CN101449624B - 用于加热液体的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加热物体的装置，包括至少部分是金属的物体以及连接到物体的用于物体的至少一个至少部分是金属的电加热元件，该加热元件包括发热层、加热主体和其间的电介质，其中至少一个加热元件通过金属焊接连接而连接到物体的至少一部分，其中焊接连接不延伸到电介质中。

Description

用于加热液体的装置

技术领域

本发明涉及一种用于加热物体的装置，包括物体以及连接到物体的用于物体的至少一个电加热元件，该加热元件包括发热层、加热主体和其间的电介质。

背景技术

用于加热物体的装置，诸如厨房用具、实验室设备、电饭锅(ricecooker)、水壶和电水壶，一般包括用于加热物体的加热元件和可选地存在于物体中的液体。例如，在荷兰专利申请NL 1014601中描述了这样的加热元件。在此描述了一种加热元件，例如用于加热液体容器中的液体或者用于加热板的加热，其中通过电流的穿透馈送(throughfeed)来加热电阻。除了发热层之外，已知的加热元件还设置有电介质，其将加热元件的加热主体与发热层、在这种情况下为电阻隔开。具有电介质属性的中间层不仅提供所产生的热向加热主体的良好传输，而且作为过热保护。这种保护例如可以包括热敏电路，在用具例如接通而没有液体，而加热元件可以向其传递热的情况下，当加热元件过热时，热敏电路断开装置。已知的加热元件一般作为独立单元应用。这表示用户必须将要加热的物体置于加热元件附近，以便与加热主体接触，从而能够从加热元件吸收热。在此不可避免的是，由于在加热元件和物体之间，具体在加热主体和物体之间存在空气层，因此产生热损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种装置，其与现有技术相比，使得能够更有效地加热物体。

为此，本发明提供了一种在技术领域部分中描述的类型的装置，其中至少一个加热元件通过焊接连接而连接到物体的至少一部分，其中焊接连接不延伸到电介质中。通过借助于根据本发明被布置为不延伸到电介质中的焊接连接来连接加热元件和物体，不仅实现了对物体，如果期望对其包含物更有效的加热，还实现了在实践中在焊接期间不损坏具有电介质属性的中间层，由此保证产生的热量到加热主体的良好传输，此外不对针对过热的保护产生负面影响。

可以通过借助于焊接将物体连接到用于物体的电加热元件的特定方法来制造根据本发明的上述装置，所述加热元件包括发热层、加热主体和其间的电介质，其中物体和加热元件被置于焊接位置，使用激光焊接源进行局部加热，这使得加热的部分局部熔化，因此形成焊接连接。已经发现，通过在焊接期间应用激光源，可以进行局部加热，使得在产生足够的热以使要连接的部分融化并熔合时，产生的热量不对物体和/或加热元件的电介质和/或其它可能的部件产生负面影响。这是令人惊讶的，因为激光源产生的热一般非常大。例如，在激光束的焦点附近1000-1500℃的温度不是罕见的。必须如何局部地引导激光源当然依赖于各种条件，例如要产生的热量、加热主体的尺寸等，很明显，本领域技术人员在熟悉这些条件后可以容易地进行该选择。已经发现，当使用传统焊接技术诸如TIG焊接、等离子体焊接、使用乙炔火焰的焊接、电极焊接等时，出现电介质层的劣化，由此其可能不再执行其功能，或者仅在较弱的程度上执行其功能。

在根据本发明的方法的优选实施例中，其中物体和用于物体的电加热元件至少部分地由金属构成，使物体和加热元件与所述金属部分接触，因此形成焊接位置，使用激光焊接源对物体和加热元件进行局部加热，这使得金属部分局部融化，由此形成金属焊接连接。这种方法具有下列优点：形成了强并且持久的连接，并且在连接形成期间不需要提供另外的金属。

根据本发明的方法的另一个优选实施例的特征在于，物体和用于物体的电加热元件至少部分由塑料构成，其中使物体和加热元件与所述塑料部分接触，因此形成焊接位置，使用激光焊接源对物体和加热元件进行局部加热，这使得塑料部分局部熔化，由此形成塑料焊接连接。这种方法具有另外的优点：其可以在通常较低的温度下执行，从而在其它部分中进一步减少了电介质受到负面影响的机会。

