CN111024254A

CN111024254A - 加热装置以及用于加热装置处的温度检测的方法

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Publication number: CN111024254A
Application number: CN201910954460.0A
Authority: CN
Inventors: V.布洛克; H.屈梅尔勒; B.罗宾; K.施密特; K.舍内曼; M.塔费尔纳
Original assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Current assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Priority date: 2018-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2039-10-09
Also published as: CN111024254B; KR20200040666A; EP3637948A1; DE102018217239A1; EP3637948B1; DE102018217239B4; PL3637948T3

Abstract

加热装置具有导电支架、支架上的加热导体以及由介电材料组成的传感器层，其中，传感器层被布置在加热导体上方或下方并与所述加热导体电绝缘，并且还具有与温度有关的导电率。所述传感器层的电阻抗根据温度而改变。提供了用于支架处的温度检测的致动设备和评估设备，其中，致动设备生成具有交流电的致动信号，并且评估设备检测传感器层处的致动信号的取决于温度的变化。变压器具有初级侧和次级侧，其中，初级侧被连接至致动设备和评估设备。次级侧具有第一连接件和第二连接件，该第一连接件和第二连接件被连接至加热导体、导电传感器电极或支架，其中，两个连接件被连接在传感器层的两侧。

Description

加热装置以及用于加热装置处的温度检测的方法

技术领域

本发明涉及一种包括支架的加热装置，该加热装置用于加热与支架邻接的介质、特别为水。本发明还涉及一种用于这种加热装置处的温度检测的方法。

背景技术

从US 2017/086257 A1和DE 10 2013 200 277 A1已知这类加热装置，其中，温度传感器被集成到所述加热装置中。所述温度传感器旨在使特别是表面区域温度监测成为可能。已知并且为此目的提供了由介电材料组成的传感器层，该传感器层具有与温度有关的导电率。所述传感器层在室温下是电绝缘的，但是所谓的泄漏电流（即，增加的电流）随着温度的升高而流过所述传感器层。所述电流的大小可以用于确定传感器层处的温度，以及也因此确定支架处的温度。各种可能性可用于此目的，其中，通常还期望介电传感器层充当绝缘件。当支架由金属组成并且与所述支架邻接的水旨在由所述支架加热时，这是特别重要的。

发明内容

本发明基于提供开始所提到的那类加热装置以及开始所提到的那类方法的问题，利用所述加热装置和方法，可以解决现有技术的问题，并且特别可以以简单的方式以及利用合理的花费生产加热装置，并且还能够以实用和操作可靠的方式操作所述加热装置，特别是在温度过高的情况下也是如此。

通过具有权利要求1的特征的加热装置以及还通过具有权利要求12的特征的方法来解决该问题。本发明的有利且优选的改进是另外的权利要求的主题并且将在下文更详细地解释。在该过程中，将仅针对加热装置或仅针对方法描述一些特征。然而，不考虑这一点，它们旨在能够自主且独立于彼此地应用于加热装置和方法两者。权利要求的措辞通过明确引用并入说明书中。

规定加热装置具有支架，该支架在顶侧是电绝缘的或者电气绝缘的并且该支架在其底侧加热邻接介质。所述介质可以有利地是液体或水。由于支架材料本身，顶侧可以是电绝缘的，或者它在支架由金属等组成的情况下可以设置有绝缘层。将加热导体以及由介电材料组成的传感器层施加到支架，其中，施加它们所用的顺序原则上可以改变，使得传感器层可以布置在加热导体上方或下方并且特别是由于其固有特性而可以与所述加热导体电绝缘。此外，传感器层具有与温度有关的导电率，使得所述传感器层的电阻抗（该电阻抗特别是复电阻抗）根据传感器层处的温度以及支架处或加热装置处的温度而改变。此外，提供了用于支架处的温度检测的致动设备和评估设备。致动设备被设计为有利地以本身惯常的方式生成具有交流电的致动信号。评估设备被设计为检测传感器层处的致动信号的变化，其中，该变化取决于传感器层的温度或与温度有关的导电率。在本发明的一种改进中，致动设备和评估设备可以共同设置在例如一个控制模块（诸如，控制器、微控制器等）中。然而，并非必须如此；它们也可以是分开的。

