CN102160456A - 加热元件和用于操作这种加热元件的方法 - Google Patents

Abstract

加热元件的温度通常被调节以防止所述加热元件的过度加热的危险情况。本发明涉及一种加热元件。本发明还涉及一种包括这种加热元件的电气设备。本发明还涉及一种用于操作加热元件，尤其是操作根据本发明的加热元件的方法。

Description

加热元件和用于操作这种加热元件的方法

技术领域

本发明涉及一种加热元件。本发明还涉及包括这种加热元件的电气设备。本发明还涉及一种用于操作加热元件尤其是根据本发明的加热元件的方法。

背景技术

通常调节加热元件的温度以防止所述加热元件的过度加热的危险情况。为此，公知的加热元件包括加热道和连接到所述加热道的模拟传感器和电子调节器的组件，其中，模拟传感器可以由例如热电偶或热敏电阻(NTC或PTC电阻)形成。公知的加热元件具有几个缺陷。公知的加热元件的第一缺陷是加热元件的构成相对复杂，其中尤其在加热元件包括多个加热区的情况下配线的量相当大。公知的加热元件的进一步缺陷是加热元件仅仅适于测量加热道本身的温度，其中直接包围加热元件的通常对热更关键的部件的温度被忽视。这不仅形成对公知的安全措施的重要限制，其中不能准确地监测周边部件和/或介质的过度加热的危险，而且此外使得将要通过加热元件执行的加热过程的有效和最佳调节变得复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的温度调节加热元件。

本发明的目的可以通过提供根据前述的加热元件来实现，所述加热元件包括：至少一个导电加热道，所述至少一个导电加热道由具有温变电阻的材料制成；至少一个感测元件，所述至少一个感测元件连接到所述加热道，用于测量所述加热道的电阻；和控制单元，所述控制单元被构造成允许感测元件至少在加热道的切断状态下测量加热道的电阻。通过至少在加热道的切断状态下监测加热道的温变电阻，可以获得加热元件直接环境的相对可靠的实际温度指示。在加热道的(临时)切断状态下，加热元件通常将会冷却下来，并且适应直接环境的温度，所述直接环境的温度大致由将被根据本发明的加热元件加热的固体、液体或气体量的温度确定。通过测量临时非操作加热道的电阻，可以获得在加热元件周围的周边部件和/或介质的实际温度指示。根据该环境温度，可以控制加热元件，使得可以防止加热元件和加热元件周围的部件的过度加热的情况。此外，依此方式，可以以更加精确的方式控制加热元件的性能，因此，可以优化根据本发明的加热元件的加热过程。例如，在加热元件装入烧烤盘中用于加热烧烤盘的烹饪板的情况下，加热元件的加热道的切断将产生加热道与(已经被加热的)烹饪板之间的温度的均化。通过测量在该均化状态(切断状态)下的加热道的实际电阻，可以确定烹饪板的实际温度，据此可以调整加热元件的控制。因此可以防止烹饪板的过度加热，并且可以确保烹饪板的温度的最优控制，并由此可以确保烹饪过程的最优控制。根据本发明的加热元件的进一步优点在于加热道本身用作用于确定加热道的温度的热敏电阻，由于此，可提供相对简单并且有效的结构。因此，不需要应用另外的热敏电阻，因此不需要应用另外的配线来确定加热道的温度。由于根据本发明的加热元件的简单结构，加热元件的***格将通常小于公知的温度调节加热元件的***格。

优选地，控制单元进一步被构造成允许感测元件在加热道的接通状态下测量所述加热道的电阻。这允许感测元件在加热道的接通和切断状态下连续测量加热道的电阻。测量加热道的电阻的优点是在操作期间监测加热道的温度。由于该安全措施，可以预期并由此防止对加热元件的过度加热的情况。应该清楚的是在接通状态和切断状态下测量加热道的电阻导致根据本发明的加热元件的双重功能：在加热道的切断状态下测量加热道的电阻有利地用于检测加热元件的直接环境的温度，而在加热道的接通状态下测量加热道的电阻有利地用于检测加热道的温度，并由此检测元件本身的温度，从而防止过度加热的危险情况。可以想象的是控制单元被构造成在加热道的切断阶段接通和切断感测元件。依此方式，当元件冷却时可获得多个温度样品。在中断期间的加热元件温度衰减函数的分析使得能够估计具体的环境特征，例如，被加热的固体或液体的量，以及将所述液体或固体量加热到选定温度所需的时间。

