CN103004285B - 感应加热器型加湿器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于加热流体的感应加热器型加湿器。该加湿器包括容器，该容器具有铁磁底板。该容器被设置在非金属盖板之上，该盖板放置在无顶的铁氧体基底上。该铁氧体基底包括用于产生热量的感应线圈。该感应线圈被激励以产生涡电流，该涡电流产生热量，热量通过对流经底板传输到容器，以加热容器中的流体。

Description

感应加热器型加湿器

技术领域

本公开涉及感应加热，更具体地，涉及感应加热器型加湿器。

背景技术

这一部分的陈述仅仅是提供与本公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

感应加热（诸如，涡流加热）是指从最接近的交变磁场在导电金属中感生循环电流来对该导电材料（诸如，金属、金属化合物或金属合金）进行加热的过程。磁滞加热是感应加热的另一种形式，其是通过接近交变磁场，使强磁敏材料中的磁畴发生交变而引起的，所述磁敏材料例如铁、镍、钴及其合金以及包含它们的氧化物的化合物。当导电材料的磁化率小时，主要由涡流产生加热，并且磁通路径通常不被导电材料显著改变。当电阻性化合物的磁化率大时，主要通过磁滞加热，并且可以通过可引导大部分磁通量通过磁性材料的低磁阻路径减小杂散磁场。对于既呈现高导电性又呈现强磁化率的铁磁性材料，涡流和磁滞加热一起发生。

当适当进行时，磁滞加热方案应当具有比单独的涡流方案少的杂散磁场，这是因为流过具有高磁导率的铁磁性材料（如，铁）的磁通量将倾向于通过由磁性材料提供的低磁阻路径行进，只要其所包含的通量较好地处于该材料的饱和极限之内，使得其保持高度透磁。

感应加热器通常包括电磁体，高频交流电流(AC)通过该电磁体。感应加热器可以用于许多应用，例如成形、退火以及焊接金属。感应加热系统也已被用于加热水，以产生用于加湿的水蒸汽。然而，这样的加湿系统通常包括许多介于中间的保温层，阻止热量从加热器向水的主体或具有相对小的表面积的大块体传输。因此，这些系统可能在具有传统加热器的缺陷的情况下操作，因为它们花费更长的时间来加热其打算加热的目标，或者不能传输同样多的热量到目标，从而增大了加热成本并降低了方案的潜在效率。

发明内容

本公开总体上包括感应加热器型加湿器。根据一个方面，该加湿器包括无顶的铁氧体基底，该无顶的铁氧体基底包括外围侧壁和中央核心，其中腔体设置在外围侧壁和中央核心之间。铁氧体基底由具有过渡金属元素的氧化亚铁形成。线圈中的磁线圈缠绕中央核心以形成感应线圈，以用于产生热量。该加湿器还包括设置在铁氧体基底上面的非金属盖板。提供了用于储存流体的容器，该容器包括设置在盖板上面的铁磁底板。操作中，感应线圈被激励以在铁磁底板中产生涡流，并以铁磁底板作为涡流的目标，该涡流产生热量，其中该热量以对流方式经由底板传输到容器，以加热流体。

根据另一个方面，提供了一种感应加热器，其包括铁氧体基底，该铁氧体基底限定外围侧壁、中央核心、设置在外围侧壁和中央核心之间的腔体。铁氧体基底包括具有过渡金属元素的氧化亚铁。磁导线设置在腔体内，并且缠绕中央核心以形成感应线圈。该加热器还包括放置在铁氧体基底上面的非金属盖板。操作中，感应线圈被激励以在铁磁底板中产生涡流和交变的磁性极化，并以铁磁底板作为涡流和交变的磁性极化的目标，该涡流和交变磁性极化产生热量，其中该热量以对流方式经由盖板传输到目标。

根据另一个方面，提供了一种感应加热器，其包括铁氧体基底，该铁氧体基底由具有过渡金属元素的氧化亚铁形成。该铁氧体基底限定：底部；从底部延伸的外围侧壁；暴露的上部；中央核心；以及设置在外围侧壁和中央核心之间的腔体。磁导线设置在腔体内，并且缠绕中央核心，以形成感应线圈。操作中，感应线圈被激励以产生涡流和交变的磁性极化，该涡流和交变磁性极化产生热量，其中该热量被以对流方式经暴露的上部传输到目标。

