專利名稱：電加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及那種本領(lǐng)域中稱為厚膜加熱器的電加熱器，尤其涉及形成液體加熱容器底部或者形成該液體加熱容器底部的一部分的厚膜加熱器，但不限于這種加熱器。
厚膜加熱器通常具有一個(gè)金屬基底，如不銹鋼，其上設(shè)置通常為陶瓷或者玻璃的絕緣層。接著以一個(gè)或者數(shù)個(gè)電阻槽的形式在絕緣層上設(shè)置導(dǎo)電油墨。最后涂上外層釉，防止槽氧化，并在某些情況下外層釉為槽提供電絕緣。
當(dāng)今，用厚膜加熱器形成液體加熱容器如水壺和汽鍋的底部或形成這類液體加熱容器部的一部分已經(jīng)變的越來越流行了。在這些應(yīng)用場合中這種加熱器比更加傳統(tǒng)的沉浸水中的套裝加熱元件更為可取。這是因?yàn)?，首先，厚膜加熱器一般具有一個(gè)平面液體加熱表面，更易于清潔。其次，可以獲得較高的功率，燒開的時(shí)間更少。此外，厚膜加熱器的平面表面比上述套筒式加熱器看起來更加美觀。
但是為了保證安全運(yùn)行，必須對厚膜加熱器采取專門的維護(hù)和特別的防護(hù)措施。這是因?yàn)榕c套筒元件相比，厚膜加熱器通常具有低熱容量，但是卻具有高的功率密度，這意味著假如一個(gè)具有厚膜加熱器的液體加熱容器在干燒的狀態(tài)下接通，或者燒干，那么加熱器的溫度極迅速地上升，因此達(dá)到非常高的溫度。
顯然，尤其在厚膜加熱器在干燒狀態(tài)下接通時(shí)，絕緣層上可能出現(xiàn)微裂縫。這些微縫破壞了基底和槽之間的電絕緣，致使加熱器損壞，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)絕緣測試要求，例如當(dāng)前滿足歐洲安全要求的1500V擊穿試驗(yàn)。因而采取避免該微裂縫的措施是必要的。
為了避免與微裂縫有關(guān)的上述問題，在WO98/03038中已經(jīng)提出，在制造時(shí)將厚膜加熱器做成在加熱器支撐絕緣層的一側(cè)上具有一個(gè)孔的盤形形狀。這就是說為了將該層設(shè)置為永久的受壓狀態(tài)。盡管該解決方法在防止出現(xiàn)微裂縫方面有些成功，但由于需要額外的步驟，增加了生產(chǎn)成本，而且由于使用該技術(shù)，平板表面必須應(yīng)用加熱槽，一旦使用加熱槽就必須執(zhí)行該步驟。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種厚膜加熱器，它具有一個(gè)基本上平的基底和在基底上的一個(gè)電絕緣層，它在使用時(shí)，特別是在干燒狀態(tài)下接通時(shí)，不會(huì)在絕緣層上出現(xiàn)裂縫。
本申請人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到微縫是由基底膨脹引起依附的絕緣層內(nèi)的過度拉伸應(yīng)變造成的，因此本實(shí)用新型的第一方面提供了一種液體加熱容器，具有，一個(gè)厚膜加熱器，該加熱器具有一個(gè)大體為平面的金屬基底，一個(gè)在所述基底上的電絕緣層，及設(shè)置于所述絕緣層的電阻加熱槽；及在運(yùn)行期間減少所述加熱器絕緣層的拉伸應(yīng)變的裝置。
本申請人已經(jīng)意識(shí)到，尤其在干燒接通的情況下，設(shè)有加熱槽的基底表面(經(jīng)過絕緣層)的溫度比對面的溫度，即通常接觸待加熱液體的表面的溫度上升得快。由于基底兩個(gè)表面以不同的速度膨脹，所以給基底帶來了應(yīng)力。在沒有任何限制的情況下，該應(yīng)力造成基底受熱表面最外層彎曲，因而拉緊絕緣層，造成微縫。
因此根據(jù)本實(shí)用新型，減少絕緣層拉伸應(yīng)變的裝置可以具有限制加熱器在運(yùn)行期間彎曲的裝置。
