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加热元件及装备有该加热元件的液体容器
    【技术领域】

    本发明涉及加热元件。本发明还设计装备有这样的加热元件的液体容器。

    背景技术

    在加热元件的制造中，使用珐琅作为电介质中间层是已知的。电介质的珐琅层在这里被布置在一般是金属的用于加热的基板上，之后借助于丝网印刷技术将金属加热轨迹(heating track)布置在电介质的珐琅层上。这种加热元件是例如在荷兰专利申请NL1014601中描述的。此处描述的是，例如，用于加热液体容器中的液体或者用于加热加热板的加热元件，其中通过引导电流通过至少一个加热轨迹而产生热量。在这里，加热轨迹布置经过在用于加热的基板上的电介质层。具有电介质特性的中间层不仅提供让所产生热量良好地传递到用于加热的基板上，而且用于在通常是金属的用于加热的基板和加热轨迹之间提供电障碍，由此在正常工作条件下可以防止在加热元件中出现短路。电介质层此外还可以用作对过热的保护。为了该目的，根据NL1014601的加热元件设置有安培计，其能够检测通过电介质层的漏电流。从加热元件来的漏电流部分地取决于电介质层的电阻。因为至少在确定的温度范围内，电介质层的电阻依次依赖于温度，这种依赖原则上能被预先确定，对通过电介质层的漏电流的检测将提供对温度的洞察。因此，能用安培计以简单方式检测的漏电流因而形成测量值，使用该测量值可以确定电介质层的温度以及因而确定加热元件的温度。通过将安培计与用于加热元件的控制的耦合，可以容易地建立对过热的保护，由此当检测到预定义的最小漏电流时，供应到加热元件上的电流可以被减小或者被完全中断。虽然已知的加热元件提供对温度变化的简单检测以及对过热的保护，一般来说必须提供单独的设备以能够正确检测漏电流。因而，经常在有的场合需要例如放大，或相反地，减小漏电流的电流强度。已经发现，如果加热元件被提供接地，则一般难以检测漏电流。在这种情况中，不得不将通电地分开的变压器结合到地线中，这是费时的。

    以申请人名义的国际专利申请WO2006083162提供改进的加热元件，用于检测在加热元件中的温度变化并考虑到对过热的保护。这种改进的已知加热元件包括基板，在该基板上连续布置第一电介质层、导电传感器层、第二电介质层以及加热轨迹。第二电介质层一般具有大约100μm的厚度。由于电介质层的这种特定组合，流在第二电介质层中的漏电流将优选地被转移到传感器层，因为在这种情况中，第一电介质层作为更电绝缘的层(相对于第二电介质层)。通过电耦合到导电层或者以其他方式连接到导电层上的安培计或伏特计对这一漏电流的可能的检测，因此变得可以检测非常低的电流强度或电压，而不用必须为上述目的提供单独的设备。然而，除了改进的已知的加热元件的特定优势，这种改进的已知的加热元件也具有许多缺陷。已知加热元件的一个重大的缺陷是其生产过程较为费力和费时。此外，研究表明，可能在第二电介质层中形成的气泡可以在加热轨迹和传感器层之间出现加速的击穿(电短路)，这有损于精确及可靠地检测流经第二电介质层的电流的能力。还发现，因为加热轨迹基本在远离第二电介质层的一侧上是未被覆盖的，加热轨迹相对较为脆弱并且因此会被较快地损害。布置另外的保护层在加热轨迹上将使生产过程(甚至)更加费时和费力，从财政和逻辑观点上看是不希望的。

