NL2000685C2

NL2000685C2 - Heating element and liquid container provided with such a heating element.

Info

Publication number: NL2000685C2
Application number: NL2000685A
Authority: NL
Inventors: Simon Kaastra
Original assignee: Ferro Techniek Holding Bv
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-12-09
Also published as: EP2163130A1; CN101772985A; EP2163130B1; WO2008150172A1; WO2008150171A1; CN101772985B

Description

Verwarmingselement en vloeistofhouder voorzien van een dergelijk verwarmingselementHeating element and liquid container provided with such a heating element

De uitvinding heeft betrekking op een verwarmingselement. De uitvinding heeft tevens 5 betrekking op een vloeistofhouder voorzien van een dergelijk verwarmingselement.The invention relates to a heating element. The invention also relates to a liquid container provided with such a heating element.

Het toepassen van email als diëlektrische tussenlaag bij de vervaardiging van verwarmingselementen is bekend. Daarbij wordt de diëlektrische emaillaag aangebracht op een te verwarmen, doorgaans metalen, substraat, waarna middels zeefdruktechnieken 10 metalen verwarmingssporen worden aangebracht op de diëlektrische emaillaag. Een dergelijk verwarmingselement wordt bijvoorbeeld beschreven in de Nederlandse octrooiaanvrage NL 1014601. Hierin wordt een verwarmingselement beschreven, bijvoorbeeld voor het verwarmen van vloeistof in vloeistofhouders of voor het verhitten van verwarmingsplaten, waarbij warmte wordt ontwikkeld door elektrische stroom te 15 leiden door het ten minste ene verwarmingsspoor. Het verwarmingsspoor is daarbij onder tussenkomst van een diëlektrische laag aangebracht op een te verwarmen substraat. De tussenlaag met diëlektrische eigenschappen zorgt niet alleen voor een goede doorleiding van de ontwikkelde warmte naar het te verwarmen substraat, doch tevens voor een elektrische barrière tussen het te verwarmen - veelal metalen -20 substraat en het verwarmingsspoor, waardoor kortsluiting in het verwarmingselement onder normale bedrijfsomstandigheden kan worden voorkomen. Bovendien kan het diëlektricum functioneren als beveiliging tegen oververhitting. Hiertoe wordt het verwarmingselement volgens NL 1014601 voorzien van een amperemeter die de lekstroom door het diëlektricum kan waarnemen. De van het verwarmingselement 25 afkomstige lekstroom is mede afhankelijk van de elektrische weerstand van het diëlektricum. Omdat op haar beurt de elektrische weerstand van het diëlektricum althans in een bepaald temperatuursbereik afhankelijk is van de temperatuur en deze afhankelijkheid in principe vooraf kan worden bepaald, verschaft de waarneming van de lekstroom door het diëlektricum inzicht in de temperatuur ervan. De met een 30 ampèremeter op eenvoudige wijze waar te nemen lekstroom vormt derhalve een meetwaarde waarmee de temperatuur van het diëlektricum en dus van het verwarmingselement kan worden bepaald. Een beveiliging tegen oververhitting kan eenvoudig worden ingebouwd door de ampèremeter te koppelen aan een besturing voor het verwarmingselement, waardoor bij detectie van een vooraf gedefinieerde minimale 2 lekstroom de stroomtoevoer naar het verwarmingselement kan worden verminderd of zelfs geheel kan worden onderbroken. Hoewel het bekende verwarmingselement voorziet in een eenvoudige waarneming van temperatuurwisselingen en bescherming tegen oververhitting, dienen doorgaans aparte voorzieningen getroffen te worden om de 5 lekstroom goed te kunnen waarnemen. Zo is het in voorkomende gevallen doorgaans nodig om de stroomsterkte van de lekstroom bijvoorbeeld te versterken of juist te verzwakken. Tevens is gebleken dat de lekstroom doorgaans moeilijk is waar te nemen indien het verwarmingselement is voorzien van aarding. In dat geval zal een galvanisch gescheiden trafosysteem in de aardleiding opgenomen moeten worden, hetgeen 10 omslachtig is.The use of enamel as a dielectric intermediate layer in the manufacture of heating elements is known. The dielectric enamel layer is thereby applied to a substrate to be heated, generally metal, after which metal heating tracks are applied to the dielectric enamel layer by means of screen printing techniques. Such a heating element is described, for example, in Dutch patent application NL 1014601. A heating element is described herein, for example for heating liquid in liquid containers or for heating heating plates, wherein heat is generated by passing electric current through the at least one heating track. . The heating track is thereby arranged on a substrate to be heated with the aid of a dielectric layer. The intermediate layer with dielectric properties ensures not only a good transfer of the developed heat to the substrate to be heated, but also an electrical barrier between the - usually metal -20 substrate and the heating track, causing short-circuiting in the heating element under normal operating conditions can be prevented. In addition, the dielectric can function as protection against overheating. For this purpose the heating element according to NL 1014601 is provided with an ammeter which can detect the leakage current through the dielectric. The leakage current from the heating element 25 is partly dependent on the electrical resistance of the dielectric. Because, in turn, the electrical resistance of the dielectric is dependent on the temperature at least in a certain temperature range and this dependence can in principle be predetermined, the observation of the leakage current through the dielectric provides insight into its temperature. The leakage current to be observed in a simple manner with an ammeter therefore forms a measured value with which the temperature of the dielectric and thus of the heating element can be determined. A protection against overheating can easily be built in by connecting the ammeter to a control for the heating element, so that when a predefined minimum leakage current is detected, the power supply to the heating element can be reduced or even completely interrupted. Although the known heating element provides for a simple observation of temperature changes and protection against overheating, separate provisions must generally be made to be able to properly observe the leakage current. For example, in some cases it is usually necessary to, for example, strengthen or weaken the current intensity of the leakage current. It has also been found that the leakage current is generally difficult to observe if the heating element is provided with grounding. In that case a galvanically isolated transformer system will have to be included in the earth conductor, which is cumbersome.

De internationale octrooiaanvrage W02006083162 op naam van de aanvrager verschaft een verbeterd verwarmingselement voor het waarnemen van een temperatuurwisseling in het verwarmingselement met het oog op beveiliging tegen oververhitting. Het 15 verbeterde bekende verwarmingselement omvat een substraat waarop achtereenvolgens een eerste diëlektrische laag, een elektrische geleidende sensorlaag, een tweede diëlektrische laag, en een verwarmingsspoor zijn aangebracht. Doorgaans zal de tweede diëlektrische laag daarbij een dikte hebben van circa 100 pm. Door de bijzondere samenstelling van het diëlektricum zal een in de tweede diëlektrische laag lopende 20 lekstroom bij voorkeur worden afgeleid naar de sensorlaag, doordat in dergelijk geval de eerste diëlektrische laag werkt als elektrisch meer isolerende laag (ten opzichte van de tweede diëlektrische laag). Hierdoor wordt een eventuele waarneming van deze lekstroom door een aan de elektrisch geleidende laag elektrisch gekoppelde, of hiermee op andere wijze in verbinding staande ampèremeter of spanningsmeter ook mogelijk 25 voor zeer lage stroomsterktes respectievelijk voltages, zonder dat hiervoor aparte voorzieningen moeten worden getroffen. Echter, naast het bijzondere voordeel van het verbeterde bekende verwarmingselement bezit het verbeterde bekende verwarmingselement tevens meerdere nadelen. Een belangrijk nadeel van het bekende verwarmingselement is dat het productieproces relatief omslachtig en tijdrovend is.The international patent application WO2006083162 in the name of the applicant provides an improved heating element for detecting a temperature change in the heating element with a view to protection against overheating. The improved known heating element comprises a substrate on which successively a first dielectric layer, an electrically conductive sensor layer, a second dielectric layer, and a heating track are provided. The second dielectric layer will generally have a thickness of approximately 100 µm. Due to the special composition of the dielectric, a leakage current running in the second dielectric layer will preferably be derived to the sensor layer, because in such a case the first dielectric layer acts as an electrically more insulating layer (with respect to the second dielectric layer). As a result, a possible observation of this leakage current by an ammeter or voltage meter electrically coupled to the electrically conductive layer, or otherwise connected to it, is also possible for very low currents or voltages, without separate provisions having to be made for this. However, in addition to the special advantage of the improved known heating element, the improved known heating element also has several disadvantages. A major drawback of the known heating element is that the production process is relatively time-consuming and time-consuming.

