專利名稱：加熱元件及檢測溫度變化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加熱元件，該加熱元件帶有一個(gè)由電流產(chǎn)生熱量的層、一個(gè)加熱表面和位于前述二者之間的電介質(zhì)，還涉及一種方法，該方法用于檢測加熱元件中的溫度變化以預(yù)防過熱并調(diào)節(jié)溫度。
背景技術(shù)：
上述加熱元件例如描述在荷蘭專利申請NL 1014601中。這里描述的是例如用于加熱液體容器中的流體或用于對加熱板進(jìn)行加熱的加熱元件，其中電阻由通過的電流加熱。除了該生熱層，已知的加熱元件設(shè)置有一個(gè)電介質(zhì)，該電介質(zhì)將加熱表面與生熱層——這里是電阻——分隔開。帶有介電特性的中間層不僅對加熱表面提供良好的熱傳遞，而且用作過熱防護(hù)。為此，根據(jù)NL 1014601的加熱元件設(shè)置有一個(gè)安培表，該安培表可檢測通過該電介質(zhì)的泄漏電流。來自于加熱元件的該泄漏電流部分取決于該電介質(zhì)的電阻。由于至少在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)電介質(zhì)的電阻又依賴于溫度，并且該依賴關(guān)系大體上可確定，通過檢測通過電介質(zhì)的泄漏電流可判斷溫度?？捎砂才啾硪院唵畏绞綑z測的該泄漏電流形成了一個(gè)測量值，利用該測量值可確定電介質(zhì)的溫度，從而確定加熱元件的溫度。過熱防護(hù)可通過將安培表耦聯(lián)到一個(gè)用于該加熱元件的控制器而容易地實(shí)現(xiàn)，只要泄漏電流達(dá)到了預(yù)定的閾值，供應(yīng)到加熱元件的電流就減小甚至完全斷開。如果加熱元件不接地，在金屬件上的簡單電壓測量也可用于實(shí)現(xiàn)在合適的時(shí)間——即發(fā)生過熱之前——關(guān)閉該元件。通過在微處理器中或合適的模擬電路中使用合適的電子裝置及軟件，用戶能在合適的時(shí)間接收到熱傳遞被例如元件上的水垢中斷的警報(bào)，當(dāng)水沸騰或蒸發(fā)時(shí)就是這種情形。然后用戶可以在合適的時(shí)刻執(zhí)行一次清潔，而無需立即切斷該裝置。
盡管已知的加熱元件提供了簡單的溫度變化檢測以及過熱防護(hù)，一般必須采取獨(dú)立的裝置以使得能夠正確檢測泄漏電流。因此有時(shí)候需要例如放大或相反地減弱泄漏電流的電流強(qiáng)度。也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，若加熱元件接地則一般難以檢測泄漏電流。在此情形下，電分離的互感器系統(tǒng)將必須結(jié)合到接地線中，這比較費(fèi)時(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
從而，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的加熱元件及檢測加熱元件中溫度變化的方法，目的是預(yù)防過熱和/或調(diào)節(jié)溫度，同時(shí)保持已知的加熱元件的優(yōu)點(diǎn)。
為此，根據(jù)本發(fā)明的加熱元件的特征在于電介質(zhì)至少包括一個(gè)第一和第二介電層，二者之間設(shè)置有一個(gè)導(dǎo)電層。
由于介電層的特殊組合，在第二介電層中流動的泄漏電流將優(yōu)選地轉(zhuǎn)到導(dǎo)電層，因?yàn)樵诖饲樾蜗碌谝唤殡妼佑米鲗﹄娊殡娔芰Ω鼜?qiáng)的層(相對于第二介電層)。因此，現(xiàn)在對于極低電流強(qiáng)度或電壓而言，也變得有可能通過電耦聯(lián)到該導(dǎo)電層或以其它方式連接到該導(dǎo)電層的安培表或電壓表檢測該泄漏電流，而不會必須為此目的而提供獨(dú)立的裝置。這使得與已知技術(shù)相比，能夠以更快的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行更靈敏的溫度測量。此外，調(diào)節(jié)將變得更加便宜，因?yàn)椴辉傩枰诮拥鼐€中結(jié)合電分離的電流互感器。這里，泄漏電流優(yōu)選地在嵌入到兩個(gè)介電層之間的導(dǎo)電層和設(shè)置在第二層的加熱電阻之間測量。根據(jù)本發(fā)明的多層電介質(zhì)的應(yīng)用還提供了額外的優(yōu)點(diǎn)，這將在后面進(jìn)一步討論。
