ES2284516T3 - Calentador de pelicula gruesa. - Google Patents

Abstract

Una resistencia eléctrica o calentador (1) del tipo que comprende un elemento de resistencia de película gruesa (8), colocada sobre un substrato aislante (4, 6), teniendo dos tramos (8d, 8e) de dicho elemento una capacidad prefijada para portar energía y puenteados por un puente discreto (22) de material vítreo, que a una temperatura determinada se pone suficientemente conductivo para ocasionar que fluya una corriente de fallo por dichos dos tramos (8d, 8e), estando protegido el elemento de resistencia contra la oxidación por una capa sobrevidriada separada.

Description

Calentador de película gruesa.

La presente invención trata de calentadores eléctricos, y en particular, de calentadores eléctricos del tipo que comprende un elemento de resistencia provisto de un sustrato aislante.

Tales calentadores existen o se han propuesto para diversas aplicaciones, por ejemplo, electrodomésticos como recipientes para calentar agua, calentadores de agua y planchas. Normalmente, la capa aislante, p. ej. de vidrio, cerámica o vitrocerámica, (denominada en lo sucesivo "vidrio") está puesta sobre una base metálica, tal como una placa (que por ejemplo puede formar parte de la base de un recipiente para calentar líquidos) y el elemento de resistencia puesta sobre la capa aislante, generalmente por la técnica de impresión. Como alternativa a la base metálica revestida, la base puede ser un cuerpo cerámico macizo. Se pude aplicar otra capa aislante sobre el elemento de resistencia para protegerla e impedir la corrosión y la oxidación. Estos calentadores se denominan en el ramo "de capa gruesa".

Es claramente importante que no se permita que el calentador se sobrecaliente en exceso por un estado defectuoso, pues puede causar daños graves, no sólo al aparato en el que está montado, sino también posiblemente al usuario del mismo.

Se han hecho varias propuestas para ofrecer tal protección importante. En los recipientes para calentar líquidos, es común disponer de un protector que se puede reactivar, que actúa en el caso de que el calentador del recipiente se recaliente, por ejemplo, si se enciende sin líquido o si se deja hervir cuando se ha vaciado. Normalmente, consiste en un accionador bimetálico puesto en contacto térmico con el calentador, que actúa a una cierta temperatura por encima de la temperatura normal de trabajo del recipiente, abriendo una serie de contactos en la alimentación del calentador. Sin embargo, en el caso de que el protector no funcionase, también se sabe la posibilidad de poner un protector de reserva. Por ejemplo, un fusible térmico que actúa en el caso de que la temperatura del calentador exceda de un valor predeterminado. Este dispositivo se describe en WO-A-94/18807 del solicitante.

En los controles U27 y U28 del solicitante, se dispone de dos accionadores bimetálicos que efectivamente se respaldan uno al otro, evitando la necesidad de poner una protección contra el sobrecalentamiento más estricta.

No obstante, es preferible dotar al calentador de resistencia con protección incorporada. El solicitante ha propuesto dicha disposición en WO97/39603. Según esta propuesta, un puente de material vítreo seleccionado se pone entre elementos calentadores contiguos, eligiéndose la configuración de los elementos, la posición y el material de los mismos de manera que a una temperatura prefijada de los elementos, el vidrio entre las secciones de elementos tenga la conductividad suficiente para que dichos elementos hagan cortocircuito, que resulta en un fallo previsto del calentador. Entonces puede decirse que el calentador está "autoprotegido", sin necesidad de un mando externo.

Esta propuesta de un calentador "autoprotegido" ha sido llevada adelante por el solicitante en WO99/02080, en donde se especifica que la posición del puente entre elementos adyacentes se desplaza desde el extremo del elemento con el fin de limitar la corriente de los elementos cuando ocurre un cortocircuito. La intención es impedir que la corriente del cortocircuito haga saltar los fusibles del suministro de energía a la casa.

La invención presente elabora más las siguientes propuestas.