    【发明内容】

    本发明的目的是，在保留现有技术的优点的同时，提供一种改进的加热元件，用该加热元件可以消除上述缺点中的至少一个。

    为此目的，本发明提供一种加热元件，包括用于加热的基板，布置在所述传导性的基板上的至少一个第一电介质层，布置在所述第一电介质层上的至少一个导电的加热轨迹，布置在所述第一电介质层上离开所述加热轨迹一距离的至少一个导电的传感器轨迹，及布置在所述第一电介质层上的至少一个第二电介质层，该第二电介质层连接到所述加热轨迹的至少一部分和所述传感器轨迹的至少一部分。通过将该至少一个加热轨迹和至少一个传感器轨迹放置在第一电介质层和第二电介质层之间，加热轨迹和传感器轨迹可以在一次压印运行中被布置在第一电介质层上，这样在相当程度上简化了用于制造根据本发明的加热元件的生产过程。而且这样，在加热轨迹和传感器轨迹之间的距离可以以简单的方式保持为相对较大(一般大约500μm)，由此作为可能位于两个轨迹之间的气泡的结果的在加热轨迹和传感器轨迹之间的加速击穿的可能性就被显著地降低。一个另外的优点是，以此方式，加热轨迹基本上完全被电介质层保护，这样提高了根据本发明的加热元件的寿命。使用根据本发明的加热元件，可以因而以较有效的方式并且在非常低的电流强度和/或电压下测量漏电流，由此可以相对较快和精确地测量出根据本发明的加热元件的温度(临界温度的超出)。虽然一般在根据本发明的加热元件中通常使用单个的第一电介质层和单个的第二电介质层，同样地，可以想象有多个第一电介质层，优选为，布置在彼此之上，和/或多个第二电介质层，优选为布置在彼此之上，应用在加热元件中。此处的不同的第一电介质层可以具有不同的成分和厚度。在第二电介质层所应用的情形中，同样的情况可以适用于第二电介质层。额外的传感器轨迹和/或额外的加热轨迹可以任选地布置在不同的第一电介质层(和/或第二电介质层)之间，以便能最优化加热元件的安全性和/或能力。加热轨迹和传感器轨迹优选地被设计成使得在工作模式下在两轨迹之间有足够的势差，以能够强制在足够高的温度下从具有较高电势的加热轨迹流过来的漏电流到具有较低电势的传感器轨迹的相邻部分。

    在根据本发明的加热元件的一个优选的实施例中，在基本相同的温度，所述第一电介质层的电阻要高于第二电介质层的电阻。由于第一电介质层相对于第二电介质层的进一步增大的电绝缘作用，可以得到甚至是更灵敏的漏电流测量。在这里第一电介质层比第二电介质层位于更靠近用于加热的表面更近时有利。在过热期间，会发生漏电流，该漏电流会经由第二电介质层从加热轨迹流到相邻的传感器轨迹。此时漏电流不经由第一电介质层流动，或者至少基本不这样流动，对加热元件的使用者来说这导致了危险的情况。由于对漏电流的测量或至少检测，结合(如果希望的话)对已经描述的对加热元件的控制，在这一优选实施例中，获得了对过热的非常灵敏的且快速的反应保护。这里，这个实施例有额外的优点，对过热的保护赢得可靠性，并且可以例如经受住不当使用。保护操作因而在很大程度上对加热元件(尤其是用于加热的基板)是否接地，是不敏感的。

    在这种情况中，应用单个的加热轨迹和单个的相邻的传感器轨迹，这样的轨迹的构造经常也被叫做是双线轨迹。至少一部分加热轨迹和至少一部分传感器轨迹优选给定为螺旋形式。这样可以通过加热轨迹以较完全和有效的方式来加热该基板，其中可以较有效和可靠地测量可能的漏电流。在至少一个加热轨迹的至少一部分和至少一个传感器轨迹的至少相邻部分之间的最短相互距离更优选是基本恒定的，由此可以实现加热轨迹和传感器轨迹为基本平行的取向。在另一优选实施例中，也可以想象以位置选择的方式减小在加热轨迹和传感器轨迹之间的最短相互距离，以便能预先确定，以及由此最优化漏电流的发生的位置。在特定的优选实施例中，在至少一个加热轨迹的至少一部分和至少一个传感器轨迹的至少相邻部分之间的最短相互距离是在100μm和800μm之间，优选在400μm和600μm之间，并且更优选到基本500μm。以此方式，一方面基板可以被充分加热，因为每基板面积的功率密度以此方式可以被保持为足够高，另一方面可以保证对漏电流的可靠检测。

