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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektrische Heizelemente, und insbesondere
elektrische Heizelemente des Typs, der eine Widerstandsbahn umfasst,
welche auf einem isolierenden Substrat vorgesehen ist.
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Derartige
Heizelemente werden für
eine Vielzahl von Anwendungen verwendet oder sind für diese
vorgeschlagen worden, zum Beispiel bei Haushaltsgeräten, wie
beispielsweise Wasser-Erwärmungsbehälter, Wasserkocher
und Bügeleisen.
Typischerweise ist eine isolierende Schicht, z. B. aus Glas, Keramik
oder Glaskeramik (im Folgenden kollektiv als „Glas" bezeichnet) auf einer metallischen Basis,
wie beispielsweise einer Platte (welche zum Beispiel einen Teil
der Basis eines Flüssigkeitserwärmungsbehälters bilden
kann) vorgesehen, und die Widerstandsbahn ist auf der isolierenden
Schicht abgelegt, üblicherweise
durch ein Druckverfahren. Als eine Alternative zu einer beschichteten
metallischen Basis kann die Basis ein fester keramischer Körper sein.
Eine weitere elektrisch isolierende Schicht kann über der
Bahn aufgebracht sein, um diese zu schützen und um Korrosion und Oxidation
zu verhindern. Derartige Heizelemente werden im Fachgebiet „Dickfilm"-Heizelemente genannt.
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Es
ist eindeutig wichtig, dass es für
das Heizelement unmöglich
sein sollte, bei einem Fehlerzustand stark zu überhitzen, da dies großen Schaden nicht
nur an der Vorrichtung oder dem Gerät anrichten kann, in dem es
verwendet wird, sondern auch möglicherweise
an Benutzern desselben.
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Eine
Anzahl von Vorschlägen
sind gemacht worden, um einen derartigen Schutz gegen starke Überhitzung
bereitzustellen. Bei Flüssigkeitserwär mungsgefäßen ist
es üblich,
einen zurücksetzbaren Überhitzungsschutz
bereitzustellen, welcher in dem Fall, dass das Heizelement des Gefäßes überhitzt, betrieben
wird, zum Beispiel, wenn es angeschaltet ist, ohne dass sich Flüssigkeit
darin befindet, oder wenn es leer kocht. Üblicherweise umfasst dieser
einen bimetallischen Aktuator, welcher in thermischem Kontakt mit
dem Heizelement angeordnet ist und welcher bei einer gegebenen Temperatur
oberhalb der normalen Betriebstemperatur des Gefäßes betätigt wird, um einen Satz von
Kontakten in der Zufuhr zu dem Heizelement zu öffnen. Für den Fall, dass dieser Schutz
nicht betätigt
wird, ist es weiterhin bekannt, einen Reserve-Schutz bereitzustellen,
zum Beispiel eine thermische Sicherung, welche in dem Fall betätigt wird,
dass die Temperatur des Heizelements über einen vorbestimmten Wert
ansteigt. Eine derartige Anordnung ist in der WO-A-94/18807 der
Anmelderin beschrieben.
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Bei
den U27- und U28-Steuerungen/Regelungen der Anmelderin sind zwei
bimetallische Aktuatoren vorgesehen, welche wirksam Reserven füreinander
bilden, wodurch das Erfordernis zum Bereitstellen von weiterem Schutz
gegen starkes Überhitzen
umgangen wird.
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Es
wird allerdings bevorzugt, ein Heizelement oder einen Widerstand
mit eingebautem Schutz bereitzustellen. Die Anmelderin hat eine
derartige Anordnung in der WO 97139603 vorgeschlagen. Gemäß diesem
Vorschlag ist eine Brücke
aus einem ausgewählten
Glasmaterial zwischen benachbarten Heizbahnen vorgesehen, wobei
der Aufbau der Bahn und die Position und das Material der Bahn derart ausgewählt sind,
dass bei einer vorbestimmten Temperatur das Glas zwischen den Bahnabschnitten ausreichend
leitfährig
wird, damit die Bahnabschnitte kurzgeschlossen werden, woraus eine
gesteuerte Fehlfunktion des Heizelements resultiert. Es kann daher
gesagt werden, dass sich das Heizelement „selbst schützt", ohne dass eine
externe Steuerung/Regelung benötigt
wird.
