CN1071929C - 有关电热元件及其控制器的改进 - Google Patents

Abstract

一种用于电加热沸水器的平板形加热元件，包括一个在一侧形成有印制的加热元件的不锈钢板，该印制的加热元件夹持在两个电绝缘的玻璃层之间。在过热状态用于断开元件电源的控制器包括一个双金属片形式的一级致动器，它通过在最外边的玻璃绝缘层上形成的窗口可直接靠紧该印制元件，该双金属片固定在一个二级致动器中，二级致动器由用于双金属片的可热压扁的托架构成，双金属片与窗口周围的玻璃绝缘层接触。借助于这种结构，使一级和二级致动器可经受不同的温度，保证二级致动器对不期望出现的操作是不敏感的。

Description

有关电热元件及其控制器的改进

本发明的领域

本发明涉及电热元件及其控制器的改进，具体来说(但不排除其它)，涉及电水壶和热水罐之类的液体加热器皿及其相关控制器，适于响应检测到的元件过热状态(例如相关器皿无水时还给加热元件接通电源产生的过热状态)断开加热元件的电源。虽然本发明已经具体应用到电水壶和热水罐，并且下面也是具体参照这种应用进行描述的，但本发明并不局限于这种应用。

本发明的背景技术

在电壶、热水罐之类的器皿中最常用的常规电热元件包括一个含在管状金属护套中的线绕电阻加热元件，在护套内电阻加热元件周围填充矿物绝缘材料。经常用这种类型的带护套的加热元件作浸没式加热器，这种元件包括加热元件本身和一个元件顶部(head portion)，因此，这种元件适于装在器皿壁中为此目的形成的一个孔内。该加热元件本身通常有一个所谓回热部分(hotreturn portion)，元件在这里返回，与元件顶部接触，从而在元件顶部的另一侧(干侧)确定了可检测加热元件本身的温度的一个位置。适于装在元件顶部的干侧的元件保护控制器是众所周知的，它的热敏致动器(一般是一个双金属元件)与前述的那个位置呈闭路传热关系。当例如给不含水的有关器皿的加热元件接通电源使加热元件本身过热时，通过元件头部向元件保护控制器发出一个热信号，促使控制器去断开元件电源。

上述类型的一个典型的元件保护控制器是由Otter ControlsLimited制造的X1控制器，在GB-A-2194099中专门结合图3A、3B和3C对其进行了总体描述。X1控制器提供两级元件保护，即通过加上以上所述的双金属致动器实现一级元件保护，并通过在一个合成塑料托架内设置双金属致动器使一级保护一旦失效时(这种情况发生的可能性很小)能有效提供二级保护或备用保护；对该合成塑料托架进行安排，使得元件顶部的温度一旦连续升高到大于一级保护正常操作的温度时该合成塑料托架要发生形变，并对这样产生的托架的形交进行安排使其刚好可断开加热元件的电源。

平板形的电热元件也是众所周知的。咖啡制备设备通常包括一个热板，以给制成的咖啡保温，这样的热板通常包括一个带保护套的加热元件，用作前述的铸件；或者将该加热元件嵌入一个铝铸件中，而这个铝铸件本身形成该热板；或者按另一种方式可将该加热元件固定到一个不锈钢热板上。在我们的英国专利申请No.9321681.0中描述了另一种形式的平板状加热元件，该加热元件通常包括一个在电绝缘衬底上形成的具有一定图案的电阻加热元件，形成的方法例如有：使用导电油墨(electrically-conductiveink)的平版印刷技术、在半导体器件制造领域公知的光刻技术、和/或众所周知的其它淀积技术，如金属的火焰喷射、等离子体蒸汽淀积、等等。具体来说，在我们的英国专利申请No.9321681.0中描述的平板形加热元件包括一个薄的不锈钢片，它形成该元件的上表面，在其下侧设有一个薄的玻璃层，或者其它的耐热电绝缘材料。例如通过使用导电油墨的印刷技术，在玻璃层的表面上形成电阻加热元件本身，并且在该印制的元件的上方提供另一个薄的玻璃层或其它的耐热电绝缘材料。

本发明具体来说(但并不排除其它)涉及以上所述的、在我们的英国专利申请No.9321681.0中描述的这种类型的平板形加热元件以及适用于这种元件的元件保护控制器。本发明是我们开发上述平板形加热元件、并且改进前述的X1控制器使之能用于这种平板形元件的深入工作的结果。