當(dāng)加熱表面由導(dǎo)熱的特別是導(dǎo)電的材料制成、并且還與地面電介電時(shí)，流經(jīng)電介質(zhì)的泄漏電流還能在加熱表面上或在電連接到該表面的部件上測量。從而，例如能夠測量可能流經(jīng)第二介電層的泄漏電流，這使得可選地在一個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測量而不是僅由第一層所供應(yīng)的泄漏電流來進(jìn)行溫度測量。很明顯，原理上電介質(zhì)能包含有多個(gè)第一和第二介電層的組合，且二者之間包含有導(dǎo)電層。此類實(shí)施方式允許可能的泄漏電流轉(zhuǎn)向，并且若需要，可沿加熱元件的厚度的不同位置進(jìn)行測量。
根據(jù)本發(fā)明的加熱元件的特別優(yōu)選的實(shí)施方式的特征在于，在大致相同的溫度，第一介電層的電阻高于第二介電層的電阻。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于第一介電層相對于第二介電層的更為增強(qiáng)的電介電作用使得可進(jìn)行更為靈敏的泄漏電流測量。這里當(dāng)?shù)谝唤殡妼优c第二介電層相比更靠近加熱表面時(shí)是有利的。在過熱的情形下，泄漏電流將由在第二介電層內(nèi)的生熱層產(chǎn)生，第二介電層與第一介電層相比離加熱表面更遠(yuǎn)。該泄漏電流接著將經(jīng)由中間導(dǎo)電層轉(zhuǎn)向并且不再流經(jīng)第一介電層，或者僅部分流經(jīng)第一介電層。通過測量泄漏電流——如果需要在以上已經(jīng)描述的加熱元件的作用組合中進(jìn)行測量，在此優(yōu)選實(shí)施方式中獲得了非常靈敏且響應(yīng)迅速的過熱保護(hù)。本實(shí)施方式額外的優(yōu)點(diǎn)在于獲得了可靠的過熱保護(hù)以及例如防止誤操作。從而，保護(hù)操作是高靈敏度的，而不論加熱元件特別是加熱表面是否接地。
根據(jù)本發(fā)明的加熱元件的另一優(yōu)選的實(shí)施方式的特征在于，借助電流產(chǎn)生熱量的層包括這樣形成的電阻跡線(track)相鄰跡線具有一個(gè)高電位和一個(gè)低電位。電阻跡線的這種構(gòu)造還稱為雙股跡線(bifilartrack)。
位于第一和第二介電層之間的導(dǎo)電層可具有多種實(shí)施方式。從而，可能施加一個(gè)層，其至少部分地具有對傳感器相當(dāng)重要的特性，例如帶有負(fù)溫度系數(shù)(NTC)的材料或正溫度系數(shù)(PTC)的材料，其特征在于與溫度相關(guān)的電阻的變化比溫度的變化更大。電傳感器更優(yōu)選地差不多延伸過加熱元件的整個(gè)表面，使得可能出現(xiàn)的泄漏電流能在介電層的幾乎整個(gè)表面上測量，而不管泄漏電流的精確位置在何處。
一個(gè)特別合適的實(shí)施方式包括一種適于精確地測量溫度的傳感器材料，例如優(yōu)選地一種具有正溫度系數(shù)(PTC)的材料，該材料設(shè)置在與測量泄漏電流的層隔開的兩個(gè)介電層之間。于是可以使用一個(gè)傳感器層測量可能的過熱，并可通過兩次連接這里描述的傳感器而測量溫度并測量其中電阻的變化。
導(dǎo)電層可由本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任意導(dǎo)電材料制成。從而為此目的可采用例如金屬箔。然而，在兩個(gè)介電層之間設(shè)置呈導(dǎo)電網(wǎng)或網(wǎng)格形式的導(dǎo)電層是有利的。此類實(shí)施方式節(jié)省了重量、限制了加熱元件的總體厚度并確保了兩層之間的良好的附著性。這增加了加熱元件的機(jī)械完整性，特別是在高溫情況下。對于導(dǎo)電層特別合適的材料從有效導(dǎo)電的金屬氧化物組之間選擇。例如添加了RuO2的厚膜材料非常合適，然而銀、鈀、鎳及其它材料也適于用作傳感器材料的厚膜材料中的添加劑。
