ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК H05B3/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электрическим нагревателям, известным как толстопленочные нагреватели, и преимущественно (но не исключительно) к толстопленочным нагревателям, образующим основание или часть основания нагревательного устройства (сосуда) для нагрева жидкости.

Уровень техники

Типичные толстопленочные нагреватели содержат металлическую подложку, например из нержавеющей стали, на которую нанесен изолирующий слой, как правило, из керамики или стекла. Сверху на изолирующий слой нанесена электропроводная паста, образующая резистивную дорожку или группу дорожек. Последним наносится слой глазури, служащий для предотвращения окисления дорожки, а также, в некоторых случаях, для обеспечения электрической изоляции дорожки.

В настоящее время толстопленочные нагреватели все чаще используют в качестве основания сосудов для нагрева жидкости, например электрических чайников и других нагревательных устройств. Подобные нагреватели являются предпочтительными в таких применениях по сравнению с традиционными нагревательными элементами, полностью закрытыми оболочкой. Это связано, во-первых, с тем, что толстопленочные нагреватели, как правило, имеют плоскую поверхность нагрева жидкости и поэтому их легче чистить. Далее, плоская поверхность толстопленочного нагревателя в эстетическом отношении более приятна, чем упомянутые полностью закрытые нагревательные элементы.

Однако для того, чтобы обеспечить безопасность при работе с толстопленочными нагревателями, необходимы особая внимательность и специальные меры предосторожности. Это связано с тем, что толстопленочные нагреватели, как правило, имеют низкую теплоемкость, но высокую плотность мощности по сравнению с традиционными закрытыми нагревателями. В то время, как эти свойства являются преимуществами при нагревании жидкости, поскольку обеспечивают ее быстрый нагрев, их наличие означает, что, если сосуд для нагрева жидкости будет включен без жидкости или полностью выкипит, его температура будет очень быстро возрастать и, значит, достигнет очень высоких значений.

Известно, что в подобных ситуациях, особенно при включении без жидкости ("сухое" включение), может иметь место образование микротрещин в изолирующем слое. Эти микротрещины нарушают электрическую изоляцию между подложкой и дорожками; в результате нагреватель перестает удовлетворять требованиям стандартных испытаний на качество изоляции, таким, например, как импульсный тест 1500 В, который в настоящее время предусмотрен Европейскими правилами безопасности. Следовательно, необходимы меры, позволяющие избежать образования микротрещин.

Для решения проблем, связанных с микротрещинами, в международной заявке WO 98/03038 было предложено придать толстопленочному нагревателю в процессе его изготовления конфигурацию диска с вогнутостью на той стороне нагревателя, которая несет изолирующий слой. Утверждается, что это делается для того, чтобы постоянно поддерживать данный слой в состоянии сжатия. Хотя данное решение обеспечивает некоторый успех в предотвращении микротрещин, оно увеличивает производственные затраты, поскольку требует выполнения дополнительной операции после нанесения нагревательной дорожки, т.к. по существующей технологии дорожка должна наноситься на плоскую поверхность.

Сущность изобретения

Заявитель настоящего изобретения установил, что образование микротрещин обусловлено избыточной деформацией растяжения в изолирующем слое, вызванной расширением подложки, на которую он нанесен. В связи с этим в своем первом аспекте изобретение предусматривает создание устройства для нагрева жидкости, содержащего: толстопленочный нагреватель, имеющий, по существу, плоскую металлическую подложку, слой электрической изоляции, расположенный на указанной подложке, и резистивную нагревательную дорожку, нанесенную на указанный слой изоляции.

Устройство по изобретению характеризуется тем, что дополнительно содержит средства минимизации деформации растяжения слоя изоляции при работе указанного нагревателя.

