专利名称：关于电加热元件的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及到关于电加热元件的改进，特别涉及到厚膜式电加热元件，它包括在一个衬底上形成的电阻加热轨迹或层，例如是在一个不锈钢衬底上形成的一种印刷油墨轨迹，同时在衬底和轨迹之间有一个绝缘层，最好是还在轨迹上面覆盖一个绝缘层。本发明具体涉及到用于烧水容器的厚膜式加热元件，例如是家用的水壶和热水壶，但是还有广泛的用途。
在电加热元件过热时切断元件电源的控制技术是公知的。进一步研究还会发现一个具体问题，如果水壶和热水壶中的厚膜加热元件在倾斜状态下工作，例如当用具被放在一个倾斜的排水板上时，如果加热元件轨迹有任何部分暴露在用具中的水面以上，元件就会出现局部过热，导致加热元件损坏。因为厚膜加热元件的热质量很低，并且横向热传导能力有限，加热元件轨迹暴露在水面以上的任何部分都会因快速升温而导致元件损坏。例如，当水壶略微倾斜时，如果拿掉水壶盖让水蒸发，就会发生这种情况。
已经有人提出了克服这一问题的办法。例如DE-A-1954770.5(Stiebel Eltron)就提出了防止加热元件倾斜的方法，但是这种简单的方案只能对一个轴向上有限的倾斜提供保护。按照GB-A-2316847的方案是将加热元件衬底的一些部分升高，让升高部分在元件被烧干之前首先受到影响，按照EP-A-0715483的方案是围绕着加热元件设置许多PTCR(正温度系数电阻)或是其他形式的传感器，不管元件怎样倾斜，至少有一个传感器会响应元件过热状态。所有这些方案都会给制造带来困难和/或增加成本，特别是加热元件控制系统。
进一步的困难是关于如何为热质量很低的厚膜加热元件提供过热保护，在通电的加热元件缺少冷却水的烧干状态下，加热元件会快速升温。为了对此提供保护，需要一种热敏快速响应的断路器。为了实现快速响应，在为加热元件过热保护控制的热激励器提供热量的轨迹中需要大功率密度，这样会带来加热元件轨迹工作温度升高的问题，因为绝缘层和加热元件衬底是隔热的。这就意味着需要为热激励器设定很高的工作温度，这样带来的困难至少是成本增加，以及能够在所需温度上工作的一稳定的，快速工作的双金属器件之制造及调整的问题。对于矿物隔离，金属屏蔽的电阻加热型浸没式加热元件，或者是下面具有牢牢固定的金属屏蔽加热元件的一种装在板下的加热元件的过热保护来说，典型的温度设定值是135±15℃，而厚膜加热元件的等效温度设定值大约是180±5℃，由于双金属件的设定值过高造成的响应迟缓问题会造成更加严格的公差。
从上述需要解决的具体问题可以看出，如果在使用中要为在倾斜面上工作时易受影响的厚膜式加热元件提供有效的加热元件过热保护，加热元件上的某一不确定部分会比其他部分提前发生过热。
本发明的目的是克服或者至少是基本上缓解上述问题。
按照本发明的厚膜加热元件包括一个主加热器部分，以及在电路上与其并联连接的具有NTCR(负温度系数电阻)特性的多个并联连接的轨迹部分，还串联着一个具有PTCR特性的轨迹部分，这多个NTCR轨迹部分被分布在主加热器部分的周围。
当这种具有元件过热保护装置的加热元件被用来响应PTCR轨迹部分的温度并且响应一个检测的过热温度状态而动作时，为了切断加热元件所有各部分的电源，倾斜的加热元件的动作是这样的，如果加热元件烧干会导致各个NTCR轨迹部分的温度升高，就会首先暴露出一个NTCR轨迹部分。这随之又会降低各个NTCR轨迹部分的电阻，进而流经串联连接的PTCR轨迹部分的电流就会增大。在总电路电阻的基础上，流经NTCR轨迹部分的增大的电流会将其进一步加热并使其电阻进一步降低，从而增大其影响。PTCR轨迹部分的温度会上升并使其电阻增大，从而使其两端的电源电压成比例上升。这样会导致PTCR轨迹部分的功率消耗不成比例地增大，因此，即使它仍然处在水平面之下，其温度也会上升。由加热元件过热保护装置来检测PTCR轨迹部分温度的上升，在主加热器部分暴露到水面以上之前就切断加热元件，从而防止任何损伤。