En WO97/39603 ha sugerido que se aplique con preferencia un puente de vidrio para la capa sobre todo el elemento calentador. Sin embargo, ahora parece preferible poner el puente de forma discreta, si el elemento debe ser protegido contra la corrosión y la oxidación, dotando una capa sobrevidriada separada.

La invención proporciona una resistencia eléctrica del tipo que comprende un elemento de resistencia de película gruesa puesta sobre un subsrearo aislante; dos secciones prefijadas de dicho elemento tienen una capacidad portadora de corriente prefijada y puenteadas por un puente separado de un material aislante que, a una temperatura determinada se hacen lo suficientemente conductivos para hacer que una corriente indebida fluya por una sección o ambas, estando protegido el elemento de resistencia contra la oxidación por una capa sobrevidiada separada.

De este modo, el sobrevidriado convencional sirve para ofrecer a este elemento una protección normal contra la corrosión, y se elige un material aislante adecuado, p. ej. un material vítrico adecuado, para la protección contra un sobrecalentamiento grave del calentador.

En una versión preferente, la protección contra el sobrecalentamiento grave, también se aplica en forma de puente sobrevidriado entre los tramos correspondientes de elementos. Preferiblemente, también el puente se coloca sobre los extremos contiguos de las pistas.

El tiempo en que este calentador "autoprotegido" se protege en situación de sobrecalentamiento grave depende de la temperatura del calentador en la región del puente de material. Cuanto más caliente se ponga el calentador, más se calienta el puente y alcanza más rápidamente la temperatura en la que pasa la corriente fallida. En el contexto de, digamos, un recipiente para calentar agua, es sin duda importante impedir el fallo prematuro del calentador, particularmente un tiempo antes de que actúe el protección primaria contra el sobrecalentamiento, como es un accionador bimetálico.

Este problema se alivia por medio de una disposición alterna, colocando el puente de material en una región del calentador que tenga menor densidad de energía que la región colindante.

La disposición alterna ofrece una resistencia eléctrica, o de caldeo, del tipo que comprende un elemento de resistencia de película gruesa, puesta en un substrato aislante, dos tramos prefijados de dicho elemento con una capacidad predeterminada para portar corriente, puenteados localmente por un puente de material aislante eléctricamente que, a una temperatura determinada se hace lo suficientemente conductivo para causar un cortocircuito, estando colocado dicho puente de material en una región del calentador que tiene relativamente menos densidad de energía.

Al situar el puente de vidrio en una zona de menor densidad energética, la elevación de la temperatura en caso de sobrecalentamiento sería más lenta que la elevación de la temperatura en las partes contiguas de mayor densidad de energía, con lo que el fallo tarda más en producirse. Por supuesto, la posición del puente aún debe ser tal que el calentador falle en ese punto en vez de en otra parte. Por consiguiente, si se pone un sobrevidriado separado sobre el elemento calefactor, debe elegirse de modo que la avería no ocurra antes en otra parte del elemento.

En la versión preferida, la región de densidad de energía baja está flanqueada por zonas de mayor densidad de energía; y en una versión particularmente preferida, la zona de densidad de energía más baja está situada en un tramo radial intermedio del elemento calefactor, teniendo más densidad de energía por lo menos las regiones radiales exteriores del elemento. Esta disposición tiene la ventaja de que contrarresta la tendencia del sustrato aislante a formar microelementos en caso de recalentamiento serio que podría producir la avería del calefactor al probarlo. Este efecto se describe más plenamente en la solicitud del solicitante pendiente, presentada al mismo tiempo que la presente con el número de referencia del agente 74.46.70570 y también titulada Calentadores Eléctricos. La invención aquí descrita puede aplicarse a los dispositivos descritos en aquella solicitud.

