TWI583242B - 用於電熱水器的電阻元件 - Google Patents

Description

用於電熱水器的電阻元件

本發明涉及一種應用於電熱水器上的非圓橫截面電阻元件之新型建設性配置，提供具有任何橫截面或幾何嵌合形狀的端子。更具體地說，本發明涉及從一個單一的板件，如一個細長且薄形狀的板件，所配置出的電阻元件。

本專利申請主張2012年7月27日巴西專利BR102012018888-0為國際優先權。

許久以來，沐浴已成為一個普通的日常活動。在有自然資源，及文化被各種習俗(主要是原始的習俗)所影響的地方，沐浴每天超過一次的習慣是很常見的。

即使是在資源有限的地方，依據多樣化的地區研究和建議，人們也應為了衛生和健康的緣故沐浴。

近來在實驗室進行的內部研究表明，雖然根據使用者的習慣會有所變化，浴水的平均溫度略高於人體在健康狀態下的體溫，範圍從36℃至42℃不等。

在絕大多數世界上可居住的地方，浴水的平均溫度較人體為高，因此有提高水溫的裝置，為將浴水提高到合適的溫度。

提高水溫需要熱能，而熱能需要通過各種方式和途徑取得，可以經由燃燒某種氣體，煤，或石油，或是經由蒸氣，太陽能或電等等，也可以由混合的系統，由兩個或兩個以上的加熱裝置所組成。

具體而言，關於電力加熱系統或任何用到電的其他混合加熱系統，熱能是因著電流通過一種叫做電阻的元件而發生。

電流進入電阻元件時會因著焦耳效應提高電阻元件的溫度，而當 水接觸到電阻元件時，接收了此熱能，溫度因此上升，由其初始溫度，通常為室溫，上升到合適的溫度值，儘管這水的初始溫度可能不同於室溫。

多年來，技術知識提供了改良的電阻元件和電力及混合動力裝置，例如用於加熱水的裝置，使設計和建造更高質量的裝置和電阻元件變為可能。

許多製造商在他們的裝置中使用，由一個有電阻元件性的導電材料製成的圓形橫截面的線材，就是機線，以螺旋形或彈簧形捲繞在無形的軸心上。此機線會導致電荷分佈在該導體的外週表面，其度量在本技術領域中稱為表面電荷密度，或者僅稱為表面電荷。用實際方式表達，該電荷是一個分數，其分子是該電阻元件所消耗的功率，其分母是該導線的總長度乘以該導線的橫截面的周長，其計量單位通常為瓦/平方公分(W/cm²)。

一旦電阻元件經設計並製造完成，就會被插入各電氣設備隔室中，諸如電熱水淋浴設備或類似的裝置。

根據不同的應用，也有呈條狀的電阻元件線。但是，這種方式有一些限制，例如：他們可能無法使用於熱水器中。這是因為電熱水淋浴間的尺寸較小，也因為機線比較容易轉換成螺旋形而不是條形，從而影響因成本要求所需做的決定。

應當指出的是，電阻元件線配置的方式決定該電阻元件是何種電阻元件。讓我們以複雜性較大的應用來舉例，如電力淋浴設備。

巴西專利文件MU6301367-3提到將一條導線直接插入水中，沒有任何周圍的保護，形成一個赤裸的阻力裝置。相對地，當導線被絕緣體及導熱良好的材料包圍，且進一步再被另一個導熱性同樣良好的材料(通常是金屬的)包圍，根據巴西專利文件MU7900685-0的說明，這是一個有包覆的電阻元件裝置。此外，根據文件PI9500933-7的披露，當導線在一個允許水進入與電阻元件線接觸的保護囊時，一個封裝的電阻元件裝置就產生了。應當指出的是，所有這些電阻元件配置中，使用的相同類型的導體，就是導線形式的電阻元件。

熱水器中電阻元件的安裝，是使用其端子來銜接與緊固，這些端 子是在後續的製造過程中所製造的。因此，在電阻元件線(螺旋式)製造完成後，另一個製造步驟會將端子連接，這個步驟被稱為端子壓接。其他製造步驟仍然是必要的，如洗滌螺旋形線來除去從螺旋生產過程和用來減輕壓力的加熱過程中所釋出的油。

