TWI741278B - 具有溫度感測電源針腳及輔助感測接合部之電阻式加熱器 - Google Patents
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Abstract
本案揭露內容係針對一加熱器,其包括有一電阻式加熱元件、一第一電源針腳及一第二電源針腳。該第一電源針腳與該電阻式加熱元件之第一端形成一第一接合部,且該第二電源針腳與該電阻式加熱元件之第二端形成一第二接合部。該第二電源針腳包括一第一引線及一第二引線。該第一引線與該電阻式加熱元件之第二端形成該第二接合部,且界定一第一傳導材料。第二引線與第一引線在一第一參考區域處形成一主要感測接合部,且界定了不同於該第一傳導材料的一第二傳導材料,以基於該主要感測接合部所生成之電壓變化來量測該第一參考區域處之溫度。
Description
本發明申請案係於2015年5月29日申請標題為「具有溫度感測電源針腳之電阻式加熱器」的美國申請案第14/725,537號之部分繼續申請案,該美國申請案完整內容合併於本文中以供參考。
本發明揭露內容係有關電阻式加熱器及諸如熱電偶之溫度感測裝置。
本節的敘述僅提供有關本案揭露內容之背景資訊,且可能不構成習知技術。
電阻式加熱器係用於多種應用中,以對一目標及/或環境提供熱能。習知技術中一種類型的電阻式加熱器為卡匣式加熱器,其大致上由一電阻線加熱元件纏繞在一陶瓷芯體上所組成。典型的陶瓷芯體界定有兩個縱向孔,而有電源/端子針腳置設於其中。電阻線的一第一端係電氣連接一電源針腳,而電阻線之另一端係電氣連接至另一電源針腳。此總成接著被***一較大直徑的管狀金屬套體,此管狀金屬套體具有一開放端及一閉合端或兩個開放端,因此在該套體與該電阻線/芯體總成間生成一環形空間。諸如鎂氧化物(MgO)或類似者的一絕緣材料係填注該套體的開放端,以將電阻線與該套體之內表面間的環形空間填滿。
套體的開放端例如透過使用一封裝(potting)化合物及/或分立的密封構件來密封。整個總成接著如同藉由型鍛(swaging)或其他合適程序被壓密或壓縮,以縮小套體直徑,且因而壓密或壓縮MgO,並至少部分壓碎陶瓷芯體,以使芯體圍繞針腳潰塌,來確保良好的電氣接觸及熱轉移。壓密的MgO提供加熱元件與套體間之一相當良好的熱轉移路徑,且MgO亦使該套體與該加熱元件電氣絕緣。
為判定加熱器應運作的合適溫度,例如熱電偶之分立溫度感測器係放置在加熱器上或靠近加熱器。對加熱器及其環境增設分立溫度感測器對於整個加熱器系統而言係耗費成本且增加複雜性。
此部分提供本揭露內容的概括性摘述,而非其完整範疇或其所有特徵之全面揭露。
在一態樣中,本案揭露內容係針對一加熱器,其包括一電阻式加熱元件、一第一電源針腳、及一第二電源針腳。該第一電源針腳與該電阻式加熱元件之第一端形成一第一接合部。該第二電源針腳包括一第一引線及一第二引線。該第一引線與該電阻式加熱元件之第二端形成一第二接合部且界定一第一傳導材料。該第二引線與該第一引線在一第一參考區域處形成一主要感測接合部。該第二引線界定了不同於該第一傳導材料的一第二傳導材料,以基於由該主要感測接合部生成的電壓變化來量測在該第一參考區域處的溫度。
在另一態樣中,第一電源針腳、第二電源針腳之第一引線、及電阻式加熱元件係由相同材料製成。
在又一態樣中,第一及第二引線為不同的鎳合金。
在一態樣中,第一電源針腳及第二電源針腳之第一引線係由相同材料製成。
在另一態樣中,加熱器更包括與第一電源針腳及第二電源針腳連通的一控制器。該控制器組配來在加熱模式與量測模式之間作切換,該加熱模式用於將電力導向電阻式加熱元件,而該量測模式用以量測由主要感測接合部生成的電壓變化以判定在第一參考區域處的溫度。
在又一個態樣中,加熱器更包括與第一及第二電源針腳連通的一控制器,且組配來量測在第一及第二接合部處的電壓變化而不中斷給電阻式加熱元件的電力。
在一態樣中,第一電源針腳、第二電源針腳之第一引線、及電阻式加熱元件之席貝克(Seebeck)係數實質上相同。
在另一態樣中,主要感測接合部係沿著電阻式加熱元件配置在電阻式加熱元件之第一端及第二端之間。
在又一態樣中,主要感測接合部配置在加熱器的外面。
在一態樣中,第一電源針腳包括一第三引線及一第四引線。該第三引線係連結到電阻式加熱元件之第一端以形成第一接合部,且界定第一傳導材料。該第四引線與該第三引線在一第二參考區域處形成一第二主要感測接合部,該第二參考區域相鄰且靠近該第一參考區域。該第四引線界定與第一傳導材料及第二傳導材料不同的一第三傳導材料以作為熱電偶,且與主要感測接合部一起使用來判定在第一及第二參考區域間的溫度。
在一態樣中,第二電源針腳的第一引線、第一電源針腳之第三引線、及電阻式加熱元件之席貝克係數實質上相同。
在另一態樣中,加熱器更包括配置在主要感測接合部周圍的一加熱擴散器。
在又一態樣中,加熱器更包括一非傳導部分、一護套、及一密封構件。該非傳導部分界定一近端及一遠端。該非傳導部分具有延伸穿過至少該近端的第一孔及第二孔。第一及第二電源針腳係置設在第一及第二孔內,且電阻式加熱元件係圍繞在該非傳導部分周圍。該護套環繞該非傳導部分,及該密封構件係置設在該非傳導部分之近端部分且延伸至少部分到護套內。