根据本发明，加热装置具有变压器，该变压器具有初级侧和次级侧。在这种情况下，初级侧被连接至致动设备以及还连接至评估设备。次级侧具有第一连接件和第二连接件。这些连接件以不同方式连接至加热导体、至至少一个导电传感器电极或至支架，其中，在每种情况下，连接件中的一者可以连接至所述部件中的一者，但是两个连接件在任何情况下都不彼此连接。如果两个连接件中的一者连接至支架，它因此也必须是导电的或者由导电材料组成或至少涂覆有导电材料，例如，由钢组成。重要的是，两个连接件连接在传感器层的两侧或者传感器层位于两个连接件之间，优选地恰好位于它们之间，使得两个连接件所连接到的导电部件可以直接支撑抵靠传感器层并且如果需要的话与所述传感器层进行电接触。

至少一个传感器电极可以以层结构、优选地，以片状方式或者至少以梳状方式或指状方式（如从现有技术本身已知的）设置在支架上。还可以在每种情况下将两个连接件连接至两个不同的传感器电极中的一者，该传感器电极在其间具有处于直接接触的传感器层。

因此，由于借助于变压器评估传感器层，所以本发明提供了在加热装置处提供特别良好的电绝缘的可能性。这对于保护加热装置来说是非常有利的，特别是如果水是旨在被所述加热装置加热的介质。还可以使用用于层结构的有利可能性。

可以测量变压器的次级侧的与温度有关的衰减，所述与温度有关的衰减是当支架处的传感器层的阻抗或复电阻抗随着所述支架的温度变化而变化时产生的。由于变压器只必须原样地解耦待测量的信号，所以变压器可以具有相对简单的设计。大量的放电电流不会流过电路，因此大大提高了电气安全。此外，甚至加热装置的层结构也可以以更灵活的方式配置。可以通过传感器层相对于支架或相对于加热导体、也可以相对于要另外提供的上述传感器电极来执行测量。

另外的优点是相同材料可以用于基底绝缘件和传感器层，所述基底绝缘件可以设置在支架上。另外，可以将加热导体以相对远离所述支架的方式布置在支架上。在这种情况下，传感器层、上述基底绝缘件和/或其下方的传感器电极可以设置在所述加热导体与所述支架之间。然后，如果进一步地仅必须将覆盖层作为电绝缘层施加到加热导体，与其他层并且特别地也与加热导体相比，可以以相当更低的温度烘干该电绝缘层，则在烘干加热导体之后可能不再需要在高温下进行另外的烘干过程。因此，可以使得所述加热导体的特性不再受到不利影响，或者在加热导体本身的烘干过程之后仅在最小程度上受到另外的烘干过程的不利影响，因此，可以特别准确地调整所述加热导体。

根据本发明的加热装置可以用于将作为交流信号或作为交流电信号的致动信号在变压器的初级侧处电感耦合到次级侧中。该次级侧经由其两个连接件被连接成使得传感器层位于所述两个连接件之间。传感器层的阻抗（有利地，该阻抗是所谓的复阻抗）根据传感器层处的温度以及也因此根据支架处的温度改变。该与温度有关的变化引起变压器的次级侧的与温度有关的衰减，并且这在变压器的初级侧处又可以以已知且容易想到的方式被检测到。通过使用连接至所述初级侧的评估设备利用简单的评估可以将所述衰减作为温度或者至少过高温度的度量而进行检测。如从开始所提到的现有技术已知的，这种高温然后也可以仅应用于支架或传感器层的较小区域。因此，这种加热装置处的与开始所提到的现有技术相比更容易的温度检测或温度监测是可能的。

