专利名称：电加热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电加热器，特别涉及用于加热液体的电加热器和控制这些加热器的各种方法。
在水加热容器的领域中，使用安装为关闭该容器的基座中的一开口的印制有厚膜的元件加热器迅速地变得越来越普遍。这样的加热器包括印制在金属基底上的绝缘层上的一电阻轨道。厚膜加热器的优点之一是它们传导高瓦特(watt)密度和高总功率的能力。
可是，正在出现的另一个重要的特点是通过能够提供任何数量的分离加热轨道所给予该加热器的设计者的灵活性，这些加热轨道可以具有不同的功率并可以分开使用或与另一个结合使用。因此例如在欧洲销售的水壶和水罐几乎总是设计为简单地用来煮沸水，为远东设计的液体加热容器也常常设计用来将水长时间慢煮。这个器具的设计者可以因此提供用于将水加热到沸腾的一主高功率加热轨道和用于在此后保持慢煮水的一第二低功率轨道。这种布置的一个例子公开于WO97/04694。
也知道在Millennium M2水壶中将水保持在沸腾以下的一温度。这被恒温地取得，即当确定该水温已下降到一阈值以下时给该加热器短时间加电(energise)。由于水的高热容量，假设热量以相对低的速度和低的传导率通过水扩散，所以尽管不连续供电，这个加热方式也给所有水一相对稳定的平均温度。
可是，申请人已经认识到在水的大部分温度维持相对稳定的同时，接触该加热器表面的水的瞬时温度也应该被考虑。在当加热器断电，而热量通过水体扩散时温度再次下降之前，这个温度将快速上升到它能到达的正常值而将该水加热到沸腾。在这具有将该水保持在大约稳定的温度的全部理想效果的同时，处于加热器表面的水经受着产生不期望的噪音的局部煮沸。
再有，已经认识到上面描述的特性迄今为止将这种类型的加热器排除在被用于加热具有平均较低热扩散速率、即具有较低的热传导率和抑制对流的较大粘性的其它液体之外，例如牛奶，即使多个循环的平均功率可能相对地低，该牛奶仍会被加热器表面的过量温度烧焦。
当从第一方面看时，本发明提供了一种将一厚膜加热器的功率输出减小到它的最大功率的一预定部分(fraction)的方法，所述加热器具有在至少一个面上电绝缘的一平面基底和用于所述绝缘面的一电阻加热轨道，所述方法包括将一系列规则周期的电能量脉冲施加到所述加热器，其中该脉冲足够短以至与该加热轨道相反的加热器板的表面达不到一均衡温度。
从另一方面，本发明提供了一种加热设备，该加热设备包括一厚膜加热器和一电控制器，该厚膜加热器具有至少在一侧电绝缘的一平面基底和用于所述绝缘面上的一电阻加热轨道，该电控制器布置为将一系列规则周期的电能量脉冲施加到所述加热器，其中该脉冲足够短以至与该加热轨道相对的加热器板的表面达不到一均衡温度。
因此将会看到，根据本发明，将非常短的能量脉冲施加到该加热器以便相对的表面，即与例如液体的正被加热的东西接触的表面，没有达到一均衡温度的机会，即如果连续供电它将达到的温度。该加热器的平均功率输出当然将依赖于该脉冲持续期与它们之间间隔的比率，即已经公知的占空比(mark-space ratio)。可是通过按照本发明限制该脉冲的绝对持续期，在该厚膜加热器的加热表面经历的最大温度可以大大地减小。例如，这意味着如水的液体可以以一减小的功率被加热，而不会发生局部煮沸(并因此没有发生任何实质的噪音)，否则该局部煮沸就会发生。它还开发了用给定的高功率密度加热器加热不能容忍与全功率操作的加热器关联的功率密度的其它液体的可能性，例如牛奶或汤。实际上，这个加热器可以用来加热诸如各种食品等的固体或半固体。
本领域的技术人员将认识到本发明有效地允许一高功率密度厚膜加热器被转换成为具有较低功率密度的加热器。由于它在减小尺寸并因此降低该加热器成本的同时，连续允许通过该加热器的均匀加热，这比其中例如提供了一分离低功率密度轨道的布置具有优势。
将防止该加热器的远表面达到均衡的能量脉冲的最大持续期当然将依赖于该绝缘层和金属基底的厚度和热传导性，及依赖于该加热轨道的额定功率。在优选实施例中，该脉冲的持续期小于500毫秒，更好的是小于200毫秒，更好的是小于100毫秒。在一些实施例中，利用了仅仅20毫秒的脉冲。
这里将几乎总是这样一种情况，该加热器提供有一交流电流(A.C.)电源，该脉冲持续期最好是整数个循环。这使得该功率脉冲的开始和结束能够设置在电压穿过零线的地方。由于在零电流条件下切换了负载(该加热器几乎完全是一个电阻负载)，这减小了电磁干扰。因此上面给定的优选最大脉冲持续期假定操作在UK的50赫兹A.C.主电源(mains supply)上，并分别对应于25、10、5和1个循环。当使用另一个频率如60赫兹时，这些优选脉冲持续期应该相应地修改。
用于将电功率切换到该加热器的任何合适的装置可以使用目前优选的三端双向可控硅开关元件等。
本发明提供的一厚膜加热器的功率密度的有效减少在许多情况下是有用的。在特别的优选实施例中，这个加热器被结合在一液体加热设备中。在一个优选实施例中，减少的功率被用来操作该液体加热设备以便它最好是将例如水加热到沸腾，而基本上不产生任何可辨别的噪音。当然可以理解，当一液体被加热到沸腾时，该沸腾不可避免地产生一些噪音。因此，噪音的实质上的消除意指参照全部液体的沸腾发生之前的阶段。
可以认识到这种布置自身是有新颖性和创造性的，因此当从更广方面来看时，本发明提供有一种升高一液体加热设备中的液体的温度的方法，所述方法包括以这样一种功率给该加热器加电，并在加热期间实质上不产生可辨别的噪音。
本发明还扩展到具有一电加热器和被布置为以这种方式操作该设备的一控制器的一液体加热设备，和该控制器本身。