在一態樣中,本案揭露內容係有關一加熱器,其包括一電阻式加熱元件、一第一電源針腳、及一第二電源針腳。該電阻式加熱元件可運作於一加熱模式及一量測模式。在該量測模式中,該電阻式加熱元件感測沿著該電阻式加熱元件的一第一參考區域處之溫度。該第一電源針腳與該電阻式加熱元件之第一端形成一第一接合部。該第二電源針腳包括一第一引線及一第二引線。該第一引線與該電阻式加熱元件之第二端形成一第二接合部,且界定一第一傳導材料。該第二引線與該第一引線在一第二參考區域處形成一主要感測接合部。該第二引線界定不同於該第一傳導材料的一第二傳導材料,以基於由該主要感測接合部生成的電壓變化來量測在該第二參考區域處之溫度。
在另一態樣中,加熱器更包括與第一電源針腳及第二電源針腳連通的一控制器。該控制器組配來在加熱模式與量測模式之間作切換,該加熱模式用於將電力導向電阻式加熱元件,而該量測模式用以量測電阻式加熱元件之電阻以判定在第一參考區域處之溫度,及用以量測由主要感測接合部生成的電壓變化以判定在第二參考區域處的溫度。該控制器組配來基於在該第一參考區域處、該第二參考區域處之溫度、一加熱器幾何形態、及傳遞給加熱元件之電力,來計算在一第三參考區域處之溫度。
在一態樣中,控制器組配來利用由主要感測接合部量測之溫度來校正加熱元件。
在又一態樣中,主要感測接合部係沿著與加熱元件之平面不同的一平面而形成。
在一態樣中,第一電源針腳、第二電源針腳之第一引線、及電阻式加熱元件界定具有實質上相同的席貝克係數之一或多個傳導材料。
在一態樣中,本案揭露內容係關於一加熱器,其具有一電阻式加熱元件、一第一電源針腳及一第二電源針腳。該第一電源針腳與該電阻式加熱元件之第一端形成一第一接合部。該第二電源針腳包括一第一引線及一第二引線。該第一引線與該電阻式加熱元件之第二端形成一第二接合部。該第二引線與該第一引線在一參考區域處形成一主要感測接合部。該電阻式加熱元件、該第一電源針腳、及該第一引線係由一第一傳導材料製成。該第二引線係由具有不同於該第一傳導材料的席貝克係數之一第二傳導材料製成,以基於由該主要感測接合部所生成之電壓變化來量測在該參考區域處之溫度。
在另一態樣中,主要感測接合部係沿著電阻式加熱元件配置在電阻式加熱元件之第一端及第二端之間。
在又一態樣中,主要感測接合部配置在加熱器的外面。
應用的進一步領域將可從本文所提供的說明明顯看出。應了解的是,敘述及特定範例係企圖僅供例示用,且不意欲限制本案揭露內容之範疇。
以下說明書內文在本質上僅具例示性,且不意欲限制本案揭露內容、應用、或用途。應了解的是,所有圖式中對應的參考標號表示類似或對應的部分及特徵。
參照圖1,其中繪示了根據本案揭露內容之教示所構成的一加熱器,且通常由參考標號20表示。此形式的加熱器20係為一卡匣式加熱器,然而,應了解的是,本案揭露內容之教示可應用在以下更為詳細說明的其他類型加熱器中,而仍保留於本案揭露內容之範疇內。如圖式所示,加熱器20包含具有兩個端部分24及26的一電阻式加熱元件22,而電阻式加熱元件22係為金屬線形式,諸如以鎳鉻合金材料作為範例。電阻式加熱元件22係纏繞或圍繞一非傳導部分(或此形式中為芯體) 28設置。芯體28界定了一近端30及一遠端32,且進一步界定延伸穿過至少近端30的第一孔34及第二孔36。
加熱器20更包含由第一傳導材料製成的一第一電源針腳40及第二傳導材料製成的一第二電源針腳42,此第二傳導材料與第一電源針腳40之第一傳導材料相異。此外,電阻式加熱元件22係由與第一電源針腳40及第二電源針腳42之第一及第二傳導材料不同的一材料所製成,且在端部24與第一電源針腳40形成第一接合部50,而在其另一端部26與第二電源針腳42形成第二接合部52。由於電阻式加熱元件22的材料不同於在接合部50之第一電源針腳40,且不同於在接合部52之第二電源針腳42的材料,故能有效地形成一熱電偶接合部,且因而在不需使用一獨立/分立溫度感測器的情況下,可檢測到在第一接合部50及第二接合部52的電壓變化(以下將更詳細說明),以決定加熱器20的一平均溫度。
在一態樣中,電阻式加熱元件22係為一鎳鉻合金材料,第一電源針腳40係為Chromel®
鎳合金,而第二電源針腳42係為Alumel®
鎳合金。替代地,第一電源針腳40可為鐵,而第二電源針腳42可為銅鎳合金。熟於此技者應了解的是,任何數目的不同材料及其組合可被用於電阻式加熱元件22、第一電源針腳40、及第二電源針腳42,只要三個材料為不同且在接合部50及52可有效形成一熱電偶接合部。本文所述之材料僅作為例示,且因此不應解釋成限制本案揭露內容之範疇。
在一應用中,加熱器20的平均溫度可用來檢測水氣的存在。若檢測到水氣,水氣管理控制演繹法則可接著經由一控制器來實行(以下將更詳細說明),以採一受控制方式而非持續操作加熱器20的方式來移除水氣及一可能的早發故障。
如圖式進一步所示,加熱器20包括環繞非傳導部分28的一護套60,及置設在非傳導部分28之近端30且延伸至少部分到護套60內以完成加熱器總成的一密封構件62。此外,一介電填充材料64係置設在電阻式加熱元件22與護套60之間。卡匣式加熱器的多種構造及進一步的結構與電氣細節係於美國專利第2,831,951號及第3,970,822號中更詳細地說明,此等專利與本申請案共同讓渡,而其內容整個藉參考方式併入本文。因此,應了解的是,本文所說明的態樣僅為例示,且不應解釋為限制本案揭露內容之範疇。
