專利名稱：電熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電阻和加熱器，尤其涉及在絕緣襯底上含有一阻性軌道的電阻和加熱器。
這類電阻例如用在象電動(dòng)機(jī)、電扇之類電器的控制上。而這些加熱器用在或已經(jīng)被建議用在各種電器上，例如水暖器、熱水器和熨斗等家電。通常，將一層玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷加在諸如鋼板之類的金屬底(液體加熱器的底部就是這樣的平板)，利用印制技術(shù)將阻性軌道鋪在絕緣層上。為保護(hù)其不被腐蝕和氧化，有時(shí)在軌道上再加一層絕緣層。
在一定錯(cuò)誤條件下，電阻或加熱器會(huì)嚴(yán)重過熱，這不僅對(duì)與其連接的食品設(shè)備造成重大損失，而且潛在威脅使用者。顯然，防止這種情況十分重要。因此，在液體加熱器中，通常加一個(gè)有重啟功能的過熱保護(hù)裝置，當(dāng)容器加熱過熱時(shí)，例如容器未加水就打開開關(guān)或水沸騰至干涸，它就發(fā)生動(dòng)作。通常，這是一個(gè)設(shè)置了加熱器熱接點(diǎn)的在給定溫度下運(yùn)行的雙金屬片開關(guān)，當(dāng)超過容器正常工作的溫度時(shí)，它就會(huì)把給加熱器供電的開關(guān)拉開。但如這種設(shè)備不能正常工作時(shí)還需設(shè)一備用裝置，例如加一個(gè)熱熔來防止過熱。
在WO-A-94/18807中，所舉的例子是把一個(gè)可根據(jù)受熱不同而發(fā)生形變的保險(xiǎn)絲元件，依靠彈力緊貼在加熱器的一邊。當(dāng)溫度超過給定值時(shí)，保險(xiǎn)絲變軟變形彈力消失，不再與加熱器接觸，這樣就把給加熱器供電的開關(guān)拉開，電熱器便不能工作。但是，給電阻加熱器一個(gè)固定不動(dòng)的保護(hù)裝置更為妥當(dāng)。
由此，有人建議軌道自身帶一個(gè)熱熔。在汽車供暖系統(tǒng)中用來控制風(fēng)扇的電阻絲采用了這樣的裝置以焊錫跨接加熱軌道中的縫隙。當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)焊錫會(huì)熔化，這樣就把軌道間縫隙打開，實(shí)現(xiàn)斷電。但是這種保險(xiǎn)絲有許多缺點(diǎn)。第一，要恰好達(dá)到保險(xiǎn)絲所需的電流截流量在生產(chǎn)上有困難。其次，由于熔化的焊錫來隔斷保險(xiǎn)絲受表面張力的影響，其實(shí)際動(dòng)作相對(duì)較慢。再次，焊錫的使用有一定的溫度范圍，這樣就限制了保險(xiǎn)絲的使用范圍。同時(shí)因?yàn)楹稿a是易熔的，時(shí)間一長(zhǎng)其晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，這就導(dǎo)致了工作溫度的變化。最后，因襯底的絲毫彎曲都會(huì)中斷保險(xiǎn)絲的電開關(guān)，在運(yùn)輸、存貯堆放時(shí)這些焊錫特別容易損失。
