CN101970947A - 流体加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流体加热装置，该装置能够及时加热为了供给或循环而流动的流体，包括：板状陶瓷加热器，具备用于施加电源的终端引线；隔板，具备水平移动流体路径，以使得欲加热的流体在所述陶瓷加热器的上下侧向陶瓷加热器方向移动，且将已被陶瓷加热器加热的流体排出；流路形成板，具备流路，以使得所述水平移动流体路径上的流体向下一层流体路径进行垂直移动；上盖，在最上侧隔板的外侧面具备用于供给要加热的流体的进水孔；下盖，在最下侧隔板的外侧面具备用于排出已被加热的流体的排水孔。

Description

流体加热装置
技术领域
本发明涉及一种流体加热装置，更详细而言，提供一种能够及时加热用于供给或循环而流动的流体的、加热效率良好的小型流体加热装置。
背景技术
作为公知的流体加热装置1，如图1所示，有储水式热水装置，该装置通过加热器3将储存在水槽2内的规定量的水加热为预定的设定温度并保持此设定温度(例如，约40℃)。
因这种储水式热水装置的储藏量有限，所以，排出所储藏量时，供给设定温度的热水，但使用时间超过储藏量时，热水的温度逐渐变低，发生排出比设定温度低的水的现象，所以作为热水装置有限制。
即，使用所述装置时，使用时间受到限制，为了保持一定温度，需间歇地使用才能使用适当温度的热水。
而且，为了确保预定储藏量，因储藏容器的大小而装置的尺寸也需变大，为了能够随时使用，需要持续供给电力使得产生一定放热损失的储藏容器的温度保持一定，因此，需要减少不必要的电力损失，并且，因持续保持细菌、酶等易繁殖的温度而存在卫生问题。为了解决所述储水式热水装置的问题点，如图2所示，研究出利用圆筒形陶瓷加热器的瞬间加热式流体加热装置5，并使用该流体加热装置5。
所述流体加热装置5，在水(或流体)通过圆筒形陶瓷加热器6的内径面流入到加热槽7的过程中，通过加热陶瓷6的电性发热能够瞬间加热到所设定温度，所以能够经长时间排出预定温度的热水。
但是，若缩小此处所使用的圆筒形陶瓷加热器的直径，则难以精密地制造，而且由于其发热面积过于变小，因此必须保持预定尺寸以上。另外，若发热面积较宽，则其流路的截面积变大，流速变慢，导热性变差，所以存在热水装置的热效率也变差的问题。
同时，因圆筒形陶瓷加热器的尺寸，装置的小型化受到限制，并且会自然发生一定的储藏容量，因此，控制响应变慢，难以瞬间调节设定温度。
尤其，因瞬间加热式的特性，溶存于水中的氧的瞬间溶解度变低，同时发生大量很小的气泡，当流速快时，这些气泡随着水的流动从排出口排出，但是，当流速慢时，被捕集在陶瓷发热体的表面易成长为大气泡。
当所述气泡被捕集到陶瓷发热体表面而进一步成长为更大的尺寸时，受到陶瓷发热体的局部性热不均匀以及热冲击，导致破坏。
为了防止这种问题，在陶瓷加热器表面上涂布亲水性氧化物试图防止表面上的气泡成长，但是，长期使用时，由于各种堆积物会堆积在表面，所以得不到根本的解决方案。
圆型陶瓷加热体因其形状的问题，若要提高流速，则需显著缩小发热面积，若要增加发热面积，则陶瓷表面的流速变低。因此，使用所述圆筒形陶瓷加热器的方式存在根本性问题。
图3是另一种形态的流体加热装置10，提出在板状装置主体11之间设置陶瓷板状加热器12，并在所述装置主体11中形成流路13而形成热交换部的形态。
由于如上所述流体加热装置10是通过形成于规定加热面积的流路来实现热交换，因此适合进行小型化，但是为了形成流路13而形成的隔壁14与加热器12的发热面相连接从而加热面积缩小，所以传递到要加热的流体的、直接加热面积会进一步缩小。