30 Bovendien is uit onderzoek gebleken dat zich eventueel in de tweede diëlektrische laag gevormde gasbellen relatief snel kunnen resulteren in een versnelde stroomdoorslag (elektrische kortsluiting) tussen het verwarmingsspoor en de sensorlaag, hetgeen afbreuk doet aan het nauwkeurig en betrouwbaar kunnen detecteren van een door het tweede diëlektricum lopende lekstroom. Tevens is gebleken dat doordat het 3 verwarmingsspoor aan een van de tweede diëlektrische laag afgekeerde zijde in hoofdzaak vrij is gelegen, het verwarmingsspoor relatief kwetsbaar is en derhalve relatief snel kan beschadigen. Het aanbrengen van een aanvullende afschermende laag over het verwarmingsspoor zou het productieproces (nog) tijdrovender en omslachtiger 5 maken, hetgeen vanuit financieel en logistiek oogpunt ongewenst is.Moreover, research has shown that any gas bubbles formed in the second dielectric layer can result relatively quickly in an accelerated current breakdown (electrical short circuit) between the heating track and the sensor layer, which detracts from the accurate and reliable detection of a gas bubble produced by the second dielectric current leakage current. It has also been found that because the heating track on a side remote from the second dielectric layer is situated substantially free, the heating track is relatively vulnerable and can therefore be damaged relatively quickly. Applying an additional protective layer over the heating track would make the production process (even) more time consuming and cumbersome, which is undesirable from a financial and logistical point of view.

De uitvinding heeft tot doel het, onder handhaving van het voordeel van de stand van techniek, verschaffen van een verbeterd verwarmingselement waarmee ten minste één van voomoemde nadelen kan worden voorkomen.The invention has for its object to provide, while maintaining the advantage of the prior art, an improved heating element with which at least one of the aforementioned disadvantages can be prevented.

1010

De uitvinding verschaft daartoe een verwarmingselement, omvattende: een te verwarmen substraat, ten minste één op het geleidende substraat aangebrachte eerste diëlektrische laag, ten minste één op de eerste diëlektrische laag aangebracht elektrisch geleidend verwarmingsspoor, ten minste één op de eerste diëlektrische laag, op afstand 15 van het verwarmingsspoor aangebracht elektrisch geleidend sensorspoor, en ten minste één op de eerste diëlektrische laag aangebrachte tweede diëlektrische laag, welke tweede diëlektrische laag aansluit op zowel ten minste een deel van het verwarmingsspoor alsook ten minste een deel van het sensorspoor. Door zowel het ten minste ene verwarmingsspoor alsook het ten minste ene sensorspoor te positioneren 20 tussen de eerste diëlektrische laag en de tweede diëlektrische laag kunnen het verwarmingsspoor en het sensorspoor in een enkele drukgang worden aangebracht op de eerste diëlektrische laag, hetgeen het productieproces voor het vervaardigen van het verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding aanzienlijk vereenvoudigt. Bovendien kan op deze wijze de afstand tussen het verwarmingsspoor en het 25 sensorspoor op eenvoudige wijze relatief groot (doorgaans circa 500 μηι) worden gehouden, waardoor de kans op versnelde doorslag tussen het verwarmingsspoor en het sensorspoor als gevolg van eventueel tussen beide sporen gesitueerde gasbel significant kan worden gereduceerd. Aanvullend voordeel is dat het verwarmingsspoor op deze wijze in hoofdzaak volledig wordt afgeschermd door de diëlektrische lagen, hetgeen de 30 levensduur van het verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding ten goede komt. Met behulp van het verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding kunnen aldus op relatief efficiënte wijze en bij zeer lage stroomsterktes en/of voltages lekstromen worden gemeten, waardoor relatief snel en nauwkeurig de (overschrijding van een kritische) temperatuur van het verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding kan 4 worden gemeten. Alhoewel doorgaans veelal een enkele eerste diëlektrische laag en een enkele tweede diëlektrische laag worden toegepast in het verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding, is het evenzeer denkbaar dat meerdere, bij voorkeur op elkaar aangebrachte, eerste diëlektrische lagen en/of meerdere, bij voorkeur op elkaar 5 aangebrachte, tweede diëlektrische lagen worden toegepast in het verwarmingselement. De verschillende eerste diëlektrische lagen kunnen daarbij verschillend van samenstelling en dikte zijn. Hetzelfde geldt voor de tweede diëlektrische lagen ingeval deze worden toegepast. Tussen de verschillende eerste diëlektrische lagen (en/of tweede diëlektrische lagen) kunnen eventueel additionele sensorsporen en/of additionele 10 verwarmingsporen zijn aangebracht, teneinde de veiligheid en/of het vermogen van het verwarmingselement te kunnen optimaliseren. Bij voorkeur zijn het verwarmingsspoor en het sensorspoor zodanig vormgegeven dat tijdens bedrijfstoestand voldoende potentiaalverschil tussen beide sporen aanwezig is om bij voldoende hoge temperatuur een lekstroom te kunnen forceren die loopt vanuit het verwarmingsspoor met een hoge 15 potentiaal naar een naastliggend deel van het sensorspoor met een lage potentiaal.To this end, the invention provides a heating element, comprising: a substrate to be heated, at least one first dielectric layer applied to the conductive substrate, at least one electrically conductive heating track applied to the first dielectric layer, at least one remote-mounted at the first dielectric layer 15 electrically conductive sensor track arranged from the heating track, and at least one second dielectric layer arranged on the first dielectric layer, which second dielectric layer connects to both at least a part of the heating track and at least a part of the sensor track. By positioning both the at least one heating track and the at least one sensor track between the first dielectric layer and the second dielectric layer, the heating track and the sensor track can be applied to the first dielectric layer in a single printing run, which makes the production process for manufacturing of the heating element according to the invention is considerably simplified. Moreover, in this way the distance between the heating track and the sensor track can be kept relatively large in a simple manner (usually approximately 500 μηι), so that the risk of accelerated breakdown between the heating track and the sensor track as a result of gas bubble possibly situated between the two tracks is significantly can be reduced. An additional advantage is that in this way the heating track is substantially completely screened off by the dielectric layers, which improves the service life of the heating element according to the invention. With the aid of the heating element according to the invention, leakage currents can thus be measured in a relatively efficient manner and at very low currents and / or voltages, whereby the (exceeding of a critical) temperature of the heating element according to the invention can be measured relatively quickly and accurately. . Although usually a single first dielectric layer and a single second dielectric layer are usually used in the heating element according to the invention, it is equally conceivable that a plurality of, preferably superimposed, first dielectric layers and / or a plurality of, preferably superimposed on, each other Second dielectric layers are used in the heating element. The different first dielectric layers can be different in composition and thickness. The same applies to the second dielectric layers if they are used. Optionally, additional sensor tracks and / or additional heating tracks may be provided between the different first dielectric layers (and / or second dielectric layers) in order to be able to optimize the safety and / or the power of the heating element. The heating track and the sensor track are preferably designed in such a way that during operation, sufficient potential difference is present between the two tracks to be able to force a leakage current at a sufficiently high temperature that runs from the heating track with a high potential to an adjacent part of the sensor track with a low potential.