Подобные средства могут, например, включать в себя средства, выполненные с возможностью вступать в контакт с нагревателем для того, чтобы препятствовать его изгибанию. Например, эти средства могут быть выполнены с возможностью вступать в контакт с нагревателем после того, как нагреватель деформировался на определенную величину, причем эта величина должна быть меньше той, которая привела бы к образованию микротрещин. Таким образом, подобные средства могут содержать соответствующий термостойкий компонент, например одну или несколько стоек или подобных им элементов, установленных с возможностью вступать в контакт с нагревателем. Подобный компонент может быть прикреплен к корпусу сосуда или выполняться как его интегральная часть. Более того, подобный компонент может находиться в постоянном контакте с нагревателем в целях, по существу, полного устранения деформации растяжения.

Однако более предпочтительно, чтобы указанные средства включали в себя средства для приложения к нагревателю внешнего усилия. Подобное усилие может, например, создаваться действующей на нагреватель пружиной. Конкретное положение пружины и развиваемое ею усилие могут устанавливаться эмпирически.

Вместе с тем еще более предпочтительно, чтобы средства минимизации деформации растяжения слоя изоляции обеспечивались самим нагревателем. Такой подход является особенно желательным потому, что он позволяет реализовать преимущества настоящего изобретения без необходимости принятия изготовителем сосуда для нагрева жидкости специальных дополнительных мер. Таким образом, в своем втором аспекте настоящее изобретение обеспечивает создание толстопленочного нагревателя, содержащего по существу, плоскую металлическую подложку, слой электрической изоляции, расположенный на указанной подложке, и резистивную нагревательную дорожку, нанесенную на указанный слой изоляции. При этом указанный нагреватель дополнительно содержит средства минимизации деформации растяжения слоя изоляции, по меньшей мере, в выбранных зонах слоя изоляции указанного нагревателя в процессе его работы.

В соответствии с данным аспектом изобретения средства минимизации деформации растяжения в слое изоляции могут предусматривать средства, образованные металлической подложкой или выполненные как одно целое с ней и служащие для ограничения или предотвращения нагревателя от изгибания. Например, это могут быть средства, введенные в подложку нагревателя и повышающие ее жесткость. Однако заявитель учитывает, что деформация растяжения в изолирующем слое находится в прямой зависимости от температуры и, следовательно, подобная деформация может быть уменьшена просто за счет снижения температуры.

Такое снижение могло бы быть достигнуто снижением средней плотности мощности нагревателя. Вместе с тем это привело бы к росту материальных затрат, т.к. для заданной выходной мощности потребовалась бы большая нагревательная поверхность.

Однако заявитель установил, что способность к образованию микротрещин в толстопленочном нагревателе может быть ослаблена обеспечением непостоянного распределения плотности мощности по поверхности нагревателя, т.е. путем преднамеренного варьирования плотности мощности нагревателя по его поверхности. Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере, в предпочтительных вариантах его осуществления способность к образованию микротрещин в толстопленочном нагревателе может быть ослаблена без необходимости снижения общей выходной мощности или увеличения площади поверхности нагревателя по сравнению с обычным нагревателем, имеющим равномерное распределение плотности мощности.

Оптимальное распределение плотности мощности по нагревателю будет зависеть от его геометрии. Более конкретно, от того, имеются ли в подложке зоны повышенной жесткости, для которых деформация растяжения при заданном изменении температуры будет минимальной.

В наиболее предпочтительных вариантах распределение плотности мощности выбирается таким, чтобы плотность мощности в периферийной зоне нагревателя была выше, чем, по меньшей мере, в его зоне, средней в радиальном направлении. В самом предпочтительном варианте плотность мощности максимальна на периферии нагреваемой области нагревателя. Преимущество данного варианта в том, что часть металлической подложки, расположенная снаружи по отношению к дорожке, непосредственно не нагревается и, следовательно, действует в качестве теплоотвода для периферийной зоны дорожки. Это позволяет периферийной части дорожки иметь наибольшую плотность мощности при заданной максимальной температуре.

Следовательно, в своем следующем аспекте изобретение предусматривает создание толстопленочного нагревателя, содержащего, по существу, плоскую металлическую подложку, слой электрической изоляции, расположенный на указанной подложке, и резистивную нагревательную дорожку, нанесенную на указанный слой изоляции, причем нагревательная дорожка выполнена таким образом, что плотность мощности дорожки в ее периферийной зоне выше, чем в зоне, смещенной внутрь в радиальном направлении, т.е. средней в радиальном направлении. В результате температура указанной смещенной внутрь зоны остается ниже температуры указанной периферийной зоны.