在单个陶瓷发热平面上同时存在水的流入口与排出口的、动态热交换平衡状态会进一步加大陶瓷板状加热器的温度偏差，所以难以进行大容量化，当缩小其面积时，因流路的形成而热交换面积被减小，所以需要增加使预定流量通过的内部压力，每单元面积所要求的输出密度需要进一步增加。
与所述方式类似的还有以下形态，即，以一个板状陶瓷加热器为中心的一面通过并列形成的多个流路，从相反侧的发热面转出来，然后再通过并列形成的多个流路来进行热交换的形态。
流入到板状陶瓷加热器的一面，分成多个流路后经由发热面流入相反侧面，以铜板分成多个流路，经由相反侧发热面而流入到热水辅助槽的结构，同时，通过流入到热水辅助槽的最后发热面的水路与热水辅助槽以铜板为媒介进行热交换的结构。
发明内容
所述现有技术，难以将储水式热水装置的尺寸进行小型化，并且能够立即使用的容量受到限制，在不使用期间，也持续发生电力损失，储藏容器长期暴漏于非卫生的状态。
为了改善储水式热水装置的问题点，使用发热输出较高的陶瓷加热器的瞬间加热式热水装置虽然能够改善小型化以及反应性问题，但还是有限，陶瓷加热器因其特征上对热冲击较弱，需要能改善热不平衡的结构，但是圆筒形陶瓷加热器的情况，加热反应性有限、有气泡成长现象，由此发生热冲击破坏等问题，因此很难提高发热输出。
在瞬间加热式的另一种形态的板状陶瓷加热器的情况下，由于发热面积的损失、相对地在一个发热板上发生的温度差增加、难以去除所发生的气泡等结构，促进热不平衡，在陶瓷加热器的耐久性以及安全性上发生较多的问题。
而且，在板状陶瓷加热器的改善结构中，由于形成流路的墙壁不与发热面接触，因此虽然防止发热面的缩小，但是，由于是用一个加热器加热热水辅助槽的结构，所以，其反应速度下降很多。
除此之外，由于热交换以及流量分散用铜板，在局部区间容易发生流速的减少，且很难避免气泡被捕集到铜板与发热面之间的缝隙并成长的结构，所述气泡是因瞬间加热而溶存氧被排出所产生的，所以，陶瓷发热体具有易暴露于热冲击破损的脆弱结构。
本发明是为了解决所述问题点而提出的，提出了一种构成为在小体积中使发热体和流体之间的热交换面最大化，通过瞬间加热使流体以较快的反应速度达到预定温度，以此提高加热效率的方法。
本发明具备单个或多个陶瓷加热器，在陶瓷绝缘体内部设置有具有预定电阻的加热电极，在多个该加热器的加热面形成流体能够热交换的加热流路，该加热流路具有流体与每单位体积的加热面接触的充分的面积，所以可以增进热交换效率。
所述陶瓷加热器，由于在陶瓷绝缘体的内部设有发热电阻，可以从水等流体绝缘，同时具有可交换高输出密度的热能的两个发热面，向一个发热面水平移动的流体经由另一个发热面的流体可以保持较快的流动速度，但是由于流路的每单位体积发热面的接触面积较宽，流体可以较长时间滞留在发热面，因此发生充分的热交换。
本发明具有高输出，及时反应性的同时，不但可以小型化，而且还可以长时间连续使用，保持发热面积，将流速保持在一定程度以上，从而防止陶瓷加热器被暴露于热冲击，使得在加热流体的动态正常状态下，使陶瓷加热器以及装置保持温度均衡，并以使陶瓷加热器的表面和流体进行有效的热交换的方式进行优化，达到装置的稳定性以及耐久性的最终目的。
本发明涉及增加流体的每单位体积加热面的面积比率，以小的热容量有效进行热交换的流体加热装置，在所需时刻，能够迅速把流体加热到所设定的温度，所以对于简单地调节流体的温度的装置等非常有用。
而且，使用高效率、高输出的陶瓷加热器的同时，可提高潜在热冲击性能的热交换结构，所以，具有高信赖性，可持续使用。
因此，不需要热水储藏槽，能够进行小型化，能够防止不必要的电力损失，所以减低消费电力等存在很多优点。
附图说明
图1是示出适用现有技术的流体加热装置的第一实施例的截面图。
图2是示出适用现有技术的流体加热装置的第二实施例的截面图。
