CN1180661C - 厚膜加热器 - Google Patents

Abstract

一种电阻或加热器，它包括：设置在绝缘基底上的厚膜电阻轨迹，该电阻轨迹具有预定载流量的所述轨迹的两个预定区(8d，8e)。这些预定区被玻璃材料的分立桥(22)所桥接，该分立桥在预定温度下变得充分导电、以产生流过一个或两个所述区(8d，8e)的故障电流。分离的釉面层防止所述电阻轨迹(8)被氧化。电阻或加热器的所述轨迹区(8d)中设置有诸如孔(24)的使电流局部集中流过轨迹区的装置。

Description

厚膜加热器

技术领域

本发明涉及电加热器，尤其涉及在绝缘基底上设有电阻轨迹的电加热器。

背景技术

这种加热器在例如水加热容器、水加热器和熨斗的家庭用具中被应用或被推荐使用。通常，例如玻璃、陶瓷、或玻璃陶瓷(以下统称为“玻璃”)的绝缘层设置在诸如金属板的金属基底(它可构成液体加热容器的基底的一部分)上，并用印刷技术将电阻轨迹沉积在绝缘层上。作为涂覆金属基底的一个变型，该基底可以是坚硬的陶瓷体。另一金属层可覆盖在电阻轨迹上以保护该轨迹、避免它被腐蚀和氧化。这种加热器即已有技术中所说的“厚膜”加热器。

很显然，加热器不允许在错误的状态下被过度地加热，因为这不但对设有加热器的装置或用具本身、而且对用具的使用者都会导致潜在的严重损害。

已经提出了许多对这种过热保护的建议。在液体加热容器中，通常设置可复位的过热保护器，当例如容器中没有液体或液体烧干时、容器的加热器过热时，过热保护器接通并工作。典型地，过热保护器包括双金属驱动器，双金属驱动器与加热器热接触、并在给定温度下工作，当处在容器正常工作温度之上时、双金属驱动器打开给加热器供电的一组接点。但是当这个保护器失效时，还可提供备用保护器、例如提供在加热器温度升至预定温度之上时工作的热熔断器。这种结构公开在申请人的WO-A-94/18807申请中。

在本申请人的U27和U28控制器中，设置两个双金属驱动器，它们有效地相互备用，免除了提供进一步严重过热保护的必要。

不过，优选设置具有内置保护的加热器或电阻。在WO97/39603中，申请人提出了这种结构。在该结构中，选择的玻璃材料桥设置在相邻的加热轨迹之间，轨迹的结构和轨迹的材料和位置的选择使轨迹区之间的玻璃在预定温度下变得充分导电、从而使轨迹区短路，于是使加热器可控地失效。这样，该加热器被称作不需外部控制的“自保护”加热器。

这种“自保护”加热器的方案在申请WO99/02080中被进一步说明，其中，在加热器的结构中，相邻轨迹之间的桥的位置从轨迹的端部位移、以便在发生短路时限制轨迹中的电流。这样可防止故障电流熔断家庭中的电源保险丝。

发明内容

本发明从各个方面对上述结构作进一步的改进。

在WO97/39603中，自保护玻璃桥被设置成覆盖整个加热器轨迹的层。但是现在发现，如果需要防止轨迹被氧化和腐蚀，最好设置分立的桥、以便提供分离的釉面层。

因此，根据第一方面，本发明提供一种电阻或加热器，该电阻或加热器包括设在绝缘基底上的厚膜电阻轨迹，具有预定载流容量的所述轨迹的两个预定区被绝缘材料的分立的桥连接，该分立的桥在预定温度下变得充分导电、以使故障电流从一个或两个所述的区流过，分离的釉面层使电阻轨迹避免氧化。

于是，常规的釉面层可给轨迹和适当的绝缘材料、例如为加热器严重过热防护所选择的适当玻璃材料提供正常的腐蚀防护。

在优选实施例中，严重过热防护桥也用作桥接该适当轨迹区的釉面。该桥优选定位在紧靠轨迹区端部的上方。

“自保护”加热器在严重过热状态下自保护的时间取决于材料桥区域中的加热器的温度。加热器变得越热，则桥变得越热，且达到流过故障电流的时间就越快。在所述的诸如水壶的水加热容器中，避免加热器的早期故障、特别是避免诸如双金属驱动器的主过热防护件工作之前的时间中的故障非常重要。