Другими словами, перераспределение плотности мощности в направлении периферии нагревателя (по сравнению со стандартным равномерным распределением плотности мощности) приводит к тому, что периферийная часть металлической подложки расширяется в большей степени, чем ее центральная часть. Это приводит к возникновению в подложке кольцевого напряжения, которое, по меньшей мере, частично противодействует изгибающему напряжению, вызываемому градиентом температуры по толщине подложки. Внутренние в радиальном направлении зоны подложки испытывают натяжение, минимизирующее напряжение в этих зонах.

Хотя область металлической подложки, на которую нанесена нагревательная дорожка, является, по существу, плоской, она предпочтительно снабжается средствами повышения ее жесткости, расположенными у кромки подложки, т.е. по периферии нагревателя. Это делает описанное распределение более выраженным, поскольку, при большей жесткости, для возникновения той же деформации требуется большее напряжение. С учетом этого предпочтительным представляется такое распределение плотности мощности, при котором периферийная часть дорожки имеет максимальную температуру по сравнению с остальной частью дорожки или, по меньшей мере, с ее зоной, занимающей среднее положение в радиальном направлении.

Данный признак является новым; поэтому еще в одном своем аспекте настоящее изобретение обеспечивает создание толстопленочного электрического нагревателя, содержащего металлическую подложку, имеющую у своей кромки средства повышения ее жесткости, слой электрической изоляции, расположенный на указанной подложке, и толстопленочную резистивную нагревательную дорожку, сформированную на слое изоляции, причем указанная нагревательная дорожка выполнена таким образом, что плотность мощности ее периферийной части достаточна для того, чтобы в случае включения нагревателя в отсутствие контакта с жидкостью температура указанной периферийной части была выше температуры части нагревателя, занимающей среднее положение в радиальном направлении.

За счет использования распределения плотности мощности, еще более смещенного в сторону периферийной части, которая за счет этого приобретает более высокую температуру по сравнению со средней в радиальном направлении зоной, преимущества, обеспечиваемые рассмотренными аспектами изобретения, еще более усиливаются. Это связано с тем, что появляется возможность дальнейшего повышения суммарной мощности нагревателя без образования микротрещин.

Дифференциация плотности мощности по нагревателю может быть достигнута нанесением слоя электропроводной пасты различной толщины, т.е. нанесением более тонкого слоя на периферии и более толстого слоя в зонах, внутренних по отношению к периферии. В качестве альтернативы можно использовать для некоторых частей дорожки пасты различной проводимости. Однако оба этих метода приведут к значительному росту производственных затрат. Поэтому варьирование плотности мощности достигается подбором ширины различных частей дорожки, т.е. выполнением периферийной части дорожки более узкой, чем часть дорожки, занимающая среднее положение в радиальном направлении. Как следствие, периферийная часть имеет более высокое удельное сопротивление и, следовательно, более высокую плотность мощности.

Существует много различных сочетаний плотности мощности и, значит, температурных профилей, которые обеспечивают реализацию преимуществ настоящего изобретения. Например, плотность мощности может непрерывно убывать от периферии нагревателя к его центру. Альтернативно, плотность мощности может убывать от периферии до средней в радиальном направлении области нагревателя, а затем оставаться на постоянном уровне вплоть до центра нагревателя.

Однако предпочтительно, чтобы плотность мощности убывала от периферии до средней в радиальном направлении области нагревателя и снова возрастала в направлении центра нагревателя. Наличие второго локального максимума мощности дает то преимущество, что в результате возрастает суммарная мощность нагревателя по сравнению с аналогичным нагревателем с постоянно убывающей плотностью мощности. При этом также обеспечивается предотвращение образования микротрещин в этой области. Примыкающая к центру область подложки может выдерживать без образования микротрещин более высокую плотность мощности, чем указанная средняя область, поскольку она охлаждается от самой центральной части нагревателя, свободной от нагревательной дорожки.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения дорожка включает в себя группу концентричных кольцевых секций, каждая из которых проходит вокруг подложки. Концевые части секций предпочтительно соединены нанесенными методом печати полосками, имеющими низкое сопротивление, предпочтительно серебряными.

