FI87967B - Uppvaermningsenhet - Google Patents

Description

1 87967 Lämmitysvks ikkö Tämä keksintö lämmitysyksikköä, jossa on koko pituudeltaan olennaisesti tasaleveyksinen, sähköisesti resistiivinen paksukalvorata (1), joka on kiinnitetty sähköisesti eriste-5 tävää ainetta olevan alustan (3) pintaan, ja joka on raken teeltaan sellainen, että aikaansaadaan haluttu lämpöpro-fiili. Tällaisia ratoja voidaan käyttää lämpöelementteinä esim. keittolevy-yksiköissä tai kotitalousliesissä.

On ehdotettu sellaisten ratojen kerrostamista komposiit-10 titukielimen keramiikkalasipinnalle, johon tukielimeen kuu luu metallitukilevy, joka on päällystetty keramiikkalasima-teriaalilla. Näissä olosuhteissa rata lasitetaan keramiik-kalasimateriaalilla paksukalvoratojen suojelemiseksi ja korkeassa lämpötilassa stabiilin toiminnan aikaansaamiseksi.

15 Koko niin tuotettu lämpöyksikkö voidaan asentaa aivan lähel le keramiikkalasia olevan liesitason alapintaa kuumennettavan alueen järjestämiseksi liesitasoon. Selvästikin useampaa kuin yhtä sellaista lämpöyksikköä tai yhtenäistä tu-kielintä, joka kannattaa useampaa kuin yhtä lämpörataa, 20 voidaan käyttää useamman kuin yhden kuumennettavan alueen järjestämiseksi keramiikkalasiseen liesitasoon.

Materiaali, josta vastusrata on muodostettu, voi olla materiaalia, kuten nikkeliä tai nikkeliseosta, jolla on suuri resistanssin lämpötilakerroin, ts. yli 0,006 l/°C lämpötila-25 alueella 0°C - 550°C, kuten brittiläisessä patenttihakemuk sessamme no. 8704467 selostetaan, tai jalometallia tai mitä tahansa sopivaa materiaalia. Komposiittitukielin kannattaa edullisesti keramiikkalasipäällystettä, jonka huokoisuus on pieni, kuten selostetaan brittiläisessä patenttihakemukses-30 samme no. 8704468.

Kun määritellään fysikaalisia dimensioita radalle, jonka on määrä muodostaa lämpöelementti, on tavallista määritellä radan haluttu kokonaisresistanssi tietyssä lämpötilassa ja sitten arvioida ohmia per pinta-ala pohjalta, ottaen huo-35 mioon radan järkevä pituus ja konfiguraatio, radan leveys, kun rata kerrostetaan annetun paksuisena.

Keksijä on huomannut, että jos sellaista strategiaa noudatetaan, niin siten kerrostetun radan suorituskyky pyrkii olemaan vähemmän kuin tyydyttävää ja uskotaan, että yksi syy 2 87967 tähän on, että tavanomaisesta lähestymistavasta seurauksena olevilla suhteellisen leveillä radoilla on differentiaaliset lämpöominaisuudet, mikä pyrkii aiheuttamaan sen, että radan reunojen kautta kulkee suurempia virtoja kuin radan kes-5 kustan kautta. Tämä aiheuttaa paikallisia "kuumia pisteitä" ja tekee radan vaurioitumisalttiiksi paikallisesta läpilyönnistä johtuen erityisesti radan leveyden keskialueilla, joista lämmön poistuminen on suuresti rajoittunutta.

Keksinnön mukaiselle lämmitysyksikölle on tunnusomaista 10 se, että että radan leveys on 1,2 mm - 2,1 mm.

Keksijä on analysoinut dimensioiltaan erilaisten ratojen suhteellisia suoritusarvoja ja on huomannut, että riippumatta radan paksuudesta tai materiaalista, josta rata on tehty, radan optimileveys on alueella 1,2 mm - 2,1 mm, edullisesti 15 alueella 1,5 mm - 2,0 mm. Tämä tietysti tarkoittaa, että täytyy mahduttaa paljon pitempi rata tietylle resistanssille kuin tähän asti, mutta tästä voi olla etua sallittaessa pidentyneen radan muodostaa malli, mikä antaa paremman lämpötilajakautuman kuumennettavalla alueella sillä seurauksel-20 la, että alustan vääntymismahdollisuus paikallisten "kuumien pisteiden" seurauksena pienenee.