現參照圖2,本案揭露內容更包括與電源針腳40、42連通且組配來量測在第一接合部50及第二接合部52之電壓變化的一控制器70。更特定的是,控制器70量測在接合部50、52的毫伏(mV)變化,且接著利用這些電壓變化來計算加熱器20的一平均溫度。於一態樣中,控制器70量測接合部50、52的電壓變化,而不中斷給電阻式加熱元件22的電力。此可例如藉由取得AC輸入電力信號之零交越點(zero crossing)處的一讀數來完成。在另一態樣中,電力被中斷,且控制器70從一加熱模式切換到一量測模式以量測電壓變化。一旦決定平均溫度,控制器70即切回加熱模式,其在以下會更詳細說明。更特定的是,於一態樣中,一個三極體交流開關(triac)係用來切換AC電力給加熱器20,而溫度資訊係在或靠近電力信號的零交越點處收集。其他形式的AC切換裝置可在保留於本案揭露內容之範疇內的情況下被利用,且因此使用三極體交流開關僅為例示,且不應解釋為限制本案揭露內容之範疇。
替代地,如圖3中所示,一個FET 72係用作為一切換裝置,且用來在具有DC電源供應器之FET截止週期期間量測電壓的構件。於一態樣中,三個相當大的電阻器73、74及75係用來形成用於量測電路76的一保護電路。應了解的是,此切換及量測電路僅為例示,且不應解釋為限制本案揭露內容之範疇。
再回來參照圖2,一對引線80係連接至第一電源針腳40及第二電源針腳42。於一態樣中,引線80皆為相同材料,諸如以銅作為範例。在由於接合部82及84處的不同材料而引入另一接合部的情況下,引線80係設置來縮減到達控制器70所需的電源針腳長度。在此態樣下,為使控制器70決定要量測哪一個接合部的電壓變化,可運用信號線86及88,使得控制器70在信號線86與88間切換以識別經量測的接合部。替代地,信號線86及88可被消除,而引線接合部82及84兩端的電壓變化可透過控制器70中的軟體來略過或補償。
現參照圖4,本案揭露內容之教示亦可應用在具有多個區位90、92及94的一加熱器20’上。各區位包括如先前所述之其個別組的電源針腳40’、42’及電阻式加熱元件22’ (為簡明僅在一個區位90繪出)。在此多個區位加熱器20’的態樣中,控制器70 (圖中未顯示)可與各區位之端部分96、98、及100連通,以偵測電壓變化且因而決定針對那個特定區位的一平均溫度。替代地,控制器70可僅與端部分96連通,以決定加熱器20’之平均溫度,且如同先前所提判定是否有水氣存在。雖然顯示三個區位,但應了解的是,可在保留於本案揭露內容之範疇內的情況下運用任何數目的區位。
現轉向圖5,本案揭露內容之教示亦可應用在多個分開的加熱器100、102、104、106及108,其可為卡匣式加熱器且如圖所示依序連接。各加熱器包含如圖所示連接到電阻式加熱元件之相異電源針腳的第一及第二接合部,且因此各加熱器100、102、104、106及108之平均溫度可如先前所提由控制器70所決定。於另一態樣下,加熱器100、102、104、106及108各具有其各自的電源供應針腳,且一單一電力返回針腳係連接至所有的加熱器,以降低此種多個加熱器實施例的複雜性。在這種具有卡匣式加熱器的態樣中,各芯體可包括容納用於各連續加熱器之電源供應針腳的通道。
現參照圖6及圖7,電阻式加熱元件110之節距可依據本案揭露內容之另一態樣而變化,以提供沿著加熱器120的一調適加熱輪廓。在一態樣中(圖5),電阻式加熱元件110沿著其長度界定一連續可變節距。更特定的是,電阻式加熱元件110具有一連續可變節距,而能夠容許緊鄰的下一個360度迴圈上之增加或減少的節距P4
-P9
。電阻式加熱元件110之連續可變節距提供加熱器表面(亦即護套112之表面)之漸層的通量密度變化。雖然此種連續可變節距之原理係顯示來應用於具有填充絕緣體114之一管狀加熱器上,但此原理亦可應用在任何類型的加熱器,包括但不限於先前所提之卡匣式加熱器。此外,如同前述,第一電源針腳122係由第一傳導材料製成,第二電源針腳124係由與第一電源針腳122之第一傳導材料相異的第二傳導材料製成,同時電阻式加熱元件110係由與第一電源針腳122之第一傳導材料及第二電源針腳124之第二傳導材料不同的一材料所製成,致使在第一接合部126及第二接合部128之電壓變化經檢測來決定加熱器120之一平均溫度。
在另一態樣中(圖7),電阻式加熱元件130在區位A、B、及C分別具有節距P1
、P2
、及P3
。P3
大於P1
,而P1
大於P2
。電阻式加熱元件130如圖示沿著各區位之長度具有一固定節距。類似地,第一電源針腳132係由第一傳導材料製成,第二電源針腳134係由與第一電源針腳132之第一傳導材料相異的第二傳導材料製成,同時電阻式加熱元件130係由與第一電源針腳132之第一傳導材料及第二電源針腳134之第二傳導材料不同的一材料所製成,致使在第一接合部136及第二接合部138之電壓變化經檢測來決定加熱器120之一平均溫度。
參照圖8,本文所述之加熱器及雙重目的電源針腳具有數種應用,包括例如熱交換器140。此熱交換器140可包括一或多個加熱元件142,且加熱元件142各可更包括多個區位或可變節距電阻式加熱元件,如同先前在保留於本案揭露內容之範疇內的情況下所說明及敘述者。應了解的是,熱交換器的應用僅為例示,且本案揭露內容之教示可運用在有提供熱同時亦需要溫度量測的任何應用中,不論溫度是否為絕對或用於諸如先前所提之存在水氣的另一環境狀況。
如圖9中所示,本案揭露內容之教示亦可應用在其他類型的加熱器,諸如層狀加熱器150。一般來說,層狀加熱器150包括施敷到基體154的一介電層152、施敷到介電層152的一電阻式加熱層156、及施敷在電阻式加熱層156上方的一保護層158。一接合部160係形成在電阻式層158之跡線的一端與第一引線162間(為簡要僅顯示一端),且類似地,一第二接合部係形成在另一端,且遵循先前所提之本案揭露內容的原理,在此等接合部處的電壓變化係檢測來決定加熱器150之平均溫度。此等層狀加熱器在美國專利第8,680,443號中有更詳細的說明及描述,該專利案係與本申請案共同讓渡且其內容係整個藉由參考方式併入本文。