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Dieser
Vorschlag für
ein „selbst
schützendes" Heizelement wurde
in der WO 99/02080 der Anmelderin weitergerführt, worin spezifiziert wurde, dass der
Ort der Brücke
zwischen benachbarten Bahnen vom Ende der Bahn verlagert ist, um
den Strom in den Bahnen zu begrenzen, wenn ein Kurschluss auftritt.
Dies wurde mit der Absicht durchgeführt, um zu verhindern, dass
der Fehlerstrom das Herausspringen von Sicherungen in der Haushalts-Stromzufuhr
bewirkt.
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Die
vorliegende Erfindung baut auf den oben genannten Vorschlägen weiter
auf.
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In
der WO 97/39063 wurde vorgeschlagen, dass die Selbstschutz-Glasbrücke vorzugsweise
als eine Schicht über
die gesamte Heizbahn aufgebracht wird. Es hat sich nun allerdings
als vorteilhaft herausgestellt, die Brücke als eine diskrete Brücke bereitzustellen,
und, wenn die Bahn einen Schutz gegen Oxidation und Korrosion benötigt, eine
separate Glasurschicht bereitzustellen.
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Die
Erfindung stellt einen elektrischen Widerstand oder ein Heizelement
des Typs bereit, welcher eine Dickfilm-Widerstandsbahn umfasst,
die auf einem isolierenden Substrat vorgesehen ist, wobei zwei vorbestimmte
Abschnitte der Bahn, welche eine vorbestimmte Stromleitungskapazität aufweisen, durch
eine diskrete Brücke
aus einem isolierenden Material überbrückt sind,
welches bei einer vorbestimmten Temperatur ausreichend leitfähig wird,
um zu bewirken, dass ein Fehlerstrom durch einen oder durch beide
dieser Abschnitte fließt,
wobei die Widerstandsbahn durch eine separate Glasurschicht vor Oxidation
geschützt
ist.
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Auf
diese Art und Weise können
herkömmliche
Glasuren, um einen normalen Korrosionsschutz für die Bahn bereitzustellen,
und ein geeignetes isolierendes Material, z. B. ein geeignetes Glasmaterial, welches
für den
Schutz des Heizelements vor starker Überhitzung ausgewählt ist,
verwendet werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Schutzbrücke
gegen eine starke Überhitzung auch
als eine Glasur aufgebracht, welche die geeigneten Bahnabschnitte überbrückt. Vorzugsweise
ist die Brücke
weiterhin über
aneinander anstoßenden Bahnabschnittsenden
positioniert.
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Die
Zeit, bis zu der sich ein „selbst
schützendes" Heizelement im Zustand
einer starken Überhitzung
selbst schützen
wird, hängt
von der Temperatur des Heizelements im Bereich der Materialbrücke ab. Umso
wärmer
das Heizelement wird, desto wärmer wird
die Brücke
und desto schneller wird sie die Temperatur erreichen, bei der sie
einen Fehlerstrom durchlässt.
Im Zusammenhang beispielsweise eines Wasser-Erwärmungsbehälters, wie beispielsweise eines
Wasserkochers, ist es eindeutig wichtig, eine verfrühte Fehlfunktion
des Heizelements zu vermeiden, insbesondere während einer Zeit, bevor ein
primärer Überhitzungsschutz,
wie beispielsweise ein bimetallischer Aktuator, betätigt worden
ist.
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Dieses
Problem wird gemäß einer
alternativen Anordnung abgemildert, indem die Materialbrücke in einem
Bereich des Heizelements angeordnet wird, welches eine niedrigere
Leistungsdichte als ein benachbarter Bereich aufweist. Diese alternative
Anordnung stellt einen elektrischen Widerstand oder ein Heizelement
des Typs bereit, welcher eine Dickfilm-Widerstandsbahn umfasst,
die auf einem isolierenden Substrat vorgesehen ist, wobei zwei vorbestimmte
Abschnitte der Bahn, welche eine vorbestimmte Stromleitungskapazität aufweisen,
lokal durch eine Brücke
aus einem elektrisch isolierenden Material überbrückt sind, welches bei einer
vorbestimmten Temperatur ausreichend leitfähig wird, um zu bewirken, dass
ein Fehlerstrom durch einen oder durch beide dieser Abschnitte fließt, wobei
die Widerstands-Heizbahn eine variable Leistungsdichte aufweist,
und wobei die Materialbrücke
in einem Bereich der Heizbahn vorgesehen ist, welche eine relativ niedrige
Leistungsdichte aufweist.
