NL2001283C2

NL2001283C2 - Heating element for container i.e. kettle, has leakage current promotional material installed on dielectric structure for facilitating passing of leakage current of heating track to sensor layer

Info

Publication number: NL2001283C2
Application number: NL2001283A
Authority: NL
Inventors: Johannes Gerardus Maria Gelinck
Original assignee: Otter Controls Ltd
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2009-08-14

Abstract

The heating element (1) has a substrate on a dielectric structure, and an electrically conductive heating track (6) remote from the substrate. An electrically conductive sensor layer is associated with the heating track, and a leakage current promotional material is installed on the dielectric structure for facilitating passing of a leakage current of the heating track to the sensor layer, where the resistance of the leakage current promotional material is temperature dependent, and the leakage current promotional material is formed by a material with a negative temperature coefficient (NTC).

Description

Verwarmingselement en vloeistofhouder voorzien van een dergelijk verwarmingselementHeating element and liquid container provided with such a heating element

De uitvinding heeft betrekking op een verwarmingselement. De uitvinding heeft tevens 5 betrekking op een vloeistofhouder voorzien van een dergelijk verwarmingselement.The invention relates to a heating element. The invention also relates to a liquid container provided with such a heating element.

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 ampèremeter 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.The use of enamel as a dielectric intermediate layer in the manufacture of heating elements is known. The dielectric enamel layer is thereby applied to a substrate to be heated, generally metal, after which metal heating tracks are applied to the dielectric enamel layer by means of screen printing techniques. Such a heating element is described, for example, in Dutch patent application NL 1014601. A heating element is described herein, for example for heating liquid in liquid containers or for heating heating plates, wherein heat is generated by passing electric current through the at least one heating track. . The heating track is thereby arranged on a substrate to be heated with the aid of a dielectric layer. The intermediate layer with dielectric properties ensures not only a good transfer of the developed heat to the substrate to be heated, but also an electrical barrier between the - usually metal -20 substrate and the heating track, causing short-circuiting in the heating element under normal operating conditions can be prevented. In addition, the dielectric can function as protection against overheating. For this purpose the heating element according to NL 1014601 is provided with an ammeter which can detect the leakage current through the dielectric. The leakage current from the heating element 25 is partly dependent on the electrical resistance of the dielectric. Because, in turn, the electrical resistance of the dielectric is dependent on the temperature at least in a certain temperature range and this dependence can in principle be predetermined, the observation of the leakage current through the dielectric provides insight into its temperature. The leakage current to be observed in a simple manner with an ammeter therefore forms a measured value with which the temperature of the dielectric and thus of the heating element can be determined.

22

Dc 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 verbeterde bekende verwarmingselement omvat een substraat waarop achtereenvolgens 5 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 lekstroom bij voorkeur worden afgeleid naar de sensorlaag, doordat in dergelijk geval 10 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 voor zeer lage stroomsterktes respectievelijk voltages, zonder dat hiervoor aparte 15 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 de geleiding van en daarmee de lekstroomsterkte in de (tweede) diëlektrische laag beperkt is, hetgeen in het bijzonder geldt bij relatief lage 20 temperaturen (<300°C). Door de relatief geringe lekstroomsterkte door de diëlektrische laag, met name bij deze relatief lage temperaturen, is het relatief lastig om (de grootte van) de lekstroomsterkte door de diëlektrische laag op relatief nauwkeurige wijze te meten. Bij hogere temperaturen (>300°C) zal de weerstand van de diëlektrische laag doorgaans aanzienlijk afnemen, waardoor ingeval van lokale oververhitting van het 25 verwarmingsspoor deze oververhitting doorgaans slechts adequaat kan worden gedetecteerd na voldoende opwarming van de diëlektrische laag, hetgeen ongunstig is voor de levensduur van het verwarmingselement als zodanig. Ingeval oververhitting van het verwarmingsspoor wordt veroorzaakt door kalkafzetting op het substraat, zal deze oververhitting doorgaans slechts kunnen worden gedetecteerd vanaf het moment dat 30 zich voldoende kalk heeft kunnen afzetten op het substraat, zodat de temperatuur van het verwarmingsspoor en de diëlektrische laag, en daarmee de geleidbaarheid van de diëlektrische laag, voldoende hebben kunnen toenemen, hetgeen ten koste gaat van de levensduur, veiligheid en betrouwbaarheid van het verwarmingselement. Het verhogen van de detectiegevoeligheid van het verwarmingselement, met name bij deze lage 3 temperaturen, door bijvoorbeeld het alkaligehalte in het toegepaste diëlektricum te verhogen biedt echter geen bevredigende oplossing voor voomoemd probleem, doordat door de toename van het alkaligehalte de thermische expansiecoëfficiënt toeneemt, hetgeen (eveneens) ten koste gaat van de betrouwbaarheid van het verwarmingselement.The international patent application WO2006083162 in the name of the applicant provides an improved heating element for detecting a temperature change in the heating element with a view to protection against overheating. The improved known heating element comprises a substrate on which successively a first dielectric layer, an electrically conductive sensor layer, a second dielectric layer, and a heating track are provided. The second dielectric layer will generally have a thickness of approximately 100 µm. Due to the special composition of the dielectric, a leakage current running in the second dielectric layer will preferably be derived to the sensor layer, because in such a case the first dielectric layer acts as an electrically more insulating layer (with respect to the second dielectric layer). As a result, a possible observation of this leakage current by an ammeter or voltage meter electrically coupled to the electrically conductive layer, or otherwise connected to it, is also possible for very low currents or voltages, without separate provisions having to be made for this. However, in addition to the special advantage of the improved known heating element, the improved known heating element also has several disadvantages. A major drawback of the known heating element is that the conduction of and with it the leakage current strength in the (second) dielectric layer is limited, which applies in particular at relatively low temperatures (<300 ° C). Due to the relatively low leakage current through the dielectric layer, in particular at these relatively low temperatures, it is relatively difficult to measure (the magnitude of) the leakage current through the dielectric layer in a relatively accurate manner. At higher temperatures (> 300 ° C), the resistance of the dielectric layer will generally decrease considerably, so that in the event of local overheating of the heating track, this overheating can usually only be adequately detected after sufficient heating of the dielectric layer, which is unfavorable for the dielectric layer. lifetime of the heating element as such. In case overheating of the heating track is caused by lime deposition on the substrate, this overheating will generally only be able to be detected from the moment that sufficient lime has been able to deposit on the substrate, so that the temperature of the heating track and the dielectric layer, and hence the conductivity of the dielectric layer, have been able to increase sufficiently, which is at the expense of the service life, safety and reliability of the heating element. However, increasing the detection sensitivity of the heating element, in particular at these low temperatures, by, for example, increasing the alkali content in the dielectric used does not offer a satisfactory solution to the above-mentioned problem, because the thermal expansion coefficient increases due to the increase in the alkali content, which ( also) at the expense of the reliability of the heating element.

5 Bovendien zullen door het verhogen van het alkaligehalte in het diëlektricum de smelttemperatuur en de glastemperatuur dalen, hetgeen de maximaal toelaatbare bedrijfstemperatuur substantieel kan reduceren.Moreover, by increasing the alkali content in the dielectric, the melting temperature and the glass temperature will fall, which can substantially reduce the maximum permissible operating temperature.

De uitvinding heeft tot doel het verschaffen van een verbeterd verwarmingselement, 10 met behulp waarvan lekstromen over een relatief groot temperatuurbereik kunnen worden gedetecteerd.The invention has for its object to provide an improved heating element, with the aid of which leakage currents can be detected over a relatively large temperature range.