與先前所提的卡匣式、管狀、及層狀加熱器不同的或是額外附加的其他類型加熱器,亦可根據本案揭露內容之教示來運用。此等額外類型的加熱器可包括例如聚合物加熱器、可撓加熱器、熱跡線、及陶瓷加熱器。應了解的是,這些類型的加熱器僅為例示,且不應解釋為限制本案揭露內容之範疇。
現參照圖10,顯示了一種控制根據本案揭露內容之教示所構成的至少一加熱器之方法。此方法包含以下步驟:
(A)啟動用以供應電力給一電源供應針腳、且透過一電力返回針腳讓電力返回的一加熱模式,此電源供應針腳由一第一傳導材料製成,而電力返回針腳由與第一傳導材料相異的一傳導材料所製成;
(B) 供應電力給電源供應針腳,給具有兩端且由與電源供應針腳及電力返回針腳之第一及第二傳導材料不同之一材料所製成的一電阻式加熱元件,此電阻式加熱元件在一端與電源供應針腳形成一第一接合部,且在另一端與電力返回針腳形成一第二接合部;並進一步透過電力返回針腳提供電力;
(C) 量測在第一接合部與第二接合部之電壓變化,以決定加熱器的一平均溫度;
(D) 基於步驟(C)中所決定的平均溫度,來依需要調整供應給加熱器的電力;以及
(E) 重複步驟(A)到(D)。
在此方法的另一態樣中,如圖式中虛線所示,步驟(B)在控制器切換到一量測模式時會被中斷以量測電壓變化,且而後控制器會被切回加熱模式。
本案揭露內容的又一態樣係顯示在圖11至圖13,其中繪示用於流體浸入式加熱的一加熱器且一般以參考標號200表示。此加熱器200包含組配用以浸入一流體的一加熱部分202,此加熱部分202包含多個電阻式加熱元件204,及與加熱部分202接連的至少兩個非加熱部分206、208 (圖12中僅顯示一個非加熱部分206)。各非加熱部分206、208界定一長度,且包含電氣連接至多個加熱元件204的對應多組電源針腳。更特定的是,各組電源針腳包含由第一傳導材料製成的一第一電源針腳212,及由與第一電源針腳212之第一傳導材料相異之第二傳導材料製成的一第二電源針腳214。第一電源針腳212係於非加熱部分206、208內電氣連接至第二電源針腳214,以形成接合部220、230及240。如圖中進一步所示,第二電源針腳214延伸到加熱部分202中,且係電氣連接至對應的電阻式加熱元件204。此外,第二電源針腳214界定了大於相對應電阻式加熱元件204之一橫截面積,而不在第二電源針腳214與電阻式加熱元件204間的連接處建立另一接合部或可量測的熱量。
如圖中進一步所示,一端接部分250係與非加熱部分206接連,而多個第一電源針腳212離開非加熱部分206,且延伸到端接部分250中用以電氣連接至多條引線及一控制器(圖中未顯示)。類似於先前敘述,電阻式加熱元件204各係由與第一電源針腳212之第一傳導材料及第二電源針腳214之第二傳導材料不同的一材料所製成,且其中第一電源針腳212對第二電源針腳214的接合部220、230及240各沿著非加熱部分206、208之長度置設在不同位置。更特定的是,舉例來說,接合部220係在距離L1
處,接合部230係在距離L2
處,而接合部240係在距離L3
處。
如圖13中所示,在接合部220、230及240之溫度對時間”t”的所示關係下,接合部220係沒入流體F中,接合部230係沒入流體F中但不深入,而接合部240並未浸入。因此,在各接合部220、230及240檢測電壓變化可提供流體位準相對於加熱部分202的指示。特別是在流體為烹煮/煎炸應用中的油時,為人所欲的是加熱部分202於操作期間不暴露在空氣中而不會造成火災。利用根據本案揭露內容之教示所構成的接合部220、230及240,一控制器可判定流體位準是否過於靠近加熱部分202,而因此中斷加熱器200的電力。
雖然此範例中僅繪示三個接合部220、230及240,但應了解的是,任何數目的接合部可在保留於本案揭露內容之範疇內的情況下被運用,只要該等接合部不在加熱部分202中。
現參照圖14,本案揭露內容之另一態樣如圖示包括加熱器系統270中以區位配置的多個加熱器芯體300。在此範例態樣中的加熱器芯體300如前述為卡匣式加熱器,然而,應了解的是,亦可使用如本文所提之其他類型的加熱器。因此,本案揭露內容中此態樣下的卡匣式加熱器架構不應被解釋為限制本案揭露內容之範疇。
各加熱器芯體300如圖示包括多個電源針腳301、302、303、304及305。類似於該等前述態樣,電源針腳係由不同傳導材料製成,且更特定的是,電源針腳301、304及305係由一第一傳導材料製成,電源針腳302、303及306係由與第一傳導材料相異之一第二傳導材料製成。如圖中進一步所示,至少一跨接件320係連接在相異的電源針腳之間,而在此範例中,係連接在電源針腳301及電源針腳303之間,以獲得靠近跨接件320之位置的一溫度讀數。此跨接件320可為例如足以獲得指出靠近跨接件320之位置的溫度之毫伏信號的一引線或其他傳導構件,其亦如先前所說明及描述地與控制器70連通。任何數目的跨接件320可跨越相異的電源針腳而使用,且另一位置如圖中繪示係在電源針腳303與電源針腳305間的跨接件322,介於區位3及區位4之間。
