CN1248384A - 电加热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包括具有厚膜电阻加热轨迹7的绝缘基体的厚膜电加热器1,其中电阻轨迹7包括至少两个由电阻率比电阻轨迹的电阻率低的材料例如银形成的桥11连接的分离的部分。

Description

电加热器

本发明涉及一种包括施加在电绝缘基底上的电阻厚膜加热轨迹的厚膜电加热器，尤其涉及一种用于液体加热容器中的电加热器。这种加热器的例子在WO96/18331和WO96/14796中描述了。

为了以最低的成本制造加热器，重要的是如此设计轨迹布局，使得最好地利用材料。轨迹的整个电阻由轨迹材料和轨迹的长度与宽度确定。对于给定的操作电压，轨迹的功率输出由其电阻和由轨迹的长度和宽度确定的“微”功率密度(轨迹本身的功率密度)确定。

然而，轨迹不覆盖整个绝缘基体，因为例如必须在轨迹的各个部分之间提供间距。因而，整个加热器的(由绝缘层覆盖的区域上的)“微”功率密度将大大小于轨迹的功率密度。这两个功率密度之比表示浪费的空间量因而也是浪费的用于制造加热器的材料量。在现有的加热器设计中，该比小于60％。

一般地说，要求加热器的功率输出在某个密度下例如50Wcm^-2被设置为某个值，例如3KW，然后由轨迹材料的电阻确定轨迹材料的长度和宽度。轨迹的长度和宽度的的乘积给出微功率密度，同时长度除以宽度而确定轼率。理论上，轨迹布局要尽要能密实，以便减少材料浪费，而同时仍要满足所需的功率输出和轨迹的最大微功率密度。然而，设计致密的轨迹布局受到称为“电流密集”现象的限制。按照这一现象，电流趋于取围绕轨迹的拐弯的内部的电阻最小的通路。在急剧拐弯处这尤其重要，在那里电流积聚而引起拐弯的内部的轨迹过热到如此的程度，以致使轨迹断裂。

按照现有的设计，如WO96/17496所述，相邻的宽电阻轨迹用轨迹的大的弧线环路连接起来，以避免电流密集。然而这导致在环路区域中的大的基体面积不能被轨迹覆盖，使得加热器的总的微功率密度减少。

另一种方法是使用多个窄轨迹，这样可以显著减少电流密集效应。轨迹在电气上平行地排列，从而使得个有相当于所需宽度的单个轨迹的总宽度。然而，可以理解，在相邻轨迹之间需要留有间距，以便电绝缘和减少轨迹之间的交叉加热。因而，如果平行地提供多个轨迹，则由于这些相邻的平行轨迹之间的间距而浪费相当的空间。这再一次减少了加热器的总的微功率密度。

因而，为了增加加热器的总的微功率密度，需要使轨迹尽可能宽，因为每个轨迹必须和其相邻的轨迹分开，以便阻止电连接与/或起弧。这样，轨迹越宽，需要覆盖整个绝缘基体的轨迹的圈数和轨迹之间的空间数量越少，使得浪费的空间越少。然而为达此目的，必须找到一种方法，用于克服在轨迹的相邻圈之间的轨迹中发生的电流密集问题。

此外，加热器可能具有必须由电阻轨迹避开的障碍物，例如用于控制装置的接点焊盘，或接点安装位置。避开这些障碍物在基体上便产生空间，因而也减少了加热器的总的功率密度。

按照本发明，提供一种包括具有厚膜电阻加热轨迹的绝缘基体的厚膜电加热器，其中电阻轨迹包括至少两个由电阻率比电阻轨迹的电阻率低的材料的桥连接的分离的部分。

这样，借助于本发明，在形成紧凑轨迹布局时可以避免大曲率的拐弯，因为这种拐弯可用桥代替。此外，桥可以用于绕过加热器上的障碍物。桥的高导电率防止或大大减少围绕桥中的任何拐弯的电流密集效应，因为在这种材料中，从拐弯的内缘至外缘的电阻差别不那么显著。相应地，如果需要，可以采用更急剧拐弯的导电轨迹，这在此类桥用于绕过障碍物的情况下是非常重要的。取代用于连接轨迹部分的大半径的环使得轨迹布局更加紧凑，这意味着加热器可以实现较高的宏功率密度，这意味着，对于给定的功率输出，加热器可以较小，从而节省大量的用于金属支撑板、加热轨迹和绝缘层材料的材料费用。