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Indem
die Brücke,
z. B. aus Glas, in einem Bereich niedrigerer Leistungsdichte des
Heizelements angeordnet ist, wird der Temperaturanstieg dieses Bereichs
in einer Überhitzungssituation
hinter dem Temperaturanstieg in benachbarten Bereichen höherer Leistungsdichte
verzögert
sein, wodurch eine längere
Zeitspanne bis zur Fehlfunktion bereitgestellt wird. Selbstverständlich sollte
die Position der Brücke
immer noch derart sein, dass das Heizelement an diesem Ort, und
nicht anderswo, eine Fehlfunktion zeigen wird. Wenn demzufolge eine
separate Glasur über
der Heizbahn vorgesehen ist, sollte diese derart ausgewählt sein,
dass ein Zusammenbruch nicht anderswo an der Bahn auftritt.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
ist der Bereich niedrigerer Leistungsdichte durch Bereiche höherer Leistungsdichte
flankiert. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Bereich niedrigerer
Leistungsdichte in einem radial mittleren Abschnitt der Heizbahn
vorgesehen, wobei wenigstens die radial äußeren Bereiche der Bahn eine
höhere
Leistungsdichte aufweisen. Diese Anordnung hat den Vorteil, der
Tendenz des isolierenden Substrats, bei einer starken Überhitzungssituation
Mikrorisse zu bilden, was zu einer Fehlfunktion des Heizelements beim
Testen führen
könnte,
entgegenzuwirken. Dieser Effekt wird ausführlicher in der ebenfalls anhängigen Anmeldung
der Anmelderin, welche an demselben Tag wie diese Anmeldung unter
der Referenznummer 74.46.70570 des Vertreters eingereicht worden
ist, und ebenfalls den Titel „Electric
Heaters" (elektrische
Heizelemente) trägt,
beschrieben. Die hierin beschriebenen Erfindungen können bei
den Anordnungen, welche in jener Anmeldung beschrieben sind, angewendet
werden.
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Bei „selbst
schützenden" Heizelementen, wie
oben und in den veröffentlichten
internationalen Patentanmeldungen der Anmeldung, auf die voranstehend
Bezug genommen wurde, beschrieben, zeigt die Bahn eine Fehlfunktion
aufgrunddessen, dass ein Strom, der die Stromleitungskapazität der Bahn übersteigt,
durch einen Abschnitt der Bahn fließt, wenn bei erhöhten Temperaturen
die Brücke ausreichend
leitfähig
wird. Es ist herausgefunden worden, dass in einer derartigen Situation
der Bahnabschnitt an irgendeinem Punkt entlang seiner Länge durchschmelzen
kann, zum Beispiel in Abhän gigkeit von
der Genauigkeit, mit der die Bahn aufgebracht wurde, usw.. Ferner
wird, wenn die Bahn eine Fehlfunktion aufweist, eine Funkenentladung
erzeugt.
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Diese
Funkenentladung ist hoch leitend und ist in einem magnetischen Feld
beweglich, und kann daher zu anderen Komponenten, wie beispielsweise Steuer-/Regelkomponenten,
angezogen werden. Die Funkenentladung kann sogar die isolierende
Schicht beschädigen,
auf der die Bahn vorgesehen ist, was möglicherweise dazu führt, dass
das Heizelement nach einer Fehlfunktion unter Strom steht. Dies
ist potentiell gefährlich
und ein derartiges System würde die
heutigen Sicherheitsstandards nicht erfüllen.
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Es
ist daher sehr vorteilhaft, die Fehlfunktion an einer vorbestimmten
Position auf der Bahn auftreten zu lassen, so dass dies zum Beispiel
an einer Position arrangiert werden könnte, welche weg von anderen
Komponenten, wie beispielsweise Steuer-/Regelkomponenten, liegt.