Seuraavassa selostetaan keksinnön suoritusmuotoja vain esimerkinomaisesti ja viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa: 25 Kuvio 1 esittää ensimmäistä suoritusmuotoa lämpöelemen- tistä, käsittäen useita ratoja;

Kuvio 2 esittää toista suoritusmuotoa lämpöelementistä käsittäen useita ratoja;

Kuvio 3 esittää lämpöelementtiä, johon kuuluu useita ra-30 toja ja ohjauskytkin;

Kuvio 4 esittää ohjauskytkimen poikkileikkausta kuvion 3 viivaa IV-IV pitkin; . . Kuvio 5 esittää sähkövirtapiiriä, joka sopii käytettä väksi lämpötila-anturiradan kanssa; 35 Kuvio 6 esittää lämpöelementtiä ja lämpötila-anturirataa kiinnitettyinä alustaan.

Eräs erityisen edullinen kehitelmä esitetään oheisine piirustuksien kuviossa 1, joka esittää rataa 1 liittimineen 2, 2' alustalla 3 ja kuvaa keksinnön mukaisen ratarakenteen 3 87967 esimerkkiä. Ratamateriaali on tyypillisesti paksukalvoa, esim. nikkeliä tai hopean seosta ja palladiumin seosta, vaikkakin muitakin materiaaleja voidaan käyttää. Toinen esimerkki ratarakenteesta esitetään kuviossa 2, joka esittää 5 rataa 4 liittimineen 5, 5' alustalla 6.

Havaitaan, että useita ratoja on järjestetty sähköisesti rinnan kytkettyinä toistensa kanssa ja kullakin radalla on edellä mainittu optimileveys ja pituus, joka mahdollistaa ratojen rinnakkaisrakenteen ja halutun kokonaisresistanssin 10 tietyssä lämpötilassa. Paitsi että rata peittää erinomai sesti kuumennettavan alueen samalla kuin lämmönjakautumisen tasaisuus parantuu ja että lisäksi järjestyy edellä mainittuja etuja, jotka syntyvät siitä, että radan leveys saatetaan edellä mainitulle arvoalueelle, niin piirustuksissa 15 esitetyillä asetelmilla on myös se etu, että elementti ko konaisuutena jatkaa toimintaansa, vaikka yksi rata (tai mahdollisesti useita) vahingoittuisi tai särkyisi, vaikkakin hieman erilaisin sähköisin ominaisarvoin kuin ennen vahinkoa tai särkymistä.

20 Kunkin erilaisen rinnakkainkytketyn radan ei ole välttä mättä seurattava samaa reittiä ja voi olla edullista joissakin tapauksissa antaa joidenkin ratojen kulkea eri reittejä, jotta elementtikokonaisuus saavuttaisi halutun lämpöprofii-lin kokonaisuudessaan.

25 Sellaiset rinnakkaisratakonfiguraatiot, joita on esitetty kuvioihin 1 ja 2 viittaamalla, tarjoavat vaihtoehdot lisä-tarkoituksen saavuttamisessa, mitä itsessään katsotaan keksinnölliseksi ja jota seuraavassa selostetaan.

Tavanomaiseen tekniikkaan lieden lämpöelementin lämpöti-30 lan säätämiseksi maksimiarvonsa alapuolelle liittyy elemen tin jaksoittaista verkko jännitteeseen päälle- ja poiskytkey-tymistä nopeudella, jonka määrää tarvittava lämpötila ja täten valittu säätimen asetusarvo. Tämä termostaattisesti säädetty jännitteen jaksottelu aiheuttaa hyvin epätasaisen 35 lämpötila-/aika-profiilin, mikä on ilmeisesti haitta keitet täessä ja joka kasvattaa elementin vioittumistodennäköisyyt-tä johtuen lämmön jaksotuksen aiheuttamasta rasituksesta. Sellainen säätelytekniikka vaatii myös antureita ja elektroniikkaa, joka voi olla kallista ja satunnaiseen vioittumi- 4 87967 seen taipuvaista.

Nämä ongelmat voidaan voittaa lämpöelementtien lämpötilan säädöllä kytkemällä eri resistanssin omaavia ratoja sen mukaan, mikä on tarpeen. Nämä radat voidaan konfiguroida 5 useilla eri tavoilla. Voidaan esim. liittää useita erilli siä, eri resistanssin omaavia ratoja samalle alustalle joko vieri viereen tai toistensa kanssa risteävästi (käyttäen risteämiseen sopivaa eristekerrosta). Resistanssiero voidaan aikaansaada käyttämällä joko erilaisia ratamateriaaleja 10 tai erilaista ratageometriäa. Toinen vaihtoehto koskee pää radan suunnittelua, johon lisätään ylimääräisiä pituuksia tai niitä poistetaan, kun säätimen asetusarvoa muutetaan.