In een voorkeursuitvoering van het verwarmingselement volgens de uitvinding is bij een nagenoeg dezelfde temperatuur de elektrische weerstand van de eerste diëlektrische laag hoger dan de elektrische weerstand van de tweede diëlektrische laag. Door de verder 20 toegenomen elektrisch isolerende werking van de eerste diëlektrische laag ten opzichte van de tweede diëlektrische laag is gebleken dat een nog gevoeliger lekstroommeting mogelijk is. Het heeft hierbij voordelen wanneer de eerste diëlektrische laag zich dichter bij het te verwarmen oppervlak bevindt dan de tweede diëlektrische laag. Bij een oververhitting zal een lekstroom ontstaan die vanuit het verwarmingsspoor via de 25 tweede diëlektrische laag naar het naastgelegen sensorspoor zal lopen. De lekstroom zal daarbij niet of althans nauwelijks via de eerste diëlektrische laag vloeien, hetgeen zou kunnen resulteren in een gevaarlijke situatie voor een gebruiker van het verwarmingselement. Door meting of althans detectie van de lekstroom, desgewenst gecombineerd met een zoals hierboven reeds beschreven aansturing van het 30 verwarmingselement, wordt in deze voorkeursuitvoeringsvorm een zeer gevoelige en snel reagerende beveiliging tegen oververhitting verkregen. Deze uitvoeringsvorm heeft daarbij als bijkomend voordeel dat de beveiliging tegen oververhitting aan betrouwbaarheid wint en bijvoorbeeld bestand is tegen onoordeelkundig gebruik. Zo is 5 de werking van de beveiliging in hoge mate ongevoelig voor het al dan niet geaard zijn van het verwarmingselement, en in het bijzonder van het te verwarmen substraat.In a preferred embodiment of the heating element according to the invention, at a substantially the same temperature, the electrical resistance of the first dielectric layer is higher than the electrical resistance of the second dielectric layer. Due to the further increased electrically insulating effect of the first dielectric layer relative to the second dielectric layer, it has been found that an even more sensitive leakage current measurement is possible. It is advantageous here if the first dielectric layer is closer to the surface to be heated than the second dielectric layer. In the event of an overheating, a leakage current will arise which will run from the heating track via the second dielectric layer to the adjacent sensor track. The leakage current will then not flow, or at least hardly, via the first dielectric layer, which could result in a dangerous situation for a user of the heating element. By measuring or at least detecting the leakage current, optionally combined with a control of the heating element as already described above, in this preferred embodiment a very sensitive and rapidly responsive protection against overheating is obtained. This embodiment has the additional advantage that the protection against overheating gains in reliability and can withstand, for example, improper use. For example, the operation of the protection is highly insensitive to the heating element being earthed or not, and in particular to the substrate to be heated.

Ingeval een enkel verwarmingsspoor en een enkel naastliggend sensorspoor worden 5 toegepast, dan wordt een dergelijke sporenconfiguratie veelal tevens aangeduid als een bifilair spoor. Bij voorkeur zijn ten minste een deel van het verwarmingsspoor en ten minste een deel van het sensorspoor spiraalvormig vormgegeven. Op deze wijze kan het substraat op relatief volledige en efficiënte wijze worden verwarmd door het verwarmingsspoor, waarbij een eventuele lekstroom relatief effectief en betrouwbaar 10 kan worden gemeten. De onderlinge kortste afstand tussen ten minste een deel van het ten minste ene verwarmingsspoor en ten minste een naastgelegen deel van het ten minste ene sensorspoor is daarbij bij nadere voorkeur in hoofdzaak constant, waardoor een in hoofdzaak parallelle oriëntatie van het verwarmingsspoor en het sensorspoor kan worden gerealiseerd. In een alternatieve voorkeursuitvoering is het tevens denkbaar om 15 de onderlinge kortste afstand tussen het verwarmingsspoor en het sensorspoor plaatsselectief te verkleinen, teneinde de locatie van het ontstaan van een lekstroom vooraf te kunnen definiëren en daarmee te kunnen optimaliseren. In een bijzondere voorkeursuitvoering is de onderlinge kortste afstand tussen ten minste een deel van het ten minste ene verwarmingsspoor en ten minste een naastgelegen deel van het ten 20 minste ene sensorspoor gelegen tussen 100 pm en 800 pm, bij voorkeur tussen 400 pm en 600 pm, en bedraagt bij nadere voorkeur in hoofdzaak 500 pm. Op deze wijze kan enerzijds het substraat voldoende worden verwarmd, doordat de vermogensdichtheid per substraatoppervlak op deze wijze voldoende hoog kan worden gehouden, en kan anderzijds het betrouwbaar kunnen detecteren van een lekstroom worden gewaarborgd. 25In case a single heating track and a single adjacent sensor track are used, such a track configuration is often also referred to as a bi-furniture track. Preferably, at least a part of the heating track and at least a part of the sensor track are helically shaped. In this way the substrate can be heated in a relatively complete and efficient manner by the heating track, whereby a possible leakage current can be measured relatively effectively and reliably. The mutual shortest distance between at least a part of the at least one heating track and at least an adjacent part of the at least one sensor track is thereby preferably preferably substantially constant, whereby a substantially parallel orientation of the heating track and the sensor track can be achieved. realised. In an alternative preferred embodiment, it is also conceivable to selectively reduce the mutual shortest distance between the heating track and the sensor track, in order to be able to predefine the location of the occurrence of a leakage current and thereby to be able to optimize it. In a particularly preferred embodiment the mutual shortest distance between at least a part of the at least one heating track and at least an adjacent part of the at least one sensor track is between 100 µm and 800 µm, preferably between 400 µm and 600 µm, and more preferably amounts to substantially 500 µm. In this way, on the one hand, the substrate can be sufficiently heated, because the power density per substrate surface can be kept sufficiently high in this way, and on the other hand, the reliable detection of a leakage current can be guaranteed. 25

Het ten minste ene verwarmingsspoor en/of het ten minste ene sensorspoor zijn bij voorkeur gekoppeld aan een besturingseenheid. Met behulp van de besturingseenheid kan enerzijds een lekstroom worden gedetecteerd en kan anderzijds het verwarmingselement worden ge(de)activeerd, en bij nadere voorkeur worden 30 gereguleerd. Voor het detecteren van de lekstroom is het tevens voordelig ingeval het sensorspoor elektrisch is gekoppeld met een ampèremeter en/of een spanningsmeter. Door toepassing van de ampèremeter en/of de spanningsmeter kan relatief eenvoudig en goedkoop een lekstroom worden gedetecteerd. De ampèremeter en/of de 6 spanningsmeter zal daarbij doorgaans tevens geaard zijn uitgevoerd, teneinde een potentiaalverschil te kunnen waarnemen tussen de vaste wereld en het sensorspoor.The at least one heating track and / or the at least one sensor track are preferably coupled to a control unit. With the aid of the control unit, on the one hand, a leakage current can be detected and, on the other hand, the heating element can be (de) activated and, more preferably, regulated. For detecting the leakage current, it is also advantageous if the sensor track is electrically coupled to an ammeter and / or a voltage meter. By using the ammeter and / or the voltage meter, a leakage current can be detected relatively easily and cheaply. The ammeter and / or the 6-volt meter will generally also be grounded in order to be able to observe a potential difference between the fixed world and the sensor track.