De uitvinding verschaft daartoe een verwarmingselement, omvattende: een te verwarmen substraat, ten minste één op het geleidende substraat aangebrachte 15 diëlektrische structuur, ten minste één op de diëlektrische structuur aangebracht elektrisch geleidend verwarmingsspoor, ten minste één op afstand van het verwarmingsspoor met de diëlektrische structuur verbonden elektrisch geleidende sensorlaag, en ten minste één lekstroombevorderend materiaal dat is aangebracht op en/of is opgenomen in de diëlektrische structuur voor het faciliteren van het laten lopen 20 van een lekstroom van het verwarmingsspoor naar de sensorlaag. Door toepassing van het ten minste ene separate lekstroombevorderende materiaal in het verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding kan het nadeel van de beperkte geleidbaarheid van de diëlektrische structuur, in het bijzonder bij lage temperaturen (<300°C), ten minste gedeeltelijk worden ondervangen, waardoor het 25 verwarmingselement is ingericht voor het zowel bij deze relatief lage temperaturen als bij hogere temperaturen toelaten van een van het verwarmingsspoor naar de sensorlaag lopende lekstroom die bovendien zodanig groot is dat deze op relatief betrouwbare wijze kan worden gedetecteerd. Deze verbeterde detectiegevoeligheid zal doorgaans leiden tot het eerder constateren van lokale of algehele oververhitting van het 30 verwarmingselement en het dientengevolge verbeterd kunnen aansturen van het verwarmingselement, hetgeen de betrouwbaarheid, veiligheid en levensduur van het verwarmingselement ten goede komt. Lokale of algehele oververhitting treedt bijvoorbeeld op bij het droogkoken van het verwarmingselement of het in contact brengen van slechts een deel van het substraat met een te verwarmen medium, 4 bijvoorbeeld door het schuin houden van het verwarmingselement of door het slechts plaatselijk afdekken van het substraat met een te verwarmen object, zoals bijvoorbeeld met een flesje babyvoeding. Ingeval een relatief slecht warmtegeleidend medium, zoals bijvoorbeeld erwtensoep, in contact wordt gebracht met het substraat kan tevens relatief 5 snel - doorgaans algehele - oververhitting van het verwarmingselement optreden. Door toepassing van het verbeterde verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding kan deze locale of algehele oververhitting van het verwarmingselement relatief snel en betrouwbaar worden gedetecteerd, waardoor onveilige, en in het bijzonder brandgevaarlijke, situaties zoveel mogelijk kunnen worden voorkomen.To this end the invention provides a heating element, comprising: a substrate to be heated, at least one dielectric structure arranged on the conductive substrate, at least one electrically conducting heating track arranged on the dielectric structure, at least one spaced apart from the heating track with the dielectric structure connected electrically conductive sensor layer, and at least one leakage current promoting material which is arranged on and / or incorporated in the dielectric structure to facilitate the running of a leakage current from the heating track to the sensor layer. By using the at least one separate leakage current promoting material in the heating element according to the invention, the disadvantage of the limited conductivity of the dielectric structure, in particular at low temperatures (<300 ° C), can be at least partially overcome, whereby it heating element is adapted to allow a leakage current running from the heating track to the sensor layer both at these relatively low temperatures and at higher temperatures, which current is furthermore so large that it can be detected in a relatively reliable manner. This improved detection sensitivity will generally lead to an earlier detection of local or general overheating of the heating element and, consequently, improved control of the heating element, which benefits the reliability, safety and service life of the heating element. Local or general overheating occurs, for example, when the heating element is boiled dry or only a part of the substrate is brought into contact with a medium to be heated, for example by tilting the heating element or by covering the substrate only locally with an object to be heated, such as with a bottle of baby food. In case a relatively poorly heat-conducting medium, such as, for example, pea soup, is brought into contact with the substrate, superheating of the heating element can also occur relatively rapidly - generally overall. By using the improved heating element according to the invention, this local or general overheating of the heating element can be detected relatively quickly and reliably, whereby unsafe, and in particular fire-hazardous, situations can be prevented as much as possible.

1010

Het toegepaste lekstroombevorderende materiaal dat als separaat materiaal ten minste gedeeltelijk kan zijn aangebracht op de diëlektrische structuur en/of ten minste gedeeltelijk kan zijn opgenomen in de diëlektrische structuur kan divers van aard zijn, doch dient bij voorkeur geen negatieve uitwerking te hebben op de 15 materiaaleigenschappen van de diëlektrische structuur als zodanig. Het lekstroombevorderende materiaal wordt bij voorkeur gevormd door een materiaal dat volledig en/of gedeeltelijk geleidend is. Bij nadere voorkeur wordt een lekstroombevorderend materiaal toegepast waarvan de weerstand temperatuurafhankelijk is, veelal tevens aangeduid als een thermistor, teneinde de 20 geleidbaarheid in met name een bepaald temperatuurbereik te kunnen reguleren en daardoor te kunnen optimaliseren. Het is daarbij denkbaar om een materiaal met een positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) toe te passen, teneinde tussen het verwarmingsspoor en de sensorlaag aanwezige weerstand relatief eenvoudig te kunnen reduceren bij relatief lage temperaturen. Echter, bij nadere voorkeur wordt het 25 lekstroombevorderend materiaal gevormd door een materiaal met een negatieve temperatuurscoëfficiënt (NTC). Toepassing van een NTC materiaal in en/of op de diëlektrische structuur heeft als belangrijk voordeel dat grootte van de tussen het verwarmingsspoor en de sensorlaag aanwezige weerstand relatief nauwkeurig kan worden gereguleerd, waarbij de weerstand enerzijds voldoende laag dient te zijn om het 30 laten lopen van voldoende hoge lekstromen van het verwarmingsspoor naar de sensorlaag via de met het NTC materiaal verrijkte diëlektrische structuur toe te laten in een relatief breed temperatuurbereik, doch waarbij de weerstand anderzijds voldoende hoog dient te zijn om het te makkelijk laten ontstaan van lekstromen en eventueel stroomdoorslag (elektrische kortsluiting) in het verwarmingselement te kunnen 5 tegengaan. In een voorkeursuitvoering omvat het NTC materiaal ten minste één metaaloxide, en in het bijzonder omvat het NTC materiaal ten minste één spinelstructuur van oxides van nikkel, mangaan, kobalt en/of ijzer. In een andere bijzondere voorkeursuitvoering omvat het lekstroombevorderende NTC materiaal een 5 mengsel van ten minste één metaaloxide van ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium, osmium (Os), iridium (Ir), en platina (Pt), veelal tevens aangeduid als de platinagroep, en kobaltruthenaat (C02 RUO4), bismutruthenaat (B12RU2O7), en/of loodruthenaat (Pb2Ru207). Bij voorkeur dient het gehalte aan geleidende materialen in dit mengsel te zijn gelegen tussen 20 en 60 massaprocent. Ingeval dit gehalte lager is dan 20 10 massaprocent, dan zal de weerstand van het NTC materiaal te hoog zijn om een bevredigende lekstroom bij lage temperatuur toe te laten, onderwijl een gehalte hoger dan 60 massaprocent doorgaans tijdens het productieproces zal leiden tot de vorming van een poreuze laag, hetgeen eveneens ongewenst is. De onderlinge verhouding van metaaloxide(s) en kobaltruthenaat is doorgaans belangrijk, en bij voorkeur is de 15 massaverhouding van metaaloxide ten opzichte van kobaltruthenaat zodanig dat deze is gelegen tussen 0,03 en 0,5. Een massaverhouding lager dan 0,03 zal leiden tot een NTC materiaal met een te hoge weerstand om een bevredigende lekstroom in het verwarmingselement bij lage temperatuur toe te laten, onderwijl een massaverhouding hoger dan 0,5 zal leiden tot een NTC materiaal met een te lage weerstand waardoor 20 doorgaans te snel lekstromen zullen ontstaan en/of stroomdoorslag zal optreden, hetgeen ongewenst is. Een ander toepasbaar lekstroombevorderend materiaal is LAS-glaskeramiek, een glas van lithium-, aluminium-, en siliciumoxide. De glaskeramiek wordt tevens vermarkt onder de naam Schott Ceran®. Bijkomend voordeel van de glaskeramiek van Schott Ceran® is dat dit materiaal een relatief lage 25 uitzettingscoëfficiënt heeft, hetgeen bijzonder voordelig is ingeval het glaskeramiek ten minste gedeeltelijk in de diëlektrische structuur is opgenomen.The leakage current promoting material used which as separate material can be at least partially applied to the dielectric structure and / or at least partially incorporated into the dielectric structure can be of a diverse nature, but should preferably not have a negative effect on the material properties of the dielectric structure as such. The leakage current promoting material is preferably formed by a material that is fully and / or partially conductive. More preferably, a leakage current-promoting material is used whose resistance is temperature-dependent, often also referred to as a thermistor, in order to be able to regulate the conductivity in, in particular, a certain temperature range and thereby optimize it. It is conceivable to use a material with a positive temperature coefficient (PTC) in order to be able to reduce the resistance present between the heating track and the sensor layer relatively easily at relatively low temperatures. However, the leakage current promoting material is more preferably formed by a material with a negative temperature coefficient (NTC). The use of an NTC material in and / or on the dielectric structure has the important advantage that the magnitude of the resistance present between the heating track and the sensor layer can be relatively accurately regulated, wherein the resistance must on the one hand be sufficiently low to cause the running of to allow sufficiently high leakage currents from the heating track to the sensor layer via the dielectric structure enriched with the NTC material, but where the resistance, on the other hand, must be sufficiently high to allow leakage currents and possibly current breakdown to occur too easily (electrical short circuit) in the heating element. In a preferred embodiment the NTC material comprises at least one metal oxide, and in particular the NTC material comprises at least one spinel structure of oxides of nickel, manganese, cobalt and / or iron. In another particularly preferred embodiment the leakage current promoting NTC material comprises a mixture of at least one metal oxide of ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium, osmium (Os), iridium (Ir), and platinum (Pt), often also referred to as the platinum group, and cobalt ruthenate (CO2 RUO4), bismuth ruthenate (B12RU2O7), and / or lead ruthenate (Pb2Ru207). Preferably, the content of conductive materials in this mixture should be between 20 and 60 mass percent. In case this content is lower than 20% by mass, the resistance of the NTC material will be too high to allow a satisfactory leakage current at low temperature, while a content higher than 60% by mass will usually lead to the formation of a porous layer, which is also undesirable. The mutual ratio of metal oxide (s) and cobalt ruthenate is generally important, and preferably the mass ratio of metal oxide to cobalt ruthenate is such that it is between 0.03 and 0.5. A mass ratio of less than 0.03 will lead to an NTC material with too high a resistance to allow a satisfactory leakage current in the heating element at low temperature, while a mass ratio higher than 0.5 will lead to an NTC material with a too low resistance, as a result of which leakage currents will generally arise too quickly and / or current breakdown will occur, which is undesirable. Another applicable leakage current promoting material is LAS glass ceramic, a glass made of lithium, aluminum and silicon oxide. The glass ceramic is also marketed under the name Schott Ceran®. An additional advantage of the glass ceramic from Schott Ceran® is that this material has a relatively low expansion coefficient, which is particularly advantageous if the glass ceramic is at least partially incorporated in the dielectric structure.

