CN1162044C - 加热元件组件和液件加热容器 - Google Patents

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Abstract

为使热量在较大的液体加热表面范围内从加热器件中散发出来，本发明提供一种加热元件组件，它包括一有厚膜结构的加热元件主体，加热元件主体被固定到一要加热表面上，一具有高热导率的散热层设置在加热元件主体和要加热表面之间，散热层在一平行于要加热表面的方向上超过该加热元件主体的周边。本发明还提供一种液体加热容器，它有一底面，一厚膜加热元件被固定在底面上，厚膜加热元件明显小于底面，一由具有高热导率的材料制成的散热层设置在该厚膜加热元件和该底面之间，散热层明显大于该厚膜加热元件。由此一来，因厚膜加热元件的尺寸约为传统厚膜加热元件的一半而降低了成本并且厚膜加热元件的高功率密度不会在工作过程中产生过多噪音。

Description

加热元件组件和液体加热容器
发明领域
本发明涉及与电加热元件有关的改进，确切地说，本发明涉及与所谓厚膜型加热元件有关的改进，所述厚膜加热元件包括一个通常由不锈钢制成的基片，该基片载有电阻加热轨或电阻加热层，该电阻加热层(轨)可以对基片特性而言是适当地成型于一个设置在基片上的且通常是玻璃的电绝缘层上。还可以作为保护措施地将另一个电绝缘层设置在电阻加热轨或电阻加热层上。厚膜加热元件可用于各种不同领域，目前，这种厚膜加热元件已在电加热型沸水容器、家用水壶和热水瓶领域中得到广泛使用，例如与有金属外壳结构的传统浸没式加热元件相比，其整洁的外观具有美观优势。此外，与传统的套装加热元件相比，这种厚膜加热元件能够提供更高的功率密度并因而缩短煮沸时间。
背景技术
如上所述，厚膜加热元件通常成型于一个不锈钢基片上，例如首先通过在不锈钢板或不锈钢圆盘的一个表面或两个表面上设置一个电绝缘玻璃层，然后利用随后进行烘烤的导电油墨将电阻加热轨丝网印刷到玻璃表面上。如上所述，随后可将另一个玻璃层设置到电阻轨上。如众所周知的那样，通过这种方法制成的厚膜加热元件可能会使通常成平面状的加热元件变形，而这种变形还可能因热膨胀系数不同而出现在使用加热元件的场合中。为了至少缓解这些问题，有人曾提出，尽可能具有适当热膨胀系数地选择被沉积在不锈钢基片上的材料。还有人曾提出，在不锈钢的两个侧面上分别涂覆层，以便从两侧使不锈钢经受相似的热胀冷缩。所有这些解决方案都会牵涉到成本问题，当在沸水容器所需的适当不锈钢基片成本的基础上增加成本时，尽管这些解决方案具有其它的明显优势，但成本增加问题会使产品失去吸引力。
为克服或至少缓解上述变形问题，我们的英国专利申请9908918.7(公开号GB2349322)提出了，在一个厚膜加热元件的基片上形成一个略呈拱形的弯曲部，在拱形基片的隆起表面上形成加热元件轨道或加热层，并且通过将拱形厚膜压平到一个要加热的平坦表面上而把由此形成的厚膜加热元件粘到所述的平坦表面上。
尽管我们的英国专利申请9908918.7(公开号GB2349322)有希望克服变形问题，但在制造和使用厚膜加热元件的过程中，还存在其它会限制其广泛应用的问题，即：
(i)所用的材料比较昂贵。因此，凡是能够减少材料用量的措施都是我们所需要的。这些措施包括减小基片厚度、缩小基片尺寸和印刷面积。
(ii)可用功率密度受到在这种加热器件加热水时所产生的噪音的限制。噪音主要由局部形成的快速破裂的蒸汽泡产生，气泡快速破裂的原因是由于功率密度太高，以至不能在元件表面附近且尤其是在加热轨所在位置的正对面形成对流。
(iii)有限的功率密度导致加热器件具有较大面积，从而不仅导致了成本增加，而且导致了不能在超过一个非常小的倾斜角的情况下进行操作。为解决该问题，传统方法是昂贵地采用多个保护器或电子仪器。