因此根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，本實(shí)用新型提供了一種裝置，它具有一個(gè)具有大體為平面的基底的厚膜加熱器，一個(gè)在所述基底上的電絕緣層，及設(shè)置在所述絕緣層的電阻加熱槽；及限制加熱器在運(yùn)行期間彎曲的裝置。
例如該裝置可以具有設(shè)置成與加熱器接觸的、以便防止彎曲的裝置，例如能夠設(shè)置成在加熱器已經(jīng)彎曲預(yù)定量之后與加熱器接觸的裝置，該預(yù)定量小于將會(huì)造成微裂縫的量。該裝置因此具有一個(gè)合適的熱阻元件，例如一個(gè)或者一個(gè)以上的與加熱器接觸的柱狀物等。該元件可能連接到容器上，或與容器形成為一體。該元件甚至與加熱器永久接觸，來基本上消除拉伸應(yīng)變。
但是，該裝置優(yōu)選具有對加熱器施加外力的裝置。例如該外力可以由一個(gè)作用于加熱器的彈簧施加。可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定彈簧的具體位置和強(qiáng)度。
因此，本實(shí)用新型從一個(gè)廣義的方面提供了一種裝置，它具有一個(gè)具有大體為平面的基底的厚膜加熱器，一個(gè)在所述基底上的電絕緣層，及設(shè)置于所述絕緣層的電阻加熱槽；及用于對加熱器受熱表面施加外力的裝置。
但是最好在加熱器本身設(shè)置降低絕緣層拉伸應(yīng)變的裝置。由于本實(shí)用新型具有不要求液體加熱容器生產(chǎn)者增加任何步驟的優(yōu)點(diǎn)，因此，它本身特別有利，因此從第二方面看，本實(shí)用新型提供了一種具有一個(gè)大體為平面的基底的厚膜加熱器，一個(gè)在所述基底上的電絕緣層，及設(shè)置在所述絕緣層的電阻加熱槽；其中所述的加熱器進(jìn)一步具有在運(yùn)行期間至少減少所述加熱器絕緣層的選擇區(qū)域內(nèi)的拉伸應(yīng)變的裝置。
根據(jù)本實(shí)用新型的這一方面，減少絕緣層內(nèi)的拉伸應(yīng)變的裝置可以具有形成在旁邊或者與該金屬基底形成一體的裝置，來防止加熱器彎曲或變彎，例如設(shè)置在加熱器基底上的加固裝置。但是，本申請人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，絕緣層的拉伸應(yīng)變直接取決于溫度，因此通過降低溫度就可以容易地減少拉伸應(yīng)變。
通過降低加熱器的總功率密度就可以做到，但是對于給定的功率輸出，調(diào)節(jié)較大受熱面積將會(huì)浪費(fèi)材料。
但是本申請人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，通過慎重地改變設(shè)置于加熱器的加熱器槽的功率密度，就可以減少厚膜加熱器中出現(xiàn)微裂縫的可能性。根據(jù)本實(shí)用新型，至少在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中與功率密度均勻一致的標(biāo)準(zhǔn)厚膜加熱器相比，不必降低總功率輸出，不必增加加熱器面積，就能夠減少厚膜加熱器出現(xiàn)微裂縫的傾向性。
加熱器的最佳功率分布取決于其幾何形狀，更具體地說，即使金屬基底部分再堅(jiān)硬，也會(huì)在給定溫度變化下產(chǎn)生最小的拉伸應(yīng)變。
在該最佳實(shí)施例中，功率密度這樣分布，使加熱器周邊區(qū)域的功率密度至少高于徑向中央?yún)^(qū)域的功率密度。最好使最大功率密度位于加熱器受熱區(qū)域的周邊。由于從槽周邊向外伸出的金屬基底部分不直接受熱，只是充當(dāng)槽周邊部分的散熱片，因此這樣是有利的。這就允許槽周邊部分在給定最大溫度下具有最大功率密度。