此外，最好桥可以比电阻轨迹窄得多，借以维持微功率密度接近于电阻轨迹的微功率密度，同时在基体上使用小的空间。例如，如果使用电阻率为轨迹材料的电阻率的0.1的材料，则在保持相同功率密度的同时可以作成0.1倍于轨迹宽度的宽度。

为了减少所用桥接材料的数量，最好使桥基本上为直线的，最好具有基本上恒定的宽度。当然，也可以使用其它合适形状的桥。例如，当连接两个平行轨迹的两端时，桥可以是直线的，或者如果需要避开障碍物，则可以是曲线的。

最好桥完全跨过轨迹部分的宽度延伸，以便确保电流均匀地流入桥。最好桥垂直地跨过轨迹部分延伸。

最好电阻轨迹包括至少两个在相应端点由导电桥相连的平行的轨迹部分。可以设计出各种轨迹结构，这在某种程度上取决于加热器板或基体的形状。例如，轨迹可以布置成一系列的平行的直的部分，其相邻部分的端点相连。这尤其适用于方形或矩形加热器。在另一种结构中，可以在基体上设置两个平行的电阻轨迹的嵌套螺旋。

在其上具有两个螺旋轨迹的圆形基体的情况下，在螺旋外端的区域中，必然有一部分绝缘层未被电阻轨迹覆盖。按照本发明，最好使双螺旋的内外轨迹基本上延伸到加热器基体的外边缘，并把两端用两个或多个导电桥连接。用这种方式，螺旋轨迹的覆盖面可以尽可能地向基体的外周边扩展，使得避免在该区域中所需的拐弯。

不过，在最佳实施例中，电阻轨迹呈同心的C形环的形状。为了最大的覆盖，每个环可以基本上延伸360°，从而只剩下端点之间用于绝缘和形成桥的足够的间隔。环的端点可以通过桥成对地互连，使得形成连续的导电通路。这在用于圆形加热器时尤其有利。加热器的中心区域可以没有轨迹，例如用于容纳如WO97/04694中披露的加热器中的温度检测储槽(sensingsump)。这一没有轨迹的区域可以相当小，而只受电流密集条件的限制。

在一个实施例中，轨迹基本上具有恒定的宽度。为了给出所需的功率输出，可以计算轨迹的总长度和面积。已经发现，使用具有每平方0.1Ω电阻的标准轨迹材料产生3KW的加热功率和大约50Wcm^-2的微功率密度，轨迹应当大约5.7mm宽，100mm长。

相邻环的相邻端由桥连接在一起，使得电流方向从一个轨迹部分到一个轨迹部分而改变。在另一个结构中，交替环的相对端由桥连接在一起。这产生实际上呈螺旋发针形的轨迹，并允许轨迹的接线端部分彼此靠近，这是有利的，例如在这些部分之间需要大的电压降以有助于由WO97/39603描述的机构执行的受控失效的情况。

如上所述，目前的轨迹膜加热器具有小于被加热轨迹覆盖的60％的宏微功率密度比。本发明可以达到更高的比，例如超过70％或者甚至80％到85％。因此，从另一方面，本发明提供一种70％以上的最好超过80％的绝缘区域由加热轨迹覆盖的厚膜加热器。