當然，各個步驟加起來產生無數的控制需要，使得先前的電阻元件生產技術的過程相當昂貴。

此外，我們也應該將產生的廢料算入生產成本中，例如將端子壓接在電阻元件線上的這個步驟，因為它們的指數相當大，導致材料的損失、破裂的端子和固定不良。固定是否不良將影響產品的品質，因為我們往往不能檢測到不良的壓接，而導致電阻元件的壽命減短，以及隨之而來的消費者的不適。

為了試圖解決這個問題，文件MU7002670-0顯示一個不用壓接端子的電阻元件設計，其連接電阻元件至熱水器之導電桿的功能，是通過扭轉導線的端子和中間點，造成內部橫截面的管狀延伸，使其適合安裝入熱水器中。

此解決方案的適當地解決了問題，因為它消除了壓接端子至電阻元件的兩端及中間點的需要，但即便如此，因它需要螺旋地捲繞有圓形橫截面的導線，使得產品因為所需的各個生產步驟而成本提高。另外當指出的問題是此種電阻元件的易碎性。它具有一個裸露的電阻元件，由於這些螺旋電阻元件是由微小和容易破碎的導線所組成的，使得存儲及分發這種類型的組件為備件變得困難，也需要此種電熱水器在其放置電阻元件線的隔間提供電介質的支撐物來固定。

這些電介質支撐物合適地發揮其功能，但此解決方案有一缺點，就是它需要一個額外的元件，這會增加製造成本，也造成更多容易引起燃燒的接觸點在支撐物與電阻元件線接觸的地方，因缺乏導線和水之間的熱交換。

設有包覆體或封裝的裝置沒有易碎性的問題，但它們有其它的缺點，例如高製造和裝配成本，和後續的技術援助服務的複雜性，因為此種電阻元件的尺寸較大。

另一個問題，是現有的裝置中很常見的，就是當能量或熱量下降 時，電阻元件會在某個時候斷掉，這當然是保護了這個裝置和用戶的安全的正常功能。然而，問題在於當電阻元件破裂，破裂點有可能發生在任何一點上，我們幾乎不可能確切地預先知道會在何處發生，這是因為此種情形的複雜性，及製造與裝配過程中及電氣設備的運作中所涉及的變數。結果是，我們不可能校準表面電阻元件負載來使它在發生故障時會在預定點燃燒，因為此種電阻元件的橫截面在所有的點都是均勻劃一的。

因此，我們有必要提供一種電電阻元件來用於電力或混合裝置中，其形狀大致是一個細長薄板，最好是非圓形的，以便能在電阻元件的表面有更好的電荷分佈。這種電阻元件與現今圓形橫截面的電阻元件相比，會使用較少的材料，也可憑藉較低的材料消耗來降低成本。

因此，本發明的目的是提供一種適用於任何電力或混合動力裝置的電阻元件，此電阻元件是藉由一個基本上細長且薄的金屬板來提供高效熱轉換和連接端子，以提高此裝置的效能及節省材料的使用。

本發明的另一個目的是提供一種不需要有電介質支撐的電阻元件，此電阻元件可以使用某種類型的機械式支撐，這種支撐是由另一製造過程中獲得的，如注射或甚至手工裝配。

本發明的再一目的是提供一種在能量或熱能下降，或任何其他故障時，有一較易燃燒的預定點的電阻元件。

本發明的再一目的是提供一種經由可塑變形和/或切割過程所產生的電阻元件，使材料得到最大的利用。

最後，本發明的另一個目的是提供一種更強健的電阻元件，並憑藉消耗較低材料及減少工業過程中的規模來減少成本。

本發明的簡單說明

本發明的目的是提供一個在有加熱元件及連結裝置的電氣裝置中使用的電阻元件，此電阻元件是由單一細長且薄的金屬電阻元件材料所組成，並且至少有一個加熱區域和至少兩個連結裝置。