(iv)目前，使用很成功的唯一的不锈钢基片就是400系列不锈钢。这些材料的耐蚀性很差并且装饰表面的质量不好。为解决这个问题，有人曾提出使用各种不同的涂层，但使用涂层增加了成本并提高了加热轨的工作温度。
(v)为了能够承受因装置滥用而产生的热冲击和机械冲击，通常需要采用较厚的钢制基片，这样就增加了成本。
(vi)目前采用的丝网印刷技术只能用于平坦表面，而且印刷表面上不能有凸缘或其它凸起。这就限制了这种元件的使用范围。
(vii)为克服平面印刷工艺的局限性，或许可以将上述平板加工成一个独立容器。但常用于制造容器的材料(一般为300系列不锈钢)不足以兼容地允许低成本的且流水作业式的直接装配连接。
发明内容
为克服或至少在很大程度上缓解这些问题，我们提出使用一种被装到一个较大容器上的较小加热器件，而且在加热器件的钢制基片和容器材料之间设置一层导热性强的材料，从而使热量在一个较大的液体加热表面范围内从加热器件中散发出来。
为此，本发明提供一种加热元件组件，它包括一个具有厚膜结构的加热元件主体，该加热元件主体被固定到一个要加热的表面上，一个具有高热导率的散热层设置在所述加热元件主体和所述要加热表面之间，所述散热层在一个平行于该要加热表面的方向上超过了该加热元件主体的周边。
此外，本发明还提供了一种液体加热容器，它具有一个底面，一个厚膜加热元件被固定在该底面上，所述厚膜加热元件具有如此高的功率密度，从而由于在该厚膜加热元件和该容器之间设有一个具有高热导率的散热层以使热量更均匀地分布，所以避免了在工作过程中产生过多噪音。
另外，本发明提供一种液体加热容器，它有一个底面，一个厚膜加热元件被固定在该底面上，该厚膜加热元件明显小于所述底面，一个由具有高热导率的材料制成的散热层设置在该厚膜加热元件和该底面之间，所述散热层明显大于该厚膜加热元件。
本发明又提供了一种加热元件组件，它包括：一个厚膜加热元件，该厚膜加热元件被构造成本身能够输出一预定功率密度；一个与该厚膜加热元件固定在一起的散热部件，该散热部件的表面积大于该厚膜加热元件的表面积，整个组件的功率密度小于该厚膜加热元件本身的功率密度。
最后，本发明还提供一种液体加热容器，它包括一个加热元件组件，所述加热元件组件包括一个具有厚膜结构的加热元件主体，该加热元件主体被固定到一个要加热的表面上，一个具有高热导率的散热层设置在所述加热元件主体和所述要加热表面之间，所述散热层在一个平行于该要加热表面的方向上超过了该加热元件主体的周边。
任何材料都可被用作散热中间层，只要其导热性明显强于所用的不锈钢就行，即约20W/sqM/℃。由于其导热性强、成本低且与上述装配工艺兼容，所以优选的材料为铜和铝。
可以采用与任何一种固定铝制安装板如快速电锅型元件的已知方法相同或相似的连接方法，即利用任何公知热源的冲击压力连接、焊接或钎焊。但出于其可控制性的考虑，最佳的方法是感应钎焊。这种技术要求提供一种质量高、可重复使用且缝隙很少的接头。将散热层连接到容器上是首先如通过冲击连接并随后分别对加热元件进行感应钎焊而完成的，从而能够有机会检查容器/散热层接合部的质量。在延伸到加热元件之外的散热层局部上可设置一些出口，以便能够在钎焊过程中排出焊剂和烟气。在钎焊过程中，最好用约4吨的夹紧力将部件压在一起，以确保在接合区域内没有任何间隙地压平板件。这种夹紧力能够使我们的英国专利申请9908918.7(公开号GB2349322)被用到本发明中。
在权利要求书中描述了本发明的上述及其它的特征，下面将参照如附图所示的实施例对本发明加以说明。
附图说明
图1为实施本发明的厚膜加热元件的侧视图。