最好在加热器的中心提供有用于连接电阻轨迹的一个或多个接头。如上所述，例如在圆形加热器的情况下，加热器电阻轨迹不能设置在加热器的中心，因为此时轨迹的曲率太大，电流密集引起超过规定的过热。这样，在加热器的中心必须至少留下一些空间，并且通过在这中心部分安装所需的元件控制装置而实现设计小型化。可以设置导电桥用于连接两个以上的轨迹部分，例如桥可以形成电支路，或并连两个或几个部分。

在轨迹膜加热器的中心区域设置一对接头本身是一种新的结构，因此，从又一方面，本发明提供一种轨迹膜加热器，其包括设置在加热器中心区域的一对电接头。对于圆形加热器，最好接头被设置在由绝缘基体的大约一半的半径限定的区域内，设置在由大约三分之一的半径限定的区域内更好。

导电桥可以形成为包括高比例导电材料例如银的油墨的印刷条。这种油墨例如目前用于形成轨迹的接线端，并且如果对两种目的使用相同的油墨，便可以通过一次印刷操作来形成。

虽然如上所述，轨迹可以使用恒定的宽度，但已经发现，尤其是在液体加热容器的电加热器干接通的状态下，电阻轨迹的周边区域被基体的附近材料和周围空气冷却。因而轨迹的这些区域不形成像被其它轨迹包围的那些轨迹那样高的温度。希望获得横跨整个元件的均匀的加热，尤其是在干接通条件下，从而一热敏启动器可以设置在加热器的任何位置以获得一致的操作温度。

按照本发明，提供一种电加热器，其包括具有厚膜电阻加热轨迹的绝缘基体，其中电阻轨迹包括多个相邻的轨迹部分，在加热器给定区域中的每个轨迹部分的宽度是这样的，使得横跨相邻轨迹部分的温度分布基本上是恒定的。

因而，一般地说，可以使朝向轨迹构形边缘的轨迹部分窄于朝向构形中心的轨迹部分。用这种方式，这些轨迹部分比其它轨迹部分产生更多的热量，从而补偿周围基体造成的热损失。

因而，从广义上说，本发明提供一种电加热器，其包括具有厚膜电阻加热轨迹的绝缘基体，其中，电阻轨迹包括以预定构形设置的多个相邻的轨迹部分，朝向构形边缘的轨迹部分的宽度小于朝向构形中心的轨迹部分的宽度。

在这种情况下，尤其有利的是同心C形轨迹的构形，如上所述，因为每个C形轨迹的宽度可以就其在加热器上的位置独立地确定。因而，在一个具体的优选实施例中，加热器包括一系列同心C形轨迹，径向最外和最内轨迹窄于径向更靠中心的轨迹。变窄和加宽量可由实验确定。当然，采用传统的轨迹，也允许轨迹变窄或加宽以获得同样效果。

如上所述，热敏启动器例如双金属启动器通常相对于加热器的加热轨迹定位，以便控制加热器的操作。例如，可用双金属启动器防止加热器过热。在我们的英国专利申请No.9621977.9中已经提出，为了在这种控制装置中使用标准双金属启动器，也许希望通过加宽启动器下方的电阻轨迹部分来减小这部分轨迹的功率密度和温度。然而，轨迹的这种加宽需要额外的加热器空间，不仅就宽轨迹部分本身而言，而且对于必须由相邻轨迹占据的加宽部分的周围也是如此。此外，加热器轨迹材料是贵的，这意味着较宽的轨迹将增加材料成本。

按照本发明，提供一种减小一部分厚膜电阻加热轨迹的功率密度的方法，其中在该部分轨迹的上面或下面设置多个导电材料部分，从而局部地覆盖这部分轨迹。

本发明还扩展到包括具有厚膜电阻加热轨迹的绝缘基体的电加热器，其中加热轨迹的一部分上盖或下垫有局部地覆盖该部分轨迹的多个导电材料部分。

设置在电阻加热轨迹上方或下方的导电材料有效地短路所述轨迹部分的一些小的区域，借以减少该轨迹部分的总的电阻。这便减小其微功率密度和操作温度。不过，它具有这样的优点，即不需要增加轨迹宽度来实现加热器空间的减少从而减少损耗，并减少材料费用。