本发明的概述

按照本发明的一个方面，提供一种和元件保护控制器一道使用的大体平板形的电热元件，该控制器具有一级热敏致动器和二级热敏致动器，二级热敏致动器响应明显高于一级热敏致动器操作温度的元件温度而操作，所说电热元件包括：一个衬底或基板，一个在所说基底或基板的至少一个表面一部分上形成的一个电绝缘层，一个在所说的电绝缘层上形成的因此与所说衬底或基板隔离开的电导体，所说电导体的材料的电阻等于电阻加热元件本身的电阻，以及，在所说电导体上形成的另一个电绝缘层，所说另一个电绝缘层有一个开口，在和前述的元件保护控制器一道使用该电热元件过程中，一级热敏致动器通过该开口可以接近所说电导体，因此能直接响应于电导体的温度，并且防止该二级热敏致动器直接接近所说电导体，使二级热敏致动器通过另一个电绝缘层的热传导来响应电导体的温度。

在适于和上述的X1元件保护控制器的改进形式一道使用的本发明的上述方面的典型实施例中，对控制器的双金属一级热敏致动器进行安排，使其能借助于定位把该致动器与另一个电绝缘层上的开口对齐，因而该致动器能直接响应于加热元件的温度，并且对构成控制器的二级热敏致动器的塑料材料托架(还用于安装双金属一级热敏致动器)的支脚进行安排，使其能和其中所说开口外部的另一个电绝缘层接触。如下面将会详细描述的，所说实施例有一个不锈钢衬底或基板，由玻璃材料形成这两个电绝缘层，并且该电阻加热元件本身包括一个由导电油墨形成的加热器印刷线。加热器印刷线具有终端点，通过在第二电绝缘层(如，玻璃层)上形成的相应开口可接近加热器印刷线，元件保护控制器具有弹性金属导体，用于当控制器相对于加热元件处于可操作的位置关系时与所说终端点实现接触。对于用在塑料主体的器皿中的加热元件，使用不锈钢衬底或基板是有益的，这是因为可以利用不锈钢的相对差的导热性来热隔离塑料器皿主体和电阻加热元件本身。但使用不锈钢衬底只是举例说明，还可以使用其它的材料。衬底或基板甚至于可以和首次提到的电绝缘层完全相同，在这种情况下可在衬底上直接形成电阻加热元件本身。

本发明还引伸到前述的加热元件与前述的元件保护控制器的组合，并且引伸到加入这一组合的液体加热器皿。按本发明的下一方面，进一步还提供一种与大体平板形加热元件一道使用的元件保护控制器，所说控制器包括：一个由电绝缘材料形成的主体部件，一个设在所说主体部件的一侧上的并且与大体平板形加热元件并置的一级热敏开关致动器，一个设在所说主体部件的所说的一侧上并且在一个或多个位置与所说大体平板形加热元件并置的二级热敏开关致动器，这里所说的一个或多个位置是与设置和大体平面形的加热元件并置的所说一级热敏开关致动器的位置分隔开的，在所说主体部件中响应所说一级和二级热敏开关致动器以确定是否通过控制器向大体平板形加热元件提供电能的开关装置，以及电连接到所说开关装置并且在所说主体部件的所说的一侧上延伸以电接触所说大体平板形加热元件的电终端的终端装置。

在所附的权利要求书中具体规定了本发明的以上各个方面和其它的一些方面、以及特征，并且从下述结合附图对本发明的典型实施例的详细描述中将会完全清楚本发明的这些方面、特征、以及它的优点。

附图的简要说明

图1是实施本发明的一个方面的元件保护控制器的分解透视图；

图2A、2B和2C分别是图1的元件保护器的顶视平面图、侧视图、和端视图；以及

图3A和3B是实施本发明的另一方面的平板加热元件的示意侧视剖面图和顶视平面图，图1和2的控制器适于和例如图3的平板加热元件一道使用。

实施例的详细描述

在详细描述实施例之前，先要明确的是，图1和2的元件保护控制器是上述的X1控制器的一种改进形式，在GB-A-2194099中专门参照它的图3A、3B和3C描述了这种X1控制器。在下边只对该控制器作简要叙述，要想全面理解所说控制器的所有方面和所有优点，请参照GB-A-2194099。

首先参照图1，其中所示的元件保护控制器包括第一和第二模注的塑料主体部件1和2，要使主体部件1和2能结合在一起并在其间卡住第一和第二终端3和4、以及弹性金属导体5、6、7。在主体部件2的另一侧上提供一个双金属一级开关致动器8，让该致动器8以和GB-A-2194099中所述的X1控制器类似的方式安装在一个塑料材料托架9上，又让托架9按预定方式定位在主体部件2的前面(图中看不见)。