图2A、2B示出了图1所示厚膜加热元件的一个替换外周边缘结构。
图3为图1所示厚膜加热元件的平面图。
具体实施方式
所示实施例包括一个直径较小的厚膜加热元件1，加热元件1被连接到可由铝或铜制成的散热板2上，散热板2的直径大于厚膜加热元件1的直径，该散热板被连接到一个加热表面3上，在图中，加热表面3是一个适于被装配到热水器底部上的金属薄板，可替换的边缘结构分别如图2A和2B所示，围绕加热元件的边缘形成一个容水凹槽，以利于通过提供温度较低的密封环境地把元件密封到容器体中并有助于与容器体连接；当然，其它结构也是可行的。
人们通常认为：功率密度大于30W/cm2的厚膜加热元件将会产生不能接受的噪音。这就等于在成型于一个直径为120mm的且具有圆形平面密封区的圆盘上的元件上的约为3kW的总功率输出。根据本发明的教导，我们提出使用一个功率密度明显增大并形成于约60mm圆盘上的加热元件。还提出：散热层将热量分散到超出圆盘约10mm的区域内，这样就形成了有效直径为80mm的加热元件。应记住的是，厚膜加热元件的材料成本与其面积(厚度是不变的)成比例，在传统技术中，直径为80mm的元件的材料使用量比根据本发明制成的直径为60mm的元件的材料使用量多78％，这就表明本发明能够显著节约成本。
当然，也可能存在与上述情况接近的情况，因为该实施例的功率密度很快就会落在圆盘区域1之外而且将向中心集中。但是，对设置于不锈钢基片上的传统厚膜加热器件的试验表明：热量不会均匀分布在整个表面上，而是密集地集中在轨道正上方，轨道间几乎没有加热现象。实际功率密度要远大于功率除以盘面积所假定的功率密度。据信，这就是过多噪音的起因。这种作用是由导热性差的不锈钢基片造成的，这种差导热性迫使热量垂直于加热器件表面流动并经过材料厚度方向并明显限制了热量侧流动。通过添加本发明提出的散热层，热量既可侧流动，又可横向流动，从而在液体加热表面上形成均匀的热量分布。这样，液体加热表面上的功率密度就会接近由功率除以表面区的计算值，而不是功率除以(更小的)加热器件轨道区的计算值。这样一来，就会形成较低的有效功率密度并明显减少所产生的噪音。
作为一个改进例子，下面的数值是从现有元件中得到的。对于一个直径约110mm的传统元件而言，加热轨道的功率密度为68W/cm2。这样，如果散热层是完全有效的，那么加热器件的面积可以减小到不到一半，同时还能在液体加热表面上保持相同的功率密度。通过在围绕加热器件圆盘周边的表面区域内进一步提高增益系数，可以进一步减小加热器件体积。最终结果就是大幅度降低了制造元件所用的材料成本。直径为77mm的圆盘的面积为直径为110mm的圆盘面积的一半，当考虑到散热层时，元件直径约为60mm，这一数值就是上述实施例所用的数值。因此，理论上讲，直径为60mm的元件在液体加热表面上的功率密度能够达到直径为110mm的传统元件在液体加热表面上的功率密度。这样就可以减少三分之一以上的面积。当完全实现自动化时，元件的材料成本约占元件总成本的80％以上。我们相信，轨道的功率密度还可以被进一步增加到100W/cm2以上，从而进一步降低成本。最后，可能由需要形成电连接及其有关的漏电和公差所造成的面积缩小以及容纳如图3示意所示的任何所需的元件保护控制器而所需的面积产生了限制。
