專利名稱：液體加熱容器的加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及對液體加熱容器的加熱器的改進(jìn)，尤其是對其保溫能力的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
液體加熱容器，比如說那些適于把水加熱到沸騰狀態(tài)的加熱容器，主要應(yīng)用一種所謂的底面下的加熱器(under-floor heater)。這些液體加熱容器包括裝有護(hù)套的加熱器元件，這些加熱器元件恰當(dāng)?shù)剡B接在或者形成在平板的底部，平板形成加熱容器的基座或者基座的一部分。裝有護(hù)套的器件本身由電阻絲組成，該電阻絲例如可以為鎳鉻耐熱合金(鎳/鉻合金的一種)。電阻絲放置在在管狀的護(hù)套內(nèi)部，管狀護(hù)套通常由鋁制成，然后用氧化鎂粉末包覆護(hù)套，氧化鎂粉末除了用做熱導(dǎo)體外，還用做電絕緣體。
根據(jù)下面的公式，和家庭主干線電源相連接的裝有護(hù)套的器件的輸出功率必然取決于它的電阻值P=V2R]]>其中P表示輸出功率，V表示電源電壓(RMS)，R表示加熱器的電阻值。
眾所周知，作為通常用于燒開水的較大輸出功率而言(例如2-3kW)，需要的熱水器的電阻會相對較低；從240V的電壓源中輸出3kW的功率需要19歐姆的電阻。借助常規(guī)長度器件中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的鎳鉻導(dǎo)線很容易實(shí)現(xiàn)上述阻值。
然而，對液體加熱容器的附加功能的需求不斷增大。一個(gè)普遍的需求是使容器中的液體保持在沸騰溫度左右或者低于沸騰溫度。與在合理的時(shí)間內(nèi)把液體(例如水)從房間溫度加熱到沸騰溫度所需要的功率相比，這需要的功率要小得多。因此，就產(chǎn)生了這樣一種需求即能夠提供一種將液體的溫度保持在沸騰溫度左右或者低于沸騰溫度的功率較低的器件。這樣的器件被稱為保溫器件。在具有代表性的應(yīng)用中，保溫器件可能僅僅需要60W的功率。將該功率用到上面的公式中，得到960歐姆的電阻值。然而，因?yàn)槭褂玫碾娮杞z必須非常細(xì)，所以具有這種數(shù)量級阻值的裝有護(hù)套的器件難以制造(因此昂貴)。這也使得這種器件容易毀壞。另一個(gè)缺點(diǎn)是為了容納足夠長度的金屬絲，以能夠用甚至是最細(xì)的使用電阻絲達(dá)到所需的電阻值，器件必須至少和標(biāo)準(zhǔn)的滿功率器件一樣長或者比標(biāo)準(zhǔn)的滿功率器件長。這樣增加了成本并限制了作為整體的器具的設(shè)計(jì)自由性。
通常折衷的辦法是用溫度調(diào)節(jié)裝置來使主加熱器循環(huán)，或者使用更高功率的第二加熱器，來供給所需要的較低的平均功率。然而，因?yàn)樾枰~外的組件并且連續(xù)地開關(guān)加熱器是產(chǎn)生電磁干擾的勢源，因此這并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種改進(jìn)的加熱器。當(dāng)從第一視圖看，本發(fā)明提供一種用來封閉液體加熱容器基座上開口的加熱器。該加熱器包括基板；和所述基板之間處于良好熱接觸狀態(tài)的主器件和第二加熱器，該主器件用來將容器中的液體加熱到預(yù)定的溫度，第二加熱器的功率比第一加熱器低，所說的第二加熱器包括圍繞在絕緣芯周圍并具有細(xì)長電阻形狀的電阻器。
因此，人們會發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明所述，加熱器用設(shè)置在絕緣芯周圍的電阻做為功率較低的保溫元件。細(xì)長形的電阻可以是某種膜式電阻，例如其可以為金屬薄片或者薄的膜式電阻，但是優(yōu)選電阻器包括繞線式電阻器。這樣的電阻器通常包括纏繞在絕緣芯(例如陶瓷芯)周圍的電阻絲，并且，雖然絕緣套不是必要的，但是電阻絲通常覆蓋有絕緣套。它們隨處可見并普遍用作電子電路的獨(dú)立組件。應(yīng)用到電子線路需要比應(yīng)用在例如放大器上的通常功率損耗略大一些。在自由空間中通常是在幾瓦的等級上。
然而，申請人已經(jīng)意識到應(yīng)用到本發(fā)明的背景中，例如，與加熱器基座處于緊密的熱連接狀態(tài)中，加熱器基座本身同諸如水這樣的流體在使用中處于緊密的熱接觸狀態(tài)，水作為非常有效吸熱介質(zhì)使得電阻器可以在高得多的功率下連續(xù)地運(yùn)行。該功率例如可以為60Watts左右，其是使通常燒水容器中的水保溫但不沸騰所需的那種功率。