Die Erfindung löst
diese Aufgabe, indem sie ein Mittel bereitstellt, welches lokal den
Strom konzentriert, der durch den Bahnabschnitt, welcher eine Fehlfunktion
aufweisen wird, fließt.
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Dies
ermöglicht
daher eine besser gesteuerte Fehlfunktion der Bahn. Der Strom-Konzentrator
ist vorzugsweise weg von jeglichen stromführenden oder geerdeten Teilen,
z. B. von einer dem Heizelement zugeordneten Steuerung/Regelung,
angeordnet.
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Die
Stromkonzentration kann auf eine Mehrzahl von Arten und Weisen erreicht
werden. Vorzugsweise wird sie allerdings durch ein lokales Verringern der
Bahnbreite erreicht. Bei einer Ausführungsform kann die Bahn eine
Taille aufweisen, um die gewünschte
Konzentration zu erreichen, aber vorzugsweise wird der Effekt durch
das Vorsehen eines Loches, zum Beispiel eines kreisförmigen Loches, durch
die Bahn, erreicht. Dieses Loch wird dann als ein Fokus für die Fehlfunktion
der Bahn dienen.
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Wie
bei den oben beschriebenen Ausführungsformen,
kann die Brücke
lokal zwischen benachbarten Bahnabschnitten oder über die
gesamte Bahn aufgebracht sein.
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Es
ist zu beachten, dass die unterschiedlichen Merkmale der Erfindung
im Wesentlichen unabhängig
voneinander sind. Demgemäß können beispielsweise
die Merkmale betreffend die niedrigere Leistungsdichte und die Stromkonzentration
bei den in WO 97/39603 beschriebenen Anordnungen angewendet werden,
wo die schmelzende Glasbrücke
als eine Glasur für
die gesamte Bahn aufgebracht ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun exemplarisch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 eine
Draufsicht auf ein Heizelement gemäß der Erfindung ist;
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1A ein
Querschnitt entlang der Linie A-A von 1 ist; und
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2 eine
Tabelle ist, welche relevante Daten für das in 1 gezeigte
Heizelement angibt.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist ein ebenes Dickfilm-Heizelement 2 gezeigt,
welches die vorliegende Erfindung verkörpert. Das Heizelement umfasst
ein 0,5 mm dickes Edelstahl-Substrat 4, auf dem auf herkömmliche
Art und Weise eine isolierende Schicht 6 und eine Heizbahn 8 aufgebracht
sind. Bei dieser besonderen Ausführungsform
ist die isolierende Schicht 6 aus Dupont 3500 Tinte
hergestellt und ist etwa 85 Mikrometer dick (+/–10 Mikrometer). Die Widerstands-Heizbahn 8,
welche auf die isolierende Schicht 6 aufgebracht ist, ist
aus einer Mischung aus Dupont F/612/F629 Widerstandstinten hergestellt
und ist etwa 13 Mikrometer (+/–2
Mikrometer) dick.
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Wie
ersichtlich werden wird, ist die Widerstands-Heizbahn aus einer
Reihe von acht konzentrischen, gebogenen Bahnabschnitten 8a, 8b,
... 8h aufgebaut, deren Enden durch Silberverbindungen 10 angeschlossen
sind. Ein derartiger Aufbau einer Bahn ist allgemein in der WO 98/366182
der Anmelderin offenbart. Die Bahnabschnitte 8a, 8b, 8c und 8h verlaufen
im Wesentlichen vollständig
um das Heizelement herum, während
die anderen Bahnabschnitte in im Allgemeinen halbkreisförmige Abschnitte
unterteilt sind. Ein Ende der Bahn 8e ist durch eine Silberbahn 14 an
einem Silberfeld 16 zur Aufnahme eines Silberkontakts (nicht
gezeigt) angeschlossen, und ein Ende der Bahn 8d ist durch
eine Silberverbindung 20 an einem weiteren Kontaktaufnahmefeld 18 angeschlossen.
Bei Betrieb erhalten die an den Feldern, beispielsweise durch Löten, angebrachten
Kontakte eine 230V-Spannungszufuhr (oder
einen anderen Spannungswert). Der Außendurchmesser der äußersten
Bahn 8a beträgt
etwa 60 mm, wobei die Lücke
zwischen benachbarten Bahnen etwa 0,5 mm beträgt.
