CN1138451C - 厚膜加热元件和电热沸水器 - Google Patents
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Abstract
一种厚膜加热元件，其具有由有负的电阻温度系数(NTCR)的材料制成的、在该加热元件的表面区域一确定部分内的其电阻性轨道的一部分，且具有由有正的电阻温度系数(PTCR)的材料制成的该轨道的主体，该布置方案从而至少部分地补偿不同的电源电压对轨道部分的运行温度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及电热沸水器，比如电水壶和热水壶的改进，尤其涉及这些器具的控制。
背景技术
电水壶和热水壶通常设有一元件保护控制器和一蒸汽控制器，元件保护控制器在感应到例如由于该器具在空的时候被接通而导致的过温度状态时，适于切断供给该器具的电加热元件的电源供应，而蒸汽控制器用于当水被加热沸腾时减小或切断供给加热元件的电源供应。这些元件保护控制器和蒸汽控制器通常包括一热传感器，一般是一个双金属元件，而对于元件保护控制器来说，一般还包括某种形式的第二或备用保护装置，其中该第二或备用保护装置用来在不一定发生的第一控制器故障的情况下工作。一种示例性的元件保护控制器是Otter Controls Limited制造的X1控制器，基本上如在GB-A-2194099中尤其是参照其图3A、3B和3C所作的描述。一种示例性的蒸汽控制器是Otter Controls Limited制造的J1控制器，基本上如在GB-A-2212664中尤其是参照其图3A至3M所作的描述。
虽然沸水器具包含独立的元件保护和蒸汽感应控制器的情况是普通的，但已经提议通过一个控制器来实现两种功能。在GB-A-2228634中描述了一种单个的电子感应控制器，且在GB-A-1143834中描述了一种在一沸水器的水室内有一外罩的提议，当水室充水时外罩充满水，且由该器具的加热元件加热，使得当水沸腾时，该室内的水被蒸汽从外罩赶出，从而模拟外罩内可被一个双金属或其他热传感器感应到的干煮状态。
尽管其明显的简单性和一个单个感应控制器所允诺的优点提供了过温度保护和沸腾感应，但就我们所知GB-A-1143834的方案从没有被GB-A-1143834的所有人投入生产。我们进行的测试表明采用GB-A-1143834中所述的加热元件是不可能获得一个满意的单个感应控制器方案的。
GB-A-1143834的外罩构想的实现问题的两种不同的解决方案在WO-A-9318631和WO-A-9318632中描述。在前者中，描述了一种布置方案，其中一不锈钢护套的加热元件具有一焊接到一个不锈钢顶板上的热返回部分，和一设在该热返回部分周围的外罩，该加热元件的热返回部分通过一高度局部的点焊而安装到顶板上。在后者中，仍然采用一护套的加热元件且外罩是一包围该加热元件的一部分且一般同轴地延伸的结构。
在GB-A-2283155中描述了另一种解决方案，它采用一种所谓的厚膜平板加热元件，该加热元件包含一基底，该基底上形成有厚膜电阻轨道或层，且在该电阻轨道或层和基底之间以及/或在电阻轨道上或更长有适当的绝缘。
虽然上述的解决方案已经使GB-A-1143834的外构思想能够实现，但我们已经发现在该解决方案中存在的问题可能是电压敏感。即，在英国的标称240V电压的电源下工作的解决方案如果用在比如说西班牙，可能不工作或工作效率低，因为西班牙的电源标称220V。为了在整个欧洲通用，器具需要在210V至250V的电源电压范围内充分运行。电源电压影响在正常状态下加热元件的运行温度以及在干煮时的升温率。对于普通的加热元件过温度(干煮)保护控制器来说，这并不太严重，因为更低的电源电压不仅意味着加热元件以更低的温度运行，而且意味着在干煮时升温率大大减小，因此使控制器更久才起反应。然而对于体现GB-A-1143834的外罩原理的单个干煮感应和蒸汽感应控制器来说，结果是用于低电源电压的控制器可能在高电压下过早地运行，而用于高电压的控制装置可能在低电压下根本不能运行。
发明内容
因此，本发明的主要目的是为了克服或至少减少以上的现有技术难题，而提供一种可以使GB-A-1143834的外罩构想可靠地实现而不管电源电压差别的装置，即一种厚膜加热元件，其具有由有负的电阻温度系数(NTCR)的材料制成的、在该加热元件的表面区域一确定部分内的其电阻性轨道的一部分，且具有由有正的电阻温度系数(PTCR)的材料制成的该轨道的主体，该布置方案从而至少部分地补偿不同的电源电压对所述轨道部分的运行温度的影响。
