Нагревательный элемент с датчиком температуры

Нагревательный элемент с датчиком температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область применения

Настоящее изобретение относится к нагревательному элементу, содержащему нагревательный блок, блок теплопереноса и датчик температуры. Нагревательные элементы используются в самых различных областях. Нагревательные элементы, к которым относится настоящее изобретение, могут, например, использоваться в кухонных приборах, например электроплитах, приборах для разогрева пищи, водонагревателях, чайниках, кофеварках или тостерах. Они могут также использоваться в прочих бытовых электроприборах, например в сушилках для одежды, утюгах, приборах для сушки, укладки или завивки волос. Прочие примеры возможного применения настоящего изобретения включают различные устройства для автомобилей, например автомобильные обогреватели, устройства для нагрева двигателей, размораживания стекол, подогрева сидений. Прочие области применения включают нагреватели для реакционных сосудов и труб и прочие приложения в инженерно-химической отрасли.

Уровень техники

В DE 1515023 приводится пример типичной нагревательной системы. Вокруг термостойкой сердцевины наматывается отрезок подходящей проволоки по спирали. Поверх нее также может иметься термостойкий слой; так что первичный нагревательный элемент находится между термостойкими слоями, вместе образующими нагревательный блок.

Полученный таким образом нагревательный блок помещается в блок теплопереноса, например в алюминиевый блок. В утюге роль блока теплопереноса может выполнять подошва утюга. При изготовлении нагревательной системы нагревательный блок и теплообменный блок обычно сжимаются под давлением для обеспечения хорошего теплового контакта между первичным нагревательным элементом и теплообменным блоком. В нагревательных системах часто применяется также датчик температуры, которым обычно является термопара, размещаемая рядом с блоком теплопереноса или внутри него и удерживаемая на своем месте с помощью термостойкой фольги.

В WO 2007/131271 A1 описан пример улучшенного датчика температуры для электронагревательного бака. Датчик температуры может быть электронным датчиком температуры, термически изолированным от распределяющей тепло пластины, но он находится в тепловом контакте с контактной пластиной.

В EP 1370497 B1 описано резисторное проводящее покрытие на основе золя-геля. В частности, описан состав, накладываемый на основу и образующий на ней покрытие, и данный состав содержит зольно-гелевый раствор, примерно 90% которого составляет проводящий порошок.

По сравнению с существующим уровнем техники настоящее изобретение направлено на обеспечение нагревательного элемента оптимальной конструкции, содержащего нагревательный блок, блок теплопереноса и датчик температуры. Желательно, чтобы элемент мог производиться с помощью эффективного и дешевого серийного производственного процесса и при этом датчик температуры имел бы оптимальную форму для организации такого процесса, но в то же время обеспечивал бы эффективное, надежное и точное измерение температуры.

Сущность изобретения

Нагревательный элемент, содержащий нагревательный блок, блок теплопереноса и датчик температуры, и при этом нагревательный блок содержит первый состав, и при этом первый состав содержит зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде однородной устойчивой дисперсии, и при этом указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников, а датчик температуры содержит второй состав, содержащий состав на основе эпоксидной смолы или стекла, и при этом второй состав содержит зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде однородной устойчивой дисперсии, и при этом указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников; нагревательный блок и датчик температуры выполнены как два отдельных блока, электрически изолированных друг от друга и механически удерживаемых блоком теплопереноса. Изобретение также относится к способу нагревания электрооборудования и способу изготовления нагревательного элемента.

Краткое описание чертежей

Ниже на примерах обсуждаются различные воплощения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1. Аксонометрический вид нагревательного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2. Вид сверху нагревательного элемента, изображенного на фиг.2.

Фиг.3. Сечение нагревательного элемента, изображенного на фиг.1, по плоскости III-III фиг.1.

Фиг.4. Сечение нагревательного элемента, изображенного на фиг.1, по плоскости IV-IV фиг.1.

Фиг.5. Вид сверху еще одного воплощения настоящего изобретения.

Фиг.6. Сечение нагревательного элемента, изображенного на фиг.5, по плоскости IV-IV фиг.1.