因此本實(shí)用新型的另一方面提供了一種具有一個(gè)大體為平面的基底的厚膜加熱器，一個(gè)在所述基底上的電絕緣層，及設(shè)置于所述絕緣層的電阻加熱槽；所述的加熱槽這樣設(shè)置，使加熱器周邊部分的功率密度比徑向內(nèi)部區(qū)域高，因此在使用時(shí)，所述內(nèi)部區(qū)域的溫度始終低于周邊區(qū)域。
換一種方式看，通過使功率密度朝加熱器周邊區(qū)域再分布(與標(biāo)準(zhǔn)功率密度分布相比)，使金屬基底周邊區(qū)域比中央部分更容易膨脹，因此將環(huán)形應(yīng)力引入基底，該應(yīng)力至少部分反抗厚度上的溫度梯度引起的彎曲應(yīng)力?；讖较騼?nèi)部區(qū)域被有效拉緊，使那個(gè)區(qū)域的應(yīng)變減小。
盡管設(shè)置有加熱器槽的金屬基底區(qū)域通常是平面的，但是在其邊緣部分最好具有加強(qiáng)裝置。由于依靠加強(qiáng)板，允許上述分布擴(kuò)大，產(chǎn)生同樣的應(yīng)變所需的應(yīng)力較大。在這種情況下，優(yōu)選使功率密度這樣分布，即與槽其他部分或者至少徑向中間部分相比，槽周邊部分達(dá)到最大溫度。這種布置本身是新穎的，因此從另一方面看，本實(shí)用新型提供了一種具有一個(gè)大體為平面的金屬基底的厚膜加熱器，一個(gè)在所述基底上的電絕緣層，及設(shè)置于所述絕緣層的電阻加熱槽；所述的加熱槽這樣設(shè)置，以便槽周邊部分的功率密度足夠高，足以在加熱器不接觸液體而被接通時(shí)，所述周邊部分的溫度高于加熱器徑向中間部分的溫度。
通過朝周邊進(jìn)一步改變功率密度，以便與徑向中間部分相比達(dá)到較高的溫度，由于加熱器的總功率可以在不出現(xiàn)微裂縫情況下增加，因此根據(jù)本實(shí)用新型以前提出的方面獲得的優(yōu)點(diǎn)更突出。
通過提供不同厚度的導(dǎo)電油墨，即在周邊提供一薄層，在周邊以內(nèi)提供一厚層，來在加熱器上獲得不同的功率密度。此外可以對不同的槽段使用不同電阻率的油墨。但是這兩種方法都會(huì)使生產(chǎn)成本顯著增加。因此優(yōu)選通過調(diào)節(jié)槽段的寬度，即使周邊槽段比徑向中間部分窄，來改變功率密度，以便周邊槽的單位電阻高，從而功率密度也較高。
任何不同的功率密度以及因此而產(chǎn)生的溫度分布能夠體現(xiàn)本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。例如，功率密度可以從加熱器周邊部分向中央部分連續(xù)降低。或者功率密度從周邊部分朝徑向中央?yún)^(qū)域降低，接著在加熱器中央保持恒定不變。
但是，優(yōu)選使功率密度從周邊向徑向中央?yún)^(qū)域降低，再朝加熱器中央升高。由于與功率連續(xù)下降的類似加熱器相比，加熱器總功率增加，因此功率密度的第二局部最大值是有利的，但是也可以這樣分布成使該區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)微裂縫的可能性。平板中央?yún)^(qū)域能夠承受比徑向中央?yún)^(qū)域更大的功率密度，而不會(huì)出現(xiàn)微裂縫，因?yàn)榭梢杂杉訜崞鞯臎]有設(shè)置加熱槽的最中央來冷卻。
在本實(shí)用新型的該最佳實(shí)施例中，槽具有多個(gè)同心的槽環(huán)，每一個(gè)槽環(huán)大體沿板周圍延伸，優(yōu)選使槽端部與低阻印刷桿連接，如一個(gè)銀桿。
加熱器最優(yōu)選為圓形的。
本實(shí)用新型的優(yōu)異之處在于，絕緣層的裂縫可以避免而不需要將厚膜加熱器做成盤形即在加熱器支持絕緣層的一側(cè)做出凹面。這樣就降低了制造費(fèi)用，因?yàn)椴恍枰谧龀霾垡院笤儆妙~外的步驟使加熱器成形。