Ingeval het lekstroombevorderende materiaal, zoals voomoemde spinelstructuur en het kobalt-, lood- en/of bismutruthenaatmengsel, is opgenomen in de diëlektrische 30 structuur, bedraagt de (plaatsselectieve) concentratie van het lekstroombevorderende materiaal bij voorkeur maximaal 50 massaprocent, teneinde de tussen het verwarmingsspoor en de sensorlaag aanwezige weerstand enerzijds voldoende hoog te kunnen houden om stroomdoorslag te kunnen tegengaan en anderzijds om de weerstand voldoende laag te kunnen houden om het ontstaan van lekstromen toe te laten. Bij 6 nadere voorkeur is de (plaatsselectieve) concentratie van het lekstroombevorderende materiaal in de diëlektrische structuur gelegen tussen 10 en 40 massaprocent.In case the leakage current promoting material, such as the aforementioned spinel structure and the cobalt, lead and / or bismutruthenate mixture, is included in the dielectric structure, the (site selective) concentration of the leakage current promoting material is preferably a maximum of 50% by mass, in order to reduce the between the heating track and to be able to keep the resistance present at the sensor layer sufficiently high to prevent current breakdown and on the other hand to be able to keep the resistance sufficiently low to allow leakage currents to occur. More preferably, the (site selective) concentration of the leakage current promoting material in the dielectric structure is between 10 and 40 mass percent.

Doorgaans zal bij een massapercentage lager dan 10 nauwelijks toename van de lekstroom kunnen worden waargenomen bij relatief lage temperaturen. Bij 5 massapercentages tussen 10 en 40 kan doorgaans evenwel een bevredigende toename van de lekstroom worden waargenomen, waarbij anderzijds de hoeveelheid toe te passen lekstroombevorderend materiaal beperkt kan worden gehouden, hetgeen gunstig is vanuit financieel oogpunt. Ingeval althans een deel van het lekstroombevorderende materiaal in de diëlektrische structuur is opgenomen, is het lekstroombevorderende 10 materiaal althans plaatsselectief bij voorkeur in hoofdzaak homogeen verdeeld in het diëlektrische materiaal, teneinde het lekstroombevorderende effect per volume-eenheid van de diëlektrische structuur te kunnen optimaliseren. Daarbij kan het lekstroombevorderende materiaal aansluiten op het verwarmingsspoor en/of de sensorlaag teneinde de weerstandsbrug tussen het verwarmingsspoor en de sensorlaag te 15 kunnen optimaliseren.Generally, with a mass percentage lower than 10, hardly any increase in the leakage current can be observed at relatively low temperatures. At 5 mass percentages between 10 and 40, however, a satisfactory increase in the leakage current can usually be observed, while on the other hand the amount of leakage-promoting material to be used can be kept limited, which is favorable from a financial point of view. In case at least a part of the leakage current promoting material is included in the dielectric structure, the leakage current promoting material is preferably at least locally selectively distributed in the dielectric material in order to be able to optimize the leakage current promoting effect per unit volume of the dielectric structure. The leakage current promoting material can thereby connect to the heating track and / or the sensor layer in order to be able to optimize the resistance bridge between the heating track and the sensor layer.

In een voorkeursuitvoering zijn het verwarmingsspoor en de sensorlaag, alsdan gevormd door een sensorspoor, op eenzelfde oppervlak van de diëlektrische structuur aangebracht. Het is daarbij voordelig ingeval het spanningsverschil tussen het 20 verwarmingsspoor en het sensorspoor wordt gemaximaliseerd, teneinde de drijvende kracht voor het laten ontstaan van een lekstroom door de diëlektrische structuur te kunnen optimaliseren. Bij voorkeur zijn ten minste een deel van het verwarmingsspoor en ten minste een deel van het sensorspoor gekromd en in het bijzonder spiraalvormig vormgegeven. Op deze wijze kan het substraat op relatief volledige en efficiënte wijze 25 worden verwarmd door het verwarmingsspoor, waarbij een eventuele lekstroom relatief effectief en betrouwbaar 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 30 verwarmingsspoor en het sensorspoor kan worden gerealiseerd. In een alternatieve voorkeursuitvoering is het tevens denkbaar om 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 7 tussen ten minste een deel van het ten minste ene verwarmingsspoor en ten minste een naastgelegen deel van het ten 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 5 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.In a preferred embodiment, the heating track and the sensor layer, then formed by a sensor track, are provided on the same surface of the dielectric structure. It is thereby advantageous if the voltage difference between the heating track and the sensor track is maximized in order to be able to optimize the driving force for causing a leakage current through the dielectric structure. Preferably at least a part of the heating track and at least a part of the sensor track are curved and in particular have a spiral shape. In this way the substrate can be heated by the heating track in a relatively complete and efficient manner, whereby any leakage current can be measured relatively effectively and reliably. The mutual shortest distance between at least a part of the at least one heating track and at least an adjacent part of the at least one sensor track is thereby preferably preferably substantially constant, so that a substantially parallel orientation of the heating track and the sensor track can to be realised. In an alternative preferred embodiment, it is also conceivable to selectively reduce the mutual shortest distance between the heating track and the sensor track in order to be able to predefine the location of the occurrence of a leakage current and thereby optimize it. In a particularly preferred embodiment the mutual shortest distance 7 between at least a part of the at least one heating track and at least an adjacent part of the at least one sensor track is between 100 µm and 800 µm, preferably between 400 µm and 600 µm, and more preferably amounts to substantially 500 µm. In this way, on the one hand, the substrate can be sufficiently heated, because the power density per substrate surface can be kept sufficiently high in this way, and on the other hand, the reliable detection of a leakage current can be guaranteed.