在此範例態樣中,電源針腳301、303及305係分別為加熱器電路中介於相鄰電源針腳302、304及306之間的中性腳。更特定的是,區位1中的一加熱器電路可在電源針腳301與302之間,而有電阻式加熱元件(例如圖1中所示之元件22)位於這些電源針腳之間。區位2中的一加熱器電路可在電源針腳303與304之間,而有電阻式加熱元件位於這兩個電源針腳之間。類似地,區位3中的一加熱器電路可在電源針腳305與306之間,而有電阻式加熱元件位於這兩個電源針腳之間。應了解的是,這些加熱器電路僅為例示,且根據先前所述之卡匣式加熱器的教示且參照圖1來說明。
現參照圖15,在一態樣中,加熱器400組配成包括可配置在加熱器400內或外部以量測溫度的一主要感測接合部。此加熱器400包括一電阻式加熱元件402、一第一電源針腳404及一第二電源針腳406。此電阻式加熱元件402具有一第一端及一第二端。第一電源針腳404係連接到電阻式加熱元件402之該第一端以形成一第一接合部,且第二電源針腳406係連接到電阻式加熱元件402之該第二端以形成一第二接合部。第一電源針腳404及第二電源針腳406可操作來經由控制器供應電力給加熱元件402。
第二電源針腳406包括一第一引線412及一第二引線414。第一引線412係連結到電阻式加熱元件402之該第二端以形成第二接合部410,且第二引線414係連結到第一引線412以在一第一參考區域形成一主要感測接合部416。第二引線414組配來經由第一引線412將電阻式加熱元件402連接到控制器。
在一態樣中,第一引線412及第二引線414係由相異的傳導材料製成,或更特別地由具有不同席貝克(Seebeck)係數的材料製成。例如可使用多種組合的鎳合金、鐵、銅鎳合金、Alumel®
或類似者。第一引線412及第二引線414在材料上的差異於圖15中藉由不同樣式的線條來表示(例如用於第二引線414的虛線及用於第一引線412的虛點線)。因為材料不同,主要感測接合部416可有效地作為熱電偶以產生被量測來判定在第一參考區域處的溫度之電壓變化。因此,在此態樣中,用以連接到電阻式加熱元件402的接合部408及410係與一感測位置分開。所以,加熱器400不受限於檢測在加熱元件402之端部的溫度,且溫度量測值可在加熱器400內的多個位置被檢測出來。再者,在一態樣中,第一引線412及第二引線414組配來具有於加熱器400外的主要感測接合部416。
如有關圖2所討論的,控制器(圖15中未顯示)係與第一電源針腳404及第二電源針腳406連通,且組配來經由電源針腳404及406供應電力給電阻式加熱元件402。該控制器也組配來基於由感測接合部416利用材料的席貝克係數所生成的電壓變化來計算在第一參考區域的溫度。
在一態樣中,電阻式加熱元件402、第一電源針腳404、及第二電源針腳406之第一引線412係由相同的傳導材料製成或由類似的席貝克特性(亦即實質上相同的席貝克係數)之材料製成。因此,由第一接合部408及第二接合部410所生成的電壓變化大致上為零,且由該控制器判定的溫度量測係基於由主要感測接合部416所生成的電壓變化。
在另一態樣中,電阻式加熱元件402、第一電源針腳404、及/或第二電源針腳406之第一引線412係由不同的傳導材料製成。搭配這樣的組態,第二引線414的材料係選擇成使得第二引線414的席貝克係數與電阻式加熱元件402、第一電源針腳404、及第二電源針腳406之第一引線412的席貝克係數最為相異。因此,主要感測接合部416被提供作為整體溫度量測的最大促成者,且來自第一接合部408及第二接合部410的任何溫度量測被最小化。
如先前所討論的,溫度可在電源信號之零交越點處被檢測。另外,控制器組配來在加熱模式與量測模式之間作切換,該加熱模式用於將電力導向電阻式加熱元件,而該量測模式用以量測在主要感測接合部416處的電壓變化以判定在參考區域處的溫度。
參照圖16,在一態樣中,一加熱器420包括彼此靠近的兩個感測接合部以檢測在該兩個感測接合部間的有效點之溫度。在此,加熱器420包含一電阻式加熱元件422、一第二電源針腳424及一第一電源針腳426。此電阻式加熱元件422包含一第一端與一第二端。第一電源針腳426與加熱元件422之該第一端形成一第一接合部428,且第二電源針腳424與加熱元件422之該第二端形成一第二接合部430。第二電源針腳424以如同圖15之第二電源針腳406的類似方式來組配,且因此第二電源針腳424包括一第一引線432及一第二引線434,第一引線432係連接到電阻式加熱元件422以形成第二接合部430,而第二引線434係連接到第一引線432以在加熱器420內的一第一參考區域處形成一第一主要感測接合部440。
在此態樣中,第一電源針腳426以與第二電源針腳424類似的方式來組配,且第一電源針腳426包含兩條引線(亦即第三引線436及第四引線438)以形成一感測接合部。更特別的是,第三引線436係連接到電阻式加熱元件422之第一端以形成第一接合部428,而第四引線438與第三引線436在一第二參考區域形成一第二主要感測接合部442。此第二主要感測接合部442設置在加熱器420之第二參考區域處,該第二參考區域與具有第一主要感測接合部440之第一參考區域相鄰及靠近。雖然感測接合部440及442設置在加熱器420內,但感測接合部440及442也可設置在加熱器420外。
類似於第二電源針腳424,第三引線436係由與第四引線438相較下不同的傳導材料製成,且具有與第二電源針腳424之第二引線434不同的導電材料。因此,第二主要感測接合部424可有效地為熱電偶,其用來接合該第一感測接合部以判定在第一與第二參考區域間的溫度。再者,電阻式加熱元件422、第二電源針腳424之第一引線432、及第一電源針腳426之第三引線436係由相同的傳導材料或具有類似的席貝克係數之材料製成,使得由第一接合部428及第二接合部430所生成之電壓變化大致上為零,且由控制器判定的溫度量測結果係基於在感測接合部440及442之電壓變化。