In een voorkeursuitvoering is ten minste één elektrisch geleidend element aangebracht 5 op de tweede diëlektrische laag. Het elektrisch geleidend element, zoals bijvoorbeeld een zilverlaag, kan plaatsselectief zijn aangebracht op een van het verwarmingsspoor en het sensorspoor afgekeerde zijde van de tweede diëlektrische laag. Het elektrisch geleidende element facilieert het lopen van een lekstroom tussen het verwarmingsspoor en het sensorspoor. Het elektrisch geleidend element is tevens ingericht om te fungeren 10 als aanvullende veiligheidsvoorziening ingeval bij voldoende hoge temperatuur de elektronische regeling faalt.. Het elektrisch geleidend element is ingericht om het laten lopen van een lekstroom vanuit het verwarmingsspoor naar een verwarmingsspoor met een lagere potentiaal te kunnen faciliëren en daarmee te kunnen waarborgen bij overschrijding van een kritische temperatuur. Het elektrische geleidend element, 15 bijvoorbeeld gevormd door een zilveren strip, fungeert daarbij de facto als brug om het laten lopen van een lekstroom van het verwarmingsspoor naar een (verwarmings)spoor met een lagere potentiaal bij voldoende hoge temperatuur te kunnen faciliëren. Door de lekstroom welke loopt van een verwarmingsspoor, via de tweede diëlektrische laag, via het geleidende element en wederom via de tweede diëlektrische laag naar een spoor, 20 zoals bijvoorbeeld een verwarmingsspoor of een (passief) sensorspoor, met lagere potentiaal, zal de temperatuur van de tweede diëlektrische laag locaal sterk toenemen. Als gevolg van deze plaatselijke oververhitting zal het verwarmingsspoor locaal smelten en zal de stroomkring door het verwarmingsspoor onderbroken worden. Het is tevens denkbaar meerdere elektrisch geleidende elementen toe te passen, teneinde 25 meerdere lekstroombruggen te kunnen genereren. Daarbij is het veelal gunstig ingeval het elektrisch geleidende element de verwarmingssporen met verschillende potentiaal ten minste gedeeltelijk kruist (in een bovenaanzicht of onderaanzicht op het verwarmingselement), teneinde de weerstand tussen de verwarmingssporen met verschillende potentiaal zodanig beperkt te kunnen houden dat bij overschrijding van 30 een kritische temperatuur een lekstroom tussen de verwarmingssporen met verschillende potentiaal zal gaan lopen. Bij deze verhoogde temperatuur zal de weerstand van de tweede diëlektrische laag en het elektrisch geleidend element bij voorkeur lager zijn dan de weerstand van de eerste diëlektrische laag, teneinde voldoende veiligheid voor een gebruiker te kunnen waarborgen. Optioneel zou tevens 7 de lekstroom kunnen worden gedetecteerd die loopt van het verwarmingsspoor naar het elektrisch geleidend element, waarbij het elektrisch geleidende element bijvoorbeeld kan zijn verbonden met een besturingseenheid, een amperemeter en/of een spanningsmeter, waardoor het elektrisch geleidende element de facto zelf fungeert als 5 sensorelement. In een bijzondere voorkeursuitvoering is de kortste afstand tussen het verwarmingsspoor en het elektrische geleidend element gelegen tussen 5 pm en 50 μηι, bij voorkeur tussen 12 pm en 20 pm.In a preferred embodiment, at least one electrically conductive element is arranged on the second dielectric layer. The electrically conductive element, such as, for example, a silver layer, can be selectively arranged on a side of the second dielectric layer remote from the heating track and the sensor track. The electrically conductive element facilitates the running of a leakage current between the heating track and the sensor track. The electrically conductive element is also adapted to act as an additional safety device in the event that the electronic control fails at a sufficiently high temperature. The electrically conductive element is adapted to allow a leakage current to flow from the heating track to a heating track with a lower potential. facilitating and thus guaranteeing that a critical temperature is exceeded. The electrically conductive element, for example formed by a silver strip, in this case acts de facto as a bridge for facilitating the flow of a leakage current from the heating track to a (heating) track with a lower potential at a sufficiently high temperature. Through the leakage current which runs from a heating track, via the second dielectric layer, via the conductive element and again via the second dielectric layer to a track, such as for instance a heating track or a (passive) sensor track, with lower potential, the temperature of the second dielectric layer greatly increase locally. As a result of this local overheating, the heating track will melt locally and the circuit will be interrupted by the heating track. It is also conceivable to use several electrically conductive elements in order to be able to generate several leakage current bridges. In this case, it is often favorable if the electrically conductive element at least partially crosses the heating tracks with different potentials (in a top view or bottom view of the heating element), in order to be able to limit the resistance between the heating tracks with different potentials in such a way that when a 30 critical temperature a leakage current will start running between the heating tracks with different potentials. At this elevated temperature, the resistance of the second dielectric layer and the electrically conductive element will preferably be lower than the resistance of the first dielectric layer, in order to ensure sufficient safety for a user. Optionally, the leakage current could also be detected that runs from the heating track to the electrically conductive element, wherein the electrically conductive element can for instance be connected to a control unit, an ammeter and / or a voltage meter, whereby the electrically conductive element acts de facto itself as a sensor element. In a particularly preferred embodiment, the shortest distance between the heating track and the electrically conductive element is between 5 µm and 50 µm, preferably between 12 µm and 20 µm.

In een andere voorkeursuitvoering is het verwarmingsspoor ten minste gedeeltelijk 10 afgeschermd door een gesinterde glaslaag, bij voorkeur een gesinterde glaslaag met een laag smeltpunt, bij nadere voorkeur een smeltpunt lager dan 450° Celsius. Door het verwarmingsspoor aan een van de eerste diëlektrische laag afgekeerde zijde niet slechts te laten afschermen door de tweede diëlektrische laag, maar tevens deels door een gesinterde glaslaag wordt (nog) een aanvullende veiligheidsvoorziening verschaft. Bij 15 voldoende hoge temperatuur zal de gesinterde glaslaag smelten. Lokaal zal de temperatuur sterk toenemen. Het verwarmingsspoor ter plaatse van de gesmolten glaslaag zal vernietigd en onderbroken worden, waardoor het verwarmingselement niet langer operationeel kan zijn. Op deze wijze kan oververhitting van het verwarmingselement tevens worden voorkomen, ingeval - om welke reden dan ook -20 geen lekstroom van het verwarmingsspoor naar het sensorspoor wordt waargenomen bij overschrijding van een kritische temperatuur van het verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding.In another preferred embodiment, the heating track is at least partially shielded by a sintered glass layer, preferably a sintered glass layer with a low melting point, more preferably a melting point lower than 450 ° Celsius. By having the heating track on a side remote from the first dielectric layer shielded not only by the second dielectric layer, but also partly by a sintered glass layer, an additional safety provision is (still) provided. At a sufficiently high temperature, the sintered glass layer will melt. The temperature will increase sharply locally. The heating track at the location of the molten glass layer will be destroyed and interrupted, as a result of which the heating element can no longer be operational. In this way, overheating of the heating element can also be prevented if - for whatever reason - no leakage current from the heating track to the sensor track is observed when a critical temperature of the heating element according to the invention is exceeded.

Desgewenst kan het diëlektricum zijn opgebouwd uit een diëlektrische laag uit een 25 polymeer en een diëlektrische laag uit email. Met de meeste voorkeur echter zijn beide diëlektrische lagen vervaardigd uit email. Bijzonder geschikte emailsamenstellingen voor deze toepassing worden op de markt gebracht onder de naam Kerdi. Het gebruik van een emaillaag als diëlektricum bij de vervaardiging van onder andere elektrische verwarmingselementen is op zich bekend, bijvoorbeeld uit NL 1014601. Het 30 diëlektricum zorgt hierbij voor elektrische isolatie van de elektrische weerstand, die doorgaans uit een metaalhoudend spoor bestaat. Het uit email vervaardigen van het diëlektricum leidt daarbij tot een mechanisch relatief sterk diëlektricum dat warmte relatief goed geleidt.If desired, the dielectric can be composed of a dielectric layer of a polymer and a dielectric layer of enamel. Most preferably, however, both dielectric layers are made from enamel. Particularly suitable email compositions for this application are marketed under the name Kerdi. The use of an enamel layer as a dielectric in the manufacture of, inter alia, electric heating elements is known per se, for example from NL 1014601. The dielectric here ensures electrical isolation of the electrical resistance, which usually consists of a metal-containing track. Manufacturing the dielectric from enamel thereby leads to a mechanically relatively strong dielectric that conducts heat relatively well.

88

De samenstelling van het email voor beide diëlektrische lagen kan binnen brede grenzen worden gekozen een en ander afhankelijk van de gewenste elektrische eigenschappen, met name bij tijdens gebruik optredende temperaturen. De specifieke elektrische weerstand van een gangbare emailsamenstelling is bij kamertemperatuur doorgaans 5 hoog, veelal hoger dan 1,5 * 1011 Ω-cm, maar kan drastisch dalen bij oplopende temperaturen tot bijvoorbeeld een typische waarde van 1,5.107 Ω-cm bij 180-400° Celsius. Bij een dergelijke weerstand wordt een (relatief kleine) lekstroom door het diëlektricum mogelijk. De geleidbaarheid van een emailsamenstelling kan eenvoudig worden ingesteld door bijvoorbeeld variaties aan te brengen in het alkalimetaalgehalte 10 en/of door toevoeging van geleidende of juist elektrisch isolerende toeslagstoffen.The composition of the enamel for both dielectric layers can be chosen within wide limits, depending on the desired electrical properties, in particular at temperatures occurring during use. The specific electrical resistance of a common enamel composition is usually 5 high at room temperature, often higher than 1.5 * 1011 Ω-cm, but can drop drastically with increasing temperatures to, for example, a typical value of 1.5.107 Ω-cm at 180-400 ° Celsius. With such a resistor a (relatively small) leakage current through the dielectric becomes possible. The conductivity of an enamel composition can be easily adjusted, for example, by making variations in the alkali metal content and / or by adding conductive or, conversely, electrically insulating additives.