本申請(qǐng)人改進(jìn)了一種新的電阻或加熱器以對(duì)解決上述問題做些嘗試。申請(qǐng)人認(rèn)為玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷材料(以下簡(jiǎn)稱“玻璃”)的絕緣特性可以用在電阻絲加熱器的過熱保護(hù)上。這種特性即玻璃的電阻值隨溫度增高而變化。室溫或正常工作溫度時(shí)玻璃是絕緣體，但在接近其熔點(diǎn)的高溫時(shí)，其電阻呈幾個(gè)數(shù)量級(jí)的下降。選擇具有適當(dāng)阻抗特性的玻璃材料并將其安裝于電阻軌道的特定部位，使其在不同給定溫度下按不同級(jí)別工作，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)可以使電阻的特定部位先于整個(gè)電阻的過熱而過熱。這樣，就可以把正常軌道的部分拿出來作為熱熔，以有效防止過熱。
特別是在正常的工作溫度下，玻璃的絕緣性非常好，此時(shí)軌道間的漏電流微不足道。但是，當(dāng)電阻絲軌道高于正常溫度(在非正常的過熱條件下)時(shí)，玻璃溫度升高，阻抗值減小。這反過來加大了軌道間的漏電流，使軌道間流過的電流增大，同時(shí)提高了加熱效果，如此反復(fù)進(jìn)行，這樣一個(gè)自我進(jìn)行的過程使得玻璃內(nèi)部因其流過電流受熱，很快使軌道間漏電流放電，致使由玻璃跨接的軌道部分流過的電流超過了其設(shè)計(jì)級(jí)別，最終這部分軌道汽化使整個(gè)加熱器停止工作。
因此，首先本發(fā)明給出了這樣一個(gè)電阻或加熱器鋪在絕緣襯底上的一個(gè)電阻軌道，該軌道的兩個(gè)部分分支由一種玻璃材料所跨接且有一定的電流截流量。選擇這樣的軌道外形及這樣的玻璃材料是為達(dá)到這樣的目的一定溫度下，軌道間漏電流上升，形成的電流流經(jīng)前述的兩個(gè)軌道分支之一或全部，且大大高于其電流截流量，由此其中之一毀壞熔斷。
按照本發(fā)明提供了一種可以自我熔斷的電阻加熱器，不需另加保險(xiǎn)裝置就消除了前述對(duì)焊錫的需求。通過選擇適當(dāng)?shù)牟ＡР牧霞败壍劳庑危O(shè)計(jì)者可以決定軌道在什么地方、什么時(shí)間、什么溫度下以一種可控方式來毀壞隔斷。
其次，本發(fā)明提供了該電阻或加熱器的制造方法。該加熱器是將一個(gè)電阻軌道加在一層絕緣襯底上，有兩個(gè)選定的軌道分支由一種玻璃材料橋接，且能流過一定量的正常電流。預(yù)先選定的如上所述的這個(gè)橋的位置是為達(dá)到如下目的超過一定溫度，選定的兩個(gè)軌道分支間的漏電流變大，導(dǎo)致其中之一流過的電流超過其正常值，最后毀壞熔斷。
可以把玻璃僅用在選定的軌道分支間以跨接成橋。但出于制造上的方便，更好的方法是將玻璃覆蓋在軌道分支間?？梢詫⒉ＡЬ植扛采w在軌道分支間以跨接成橋，但更好的方法是將其覆蓋在軌道比較大的部分，而最好是覆蓋整個(gè)軌道。在正常工作條件下，該玻璃覆蓋層可以保護(hù)軌道免受腐蝕和氧化，更為重要的是在高溫時(shí)，例如850℃～900℃時(shí)這種保護(hù)作用依然存在，此時(shí)整個(gè)玻璃覆蓋層變?yōu)榭蓪?dǎo)，如果用別的方法，整個(gè)軌道會(huì)因氧化而毀壞。
軌道分支間流過玻璃材料的漏電流的大小依賴于分支間電壓梯度及玻璃溫度的大小。給定位置上的玻璃溫度至少是在最初由該處加熱器或電阻的溫度決定。這個(gè)溫度又依賴于該處加熱器或電阻的功率密度。正常工作條件下，這些都無足輕重，因?yàn)闊崃恳呀?jīng)由加熱容器中的液體傳送出去，錯(cuò)誤條件下，具有較高功率密度的加熱器/電阻的局部溫度會(huì)迅速提高。這樣軌道會(huì)出現(xiàn)保護(hù)性熔斷的位置可由設(shè)計(jì)者對(duì)上述參量配置以合適的值來預(yù)先確定?？缃訕蛩幬恢玫碾妷禾荻葢?yīng)相對(duì)較高，最好是整個(gè)軌道的最大值。軌道分支被跨接成橋的兩部分最好鄰近各自的末端，以使其間的電壓差別達(dá)到最大。為使電壓梯度達(dá)到最大，該部分最好彼此緊鄰。
