專利名稱：有關(guān)電熱沸水器的改進的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電熱沸水器，比如電水壺和熱水壺的改進，尤其涉及這些器具的控制。
雖然沸水器具包含獨立的元件保護和蒸汽感應(yīng)控制器的情況是普通的，但已經(jīng)提議通過一個控制器來實現(xiàn)兩種功能。在GB-A-2228634中描述了一種單個的電子感應(yīng)控制器，且在GB-A-1143834中描述了一種在一沸水器的水室內(nèi)有一外罩的提議，當水室充水時外罩充滿水，且由該器具的加熱元件加熱，使得當水沸騰時，該室內(nèi)的水被蒸汽從外罩趕出，從而模擬外罩內(nèi)可被一個雙金屬或其他熱傳感器感應(yīng)到的干煮狀態(tài)。
盡管其明顯的簡單性和一個單個感應(yīng)控制器所允諾的優(yōu)點提供了過溫度保護和沸騰感應(yīng)，但就我們所知GB-A-1143834的方案從沒有被GB-A-1143834的所有人投入生產(chǎn)。我們進行的測試表明采用GB-A-1143834中所述的加熱元件是不可能獲得一個滿意的單個感應(yīng)控制器方案的。
GB-A-1143834的外罩構(gòu)想的實現(xiàn)問題的兩種不同的解決方案在WO-A-9318631和WO-A-9318632中描述。在前者中，描述了一種布置方案，其中一不銹鋼護套的加熱元件具有一焊接到一個不銹鋼頂板上的熱返回部分，和一設(shè)在該熱返回部分周圍的外罩，該加熱元件的熱返回部分通過一高度局部的點焊而安裝到頂板上。在后者中，仍然采用一護套的加熱元件且外罩是一包圍該加熱元件的一部分且一般同軸地延伸的結(jié)構(gòu)。
在GB-A-2283155中描述了另一種解決方案，它采用一種所謂的厚膜平板加熱元件，該加熱元件包含一基底，該基底上形成有厚膜電阻跡線或?qū)?，且在該電阻跡線或?qū)雍突字g以及/或在電阻跡線上或更長有適當?shù)慕^緣。
雖然上述的解決方案已經(jīng)使GB-A-1143834的外構(gòu)思想能夠?qū)崿F(xiàn)，但我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在該解決方案中存在的問題可能是電壓敏感。即，在英國的標稱240V電壓的電源下工作的解決方案如果用在比如說西班牙，可能不工作或工作效率低，因為西班牙的電源標稱220V。為了在整個歐洲通用，器具需要在210V至250V的電源電壓范圍內(nèi)充分運行。電源電壓影響在正常狀態(tài)下加熱元件的運行溫度以及在干煮時的升溫率。對于普通的加熱元件過溫度(干煮)保護控制器來說，這并不太嚴重，因為更低的電源電壓不僅意味著加熱元件以更低的溫度運行，而且意味著在干煮時升溫率大大減小，因此使控制器更久才起反應(yīng)。然而對于體現(xiàn)GB-A-1143834的外罩原理的單個干煮感應(yīng)和蒸汽感應(yīng)控制器來說，結(jié)果是用于低電源電壓的控制器可能在高電壓下過早地運行，而用于高電壓的控制裝置可能在低電壓下根本不能運行。
本發(fā)明的目的和概述因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種可以使GB-A-1143834的外罩構(gòu)想可靠地實現(xiàn)而不管電源電壓差別的裝置。