图3是示出适用现有技术的流体加热装置的第三实施例的截面图。
图4是示出适用本发明技术的流体加热装置的第一实施例的立体图。
图5是适用本发明技术的流体加热装置的沿A-A线的截面图。
图6是适用本发明技术的流体加热装置的沿B-B线的截面图。
图7是示出适用本发明技术的流体加热装置的分解状态的立体图。
图8是示出适用本发明技术的流体加热装置的第二实施例的剖切立体图。
图9是示出适用本发明技术的流体加热装置的第三实施例的剖切立体图。
图10是示出适用本发明技术的流体加热装置的第四实施例的截面图。
图11是图10所示的流体加热装置的沿C-C线的截面图。
具体实施方式
适用本发明技术的流体加热装置100中，用于施加电源于中央的终端引线101露在外部的、板状陶瓷加热器102设置在中央，欲加热的流体在所述陶瓷加热器102的上下侧向陶瓷加热器102移动，用于形成使经由陶瓷加热器102的流体排出的流体路径的隔板105与流路形成板106接合。
在所述隔板105上形成路径孔108，使得能够形成流体向水平方向移动的流体路径107，在所述陶瓷加热器102的终端引线101的相对侧和流路形成板106上形成流路109，使得流体能够向下一层流体路径107垂直方向移动。
考虑所述流体以“之”字形流动，将所述流路109不形成在同一方向上，而优选交替地形成在左右侧上。当然，所述隔板105和流路形成板106的数量可根据所要形成的流体路径来层叠成多层。
在所述上下侧中层叠在最后层的隔板105的外侧面上形成有上盖111和下盖113，其中，该上盖111具备用于供给欲加热的流体的进水孔110，该下盖113具备用于排出被加热的流体的排水孔112。
考虑所述流体加热装置100的耐久性等可以由陶瓷材料形成，但是从提高生产率或者降低成本方面考虑，将除了陶瓷加热器102之外的隔板105、流路形成板106、上盖111以及下盖113也可以由金属或非铁金属或者耐热性塑料材料形成。
本发明中，隔板105、流路形成板106、上盖111以及下盖113分别独立形成，但是，可以将除了陶瓷加热器102以外的整体形成为一体，或者将所述隔板105和流路形成板106形成为一体的形态；或者将隔板105、流路形成板106以及上盖111形成为一体的形态；或者将隔板105、流路形成板106以及下盖113形成为一体的形态等，可以以各种方式来实施。
将由与所述陶瓷加热器102邻接的隔板105和流路形成板106形成的流体路径作为通过陶瓷加热器102直接加热流体的加热流路115，流体在所述加热流路115上通过规定热交换来实现加热过程。
本发明流体加热装置100的最大特点是，截面积由隔板105的高度h和板状陶瓷加热器102的加热面的宽度w所决定，即由加热流路115的高度h和宽度w所决定，所述加热流路115的纵横比可以如下定义。
r＝w/h
相对于所述加热流路115截面积的纵横比，非常有助于施加于流体的能量在加热面(陶瓷加热器)上有效传递到单位体积的流体。如正方形或圆形，缩小纵横比时，由于每单位体积的流路截面积比率高，因此，能够以低压力通过大流量。
但是，由于热从加热面传递到加热流路中心的速度较低，而在流路截面的温度分布中，流体的温度差变大，因此，热交换效率下降。
同时，在流体加热装置100的加热面的表面发生很多气泡，在纵横比较低的加热流路的截面积，流体的温度差较高，流体以较低的速度通过加热面，所以，被捕集到加热面的气泡成长而变大的可能性也变高。
在所述加热流路115中发生的气泡是，一般溶存于水中的氧气等气体随着其流体的温度上升而其溶解度下降涌出来的气泡，当流速高时，被捕集到发热面的机会很少，当流速低时，被捕集到陶瓷加热面并其尺寸变大。