下面將參照附圖描述本實(shí)用新型的一個(gè)示范實(shí)施例。其中

圖1是本實(shí)用新型的厚膜加熱器的示意圖；圖1A是沿圖1中加熱器半徑的示意圖，表示板的外形尺寸；圖2是圖1中加熱器的各種數(shù)據(jù)表；
圖3a和3b分別是在公知加熱器以及根據(jù)本實(shí)用新型在干燒預(yù)定時(shí)間之后加熱器直徑上的溫度分布曲線圖；圖4是標(biāo)準(zhǔn)加熱器及本實(shí)用新型加熱器的中央彎曲與加熱器干燒接通時(shí)間關(guān)系的曲線圖。
參看圖1，它表示本實(shí)用新型的一個(gè)厚膜平面加熱器。由圖中可見，電阻加熱槽由多個(gè)同心弧形槽段2a-2i組成。槽的各個(gè)部分與銀橋接部分4相互電連接。加熱器總功率為750W，240V交流電。槽段2a-2i設(shè)置在厚約85微米的絕緣層6上，絕緣層是以傳統(tǒng)方式設(shè)置在0.5mm厚的不銹鋼板8上。
由圖1A可見，板8在中央?yún)^(qū)域10內(nèi)通常是平面的，周邊設(shè)置有加強(qiáng)筋12。
槽段2a-2i的寬度從加熱器邊緣向中央變化。尤其在最外槽部分2a最窄，槽寬度在徑向中央?yún)^(qū)域朝槽段2e和2f增加，朝最內(nèi)槽2i略微減少。由于功率密度與槽寬成反比，所以功率密度從槽段2a的最大值減少槽段2e-2f的最小功率，并在槽段2i達(dá)到第二最小功率。從圖2的加熱器數(shù)據(jù)表中能夠更詳細(xì)地看出這一點(diǎn)。
出于比較的目的，可以對具有相同功率的，根據(jù)圖1和2生產(chǎn)的加熱器和標(biāo)準(zhǔn)加熱器進(jìn)行測試，標(biāo)準(zhǔn)加熱器也就是加熱器槽寬不變的加熱器。這些測試的結(jié)果見圖3a，3b和4。圖3a是已經(jīng)干燒6秒之后的‘標(biāo)準(zhǔn)’板的溫度分布曲線。圖3b表示對于本實(shí)用新型的加熱器進(jìn)行同樣測試的結(jié)果。顯然，他們的溫度分布曲線有明顯的差別。
首先看圖3a，它表示標(biāo)準(zhǔn)加熱器的分布曲線，可見由于沒有加熱槽，所以板中央的溫度(即圖3a中水平軸的一半處)最低。在朝板邊緣下降之前，在接近徑向中央?yún)^(qū)域X處，溫度一般升至最高。最高溫度和因此而造成的最大機(jī)械拉伸應(yīng)變出現(xiàn)在徑向中央?yún)^(qū)域，導(dǎo)致在該區(qū)域出現(xiàn)微裂縫。
但是相反，表示于圖3b的本實(shí)用新型的加熱器的溫度分布曲線在徑向中央?yún)^(qū)域呈現(xiàn)出最低溫度T，因而至少在加熱器接通后的6秒之內(nèi)避免了微裂縫。該測試選擇6秒的時(shí)間期限是因?yàn)樗浅善芳訜崞饔蔁岜Ｗo(hù)器斷開的時(shí)間上限。可見溫度在朝加熱器周邊的一個(gè)方向上上升至最大值，在朝加熱器中央方向的其他方向達(dá)到局部最大值。在加熱器再次冷卻下來之后檢查加熱器，沒有發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)微裂縫。
參照圖4，圖4表示上述測試中使用的相同的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)加熱器(線A和B)，及根據(jù)本發(fā)明的圖1和2設(shè)計(jì)的加熱器的中心彎曲與時(shí)間的關(guān)系曲線圖。所有測試在干燒狀態(tài)下進(jìn)行。由圖可以明顯看出，在標(biāo)準(zhǔn)加熱器的情況下，彎曲顯然要大(大致1到2倍)。此外，可以看見，在干燒接近7.5秒之后，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)加熱器出現(xiàn)故障，具有危險(xiǎn)的微裂縫；而在兩個(gè)試驗(yàn)中，本實(shí)用新型的加熱器則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)時(shí)間。