根據(jù)本發(fā)明，在其中一個方面中，一厚膜加熱元件的電阻加熱跡線具有位于該外罩內(nèi)的一部分，該部分由具有負的電阻溫度系數(shù)(NTCR)的材料制成，且該加熱元件跡線的主體部分由具有正的電阻溫度系數(shù)(PTCR)的材料制成。由于這樣的布置，如果加熱元件承受減小的電源電壓，那么其運行溫度減小且該加熱元件跡線的主體部分的電阻(它大于在外罩內(nèi)的跡線部分的電阻)也減小，從而電流下降小于不這樣的情況，且溫度的下降小于如果該跡線具有為零的電阻溫度系數(shù)的情況。在減小的溫度時，該感應(yīng)跡線即在外罩內(nèi)的跡線部分的電阻增加，但通過它的電流被主跡線的電阻基本控制，從而感應(yīng)跡線的功率損耗大于如果它具有為零的電阻溫度系數(shù)時的情況。所以該布置方案有效地補償電源電壓的差別。
對于我們來說，目前已知的且基于導電油墨型可印制漿的、含有分散在載體介質(zhì)中的金屬粉和玻璃粉的可用NTCR和PTCR材料，不能全部補償將獲得的電源電壓的差別，但可獲得良好的結(jié)果。為了實現(xiàn)全部補償，一種方案是使用一種具有無窮大的PTCR的材料作為主體跡線，這可由一居里點裝置來近似。采用這樣的裝置，感應(yīng)跡線的電阻溫度系數(shù)是不相關(guān)的，因為其功率以及其溫度將保持恒定。
本發(fā)明的上述和其他特征在所附的權(quán)利要求中公開，且通過考慮下面參照附圖所作的詳細描述可以更好地理解。
加熱元件2和控制器3可采取不同的形式，在這點上基本的要求是控制器3的熱響應(yīng)致動器必須足夠近地與加熱元件熱接觸，以便響應(yīng)其溫度。控制器3可例如包含一種如GB-A-2-283155中參照圖2描述的上述X1控制器的改進形式，且可具有與加熱元件2的下側(cè)接觸的雙金屬致動器。加熱元件2可包含一形成該加熱元件的上表面的不銹鋼薄片，在其下側(cè)具有一薄層玻璃或其他耐熱電絕緣材料。一電阻加熱元件形成在該玻璃層的表面上，例如通過采用導電油墨型印漿進行印刷，且在該印制的元件上形成另一薄層玻璃或其他耐熱電絕緣材料。印漿通常包含在載體中散布的金屬粉末和玻璃，且在印刷之后燒制形成加熱元件跡線，在混合物中金屬粉末的性質(zhì)及其比例決定該跡線的電學性質(zhì)。
當水壺充水時，外罩4上的孔5允許水進入外罩內(nèi)，且如上所述，用于水在容器1內(nèi)沸騰時由于所產(chǎn)生的蒸汽而使水從外罩排出。隨著水的主體逐步升溫，由于該外罩內(nèi)重要的常規(guī)水流缺乏而導致外罩4內(nèi)的局部沸騰，僅使一股蒸汽從外罩流出，且替代水流從相對較涼的水的主體進入外罩。然而，當水的主體開始沸騰時，較涼的水停止流入外罩內(nèi)且在外罩內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽致使它很快地煮干，使加熱元件的局部溫度有相應(yīng)的快速上升。這種快速溫度上升被控制器3所感應(yīng)到，控制器動作而切斷給加熱元件2的電力供應(yīng)。
外罩4可制成為WO-A-9318631中所述的布置方案那樣，為一金屬片構(gòu)造，它可點焊或鉚接或其他方式附接在控制器3上方所需位置處。如果加熱元件2在一金屬板上形成，或附接在一金屬板上，且該板形成容器的底部，如所述布置方案中，那么控制器也可朝向板的側(cè)面，接近邊緣定位；那么外罩可形成為容器造型的整體一部分，它可布置成重疊該板且覆蓋與控制器的雙金屬元件相反的區(qū)域，且外罩上的通氣孔可由外罩下邊緣的臺階及其上表面上的一或多個孔確定。