Bij voorkeur omvat de diëlektrische structuur ten minste één eerste diëlektrische laag en 10 ten minste één laminair met de eerste diëlektrische laag verbonden tweede diëlektrische laag, waarbij, bij nadere voorkeur, bij een nagenoeg zelfde temperatuur de elektrische weerstand van de eerste diëlektrische laag hoger is dan de elektrische weerstand van de tweede diëlektrische laag. Door het laagsgewijs opbouwen van de diëlektrische structuur kunnen de diëlektrische eigenschappen van de diëlektrische structuur relatief 15 eenvoudig worden geoptimaliseerd. In een voorkeursuitvoering is althans één sensorlaag aangebracht tussen de eerste diëlektrische laag en de tweede diëlektrische laag en is het verwarmingselement aangebracht op een van de eerste diëlektrische laag afgekeerde zijde van de tweede diëlektrische laag. In deze voorkeursuitvoering zal het substraat zich doorgaans bevinden aan een van de tweede diëlektrische laag afgekeerde 20 zijde van de eerste diëlektrische laag. Door de verder 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. Bij een oververhitting zal vanuit het verwarmingsspoor een lekstroom ontstaan in de tweede diëlektrische laag, die zich, vergeleken met de eerste diëlektrische laag, verder bevindt van het te 25 verwarmen substraat. Deze lekstroom zal vervolgens via de tussenliggende sensorlaag worden afgeleid en in het geheel niet of slechts gedeeltelijk door de eerste diëlektrische laag vloeien. Door meting van de lekstroom, desgewenst gecombineerd met een hierop aangepaste aansturing van het verwarmingselement, wordt in deze voorkeursuitvoeringsvorm een zeer gevoelige en snel reagerende beveiliging tegen 30 oververhitting verkregen. Deze uitvoeringsvorm heeft als bijkomend voordeel dat de beveiliging tegen oververhitting aan betrouwbaarheid wint en bijvoorbeeld bestand is tegen onoordeelkundig gebruik. Zo is 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 oppervlak.Preferably, the dielectric structure comprises at least one first dielectric layer and at least one second dielectric layer laminarly connected to the first dielectric layer, wherein, more preferably, at an almost the same temperature, the electrical resistance of the first dielectric layer is higher than the electrical resistance of the second dielectric layer. By building up the dielectric structure in layers, the dielectric properties of the dielectric structure can be optimized relatively easily. In a preferred embodiment, at least one sensor layer is arranged between the first dielectric layer and the second dielectric layer and the heating element is arranged on a side of the second dielectric layer remote from the first dielectric layer. In this preferred embodiment, the substrate will generally be on a side of the first dielectric layer remote from the second dielectric layer. The further increased electrically insulating effect of the first dielectric layer relative to the second dielectric layer has shown that an even more sensitive leakage current measurement is possible. In the event of an overheating, a leakage current will arise from the heating track in the second dielectric layer, which, compared to the first dielectric layer, is further from the substrate to be heated. This leakage current will then be derived via the intermediate sensor layer and will not flow at all or only partially through the first dielectric layer. By measuring the leakage current, optionally combined with a control of the heating element adapted to this, a very sensitive and quickly responsive protection against overheating is obtained in this preferred embodiment. This embodiment has the additional advantage that the protection against overheating gains in reliability and is, for example, resistant to improper use. Thus, the operation of the protection is highly insensitive to the heating element being earthed or not, and in particular to the surface to be heated.

88

In een bijzondere voorkeursuitvoering omvat het diëlektricum een eerste en/of een tweede diëlektrische laag uit een emailsamenstelling, kunststof, keramiek, of glaskeramiek (glas met een uitgekristalliseerde fase) en een elektrisch geleidende laag 5 die is samengesteld uit metalen en/of halfgeleiders en/of andere geleidende materialen zoals bijvoorbeeld grafiet enzovoorts. Een bijzonder goed werkend verwarmingselement volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat het alkalimetaalgehalte, in het bijzonder het lithium- en/of natrium- en/of kaliumgehalte, van de emailsamenstelling van de eerste dielektrische laag lager is dan dit van de 10 tweede diëlcktrische laag. Het vervaardigen van elke laag van het diëlektricum uit een emailsamenstelling, heeft als voordeel dat een optimale hechting tussen de lagen wordt verkregen door het onderling laten versmelten van de lagen. Bovendien kan het verschil in uitzettingscoëfficiënt van de diëlektrische lagen relatief klein worden gehouden, zodat de mechanische spanningen in het materiaal geminimaliseerd worden, hetgeen 15 leidt tot een verbeterde duurzaamheid van het diëlektricum en derhalve ook van het verwarmingselement. Bij nadere voorkeur is de eerste diëlektrische laag nagenoeg vrij van lithium en/of natriumionen, teneinde lekstromen door de eerste diëlektrische laag te kunnen tegengaan.In a particularly preferred embodiment, the dielectric comprises a first and / or a second dielectric layer of an enamel composition, plastic, ceramic, or glass ceramic (glass with a crystallized phase) and an electrically conductive layer 5 composed of metals and / or semiconductors and / or other conductive materials such as, for example, graphite and so on. A particularly effective heating element according to the invention is characterized in that the alkali metal content, in particular the lithium and / or sodium and / or potassium content, of the enamel composition of the first dielectric layer is lower than that of the second dielectric layer. The production of each layer of the dielectric from an enamel composition has the advantage that optimum adhesion between the layers is obtained by fusing the layers together. Moreover, the difference in expansion coefficient of the dielectric layers can be kept relatively small, so that the mechanical stresses in the material are minimized, which leads to an improved durability of the dielectric and therefore also of the heating element. More preferably, the first dielectric layer is substantially free of lithium and / or sodium ions, in order to prevent leakage currents through the first dielectric layer.

20 In een alternatieve voorkeursuitvoering is het denkbaar dat het substraat en de sensorlaag onderling geïntegreerd zijn en als zodanig één geheel vormen. Het substraat zal daarbij zijn vervaardigd uit een elektrisch geleidend en temperatuur geleidend materiaal, zoals uit metaal, in het bijzonder staal en/of aluminium.In an alternative preferred embodiment, it is conceivable that the substrate and the sensor layer are mutually integrated and as such form a whole. The substrate will then be manufactured from an electrically conductive and temperature-conducting material, such as from metal, in particular steel and / or aluminum.

25 Een van het substraat afgekeerde zijde van de diëlektrische structuur zal doorgaans zijn voorzien van het ten minste ene verwarmingsspoor. Teneinde het verwarmingsspoor te kunnen beschermen kan het voordelig zijn ingeval ten minste één afschermende laag, in het bijzonder ten minste één derde diëlektrische laag is aangebracht op een van het substraat afgekeerde zijde van de diëlektrische structuur. Op deze wijze kan 30 beschadiging van het verwarmingsspoor alsmede oxidatie van het doorgaans uit metaal vervaardigde verwarmingsspoor worden tegengegaan. Ingeval naast het verwarmingsspoor tevens een sensorspoor is aangebracht op de van het substraat afgekeerde zijde van de diëlektrische structuur kan de derde diëlektrische laag tevens zodanig zijn samengesteld dat deze is ingericht voor het geleiden van een lekstroom van 9 het verwarmingsspoor naar het sensorspoor.A side of the dielectric structure remote from the substrate will generally be provided with the at least one heating track. In order to be able to protect the heating track, it may be advantageous if at least one shielding layer, in particular at least one third dielectric layer, is provided on a side of the dielectric structure remote from the substrate. In this way damage to the heating track as well as oxidation of the heating track usually made of metal can be prevented. If, in addition to the heating track, a sensor track is also provided on the side of the dielectric structure remote from the substrate, the third dielectric layer can also be composed such that it is adapted to conduct a leakage current of the heating track to the sensor track.