可以布置该设备以便永久地用这种方式操作。可是最好是，当需要安静加热时，用户可以选择这种操作模式，而当不考虑噪音时也可以选择一更高的功率模式以加速加热。该安静模式仅可能是在加热开始之前可预选择的。可是最好是它也可以在加热期间被选择。因此如果一用户以较高功率开始加热该设备中的液体，可是然后需要接听电话，他或她可以选择安静模式，直到该电话通话已经结束或达到期望的水温。还最好是，该安静模式的选择还抑制由该设备有意产生的声音，如当加热完成时通知“砰”。
在一些优选实施例中，根据经验预先确定为了避免噪音产生施加到该加热器上的功率。可以使用固定功率级别，但是最好是设计一最小噪音加热程序，其中该功率级别调整为当最大化该功率以最小化加热时间时，最小化噪音。申请人已经认识到在例如水的正常加热期间产生的噪音是变化的。例如已经认识到，当第一次施加功率并且该设备变暖时几乎不产生噪音，当热量到达该水时噪音增加，当该水内的对流开始发生时再次减小，然后逐渐增加直到沸腾。因此，根据一优选方法施加一预定功率曲线，该功率曲线被确定以便在最小化噪音的产生的同时，在给定点最大化该功率。
这本身是有新颖性和创造性的，因此从本发明进一步方面，包括有一种加热在电液体加热容器中的液体的方法，包括以预定的曲线施加功率到该容器的加热器，所述曲线被得出以便在最小化噪音的产生的同时，在任何给定时间最大化该功率。
本发明还扩展到一电液体加热设备，包括被布置为以这种方式操作该设备的控制装置和所述控制装置本身。
可选地或附加地，该设备包括检测正在产生的声音级别的装置和根据所检测的声音级别调整施加到该加热器上的功率以避免产生任何可辨别的噪音的装置。因此，如果期望以一减小的噪音级别操作该设备，该功率可以被减小到初始低值，然后稳定地增加直到产生一特定阈值之上的噪音。然后该功率可以被再次轻微地减小。如果再次确定噪音在该阈值之上，然后可以进一步减小该功率。
由于它在以一减小的噪音级别上维持操作的同时，最小化加热该液体所占用的时间，这种布置是有益的。它还自动地解决在加热过程期间、特别是在该液体接近整体沸腾时将产生的噪音的倾向中的变化。
这种减小噪音的方法自身是有益的，因此当从再一方面来看时，本发明提供一种在加热一电液体加热设备中的液体的同时减小噪音的产生的方法，包括电测量噪音的级别并根据所测量的噪音级别调节施加到该元件上的电功率。
当从再一方面来看时，本发明还提供一种电液体加热设备，包括感应当该设备正加热一液体时所产生的噪音级别的电声音传感装置，和根据所检测的噪音级别调节施加到该设备的加热器上的电功率的装置。
可以使用任何能够检测声音的电传感器，例如麦克风。该传感器可以放置在该设备的液体接收容腔内，但最好是位于该加热器的“干”面。这使生产变得容易并有助于确保可靠性。
声音传感装置可以检测全部声音级别，但最好是它被布置为仅检测一较小范围的频率。这有助于避免从高的周围噪音等得出的不可靠的机能。因此，该声音传感装置最好仅传感大体上低于500赫兹的频率，还最好高于50赫兹。
之前公开的减小功率的方法的另一个特别有益的应用在于一液体加热设备的干通电(dry switch-on)的检测。在一优选实施例中更特别地是，本发明提供一种操作一液体加热设备的一厚膜电加热器的方法，包括根据本发明的第一方面施加一减小的功率到该加热器；确定该加热器的温度升高的速率是否高于或低于一预定的阈值，并且如果该温度升高的速率低于该阈值速率，增加所施加的功率，如果该所检测的温度升高的速率高于该阈值速率，则中断到该加热器的功率供应。
因此将会看到，根据这个优选实施例，初始施加例如一半最大功率的一较低功率。如果该设备被正常充满，所导致的温度升高的速率将相对地低并且应该低于该阈值以避免麻烦的跳闸。可是如果该设备在它的里面没有任何液体的情况下已经被接通电源以散发产生的热量，所导致的该温度升高将显著地加快。该阈值速率被这样设置，即它低于干通电温度升高的速率，这样该设备将中断电力供应。
这不仅是一种检测干通电的有效方法，而且也固有地是节约装置，因为如果该设备被干通电就不会施加全功率，在切断电源之前该加热器、密封口、容器壁等达到的温度将比如果施加了相同长度时间的全功率显著地低。
这种布置本身是新颖的和有创造性的，如果不考虑用于减小功率的方法，并且当从再一方面看时，本发明提供了一种操作一液体加热设备的一厚膜加热器的方法，包括施加一减小的功率到该加热器；确定该加热器的温度升高的速率是否高于或低于一预定的阈值，并且如果该温度升高的速率低于该阈值速率，增加所施加的功率，如果该所检测的温度升高的速率高于该阈值速率，则中断到该加热器的功率供应。
本发明还扩展到一液体加热设备，具有一关闭基座上的开口的一厚膜加热器和能够以这种方式操作该设备的一控制器，和该控制器本身。
温度升高的速率是否高于或低于阈值的确定可以通过寻找在相应的阈值时间内取得的预定温度或寻找在预定时间之后的一阈值温度来进行。可是最好是测量温度升高速率的一实际值。然后这个值可以与该阈值速率直接进行比较。
在一个实施例中，该加热器的全功率额定为3千瓦，但当第一次加电时被减小到1.5千瓦。该阈值被设置在8℃s-1，即如果该加热器的温度升高的比这更快，假设该加热器已经被干通电。
能够在一预定周期例如一秒钟测量温度升高的速率。另外能够测量温度升高一预定量所占用的时间。尽管这实现起来稍微复杂一些，但它的有益之处在于，它有效地允许该板在干通电期间所达到的最大温度被限定为一预定值。表示升高速率的测量的结束的温度甚至可以被设置为相同于或低于该加热器的一般操作温度。这意味着即使该设备被干通电，该加热器也不会过热。
在一些优选实施例中，如果两个或在所有场合该阈值都没有被超过，在仅施加全功率的情况下，与该阈值速率的比较可以进行一次以上，但是如果它在任何一个场合都被超过，则中断功率。这在保证该保护系统免受该加热器前次使用遗留的少量液体的欺骗是有益的，该少量液体可能局部地暂时抑制温度升高的速率。
当已经施加了全功率时，与温度升高的阈值速率的比较不再需要进行。可是最好是，在该液体被加热的同时进行比较。这在因为任何原因低功率测量不准确的情况下提供了进一步的备份，可是更重要的是，在该设备被允许干沸腾、例如如果该设备被设置为长时间保持沸腾的情况下，它将给出保护。
