[发明专利]自调节电阻加热元件

说明书

技术领域

本发明涉及自调节电阻加热元件、包括自调节电阻加热元件的装置及自调节电阻加热元件和包括自调节电阻加热元件的装置的制造方法。

背景技术

管状护套种类(tubular sheathed variety)或网印类型(screen printed type)的现有的电加热元件不具有自调节特性，并且当该类电加热元件被连接到电源时，该类电加热元件将持续加热，直到通过烧坏及自毁而不能继续加热。

通过将该类电加热元件与某些形式的温度敏感控制装置串联来达到装置中的这些现有元件的安全使用，当已经达到预定温度等级时，温度敏感控制装置有效地切断电源。

通常，这些温度敏感控制装置包括各种配置的双金属材料，并依赖于在预定温度或预定温度附近双金属部件偏斜的性能来提供“破坏(break)”电源接触的机械动作，从而中断相关元件的电源。

当该种温度感应双金属以及其它类似的控制装置被广泛使用并被以高的质量标准生产时，它们普遍是机械的并且与所有机械的大量生产的装置相同都会经受故障，故障的可能性随着使用而增加。

该种温度感应控制装置的操作故障将导致相关元件的过热及自毁，以及对于用户的潜在的灾难性结果。

具有自控制特性的电加热元件是可用的。通常，由以小量其它金属掺杂的钛酸钡的各种合成物来制造这些电加热元件。当温度被增加到居里点附近时，它们的电阻增加了10的若干次幂，居里点也被已知为“转换”温度。然而，该种加热元件具有严重限制它们的广泛应用和使用的多个限制。下面列出某些限制：

·掺杂的钛酸钡的主要缺点是内在特性：在从环境温度到“转换”温度或居里点的温度范围内，该种材料的电阻率不恒定，而是在温度增加到高的数值之前，电阻率随温度的增加而逐渐地降低。

·另一个缺点是：根据所使用的掺杂物或掺杂物的化合物的成分和浓度，该种材料中的电阻的减小的速度和幅值有些变化。

作为上述缺点的结果，由该种合成物制造的加热元件存在从在环境温度中测量的温度到仅在“转换”温度或居里点之前出现重大减小的操作电阻，减小量可以与原始电阻的一半一样大。此外，该减小量以不可预知的方式出现。

上述故障对使用该种元件家用电器制造商及其它制造商提出一个问题：确定用哪个环境电阻生产该种元件以使功率输出最大化。

在说明中，考虑使用的现有的元件-以单相230伏AC电源工作的家用水加热装置。230伏装置允许的最大电流是13安，通过欧姆定律，这将该种单个元件装置的最大功率输出限定为大约3千瓦，因此，将所使用的加热元件的最小电阻限定为17.7欧姆。

通常，该种现有元件的电阻随着操作温度的增加而轻微增加，但是仅增加大约1-2％。因此，当该温度是最小值并且当到达沸点时从该温度轻微减小时，由元件产生的热以及对水的能量传递是最大值。

相同的功率和电流限制应用到掺杂的钛酸钡元件，从而使得17.7欧姆的最小电阻需要处于“转换”或居里点附近的温度，从而造成环境温度中的更高的电阻。假设电阻在比方说25％的适当温度范围内减小，将需要生产具有23.6欧姆的环境电阻的典型的掺杂的钛酸钡元件。使用欧姆定律，能够示出在水加热周期的开始，可用的热能仅为2.24kw，仅当到达沸点时增加到3kw。这是与家用电器制造商所要求的结果相反的结果，在图1中示出具有120℃的居里点“转换”温度的掺杂的钛酸钡合成物的电阻-温度特性的示例。

掺杂的钛酸钡元件的另一个缺点来自用于生产该元件的方法。掺杂的钛酸钡主要从组成任意特定部分的大块基体的单个粒子之间的晶粒边界的特征获得它们的特定的温度/电阻特性。从而，根据所需要的已完成的物体，通常，通过在压榨机中将适当成份的所需要的数量的细粉微粒与粘合剂一起压制至适当的大小和形状，然后，在熔炉中以需要的温度烧结压制后的块以产生均匀的产品，由此产生由掺杂的钛酸钡制成的物体。当这是充足的制造方法时，可能导致这样的产品：在压制阶段中该产品不是充分密实的，因此，不存在统一的操作特征或具有来自烧结阶段的残余的应力。作为结果，在随后的热循环过程中，它们易于破裂及出现操作故障。因此，必须预先检测元件以丢弃故障元件。