按和GB-A-2194099所述类似的方式对双金属一级开关致动器8进行安排，以确定由弹性金属导体5、6的部分10、11决定的一个开关的状态，为此目的还设置一个推杆12。在正常条件下部分10和11彼此电接触，当在使用中双金属一级开关致动器8响应于元件的过热状态时通过推杆12断开部分10和11。一级开关致动器不管出于什么理由一旦失效而未使部分10和11之间的接触断开，加热元件还将继续通电，它的温度将升高到由塑料材料托架9构成的二级热敏致动器可以操作的一个温度。托架9有面向后的突起13和14。对突起13和14进行设计，使它们可以穿过主体部件2并与弹性金属导体5、7的部分15、16接触，因为当按可操作的方式将该控制器耦合到一个平板形加热元件、并且向后将托架9压向主体部件2时，通过突起13和14迫使弹性金属部分15和16分别与终端3和4接触。托架9有4个带支脚18的支柱17，可以靠在一个相关的加热元件的后表面上，并且当元件温度上升到使支柱17要开始熔化的温度时，由于导体部分15和16的弹力作用使托架9向前朝加热元件方向压扁，最终使导体部分15和16脱开与控制器的终端3和4的接触。

让图1和2的元件保护控制器与大体平板形加热元件一道使用，并且可以看出：弹性金属导体6和7具有向前延伸的部分19和20，使它们在控制器主体部分2的前方突出出来并且与平板形加热元件的终端部分电接触，用于通过控制器向加热元件提供电能。

现在参照图3A和3B，其中分别表示出按本发明的一个方面的平板形加热元件的一种典型形式的侧视剖面图和示意平面图。该平板形加热元件包括一个不锈钢衬底或基板20，在基板20的中心区形成电绝缘的第一玻璃层21，在玻璃层21上形成导电的加热器印刷线22，在加热器印刷线22上以及在第一玻璃层21上形成的电绝缘的第二玻璃层23。在第二玻璃层23中设置一个开口或窗口24，可露出开口下方的加热器印刷线22，并且如图3B所示，确定开口24的大小，使图1控制器的双金属一级致动器8能直接响应于加热器印刷线22的温度，但又要能把托架9的支脚18定位在开口外部和开口周围的玻璃表面上。在第二玻璃层23中在和加热器印刷线22的终端点27、28对应的位置设置附加的开口25、26，并且对附加开口25、26进行安排，以便在控制器和加热元件装配成可操作关系时能被控制器弹性导体6、7的向前突出的部分19、20接触。加热器印刷线22的终端点27、28最好由银形成，或者由与其类似的良好的电接触材料构成。

在加热元件基板20上设有安装柱29和30，用于固定元件保护控制器。这些安装柱可以是带螺纹的，或将其设计成能与任何适当形式的摩擦式固定装置接合。

在带有上述元件保护控制器的上述平板形加热元件的操作中，控制器的双金属一级致动器和元件的加热器印刷线保持直接热传递关系，从而可保证控制器对元件的过热状态的迅速响应。同时，通过将二级保护装置(即，可压扁的托架9)和加热器印刷线22隔离可以保证：在一般情况下和控制器一级保护操作同时发生的热过冲(即，在一级保护操作后在元件中一般要产生的动态温升)不会导致二级保护的动作。双金属一级致动器与加热器印刷线的紧密热接触进一步还能改善一级保护响应时间，从而进一步减小了温度过冲量。这些因素都有利于选择用于托架9的适宜材料。

元件保护控制器的形状相当“平直”，从美学角度看也是有益的，并且可使将控制器插入外观漂亮的设备中的任务简化。

以上描述了一种装在印制的元件上的带有可变形的二级备用保护的双金属控制器结构，其中：控制器的双金属片与加热器印刷线直接热接触，并且可变形的备用保护通过一个玻璃外层与加热器印刷线热隔离，这个玻璃外层限制了它的过冲温度，因此在此结构中可利用它的实际热塑性。此外，在此结构中，介绍了一种通过与控制器构成整体式结构的弹性元件和电连接到加热器印刷线上的印制的触点之间的直接接触来实现和加热器印刷线的电连接的结构。

虽然参照典型实施例已经描述了本发明，但显然应该认识到，这些已描述过的实施例只是对本发明进行举例说明，不起限制作用；并且对于具有相关技能的技术人员来说，在不离开由所附的权利要求书规定的本发明的范围的条件下，可以作出改进和变化。例如，在平板形加热元件的相对侧(湿侧)上的一个和开口24的位置(即，双金属片8检测元件温度的位置)相对应的位置上可设置一个内室，该内室具有带孔的壁，当器皿注水时允许水流入内室内部，但内室的尺寸和结构应使器皿中的水沸腾时在内室中产生的蒸汽能把水从这里排掉。通过设置这样一种内室，使用作元件过热控制器的一个控制器具有两种功能：在元件过热的条件下(无论什么原因引起的)使元件电源断开，并且当器皿内的水沸腾时自动断开元件的电源，器皿中水的沸腾以及对于内室的水的排除作用将在内室中引起元件过热状态，使控制器开始操作运行。

Claims (18)