Het ten minste ene verwarmingsspoor en/of de ten minste ene sensorlaag zijn bij voorkeur gekoppeld aan een besturingseenheid. Met behulp van de besturingseenheid 5 kan enerzijds een lekstroom worden gedetecteerd en kan anderzijds het verwarmingselement worden ge(de)activeerd, en bij nadere voorkeur worden 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 10 goedkoop een lekstroom worden gedetecteerd. De ampèremeter en/of de spanningsmeter zal daarbij doorgaans tevens geaard zijn uitgevoerd, teneinde een potentiaalverschil te kunnen waarnemen tussen de vaste wereld en de sensorlaag, welke sensorlaag zoals reeds beschreven eventueel integraal deel kan uitmaken van het te verwarmen substraat.The at least one heating track and / or the at least one sensor layer are preferably coupled to a control unit. With the aid of the control unit 5, on the one hand, a leakage current can be detected and, on the other hand, the heating element can be (de) activated and, more preferably, regulated. For detecting the leakage current, it is also advantageous if the sensor track is electrically coupled to an ammeter and / or a voltage meter. By using the ammeter and / or the voltage meter, a leakage current can be detected relatively easily and cheaply. The ammeter and / or the voltage meter will generally also be earthed, in order to be able to observe a potential difference between the fixed world and the sensor layer, which sensor layer, as already described, can possibly form an integral part of the substrate to be heated.

1515

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 20 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 zoals KEMA en ISO de doorslagspanning van de diëlektrische structuur voldoende 25 hoog te zijn, bij voorkeur ten minste 1250 V (wisselspanning (AC)) ten opzichte van de aarde. Ingeval de diëlektrische structuur meerdere diëlektrische lagen omvat, dan dient de de sensorlaag met het verwarmingsspoor verbindende diëlektrische laag bij voorkeur te voldoen aan voomoemde doorslagspanning.In addition to the specific resistance of a dielectric layer already described above, the breakdown voltage of such a layer, preferably an enamel layer, is also important. The breakdown voltage is the height of the electric potential difference across the dielectric layer, an electric current (with a much greater current intensity than that of a leakage current) going through the layer. Breakdown can lead to undesired attack and even irreparable disintegration of the dielectric layer and also the entire heating element. In order to guarantee maximum safety in an electric heating element, according to the regulations of certification organizations such as KEMA and ISO, the breakdown voltage of the dielectric structure must be sufficiently high, preferably at least 1250 V (alternating voltage (AC)) with respect to the earth. If the dielectric structure comprises several dielectric layers, the dielectric layer connecting the sensor layer to the heating track should preferably satisfy the above-mentioned breakdown voltage.

30 In een voorkeursuitvoering verschilt de uitzettingscoëfficiënt van het materiaal waaruit het substraat niet meer dan 20 tot 45% van de uitzettingscoëfficiënt van de al dan niet van het NTC materiaal voorziene diëlektrische structuur, teneinde excessieve materiaalspanningen in het verwarmingselement te kunnen tegengaan. Dit zal zowel de betrouwbaarheid alsook de levensduur van het verwarmingselement ten goede komen.In a preferred embodiment, the expansion coefficient differs from the material from which the substrate is no more than 20 to 45% of the expansion coefficient from the dielectric structure provided with or without the NTC material, in order to be able to prevent excessive material stresses in the heating element. This will benefit both the reliability and the service life of the heating element.

1010

Het is tevens denkbaar om het substraat gelamineerd uit te voeren, waar één substraatlaag onlosmakelijk met de diëlektrische structuur is verbonden, onderwijl een tweede substraatlaag, die aanligt tegen een van de diëlektrische structuur afgekeerde 5 zijde van de eerste substraatlaag, losneembaar is verbonden met de eerste substraatlaag. Daar de tweede substraatlaag is ingericht om in contact te komen met een op te warmen vloeistof, veelal water, is het tweede substraatlaag doorgaans onderhevig aan slijtage. Door de tweede substraatlaag losneembaar te koppelen met de eerste substraatlaag behoeft alsdan slechts deze tweede substraatlaag te worden vervangen in plaats van het 10 volledige verwarmingselement. Het onderling koppelen van de verschillende materiaallagen kan geschieden middels een tussenliggende grafietlaag en/of middels mechanische klemmen.It is also conceivable to make the substrate laminated, where one substrate layer is inseparably connected to the dielectric structure, while a second substrate layer, which abuts against a side of the first substrate layer remote from the dielectric structure, is detachably connected to the first substrate layer. Since the second substrate layer is arranged to come into contact with a liquid to be heated, usually water, the second substrate layer is generally subject to wear. By releasably coupling the second substrate layer to the first substrate layer, then only this second substrate layer needs to be replaced instead of the complete heating element. The various material layers can be mutually coupled by means of an intermediate graphite layer and / or by means of mechanical clamps.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een vloeistofhouder voorzien van ten minste 15 één verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding. Het verwarmingselement volgens de uitvinding kan in een breed domein worden toegepast. Zo is het mogelijk het relatief gebruiksveilige verwarmingselement deel te laten uitmaken van een waterkoker. Het verwarmingselement is tevens bijzonder geschikt om te worden toegepast in stoomgeneratoren, (af)wasmachincs, bevochtigers, melk- en andere 20 vloeistofverwarmers, doorstroomverwarmers, buisverwarmingstoestellen voor vloeistoffen, fomuisplaten, grillplaten, strijkijzerzolen, koffiezetapparaten, friteuses, broodroosters, verzegelapparaten, thermomixers, verwarmers voor babyflesjes, kopieerapparaten, hogedrukreinigers, stoomreinigers, lokale verwarmingselementen, zoals bijvoorbeeld een verwarmingselement bevestigd aan een conventionele CV 25 radiator, en dergelijke meer.The invention also relates to a liquid container provided with at least one heating element according to the invention. The heating element according to the invention can be used in a wide domain. For example, it is possible to have the relatively safe heating element form part of a kettle. The heating element is also particularly suitable for use in steam generators, dishwashers, humidifiers, milk and other liquid heaters, flow-through heaters, tube heaters for liquids, fume cover plates, grill plates, iron soles, coffee makers, deep fryers, toasters, sealing devices, thermomixers, heaters for baby bottles, copiers, high-pressure cleaners, steam cleaners, local heating elements, such as, for example, a heating element attached to a conventional CV radiator, and the like.

De uitvinding zal worden verduidelijkt aan de hand van in navolgende figuren weergegeven niet-limitatieve uitvoeringsvoorbeelden. Hierin toont: figuur 1 een dwarsdoorsnede van eerste voorkeursuitvoering van een 30 verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding, figuur 2a een dwarsdoorsnede van tweede voorkeursuitvoering van een verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding, figuur 2b een onderaanzicht op het verwarmingselement volgens figuur 2a, figuur 3 een dwarsdoorsnede van derde voorkeursuitvoering van een 11 verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding, figuur 4 een dwarsdoorsnede van vierde voorkeursuitvoering van een verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding, en figuur 5 het verloop van de gemeten stroomsterkte bij toenemende temperatuur 5 doorheen verschillende diëlektrische structuren.The invention will be elucidated on the basis of non-limitative exemplary embodiments shown in the following figures. Herein: figure 1 shows a cross-section of first preferred embodiment of a heating element according to the invention, figure 2a shows a cross-section of second preferred embodiment of a heating element according to the invention, figure 2b shows a bottom view of the heating element according to figure 2a, figure 3 a cross-section of third preferred embodiment Figure 4 shows a cross-section of a fourth preferred embodiment of a heating element according to the invention, and Figure 5 shows the variation of the measured current intensity with increasing temperature through different dielectric structures.

