CN101940059A

CN101940059A - 直流电磁发热元件

Info

Publication number: CN101940059A
Application number: CN2008801169819A
Authority: CN
Inventors: 张式平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2011-01-05
Also published as: EP2294896A1; CA2707751A1; WO2010000097A1; JP2011526407A; US20100258555A1

Abstract

本发明披露了一种通过直流电磁场利用电热能转换原理的直流电磁发热元件。当直流电流通过线圈并对闭合磁场充分地充磁时，磁场会形成不同于直流线路电路的额外的2D放热空间。在该2D放热空间中磁介质会放出巨大热能。与常用的交流发热装置相比，具有直流电磁场的电路的发热装置会节省多于40％的耗电量。

Description

直流电磁发热元件

技术领域

本发明涉及一种令物体发热的发热元件，特别是一种可用于发热器的直流电磁发热元件。

背景技术

现今，有不同的放热的方法。然而，考虑到要减少温室气体的排放，使用电能代替传统的矿物燃料(如天然气与石油)已是众望所归。使用电能放热已有不同的方法，包括有电阻性和电感性放热。电阻性放热是一种以电流通过电导体进行电发热的方法。另一方面，电感性发热是一种用交流电对导电材料进行电加热的方法。对电导线圈，例如铜线圈，施加交流电，从而产生一个交变磁场。该交变磁场在一个紧接着线圈的工件里产生交流电压和电流。所述交变电流产生了电阻损耗，从而令工件发热。然而，这些发热方法耗用了巨大的能量，因此石油或天然气发热在传统上便比常见的电热方法更受接纳。由于对清洁能源加热方法的需求增大，希望能有另一种电热方案，可以耗用较少的能源或对于产生类似量的热量更为高效节能。

发明内容

本发明涉及一种令物体发热的发热元件，尤其是一种可用于发热器的直流电磁发热元件。

本发明的目的是提供一种用于发热器，热水器及其它用途的直流电磁发热元件。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种直流电磁发热元件，它包括至少一个线圈，其中，当直流电压施加于所述线圈时，它使得固定磁极的闭合磁场作充分地充磁，并且还使得磁场形成不同于所述线圈的额外2D放热空间，以排放热能。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种发热器，它包括直流电磁场发热元件，所述发热元件包括至少一个线圈，其中，当直流电流施加在此线圈上时，它使得闭合磁场被充分地充磁，并且还使得磁场形成不同于所述线圈的额外的2D放热空间，以排放热能。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种令物体发热的方法，所述方法包括如下步骤：(i)加直流电压于至少一个线圈上，促使固定磁极的闭合磁场形成并被充分地充磁，并且还令此磁场形成不同于所述线圈的额外的2D发热空间，以排放热能；和(ii)将所述热能施加于所述物体。

附图说明

现在将更详细地结合附图进行描述，其中：

图1至3是本发明的直流(“DC”)电磁发热器的DC电路的示意图；

图4至5示出了当交流电压加在一线圈时，依时间推移，电压与电流对磁场的影响；

图6至7示出了当直流电压加在此线圈时，依时间推移，电压与电流对磁场的影响；

图8是一电磁发热器的照片透视图；

图9是电磁发热器的示意性控制线路图；

图10是一环境控制测试实验室的示意图；

图11是一表格，它表述了测量直流电磁发热器与AC油热式发热器的测试结果；

图12是一图表，它示出了依时间推移，此直流电磁发热器及油热式发热器温度升高的测量值；和

图13是一图表，它示出了依时间推移，直流电磁发热器与油热式发热器总耗用电量的测量值。

具体实施方式

通过直流(DC)电磁场的电热能转换的原理涉及电热能的转换。当直流电流通过一线圈，并且使一闭合的磁场被充分地充磁时，此磁场形成一额外的2D发热空间，它是一个不同于此直流线路电路的，垂直空间或另一空间。被充磁磁场的磁介质将会排放巨大的热量。

在电学里，在正常运行中，互感器过热可能损坏具有开路(或是”次级电路”)的电流互感器(CT)，这是公知常识。损坏是由于电流互感器里的电磁场被超饱和充磁。不言而喻，这种情况是指在交流(AC)线路电路而言。

事实上，在直流线路电路里，当一直流电流通过一线圈，并且使一闭合的磁场被充分地充磁时，电磁场里的磁介质也会放出巨大的热能。在该DC线路电路的正常运行中，没有另一交变的感抗电阻，而只有线圈的纯内阻，因此可以让最佳量的电流量通过。这样，对线圈施加很低的直流电压能够促使有足够的电流量通过线圈，并且使磁场被充分地充磁。这种直流电路耗用电量很小，但却以稳定、持续而安静的方式产生巨大的热能。

这种直流电路有如下的二个特点：

1.当直流线路电路中有电磁场存在时，此磁场将形成不同于直流线路电路的新的额外的2D放热空间。此放热空间放出的热能的容量/量甚至比通过交流发热方法产生的热量更加巨大和稳定。