控制单元通常不仅仅被构造成允许感测元件测量加热道的电阻，而且还优选地适于主动切换加热道。控制单元优选地被构造成交替地接通和切断加热道。为此，控制单元优选地包括用于切换加热道的至少一个定时器。更优选地，控制单元适于在已经切断加热道之后的一段时间接通加热道，其中所述一段时间在1秒与10秒之间。该后一时间通常足以允许加热道冷却到环境温度并得到加热元件的环境温度的可靠和实际的确定。另一方面，有意保持该段时间较短，优选地，保持该段时间尽可能地短，从而保持由加热元件执行的加热过程的中断或干扰尽可能地小。切断状态的最佳持续时间通常取决于加热元件的特定应用、技术设计和尺寸。在该上下文中，注意到加热道的控制可以取决于最后一次测量的电阻。这提供了一种自动调节加热元件，加热过程可以通过所述自动调节加热元件被优化，并且可以最小化危险情况的风险。

由感测元件检测时的加热道的电阻将被转换成温度值。可以遥控地例如通过连接到根据本发明的加热元件的计算机来进行这种转换。然而，通常更优选的是控制单元适于将加热道的测量电阻转换成加热道的温度值。假定加热道的电阻的温度系数(TCR)是已知的，根据测量电阻，加热道的实际温度可以通过以下公式来计算：

$T_{\mathrm{end}}=T_{\mathrm{begin}}+\frac{R_{\mathrm{end}}-R_{\mathrm{begin}}}{R_{\mathrm{begin}}\·\mathrm{TCR}}$ (公式1)

其中：

-T_end是加热道的实际的升高的温度；

-T_begin是加热道的初始温度(通常为室温)；

-R_end是在升高的温度时加热道的测量电阻；

-R_begin是在加热道的初始温度时加热道的初始电阻；以及

-TCR是电阻的温度系数。

通常有利的是在第一次使用时对控制单元进行校准，并且更优选地周期性校准控制单元以确保测量电阻到温度值的精确转换。周期性地(重新)校准控制单元通常是有利的，这是因为在使用中加热道的电阻会漂移并由此使得TCR会漂移。可以以各种方式执行校准，其中一种方式通过在加热道的至少一个预定温度下测量加热道的电阻而构成，例如，将加热元件放置在诸如调节炉的温度调节空间中。

在优选的实施例中，加热元件包括用于加热的导热基板。导热基板通常与将被加热的介质(气体、液体、和/或固体)接触。导热基板可以由金属和陶瓷制成。在基板导电的情况下，则加热道优选地定位在与所述基板隔开一段距离处，以防止在加热元件内的短路。加热道与将被加热的基板之间的空间可被空气间隙填充。然而，优选地，加热元件还包括布置在导热基板上的至少一个第一介电层，其中至少一个导电加热道布置在所述第一介电层上。加热元件的后面这种基本结构又被称作为厚膜元件。通常，基板由不锈钢或陶瓷板形成，第一介电层和电阻膏依次涂覆在所述不锈钢或陶瓷板上。通常通过丝网印刷涂覆各个层，其中每一层被干燥，然后被烧制。厚膜元件比另一种传统的(鞘式)加热元件更优选，这是因为厚膜具有相对较低的(热)质量、较小的热储量、快速响应，并且能够将热量均匀地传播和发送给被加热的介质。以下是厚膜加热元件的不同的优选实施例。