在本发明的又一改进中，可以规定致动信号具有小于1 MHz的频率。频率可以有利地位于10 kHz与200 kHz之间。所述频率可以特别有利地位于20 kHz或25 kHz与80 kHz之间，在此情况下，所述频率基本或完全位于高于人耳的可听范围。因此，可以避免可能的噪声。

此外，致动信号可以具有相对较低的电压，该电压可以低于50 V。所述电压有利地位于3 V与20 V之间，特别有利地位于5V。因此，可以使用通常用于电子电路的可容易获得的电压。

在本发明的有利改进中，可以在初级侧形成分压器，其具有在变压器的初级侧的上游的串联电阻器。致动设备连接至该串联电阻器，即，借助于串联电阻器和初级侧的串联连接而连接至该串联电阻器。评估设备又连接在串联电阻器与初级侧之间，以便检测仅变压器的初级侧上的电压，以便检测上述的与温度有关的衰减。

在本发明的又一可能的改进中，传感器层可以由一个在另一个上而形成的多个部分传感器层组成。在这种情况下，所述部分传感器层一个在另一个上地被直接施加，并且在每种情况下都被烘干。厚膜方法尤其适合于此目的。部分传感器层优选地具有相同的表面面积，并且提供全表面覆盖或至少大于90%的覆盖。

如果在施加加热导体之前已经有利地施加了传感器层或所述部分传感器层，则所述传感器层或所述部分传感器层也可以在施加所述加热导体之前被烘干。因此，较厚的传感器层是可能的，这特别是由于所述传感器层由一个位于另一个上的多个部分传感器层形成，以及由于必须烘干多次，仅在其后待施加的加热导体将不会受到不利影响。

本发明的有利改进作出了规定，片状传感器层由待直接施加到支架的上述介电材料组成，该支架由金属材料（有利地，钢）组成。由导电材料组成的传感器电极可能可以施加到所述片状传感器层，在这种情况下，该传感器电极然后可以代替加热导体用于通过传感器层相对于支架进行测量。基底绝缘层被施加到片状传感器层上方，即，被直接施加到所述片状传感器层或上述传感器电极。所述基底绝缘层还应该仍然提供充足的电绝缘，或者在比加热装置的最大持续操作温度更高以及甚至高出100°C至300°C的温度下尽可能提供电绝缘。然后将加热导体施加到该基底绝缘层，该加热导体可以有利地具有彼此连接的多个伸长区段。关于加热导体的配置，参照开始所提到的现有技术。彼此电隔离并因此可以单独或按需致动的多个加热导体也可以设置在加热装置上。接着，将片状的电绝缘覆盖层施加到加热导体，该覆盖层可以说完成了顶部处的层结构。与上述的基底绝缘层一样，该覆盖层还应该在高于加热装置的标称操作温度的温度下提供电绝缘，以作为电击保护等。

代替输出或生成作为所检测的温度或特定温度被超过的度量的信号的评估设备，分立电子系统也可以连接至变压器的初级侧。在简单改进中，所述分立电子系统可以特别有利地是继电器，在与加热装置处的过高温度相对应的过强或过弱的衰减的情况下，该继电器至少部分地关闭加热装置以便再次降低温度。如在开始解释的，可以单独致动的加热导体可以有利地用于此目的，为了降低温度的目的关闭一些加热导体。

本发明尤其基于传感器层的导电率随着所述传感器层的温度增加而增加。因此，增加的电流可以从变压器的次级侧流走，通过传感器层，到达加热导体、支架或可能提供的传感器电极。以这种方式，从变压器传输更多能量，因此初级侧的衰减增加。如上文已经解释的，甚至可以通过评估设备或通过分立电子系统以非常简单的方式检测到这一点。如果所述分立电子系统是呈简单配置的上述继电器，则继电器可以从特定点开始直接切换。以这种方式，可以减少或关闭加热装置的加热输出，以便降低加热装置处的危险高温。