1‧‧‧加熱裝置

2‧‧‧連結裝置

2a‧‧‧連結裝置

3‧‧‧側翼

4‧‧‧切口

5‧‧‧導電部

5a、5b、5c‧‧‧導電性部分

6‧‧‧空間

7‧‧‧直線部

8‧‧‧摺翼部

10‧‧‧熱保護器

11‧‧‧橫截面

12‧‧‧孔

13‧‧‧凸部

14‧‧‧圓狀部位

20‧‧‧電阻元件

21‧‧‧板

以下將藉由參考附圖中的實施例來更詳細的描述本發明，附圖所 示為：圖1是本發明電阻元件的前視圖；圖2是本發明電阻元件的頂視圖；圖3是本發明電阻元件的側視圖；圖4是本發明電阻元件由上往下看的前視圖；圖5是本發明電阻元件由下往上看的前視圖；圖6是本發明電阻元件放大細節的頂視圖；圖7是本發明電阻元件顯示延伸部位細節的頂視圖，顯示導電部位與冷卻翼片的連接；圖8是本發明電阻元件顯示電熱保護裝置的前視圖；圖9是本發明電阻元件的一種建設性變化的前視圖；圖10是本發明電阻元件的一種建設性變化的前視圖；圖11是本發明電阻元件的一種建設性變化的前視圖；圖12是本發明電阻元件的一種建設性變化的前視圖。

本發明涉及為電阻元件20提供一個新的建設性的配置。為了這個目的我們參考了本技術領域，本發明的電阻元件20使用了新的材料和工業過程。本發明的電阻元件20可應用於任何類型的電力和/或混合裝置，例如電熱水器，或任何其他同樣使用電阻元件來加熱的電力裝置。

對於電力裝置而言，其中對使用加熱用的電阻元件較敏感的是電熱水器，也被稱為電力淋浴設備。這是由於電能被輸送到電阻元件時，電阻元件週圍可能沒有裝滿水來發散電阻元件所產生的熱能，而引起過熱的情況，並隨後燃燒電阻元件。因此，在這種情況下，電阻元件的設計應特別小心。

如前所述，現有的技術將電阻元件形成一個螺旋，幾乎像一個彈簧一樣。不同於約1930年時發明的螺旋式電阻元件，本發明的電阻元件表現出完全不同的概念。本發明的電阻元件20，不僅能夠不需改裝地替代舊電阻元件，亦可以將新的電力設備包含在內。電阻元件20提供了可嵌入任何類型的電力或混合動力裝置的靈活性，並且可安裝 於具有或不具有機械性支撐的裝置中，無論其支撐是否是電介質。

本發明的電阻元件20利用板21或寬條形具導電性/電阻元件性的金屬或聚合材料製成，非以螺旋形捲繞，而是在一個單一步驟中轉化，例如藉由沖壓過程。圖1至圖12中示出各種本發明電阻元件20可有的實施例。應當指出的是，在任何建設性配置中，電阻元件20最好使用細長的薄金屬板，但並非必要。例如圖3和4，它們清楚地表明電阻元件20的高度和寬度顯著地大於它的厚度。以圖1為基礎，本發明的電阻元件可以具有的尺寸如下(最好但非必要)：長度從50毫米到300毫米，最好是100毫米至200毫米，寬25毫米至65毫米，最好是30毫米至50毫米，厚度為0.2毫米至15毫米，最好是0.5毫米至5毫米。應當指出的是，事實上，電阻元件20的尺寸可以是以上任何一項，這裡所用的尺寸是作為電阻元件20的比例的一個例子。

還應當指出的是，本發明的電阻元件20為一單一元件，其中包括一個加熱裝置1和連結裝置2。值得一提的是，在先前技術中，這些元件是在隨後的製造步驟中連接的，因此會引起之前已經提到的一些缺點。

為了獲得本發明的電阻元件20，有必要採用一個將板21變換成如圖1至圖12中所示的電阻元件的過程。在各種可行的處理過程中，我們可以通過已知的，用來製造連續或不連續的板的過程來製造電阻元件20，如沖壓、切割、折疊和旋轉等，可以使用或不使用水切割、金屬線切割(電腐蝕)、激光、化學沖壓、磁性沖壓或任何其他適合於這一目的的過程，並且使之提高製造過程的生產率。