根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)用作為第二加熱器的保溫加熱器的優(yōu)點(diǎn)是和功率相當(dāng)?shù)难b有護(hù)套的傳統(tǒng)加熱器相比，本發(fā)明的成本要低得多(因?yàn)榇罅可a(chǎn)，固然更容易制造)。并且，本發(fā)明要小很多，其設(shè)計(jì)自由度最大，并且使加熱器最為一個(gè)整體可以更緊湊，從而進(jìn)一步節(jié)省了成本。
電阻器能夠僅僅在一邊和加熱器基座處于熱接觸狀態(tài)。然而，如此設(shè)置有可能不允許足夠的熱量傳遞給液體，以防止過熱。因此，建議把至少部分，優(yōu)選整個(gè)電阻器封裝在導(dǎo)熱材料中。這增強(qiáng)了對流體的熱量傳遞。所述材料可以是金屬，例如電阻器可以位于固定到加熱器基座上的內(nèi)腔中的孔中。可選擇借助將使電阻器頂著基座固定的夾具來進(jìn)行密封。
但是，優(yōu)選將電阻器容納在外殼中，該外殼安裝在基座上并填充有合適的導(dǎo)熱填充材料。該材料應(yīng)當(dāng)具有足夠高的導(dǎo)熱系數(shù)，以防止電阻過熱。優(yōu)選材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于5瓦每米每絕對溫標(biāo)(W/m/K)，更優(yōu)選大于10W/m/K，更優(yōu)選大于15W/m/K。
然而，導(dǎo)熱系數(shù)不是唯一考慮的因素。申請人發(fā)現(xiàn)優(yōu)選填充物的熱膨脹應(yīng)當(dāng)盡可能地接近外殼的熱膨脹。這樣有助于確保在運(yùn)行過程中，不會隨著加熱器的加熱產(chǎn)生空氣間隙，或者產(chǎn)生非常小的空氣間隙，產(chǎn)生空氣間隙或者很小的空氣間隙會對電阻熱量的傳導(dǎo)產(chǎn)生不利影響。例如，在外殼是用鋁制成的場合，如同優(yōu)選的那樣，將具有大約百萬分之20每攝氏度(ppm/℃)大小的熱膨脹系數(shù)。在這種情況下，優(yōu)選填充物的膨脹系數(shù)大于8ppm/℃，更優(yōu)選膨脹系數(shù)大于12ppm/℃。優(yōu)選的填充物包括氧化鎂，例如作為粉末，膩?zhàn)踊蛘吣酀{。一個(gè)合適的填充材料的例子是陶瓷10氧化美混合物，可以從sauereisien ofPittsburgh，MA，USA獲得這種混合物。其具有17-28W/m/K的導(dǎo)熱系數(shù)和9ppm/℃的膨脹系數(shù)?？梢詮膕auereisien得到的陶瓷33S也非常合適。它具有8-10W/m/K的導(dǎo)熱系數(shù)和14ppm/℃的膨脹系數(shù)，理想的混合物是具有和陶瓷10相似的導(dǎo)熱系數(shù)和陶瓷33S相似的膨脹系數(shù)的混合物。
可以根據(jù)特定的應(yīng)用來選擇電阻器的屬性。但是，在優(yōu)選的實(shí)施例中電阻器具有在自由空間中的小于10Watts的設(shè)計(jì)額定功率，優(yōu)選在5-10Watts之間和優(yōu)選約為7Watts。類似地，電阻器的阻值優(yōu)選大于750歐姆，優(yōu)選在750歐姆和1.25千歐之間，優(yōu)選大約為1千歐。


現(xiàn)在將參照附圖通過唯一的一個(gè)例子來描述本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明所述的從加熱器底部看去的透視圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示的加熱器包括一個(gè)碟形的不銹鋼基座盤2，該不銹鋼基座盤2具有大體上平整的中心區(qū)域。在平整的中心區(qū)域上設(shè)置有鋁制散熱板4。在基座的外周焊接有一個(gè)裝有護(hù)套的加熱器件6，其額定功率例如可以為2200W。
裝有護(hù)套的加熱器件6延伸大約300多度，在一對電連接件或者冷端7的位置結(jié)束。在沿器件6徑向朝內(nèi)，與冷端7相對的地方，是一個(gè)窄的長方形外殼或者溝槽8，外殼或者溝槽8也是鋁制的，其焊接在散熱板4上。溝槽8內(nèi)設(shè)置的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的，成品的1千歐姆的線繞電阻器10，其在自由空間的額定值是7Watts。電阻器的導(dǎo)線12以直角彎折，從而在垂直方向上延伸。一對瓷帽14安裝在電阻器10兩端的任何一端處，以將電阻器10牢固地卡在溝槽8內(nèi)并使導(dǎo)線12與溝槽的壁面絕緣。雖然在圖中沒有展示，此后溝槽8內(nèi)填充了可以從sauereisien，Pittsburgh，MA，USA得到的陶瓷10鎂氧化物的混合物，混合物壓緊在通道里面。
