專利名稱：厚膜加熱器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及本領域中稱之為厚膜加熱器類型的電加熱器，并且特別，但不僅僅涉及形成液態(tài)加熱容器的底座或其一部分的厚膜加熱器。
典型的厚膜加熱器包括一個金屬襯底，如不銹鋼襯底，在其上燒制一個絕緣層，典型地為陶瓷或玻璃。然后以一個或一系列電阻軌跡的形式把導電墨汁施加到絕緣層上，最后施加釉面，以防止軌跡氧化并且在某些情況下提供與軌跡的電絕緣。
利用厚膜加熱器形成液體加熱容器如帶柄水壺的底座或部分底座在今天已變得日益常見。這種加熱器在這些應用中優(yōu)于更傳統(tǒng)的全浸入式鎧裝元件。這首先的是因為厚膜加熱器通常具有一個平面的液體加熱面，并且易于清潔。其次，可以實現(xiàn)較高的功率并因而減短沸騰所需時間。另外，厚膜加熱器的平面表面比上述的鎧裝元件具有更符合美學效果的外觀。
但是，需要特別小心和注意厚膜加熱器以確保操作的安全性。這是因為厚膜加熱器一般具有比鎧裝元件低的熱容量和高的功率密度。當加熱液體時這是一種優(yōu)點，因為它能使液體被迅速加熱，這意味著包含一個厚膜加熱器的液體加熱容器如果在干時接通或是煮干，加熱器的溫度將極快的上升并因而達到非常高的溫度。
已知尤其當厚膜加熱器干時接通時，會發(fā)生絕緣層的微裂。這種微裂會危及襯底和軌跡之間的電絕緣層，導致加熱器在標準絕緣測試，如1500V的瞬間高壓實驗中失敗，而這種測試是為滿足歐洲安全標準所要求的。因此需要采取避免這種微裂的步驟。
為了避免與微裂有關的問題，在WO98/03038中提出了在制造期間把厚膜加熱器形成在碟形結構中，凹面處于加熱器支撐絕緣層的一側。這據(jù)說是為了把該層置于永久的壓縮狀態(tài)。雖然這種方法在防止微裂方面有成功之處，但它增加了制造成本，因為一旦應用加熱軌跡，就必須執(zhí)行額外的步驟，因為對于現(xiàn)有技術，軌跡必定是應用到平面表面上的。
但是，本申請人已經認識到微裂是由襯底膨脹導致粘附在其上的絕緣層中產生過度的拉伸應變而產生，本發(fā)明提供了一種液體加熱容器，它包括一個厚膜加熱器，它具有一個通常為平面的金屬襯底，一個位于所述襯底上的電絕緣層和一個施加到絕緣層上的電阻加熱軌跡；和在操作期間減小加熱器絕緣層的拉伸應變的裝置。
本申請人認識到，尤其在干接通的狀態(tài)下，襯底上(經由絕緣層)安裝加熱軌跡的面的溫度上升的比反面-即通常與待加熱液體接觸的面快，這樣因為它的兩個面以不同的速率膨脹，所以在襯底中引發(fā)應力。在沒有任何制約的情況下，這種應力導致襯底最外層的加熱面彎曲，由此使絕緣層發(fā)生應變并導致微裂。
所以根據(jù)本發(fā)明，減小絕緣層拉伸應變的裝置可以包括限制操作期間加熱器撓曲的裝置。
因此，從一個更廣的范圍來說，本發(fā)明提供一種裝置，包括一個厚膜加熱器，它具有一個通常為平面的金屬襯底，一個位于襯底上的電絕緣層和一個施加到絕緣層上的電阻加熱軌跡；和在操作期間限制加熱器撓曲的裝置。
這種裝置例如可以包括布置成與加熱器接觸以避免撓曲的裝置，例如是一種可以布置成在加熱器撓曲預定量之后與加熱器接觸的裝置，其中預定的撓曲量小于引起微裂的量。因此這種裝置可以包括一個合適的熱阻元件，如一個或多個布置成與加熱器接觸的導柱。這種元件可以連結到容器的主體或與容器的主體形成一體。這種元件甚至可以與加熱器永久接觸以力圖從而基本上消除拉伸應變。
