自调节电阻加热元件制造技术

本发明专利技术涉及一种自调节电阻加热元件，以及包含其的应用，以及其制作过程。自调节电阻加热元件包括：非导电的基板（１２）；第一金属氧化物（１４），沉积在所述的基板上，在低于预定设定的温度工作温度时具有正的或负的电阻温度系数；第二金属氧化物（１６），具有与所述第一金属氧化物相反的电阻温度系数，沉积在所述的基板上，与所述第一金属氧化物相邻；第一和第二电接触（１８、２０），设置后电流可以在该电接触之间通过第一和第二金属氧化物。通过配置相应的金属氧化物，例如精细的线条、通道，彼此相邻，其间具有连接或足够的重叠以确保良好的电连接，从而可以为大面积（与２０相比的水壶元件）的应用提供自调节电阻加热组件，例如可以用于洗衣机，洗碗机或转筒式干燥机。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种自调节电阻加热元件以其应用，以及其制作过程。
技术介绍
作为传统的管罩类或丝网印刷类的电加热元件都没有自我调节的特性，当连接到 电源时会持续加热直至烧毁和自损坏。通过将这些传统元件与某种形式的温度传感控制装置串联连接，以实现安全使用 这些传统元件的应用，这些温度传感控制装置当达到预定温度水平时会有效地切断电路。一般来说，这些温度传感控制装置包含了各种配置形态的双金属材料，且基于双 金属材料在预定温度点或附近的弯曲的能力来提供机械动作，实现“断开”电源连接，从而 中断相关元件的电源供应。同时，这些温度敏感双金属和其它类似控制装置被广泛的应用，用于提供高品质 的标准，它们通常是机械的，就像所有的机械体制造的装置，容易失效，且失效会随着使用 年限的增加而增加。这些温度传感控制装置的操作失效的结果会导致相关的元件的过热和自毁，给用 户造成潜在的灾难后果。现有的电阻加热元件具有自动控制的特性。它们由多种组成成分来制造，通常如 掺杂有少量其它金属的钛酸钡。当温度升高到居里点附近，即通常所说的“开关”温度时， 它们的电阻会增加几个量级。然而，这种加热元件具有多个限制，严重限制了它们广泛应用 和使用。以下列出了几项■掺杂的钛酸钡最主要的缺陷在于其固有的特性，在室温到“开关”温度或居里点 的这个温度区间中，这种材料的电阻不是恒定的，而是在升温至一个高值前电阻会显著的 下降。■另一个缺陷就在于这种材料会根据所使用的掺杂物或掺杂物组合的组成和浓 度，电阻下降的速率和量级差异很大。以上的结果是，从室温到刚好在“开关”温度或居里点之间测量的这些组分加工出 来的加热元件表现出来的工作电阻会显著的减少，该减少值高达原始电阻的一半。而且该 减少值以一种不可预知的方式发生。以上这些缺陷摆在了民用生产商和其它利用这些元件者面前，而且面临着如何决 定生产这类元件的温度电阻的问题，以实现电力输出的最大值。为了解释这些，考虑在使用单相230伏交流电源的民用水加热装置中使用传统元 件。230伏应用允许的最大电流为13安培，根据欧姆定律，这决定了的该单个元件应用的最 大电力输出为大约3千瓦，以及相应的加热元件的最小电阻为17. 7欧姆。通常，该传统元件的电阻会随着操作温度的升高而微小增加，但仅有大约1_2%。 因此该元件所产生的热量以及传递到水的能量，会在温度处于最小值时达到最大值，而且 在达到沸点时也只是从最大值微小地减少。同样的电源和电流限制适用于掺杂的钛酸钡的元件，这样在最小的电阻17. 7欧 姆需要在温度位于“开关”或居里点附近，从而在室温时具有较高的电阻。假设电阻在合适 的温度范围减少例如25%，典型的掺杂的钛酸钡的元件就会需要产生室温为23. 6欧姆的 电阻。使用欧姆定律可以看到，在水加热循环的开始时，可得到的热能只有2. Mkw，只有在 到达沸点时才升高到3kw。对于民用生产商的需求来说，这是一个相反的效应，掺杂的钛酸 钡的组合物在居里点“开关”温度为120°C的例子的电阻-温度特性见图1所示。目前掺杂的钛酸钡的元件的另一个缺陷出现于它们的生产方法。掺杂的钛酸钡特 有的温度/电阻特性，主要源于晶界的特性，晶界位于独立的粒子之间，这些粒子构成任一 物质的基体。所以，掺杂的钛酸钡制备的产品就是通过压制而成的，根据所需的最终产品、 压制中所需的合适组合物的微粉末颗粒的量(通常还包含粘接剂)来压制到合适的尺寸和 形状。然后在炉子中对压制品在所需的温度下进行烧结，以生产出均质产品。这是一个适 当的制造工序，但其可以对最终产品造成影响，该产品在压制阶段没有高度致密，所以最终 不能表现出一致的工作特性或在烧结阶段具有残余应力。结果，这些产品容易破碎，以及在 后来的热循环中工作失效。这样一来，对这些被抛弃的失效元件进行预先检测是必要的。专利技术者之前提出使用两种不同的金属氧化物来制造自调节加热元件。已公布的申 请包括GB2344042、GB237383和GB2374784。最相关的是GB2374783，其中提出使用不同的 金属氧化物的连续层(加上强调)沉积在导电金属基板上，金属氧化物层具有不同的组份 和不同的氧化度。而且，它提出了与钛酸钡结合的镍铬类金属氧化物的使用。显著的，这个 和其它应用教导了采用热喷涂技术沉积所有金属氧化物层的技术。专利技术者还发现在更早期 的申请中所披露和使用的方法所得到的产品并不具有期望的特性，因为对掺杂的钛酸钡进 行热喷涂会导致对掺杂物的破坏。