根據(jù)本發(fā)明的加熱元件的第一和第二介電層優(yōu)選地設(shè)置成在下層上大致連接的層，在此情形下加熱表面用作第一層的下層，第二介電層(帶有導(dǎo)電層)用作第一層的下層。在與此目的相關(guān)的溫度下，大致良好連接的層對于的層的電介電作用是重要的。若所述層包括多孔結(jié)構(gòu)并且/或者若其帶有其它性質(zhì)的中斷，將會很容易在該處出現(xiàn)泄漏電流或電擊穿，這當(dāng)然不是所希望的。
介電層可由本領(lǐng)域技術(shù)人員可獲得的任意材料制成。從而可由聚合體制造一層或兩層介電層，盡管這種介電層不適用于必須加熱到高溫的應(yīng)用中。更合適的材料是金屬氧化物和其他無機(jī)氧化物的混合物。特別合適的是介電搪瓷層，其由將金屬氧化物和其他無機(jī)氧化物的混合物熔融而得到。
若需要，電介質(zhì)可由一層聚合體介電層和一層搪瓷介電層組合而成。然而，更優(yōu)選地是，兩個(gè)介電層均由搪瓷制成。特別適合于該應(yīng)用的搪瓷合成物是以名稱Kerdi銷售的搪瓷合成物。在制造電加熱元件的其它產(chǎn)品中使用搪瓷層作為介電層本身是已知的，例如從NL 1014601中。這里電介質(zhì)提供了對電阻的電介電，該電阻一般由金屬跡線構(gòu)成。這里由搪瓷制造電介質(zhì)產(chǎn)生了機(jī)械性能相對強(qiáng)的電介質(zhì)，其熱傳導(dǎo)性能也相對較好。
用于兩個(gè)介電層的搪瓷合成物可在很寬的范圍內(nèi)選擇，這取決于所期望的電性能，特別是在使用時(shí)產(chǎn)生的溫度下的電性能。普通搪瓷合成物的特定電阻通常在室溫下較高，通常高于1.5×1011歐姆/厘米，但是當(dāng)溫度升高時(shí)電阻急劇下降，例如在180至400攝氏度時(shí)，其典型值為1.5×107歐姆/厘米。在此電阻下可能會有通過電介質(zhì)的(相對較小的)泄漏電流。搪瓷合成物的導(dǎo)電性可例如通過改變堿金屬含量和/或通過添加導(dǎo)電添加劑或相反地添加介電添加劑而容易地調(diào)整。
在特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，電介質(zhì)包括搪瓷合成物的第一和/或第二介電層和導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層由金屬和/或半導(dǎo)體和/或其它導(dǎo)電材料例如石墨等組合而成。根據(jù)本發(fā)明工作得特別好的加熱元件的特征在于，第一介電層中搪瓷合成物的堿金屬含量小于第二介電層中的堿金屬含量。由區(qū)別僅僅在于堿金屬含量的搪瓷合成物制造各個(gè)介電層的額外優(yōu)點(diǎn)在于，各層之間得到了最優(yōu)的粘附性。此外，各層膨脹系數(shù)的區(qū)別相對較小，使得材料中的機(jī)械應(yīng)力最小，這導(dǎo)致改善了介電層的耐久性，從而改善了加熱元件的耐久性。
除了上面已經(jīng)描述的介電層的特定阻抗，優(yōu)選為搪瓷層的所述層的擊穿電壓也是重要的。擊穿電壓是介電層上電勢差的量級，在該電勢差量級下電流(比泄漏電流的電流強(qiáng)度大得多)開始流經(jīng)該層。擊穿可在介電層上導(dǎo)致不希望的負(fù)面效果，甚至使得介電層以及整個(gè)加熱元件出現(xiàn)不可修復(fù)的損壞。為了保證電子加熱元件最大安全性，電介質(zhì)的擊穿電壓必須足夠高，以符合例如KEMA和ISO等認(rèn)證機(jī)構(gòu)的規(guī)則，優(yōu)選地至少為對地1250V(交流電壓)。另一組帶有強(qiáng)化介電或雙重介電的元件的擊穿電壓必須高于2750V AC。對于這種組，第一層的擊穿電壓優(yōu)選地至少為1750V，第二層的擊穿電壓至少為1000V。存在一種需求，需要強(qiáng)化介電或雙重介電的加熱元件，其中這種安全等級能以簡單方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的加熱元件的優(yōu)點(diǎn)在于，其提供了雙重介電。在根據(jù)本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，特別選擇了第二層搪瓷合成物，使得其擊穿電壓最小為1000V，并且特別選擇了第一層搪瓷合成物，使得其擊穿電壓最小為1750V。