Figuur 1 toont een dwarsdoorsnede van eerste voorkeursuitvoering van een verwarmingselement 1 overeenkomstig de uitvinding. Het verwarmingselement 1 omvat een te verwarmen verwarmingsplaat 2, vervaardigd uit ferritisch chroomstaal met een 10 gehalte van 18 gew.-% chroom. Het is tevens mogelijk een andere geschikte metalen of keramische drager toe te passen zoals bijvoorbeeld ontkoold staal, koper, aluminium, titanium, SiN, AI2O3 enzovoorts. Op de verwarmingsplaat 2 is een eerste diëlektrische emaillaag 3 volgens de uitvinding aangebracht. De eerste emaillaag 3 heeft in hoofdzaak een emailsamenstelling volgens kolom HT van Tabel 1. Op de eerste, relatief 15 elektrisch isolerende emaillaag 3 is een elektrisch geleidende laag in de vorm van een rooster 4 aangebracht. Rooster 4 is vervaardigd uit bijvoorbeeld een dikke filmlaag gebaseerd op rutheniumoxide (RUO2) of andere geschikte geleidende (dikke film) lagen met een geschikt geleidend materiaal zoals bijvoorbeeld zilver, palladium, nikkel, enzovoorts, en/of combinaties hiervan. Op de relatief geleidende laag 4 is vervolgens 20 een tweede emaillaag 5 volgens de uitvinding aangebracht. De tweede emaillaag 5 is voorzien van een hoeveelheid NTC materiaal, in het bijzonder een hoeveelheid van de spinelstructuur van een oxide van nikkel, mangaan, kobalt, en/of ijzer, teneinde de geleidbaarheid van de tweede emaillaag 5 te kunnen verbeteren, met name bij relatief lage temperaturen (<300°C), waardoor makkelijker een lekstroom kan lopen door de 25 tweede emaillaag 5. De emailsamenstelling van de tweede emaillaag 5 wordt gekozen binnen de in kolom LT1 van Tabel 1 aangegeven grenzen, waarin geen rekening is gehouden met het gehalte van het met het email vermengde NTC materiaal. Op de tweede, ten opzichte van de eerste laag 3 beter elektrisch geleidende diëlektrische laag 5, is vervolgens een elektrische verwarmingslaag aangebracht in de vorm van een 30 elektrisch weerstandspoor 6, welke gebruikt kan worden om warmte op te wekken. Om de temperatuur van het verwarmingselement 1 tijdens gebruik te controleren biedt de ten opzichte van zowel de eerste laag 3 als de tweede laag 5 beter geleidende sensorlaag 4 de mogelijkheid de lekstroom door de tweede, relatief geleidende laag 5 vast te stellen. Voor het direct meten van de lekstroom door de eerste laag 3, is een 12 ampèremeter 9 aangesloten tussen de elektrische weerstandslaag 6 en de geleidende laag 4. De grootte van de gemeten lekstroom is maatgevend voor de grootte van de hoogste temperatuur op een positie op het element 1. Bij overschrijding van een bepaalde temperatuur zal door de verminderde weerstand van de tweede diëlektrische 5 laag 5 de lekstroom sterk toenemen, zodat dit door de ampèremeter 9 goed kan worden waargenomen. Doordat er nagenoeg geen lekstroom loopt door de eerste diëlektrische laag 3 is gebleken dat de meting van de lekstroom door de ampèremeter 9 veel nauwkeuriger wordt. Eventueel kan de ampèremeter 9 worden gekoppeld aan een besturing van de stroomtoevoer naar de verwarmingsweerstand 6. Bruikbare elektrische 10 schakelingen voor het meten van de lekstroom en het regelen van de stroomtoevoer zijn op zich bekend en bijvoorbeeld beschreven in WO 0 167 818.Figure 1 shows a cross-section of the first preferred embodiment of a heating element 1 according to the invention. The heating element 1 comprises a heating plate 2 to be heated, made from ferritic chromium steel with a content of 18% by weight of chromium. It is also possible to use another suitable metal or ceramic support such as, for example, decarburized steel, copper, aluminum, titanium, SiN, Al 2 O 3 and so on. A first dielectric enamel layer 3 according to the invention is provided on the heating plate 2. The first enamel layer 3 essentially has an enamel composition according to column HT of Table 1. An electrically conductive layer in the form of a grid 4 is provided on the first, relatively electrically insulating enamel layer 3. Grid 4 is made of, for example, a thick film layer based on ruthenium oxide (RUO2) or other suitable conductive (thick film) layers with a suitable conductive material such as, for example, silver, palladium, nickel, etc., and / or combinations thereof. A second enamel layer 5 according to the invention is then provided on the relatively conductive layer 4. The second enamel layer 5 is provided with an amount of NTC material, in particular an amount of the spinel structure of an oxide of nickel, manganese, cobalt, and / or iron, in order to be able to improve the conductivity of the second enamel layer 5, in particular at relatively low temperatures (<300 ° C), as a result of which a leakage current can flow more easily through the second enamel layer 5. The enamel composition of the second enamel layer 5 is chosen within the limits indicated in column LT1 of Table 1, which does not take into account the content of the NTC material mixed with the enamel. On the second dielectric layer 5, which is better electrically conductive than the first layer 3, an electric heating layer is then provided in the form of an electrical resistance track 6, which can be used to generate heat. In order to control the temperature of the heating element 1 during use, the sensor layer 4, which is better conductive than both the first layer 3 and the second layer 5, offers the possibility of determining the leakage current through the second, relatively conductive layer 5. For the direct measurement of the leakage current through the first layer 3, a 12-ammeter 9 is connected between the electrical resistance layer 6 and the conductive layer 4. The magnitude of the leakage current measured determines the magnitude of the highest temperature at a position on the element 1. If a certain temperature is exceeded, the leakage current will increase sharply due to the reduced resistance of the second dielectric layer 5, so that this can be properly observed by the ammeter 9. Because virtually no leakage current flows through the first dielectric layer 3, it has been found that the measurement of the leakage current through the ammeter 9 becomes much more accurate. Optionally, the ammeter 9 can be coupled to a control of the current supply to the heating resistor 6. Useful electrical circuits for measuring the leakage current and controlling the current supply are known per se and are described, for example, in WO 0 167 818.

Tabel 1: voorkeur emailsamenstellingen in het verwarmingselement volgens de uitvinding 15Table 1: preferred enamel compositions in the heating element according to the invention

Emailsamenstelling LT1 HTEmail composition LT1 HT

Bestanddeel Gew.-% gew.-%Component Wt% Wt%

Li20 0-5 K20 0-15 0-10Li 2 O 0-5 K20 0-15 0-10

Na20 0-10Na 2 O 0-10

CaO 20-40 20-40 A1203 5-15 5-15 B203 5-13 5-13CaO 20-40 20-40 Al 2 O 3 5-15 5-15 B203 5-13 5-13