1．一种电加热元件，它和一个元件保护控制器一道使用，该控制器具有一级热敏致动器和二级热敏致动器，二级热敏致动器响应于明显高于一级热敏致动器操作温度的元件温度而操作，其特征在于所说电加热元件基本上呈平面形，并且包括一个基板，所说基板界定一个电绝缘表面，在所说电绝缘表面上形成一个电导体，构成电导体的材料的电阻等于构成电阻加热元件本身的电阻，并且在所说电导体上形成一个电绝缘层，所说一个电绝缘层有一个开口从中贯穿，在和上述的元件保护控制器一道使用该电加热元件过程中，一级热敏致动器可接近所说电导体，使一级热敏致动器可直接响应于所说电导体的温度，并且阻止二级热敏致动器直接接近所说电导体，二级热敏致动器通过该电绝缘层的热传导来响应所说电导体的温度。

2．如权利要求1所述的加热元件，其中所述基板具有形成在其至少一个表面的一部分上的一个电绝缘层，所述电导体形成在所述电绝缘层上，从而与所述基板相隔离，并且所述开口形成在另一个电绝缘层中。

3．如权利要求2的加热元件，其中所说基板由金属材料形成。

4．如权利要求3的加热元件，其中所说金属材料包括不锈钢。

5．如权利要求2的加热元件，其中所说的基板由非金属电绝缘材料形成。

6．如权利要求5的加热元件，其中构成基板的材料与在其上形成的首次提到的电绝缘层的材料相同。

7．如权利要求2的加热元件，其中首次提到的电绝缘层和/或所说的另一个电绝缘层由玻璃材料形成。

8．如前述权利要求中任何一个所述的加热元件，其中所说电导体包括淀积在电绝缘表面上的电阻加热器印刷线。

9．如权利要求8的加热元件，其中所说加热器印刷线包括印制在电绝缘表面上的导电油墨。

10．如权利要求8的加热元件，其中所说加热器印刷线包括位于相应的孔的下方的终端点，这些孔设在该覆盖的电绝缘层中，以便接近所说终端点，向加热器印刷线提供电能。

11．一种电加热组合体，它包括一个电加热元件和与之一道使用的一个元件保护控制器，该控制器具有一级热敏致动器和二级热敏致动器，二级热敏致动器响应于明显高于一级热敏致动器操作温度的元件温度而操作，其特征在于所说电加热元件基本上呈平面形，并且包括一个基板，所说基板界定一个电绝缘表面，在所说电绝缘表面上形成一个电导体，构成电导体的材料的电阻等于构成电阻加热元件本身的电阻，并且在所说电导体上形成一个电绝缘层，所说一个电绝缘层有一个开口从中贯穿，在和上述的元件保护控制器一道使用该电加热元件过程中，一级热敏致动器可接近所说电导体，使一级热敏致动器可直接响应于所说电导体的温度，并且阻止二级热敏致动器直接接近所说电导体，二级热敏致动器通过该电绝缘层的热传导来响应所说电导体的温度。

12．如权利要求11的组合体，其中的一级热敏致动器包括一个双金属元件，二级热敏致动器包括一个部件，对构成该部件的材料进行选择，使其在超过预定温度值的温度下能在弹性元件压力作用下发生形变。

13．如权利要求12的组合体，其中的二级热敏致动器包括一个由热塑性材料构成的部件。

14．如权利要求12的组合体，其中二级热敏致动器包括一个用于所说双金属元件的托架。

15．如权利要求11-14中任何一个所述的组合体，其中所说元件保护控制器包括一个由电绝缘材料构成的主体部件，在所说主体部件的一侧上设有所说一级热敏开关致动器，使该致动器与加热元件的所说开口并列设置，并且在所说主体部件的所说这一侧上提供二级热敏致动器，使该致动器在一个或多个与所说开口隔开的位置与所说加热元件并列设置，在所说主体部件上提供有开关装置，该开关装置响应于所说一级热敏致动器和二级热敏致动器，用于确定是否通过控制器向加热元件提供电能，并且提供有终端装置，这些终端装置电连接到所说开关装置并且在所说主体部件的所说这一侧上延伸，用于电接触所说加热元件的电终端。

16．一种平板形加热元件，包括一个加热器印刷线，该加热器印刷线在一个基板上形成并且设有一个覆盖的电绝缘层，其特征在于该电绝缘层有一个与加热器印刷线的一部分对齐的孔，借此可获得至加热器印刷线的通路，以直接监测它的温度。

17．如权利要求16所述的平板形加热元件，其与一个元件保护控制器相组合使用，所说保护控制器包括：一级热敏致动器，对其进行安排，使其可直接响应通过所说孔可接近的加热器印刷线的这个部分的温度；以及，二级热敏致动器，对其进行安排，使其能响应所说孔的外部的一个或多个位置的加热器的温度。

18．一种包括如权利要求11所述的一个平板形加热元件和元件保护控制器组合体的液体加热容器。

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