Eräässä toisessa rakenteessa rata painetaan useiden rinnakkaisten ratojen yhdistelmänä, kuten kuviossa 3 esitetään. 15 Alhainen lämpötila-asetus hyödyntää vain yhtä näistä radois ta ja suuremmilla asetusarvoilla käytetään vastaavasti useampia ratoja. Kuvio 3 esittää alustalla 7 rinnakkaisen ratarakenteen 8, jossa on kaksi liitintä 9, joista toinen on liukukosketinkytkin 10, joka käytännössä voi olla elektroni-20 sesti ohjattu ja/tai kytketty manuaaliseen valitsimeen ja joka valinnaisesti kytkee verkko jännitteen syöttöjohdot (eivät näy) eri ratoihin ja ratojen yhdistelmään mahdollistaen rinnakkaisten ratojen syöttämisen rata radalta, kun halutaan suurentaa lämpötila-asetusta. Kytkimen täytyy järjestää 25 riittävä paine kontaktin aikaansaamiseksi ratoihin, muttei niin suurta painetta, että radat vaurioituvat. Kuten kuviossa 4 esitetään, kosketuskytkimeen 10 kuuluu pyörivä akseli 12 ohjausnuppia varten (ei ole esitetty) tukilevyn 14 kanssa, joka kannattaa hiiliharjoja 16. Tukilevy 14 on asen-30 nettu eristetylle laakerille 18.

Jotta kytkin aikaansaisi sähköisen yhteyden ratoihin, on välttämätöntä, että radan kytkimen alapuolisilla alueilla ei ole lasitusmateriaalia. Silloin kun radat on valmistettu materiaalista, kuten nikkelistä, joka voi kulua ilmalle al-35 tietuessaan johtuen materiaalin hapettumisesta radan kor keissa käyttölämpötiloissa, radat voidaan tällä kytkimen alapuolisella alueella valmistaa stabiilimmasta materiaalista kuten palladium tai hopea/palladiumseos. Vaihtoehtoisesti ohjauskytkin 10 voidaan sijoittaa etäälle lämpöelemen- 5 B7967 tistä niin, että ilmalle alttiiden ratojen alueet eivät altistu lämpötiloille, jotka ovat riittävän korkeita aiheuttamaan ratojen hapettumista.

Lämpöelementin ja alustan lämpötilan valvontaa voidaan 5 lisäksi parantaa käyttämällä paksukalvolämpötila-anturia.

Anturiradan painettu versio mahdollistaa alustan pinnan suoran lämpötilan valvonnan ja täten vältetään tunnettuihin lämpötila-antureihin kuten bimetalliliuskoihin liittyvä hys-tereesiongelma. Bimetalliliuskan täytyy rakenteensa vuoksi 10 välttämättä olla etäällä alustan pinnasta. Tämä paksukal- volämpötila-anturin käyttö on erityisen edullista silloin, kun alusta on keramiikkalasia, koska sähköinen läpilyönti voi tapahtua keramiikkalasikerroksessa, kun lämpötila ylittää 550°C. Lämpötila-anturiin kuuluu edullisesti paksukal-15 vorata, joka on tehty materiaalista, jolla on lämpötila- alueella 0°C - 550°C resistanssin lämpötilakerroin yli 0,006 1/°C. Sellaisen radan resistanssin huomattavaa vaihtelua lämpötilan myötä voidaan käyttää alustan lämpötilan valvonnassa.

20 Alustan lämpötilan säätö käytettäessä anturirataa voidaan toteuttaa käyttämällä sopivaa sähköistä piiriä vertaamaan anturiradan resistanssia aseteltavan resistorin resistanssin kanssa, jonka resistanssiarvo on asetettu vastaamaan vaadittua lämpötilan vastaavaa arvoa. Eräs esimerkki sähköisestä 25 piiristä, joka on sopiva käytettäväksi anturiradan kanssa, on esitetty kuviossa 5, jossa resistanssi 20 on anturiradan resistanssi ja aseteltava resistanssi 22 on etukäteen asetettu resistanssiarvoon, joka vastaa vaadittua lämpötilaa. Vakioresistanssit 24, 26, joilla on samat resistanssiarvot, ; 30 muodostavat siltapiirin toiset kaksi sivua. Siltapiirin si- säänmenoliittimiä ovat 28, 30 ja ulostuloliittiroiä 32, 34. Kun potentiaaliero synnytetään sisäänmenoliittimien 28, 30 välille, ulostuloliittimien 32, 34 potentiaaliero tulee nollaksi vain, kun anturiradan resistanssin 20 arvo on sama : "35 kuin aseteltavan resistorin 22 arvo, ts. kun anturirata ja alusta ovat vaaditussa lämpötilassa. Tätä nollapotentiaali-eroa voidaan käyttää kytkemään tehonsyöttö. Myös muita resistanssien vertailuun sopivia piirejä voidaan käyttää.