Si02 33-53 33-53SiO2 33-53 33-53

Zr02 0-10 0-10Zr02 0-10 0-10

PbO 0-10 0-10 V205 0-10 0-10PbO 0-10 0-10 V205 0-10 0-10

Bi203 0-10 0-10Bi 2 O 3 0-10 0-10

Totaal 100 100Total 100 100

Figuur 2a toont een dwarsdoorsnede van tweede voorkeursuitvoering van een verwarmingselement 10 overeenkomstig de uitvinding. Het verwarmingselement 10 20 omvat een te verwarmen, in bovenaanzicht ronde, verwarmingsplaat 11 waarop een 13 eerste diëlektrische emaillaag 12 aangebracht. Op de eerste, relatief elektrisch isolerende emaillaag 12 zijn in een in hoofdzaak spiraalvormig patroon een verwarmingsspoor 13 en een parallel aan het verwarmingsspoor 13 lopend sensorspoor 14 aangebracht, waarbij de afstand tussen de sporen circa 500 pm bedraagt. Het 5 verwarmingsspoor 13 en het sensorspoor 14 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 10 te kunnen vereenvoudigen en versnellen. Bovenop en tussen de sporen 13, 14 is een van een lekstroombevorderend materiaal, in het bijzonder een NTC 10 materiaal, voorziene tweede emaillaag 15 aangebracht. Overigens zal het massapercentage van het NTC materiaal in de tweede emaillaag bij voorkeur zijn gelegen tussen 15 en 30 massaprocent. Het verwarmingsspoor 13 en het sensorspoor 14 zijn elektrisch verbonden met een besturingseenheid 16. De besturingseenheid 16 is daarbij ingericht voor het reguleren van de stroomsterkte door het verwarmingsspoor 15 13. De besturingseenheid 16 is gekoppeld met een beveiligingsschakeling 17 die bijvoorbeeld kan zijn voorzien van een bimetaal. Tevens is de besturingseenheid 16 gekoppeld met een ampèremeter 18 voor het meten van de lekstroom door het sensorspoor 14. Figuur 2b toont een onderaanzicht op een deel van het verwarmingselement 10 volgens figuur 2a, waarin de tweede emaillaag 15 ter 20 verduidelijking van de figuur is weggelaten. In figuur 2b is duidelijk getoond dat het verwarmingsspoor 13 en het sensorspoor 14 in hoofdzaak spiraalvormig en in hoofdzaak onderling parallel zijn aangebracht op de eerste emaillaag 12. De werking van het verwarmingselement 10 kan als volgt worden beschreven. Na het activeren van het verwarmingsspoor 13 door de besturingseenheid 16 zal warmteontwikkeling 25 plaatsvinden in het verwarmingsspoor 13, welke warmte voor een substantieel deel via de emaillagen 12, 15 wordt overgedragen aan de verwarmingsplaat 11. De verwarmingsplaat 11 zal daarbij doorgaans in contact staan met een vloeistof waaraan de warmte vervolgens kan worden afgegeven. Echter, ingeval de door het verwarmingselement 10 ontwikkelde warmte niet meer op afdoende wijze kan worden 30 overgedragen zal de temperatuur van het verwarmingselement 10 stijgen. Teneinde oververhitting van het verwarmingselement 10 en daarmee het ontstaan van gevaarlijke situaties te kunnen tegengaan is de samenstelling van de met het NTC materiaal verrijkte tweede emaillaag 15 zodanig gekozen dat de weerstand significant afheemt bij het overschrijden van een kritische temperatuur, zodanig dat een lekstroom zal gaan lopen van het verwarmingsspoor 13 via de tweede emaillaag 15 naar het sensorspoor 14. Een door het sensorspoor 14 lopende lekstroom kan worden gedetecteerd door de ampèremeter 18.Figure 2a shows a cross-section of the second preferred embodiment of a heating element 10 according to the invention. The heating element 10 comprises a heating plate 11 to be heated, rounded in top view, on which a first dielectric enamel layer 12 is provided. On the first, relatively electrically insulating enamel layer 12, a heating track 13 and a sensor track 14 running parallel to the heating track 13 are arranged in a substantially spiral pattern, the distance between the tracks being approximately 500 µm. The heating track 13 and the sensor track 14 are preferably manufactured from the same material, more preferably from silver, copper, or an alloy of these or other metals, in order to be able to simplify and accelerate the production process for manufacturing the heating element 10. On top of and between the tracks 13, 14 a second enamel layer 15 provided with a leakage current promoting material, in particular an NTC 10 material, is provided. Incidentally, the mass percentage of the NTC material in the second enamel layer will preferably be between 15 and 30 mass percent. The heating track 13 and the sensor track 14 are electrically connected to a control unit 16. The control unit 16 is then adapted to regulate the current intensity through the heating track 13. The control unit 16 is coupled to a protection circuit 17 which may be provided with, for example, a bimetal. . The control unit 16 is also coupled to an ammeter 18 for measuring the leakage current through the sensor track 14. Figure 2b shows a bottom view of a part of the heating element 10 according to Figure 2a, in which the second enamel layer 15 has been omitted for clarification of the figure. . In figure 2b it is clearly shown that the heating track 13 and the sensor track 14 are arranged substantially helically and substantially mutually parallel on the first enamel layer 12. The operation of the heating element 10 can be described as follows. After the heating track 13 has been activated by the control unit 16, heat development 25 will take place in the heating track 13, which heat is for a substantial part transferred via the enamel layers 12, 15 to the heating plate 11. The heating plate 11 will thereby generally be in contact with a liquid to which the heat can then be released. However, if the heat generated by the heating element 10 can no longer be adequately transferred, the temperature of the heating element 10 will rise. In order to prevent overheating of the heating element 10 and hence the occurrence of dangerous situations, the composition of the second enamel layer 15 enriched with the NTC material has been chosen such that the resistance decreases significantly when a critical temperature is exceeded, such that a leakage current will go running from the heating track 13 via the second enamel layer 15 to the sensor track 14. A leakage current running through the sensor track 14 can be detected by the ammeter 18.

14 5 Figuur 3 toont een dwarsdoorsnede van derde voorkeursuitvoering van een verwarmingselement 19 overeenkomstig de uitvinding. Het verwarmingselement omvat een laminaat van achtereenvolgens een te verwarmen substraat 20, een eerste emaillaag 21, een tweede emaillaag 22, een op de tweede emaillaag 22 aangebracht verwarmingsspoor 23, een op de tweede emaillaag 22 aangebracht sensorspoor 24, en 10 een op de tweede emaillaag 22, het verwarmingsspoor 23, en het sensorspoor 24 aangebrachte derde emaillaag 25. Het verwarmingsspoor 23 en het sensorspoor 24 zijn via een besturingseenheid 26, en een mechanische beveiliging 27 verbonden met een ampèremeter voor het kunnen detecteren van een door de tweede emaillaag 22 en/of derde emaillaag 25 lopende lekstroom. De tweede emaillaag 22 is voorzien van een 15 beperkte hoeveelheid (<10 massaprocent) NTC materiaal, teneinde de geleidbaarheid van de tweede emaillaag 22 voornamelijk bij relatief hoge temperaturen te kunnen verbeteren. De derde emaillaag 25 is voorzien van een beperkte hoeveelheid (<10 massaprocent) PTC materiaal, teneinde de geleidbaarheid van de derde emaillaag 25 voornamelijk bij relatief lage temperaturen te kunnen verbeteren, waardoor doorgaans 20 afhankelijk van de bedrijfstemperatuur een lekstroom zal gaan lopen door de tweede emaillaag 22 dan wel de derde emaillaag 25.Figure 3 shows a cross-section of a third preferred embodiment of a heating element 19 according to the invention. The heating element comprises a laminate of successively a substrate 20 to be heated, a first enamel layer 21, a second enamel layer 22, a heating track 23 applied to the second enamel layer 22, a sensor track 24 arranged on the second enamel layer 22, and a sensor track 24 applied to the second enamel layer 22, the heating track 23, and the sensor track 24 applied to a third enamel layer 25. The heating track 23 and the sensor track 24 are connected via a control unit 26, and a mechanical protection 27 to an ammeter for being able to detect a through the second enamel layer 22 and / or third enamel layer 25 running leakage current. The second enamel layer 22 is provided with a limited amount (<10% by mass) of NTC material, in order to be able to improve the conductivity of the second enamel layer 22 mainly at relatively high temperatures. The third enamel layer 25 is provided with a limited amount (<10% by mass) of PTC material, in order to be able to improve the conductivity of the third enamel layer 25 mainly at relatively low temperatures, as a result of which a leakage current will usually flow through the second depending on the operating temperature. email layer 22 or the third email layer 25.