实际上已经认识到，即使到施加了全功率时不进行温度升高速率的测量，初始施加一低功率在检测干通电中也是有益的。这得自于以下认识，即大的瞬时效果经常发生于初始加热并且因此温度升高的速率可能对于它来说起伏太大而在这个阶段不能作为干通电的一有用的指示器。然而最小化干通电期间达到的温度的益处仍然保持。
因此，从再一方面看时，本发明提供一种操作一电液体加热容器的方法，包括施加一预定周期的减小的功率到该容器的加热器，此后施加一较高功率并确定该加热器的温度升高的速率是否大于一预定的阈值，并且如果该温度升高的速率高于该阈值速率，中断到该加热器的功率供应，如果它低于该阈值速率，则继续加热该液体。
本发明还扩展到一液体加热设备，包括被布置为以这种方式操作该设备的控制装置和所述控制装置本身。
根据本发明这个方面的较高功率最好是全功率。这是有利地，因为它意味着用于确定一干通电是否已经发生的温度升高的阈值速率可以设置在适合于全功率的一级别上，并且因此相同值可以被用于检测。
在本发明的这个方面的一优选实施例中，例如1.5千瓦的较低功率被施加一预定时间周期，例如3秒钟，然后在施加例如3千瓦的全功率之前，功率自动中断一预定周期，例如2秒钟。然后该设备被布置为确定温度升高的速率是否超过6℃s-1的阈值。再有，为了确定是否允许干沸腾，这个阈值通过该设备的操作被监视。
如上所述，最好是测量温度升高的速率的实际值。为了保护该加热器免受由于干通电引起的过热，简单地将这个实际值与一阈值速率比较以确定它是高还是低。可是申请人已经进一步认识到，温度升高的速率的值可以被用来给出正被加热的水的体积的指示。更具体地说，该体积可以通过考虑功率输出和例如水的液体的特定热容量来计算。还可以用来进行可以由经验确定的该加热器的效率和该液体的热量损失的更正。
将会认识到，这个概念本身是新颖的和有创造性的，因此从另一方面，本发明提供了一种估计正在通过一电液体加热设备被加热的已知热容量的液体的体积的方法，所述方法包括施加功率到所述设备的加热器，在一给定时间上测量所述液体的温度的升高并根据该时间、热容量和在所述时间期间提供给该加热器的能量总量计算所述体积。
本发明还扩展到一液体加热设备，包括被布置为按上述操作的控制装置和所述控制装置本身。
将会看到，根据本发明的这个方面，该液体温度的速率升高被用来计算该液体体积。这可以使用与用于检测干通电同样的计算的速率，但最好是执行一分离计算，例如经过一更长的周期以便返回一更精确的数。在一个具体的例子中，使用经5秒钟做出的温度测量的一平均(每秒钟更新一次的滚动平均)进行用于确定干通电目的的计算，但是用于体积的计算要经过20秒钟(也是每秒钟更新)。
温度测量可以直接进行，例如用合适的传感器接触该液体。但是最好是间接地通过该加热器测量该温度。由于它允许传感器保持干燥并且更易于与其进行电连接，这一点显得更方便。该传感器甚至可以与用于保护该加热器例如免于干通电的相同。在厚膜加热器的情况下，该温度传感器按照方便与否可以印制到该加热器基底上或与其分离。
最好是，如果所检测的体积高于一预定水平，即如果该设备被过量充满，该设备被布置为减小施加到该加热器的功率。这在帮助避免与过量充满相关联的热水溅出等的危险方面具有清楚的好处。最好是给使用者一警告信号，以便如果它已经被过量充满，他/她知道倒出一些液体。
可是已经认识到，即使该设备没有被过量充满，知道液体的体积也是有用的。在一优选实施例中，如果液体体积在从最大范围的一预定范围内，当该液体接近沸腾时，到该加热器的功率被减小。这意味着如果该设备是充满的或接近充满的，它将比如果它未被充满的情况更轻地沸腾。这意味着更轻地接近沸腾，并因此有助于阻止当该设备相对地满时沸水通过管口危险溅出。因此，减小了用来提供一安全的上部空间以避免溅出等的需要。由于它意味着对于一给定的液体容量，该设备的大小可以减小，这明显是有益的。这不仅从材料成本的观点来看是经济的，而且它加强了外观和该设备的客户吸引力。
在与沸腾相联系的较高的一般操作温度上的减小功率还将使功率调节装置的负担减小，该装置常常是例如三端双向可控硅开关元件的一固态装置，并限制一般在该设备内经历的周围温度，其具有例如对电子部件的额定值的有益暗示。
实际上，这个概念不依赖于根据之前描述的方法被检测的液体的体积，该体积可以通过诸如一漂浮物的任何合适的装置，或通过测量它的重量被检测。因此，当从再另一方面看时，本发明提供一种操作一电液体加热设备的方法，包括检测该设备中的液体体积是否高于一预定阈值，在该液体被加热到一中间温度的第一加热阶段期间施加一第一功率到该液体，和在该液体被加热到沸腾的一第二加热阶段期间施加一第二较低功率。
本发明还扩展到一电液体加热设备，包括被布置为以这种方式操作该设备的控制装置和所述控制装置本身。
该功率的减小可以用任何方便的方式实现，但最好是按照本发明的第一方面来实现。该第二较低功率可以为固定值并在该阈值体积被超过的任何时候施加。另外，可以使用一滑动减小以便该功率减小的量依赖于，例如成比例于，该临近特定的最大体积。
还已经认识到，通过知道该设备中的液体体积以及还通过监视施加到该加热器的功率状态，可以估计将该液体加热到一给定温度(例如沸腾)所花费的时间。因此，最好是该设备包括估计要达到一预置温度将花费的时间的装置。这个时间最好是显示给该用户，最好是整个该加热过程，即作为一倒数定时器。
被用于估计需要加热时间的体积估计可以在如较早公开的一低功率启动期间执行。可是同样温度升高速率可以在正常启动期间，或最好是在加热的稍后阶段被确定，其有利的是可以避免从初始瞬时影响中产生的错误。实际上，该体积可以通过上面所述的例如重量检测等的任何合适的可替换方法确定。因此将会看到，估计达到一给定温度的时间的概念本身是新颖的和有创造性的，因此当从再另一方面看时，本发明提供一种估计将一液体加热设备中所容纳的已知热容量的液体加热到一预定温度的时间的方法，包括估计该设备中液体的体积，确定将施加到该设备的加热器的功率数量，并根据该热容量、体积和将施加的总能量确定所需要的时间。