这种面积缩小可以随着基片厚度减小应运而生。目前，1.2mm-1.5mm的基片被用于提供良好的机械刚度并能抵抗热冲击和机械冲击。我们建议减小基片厚度如减小到0.3mm，从而在不使轨道工作温度进一步升高的情况下，允许使用高功率密度。我们希望：散热层所产生的传热率的提高将使轨道工作温度降低到可接受的数值，但考虑到本发明的热流途径比较狭窄，因此这只能通过把整个夹层结构的热阻降低到与上述情况相似的数值范围内来实现。散热层的支承和缓冲作用及水处理板和/或器壁的支承作用可使基片很薄。这样，整个装置承受机械冲击和热冲击的能力就会比只有一个上述厚度的基片的元件要好。为进一步提高导热性，我们建议，将最好由300系列不锈钢制成的容器壁减小到0.3mm，其中300系列的不锈钢通常用于制造不锈钢烹饪容器例如蒸锅。这与通常用于制造不锈钢壶的0.5mm的材料差不多。最好按照下述方式设置基片结构，即印制加热轨和加热表面之间的热阻不大于以传统方法设置在厚度为1.2mm的400系列(S430D或S444)基片上的厚膜加热元件的热阻，绝缘材料厚度不大于100μ。
整个加热元件的夹层可被制造成“Easifix”(GB2330064A)型元件或被用于装配到一个模压成形容器上的Strix“Sure Seal”(WO96/18331)，或者也可直接将其安装到不锈钢容器的底部上。后面的方式是一种将厚膜装到不锈钢器具上的很经济合算的方法，就我们目前所掌握的情况而言，这种方法只曾经由Pifco-Russell Hobbs通过采用与Millennium壶一样的(昂贵)的塑料固定环而实施过。这种固定环的实例可见Pifco的英国专利GB2291324和GB2319154，这两篇专利文件示出了这种方法的复杂性。可以将一个小型厚膜元件1固定到凹入部内，否则将会妨碍丝网印刷，而且这还能提供其它的优点，即能够围绕元件的周边形成一个凹槽，从而万一出现烧干的情况，也能存住一些水，这样就会对邻近的密封件或装饰模压件形成保护。目前，这种保护是通过围绕元件地设置一个没有加热元件的区域而实现的，这增加了加热元件直径及其成本。这种凹槽的一个例子在Sunbeam的加拿大专利CA1202659中示出了，它被用于一个机械嵌入式元件。将元件固定到凹槽内的能力将允许厚膜印刷元件被用到以前不能用的场合中，例如，一个可能具有隆起加热表面的热板件，该加热表面如此被安装凸缘环绕着，即加热表面位于电器顶部的整体高度之上。
本发明的小型元件的另一个优点在于：降低元件的制造成本，即可以同时对多个元件进行加工处理。可同时印刷的元件数量受丝网印刷机面积和加工烤炉宽度的限制。显然，通过使元件直径减半，可以在同一台装置上同时印制处理多达四倍的元件。根据所用装置的类型，按以下方式实施上述操作：在完工时，在一条带中携载多个元件并将它们分隔开，或者通过自动化装卸地将各个圆盘放到印制定位夹上并放置到烤炉皮带以便进行干燥和烘烤。我们相信：由于条带的支承，将多个圆盘固定在条带上进行处理将会减少变形。无论如何，为减小变形，象这样的措施都是必需的。
小直径元件还具有其它操作优点：在加热液体时，对倾斜工作不太敏感。散热层能确保，当液体蒸发掉时，可通过保留液体把加热器件的外露区域冷却到直到保护器能够工作为止。此外，任何热保护器都会更大范围地覆盖加热元件并在区域更广地提供保护。
可以认为本发明的构思与快速电锅型加热元件结构基本相似，在该结构中，一个套装加热元件被固定到一块传热板上，该传热板又被固定到一块钢板上，而钢板是液体加热容器的一部分。但是，套装加热元件的可用功率密度受到护套矿物填料的绝缘性和护套与散热材料之间连接的坚固性的限制。如果快速电锅式加热元件的功率密度过高，那么护套的热膨胀将使其脱离支座，从而进一步过热并过早损坏。我们还知道了这样一种厚膜陶瓷加热器件，它通过导电接合剂被固定到水加热容器如Hywel煮蛋锅上。这种设置方式受导热性较差的陶瓷基片的限制并且只适用于功率密度低的场合。
尽管已具体参照沸水器如锅和热水壶地对本发明进行了说明，但本发明不仅仅局限于这些应用场合，尤其是，本发明可用于炊具和电炉。

Claims (21)