Figuur 4 toont een dwarsdoorsnede van vierde voorkeursuitvoering van een verwarmingselement 29 overeenkomstig de uitvinding. Het in figuur 4 getoonde 25 verwarmingselement 29 omvat een te verwarmen metalen substraat 30, en een op het substraat 30 aangebrachte diëlektrische structuur 31. Op een van het substraat 30 afgekeerde zijde van de diëlektrische structuur 31 is een verwarmingsspoor 32 aangebracht. Het substraat 30 en het verwarmingsspoor 32 zijn via een besturingseenheid 33 en een beveiliging 34 verbonden met een ampèremeter 35, 30 waardoor het substraat 30 de facto tevens fungeert als sensorlaag voor het kunnen detecteren van een door de diëlektrische structuur 31 lopende lekstroom. Teneinde de geleidbaarheid van het diëlektricum 31 te kunnen verbeteren, met name bij relatief lage temperatuur waar het diëlektricum doorgaans relatief slechts stroom geleid, is de diëlektrische structuur 31 voorzien van een lekstroombevorderend materiaal, waardoor 15 de lekstroomsterkte in het diëlektricum kan worden vergroot, hetgeen de detectiegevoeligheid van het verwarmingselement 29 substantieel ten goede komt.Figure 4 shows a cross-section of the fourth preferred embodiment of a heating element 29 according to the invention. The heating element 29 shown in Figure 4 comprises a metal substrate 30 to be heated and a dielectric structure 31 arranged on the substrate 30. A heating track 32 is provided on a side of the dielectric structure 31 remote from the substrate 30. The substrate 30 and the heating track 32 are connected via a control unit 33 and a protection 34 to an ammeter 35, 30 whereby the substrate 30 also de facto functions as a sensor layer for being able to detect a leakage current flowing through the dielectric structure 31. In order to be able to improve the conductivity of the dielectric 31, in particular at a relatively low temperature, where the dielectric usually only conducts current relatively, the dielectric structure 31 is provided with a leakage current promoting material, whereby the leakage current strength in the dielectric can be increased, which can detection sensitivity of the heating element 29 substantially improves.

Figuur 5 toont het verloop van de gemeten stroomsterkte bij toenemende temperatuur 5 doorheen een drietal verschillende diëlektrische structuren. Daarbij wordt een eerste diëlektrische structuur (-*-) gevormd door een referentie-email dat de componenten L12O, K2O, Na2Ü, CaO, AI2O3, B2O3, en S1O2 omvat in hoeveelheden die vallen binnen de samenstelling van de LTl-laag volgens tabel 1. Een tweede diëlektrische structuur (-Θ-) bevat het voomoemde referentie-email in een hoeveelheid van 90% waaraan het 10 commercieel verkrijgbare glaskeramiek Schott Ceran® in een hoeveelheid van 10% is toegevoegd. Een derde diëlektrische structuur (-A-) bevat het voomoemde referentie-email in een hoeveelheid van 70% waaraan Schott Ceran® in een hoeveelheid van 30% is toegevoegd. In figuur 5 is duidelijk getoond dat het lekstroombevorderende glaskeramiek Schott Ceran® de kritische temperatuur waarbij een lekstroom zal ontstaan 15 verlaagt, en dat een toename van de concentratie van Schott Ceran® in de diëlektrische structuur zal leiden tot een afname van de kritische temperatuur, waardoor onveilig situaties, en in het bijzonder brandgevaarlijke situaties, reeds relatief snel kan worden waargenomen.Figure 5 shows the variation of the measured current intensity with increasing temperature 5 through three different dielectric structures. A first dielectric structure (- * -) is thereby formed by a reference enamel comprising the components L12O, K2O, Na2O, CaO, Al2O3, B2O3, and S1O2 in amounts that fall within the composition of the LT1 layer according to table 1 A second dielectric structure (-Θ-) contains the aforementioned reference enamel in an amount of 90% to which the commercially available glass ceramic Schott Ceran® has been added in an amount of 10%. A third dielectric structure (-A-) contains the aforementioned reference enamel in an amount of 70% to which Schott Ceran® has been added in an amount of 30%. It is clearly shown in Figure 5 that the leakage current promoting glass ceramic Schott Ceran® lowers the critical temperature at which a leakage current will arise, and that an increase in the concentration of Schott Ceran® in the dielectric structure will lead to a decrease in the critical temperature, whereby unsafe situations, and in particular fire risk situations, can already be observed relatively quickly.

20 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.It will be clear that the invention is not limited to the exemplary embodiments shown and described here, but that within the scope of the appended claims, countless variants are possible which will be obvious to those skilled in the art.

Claims

A heating element, comprising: - a substrate to be heated, 5. at least one dielectric structure arranged on the substrate, - at least one electrically conducting heating track arranged on the dielectric structure at a distance from the substrate, - at least one spaced from the heating track with electrically conductive sensor layer connected to the dielectric structure, and 10. at least one leakage current promoting material which is arranged on and / or incorporated in the dielectric structure to facilitate the running of a leakage current from the heating track to the sensor layer.

2. Heating element as claimed in claim 1, characterized in that the resistance of the leakage current-promoting material is temperature-dependent.

3. Heating element as claimed in claim 2, characterized in that the leakage current promoting material is formed by a material with a negative temperature coefficient (NIC). 20

Heating element according to claim 3, characterized in that the NTC material comprises at least one metal oxide.

5. Heating element as claimed in claim 4, characterized in that the NTC material comprises at least one spinel structure of oxides of nickel, manganese, iron, and / or cobalt.

6. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the leakage current promoting material connects to the heating track. 30

7. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the leakage current promoting material connects to the sensor layer.

Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the location-selective concentration of the leakage current-promoting material incorporated in the dielectric structure amounts to a maximum of 50 mass percent, and is preferably between 10 and 40 mass percent.

9. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the heating track and the sensor layer are arranged on the same surface of the dielectric structure.

10. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the mutual shortest distance between at least a part of the at least one heating track and at least an adjacent part of the at least one sensor track is substantially constant.

11. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the mutual shortest distance between at least a part of the at least one heating track and at least an adjacent part of the at least one sensor track is between 100 µm and 800 µm , preferably between 400 µm and 600 µm.

12. Heating element as claimed in any of the claims 9-11, characterized in that at least a part of the heating track and at least a part of at least one sensor layer are arranged substantially parallel to each other on the dielectric structure.

Heating element as claimed in claim 12, characterized in that at least a part of the heating track and at least a part of the sensor layer are curved, in particular substantially spiral-shaped.

14. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the dielectric structure comprises at least one first dielectric layer and at least one second dielectric layer connected to the first dielectric layer.

15. Heating element as claimed in claim 14, characterized in that at an almost the same temperature the electrical resistance of the first dielectric layer is higher than the electrical resistance of the second dielectric layer.

Heating element as claimed in claims 14 or 15, characterized in that at least one sensor layer is arranged between the first dielectric layer and the second dielectric layer.

17. Heating element as claimed in any of the claims 14-16, characterized in that the heating track is arranged on a side of the second dielectric layer remote from the first dielectric layer.

18. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the first and / or the second dielectric layer are manufactured from an enamel composition.

Heating element according to claim 18, characterized in that the alkali metal content of the enamel composition of the first dielectric layer is lower than that of the second dielectric layer. 20

20. Heating element as claimed in claim 18 or 19, characterized in that at least the lithium and / or sodium and / or potassium content of the first and the second dielectric layer differ from each other.

21. Heating element as claimed in any of the claims 18-20, characterized in that the first dielectric layer is substantially free of lithium and / or sodium ions.

22. Heating element as claimed in any of the claims 18-21, characterized in that the alkali metal content of the first and the second dielectric layer differs from each other.

23. Heating element as claimed in any of the claims 18-22, characterized in that the enamel composition of the first layer is chosen such that, with increasing temperature, it always has a higher electrical resistance than that of the second layer.

Heating element according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate and the sensor layer are integrated with each other.

25. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that at least one third dielectric layer is arranged away from the substrate from the substrate.

26. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the at least one heating track and the at least one sensor track are coupled to a control unit.

27. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that an ammeter is electrically coupled to the sensor layer. 15

A heating element according to any one of the preceding claims, characterized in that a voltage meter is electrically coupled to the sensor layer.

29. Heating element as claimed in claim 28, characterized in that the enamel compositions of the layers are chosen such that the assembly of the layers thereof leads to a breakdown voltage that is higher than 1250 VAC.

30. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the expansion coefficient of the material comprising the substrate does not differ by more than 20 to 45% from the expansion coefficient of the dielectric structure provided with the NTC material.

31. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the substrate comprises a plurality of substrate layers, wherein at least one first substrate layer is inseparably connected to the dielectric structure, and wherein at least one second substrate layer abutting one of the dielectric structure side of the first substrate layer, is releasably connected to the first substrate layer.

A liquid container provided with a heating element according to any one of claims 1-31.