本发明还扩展到一液体加热设备，包括被布置为以这种方式操作该设备的控制装置和所述控制装置本身。
该所需时间的估计可以仅进行一次，例如在加热开始的时候。可是最好是，在加热期间更新它。当该用户能够在加热期间修改功率状态，例如选择较早公开的“安静”模式时，这是特别有益的。
根据本发明上述的各方面，从在该设备中的液体的体积估计计算达到一给定温度的时间，在一些优选实施例中，该液体体积的估计是从温度升高的速率计算的。可是已经认识到，通过推断温度升高的速率，可以直接估计达到一给定温度将花费的时间估计。因此从更广的方面，本发明提供一种估计在一液体加热设备中所容纳的液体达到一预定温度的时间的方法，包括加热该液体；测量温度升高的速率，和推断到所述预定温度的所述速率。
本发明还扩展到一液体加热设备，包括被布置为以这种方式操作该设备的控制装置和所述控制装置本身。
仅仅一单一例如初始估计可以被再次进行，但最好是至少当施加到该设备的加热器的功率变化时进行修改的估计。该估计的时间最好是以倒数定时器的形式显示给该用户。
无论哪一个方法被用于达到一给定温度的时间的估计，根据这里公开的另一个发明，该时间估计被用来设定为将功率施加到该加热器的一固定时间。更具体地，本发明包括一种操作一电液体加热设备以将其中所容纳的液体加热到一预定温度的方法，该方法包括估计将该液体加热到所述温度将花费的时间；基于所述的时间估计定义一固定加热时间，并且施加所述固定加热时间的功率，此后中断或减小到该加热器的功率。
尽管这个概念看起来比较地简单，但它与本领域所有之前的教义相反，即如果在一液体加热容器中的加热器将被自动地关闭，这应该通过经由其中的温度和气体的产生测量和传感对该液体所发生的情况被动地取得。然后，当已经达到期望的温度，例如沸腾时，这个被动的监视被用于检测。可是现在建议在加热的一较早阶段监视该液体的一定参数，使用这些预测什么时候将达到该温度，然后根据这个预测实际固定该加热时间。由于它意味着不需要在提升温度的时候给出精确结果的温度传感器，即减小了温度传感器所需要的动态范围，这是有利的。这在一些情况下可以减小费用，例如通过使刻度更容易。
这个概念可以被用在液体正被加热到的任何温度，但当液体被加热到沸腾时最适用。其原因首先是测量沸腾附近的温度的要求增加了传感器的最大必需动态范围，然而更重要的是，通过测量液体温度或通过检测蒸汽，准确检测沸腾一般相对地困难/昂贵。可是，根据上面建议的本发明，完全排除了检测沸腾的需要。
再有，申请人已经认识到本发明的附加益处在于，所估计的煮沸时间可以被有意延长。这在不可避免的测量不精确的情况下，不仅保证了沸腾的实际发生，也能使沸腾持续一预定的时间长度。为了给出期望被消费者察觉的几秒钟滚动沸腾的效果，这可能仅仅是几秒钟的时间，特别是在UK，或者它可能是一个更长一些的时间周期，例如以将水消毒。至少在稍后的情况中，延长的沸腾时间最好是可预置的并最好是以一减小的功率，最好是全功率的5％和15％之间。
本申请还公开了一进一步的发明。
本发明涉及用于电液体加热设备的控制器，具体涉及用于测量正被加热的液体的方法和设备。
随着厚膜加热器和消费者中对于所有家用器具扩展的功能性所增加的喜爱的出现，对于液体加热容器的电子控制器的兴趣在以前由于成本的考虑而被忽视之后在一定程度上重新出现。
电子控制器的问题之一是提供一个成本有效的、适当准确的电子传感器。在现有技术中，为了传感加热器板的温度，间接传感液体温度或保护加热器本身不过热，已经建议使用具有一正温度电阻系数的一附加印制轨道形式的传感器。不幸的是，在实践中已经发现，由于在使用的墨水(ink)中或印制过程本身中的可变性，在这些传感器轨道的电阻中发生了的很大变化。为了克服这点，已经要求每个加热器的不经济的手动刻度。
利用具有足够紧的公差的离散电热调节器以克服这个问题，但是这些相对昂贵。相反地，较便宜的部件趋向于要求以印制轨道的方法做的刻度。
因此，其目的在于提供至少部分地缓和上述缺点的一种装置。
从再一个方面，本发明提供了一种标定被布置为测量一液体加热设备的厚膜加热器的基底的温度的热传感器的刻度的方法，所述方法包括在一第一温度处记录传感器的电阻，加热该设备中的液体到沸腾，记录所述传感器的电阻，并且此后使用所述两个电阻通过内插或外推计算在沸腾以下各温度处的该传感器的温度。
因此将会看到，根据本发明的这个方面，该传感器的电阻在两个分离的温度处被测量，并且结果用于标定该传感器的刻度以在其它温度处给出温度测量。第一温度可以高于第二温度(当容器中的液体沸腾时测量的温度)，例如在再涂一层釉面后，当在已经被加热后，厚膜加热器正在冷却时进行第一电阻测量。这具体可适用于在该传感器被印制到加热器基底处的情况。
该第一温度最好是低于第二温度并且最好大约是室温。这意味着两个参考电阻在该传感器的大约工作范围的各端被测量。
为了标定该传感器的刻度，第一温度当然必须独立地测量。因此，这可以在生产期间方便地执行。例如可以使用热电偶等。
当容器中的液体处于沸腾温度时测量第二温度。这个温度也可以用独立的装置测量，但最好是从容器中的液体实际沸腾的事实来推断。有很多种可以进行测量的方法。例如，可以检测蒸汽的喷射或由操作者执行沸腾的视觉检查。更好的是，使用传感器本身不通过实际的温度、而通过温度变化的速率来检测沸腾，即假设无论传感器的精确刻度如何，当容器中的液体沸腾时，它的电阻随时间变化的速率将趋向于零。这已经被发现出现在实践中。在一个具体的优选实施例中，通过将温度曲线的切线向回外推到大约该加热过程的起始时间以计算温度轴上对应的交点来确定沸腾，而不测量温度本身的变化速率。换句话说，如果温度升高的速率一直是常数，则将升高到目前温度的相当的起始温度被监测。这个值将开始于该加热器的实际初始温度并升高到最终的沸腾温度。例如定义80℃的阈值为沸腾开始的时候。