In een bijzondere voorkeursuitvoering omvat het diëlektricum een eerste en/of een tweede diëlektrische laag uit een emailsamenstelling en een elektrisch geleidende laag die is samengesteld uit metalen en/of halfgeleiders en/of andere geleidende materialen 15 zoals bijvoorbeeld grafiet enzovoorts. Een bijzonder goed werkend verwarmingselement volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat het alkalimetaalgehalte van de emailsamenstelling van de eerste diëlektrische laag lager is dan dit van de tweede diëlektrische laag. Het vervaardigen van elke laag van het diëlektricum uit een emailsamenstelling, die enkel verschilt in het alkalimetaalgehalte 20 heeft als bijkomend voordeel dat een optimale hechting tussen de lagen wordt verkregen. Bovendien is het verschil in uitzettingscoëfïïciënt van de lagen relatief klein, zodat de mechanische spanningen in het materiaal geminimaliseerd worden, hetgeen leidt tot een verbeterde duurzaamheid van het diëlektricum en derhalve ook van het verwarmingselement.In a particularly preferred embodiment, the dielectric comprises a first and / or a second dielectric layer of an enamel composition and an electrically conductive layer that is composed of metals and / or semiconductors and / or other conductive materials such as, for example, graphite and so on. A particularly effective heating element according to the invention is characterized in that the alkali metal content of the enamel composition of the first dielectric layer is lower than that of the second dielectric layer. The production of each layer of the dielectric from an enamel composition that differs only in the alkali metal content has the additional advantage that optimum adhesion between the layers is obtained. Moreover, the difference in coefficient of expansion of the layers is relatively small, so that the mechanical stresses in the material are minimized, which leads to an improved durability of the dielectric and therefore also of the heating element.

2525

Naast de hierboven reeds beschreven specifieke weerstand van een diëlektrische laag is ook de doorslagspanning van een dergelijke laag, bij voorkeur een emaillaag, van belang. De doorslagspanning is de hoogte van het elektrische potentiaalverschil over de diëlektrische laag, waarbij een elektrische stroom (met een veel grotere stroomsterkte 30 dan van een lekstroom) door de laag gaat lopen. Doorslag kan tot ongewenste aantasting en zelfs onherstelbare desintegratie van de diëlektrische laag en tevens het gehele verwarmingselement leiden. Om in een elektrisch verwarmingselement maximale veiligheid te garanderen, dient volgens voorschriften van certificerende organisaties 9 zoals KEMA en ISO de doorslagspanning van het diëlektricum voldoende hoog te zijn, bij voorkeur ten minste 1250 V (wisselspanning) ten opzichte van de aarde.In addition to the specific resistance of a dielectric layer already described above, the breakdown voltage of such a layer, preferably an enamel layer, is also important. The breakdown voltage is the height of the electric potential difference across the dielectric layer, an electric current (with a much greater current intensity than a leakage current) going through the layer. Breakdown can lead to undesired attack and even irreparable disintegration of the dielectric layer and also the entire heating element. To guarantee maximum safety in an electric heating element, according to the requirements of certification organizations 9 such as KEMA and ISO, the breakdown voltage of the dielectric must be sufficiently high, preferably at least 1250 V (alternating voltage) with respect to the earth.

Door de elektrische weerstand bij een gegeven temperatuur van de eerste diëlektrische 5 laag beduidend hoger te kiezen dan deze van de tweede diëlektrische laag zal bij oververhitting van de elektrische weerstand op een gegeven moment de tweede diëlektrische laag althans gedeeltelijk stroom doorlaten. De eerste laag zal in een dergelijk geval in hoofdzaak geen of in ieder geval minder stroom doorlaten. Het verwarmingselement volgens de uitvinding is derhalve hoogspanningsvast, zelfs indien 10 door een falen van de elektronische regeling of het daaraan verbonden schakelorgaan/relais het element bij een te hoge temperatuur doorgaat met verwarmen. De elektrische weerstandsbaan zal als gevolg van de eerder beschreven geleidende laag of gesinterde glaslaag dan doorbranden (als een smeltzekering) tijdens dit proces en na dit proces zorgt de eerste diëlektrische laag ervoor dat er ten opzichte van de aarde of de 15 consument steeds een voldoende doorslagvastheid resteert. Het verwarmingselement volgens de uitvinding is derhalve intrinsiek veilig.By choosing the electrical resistance at a given temperature of the first dielectric layer significantly higher than that of the second dielectric layer, the second dielectric layer will at least partially let current flow when the electrical resistance is overheated. In such a case, the first layer will essentially transmit no or at least less current. The heating element according to the invention is therefore high-voltage resistant, even if the element continues heating at too high a temperature due to a failure of the electronic control or the switch / relay connected thereto. As a result of the previously described conductive layer or sintered glass layer, the electrical resistance path will burn through (as a fuse) during this process and after this process the first dielectric layer ensures that sufficient puncture resistance is always maintained with respect to the earth or the consumer. remains. The heating element according to the invention is therefore intrinsically safe.

Opgemerkt wordt dat de doorslagspanning van een diëlektricum door meerdere factoren wordt bepaald, waaronder onder meer de laagdikte van het diëlektricum, de 20 emailsamenstelling en in het diëlektricum aanwezige structuurdefecten zoals gasinsluitsels en dergelijke. Ook een goede hechting van de diëlektrische laag, in casu de emailsamenstelling op het te verwarmen oppervlak (doorgaans uit staal, aluminium, en/of een keramisch materiaal) is van belang.It is noted that the breakdown voltage of a dielectric is determined by several factors, including inter alia the layer thickness of the dielectric, the enamel composition and structural defects such as gas inclusions and the like present in the dielectric. Good adhesion of the dielectric layer, in this case the enamel composition to the surface to be heated (usually made of steel, aluminum, and / or a ceramic material) is also important.

25 Een bijzonder geschikte emailsamenstelling voor toepassing in een diëlektrische laag van het verwarmingselement, bij voorkeur de eerste diëlektrische laag, omvat tussen 0 en 10 massaprocent V2O5, tussen 0 en 10 massaprocent PbO, tussen 5 en 13 massaprocent B2O3, tussen 33 en 53 massaprocent S1O2, tussen 5 en 15 massaprocent AI2O3, tussen 0-10 massaprocent Z1O2 en tussen 20 en 30 massaprocent CaO.A particularly suitable enamel composition for use in a dielectric layer of the heating element, preferably the first dielectric layer, comprises between 0 and 10 mass percent V2O5, between 0 and 10 mass percent PbO, between 5 and 13 mass percent B2O3, between 33 and 53 mass percent S1O2 , between 5 and 15 mass percent Al2O3, between 0-10 mass percent Z1O2 and between 20 and 30 mass percent CaO.

30 Desgewenst omvat de voorkeurssamenstelling tevens tussen 0 en 10 massaprocent B12O3. Een dergelijke samenstelling levert een emaillaag met een verbeterde duurzaamheid bij gebruik in verwarmingselementen. De emailsamenstelling is relatief goed smeltbaar, en heeft daarbij een gunstige viscositeit waardoor deze eenvoudig op verschillende soorten oppervlakken kan worden aangebracht. De emailsamenstelling 10 hecht bijzonder goed op metalen, in het bijzonder op staal, meer in het bijzonder op ferritisch chroomstaal en weer meer in het bijzonder op ferritisch chroomstaal met nummers 444 en/of 436 volgens de Amerikaanse AlSI-norm. De maximale drukspanning van de uit de emailsamenstelling verkrijgbare emaillaag ligt voor de 5 nieuwe samenstelling in het gebied tussen 200 - 250 MPa. Voor bekende emailsamenstellingen ligt de maximale drukspanning doorgaans in het gebied van 70 -170 MPa. De emailsamenstelling van voorkeur vertoont bovendien een hoge temperatuurbestendigheid, zodat langdurige blootstelling aan temperaturen tot ongeveer 530°C, met piekbelastingen tot 700°C geen probleem oplevert. Een eerste diëlektrische 10 laag op basis van de emailsamenstelling van voorkeur vertoont derhalve weinig risico voor doorslag, met andere woorden is minder gevoelig voor degeneratie door langdurige belasting bij een hoog voltage dan bekende emailsamenstellingen.If desired, the preferred composition also comprises between 0 and 10 mass percent B12O3. Such a composition provides an enamel layer with improved durability when used in heating elements. The enamel composition is relatively easy to melt, and thereby has a favorable viscosity, as a result of which it can easily be applied to various types of surfaces. The enamel composition 10 adheres particularly well to metals, in particular to steel, more particularly to ferritic chromium steel and again more particularly to ferritic chromium steel with numbers 444 and / or 436 according to the American AlSI standard. The maximum compressive stress of the enamel layer obtainable from the enamel composition for the new composition is in the range between 200 - 250 MPa. For known enamel compositions, the maximum compressive stress is usually in the range of 70-170 MPa. Moreover, the preferred enamel composition exhibits high temperature resistance, so that prolonged exposure to temperatures up to about 530 ° C, with peak loads up to 700 ° C, presents no problem. A first dielectric layer based on the preferred enamel composition therefore has little risk of breakdown, in other words is less susceptible to degeneration due to long-term loading at a high voltage than known enamel compositions.