通過選擇第一介電層在指定溫度的電阻明顯地高于第二介電層的電阻，當(dāng)電阻過熱時(shí)第二介電層在給定時(shí)刻至少部分地傳輸電流。在此情形下，第一層將大體上不傳輸電流，或者無論如何傳輸?shù)煤苌佟Ｓ捎趯?dǎo)電中間層的存在，電流將由此被轉(zhuǎn)向并可選地在更遠(yuǎn)離電阻另一部分的一個(gè)位置再次傳輸過第二層。以此方式，獲得一個(gè)不經(jīng)過第一層的開放電路，該電路更加不會經(jīng)過加熱表面，也不會經(jīng)過使用者。從而，根據(jù)本發(fā)明的加熱元件抗高壓，即使由于連接到該加熱元件的電子調(diào)節(jié)裝置或開關(guān)件/繼電器失效而使該元件在過高溫度下持續(xù)加熱。在此過程中，電阻跡線將接著會燒穿(像熔融的保險(xiǎn)絲)，在此過程之后第一介電層確保相對于地和使用者一直保持著足夠的介電強(qiáng)度。從而，根據(jù)本發(fā)明的加熱元件具有內(nèi)在的安全性。
注意到電介質(zhì)的擊穿電壓由多個(gè)因素決定，其中包括電介質(zhì)的厚度、搪瓷合成物和電介質(zhì)中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷例如氣泡(gas inclusion)等。介電層良好的粘附性也是重要的，在此情形下是搪瓷合成物在加熱表面(一般為鋼、鋁和/或陶瓷材料)上的粘附性。
應(yīng)用于加熱元件的介電層——優(yōu)選地第一介電層——的特別合適的搪瓷合成物包含質(zhì)量百分比為0-10％的V2O5、質(zhì)量百分比為0-10％的PbO、質(zhì)量百分比為5-13％的B2O3、質(zhì)量百分比為33-53％的SiO2、質(zhì)量百分比為5-15％的Al2O3、質(zhì)量百分比為0-10％的ZrO2和質(zhì)量百分比為20-30％的CaO。若需要，優(yōu)選的合成物還包含質(zhì)量百分比為0-10％的Bi2O3。這種合成物使得搪瓷層當(dāng)用于加熱元件時(shí)具有改善的耐久性。該搪瓷合成物相對容易熔融，并且這里有較好的粘性，由此其能容易地施加到不同類型的表面上。該搪瓷合成物在金屬上粘附得特別好，特別是鋼，尤其是鐵素體鉻鋼，更特別地是符合美國AISI規(guī)范的編號為444和/或436的鐵素體鉻鋼。對新合成物而言，從搪瓷合成物可獲得的搪瓷層的最大壓應(yīng)力處于200至250MPa范圍內(nèi)。對于已知的搪瓷合成物，其最大壓應(yīng)力一般處于70至170MPa范圍內(nèi)。優(yōu)選的搪瓷合成物進(jìn)一步具有耐高溫性，從而其持續(xù)地處于高達(dá)530攝氏度、峰值達(dá)到700攝氏度的溫度下也不會出問題。因此基于優(yōu)選搪瓷合成物的第一介電層很少會損壞，換言之與已知的搪瓷合成物相比，優(yōu)選搪瓷合成物更不易因?yàn)槌掷m(xù)處于高電壓下而退化。搪瓷合成物的特性進(jìn)一步使得當(dāng)溫度變化時(shí)在由其制成的介電層上形成裂縫的幾率減小。優(yōu)選的搪瓷合成物額外的優(yōu)點(diǎn)在于，具有期望特性的電介質(zhì)能以小層厚施加到加熱表面。這增強(qiáng)了熱傳導(dǎo)。