另外，假设容器被充满到它的最大容量并然后将加热器加电一足够的时间以保证至少这个量的能量已经进入加热该液体，可以通过计算所需进入该液体的能量简单地推断沸腾。
本申请人已经认识到，作为前述的结果，第二刻度步骤可以通过适当地配置液体加热设备本身来执行。虽然没有实现，但这开启了第二刻度步骤在出厂后例如由消费者执行的可能性。由于它最小化了工厂中生产和标定刻度的时间，因此节约了成本，因此这是有利的。再有，它减轻了否则将在发生下述情况下引起的任何问题，即由于可以在液体加热设备的最终组装之后执行精细标定，已经用一具体加热器上的传感器标定的一具体控制器变得分离和不匹配。这些问题很可能引起在该传感器被布置在一分离的容器部分的同时，该控制装置被布置在该设备的一无电线的基座中。
因此，这个特征本身是新颖的和有创造性的，并且从第二方面，本发明提供一种液体加热设备，包括电子控制装置，该电子控制装置包括已经被部分标定的一温度传感器，所述控制装置被布置为将容器中的液体加热到沸腾，当液体沸腾时测量所述传感器的电阻并根据所述测量的电阻标定该传感器的刻度。
在优选实施例中，该设备的控制装置被布置为在消费者第一次使用时执行这个标定步骤。因此，如果从输入能量的数量推断沸腾，消费者可能在第一次使用时被指示将该设备充满到它的最大容量。当然，煮沸全部容量所需的能量数量也将煮沸一较小的数量。
如果该用户在第一次或后续的使用中阻止了沸腾的发生，例如在无电线器具的情况下关闭该设备或将其从它的基座移开，则最好是该设备在下一次操作时再尝试执行该标定步骤。
根据优选方法和通过使用本发明的设备，由用户有效地执行第二标度步骤。因此，该用户必须用未被完全标度的传感器操作该设备至少一次。可是，该传感器将常常具有可以用从在第一温度进行的测量外推它的温度关系式的公称预指定温度关系式。尽管这可能在某种程度上不准确，它将足够准确以保证该设备安全，即在优选实施例中的传感器能够在它的公差范围区别正常操作和干通电/干沸腾。
最好通过在第一温度和沸腾处分别测量的电阻的内插测量沸腾以下的温度。本申请人已经认识到沸腾的温度将不必与它的理论值精确地匹配，例如水是100℃。例如，沸腾发生所处的纬度将影响它的温度。因此，所指示的中间温度不同于实际的物理值。可是由于这些中间温度很可能由用户根据他/她个人的喜好被选择，绝对的温度不是特别的重要。更重要的是在一给定的纬度，一所选择的温度将相对的可重复。
该温度关系式的形式，从两个刻度温度处的电阻得出的常数属性将依赖于所使用的温度传感器的类型。例如如果使用正温度系数(PTC)的电热调节器，该温度关系式将一般地接近如下形式的线性关系式R＝R0+AT这里A是电阻温度的系数。在这种情况下，刻度温度因此被用于建立R0和A的各值。
在负温度系数电热调节器的优选情况下，该关系式一般是如下形式的一指数关系式R＝R0-e-(BT)这里B是与电热调节器的所谓贝塔(bata)值相关的一常数(依赖于被测量的温度R0的精确关系)。
已经发现，尽管可用的实用电热调节器要求标定以确定上述的常数，它们的温度关系式的形式，即分别为线性和指数，也保持足够的准确度。
如前所述，可以使用适当的温度敏感墨水的印制轨道形式的热传感器。可是，现在最好是使用与加热器具有良好热接触的离散电热调节器，最好是一个具有负电阻温度系数的离散电热调节器，因为这些相对于温度电阻具有一更大量级的变化，因此给出更精确的结果。
沸腾刻度步骤可以在例如第一次使用时仅执行一次。可是在优选实施例中，将设备中的液体加热到沸腾并测量传感器的电阻的步骤被重复，最好是在该设备被用于煮沸液体的任何时候。可是，根据这个特征，在沸腾处不再次标定该传感器而将它的电阻值与原始刻度值进行比较。这个过程将显示当容器中的液体在沸点时该传感器的温度的任何增加。这些增加常常是由加热器内的水垢累积(build-up of scale)引起的，其意味着加热器将一般地随着时间的推移趋向于变得更热。很清楚，是否比较标定和测量的电阻或它们是否转换为相应的温度并不重要。
最好为这个差异设置一阈值，以便如果该阈值被超过，该用户可以例如用听得见的或看得见的指示被警告注意该水垢累积，以允许该用户采取补救行动，即将该设备除垢。另外，该设备最好被布置为在这个阈值被超过的情况下以修改的方式操作。该控制不仅仅是给加热器加电。而是最好是它被布置为减小所施加的功率。
这本身是新颖的和有利的，因此当从进一步的方面看时，本发明提供了一种检测在一液体加热设备中的水垢积聚的方法，包括当该容器中的液体沸腾时测量该设备的加热器的温度，比较所述温度与参考温度并且如果所述温度比该参考温度大一预定阈值，减小施加到所述加热器的功率。
本发明还扩展到一液体加热设备，包括被布置为以这种方式操作该设备的电子控制装置和所述控制装置本身。
因此将会看到，根据本发明的这个方面，如果检测到水垢累积，则减小加热器的功率。这是有益的，在优选实施例中，因为它在这些情况下减小了由加热器得到的最大温度，因此避免了由于过热而引起的加热器的故障，并且还减小了该设备的其余部分，例如控制、密封、容器壁等所经历的温度。再有，当发生水垢累积时通过减小加热器的一般运行温度，可以避免诸如最大温度监视器、双金属调节器或加热器本身的自我保护特征的加热器保护机构的烦琐的操作。
可以通过任何可用的方法减小到加热器的功率。但是最好是根据这里公开的本发明的第一方面减小。这是有益的，因为它最小化了加热器经历的瞬时温度，并因此强化了当检测到水垢时通过减小功率所取得的益处。
尽管在考虑到这个事实，即煮沸该设备中的液体所花费的时间逐渐增加并且这可能是应该执行除垢的足够的指示的情况下，可能不必要，但最好是给用户需要除垢的一个听得见的或看得见的指示。