这个问题可根据本发明另一方面、通过在功率密度低于相邻区的加热器的区内设置材料桥而被减小。根据第二方面，本发明提供一种电阻或加热器，该电阻或加热器包括设在绝缘基底上的厚膜电阻轨迹，具有预定载流容量的所述轨迹的两个预定区被电绝缘材料的桥局部地桥连接，电绝缘材料的桥在预定温度下变得充分导电、以使故障电流从一个或两个所述的区流过，所述的电阻加热轨迹具有可变的功率密度，所述的材料桥设置在具有较低功率密度的加热器轨迹区域中。

通过将例如玻璃桥设置在加热器的低功率密度区，过热状态区的温度上升将比相邻高功率密度区的温度上升滞后，于是在出现故障之前可有较长的时间。当然，该桥的位置仍是加热器出现故障的位置、而不是别处。因此，如果分离釉面设置在加热器轨迹上，则应选择釉面的位置、以使击穿不首先在轨迹的其它位置发生。

在优选实施例中，较低功率密度区被较高功率密度区围绕。在特定的优选实施例中，较低功率密度区设置在加热器轨迹的径向中间区，至少轨迹的径向外部区具有较高的功率密度。这种结构的优点是能抑制在严重过热的条件下绝缘材料产生微裂隙的倾向，在试验时、微裂隙使加热器产生故障。这一效果在与本申请同一日期申请的同时待审的申请、代理文件号74.46.70570、发明名称也是“电加热器”的文件中被更详细地说明。这里所述的本发明可应用到上述申请的结构中。

在上述的“自保护”加热器和申请人的较早参考的公开的国际申请中，轨迹故障是由于在温度升高而桥变得充分导电时、超过轨迹载流容量的电流流过轨迹区而产生的。研究发现，在这种状态下，轨迹区沿其长度的任何点均可基于例如该轨迹如何准确地沉积而熔化。另外，当轨迹出现故障时会产生电弧。这个电弧是高度导电和易在磁场中变化的，所以该电弧可被拉引到诸如控制部件的其它部件。该电弧甚至会损坏设有轨迹的绝缘层，使得在出现故障之后加热器带电。这种潜在的危险使得***不能满足现行的安全标准。

因此，特别希望能使故障在轨迹的预定位置存在，以便使故障的位置远离诸如控制部件等其它部件。本发明通过提供一种将流过可能出现故障的轨迹的电流进行局部集中的装置而实现上述目的。

所以，根据又一个方面，本发明提供一种电阻或加热器，该电阻或加热器包括设在绝缘基底上的厚膜电阻轨迹，具有预定载流容量的所述轨迹的两个预定区被例如玻璃的电绝缘材料桥连接，电绝缘材料在预定温度下变得充分导电、以使故障电流至少流过一个所述的区，其中，所述轨迹区设置一个将流过轨迹区的电流局部集中的装置。

本发明的这个方面允许更有效地控制轨迹的失效。电流集中器最好远离任何载流部件或接地部件、例如与加热器的控制有关的部件。

电流集中可通过多种方式实现。但最好通过局部减小轨迹宽度来实现。在一个实施例中，通过减小轨迹宽度而取得所需的集中，但优选设置穿过轨迹的孔、例如圆孔而实现该效果。这个孔将作为轨迹失效的焦点。

如上述实施例中所述，该桥可局部地设置在相邻轨迹区之间或覆盖整个轨迹。

应注意，本发明的各个方面基本上是相互独立的。所以，所述的低功率密度和电流集中特性可以应用到WO97/39603所述的结构，例如、该结构中的熔断玻璃桥被用作整个轨迹的釉面。