2.不论此电磁场是否存在于此直流线路电路里，整个电路的耗电量仍然是保持不变。在此电路里，正是按照焦耳定律(Joule’s Law)，由线圈所耗用的电能转化成热能。然而，相信此直流磁场的2D发热空间所放出的热能是在焦耳定律计算以外的。与通用的交流电发热方式相比，这种具有磁场的直流电路耗用更少的电量。

现在，参考图1至3，一个线圈10具有内阻R；在图1，2和3中，通过此线圈10的电流分别被标为I1，I2和I3。类似地，在图1，2和3中，线圈10的耗电量分别被标为W1，W2和W3；而放热量(power energy)分别被标为P1，P2和P3。

图1示出了近似于只有初级线圈10的电流互感器的线路图，它没有次级线圈(未示出)。当直流电压施加在线圈10两端时，直流电流I1流经此线圈，并对闭合电路磁场进行充磁。此直流电磁场形成新的额外的2D放热空间20(见图3)。

图2中，在形成磁场之前，此电路200的耗电量为W2＝I2²R瓦特，而放热量依焦耳定律是：P2＝W2t＝I2²Rt焦耳。

图3中，一旦电路300中有磁场存在，线圈10的末端A3-B3的电压以及通过线圈的电流I3都保持不变，与图2中的一样，即是I2＝I3。这实质上说明了，无论磁场是否存在，该直流线路电路的耗电量会保持不变。当整个电路的耗电量与以前一样不变之际，一个额外的2D放热空间新加入进来。此时，电路300的总放热量是：

P3＝I3²Rt+2Dt，因I3＝I2，P3＝I3²Rt+2Dt＝I2²Rt+2Dt＝P2+2Dt

此结果表明，电路200与300的耗电量在数值上保持相等，但放热量方面，电路300比电路200增多了2Dt。

图4示出了当施加交流电压时，电压30分别在图1，2和3的A1-B1，A2-B2或A3-B3处随时间在一个周期的变化。在许多国家里，交流电是50或者60Hz(赫兹)，因此电压30每秒要重复50或60次。如图4所示，电压值30在周期的第一半是正值，而在周期的第二半转向负值。

图5标示了在图1，2和3中，电压30和电流35通过线圈10依时间顺序的变化。随着交流电压30在正与负之间(通过依时间顺序以正弦波绘制)交替，流过线圈10的电流35也会跟随电压30进行交替。除了线圈10的内阻R，交流电流流经线圈10的流量主要是与线圈的感抗电阻成正比的。不过，在第一半周期(即是0与M之间)在线圈10周围建立起来的磁场会被在第二半周期(即是M与N之间)期间建立起来的另一磁场翻转和消除。在任一给定一半周期建立的磁场会受其前面一半周期建立的磁场妨碍或影响，并且又影响随后的磁场。再者，在每一完整周期对磁场的有效充磁值是零。

图6标示了当施加直流电压时，在图1，2和3中的A1-B1，A2-B2或A3-B3处直流电压30’依时间顺序推移的数值。正如图7所见，直流电流35’只需克服线圈10的内阻R就达到其比例值。随时间推移通过线圈10的所述直流电流35’会有效地建立一个磁场。相信所述过程还促进了发热。与交流电压的情况不同，当一直流电压加在线圈10上时，因为电压保持不变以对一固定极性的相同磁场充磁，并没有如对线圈10施加交流电压的情况那样存在无功电压。对线圈10施加直流电压有效地对环绕线圈10的磁场进行充磁和供给能量，因此高度加强了其对磁场的充磁，以便热传递。

图8示出了按照前述原理通过直流电磁场进行电热能转换的功率300W(瓦特)的电磁发热器54。此发热器包括五(5)个线圈，它们串连而成。每一线圈铁芯的尺寸为32mm x 62mm，以19号或直径为1.12mm的漆包铜线，每层绕43匝，共有六层，这样每个线圈有总匝数258匝.(此发热器包括五(5)个线圈，因此实质上总匝数为1290匝)。此发热器的电源是直流48-60伏特/5.5-6.5安培。

图9示出了发热器54的示意性控制线路图。交流电压接至发热器的接头A和B。发热器54包括通过开关70连接的电源变压器75，所述开关70用于选择初级线圈的长度，用于对散热器77下面放热线圈(未示出)产生的热量的控制。一桥式整流器76连接至变压器75的次级线圈，用以将交流电压转成直流电压。发热器54还包括一温度监控器80，它在温度采样端85对发热器54的散热器77的温度进行采样。发热器54还包括多个风扇95，用于产生气流，以便有效地将热量散到发热器54之外，并且控制发热器在设定的温度内工作。风扇95由风扇电源90连接和控制。风扇电源90与温度监控器80进行通讯，并由温度监控器80的信号所控制，通过开启风扇95使散热器的温度下降，或者令风扇95停止处于待机状态以供下一次冷却。通过调节希望的开/关点及上下限范围来预设温度监控器80，以便将该发热器的温度控制在预期的温度范围之内。

发热器54已由香港科技大学环境控制测试实验室进行测试，将它与欧洲产的油热式发热器(即惠尔普Whirpool)作比较，对DC电磁发热器与油热式发热器的性能进行测量和比较。油热式发热器产生2000瓦特的热功率。