Bovendien zijn de eigenschappen van de emailsamenstelling dusdanig dat de kans op scheurvorming in een ermee vervaardigde diëlektrische laag bij temperatuurwisselingen 15 wordt verkleind. De emailsamenstelling van voorkeur heeft als bijkomend voordeel dat diëlektrische lagen met de gewenste eigenschappen kunnen worden aangebracht op het te verwarmen oppervlak met geringe laagdiktes. Dit komt de warmtegeleiding ten goede.Moreover, the properties of the enamel composition are such that the risk of cracking in a dielectric layer made with it is reduced with temperature changes. The preferred enamel composition has the additional advantage that dielectric layers with the desired properties can be applied to the surface to be heated with small layer thicknesses. This benefits the heat conduction.

20 Een bijzondere voorkeursuitvoering omvat een diëlektricum waarin tenminste het lithium- en/of natrium- en/of kaliumgehalte van de eerste en de tweede diëlektrische laag van elkaar verschillen. Het is hierbij voordelig indien de emailsamenstelling van de eerste diëlektrische laag in hoofdzaak vrij is van lithium- en/of natriumionen. In een voorkeurssamenstelling volgens de uitvinding omvat de tweede diëlektrische laag 25 tenminste lithium- en/of natriumionen.A particularly preferred embodiment comprises a dielectric in which at least the lithium and / or sodium and / or potassium content of the first and the second dielectric layer differ from each other. It is advantageous here if the enamel composition of the first dielectric layer is substantially free of lithium and / or sodium ions. In a preferred composition according to the invention, the second dielectric layer comprises at least lithium and / or sodium ions.

In een voorkeursuitvoering omvat de emailsamenstelling tussen de 0,1 en 6 gewichtsprocent kalium. Door toevoeging van kalium is de belastbaarheid van de hechting van de emailsamenstelling met het substraatoppervlak minder kritisch. In een 30 samenstel van een dergelijke emailsamenstelling met een substraatoppervlak treedt bij verhoogde temperaturen, in het bijzonder bij oververhitting, minder vervorming op. Dit is in het bijzonder voordelig bij inbranden van de emailsamenstelling in een verwarmingselement. De drukspanning wordt verlaagd, maar is nog steeds hoog genoeg om de ongewenste vorming van haarscheuren te voorkomen. Bij percentages kalium 11 hoger dan 6 gewichtsprocent blijkt echter de kans op vorming van haarscheuren groter te worden. In combinatie met afwezigheid van andere alkalimetaalionen, in het bijzonder lithium en natrium, blijft tevens een lage lekstroom bij verhoogde temperaturen gewaarborgd.In a preferred embodiment, the enamel composition comprises between 0.1 and 6 weight percent potassium. By adding potassium, the loadability of the adhesion of the enamel composition with the substrate surface is less critical. In an assembly of such an enamel composition with a substrate surface, less distortion occurs at elevated temperatures, in particular in the event of overheating. This is particularly advantageous when the enamel composition is burned into a heating element. The compressive stress is lowered but is still high enough to prevent the undesired formation of hairline cracks. However, with percentages of potassium 11 higher than 6% by weight, the chance of hairline formation appears to be greater. In combination with the absence of other alkali metal ions, in particular lithium and sodium, a low leakage current at elevated temperatures is also guaranteed.

55

Het te verwarmen substraat, waarop het diëlektricum wordt aangebracht kan uit elk warmtegeleidend materiaal zijn vervaardigd. Bij voorkeur is het te verwannen oppervlak in hoofdzaak vervaardigd uit metaal, bijvoorbeeld staal en/of aluminium. Bijzonder voordelig is ferritisch chroomstaal, bij voorkeur met een chroomgehalte van 10 ten minste 10 gewichtsprocent.The substrate to be heated on which the dielectric is applied can be made of any heat-conducting material. Preferably, the surface to be heated is substantially made of metal, for example steel and / or aluminum. Ferritic chromium steel is particularly advantageous, preferably with a chromium content of at least 10% by weight.

Het is voordelig indien de uitzettingscoëffïciënt van het materiaal waaruit het te verwarmen oppervlak is vervaardigd, niet teveel verschilt van de uitzettingscoëffïciënt van de eerste diëlektrische laag, bij voorbeeld niet meer dan 20 tot 45%, bijvoorbeeld 15 ten opzichte van staal, met meer voorkeur niet meer dan 20 tot 35%. Bij voorkeur verschilt de uitzettingscoëfficient van de tweede laag ten opzichte van deze van de eerste laag niet meer dan 0 tot 25%. Aldus wordt een verwarmingselement verkregen dat bijzonder goed bestand blijkt te zijn tegen temperatuurwisselingen. Met name blijkt de vorming van haarscheurtjes in de beide diëlektrische email lagen volgens de 20 uitvinding hierdoor veel minder te zijn. Gebleken is dat bij een verschil in uitzettingscoëfficient kleiner dan 20% de kans op haarscheuren weer toeneemt. Het moge duidelijk zijn dat de uitzettingscoëffïciënt van een emailsamenstelling eenvoudig kan aangepast worden aan de uitzettingscoëffïciënt van het te verwarmen oppervlak door bijvoorbeeld het alkalimetaalgehalte aan te passen. Het aanpassen van het 25 kaliumgehalte in de emailsamenstelling heeft hierbij de voorkeur, omdat hiermee de lekstroom bij verhoogde temperatuur nauwelijks beïnvloed wordt. Anderzijds is het tevens mogelijk een ander materiaal voor het te verwarmen substraat te kiezen.It is advantageous if the expansion coefficient of the material from which the surface to be heated is made does not differ too much from the expansion coefficient of the first dielectric layer, for example no more than 20 to 45%, for example 15 relative to steel, more preferably not more than 20 to 35%. Preferably, the expansion coefficient of the second layer does not differ by more than 0 to 25% from those of the first layer. A heating element is thus obtained which is found to be particularly resistant to temperature changes. In particular, the formation of hairline cracks in the two dielectric enamel layers according to the invention appears to be much less because of this. It has been found that with a difference in expansion coefficient of less than 20%, the chance of hairline cracks increases again. It will be clear that the expansion coefficient of an enamel composition can be easily adapted to the expansion coefficient of the surface to be heated by, for example, adjusting the alkali metal content. Adjusting the potassium content in the enamel composition is preferred here, because the leakage current at elevated temperature is thus hardly affected. On the other hand, it is also possible to select a different material for the substrate to be heated.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een vloeistofhouder voorzien van ten minste 30 één verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding. Het verwarmingselement volgens de uitvinding kan in een breed domein worden toegepast. Zo is het mogelijk het element te gebruiken in een waterkoker, waarbij een elektrische veiligheid wordt verschaft aan de gebruiker. Het verwarmingselement is tevens bijzonder geschikt toe te passen in stoomgeneratoren, (afwasmachines, bevochtigers, melk- en andere 12 vloeistofverwarmers, buisverwarmingstoestellen voor vloeistoffen, fomuisplaten, grillplaten, en dergelijke meer.The invention also relates to a liquid container provided with at least one heating element according to the invention. The heating element according to the invention can be used in a wide domain. It is thus possible to use the element in a kettle, whereby an electrical safety is provided to the user. The heating element is also particularly suitable for use in steam generators, (dishwashers, humidifiers, milk and other 12 liquid heaters, tube heaters for liquids, fuse plates, grill plates, and the like).