附图说明

下面将结合附图以实例的方式说明本发明的优选实施例，在附图中：

图1是本发明加热器的平面图；

图1A是沿图1中线A-A所作的剖视图；

图2是记载图1所示加热器相关数据的表格。

具体实施方式

图1表示实施本发明的厚膜平面加热器2。该加热器包括0.5mm厚的不锈钢基底4，在基底4上以常规方式沉积绝缘层6和加热轨迹8。在这个特定实施例中，绝缘层6由杜邦(Dupont)3500油墨制成、且厚度为85微米(+/-10微米)。沉积在绝缘层6上的电阻加热轨迹8由杜邦(Dupont)F/612F/629电阻油墨的混合物制成、且厚度为13微米(+/-2微米)。

如图所示，电阻加热轨迹8由一列8个同心弧形轨迹区8a、8b...8h组成，同心弧形轨迹区的端部由银连线10连接。这种轨迹结构在申请人的WO98/366182中以一般术语进行了说明。轨迹区8a、8b、8c和8h基本上完全围绕加热器，而其它轨迹位置被细分成大致的半圆形位置。轨迹8e的一端由银轨迹14连接到用于接收银接点(未示出)的银垫片16，轨迹8d的一端由银轨迹20连接到另一接点接收垫片18。利用如以焊接安装在垫片上的接点接收230V(或其它电压)的电压。最外侧轨迹8a的外径约为60mm，相邻轨迹之间的间隙约为0.5mm。

这个元件的总功率是1000W的230V的交流功率，每个轨迹部分的功率分配在图2中给出。

从图1和2可知，轨迹部分8a-8h的宽度从元件边缘向其中心变化。具体地，最外侧轨迹部分8a最窄，轨迹宽度在向着最内侧轨迹部分8h再次减小之前、在径向中心区向着轨迹8e和8f增加。由于功率密度与轨迹宽度成反比，所以功率密度从轨迹8a的最大值减小到轨迹8e-8f的最小值，而后在轨迹8h增加到第二个局部最大值。这一宽度分配的效果是减小了绝缘层6在严重过热的条件下产生微裂缝的倾向。

再参看图1可知，由银连线10a和10b桥接的轨迹8d和8e的相对端部印刷有宽7mm、长4mm的“自保护”釉面桥22。这个桥22由ESL 4771G材料印制、且厚度约13微米(+/-2微米)。可以看出，桥22设置在连接轨迹8相应端部的轨迹位置，所以通过桥22可产生较大的电压降。实际上，该桥距轨迹8e的端部约61mm、距轨迹8d的端部约30mm。这可在桥22上产生208V的电压差。

从图1可知，直径约1mm的孔24设置在位于桥22与连接到接点垫片18的轨迹8d端部之间的轨迹8d的区域中。

整个元件印刷有厚度例如为13微米、+/-2微米的杜邦3500保护釉面。

在使用中，所示的加热器安装在诸如水壶的液体加热容器的底部。在水壶煮干或在水壶中没有水而通电时，由于加热器的高额定功率和它的低热容量、加热器的温度将快速上升。如果双金属驱动器的主过热保护器失效，于是加热器的温度继续上升。但是，在某一预定温度，自保护釉面桥22的导电率将上升到一点，在该点有效地短路大部分轨迹，导致很大的电流流过轨迹桥接的轨迹区8d和8e。在具体实施例中，这些轨迹区的电阻约为5Ω，使约46安培的电流流过该轨迹区，这个电流明显大于正常操作时的4.35安培的电流，并超过了该轨迹区的载流能力。因此，一个或两个这种轨迹区将失效。但是，该电流小到足以避免在正常工作时家用保险丝的熔断或接地漏电保护器动作。一般认为，在10与15A/mm之间的断路电流产生满意的断路。

在所述的实施例中，轨迹区8d将因存在孔24而在事实上断路。存在孔24使电流局部集中地流过该轨迹、从而使围绕孔24的区域产生断路的可能性大于轨迹区8d中其它区域。

还应注意，桥22设置在较宽的轨迹区之间。这将减小该桥区域中的功率密度，这意味着，该桥不会像周围区域一样热。这将增加达到该桥22的断裂温度的时间，于是延长了加热器失效之前的时间。其优点是减小了主过热保护器工作之前加热器失效的可能性。