前述控制器(圖16中未顯示)組配來經由第一電源針腳426及第二電源針腳424供應電力給加熱元件422,及基於由接合部440及442生成的電壓變化來量測在兩個感測接合部440及442間的一有效點之溫度。在一態樣中,在第一及第二參考區域處之溫度假設為大致上相同,且因此由該控制器檢測之溫度係與第一及第二參考區域間的有效點相關聯。
參照圖17A及圖17,在一態樣中,主要感測接合部設置在一卡匣式加熱器中,以量測在該加熱器外的一有效點之溫度或在該加熱器內的一參考區域之溫度。圖17A繪示出一卡匣式加熱器450,其包括為金屬線形式的一電阻式加熱元件452、一第一電源針腳454、及一第二電源針腳456。卡匣式加熱器450組配來包括了設置在加熱器450外的兩個感測接合部,以量測在兩個感測接合部間的一有效點之溫度。
更特別地是,在一態樣中,電阻式加熱元件452係如就圖1所討論地纏繞或圍繞一非傳導部分(或此形式中為芯體)設置。第一電源針腳454包含一第一引線458及一第二引線460。第一引線458係連接到電阻式加熱元件452之第一端以形成一第一接合部462,且第二引線460與在加熱器450外的一第一參考區域處之第一引線458形成一第一主要感測接合部464。第二電源針腳456包含一第三引線466及一第四引線468。第三引線466係連接到電阻式加熱元件452以形成第二接合部470。第四引線468係連接到第三引線466以在加熱器450外的一第二參考區域處形成一第二主要感測接合部472。第一主要感測接合部464及第二主要感測接合部472係彼此相鄰且靠近配置。
在一態樣中,電阻式加熱元件452、第一電源針腳454之第一引線458、及第二電源針腳456之第三引線466係由相同的材料或具有類似的席貝克特性之材料製成,且與第一電源針腳454之第二引線460及第二電源針腳456之第四引線468不同之材料製成。此外,第一電源針腳454之第二引線460的材料與第二電源針腳456之第四引線468的材料不同。因此,第一主要接合部464及第二主要接合部472作為熱電偶以檢測在兩個接合部464及472間的有效點處之溫度。
圖17B繪示出具有在加熱器內的一主要感測接合部的一卡匣式加熱器480。此卡匣式加熱器480包括了具有兩個端部、一第一電源針腳484、及一第二電源針腳486之一電阻式加熱元件482。第一電源針腳484與加熱元件482之第一端形成一第一接合部488,且第二電源針腳486與加熱元件482之第二端形成一第二接合部490。類似於圖15中之加熱器,第二電源針腳486包括一第一引線492及一第二引線494,此等引線係由不同的材料(亦即具有不同的席貝克係數)製成。第一引線492係連接到電阻式加熱元件482之第二端以形成第二接合部490,且第二引線494係連接到第一引線492以在加熱器480內之第一參考區域處形成一主要感測接合部496。因此,此主要感測接合部496可作為熱電偶以量測該第一參考區域處之溫度。
在一態樣中,電阻式加熱元件482、第一電源針腳484、及第二電源針腳486之第一引線492係由相同的傳導材料或具有類似的席貝克特性之材料製成。因此,由第一接合部488及第二接合部490所生成之電壓變化大致上為零,且由控制器判定的溫度量測結果係基於主要感測接合部496所造成之電壓變化。
參照圖18,本案揭露內容之主要感測接合部也可用作為熱流量感測器的一部分,以估計在一加熱器的內表面與外表面間之溫度。更特別的是,在一態樣中,一加熱器500係可運作來加熱流通過一管體之流體(例如氣體),且此加熱器500包含一電阻式加熱(亦即熱)元件502 (以假想線顯示)、一第一電源針腳504及一第二電源針腳506。雖然未在圖18中完全繪示出來,但電阻式加熱元件502組配成延伸通過加熱器500,且由一蓋體保護著。第一電源針腳504及第二電源針腳506延伸到加熱器500之蓋體內,以分別與加熱元件502之第一端形成一第一接合部及與加熱元件502之第二端形成一第二接合部。
電阻式加熱元件502為一雙線式加熱元件,使得其具有加熱器及溫度感測器之功能。此雙線式性能係於例如美國專利第7,196,295號中揭露,該專利案係與本申請案共同讓渡且係整個藉由參考方式併入本文。一般來說,針對一雙線式系統,加熱元件502係由高電阻溫度係數(TCR)材料製成。一控制器(圖18中未顯示)係與第一電源針腳504及第二電源針腳506連通,且組配來量測跨越電源針腳504及506之電壓(即mV)變化。利用此電壓變化,該控制器計算出電阻式加熱元件502之平均溫度(例如有關R1)。
第一電源針腳504包括一第一引線508及一第二引線510,此等引線係由不同的材料製成(亦即具有不同的席貝克係數)。第一引線508與加熱元件502形成第二接合部,且第二引線510與第一引線508在一第二參考區域處形成一主要感測接合部512,此第二參考區域係沿著加熱器500之外表面(亦即R2)(亦即沿著與加熱元件502之平面不同的一個平面)。因此,主要感測接合部512係可作為熱電偶運作來基於由感測接合部512生成的電壓變化來量測在第二參考區域處之溫度。電阻式加熱元件502、第二電源針腳506、及第一電源針腳504之第一引線508係由相同的材料或具有類似的席貝克特性之材料製成。
