NL2000685C2 - Verwarmingselement en vloeistofhouder voorzien van een dergelijk verwarmingselement. - Google Patents

Description

Verwarmingselement en vloeistofhouder voorzien van een dergelijk verwarmingselement

De uitvinding heeft betrekking op een verwarmingselement. De uitvinding heeft tevens 5 betrekking op een vloeistofhouder voorzien van een dergelijk verwarmingselement.

Het toepassen van email als diëlektrische tussenlaag bij de vervaardiging van verwarmingselementen is bekend. Daarbij wordt de diëlektrische emaillaag aangebracht op een te verwarmen, doorgaans metalen, substraat, waarna middels zeefdruktechnieken 10 metalen verwarmingssporen worden aangebracht op de diëlektrische emaillaag. Een dergelijk verwarmingselement wordt bijvoorbeeld beschreven in de Nederlandse octrooiaanvrage NL 1014601. Hierin wordt een verwarmingselement beschreven, bijvoorbeeld voor het verwarmen van vloeistof in vloeistofhouders of voor het verhitten van verwarmingsplaten, waarbij warmte wordt ontwikkeld door elektrische stroom te 15 leiden door het ten minste ene verwarmingsspoor. Het verwarmingsspoor is daarbij onder tussenkomst van een diëlektrische laag aangebracht op een te verwarmen substraat. De tussenlaag met diëlektrische eigenschappen zorgt niet alleen voor een goede doorleiding van de ontwikkelde warmte naar het te verwarmen substraat, doch tevens voor een elektrische barrière tussen het te verwarmen - veelal metalen -20 substraat en het verwarmingsspoor, waardoor kortsluiting in het verwarmingselement onder normale bedrijfsomstandigheden kan worden voorkomen. Bovendien kan het diëlektricum functioneren als beveiliging tegen oververhitting. Hiertoe wordt het verwarmingselement volgens NL 1014601 voorzien van een amperemeter die de lekstroom door het diëlektricum kan waarnemen. De van het verwarmingselement 25 afkomstige lekstroom is mede afhankelijk van de elektrische weerstand van het diëlektricum. Omdat op haar beurt de elektrische weerstand van het diëlektricum althans in een bepaald temperatuursbereik afhankelijk is van de temperatuur en deze afhankelijkheid in principe vooraf kan worden bepaald, verschaft de waarneming van de lekstroom door het diëlektricum inzicht in de temperatuur ervan. De met een 30 ampèremeter op eenvoudige wijze waar te nemen lekstroom vormt derhalve een meetwaarde waarmee de temperatuur van het diëlektricum en dus van het verwarmingselement kan worden bepaald. Een beveiliging tegen oververhitting kan eenvoudig worden ingebouwd door de ampèremeter te koppelen aan een besturing voor het verwarmingselement, waardoor bij detectie van een vooraf gedefinieerde minimale 2 lekstroom de stroomtoevoer naar het verwarmingselement kan worden verminderd of zelfs geheel kan worden onderbroken. Hoewel het bekende verwarmingselement voorziet in een eenvoudige waarneming van temperatuurwisselingen en bescherming tegen oververhitting, dienen doorgaans aparte voorzieningen getroffen te worden om de 5 lekstroom goed te kunnen waarnemen. Zo is het in voorkomende gevallen doorgaans nodig om de stroomsterkte van de lekstroom bijvoorbeeld te versterken of juist te verzwakken. Tevens is gebleken dat de lekstroom doorgaans moeilijk is waar te nemen indien het verwarmingselement is voorzien van aarding. In dat geval zal een galvanisch gescheiden trafosysteem in de aardleiding opgenomen moeten worden, hetgeen 10 omslachtig is.

De internationale octrooiaanvrage W02006083162 op naam van de aanvrager verschaft een verbeterd verwarmingselement voor het waarnemen van een temperatuurwisseling in het verwarmingselement met het oog op beveiliging tegen oververhitting. Het 15 verbeterde bekende verwarmingselement omvat een substraat waarop achtereenvolgens een eerste diëlektrische laag, een elektrische geleidende sensorlaag, een tweede diëlektrische laag, en een verwarmingsspoor zijn aangebracht. Doorgaans zal de tweede diëlektrische laag daarbij een dikte hebben van circa 100 pm. Door de bijzondere samenstelling van het diëlektricum zal een in de tweede diëlektrische laag lopende 20 lekstroom bij voorkeur worden afgeleid naar de sensorlaag, doordat in dergelijk geval de eerste diëlektrische laag werkt als elektrisch meer isolerende laag (ten opzichte van de tweede diëlektrische laag). Hierdoor wordt een eventuele waarneming van deze lekstroom door een aan de elektrisch geleidende laag elektrisch gekoppelde, of hiermee op andere wijze in verbinding staande ampèremeter of spanningsmeter ook mogelijk 25 voor zeer lage stroomsterktes respectievelijk voltages, zonder dat hiervoor aparte voorzieningen moeten worden getroffen. Echter, naast het bijzondere voordeel van het verbeterde bekende verwarmingselement bezit het verbeterde bekende verwarmingselement tevens meerdere nadelen. Een belangrijk nadeel van het bekende verwarmingselement is dat het productieproces relatief omslachtig en tijdrovend is.