特別優(yōu)選的實(shí)施方式包括一個(gè)電介質(zhì)，其中第一和第二介電層中至少鋰和/或鈉和/或鉀的含量彼此不同。這里，若第一介電層的搪瓷合成物基本上不包含鋰和/或鈉離子，這是有利的。在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選合成物中，第二介電層至少包含鋰和/或鈉離子。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，搪瓷合成物包括重量百分比為0.1-6％的鉀。由于添加了鉀，搪瓷合成物與例如加熱表面等基底面的粘附的負(fù)載能力不是關(guān)鍵性的。在這種搪瓷合成物與基底面的組合中，在溫度升高時(shí)，特別是在過熱的情形下，出現(xiàn)的變形更小。當(dāng)搪瓷合成物燒制成加熱元件時(shí)，這是特別有利的。壓應(yīng)力減小但是仍足以防止形成不希望的毛細(xì)裂紋。然而，當(dāng)鉀的重量含量高于6％時(shí)，發(fā)現(xiàn)形成毛細(xì)裂紋的幾率增加。在缺少其它堿金屬離子——特別是鋰和鈉——的組合物中，在溫度升高時(shí)也保證了低的泄露電流。
其上設(shè)置有電介質(zhì)的加熱表面可由任意導(dǎo)熱材料制成。加熱表面優(yōu)選地大體上由金屬制成，例如鋼和/或鋁。優(yōu)選含重量百分比至少為10％的鉻的鐵素體鉻鋼是特別有利的。
若制成加熱表面的材料的膨脹系數(shù)與第一介電層的膨脹系數(shù)相差不太大，例如不大于20至45％，例如相對于鋼，更優(yōu)選地不大于20至35％，這是有利的。第二層的膨脹系數(shù)相對于第一層的膨脹系數(shù)的差別優(yōu)選地不大于0至25％。從而獲得了這樣一種加熱元件已發(fā)現(xiàn)這種加熱元件能夠相當(dāng)好地承受溫度變化。特別是，已發(fā)現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)介電搪瓷層中形成了更少的毛細(xì)裂縫。已發(fā)現(xiàn)當(dāng)膨脹系數(shù)的差值低于20％時(shí)形成毛細(xì)裂縫的幾率再次增加。很明顯，通過例如調(diào)整堿金屬含量可使搪瓷合成物的膨脹系數(shù)容易地適合于加熱表面的膨脹系數(shù)。這里推薦調(diào)整搪瓷合成物中的鉀含量，因?yàn)橛纱嗽跍囟壬邥r(shí)泄露電流幾乎不受影響。相反地，還可選擇用于加熱表面的其它材料。
本發(fā)明還涉及一種用于檢測加熱元件的溫度變化的方法，其中該加熱元件由根據(jù)如上描述的發(fā)明的電阻制成。根據(jù)本發(fā)明的該方法包括測量由第一介電層產(chǎn)生的泄露電流。在另一實(shí)施方式中，測量加熱表面(2)上的電位。
在本方法的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，測量溫度的升高，其中溫度升高是因?yàn)槔缃?jīng)常加熱水而使水垢層積聚。根據(jù)本發(fā)明，檢測溫度升高可在必須斷開加熱之前進(jìn)行以防止過熱。用戶現(xiàn)在可收到一個(gè)信號，該信號指示在不遠(yuǎn)的將來必須進(jìn)行一次除垢循環(huán)。當(dāng)其它物理或機(jī)械現(xiàn)象限制熱傳遞時(shí)，當(dāng)然也存在同樣的優(yōu)點(diǎn)。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實(shí)施方式中，溫度升到如此之高以至于經(jīng)過加熱元件的電阻的電流中斷。這例如可發(fā)生在因調(diào)節(jié)系統(tǒng)失效而不受控制地加熱時(shí)，其中電阻熔斷。根據(jù)本發(fā)明的加熱元件額外的優(yōu)點(diǎn)在于，使用中，一旦經(jīng)過該電阻的電流已經(jīng)中斷，在該元件的導(dǎo)電部件上幾乎不會發(fā)生任何危險(xiǎn)電壓。從而，根據(jù)本發(fā)明的加熱元件具有“死(died)”安全的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榧訜嵩械慕殡妼佑蓚鞲衅鲗臃指糸_，這種裝置符合針對不接地加熱元件制定的標(biāo)準(zhǔn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員稱之為“雙重絕緣”。