作為選擇，本發(fā)明可用在所謂的無繩型沸水器上，例如有一個在我們的國際專利申請PCT/GB93/01814(WO-A-9406185)中所述的那種自由轉(zhuǎn)動的無繩連接器系統(tǒng)。在這樣的應(yīng)用中，控制器可在加熱元件下面居中放置，或者至少相對于容器居中，且外罩可以是一支撐在容器側(cè)面且位于加熱元件的中心的塑料造型。這樣的模制塑料外罩可以與容器整體模制而成，或者可分離制成但附接且支撐在容器壁上。假定外罩接近加熱元件，最好是采用模制塑料外罩，以形成具有優(yōu)良耐熱性能的材料的外罩；一種合適的材料例如可以是聚苯硫醚，例如來自菲利普石油公司(Phillips Petroleum)的RytonTM，它是阻燃的且具有超過300℃的熔點。
圖2是

圖1所示熱水壺的加熱元件的示意圖，為清楚起見省略了大部分的加熱元件跡線。然而，圖2與上述GB-A-2-283155的附圖3B相比較將顯示出很相似，平板的加熱元件2包含一不銹鋼基底或底板31，其上形成有第一層玻璃制成的電絕緣層，在該玻璃層上有導電油墨型印漿形成的一加熱器跡線33，和在加熱跡線33和第一玻璃層上形成的第二玻璃層。在第二玻璃層上有一開口或窗口35，以便露出開口下方的加熱跡線33，且開口35的大小使GB-A-2-283155的圖2的控制器的雙金屬致動器能直接響應(yīng)加熱跡線33的溫度，且使控制器的支架底腳位于開口的玻璃表面外部并包圍該開口。在第二玻璃層上在對應(yīng)加熱跡線33的端子端部位置處提供另外的開口36和37，當控制器與加熱元件配裝而處于工作狀態(tài)時，端子端部接觸控制器3的彈簧導體的向前伸出的部分。
在所述平板加熱元件與所述元件保護控制器的工作過程中，如在GB-A-2283155中更詳細地描述的，控制器的第一雙金屬致動器直接與元件的加熱跡線進行熱傳遞的事實確保了控制器對元件過溫度狀態(tài)的快速響應(yīng)。同時，通過使第二保護裝置，即控制器的可收縮承架與加熱跡線33絕緣，確保了通常伴隨控制器的初次運行的過熱，就是說在初次保護裝置的運行之后，通常在元件上發(fā)生的動態(tài)溫度上升將不導致第二保護裝置的啟動。關(guān)閉第一雙金屬致動器與加熱跡線的熱接觸進一步能夠獲得改進的初次保護響應(yīng)時間，這又減小了溫度過度的程度。這些因素有利于選擇控制器的可收縮承架的適當材料。
根據(jù)本發(fā)明的啟示，加熱元件跡線33形成有一個主體部分50和一個感應(yīng)部分60，該主體部分具有正的電阻溫度系數(shù)，而該感應(yīng)部分具有負的電阻溫度系數(shù)，且成形為對應(yīng)外罩4的覆蓋面且包圍加熱元件的與控制器3的熱敏元件相關(guān)聯(lián)的區(qū)域。當然可以理解圖2中示出的加熱元件跡線33僅是示意性的，而實際上該跡線可以分隔并蜿蜒曲折，例如在EP-A-0787417中所示。
下面的示例說明了本發(fā)明是如何能克服或至少充分減小不同的電源電壓問題的。該示例基于在200伏特至240伏特范圍內(nèi)的電源電壓，且假定在區(qū)域60內(nèi)的感應(yīng)跡線的電阻遠小于加熱元件的主體部分50的電阻。還假定該跡線在20℃和180℃之間具有線性的電阻溫度系數(shù)，這不是嚴格準確的但足夠顯示出示例的作用。其他的假定在該示例中是顯而易見的。
1．假定跡線的長度為1500mm，其中感應(yīng)部分為30mm。在180℃的標稱運行溫度(假定20℃的基準溫度，這將是溫度上升160℃)下元件的電阻為28歐姆，因此其功率在標稱240V時將約為2000W。因為最初需要均勻的功率輸出，所以在180℃時的功率密度對于主體和感應(yīng)跡線是相同的。這樣基于它們的相對長度，主跡線將具有27.4歐姆的電阻，而感應(yīng)跡線將為0.6歐姆。這在控制器上提供了41W的功率損耗。正是這個在供應(yīng)電壓范圍上應(yīng)當盡可能保持恒定的功率來確保一致的性能。