导电材料例如可以是上述的银油墨。最好以斑纹、斑点或短线模式设置多上导电部分，使得只需要小量导电材料便可实现低电阻区域，借以节约材料费用。

用于产生所需温度的具体图形和覆盖程度可以由实验确定。

现在以举例方式并参照附图说明本发明的一些实施例，其中：

图1是本发明第一实施例的示意图；

图2是图1的实施例的另一种结构的示意图；

图3是本发明第二实施例的示意图；

图4是本发明第三实施例的示意图；

图5是本发明第四实施例的示意图；

图6是图5的实施例的详图；

图7是本发明第五实施例的特征的局部示意图；以及

图8是本发明另一个实施例的示意图。

图中相同的标号相应于各个实施例中的相应元件。

图1表示电厚膜加热器(electric thick film heater)1，包括不锈钢板3，其上设置有玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷例如杜邦(Dupont)3500的绝缘层5。在绝缘层5的表面上印刷了多个C形电阻厚膜加热轨迹(track)7。四个最外轨迹7的每一个大约延伸360°，相对端由1.5-2mm数量级的相对小的间隙分隔开。加热轨迹7通过以现有技术中公知的方式印刷加有金属的合适油墨(ink)例如杜邦3642/45混合物形成在绝缘层5上。

加热器1的最内加热轨迹7在其一端具有接线端部分或接头9，用于通过一合适的控制机构(未示出)例如我们在同一天申请的名称为“厚膜加热器”的悬而未决专利申请中所说明的那一种和电源相连。在那一申请中，通过把接头定位在例如杜邦7760等材料的接头配接底座的顶上然后烧结使接头接合就位而把接头接合于轨迹。

C形电阻加热轨迹7由印刷在轨迹端部上方或下方的并与轨迹电连接的导电桥11互连。桥11的配置使得包括电阻加热轨迹7和银桥11的整个加热轨迹形成一个从一个端部9到另一个端部9的连续电路。

这种构形比现有技术的构形的优点在于桥11代替了电阻加热轨迹的要求急拐弯的部分。加热轨迹在这种急拐弯处的温度在拐弯的内侧由于电流密集(current crowding)而趋于增加。

如上所述，桥材料的电阻率低于轨迹7的电阻率。桥材料通常包括银材料，诸如目前在加热器上印制接头底座时使用的那一种。这具有附加的优点，即接头底座或接头配接底座可和桥11同时被印制在轨迹的接线端9上。这种材料在本领域中是公知的，例如上述的杜邦7760。

这种导电材料具有比轨迹材料低得多的电阻率，例如是典型轨迹材料电阻率的0.1甚至0.025倍。因此，理论上，为了在轨迹7中保持恒定的功率密度，桥11可以比轨迹窄得多，例如与电阻率比值为同一个数量级。然而，如此窄的轨迹可能不能可靠印刷以确保与轨迹准确对齐和接触，因此在所示的实施例中，桥11大约1mm宽，和轨迹部分的端部大约重叠0.5mm。

在图1的结构中，最内轨迹1的内径是46mm，最外轨迹7的外径是94mm。每个轨迹的宽度为4mm，间距为1mm。接头9被设置在刚好位于加热器绝缘区域的半径的一半以内的半径上。

图2是图1实施例的另一个构形，其中接线端部分9位于第二最内轨迹7上。由这一实施例可清楚看出，根据加热器和相关控制装置安装要求，接线端可以位于C形轨迹的任何一个上。不过，在当前情况下，最好接线端部分9被安装在加热器的中心区域，使得加热器的控制装置可以安装在板3的中心，因为在这一区域电阻轨迹的半径是如此之小，以致将会发生电流密集。

