NL2000081C2

NL2000081C2 - Elektrische verwarmingsinrichting met temperatuurdetectie door dielektrische laag.

Info

Publication number: NL2000081C2
Application number: NL2000081A
Authority: NL
Inventors: Simon Kaastra
Original assignee: Ferro Techniek Holding Bv
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2007-11-26
Also published as: EP2027753A1; WO2007136268A1; CN200950672Y

Description

Elektrische verwarmingsinrichting met temperatuur detectie door diëlektrische laag

De onderhavige uitvinding betreft een elektrische verwarmingsinrichting, welke is 5 voorzien van een hoofdzakelijk vlakke drager van thermisch goed geleidend materiaal, aan een eerste zijde waarvan te verwarmen materiaal kan worden aangebracht, een aan de tweede zijde van de drager aangebrachte elektrisch isolerende laag, op de thermisch isolerende laag aangebrachte verwarmingsgeleiders, verbindingsmiddelen voor het verbinden van de verwarmingsgeleiders met een bron van elektrische energie en een 10 tussen de verbindingsmiddelen en de verwarmingsgeleiders geschakelde besturingsschakeling.

Dergelijke verwarmingsinrichtingen zijn algemeen bekend. Zij worden bijvoorbeeld gebruikt als verwarmingselement in huishoudelijke apparaten voor het verwarmen van 15 water, zoals waterkokers, koffiezetapparaten en wasmachines.

Om droog koken en de daarmee gepaard gaande schade en gevaar voor brand te voorkomen, zijn dergelijke verwarmingsinrichtingen veelal voorzien van temperatuurafhankelijke schakelaars, zoals van een bi-metaal voorziene schakelaars of 20 van detectiemiddelen voor het meten van de ohmse weerstand van verwarmingsgeleiders om daaruit de temperatuur te bepalen.

Er is gebleken dat er behoefte is aan op een ander mechanisme werkende temperatuursensoren voor dit doel.

25

Hiertoe verschaft de onderhavige uitvinding een dergelijk verwarmingsinrichting die voorzien is van tenminste een met de elektrisch isolerende laag in contact zijnde detectorelektrode die met de besturingsschakeling is verbonden, waarbij de besturingsschakeling is ingericht voor het meten van de door de detectorelektrode heen 30 vloeiende detectorstroom en waarbij de besturingsschakeling is ingericht voor het geven van een signaal wanneer de detectorstroom een vooraf bepaalde waarde overschrijdt. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de lekstroom tussen de verwarmingsgeleiders en de detectorelektrode. In veel gevallen kent deze lekstroom een sterke 2 temperatuurafhankelijkheid. De uitvinding maakt gebruik van deze afhankelijkheid voor het bepalen van de temperatuur.

Volgens een eerste voorkeuruitsvoeringsvorm wordt de elektrisch isolerende laag 5 tenminste gedeeltelijk door een diëlektrische laag gevormd en is de detectorelektrode door de diëlektrische laag van de verwarmingsgeleider is gescheiden. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de diëlektrische eigenschappen van de laag. Dergelijke diëlektrische materialen vertonen dit temperatuurafhankelijke gedrag, zodat zij in het bijzonder geschikt zijn voor deze toepassing. Bovendien hebben zij het voordeel dat de 10 betreffende door het dielektricum en aldus door de detectorelektrode heen vloeende stromen klein zijn ten opzichte van de door de verwarmingsgeleider heen vloeiende stroom, maar weer niet zo klein zijn dat zij slecht meetbaar zijn.

Er ontstaat een aantrekkelijke constructie wanneer de detectorelektrode in de elektrisch 15 isolerende laag is ingebed. Hiermede wordt immers voorkomen dat detectorelektrode via een oppervlak met de verwarmingsgeleiders is verbonden. Op dit oppervlak zou zich immers vuil en vocht kunnen verzamelen dat de temperatuurmeting sterk zou kunnen verstoren.

20 Volgens een volgende voorkeursuitvoeringsvorm omvat de elektrisch isolerende laag een eerste deellaag, is de detectorelektrode op de eerste deellaag aangebracht en omvat de elektrisch isolerende laag een tweede deellaag waarin de detectorelektrode is ingebed. Hierdoor is een zekere optimalisatie mogelijk; de eerste deellaag dient voor de thermische geleiding naar de drager en voor elektrische isolatie, terwijl de tweede 25 deellaag geoptimaliseerd kan worden voor een optimaal temperatuurafhankelijk gedrag.

Deze voordelen komen sterker naar voren wanneer de tweede elektrische deellaag door van diëlektrische materiaal is gevormd.