根据另一个方面，提供了一种操作感应加热器型加湿器。该方法包括：激励设置在铁氧体基底内的感应线圈；以及将从感应线圈产生的热量引导到容器基底。该方法还包括将感应加热器型加湿器的操作温度限制到低于容器基底的铁磁居里点，以便使底板内的磁畴振荡，以产生额外的热量。

本公开进一步的方面一部分将是明显的，并且一部分将在下面指出。应当理解，本公开的各个方面可以单独实施或彼此结合地实施。还应当理解，这里的详细描述和附图，尽管指出了本公开的一些示例性形式，但其意在仅用于说明的目的，而不应被解释为限制本公开的范围。

附图说明

下面描述的附图仅用于说明的目的，而不意图以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据本发明的感应加热器型加湿器的透视图；

图2是图1中示出的铁氧体基底的分解透视图；

图3是其上设有盖板的铁氧体基底的分解透视图；

图4是根据本发明的一种形式的电路的示意图；

图5是根据本发明的替代形式的电路的示意图；

图6是根据本发明的一种形式的控制电路的示意图；以及

图7是示出磁通量路径的感应加热器型加湿器的透视图。

应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件或特征。

具体实施方式

后面的描述在本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本公开或本公开的应用或用途。

参见图1，其中图示了体现本申请的原理的感应加热器型加湿器，并且将其标示为10。加湿器10包括用于储存流体（例如，水）的容器12。容器12包括可移除的底板14，所述可移除的底板14包括铁磁性材料，例如但不限于，不锈钢(例如，430不锈钢)、铁、钴、镍、和/或它们的合金。底板14可以包括生物相容性涂层例如二氧化钛(TiO2)，并且被设置在非金属盖板16上，非金属盖板16放置在无顶的铁氧体基底18上。盖板16可以包括玻璃和/或各种聚合物（如，丙烯酸树脂（acrylic）。

铁氧体基底18包括在高频下呈现磁滞低能量损耗的材料。根据一个方面，铁氧体基底18包括烧结的粉状铁氧体。优选地，铁氧体基底18包括具有高磁导率的材料以便为磁通量提供具有最低阻抗的路径。铁氧体基底18可以包括不导电材料或具有低导电性的材料，以便使涡流充分地最小化。举例而言，铁氧体基底18应包括这样的材料，其具有可以容易地翻转方向而不消耗很多能量(磁滞损失)的磁化，并且具有高阻抗以防止在核心中产生涡流。此外，铁氧体基底18可以包括具有过渡金属（例如但不限于，铁、镍、锰、或锌）的氧化亚铁。例如，铁氧体基底18可以包括诸如锰-锌(MnZn)的铁氧体，其在大约100℃-150℃的温度、在大约20-100kHz以上的频率呈现导磁性。铁氧体基底18还可以包括诸如镍-锌(NiZn)的铁氧体。

现在参考图2和图3，铁氧体基底18包括与外围侧壁22分离开的中央核心20，在它们之间形成通道或腔体24。尽管铁氧体基底18在图中被示为圆形的，但是应当理解，铁氧体基底18可以具有任何合适的形状。铁氧体基底18还包括绝缘电磁线圈，其设置在腔体24中并缠绕中央核心20以形成用于产生热量的感应线圈26。如在图2中很好地示出，铁氧体基底18可以包括狭缝28，用于管理感应线圈26和减小在铁氧体中流通的涡流。

如图3中所示，感应线圈26的高度可以是使得其与盖板16的底表面齐平。此外，铁氧体基底18在除了面对盖板16的一侧之外的所有侧面包围感应线圈26，使得感应线圈26被充分隔离。尽管对磁导线的隔离可能是充分的，但是本领域技术人员将理解，可以用薄的保护层进一步覆盖感应线圈26以提供附加的隔离。