但是，更具體地說，這種裝置可以包括向加熱器實施外力的裝置。這種外力例如可以通過一個作用到加熱器的彈簧來實施。彈簧的具體位置和強度可以憑經驗決定。
因此，從一個更廣的范圍來說，本發(fā)明提供一種裝置，包括一個厚膜加熱器，它具有一個通常為平面的金屬襯底，一個位于襯底上的電絕緣層和一個施加到絕緣層上的電阻加熱軌跡；和對加熱器的加熱面施加外力的裝置。
然而，更優(yōu)選地減小絕緣層拉伸應變的裝置是通過加熱器本身提供。這對于其自身的權利特別有利，因為它允許能享用本發(fā)明的優(yōu)點而無需液體加熱容器的制造商采取專門的步驟，并因而當從第二方面看時，本發(fā)明提供一種厚膜加熱器，它具有一個通常為平面的金屬襯底，一個位于襯底上的電絕緣層和一個施加到絕緣層上的電阻加熱軌跡；其中加熱器還包括至少減小操作期間加熱器絕緣層的選定區(qū)域中的拉伸應變的裝置。
根據(jù)本發(fā)明這個方面的減小絕緣層中拉伸應變的裝置可以包括一個緊貼或與金屬襯底形成一體的裝置，用于限制加熱器撓曲或彎曲，如設置在加熱器襯底中的加強裝置。但是，本申請人認識到絕緣層中的拉伸應變直接依賴于溫度，并因而這種拉伸應變可以通過降低溫度而簡單地減小。
這可以通過降低加熱器的總功率密度得到實施，但這樣將對給定的功率輸出要求較大加熱面積，浪費材料。
但是，本申請人認識到厚膜加熱器中發(fā)生微裂的傾向可以通過精心地改變整個加熱器的加熱軌跡的功率密度來減小。根據(jù)本發(fā)明的至少一個優(yōu)選實施例，與具有均勻功率密度分布的標準厚膜加熱器相比，無需必須減小總輸出功率或增大加熱器的表面積而減小厚膜加熱器遭受微裂的傾向。
加熱器的最佳功率密度分布依賴于它的幾何形狀-更具體地說，如果金屬襯底的某些部位極硬，則將導致對于給定的溫度變化最小的拉伸應變。
在最優(yōu)選的實施例中，功率密度的分布設置成加熱器周邊區(qū)域中的功率密度至少高于徑向中間區(qū)域的密度。在加熱器加熱區(qū)域的周邊設置最大的功率密度。這樣是極為有利的，因為金屬襯底從軌跡周邊向外的部分不被直接加熱，并且因而作為軌跡周邊部分的散熱器。這使得軌跡的周邊部分能夠對于給定的最大溫度具有最大的功率密度。
因此，從另一方面看，本發(fā)明提供一個厚膜加熱器，它具有一個通常為平面的金屬襯底，一個位于襯底上的電絕緣層和一個施加到絕緣層上的電阻加熱軌跡；加熱軌跡布置成加熱器周邊區(qū)域中的功率密度高于徑向靠內的區(qū)域的功率密度，因此在使用中，內部區(qū)域的溫度保持在比周邊區(qū)域低的溫度。
來看另一種方法，通過朝向加熱器的周邊(與標準均勻功率分布密度相比)重新分布功率密度，導致金屬襯底的周邊比中心部分更多地擴張，由此在襯底中引發(fā)環(huán)帶應變，該應變至少部分地抵抗厚度方向溫度梯度導致的彎曲應變。有效地拉緊襯底徑向靠內的區(qū)域以減小這些區(qū)域中的應變。