在本方法的另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，除了測量泄露電流之外，還測量導(dǎo)電傳感器層(4)中的電阻。這里，如果在加熱元件的第一和第二介電層之間還設(shè)置有第二傳感器層，該第二傳感器層除了前面已經(jīng)討論的泄露電流截取層外，還包括NTC和/或PTC特性，這是有利的。第二傳感器層適于精確地測量溫度并與泄露電流截取層電隔離。在此實(shí)施方式中，通過該傳感器層的電阻測量而更為精確地測量溫度可與泄露電流測量結(jié)合起來，而這又大致用作過熱保護(hù)。
根據(jù)本發(fā)明的加熱元件能應(yīng)用于許多領(lǐng)域。從而，可在熱水器中使用該元件，其中為用戶提供了改善(雙重)的電保護(hù)。加熱元件還特別適于在蒸汽發(fā)生器、洗(碗)機(jī)、加濕器、牛奶及其它液體加熱器、用于液體的管道加熱設(shè)備、蒸鍋板或燒烤板等之中應(yīng)用。


現(xiàn)在將基于下文描述的搪瓷合成物和下列圖中示出的非限制性實(shí)施例進(jìn)一步介紹本發(fā)明。其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的加熱元件的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2示出了作為溫度的函數(shù)的第一和第二介電層的特定電阻隨溫度的變化；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的加熱元件的剖面圖；圖4示出了測得的經(jīng)過由不同搪瓷合成物構(gòu)成的介電層的電流強(qiáng)度隨溫度的變化。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的加熱元件1，其中為清楚起見，彼此分開示出了不同的疊置層2、3、4、5和6。加熱元件1包括加熱板2，加熱板2用于加熱，由含有重量百分為18％的鉻的鐵素體鉻鋼制成。也可應(yīng)用其它合適的金屬或陶瓷載板，例如低碳鋼、銅、鈦、氮化硅及Al2O3等。根據(jù)本發(fā)明的第一介電搪瓷層3設(shè)置在加熱板2上。第一介電搪瓷層3含有大致符合表1的HT列的搪瓷成分。呈網(wǎng)格4形式的導(dǎo)電層設(shè)置在第一相對電絕緣的搪瓷層3上。網(wǎng)格4例如由在氧化釕(RuO2)基底上的一層厚膜制成，或者由帶有合適導(dǎo)電材料——例如銀、鈀、鎳等和/或其組合——的其它合適的導(dǎo)電(厚膜)層制成。然后根據(jù)本發(fā)明的第二搪瓷層5設(shè)置在相對導(dǎo)電層4上。第二搪瓷層5的搪瓷成分在表1的LT1列表示的范圍內(nèi)選擇。如圖2所示，其中的LT1和HT搪瓷合成物確保了第二搪瓷層5的特定電阻R5與第一相對介電層3的特定電阻R3相比在較低的溫度下其電阻更低。第二層5與第一層3相比具有更好的導(dǎo)電性，在第二層5上，設(shè)置有呈電阻跡線6形式的電加熱層，其能用于產(chǎn)生熱量。為了在使用中監(jiān)視加熱元件1的溫度，與第一層3和第二層5相比具有更好導(dǎo)電性的傳感器層4提供了確定流經(jīng)第二相對導(dǎo)電層5的泄漏電流的選擇。泄漏電流可例如由圖3所示的實(shí)施方式來測量。為了將加熱板2接地，若需要接地線可連接到加熱板2上，該加熱板2耦聯(lián)到地面。為了直接測量經(jīng)過第一層3的泄漏電流，在電阻層6和導(dǎo)電層4之間連接有安培表9。測得的泄漏電流的大小表示了在元件1某一位置的最高溫度。當(dāng)超過預(yù)定溫度時(shí)，因?yàn)榈诙殡妼?的電阻減小，泄漏電流將急劇升高，從而可由安培表9容易地檢測到。由于實(shí)際上沒有泄漏電流流經(jīng)第一介電層3，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由安培表9測得的泄漏電流值變得更精確。安培表9能可選地耦聯(lián)到加熱電阻6的電源控制器上。用于測量泄漏電流且調(diào)節(jié)電源的電路本身已知并描述在例如WO 0 167 818中。