    该至少一个加热轨迹和/或至少一个传感器轨迹被优选地耦合到控制单元。使用控制单元，一方面可以检测漏电流，另一方面可以启动或停用加热元件，更优选地调节加热元件。为了检测漏电流的目的，如果传感器轨迹被电耦合到安培计和/或伏特计，这也是有利的。通过应用安培计和/或伏特计，可以以较简单和便宜的方式来检测漏电流。一般地，安培计和/或伏特计也采取接地的形式，以便能检测出在固定的世界和传感器轨迹之间的势差。

    在一个优选实施例中，至少一个导电元件被布置在所述第二电介质层上。该导电元件，例如银层，可以以位置选择方式布置在第二电介质层的一侧并远离加热轨迹和传感器轨迹。该导电元件促进在加热轨迹和传感器轨迹之间的漏电流的流动。当在足够高的温度下电子调节失灵时，该导电元件也适于用作额外的安全措施。导电元件适于能够促进，并由此保证，当临界温度被超过时，漏电流从加热轨迹流到具有较低电势的加热轨迹。导电元件，例如由银条形成的，事实上在这里用作桥，该桥用于能促进漏电流在足够高的温度下从该加热轨迹流到具有较低电势的(加热)轨迹的流动。

    由于漏电流从加热轨迹经由第二电介质层、经由导电元件以及再次经由第二电介质层到具有较低电势的轨迹(例如加热轨迹或(被动的)传感器轨迹)，第二电介质层的温度会局部性迅速上升。作为这种局部过热的结果，加热轨迹将局部地熔化并且通过加热轨迹的电路将中断。也可以想象应用多个导电元件以便能产生多个漏电流桥。这经常是有利的，如果导电元件至少部分地横过具有不同电势的加热轨迹(在加热元件的顶视图或底视图中)以便能限制在不同电势的加热轨迹之间的电阻，从而当超过临界温度时，漏电流将开始在具有不同电势的加热轨迹之间流动。在这个升高的温度下，第二电介质层和导电元件的电阻优选为低于第一电介质层的电阻，以便能保证对使用者有足够的安全性。可选择的，从加热轨迹流到导电元件的漏电流也可被检测，其中例如导电元件可以被连接到控制单元、安培计及/或伏特计上，由此事实上导电元件自身用作传感器元件。在特定的优选实施例中，在加热轨迹和导电元件之间的最短距离处于5μm和50μm之间，优选在12μm和20μm之间。

    在另一个优选实施例中，加热轨迹至少部分地被烧结的玻璃层保护，该玻璃层优选是具有低熔点的烧结玻璃层，最好其熔点低于450摄氏度。通过让加热轨迹在远离第一电介质层的一侧不仅受到第二电介质层而且部分地受到烧结的玻璃层的保护，提供了(另外的)额外的安全措施。在足够高的温度下，该烧结的玻璃层将熔化。局部地，温度将快速上升。在熔化地玻璃层的位置的加热轨迹将被破坏和中断，由此加热元件不再能工作。以此方式，也可在不管何种原因造成的当超过了根据本发明的加热元件的临界温度但没有检测到有漏电流从加热轨迹流到传感器轨迹的情况下，防止加热元件的过热。

    如果希望的话，电介质可以由聚合物电介质层和珐琅电介质层组成。然而，更优选地，都用珐琅来制造上述两层。特别适于此种应用的珐琅成分在市场上的名字是Kerdi。就其本身而论，使用珐琅层作为电介质，在电加热元件以及其他产品的制造中是已知的，例如从NL1014601中可知。此处的电介质提供电阻的电绝缘，该电阻一般由金属轨迹构成。由珐琅制造电介质导致得到机械上相对强并导热相对好的电介质。