可以这样来配置PTCR轨迹部分，让NTCR轨迹部分分布在加热元件的主加热器部分周围。按照这种配置方式就可以使PTCR轨迹部分在加热元件烧干时为首先暴露的部位。这样就能通过PTCR作用来促进PTCR轨迹部分的温度上升，从而使加热元件过热保护装置再次动作。
在附带的权利要求书中说明了本发明的上述和其他特征，而下文中参照附图对最佳实施例的详细描述有助于更好地理解。
图1是一个示意图，表示本发明一个实施例的轨迹布置；以及图2是用来表示图1所示的轨迹布置的一个示意性电路图。
首先参见图1，图中表示了本发明实施例的厚膜加热元件的轨迹布置平面图。值得注意的是，轨迹的尺寸和比例都只是示意性的而并非实际尺寸，本领域中熟悉厚膜加热元件设计的普通技术人员都能将图1中示意性的布置变换成实用的形式。
图1的厚膜加热元件1例如可以包括一个不锈钢盘衬底，在其主体表面的一侧或两侧具有玻璃的电绝缘层。然后采用淀积之后烧结的导电油墨浆通过丝网印刷工艺在绝缘层上形成所述轨迹图形。然后可以在轨迹图形顶上覆盖由玻璃制的电绝缘层作为保护层。
如图所示，轨迹图形包括占据加热元件1的主要中心部分的主加热器部分2和与其并联连接的四个NTCR轨迹段3同时利用优良导电材料例如银制成的互连轨迹4将NTCR轨迹段相互并联连接，同样利用优良导电材料(例如银)的轨迹将一个PTCR轨迹段5与四个NTCR轨迹段4串联连接。采用优良导电材料例如银制成的第一和第二端子部分6和7分别连接到主电源的火线和中线，中线端子7连接到主加热元件轨迹2的一端，而火线端子6连接到作为热断路器件(未示出)的一个端子之连接点的另一个端子部分8，断路器件的另一个端子在使用中被连接到加热元件轨迹的又一个端子部分9，端子部分9被连接到主加热元件轨迹2的另一端。从图中可以看出，端子部分7和9还连接到NTCR轨迹部分3和串联连接的PTCR轨迹段5的阵列上。
图2表示按照图1所示的加热元件布局的示意性电路图。
从图1中可以看出，四个NTCR轨迹部分4和PTCR轨迹部分5围住了主轨迹部分2。如果加热元件在倾斜和烧干状态下工作，例如是因为盖子脱离了相应的设备，就会首先暴露出一个传感器轨迹，具体地说就是NTCR轨迹4和PTCR轨迹5，其温度就会上升。如果是一个NTCR轨迹部分4，其电阻就会下降，使流过PTCR轨迹部分5的电流增大。在电路总电阻的基础上，流经NTCR轨迹部分的增大的电流会将其进一步加热并且降低其电阻，从而放大这种效果。PTCR轨迹5的温度会上升，其电阻增大，进一步增大出现在其两端的电源电压的比例。这样会造成在这一轨迹中的功率消耗不成比例地增加，即使它仍然处在水面以下，其温度也会上升。热断路器件会检测到这一温升，其将在任何主加热轨迹2暴露到水面上之前就切断这一元件，从而避免任何损伤。如果首先暴露的轨迹部分是PTCR轨迹部分5，PTCR效应就会促使其温度上升，从而触发热断路器件。如果有局部的任何一、两个传感器轨迹由于加热元件在任意轴线上的倾斜而暴露到水面以上，用单个热断路器件都能检测到。
