有關電熱元件及其控制器的改進的製作方法
2023-11-04 18:41:07
專利名稱：有關電熱元件及其控制器的改進的製作方法
技術領域：
本發明的領域本發明涉及電熱元件及其控制器的改進，具體來說(但不排除其它)，涉及電水壺和熱水罐之類的液體加熱器皿及其相關控制器，適於響應檢測到的元件過熱狀態(例如相關器皿無水時還給加熱元件接通電源產生的過熱狀態)斷開加熱元件的電源。雖然本發明已經具體應用到電水壺和熱水罐，並且下面也是具體參照這種應用進行描述的，但本發明並不局限於這種應用。
本發明的背景技術在電壺、熱水罐之類的器皿中最常用的常規電熱元件包括一個含在管狀金屬護套中的線繞電阻加熱元件，在護套內電阻加熱元件周圍填充礦物絕緣材料。經常用這種類型的帶護套的加熱元件作浸沒式加熱器，這種元件包括加熱元件本身和一個元件頂部(head portion)，因此，這種元件適於裝在器皿壁中為此目的形成的一個孔內。該加熱元件本身通常有一個所謂回熱部分(hotreturn portion)，元件在這裡返回，與元件頂部接觸，從而在元件頂部的另一側(幹側)確定了可檢測加熱元件本身的溫度的一個位置。適於裝在元件頂部的幹側的元件保護控制器是眾所周知的，它的熱敏致動器(一般是一個雙金屬元件)與前述的那個位置呈閉路傳熱關係。當例如給不含水的有關器皿的加熱元件接通電源使加熱元件本身過熱時，通過元件頭部向元件保護控制器發出一個熱信號，促使控制器去斷開元件電源。
上述類型的一個典型的元件保護控制器是由Otter ControlsLimited製造的X1控制器，在GB-A-2194099中專門結合圖3A、3B和3C對其進行了總體描述。X1控制器提供兩級元件保護，即通過加上以上所述的雙金屬致動器實現一級元件保護，並通過在一個合成塑料託架內設置雙金屬致動器使一級保護一旦失效時(這種情況發生的可能性很小)能有效提供二級保護或備用保護；對該合成塑料託架進行安排，使得元件頂部的溫度一旦連續升高到大於一級保護正常操作的溫度時該合成塑料託架要發生形變，並對這樣產生的託架的形變進行安排使其剛好可斷開加熱元件的電源。
平板形的電熱元件也是眾所周知的。咖啡製備設備通常包括一個熱板，以給製成的咖啡保溫，這樣的熱板通常包括一個帶保護套的加熱元件，用作前述的鑄件；或者將該加熱元件嵌入一個鋁鑄件中，而這個鋁鑄件本身形成該熱板；或者按另一種方式可將該加熱元件固定到一個不鏽鋼熱板上。在我們的英國專利申請No.9321681.0中描述了另一種形式的平板狀加熱元件，該加熱元件通常包括一個在電絕緣襯底上形成的具有一定圖案的電阻加熱元件，形成的方法例如有使用導電油墨(electrically-conductiveink)的平版印刷技術、在半導體器件製造領域公知的光刻技術、和/或眾所周知的其它澱積技術，如金屬的火焰噴射、等離子體蒸汽澱積、等等。具體來說，在我們的英國專利申請No.9321681.0中描述的平板形加熱元件包括一個薄的不鏽鋼片，它形成該元件的上表面，在其下側設有一個薄的玻璃層，或者其它的耐熱電絕緣材料。例如通過使用導電油墨的印刷技術，在玻璃層的表面上形成電阻加熱元件本身，並且在該印製的元件的上方提供另一個薄的玻璃層或其它的耐熱電絕緣材料。
本發明具體來說(但並不排除其它)涉及以上所述的、在我們的英國專利申請No.9321681.0中描述的這種類型的平板形加熱元件以及適用於這種元件的元件保護控制器。本發明是我們開發上述平板形加熱元件、並且改進前述的X1控制器使之能用於這種平板形元件的深入工作的結果。