    用于两个电介质层的珐琅的成分可以在宽的范围内选择，这服从于期望的电学特性，特别是在使用期间出现的温度下的电学特性。普通珐琅成分的具体的电阻率在室温下一般是高的，经常高于1.5×10¹¹∑θcm，但当温度上升时会迅速下降，例如在180‑400摄氏度时到1.5×10⁷∑θcm的典型值。在这样的电阻下，通过电介质的(较小的)漏电流是可能的。可以通过对碱金属的含量进行改变和/或通过加入导电的(或者相反的，电绝缘的)添加剂，可以容易地调整珐琅成分的传导率。

    在特定的优选实施例中，电介质包括珐琅成分的第一和/或第二电介质层以及导电层，该导电层由金属和/或半导体和/或其他导电材料例如石墨等等组成。根据本发明的工作特别好的加热元件具有这样的特征：第一电介质层的珐琅成分的碱金属含量低于第二电介质层中的。由仅仅在碱金属含量上不同的珐琅成分来制造每层电介质具有额外的优点：即，在这些层之间实现最优的粘合。此外，这些层的膨胀系数的差异相对小，从而在材料中的机械应力被最小化，这使得电介质以及因此加热元件的耐用性得到改善。

    除了上面已经描述的电介质层的电阻率，这种层(优选为珐琅层)的击穿电压也是重要的。击穿电压是在电介质层上的特定水平的电势差，在该水平上开始有电流(其电流强度显著大于漏电流)流经该层。击穿可以导致不想要的不利效果，甚至是电介质层以及整个加热元件的无法修补的破裂。为了保证在电加热元件中的最大安全性，依照例如KEMA和ISO的授权组织的规定，电介质的击穿电压必须足够高，优选相对于地电位是至少1250V(交流电压)。

    通过选择第一电介质层在给定温度下的电阻为明显高于第二电介质层的电阻，在给定时刻当电阻过热时第二电介质层至少部分地传输电流。在这种情况中，第一层基本不传输电流，或者在任何情况下都传输更少电流。根据本发明的加热元件因此对高电压是有抵抗力的，即使是由于连接到其上的电子调节或者开关部件/继电器失灵使得该元件继续加热到过高的温度。在这一过程期间，作为上面描述的导电层或烧结的玻璃层的结果，电阻轨迹然后会烧穿(如熔断的保险丝)，并且在这一过程之后，第一电介质层确保相对于地电位或消费者总是保持足够的电介质强度。因此，根据本发明的加热元件有固有的安全性。

    应注意到电介质的击穿电压由多个因素决定，除了其他因素以外还包括电介质的层厚、珐琅成分以及出现在电介质中的结构缺陷例如包含气体等。在这种情况中，电介质层的良好粘合、在用于加热的表面(一般是钢、铝及/或陶瓷材料)上的珐琅成分，也是重要的。

    用于应用在加热元件的电介质层(优选是第一电介质层)中的一种特别合适的珐琅成分包括：质量百分比0‑10％的V₂O₅、质量百分比0‑10％的PbO、质量百分比5‑13％的B₂O₃、质量百分比33‑53％的SiO₂、质量百分比5‑15％的Al₂O₃、质量百分比0‑10％的ZrO₂以及质量百分比20‑30％的CaO。如果希望的话，该优选成分还包括质量百分比0‑10％的Bi₂O₃。这样一种成分使得珐琅层在用在加热元件中时具有改善的耐用性。珐琅层可以被相对容易地熔化，因此具有有利的粘性，由此它可以被容易地应用到不同类型的表面。该珐琅成分对金属，尤其是钢，尤其是铁素体铬钢(更尤其是具有根据美国AISI标准的标号444和/或436的铁素体铬钢)的粘附特别好。对于该新成分，能从珐琅成分得到的该珐琅层的最大压应力处于200‑250MPa之间的范围内。对于已知的珐琅成分，最大压应力一般处于70‑170MPa的范围内。该优选的珐琅成分还具有高的耐热性，从而持久暴露在直到约530℃(峰值负荷到700℃)的温度，不会产生问题。因此，基于该优选珐琅成分的第一电介质层被击穿的风险很小，换句话说，它与已知的珐琅成分相比，不那么容易因为持久负荷在高电压下而退化。珐琅成分的特性还进一步使得在温度改变的情况下在由该珐琅成分制造电介质层中出现裂缝结构的可能性减小。该优选的珐琅成分具有额外的优点：具有期望特性的电介质层可以以小的层厚应用到用于加热的表面上。这提高了热传导。