当被捕集到加热面的气体的体积变大时，加热面同时与热容量大的液体和热容量小的气体接触，所以，只接触有气体的非特定位置的加热表面的温度急剧上升，并在同一加热面上发生急剧的温度差，从而被露出于热冲击中。
相反，所述加热流路的截面积的纵横比大时(优选为w/h＞3)，每单位体积的加热面的面积增加，相对于单位流量的流速变快，其结果，在加热流路截面积中的温度分布中降低流体的温度差，进行引导使得能够有效进行热交换，同时，解除加热面的气泡吸附以及气泡成长的机会，所以防止陶瓷加热器的破坏，能够具备非常稳定的热交换结构。
例如，假设流体加热装置，其具备长度(1)为140mm(70mm×两面)，加热面的宽度为20mm，加热面的高度为1mm的加热流路，那么加热流路的纵横比是20，加热流路的总体积是2,800mm3，加热面积是2,800mm2。另外，内径为6.5mm，外径为10mm，加热流路的长度为140mm(70×(内径+外径))的圆形管陶瓷加热器被插入于内径为14mm的外壳的流体加热装置中，加热流路的总体积是7,596mm3，加热面积是3,627mm2。
具有较高纵横比的流体加热装置的面积/体积比率是1mm-1，由圆形管陶瓷加热器形成的流体加热装置是0.48mm-1，所以越提高纵横比，越可以加大每体积的加热面积。而且，加热面与流路中心间的距离为纵横比的20倍的流体加热装置是0.5mm，但由圆形管的陶瓷加热器的流体加热装置的内径面是3.25mm，外径面是2mm。
这是因为依赖于传热系数低于传导的流体内部的对流的、距离变大，所以，热交换效率变得非常低，圆形管陶瓷加热器的加热面上发生气泡的可能性变高，而且暴露于热冲击的可能性也大。
相反，本发明所提供的结构通过缩小加热面与流路中心之间的距离来提高热效率，并通过降低加热面被暴露于热冲击的可能性来能够具有较高的可靠性。
陶瓷加热器是由于在其本身为绝缘体的陶瓷材料中设置由金属成分的电阻形成的发热面，因此，可以通过传导高热量，作为高速加热单元具备非常出色的特性。
另外，由于其结构由陶瓷形成，因此这种能力可能对热冲击很脆弱。因此，需要更高的加热容量时，由于应适当限制每单位面积的放热输出，所以必须使用面积更宽的陶瓷加热器。
但是，单个陶瓷基板的面积宽时，每单位面积的发热输出的极限下降，因此，使用多个陶瓷加热器为更加有效的设计。
在此情况下，在多个陶瓷加热器102的两侧交替配置流路形成板106，在该流路形成板106之间依次插入层叠隔板105，由此，可以有效增加其发热面积。同时，使用陶瓷加热器102来代替流路形成板130时，可在相同的流路体积配置更高的发热面，因此，可以有效增加发热输出。
举例说明使用多个陶瓷加热器102的例，假设具有加热流路的流体加热装置，所述加热流路的结构如下：长度(1)为420mm(70mm×两面×3HEATER)，加热面的宽度为20mm，加热面的高度为1mm，那么加热流路的纵横比是20，加热流路的总体积是5,600(4×1,400)mm3，加热面积是8,400(6×1,400)mm2。如此构成的流体加热装置的面积/体积比率为1.5mm-1，与在前说明的由圆形管陶瓷加热器的流体加热装置的面积/体积比率0.48mm-1相比，增加了3.1倍，可知能够有效增大其加热效率。
流体加热装置100中最重要的构件是陶瓷加热器102，陶瓷加热器102是在一般的导热方法的辐射、对流、传导中，利用最快“传导”的加热性能最出色的加热器。
利用电源的电热器中，最能直接绝缘具有导电性的发热电阻，可以通过直接接触加热被加热物，因此具有良好的导热效果。
能够适用于本发明的陶瓷加热器102的制造方法有很多，并没有特别的限定，其中代表性的是通过共烧制造陶瓷加热器的方法。
在一个陶瓷生片上涂布发热电阻，并层叠另一个陶瓷生片，共烧涂布陶瓷生片而内置的发热电阻。