En los calentadores "autoprotegidos" que se han descrito y en las solicitudes de patente internacional publicadas y antes referidas, el elemento falla debido a una corriente que supera la capacidad del elemento para portar la corriente que pasa por el tramo de elemento, cuando el puente se hace suficientemente conductivo a temperaturas elevadas. Se ha visto que, en muchas situaciones, el tramo de elemento se puede fundir en cualquier punto de su longitud, dependiendo, por ejemplo, de la precisión con que se haya puesto, etc. Además, cuando el elemento falla, se genera un arco. Este arco es sumamente conductivo y se mueve en un campo magnético, y por lo tanto, podría moverse a otros componentes, como los medios de mando. El arco podría incluso dañar la capa aislante en la que está puesto el elemento, ocasionando la posibilidad de que el calentador siga cargado de corriente después del fallo, lo que es un posible peligro, y dicho sistema podría no cumplir las normas de seguridad actuales.

Es por lo tanto sumamente deseable hacer que el fallo ocurra en un punto prefijado del elemento, poniéndolo, por ejemplo, en una posición alejada de otros componentes tales como los medios de mando. La invención cumple este objetivo disponiendo un medio que concentra en un punto la corriente que fluye por el tramo del elemento que ha de fallar.

Así, por lo tanto, se consigue que el fallo del elemento sea más previsible. Es preferible que el concentrador de corriente esté lejos de cualquier pieza portadora de corriente o puesta a tierra, p. ej. un mando del calentador.

La corriente se puede concentrar de varias maneras, aunque es preferible hacerlo reduciendo en un punto la anchura del elemento. En una versión, se hace una cintura en el elemento para obtener la concentración deseada, pero es preferible lograr el efecto haciendo un orificio, por ejemplo, circular, a través del elemento. Tal orificio actúa entonces como foco del fallo del elemento,

Igual que en la versión arriba descrita, el puente se puede aplicar en un punto entre tramos contiguos del elemento o sobre todo el elemento.

Debe observarse que las diversas características de la invención son esencialmente independientes entre sí. Por consiguiente, se pueden aplicar las características de baja densidad de energía y de concentración de corriente a los dispositivos descritos en WO97/39603, por ejemplo, cuando se dispone el puente de vidrio fusible en forma de un sobrevidriado sobre todo el elemento.

Ahora se describirá una versión preferente de la invención, a modo de ejemplo, con referencia a los croquis adjuntos, en los que:

La Fig. 1 es una vista en planta del calentador con arreglo a la invención.

La Fig. 2 es una sección por la línea A-A de la Fig. 1; y

La Fig. 3 es una tabla que presenta los datos correspondientes al calentador de la Fig. 1.

Volviendo a la Fig. 1, en ella vemos un calentador plano de película gruesa 2 que incorpora la presente invención. El calentador comprende un substrato de acero inoxidable de 0,5 mm de espesor 4 sobre el que se deposita de manera convencional una capa aislante 6 y un elemento calefactor 8. En esta versión particular, la capa aislante 6 está hecha de tinta Dupont 3500 y tiene alrededor de 85 micras de grosor (\pm 10 micras). El elemento de resistencia calefactor 8 puesto sobre la capa aislante 6 está hecho de una mezcla de tintas resistentes Dupont F/612/F629 y tiene un grosor de unas 13 micras (\pm 2 micras).

Como se verá, el elemento de resistencia calefactor 8 está hecho con una serie de ocho pistas en arcos concéntricos, tramos 8a, 8h cuyos extremos van unidos con enlaces de plata. Esta configuración del elemento se revela en términos generales en la patente WO99/366182 de este solicitante. Los tramos del elemento 8a, 8b, 8c y 8h están en esencia rodeando totalmente el calentador, en tanto que las otras partes del calentador están divididas en tramos esencialmente semicirculares. Un extremo del calentador 8e está conectado por una pista de plata 14 a un plaquita de contacto 18 (omitida) para recibir un enlace de plata 20. Estando en servicio, los contactos montados en las plaquitas, p. ej. soldados, reciben un suministro a 230 V (u otra tensión). El diámetro de la pista exterior 8a es de unos 60 mm y el espacio entre pistas es de alrededor de 0,5 mm.