    一个特别优选的实施例包括电介质，其中至少第一和第二电介质层中的锂和/或钠和/或钾含量彼此不同。如果第一电介质层的珐琅成分基本没有锂和/或钠离子是有利的。在根据本发明的一个优选成分中，第二电介质层包括至少锂和/或钠离子。

    在优选实施例中，该珐珢成分包括重量百分比0.1‑6％的钾。由于钾的加入，珐琅成分对基板表面的粘合的承载能力不再是那么关键的。在这种珐琅成分和基板表面的组合中，在更高的温度下，特别是在过热情况下，更少发生变形。当该珐琅成分被烧制到加热元件中时，这尤其是有利的。压应力被减小但仍足够高而防止形成不想要的毛细裂纹。然而在钾的重量百分比高于6％时，发现形成毛细裂纹的可能性上升。结合下述手段：不含有其他碱金属离子，特别是锂和钠，也仍然可以确保在温度升高时漏电流较低。

    其上布置了电介质的用于加热的基板，可以由任何导热的材料制成。该用于加热的表面优选基本上由金属，例如钢及/或铝制成。尤其有利的是铁素体铬钢，优选地，铬含量按重量百分比至少是10％。

    这是有利的，如果用于制造用于加热的表面的材料的膨胀系数与第一电介质层的膨胀系数差的不是太大的话，例如不大于20到45％，例如相对于钢，更优选是不大于20到35％。第二层的膨胀系数优选地相对于第一层的膨胀系数，其差别不大于0到25％。已经发现，这样得到的加热元件能很好地经受住温度的变化。尤其是，已经发现，在根据本发明的两个电介质珐琅层中的毛细裂纹的形成由此更少。已经发现当膨胀系数之差小于20％时，出现毛细裂纹的可能性再次增大。显然，例如通过调整碱金属的含量，可以使珐琅成分的膨胀系数容易地适于用于加热的表面的膨胀系数。在这里推荐调整在珐琅成分中的钾含量，因为由此在更高的温度下漏电流几乎不会受到影响。相反，也可以为用于加热的基板选择另一种材料。

    本发明还涉及设置有根据本发明的至少一个加热元件的液体容器。根据本发明的该加热元件可以被应用到许多领域中。因而可以在热水器中使用该元件，其中为使用者提供了电学安全性。该加热元件也尤其适合在蒸汽发生器、洗涤机(洗碗机)、加湿器、牛奶和其他液体的加热器、用于液体的管加热装置、烹调板、烧烤板等中的应用。