De uitvinding zal worden verduidelijkt aan de hand van in navolgende figuren 5 weergegeven niet-limitatieve uitvoeringsvoorbeelden. Hierin toont: figuur 1 een dwarsdoorsnede van een verwarmingselement overeenkomstig de uitvinding, figuur 2 een onderaanzicht op een deel van het verwarmingselement volgens figuur 1, figuur 3 het verloop van de specifieke weerstand van de van het verwarmingselement 10 volgens figuur 1 deel uitmakende eerste diëlektrische laag en tweede diëlektrische laag als functie van de temperatuur, en figuur 4 het verloop van de gemeten stroomsterkte bij toenemende temperatuur doorheen diëlektrische lagen met verschillende emailsamenstelling.The invention will be elucidated on the basis of non-limitative exemplary embodiments shown in the following figures. Herein: figure 1 shows a cross-section of a heating element according to the invention, figure 2 shows a bottom view of a part of the heating element according to figure 1, figure 3 shows the course of the specific resistance of the first dielectric layer forming part of the heating element 10 according to figure 1 and second dielectric layer as a function of temperature, and Figure 4 shows the variation of the measured current intensity with increasing temperature through dielectric layers with different enamel composition.

15 Figuur 1 toont een dwarsdoorsnede van een verwarmingselement 1 overeenkomstig de uitvinding. Het verwarmingselement 1 omvat een te verwarmen verwarmingsplaat 2, vervaardigd uit ferritisch chroomstaal met een gehalte van 18 gew.-% chroom. Het is tevens mogelijk een andere geschikte metalen of keramische drager toe te passen zoals bijvoorbeeld ontkoold staal, koper, titanium, SiN, AI2O3 enzovoorts. Op de 20 verwarmingsplaat 2 is een eerste diëlektrische emaillaag 3 aangebracht. De eerste emaillaag 3 heeft in hoofdzaak een emailsamenstelling volgens kolom HT van Tabel 1. Op de eerste, relatief elektrisch isolerende emaillaag 3 zijn in een in hoofdzaak spiraalvormig patroon een verwarmingsspoor 4 en een parallel aan het verwarmingsspoor 4 lopend sensorspoor 5 aangebracht, waarbij de afstand tussen de 25 sporen circa 500 μτη bedraagt. Het verwarmingsspoor 4 en het sensorspoor 5 zijn bij voorkeur vervaardigd uit eenzelfde materiaal, bij nadere voorkeur uit zilver, koper, of een legering van deze of andere metalen, teneinde het productieproces voor het vervaardigen van het verwarmingselement 1 te kunnen vereenvoudigen en versnellen. Bovenop en tussen de sporen 4, 5 is een tweede emaillaag 6 aangebracht, waarbij 30 kruislings over twee of meer van de verwarmingssporen 4 een gesinterde glaslaag 7 met een relatief laag smeltpunt is aangebracht. De emailsamenstelling van de tweede emaillaag 6 wordt gekozen binnen de in kolom LT1 van Tabel 1 aangegeven grenzen. Op de tweede emaillaag 6 is een metalen strip 8, in het bijzonder zilveren strip, aangebracht die zich onder tussenkomst van de tweede diëlektrische laag uitstrekt over 13 zowel het verwarmingsspoor 4 alsook het sensorspoor 5 naar een ander deel van het verwarmingsspoor 4. Het verwarmingsspoor 4 en het sensorspoor 5 zijn elektrisch verbonden met een besturingseenheid 9. De besturingseenheid 9 is daarbij ingericht voor het reguleren van de stroomsterkte door het verwarmingsspoor 4. De 5 besturingseenheid 9 is gekoppeld met een beveiligingsschakeling 10 die bijvoorbeeld kan zijn voorzien van een bimetaal. Tevens is de besturingseenheid 9 gekoppeld met een ampèremeter 11 voor het meten van de lekstroom door het sensorspoor 5. Figuur 2 toont een onderaanzicht op een deel van het verwarmingselement 1 volgens figuur 1, waarin de tweede emaillaag 6 ter verduidelijking van de figuur is weggelaten. In figuur 10 2 is duidelijk getoond dat het verwarmingsspoor 4 en het sensorspoor 5 in hoofdzaak spiraalvormig en in hoofdzaak onderling parallel zijn aangebracht op de eerste emaillaag 3. Tevens toont figuur 2 dat de zilveren strip 8 zowel het sensorspoor 5 en het verwarmingsspoor 4, de facto meerdere verwarmingsspoorsecties, overlapt. De werking van het verwarmingselement 1 kan als volgt worden beschreven. Na het activeren van 15 het verwarmingsspoor 4 door de besturingseenheid 9 zal warmteontwikkeling plaatsvinden in het verwarmingsspoor 4, welke warmte voor een substantieel deel via de emaillagen 3, 6 wordt overgedragen aan de verwarmingsplaat 2. De verwarmingsplaat 2 zal daarbij doorgaans in contact staan met een vloeistof waaraan de warmte vervolgens kan worden afgegeven. Echter, ingeval de door het verwarmingselement 1 ontwikkelde 20 warmte niet meer op afdoende wijze kan worden overgedragen zal de temperatuur van het verwarmingselement 1 stijgen. Teneinde oververhitting van het verwarmingselement 1 en daarmee het ontstaan van gevaarlijke situaties te kunnen tegengaan is de samenstelling van de tweede emaillaag 6 zodanig gekozen dat de weerstand significant afneemt bij het overschrijden van een kritische temperatuur, 25 zodanig dat een lekstroom zal gaan lopen van het verwarmingsspoor 4 via de tweede emaillaag 6 en eventueel tevens via de zilveren strip 8 naar het sensorspoor 5. Een door het sensorspoor 5 lopende lekstroom kan worden gedetecteerd door de ampèremeter 11. Ingeval deze lekstroommeting zou falen en verdere (oververhitting van het verwarmingselement 1 zou optreden dan zal de gesinterde glaslaag 7 smelten en 30 daarmee het verwarmingsspoor 4 ter plaatse vernietigen, waardoor de bedrijfstoestand van het verwarmingselement 1 zal worden beëindigd. Verdere verhitting van het verwarmingselement 1 zal alsdan ook niet meer mogelijk zijn.Figure 1 shows a cross-section of a heating element 1 according to the invention. The heating element 1 comprises a heating plate 2 to be heated, made from ferritic chromium steel with a content of 18% by weight of chromium. It is also possible to use another suitable metal or ceramic support such as, for example, decarburized steel, copper, titanium, SiN, Al 2 O 3 and so on. A first dielectric enamel layer 3 is provided on the heating plate 2. The first enamel layer 3 essentially has an enamel composition according to column HT of Table 1. On the first, relatively electrically insulating enamel layer 3, a heating track 4 and a sensor track 5 running parallel to the heating track 4 are arranged in a substantially spiral pattern, the distance being approximately 25 μτη between the 25 tracks. The heating track 4 and the sensor track 5 are preferably manufactured from the same material, more preferably from silver, copper, or an alloy of these or other metals, in order to be able to simplify and accelerate the production process for manufacturing the heating element 1. A second enamel layer 6 is provided on top and between the tracks 4, 5, wherein a sintered glass layer 7 with a relatively low melting point is arranged crosswise over two or more of the heating tracks 4. The email composition of the second email layer 6 is selected within the limits indicated in column LT1 of Table 1. Arranged on the second enamel layer 6 is a metal strip 8, in particular silver strip, which, via the second dielectric layer, extends over both the heating track 4 and the sensor track 5 to another part of the heating track 4. The heating track 4 and the sensor track 5 are electrically connected to a control unit 9. The control unit 9 is thereby adapted to regulate the current intensity through the heating track 4. The control unit 9 is coupled to a protection circuit 10 which can for instance be provided with a bimetal. The control unit 9 is also coupled to an ammeter 11 for measuring the leakage current through the sensor track 5. Figure 2 shows a bottom view of a part of the heating element 1 according to figure 1, in which the second enamel layer 6 has been omitted for clarification of the figure. Figure 2 clearly shows that the heating track 4 and the sensor track 5 are arranged substantially helically and substantially mutually parallel on the first enamel layer 3. Figure 2 also shows that the silver strip 8 comprises both the sensor track 5 and the heating track 4, the multiple heating track sections, overlapped. The operation of the heating element 1 can be described as follows. After the heating track 4 has been activated by the control unit 9, heat development will take place in the heating track 4, which heat is for a substantial part transferred via the enamel layers 3, 6 to the heating plate 2. The heating plate 2 will generally be in contact with a liquid to which the heat can then be released. However, in case the heat developed by the heating element 1 can no longer be adequately transferred, the temperature of the heating element 1 will rise. In order to be able to prevent overheating of the heating element 1 and thus the development of dangerous situations, the composition of the second enamel layer 6 is chosen such that the resistance decreases significantly when a critical temperature is exceeded, such that a leakage current will start to run from the heating track. 4 via the second enamel layer 6 and possibly also via the silver strip 8 to the sensor track 5. A leakage current running through the sensor track 5 can be detected by the ammeter 11. In case this leakage current measurement would fail and further (overheating of the heating element 1 would occur then the sintered glass layer 7 will melt and thereby destroy the heating track 4 on site, as a result of which the operating condition of the heating element 1 will be terminated. Further heating of the heating element 1 will then also no longer be possible.