为了保证激光源的激光束仅局部加热要加热的部分，换句话说，仅加热要加热的部分使得至少电介质不受影响，优选地调节激光束的焦点使其不延伸到电介质中。本领域技术人员容易实现这种调节。如果调节激光束的焦点使其不进一步延伸到加热主体中，则获得更好的方法。如果激光束的焦点保持远离电介质预定距离，则存在其它优点。在诸多因素中，该距离依赖于多个条件，例如要产生的热量、加热主体的尺寸等，很明显，本领域技术人员在熟悉这些条件后可以容易地进行这种选择。

在根据本发明的本方法中可以应用的激光源优选具有大的局部能量密度。虽然在一定程度上依赖于局部条件，尤其合适的能量密度一般在大约0.1×10¹⁰到10×10¹⁰W/cm的范围内，更优选在0.5×10¹⁰到5×10¹⁰W/cm的范围内，最优选在1×10¹⁰到3×10¹⁰W/cm的范围内。

原则上，根据本发明的装置可以包括要加热的物体和至少一个加热元件的任意组合。然而，当物体包括用于加热液体或者其它介质的容器时，本发明的优点最为明显。在加热液体期间，存在沿着容器壁形成凝结物的危险，由此凝结物可能相对容易渗漏到加热元件的电部件，导致短路的危险。这当然是不期望的。在根据本发明的装置中发生这一点的风险较小，因为加热元件和液体容器经由焊接连接相互连接。然而，短路的危险仍然存在，但是针对这已经开发了装置的优选实施例。下面说明这些。

其特征在于至少物体的壁部分由加热元件形成的根据本发明的装置存在更多优点。将物体诸如液体容器的壁的一部分替换为加热元件实现了从加热元件到容器及其包含物的良好的热传递。在另一个优选实施例中，物体的壁部分是容器的底部。

原则上，可以以不同的方式实现容器和加热元件之间的焊接。然而，特别优选的装置具有下列特征：容器在壁部分的位置处在其壁中具有开口，所述开口被加热元件覆盖，其中加热元件至少部分地与开口的外围边缘重叠，以及其中焊接连接位于重叠部分中。已经发现，通过以所述方式连接容器和加热元件，短路的风险显著减小，这是因为到加热元件的传导部分的凝结湿气的渗漏很少出现，甚至根本不出现。

虽然根据本发明的装置可以应用在技术领域部分中描述的任何类型的加热元件，但是在下列情况下存在优点：装置的特征在于加热元件包括电介质，电介质至少包括第一和第二电介质层，其间定位有导电层。虽然已知的加热元件提供对温度改变的简单检测和针对过热进行保护，但是一般需要进行单独的设置使得能够正确地检测漏电流。因此，有时需要例如放大或者相反地衰减漏电流的电流强度。也已经发现，如果加热元件被设置为接地，则一般难以检测漏电流。在这种情况下，必须在地线中包含电隔离的互感器(transformer)系统，这非常耗时。本优选实施例具有另外的优点：可以改善对加热元件的温度改变的检测，以便针对过热进行保护和/或调节温度。通过电介质的特定装配，在第二电介质层中流动的漏电流优选地转移到导电层，这是因为在这种情况下第一电介质层用作对电更为绝缘的层(相对于第二电介质层)。现在，还可以通过电耦合到导电层或者以其它方式与其连接的安培计或者伏特计，针对很低的电流强度或者电压，对该漏电流进行检测，而不必为此进行单独设置。这使得能够以比迄今已知的更快的响应时间进行更灵敏的温度测量。此外，调节变得更便宜，因为不再需要在地线中包含电隔离的电流互感器。在此，优选地在嵌入两个电介质层之间的导电层和布置在第二层上的加热电阻之间测量漏电流。根据本发明的多层电介质的应用还提供了另外的优点，这将在下面进一步讨论。