Наиболее предпочтительно выполнить нагреватель круглым.

Перечень фигур

Далее в качестве примера будет описан со ссылкой на прилагаемые чертежи предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения.

Фиг. 1 соответствует схематичному изображению толстопленочного нагревателя по настоящему изобретению.

На фиг. 1А представлено сечение нагревателя радиальной плоскостью, иллюстрирующее профиль подложки.

Фиг.2 представляет собой таблицу, содержащую дополнительные данные о нагревателе по фиг. 1.

На фиг. 3а и 3b приведены графики распределения температуры по диаметру соответственно для известного нагревателя и нагревателя по изобретению через фиксированное время после "сухого" включения.

Фиг.4 представляют собой график смещения центра нагревателя как функции времени после "сухого" включения для стандартного нагревателя и для нагревателя по изобретению.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг. 1 представлен толстопленочный плоский нагреватель, в котором воплощено настоящее изобретение. Можно видеть, что резистивная нагревательная дорожка 2 образована группой концентричных дуговых секций 2а-2i. Отдельные секции электрически связаны друг с другом посредством серебряных проводников-перемычек 4. Общая мощность изображенного нагревателя равна 750 Вт при питании переменным напряжением 240 В. Секции 2а-2i дорожки расположены на изолирующем слое 6 толщиной около 85 мкм, нанесенном обычным способом на подложку в форме пластины 8 из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм.

Из фиг. 1А видно, что пластина 8 является, по существу, плоской в своей центральной области 10 и снабжена ребром жесткости 12, расположенным на периферии пластины.

Значения ширины секций 2а-2i дорожки изменяются в направлении от края нагревателя к его центру. В частности, самая внешняя секция 2а является самой узкой, причем ширина секций увеличивается вплоть до секций 2е и 2f, лежащих в зоне, которая является средней в радиальном направлении. Затем ширина слега уменьшается в направлении самой внутренней секции 2i. Поскольку плотность мощности обратно пропорциональна ширине секции, плотность мощности убывает от максимума (в секции 2а) до минимума (в секциях 2е и 2f) и возрастает до второго, локального максимума (в секции 2i). Приведенные сведения с большей детальностью повторены в таблице данных (фиг. 2).

Были проведены сравнительные испытания нагревателя по фиг. 1 и 2 и стандартного нагревателя той же мощности, т.е. такого, у которого дорожка имеет постоянную ширину по всей поверхности нагревателя. Результаты этих испытаний приведены на фиг. 3а, 3b и 4. Фиг.За - это температурный профиль в радиальном направлении для "стандартной" пластины через 6 с после "сухого" включения. На фиг. 3b показаны результаты аналогичного испытания применительно к нагревателю по настоящему изобретению. Видно, что температурные профили имеют существенные различия.

Из фиг. 3а, соответствующей стандартному нагревателю, видно, что температура в центре пластины (т.е. посередине температурной кривой) является самой низкой, поскольку в этой зоне нет никакой секции дорожки. Температура плавно повышается в радиальном направлении до широкого максимума приблизительно в средней зоне Х, а затем она падает в направлении края пластины. Самые высокие температуры и, как следствие, наиболее значительные деформации растяжения имеют место в области, которая является средней в радиальном направлении. Это приводит к образованию микротрещин в этой области.

В отличие от описанного, температурный профиль на фиг. 3b (соответствующий нагревателю по изобретению) характеризуется минимальной температурой Т в средней области. Это позволяет избежать образования микротрещин, по меньшей мере, в течение 6 с после подачи питания на нагреватель. Интервал 6 с был выбран для этих испытаний в связи с тем, что он соответствует верхнему пределу, установленному для отключения нагревателя посредством компонента термозащиты. Можно видеть, что для нагревателя по изобретению температура возрастает в одном направлении вплоть до максимума на периферии нагревателя и в другом направлении до локального максимума у центра нагревателя. Осмотр нагревателя после остывания не обнаружил возникновения никаких микротрещин.