不仅可以从权利要求书还可以从说明书和附图收集这些和另外的特征，其中，单独特征在本发明的实施例中和在其他领域中可以在每种情况下被单独实现或者以子组合形式作为多个特征被实现，并且可以构成实施例，该实施例是有利的并且其本身是可保护的且本文要求对该保护进行保护。将该申请细分为单独章节和副标题并不会限制在这些单独章节和副标题下对其一般效力进行的陈述。

附图说明

在附图中图示并且将在下文更详细地解释本发明的示例性实施例。在附图中：

图1示出了借助于变压器致动以进行温度监测的根据本发明的加热装置的电路图，

图2示出了基本电路图，其用于图示加热装置的支架上的传感器层的复阻抗，

图3示出了来自图1的加热装置的支架上的层结构，以及

图4示出了加热装置的又一改进的平面图，该加热装置与来自图1的加热装置类似并且具有来自图3的层结构以及以交错方式延伸的两个加热导体。

具体实施方式

图1图示了根据本发明的加热装置11。在右手侧的区域中示出了加热装置11的实际有源部分，该加热装置11具有支架13以及在所述支架上的层结构。在左手侧的区域中图示了具有致动设备28和评估设备30的上述变压器32。

串联电阻器R_V与变压器32的初级侧34串联连接。与评估设备30（有利地，控制器或微控制器）的连接设置在所述串联电阻器与所述初级侧之间。在包括串联电阻器R_V和初级侧34的串联电路上施加致动设备28的致动电压U_A。致动电压U_A可以是具有方波形的交流信号。电压可以是大约5 V，测量频率最通常可以位于1 kHz与10 MHz之间，有利地在低的千赫范围内，例如在50 kHz处。给定与低信号电压相对应的电压一样低的电压，以相对无问题的方式提供电击保护。

针对初级侧图示了原样通过次级侧35传输的复阻抗X_L。由于传感器层17的特性，产生了复阻抗X_L，该传感器层17具有开始所提到的介电特性，其具有与温度有关的电阻抗。关于与这种传感器层17相关的另外的细节，参照上述的现有技术。将传感器层17施加到金属支架13的顶侧15。要加热的介质（有利地，其可以是根据图3的水12）位于支架13的底侧14。关于下文描述的层结构，也参照图3的放大图示，所述放大图示更清楚地示出了所述层结构。

传感器电极19位于传感器层17上。尽管所述传感器电极可以具有片状设计，但是它也可以以梳状方式被设计或者设计有伸长的指状物，取决于什么被认为是有利的。传感器电极19可以具有它自己的触点20，该触点连接至变压器32的次级侧35。此处，次级侧35的其他连接直接通到支架13。

将基底绝缘件21施加到传感器电极19。基底绝缘件21确保提供了与金属支架13的可靠电绝缘。将加热导体23施加到该基底绝缘件21。关于所述加热导体的配置，参照开始所提到的现有技术，但是此外还参照图4。重要的是，加热导体23始终与支架13电绝缘，而与传感器层17的温度或与温度有关的导电率无关。在这方面，基底绝缘件21可以具有非常厚的设计。所述基底绝缘件也可以由多个层构造而成，以便获得所期望的特性。

然后将加热导体23以所期望的形式（有利地使用厚膜方法以及原则上利用任何所期望的形式）施加到基底绝缘件21，如从现有技术已知的。此处也可以制造多层结构。

在施加加热导体23之后，进一步施加覆盖层25。所述覆盖层分别确保了与顶部以及与外部的电绝缘。为了确保加热导体23基本上不再受到覆盖层25的施加和尤其是烘干的不利影响，如开始已经解释的，应该为此目的提供较低的烘干温度。因此，本发明的关于加热装置11的在支架13上的层结构的实质性优点是仅必须相对较晚地、以及尤其是仅在通常需要高的烘干温度的层之后施加该加热导体23。