Фиг.7. Поперечное сечение еще одного воплощения изобретения, аналогичное сечениям на фиг.4, фиг.6.

Фиг.8. Поперечное сечение еще одного воплощения изобретения, аналогичное сечениям на фиг.4 и фиг.6.

Подробное описание изобретения

В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается нагревательный элемент (10), содержащий нагревательный блок (12), блок теплопереноса (14) и по меньшей мере один датчик температуры (16).

Нагревательный блок является источником тепла и, как правило, представляет собой резисторный нагревательный элемент. Нагревательный блок (12) может содержать состав на основе эпоксидной смолы или стекла.

В качестве альтернативы нагревательный блок (12) может содержать состав, содержащий зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде однородной устойчивой дисперсии, и при этом указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников; и датчик температуры, содержащий состав на основе эпоксидной смолы или стекла, или состав, содержащий зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде однородной устойчивой дисперсии, и при этом указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников. Примеры подходящих составов описаны в EP 1370497 B1.

Нагревательный элемент (10) дополнительно содержит датчик температуры. Датчик температуры может содержать состав на основе эпоксидной смолы или стекла.

Подходящими альтернативными составами для нагревательного блока (12) и/или по меньшей мере одного датчика температуры (16) являются зольно-гелевые составы, содержащие до 90% по весу неорганического порошка, диспергированного в коллоидном зольно-гелевом растворе, изготовленном из металло-органического шликера, при этом зольно-гелевый раствор образует гелевую сетку, предпочтительно прерывистую, а шликер превращается в толстое неорганическое покрытие при обжиге при температуре по меньшей мере 300°C и предпочтительно менее чем 450°C.

Альтернативными подходящими составами для нагревательного блока (12) и/или по меньшей мере одного датчика температуры (16) являются: проводящие, проводящие и имеющие сопротивление или диэлектрические чернила, металлокерамические (изготовленные из оксидов алюминия или циркония в сочетании с металлами (включая ниобий, молибден, титан и хром)); смеси серебра, свинца, палладия и оксида рутения, например, состава Ag Pb Pd RuO₂, или Pb₂Ru₂O₆, или смесь Ag и Pd в составе 65/35; оксид алюминия или нитрид алюминия; или смеси оксида алюминия, нитрида алюминия, оксида бериллия, карбида кремния и нихрома.

В соответствии с настоящим изобретением нагревательный элемент (10) может содержать нагревательный блок (12) и датчик температуры (16), содержащие один и тот же состав.

Нагревательный элемент (10) может содержать нагревательный блок (12) и датчик температуры (16), содержащие в сущности один и тот же состав.

Нагревательный элемент (10) может содержать нагревательный блок (12) и датчик температуры (16), представляющие собой покрытия на блоке (14) теплопереноса.

Нагревательный элемент (10) может быть выполнен таким образом, что нагревательный блок (12) и датчик температуры (16) находятся на одной поверхности блока (14) теплопереноса. Так, например, как показано на фиг.1-4, нагревательный блок (12) и датчик температуры (16) могут находиться на верхней поверхности блока (14) теплопереноса. Для их размещения подходит также любая другая поверхность блока(14) теплопереноса.

В альтернативных воплощениях нагревательный блок (12) и датчик температуры (16) могут находиться на разных поверхностях блока (14) теплопереноса. Такие поверхности могут быть, например, двумя соседними поверхностями.

Нагревательный элемент может также содержать второй датчик температуры (18).

При наличии второго датчика температуры датчики температуры (16) и (18) могут быть расположены на противоположных сторонах нагревательного блока (12).

Нагревательный элемент (10) может использоваться для низковольтных приложений, например, рабочее напряжение нагревательного блока (12) может быть в диапазоне от 1 до 250 В, или от 200 до 250 В, или от 90 до 120 В, или от 30 до 50 В, или от 10 до 14 В. Было определено, что нагревательный элемент (10) очень хорошо работает при напряжении в диапазоне от 0 до 50 В, или от 30 до 50 В, или от 35 до 45 В. И хотя теоретически это не обязательно, предполагается, что такой диапазон напряжения обеспечивает достаточно быстрый нагрев, и при этом обеспечиваемая тепловая мощность не сказывается на точности показаний датчика температуры.