На фиг. 4 показаны график смещения центра нагревателя как функция времени для двух стандартных нагревателей, подобных использованному в испытаниях, описанных выше (графики А и В), и аналогичный график для нагревателя по настоящему изобретению, конструкция которого охарактеризована на фиг. 1 и 2. Все испытания были проведены при "сухом" включении. На приведенных графиках сразу можно заметить, что в случае стандартных нагревателей отклонение центра было существенно большим (примерно вдвое). Более того, видно, что оба стандартных нагревателя вышли из строя с образованием опасных микротрещин примерно через 7,5 с после "сухого" включения. В то же время нагреватель, воплощающий настоящее изобретение, в обоих испытаниях функционировал в течение существенно более длительного времени.

Специалистам в данной области должно быть понятно, что, хотя подробно был описан только один конкретный пример осуществления изобретения, концепция изобретения может найти широкое использование применительно к толстопленочным нагревателям, имеющим различную конструкцию, необязательно предусматривающую наличие дорожки в виде группы концентричных колец. В действительности нагреватель может вообще быть не круглой, а овальной или какой-либо другой пригодной формы. Далее, хотя изобретение было испытано с использованием нагревателя мощностью 750 Вт, оно может быть полезным и для нагревателей другой мощности, особенно более высокой.

Кроме того, деформация нагревателя может быть уменьшена механическим путем, в частности приложением упругого усилия к центру нагретой стороны нагревателя. Применительно к нагревателю, рассмотренному выше, было обнаружено, что усилие, создаваемое посредством пружины и составляющее 40 Н, обеспечивает удовлетворительную сопротивляемость образованию микротрещин.

Изобретение относится к электронагревателям, образующим основание или часть основания сосуда для нагрева. Сосуд для нагрева жидкости содержит толстопленочный нагреватель, имеющий, по существу, плоскую металлическую подложку (8), слой (6) электрической изоляции, расположенный на указанной подложке (8), и резистивную нагревательную дорожку (2), нанесенную на указанный слой изоляции. Сосуд также содержит средства минимизации деформации растяжения слоя изоляции (6) при работе указанного нагревателя, например, обеспечивающие непостоянное распределение плотности мощности нагревательной дорожки (2) по поверхности нагревателя. В одном из конкретных вариантов распределение плотности мощности выбрано таким, что плотность мощности в периферийной области (2а, 2b) нагревателя выше, чем, по меньшей мере, в его зоне (2е, 2f), средней в радиальном направлении, что повышает надежность нагревателя. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Толстопленочный нагреватель, имеющий, по существу, плоскую металлическую подложку, слой электрической изоляции, расположенный на указанной подложке, и резистивную нагревательную дорожку, нанесенную на указанный слой изоляции, при этом нагреватель дополнительно содержит средства минимизации деформации растяжения слоя изоляции, по меньшей мере, в выбранных зонах слоя изоляции указанного нагревателя в процессе его работы, обеспечивающие непостоянное распределение плотности мощности по поверхности нагревателя, причем плотность мощности в периферийной области нагревателя выше, чем, по меньшей мере, в его области, средней в радиальном направлении.2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что плотность мощности выбрана максимальной на периферии нагреваемой области нагревателя.3. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что содержит средства повышения жесткости нагревателя, расположенные по его периферии.4. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что варьирование плотности мощности обеспечено подбором ширины различных частей дорожки.5. Нагреватель по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что плотность мощности выбрана непрерывно убывающей от периферии нагревателя к его центру.6. Нагреватель по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что плотность мощности выбрана убывающей от периферии до средней в радиальном направлении области нагревателя, а затем остающейся на постоянном уровне вплоть до центра нагревателя.7. Нагреватель по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что плотность мощности выбрана убывающей от периферии до средней в радиальном направлении области нагревателя, а затем снова возрастающей в направлении центра нагревателя.