在优选的实施例中，加热元件还包括：至少一个导电传感器道，所述至少一个导电传感器道与加热道隔开一段距离布置在第一介电层上；和至少一个第二介电层，所述至少一个第二介电层布置在第一介电层上，其中第二介电层连接到加热道的至少一部分和传感器道的至少一部分。优选地，传感器道在两个介电层之间被封闭。更优选地，在几乎相同的温度下，第一介电层的电阻比第二介电层的电阻高。在加热元件的温度超过预定临界值的情况下，泄漏电流将从加热道经由第二介电层流动到传感器道。通过感测这种泄漏电流，例如通过将传感器道连接到电流表或电压表，可以以相对灵敏并且可靠的方式检测加热元件的过度加热并因此检测干操作的情况。加热道可以定位在第一介电层与第二介电层之间，从而使得加热道相对于传感器道大约平行布置。或者，至少一个加热道位于远离第一介电层的第二介电层的一侧，在传感器道例如由传感器网格形成的情况下，这是有利的。在国际申请WO2006/083162和非公开国际申请PCT/NL2008/050360中更加详细地公开了优选的实施例，所述两个申请通过引用在此全文并入并用于所有目的。

在另一个优选的实施例中，加热元件还包括遮盖至少一个加热道部分的热保护装置，所述热保护装置适于使遮盖的所述至少一个加热道部分在加热道的预定的上升的温度下产生短路，从而增加被遮盖的所述至少一个加热道部分的温度，使得被遮盖的所述至少一个加热道部分被至少部分地破坏，从而使所述加热道不可逆地被中断。由于这种短路，热保护装置并且由此遮盖的加热道部分将达到高温，使得被遮盖的加热道部分熔化和/或蒸发并因此被破坏。优选地，控制单元还连接到加热元件以通过在预定临界温度下预防性地切断加热元件来确保所述元件没有达到过热的温度。

感测元件可以具有各种特性，但是优选地包括用于(间接)测量加热道的电阻的电流表。通过电流表，可以检测通过加热道的电流I。可以通过以下公式确定加热道的电阻R：

$R=\frac{V}{I}$ (公式2)

其中：

R＝加热道的电阻；

V＝施加到加热道的电压；和

I＝由电流表测量的电流。

优选地，加热元件包括用于连接到电力干线以执行加热过程的主电路和用于在加热道与电力干线断开的情况下将低电压施加到加热道的辅助电路。加热元件包括用于在两个电路之间进行切换的至少一个开关。显然主电路和辅助电路可以至少部分地相互集成。

在电流表用于确定加热道的实际温度的情况下，公式1和公式2结合，从而产生：

$T_{\mathrm{end}}=T_{\mathrm{begin}}+V\·\left(\frac{I_{\mathrm{end}}-I_{\mathrm{begin}}}{I_{\mathrm{begin}}\·\mathrm{TCR}}\right)$ (公式3)

本发明还涉及一种包括根据本发明的至少一个加热元件的电气设备。优选地，电气设备由选自以下组的器具形成，所述组包括：烧烤盘、铁板烧、三明治机、扒炉、深煎锅、放热器、水壶、(餐具)洗涤机和热饮机。可以装有根据本发明的加热元件的其它器具包括壁纸剥离器、蒸汽熨斗、***、食物蒸煮器、洗碗机、地板清洁器、地毯、窗帘或家具清洁器以及用于医学、牙科或食物消毒应用的消毒设备。所述器具可以是便携式的，或形成家庭、工业、商业或实验室处理单元的一部分。在优选的实施例中，电气设备包括多个加热元件，以能够提供更大加热面并最终能够提供多个加热区。控制单元可以交替地切换加热元件，以轮流监测每一个加热元件的直接环境。在另一个优选的实施例中，电气设备包括单个加热元件，其中所述单个加热元件包括多个加热道，其中控制单元可以交替地切换加热道，从而轮流监测每一个加热道的直接环境。期望的是装有根据本发明的一个或多个加热元件的最好的电气设备由烧烤盘形成，其中正在被烹饪的食品的类型和数量以及每一食品的体积和食物相对于烧烤盘的移动将对加热元件的温度具有几乎瞬间的反应。因此，在加热元件的加热道被切断的状态期间，可以相对迅速和准确地测量食品的温度。

通过分析多个电阻样品并由此间接分析多个温度样品(在该中断的切断状态期间取得)，可以估计食品的准备状态。可以将该信息提供给用户和/或该信息可以用于进一步控制烧烤盘。