這個製造組件的概念本身讓我們能夠取得現成的電阻元件20，例如，經由一個單一的沖壓吹塑過程，經由一個簡單的製造過程，使用一個適當的電阻元件材料的條狀物/板。

因此，根據需要，本發明使得製造電阻元件20的過程靈活，所以我們可以經由適當地配置加熱裝置1來選擇形狀以及電流通過應遵循的途徑。

在一個較佳具體實例中，電阻元件20是由加熱裝置1和兩個連結裝置2，也可稱為端子所組成的(參見圖12)。或者，如果我們想 要有不同的加熱溫度時，電阻元件20可以包括兩個或兩個以上的加熱裝置1，中間交替連結裝置2，來構成一個單件，也就是說，沒有接縫或需要隨後的製造步驟。自然地，端子或連結裝置2的功能是從電網供給電能給電阻元件20，以及在必要時協助電阻元件20固定在電氣設備上。

在一個較佳具體實例中，如圖1至圖8所示，加熱裝置1包括多個導電部5交替著多個空間6或分裂處，導電部5由直線部7形成，並以形成通路的連接裝置9相互連接。最好導電部有形成以下比例的尺寸，但並非必須：導電部5的寬度應為0.2毫米至10毫米，最好是0.4毫米至5毫米，空間的厚度應為0.05毫米至10毫米，最好是0.1至5毫米。當然，所用的材料也會影響加熱裝置1的大小，因為不同材料有不同的電阻元件率。

導電部5可由摺翼部8形成，其中摺翼的方向交替地排列，使加熱裝置中的空氣/水循環通過它的冷卻翼片，以促進裝置中的熱交換功能，可以將裝置冷卻，並使氣/液體被加熱，從而提高了熱效率。換句話說，電阻元件20可以是一板21，加上隨後彼此相反的剪切，形成一個橫截面和長度的組合，使電流通過時可以從一個已知的功率，獲得必要的歐姆數。

在一個較佳具體實例中，導電部5的形狀是根據設計的需要定義的，取決於各種數據要求如功率，電壓，表面電荷及其他。另外，我們也可以觀察到導電部5包含直線部7和摺翼部8，其中摺翼部以交替方式排列，以保證無論空氣/水流的方向為何，熱交換還是有效率。

還應當指出的是，在每個電阻元件20的設計功能上，導電部5可以是方形，矩形，三角形，菱形，橢圓形，或任何其他有合適的輸出率的幾何形狀。當然，電阻元件20的幾何形狀的複雜性將取決於使用的過程，及欲達到的輸出率。

正如所指出的，連結裝置2，也稱為端子，有將電阻元件20固定到電力裝置上的目的，以及作為將電能傳至加熱裝置1的目的。最好但非必要的是，連結裝置2是電阻元件20的一部分，組成一個單一元件。連結裝置2與加熱裝置1可在相同的生產步驟中製造，也可 在不同的步驟中製造，再隨後彼此接合。它們可能由相同或不同的生產過程中形成，或是由相同或不同的材料製成。基本上，連結裝置2是加熱裝置1的周邊部分，或是當存在一個以上的加熱裝置1時，連結裝置2也可以放置在它們中間。

因此，連結裝置2用於被固定到電力或混合動力裝置的端子(圖中未示出)，此裝置可具有最多樣的幾何形式。它們是具有由切口4分隔的側翼3，將被牢固地固定到加熱裝置的端子，用於供給能量和提供電流的循環。

本發明的優點之一是，我們可以在電阻元件20的任何一處，設計一個特定區域為熱保護器。如圖8所示，在放大細節的前視圖中，熱保護器10，是由減少讓電流通過的橫截面11的面積(導電部5最接近彼此的點)，使那點比裝置中的其餘部分具有較高的電阻元件，也因著焦耳效應，消耗較高的功率，並產生更多熱能。因此，在任何因能量供給系統或裝置本身異常情況下引起的電氣故障中，熱保護點是會發生斷裂的地方，因為它是最敏感的地方，其優點為允許設計師選擇最合適配置這些熱保護器10之處。

