ferroelétrico é uma estrutura cristalina do tipo perovskita e tem a fórmula geral ABO3 onde A é um cátion mono, di ou trivalente, B é um cátion penta, tetra ou trivalente e O3 é um ânion de oxigênio.

5. Elemento de aquecimento com resistência autorreguladora, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que é um titanato de bário dopado.

6. Elemento de aquecimento com resistência autorreguladora, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 3 a 5, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende partículas granulares.

7. Elemento de aquecimento com resistência autorreguladora, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que tem um tamanho de partícula de 20 a 100 mícrons.

8. Elemento de aquecimento com resistência autorreguladora, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 3 a 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o material ferroelétrico está presente em uma camada que possui uma espessura de até 500 /vm.

9. Elemento de aquecimento com resistência autorreguladora, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que os primeiro e segundo óxidos de metal estão em contato íntimo.

10. Elemento de aquecimento com resistência autorreguladora, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, CARACTERIZADO pelo fato de que os primeiro e segundo óxidos de metal são separados por uma camada eletricamente condutora.

11. Elemento de aquecimento com resistência autorreguladora, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que a superfície eletricamente condutora (12a) compreende um metal ou liga metálica.

12. Utensílio elétrico, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende um elemento de aquecimento, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 11.

13. Método de ajuste da resistência de uma camada de óxido de metal resistivo, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende submeter a camada à pulsação intermitente com uma corrente de alta voltagem.

14. Processo para a fabricação de um elemento de aquecimento com resistência autorreguladora, que compreende: Aplicar a um substrato (12), que é, ou compreende, uma superfície eletricamente condutora (12a), um primeiro óxido de metal (14) que possui um coeficiente de temperatura de resistência positivo ou negativo; Aplicar acima do dito primeiro óxido de metal, e eletricamente em série a isto, um segundo óxido de metal (16) que possui um coeficiente de temperatura de resistência oposto ao do dito primeiro óxido de metal; Aplicar um segundo contato elétrico (20) sobre o dito segundo óxido de metal, de tal modo que uma corrente possa passar entre os contatos através dos óxidos de metal CARACTERIZADO pelo fato de que o dito óxido de metal /eu possui um coeficiente de temperatura de resistência negativo compreende partículas granulares que são depositadas de uma maneira que, e a uma temperatura abaixo da qual qualquer dopante presente não é destruído, como um líquido ou como uma pasta fluida , dispersão ou pasta em combinação com os primeiro e segundo óxidos de metal fornecem uma resistência combinada substancialmente constante a partir de uma temperatura ambiente para uma temperatura operacional pré-determinada e um aumento muito substancial em resistência acima da temperatura operacional.

15. Processo, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que o óxido de metal (14) que possui um coeficiente de temperatura positivo é aplicado como uma pluralidade de camadas.