在本发明的这一实施例中使用了和单个PTCR轨迹部分串联连接的四个并联的NTCR轨迹部分。假设在所有五个传感器轨迹中产生的功率是相同的，并且功率密度是每平方厘米10瓦左右，一个典型元件就会达到120℃的工作温度。作为一种典型的合适材料，假设是采用0.006/℃的NTCR和PTCR，这就意味着PTCR轨迹的电阻应该是每个NTCR轨迹之电阻的1/16。按照图中所示的布局，在120℃的工作温度下，传感器轨迹各自的功率输出是28瓦。如果由于暴露出一个NTCR轨迹4而使其温度上升100℃，其电阻就会下降至40％，而并联的NTCR轨迹的总电阻就会下降到其120℃值的73％。这样会使PTCR轨迹部分的功率随着电流增大和PTCR轨迹的温升而增大100％以上。PTCR轨迹的温升大致与功率的增大成比例，因此，即使这部分元件仍然浸在水中，其温度预期也会上升到220℃左右。
通过这种简单的分析就可以看出，本发明不仅能使加热元件在倾斜状态下安全工作，还能够使用双金属传感器，因为PTCR轨迹部分5的低工作温度允许使用规定工作温度很低的双金属元件，而故障状态下很大的温升意味着能够采用大范围的叶片(blade)公差。
图中的轨迹布局仅仅是一种可能的构造。可以将不同数量的并联的NTCR轨迹部分或者是仅仅一个和PTCR部分串联使用。并联的NTCR轨迹部分的数量越少，电阻的组合作用就越大，而对PTCR轨迹部分的影响也就越大。然而，减少NTCR轨迹部分的数量意味着每段轨迹需要覆盖较大的弧度角，造成其对倾斜角度不够敏感，因为只有一部分弧线是暴露的。五个NTCR轨迹部分(按照上述例子可以使电阻下降到77％)对于改变电阻的作用最大，而三个NTCR轨迹部分(下降到67％)对于适当的倾斜灵敏度是一种不错的选择。当然也可以使用各自具有自己的热断路器件的许多NTCR和PTCR电路，以便为直径很大的加热元件提供保护，本发明可以适合任意外形的加热元件。在实施例中，和NTCR轨迹部分对齐的PTCR轨迹部分被设在元件的外围，其实PTCR轨迹部分还可以装在加热元件上的任何位置，例如是和本发明人的英国专利申请9808484.1号中所述的那种X4保护系统对齐。
本发明的倾斜保护系统可以和其他元件控制系统相互组合，例如是本发明人的英国专利申请9816645.7号中的蒸汽稀少控制系统，或者是任何简单的元件保护控制，例如GB-A-2283156中所述的X2控制。PTCR轨迹可以用来操作X4保护系统中的一个双金属元件，而其他双金属元件往往可以由主加热器轨迹来操作。这样能够减少对昂贵和精密的双金属元件的需求。或者是使用两个NTCR/PTCR电路，每个PTCR轨迹控制X4保护系统中的一个双金属元件。这种布局的局限性在于元件的布局对实际的形状和电路有限制，因为这样的电路很复杂，另外，为了缩小元件面积和降低成本还需要让尽量多的元件获得均匀的高功率密度。
本发明的一特征在于，它可形成一个不稳定的电路，其中，电路中的NTCR轨迹造成检测电路总电阻随着电流增大而下降，导致发热的剧变，如果不加以控制，就造成传感器轨迹损坏。这种不稳定性可以被有利地用来加快系统对故障状态的响应，并且使PTCR轨迹的温度即使在低功率密度或低初始温度下也能更快地上升。在PTCR轨迹和/或其电阻的温度系数远远低于NTCR网络的情况下，就能够满足这种条件。这虽然是一个很简单的例子，它还可以应用于空气动力学不稳定的战斗机设计原理，使其对控制作出更加迅速的反应。这与我们在英国专利申请9816645.7号中对改善蒸汽稀少控制系统的稳定性所提出的建议是相反的，在这种系统中，NTCR轨迹的作用是通过很大的镇流PTC电阻来控制的。在后一种情况下，通过电压补偿的作用就可以消除任何不稳定性。
本发明进一步的变化是在热断路器件动作时仅仅切断加热元件的主要部分，而留下传感器电路。由此产生的热量会阻止断路器件恢复，可以利用电压维持的热断路器件手工恢复。为此就要求传感器电路不能受热失控，但是如上所述要具有足够低的温度稳定状态。