在实施GB-A-1143834的外罩构想的设计中，根据本发明，提出一厚膜加热元件的电阻加热轨道，具有位于该外罩的覆盖面内的一部分，该部分由具有负的电阻温度系数(NTCR)的材料制成，且该加热元件轨道的主体部分由具有正的电阻温度系数(PTCR)的材料制成。由于这样的布置，如果加热元件承受减小的电源电压，那么其运行温度减小且该加热元件轨道的主体部分的电阻(它大于在外罩内的轨道部分的电阻)也减小，从而电流下降小于不这样的情况，且温度的下降小于如果该轨道具有为零的电阻温度系数的情况。在减小的温度时，该感应轨道即在外罩内的轨道部分的电阻增加，但通过它的电流被主轨道的电阻基本控制，从而感应轨道的功率损耗大于如果它具有为零的电阻温度系数时的情况。所以该布置方案有效地补偿电源电压的差别。
对于我们来说，目前已知的且基于导电油墨型可印制浆的、含有分散在载体介质中的金属粉和玻璃粉的可用NTCR和PTCR材料，不能全部补偿将获得的电源电压的差别，但可获得良好的结果。为了实现全部补偿，一种方案是使用一种具有无穷大的PTCR的材料作为主体轨道，这可由一居里点装置来近似。采用这样的装置，感应轨道的电阻温度系数是不相关的，因为其功率以及其温度将保持恒定。
本发明也提出一种具有上述厚膜加热元件和一个热响应控制器的结合体，具有一温度传感器，其布置成响应所述轨道部分的温度。
本发明还提出一种电热沸水器，其包含一所述加热元件和热响应器的组合体。此外，在容器内在对应加热元件的表面区域的所述确定部分的位置处设有一外罩，该外罩的布置使得在该容器的使用过程中当容器充水后该外罩将充满水，且开始沸腾和在外罩内蒸汽的随之产生将导致水被排出，从而模拟可被所述温度传感器感应到的干煮状态。
本发明的上述和其他特征在所附的权利要求中公开，且通过考虑下面参照附图所作的详细描述可以更好地理解。
附图说明
图1是本发明可应用的一示例性沸水壶的局部剖示意图；
图2示意性地示出本发明是如何可适用于图1的沸水器的加热元件的。
具体实施方式
首先参照附图1，应当指出的是该图对应上述GB-A-2-283155的附图中的图1。示出由例如模制塑料制成的电动沸水壶具有一个成为一平板电加热元件2的底部，一个在加热元件2的下面一特定位置的热响应控制器3和一个与控制器3相对位于该加热元件的另一侧上的外罩4，该外罩4上形成有开口5。
加热元件2和控制器3可采取不同的形式，在这点上基本的要求是控制器3的热响应致动器必须足够近地与加热元件热接触，以便响应其温度。控制器3可例如包含一种如GB-A-2-283155中参照图2描述的上述X1控制器的改进形式，且可具有与加热元件2的下侧接触的双金属致动器。加热元件2可包含一形成该加热元件的上表面的不锈钢薄片，在其下侧具有一薄层玻璃或其他耐热电绝缘材料。一电阻加热元件形成在该玻璃层的表面上，例如通过采用导电油墨型印浆进行印刷，且在该印制的元件上形成另一薄层玻璃或其他耐热电绝缘材料。印浆通常包含在载体中散布的金属粉末和玻璃，且在印刷之后烧制形成加热元件轨道，在混合物中金属粉末的性质及其比例决定该轨道的电学性质。
当水壶充水时，外罩4上的孔5允许水进入外罩内，且如上所述，用于水在容器1内沸腾时由于所产生的蒸汽而使水从外罩排出。随着水的主体逐步升温，由于该外罩内重要的常规水流缺乏而导致外罩4内的局部沸腾，仅使一股蒸汽从外罩流出，且替代水流从相对较凉的水的主体进入外罩。然而，当水的主体开始沸腾时，较凉的水停止流入外罩内且在外罩内产生的蒸汽致使它很快地煮干，使加热元件的局部温度有相应的快速上升。这种快速温度上升被控制器3所感应到，控制器动作而切断给加热元件2的电力供应。
外罩4可制成为WO-A-9318631中所述的布置方案那样，为一金属片构造，它可点焊或铆接或其他方式附接在控制器3上方所需位置处。如果加热元件2在一金属板上形成，或附接在一金属板上，且该板形成容器的底部，如所述布置方案中，那么控制器也可朝向板的侧面，接近边缘定位；那么外罩可形成为容器造型的整体一部分，它可布置成重叠该板且覆盖与控制器的双金属元件相反的区域，且外罩上的通气孔可由外罩下边缘的台阶及其上表面上的一或多个孔确定。