雖然設置有加熱器軌跡的金屬襯底的區(qū)域一般為平面，但最好在該區(qū)域的邊緣形成加強裝置。這使得上述的分布被夸大，因為通過變得強硬，需要較大的應力來產生相同的應變。因此在這種情況下，優(yōu)選功率密度的分布使得軌跡的周邊部分以與其余的軌跡或至少徑向中間區(qū)域軌跡相比最大的溫度工作。這種配置在其自身的權利方面是新穎的，并且從另一個方面看，本發(fā)明提供一種厚膜加熱器，它包括一個在其邊緣包含加強裝置的金屬襯底，一個形成在襯底上的電絕緣層和一個形成在絕緣層上的厚膜電阻加熱軌跡，加熱軌跡布置成軌跡的周邊部分有一個足夠的大功率密度，在加熱器沒與液體接觸的而被激勵的情況下，周邊部分的溫度將大于徑向中間部分的溫度。
通過進一步向周邊偏移功率密度分布使得與徑向中間部分相比在一個升高的溫度下工作，可以增強根據(jù)本發(fā)明前面提出的一個方面實現(xiàn)的效益，因為可以沒有微裂地進一步提高加熱器的總功率。
還可以通過施加不同厚度的導電墨汁、即在周邊區(qū)域施加一個薄層而在周邊部分之內的區(qū)域施加一個厚層而實現(xiàn)加熱器的不同功率密度?；蛘撸梢詫壽E的某些部分施用不同電阻的墨汁。但這兩種方法都將大大地提高制造成本。因此，優(yōu)選通過調節(jié)軌跡部分的寬度、即通過使軌跡的周邊部分窄于徑向中間部分而實現(xiàn)功率密度的變化，使得周邊的軌跡每單位長度具有較高的電阻以及較高的功率密度。
還可以有展示本發(fā)明優(yōu)良特征的多種不同功率密度和溫度曲線。例如，功率密度可以從加熱器的周邊向其中心連續(xù)地降低?；蛘?，功率密度可以從加熱器的周邊到徑向中間區(qū)域降低，并在加熱器的中心保持一個恒定的水平。
但是，功率密度最好從周邊向徑向中間區(qū)域降低，并再向著加熱器的中心增大。功率密度的這種第二局部最大是很有利的，因為它與具有連續(xù)減小的功率密度的類似加熱器相比從整體上增大了加熱器的功率，但是可以布置成不引起在此區(qū)域中微裂的可能性。盤的中心區(qū)域可以承受比徑向中間區(qū)域更大的功率密度而不微裂，這是因為它通過沒有施用任何加熱軌跡的加熱器的中心冷卻。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，軌跡包括一系列同心軌跡環(huán)，每個軌跡環(huán)基本上圍繞盤延伸，優(yōu)選軌跡的端部與例如銀的低阻印刷條相連。
尤其優(yōu)選加熱器為圓形。
下面將通過附圖對本發(fā)明的實施例進行描述

圖1是根據(jù)本發(fā)明的厚膜加熱器簡圖；圖1A是沿圖1所示加熱器的半徑的截面圖，示出了盤的剖面；圖2是關于圖1所示加熱器的各種數(shù)據(jù)的表；圖3a和3b分別表示一種已知加熱器和本發(fā)明的加熱器在干接通之后的一個固定時刻的溫度-直徑曲線；圖4是對于標準加熱器和根據(jù)本發(fā)明的加熱器加熱器中心撓曲-干接通開始時間的曲線。
參見圖1，可以看到本發(fā)明的一個厚膜平面加熱器。從圖中可以看到，電阻加熱軌跡2由一系列同心弧形軌跡部分2a-2i組成。軌跡的各個部分彼此通過銀橋部分4電連結。加熱器的總功率在240VAC時為750W。軌跡部分2a-2i設置在絕緣層6上，大約85微米厚，以常規(guī)的方式沉積在0.5mm厚的不銹鋼板8上。
從圖1A中可以看出，盤8在其中心區(qū)域10處大體為平面，并且圍繞其周邊部分設置一個加強緣12。