Поэтому, с одной стороны, настоящее изобретение включает способ нагрева электрического прибора с использованием нагревательного элемента (10), содержащего нагревательный блок (12), блок (14) теплопереноса и датчик температуры (16), и при этом нагревательный блок (12) содержит первый состав, и при этом первый состав содержит зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде однородной устойчивой дисперсии, и при этом указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников, а датчик температуры содержит второй состав, содержащий состав на основе эпоксидной смолы или стекла, и при этом второй состав содержит зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде однородной устойчивой дисперсии, и при этом указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников; нагревательный блок и датчик температуры выполнены как два отдельных блока, электрически изолированных друг от друга и механически удерживаемых блоком теплопереноса, и при этом нагревательный блок (12) рассчитан на работу при напряжении в диапазоне от 30 В до 50 В.

Блок (14) теплопереноса находится в тепловом контакте с нагревательным блоком и предназначен для передачи и распространения тепла. Блок теплопереноса может также обеспечивать механическую прочность всего нагревательного элемента. Блок теплопереноса (14) может иметь самые различные формы, и быть изготовленным из самых различных материалов. Подходящими формами для блока теплопереноса являются, например, прямоугольный параллелепипед или ромб. Блок теплопереноса может также иметь форму цилиндра или полуцилиндра. Для изготовления блока (14) теплопереноса могут использоваться различные материалы, имеющие хорошие характеристики теплопередачи. Наиболее часто блок (14) теплопереноса изготавливается из металла, такого как алюминий, или из материала на основе слюды. По меньшей мере одна из поверхностей блока (14) теплопереноса может иметь покрытие, например керамическое покрытие или покрытие из оксида алюминия.

Если блок (14) теплопереноса изготавливается из электропроводящего материала, между блоком (14) теплопереноса и нагревательным блоком (12) и по меньшей мере одним датчиком температуры (16) может быть помещен электроизолятор. Такой изолятор может быть выполнен в виде покрытия по меньшей мере на одной стороне блока (14) теплопереноса.

С другой стороны, настоящее изобретение содержит способ изготовления нагревательного элемента (10). Способ содержит этап обеспечения блока (14) теплопереноса. Подходящие типы блоков теплопереноса описаны выше. На следующем этапе наносится первый состав, содержащий состав на основе эпоксидной смолы или стекла или состав на основе зольно-гелевого раствора, описанного выше, для формирования нагревательного блока; на следующем этапе наносится второй состав для формирования датчика температуры. Второй состав может содержать состав на основе эпоксидной смолы или стекла или состав на основе зольно-гелевого раствора, как было описано выше.

Второй состав может наноситься одновременно с первым составом. Это обеспечивает быстрый и эффективный процесс изготовления нагревательного элемента (10).

В качестве альтернативы второй состав может наноситься после первого состава, на отдельном этапе.

Подходящими методами нанесения первого и/или второго составов являются любые известные методы, пригодные для конкретного вида выбранного состава. Такие методы включают распыление, нанесение кистью, погружение или шелкографию.

Такие методы позволяют обеспечить эффективное изготовление нагревательного блока (12) и датчика температуры (16). Большие преимущества для производственного процесса дает использование одного и того же или похожих составов для обеих данных частей нагревательного элемента (10).

На фиг.1 показан нагревательный элемент (10), в котором блок (14) теплопереноса выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда. Одна из больших граней параллелепипеда использована для изготовления нагревательного блока (12) и изготовления датчика температуры (16). Оба данных блока выполнены в виде покрытий на блоке (14) теплопереноса. Оба данных блока сами по себе (по меньшей мере в сущности) выполнены в форме параллелепипеда. На виде сверху такого воплощения, представленном на фиг.2, нагревательный блок (12) показан в виде прямоугольника, имеющего большую ось и малую ось. Датчик температуры (16) расположен рядом с нагревательным блоком (12) и также имеет форму прямоугольника. Прямоугольник имеет большую ось, по длине равную длине соответствующей стороны нагревательного блока. Датчик температуры (16) имеет малую ось, по длине меньшую, чем малая ось нагревательного блока. Малая ось датчика температуры может составлять 50%, 25%, 10% или менее от малой оси нагревательного блока (12).