阈值最好小于10℃，最好在5℃和10℃之间。
功率的减小可以是一单一步长改变，但最好是以依赖于，例如成比例于，沸腾的温度超过阈值的数量的较小步长被减小。因此最好设置比例性的常数以便在从阈值的最大差异处完全切断功率。
如上面间接提到的，由于从加热器等的热物质产生的热滞后，由传感器传感的温度可以大于液体本身的温度一些。由于然后所测量的温度的绝对值没有影响，在该设备仅被用来煮沸液体的情况下，上述的差别几乎不重要，但是除非被更正，它将影响将允许用户指定低于将液体加热到的沸腾的一温度的实施例的准确度。它还将影响当前温度的任何显示的准确度。这些将增加除从上面所讨论的较高纬度处较低沸点的影响得出的任何系统误差之外的计算温度中的误差。
在简单的实施例中，可以假设温度滞后为一常数，并因此作为负偏移被施加到由传感器所测量的温度。尽管这是给出相对正确结果的一相对有效的假设，但是申请人已经认识到当达到期望的温度时，通过减小施加到加热器上的功率，所传感的温度更正确地反映了液体的温度，并且已经发现，这比使用固定偏移能给出更正确的结果。
不考虑用于标定传感器的方法，这个概念本身是新颖的和有创造性的，并且当从进一步的方面看时，本发明提供一种使用具有一电子控制装置的一液体加热设备将一液体加热到预定温度的方法，该方法包括施加第一功率到所述设备的加热器，确定该液体的温度接近期望温度的时间，并且此后将所施加的功率减小到一第二较低功率直到达到所述期望的温度。
本发明还扩展到一液体加热设备，包括被布置为以这种方式操作该设备的电子控制装置和所述控制装置本身。
除了允许一期望的温度被精确地取得外，这个特征给出了避免加热器突然断电的可认识到的益处。这一点对在加热的同时趋向于产生大量的噪音的高功率加热器是非常显著的。可是根据本发明，加热将逐渐停止。
功率的减小的可以是单一步长的变化，但是最好是它以一系列较小的步长被减小，这些较小步长依赖于，例如大约成比例于，到期望温度的距离。换句话说，使用反馈环路来控制接近于期望温度时的功率。
最好在确定液体温度接近于期望的温度时施加一偏移，一旦功率已经被减小，就直接监测所测量的温度。
在前面的描述中未指定加热器的类型，最好使用平面加热器，最好是厚膜加热器。由于在热水壶或罐中使用的厚膜加热器已经变得普通，这个加热器可以包括其上涂有一玻璃陶瓷绝缘层的金属基底。另外，可以使用厚膜加热器的其它类型和构造。
本发明的方法和液体加热设备可以使用诸如离散部件或硬线逻辑门的纯硬件装置来实现。另外，本发明至少可以使用部分软件来实现，例如计算机程序。因此，当从进一步的方面看时，本发明提供计算机软件，专门配置为当装入到数据处理装置时执行上述的方法。
再有，将认识到本发明的设备中指定的装置可以简单地包括专门配置为当装入到数据处理装置时执行上述的方法的计算机软件。
本发明还扩展到包括这样的软件的一载体，当被用来操作用于包含一数字微处理器的一电液体加热设备的控制器时，该载体与所述微处理器结合，使得所述液体加热设备执行本发明的方法的各步骤。这个载体可以是物理存储介质，比如ROM芯片、CD ROM、或磁盘(disk)，或可以是诸如电线上的电信号、光信号或来自远程装置的无线电信号。在一优选实施例中，该载体包括一个例如在一微处理器上提供的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。
将进一步认识到，不是本发明的所有步骤需要由计算机软件执行，因此从更广的方面，本发明提供计算机软件，这个软件安装在一载体上，用于执行上述方法的各步骤中的至少一步。类似地，不是在本发明的设备中指定的所有装置都需要包括计算机软件，因此在一般的优选情况中，它是包括计算机软件的这些装置中的至少一个。
现在将使用例子和实施例来描述本发明的特定方面。例子1仅通过示例的方式、参照附图，本例子采用本发明一个方面的实施例的计算机模拟的形式，这些附图是厚膜加热器的模拟的输出图形，其中
图1是表示将施加到加热器的平均功率减小到它的最大功率的50％的已知方法的输入功率曲线的图形；图2是表示对应图1的输入曲线的加热器板对面的输出功率曲线和对应的温度曲线的图形；图3是表示将施加的功率减小到50％的根据本发明的方法的输入功率曲线的图形；图4是表示对应图3的输入的输出功率和温度曲线的图形；图5是表示功率减小到10％的与图3相似的图形；和图6是表示对应于图5的输出的图形。
建立一计算机模型以模拟将各种输入功率状态施加到加热器板底部的加热轨道的液体接触表面的效果。为了模拟的目的，假设厚膜加热器是一个不锈钢平盘，直径100毫米，厚0.5毫米，质量0.0322千克，和特定的热容量为500Jkg-1K-1。
加热轨道的功率密度额定值设置为60Wcm-2。板和液体的初始温度设置为100℃。为简单起见，假设液体的温度保持恒定，并忽略穿过板的厚度的温度梯度。假设液体的对流热传递系数为2Wcm-1K-1。
如图1所示，将60Wcm-2的一秒钟功率脉冲方波系列施加到加热器，以模拟已知液体加热容器操作的方法。各脉冲之间的间隔也为1秒钟，因此给出了50％的占空比。因此这个功率状态的R.M.S.或相当的加热效果为30Wcm-2。图2表示该板的对面即液体接触表面的效果。图线A是以Wcm-2表示的输出功率，图线B是以℃表示的对应温度。可以清楚地看到，输出功率和温度在一秒钟的第一个四分之一期间急剧地升高，每个脉冲在0.5秒钟内大致达到均衡。将会看到，达到和保持的温度大约是130℃，并且全部60Wcm-2在至少半个脉冲被浪费掉了。