本發明的概述按照本發明的一個方面，提供一種和元件保護控制器一道使用的大體平板形的電熱元件，該控制器具有一級熱敏致動器和二級熱敏致動器，二級熱敏致動器響應明顯高於一級熱敏致動器操作溫度的元件溫度而操作，所說電熱元件包括一個襯底或基板，一個在所說基底或基板的至少一個表面一部分上形成的一個電絕緣層，一個在所說的電絕緣層上形成的因此與所說襯底或基板隔離開的電導體，所說電導體的材料的電阻等於電阻加熱元件本身的電阻，以及，在所說電導體上形成的另一個電絕緣層，所說另一個電絕緣層有一個開口，在和前述的元件保護控制器一道使用該電熱元件過程中，一級熱敏致動器通過該開口可以接近所說電導體，因此能直接響應於電導體的溫度，並且防止該二級熱敏致動器直接接近所說電導體，使二級熱敏致動器通過另一個電絕緣層的熱傳導來響應電導體的溫度。
在適於和上述的X1元件保護控制器的改進形式一道使用的本發明的上述方面的典型實施例中，對控制器的雙金屬一級熱敏致動器進行安排，使其能藉助於定位把該致動器與另一個電絕緣層上的開口對齊，因而該致動器能直接響應於加熱元件的溫度，並且對構成控制器的二級熱敏致動器的塑料材料託架(還用於安裝雙金屬一級熱敏致動器)的支腳進行安排，使其能和其中所說開口外部的另一個電絕緣層接觸。如下面將會詳細描述的，所說實施例有一個不鏽鋼襯底或基板，由玻璃材料形成這兩個電絕緣層，並且該電阻加熱元件本身包括一個由導電油墨形成的加熱器印刷線。加熱器印刷線具有終端點，通過在第二電絕緣層(如，玻璃層)上形成的相應開口可接近加熱器印刷線，元件保護控制器具有彈性金屬導體，用於當控制器相對於加熱元件處於可操作的位置關係時與所說終端點實現接觸。對於用在塑料主體的器皿中的加熱元件，使用不鏽鋼襯底或基板是有益的，這是因為可以利用不鏽鋼的相對差的導熱性來熱隔離塑料器皿主體和電阻加熱元件本身。但使用不鏽鋼襯底只是舉例說明，還可以使用其它的材料。襯底或基板甚至於可以和首次提到的電絕緣層完全相同，在這種情況下可在襯底上直接形成電阻加熱元件本身。
本發明還引伸到前述的加熱元件與前述的元件保護控制器的組合，並且引伸到加入這一組合的液體加熱器皿。按本發明的下一方面，進一步還提供一種與大體平板形加熱元件一道使用的元件保護控制器，所說控制器包括一個由電絕緣材料形成的主體部件，一個設在所說主體部件的一側上的並且與大體平板形加熱元件並置的一級熱敏開關致動器，一個設在所說主體部件的所說的一側上並且在一個或多個位置與所說大體平板形加熱元件並置的二級熱敏開關致動器，這裡所說的一個或多個位置是與設置和大體平面形的加熱元件並置的所說一級熱敏開關致動器的位置分隔開的，在所說主體部件中響應所說一級和二級熱敏開關致動器以確定是否通過控制器向大體平板形加熱元件提供電能的開關裝置，以及電連接到所說開關裝置並且在所說主體部件的所說的一側上延伸以電接觸所說大體平板形加熱元件的電終端的終端裝置。
在所附的權利要求書中具體規定了本發明的以上各個方面和其它的一些方面、以及特徵，並且從下述結合附圖對本發明的典型實施例的詳細描述中將會完全清楚本發明的這些方面、特徵、以及它的優點。
附圖的簡要說明
圖1是實施本發明的一個方面的元件保護控制器的分解透視圖；圖2A、2B和2C分別是圖1的元件保護器的頂視平面圖、側視圖、和端視圖；以及圖3A和3B是實施本發明的另一方面的平板加熱元件的示意側視剖面圖和頂視平面圖，圖1和2的控制器適於和例如圖3的平板加熱元件一道使用。