軌跡部分2a-2i的寬度從加熱器的邊緣向中心變化。特別是最外層的軌跡部分2a最窄，在向著最內層軌跡部分2i又減小之前，軌跡寬度在徑向中間部分向著軌跡部分2e和2f增大。因為功率密度與軌跡寬度成反比，所以功率密度從2a處的最大減小到2e-2f處的最小，并且在2i處又局部達到最大。從圖2中關于加熱器的數(shù)據(jù)表中可以更詳細的理解前面的描述。
對圖1和2中設計制造的加熱器進行測試，并對標準加熱器，也就是說對關于整個加熱器有恒定的軌跡寬度的加熱器進行關于相同功率的比較測試。這些測試的結果列于圖3a、3b和4。圖3a是干接通6秒鐘后標準盤的溫度曲線。圖3b表示對本發(fā)明加熱器實施的相同測試的結果?？梢钥闯鰷囟惹€有顯著的不同。
首先來看圖3a表示的標準加熱器的曲線，可以看到由于在其上沒有加熱軌跡，盤中心(即沿圖3a水平軸一半處)的溫度處于最小值。在落向盤邊緣之前在大約徑向的中間區(qū)域X中溫度一般上升到一個很寬的最大值。在徑向中間區(qū)域中發(fā)現(xiàn)最高的溫度和最大的機械拉伸應變，這導致在該區(qū)域中微裂。
但是，相反，圖3b中所示本發(fā)明的加熱器的溫度曲線在徑向中間區(qū)域處顯示最小的溫度T，由此至少避免在加熱器被激勵后的6秒之內發(fā)生微裂。選擇6秒的持續(xù)時間做這種測試，因為這是生產的加熱器通過一個熱保護器而被關閉時的所需的時間的上限?？梢钥吹綔囟仍谝粋€方向向著加熱器的周邊上升至最大，并且在另一個方向向著加熱器的中心上升到局部最大。在冷卻之后再檢查加熱器并且看到沒有發(fā)生微裂。
轉過來看圖4，圖中表示對于兩個類似于上述測試中使用的標準加熱器的加熱器中心撓曲-時間曲線(A和B)，以及一個對根據(jù)本發(fā)明的圖1和圖2中提出的加熱器的重復測試。所有的測試在干燥-接通狀態(tài)下進行。從曲線中即刻可以明確地看出在標準加熱器的情況下?lián)锨@著地較大(大約1或2個倍數(shù))。而且還可以看到兩個標準加熱器沒有通過，在干接通后的大約7.5秒時有微裂的危險；而本發(fā)明的加熱器在這兩項測試之后依然很好。
本領域的技術人員應該理解，雖然詳細描述了本發(fā)明的具體實例，但本發(fā)明的原理可以廣泛地應用到具有各種形狀、結果的厚膜加熱器中，不僅僅是具有形成一系列同心環(huán)的軌跡的那些。的確，加熱器不需是圓形的，也可以是橢圓的或任何其它合適的非圓形。另外，本發(fā)明以750W的加熱器為例進行說明，但根據(jù)本發(fā)明原理不同功率的加熱器、尤其是較高功率的加熱器也是有益的。
另外，可以通過對加熱器受熱面的中心施加彈力來機械地減小加熱器的變形。在上述的加熱器中發(fā)現(xiàn)大約40N的彈力可以給出對微裂令人滿意的耐性。
權利要求
1．一種液體加熱裝置，包括一個厚膜加熱器，它具有一個通常為平面的金屬襯底，一個位于襯底上的電絕緣層和一個施加到絕緣層上的電阻加熱軌跡；和在操作期間減小加熱器絕緣層的拉伸應變的裝置。
2．一種加熱裝置，包括一個厚膜加熱器，它具有一個通常為平面的金屬襯底，一個位于襯底上的電絕緣層和一個施加到絕緣層上的電阻加熱軌跡；和在操作期間限制加熱器撓曲的裝置。