顯然，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型已經(jīng)詳細(xì)描述了特定的實(shí)例，該理論也適用于各種形狀的厚膜加熱器，不僅僅是那些具有同心環(huán)狀槽的加熱器。的確，加熱器甚至不必是圓形的，可以是橢圓形的或者其他任何適當(dāng)?shù)姆菆A形形狀。此外，雖然本實(shí)用新型使用750W的加熱器，但是，加熱器可以有不同的功率，尤其可以具有較高的功率，可以從本實(shí)用新型的原理中受益。
此外，例如可以通過對加熱器受熱面中心施加彈力來減少加熱器的歪曲。在上面討論的加熱器中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)40N的彈力可以有效地阻止微裂縫產(chǎn)生。
權(quán)利要求1.一種液體加熱裝置，具有一個(gè)具有大體為平面的金屬基底的厚膜加熱器，一個(gè)在所述基底上的電絕緣層，及一個(gè)設(shè)置于所述絕緣層上的電阻加熱槽；其特征在于，所述液體加熱裝置還包括有在運(yùn)轉(zhuǎn)期間降低所述加熱器絕緣層的拉伸應(yīng)變的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，用于降低絕緣層的拉伸應(yīng)變的裝置設(shè)置于加熱器本體上。
3.一種加熱裝置，具有一個(gè)具有大體為平面的金屬基底的厚膜加熱器，一個(gè)在所述基底上的電絕緣層，及一個(gè)設(shè)置于所述絕緣層上的電阻加熱槽；其特征在于，所述加熱裝置還包括有在運(yùn)轉(zhuǎn)期間限制所述加熱器彎曲的裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的加熱裝置，其特征在于，所述的限制裝置具有與加熱器接觸從而防止該加熱器變形的裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的加熱裝置，其特征在于，所述的限制裝置具有對加熱器施加外力的裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的加熱裝置，其特征在于，所述施加外力的裝置具有一個(gè)彈簧。
7.一種裝置，具有一個(gè)具有大體為平面的金屬基底的厚膜加熱器，一個(gè)在所述基底上的電絕緣層，及一個(gè)設(shè)置于所述絕緣層上的電阻加熱槽；其特征在于，所述裝置還包括有對加熱器受熱面施加外力的裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述施加外力的裝置具有一個(gè)彈簧。
9.一個(gè)具有一個(gè)大體為平面的金屬基底的厚膜加熱器，一個(gè)在所述基底上的電絕緣層，及一個(gè)設(shè)置于所述絕緣層上的電阻加熱槽；其特征在于，所述的加熱器進(jìn)一步包括在運(yùn)轉(zhuǎn)期間至少降低所述加熱器絕緣層的選擇區(qū)域內(nèi)的拉伸應(yīng)變的裝置。
10.如權(quán)利要求9所述的加熱器，其特征在于，所述降低應(yīng)變的裝置具有一個(gè)用于加熱器的可變功率密度分布裝置。
11.如權(quán)利要求10所述的加熱器，其特征在于，所述功率密度分布裝置設(shè)置為，使加熱器周邊區(qū)域的功率密度至少高于其徑向中間區(qū)域的功率密度。
12.如權(quán)利要求11所述的加熱器，其特征在于，最大功率密度位于加熱器受熱區(qū)域周邊。