實施例的詳細描述在詳細描述實施例之前，先要明確的是，圖1和2的元件保護控制器是上述的X1控制器的一種改進形式，在GB-A-2194099中專門參照它的圖3A、3B和3C描述了這種X1控制器。在下邊只對該控制器作簡要敘述，要想全面理解所說控制器的所有方面和所有優點，請參照GB-A-2194099。
首先參照圖1，其中所示的元件保護控制器包括第一和第二模注的塑料主體部件1和2，要使主體部件1和2能結合在一起並在其間卡住第一和第二終端3和4、以及彈性金屬導體5、6、7。在主體部件2的另一側上提供一個雙金屬一級開關致動器8，讓該致動器8以和G B-A-2194099中所述的X1控制器類似的方式安裝在一個塑料材料託架9上，又讓託架9按預定方式定位在主體部件2的前面(圖中看不見)。
按和GB-A-2194099所述類似的方式對雙金屬一級開關致動器8進行安排，以確定由彈性金屬導體5、6的部分10、11決定的一個開關的狀態，為此目的還設置一個推桿12。在正常條件下部分10和11彼此電接觸，當在使用中雙金屬一級開關致動器8響應於元件的過熱狀態時通過推桿12斷開部分10和11。一級開關致動器不管出於什麼理由一旦失效而未使部分10和11之間的接觸斷開，加熱元件還將繼續通電，它的溫度將升高到由塑料材料託架9構成的二級熱敏致動器可以操作的一個溫度。託架9有面向後的突起13和14。對突起13和14進行設計，使它們可以穿過主體部件2並與彈性金屬導體5、7的部分15、16接觸，因為當按可操作的方式將該控制器耦合到一個平板形加熱元件、並且向後將託架9壓向主體部件2時，通過突起13和14迫使彈性金屬部分15和16分別與終端3和4接觸。託架9有4個帶支腳18的支柱17，可以靠在一個相關的加熱元件的後表面上，並且當元件溫度上升到使支柱17要開始熔化的溫度時，由於導體部分15和16的彈力作用使託架9向前朝加熱元件方向壓扁，最終使導體部分15和16脫開與控制器的終端3和4的接觸。
讓圖1和2的元件保護控制器與大體平板形加熱元件一道使用，並且可以看出彈性金屬導體6和7具有向前延伸的部分19和20，使它們在控制器主體部分2的前方突出出來並且與平板形加熱元件的終端部分電接觸，用於通過控制器向加熱元件提供電能。
現在參照圖3A和3B，其中分別表示出按本發明的一個方面的平板形加熱元件的一種典型形式的側視剖面圖和示意平面圖。該平板形加熱元件包括一個不鏽鋼襯底或基板20，在基板20的中心區形成電絕緣的第一玻璃層21，在玻璃層21上形成導電的加熱器印刷線22，在加熱器印刷線22上以及在第一玻璃層21上形成的電絕緣的第二玻璃層23。在第二玻璃層23中設置一個開口或窗口24，可露出開口下方的加熱器印刷線22，並且如圖3B所示，確定開口24的大小，使圖1控制器的雙金屬一級致動器8能直接響應於加熱器印刷線22的溫度，但又要能把託架9的支腳18定位在開口外部和開口周圍的玻璃表面上。在第二玻璃層23中在和加熱器印刷線22的終端點27、28對應的位置設置附加的開口25、26，並且對附加開口25、26進行安排，以便在控制器和加熱元件裝配成可操作關係時能被控制器彈性導體6、7的向前突出的部分19、20接觸。加熱器印刷線22的終端點27、28最好由銀形成，或者由與其類似的良好的電接觸材料構成。
在加熱元件基板20上設有安裝柱29和30，用於固定元件保護控制器。這些安裝柱可以是帶螺紋的，或將其設計成能與任何適當形式的摩擦式固定裝置接合。