Электроды (20) предназначены для обеспечения электрического контакта с нагревательным блоком (12). Как показано на фиг.1 и 2, данные электроды могут быть выполнены рядом с каждой из малых сторон нагревательного блока (12). Они могут быть выполнены в виде слоя проводящего материала, например, между нагревательным блоком (12) и блоком теплопереноса (14).

Дополнительные электроды (22) предназначены для обеспечения электрического контакта с датчиком температуры (16).

На фиг.3 показано сечение нагревательного элемента (10). Как видно из фиг.2, поверхность блока теплопереноса только частично покрыта нагревательным блоком (12).

На фиг.4 представлено еще одно сечение, из которого видно, что датчик температуры может быть расположен рядом с нагревательным блоком (12) на одной поверхности блока теплопереноса. Расстояние от датчика температуры (16) до нагревательного блока может составлять примерно 50%, 25% или 10% или менее от длины малой оси нагревательного блока (12).

На фиг.5 показано альтернативное воплощение нагревательного элемента (10). В данном воплощении первый датчик температуры (16) и второй датчик температуры (18) расположены на одной стороне нагревательного блока (12).

На фиг.6 показано поперечное сечение воплощения, представленного на фиг.5, по аналогии с сечением на фиг.3.

На фиг.7 представлено еще одно альтернативное воплощение нагревательного элемента (10). В данном воплощении блок теплопереноса имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Нагревательный блок расположен на его верхней поверхности, а два датчика температуры (16) и (18) расположены на противоположных боковых поверхностях, обе из которых примыкают к верхней поверхности.

На фиг.7 представлено еще одно альтернативное воплощение нагревательного элемента (10). В данном воплощении нагревательный блок и два датчика температуры (16 и 18) расположены, как показано на фиг.5. Блок теплопереноса (14) отличается от соответствующих блоков теплопереноса представленных выше воплощений тем, что имеет вырезы (24) между нагревательным блоком (12) и датчиками температуры (16 и 18). Данные вырезы уменьшают теплоперенос от нагревательного блока (12) к датчикам температуры. Такой же эффект может быть достигнут и за счет других физических форм, обеспечивающих уменьшение количества материала блока теплопереноса между по меньшей мере одним датчиком температуры и нагревательным блоком 12, например более тонкий участок, перемычка и им подобные. Прочие подобные конфигурации также находятся в масштабах настоящего изобретения.

В масштабах настоящего изобретения возможно также использование многоэлементного блока (14) теплопереноса. Так, например, может быть использован блок из трех частей, из которых одна несет нагревательный блок (12), а на каждой из остальных расположено по датчику температуры. Данные части могут быть установлены рядом друг с другом, например склеены или прижаты друг к другу так, чтобы между ними имелся хороший физический контакт без обеспечения слишком сильного теплового контакта.

Слабый тепловой контакт между нагревательным блоком и по меньшей мере одним датчиком температуры обеспечивает более правильное показание температуры, соответствующее средней температуре блока (14) теплопереноса и/или нагревательного элемента (10) в целом, а не температуре самого нагревательного блока (12).

Размеры и их значения, содержащиеся в данном документе, не следует рассматривать как строго ограниченные в точности приведенными значениями. Напротив, если не оговорено особо, под каждым приведенным значением понимается данное значение в точности и все значения, находящиеся в функционально эквивалентной его окрестности. Так, например, значение, обозначенное как «40 мм», следует рассматривать как «около 40 мм».

1. Нагревательный элемент (10), содержащий нагревательный блок (12), блок теплопереноса (14) и датчик температуры (16), при этом нагревательный блок (12) содержит первый состав, содержащий состав на основе эпоксидной смолы или стекла, или состав, содержащий зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде однородной устойчивой дисперсии, причем указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников, а датчик температуры содержит второй состав, содержащий состав на основе эпоксидной смолы или стекла, при этом указанный второй состав содержит зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде равномерной устойчивой дисперсии, причем указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников; при этом нагревательный блок и датчик температуры выполнены в виде двух отдельных блоков, электрически изолированных друг от друга и механически удерживаемых блоком теплопереноса.