现在参考图4，其中示出了根据本公开一种形式的电路30。电路30操作地连接到感应线圈26(示意性地以组件M1和R1表示)，并且可操作来向其提供电流。电路30包括电源32，例如具有对交流线路的全波整流的未稳压直流电源。电源32可操作以将电力传送通过半桥整流器34，然后用一个或多个电容器(例如，C1-C4)、电感器L1和/或共模变压器M1滤波，共模变压器M1可以与电阻器R1连接。

此外，电路30包括开关电路，所述开关电路包括至少一个开关元件，例如晶体管T1和T2。晶体管T1和T2可以是金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、或本领域技术人员已知的任何其它合适的半导体开关元件。晶体管T1和T2与感应线圈26和直流电源32串联连接，并且可以由任何合适的控制电路38驱动。

根据本公开的替代形式，电路30还包括功率因数校正(PFC)电路40，如图5所示。PFC电路40包括至少一个电容器(例如，C5和C6)以及至少一个电阻器(例如，R2-R4)，其电连接到共模变压器M2。如本领域技术人员将明白的，PFC电路40可操作来在传送输入电力通过整流器34之前对其进行滤波。

现在参考图6，示出了根据本发明一个方面的控制电路38。控制电路38包括振荡器42，振荡器42经由节点N1-N3与晶体管T1和T2对接。控制电路38还包括输入44，输入44可操作来传递控制信号给引脚P1，以便给振荡器42通电和断电。在图6中，提供了光电子振荡器46以将控制信号传递给振荡器42，然而，本领域技术人员将会明白，也可以采用其它合适的组件例如开关或继电器来向引脚P1施加或去除功率。当振荡器42开启时，振荡器42驱动晶体管T1和T2，晶体管T1和T2继而发送信号以激励感应线圈26。

应当理解，上文中描述并在图4-6中示出的电路30和控制电路38仅仅是为了描述的目的，如本领域技术人员将明白的，电路30和控制电路38可以采用各种电学组件。相似地，电路30和控制电路38可以包括更多或更少的电容器、电阻器、电感器、开关元件等。此外，尽管电路30优选地由诸如图6中所示的自振荡半桥驱动器来控制，但是也可以采用本领域已知的替代控制器。

在操作中，使用整流器34将从电源32接收的交流电流转换为直流电流。当然，如果电路30包括PFC电路40，那么在将交流电流传送通过整流器34之前对其进行滤波。否则，用至少一个电容器(例如，C1-C4)、电感器L1、和/或变压器M1对直流电流进行滤波，并且最终传递给开关电路(T1和T2或RL1和RL2)，以便将其施予感应线圈26。优选地，以人类可听范围之外的频率提供电流。此外，电源32的输入电压应当被转换到对容器12的底板14调谐的频率。

一旦被激励，感应线圈26产生涡流和交变的磁性极化，继而涡流和交变的磁性极化产生热量。更具体地，当感应线圈26被激励时，磁通量主要在由铁氧体中央核心20和其上方同样透磁的铁磁底板14约束的路径中循环。通过底板14循环的通量产生热量，这是因为，与中央核心20不同，底板14包括具有高损耗特性的材料。由于底板14与容器12成一整体，尽管由涡流和磁滞产生的热量通过对流被有效地传输到容器12中的流体，但是底板14仍保持相对凉。此外，容器12的外部（包括所有周围的结构）保持凉，因为它们不导电。

尽管一些通量可能散逸，但是磁通量主要保持在铁磁性组件(例如，铁氧体基底18和底板14)内，这是因为铁氧体基底18、中央核心20以及铁磁底板14的导磁率比任何附近的材料都大得多。此外，由于铁氧体基底18包括透磁材料，因此为磁通量提供了最小阻抗的路径。如图7中很好地示出，来自感应线圈26的磁通量的路径向上流过铁氧体基底18的中心，然后向外，经铁氧体基底18的侧壁22向下返回，并向内朝向中心返回。

如本领域技术人员所理解的，通过最大化磁滞和涡流损失，确保了加湿器10的有效操作，同时也使杂散磁场最小化并保持凉的中央核心20。此外，加湿器10的操作应当被限制在容器的底板14的铁磁居里点以下的温度，以便使底板14内的磁畴也振荡，以产生额外的热量。