图3是按照本发明的一个实施例的另一种轨迹构形。在这种情况下，C形电阻轨迹7利用银桥11连接成对。电流通路从火线端子9a经过一个环路直到到达第一个银桥11，在此它跨接于下一个C形轨迹7并反向流过另一个环路。这以类似方式进行直到达到最外电阻轨迹7。最外电阻轨迹7通过一个较长的银桥11a和最内电阻轨迹7相连。最内电阻轨迹7由另一个银桥11和中性线端9b相连。据认为不断地使电流反向可以减少EMF放射。

图4是本发明的另一个实施例，其中在绝缘基底5上的轨迹7a到7f以及银桥11基本和图1所示的相当。不过，在本实施例中，最内轨迹7a的内径是9.87mm，最外轨迹7f的外经为46.57mm。轨迹间距为0.5mm。这种轨迹设计用于产生3KW的功率输出。为了利用恒定的轨迹宽度产生这一输出，1000mm的轨迹长度和具有每平方(per square)0.1Ω电阻率的轨迹材料将需要5.7mm的轨迹宽度。不过，在本实施例中，轨迹的宽度从加热器的中心到其外周按下表所示的值而改变。

轨迹	宽度(mm)
		7a	5.13
7b	5.70
		7c	6.27
7d	6.27
		7e	5.70
7f	5.13

这样，轨迹7b和7e的宽度被设置为5.70mm，相邻轨迹的宽度分别增加和减少10％。由于其宽度较窄，轨迹7a、7f的每单位长度的电阻大于轨迹7c、7d的每单位长度的电阻。不完全被相邻轨迹包围的轨迹7f、7a在加热器边缘处或中心处的损失大于中心轨迹7c、7d的损失，使得轨迹7a、7f每单位面积的较大的功率输出被这些轨迹的增加的环境损失所补偿。因此，轨迹宽度的改变确保在加热器1的半径范围内维持更加恒定的温度分布。

在本实施例中，假定绝缘基底5具有7.5mm的内径和48.94mm的外经，并且加热器的总的绝缘面积大约为7350mm²。实际的轨迹面积大约为5860mm²，这意味着加热器的大约80％的绝缘表面被轨迹覆盖，即加热器具有数值为0.8的宏微(Macro to micro)功率密度比。

此外，接头9设置在加热器绝缘区域半径的大约三分之一的半径上。

图5表示本发明的另一个实施例，其中在加热器1上设置有两个不同组的轨迹。这种构形例如可以用于可选择地给轨迹的高功率部分和低功率部分通电的气锅(airpot)。这种气锅在WO97/04694中描述了。第一组外轨迹7a(宽度1.2mm)被提供，并以相对于图3所描述的构形在相邻端部由银桥11a连接。第二组内轨迹7b(宽度3.4mm)也在相应端部由银桥11b连接。对轨迹7进行电连接，具体是在火线端子9a，中间接线端9b和中性线端9c。

轨迹部分7a具有大约490Ω的电阻，部分7b具有大约90Ω的电阻，从而当电源连接到端子9b和9c时，将产生600W的功率。这足以使容器中的液体沸腾。然而，当电源连接到9a、9c时，只产生100W的功率，这足以例如熬煨沸腾的液体。

图6表示图5的轨迹构形的银桥11a和外轨迹7a的细节。

图7以局部图的形式表示本发明第五实施例的特征，其中银桥11被用于形成绕过基底表面上的障碍物的导电通路。加热器轨迹7在障碍物13附近被断开，障碍物13例如可以是一个用于加热器控制装置的连接凸起，但是轨迹7的断开部分之间的电连接由银桥11实现。用这种方式，可以避开障碍物13，而不需要在现有技术中所需的轨迹7的宽的拐弯。

图8表示本发明另一个实施例的细节。在本实施例中，轨迹7的一部分印制在导电材料例如上述银油墨杜邦7760的图形8的上面或下面。导电材料的长度用于短路各小段轨迹，从而减少其微功率密度和电阻。