由安培表測得的多個(gè)介電層的泄漏電流特性在圖4中示出，它們是溫度T的函數(shù)?？v軸示出的泄漏電流I在相對較低的溫度T之前都保持為有限值，直到接近預(yù)定的初始溫度點(diǎn)，超過該點(diǎn)泄漏電流突然急劇地升高。該初始溫度很大程度上取決于搪瓷層合成物。圖4示出了以HT表示的第一層合成物的初始溫度至少為500攝氏度。其它四個(gè)所示的泄漏電流特性(以LT1表示)代表第二層搪瓷合成物。通過將搪瓷合成物的成分調(diào)整到第一和/或第二介電層所期望的初始溫度，可使用相對簡單的電路實(shí)現(xiàn)對加熱元件1的溫度保護(hù)。
根據(jù)本發(fā)明的加熱元件1也可用于大功率情形而不會降低該加熱元件的安全性。第一相對介電層3的電阻與第二相對導(dǎo)電層5的電阻相比在溫度升高時(shí)明顯地更高。電阻6的溫度太高時(shí)，第二層5的電阻將在給定時(shí)刻變得明顯地更低。這在電阻層6和導(dǎo)電層4之間形成了一個(gè)電流，在圖3中以導(dǎo)電路徑AB示出。由于根據(jù)本發(fā)明的電介質(zhì)的構(gòu)造，該電流將通過導(dǎo)電層4轉(zhuǎn)向，而不會有在第二介電層5中已出現(xiàn)的電阻的顯著降低。通過合適的設(shè)計(jì)，由于到達(dá)層4的電位，另一電流將開始在加熱電阻6和所述層4之間的某處開始流動，例如圖3路徑CD所示。由此在介電層5中產(chǎn)生了太多的熱量，使得該介電層5失效，并且由于接著出現(xiàn)的短路，電阻跡線6也將會失效。在該時(shí)刻，供應(yīng)電流中斷(保險(xiǎn)絲作用)，而不會對用戶形成任何危險(xiǎn)，用戶在任何情形下只會接觸到加熱板2，而由于層3的高電阻，加熱板2仍然對電壓有電阻。從而，根據(jù)本發(fā)明的電介質(zhì)(3、4、5)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在加熱電阻6上的可能的高電壓不會到達(dá)加熱板2。因此根據(jù)本發(fā)明的加熱元件可耐受高電壓，這種情況還發(fā)生在導(dǎo)致元件永久失效的過熱過程中或過熱后。
根據(jù)本發(fā)明的搪瓷合成物可使用已知的轉(zhuǎn)動熔融方法混合不同原材料而獲得，其中冷卻后形成玻璃粉。該玻璃粉可精細(xì)地研磨成用于其他應(yīng)用的膏狀物或可噴灑的混合物。所得的可噴灑混合物可例如噴灑到例如鋼表面的基底面上，其中搪瓷層通過加熱形成在基底面上。搪瓷合成物可同樣地以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它方式制備并施加到加熱層2上，這種方式例如Petzold and Pschmann，“Email undEmailliertechniek”(2003年7月)中所述。
根據(jù)本發(fā)明的搪瓷合成物優(yōu)選地包含如表1所示的成分。
表1根據(jù)本發(fā)明的加熱元件中優(yōu)選的搪瓷合成物

盡管本發(fā)明已經(jīng)基于以上所述實(shí)施例進(jìn)行了描述，顯然本發(fā)明決不限于所述的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種加熱元件，包括一個(gè)借助電流產(chǎn)生熱量的層、一個(gè)加熱表面和一個(gè)位于二者之間的電介質(zhì)，其特征在于，所述電介質(zhì)至少包括一個(gè)第一介電層和一個(gè)第二介電層，在二者之間設(shè)置有一個(gè)導(dǎo)電層。
2.如權(quán)利要求1所述的加熱元件，其特征在于，在幾乎相同的溫度下所述第一介電層的電阻高于所述第二介電層的電阻。
3.如權(quán)利要求1或2所述的加熱元件，其特征在于，所述第一介電層與所述第二介電層相比更靠近所述加熱表面。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的加熱元件，其特征在于，所述借助電流產(chǎn)生熱量的層包括如此形成的電阻跡線相鄰跡線具有一個(gè)高電位和一個(gè)低電位。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的加熱元件，其特征在于，一個(gè)安培表直接電耦聯(lián)到所述導(dǎo)電中間層。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的加熱元件，其特征在于，一個(gè)電壓表直接電耦聯(lián)到所述導(dǎo)電中間層。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的加熱元件，其特征在于，所述第一和/或第二介電層由搪瓷合成物制成。