测试实验室：

图10示出了环境控制测试实验室40的示意图。此实验室40是一闭环空气环流，由隔热材料45全密封，以防止热量进/出此实验室40。此实验室40有两部分，即测试部分50和空调部分60。在空调部分60里面有空调设备，包括空调发热器61和空调冷却线圈62，用于控制实验室40内的环境温度，以及调节空气流通用的空调风机63。在测试部分50，在空调部分60被调节的供气51被吹出，产生层流52。两套室温采样装置53a和53b置于测试部分50的中间，用于收集和测量实验室40的环境温度。受验装置54也被放置在测试部分50里面。回气55被收集并回到空调部分60。

测试设置与程序

受验装置放置在环境控制测试实验室40内，并保持运行。环境控制测试实验室40的温度设置为18℃，并由空调设备保持在该温度。在测试期间，两套室温采样装置53a和53b放置在测试部分50的中间，并且被固定。在实验室40内的环境温度稳定保持在18℃持续一个小时以后，关闭空调发热器61与空调冷却线圈62，而空调风机63在测试期间保持运行。环境温度由两个室温采样装置53a和53b每分钟进行测量和记录。测试持续直至实验室40里的环境温度达到28℃时。受验装置的总耗电量由电表，即

Power Meter WT-110每分钟进行测量和记录。实验室40内的环境温度由混合式记录仪

Hybrid Recorder DR-242每分钟进行记录。对于室温采样装置53a和53b，使用的是

电阻式温度计(采样装置)Pt-100s。

测试结果：每个直流电磁发热器与油热式发热器在相同的测试条件及程序下独立地测试两次。在图11中，记录和比较了它们运行的结果。图12是随时间推移温度上升的图表。图13是随时间推移总耗电量的图表。正如图11所示，直流电磁发热器平均耗用了1705瓦特小时的电量，使测试室温由18℃上升至28℃，而油热式发热器平均耗用了3121瓦特小时的电量获得相同的效果。理论上，两个发热器应当排放等量的热能，使相同的室温由18℃上升至28℃。另外，根据焦耳定律的计算，1705瓦特小时所产生的热量不应与油热式发热器所耗用3121瓦特小时产生的热量相同。在图13中可以看到，油热式发热器的斜线表现为步进线；不过，电磁发热器的线是比较连贯和直的。应当注意，油热式发热器的步进线是由于油热式发热器切断了电源，以控制和保持散热器温度免于过热而造成的。可以看到，电磁发热器的温度控制在一很小变化的范围之内。还可以观察到，油热式发热器的散热器温度在52℃至72℃(上下波幅20℃)的范围内；但电磁发热器的散热器温度在61℃至64℃(上下波幅3℃)的范围内。这说明电磁发热是非常稳定的发热方式。由于电磁发热器使用低电压(约是60伏特)，与其它传统的方式相比，这是一种对物体加热更安全的方式。

由于两个发热器(油热式发热器和直流电磁发热器)产生等量的热能：

3121WH(瓦特小时)＝1705WH(瓦特小时)+2Dt，因此

2Dt＝3121瓦特小时-1705瓦特小时＝1416瓦特小时

换句话说，直流电磁发热器的2D空间在265分钟的测试期间内产生了1416瓦特小时的热量，与油热式发热器产生的相同热量相比，节省了多于40％的能量。

应当理解，本文所述的实施例及其变化形式只是本发明原理的例证，本领域的技术人员在不偏离本发明的精神及范围的前提下可以作出不同的改进。

Claims

1.一种直流电磁发热元件，它包括至少一个线圈，当直流电压施加于所述至少一个线圈上时，使得有固定极性的闭合磁场被充分地充磁，并且还使得所述磁场形成不同于所述线圈的额外的2D发热空间，以便排放热能。

2.一种发热器，它包括直流电磁发热元件，所述直流电磁发热元件包括至少一个线圈，当直流电压施加在所述至少一个线圈上时，使得有固定极性的闭合磁场被充分地充磁，并且还使得所述磁场形成不同于所述线圈的额外的2D发热空间，以便排放热能。

3.根据权利要求2所述的发热器，其中，当直流电压施加在所述至少一个线圈上时，所述至少一个线圈减弱了感抗电阻，并提供了纯内阻，以使最佳量的直流电流流过其中，以便减少了耗电量。

4.根据权利要求2所述的发热器，还包括温度监控器和至少一个温度采样端，所述采样端与所述温度监控器通讯，用于监控和调节由所述发热元件产生的热能的温度；和，开关，所述开关由所述监控器激活，用于调节供给所述至少一个线圈的直流电压，传感器监控温度，用于将发热器控制在指定的温度内。

5.根据权利要求2所述的发热器，其中，所述最少一个线圈是串联的。

6.一种对物体进行加热的方法，包括如下步骤：

(i)在至少一个线圈上施加直流电压，以便建立由固定极性的闭合磁场并使它被充分地充磁，并且还使得所述磁场形成不同于所述线圈的额外的2D放热空间，以便排放热能；和

(ii)将所述热能施加于所述物体上。