根据本发明的另一种形式，提供了一种操作感应加热器型加湿器10的方法。该方法包括激励设置在铁氧体基底18内的感应线圈26。如上面所讨论的，可以使用具有由高频振荡器38驱动的半桥整流器34的电路30对感应线圈26进行激励。一旦被激励，感应线圈26产生涡流和交变的磁性极化。该方法还包括将所产生的热量从感应线圈26引导到容器基底，例如铁磁底板14。最后，该方法包括将感应加热器型加湿器10的操作温度限制到低于容器基底的铁磁居里点，以使底板14内的磁畴振荡，以产生额外的热量。

如本领域技术人员将理解的，本公开提供了一种感应加热器型加湿器，其能够快速加热并传输相当大的功率给要加热的目标而不在励磁器（激励器）中产生过高的温度。通过转换电功率来加热目标(与源相对)，可以消耗较少的能量，并且可以使热损失最小化。此外，由于该加湿器采用高频感应来直接向水容器传输热量，可以消除独立的加热器和目标对象之间通常存在的很多热障。这样，本公开帮助实现了更大的效率，同时降低了总的成本。

尽管上面特别关注感应加热器型加湿器讨论了本公开，但应当理解，这里公开的教导，包括其各种形式，都不限于这样的应用，并且可以用在任何有目标需要被加热的应用中，因此感应加热器型加湿器的应用不应当被解释为对本公开的范围的限制。

当描述本公开的元件或特征和/或形式时，冠词（“一”、“一个”、“该”以及“所述”）意在表示有一个或多个所述元件或特征。术语“包括”、“包含”以及“具有”意在表示包含，并且意思是除了那些具体描述的元件或特征之外，还可以有另外的元件或特征。

本领域技术人员将认识到，可以对上面描述的示例性的形式和实现方式作出各种改变，而不脱离本公开的范围。因此，上面的描述中所包含的或者附图中所示出的所有事物应当被解释为是说明性的，而不具有限制的含义。

还应理解，这里描述的工艺或步骤不应被解释为必然要求它们以所讨论或示出的具体顺序执行。还应理解，每个工艺或步骤可以重复不止一次，并且可以采用额外的或替代的工艺或步骤，而这些仍然在本公开的范围之内。

Claims (23)

1.一种感应加热器型加湿器，包括：

铁氧体基底，限定外围侧壁、中央核心、以及设置在所述外围侧壁和所述中央核心之间的腔体，所述铁氧体基底是由具有过渡金属元素的氧化亚铁形成的；

磁导线，设置在所述腔体内，并且缠绕所述中央核心以形成感应线圈；

非金属盖板，具有底表面和顶表面，所述盖板的底表面设置在所述铁氧体基底的上面；以及

容器，用于储存流体，所述容器具有铁磁底板，所述铁磁底板设置在所述盖板的顶表面上，所述铁磁底板由具有比所述铁氧体基底高的损耗特性的材料形成；

其中所述感应线圈被选择性地激励，以产生在被所述铁氧体基底和所述铁磁底板约束的路径中的磁通量，以及交变的磁性极化，所述磁通量循环通过所述铁磁底板，由于所述铁磁底板的高的损耗特性而产生热量，所述热量被以对流方式经由所述铁磁底板传输到所述容器以加热所述流体。