在所述的实施例中可知，加热器的自保护时间约为8秒。这明显大于所要求的4秒的主过热保护双金属的工作时间，所以在水壶或类似装置处于干烧或干接通状态的过热情况下、加热器不会过早失效。但是，在加热器绝缘基底将被击穿的时间之内可实现安全的失效模式。

显然，在不脱离本发明范围的前提下可对上述实施例进行各种改进。例如，可设置多于一个的电流集中器，例如在轨迹8d和8e中的均设置一个。虽然可优选，但也不必在低密度区设置桥22，以使轨迹8a-8h可具有相同的宽度。另外，桥22可以是覆盖整个轨迹8的釉面、而不仅是分立的桥。本发明不限于已公开的特定轨迹尺寸，在某些实施例中，根据加热器的尺寸和加热器所需的功率，轨迹宽度可大于或小于已公开的宽度。

从上述说明可知，本发明的各个方面允许加热器在严重过热的状态下、以减小加热器击穿到中线或接地的可能性的方式可控制地失效。

显然，对于本领域的技术人员来说，上述说明只是实施本发明的一个实例。该实例所给出的尺寸、参数、和公差并不限制本发明。

Claims (20)

1.一种电阻，它包括：设置在绝缘基底上的厚膜电阻轨迹，具有预定载流量的所述轨迹的两个预定区被玻璃材料的分立桥所桥接，该分立桥在预定温度下变得充分导电、以产生流过一个或两个所述区的故障电流，在分立桥和轨迹上面的和分立桥分离的釉面层防止所述电阻轨迹被氧化。

2.一种如权利要求1的电阻，其中，所述的桥以桥接所述轨迹区的釉面的形式施加。

3.一种如权利要求1的电阻，其中，所述桥跨接在相邻的轨迹区的端部。

4.一种如权利要求1的电阻，其中，所述的材料的桥设置在电阻的较低功率密度的区域。

5.一种如权利要求4的电阻，其中，相对较低功率密度区被较高功率密度区所两侧围绕。

6.一种如权利要求5的电阻，其中，较低功率密度区设置在电阻的径向中部区。

7.一种如权利要求6的电阻，其中，至少所述电阻轨迹的径向外部区具有较高的功率密度。

8.一种如权利要求1的电阻，其中，在所述轨迹区中设置装置，当该装置使局部集中的电流流过所述轨迹区时、该轨迹区失效。

9.一种如权利要求8的电阻，其中，通过局部减小所述轨迹区宽度而使电流集中。

10.一种如权利要求9的电阻，其中，穿过所述轨迹区而设置一个孔。

11.一种加热器，它包括：设置在绝缘基底上的厚膜电阻轨迹，具有预定载流量的所述轨迹的两个预定区被玻璃材料的分立桥所桥接，该分立桥在预定温度下变得充分导电、以产生流过一个或两个所述区的故障电流，在分立桥和轨迹上面的和分立桥分离的釉面层防止所述电阻轨迹被氧化。

12.一种如权利要求11的加热器，其中，所述的桥以桥接所述轨迹区的釉面的形式施加。

13.一种如权利要求11的加热器，其中，所述桥跨接在相邻的轨迹区的端部。

14.一种如权利要求11的加热器，其中，所述的材料的桥设置在加热器的较低功率密度的区域。

15.一种如权利要求14的加热器，其中，相对较低功率密度区被较高功率密度区所两侧围绕。

16.一种如权利要求15的加热器，其中，较低功率密度区设置在加热器的径向中部区。

17.一种如权利要求16的加热器，其中，至少所述加热器轨迹的径向外部区具有较高的功率密度。

18.一种如权利要求11的加热器，其中，在所述轨迹区中设置装置，当该装置使局部集中的电流流过所述轨迹区时、该轨迹区失效。

19.一种如权利要求18的加热器，其中，通过局部减小所述轨迹区宽度而使电流集中。

20.一种如权利要求19的加热器，其中，穿过所述轨迹区而设置一个孔。

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