在帶有上述元件保護控制器的上述平板形加熱元件的操作中，控制器的雙金屬一級致動器和元件的加熱器印刷線保持直接熱傳遞關係，從而可保證控制器對元件的過熱狀態的迅速響應。同時，通過將二級保護裝置(即，可壓扁的託架9)和加熱器印刷線22隔離可以保證在一般情況下和控制器一級保護操作同時發生的熱過衝(即，在一級保護操作後在元件中一般要產生的動態溫升)不會導致二級保護的動作。雙金屬一級致動器與加熱器印刷線的緊密熱接觸進一步還能改善一級保護響應時間，從而進一步減小了溫度過衝量。這些因素都有利於選擇用於託架9的適宜材料。
元件保護控制器的形狀相當「平直」，從美學角度看也是有益的，並且可使將控制器插入外觀漂亮的設備中的任務簡化。
以上描述了一種裝在印製的元件上的帶有可變形的二級備用保護的雙金屬控制器結構，其中控制器的雙金屬片與加熱器印刷線直接熱接觸，並且可變形的備用保護通過一個玻璃外層與加熱器印刷線熱隔離，這個玻璃外層限制了它的過衝溫度，因此在此結構中可利用它的實際熱塑性。此外，在此結構中，介紹了一種通過與控制器構成整體式結構的彈性元件和電連接到加熱器印刷線上的印製的觸點之間的直接接觸來實現和加熱器印刷線的電連接的結構。
雖然參照典型實施例已經描述了本發明，但顯然應該認識到，這些已描述過的實施例只是對本發明進行舉例說明，不起限制作用；並且對於具有相關技能的技術人員來說，在不離開由所附的權利要求書規定的本發明的範圍的條件下，可以作出改進和變化。例如，在平板形加熱元件的相對側(溼側)上的一個和開口24的位置(即，雙金屬片8檢測元件溫度的位置)相對應的位置上可設置一個內室，該內室具有帶孔的壁，當器皿注水時允許水流入內室內部，但內室的尺寸和結構應使器皿中的水沸騰時在內室中產生的蒸汽能把水從這裡排掉。通過設置這樣一種內室，使用作元件過熱控制器的一個控制器具有兩種功能在元件過熱的條件下(無論什麼原因引起的)使元件電源斷開，並且當器皿內的水沸騰時自動斷開元件的電源，器皿中水的沸騰以及對於內室的水的排除作用將在內室中引起元件過熱狀態，使控制器開始操作運行。
權利要求
1.一種大體平面形的電熱元件，它和一個元件保護控制器一道使用，該控制器具有一級熱敏致動器和二級熱敏致動器，二級熱敏致動器響應於明顯高於一級熱敏致動器操作溫度的溫度而操作，所說電熱元件包括一個襯底或基板，在所說襯底或基板的至少一個表面的一部分上形成一個電絕緣層，在所說電絕緣層上形成一個電導體並使其與所說襯底或基板隔離開來，構成電導體的材料的電阻等於構成電阻加熱元件本身的電阻，並且在所說電導體上形成另一個電絕緣層，所說另一個電絕緣層有一個開口，在和上述的元件保護控制器一道使用該電熱元件過程中，一級熱敏致動器通過該開口可逼近所說電導體，使一級熱敏致動器可直接響應於所說電導體的溫度，並且阻止二級熱敏致動器直接逼近所說電導體，二級熱敏致動器通過另一個電絕緣層的熱傳導來響應所說電導體的溫度。
2.如權利要求1的加熱元件，其中所說襯底或基板由金屬材料形成。
3.如權利要求2的加熱元件，其中所說金屬材料包括不鏽鋼。
4.如權利要求1的加熱元件，其中所說的襯底或基板由非金屬電絕緣材料形成。
5.如權利要求4的加熱元件，其中構成襯底或基板的材料與在其上形成的首次提到的電絕緣層的材料相同。
6.如權利要求5的加熱元件，其中的襯底或基板以及首次提到的在其上形成的電絕緣層完全相同並成一體。
7.如前述權利要求中任何一個所述的加熱元件，其中首次提到的電絕緣層和/或所說另一個電絕緣層由玻璃材料形成。
8.如前述權利要求中任何一個所述的加熱元件，其中所說電導體包括澱積在首次提到的電絕緣層上的電阻加熱器印刷線。
9.如權利要求8的加熱元件，其中所說加熱器印刷線包括印製在首次提到的電絕緣層上的導電油墨。
10.如權利要求8或9的加熱元件，其中所說加熱器印刷線包括位於相應的孔的下方的終端點，這些孔設在所說另一個電絕緣層中，以便接近所說終端點，向加熱器印刷線提供電能。