2.根据权利要求1的加湿器，其中所述铁磁底板由从包括铁、钴和镍的组中选择的材料构成。

3.根据权利要求1的加湿器，其中所述铁磁底板包括生物相容性涂层。

4.根据权利要求1的加湿器，其中所述盖板选自包括聚合物和玻璃的组。

5.根据权利要求1的加湿器，其中所述氧化亚铁在大约100℃的温度和高于20kHz的频率下呈现导磁性。

6.根据权利要求1的加湿器，还包括操作地连接到所述感应线圈以提供电流从而激励所述感应线圈的电路。

7.根据权利要求6的加湿器，其中所述电路包括：

未稳压的直流电源，具有对交流线路的全波整流，利用电容器、电感器以及共模变压器之一来滤波，以及

至少一个开关半导体装置，与所述感应线圈和所述直流电源串联连接，并由高频振荡器驱动。

8.根据权利要求7的加湿器，还包括功率因数校正电路。

9.根据权利要求7的加湿器，其中所述电路包括由振荡器驱动的半桥整流器。

10.一种感应加热器，包括：

铁氧体基底，限定外围侧壁、中央核心、以及设置在所述外围侧壁和所述中央核心之间的腔体，所述铁氧体基底是由具有过渡金属元素的铁氧体氧化物形成的；

磁导线，设置在所述腔体内，并且缠绕所述中央核心以形成感应线圈；以及

非金属盖板，具有底表面和顶表面，所述盖板的底表面设置在所述铁氧体基底的上面，以及

铁磁底板，其设置在所述非金属盖板的顶表面上，所述铁磁底板由具有比所述铁氧体基底高的损耗特性的材料形成，

其中所述感应线圈被选择性地激励，以产生在被所述铁氧体基底和所述铁磁底板约束的路径中的磁通量，以及交变的磁性极化，所述磁通量循环通过所述铁磁底板，由于所述铁磁底板的高的损耗特性而产生热量，所述热量被以对流方式通过盖板传输到目标。

11.根据权利要求10的感应加热器，其中所述盖板选自包括聚合物和玻璃的组。

12.根据权利要求10的感应加热器，其中所述氧化亚铁在大约100℃的温度和高于20kHz的频率下呈现导磁性。

13.根据权利要求10的感应加热器，其中所述铁氧体基底限定圆形结构。

14.根据权利要求10的感应加热器，其中所述感应线圈与所述非金属盖板的底表面齐平。

15.根据权利要求10的感应加热器，还包括操作地连接到所述感应线圈以提供电流从而激励所述感应线圈的电路。

16.根据权利要求15的感应加热器，其中所述电路包括：

未稳压的直流电源，具有对交流线路的全波整流，利用电容器、电感器以及共模变压器之一来滤波，以及

至少一个开关半导体装置，与所述感应线圈和所述直流电源串联连接，并由高频振荡器驱动。

17.根据权利要求16的感应加热器，还包括功率因数校正电路。

18.根据权利要求16的感应加热器，其中所述电路包括由振荡器驱动的半桥整流器。

19.一种感应加热器，包括：

铁氧体基底，限定：

底部；

从所述底部延伸的外围侧壁；

暴露的上部；

中央核心；

设置在所述外围侧壁和所述中央核心之间的腔体；以及

磁导线，设置在所述腔体内，并且缠绕所述中央核心以形成感应线圈，以及

铁磁底板，其设置为邻近所述暴露的上部，并且由具有比所述铁氧体基底高的损耗特性的材料形成，

所述铁氧体基底是由具有过渡金属元素的氧化亚铁形成的，并且所述感应线圈被选择性地激励，以产生在被所述铁氧体基底和所述铁磁底板约束的路径中的磁通量，以及交变的磁性极化，所述磁通量循环通过所述铁磁底板，由于所述铁磁底板的高的损耗特性而产生热量，所述热量被以对流方式通过所述暴露的上部传输到目标。

20.根据权利要求19的感应加热器，其中所述铁氧体基底是烧结的。

21.一种操作感应加热器型加湿器的方法，包括：

激励设置在铁氧体基底内的感应线圈；

使磁通量通过所述铁氧体基底和容器底板，所述容器底板由具有比所述铁氧体基底高的损耗特性的材料形成，从而使得循环通过所述容器底板的磁通量产生热量；

将从所述感应线圈产生的热量引导到容器基底；

将感应加热器型加湿器的操作温度限制为低于所述容器底板的铁磁居里点，以使所述容器基底内的磁畴振荡。

22.根据权利要求21的方法，其中通过具有由振荡器驱动的半桥整流器的电路激励所述感应线圈。

23.根据权利要求21的方法，其中从所述感应线圈起的磁通路径向上流过所述铁氧体基底的中心，然后向外，然后经所述铁氧体基底的外围侧壁向下，然后向内流向所述铁氧体基底的中心。