30 Bovendien is uit onderzoek gebleken dat zich eventueel in de tweede diëlektrische laag gevormde gasbellen relatief snel kunnen resulteren in een versnelde stroomdoorslag (elektrische kortsluiting) tussen het verwarmingsspoor en de sensorlaag, hetgeen afbreuk doet aan het nauwkeurig en betrouwbaar kunnen detecteren van een door het tweede diëlektricum lopende lekstroom. Tevens is gebleken dat doordat het 3 verwarmingsspoor aan een van de tweede diëlektrische laag afgekeerde zijde in hoofdzaak vrij is gelegen, het verwarmingsspoor relatief kwetsbaar is en derhalve relatief snel kan beschadigen. Het aanbrengen van een aanvullende afschermende laag over het verwarmingsspoor zou het productieproces (nog) tijdrovender en omslachtiger 5 maken, hetgeen vanuit financieel en logistiek oogpunt ongewenst is.

De uitvinding heeft tot doel het, onder handhaving van het voordeel van de stand van techniek, verschaffen van een verbeterd verwarmingselement waarmee ten minste één van voomoemde nadelen kan worden voorkomen.

10

De uitvinding verschaft daartoe een verwarmingselement, omvattende: een te verwarmen substraat, ten minste één op het geleidende substraat aangebrachte eerste diëlektrische laag, ten minste één op de eerste diëlektrische laag aangebracht elektrisch geleidend verwarmingsspoor, ten minste één op de eerste diëlektrische laag, op afstand 15 van het verwarmingsspoor aangebracht elektrisch geleidend sensorspoor, en ten minste één op de eerste diëlektrische laag aangebrachte tweede diëlektrische laag, welke tweede diëlektrische laag aansluit op zowel ten minste een deel van het verwarmingsspoor alsook ten minste een deel van het sensorspoor. Door zowel het ten minste ene verwarmingsspoor alsook het ten minste ene sensorspoor te positioneren 20 tussen de eerste diëlektrische laag en de tweede diëlektrische laag kunnen het verwarmingsspoor en het sensorspoor in een enkele drukgang worden aangebracht op de eerste diëlektrische laag, hetgeen het productieproces voor het vervaardigen van het verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding aanzienlijk vereenvoudigt. Bovendien kan op deze wijze de afstand tussen het verwarmingsspoor en het 25 sensorspoor op eenvoudige wijze relatief groot (doorgaans circa 500 μηι) worden gehouden, waardoor de kans op versnelde doorslag tussen het verwarmingsspoor en het sensorspoor als gevolg van eventueel tussen beide sporen gesitueerde gasbel significant kan worden gereduceerd. Aanvullend voordeel is dat het verwarmingsspoor op deze wijze in hoofdzaak volledig wordt afgeschermd door de diëlektrische lagen, hetgeen de 30 levensduur van het verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding ten goede komt. Met behulp van het verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding kunnen aldus op relatief efficiënte wijze en bij zeer lage stroomsterktes en/of voltages lekstromen worden gemeten, waardoor relatief snel en nauwkeurig de (overschrijding van een kritische) temperatuur van het verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding kan 4 worden gemeten. Alhoewel doorgaans veelal een enkele eerste diëlektrische laag en een enkele tweede diëlektrische laag worden toegepast in het verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding, is het evenzeer denkbaar dat meerdere, bij voorkeur op elkaar aangebrachte, eerste diëlektrische lagen en/of meerdere, bij voorkeur op elkaar 5 aangebrachte, tweede diëlektrische lagen worden toegepast in het verwarmingselement. De verschillende eerste diëlektrische lagen kunnen daarbij verschillend van samenstelling en dikte zijn. Hetzelfde geldt voor de tweede diëlektrische lagen ingeval deze worden toegepast. Tussen de verschillende eerste diëlektrische lagen (en/of tweede diëlektrische lagen) kunnen eventueel additionele sensorsporen en/of additionele 10 verwarmingsporen zijn aangebracht, teneinde de veiligheid en/of het vermogen van het verwarmingselement te kunnen optimaliseren. Bij voorkeur zijn het verwarmingsspoor en het sensorspoor zodanig vormgegeven dat tijdens bedrijfstoestand voldoende potentiaalverschil tussen beide sporen aanwezig is om bij voldoende hoge temperatuur een lekstroom te kunnen forceren die loopt vanuit het verwarmingsspoor met een hoge 15 potentiaal naar een naastliggend deel van het sensorspoor met een lage potentiaal.

In een voorkeursuitvoering van het verwarmingselement volgens de uitvinding is bij een nagenoeg dezelfde temperatuur de elektrische weerstand van de eerste diëlektrische laag hoger dan de elektrische weerstand van de tweede diëlektrische laag. Door de verder 20 toegenomen elektrisch isolerende werking van de eerste diëlektrische laag ten opzichte van de tweede diëlektrische laag is gebleken dat een nog gevoeliger lekstroommeting mogelijk is. Het heeft hierbij voordelen wanneer de eerste diëlektrische laag zich dichter bij het te verwarmen oppervlak bevindt dan de tweede diëlektrische laag. Bij een oververhitting zal een lekstroom ontstaan die vanuit het verwarmingsspoor via de 25 tweede diëlektrische laag naar het naastgelegen sensorspoor zal lopen. De lekstroom zal daarbij niet of althans nauwelijks via de eerste diëlektrische laag vloeien, hetgeen zou kunnen resulteren in een gevaarlijke situatie voor een gebruiker van het verwarmingselement. Door meting of althans detectie van de lekstroom, desgewenst gecombineerd met een zoals hierboven reeds beschreven aansturing van het 30 verwarmingselement, wordt in deze voorkeursuitvoeringsvorm een zeer gevoelige en snel reagerende beveiliging tegen oververhitting verkregen. Deze uitvoeringsvorm heeft daarbij als bijkomend voordeel dat de beveiliging tegen oververhitting aan betrouwbaarheid wint en bijvoorbeeld bestand is tegen onoordeelkundig gebruik. Zo is 5 de werking van de beveiliging in hoge mate ongevoelig voor het al dan niet geaard zijn van het verwarmingselement, en in het bijzonder van het te verwarmen substraat.