而且，軌道分支被跨接成橋的部分功率密度最大，使過熱條件下該地區(qū)受熱最強(qiáng)。這有助于該處玻璃溫度迅速提高，以達(dá)到漏電流逸出。
例如提高軌道局部點(diǎn)的實(shí)際產(chǎn)熱，以及提高軌道分支緊密程度，都會(huì)加大該處的功率密度。
這樣，對(duì)于高效率的工作而言，在跨接橋地區(qū)加熱器的電壓梯度和功率密度應(yīng)該達(dá)到最大。因此，從更深的層次來看，本發(fā)明提供了這樣一種電阻或加熱器將一個(gè)電阻軌道鋪在一層襯底上，由一種玻璃材料將某局部的兩個(gè)軌道分支跨接成橋，軌道分支間的電壓梯度和電阻或加熱器的功率密度都最大。
本發(fā)明中選用的這種玻璃應(yīng)該提供給加熱器所需的最大過熱溫度。所需的玻璃在正常工作溫度下其阻抗值不會(huì)小至使漏電流逸出的地步。由Agmet生產(chǎn)的ESL 4770 BCG即可勝任，它在150℃～200℃時(shí)的工作溫度時(shí)是穩(wěn)定的，大約450℃時(shí)熔化、毀壞。
將絕緣襯底、加熱軌道和玻璃覆蓋層例如通過印印、噴涂、轉(zhuǎn)印任何一種合適的技術(shù)將其做在一個(gè)不銹鋼平板上。本發(fā)明不限制生產(chǎn)時(shí)的任何特殊方法。
本發(fā)明的應(yīng)用范圍決不僅限于如前所述的加熱器，還適用于保護(hù)象電動(dòng)機(jī)甚至電阻器之類的電阻設(shè)施。因此，從廣義上來講，本發(fā)明發(fā)展了一種電氣設(shè)施的過熱保護(hù)方法，用一種其電阻值隨溫度升高而降低的絕緣玻璃(由此處定義)所述的玻璃橋接保險(xiǎn)絲，這樣當(dāng)溫度超過一定大小的時(shí)候，保險(xiǎn)絲里產(chǎn)生電流且超過其最大設(shè)定值，導(dǎo)致保險(xiǎn)絲燒斷。
從非常廣義的角度上來考慮，本發(fā)明提供了這樣一種保險(xiǎn)絲由玻璃到達(dá)一定的溫度來觸發(fā)，產(chǎn)生一低阻值的電流通道，導(dǎo)致電流超過保險(xiǎn)絲的載荷值。
其實(shí)這種保險(xiǎn)絲電可用于設(shè)備或電阻中的任何合適的位置，可以作為一個(gè)單元安插在供電設(shè)備的適當(dāng)部位。因此，從更廣義的角度來看，本發(fā)明提供了這樣一種用來保護(hù)電力設(shè)備的保險(xiǎn)絲；所設(shè)計(jì)的導(dǎo)電體可流過一定的電流，其中的兩條分支由一種絕緣玻璃(由此處定義)跨接成橋，這樣玻璃受熱超過一定溫度時(shí)，就在兩條分支間形成導(dǎo)電通道，使導(dǎo)電體里的電流升高而大于一定的值最后導(dǎo)電體燒斷。
現(xiàn)在借助附圖來說明本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施形式

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)加熱器的示意平面圖；圖2是沿圖1中的II-II線的部分示意圖。