2. Нагревательный элемент (10) по п.1, отличающийся тем, что первый состав и второй состав содержат один и тот же состав.

3. Нагревательный элемент (10) по п.1 или 2, отличающийся тем, что нагревательный блок (12) и датчик температуры (16) содержат в сущности один и тот же состав.

4. Нагревательный элемент (10) по п.1 или 2, отличающийся тем, что нагревательный блок (12) и датчик температуры (16) выполнены в виде покрытий на блоке (14) теплопереноса.

5. Нагревательный элемент (10) по п.4, отличающийся тем, что нагревательный блок (12) и датчик температуры (16) расположены на одной поверхности блока (14) теплопереноса.

6. Нагревательный элемент (10) по п.4, отличающийся тем, что нагревательный блок (12) и датчик температуры (16) расположены на различных поверхностях блока (14) теплопереноса.

7. Нагревательный элемент (10) по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй датчик температуры (18).

8. Нагревательный элемент (10) по п.7, отличающийся тем, что датчик температуры размещен на двух противоположных сторонах нагревательного блока (12).

9. Нагревательный элемент (10) по п.7, отличающийся тем, что два датчика температуры (16, 18) расположены на двух противоположных поверхностях или четыре датчика температуры попарно расположены на двух противоположных поверхностях.

10. Способ нагрева оборудования, содержащий этапы, на которых:обеспечивают нагревательный элемент (10), содержащий нагревательный блок (12), блок теплопереноса (14) и датчик температуры (16), при этом нагревательный блок (12) содержит первый состав, причем первый состав содержит состав на основе эпоксидной смолы или стекла, или состав, содержащий зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде однородной устойчивой дисперсии, при этом указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников, а датчик температуры содержит второй состав, содержащий состав на основе эпоксидной смолы или стекла, причем второй состав содержит зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде равномерной устойчивой дисперсии, при этом указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников; при этом нагревательный блок и датчик температуры выполнены как два отдельных блока, электрически изолированных друг от друга и механически удерживаемых блоком теплопереноса;при этом обеспечивают рабочее напряжение нагревательного блока (12) в пределах от 30 В до 50 В.

11. Способ изготовления нагревательного элемента (10), содержащий следующие этапы:обеспечивают блок (14) теплопереноса;наносят первый состав, содержащий состав на основе эпоксидной смолы или стекла, или состав, содержащий зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде однородной устойчивой дисперсии, при этом указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников, и датчика температуры, содержащего второй состав, содержащий состав на основе эпоксидной смолы или стекла, или состав, содержащий зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде однородной устойчивой дисперсии, и при этом указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников для формирования нагревательного блока (12); инаносят второй состав, содержащий состав на основе эпоксидной смолы или стекла, или состав, содержащий зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде однородной устойчивой дисперсии, при этом указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников, и датчика температуры, содержащего второй состав, содержащий состав на основе эпоксидной смолы или стекла, или состав, содержащий зольно-гелевый раствор, до 90% которого составляет проводящий порошок в виде однородной устойчивой дисперсии, причем указанный проводящий порошок является одним из группы, состоящей из металлов, керамики, металлокерамики и полупроводников для формирования датчика температуры (16).

12. Способ изготовления нагревательного элемента (10) по п.11, отличающийся тем, что второй состав наносят одновременно с первым составом.

13. Способ изготовления нагревательного элемента (10) по п.11, отличающийся тем, что второй состав наносят после нанесения первого состава.

14. Способ изготовления нагревательного элемента (10) по любому из пп.11-13, отличающийся тем, что первый и/или второй состав наносят распылением, кистью или шелкографией.

15. Способ изготовления нагревательного элемента (10) по любому из пп.11-13, отличающийся тем, что блок (14) теплопереноса изготавливают из алюминия.