本发明还涉及一种用于操作加热元件的方法，特别涉及一种用于操作根据本发明的加热元件的方法，包括以下步骤：A)接通加热道；B)在根据步骤A)已经接通加热道之后的一段时间断开加热道；以及C)在加热道的断开状态下测量加热道的电阻。优选地，所述方法还包括步骤D)，所述步骤D)包括：根据加热道的测量电阻确定加热道的温度。控制单元优选地交替接通和切断加热元件以允许在加热道的切断状态期间测量加热道的电阻。因此，步骤A)和步骤B)优选地至少重复一次。更优选地，所有步骤A)-D)至少重复一次。根据步骤B)加热元件的切断与根据步骤A)再次接通加热元件之间的持续时间取决于加热元件的特定应用，但是通常在1秒与10秒之间。所述方法还可以包括用于在步骤D)之前校准加热元件的校准步骤，以确保测量电阻到加热道的实际温度的实际确定值的精确转换。可以在第一次使用之前并且更优选地周期性地(例如，每月或每年)执行这种校准步骤。通常不需要在每次必须执行步骤D)时校准加热元件。

在优选的实施例中，所述方法包括步骤E)，步骤E)包括：比较在步骤C)期间测量的电阻与预定临界电阻。在测量的实际电阻超过(或接近)临界电阻的情况下，可以调节加热元件的控制。加热元件的控制的这种调节可以意味着例如加热元件的切断状态的延长、接通状态的缩短和/或主动降低加热元件的热容量。通过(重新)主动调整加热元件的控制，可以防止加热元件和加热元件周围的***设备的过度加热。在这种背景下，要注意的是临界电阻可以是上阈值或下阈值，这取决于加热道的性质。在加热道基本上由PTC材料制成的情况下，临界电阻将形成上阈值；在加热道基本上由NTC材料制成的情况下，临界电阻将形成下阈值。优选地，所述方法包括步骤F)，步骤F)包括：测量在加热道的接通状态下的加热道的电阻。由于这种安全措施，可以预期加热元件上的过度加热的情况，并由此防止该过度加热情况。在检测到接近过度加热情况时，控制单元的定时器可以被调节，例如延长加热元件的切断状态以允许加热元件更加充分地冷却下来，从而防止加热元件的过度加热。还可以想到的是控制单元的定时器在这种情况下是过载的，其中可以以强制的方式切断加热元件。