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Die
Gesamtleistung dieses Elements beträgt 1000 W bei 230 V Wechselstrom,
wobei die Leistungsverteilung jedes Bahnabschnitts in 2 angegeben
ist.
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Es
ist aus 1 und 2 ersichtlich,
dass sich die Breite der Bahnabschnitte 8a bis 8h vom Rand
des Elements bis zu dessen Mitte ändert. Insbesondere ist der äußerste Bahnabschnitt 8a der schmalste,
wobei die Breite der Bahn sich in Richtung auf die Bahnabschnitte 8e und 8f im
radial mittleren Bereich erhöht,
bevor sie in Richtung auf den innersten Bahnabschnitt 8h wieder
abnimmt. Da die Leistungsdichte invers proportional zur Bahnbreite ist,
verringert sich die Leistungsdichte von einem Maximalwert bei Bahn 8a zu
einem Minimalwert bei den Bahnen 8e-8f und steigt
dann zu einem zweiten, lokalen Maximalwert bei Bahn 8h.
Der Effekt dieser Breitenverteilung ist es, die Tendenz der isolierenden Schicht 6,
bei einer Situation starker Überhitzung
Mikrorisse zu bilden, zu verringern.
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Zurück zu 1 ist
ersichtlich, dass gegenüberliegende,
entgegengesetzte Endaschnitte der Bahnen 8d und 8e,
welche durch Silberverbindungen 10a und 10b überbrückt werden,
mit einer „selbst schützenden" Glasurbrücke 22,
welche etwa 7 mm breit und etwa 4 mm lang ist, überdruckt sind. Diese Brücke 22 ist
aus ESL 4771G Material gedruckt und ist etwa 13 Mikrometer (+/–2 Mikrometer)
dick. Es ist ersichtlich, dass die Brücke 22 über den
Bahn abschnitten angeordnet ist, welche mit den jeweiligen Enden
der Bahn 8 verbunden sind, so dass ein relativ großer Spannungsabfall über die
Brücke 22 auftritt. Die
Brücke
ist also bei etwa 61 mm vom Ende der Bahn 8e aus und etwa
30 mm vom Ende der Bahn aus angeordnet. Dies erzeugt eine Spannungsdifferenz
von etwa 208 V über
die Brücke.
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Es
ist aus 1 ersichtlich, dass ein Loch 24 mit
einem Durchmesser von etwa 1 mm in dem Abschnitt der Bahn 8d zwischen
der Brücke 22 und
dem Ende der Bahn 8d, das mit dem Kontaktfeld verbunden
ist, vorgesehen ist.
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Das
gesamte Element ist mit einer Schutzglasur überdruckt, z. B. aus Dupont
3500 bis zu einer Dicke von z. B. 13 Mikrometer +/–2 Mikrometer.
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Bei
Betrieb ist das gezeigte Heizelement zum Beispiel in der Basis eines
Flüssigkeitserwärmungsgefäßes, wie
beispielsweise eines Wasserkochers, angebracht. Sollte der Wasserkocher
trocken kochen oder angeschaltet werden, ohne dass sich Wasser in
dem Wasserkocher befindet, dann wird die Temperatur des Heizelements
aufgrund der hohen Nennleistung des Heizelements und seiner geringen thermischen
Masse sehr schnell ansteigen. Sollte irgendein primärer Überhitzungsschutz,
wie beispielsweise ein bimetallischer Aktuator, verfehlen, betätigt zu
werden, dann wird die Temperatur des Heizelements ihren Anstieg
fortsetzen. Bei einer bestimmten, im Voraus festgelegten Temperatur
wird allerdings die Leitfähigkeit
der selbst schützenden Überglasurbrücke 22 bis
zu dem Punkt ansteigen, an dem sie effektiv den Großteil der
Bahn kurzschließt,
was dazu führt,
dass ein sehr hoher Strom durch die Bahnabschnitte 8d und 8e fließt, die
durch die Bahn überbrückt werden.
Bei der spezifischen Ausführungsform
beträgt
der Widerstand dieser Bahnabschnitte etwa 5 Ω, was dazu führt, dass
durch die Abschnitte ein Strom von etwa 46 A fließt, was
weit oberhalb des normalen Betriebsstroms von etwa 4,35 A liegt,
und die Stromleitungskapazität
der Bahnabschnitte weit überschreitet.