本发明是参照着具体实施例和可能的变更来描述的，应该认识到，在不脱离权利要求书所限定的本发明范围的条件下，对上述实施例的各个方面都可以进行修改和变更。
权利要求
1.一种厚膜加热元件包括一个主加热器部分，以及在电路上与其并联连接的具有NTCR(负温度系数电阻)特性的多个并联连接的轨迹部分，还串联着一个具有PTCR(正温度系数电阻)特性的轨迹部分，这多个NTCR轨迹部分被分布在主加热器部分的周围。
2.按照权利要求1的厚膜加热元件，其特征是至少设有三个上述NTCR轨迹部分。
3.按照权利要求2的厚膜加热元件，其特征是设有四或五个上述NTCR轨迹部分。
4.按照以上任何一项权利要求的厚膜加热元件，其特征是PTCR轨迹部分和NTCR轨迹部分一起分布在主加热器部分的周围。
5.按照以上任何一项权利要求的厚膜加热元件，其特征是包括能够使一个温度敏感控制器件操作连接到加热元件上的端子部分，使其响应于上述NTCR轨迹部分的温度而用于至少切断上述主加热器轨迹部分的电源。
6.按照以上任何一项权利要求的厚膜加热元件，其特征是包括一个例如用不锈钢制成的衬底，在其一个主要表面上形成例如用玻璃制成的一个电绝缘层，并且具有在上述电绝缘层上面形成的轨迹图形，在轨迹图形上面还覆盖着一个例如用玻璃制成的电绝缘层。
7.按照以上任何一项权利要求的厚膜加热元件，其特征是设有多个加热器轨迹部分，各自具有一个与其相关连的检测电路，在电路中包括上述的多个NTCR轨迹部分和一个串联连接的上述PTCR轨迹部分。
8.按照以上任何一项权利要求的厚膜加热元件，其特征是还包括用来响应每个上述NTCR轨迹部分之温度的一个热敏控制器件，用来至少控制与加热器轨迹部分有关的电源。
9.按照权利要求8的厚膜加热元件，其特征是上述热敏控制器件具有用来响应PTCR轨迹部分之温度的第一传感器和用来响应各个加热器轨迹部分之温度的第二传感器。
10.按照权利要求7或8的厚膜加热元件，其特征是上述热敏控制器件具有用来响应与第一主加热器轨迹部分有关的第一PTCR轨迹部分之温度的第一传感器和用来响应与第二加热器轨迹部分有关的的第二PTCR轨迹部分之温度的第二传感器。
11.一种电动热水器，其特征是包括以上任何一项权利要求的厚膜加热元件。
12.按照权利要求1到10之一的厚膜加热元件或是包括这种厚膜加热元件的电力热水器，其特征是不采用多个并联连接的NTCR轨迹部分，而是仅有一个NTCR轨迹部分并和PTCR轨迹部分串联连接。
全文摘要
厚膜加热元件会造成一些问题,如果将采用厚膜加热元件的水加热容器放在一个斜面上使用,当容器被烧干时,加热元件的一个升高部分就会因首先暴露而过热并自毁。为了对此提供保护,本发明提出将加热元件轨迹划分成并联连接的主加热器和传感器部分,围绕主加热器部分的传感器部分包括具有NTCR(负温度系数电阻)特性的多个并联连接的轨迹部分,还串连着一个具有PTCR(正温度系数电阻)特性的轨迹部分。借助于这种构造,如果有一个NTCR轨迹部分因开始烧干而使其温度上升,其电阻就会下降,使更大的电流流过PTCR轨迹部分造成其温度上升。采用双金属热响应控制原理来检测PTCR轨迹部分的温度,并且在过热时至少切断主加热器部分,利用双金属控制原理可以对加热器的动作实现有效的控制。
文档编号H05B1/02GK1344482SQ9981206
公开日2002年4月10日 申请日期1999年8月12日 优先权日1998年8月12日
发明者R·A·奥内尔 申请人:奥特控制有限公司