然后將控制單元(圖中沒有顯示)安裝到散熱板4上，使主器件的冷端7和電阻器的導(dǎo)線12電連接。然后采用任何一種方便的安置方法，將整個(gè)加熱器組件安裝到液體加熱器的基座上。
在使用中，為了迅速地把容器中的水加熱到沸騰或者再低一些的溫度，控制單元使主加熱器件6通電。在該初始加熱階段可以或者不用使第二加熱器通電，第二加熱器是由線繞電阻器10形成的。一旦達(dá)到期望的溫度，就關(guān)閉主器件6，第二加熱器10或者打開或者保持原運(yùn)行狀態(tài)。通過在1千歐姆的電阻器兩端施加電源電壓(240伏RMS)，電阻器會消耗大約60Watts的能量。這足以使水的溫度保持在稍微低于沸騰溫度的溫度，例如，大約85度。當(dāng)然，供給電阻器10的功率并不需要連續(xù)供給，例如，如果需要更低的平均功率，則可以循環(huán)供給功率。
雖然在大氣中消耗60W的能量會使電阻器10迅速地過熱并且出故障，但是因?yàn)殡娮杵?0安裝在用氧化美混合物包覆的鋁溝槽8內(nèi)，和基座2之間處于非常好的熱接觸狀態(tài)，所以，容器中的水起到非常有效的吸熱作用，因此電阻器的運(yùn)行溫度很好地維持在它正常運(yùn)行的范圍內(nèi)。至少在過熱保護(hù)機(jī)構(gòu)，例如雙金屬調(diào)節(jié)器開始動作為止，即使容器中的水燒干，基座2的熱質(zhì)量也足以防止電阻器過熱。此外，因?yàn)樘畛湮锏臒崤蛎浵禂?shù)和鋁制溝槽8具有相同大小的數(shù)量級，所以在遇到的溫度范圍內(nèi)，在填充物和溝槽壁面之間不會形成大的開口。
權(quán)利要求
1.一種用來封閉液體加熱容器基座上開口的加熱器，該加熱器包括基板；同所述基板處于良好熱接觸狀態(tài)的主器件和第二加熱器，該主器件用來將容器中的流體加熱到預(yù)定的溫度，第二加熱器的功率比第一加熱器低，所述的第二加熱器包括圍繞在絕緣芯周圍呈細(xì)長電阻狀的電阻器。
2.如權(quán)利要求1所述的加熱器，其中所述電阻器包括繞線的電阻器。
3.如權(quán)利要求1所述的加熱器，其中所述的電阻器至少部分包裹在導(dǎo)熱材料中。
4.如權(quán)利要求1所述的加熱器，其中所述的電阻器完全包裹在導(dǎo)熱材料中。
5.如權(quán)利要求1所述的加熱器，其中電阻器容納在外殼中，該外殼安裝在基板上并且填充有導(dǎo)熱填充材料。
6.如權(quán)利要求5所述的加熱器，其中填充物的導(dǎo)熱系數(shù)大于5瓦每米每開爾文度(W/m/K)，優(yōu)選大于10W/m/K，更優(yōu)選大于15W/m/K。
7.如權(quán)利要求5所述的加熱器，其中所述外殼是由鋁制成的。
8.如權(quán)利要求5所述的加熱器，其中外殼具有大約23ppm/℃大小的熱膨脹系數(shù)。
9.如權(quán)利要求7或8所述的加熱器，其中填充材料的熱膨脹系數(shù)大于8ppm/℃，優(yōu)選大于12ppm/℃。
10.如權(quán)利要求5-8任意一項(xiàng)所述的加熱器，其中填充材料包括氧化鎂。
11.如權(quán)利要求5-8任意一項(xiàng)所述的加熱器，其中填充材料具有17-28w/m/k的導(dǎo)熱系數(shù)。
12.如權(quán)利要求5-8任意一項(xiàng)所述的加熱器，其中填充材料具有14ppm/℃的熱膨脹系數(shù)。
13.如權(quán)利要求1所述的加熱器，其中電阻器在自由空間的設(shè)計(jì)功率的額定值小于10瓦，優(yōu)選在5-10瓦之間，并且優(yōu)選約為7瓦。
14.如權(quán)利要求1所述的加熱器，其中電阻器的阻值優(yōu)選大于750歐姆，優(yōu)選在750和1250歐姆之間，優(yōu)選約為1000歐姆。
全文摘要
一種用來封閉液體加熱容器基座上開口的加熱器，該加熱器包括基板(2)，同所述基板(20處于良好熱接觸狀態(tài)的主器件(6)，主器件(6)用來將容器中的流體加熱到預(yù)定的溫度，和功率比第一加熱器低的第二加熱器，所述的第二加熱器包括圍繞在絕緣芯周圍呈細(xì)長電阻狀的電阻器(10)。電阻器(10)容納在安裝到基板上并且填充了合適的導(dǎo)熱填充材料的外殼(8)上，所述導(dǎo)熱材料至少局部包裹所述電阻器(10)。
文檔編號A47J27/21GK1940400SQ20061014473
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月26日
發(fā)明者M·J·斯科特, I·芬納 申請人:施特里克斯有限公司