2．假定主跡線的PTCR為2500ppm，或者0.0025/℃。這高于目前通常采用的，因為它允許更高的冷啟動電流。然而，NTCR跡線部分的存在將在某種程度上對此補償，且主題元件僅2000W，或者約8安培，這為更大的PTCR提供了空間。還假定用于感應(yīng)跡線的NTCR為2600ppm，或者0.0026/℃。這是可用范圍的中間，而不是特定的等級。這種跡線長度和TCR的特定結(jié)合不是完全現(xiàn)實的，因為高TCR的材料趨于具有高的電阻系數(shù)，這樣這些跡線將短而粗，而不是有利地選擇的渴望跡線，但原理是相同的，且結(jié)果是有效的。
3．考慮主跡線，由于其PTCR，其在180℃時為27.4歐姆的“熱”電阻將降到“冷”(20℃)狀態(tài)下的19.6歐姆。如果TCR為0，那么電阻將不降低，在200伏特時的運行電流將是7.3安培，運行功率將是1460W。然而，因為主跡線具有0.0025/℃的PTCR，其冷電阻將隨電流上升，且在200V伏特時將是25.36歐姆，低于其在180℃的27.4歐姆的電阻，因為該元件的熱運行溫度將由于更低的200伏特電壓而降低，其中認為功率和溫度的比例上升。隨著在200V時的電阻為25.36歐姆，電流將為7.9安培，這僅僅是從240V時標稱8安培的非常小的減小，而運行功率將接近1600W。
4．因為主跡線電阻遠大于感應(yīng)跡線電阻，所以主跡線作為一鎮(zhèn)流器，給感應(yīng)跡線提供獨立于其電阻的基本上恒定的電流供應(yīng)。很清楚，恒定的電流將依賴每個電源電壓且對于每個電源電壓不同。所以，采用該感應(yīng)跡線并通過7.9安培，提供了150℃的溫度上升(170℃的運行溫度)，其電阻上升到0.626歐姆，功率損耗是39.1W.TCR為0，且7.2安培時，這個功率將是31.1W。
從這個簡單的示例可以看出，感應(yīng)跡線的功率調(diào)整已經(jīng)從76％提高到95％，且運行溫度從132℃提高到170℃。其他的改進措施也是可能的，例如提高感應(yīng)跡線的TCR到0.003℃，將有96％的調(diào)整。獲得的實際值將依賴于形成加熱器跡線的厚膜材料的性能，例如依賴于加入印漿中的金屬的成分和比例。
所述方案的另一個優(yōu)點是感應(yīng)跡線的NTCR可以在被外罩的壁所覆蓋的區(qū)域提供對加熱元件的某些保護。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果水在這些點不接觸加熱表面，那么加熱跡線可能趨于過熱，導致過早的故障。這通過在這些點印制低電阻性跡線來克服，但這增加了設(shè)計的復雜性。然而在這些點處NTCR跡線的電阻將降低，減小產(chǎn)生的功率(因為電流基本上恒定)且減小了過熱的趨向。這種布置方案的另一個優(yōu)點是NTCR材料趨于具有高的電阻系數(shù)，特別上與目前用在按我們的說明書制造的厚膜元件上的導電墨水型印漿材料相比。這意味著為獲得感應(yīng)區(qū)域的低電阻(0.6歐姆)，將需要更短且寬的跡線。這將在外罩下提供均勻的加熱并給控制器提供一熱傳遞的良好區(qū)域。具有低電阻系數(shù)的材料的跡線設(shè)計需要例如EP-A-0787417的圖1中所示的在控制器下的幾條跡線，以獲得足夠的功率密度。
雖然所述的布置方案具有大于NTCR感應(yīng)跡線的主跡線電阻，但是采用具有更接近的電阻值的跡線可能獲得同樣的效果。NTCR的存在可能引起不穩(wěn)定性，且大的主跡線電阻作為一鎮(zhèn)流器來進行控制。假如考慮到這一點，那么可以使用同樣電阻的跡線。而且，已經(jīng)假定了幾乎線性的TCR特性，但曲線特性更常用，它在更高的溫度時值減小。具有為不同的溫度而優(yōu)化的PTC或NTC特性的材料的結(jié)合可用來使響應(yīng)線性化，或克服由于具有幾乎相等的跡線電阻而導致的電勢不穩(wěn)定性。