13.如權(quán)利要求9至12之一所述的加熱器，其特征在于，在加熱器周邊具有加強(qiáng)裝置。
14.如權(quán)利要求9至12之一所述的加熱器，其特征在于，通過調(diào)整加熱槽的寬度來改變功率密度。
15.如權(quán)利要求9至12之一所述的加熱器，其特征在于，槽的功率密度從加熱器周邊向中央連續(xù)減少。
16.如權(quán)利要求9至12之一所述的加熱器，其特征在于，槽的功率密度從加熱器周邊向加熱器徑向中央?yún)^(qū)域減少，接著在加熱器中心保持恒定不變。
17.如權(quán)利要求9至12之一所述的加熱器，其特征在于，槽的功率密度從加熱器周邊向徑向中央?yún)^(qū)域減少，再朝加熱器中心增加。
18.一種具有一個(gè)大體為平面的金屬基底的厚膜加熱器，一個(gè)在所述基底上的電絕緣層，及一個(gè)設(shè)置于所述絕緣層上的電阻加熱槽；其特征在于，所述加熱槽設(shè)置為，加熱器區(qū)域的功率密度高于其徑向內(nèi)部區(qū)域的功率密度，因而在使用時(shí)，所述內(nèi)部區(qū)域的溫度與周邊區(qū)域相比保持為較低溫度。
19.如權(quán)利要求18所述的加熱器，其特征在于，在加熱器周邊具有加強(qiáng)裝置。
20.如權(quán)利要求18所述的加熱器，其特征在于，通過調(diào)整加熱槽的寬度來改變功率密度。
21.如權(quán)利要求18所述的加熱器，其特征在于，槽的功率密度從加熱器周邊向中央連續(xù)減少。
22.如權(quán)利要求18所述的加熱器，其特征在于槽的功率密度從加熱器周邊向加熱器徑向中央?yún)^(qū)域減少，接著在加熱器中心保持恒定不變。
23.如權(quán)利要求18所述的加熱器，其特征在于，槽的功率密度從加熱器周邊向徑向中央?yún)^(qū)域減少，再朝加熱器中心增加。
24.一種具有一個(gè)大體為平面的金屬基底的厚膜加熱器，一個(gè)在所述基底上的電絕緣層，及一個(gè)設(shè)置于所述絕緣層上的電阻加熱槽；其特征在于，所述加熱槽設(shè)置為，槽周邊部分的功率密度足夠高，足以在加熱器不接觸液體就被接通的情況下，所述周邊部分的溫度高于加熱器徑向中央部分的溫度。
25.如權(quán)利要求24所述的加熱器，其特征在于，槽的功率密度從加熱器周邊向中央連續(xù)減少。
26.如權(quán)利要求24所述的加熱器，其特征在于，槽的功率密度從加熱器周邊向加熱器徑向中央?yún)^(qū)域減少，接著在加熱器中心保持恒定不變。
27.如權(quán)利要求24所述的加熱器，其特征在于，槽的功率密度從加熱器周邊向徑向中央?yún)^(qū)域減少，再朝加熱器中心增加。
專利摘要一種液體加熱容器,包括一個(gè)具有一個(gè)大體為平面的金屬基底8的厚膜加熱器,一個(gè)在所述基底8上的電絕緣層6,及一個(gè)設(shè)置于所述絕緣層上的電阻加熱槽2。該容器還設(shè)置有改變加熱器功率密度的裝置,如一個(gè)改變沿直徑的加熱槽的功率密度的裝置,從而在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)減少所述加熱器絕緣層6的拉伸應(yīng)變。在一個(gè)特定的方案中,功率密度這樣分布,使加熱器周邊區(qū)域2a,2b的功率密度至少高于加熱器徑向中央?yún)^(qū)域2e,2f的功率密度。本實(shí)用新型的加熱器在使用時(shí),特別是在干燒狀態(tài)下接通時(shí),不會(huì)在絕緣層上出現(xiàn)裂縫。
文檔編號(hào)H05B3/26GK2492032SQ0025507
公開日2002年5月15日 申請日期2000年8月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月13日
發(fā)明者C·P·穆頓 申請人:施特里克斯有限公司