8.如權(quán)利要求7所述的加熱元件，其特征在于，所述第一介電層搪瓷合成物的堿金屬含量低于所述第二介電層的堿金屬含量。
9.如權(quán)利要求7或8所述的加熱元件，其特征在于，至少所述第一和第二介電層的鋰和/或鈉和/或鉀的含量彼此不同。
10.如權(quán)利要求7-9中的任一項(xiàng)所述的加熱元件，其特征在于，所述第一介電層實(shí)際上不含有鋰和/或鈉離子。
11.如權(quán)利要求7-10中的任一項(xiàng)所述的加熱元件，其特征在于，所述第一和第二介電層的堿金屬含量彼此不同。
12.如權(quán)利要求7-11中的任一項(xiàng)所述的加熱元件，其特征在于，這樣選擇所述第一層的搪瓷合成物隨著溫度上升，在所有時(shí)刻其電阻高于所述第二層的電阻。
13.如權(quán)利要求12所述的加熱元件，其特征在于，所述各層的搪瓷合成物選擇為其組合物的擊穿電壓高于1250V AC。
14.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的加熱元件，其特征在于，制成所述加熱表面的材料的膨脹系數(shù)與所述第一和/或第二介電層的膨脹系數(shù)的差值不大于20-45％。
15.在如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的加熱元件中用作第一介電層的搪瓷合成物，包括質(zhì)量百分比為0-10％的V2O5、質(zhì)量百分比為0-10％的PbO、質(zhì)量百分比為5-13％的B2O3、質(zhì)量百分比為33-53％的SiO2、質(zhì)量百分比為5-15％的Al2O3和質(zhì)量百分比為20-30％的CaO。
16.一種液體容器，設(shè)置有如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的加熱元件。
17.一種用于檢測如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的由電阻形成的加熱元件中溫度變化的方法，包括測量由第一介電層產(chǎn)生的泄漏電流和/或測量在導(dǎo)電層(4)上的電勢。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中測量溫度的增加，溫度增加是由于水垢層的積聚而產(chǎn)生。
19.如權(quán)利要求17或18所述的方法，其中所述溫度增加使得通過所述加熱元件的電阻的電路中斷。
20.如權(quán)利要求17-19中任一項(xiàng)所述的方法，其中除了對泄漏電流的測量之外還包括對導(dǎo)電傳感器層(4)的電阻測量。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中具有NTC和/或PTC特性的傳感器層設(shè)置在所述加熱元件中的第一介電層和第二介電層之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種加熱元件，至少包括一個(gè)由電流產(chǎn)生熱量的層、一個(gè)加熱表面和一個(gè)位于二者之間的電介質(zhì)，其中該電介質(zhì)至少包括第一和第二介電層，并在二者之間設(shè)置有一個(gè)導(dǎo)電層。本發(fā)明還包括一個(gè)設(shè)置有所述加熱元件的液體容器。
文檔編號H05B3/26GK101061076SQ200580039553
公開日2007年10月24日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月23日
發(fā)明者西蒙·卡斯特拉 申請人:費(fèi)羅技術(shù)控股公司