CN105407768B

CN105407768B - 包括丝网加热片的流体加热器

Info

Publication number: CN105407768B
Application number: CN201480028443.XA
Authority: CN
Inventors: N.P.德卢卡
Original assignee: DELUCA OVEN TECHNOLOGIES LLC
Current assignee: DELUCA OVEN TECHNOLOGIES LLC
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2020-01-21
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: EP2967249A1; WO2014150680A1; US20160047570A1; JP6517778B2; CN105407768A; EP2967249A4; JP2016515295A; EP2967249B1; CA2906497A1

Abstract

提供了一种流体加热器，包括：导管；电路，该电路用于承载直流电流；以及丝网片，该丝网片布置于导管中，并且配置该丝网片，以接收电流，其中该丝网片具有锥形面。提供了一种流体加热器套件，包括：直流电源；以及丝网片，配置该丝网片，以布置于导管中并且接收来自直流电源的电流，其中该丝网片具有锥形面。

Description

包括丝网加热片的流体加热器

技术领域

本发明的示例性实施例涉及一种包括丝网片的流体加热器。丝网片能够包括镍铬合金丝。镍铬合金丝通常用于诸如吹风机和烤箱的家用电器并且用于嵌入式陶瓷加热器。丝具有高抗拉强度，并且能够在高达1250摄氏度的温度下工作。镍铬合金具有下面的物理特性(标准室温和压力下使用，除非另有说明)：

材料特性	值	单位
			拉伸强度	2.8×10<sup>8</sup>	Pa
弹性模量	2.2×10<sup>11</sup>	Pa
			比重	8.4	无
密度	8400	kg/m<sup>3</sup>
			熔点	1400	℃
室温下的电阻率	1.08×10<sup>-6[1]</sup>	Ω·m
			比热	450	J/kg℃
热导率	11.3	W/m/℃
			热延伸率	14×10<sup>－6</sup>	m/m/℃

发明内容

根据各种实施例，提供了一种流体加热器，包括：导管；电路，该电路用于承载直流电流；以及丝网片，该丝网片布置于导管中，并且配置该丝网片，以接收电流，其中该丝网片具有锥形面。

根据各种实施例，提供了一种流体加热器套件，包括：直流电源；以及丝网片，配置该丝网片，以布置于导管中并且接收来自直流电源的电流，其中该丝网片具有锥形面。

应当明白，上面的一般描述和下面的详细描述是示例性的并且是举例说明，且旨在进一步解释要求保护的发明。根据下面的详细描述、附图和权利要求，其他特征和方案显而易见。

附图说明

为了进一步理解本发明提供附图，附图包括在本说明书中并且作为本说明书的一部分，附图示出本发明实施例，并且与描述一起解释本发明原理。

在所有附图上，相同的参考编号表示相同的元件。应当注意，附图未必按比例。根据下面参考附图对实施例所做的详细描述，更好地理解上述以及其他目的、方案和优点，其中：

图1是示出根据网股线的中心到中心间距变化的网元的辐射面积的曲线图。

图2是示出根据股线半径和网间距变化的网元的电阻的曲线图。

图3是示出根据股线半径和网间距变化并且功耗为20KW的两面有边的125mm×250mm网元炉的上升时间的曲线图。

图4是图1和图2的合成图，指示在德卢卡元件比例接近0.11欧姆/m²的情况下，用于高速炉烹饪的区域。

图5示出根据各种实施例包括丝网的流体加热器。

图6示出根据各种实施例包括丝网加热元件的流体加热器的俯视图。

图7示出根据各种实施例包括丝网加热元件的流体加热器的仰视图。

具体实施方式

下面将参考附图更全面描述本发明，附图中示出本发明的实施例。然而，可以以许多不同方式实现本发明，并且不应当认为本发明局限于在此描述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开透彻，并且将本发明的范围全面传达给本技术领域内的技术人员。附图中，为了清楚起见，可以将层和区域的尺寸和相对尺寸放大。附图中相同的参考编号表示相同的元件。

应当明白，当指元件“连接到”另一个元件时，其能够直接连接到另一个元件，也可以存在中间元件。

当考虑到在炉中使用镍铬时，重要的是，不仅要考虑到电阻特性，而且要考虑到元件加热时的黑体辐射。

关于电阻元件的一般特性，电阻与长度和电阻率成正比，并且与导体的面积成反比。

R＝L/A·ρ＝L/A·ρ₀(α(T-T₀)+1) 等式1

其中ρ是电阻率：

ρ＝1/σ

L是导体的长度、A是其截面积、T是温度、T0是基准温度(通常是室温)、ρ0是T0时的电阻率、并且α是作为ρ0的百分比的每单位温度的电阻率的变化。在上面的表达式中，假定在温度范围内，L和A保持不变。此外，请注意，ρ0和α是取决于研究的导体的常数。对于镍铬，ρ0是20℃或者1.10×10-6和α＝0.0004时的电阻率。从上面可以看出，电阻元件半径的增大2倍将使电阻减小4倍，反之亦然。