附图说明

以下根据图示的非限制性示例性实施例阐明本发明，其中：

图1显示根据本发明的加热元件的示意性横截面图；

图2显示用于操作根据图1的加热元件的方法的示意性视图；以及

图3显示装有根据本发明的加热元件的水壶。

具体实施方式

图1显示根据本发明的加热元件1的示意性横截面图。在该实施例中，加热元件1构成水壶(未示出)的一部分。加热元件1包括用于加热的加热板2，所述加热板由按重量计算具有18％的铬含量的铁素体铬钢制造而成。还可以应用另一种适当的金属或陶瓷载板，例如低碳钢、铜、铝、钛、SiN、Al₂O₃等。基板2被布置成与要被加热的水直接接触。第一介电釉层3布置在加热板2上。第一釉层3具有基本上如根据以下表1的列HT的釉成分。网格4形式的导电传感器层布置在第一介电层3上。网格4例如由基于氧化钌(RuO₂)或具有适当的导电材料(例如，银、钯、镍等)的其它适当的导电(厚膜)层、和/或所述氧化钌与所述适当的导电材料的组合的厚膜层制造而成。第二介电釉层5布置在相对导电的层4上。第二釉层5具有一些NTC材料，具体地具有一些镍、锰、钴和/或铁的氧化物的针状结构，以便尤其在相对较低的温度(＜300℃)下能够提高第二釉层5的导电性，由此可以使泄漏电流更加容易地流动通过第二釉层5。在以下表1的列LT1所示的范围内选择第二釉层5的釉成分，其中不考虑与釉混合的NTC材料的含量。加热道6布置在比第一介电层3具有更好的导电性的第二介电层5上，所述加热道6用于产生热量以加热基板2。加热道6由具有温变电阻的材料制成。根据本发明的加热元件1具有多个热安全措施。为了在使用期间监测加热元件1的温度，比第一层3和第二层5都具有更好的导电性的传感器层4提供确定通过第二、相对导电的层5的泄漏电流的选择。为了直接测量通过第一层3的泄漏电流，第一电流表7连接在电阻层6与导电层4之间。测量的泄漏电流的大小指示在加热元件1上的一个位置处的最高温度的大小。当超过确定的温度时，由于第二介电层5的减小的电阻，泄漏电流将急剧增加，因此其可以通过第一电流表7容易地检测到。因为实际上没有泄漏电流流动通过第一介电层3，因此已经发现通过电流表7得到的泄漏电流的测量值变得更加准确。除了泄漏电流检测措施之外，加热元件1另外结合以下所述的第二安全措施。加热元件1还包括用于测量通过加热道6的电流的大小的第二电流表8(被简化地示出)。根据其测量值，可以确定加热道6的电阻，并因此可以确定加热道6的温度。第二电流表8被结合在电源电路和测量电路中。电源电路被构造成给加热元件1提供电力以执行加热过程，其中加热道6连接到电力干线9。通过将被控制单元11控制的调节开关10，可调节施加到加热道6的实际电力。在该实施例中，调节开关10还用作总开关。在该示例性实施例中，测量电路设有单独的低电压源12，以在加热道6与电力干线断开的情况下将低电压施加到加热道6。电路开关13被设置成在电源电路与测量电路之间进行切换，其中通过控制单元11控制电路开关。通过电压表14测量加热道6上的电压。在加热道6被切断的情况下，这意味着在该实施例中加热道6与电力干线9断开并连接到低电压源12，加热元件1的温度将降低并与直接包围加热元件1的部件和/或介质特别是被加热的水均化。在该切断状态下，可以通过第二电流表8、电压表14、和控制单元11确定加热道6的温度，并由此确定被加热的水的温度。此外，因为第二电流表8也被装入在电源电路中，因此也将或也可以在接通状态下测量加热道6的温度，尽管该温度仅仅独立于周围部件和/或介质的温度。为了监测加热元件1的直接周围环境的温度，其中水被加热，这给出关于过度加热的潜在情况和/或煮沸过程的进程的更多相关信息，控制单元11适于通过电路开关13交替地接通和断开加热道6，从而允许第二电流表8(间接地)在切断状态下测量加热道6的温度。该切断状态优选地持续1秒与10秒之间的时间。为此，控制单元11包括能够周期性地接通和切断加热道6的定时器15。根据由控制单元9确定的温度，可以通过控制单元11控制调节开关10以改变件输送给加热道6的电力。以此方式，可以防止加热元件1和周边的部件和/或介质的过度加热的情况，并且可以实现最佳烹煮过程。

表1：在根据本发明的加热元件中的优选的釉成分

图2显示了用于操作根据图1的加热元件的方法的示意性视图。控制单元11交替地接通和切断加热元件1的加热道6。在加热元件1的切断状态下(由虚线框表示)，由第二电流表8测定加热道6的电阻。通过比较器16比较电阻的测量值与预定临界电阻。将电阻的测量值和比较相关的信息同时提供给控制单元11，在所述控制单元的控制下，调节加热道6的控制，以防止过度加热情况和/或能够最优化烹煮过程。

图3显示部分地装有水18的水壶17，所述水壶17装有根据本发明的加热元件1。以上全面地提供了关于所应用的加热元件1的细节和实施例。可以清楚的是还可以在许多其它装置中应用根据本发明的加热元件1，例如但不限于直通式加热器、蒸汽发生器、(盘)洗涤机、加湿器、乳制品及其它液体加热器、用于液体的管式加热设备、熨斗、烹饪装置、例如烹饪板和烧烤盘，和在例如烹饪、加热和清洁的家庭领域中所使用的设备，以及在商业、工业、公共饮食、家庭、和办公室环境中的方法和机器。加热元件的几何形状不受限制，并且可以具有各种特性，例如平坦的、圆拱的或波状的。

应该注意的是上述实施例是示例性说明，而不是限制本发明，并且本领域的技术人员将能够在不背离所附权利要求的保护范围的情况下设计多种可选的实施例。在权利要求中，放在括号之间的任意附图标记都不被解释为限制权利要求。动词“包括”及其变化形式的使用不排除存在除了权利要求中所述的元件或步骤之外的元件或步骤。元件前面的冠词“一”不排除存在多个这种元件。在相互不同的从属权利要求中描述特定措施的唯一事实不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (21)