Ingeval een enkel verwarmingsspoor en een enkel naastliggend sensorspoor worden 5 toegepast, dan wordt een dergelijke sporenconfiguratie veelal tevens aangeduid als een bifilair spoor. Bij voorkeur zijn ten minste een deel van het verwarmingsspoor en ten minste een deel van het sensorspoor spiraalvormig vormgegeven. Op deze wijze kan het substraat op relatief volledige en efficiënte wijze worden verwarmd door het verwarmingsspoor, waarbij een eventuele lekstroom relatief effectief en betrouwbaar 10 kan worden gemeten. De onderlinge kortste afstand tussen ten minste een deel van het ten minste ene verwarmingsspoor en ten minste een naastgelegen deel van het ten minste ene sensorspoor is daarbij bij nadere voorkeur in hoofdzaak constant, waardoor een in hoofdzaak parallelle oriëntatie van het verwarmingsspoor en het sensorspoor kan worden gerealiseerd. In een alternatieve voorkeursuitvoering is het tevens denkbaar om 15 de onderlinge kortste afstand tussen het verwarmingsspoor en het sensorspoor plaatsselectief te verkleinen, teneinde de locatie van het ontstaan van een lekstroom vooraf te kunnen definiëren en daarmee te kunnen optimaliseren. In een bijzondere voorkeursuitvoering is de onderlinge kortste afstand tussen ten minste een deel van het ten minste ene verwarmingsspoor en ten minste een naastgelegen deel van het ten 20 minste ene sensorspoor gelegen tussen 100 pm en 800 pm, bij voorkeur tussen 400 pm en 600 pm, en bedraagt bij nadere voorkeur in hoofdzaak 500 pm. Op deze wijze kan enerzijds het substraat voldoende worden verwarmd, doordat de vermogensdichtheid per substraatoppervlak op deze wijze voldoende hoog kan worden gehouden, en kan anderzijds het betrouwbaar kunnen detecteren van een lekstroom worden gewaarborgd. 25

Het ten minste ene verwarmingsspoor en/of het ten minste ene sensorspoor zijn bij voorkeur gekoppeld aan een besturingseenheid. Met behulp van de besturingseenheid kan enerzijds een lekstroom worden gedetecteerd en kan anderzijds het verwarmingselement worden ge(de)activeerd, en bij nadere voorkeur worden 30 gereguleerd. Voor het detecteren van de lekstroom is het tevens voordelig ingeval het sensorspoor elektrisch is gekoppeld met een ampèremeter en/of een spanningsmeter. Door toepassing van de ampèremeter en/of de spanningsmeter kan relatief eenvoudig en goedkoop een lekstroom worden gedetecteerd. De ampèremeter en/of de 6 spanningsmeter zal daarbij doorgaans tevens geaard zijn uitgevoerd, teneinde een potentiaalverschil te kunnen waarnemen tussen de vaste wereld en het sensorspoor.

In een voorkeursuitvoering is ten minste één elektrisch geleidend element aangebracht 5 op de tweede diëlektrische laag. Het elektrisch geleidend element, zoals bijvoorbeeld een zilverlaag, kan plaatsselectief zijn aangebracht op een van het verwarmingsspoor en het sensorspoor afgekeerde zijde van de tweede diëlektrische laag. Het elektrisch geleidende element facilieert het lopen van een lekstroom tussen het verwarmingsspoor en het sensorspoor. Het elektrisch geleidend element is tevens ingericht om te fungeren 10 als aanvullende veiligheidsvoorziening ingeval bij voldoende hoge temperatuur de elektronische regeling faalt.. Het elektrisch geleidend element is ingericht om het laten lopen van een lekstroom vanuit het verwarmingsspoor naar een verwarmingsspoor met een lagere potentiaal te kunnen faciliëren en daarmee te kunnen waarborgen bij overschrijding van een kritische temperatuur. Het elektrische geleidend element, 15 bijvoorbeeld gevormd door een zilveren strip, fungeert daarbij de facto als brug om het laten lopen van een lekstroom van het verwarmingsspoor naar een (verwarmings)spoor met een lagere potentiaal bij voldoende hoge temperatuur te kunnen faciliëren. Door de lekstroom welke loopt van een verwarmingsspoor, via de tweede diëlektrische laag, via het geleidende element en wederom via de tweede diëlektrische laag naar een spoor, 20 zoals bijvoorbeeld een verwarmingsspoor of een (passief) sensorspoor, met lagere potentiaal, zal de temperatuur van de tweede diëlektrische laag locaal sterk toenemen. Als gevolg van deze plaatselijke oververhitting zal het verwarmingsspoor locaal smelten en zal de stroomkring door het verwarmingsspoor onderbroken worden. Het is tevens denkbaar meerdere elektrisch geleidende elementen toe te passen, teneinde 25 meerdere lekstroombruggen te kunnen genereren. Daarbij is het veelal gunstig ingeval het elektrisch geleidende element de verwarmingssporen met verschillende potentiaal ten minste gedeeltelijk kruist (in een bovenaanzicht of onderaanzicht op het verwarmingselement), teneinde de weerstand tussen de verwarmingssporen met verschillende potentiaal zodanig beperkt te kunnen houden dat bij overschrijding van 30 een kritische temperatuur een lekstroom tussen de verwarmingssporen met verschillende potentiaal zal gaan lopen. Bij deze verhoogde temperatuur zal de weerstand van de tweede diëlektrische laag en het elektrisch geleidend element bij voorkeur lager zijn dan de weerstand van de eerste diëlektrische laag, teneinde voldoende veiligheid voor een gebruiker te kunnen waarborgen. Optioneel zou tevens 7 de lekstroom kunnen worden gedetecteerd die loopt van het verwarmingsspoor naar het elektrisch geleidend element, waarbij het elektrisch geleidende element bijvoorbeeld kan zijn verbonden met een besturingseenheid, een amperemeter en/of een spanningsmeter, waardoor het elektrisch geleidende element de facto zelf fungeert als 5 sensorelement. In een bijzondere voorkeursuitvoering is de kortste afstand tussen het verwarmingsspoor en het elektrische geleidend element gelegen tussen 5 pm en 50 μηι, bij voorkeur tussen 12 pm en 20 pm.