关于电阻元件耗散的功率，其中I是电流，R是以欧姆为单位的电阻，v是元件两端的电压，根据欧姆定律，可以看出，由于v＝iR，所以：

P＝i²R

对于具有诸如电池的恒压电源的元件，通过元件的电流随着电阻变化。由上面代入R，并且使用欧姆定律，

P＝v²/R＝v²A/ρ₀L 等式2

对于诸如镍铬丝的电阻性元件，在辐射冷却整个元件时，元件中产生的热量迅速耗散。

现在，研究元件的黑体特性：假定元件具有黑体性质，斯波(Stefan-Boltzmann)等式特性化辐射时耗散的功率：

W＝σ·A·T⁴ 等式3

此外，如下由维恩定律(Wien's Law)给出发射强度最高的波长λ：

λ_max＝b/T 等式4

其中：

σ是斯波常数：5.670×10^-8W·m^-2·K^-4，以及

b是维恩位移常数：2.897×10^-3m·K

在诸如烹饪炉的应用中，对于最高效率要求的优选工作波长为2微米(2×10E-6)，基于维恩定律的元件的温度应当接近1400开氏度或者1127摄氏度。根据斯波等式，具有两个加热端的小型炉具有接近4×0.25mx0.25m或者0.25m²的工作表面积。因此，对于该炉，W应当接近20,000瓦。

对于生产安全大功率烤箱或者炉，该系统需要在不高于24伏的低电压下工作。因此，利用等式2，对于20,000W，如果该工作温度下的效率为100％，则元件具有接近0.041欧姆的电阻。根据等式1，将工作温度降低到室温(从1400到293k)代表元件的电阻接近降低约1.44倍，并且因此，要求其电阻在室温为0.0284欧姆的元件。

现在，研究元件的电阻与作为黑体的元件的特性之间的关系。

加热器的电阻与该加热器的黑体辐射面积的比值变成炉的关键设计约束，在此，称为德卢卡元件比例(De Luca Element Ratio)。在2微米波长下超过0.25平方米工作的理想食物炉具有0.1137ohms/m²(0.0284ohms/0.25m²)的德卢卡元件比例。德卢卡元件比例仅取决于测量的电阻和辐射表面积，但是独立于系统工作的电压。此外，对于丝线，丝线的长度不改变该比例。

表1列出几个公用镍铬丝规格每米的电阻以及这些元件的德卢卡元件比例。重要的是，请注意，所有这些丝线都具有远大于在1400k、24伏工作的炉要求的0.1137，并且大于0.25m²。显然，为了时限功率要求使用从端到端布置的具有电压的单个丝线不切实际。

相反，在500k的较小的0.338m²面积、在120V和1500V工作的家庭弹出式烤箱要求35.5的德卢卡元件比例。因此，横跨其布置的0.001m半径的1米镍铬丝正确工作。

表1

显然，为了实现接近0.1137的德卢卡元件比例，要求较低的电阻或者较大的表面积。

实现0.1137的德卢卡元件比例的一种方式是使用2cm半径的大元件。这样的问题与元件的内在热容有关。由表1注意到温度从室温升高到1400k需要65.4秒，并且因此，需要约0.36KWH的能量。

由使热能与比热容有关的等式求得该计算，其中根据质量的单位数量是：

ΔQ＝mcΔT

其中ΔQ是进入元件的或者从元件出来的热能(其中P×时间＝ΔQ)，m是元件的质量，c是比热容，并且ΔT是最终温度减去初始温度的温差。

因此，加热元件要求的时间特别地长并且不能实现快速烹饪时间的目标。

降低电阻的另一种方式是并联布置多个电阻器。基尔荷夫(Kirkoff)定律预测并联布置的电阻器的累积效果。

等式5

下面的表2列出利用等式5求得、为了实现0.1137的德卢卡元件比例需要并联布置的表1中的每个元件的导体的数量。显然，对于制造，在表面上均匀布置和分布这些元件非常困难并且不可能。此外，请注意，对于几秒的总烹饪时间，对于半径大于0.0002米的元件，以20kw将组合质量的元件从室温加热到1400k的要求时间太长了。

表2

总之，利用电阻性网元件，下面的发明可用于产生大功率炉。通过修改网的厚度和热辐射的表面积，设计加热元件，以考虑到要求的波长输出。加热器由容易组装到炉中并且具有低质量的单个单元网构成，从而用于非常迅速发热(在小于几秒的数量级)。

具体地说，对于在1400开氏度工作的快速响应(小于2秒)炉应用，校准丝网编织设计，以具有正确德卢卡元件比例。

根据示例性实施例，用于快速响应时间炉的网设计由股线直径为0.3mm并且股线间距为0.3mm的镍铬丝网构成，并且在24V的电压工作。

研究最佳网设计，重要的是，估计黑体辐射面积和研究的电阻随如下的变化：

1)单位面积的网的股线数量

2)网股线的半径

3)网股线材料

4)股线之间辐射遮挡的潜在量。

图1示出随网的股线数量和股线间距变化的黑体面积。有趣的是，如果使间距随着半径变化，则表面积与丝股线的半径无关。

利用上面的等式5，能够对特定丝股线半径计算网的电阻。图2示出随股线的半径和网间距变化的镍铬网元件的电阻。随着股线数量变得非常大并且电阻变得非常低，等式5中的限制变得明显，因此，室温下与金属中的电子的随机运动关联的原子效应形成最低电阻阈值。