在国际专利申请号为PCT/GB2007004999中，目前还没有公开，专利技术者提出一种方 法，该方法最终产生具有期望特性的自调节加热元件，其上铺设了连续层。专利技术者现在确定，随着“一个压着另一个”地设置不同的金属氧化物，使得电流通 过这些层，也可以使用单独的金属氧化物，例如精细的线(discreet line)、通道(track) 或区域，彼此相邻，彼此之间连接起来或有足够的重叠区域以实现好的电连接。首先，这样的一种替换排列方式对于专利技术者来说不是显然的。这种排列方式克服了那些加热装置中大片的面积(相比于如水壶装置(kettel element))被覆盖的应用法则的问题，例如在洗衣机中、洗碗机或转筒式干燥机或大面积家 用装置，如对流式加热器、地热器、蓄热器，这些都需要必不可少的控制以避免火灾。采用线状的方式来电连接金属氧化物来克服这些困难，使得大面积的区域被覆至ΓΤΠ ο当然，GB23076^和GB2340367披露了这样布局，使用具有不同温度系数的电阻通 道，但是都依赖外部的电路或开关装置以实现操作控制和防止电气元件的过热。最终它们 也不是“自调节的”。更具体的，GB23076^披露了一种由两种不同长度的电阻通道组成的元件，该电阻 通道具有不同的串联电阻温度系数。组合通道的效果就是在彼此上的工作电压降显著不同 且随着升温而存在差异。单独的控制电路用于持续比较两个不同的通道的电压降，以及用 于关闭电源，例如一旦在特定工作温度时特定的电压降达到一定比例时中止操作。所以元件的调节功能完全取决于外部控制电路，而不是基于构成电阻通道的材料的特性。在GB2340367中，工作温度限制取决于传统双金属开关的触发，传统双金属开关 串联于供电给元件的电源上。这种双金属开关通过将其设置在加热元件通道的一小部分上 面或距离非常近的地方而优先触发，该加热元件通道具有负电阻温度系数并较基体的电阻 通道优先加热，基体的电阻通道具有正电阻温度系数。但是，通道的负温度系数的电阻部分 的优先温度上升取决于的存在冷却水的限制，通过使用包围装置而使冷却水到达负温度系 统电阻之上的元件区域。以上两专利所提到的元件通道都由具有不同温度系数电阻的两部分组成，两专利 都是通过使用外部开关和/或控制电路以实现最终的控制。从重叠配置到并排配置明显相差很远，其中重叠结构中基板事实上是构成了导体 电路的一部分，而且金属氧化物电阻元件的通道长度只有为80-160毫米的量级，而并排结 构中，通道的长度将以厘米级(可能的话甚至是米)计。不同的配置体对材料提出了完全 不同的要求。而且，和重叠配置相反，用于并排配置的基板是不导电的，而且不构成电阻电 路的一部分。将两种氧化物元件组分应用到两个完全不同的基板上也带来了困难。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自调节电阻加热元件（１０），该元件包括：　　非导电基板（１２）；　　沉积在所述基板上的第一金属氧化物（１４），其在低于预先确定的工作温度下具有正的或负的电阻温度系数；　　沉积在所述基板上且与所述第一金属氧化物相邻的第二金属氧化物（１６），其具有与所述第一金属氧化物相反的电阻温度系数；　　第一和第二电接触（１８、２０），其被配置为使得电流能够在该电接触之间穿过第一和第二金属氧化物；　　其中，第一和第二金属氧化物的组合提供从室温到预先确定的工作温度之间实质上恒定的组合电阻，以及在工作温度之上的非常显著的电阻增加。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】GB 2008-6-9 0810513.21.一种自调节电阻加热元件(10)，该元件包括非导电基板(12)；沉积在所述基板上的第一金属氧化物(14)，其在低于预先确定的工作温度下具有正的 或负的电阻温度系数；沉积在所述基板上且与所述第一金属氧化物相邻的第二金属氧化物(16)，其具有与所 述第一金属氧化物相反的电阻温度系数；第一和第二电接触(18、20)，其被配置为使得电流能够在该电接触之间穿过第一和第 二金属氧化物；其中，第一和第二金属氧化物的组合提供从室温到预先确定的工作温度之间实质上恒 定的组合电阻，以及在工作温度之上的非常显著的电阻增加。2.如权利要求1所述的自调节电阻加热元件，其中第一金属氧化物为至少镍、铁和铬 的氧化物。3.如前述权利要求任一项所述的自调节电阻加热元件，其中第二金属氧化物为铁电材料。4.如权利要求3所述的自调节电阻加热元件，其中铁电材料为钙钛矿型的晶体结构， 其具有ABO3的结构通式，其中A为一价、二价或三价的阳离子，B为五价、四价或三价的阳离 子，以及O3为氧阴离子。5.如权利要求4所述的自调节电阻加热元件，其为掺杂的钛酸钡。6.如权利要求3-5的任一项所述的自调节电阻加热元件，其包括颗粒状粒子。7.如权利要求6所述的自调节电阻加热元件，其中颗粒状粒子在液体中沉积，或以浆 料、...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰弗里博德曼，
申请(专利权)人：二D热度有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]