Sopiva anturiradan malli on esitetty kuviossa 6 (ulkopuo- 6 87967 lisiä liityntöjä ei ole esitetty), joka esittää alustaa 36, joka kannattaa lämpöelementtiä 38 ja anturirataa 40. Vaihtoehtoisesti kuumien pisteiden paikantamiseksi anturirata voitaisiin limittää lämpöelementin ratojen kanssa kattamaan 5 saman alueen alustasta kuin lämpöelementti. Muita sopivia kokoonpanoja lämpöelementille ja anturille voidaan käyttää. Lämpöelementin ja anturin paksukalvoradat voidaan valmistaa samassa prosessissa.

Sen jälkeen, kun vastusradat on kiinnitetty alustaan, li-10 sätään ulkoiset liitynnät. Sopivalla sähköliittimellä lii tynnän aikaansaamiseksi paksukalvorataan on sopiva poikkipinta-ala vaaditulle virran kestoisuudelle ja se koostuu useista johtavista, yhteen punotuista säikeistä, joista jokaisen säikeen halkaisija on edullisesti alueella 30 μιη 15 300 Mm riittävän jäykkyyden järjestämiseksi liittimelle ja mahdollistaen liittimen kiinnityksen paksukalvorataan. Liitin voi olla valmistettu erilaisista metalleista. Sopivin metalli tiettyyn käyttösovellutukseen riippuu osaltaan sen paksukalvoradan materiaalista, johon liitin kiinnitetään. 20 Liitin kiinnitetään rataan käyttäen lasi/metalli-sideainet- ta, edullisesti samaa johtavaa mustetta kuin mitä on käytetty paksukalvorataa muodostettaessa.

Kuten aiemmin mainittiin, kokonaisuus lasitetaan sitten käyttämällä suojaavaa lasi- tai keramiikka lasi lasitetta pak-25 sukalvoratojen suojaamiseksi ja suuressa lämpötilassa sta biilin toiminnan mahdollistamiseksi.

Claims (9)

1. Lämmitysyksikkö, jossa on koko pituudeltaan olennaisesti tasaleveyksinen, sähköisesti resistiivinen paksukalvorata (1), joka on kiinnitetty sähköisesti eristetävää ainetta 5 olevan alustan (3) pintaan, ja joka on rakenteeltaan sellai nen, että aikaansaadaan haluttu lämpöprofiili, tunnettu siitä, että radan (1) leveys on 1,2 mm - 2,1 mm.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmitysyksikkö, tunnettu siitä, että radan leveys on 1,5 mm - 2,0 mm.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen lämmitysyksikkö, johon kuuluu useita ratoja, tunnettu siitä, että radat on kiinnitetty sähköisesti eristävää ainetta olevaan alustaan ja sähköisesti kytketty rinnakkain toistensa kanssa.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen lämmitysyksikkö, 15 tunnettu siitä, että siihen kuuluu useita paksukalvovastusra- toja kiinnitettynä sähköisesti eristävän alustan pintaan ja kytkentävälineet valinnaisesti kytkemään yksi tai useampi rata tehon lähteeseen, jolloin resistanssia ja täten lämmi-tysyksikön toimintalämpötilaa voidaan muuttaa vaihtamalla 20 rata tai ratoja, jotka on liitetty kytkentävälineisiin.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen lämmitysyksikkö, tunnettu siitä, että mainituilla useilla radoilla on kullakin eri resistanssi.

6. Patenttivaatimuksen 3, 4 tai 5 mukainen lämmitysyksik- 25 kö, tunnettu siitä, että ainakin yksi mainituista useista radoista on valmistettu eri materiaalista kuin toiset radat.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 3-6 mukainen lämmitysyksikkö, tunnettu siitä, että ainakin yksi mainituista useista radoista on valmistettu materiaalista, jolla on lämpötila- 30 alueella 0 °C - 550 °C resistanssin lämpötilakerroin yli 0,006 1/°C.

7 87967

8. Jonkin patenttivaatimuksen 4-7 mukainen lämmitysyksikkö, tunnettu siitä, että mainittu toimintalämpötila määrätään sen radan resistanssilla, joka on liitetty kytkentävälinei- 35 siin, jolloin mainittua toimintalämpötilaa voidaan muuttaa vaihtamalla kytkentävälineisiin liitettyä rataa.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 4-7 mukainen lämmitysyksikkö, tunnettu siitä, että mainittua toimintalämpötilaa voidaan muuttaa muuttamalla niiden ratojen lukumäärä, jotka on säh- köisesti kytketty rinnakkain toisiinsa, jolloin nämä radat on liitetty kytkentävälineisiin. 8 87967