3．如權利要求2所述的裝置，其特征在于所述限制裝置包括布置成與加熱器接觸以避免其撓曲的裝置。
4．如權利要求3所述的裝置，其特征在于所述限制裝置包括把外力施加給加熱器的裝置。
5．一種裝置，包括一個厚膜加熱器，它具有一個通常為平面的金屬襯底，一個位于襯底上的電絕緣層和一個施加到絕緣層上的電阻加熱軌跡；和對加熱器的受熱面施加外力的裝置。
6．如權利要求4或5所述的裝置，其特征在于所述的裝置包括一個彈簧。
7．如權利要求1所述的裝置，其特征在于在加熱器本身上設置用于減小絕緣層拉伸應變的裝置。
8．一種厚膜加熱器，它具有一個通常為平面的金屬襯底，一個位于襯底上的電絕緣層和一個施加到絕緣層上的電阻加熱軌跡；其特征在于所述加熱器還包括減小操作期間加熱器絕緣層的至少選擇區(qū)域中的拉伸應變的裝置。
9．如權利要求8所述的加熱器，其特征在于所述的裝置包括一種在加熱器上可變的功率密度分布。
10．如權利要求9所述的加熱器，其特征在于功率密度的分布布置成加熱器周邊區(qū)域中的功率密度至少高于徑向中間區(qū)域的功率密度。
11．如權利要求10所述的加熱器，其特征在于最大功率密度設置在加熱器加熱區(qū)的周邊。
12．一種厚膜加熱器，它具有一個通常為平面的金屬襯底，一個位于襯底上的電絕緣層和一個施加到絕緣層上的電阻加熱軌跡；加熱軌跡布置成加熱器周邊區(qū)域中的功率密度高于徑向靠內的區(qū)域的功率密度，因此在使用中，內部區(qū)域的溫度保持在比周邊區(qū)域低的溫度。
13．如權利要求8至12任一所述的加熱器，其特征在于加熱器包含環(huán)繞其周邊的加強裝置。
14．一種厚膜電加熱器，它包括一個在其邊緣包含加強裝置的金屬襯底，一個形成在襯底上的電絕緣層，和一個形成在絕緣層上的厚膜電阻加熱軌跡，加熱軌跡布置成軌跡的周邊部分有一個足夠的大功率密度，在加熱器沒與液體接觸而被激勵的情況下，周邊部分的溫度將大于徑向中間部分的溫度。
15．如權利要求8至12任一所述的加熱器，其特征在于通過調節(jié)加熱軌跡的寬度實現(xiàn)功率密度的變化。
16．如權利要求8至15任一所述的加熱器，其特征在于軌跡的功率密度從加熱器的周邊向其中心連續(xù)地降低。
17．如權利要求8至15任一所述的加熱器，其特征在于功率密度從加熱器的周邊到徑向中間區(qū)域降低，并在加熱器的中心保持一個恒定的水平。
18．如權利要求8至15任一所述的加熱器，其特征在于功率密度從加熱器的周邊向徑向中間區(qū)域降低，并向著加熱器的中心再度增大。
全文摘要
液體加熱裝置包括一個厚膜加熱器,厚膜加熱器具有一個通常為平面的金屬襯底(8),一個位于襯底(8)上的電絕緣層(6)和一個施加到絕緣層上的電阻加熱軌跡(2)。容器還設置有一種裝置,如在直徑方向加熱軌跡(2)的功率密度有變化的裝置,從而減小在操作期間加熱器電絕緣層(6)的拉伸應變。在一種特定的配置中,功率密度的分布布置成加熱器周邊區(qū)域(2a,2b)的功率密度至少高于加熱器徑向中間區(qū)域(2e,2f)的功率密度。
文檔編號H05B3/26GK1320354SQ0080167
公開日2001年10月31日 申請日期2000年8月14日 優(yōu)先權日1999年8月13日
發(fā)明者科林·P·莫頓 申請人:施特里克斯有限公司