30 Bij voorkeur is de diëlektrische laag vervaardigd van een materiaal waarvan de karakteristiek tussen temperatuur en relatieve diëlektrische constante een buigpunt heeft. Dit buigpunt leidt tot een gemakkelijk detecteerbare verandering van de detectorstroom.

3

Een volgende voorkeursuitvoeringsvorm verschaft de maatregel dat de besturingsinrichting is ingericht voor het verminderen van het aan de verwarmingsgeleider toegevoerde vermogen wanneer de door de detectorelektrode heen vloeiende detectorstroom een vooraf bepaalde waarde overschrijdt. Hiermede wordt 5 voorkomen dat een, bij toepassing van deze maatregel aanwezig veronderstelde thermische uitschakelingsbeveiliging, al vroeg aanspreekt. De regeling volgens deze maatregel zal immers reeds bij een lagere temperatuur aanspreken waardoor de temperatuur waarbij de thermische uitschakelingsbeveiliging aanspreekt, pas later wordt bereikt, en een betere temperatuurregeling plaats vindt. Bovendien kan de regeling zo 10 zijn ingesteld dat wanneer het aldus gereduceerde vermogen onvoldoende is voor het handhaven van de temperatuur waarbij deze regeling aanspreekt, het vermogen wordt vergroot tot de oorspronkelijk waarde en aldus een betere temperatuurregeling wordt verkregen.

15 De hierboven genoemde uitschakelbeveiliging kan worden gevormd door een afzonderlijke regeling, maar deze kan eveneens worden verkregen door gebruik te maken van de zelfde configuratie welke wordt gebruikt voor de bij een lagere temperatuur aansprekende temperatuurregeling. Hiertoe verschaft een volgende uitvoeringsvorm de maatregel dat de inrichting een eerste en een tweede 20 detectorelektroden omvat die elk in een verschillend diëlectricum zijn ingebed. Door de dielectrica zodanig te kiezen dat de detectorstroom bij een andere temperatuur een dicontinuiteit omvat, kan deze maatregel worden geïmplementeerd.

Weer een andere voorkeursuitvoeringsvorm verschaft de maatregel dat de 25 besturingsinrichting is ingericht voor het verminderen van het aan de verwarmingsgeleider toegevoerde vermogen wanneer de detectorstroom door de eerste detectorelektrode een vooraf bepaalde waarde overschrijdt en voor het onderbreken van de van het aan de verwarmingsgeleider toegevoerde vermogen wanneer de detectorstroom door de tweede detectorelektrode een vooraf bepaalde waarde 30 overschrijdt Met deze maatregel is een afzonderlijke temperatuurregeling in zijn geheel overbodig.

Volgens een specifieke voorkeursuitvoeringsvorm is de detectorelectrode in de nabijheid van een gebied waarin een deel van de verwarmingsgeleider met een hoge 4 potentiaal is gelegen bij een verwarmingsgeleider met een lage potentiaal ingericht voor het geleiden van elektrische stroom.

Het primaire doel van de detectorelektrode ligt in het geleiden van van de 5 verwarmingsgeleider afkomstige lekstroom naar de besturingsschakeling. De detectorelektrode kan bij een geschikte geometrie echter nog een tweede functie hebben, namelijk het verschaffen van een soort temperatuurafhankelijke lekstroom tussen twee delen van de verwarmingsgeleider met een bij voorkeur sterk verschillende potentiaal. Een dergelijke lekstroom van een deel van de verwarmingsgeleider met een lage 10 potentiaal, door het dielektricum heen naar de detectorelektrode, door de detectorelektrode heen en van de detectorelektrode naar een deel van de verwarmingsgeleider met een hoge potentiaal kan, wanneer de afstanden door het dielektricum heen niet al te groot zijn en wanneer de temperatuur hoge waarden bereikt, aanzienlijke waarden aannemen. Deze stroom kan zo groot worden dat de delen van de 15 verwarmingsgeleider die door deze gecombineerde stroom worden doorlopen, een zodanig temperatuur bereiken dat de geleider daar smelt of verbrandt. Hiermede wordt de stroom onderbroken zodat een intrinsieke beveiliging is verkregen. Dit effect kan worden versterkt door het aanbrengen van een laagje goed geleidend materiaal parallel aan de detectorelektrode of opgenomen in de detectorelektrode op die plaatsen waar 20 tussen naburige delen van de verwarminggeleider een groot potentiaalverschil heerst of kan heersen.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van de bijgaande figuren, waarin voorstellen: 25 Figuur 1: een schematisch doorsnede-aanzicht van een eerste uitvoeringsvorm;

Figuur 2: een schematisch doorsnede-aanzicht van een tweede uitvoeringsvorm; en

Figuur 3: een grafiek ter verduidelijking van de uitvinding.