In een andere voorkeursuitvoering is het verwarmingsspoor ten minste gedeeltelijk 10 afgeschermd door een gesinterde glaslaag, bij voorkeur een gesinterde glaslaag met een laag smeltpunt, bij nadere voorkeur een smeltpunt lager dan 450° Celsius. Door het verwarmingsspoor aan een van de eerste diëlektrische laag afgekeerde zijde niet slechts te laten afschermen door de tweede diëlektrische laag, maar tevens deels door een gesinterde glaslaag wordt (nog) een aanvullende veiligheidsvoorziening verschaft. Bij 15 voldoende hoge temperatuur zal de gesinterde glaslaag smelten. Lokaal zal de temperatuur sterk toenemen. Het verwarmingsspoor ter plaatse van de gesmolten glaslaag zal vernietigd en onderbroken worden, waardoor het verwarmingselement niet langer operationeel kan zijn. Op deze wijze kan oververhitting van het verwarmingselement tevens worden voorkomen, ingeval - om welke reden dan ook -20 geen lekstroom van het verwarmingsspoor naar het sensorspoor wordt waargenomen bij overschrijding van een kritische temperatuur van het verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding.

Desgewenst kan het diëlektricum zijn opgebouwd uit een diëlektrische laag uit een 25 polymeer en een diëlektrische laag uit email. Met de meeste voorkeur echter zijn beide diëlektrische lagen vervaardigd uit email. Bijzonder geschikte emailsamenstellingen voor deze toepassing worden op de markt gebracht onder de naam Kerdi. Het gebruik van een emaillaag als diëlektricum bij de vervaardiging van onder andere elektrische verwarmingselementen is op zich bekend, bijvoorbeeld uit NL 1014601. Het 30 diëlektricum zorgt hierbij voor elektrische isolatie van de elektrische weerstand, die doorgaans uit een metaalhoudend spoor bestaat. Het uit email vervaardigen van het diëlektricum leidt daarbij tot een mechanisch relatief sterk diëlektricum dat warmte relatief goed geleidt.

8

De samenstelling van het email voor beide diëlektrische lagen kan binnen brede grenzen worden gekozen een en ander afhankelijk van de gewenste elektrische eigenschappen, met name bij tijdens gebruik optredende temperaturen. De specifieke elektrische weerstand van een gangbare emailsamenstelling is bij kamertemperatuur doorgaans 5 hoog, veelal hoger dan 1,5 * 1011 Ω-cm, maar kan drastisch dalen bij oplopende temperaturen tot bijvoorbeeld een typische waarde van 1,5.107 Ω-cm bij 180-400° Celsius. Bij een dergelijke weerstand wordt een (relatief kleine) lekstroom door het diëlektricum mogelijk. De geleidbaarheid van een emailsamenstelling kan eenvoudig worden ingesteld door bijvoorbeeld variaties aan te brengen in het alkalimetaalgehalte 10 en/of door toevoeging van geleidende of juist elektrisch isolerende toeslagstoffen.

In een bijzondere voorkeursuitvoering omvat het diëlektricum een eerste en/of een tweede diëlektrische laag uit een emailsamenstelling en een elektrisch geleidende laag die is samengesteld uit metalen en/of halfgeleiders en/of andere geleidende materialen 15 zoals bijvoorbeeld grafiet enzovoorts. Een bijzonder goed werkend verwarmingselement volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat het alkalimetaalgehalte van de emailsamenstelling van de eerste diëlektrische laag lager is dan dit van de tweede diëlektrische laag. Het vervaardigen van elke laag van het diëlektricum uit een emailsamenstelling, die enkel verschilt in het alkalimetaalgehalte 20 heeft als bijkomend voordeel dat een optimale hechting tussen de lagen wordt verkregen. Bovendien is het verschil in uitzettingscoëfïïciënt van de lagen relatief klein, zodat de mechanische spanningen in het materiaal geminimaliseerd worden, hetgeen leidt tot een verbeterde duurzaamheid van het diëlektricum en derhalve ook van het verwarmingselement.