La potencia total de este elemento de de 1.000 W a 230 V CC y la aportación de potencia de cada tramo de pista viene dada en la figura 2.

En las Figs 1 y 2 es evidente que la anchura de las partes de la 8a a la 8h del elemento varía entre el borde y el centro del elemento. En particular, la parte más exterior 8a es la más estrecha y la anchura de la pista aumenta hacia las partes del elemento 8e y 8f en la región radial central, antes de reducirse de nuevo hacia la parte más interior de la pista 8h. Puesto que la densidad de energía es inversamente proporcional a la anchura de la pista, la densidad de energía desciende desde un máximo en la pista 8a hasta un mínimo en las pistas 8e y 8f y luego aumenta a un segundo máximo local en la pista 8h. El efecto de esta distribución de las anchuras es el de reducir la tendencia de la capa aislante a hacer microgrietas en una situación de sobrecalentamiento grave.

Volviendo a la Fig. 1, se verá que las partes opuestas de las pistas 8d y 8e están puenteadas por los enlaces de plata 10a y 10b impresas encima con un glaseado "autoprotector" 22 de unos 7 mm de ancho y 4 mm de largo. Este puente 22 está impreso con material SSL 4771G y su espesor es de unas 13 micras (\pm 2 micras). Se verá que el puente 22 está puesto sobre las posiciones de las pistas conectadas a sus extremos respectivos del elemento 8, de manera que se produce una caída de tensión relativamente fuerte sobre el puente 22. De hecho, el puente está situado a unos 61 mm del extremo de la pista 8e y a unos 30 mm del extremo del elemento. Así se produce una diferencia de tensión de unos 208 V sobre el puente.

Se verá en la Fig. 1 que un orificio 24 de aproximadamente 1 mm de diámetro está situado en el tramo de la pista 8d entre el puente 22 y el extremo de la pista 8d enlazado con la plaquita de contacto 18.

Todo el elemento está sobreimpreso con glaseado protector, p.ej. Dupont 3500 con un espesor de 13 micras \pm 2 micras.

Estando en servicio, el calentador que se muestra está montado, por ejemplo, en la base de un recipiente calentador de agua, tal como una pava. Si la pava hirviera hasta secarse, o se encendiese la pava sin agua, la temperatura del calentador sube muy deprisa debido al alto valor nominal del calentador y su poca masa térmica. Si no actuara un protector primario contra el sobrecalentamiento, tal como un accionador bimetálico, la temperatura del calentador seguirá subiendo. Sin embargo, a cierta temperatura prefijada, la conductividad del puente glaseado autoprotector 22 sube hasta un punto en el que efectivamente cortocircuita la mayoría del elemento con el resultado de una corriente muy alta pasa a través de los tramos del elemento 6d y 8e puenteados por el elemento. En esta configuración particular, la resistencia de dichos tramos del elemento es de unos 5 \Omega, lo que lleva a que la corriente que fluye por los tramos de de unos 46 amperios, que está muy por encima de la corriente normal de trabajo de unos 4,35 amperios y muy en exceso de la capacidad de portar corriente de los tramos del elemento. Por consiguiente, uno de estos tramos o ambos debe fallar. La corriente es, sin embargo, lo bastante baja para impedir que salten los fusibles de la casa o que se disparen las pérdidas a tierra. En general, se ha visto que un fallo de la corriente a entre 10 y 15 A/mm produce un fallo satisfactorio.

En la versión descrita, el tramo 8d del elemento de hecho fallará debido a la presencia del orificio 24. Este orificio actúa concentrando en ese punto la corriente que fluye por el elemento de modo que la región que rodea el orificio 24 es mucho mayor que en otras partes del tramo 8d, haciendo que el fallo ocurra en esa región.