11.基本上如參照圖3A和3B描述的一種加熱元件。
12.如前述權利要求中任何一個所述的、並且和前述的元件保護控制器組合的一種加熱元件。
13.如權利要求12的組合件，其中的一級熱敏致動器包括一個雙金屬元件，二級熱敏致動器包括一個部件，對構成該部件的材料進行選擇，使其在超過預定溫度值的溫度下能在彈性元件壓力作用下發生形變。
14.如權利要求13的組合件，其中的二級熱敏致動器包括一個由熱塑性材料構成的部件。
15.如權利要求13、或14的組合件，其中二級熱敏致動器包括一個用於所說雙金屬元件的託架。
16.如權利要求12-15中任何一個所述的組合件，其中所說元件保護控制器包括一個由電絕緣材料構成的主體部件，在所說主體部件的一側上設有所說一級熱敏開關致動器，使該致動器與加熱元件的所說開口並列設置，並且在所說主體部件的所說這一側上提供二級熱敏致動器，使該致動器在一個或多個與所說開口隔開的位置與所說加熱元件並列設置，在所說主體部件上提供的開關裝置，該開關裝置響應於所說一級熱敏致動器和二級熱敏致動器，用於確定是否通過控制器向加熱元件提供電能，並且提供終端裝置，這些終端裝置電連接到所說開關裝置並且在所說主體部件的所說這一側上延伸，用於電接觸所說加熱元件的電終端。
17.如權利要求12-16中任何一個所述的組合，其中所說元件保護控制器基本上就是參照圖1描述的控制器。
18.一種與大致平板形加熱元件一起使用的元件保護控制器，所說控制器包括一個由電絕緣材料形成的主體部件，一個設在所說主體部件的一側上並且與大體平板形加熱元件並列設置的一級熱敏開關致動器，一個設在所說主體部件上、並且在與安排和大致平板形加熱元件並列設置的所說一級熱敏開關致動器的位置隔開的一個或多個位置同所說大體平板形加熱元件並置的二級熱敏開關致動器，在所說主體部件中響應於所說一級和二級熱敏開關致動器、用於確定是否通過控制器向大體平板形加熱元件提供電能的開關裝置，以及電連接到所說開關裝置並在所說主體部件的所說一側延伸、用於電接觸所說大致平板形加熱元件的電終端的終端裝置。
19.基本上如參照圖1所述的元件保護控制器。
20.一種平板形加熱元件，包括一個加熱器印刷線，該加熱器印刷線在一個襯底或基板上形成並且設有一個位於下方的電絕緣層，該電絕緣層有一個與加熱器印刷線的一部分對齊的孔，藉此可獲得至加熱器印刷線的通路，以直接監測它的溫度。
21.一種和權利要求20所述的平板形加熱元件一道使用的元件保護控制器，所說控制器包括一級熱敏致動器，對其進行安排，使其可直接響應通過所說孔可接近的加熱器印刷線的這個部分的溫度；以及，二級熱敏致動器，對其進行安排，使其能響應所說孔的外部的一個或多個位置的加熱器的溫度。
全文摘要
一種用於電加熱沸水器的平板形加熱元件，包括一個在一側形成有印製的加熱元件的不鏽鋼板，該印製的加熱元件夾持在兩個電絕緣的玻璃層之間。在過熱狀態用於斷開元件電源的控制器包括一個雙金屬片形式的一級致動器，它通過在最外邊的玻璃絕緣層上形成的窗口可直接靠緊該印製元件，該雙金屬片固定在一個二級致動器中，二級致動器由用於雙金屬片的可熱壓扁的託架構成，雙金屬片與窗口周圍的玻璃絕緣層接觸。藉助於這種結構，使一級和二級致動器可經受不同的溫度，保證二級致動器對不期望出現的操作是不敏感的。
文檔編號H05B3/82GK1136854SQ9419436
公開日1996年11月27日 申請日期1994年10月21日 優先權日1993年10月21日
發明者R·A·歐內爾 申請人:奧特控制有限公司