In figuur 1 is een drager 1 getoond, welke bijvoorbeeld als bodem fungeert van een vat, 30 dat met te verwarmen vloeistof gevuld kan worden. De bovenzijde van de drager 1 is ingericht om in contact te komen met de te verwarmen vloeistof. Om de warmteoverdracht zo effectief mogelijk te laten zijn, is de drager van thermisch goed geleidend materiaal zoals staal vervaardigd. Aan de onderzijde van de drager 1 is een elektrisch isolerende laag 2 aangebracht. Omdat de thermische energie zich door deze isolerende 5 laag 2 heen moet voortplanten, wordt bij voorkeur voor deze laag een materiaal gekozen dat een grote elektrische weerstand combineert met een kleine thermische weerstand.

Op deze laag 2 is een detectorelektrode 3 gevormd. Deze detectorelektrode 3 heeft bijvoorbeeld een cirkelvorm. Op de isolerende laag 2 en over de detectorelektrode 3 5 heen is een diëlektrische laag 4 geplaatst. Deze diëlektrische laag 4 heeft uiteraard elektrisch isolerende eigenschappen en bij voorkeur thermisch geleidende eigenschappen. Omdat deze diëlektrische laag 4 een functie vervult bij het detectiesysteem volgens de uitvinding heeft de laag diëlektrische eigenschappen. Op deze diëlektrische laag is een verwarmingsgeleider 5 aangebracht, met een zodanig 10 weerstandswaarde dat deze het vereiste vermogen kan omzetten van elektrische energie naar thermische energie.

Als gevolg van de diëlektrische eigenschappen van de diëlektrische laag 4 zal, bij potentiaalverschil tussen de detectorelektrode en de verwarmingsgeleider er een 15 lekstroom door de diëlektrische laag heen gaan vloeien die noodzakelijkerwijs ook door de detectorelektrode zal vloeien.

De verwarmingsinrichting volgens de uitvinding omvat voorts een thermische beveiligingsschakeling 6, die bijvoorbeeld is voorzien van een bi-metaal. Andere 20 principes kunnen ook worden toegepast. Tussen de beveiligingsschakeling 6 en de verwarmingsgeleider is een besturingsschakeling 7 opgenomen, die verbonden is met de detectorelektrode 3. De beveiligingsschakeling 7 is ingericht voor het meten van de door de detectorelektrode 3 heen vloeiende stroom en voor het geven van een waarschuwingssignaal wanneer de door de detectorelektrode heen vloeiende stroom een 25 voorafbepaalde waarde overschrijdt. Dit waarschuwingssignaal kim worden gebruikt voor het waarschuwen van de gebruiker van de verwarmingsinrichting, maar het kan eveneens worden gebruikt voor het initiëren van een functie in het toestel waarvan de verwarmingsinrichting deel van uitmaakt. In het onderhavige geval wordt het signaal gebruikt voor het verminderen van het aan de verwarmingsgeleider toegevoerde 30 vermogen.

Het gedrag van de diëlektrische laag wordt toegelicht aan de hand van figuur 3. Figuur 3 toont een grafiek van relatie tussen temperatuur en lekstroom van een laag diëlektrisch materiaal bij een bepaald potentiaalverschil tussen de aan weerszijden van de laag aangebrachte elektroden. Hieruit blijkt, dat bij het gebruiken van een diëlektrisch 6 materiaal met een bepaalde samenstelling, de laag het gedrag vertoont dat bij een bepaalde temperatuur de lekstroom door de materiaallaag plotseling, op de wijze van een discontinuïteit sterk toeneemt. Dit verschijnsel wordt bij de onderhavige uitvinding gebruikt. Hierbij is met een getrokken lijn het gedrag weergegeven van een eerste 5 samenstelling van de diëlektrische laag en is met een stippellijn het gedrag weergegeven van een tweede samenstelling. De betreffende discontinuïteit in de vorm van een buigpunt treedt op bij verschillende temperaturen.

Ten slotte toont figuur 2 een dwarsdoorsnede van een tweede uitvoeringsvorm van de 10 uitvinding. Deze uitvoeringsvorm wijkt af van de eerste uitvoeringsvorm door de aanwezigheid van twee detectorelektroden en twee verschillende dielektrische lagen die van verschillende materialen zijn vervaardigd. Dit blijkt uit de aanwezigheid van een eerste diëlektrische laag 4a met een eerste dielektrisch materiaal die zich slechts over een deel van het oppervlak van de drager uitstrekt en welke een eerste detectorelektrode 15 3a bedekt en van een tweede diëlektrische laag 4b met een tweede dielektrisch materiaal die zich over een ander deel van het oppervlak van de drager uitstrekt en welke een tweede detectorelektrode 3b bedekt. Hierbij is het eerste dielektrische materiaal gekozen opdat een karakteristiek heeft volgens de getrokken lijn in figuur 3 en is het tweede diëlektrische materiaal gekozen opdat het een karakteristiek heeft die overeenkomt met 20 de stippellijn in figuur 3.