Demgemäß werden
einer oder beide dieser Bahnabschnitte eine Fehlfunktion aufweisen.
Der Strom ist allerdings ausreichend niedrig, um zu verhindern,
dass Haushalts-Sicherungen heraus springen oder dass Erdschluss-Schutzschalter
betätigt
werden. Allgemein ist herausgefunden worden, dass ein Fehlfunktions-Strom
von zwischen 10 und 15 A/mm eine zufriedenstellende Fehlfunktion
erzeugt.
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Bei
der beschriebenen Ausführungsform wird
der Bahnabschnitt 8d also aufgrund des Vorhandenseins des
Lochs 24 ausfallen. Dies wirkt derart, dass es lokal den
durch die Bahn fließenden
Strom konzentriert, so dass der Bereich um das Loch 24 herum
wesentlich größer sein
wird als sonstwo in dem Abschnitt 8d, was bewirkt, dass
eine Fehlfunktion in diesem Bereich auftritt.
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Es
ist ebenfalls zu beachten, dass die Brücke 22 zwischen relativ
breiten Bahnabschnitten bereitgestellt ist. Dies wirkt derart, dass
die Leistungsdichte im Bereich der Brücke verringert wird, was bedeutet, dass
die Brücke
nicht so heiß werden
wird wie umliegende Bereiche. Dies hat den Effekt, die Zeit, die
benötigt
wird, bis die Ausfalltemperatur der Brücke 22 erreicht ist,
zu verlängern,
wodurch die Zeit, bis das Heizelement ausfällt, verlängert wird. Dies ist dahingehend
vorteilhaft, dass es die Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion des
Heizelements, bevor ein primärer Überhitzungsschutz
betätigt
wird, verringert.
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Bei
der beschriebenen Ausführungsform
ist herausgefunden worden, dass die Zeit, bis sich das Heizelement
selbst schützt,
etwa 8 Sekunden beträgt.
Dies liegt deutlich oberhalb der 4 Sekunden, die für die Betätigungszeit
eines primären,
bimetallischen Überhitzungsschutzes
erwartet würden,
so dass das Heizelement im Falle eines Trockenkochens oder einer
Trockenanschaltsituation bei einem Wasserkocher oder dergleichen
nicht verfrüht
ausfällt.
Sie liegt allerdings unterhalb der Zeit, nach der das isolierende
Substrat des Heizelements zerstört wird,
was zu einem sicheren Fehlfunktionsmodus führt.
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Es
ist zu beachten, dass verschiedene Modifikationen an der oben beschriebenen
Ausführungsform
durchgeführt
werden können,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel könnte mehr
als ein Stromkonzentrator bereitgestellt werden, zum Beispiel einer
in beiden der Bahnen 8d und 8e. Obwohl dies bevorzugt
ist, ist es auch nicht essentiell, die Brücke 22 in einem Bereich
niedriger Leistungsdichte vorzusehen, so dass die Bahnen 8a bis 8h alle
die gleiche Breite aufweisen können.
Die Erfindung ist nicht auf die spezifischen, offenbarten Bahngrößen begrenzt
und bei einigen Ausführungsformen
können,
in Abhängigkeit
von der Größe des Heizelements
und der erforderlichen Leistung des Heizelements, die Bahnen breiter
oder schmaler sein als die offenbarten Breiten.
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Es
ist aus dem oben beschriebenen ersichtlich, dass die Erfindung eine
gesteuerte Fehlfunktion des Heizelements in einer Situation starker Überhitzung
auf eine Art und Weise ermöglicht,
welche die Wahrscheinlichkeit verringert, dass das Heizelement zum
Nullleiter oder zur Erdung durchschlägt.
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Es
ist für
Fachleute offensichtlich, dass sich die Beschreibung lediglich auf
ein Beispiel bezieht, wie die Erfindung umgesetzt werden kann. Insbesondere
sind die verschiedenen Abmessungen, Parameter und Maßabweichungen
nur als ein Beispiel gegeben und sollten nicht als begrenzend aufgefasst
werden.