由圖可知，加熱器2包括一個(gè)大約厚0.5mm的不銹鋼(或其它金屬)平板4，上面有可以任何適當(dāng)方法敷設(shè)的一層絕緣玻璃6。在這個(gè)方案中，玻璃只有MZB550(陶瓷力學(xué))中的100μm厚。這個(gè)不銹鋼板可以做液體加熱容器的底部。玻璃層6上有一層以傳統(tǒng)材料制成的彎曲的電阻加熱軌道8，鋪設(shè)方法可以是諸如印印、噴涂等任何合適的技術(shù)。在這個(gè)方案中，軌道材料為ESL 2900-0.1，軌道8為13μm厚，4mm寬。整個(gè)軌道的電阻值約為26Ω。軌道8有各自的末端部分10、12，使用時(shí)通過導(dǎo)電墊片連接在供電設(shè)備上，這個(gè)墊片同樣以任何適當(dāng)?shù)姆椒尤攵伎伞?br> 軌道的相鄰分支由狹縫20所分隔。狹縫20的末端部分在參考點(diǎn)22標(biāo)志的地方減至最小值0.5mm。軌道別處的相鄰分支最少留一條1mm的縫隙。這樣，如果供電壓為240V，參考點(diǎn)22標(biāo)志的地方的電壓梯度為240/0.5＝480Vmm-1。這是整個(gè)軌道的電壓梯度的最大值。而且加熱器的功率密度在這個(gè)點(diǎn)上也達(dá)到最大值44Wcm-2(由軌道10、12及狹縫20的面積決定)，以保證在這個(gè)點(diǎn)上的加熱效果最大。這是因?yàn)?，雖然為使整個(gè)軌道都有熱效應(yīng)，軌道的寬是一定的，但這個(gè)區(qū)域的軌道最為緊密，故產(chǎn)熱也是最大的。
整個(gè)軌道8由一層保護(hù)性的玻璃覆蓋層16所鋪設(shè)，其上有一個(gè)外圍的凹痕以接通傳導(dǎo)墊14。覆蓋層16在軌道的末端分支10、12間提供了一個(gè)橋17。在這個(gè)具體方案中，玻璃采用了Agmet生產(chǎn)的ESL 4770BCG，其熔點(diǎn)為450℃。當(dāng)玻璃溫度接近這一點(diǎn)時(shí)，其電阻值下降非常之大以提供過熱保護(hù)，下面將對(duì)此特性進(jìn)一步說明。
例如，此加熱器用于液體加熱器的底，加熱器2將由容器中的液體的冷卻維持在100～200℃之間。但是，如果容器因沸騰而干涸或在不加液體時(shí)打開開關(guān)，加熱器的溫度會(huì)快速提高。雖然大多數(shù)容器裝有一定形式的“原始”過熱保護(hù)器，這種保護(hù)器在溫度超過150℃時(shí)會(huì)工作，如果這些裝置發(fā)生意外，加熱器的溫度將持續(xù)快速上升，如果不檢查它最終將爆炸。但是，由于本發(fā)明中玻璃覆蓋層16的作用，就可以避免整個(gè)軌道8災(zāi)難性的過熱現(xiàn)象以由此潛在造成的巨大損失。
在這種情況下，加熱器軌道16上供給的電流持續(xù)增加，其溫度也持續(xù)增加。因?yàn)榧訜崞鞯墓β拭芏仍邳c(diǎn)22處達(dá)到最大，這個(gè)區(qū)域的溫度升高也就最快，該地區(qū)的玻璃覆蓋層16受熱也最快。受熱的同時(shí)，玻璃的電阻值開始下降這意味著軌道末端分支10、12間的漏電流流過橋17且開始變大。這導(dǎo)致末端分支10、12間流過的電流加大，反過來加大了該區(qū)域的受熱效果，玻璃層16的受熱加大使其電阻值繼續(xù)下降，而漏電流繼續(xù)增加。最終流過玻璃的電流使玻璃內(nèi)部受熱，導(dǎo)致漏電流快速逸出。這時(shí)，軌道16的分支24除點(diǎn)22外已有效短路。
通常，軌道8到傳導(dǎo)墊14的總電阻值由所說的26Ω(在240V供電電壓下得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的2200W的功率)減至大約3Ω。這導(dǎo)致一個(gè)大約80A(標(biāo)準(zhǔn)情形為10A)的電流流過軌道分支10、12。在如此溫度下，這些軌道支路的設(shè)計(jì)載荷不能承受如此高的電流，實(shí)際上立即就汽化了。這樣就使加熱器軌道16的其余部分?jǐn)嚯?，因此防止了進(jìn)一步過熱。