作为选择，本发明可用在所谓的无绳型沸水器上，例如有一个在我们的国际专利申请PCT/GB93/01814(WO-A-9406185)中所述的那种自由转动的无绳连接器系统。在这样的应用中，控制器可在加热元件下面居中放置，或者至少相对于容器居中，且外罩可以是一支撑在容器侧面且位于加热元件的中心的塑料造型。这样的模制塑料外罩可以与容器整体模制而成，或者可分离制成但附接且支撑在容器壁上。假定外罩接近加热元件，最好是采用模制塑料外罩，以形成具有优良耐热性能的材料的外罩；一种合适的材料例如可以是聚苯硫醚，例如来自菲利普石油公司(Phillips Petroleum)的RytonTM，它是阻燃的且具有超过300℃的熔点。
图2是图1所示热水壶的加热元件的示意图，为清楚起见省略了大部分的加热元件轨道。然而，图2与上述GB-A-2-283155的附图3B相比较将显示出很相似，平板的加热元件2包含一不锈钢基底或底板31，其上形成有第一层玻璃制成的电绝缘层，在该玻璃层上有导电油墨型印浆形成的一加热器轨道33，和在加热轨道33和第一玻璃层上形成的第二玻璃层。在第二玻璃层上有一开口或窗口35，以便露出开口下方的加热轨道33，且开口35的大小使GB-A-2-283155的图2的控制器的双金属致动器能直接响应加热轨道33的温度，且使控制器的支架底脚位于开口的玻璃表面外部并包围该开口。在第二玻璃层上在对应加热轨道33的端子端部位置处提供另外的开口36和37，当控制器与加热元件配装而处于工作状态时，端子端部接触控制器3的弹簧导体的向前伸出的部分。
在所述平板加热元件与所述元件保护控制器的工作过程中，如在GB-A-2283155中更详细地描述的，控制器的第一双金属致动器直接与元件的加热轨道进行热传递的事实确保了控制器对元件过温度状态的快速响应。同时，通过使第二保护装置，即控制器的可收缩承架与加热轨道33绝缘，确保了通常伴随控制器的初次运行的过热，就是说在初次保护装置的运行之后，通常在元件上发生的动态温度上升将不导致第二保护装置的启动。关闭第一双金属致动器与加热轨道的热接触进一步能够获得改进的初次保护响应时间，这又减小了温度过度的程度。这些因素有利于选择控制器的可收缩承架的适当材料。
根据本发明的启示，加热元件轨道33形成有一个主体部分50和一个感应部分60，该主体部分具有正的电阻温度系数，而该感应部分具有负的电阻温度系数，且成形为对应外罩4的覆盖面且包围加热元件的与控制器3的热敏元件相关联的区域。当然可以理解图2中示出的加热元件轨道33仅是示意性的，而实际上该轨道可以分隔并蜿蜒曲折，例如在EP-A-0787417中所示。
下面的示例说明了本发明是如何能克服或至少充分减小不同的电源电压问题的。该示例基于在200伏特至240伏特范围内的电源电压，且假定在区域60内的感应轨道的电阻远小于加热元件的主体部分50的电阻。还假定该轨道在20℃和180℃之间具有线性的电阻温度系数，这不是严格准确的但足够显示出示例的作用。其他的假定在该示例中是显而易见的。
1.假定轨道的长度为1500mm，其中感应部分为30mm。在180℃的标称运行温度(假定20℃的基准温度，这将是温度上升160℃)下元件的电阻为28欧姆，因此其功率在标称240V时将约为2000W。因为最初需要均匀的功率输出，所以在180℃时的功率密度对于主体和感应轨道是相同的。这样基于它们的相对长度，主轨道将具有27.4欧姆的电阻，而感应轨道将为0.6欧姆。这在控制器上提供了41W的功率损耗。正是这个在供应电压范围上应当尽可能保持恒定的功率来确保一致的性能。
2.假定主轨道的PTCR为2500ppm，或者0.0025/℃。这高于目前通常采用的，因为它允许更高的冷启动电流。然而，NTCR轨道部分的存在将在某种程度上对此补偿，且主题元件仅2000W，或者约8安培，这为更大的PTCR提供了空间。还假定用于感应轨道的NTCR为2600ppm，或者0.0026/℃。这是可用范围的中间，而不是特定的等级。这种轨道长度和TCR的特定结合不是完全现实的，因为高TCR的材料趋于具有高的电阻系数，这样这些轨道将短而粗，而不是有利地选择的渴望轨道，但原理是相同的，且结果是有效的。
