CN1194768A - 电热器 - Google Patents

Abstract

一种电阻或加热器(2),含有一个敷设在绝缘衬底(6)上的电阻轨道(8)。轨道(8)中两个预先经过测定具有一定的电流截流量的轨道分支(10,12),由玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷材料(17)跨接成桥。用轨道(8)的外形及选择玻璃材料可以达到如下目的:在一定的温度条件下,轨道分支(10,12)间的漏电流升高到一定程度,形成的电流流经轨道分支(10,12)或其中之一,且大大高于其电流载流量,由此轨道(10,12)中的一个将熔断。

Description

电热器

本发明涉及电阻和加热器，尤其涉及在绝缘衬底上含有一阻性轨道的电阻和加热器。

这类电阻例如用在象电动机、电扇之类电器的控制上。而这些加热器用在或已经被建议用在各种电器上，例如水暖器、热水器和熨斗等家电。通常，将一层玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷加在诸如钢板之类的金属底(液体加热器的底部就是这样的平板)，利用印制技术将阻性轨道铺在绝缘层上。为保护其不被腐蚀和氧化，有时在轨道上再加一层绝缘层。

在一定错误条件下，电阻或加热器会严重过热，这不仅对与其连接的食品设备造成重大损失，而且潜在威胁使用者。显然，防止这种情况十分重要。因此，在液体加热器中，通常加一个有重启功能的过热保护装置，当容器加热过热时，例如容器未加水就打开开关或水沸腾至干涸，它就发生动作。通常，这是一个设置了加热器热接点的在给定温度下运行的双金属片开关，当超过容器正常工作的温度时，它就会把给加热器供电的开关拉开。但如这种设备不能正常工作时还需设一备用装置，例如加一个热熔来防止过热。

在WO-A-94/18807中，所举的例子是把一个可根据受热不同而发生形变的保险丝元件，依靠弹力紧贴在加热器的一边。当温度超过给定值时，保险丝变软变形弹力消失，不再与加热器接触，这样就把给加热器供电的开关拉开，电热器便不能工作。但是，给电阻加热器一个固定不动的保护装置更为妥当。

由此，有人建议轨道自身带一个热熔。在汽车供暖系统中用来控制风扇的电阻丝采用了这样的装置：以焊锡跨接加热轨道中的缝隙。当达到一定温度时焊锡会熔化，这样就把轨道间缝隙打开，实现断电。但是这种保险丝有许多缺点。第一，要恰好达到保险丝所需的电流截流量在生产上有困难。其次，由于熔化的焊锡来隔断保险丝受表面张力的影响，其实际动作相对较慢。再次，焊锡的使用有一定的温度范围，这样就限制了保险丝的使用范围。同时因为焊锡是易熔的，时间一长其晶体结构会发生变化，这就导致了工作温度的变化。最后，因衬底的丝毫弯曲都会中断保险丝的电开关，在运输、存贮堆放时这些焊锡特别容易损失。

本申请人改进了一种新的电阻或加热器以对解决上述问题做些尝试。申请人认为玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷材料(以下简称“玻璃”)的绝缘特性可以用在电阻丝加热器的过热保护上。这种特性即玻璃的电阻值随温度增高而变化。室温或正常工作温度时玻璃是绝缘体，但在接近其熔点的高温时，其电阻呈几个数量级的下降。选择具有适当阻抗特性的玻璃材料并将其安装于电阻轨道的特定部位，使其在不同给定温度下按不同级别工作，申请人发现可以使电阻的特定部位先于整个电阻的过热而过热。这样，就可以把正常轨道的部分拿出来作为热熔，以有效防止过热。

特别是在正常的工作温度下，玻璃的绝缘性非常好，此时轨道间的漏电流微不足道。但是，当电阻丝轨道高于正常温度(在非正常的过热条件下)时，玻璃温度升高，阻抗值减小。这反过来加大了轨道间的漏电流，使轨道间流过的电流增大，同时提高了加热效果，如此反复进行，这样一个自我进行的过程使得玻璃内部因其流过电流受热，很快使轨道间漏电流放电，致使由玻璃跨接的轨道部分流过的电流超过了其设计级别，最终这部分轨道汽化使整个加热器停止工作。

因此，首先本发明给出了这样一个电阻或加热器：铺在绝缘衬底上的一个电阻轨道，该轨道的两个部分分支由一种玻璃材料所跨接且有一定的电流截流量。选择这样的轨道外形及这样的玻璃材料是为达到这样的目的：一定温度下，轨道间漏电流上升，形成的电流流经前述的两个轨道分支之一或全部，且大大高于其电流截流量，由此其中之一毁坏熔断。