1.一种加热元件，包括：

至少一个导电加热道，所述至少一个导电加热道由具有温变电阻的材料制成；

至少一个感测元件，所述至少一个感测元件连接到所述加热道，用于测量所述加热道的电阻；和

控制单元，所述控制单元被构造成允许所述感测元件至少在所述加热道的切断状态下测量所述加热道的电阻。

2.根据权利要求1所述的加热元件，其特征在于：所述控制单元被构造成允许所述感测元件在所述加热道的接通状态下测量所述加热道的电阻。

3.根据权利要求1或2所述的加热元件，其特征在于：所述控制单元包括用于切换所述加热道的至少一个定时器。

4.根据权利要求3所述的加热元件，其特征在于：所述控制单元适于在所述加热道已经被切断之后的一段时间后接通所述加热道，其中所述一段时间在1秒与10秒之间。

5.根据上述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于：所述控制单元适于将测量的所述加热道的电阻转换成所述加热道的温度值。

6.根据上述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于：所述加热元件包括用于加热的导热基板。

7.根据上述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于：所述加热元件还包括至少一个第一介电层，所述至少一个第一介电层布置在所述导热基板上，其中所述至少一个导电加热道布置在所述第一介电层上。

8.根据权利要求7所述的加热元件，其特征在于：所述加热元件包括至少一个导电传感器道，所述至少一个导电传感器道与所述加热道隔开一段距离布置在所述第一介电层上，并且至少一个第二介电层布置在所述第一介电层上，其中所述第二介电层连接到所述加热道的至少一部分和所述传感器道的至少一部分。

9.根据权利要求7或8所述的加热元件，其特征在于：所述加热元件包括热保护装置，所述热保护装置遮盖至少一个加热道部分，所述热保护装置适于在所述加热道的预定增加温度时使被遮盖的所述至少一个加热道部分产生短路，从而增加被遮盖的所述至少一个加热道部分的温度，使得被遮盖的所述至少一个加热道部分被至少部分地破坏，从而使得所述加热道不可逆地被中断。

10.根据权利要求9所述的加热元件，其特征在于：所述热保护装置适于增加被遮盖的所述至少一个加热道部分的温度，使得所述加热道部分由于所述加热道部分的熔化和/或蒸发而被破坏。

11.根据权利要求9或10所述的加热元件，其特征在于：所述热保护装置的至少一部分在所述预定温度以下是电绝缘的，而在所述预定温度以上是导电的。

12.根据上述权利要求中的任一项所述的加热元件，其特征在于：所述感测元件包括电流表。

13.根据上述权利要求中任一项所述的加热元件，其特征在于：所述加热元件包括比较装置，所述比较装置用于比较所述加热道的测量电阻与至少一个预定临界电阻值。

14.一种电气设备，所述电气设备包括根据权利要求1-13中任一项所述的至少一个加热元件。

15.根据权利要求14所述的电气设备，其特征在于：所述电气设备由选自以下组的器具形成，所述组包括：烧烤盘、铁板烧、三明治机、扒炉、深煎锅、放热器、水壶、(餐具)洗涤机和热饮机。

16.一种用于操作加热元件的方法，尤其是操作根据权利要求1-13中任一项所述的加热元件的方法，包括以下步骤：

A)接通所述加热道；

B)在根据所述步骤A)已经接通所述加热道之后的一段时间后断开所述加热道；以及

C)在所述加热道的断开状态下测量所述加热道的电阻。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述方法还包括步骤D)：根据所述加热道的测量电阻确定所述加热道的温度。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，将所述步骤A)和所述步骤B)至少重复一次。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：在根据所述步骤B)切断所述加热元件之后的一段时间之后，再次根据步骤A)接通所述加热元件。

20.根据权利要求16-19中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包括步骤E)，步骤E)包括：

比较在所述步骤C)期间测量的电阻与至少一个预定临界电阻值。

21.根据权利要求16-20中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包括步骤F)，步骤F)包括：

在所述加热道的接通状态下测量所述加热道的电阻。

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