實(shí)驗(yàn)表明，上述裝置的動(dòng)作非常迅速，玻璃層剛短路軌道16的時(shí)候，串聯(lián)在軌道16上的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的13A的保險(xiǎn)絲依然是完好的。
值得稱道的是本發(fā)明未局限于上述的具體方案。例如，不同的玻璃熔點(diǎn)不同，就可以為加熱器選擇需要的工作溫度和最大溫度。而且，不同的軌道圖案可以用來提供給不同的設(shè)施。
在上述方案中，軌道分支10、12的熔斷極其快，通常只要加熱器在干涸情況下接電這個(gè)熔斷過程僅需2～3秒。正常情況下諸如雙金屬片開關(guān)這樣的過熱保護(hù)器一般7秒后才能發(fā)生動(dòng)作，故如此快的響應(yīng)并不總是需要的。在上述方案中，軌道分支10、12就先于雙金屬片開關(guān)的工作而先汽化了。
有許多方法可以延長(zhǎng)熔斷時(shí)間。首先，象前邊建議的那樣，玻璃覆蓋層的材料可以更換。為了說明這一點(diǎn)，舉這樣一個(gè)例子一個(gè)具有和前邊討論的軌道形狀相同的加熱器，其構(gòu)成為一層90μm的ESL4914材料的絕緣層鋪在0.5mm厚的不銹鋼板上，鋼板上還有一層13μm厚約ESL2900-0.1材料制成的電阻加熱軌道和一層13μm厚的由ESL4770-BCG制成的玻璃覆蓋層。當(dāng)在2.2kw的功率干涸情況打開開關(guān)時(shí)，該加熱器不出2秒就會(huì)融斷。但是，如果玻璃層材料換為ESL4914(在850℃～900℃時(shí)變?yōu)榭蓪?dǎo)而不是在350℃)，軌道的熔斷約需15秒。這樣為原始保護(hù)器留下了充分的工作余地也就避免了過早熔斷。
在較高溫度下加熱器采用了玻璃覆蓋層，一個(gè)重要因素在于盡管低溫器件的軌道分支間可僅采用一個(gè)單獨(dú)的跨接橋，但高溫器件必須采用玻璃覆蓋層以防止高溫時(shí)軌道材料因氧化而毀壞。
提高該發(fā)明中加熱器的熔斷時(shí)間的另一個(gè)的因素為其襯底厚度。例如，在上述最后一個(gè)例子中，如果不銹鋼板的厚度由0.5mm提高至1.5mm，熔斷時(shí)間由15S增至30S。
使用具有正向溫度電阻率(PTCR)的軌道材料也可以提高熔斷時(shí)間。使用這種材料，軌道電阻隨溫度升高而變大，這樣當(dāng)溫度升高時(shí)，軌道的產(chǎn)熱(反比于軌道電阻的平方)下降，因此減少了熱效應(yīng)，也就延遲了玻璃減少熱量的啟動(dòng)開始。
如此可知，正確選擇襯底厚度、軌道材料和形狀及玻璃層材料，就可以得到需要的熔斷時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種電阻或加熱器，包含有敷設(shè)在絕緣層上的電阻軌道，兩個(gè)經(jīng)過預(yù)先測(cè)定的具有一定電流載流量的軌道分支由一種玻璃材料(由此處定義)跨接成橋，選擇該軌道外形及玻璃材料以使在一定溫度下，軌道分支間的漏電流增大到一定程度，使電流流過兩個(gè)軌道分支或其中之一且超過其載流量，由此導(dǎo)致所述分支之一熔斷。
2.如權(quán)利要求1中所述的電阻或加熱器，其特征在于，由玻璃材料將軌道分支跨接成獨(dú)立的橋。
3.如權(quán)利要求1中所述的電阻或加熱器，其特征在于，由玻璃材料做成軌道分支的玻璃覆蓋層。