按照本发明提供了一种可以自我熔断的电阻加热器，不需另加保险装置就消除了前述对焊锡的需求。通过选择适当的玻璃材料及轨道外形，设计者可以决定轨道在什么地方、什么时间、什么温度下以一种可控方式来毁坏隔断。

其次，本发明提供了该电阻或加热器的制造方法。该加热器是将一个电阻轨道加在一层绝缘衬底上，有两个选定的轨道分支由一种玻璃材料桥接，且能流过一定量的正常电流。预先选定的如上所述的这个桥的位置是为达到如下目的：超过一定温度，选定的两个轨道分支间的漏电流变大，导致其中之一流过的电流超过其正常值，最后毁坏熔断。

可以把玻璃仅用在选定的轨道分支间以跨接成桥。但出于制造上的方便，更好的方法是将玻璃覆盖在轨道分支间。可以将玻璃局部覆盖在轨道分支间以跨接成桥，但更好的方法是将其覆盖在轨道比较大的部分，而最好是覆盖整个轨道。在正常工作条件下，该玻璃覆盖层可以保护轨道免受腐蚀和氧化，更为重要的是在高温时，例如850℃～900℃时这种保护作用依然存在，此时整个玻璃覆盖层变为可导，如果用别的方法，整个轨道会因氧化而毁坏。

轨道分支间流过玻璃材料的漏电流的大小依赖于分支间电压梯度及玻璃温度的大小。给定位置上的玻璃温度至少是在最初由该处加热器或电阻的温度决定。这个温度又依赖于该处加热器或电阻的功率密度。正常工作条件下，这些都无足轻重，因为热量已经由加热容器中的液体传送出去，错误条件下，具有较高功率密度的加热器/电阻的局部温度会迅速提高。这样轨道会出现保护性熔断的位置可由设计者对上述参量配置以合适的值来预先确定。跨接桥所处位置的电压梯度应相对较高，最好是整个轨道的最大值。轨道分支被跨接成桥的两部分最好邻近各自的末端，以使其间的电压差别达到最大。为使电压梯度达到最大，该部分最好彼此紧邻。

而且，轨道分支被跨接成桥的部分功率密度最大，使过热条件下该地区受热最强。这有助于该处玻璃温度迅速提高，以达到漏电流逸出。

例如提高轨道局部点的实际产热，以及提高轨道分支紧密程度，都会加大该处的功率密度。

这样，对于高效率的工作而言，在跨接桥地区加热器的电压梯度和功率密度应该达到最大。因此，从更深的层次来看，本发明提供了这样一种电阻或加热器：将一个电阻轨道铺在一层衬底上，由一种玻璃材料将某局部的两个轨道分支跨接成桥，轨道分支间的电压梯度和电阻或加热器的功率密度都最大。

本发明中选用的这种玻璃应该提供给加热器所需的最大过热温度。所需的玻璃在正常工作温度下其阻抗值不会小至使漏电流逸出的地步。由Agmet生产的ESL 4770 BCG即可胜任，它在150℃～200℃时的工作温度时是稳定的，大约450℃时熔化、毁坏。

将绝缘衬底、加热轨道和玻璃覆盖层例如通过印印、喷涂、转印任何一种合适的技术将其做在一个不锈钢平板上。本发明不限制生产时的任何特殊方法。

本发明的应用范围决不仅限于如前所述的加热器，还适用于保护象电动机甚至电阻器之类的电阻设施。因此，从广义上来讲，本发明发展了一种电气设施的过热保护方法，用一种其电阻值随温度升高而降低的绝缘玻璃(由此处定义)所述的玻璃桥接保险丝，这样当温度超过一定大小的时候，保险丝里产生电流且超过其最大设定值，导致保险丝烧断。

从非常广义的角度上来考虑，本发明提供了这样一种保险丝：由玻璃到达一定的温度来触发，产生一低阻值的电流通道，导致电流超过保险丝的载荷值。

其实这种保险丝电可用于设备或电阻中的任何合适的位置，可以作为一个单元安插在供电设备的适当部位。因此，从更广义的角度来看，本发明提供了这样一种用来保护电力设备的保险丝；所设计的导电体可流过一定的电流，其中的两条分支由一种绝缘玻璃(由此处定义)跨接成桥，这样玻璃受热超过一定温度时，就在两条分支间形成导电通道，使导电体里的电流升高而大于一定的值最后导电体烧断。