25

Naast de hierboven reeds beschreven specifieke weerstand van een diëlektrische laag is ook de doorslagspanning van een dergelijke laag, bij voorkeur een emaillaag, van belang. De doorslagspanning is de hoogte van het elektrische potentiaalverschil over de diëlektrische laag, waarbij een elektrische stroom (met een veel grotere stroomsterkte 30 dan van een lekstroom) door de laag gaat lopen. Doorslag kan tot ongewenste aantasting en zelfs onherstelbare desintegratie van de diëlektrische laag en tevens het gehele verwarmingselement leiden. Om in een elektrisch verwarmingselement maximale veiligheid te garanderen, dient volgens voorschriften van certificerende organisaties 9 zoals KEMA en ISO de doorslagspanning van het diëlektricum voldoende hoog te zijn, bij voorkeur ten minste 1250 V (wisselspanning) ten opzichte van de aarde.

Door de elektrische weerstand bij een gegeven temperatuur van de eerste diëlektrische 5 laag beduidend hoger te kiezen dan deze van de tweede diëlektrische laag zal bij oververhitting van de elektrische weerstand op een gegeven moment de tweede diëlektrische laag althans gedeeltelijk stroom doorlaten. De eerste laag zal in een dergelijk geval in hoofdzaak geen of in ieder geval minder stroom doorlaten. Het verwarmingselement volgens de uitvinding is derhalve hoogspanningsvast, zelfs indien 10 door een falen van de elektronische regeling of het daaraan verbonden schakelorgaan/relais het element bij een te hoge temperatuur doorgaat met verwarmen. De elektrische weerstandsbaan zal als gevolg van de eerder beschreven geleidende laag of gesinterde glaslaag dan doorbranden (als een smeltzekering) tijdens dit proces en na dit proces zorgt de eerste diëlektrische laag ervoor dat er ten opzichte van de aarde of de 15 consument steeds een voldoende doorslagvastheid resteert. Het verwarmingselement volgens de uitvinding is derhalve intrinsiek veilig.

Opgemerkt wordt dat de doorslagspanning van een diëlektricum door meerdere factoren wordt bepaald, waaronder onder meer de laagdikte van het diëlektricum, de 20 emailsamenstelling en in het diëlektricum aanwezige structuurdefecten zoals gasinsluitsels en dergelijke. Ook een goede hechting van de diëlektrische laag, in casu de emailsamenstelling op het te verwarmen oppervlak (doorgaans uit staal, aluminium, en/of een keramisch materiaal) is van belang.

25 Een bijzonder geschikte emailsamenstelling voor toepassing in een diëlektrische laag van het verwarmingselement, bij voorkeur de eerste diëlektrische laag, omvat tussen 0 en 10 massaprocent V2O5, tussen 0 en 10 massaprocent PbO, tussen 5 en 13 massaprocent B2O3, tussen 33 en 53 massaprocent S1O2, tussen 5 en 15 massaprocent AI2O3, tussen 0-10 massaprocent Z1O2 en tussen 20 en 30 massaprocent CaO.

30 Desgewenst omvat de voorkeurssamenstelling tevens tussen 0 en 10 massaprocent B12O3. Een dergelijke samenstelling levert een emaillaag met een verbeterde duurzaamheid bij gebruik in verwarmingselementen. De emailsamenstelling is relatief goed smeltbaar, en heeft daarbij een gunstige viscositeit waardoor deze eenvoudig op verschillende soorten oppervlakken kan worden aangebracht. De emailsamenstelling 10 hecht bijzonder goed op metalen, in het bijzonder op staal, meer in het bijzonder op ferritisch chroomstaal en weer meer in het bijzonder op ferritisch chroomstaal met nummers 444 en/of 436 volgens de Amerikaanse AlSI-norm. De maximale drukspanning van de uit de emailsamenstelling verkrijgbare emaillaag ligt voor de 5 nieuwe samenstelling in het gebied tussen 200 - 250 MPa. Voor bekende emailsamenstellingen ligt de maximale drukspanning doorgaans in het gebied van 70 -170 MPa. De emailsamenstelling van voorkeur vertoont bovendien een hoge temperatuurbestendigheid, zodat langdurige blootstelling aan temperaturen tot ongeveer 530°C, met piekbelastingen tot 700°C geen probleem oplevert. Een eerste diëlektrische 10 laag op basis van de emailsamenstelling van voorkeur vertoont derhalve weinig risico voor doorslag, met andere woorden is minder gevoelig voor degeneratie door langdurige belasting bij een hoog voltage dan bekende emailsamenstellingen.

Bovendien zijn de eigenschappen van de emailsamenstelling dusdanig dat de kans op scheurvorming in een ermee vervaardigde diëlektrische laag bij temperatuurwisselingen 15 wordt verkleind. De emailsamenstelling van voorkeur heeft als bijkomend voordeel dat diëlektrische lagen met de gewenste eigenschappen kunnen worden aangebracht op het te verwarmen oppervlak met geringe laagdiktes. Dit komt de warmtegeleiding ten goede.

20 Een bijzondere voorkeursuitvoering omvat een diëlektricum waarin tenminste het lithium- en/of natrium- en/of kaliumgehalte van de eerste en de tweede diëlektrische laag van elkaar verschillen. Het is hierbij voordelig indien de emailsamenstelling van de eerste diëlektrische laag in hoofdzaak vrij is van lithium- en/of natriumionen. In een voorkeurssamenstelling volgens de uitvinding omvat de tweede diëlektrische laag 25 tenminste lithium- en/of natriumionen.