4.如權(quán)利要求3所述的電阻或加熱器，其特征在于，將玻璃覆蓋層擴(kuò)大至軌道的很大一部分。
5.如上述權(quán)利要求之一所述的電阻或加熱器，其特征在于，跨接成橋的軌道分支是各個(gè)分支的末端。
6.如上述權(quán)利要求之一所述的電阻或加熱器，其特征在于，跨接成橋的軌道分支是最接近的分開的軌道分支。
7.如上述權(quán)利要求之一所述的電阻或加熱器，其特征在于，所說的軌道分支之所以構(gòu)造成這樣的外形是為了使玻璃橋區(qū)域的電壓梯度達(dá)到最大。
8.如上述權(quán)利要求之一所述的電阻或加熱器，其特征在于，所說的軌道分支的設(shè)置構(gòu)造可使玻璃橋區(qū)域的密度最大。
9.一種含有由上述權(quán)利要求之一的電阻或加熱器構(gòu)成的電器。
10.如權(quán)利要求9所述的電器，其特征在于，該電器是一種液體加熱容器，所述電阻或加熱器形成其底部或者說至少附加在容器底部。
11.用于電氣設(shè)備的過熱保護(hù)裝置，含有一電絕緣玻璃(由此處定義)，其電阻值隨溫度升高而降低，所述玻璃如此設(shè)置以橋接保險(xiǎn)絲，被選擇的玻璃一旦其溫度超過一定值，保險(xiǎn)絲中的電流就超過其最大級(jí)值，使保險(xiǎn)絲斷開。
12.一種用來保護(hù)電氣設(shè)施的保險(xiǎn)絲，含有一種經(jīng)過設(shè)計(jì)可通過一定電流的導(dǎo)電體，具有兩個(gè)由一種絕緣玻璃(此處定義)跨接成橋的分支，這樣當(dāng)玻璃受熱超過一定溫度時(shí)，分支間產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)電通道，導(dǎo)致導(dǎo)電體中的電流上升且超過其設(shè)計(jì)值，引起斷路。
13.一種生產(chǎn)電阻或加熱器的方法，含有將一電阻軌道敷在一絕緣襯底上，在兩個(gè)選定的軌道分支之間能通過一定的最大電流且由一種玻璃材料(此處定義)跨接成橋，橋的位置是預(yù)先選定的，當(dāng)超過一定溫度時(shí)，分支間漏電流便上升，達(dá)到一定程度時(shí)，流過分支之一內(nèi)的電流超過其最大預(yù)定電流，引起斷路。
14.一種該類型的電阻或加熱器，含有將一電阻軌道敷設(shè)在一層絕緣襯底上，在一定位置，在兩個(gè)軌道分支之間跨接一玻璃橋，該相鄰軌道分支間的電壓梯度及電阻或加熱器的功率密度都是最大的。
全文摘要
一種電阻或加熱器(2),含有一個(gè)敷設(shè)在絕緣襯底(6)上的電阻軌道(8)。軌道(8)中兩個(gè)預(yù)先經(jīng)過測(cè)定具有一定的電流截流量的軌道分支(10,12),由玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷材料(17)跨接成橋。用軌道(8)的外形及選擇玻璃材料可以達(dá)到如下目的:在一定的溫度條件下,軌道分支(10,12)間的漏電流升高到一定程度,形成的電流流經(jīng)軌道分支(10,12)或其中之一,且大大高于其電流載流量,由此軌道(10,12)中的一個(gè)將熔斷。
文檔編號(hào)H05B3/68GK1194768SQ9719056
公開日1998年9月30日 申請(qǐng)日期1997年4月17日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月18日
發(fā)明者K·B·道伊勒, J·C·泰勒爾 申請(qǐng)人:施特里克斯有限公司