现在借助附图来说明本发明的一优选实施形式：

图1是根据本发明的一个加热器的示意平面图；

图2是沿图1中的II-II线的部分示意图。

由图可知，加热器2包括一个大约厚0.5mm的不锈钢(或其它金属)平板4，上面有可以任何适当方法敷设的一层绝缘玻璃6。在这个方案中，玻璃只有MZB550(陶瓷力学)中的100μm厚。这个不锈钢板可以做液体加热容器的底部。玻璃层6上有一层以传统材料制成的弯曲的电阻加热轨道8，铺设方法可以是诸如印印、喷涂等任何合适的技术。在这个方案中，轨道材料为ESL 2900-0.1，轨道8为13μm厚，4mm宽。整个轨道的电阻值约为26Ω。轨道8有各自的末端部分10、12，使用时通过导电垫片连接在供电设备上，这个垫片同样以任何适当的方法加入都可。

轨道的相邻分支由狭缝20所分隔。狭缝20的末端部分在参考点22标志的地方减至最小值0.5mm。轨道别处的相邻分支最少留一条1mm的缝隙。这样，如果供电压为240V，参考点22标志的地方的电压梯度为240/0.5＝480Vmm^-1。这是整个轨道的电压梯度的最大值。而且加热器的功率密度在这个点上也达到最大值44Wcm^-2(由轨道10、12及狭缝20的面积决定)，以保证在这个点上的加热效果最大。这是因为，虽然为使整个轨道都有热效应，轨道的宽是一定的，但这个区域的轨道最为紧密，故产热也是最大的。

整个轨道8由一层保护性的玻璃覆盖层16所铺设，其上有一个外围的凹痕以接通传导垫14。覆盖层16在轨道的末端分支10、12间提供了一个桥17。在这个具体方案中，玻璃采用了Agmet生产的ESL 4770BCG，其熔点为450℃。当玻璃温度接近这一点时，其电阻值下降非常之大以提供过热保护，下面将对此特性进一步说明。

例如，此加热器用于液体加热器的底，加热器2将由容器中的液体的冷却维持在100～200℃之间。但是，如果容器因沸腾而干涸或在不加液体时打开开关，加热器的温度会快速提高。虽然大多数容器装有一定形式的“原始”过热保护器，这种保护器在温度超过150℃时会工作，如果这些装置发生意外，加热器的温度将持续快速上升，如果不检查它最终将爆炸。但是，由于本发明中玻璃覆盖层16的作用，就可以避免整个轨道8灾难性的过热现象以由此潜在造成的巨大损失。

在这种情况下，加热器轨道16上供给的电流持续增加，其温度也持续增加。因为加热器的功率密度在点22处达到最大，这个区域的温度升高也就最快，该地区的玻璃覆盖层16受热也最快。受热的同时，玻璃的电阻值开始下降这意味着轨道末端分支10、12间的漏电流流过桥17且开始变大。这导致末端分支10、12间流过的电流加大，反过来加大了该区域的受热效果，玻璃层16的受热加大使其电阻值继续下降，而漏电流继续增加。最终流过玻璃的电流使玻璃内部受热，导致漏电流快速逸出。这时，轨道16的分支24除点22外已有效短路。

通常，轨道8到传导垫14的总电阻值由所说的26Ω(在240V供电电压下得到一个标准的2200W的功率)减至大约3Ω。这导致一个大约80A(标准情形为10A)的电流流过轨道分支10、12。在如此温度下，这些轨道支路的设计载荷不能承受如此高的电流，实际上立即就汽化了。这样就使加热器轨道16的其余部分断电，因此防止了进一步过热。

实验表明，上述装置的动作非常迅速，玻璃层刚短路轨道16的时候，串联在轨道16上的一个标准的13A的保险丝依然是完好的。

值得称道的是本发明未局限于上述的具体方案。例如，不同的玻璃熔点不同，就可以为加热器选择需要的工作温度和最大温度。而且，不同的轨道图案可以用来提供给不同的设施。

在上述方案中，轨道分支10、12的熔断极其快，通常只要加热器在干涸情况下接电这个熔断过程仅需2～3秒。正常情况下诸如双金属片开关这样的过热保护器一般7秒后才能发生动作，故如此快的响应并不总是需要的。在上述方案中，轨道分支10、12就先于双金属片开关的工作而先汽化了。