在轨迹具有相同材料的银桥与/或接头底座的情况下，它们可以同时印制。相应地，最好把图形印制在轨迹7上面。

可以采用导电材料的其它图形，例如跨过轨迹的带，设置在轨迹材料上的材料点等。

本发明一般涉及形成经济而有效的轨迹构形。用于把本发明付诸实施的所需技术在本领域中是熟知的。

Claims (25)

1.一种厚膜电加热器，包括一设置有一厚膜电阻加热轨迹的绝缘基底，其中电阻轨迹包括至少两个由电阻率比电阻轨迹的电阻率低的材料制成的桥连接起来的分立的部分。

2.如权利要求1所述的加热器，其中所述桥基本上是线状的。

3.如前面任一权利要求所述的加热器，其中桥的宽度基本上是恒定的。

4.如前面任一权利要求所述的加热器，其中桥完全横跨轨迹部分的宽度延伸。

5.如前面任一权利要求所述的加热器，其中桥横跨轨迹部分垂直延伸。

6.如前面任一权利要求所述的加热器，其中所述桥比各轨迹部分窄。

7.如前面任一权利要求所述的加热器，其中所述电阻轨迹包括至少两个平行轨迹部分，在各自的端部由一导电桥连接起来。

8.如前面任一权利要求所述的加热器，其中各电阻轨迹呈同心C形环的形式。

9.如权利要求8所述的加热器，其中各环的端部由各桥成对地互连，从而形成一连续的电路。

10.如权利要求9所述的加热器，其中相邻环的相邻端由桥连接起来。

11.如权利要求9所述的加热器，其中交替环的相对端由所述桥连接在一起。

12.如前面任一权利要求所述的加热器，其中所述各轨迹部分呈两个嵌套螺旋的形式，在外端部由一导电桥连接起来。

13.如前面任一权利要求所述的加热器，其中至少一个桥被设置成绕过绝缘基底上的一障碍物。

14.如前面任一权利要求所述的加热器，其中在加热器的中心设置有与电阻轨迹连接的一个或多个接头。

15.如前面任一权利要求所述的加热器，其中一桥被设置成连接两个以上的轨迹部分。

16.如前面任一权利要求所述的加热器，其中各导电桥形成为印制的油墨条，油墨包括高比例的导电材料例如银。

17.一种厚膜加热器，包括设置在加热器中心区域的一对电接头。

18.一种厚膜加热器，具有其70％以上、最好80％以上的绝缘区域被加热轨迹所覆盖。

19.一种电加热器，包括一设置有一厚膜电阻加热轨迹的绝缘基底，其中，电阻轨迹包括多个相邻的轨迹部分，在加热器给定区域中的每个轨迹部分的宽度如此设置，使得横跨相邻轨迹部分的温度分布基本上是恒定的。

20.一种电加热器，包括一设置有一厚膜电阻加热轨迹的绝缘基底，其中电阻轨迹包括以预定构形设置的多个相邻的轨迹部分，朝向构形边缘的轨迹部分的宽度小于朝向构形中心的轨迹部分的宽度。

21.如权利要求20所述的加热器，其中加热器包括一系列同心C形轨迹，径向最外端和最内端轨迹窄于径向更靠中心的轨迹。

22.一种减少一部分厚膜电阻加热轨迹的功率密度的方法，其中在所述轨迹部分的上面或下面设置导电材料部分，从而局部地覆盖所述轨迹部分。

23.一种电加热器，包括一设置有一厚膜电阻加热轨迹的绝缘基底，其中加热轨迹的一部分的上面或下面设置有局部地覆盖所述轨迹部分的多个导电材料部分。

24.如权利要求22或23所述的加热器或方法，其中多个导电部分以斑纹、斑点或短线图案的形式设置。

25.如权利要求22或23所述的加热器或方法，其中导电材料包括银。

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