根据本发明的另一种改进的装置的特征在于：第一电介质层的电阻比第二电介质层的电阻高，以及第一电介质层比第二电介质层更接近加热主体。已经发现，由于第一电介质层相对于第二电介质层进一步提高的电绝缘行为，可以进行更灵敏的漏电流测量。在此，当第一电介质层比第二电介质层更接近加热主体时，存在多个优点。在过热的情况下，将从第二电介质层中的发热层产生漏电流，第二电介质层与第一电介质层相比，距离加热主体更远。然后，该漏电流经由中间导电层转移，根本不流过第一电介质层，或者仅部分流过第一电介质层。在本优选实施例中，通过测量漏电流，如果期望则与前面描述的加热元件的驱动相组合，获得非常灵敏并且快速的针对过热的响应保护。本实施例具有另外的优点：针对过热的保护获得更高的可靠性，并且例如阻止不正确的使用。因此，保护操作对于加热元件、尤其是加热主体是否接地非常不敏感。

通过电介质的特定装配，在第二电介质层中流动的漏电流优选地转移到导电层，这是因为在这种情况下第一电介质层用作对电更为绝缘的层(相对于第二电介质层)。现在，还可以通过电耦合到导电层或者以其它方式与其连接的安培计或者伏特计，针对很低的电流强度或者电压，对该漏电流进行检测，而不必为此进行单独设置。这使得能够以比迄今已知的更快的响应时间进行更灵敏的温度测量。此外，调节变得更便宜，因为不再需要在地线中包含电隔离的电流互感器。在此，优选地在嵌入两个电介质层之间的导电层和布置在第二层上的加热电阻之间测量漏电流。

可以用本领域技术人员已知的任何导电材料制造导电层。因此，例如可以为此应用金属箔。然而，有益的是以导电网络或者网格的形式在两个电介质层之间布置导电层。这种实施方式节省重量，限制加热元件的总厚度，还保证两个电介质层之间的良好粘结。这增强了加热元件的机械整体性，尤其是在高温下。从高效导电的金属氧化物的组中选择尤其适合用于导电层的材料。虽然银、钯、镍和其它金属也适合在用于传感器层的厚膜材料中用作添加剂使用，但是例如添加了RuO₂的厚膜材料非常合适。

根据本发明的加热元件的第一和第二电介质层优选地作为基本上连接的层而被布置在下层上，在这种情况下第一层被布置在加热主体上，第二电介质层(设置有导电层)被布置在第一层上。基本上良好连接的层对于在与该目的相关的温度下层的电绝缘行为是重要的。如果层包含多孔结构和/或如果它们包括具有其它特性的阻断(interruption)，则在那里很可能出现漏电流或者电故障，这当然是不期望的。

可以用本领域技术人员可以获得的任何材料制造电介质层。因此，可以用聚合物制造电介质层之一或者两者，虽然这些不适合必须加热到高温的应用。更合适的材料是金属氧化物和其它无机氧化物的混合物。本发明的另一个优选实施例包括一种装置，其中用瓷釉成分制造第一和/或第二电介质层。通过熔化金属氧化物和其它无机氧化物的混合物而获得的电介质瓷釉层尤其适合。

如果期望，电介质可以由聚合物电介质层和瓷釉电介质层组合。然而，最为优选的是，两个电介质层都用瓷釉制造。特别适合该应用的瓷釉成分以Kerdi的名称销售。在众多产品中在制造电加热元件时使用瓷釉层作为电介质本身是例如从NL 1014601已知的。在此，电介质提供电阻的电绝缘，电阻一般包括金属迹线。在此，用瓷釉制造电介质产生机械上相对结实并且导热相对良好的电介质。

可以在宽的限制内选择用于两个电介质层的瓷釉成分，这依赖于期望的电属性，尤其是在使用期间出现的温度下的电属性。常见瓷釉成分的电阻率一般在室温下高，通常大于1.5×10¹¹Ω.cm，但是随着温度的提高可能急剧降低，例如在180-400摄氏度下降低到1.5×10⁷Ω.cm的典型值。通过电介质的(相对小的)漏电流在这样的电阻下变得可能。通过例如对碱金属含量进行变化和/或通过增加导电的添加剂或者相反增加电绝缘的添加剂，可以容易地调节瓷釉成分的导电率。