圖9、圖10和圖11為一些較佳具體實例的前視圖，其中導電性部分(5A、5B、5C)其形式分別為水平排列，交叉網格，及連續的形式。

圖12表示一個可能的建設性變化的前視圖，其連結裝置2a以橫向相對於一個單一的加熱裝置1。在這種情況下，連結裝置2中會在凸部13的圓狀部位14設有孔12。

應當指出的是，本發明需要高精密度來獲得電阻元件20。在一個可能的實施例中，由沖壓過程獲得的電阻元件20需要在同一模具中經過連續的沖壓步驟，來達到高精密度。一板21經過若干次沖壓，形成了電阻元件，並通過合適的機制，在每個沖壓結束時，測量其大小，，以所讀出的大小來計算導電部5的數據，以便提供必要的電阻元件率，以及所需的功率。

換句話說，板21的原料不具有均勻的厚度，也就是說，缺乏精確度。通過連續的高精密模具中的沖壓過程，我們可以獲得一個電阻 元件20，其厚度基本上是不變的，以及一個導電部5與空間6的尺寸關係，此關係基本上也是不變的。

電阻元件20的尺寸精確度越高，其可靠性、可預測性及可持續時間也越高，我們也更容易確定其最終的功率。因此，本發明的重點之一在於高尺寸精確度，此應在電阻元件20的製造過程中獲得。舉例來說，一個精確度為微米的電阻元件20，比一個精確度為毫米的電阻元件20，具有更可預測的功率。總之，本發明的電阻元件20之高可預測性，提供了比先前技術所生產的相同功率的電阻元件，至少兩倍以上的有用壽命，這對消費者來說是非常重要的優勢。

最後應該指出的是，從先前技術中，電阻元件20能取得的功率，其範圍為0~25000W，最大值較佳為15000W，最大值最佳為8000W。

在說明了較佳的實施例之後，我們應該明白，本發明的範圍涵蓋其他可能的變體，只限於所附權利要求書的內容，包括可能的等同物。

1‧‧‧加熱裝置

2‧‧‧連結裝置

3‧‧‧側翼

4‧‧‧切口

5‧‧‧導電部

6‧‧‧空間

20‧‧‧電阻元件

21‧‧‧板

Claims (8)

1. 一種用於電熱水器的電阻元件，包括加熱裝置(1)和連結裝置(2)，其特徵在於：電阻元件(20)包括一電阻元件材料板(21)，該電阻元件材料板包括至少一個加熱裝置(1)和至少兩個連結裝置(2)，該等加熱裝置(1)包括一板(21)部提供複數個間隔空間(6)配置導電部(5)，和連結裝置與該板(21)成為一體來供應能量給電阻元件(20)，其中該導電部(5)由一摺翼部(8)形成，摺翼方向交替地排列，形成冷卻翼。
2. 如申請專利範圍第1項之電阻元件，其中該導電部(5)由一直線部(7)形成，並藉由連接裝置(9)相互連接。
3. 如申請專利範圍第1項之電阻元件，其中該導電部(5)的橫截面是正方形、矩形、三角形、橢圓形或菱形等。
4. 如申請專利範圍第1項之電阻元件，其中該導電部(5)為水平排列、交叉網格或以連續形式。
5. 如申請專利範圍第1項之電阻元件，其中包含熱保護器(10)，其藉由減少導電部(5)之間的橫截面(11)來配置。
6. 如申請專利範圍第1項之電阻元件，其中該等連結裝置(2)可以是任何幾何形狀，並與該板(21)在任何一點成為一體。
7. 如申請專利範圍第1項之電阻元件，其中該等連結裝置(2)作為每個加熱裝置(1)之間的連結接口，形成具有不同電阻元件率的區域。
8. 如申請專利範圍第1項之電阻元件，其中包含金屬或聚合電阻元件材料的一板(21)。