In een voorkeursuitvoering omvat de emailsamenstelling tussen de 0,1 en 6 gewichtsprocent kalium. Door toevoeging van kalium is de belastbaarheid van de hechting van de emailsamenstelling met het substraatoppervlak minder kritisch. In een 30 samenstel van een dergelijke emailsamenstelling met een substraatoppervlak treedt bij verhoogde temperaturen, in het bijzonder bij oververhitting, minder vervorming op. Dit is in het bijzonder voordelig bij inbranden van de emailsamenstelling in een verwarmingselement. De drukspanning wordt verlaagd, maar is nog steeds hoog genoeg om de ongewenste vorming van haarscheuren te voorkomen. Bij percentages kalium 11 hoger dan 6 gewichtsprocent blijkt echter de kans op vorming van haarscheuren groter te worden. In combinatie met afwezigheid van andere alkalimetaalionen, in het bijzonder lithium en natrium, blijft tevens een lage lekstroom bij verhoogde temperaturen gewaarborgd.

5

Het te verwarmen substraat, waarop het diëlektricum wordt aangebracht kan uit elk warmtegeleidend materiaal zijn vervaardigd. Bij voorkeur is het te verwannen oppervlak in hoofdzaak vervaardigd uit metaal, bijvoorbeeld staal en/of aluminium. Bijzonder voordelig is ferritisch chroomstaal, bij voorkeur met een chroomgehalte van 10 ten minste 10 gewichtsprocent.

Het is voordelig indien de uitzettingscoëffïciënt van het materiaal waaruit het te verwarmen oppervlak is vervaardigd, niet teveel verschilt van de uitzettingscoëffïciënt van de eerste diëlektrische laag, bij voorbeeld niet meer dan 20 tot 45%, bijvoorbeeld 15 ten opzichte van staal, met meer voorkeur niet meer dan 20 tot 35%. Bij voorkeur verschilt de uitzettingscoëfficient van de tweede laag ten opzichte van deze van de eerste laag niet meer dan 0 tot 25%. Aldus wordt een verwarmingselement verkregen dat bijzonder goed bestand blijkt te zijn tegen temperatuurwisselingen. Met name blijkt de vorming van haarscheurtjes in de beide diëlektrische email lagen volgens de 20 uitvinding hierdoor veel minder te zijn. Gebleken is dat bij een verschil in uitzettingscoëfficient kleiner dan 20% de kans op haarscheuren weer toeneemt. Het moge duidelijk zijn dat de uitzettingscoëffïciënt van een emailsamenstelling eenvoudig kan aangepast worden aan de uitzettingscoëffïciënt van het te verwarmen oppervlak door bijvoorbeeld het alkalimetaalgehalte aan te passen. Het aanpassen van het 25 kaliumgehalte in de emailsamenstelling heeft hierbij de voorkeur, omdat hiermee de lekstroom bij verhoogde temperatuur nauwelijks beïnvloed wordt. Anderzijds is het tevens mogelijk een ander materiaal voor het te verwarmen substraat te kiezen.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een vloeistofhouder voorzien van ten minste 30 één verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding. Het verwarmingselement volgens de uitvinding kan in een breed domein worden toegepast. Zo is het mogelijk het element te gebruiken in een waterkoker, waarbij een elektrische veiligheid wordt verschaft aan de gebruiker. Het verwarmingselement is tevens bijzonder geschikt toe te passen in stoomgeneratoren, (afwasmachines, bevochtigers, melk- en andere 12 vloeistofverwarmers, buisverwarmingstoestellen voor vloeistoffen, fomuisplaten, grillplaten, en dergelijke meer.

De uitvinding zal worden verduidelijkt aan de hand van in navolgende figuren 5 weergegeven niet-limitatieve uitvoeringsvoorbeelden. Hierin toont: figuur 1 een dwarsdoorsnede van een verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding, figuur 2 een onderaanzicht op een deel van het verwarmingselement volgens figuur 1, figuur 3 het verloop van de specifieke weerstand van de van het verwarmingselement 10 volgens figuur 1 deel uitmakende eerste diëlektrische laag en tweede diëlektrische laag als functie van de temperatuur, en figuur 4 het verloop van de gemeten stroomsterkte bij toenemende temperatuur doorheen diëlektrische lagen met verschillende emailsamenstelling.