在此，本發(fā)明已經(jīng)通過示例進行了描述，應(yīng)當理解的是，無論從哪一點上來說，示例都是示范性的，對此可以進行修改和變化，而沒有脫離本發(fā)明的精神和范圍。例如，雖然本發(fā)明已經(jīng)描述了在GB-A-1143834中首次提出的外罩的概念，但本發(fā)明具有更寬的應(yīng)用，且可證明在任何情況都有用，其中厚膜加熱元件的溫度被一熱敏裝置比如一雙金屬開關(guān)-啟動元件來監(jiān)測，而不管是否該裝置配置成用于保持容器的內(nèi)容物在預(yù)定的溫度上的溫度調(diào)節(jié)器，或者配置成一過溫度保護斷流器。
權(quán)利要求
1．一種厚膜加熱元件，其具有由有負的電阻溫度系數(shù)(NTCR)的材料制成的、在該加熱元件的表面區(qū)域一確定部分內(nèi)的其電阻性跡線的一部分，且具有由有正的電阻溫度系數(shù)(PTCR)的材料制成的該跡線的主體，該布置方案從而至少部分地補償不同的電源電壓對所述跡線部分的運行溫度的影響。
2．一種電熱沸水器，其具有如權(quán)利要求1所述的厚膜加熱元件，且該容器的一控制裝置具有一溫度傳感器，其布置成響應(yīng)所述跡線部分的溫度。
3．如權(quán)利要求2所述的一種電熱沸水器，其特征在于，在容器內(nèi)在對應(yīng)加熱元件的表面區(qū)域的所述確定部分的位置處設(shè)有一外罩，該外罩的布置使得在該容器的使用過程中當容器充水后該外罩將充滿水，且開始沸騰和在外罩內(nèi)蒸汽的隨之產(chǎn)生將導致水被排出，從而模擬可被所述溫度傳感器感應(yīng)到的干煮狀態(tài)。
4．一種厚膜加熱元件，其包括一主要是PTC材料的電阻性跡線，但包括一在溫度感應(yīng)區(qū)域的部分，該部分形成與所述PTC材料相配合，從而提供電壓補償。
5．如權(quán)利要求4所述的厚膜加熱元件，其特征在于，在所述區(qū)域的該跡線包含NTC材料。
6．如權(quán)利要求4或5所述的厚膜加熱元件和一與所述區(qū)域內(nèi)的所述跡線部分熱接觸的熱響應(yīng)裝置的組合體。
7．一種電熱沸水器，其包含一如權(quán)利要求6所述的加熱元件和熱響應(yīng)裝置的組合體。
8．如權(quán)利要求6所述的組合體或如權(quán)利要求7所述的容器，其特征在于，所述熱響應(yīng)裝置包含一溫度調(diào)節(jié)器。
9．一種主要是PTC材料的厚膜加熱元件，其具有NTC材料的電壓補償溫度感應(yīng)區(qū)域。
10．一種包含權(quán)利要求9所述的厚膜加熱器件的容器，其特征在于，在容器內(nèi)與所述NTC區(qū)域重合處提供一用于模擬干煮狀態(tài)的外罩。
全文摘要
一種厚膜加熱元件,其具有由有負的電阻溫度系數(shù)(NTCR)的材料制成的、在該加熱元件的表面區(qū)域一確定部分內(nèi)的其電阻性跡線的一部分,且具有由有正的電阻溫度系數(shù)(PTCR)的材料制成的該跡線的主體,該布置方案從而至少部分地補償不同的電源電壓對跡線部分的運行溫度的影響。
文檔編號H05B3/82GK1320352SQ99811579
公開日2001年10月31日 申請日期1999年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月30日
發(fā)明者R·A·奧內(nèi)爾, J·A·霍瓦斯 申請人:奧特控制有限公司