有许多方法可以延长熔断时间。首先，象前边建议的那样，玻璃覆盖层的材料可以更换。为了说明这一点，举这样一个例子：一个具有和前边讨论的轨道形状相同的加热器，其构成为一层90μm的ESL4914材料的绝缘层铺在0.5mm厚的不锈钢板上，钢板上还有一层13μm厚约ESL2900-0.1材料制成的电阻加热轨道和一层13μm厚的由ESL4770-BCG制成的玻璃覆盖层。当在2.2kw的功率干涸情况打开开关时，该加热器不出2秒就会融断。但是，如果玻璃层材料换为ESL4914(在850℃～900℃时变为可导而不是在350℃)，轨道的熔断约需15秒。这样为原始保护器留下了充分的工作余地也就避免了过早熔断。

在较高温度下加热器采用了玻璃覆盖层，一个重要因素在于：尽管低温器件的轨道分支间可仅采用一个单独的跨接桥，但高温器件必须采用玻璃覆盖层以防止高温时轨道材料因氧化而毁坏。

提高该发明中加热器的熔断时间的另一个的因素为其衬底厚度。例如，在上述最后一个例子中，如果不锈钢板的厚度由0.5mm提高至1.5mm，熔断时间由15S增至30S。

使用具有正向温度电阻率(PTCR)的轨道材料也可以提高熔断时间。使用这种材料，轨道电阻随温度升高而变大，这样当温度升高时，轨道的产热(反比于轨道电阻的平方)下降，因此减少了热效应，也就延迟了玻璃减少热量的启动开始。

如此可知，正确选择衬底厚度、轨道材料和形状及玻璃层材料，就可以得到需要的熔断时间。

Claims (14)

1.一种电阻或加热器，包含有敷设在绝缘层上的电阻轨道，两个经过预先测定的具有一定电流载流量的轨道分支由一种玻璃材料(由此处定义)跨接成桥，选择该轨道外形及玻璃材料以使：在一定温度下，轨道分支间的漏电流增大到一定程度，使电流流过两个轨道分支或其中之一且超过其载流量，由此导致所述分支之一熔断。

2.如权利要求1中所述的电阻或加热器，其特征在于，由玻璃材料将轨道分支跨接成独立的桥。

3.如权利要求1中所述的电阻或加热器，其特征在于，由玻璃材料做成轨道分支的玻璃覆盖层。

4.如权利要求3所述的电阻或加热器，其特征在于，将玻璃覆盖层扩大至轨道的很大一部分。

5.如上述权利要求之一所述的电阻或加热器，其特征在于，跨接成桥的轨道分支是各个分支的末端。

6.如上述权利要求之一所述的电阻或加热器，其特征在于，跨接成桥的轨道分支是最接近的分开的轨道分支。

7.如上述权利要求之一所述的电阻或加热器，其特征在于，所说的轨道分支之所以构造成这样的外形是为了使玻璃桥区域的电压梯度达到最大。

8.如上述权利要求之一所述的电阻或加热器，其特征在于，所说的轨道分支的设置构造可使玻璃桥区域的密度最大。

9.一种含有由上述权利要求之一的电阻或加热器构成的电器。

10.如权利要求9所述的电器，其特征在于，该电器是一种液体加热容器，所述电阻或加热器形成其底部或者说至少附加在容器底部。

11.用于电气设备的过热保护装置，含有：一电绝缘玻璃(由此处定义)，其电阻值随温度升高而降低，所述玻璃如此设置以桥接保险丝，被选择的玻璃一旦其温度超过一定值，保险丝中的电流就超过其最大级值，使保险丝断开。

12.一种用来保护电气设施的保险丝，含有：一种经过设计可通过一定电流的导电体，具有两个由一种绝缘玻璃(此处定义)跨接成桥的分支，这样当玻璃受热超过一定温度时，分支间产生一个导电通道，导致导电体中的电流上升且超过其设计值，引起断路。

13.一种生产电阻或加热器的方法，含有将一电阻轨道敷在一绝缘衬底上，在两个选定的轨道分支之间能通过一定的最大电流且由一种玻璃材料(此处定义)跨接成桥，桥的位置是预先选定的，当超过一定温度时，分支间漏电流便上升，达到一定程度时，流过分支之一内的电流超过其最大预定电流，引起断路。

14.一种该类型的电阻或加热器，含有将一电阻轨道敷设在一层绝缘衬底上，在一定位置，在两个轨道分支之间跨接一玻璃桥，该相邻轨道分支间的电压梯度及电阻或加热器的功率密度都是最大的。

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