附图说明

下面，根据几个非限制示例性实施例来进一步说明本发明。其中：

图1示出通过根据本发明的装置的横截面；

图2示出通过根据本发明的装置的替代实施例的横截面的细节；

图3示出替代的焊接连接的细节；以及

图4示出通过根据本发明的装置的另一个替代实施例的横截面。

具体实施方式

图1示出根据本发明的装置1的优选实施例，用于加热位于容器2中的液体3。装置1设置有连接到容器2的物体的一个电加热元件10，该加热元件10包括发热层11、加热主体12和其间的电介质13，其中加热元件10通过焊接连接20连接到容器2的至少一部分。加热元件10进一步连接到仅在图1中示意地示出的电路30，电路30特别对发热层11提供电流。发热层11包括多个导电电阻元件14，用于加热液体3。例如导热板形式的加热主体12防止电阻元件14与要加热的容器2和液体3之间的直接接触。传导板12还提供从电阻元件14到液体3的热分配和有效的热传递。根据本发明，通过将容器2和加热元件10置于焊接位置并且使用激光焊接源(未示出)对它们进行局部加热，将容器2焊接到加热元件10，这使得加热部分局部熔化，从而形成焊接连接20。使用激光焊接源可以防止电介质13被激光束加热而使得电介质13受到负面影响。根据本发明，因此，如图1所示，焊接连接20不延伸到电介质13中。为了进一步改善从加热元件10到容器2和液体3的热传递，由加热元件10形成容器2的壁部分21，在示出的优选变化形式中是底部。这提供了传导板12和液体3之间的直接接触。如图所示，在底部，容器2在由加热元件10覆盖的壁中具有开口21，其中加热元件10与开口21的外围边缘的部分22重叠。焊接连接20位于重叠部分22。在此有益的是，焊接连接20基本上连续地沿着开口21的外围方向排列。然而，焊接连接20还可以不连续地排列，其中必须保证容器2适当地将外围边缘22连接到加热元件10上。

图2示出根据本发明的第二优选实施例的细节的示意图，其中加热元件10包括电介质13，电介质13至少包括第一电介质层130和第二电介质层131，导电层132位于其间。第一电介质层130的电阻比第二电介质层131的电阻高。此外，第一电介质层130比第二电介质层131更接近加热主体12。用瓷釉成分制造两个层(130，131)。根据该优选变化形式，加热元件10包括用于进行加热的加热板12，其由在重量上含18％的铬的铁素体铬钢(ferritic chromium steel)制造。还可以使用其它合适的金属或者瓷载体，诸如脱碳钢、铜、钛、SiN和Al₂O₃等。第一电介质瓷釉层130布置在加热板12上。第一瓷釉层130基本上具有瓷釉成分，其碱金属含量与第二电介质瓷釉层131的碱金属含量不同。例如网格形式的导电层132布置在第一相对电绝缘的瓷釉层130上。网格132例如由基于氧化钌(RuO₂)的厚膜层或者具有诸如银、钯、镍等和/或其组合的合适传导材料的其它合适的传导(厚膜)层制造。然后，第二瓷釉层131布置在相对传导层132上。与第一电介质瓷釉层的成分不同，第二瓷釉层131的瓷釉成分优选具有碱金属含量，尤其是锂和/或钠，和/或钾含量。如此选择第一和第二电介质层的瓷釉成分，使得第二瓷釉层131的电阻率在低温下比第一相对绝缘层130的电阻率减小。随后在与第一层130相比较具有较好导电性的第二层131上，以电阻元件或者可以用于产生热的迹线14的形式布置电加热层11。为了在使用期间监视加热元件10的温度，与第一层130和第二层131相比较具有更好导电性的传感器层132提供了确定通过第二相对传导层132的漏电流的选项。例如如图3的实施例所示，可以测量漏电流。为了将加热板12接地，如果期望，可以将地线固定到耦合到地的元件板12。为了直接测量通过第一层130的漏电流，可以在电阻层11和导电层132之间连接安培计(未示出)。测量的漏电流的幅度表示元件10上的某一位置处的最高温度的幅度。当超过预定温度时，由于第二电介质层131的电阻减小，漏电流将急剧增大，因此这可以容易地通过安培计来检测。因为实际上没有漏电流流过第一电介质层130，因此通过安培计测量漏电流变得更准确。可选地，可以耦合安培计，用于对加热电阻元件14的电源进行控制。实际上，在例如WO 0 167 818中已知并描述了可以用于测量漏电流和调节电源的电路。根据本优选实施例的加热元件10基于包括两个电介质层(130，131)和导热层132的电介质13的成分和操作在操作上提供高的可靠性。这些层之一损坏将使得没有这个优点。根据本发明的装置1和用于制造其的对应方法具有更多优点，即防止电介质13损坏，或者电介质13更不容易损坏。尤其在本优选实施例中，这是一个大的优点。图2所示的根据本发明的装置的优选实施例还包括悬挂体31，其可以例如固定到壁上，并且可以在其中包含电路30。悬挂体31设置有例如可以容纳装置1的加热元件10的一部分的凹进部分32。图2还示出了形成在容器2壁上的凝结泡40。在加热液体3期间容易形成这些泡，如果这些泡与例如发热层11的电阻元件14接触，则产生短路的危险。这是大的危险，因为在装置1中加热元件10连接到容器2。图2所示的连接方法防止泡40在加热元件外移动，因为它们被捕获到加热元件10和容器2之间的间隙中，并且在那里蒸发。图2示意性地示出在该位置的凝结泡40a。图3示出了焊接连接的另一种变化形式。在此，凝结泡40也不能与加热元件10接触。