Beide detectorelektroden zijn verbonden met een besturingsschakeling 8, die is ingericht voor het verkleinen van het aan de verwarmingsgeleider toegevoerde vermogen wanneer de door de eerste detectorelektrode gevoerde lekstroom een vooraf 25 bepaalde waarde overschrijdt en voor het uitschakelen van de verwarmingsgeleider wanneer de door de tweede detectorelektrode gevoerde lekstroom een ander vooraf bepaalde waarde overschrijdt.

30

Claims

1. Elektrische venvarmingsinrichting voor het verwarmen van materiaal, zoals vloeistof, waarbij de verwarmingsinrichting omvat: 5. een hoofdzakelijk platte drager van thermisch goed geleidend materiaal, aan een eerste zijde waarvan te verwarmen materiaal kan worden geplaatst; - een aan de tweede zijde van de drager aangebrachte elektrisch isolerende laag; - op de thermisch isolerende laag aangebrachte verwarmingsgeleiders; - verbindingsmiddelen voor het verbinden van de verwarmingsgeleiders met een bron 10 van elektrische energie; - een tussen de verbindingsmiddelen en de verwarmingsgeleiders geschakelde besturingsschakeling, gekenmerkt door tenminste een met de elektrisch isolerende laag in contact zijnde detectorelektrode die met de besturingsschakeling is verbonden, waarbij de 15 besturingsschakeling is ingericht voor het meten van de door de detectorelektrode heen vloeiende detectorstroom en waarbij de besturingsschakeling is ingericht voor het geven van een signaal wanneer de detectorstroom een vooraf bepaalde waarde overschrijdt.

2. Elektrische verwarmingsinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 20 de elektrisch isolerende laag tenminste gedeeltelijk een diëlektrische laag is en dat de detectorelektrode door de diëlektrische laag van de verwarmingsgeleider is gescheiden.

3. Elektrische verwarmingsinrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de detectorelektrode in de elektrisch isolerende laag is ingebed. 25

4. Elektrische verwarmingsinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de elektrisch isolerende laag een eerste deellaag omvat, dat de detectorelektrode op de eerste deellaag is aangebracht en dat de elektrisch isolerende laag een tweede deellaag omvat waarin de detectorelektrode is ingebed. 30

5. Elektrische verwarmingsinrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de tweede elektrische deellaag door de diëlektrische laag wordt gevormd.

6. Elektrische venvarmingsinrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de diëlektrische laag is vervaardigd van een materiaal waarvan de karakteristiek tussen temperatuur en relatieve diëlektrische constante een buigpunt heeft.

7. Elektrische venvarmingsinrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de besturingsinrichting is ingericht voor het verminderen van het aan de verwarmingsgeleider toegevoerde vermogen wanneer de door de detectorelektrode heen vloeiende detectorstroom een vooraf bepaalde waarde overschrijdt. 10

8. Elektrische venvarmingsinrichting volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk, dat de inrichting een eerste detectorelektrode omvat die in een eerste diëlectrische laag is ingebed en dat de inrichting een tweede detectorelektrode omvat die in een tweede diëlectrische laag is ingebed. 15

9. Elektrische venvarmingsinrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de eerste diëlektrische laag van een eerste materiaal is vervaardigd en dat de tweede dielektrische laag van een tweede materiaal is vervaardigd.

10. Elektrische venvarmingsinrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat het eerste materiaal een karakteristiek tussen temperatuur en relatieve diëlektrische constante met een buigpunt bij een eerste temperatuur heeft en het tweede materiaal een karakteristiek tussen temperatuur en relatieve diëlektrische constante met een buigpunt bij een tweede temperatuur heeft. 25

11. Elektrische venvarmingsinrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de dat de besturingsinrichting is ingericht voor het verminderen van het aan de verwarmingsgeleider toegevoerde vermogen wanneer de detectorstroom door de eerste detectorelektrode een vooraf bepaalde waarde overschrijdt en voor het onderbreken van 30 de van het aan de verwarmingsgeleider toegevoerde vermogen wanneer de detectorstroom door de tweede detectorelektrode een vooraf bepaalde waarde overschrijdt.

12. Elektrische verwarmingsinrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de detectorelectrode in de nabijheid van een gebied waarin een deel van de verwarmingsgeleider met een hoge potentiaal is gelegen bij een verwarmingsgeleider met een lage potentiaal is ingericht voor het geleiden van 5 elektrische stroom.