Figuur 3 toont het verloop van de specifieke weerstand van de van het verwarmingselement volgens figuur 1 deel uitmakende eerste diëlektrische laag en 14 tweede diëlektrische laag als functie van de temperatuur. Zoals aangegeven in figuur 3 zorgen onder andere de LT1 en HT emailsamenstellingen ervoor dat de specifieke elektrische weerstand R6 van de tweede emaillaag 6 bij een lagere temperatuur afneemt dan de specifieke elektrische weerstand R3 van de eerste relatief isolerende laag 3.Figure 3 shows the variation of the specific resistance of the first dielectric layer forming part of the heating element according to Figure 1 and of the second dielectric layer as a function of the temperature. As indicated in Figure 3, the LT1 and HT enamel compositions, among others, cause the specific electrical resistance R6 of the second enamel layer 6 to decrease at a lower temperature than the specific electrical resistance R3 of the first relatively insulating layer 3.

55

De met de ampèremeter gemeten lekstroomkarakteristiek voor een aantal diëlektrische lagen is weergegeven in functie van de temperatuur T in figuur 4. De op de verticale as uitgezette lekstroom I blijft voor relatief lage temperaturen T beperkt tot nabij een bepaalde aanslagtemperatuur, waarboven zij plots snel toeneemt. De 10 aanslagtemperatuur hangt sterk af van de samenstelling van de emaillaag. In figuur 4 is aangegeven dat de samenstelling van de eerste laag, aangeduid met HT een aanslagtemperatuur heeft die tenminste 500°C bedraagt. De andere vier getoonde lekstroomkarakteristieken (aangeduid met LT1) zijn karakteristiek voor emailsamenstellingen van de tweede laag. Door de samenstelling van de 15 emailsamenstellingen aan te passen aan de gewenste aanslagtemperatuur voor de eerste en/of tweede diëlektrische laag kan met behulp van een relatief eenvoudige elektrische schakeling een temperatuurbeveiliging voor het verwarmingselement 1 worden gerealiseerd.The leakage current characteristic for a number of dielectric layers measured with the ammeter is shown as a function of the temperature T in Figure 4. For relatively low temperatures T, the leakage current I plotted on the vertical axis is limited to near a certain excitation temperature, above which it suddenly increases rapidly. The attack temperature strongly depends on the composition of the enamel layer. Figure 4 indicates that the composition of the first layer, designated HT, has an attack temperature that is at least 500 ° C. The other four leakage current characteristics shown (designated LT1) are characteristic of second layer enamel compositions. By adjusting the composition of the enamel compositions to the desired stop temperature for the first and / or second dielectric layer, a temperature protection for the heating element 1 can be realized with the aid of a relatively simple electrical circuit.

20 1520 15

Tabel 1: voorkeur emailsamenstellingen in het verwarmingselement 1 volgens de uitvindingTable 1: preferred enamel compositions in the heating element 1 according to the invention

Emailsamenstelling LT1 HTEmail composition LT1 HT

Bestanddeel gew.-% gew.-%Component wt% wt%

Li20 0-5 K20 0-15 0-10Li 2 O 0-5 K20 0-15 0-10

Na20 0-10Na 2 O 0-10

CaO 20-40 A1203 5-15 B203 5-13CaO 20-40 Al 2 O 3 5-15 B 2 O 3 5-13

Si02 33-53SiO2 33-53

Zr02 0-10ZrO 2 0-10

PbO 0-10 V205 0-10PbO 0-10 V205 0-10

Bi203 0-10Bi 2 O 3 0-10

Totaal 100 5 Het moge duidelijk zijn dat de uitvinding niet beperkt is tot de hier weergegeven en beschreven uitvoeringsvoorbeelden, maar dat binnen het kader van de bijgaande conclusies legio varianten mogelijk zijn, die voor de vakman op dit gebied voor de hand zullen liggen.Total 100 It should be clear that the invention is not limited to the exemplary embodiments shown and described here, but that within the scope of the appended claims, countless variants are possible which will be obvious to those skilled in the art.

Claims

A heating element, comprising: a substrate to be heated, at least one first dielectric layer applied to the conductive substrate, - at least one electrically conductive heating track applied to the first dielectric layer, - at least one to the first dielectric layer, electrically conductive sensor track disposed at a distance from the heating track and at least one second dielectric layer arranged on the first dielectric layer, which second dielectric layer connects to both at least a part of the heating track and to at least a part of the sensor track.

2. Heating element as claimed in claim 1, characterized in that at an almost the same temperature the electrical resistance of the first dielectric layer is higher than the electrical resistance of the second dielectric layer.

3. Heating element as claimed in claim 1 or 2, characterized in that at least a part of the heating track and at least a part of the sensor track are helically shaped.

4. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the mutual shortest distance between at least a part of the at least one heating track and at least an adjacent part of the at least one sensor track is substantially constant.

5. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the mutual shortest distance between at least a part of the at least one heating track and at least an adjacent part of the at least one sensor track is between 100 µm and 800 µm , preferably between 400 µm and 600 µm.

6. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the at least one heating track and the at least one sensor track are coupled to a control unit.

7. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that an ammeter is electrically coupled to the sensor track.

Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that a voltage meter is electrically coupled to the sensor track. 10

9. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that at least one electrically conductive element is arranged on the second dielectric layer.

10. Heating element as claimed in claim 9, characterized in that the shortest distance between the heating track and the electrically conductive element is between 5 µm and 50 µm, preferably between 12 µm and 20 µm.

11. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the heating track is at least partially shielded by a sintered glass layer.

12. Heating element as claimed in claim 11, characterized in that the melting point of the sintered glass layer is lower than 500 ° Celsius. 25

13. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the first and / or the second dielectric layer are manufactured from an enamel composition.

Heating element according to claim 13, characterized in that the alkali metal content of the enamel composition of the first dielectric layer is lower than that of the second dielectric layer.

15. Heating element as claimed in claim 13 or 14, characterized in that at least the lithium and / or sodium and / or potassium content of the first and the second dielectric layer differ from each other.

16. Heating element as claimed in any of the claims 13-15, characterized in that the first dielectric layer is substantially free of lithium and / or sodium ions.

17. Heating element as claimed in any of the claims 13-16, characterized in that the alkali metal content of the first and the second dielectric layer differs from each other.

18. Heating element as claimed in any of the claims 13-17, characterized in that the enamel composition of the first layer is chosen such that, with increasing temperature, it always has a higher electrical resistance than that of the second layer. 15

19. Heating element as claimed in claim 18, characterized in that the enamel composition of the first dielectric layer is chosen such that the breakdown voltage is higher than 1250 VAC.

20. Heating element as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the expansion coefficient of the material comprising the substrate does not differ by more than 20 to 45% from the expansion coefficient of the first and / or the second dielectric layer.

Enamel composition for use as a first dielectric layer in a heating element according to any one of the preceding claims, comprising between 0 and 10 mass percent V2O5, between 0 and 10 mass percent PbO, between 5 and 13 mass percent B2O3, between 33 and 53 mass percent S1O2, between 5 and 15 mass percent Al2 O3, and between 20 and 30 mass percent CaO. 30

Enamel composition for use as a second dielectric layer in a heating element according to any one of claims 1-20, comprising between 0 and 5 mass percent Li 2 O, between 0 and 15 mass percent K 2 O and between 0 and 10 mass percent Na 2 O. 5

A liquid container provided with a heating element according to any one of claims 1-20.