最后，图4示出了根据本发明的装置的另一个优选实施例。该装置1包括例如用于牛奶的容器2，还设置有钟(bell)状的底部部分23。该部分23可以形成容器2的壁的整体部分，但是也可以形成经由焊接连接20以根据本发明的方式连接到加热元件10的独立部件。装置1还包括搅拌装置50，其包括搅拌磁体52，搅拌磁体52经由驱动杆51可旋转地连接到加热元件10。驱动杆51可以由电机(未示出)驱动。搅拌磁体52与位于牛奶3中的搅拌体53以磁方式共同动作。如果期望，可以对搅拌体53设置搅拌翼54。为了进一步改善加热元件10和液体3之间的热传递，如果期望，可以去除容器2的底壁的多个部分(如图1所示)，使得在液体3和加热元件10之间出现直接接触。

Claims (8)

1.一种用于焊接电加热元件以覆盖容器的底部中的开口的方法，所述容器用于加热液体或者其它介质，所述加热元件包括发热层、导热主体、以及在所述发热层与所述导热主体之间的电介质，其特征在于，所述电加热元件至少部分地与所述开口的外围边缘重叠，以及其中所述导热主体被使用激光焊接源进行局部加热，使得加热的部分局部熔化，由此形成位于重叠部分中的焊接连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述底部和所述加热元件各自的金属部分相互接触，由此形成焊接位置，使用激光焊接源对所述金属部分进行局部加热，使得所述金属部分局部熔化，由此形成金属焊接连接。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述底部和所述加热元件各自的塑料部分相互接触，由此形成焊接位置，使用激光焊接源对所述塑料部分进行局部加热，使得所述塑料部分局部熔化，由此形成塑料焊接连接。

4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的方法，其特征在于，激光束的焦点不延伸到电介质中。

5.根据权利要求1-3中的任意一项所述的方法，其特征在于，激光束的焦点不进一步延伸到导热主体中。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述电介质至少包括第一电介质层和第二电介质层，在第一电介质层和第二电介质层之间定位有导电层。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第一电介质层的电阻比第二电介质层的电阻大，以及第一电介质层比第二电介质层更接近导热主体。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，用瓷釉成分制造第一电介质层和/或第二电介质层。

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