图3表示根据本发明的输入功率状态。如图1，这是一个50％占空比的方波脉冲链，幅度为60Wcm-2并且R.M.S.功率为30Wcm-2。可是在这个例子中，脉冲长度仅为对应于单一全部主循环的0.02秒。从图4可以看到，这个明显简单的修改的效果是戏剧性的。脉冲的短持续周期意味着输出功率(以Wcm-2为单位的图线C)和温度(以℃为单位的图线D)永远不会达到如它们在以前的情况中所达到的均衡值。因此与以前情况的60Wcm-2相比最大输出功率达到了35Wcm-2。相似地，与以前情况的130℃相比最大温度仅大约达到115℃。因此，尽管在每种情况中平均加热的效果相同，即30Wcm-2R.M.S.，但在后一情况中，例如牛奶在加热时不会被烧焦，而在前一情况中所经历的60Wcm-2足以将它烧焦。
类似地，减小的最大功率密度大大地减小了加热期间在加热器的表面发生的局部煮沸的倾向，并因此相应减小了产生的噪音。例如，已经发现功率减小到最大3千瓦的20％，即实现超过6分贝的减小，从而甚至在安静房间的背景中也将发射的声音减小到听不见的级别。
图5表示类似于图3但是带有10％占空比，即6Wcm-2R.M.S.的输入功率状态。其效果表示在图6中。将会看到，最大输出功率和温度甚至进一步分别减小到大约12Wcm-2和107℃。
可是相反，如果图1的功率输入被修改为给出相同的R.M.S.功率，即通过将间隔增加到9秒钟，由于在一秒钟脉冲期间达到的均衡，最大输出功率和温度将不受影响。
本领域的技术人员将理解上面所描述的例子在本发明的范围内可以在许多方面进行修改，并且它们仅提供了例证说明。具体地说，这些模拟被理想化但也是足够现实的以证明本发明超过现有技术的典型特征。
选择100℃的数字作为初始板温度仅仅是为了保证该温度可以用与功率输出相同的数字比例清楚地绘出。一个更现实的值可能是80℃，在这种情况下，在现有技术的方法中该板的温度会超过100℃，因此引起局部煮沸，但是在根据本发明的方法中不会发生。
再有，因为其它的原因，诸如与电磁干扰的产生和对家用电力供应的过量影响有关的要求的潜在问题，在这些例子中使用的实际值不一定是实践中使用的理想值。因此，在保留施加足够短的功率以不建立均衡的概念的同时，本领域的熟练技术人员可能需要适当修改所使用的值。例子2根据公知技术制造一厚膜电加热器并且将正温度系数(PTC)电热调节器(thermistor)结合到该加热器以便处在良好的热接触中。整个总成被允许冷却到室温。在使用一热电偶精确地测量它正经历的温度T1的同时，使用一高精度电阻测量装置(其本身是公知的)测量电热调节器的电阻R1。然后，加热器和传感器总成被装配到水壶中并被卖给一消费者。
在第一次操作时，该水壶的控制装置被布置为进入标定模式。用户被指示将水壶装满水，打开电源并让它煮沸。然后，该控制装置施加功率到该元件直到通过测量电热调节器的电阻感应到沸腾。然后，使用该电阻变化的速率来确定容器中的水沸腾的时间。
一旦水沸腾，就将加热器断电。允许建立热均衡的另2秒钟之后，由控制装置测量电热调节器的电阻R2。假设温度T2为100℃。然后如下计算电阻温度系数CTR＝(R2-R1)/(T2-T1)现在，水壶可以正常操作以在加热和/或将加热到一期望的温度期间显示温度。当前的温度由TX＝CTR×(RX-R1)+T1给出，这里RX是当前电热调节器的电阻。
当该水壶再次被设置为煮沸水时，测量沸腾时的温度并与T2即100℃进行比较。首先该温度应该接近100℃，但当有水垢沉积时，沸腾时的温度会升高。如果由电热调节器感应的沸腾温度超过105℃，在一用户显示器上给出一警告消息，并且给出指示用户该水壶应该被除垢的警告音。再有，根据超过105℃的值的数量，将施加到加热器上的功率从它的最大值减小。如果加热器的温度超过200℃，将功率减小为零。
本领域的熟练技术人员将会认识到仅为了例证说明的目的给出上述例子，并且许多变化在本发明的范围内是可能。例如，两个标定步骤可以在工厂中执行。
再有，为了简单的目的，在例子中使用了具有一线性温度关系式的PTC电热调节器。如果代之以使用带有指数温度关系式的NTC电热调节器，将需要相应地修改代数操作。
权利要求
1.一种将一厚膜加热器的功率输出减小到它的最大功率的一预定部分的方法，所述加热器具有在至少一个面上电绝缘的一平面基底和施加到所述绝缘面上的一电阻加热轨道，所述方法包括将一系列规则周期的电能量脉冲施加到所述加热器，其中这些脉冲足够短以至于与该加热轨道相对的加热器板的表面达不到一均衡温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述脉冲的持续期小于500毫秒，更好的是小于200毫秒，更好的是小于100毫秒。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中该脉冲持续期是A.C.循环的整数倍。
4.一种操作一液体加热设备的厚膜电加热器的方法，包括根据权利要求1、2或3所述的方法施加一减小的功率到该加热器；确定该加热器的温度升高的速率是高于还是低于一预定的阈值；并且如果该温度升高的速率低于该阈值速率，增加所施加的功率，但是如果该所检测的温度升高的速率高于该阈值速率，则中断到该加热器的功率供应。
5.一种操作一液体加热设备的厚膜加热器的方法，包括施加一减小的功率到该加热器；确定该加热器的温度升高的速率是高于还是低于一预定的阈值；并且如果该温度升高的速率低于该阈值速率，增加所施加的功率，但是如果该所检测的温度升高的速率高于该阈值速率，则中断到该加热器的功率供应。
6.如权利要求4或5所述的方法，包括测量该温度升高一预定量所占用的时间。
7.如权利要求4、5或6所述的方法，包括重复所述如下步骤确定该温度升高的速率是高于还是低于一阈值；并且仅仅如果该阈值未超过所述确定的两者或全部，增加所施加的功率，如果所述阈值超过了所述确定的任何一个，则中断所述功率。
8.如权利要求4到7任一所述的方法，包括使所述确定连续。
9.一种操作一电液体加热容器的方法，包括将一减小的功率施加到该容器的加热器一预定周期，此后施加一较高功率并确定该加热器的温度升高的速率是否高于一预定的阈值；并且如果该温度升高的速率高于该阈值速率，则中断到该加热器的功率，如果它低于该阈值速率，继续加热该液体。