Se observará también que el puente 22 está situado entre tramos de pista relativamente anchos. De este modo se reduce la densidad de energía en la zona del puente, lo que significa que el puente no se calentará tanto como las zonas circundantes. El efecto es el de aumentar el tiempo que el puente 22 tarda en alcanzar la temperatura de avería, prolongando así el tiempo antes de que el calentador falle. Esto es ventajoso porque reduce la posibilidad de que el calentador falle antes de que actúe el protector primario de sobretemperatura.

En la configuración descrita, se ha hallado que el tiempo en que el calentador se autoprotege es de unos 8 segundos. Este umbral está muy por encima de los 4 segundos en que actuaría el protector de sobrecalentamiento bimetálico primario, de manera que el calentador no fallaría prematuramente en el caso de sobrecalentamiento, digamos, de que la pava hirviera en seco o se encendiera sin agua, o algo por el estilo. Esto es, cualquiera que sea el tiempo por debajo del cual el substrato aislante del calentador fallase, produciendo una situación de fallo sin riesgo.

Se notará que se pueden hacer diversas modificaciones de la configuración anterior sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, se podría instalar más de un concentrador de corriente, por ejemplo, uno en cada pista 8d y 8e. Tampoco es esencial, aunque es preferible, que el puente 22 esté en una zona de baja densidad de energía, de manera que todas las pistas, de la 8a a la 8h, puedan ser de la misma anchura. La invención no se limita a las dimensiones de las pistas que se revelan y en ciertas configuraciones, según sea el tamaño del calentador y la potencia que necesita el mismo, las pistas pueden ser más anchas o más estrechas que las descritas.

De lo anterior se desprende que la invención permite el fallo regulado del calentador en una situación de sobrecalentamiento grave, de una manera que reduce la posibilidad de que el calentador se estropee poniéndose en neutro o a tierra.

Los entendidos en el arte apreciarán que la descripción se refiere meramente a un ejemplo de aplicación de la invención. En particular, las diversas dimensiones, parámetros y tolerancias, se dan sólo a título de ejemplo y no deben considerarse limitativas.

Claims (10)

1. Una resistencia eléctrica o calentador (1) del tipo que comprende un elemento de resistencia de película gruesa (8), colocada sobre un substrato aislante (4, 6), teniendo dos tramos (8d, 8e) de dicho elemento una capacidad prefijada para portar energía y puenteados por un puente discreto (22) de material vítreo, que a una temperatura determinada se pone suficientemente conductivo para ocasionar que fluya una corriente de fallo por dichos dos tramos (8d, 8e), estando protegido el elemento de resistencia contra la oxidación por una capa sobrevidriada separada.

2. Una resistencia o calentador (2) como el de la reivindicación 1 en el que el puente (22) es sobrevidriado y se aplica sobre los tramos (8d, 8e) del elemento.

3. Una resistencia o calentador (2) como el de las reivindicaciones 1 ó 2 en el que el puente (22) está situado en los extremos colindantes de los tramos del elemento.

4. Una resistencia o calentador (2) como en cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el puente de material está puesto en la zona del calentador que tiene relativamente menos densidad de energía.

5. Una resistencia o calentador (2) como el de la reivindicación 4 en el que la región de relativa baja densidad de energía está flanqueada por zonas de mayor densidad de energía.

6. Una resistencia o calentador (2) como el de las reivindicaciones 4 ó 5 en el que la zona de menor densidad de energía está puesta en un tramo radialmente intermedio del calentador (2).

7. Una resistencia o calentador (2) como el de la reivindicación 6 en el que por lo menos las regiones radialmente centrales de la pista (8) del calentador tiene mayor densidad de energía.

8. Una resistencia o calentador (2) como el de cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que se ha dotado un medio en dicho tramo de las pistas (8d, 9e) que han de fallar, que concentra en el lugar la corriente que fluye por el tramo de pista.

9. Una resistencia o calentador (2) como el de la reivindicación 8 en el que la concentración de corriente se consigue reduciendo en un punto la anchura del tramo (8d, 8e) de la pista.

10. Una resistencia o calentador (2) como el de la reivindicación 9 en el que se dispone un orificio a través del tramo de pista (8d).