    【附图说明】

    本发明将借助于在如下附图中显示的非限定性示例性实施例而解释。

    其中：

    图1示出根据本发明的加热元件的橫截面；

    图2示出根据图1的加热元件的部分的底视图；

    图3示出作为温度的函数的形成根据图1的加热元件的部分的第一电介质层和第二电介质层的特定的电阻的级数。

    图4示出当通过不同珐琅组成的电介质层温度增加时测量的电流强度的级数。

    【具体实施方式】

    图1示出根据本发明的加热元件1的横截面。加热元件1包括用于加热的由具有重量百分比18％的铬含量的铁素体铬钢制成的加热板2。也可以应用另一种合适的金属或陶瓷载件，例如低碳钢、铜、钛、SiN、Al₂O₃等等。第一电介质珐琅层3布置在加热板2上。第一珐琅层3具有基本依照表1的HT栏的珐琅成分。加热轨迹4和平行于加热轨迹4运行的传感器轨迹5被以基本螺旋形的图案布置在第一、相对电绝缘的珐琅层3上，其中，在这些轨迹之间的距离总计到约500μm。优选地，加热轨迹4和传感器轨迹5由同一种材料制成，更优选地由银、铜或者这些或其他金属的合金制成，以便简化并加快对制造加热元件1的生产过程。第二珐琅层6布置在轨迹4、5之上和之间，其中，具有相对低熔点的烧结玻璃层7布置成横跨两个或更多加热轨迹4的上方。第二珐琅层6的珐琅成分被选择为在表1的LT1栏的限制内。布置在第二珐琅层6上的是金属条8，特别是银条，其经由第二电介质层延伸在加热轨迹4和传感器轨迹5的上方到加热轨迹4的不同部分。加热轨迹4和传感器轨迹5被电连接到控制单元9。这里控制单元9适于调节通过加热轨迹4的电流强度。控制单元9被耦合到安全电路10，该电路能够例如设置有双金属器件。控制单元9还被耦合到用于测量通过传感器轨迹5的漏电流的安培计11。图2示出根据图1的加热元件1的一部分的底视图，其中为了清楚起见，从图中省略了第二珐琅层6。图2清楚地显示出加热轨迹4和传感器轨迹5被布置在第一珐琅层3上，成基本螺旋形形状并且基本彼此平行。图2还显示出银条8与传感器轨迹5和加热轨迹4，事实上是多个加热轨迹段，都交迭。加热元件1的操作可以描述如下。当通过控制单元9启动了加热轨迹4以后，将在加热轨迹4中产生热量，该热量的相当大的部分被经由珐琅层3、6传递到加热板2。此时加热板2一般与液体接触，而热量然后被让渡给该液体。然而，如果加热元件1产生的热量不能再以足够的方式传递，加热元件1的温度将上升。为了能防止加热元件1的过热以及由此导致的危险情况的发生，要选择第二珐琅层6的成分从而当超过邻接温度时电阻显著地下降，以便漏电流开始经由第二珐琅层6以及也可以经由银条8从加热轨迹4流到传感器轨迹5。流经传感器轨迹5的漏电流可以被安培计11检测到。如果这个漏电流测量失败而发生对加热元件1的进一步(过度的)加热，那么烧结的玻璃层7将熔化并由此破坏在该位置处的加热轨迹4，由此终止加热元件1的操作模式。对加热元件1的进一步加热于是也是不再可能的。

    图3示出，作为温度的函数，形成根据图1的加热元件的一部分的第一电介质层和第二电介质层的特定的电阻率的级数。如图3所指出那样，在其他成分之中，LT1和HT珐琅成分，能够确保第二珐琅层6的特定电阻率R6，与第一相对绝缘层3的电阻率R3相比，在较低的温度下减小。

    作为温度T的函数，用安培计测得的对多个电介质层的漏电流特性在图4中示出。在垂直轴上画出的漏电流I，对从较低的温度T直到接近确定的启动温度的点都保持是有限的，而高于该点之后漏电流突然快速上升。启动温度很大程度上依赖于珐琅层的成分。图4显示出第一层的成分，用HT标出，具有达到至少500℃的启动温度。其他四个示出的漏电流特性(用LT1标示)代表第二层的珐琅成分。对第一和/或第二电介质层，通过调整珐琅成分的组成到期望的启动温度，可以使用较简单的电路实现对加热元件1的温度保护。

    表1：根据本发明的加热元件1的优选珐琅成分

    珐琅成分         LT1            HT

    组成             重量百分比％   重量百分比％

    Li₂O             0‑5            ‑

    K₂O              0‑1            50‑10

    Na₂O             0‑10           ‑

    CaO                             20‑40

    Al₂O₃                           5‑15

    B₂O₃                            5‑13

    SiO₂                            33‑53

    ZrO₂                            0‑10

    PbO      0‑10

    V₂O₅     0‑10

    Bi₂O₃    0‑10

    总和     100

    显然，本发明不限于这里示出和描述的典型实施例，对本领域技术人员来说，可以在所附权利要求的范围内的多种变型是不言而喻的。