10.如权利要求4到9任一所述的方法，包括增加所述功率到最大功率。
11.如权利要求4到10任一所述的方法，包括使用所述温度升高的速率以确定所述液体加热容器中的液体的体积。
12.一种估计正在通过一电液体加热设备加热的已知热容量的液体的体积的方法，所述方法包括施加功率到所述设备的加热器，在一给定时间上测量所述液体的温度的升高，并根据该时间、热容量和在所述时间期间提供给该加热器的能量总量计算所述体积。
13.如权利要求12所述的方法，包括通过该加热器测量所述液体的温度。
14.如权利要求11、12或13所述的方法，包括如果所检测的体积高于一预定级别，减小施加到该加热器的功率。
15.如权利要求11到14任一所述的方法，包括当容器中的液体接近沸腾时，减小施加到该加热器的功率。
16.一种操作一电液体加热设备的方法，包括检测该设备中的液体体积是否高于一预定阈值，在该液体被加热到一中间温度的第一加热阶段期间施加一第一功率到该液体，和在该液体被加热到沸腾的第二加热阶段期间施加一第二较低功率。
17.如权利要求16所述的方法，包括使用权利要求1、2或3所述的方法减小该加热器的功率。
18.如权利要求4到17任一所述的方法，包括估计容器中的液体达到一预置温度所占用的时间。
19.一种估计将一液体加热设备中所容纳的已知热容量的液体加热到一预定温度的时间的方法，包括估计该设备中液体的体积，确定将施加到该设备的加热器的功率数量，并根据该热容量、体积和将施加的总能量确定所需要的时间。
20.如权利要求18或19所述的方法，包括在加热期间更新所述估计。
21.如权利要求18、19或20所述的方法，包括使用该时间估计以设置将功率施加到该加热器的一固定时间。
22.一种操作一电液体加热设备以将其中所容纳的液体加热到一预定温度的方法，包括估计将该液体加热到所述温度将花费的时间；基于所述的时间估计定义一固定加热时间，并且将功率施加所述固定加热时间，此后中断或减小到该加热器的功率。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述预定的温度对应于该容器中的液体的沸腾。
24.一种加热一液体的方法，包括向一液体加热容器提供如 1、2或3所述的一厚膜加热器，并以这样的功率操作所述加热器，即充分地加热该容器中的液体而不产生任何可辨别的噪音。
25.如权利要求24所述的方法，包括施加一预定功率曲线，该功率曲线被确定以便在最小化噪音的产生的同时，在给定点最大化该功率。
26.一种标定被布置为测量一液体加热设备的厚膜加热器的基底的温度的热传感器的刻度的方法，所述方法包括在一第一温度处记录传感器的电阻，加热该设备中的液体到沸腾，记录所述传感器的电阻，并且此后使用所述两个电阻通过内插或外推计算在沸腾以下各温度处的该传感器的温度。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述第一温度低于该第二温度。
28.如权利要求26或27所述的方法，包括使用该传感器的温度变化速率检测沸腾。
29.一种本身被布置为实施权利要求26、27或28的方法的液体加热设备。
30.一种液体加热设备，包括电子控制装置，该电子控制装置包括已经被部分标定的一温度传感器，所述控制装置被布置为将容器中的液体加热到沸腾，当液体沸腾时测量所述传感器的电阻，并根据所述测量的电阻标定该传感器的刻度。
31.如权利要求29或30所述的液体加热设备，其中一或该控制装置被布置为在消费者第一次使用该设备时执行该标定步骤。
32.如权利要求26到31任一所述的方法和设备，其中所述传感器包括具有负电阻温度系数的一电热调节器。
33.如权利要求26、27或28所述的方法，包括重复步骤在沸腾处测量所述传感器的电阻并与原始传感器的测量值进行比较，以便确定在两者之间是否有差异，该差异指示水垢已经积聚在该加热器上。
34.如权利要求33所述的方法，包括如果有这个差异，减小施加到该加热器的功率。
35.一种检测在一液体加热设备中的水垢积聚的方法，包括当该容器中的液体沸腾时测量该设备的加热器的温度，比较所述温度与参考温度并且如果所述温度比该参考温度大一预定阈值，减小施加到所述加热器的功率。
36.如权利要求34或35所述的方法，包括根据权利要求1、2或3所述的方法减小到该加热器的功率。
37.如权利要求34、35或36所述的方法，包括给用户需要除垢的一个独立的听得见的或看得见的指示。
38.一种使用具有一电子控制装置的一液体加热设备将一液体加热到预定温度的方法，包括施加第一功率到所述设备的加热器，确定该液体的温度接近期望温度的时间，并且此后将所施加的功率减小到一第二较低功率直到达到所述期望的温度。
39.一种被配置为实施如权利要求21到28或32到38任一所述的方法的液体加热设备。
40.一种用于如权利要求39所述的一液体加热设备的一电子控制器。
41.被专门配置为实施如权利要求21到28或32到38任一所述的方法的计算机软件。
全文摘要
公开了一种将一厚膜加热器的功率输出减小到它的最大功率的一预定部分的方法。该方法包括:将一系列电能量的规则周期脉冲施加到该加热器,其中这些脉冲足够短以至与该加热轨道相反的加热器板的表面不达到一均衡温度。还公开了一种通过在加热开始处施加一较低功率并确定温度升高的阈值速率是否被超过来检测干通电的方法。在标定一温度传感器的方法中,测量在沸腾和另一个温度(例如,后者在生产期间测量)处的电阻并使用内插和外推。还公开了估计体积、当接近一给定温度时减小功率和检测水垢积聚的方法。
文档编号H05B1/02GK1364061SQ01800518
公开日2002年8月14日 申请日期2001年1月30日 优先权日2000年2月1日
发明者文森特·J·加维, 保罗·科斯格罗夫 申请人:施特里克斯有限公司