15 Figuur 1 toont een dwarsdoorsnede van een verwarmingselement 1 overeenkomstig de uitvinding. Het verwarmingselement 1 omvat een te verwarmen verwarmingsplaat 2, vervaardigd uit ferritisch chroomstaal met een gehalte van 18 gew.-% chroom. Het is tevens mogelijk een andere geschikte metalen of keramische drager toe te passen zoals bijvoorbeeld ontkoold staal, koper, titanium, SiN, AI2O3 enzovoorts. Op de 20 verwarmingsplaat 2 is een eerste diëlektrische emaillaag 3 aangebracht. De eerste emaillaag 3 heeft in hoofdzaak een emailsamenstelling volgens kolom HT van Tabel 1. Op de eerste, relatief elektrisch isolerende emaillaag 3 zijn in een in hoofdzaak spiraalvormig patroon een verwarmingsspoor 4 en een parallel aan het verwarmingsspoor 4 lopend sensorspoor 5 aangebracht, waarbij de afstand tussen de 25 sporen circa 500 μτη bedraagt. Het verwarmingsspoor 4 en het sensorspoor 5 zijn bij voorkeur vervaardigd uit eenzelfde materiaal, bij nadere voorkeur uit zilver, koper, of een legering van deze of andere metalen, teneinde het productieproces voor het vervaardigen van het verwarmingselement 1 te kunnen vereenvoudigen en versnellen. Bovenop en tussen de sporen 4, 5 is een tweede emaillaag 6 aangebracht, waarbij 30 kruislings over twee of meer van de verwarmingssporen 4 een gesinterde glaslaag 7 met een relatief laag smeltpunt is aangebracht. De emailsamenstelling van de tweede emaillaag 6 wordt gekozen binnen de in kolom LT1 van Tabel 1 aangegeven grenzen. Op de tweede emaillaag 6 is een metalen strip 8, in het bijzonder zilveren strip, aangebracht die zich onder tussenkomst van de tweede diëlektrische laag uitstrekt over 13 zowel het verwarmingsspoor 4 alsook het sensorspoor 5 naar een ander deel van het verwarmingsspoor 4. Het verwarmingsspoor 4 en het sensorspoor 5 zijn elektrisch verbonden met een besturingseenheid 9. De besturingseenheid 9 is daarbij ingericht voor het reguleren van de stroomsterkte door het verwarmingsspoor 4. De 5 besturingseenheid 9 is gekoppeld met een beveiligingsschakeling 10 die bijvoorbeeld kan zijn voorzien van een bimetaal. Tevens is de besturingseenheid 9 gekoppeld met een ampèremeter 11 voor het meten van de lekstroom door het sensorspoor 5. Figuur 2 toont een onderaanzicht op een deel van het verwarmingselement 1 volgens figuur 1, waarin de tweede emaillaag 6 ter verduidelijking van de figuur is weggelaten. In figuur 10 2 is duidelijk getoond dat het verwarmingsspoor 4 en het sensorspoor 5 in hoofdzaak spiraalvormig en in hoofdzaak onderling parallel zijn aangebracht op de eerste emaillaag 3. Tevens toont figuur 2 dat de zilveren strip 8 zowel het sensorspoor 5 en het verwarmingsspoor 4, de facto meerdere verwarmingsspoorsecties, overlapt. De werking van het verwarmingselement 1 kan als volgt worden beschreven. Na het activeren van 15 het verwarmingsspoor 4 door de besturingseenheid 9 zal warmteontwikkeling plaatsvinden in het verwarmingsspoor 4, welke warmte voor een substantieel deel via de emaillagen 3, 6 wordt overgedragen aan de verwarmingsplaat 2. De verwarmingsplaat 2 zal daarbij doorgaans in contact staan met een vloeistof waaraan de warmte vervolgens kan worden afgegeven. Echter, ingeval de door het verwarmingselement 1 ontwikkelde 20 warmte niet meer op afdoende wijze kan worden overgedragen zal de temperatuur van het verwarmingselement 1 stijgen. Teneinde oververhitting van het verwarmingselement 1 en daarmee het ontstaan van gevaarlijke situaties te kunnen tegengaan is de samenstelling van de tweede emaillaag 6 zodanig gekozen dat de weerstand significant afneemt bij het overschrijden van een kritische temperatuur, 25 zodanig dat een lekstroom zal gaan lopen van het verwarmingsspoor 4 via de tweede emaillaag 6 en eventueel tevens via de zilveren strip 8 naar het sensorspoor 5. Een door het sensorspoor 5 lopende lekstroom kan worden gedetecteerd door de ampèremeter 11. Ingeval deze lekstroommeting zou falen en verdere (oververhitting van het verwarmingselement 1 zou optreden dan zal de gesinterde glaslaag 7 smelten en 30 daarmee het verwarmingsspoor 4 ter plaatse vernietigen, waardoor de bedrijfstoestand van het verwarmingselement 1 zal worden beëindigd. Verdere verhitting van het verwarmingselement 1 zal alsdan ook niet meer mogelijk zijn.

Figuur 3 toont het verloop van de specifieke weerstand van de van het verwarmingselement volgens figuur 1 deel uitmakende eerste diëlektrische laag en 14 tweede diëlektrische laag als functie van de temperatuur. Zoals aangegeven in figuur 3 zorgen onder andere de LT1 en HT emailsamenstellingen ervoor dat de specifieke elektrische weerstand R6 van de tweede emaillaag 6 bij een lagere temperatuur afneemt dan de specifieke elektrische weerstand R3 van de eerste relatief isolerende laag 3.

5

De met de ampèremeter gemeten lekstroomkarakteristiek voor een aantal diëlektrische lagen is weergegeven in functie van de temperatuur T in figuur 4. De op de verticale as uitgezette lekstroom I blijft voor relatief lage temperaturen T beperkt tot nabij een bepaalde aanslagtemperatuur, waarboven zij plots snel toeneemt. De 10 aanslagtemperatuur hangt sterk af van de samenstelling van de emaillaag. In figuur 4 is aangegeven dat de samenstelling van de eerste laag, aangeduid met HT een aanslagtemperatuur heeft die tenminste 500°C bedraagt. De andere vier getoonde lekstroomkarakteristieken (aangeduid met LT1) zijn karakteristiek voor emailsamenstellingen van de tweede laag. Door de samenstelling van de 15 emailsamenstellingen aan te passen aan de gewenste aanslagtemperatuur voor de eerste en/of tweede diëlektrische laag kan met behulp van een relatief eenvoudige elektrische schakeling een temperatuurbeveiliging voor het verwarmingselement 1 worden gerealiseerd.