在一態樣中,控制器組配來基於加熱元件502之溫度量測、在主要感測接合部512處之溫度、及從該控制器傳遞給加熱器500之電力,來估計在加熱器500之內表面(即第一參考區域)與外表面(即第二參考區域)間的有效點之溫度。更特別的是,該控制器利用跨越電源針腳506及504之電壓變化來判定在第一參考區域處的該加熱元件之平均溫度,如前文就雙線式系統所述。該控制器基於由主要感測接合部512生成的電壓變化、及第一引線508及第二引線510之席貝克係數,更判定在第二參考區域處之溫度。利用兩個量測,所提供的電力及加熱器幾何型態,該控制器可計算出在加熱器500中一期望位置(例如加熱器內的任何位置)的第三參考區域處之溫度。此外,若加熱器500之幾何為已知的,則該控制器也可組配來判定在加熱器500之內表面與外表面間的一熱流量。此熱流量可利用來例如:檢測冷流體之進入區域、調整溫度設定點及/或其他適合的系統控制方式。雖然加熱器500係繪示為一管體,但此加熱器可組配成其他適合的形狀(例如一平板),且仍舊落在本案揭露內容之範疇內。
再者,在一態樣中,於加熱器500通電前,此加熱器500大致上處於室溫,使得主要感測接合部512係與高TCR元件線(亦即加熱元件502)處於相同的或大致上相同的溫度。控制器組配來使用主要感測接合部512量測溫度,且更量測加熱元件502之電阻。該控制器把加熱器500之電阻與主要感測接合部512所量測之溫度關聯起來,且利用此基準值來將其他電阻值轉換為溫度,藉此校正加熱元件502。
參照圖19,一主要感測接合部可組配成多種適合的方式以改善沿著一表面的溫度量測。例如,在一態樣中,一主要感測結合部550係由用不同的材料製成之第一引線552及第二引線554形成。此感測接合部550具有一平面的形狀(即平坦的),且係由一加熱擴散器556環繞,該加熱擴散器為一熱傳導材料(例如銅)用以改善與表面的熱接觸及用以擴散從該加熱元件而來的熱能。
本案揭露內容之主要感測接合部作為熱電偶以使溫度量測能夠在加熱器內及甚至外面的不同位置進行。因此,溫度量測不受限於加熱元件之端部。此外,加熱器不再需要分立溫度感測器,藉此降低該加熱器的複雜度。
應注意到的是,揭露內容並不受限於作為範例描述及說明的實施例。本文中已敘述許多種類的修改例,且更多為熟於此技者之知識的一部分。這些及進一步的修改與技術等效物的任何替代例可添加至說明書及圖式中,而不脫離本案揭露內容及本案之保護的範疇。
20、20’、100-108、120、150、200、400、420、500‧‧‧加熱器
22‧‧‧(電阻式加熱)元件
22’、110、130、204、402、452‧‧‧電阻式加熱元件
24、26‧‧‧端部(分)
28‧‧‧芯體/非傳導部分
30‧‧‧近端
32‧‧‧遠端
34‧‧‧第一孔
36‧‧‧第二孔
40、504‧‧‧(第一)電源針腳
40’、42’、301~305‧‧‧電源針腳
42、506‧‧‧(第二)電源針腳
50‧‧‧(第一)接合部
52‧‧‧(第二)接合部
60、112‧‧‧護套
62‧‧‧密封構件
64‧‧‧介電填充材料
70‧‧‧控制器
72‧‧‧FET
73~75‧‧‧電阻器
76‧‧‧量測電路
80‧‧‧引線
82、84‧‧‧(引線)接合部
86、88‧‧‧信號線
90、92、94、A~C‧‧‧區位
96、98、100‧‧‧端部分
114‧‧‧填充絕緣體
122、132、212、404、426、454、484‧‧‧第一電源針腳
124、134、214、406、424、456、486‧‧‧第二電源針腳
126、136、408、428、462、488‧‧‧第一接合部
128、138、410、430、470、490‧‧‧第二接合部
140‧‧‧熱交換器
142‧‧‧加熱元件
150‧‧‧(層狀)加熱器
152‧‧‧介電層
154‧‧‧基體
156‧‧‧電阻式加熱層
158‧‧‧保護層
160、220~240‧‧‧接合部
162、412、432、458、492、508、552‧‧‧第一引線
202‧‧‧加熱部分
206、208‧‧‧非加熱部分
250‧‧‧端接部分
270‧‧‧加熱器系統
300‧‧‧加熱器芯體
320、322‧‧‧跨接件
414、434、460、494、510、554‧‧‧第二引線
416、512、550‧‧‧(主要)感測接合部
422、482、502‧‧‧(電阻式)加熱元件
436、466‧‧‧第三引線
438、468‧‧‧第四引線
440‧‧‧第一主要感測接合部/感測接合部/接合部
442‧‧‧第二主要感測接合部/感測接合部/接合部
450、480‧‧‧(卡匣式)加熱器
464‧‧‧第一主要感測接合部/第一主要接合部/接合部
472‧‧‧第二主要感測接合部/第二主要接合部/接合部
496‧‧‧主要感測接合部
556‧‧‧加熱擴散器
F‧‧‧流體
L1~L3‧‧‧距離
P1~P9‧‧‧節距
為了使本揭露內容可以更好了解,現將參照附圖描述其以範例方式提供的多個形式,且附圖中:
圖1係為根據本案揭露內容之教示所建構具有雙重目的電源針腳的一電阻式加熱器之一側視橫截面圖;
圖2係為圖1之電阻式加熱器及根據本案揭露內容之教示所建構具有引線之控制器的一透視圖;
圖3係為繪示根據本案揭露內容之一形式所建構之一切換電路及量測電路的一電路圖;
圖4係為具有多個加熱區且根據本案揭露內容之教示而建構之替換形式的加熱器之一側視橫截面圖;
圖5係為本案揭露內容之替代形式的一側面正視圖,其繪示依續連接且根據本案揭露內容之教示所建構的多個加熱器;