在此处所述的陶瓷成分一般使用在96％的Al2O3里添加少量SiO2、CaO、MgO、Na2O、K2O等，作为发热电阻所用的金属成分一般使用W、Mo等高熔点金属。
圆形管的陶瓷加热器一般也通过利用生片的共烧制造，还可以将涂布有发热电阻的生片卷绕在半烧结的陶瓷管外围通过共烧来制造。
与此类似的另一种方法是在已被烧结的一个陶瓷烧结基板上涂布、干燥、烧结金属膏作为发热电阻，并在另一个被烧结的陶瓷基板上涂布、干燥、脱脂粘合剂，由此，能够通过共烧制造类似于陶瓷加热器的陶瓷加热器。
将金属电阻夹设在两个被烧结的陶瓷基板之间，利用玻璃-陶瓷烧结粘合剂、或者玻璃粘合剂进行粘合烧结并制造时，可以使用以W、Mo等金属为主成分的金属膏作为高熔点金属，使用低熔点金属且具有低温度电阻率系数的Ag、Ag-Pd、RuO2、Pd、Pt等金属膏作为发热电阻。
一般广泛使用且价格低廉的陶瓷烧结基板主要以Al2O3作为主成分，作为耐热冲击性材料可以使用AIN烧结基板、SiC烧结基板、Si3N4烧结基板等各种陶瓷基板。
在用陶瓷制造适用本发明的流体加热装置100的构成品时，陶瓷加热器102和流路形成板106在与隔板105接触的面涂布玻璃粘接剂进行脱脂，隔板105也用玻璃粘接剂进行涂布脱脂。
另外，层叠各个构成品，以玻璃粘接剂能够溶解粘合的温度来煅烧或烧结，可以获得整体被烧结粘合的流体加热装置100。
流体加热装置100中，对于流体向装置内部流入或排出的进水孔110以及排水孔112的形象没有特别的限定，但是，可以将各种材质的螺母或管成型到孔中，并将根据本发明的流体加热装置100套在安装有管的外壳内。
本发明的流体加热装置100的特征不限于板状陶瓷加热器，也可以以具备较大的纵横比的方式适用于圆筒形陶瓷加热器160。
流路形成管162插入到与外壳161相结合的圆筒形陶瓷加热器160的内部，，从而流体流入到流路形成管162的内径面的内侧，并通过流路形成管162的外径面和圆筒形陶瓷加热器160的内径面流出，然后再经由圆筒形陶瓷加热器160的外径面被排出到外部，其中，该外壳161具备用于流入流体的进水孔110和排出流体的排水孔112。
此时，也可具备较高的纵横比，流体的流动方向相反也无关。
具备适用本发明技术的圆筒形陶瓷加热器160的加热装置100中，与加热面(圆筒形陶瓷加热器)接触的流路的宽度(w)为π×(r2+r1)，
通过流路出来时的纵横比为π×(r2+r1)÷(r2-r1)。
例如，r2为10、r1为6时，纵横比为12.6，流路截面积为201。
在圆筒形陶瓷加热器的外径面所形成的流路的截面积相同时(流速相同时)r2＝14.5、r1＝12，纵横比为33.3。
一般，在与圆筒形陶瓷加热器的外径面的比较近的地方形成有发热面，在与此处接触的面形成有非常小的流路间隙，因此，对单位体积的加热面积会增大，可以期待较高的热效率。
实施例1
并列连接加热面积7.5cm2[＝50mm×15mm]，电阻35Ω的两个板状陶瓷加热器，构成水平及垂直流路截面积0.32cm2[＝2mm(h)×16mm(w，加热面)，w/h＝8]的流体加热装置。
对该装置施加220V的电源，连续流过每分钟1～1.2L的水流量时，最初温度25℃的水持续加热到50～55℃，电力消耗为2.2kW，这样约5000小时(210日×24hr)连续进行了加热试验，没有发现陶瓷加热器损坏。
实施例2
使用电阻20Ω、内径6.5mm，外径10mm、发热长度80mm的圆筒形陶瓷加热器，在内径面插入流路形成管(外径5mm、内径4mm)形成流体加热装置。
将该装置的外壳内径设为12mm，使得内径面流路的纵横比为24且外径面的纵横比为34.5。施加220V的电源，连续流过每分钟1～1.2L的水流量。