1、一种加热元件组件，它包括一个具有厚膜结构的加热元件主体，该加热元件主体被固定到一个要加热的表面上，一个具有高热导率的散热层设置在所述加热元件主体和所述要加热表面之间，所述散热层在一个平行于该要加热表面的方向上超过了该加热元件主体的周边。
2、根据权利要求1所述的加热元件组件，其特征在于，所述加热元件主体包括一个不锈钢基片。
3、根据权利要求2所述的加热元件组件，其特征在于，所述基片的厚度为0.3mm。
4、根据权利要求1-3之一所述的加热元件组件，其特征在于，所述散热层由铜或铝构成。
5、根据权利要求1-3之一所述的加热元件组件，其特征在于，在整个面积上测量的情况下，该厚膜加热元件的功率密度大于30W/cm2。
6、根据权利要求5所述的加热元件组件，其特征在于，在整个面积上测量的情况下，该厚膜加热元件的功率密度至少为60W/cm2。
7、根据权利要求1-3之一所述的加热元件组件，其特征在于，所述厚膜加热元件的面积为所述要加热表面的面积的1/3-1/2。
8、根据权利要求7所述的加热元件组件，其特征在于，所述要加热表面是一个直径约为100mm或110mm的圆盘，该厚膜加热元件是一个直径约为60mm-80mm的圆盘。
9、根据权利要求1-3之一所述的加热元件组件，其特征在于，所述散热层至少超过该厚膜加热元件的周边达10mm。
10、根据权利要求1-3之一所述的加热元件组件，其特征在于，所述要加热表面包括一块适于装配到一个塑料体的液体加热容器中的加热板。
11、根据权利要求10所述的加热元件组件，其特征在于，所述加热板围绕其周边地形成有一个凹槽。
12、根据权利要求1-3之一所述的加热元件组件，其特征在于，所述要加热表面由一个液体加热容器的底部构成。
13、根据权利要求12所述的加热元件组件，其特征在于，所述液体加热容器的底部由不锈钢制成。
14、根据权利要求13所述的加热元件组件，其特征在于，所述液体加热容器的底部由300系列不锈钢制成。
15、根据权利要求13所述的加热元件组件，其特征在于，所述不锈钢的厚度为0.3mm。
16、根据权利要求10所述的加热元件组件，其特征在于，所述要加热表面从固定有该厚膜加热元件的那侧看去具有一个凹入部，在该凹入部内固定着该厚膜加热元件。
17、一种液体加热容器，它具有一个底面，一个厚膜加热元件被固定在该底面上，所述厚膜加热元件具有如此高的功率密度，从而由于在该厚膜加热元件和该容器之间设有一个具有高热导率的散热层以使热量更均匀地分布，所以才能避免在工作过程中产生过多噪音。
18、一种液体加热容器，它有一个底面，一个厚膜加热元件被固定在该底面上，该厚膜加热元件明显小于所述底面，一个由具有高热导率的材料制成的散热层设置在该厚膜加热元件和该底面之间，所述散热层明显大于该厚膜加热元件。
19、一种加热元件组件，它包括：一个厚膜加热元件，该厚膜加热元件被构造成本身能够输出一预定功率密度；一个与该厚膜加热元件固定在一起的散热部件，该散热部件的表面积大于该厚膜加热元件的表面积，整个组件的功率密度小于该厚膜加热元件本身的功率密度。
20、根据权利要求1-3之一或权利要求19所述的加热元件组件，它位于或用于一个液体加热容器，其中当从外面看时，该厚膜加热元件设置在一个位于该容器底面上的一凹槽内。
21、一种液体加热容器，它包括一个加热元件组件，所述加热元件组件包括一个具有厚膜结构的加热元件主体，该加热元件主体被固定到一个要加热的表面上，一个具有高热导率的散热层设置在所述加热元件主体和所述要加热表面之间，所述散热层在一个平行于该要加热表面的方向上超过了该加热元件主体的周边。
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