圖6係為具有含連續可變節距之電阻式元件且根據本案揭露內容之教示所建構之加熱器的另一態樣之一側視橫截面圖;
圖7係為具有在多個加熱區中有不同節距之電阻式元件且根據本案揭露內容之教示所建構之加熱器的另一態樣之一側視橫截面圖;
圖8係為採用一加熱器且根據本案揭露內容之教示所建構之一熱交換器的一側視橫截面圖;
圖9係為繪示採用雙重目的電源針腳且根據本案揭露內容之教示所建構之一層狀加熱器的一側視橫截面圖;
圖10係為繪示根據本案揭露內容之教示所構成的方法之一流程圖;
圖11係為用於流體浸入式加熱且根據本案揭露內容之教示所建構之加熱器的一透視圖;
圖12係為根據本案揭露內容之教示所構成的圖11之加熱器的一部分之一側視橫截面圖;
圖13係為繪示在根據本案揭露內容之教示所構成的圖10之加熱器的多個接合部處之範例性溫度差的一圖表;
圖14係為具有區位中之多個加熱器芯體且根據本案揭露內容之教示的本案揭露內容之另一形式的一透視圖;
圖15繪示根據本案揭露內容之教示所構成的具有一主要感測接合部之一加熱器;
圖16繪示根據本案揭露內容之教示所構成的具有兩個主要感測接合部之一加熱器;
圖17A與圖17B係為根據本案揭露內容之教示所構成的具有主要感測接合部之卡匣式加熱器的外觀圖;
圖18係為根據本案揭露內容之教示所構成的具有一主要感測接合部以及雙線式加熱元件之管狀加熱器的立體圖;以及
圖19繪示根據本案揭露內容之教示所構成的具有增強溫度量測特徵之一主要感測接合部。
本文附圖係僅供例示,且不意欲以任何方式限制本案揭露內容之範疇。
20‧‧‧加熱器
22‧‧‧(電阻式加熱)元件
24、26‧‧‧端部(分)
28‧‧‧芯體/非傳導部分
30‧‧‧近端
32‧‧‧遠端
34‧‧‧第一孔
36‧‧‧第二孔
40‧‧‧(第一)電源針腳
42‧‧‧(第二)電源針腳
50‧‧‧(第一)接合部
52‧‧‧(第二)接合部
60‧‧‧護套
62‧‧‧密封構件
64‧‧‧介電填充材料
Claims (15)
- 一種加熱器,包含:一電阻式加熱元件;一第一電源針腳,與該電阻式加熱元件之一第一端形成一第一接合部;以及,一第二電源針腳,包含:一第一引線,與該電阻式加熱元件之一第二端形成一第二接合部,且界定一第一傳導材料;以及一第二引線,與該第一引線在一第一參考區域處形成一主要感測接合部,其中該第二引線界定與該第一傳導材料相異的一第二傳導材料,致使該主要感測接合部作為一熱電偶以基於由該主要感測接合部生成之電壓變化來量測該第一參考區域處之溫度,該主要感測接合部所量測之溫度表示該加熱器的整體溫度,且來自該第一接合部與該第二接合部的溫度量測被最小化。
- 如請求項1之加熱器,其中該第一電源針腳、該第二電源針腳之該第一引線、及該電阻式加熱元件係由相同的材料製成。
- 如請求項1之加熱器,其中該第一電源針腳及該第二電源針腳之該第一引線係由相同的材料製成。
- 如請求項1之加熱器,其更包含與該第一電源針腳及該第二電源針腳連通的一控制器,其中該控制器組配來在一加熱模式與一量測模式之間切換,該加熱模式用於將電力導向該電阻式加熱元件,而該量測模式用以量測由該主要感測接合部生成的電壓變化以判定該第一參考區域處的溫度。
- 如請求項4之加熱器,其中該控制器組配來利用 由該主要感測接合部量測之溫度來校準該電阻式加熱元件。
- 如請求項4之加熱器,其中該電阻式加熱元件可運作來感測在沿著該電阻式加熱元件的一第二參考區域處之溫度,且該控制器量測該電阻式加熱元件之電阻以判定在該第二參考區域處之溫度。
- 如請求項6之加熱器,其中該控制器組配來基於在該第一參考區域處、該第二參考區域處之溫度、加熱器幾何型態、及傳遞給加熱器元件之電力,來計算在一第三參考區域處之溫度。
- 如請求項1之加熱器,其更包含與該第一電源針腳及該第二電源針腳連通的一控制器,其組配來量測在該第一接合部及該第二接合部之電壓變化,而不中斷供給該電阻式加熱元件的電力。
- 如請求項1之加熱器,其中該第一電源針腳、該第二電源針腳之該第一引線、及該電阻式加熱元件之一席貝克(Seebeck)係數實質上相同。
- 如請求項1之加熱器,其中該主要感測接合部係沿著該電阻式加熱元件配置在該電阻式加熱元件之該第一端及該第二端之間。
- 如請求項1之加熱器,其中該主要感測接合部係配置在該加熱器外面。
- 如請求項1之加熱器,其中該第一電源針腳包含:一第三引線,其連接到該電阻式加熱元件之第一端以形成該第一接合部,且該第三引線界定該第一傳導材料,以及一第四引線,其與該第三引線在一第二參考區域形成一第二主要感測接合部,該第二參考區域相鄰且靠近該第一參考區域,其中該第四引線界定與該第一傳導材料及該第二傳導材料 不同的一第三傳導材料以作為一熱電偶,且與該主要感測接合部配合使用來判定該等第一及第二參考區域間的溫度。
- 如請求項12之加熱器,其中該第二電源針腳的該第一引線、該第一電源針腳之該第三引線、及該電阻式加熱元件之席貝克係數實質上相同。
- 如請求項1之加熱器,更包含有配置在該主要感測接合部周圍的一熱擴散器。
- 如請求項1之加熱器,更包含:一非傳導部分,界定一近端及一遠端,該非傳導部分具有延伸穿過至少該近端的第一孔及第二孔,其中該等第一及第二電源針腳係置設在該等第一及第二孔內,且該電阻式加熱元件係圍繞該非傳導部分設置;環繞該非傳導部分的一護套;以及一密封構件,係置設在該非傳導部分之近端部分且至少部分地延伸到該護套內。
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