图2示出了由电容器C以及无电抗性的电阻器R的串联电路组成的传感器层17的复阻抗，该串联电路并联连接。在次级侧35与支架13本身之间、或在变压器32和支架13之间的供电线37与支架13本身之间应用该并联电路。供电线37可以是常规的线路，并且可以相对较长。因此，具有致动布置结构、评估布置结构以及尤其是具有变压器32的左手侧的部分不需要与支架13本身如此靠近。在这种情况下，至少无电抗性的电阻器R表现出了其阻抗值的温度相关性，如已知的，该温度相关性用于温度检测或至少温度监测。

在图1和3中可以清楚看到的是，变压器32的次级侧35必须或可以不仅连接至传感器电极19和支架，而且还例如连接至加热导体23，而不是传感器电极19。然后根本不再需要传感器电极19。然而，在这种情况下，基底绝缘件21将是有问题的，因为实际上应该没有电流流过所述基底绝缘件，甚至没有轻微的泄漏电流。

图4图示了可以是扁平的或管状的加热装置111的平面图，并且因此图3示出了在这种情况下的展开的支架。将两个加热导体123施加到支架113，具体地，第一加热导体123a和第二加热导体123b。第一加热导体123a形成部分加热电路，并且第二加热导体123b形成部分加热电路。两个加热导体123a和123b是交错的或者以彼此迂曲的方式延伸，使得在它们单独操作时以及在它们在任何情况下一起操作时，它们最终加热支架113的相同区域。因此，加热装置111的加热输出在所述加热装置内的不同分布事实上是可能的。在最大期望加热输出下，两个加热导体123a和123b并联操作。在最小期望加热输出下，所述加热导体123a和123b以串联连接的方式操作。给定在所述最大期望加热输出与最小期望加热输出之间的期望加热输出，加热导体123a或123b中的一者进行操作。如果所述加热导体具有不同的功率值，则可以通过分别单独的操作生成适当的功率。

两个加热导体123a和123b具有相同的长度，并且每个都具有四个纵向区段。所述两个加热导体还具有由彼此靠近的两个纵向区段上的接触桥以已知方式形成的中断部。因此，加热输出可以局部地降低到一定程度。借助于接触区域进行加热导体123a与123b之间的电接触连接。可以借助于传感器触点120连接传感器电极119。所述附图还示意性地示出了插入式连接件122，有利地根据上述文献US 2017/086257 A1，插入式连接件安装至接触区域或者支架113。

根据图4的加热装置111中的层结构应该与来自图3的层结构相对应。在这种情况下，传感器电极119首先可以具有片状设计，以便事实上与支架113的其他电接触一起提供在整个表面面积上平均或积分的温度检测或温度监测。作为替代方案，还可以提供多个单独的传感器电极119，然后该传感器电极在每种情况下允许在它们的区域中进行单独的温度检测。此外，在根据图4的加热装置111的情况下，还可以规定两个加热导体123a和123b不以交错方式、这种方式延伸，而是规定每个加热导体事实上在支架113中的它自己的区域或它自己的一半中延伸。然后，可以针对这些区域或这些加热导体中的每者提供传感器电极119，该传感器电极119分别通过表面面积适配，并且利用所述传感器电极然后可以针对加热导体中的每者单独地进行温度检测。然而，原则上，这是本领域技术人员从现有技术已知的。如果针对多个单独的温度检测操作提供多个传感器电极，则每个传感器电极或每个温度检测操作都需要专用变压器。

次级侧处的可变衰减仅是由根据图2的传感器层17的复阻抗的与温度有关的变化引起的，该可变衰减取决于温度。该可变衰减引起了分压器中的可变电压降，该分压器包括串联电阻器R_V以及变压器32中的初级绕组34。该可变电压降又可以由评估设备30或由对应的微控制器评估。作为这一点的替代方案，可以通过电压降致动分立电子系统，所述分立电子系统直接切换例如机电开关，诸如，继电器。因此，可以切换或影响加热输出，这是本领域技术人员可容易地想到的。