20 15

Tabel 1: voorkeur emailsamenstellingen in het verwarmingselement 1 volgens de uitvinding

Emailsamenstelling LT1 HT

Bestanddeel gew.-% gew.-%

Li20 0-5 K20 0-15 0-10

Na20 0-10

CaO 20-40 A1203 5-15 B203 5-13

Si02 33-53

Zr02 0-10

PbO 0-10 V205 0-10

Bi203 0-10

Totaal 100 5 Het moge duidelijk zijn dat de uitvinding niet beperkt is tot de hier weergegeven en beschreven uitvoeringsvoorbeelden, maar dat binnen het kader van de bijgaande conclusies legio varianten mogelijk zijn, die voor de vakman op dit gebied voor de hand zullen liggen.

Claims (23)

1. Verwarmingselement, omvattende: een te verwarmen substraat, 5. ten minste één op het geleidende substraat aangebrachte eerste diëlektrische laag, - ten minste één op de eerste diëlektrische laag aangebracht elektrisch geleidend verwarmingsspoor, - ten minste één op de eerste diëlektrische laag, op afstand van het 10 verwarmingsspoor aangebracht elektrisch geleidend sensorspoor, en ten minste één op de eerste diëlektrische laag aangebrachte tweede diëlektrische laag, welke tweede diëlektrische laag aansluit op zowel ten minste een deel van het verwarmingsspoor alsook op ten minste een deel van het sensorspoor.

2. Verwarmingselement volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat bij een nagenoeg zelfde temperatuur de elektrische weerstand van de eerste diëlektrische laag hoger is dan de elektrische weerstand van de tweede diëlektrische laag.

3. Verwarmingselement volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat ten minste 20 een deel van het verwarmingsspoor en ten minste een deel van het sensorspoor spiraalvormig zijn vormgegeven.

4. Verwarmingselement volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de onderlinge kortste afstand tussen ten minste een deel van het ten minste ene 25 verwarmingsspoor en ten minste een naastgelegen deel van het ten minste ene sensorspoor in hoofdzaak constant is.

5. Verwarmingselement volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de onderlinge kortste afstand tussen ten minste een deel van het ten minste ene 30 verwarmingsspoor en ten minste een naastgelegen deel van het ten minste ene sensorspoor is gelegen tussen 100 pm en 800 pm, bij voorkeur tussen 400 pm en 600 pm.

6. Verwarmingselement volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het ten minste ene verwarmingsspoor en het ten minste ene sensorspoor zijn gekoppeld aan een besturingseenheid.

7. Verwarmingselement volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een ampèremeter elektrisch is gekoppeld met het sensorspoor.

8. Verwarmingselement volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een spanningsmeter elektrisch is gekoppeld met het sensorspoor. 10

9. Verwarmingselement volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat ten minste één elektrisch geleidend element is aangebracht op de tweede diëlektrische laag.

10. Verwarmingselement volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de kortste afstand tussen het verwarmingsspoor en het elektrische geleidend element is gelegen tussen 5 pm en 50 pm, bij voorkeur tussen 12 pm en 20 pm.

11. Verwarmingselement volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, 20 dat het verwarmingsspoor ten minste gedeeltelijk is afgeschermd door een gesinterde glaslaag.

12. Verwarmingselement volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat het smeltpunt van de gesinterde glaslaag lager is dan 500° Celsius. 25

13. Verwarmingselement volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de eerste en/of de tweede diëlektrische laag uit een emailsamenstelling zijn vervaardigd.

14. Verwarmingselement volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat het alkalimetaalgehalte van de emailsamenstelling van de eerste diëlektrische laag lager is dan dit van de tweede diëlektrische laag.

15. Verwarmingselement volgens conclusie 13 of 14, met het kenmerk, dat tenminste het lithium- en/of natrium- en/of kaliumgehalte van de eerste en de tweede diëlektrische laag van elkaar verschillen.

16. Verwarmingselement volgens één der conclusies 13-15, met het kenmerk, dat de eerste diëlektrische laag nagenoeg vrij is van lithium en/of natriumionen.

17. Verwarmingselement volgens één der conclusies 13-16, met het kenmerk, dat het alkalimetaalgehalte van de eerste en de tweede diëlektrische laag van elkaar 10 verschilt.

18. Verwarmingselement volgens één der conclusies 13-17, met het kenmerk, dat de emailsamenstelling van de eerste laag dusdanig gekozen is dat deze bij oplopende temperatuur steeds een hogere elektrische weerstand heeft dan deze van de tweede laag. 15

19. Verwarmingselement volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat de emailsamenstelling van de eerste diëlektrische laag dusdanig is gekozen dat de doorslagspanning hoger is dan 1250 VAC.

20. Verwarmingselement volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de uitzettingscoëfficiënt van het materiaal waaruit het substraat bestaat niet meer dan 20 tot 45% verschilt van de uitzettingscoëfficiënt van de eerste en/of de tweede diëlektrische laag.

21. Emailsamenstelling voor toepassing als eerste diëlektrische laag in een verwarmingselement volgens één der voorgaande conclusies, omvattende tussen 0 en 10 massaprocent V2O5, tussen 0 en 10 massaprocent PbO, tussen 5 en 13 massaprocent B2O3, tussen 33 en 53 massaprocent S1O2, tussen 5 en 15 massaprocent AI2O3, en tussen 20 en 30 massaprocent CaO. 30

22. Emailsamenstelling voor toepassing als tweede diëlektrische laag in een verwarmingselement volgens één der conclusies 1-20, omvattende tussen 0 en 5 massaprocent Li20, tussen 0 en 15 massaprocent K2O en tussen 0 en 10 massaprocent Na20. 5

23. Vloeistofhouder, voorzien van een verwarmingselement volgens één der conclusies 1-20.