最初温度为25℃的水持续加热到45～50℃，电力消耗为2.0kW，约3000小时(125日×24hr)连续进行了加热试验，没有发现内部陶瓷加热器损坏。
实施例3
串联连接加热面积7.5cm2[＝50mm×15mm]，电阻40Ω的四个板状陶瓷加热器，构成水平及垂直流路面积0.08cm2[＝0.5mm(h)×16mm(w，加热面)，w/h＝32]的流体加热装置。
注入水雾(mist，大约水1g/L，含有以超声波振动制造的微细水滴的空气)于该加热装置的进水孔10LPM，并在串联陶瓷加热器的终端施加220V的电源，可用150～250W的电力在排水孔发生120～200℃的水蒸汽。
比较例
构成发热电阻20Ω、内径6.5mm，外径10mm、发热长度80mm的、使用以往技术的管状陶瓷加热器的流体加热装置，并对该流体加热状体施加220V的电源，连续流过每分钟1～1.2L的水流量。
最初温度为25℃的水连续加热到44～46℃，电力消耗为1.8kW，约480小时(20日×24hr)时陶瓷加热器被损坏。
工业利用可能性
期待将所述本发明能够广泛利用于人体局部洗涤装置、家用即热式热水炉、散热器、取暖用循环水加热装置中。
而且，根据本发明不但能快速加热液体，而且通过加热能够瞬间转换成蒸汽，从而容易产生蒸汽，因此能够广泛应用于利用蒸汽的厨房用具、灭菌器、气化器等，其应用效果令人期待。

Claims (7)

1.一种流体加热装置，其特征在于，包括：
板状陶瓷加热器(102)，具备用于施加电源的终端引线(101)；
隔板(105)，具备水平移动流体路径，以使得欲加热的流体在所述陶瓷加热器(102)的上下侧向陶瓷加热器(102)方向移动，且将已被陶瓷加热器(102)加热的流体排出；
流路形成板(106)，具备流路，以使得所述水平移动流体路径上的流体向下一层流体路径垂直移动；
上盖(111)，在最上侧隔板(105)的外侧面具备用于供给要加热的流体的进水孔(110)，；
下盖(113)，最下侧隔板(105)的外侧面具备用于排出已被加热的流体的排水孔(112)。
2.一种流体加热装置，其特征在于，包括：
圆筒形陶瓷加热器(160)，其与外壳(161)结合，该外壳(161)具备用于流入流体的进水孔(110)和用于排出流体的排水孔(112)，
将流路形成管(162)插入到所述圆筒形陶瓷加热器(160)的内部，该流路形成管(162)在圆筒形陶瓷加热器(160)的内表面形成加热流路。
3.根据权利要求1或2所述的流体加热装置，其特征在于：
与所述陶瓷加热器邻接的加热流路的截面积的纵横比是，加热流路的宽度(w)为高度(h)的3倍以上。
4.根据权利要求1所述的流体加热装置，其特征在于：
所述陶瓷加热器(102)是交替层叠，以便能够增大加热容量。
5.根据权利要求1所述的流体加热装置，其特征在于：
使用陶瓷加热器(102)来代替所述流路形成板(106)，从而增加加热容量。
6.根据权利要求1或2所述的流体加热装置，其特征在于：
所述隔板(105)、流路形成板(106)、上盖(111)、下盖(113)、外壳(160)以及流路形成管(162)由选自可密封的陶瓷、塑料、金属、非铁金属中的一种以上材料形成。
7.根据权利要求1所述的流体加热装置，其特征在于：
一体形成所述隔板(105)、流路形成板(106)、上盖(111)以及下盖(113)；
或者，一体形成所述隔板(105)与流路形成板(106)；
或者，一体形成所述隔板(105)与上盖(111)；或者，一体形成所述隔板(105)与下盖(113)。
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