Claims

1.一种加热装置，所述加热装置包括：

支架，所述支架在顶侧是电绝缘的并且在其底侧加热邻接介质，

所述支架上的加热导体，

所述支架上的由介电材料组成的传感器层，其中，

所述传感器层被布置在所述加热导体上方或下方并且与所述加热导体电绝缘，

所述传感器层具有与温度有关的导电率，并且所述传感器层的电阻抗根据所述传感器层处的温度而改变，

用于所述支架处的温度检测的致动设备和评估设备，

其中，所述致动设备被设计为生成具有交流电的致动信号，

其中，所述评估设备被设计为检测在所述传感器层处的所述致动信号的变化，所述变化根据所述传感器层的温度或与温度有关的导电率而变化，

其特征在于，

所述加热装置具有变压器，所述变压器具有初级侧和次级侧，

所述初级侧被连接至所述致动设备并且被连接至所述评估设备，

所述次级侧具有第一连接件和第二连接件，

所述第一连接件和所述第二连接件以不同的方式被连接至所述加热导体、导电传感器电极或所述支架，

所述支架在两个连接件中的一者被连接至所述支架的情况下是导电的，

所述两个连接件被连接在所述传感器层的两侧。

2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述支架是导电的，其中，所述支架在其表面上具有基底绝缘件或者电绝缘传感器层，并且其中该表面是导电的。

3.根据权利要求2所述的加热装置，其特征在于，所述支架由金属组成。

4. 根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述致动信号的频率在10 kHz与200kHz之间。

5. 根据权利要求4所述的加热装置，其特征在于，所述致动信号的频率在20 kHz与80kHz之间。

6. 根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述致动信号的电压在3 V与20 V之间。

7.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，串联电阻器和所述初级侧的分压器被连接至所述初级侧处的所述致动信号，以及所述评估设备被连接在所述串联电阻器与所述初级侧之间。

8.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述传感器层由一个在另一个上的多个部分传感器层形成。

9.根据权利要求8所述的加热装置，其特征在于，所述传感器层由通过使用厚膜方法施加的一个在另一个上的多个部分传感器层形成，其中，在施加每个部分传感器层之后已经执行了烘干过程。

10.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述加热装置具有金属支架，将由所述介电材料组成的片状传感器层直接施加到所述金属支架，并且由导电材料组成的传感器电极被施加到所述片状传感器层，并且基底绝缘层被施加到所述传感器电极，并且加热导体被施加到所述基底绝缘层，并且片状电绝缘覆盖层被施加到所述加热导体。

11.根据权利要求10所述的加热装置，其特征在于，所述加热导体具有彼此连接的多个伸长区段。

12.一种用于根据权利要求1的加热装置处的温度检测的方法，其特征在于，在所述变压器的所述初级侧，具有交流电的所述致动信号被耦合到所述次级侧中，所述次级侧通过所述两个连接件被连接在所述传感器层的两侧，其中，所述传感器层的复阻抗根据所述传感器层处的温度而改变，其中，该与温度有关的变化引起所述变压器的所述次级侧的与温度有关的衰减，所述与温度有关的衰减在所述初级侧被检测到并且作为所述温度的度量而被所述评估设备检测到。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述串联电阻器和所述初级侧的分压器被连接至所述初级侧处的所述致动信号，其中，所述评估设备被连接在所述串联电阻器与所述初级侧之间，其中，所述初级侧处的所述与温度有关的衰减引起所述分压器中的可变电压降，所述电压降由所述评估设备直接评估或者所述电压降致动分立电子系统。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述传感器层的所述导电率随着所述传感器层的所述温度增加而增加，并且增加的电流从所述变压器的所述次级侧流走，通过所述传感器层，到达所述加热导体、所述支架或所述传感器电极，因此更多的能量从所述变压器被传输到所述加热设备，并因此所述初级侧处的衰减增加，这作为所述温度的度量被所述评估设备检测到。