3.考虑主轨道，由于其PTCR，其在180℃时为27.4欧姆的“热”电阻将降到“冷”(20℃)状态下的19.6欧姆。如果TCR为O，那么电阻将不降低，在200伏特时的运行电流将是7.3安培，运行功率将是1460W。然而，因为主轨道具有0.0025/℃的PTCR，其冷电阻将随电流上升，且在200V伏特时将是25.36欧姆，低于其在180℃的27.4欧姆的电阻，因为该元件的热运行温度将由于更低的200伏特电压而降低，其中认为功率和温度的比例上升。随着在200V时的电阻为25.36欧姆，电流将为7.9安培，这仅仅是从240V时标称8安培的非常小的减小，而运行功率将接近1600W。
4.因为主轨道电阻远大于感应轨道电阻，所以主轨道作为一镇流器，给感应轨道提供独立于其电阻的基本上恒定的电流供应。很清楚，恒定的电流将依赖每个电源电压且对于每个电源电压不同。所以，采用该感应轨道并通过7.9安培，提供了150℃的温度上升(170℃的运行温度)，其电阻上升到0.626欧姆，功率损耗是39.1W。TCR为0，且7.2安培时，这个功率将是31.1W。
从这个简单的示例可以看出，感应轨道的功率调整已经从76％提高到95％，且运行温度从132℃提高到170℃。其他的改进措施也是可能的，例如提高感应轨道的TCR到0.003℃，将有96％的调整。获得的实际值将依赖于形成加热器轨道的厚膜材料的性能，例如依赖于加入印浆中的金属的成分和比例。
所述方案的另一个优点是感应轨道的NTCR可以在被外罩的壁所覆盖的区域提供对加热元件的某些保护。我们已经发现如果水在这些点不接触加热表面，那么加热轨道可能趋于过热，导致过早的故障。这通过在这些点印制低电阻性轨道来克服，但这增加了设计的复杂性。然而在这些点处NTCR轨道的电阻将降低，减小产生的功率(因为电流基本上恒定)且减小了过热的趋向。这种布置方案的另一个优点是NTCR材料趋于具有高的电阻系数，特别上与目前用在按我们的说明书制造的厚膜元件上的导电墨水型印浆材料相比。这意味着为获得感应区域的低电阻(0.6欧姆)，将需要更短且宽的轨道。这将在外罩下提供均匀的加热并给控制器提供一热传递的良好区域。具有低电阻系数的材料的轨道设计需要例如EP-A-0787417的图1中所示的在控制器下的几条轨道，以获得足够的功率密度。
虽然所述的布置方案具有大于NTCR感应轨道的主轨道电阻，但是采用具有更接近的电阻值的轨道可能获得同样的效果。NTCR的存在可能引起不稳定性，且大的主轨道电阻作为一镇流器来进行控制。假如考虑到这一点，那么可以使用同样电阻的轨道。而且，已经假定了几乎线性的TCR特性，但曲线特性更常用，它在更高的温度时值减小。具有为不同的温度而优化的PTC或NTC特性的材料的结合可用来使响应线性化，或克服由于具有几乎相等的轨道电阻而导致的电势不稳定性。
在此，本发明已经通过示例进行了描述，应当理解的是，无论从哪一点上来说，示例都是示范性的，对此可以进行修改和变化，而没有脱离本发明的精神和范围。例如，虽然本发明已经描述了在GB-A-1143834中首次提出的外罩的概念，但本发明具有更宽的应用，且可证明在任何情况都有用，其中厚膜加热元件的温度被一热敏装置比如一双金属开关-启动元件来监测，而不管是否该装置配置成用于保持容器的内容物在预定的温度上的温度调节器，或者配置成一过温度保护断流器。
Claims (5)
1.一种厚膜加热元件(2)，其具有由有负的电阻温度系数(NTCR)的材料制成的、在该加热元件的表面区域一确定部分内的其电阻性轨道的一部分(60)，且具有由有正的电阻温度系数(PTCR)的材料制成的该轨道的主体(50)，该布置方案从而至少部分地补偿不同的电源电压对所述轨道部分的运行温度的影响。
2.如权利要求1所述的厚膜加热元件，包括一个热响应控制器(3)，具有一个布置成响应所述轨道部分(60)的温度的温度传感器。
3.如权利要求2所述的厚膜加热元件，其特征在于，所述热响应装置包含一温度调节器。
4.一种电热沸水器，其包含如权利要求1-3之一所述的厚膜加热元件。
5.如权利要求4所述的一种电热沸水器，其特征在于，在容器内在对应加热元件的表面区域的所述确定部分的位置处设有一外罩(4)，该外罩的布置使得在该容器的使用过程中当容器充水后该外罩将充满水，且开始沸腾和在外罩内蒸汽的随之产生将导致水被排出，从而模拟可被所述温度传感器感应到的干煮状态。
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