将镍铬用作网的股线材料并且使系统以20KW工作，达到1400开氏度的工作温度的上升时间是股线半径和网间距的函数(请注意，采用2倍125mm×250mm的标准网尺寸)。图3示出在下面能够实现小于2秒的上升时间的区域(请注意，未示出大于0.5mm的丝半径，因为要求长上升时间)。

图4是图1和图2的合成图，指示能应用于高速炉烹饪、具有接近0.11欧姆/m²的德卢卡元件比例的区域。

描述了一种包括丝网片的流体加热器，其中要加热的流体在网的空隙中，即，形成丝网的丝片之间流动。流体在流动时能够被持续加热。流体能够被急剧或者立即加热。这样，能够邻近或者接近使用点或者消费点布置本流体加热器。

能够提供能够使流体的温度升高到大范围以上的各种实施例。能够提供能够使大量流体的温度升高的各种实施例。在某些实施例中，能够在类似管子的导管中串行地，即，一个接一个地布置多个流体加热器。在某些实施例中，能够在并行导管中布置多个流体加热器。

对于强度和/或者时长，能够独立控制每个丝网片或者加热元件。该实施例能够实现以高流速加热或者烹饪的优点。此外，能够最优定制每个丝网片的加热分布。能够实现定制，而无需重新配置流体加热器的硬件。

每个丝网片的长度和丝网片的长度之间的中间间隙能够提供通－断脉冲流体加热器的等同效果。这样能够允许例如当淋浴时、对浴缸注水时或者要求流体高速流动时连续处理流量。

在某些实施例中，流体的流速是均速。由于要加热的流体先前流动，所以丝网片能够加热流体。丝网片或者加热元件可以已经接通，也可以在检测到流量时接通。如果没有流体流量，则能够断开丝网加热元件。在其流动时，流体流通过丝网片的空隙并且加热。在某些实施例中，能够覆盖或者阻挡形成丝空间的丝的股线之间的间距。这样，当形成丝空间的丝的股线之间的间距被阻挡时，或者当丝网片不能渗透时，水沿着丝网片的表面流动。

在某些实施例中，在流体流过丝网元件时，能够使流体冷却。利用相邻丝网片之间的间隙能够实现冷却时间周期。在某些实施例中，丝网元件包括镍铬加热元件。

在某些实施例中，丝网加热器能够布置在导管中。在某些实施例中，能够将丝网加热器集成为或者形成为单体结构。导管能够包括工业标准的阳装配件或者阴装配件。这样，能够在管道工程中，例如，家庭管道工程中，布置加热器。

导管能够包括防漏连接套或者装配件。连接到丝网片的电导线能够通过防漏连接套从导管出来。在某些实施例中，在布置丝网加热器的导管的内表面上能够设置用于反射红外辐射的屏蔽。

导管能够包括一个或者多个温度传感器。在某些实施例中，温度传感器能够布置于丝网加热器的下游。温度传感器能够布置于丝网加热器的上游。

能够设置从温度传感器读取温度信号的控制器。例如，通过断开或者接通直流电源，控制器能够限制加热流体的温度。

导管能够包括流体流量传感器。当存在流量时，流量传感器能够起动直流电源。在某些实施例中，流量传感器将是否存在流量的信号发送到控制器。

导管能够包括指示流体流的方向的标记。

能够提供对水加热元件加电的低压直流(DC)电源。示例性低压包括6伏(V)、12V、18V、24V等。直流电源能够是高温电源。

流体加热器套件能够包括导管，该导管包括丝网片和连接到丝网片的直流电源。该套件能够包括布置于导管的外表面上的热绝缘。该套件能够包括控制器。该套件能够包括流量传感器。该套件能够包括温度传感器。

图5示出根据各种实施例包括丝网加热元件的流体加热器。流体加热器100能够包括导管150。导管150能够包括螺纹152。布置于导管150中的能够是丝网片114。

在某些实施例中，丝网片114能够具有锥形。丝网片114的一般锥面还能够包括脊或者峰和凹下或者谷，以增加锥形的表面积。例如，能够以正弦形状形成脊和凹下。能够沿着丝网片114的长度布置脊和凹下。在某些实施例中，能够沿着丝网片114的部分长度布置脊和凹下。

丝网片114的宽半径环110能够沿着流量124布置于窄半径环112的上游。在某些实施例中，能够颠倒流量的方向，即，宽环110能够布置于窄环112的下游。电导线120能够连接到宽环110。电导线122能够连接到窄环112。在某些实施例中，电导线120能够连接到直流电源128的正电极。在某些实施例中，电导线122能够连接到直流电源128的负电极。在某些实施例中，负电极能够连接到宽环110，并且负电极能够连接到窄环112。

利用例如螺钉116，丝网片114能够接近或者通过宽环110固定到导管150。利用例如螺钉116，丝网片114能够接近或者通过窄环112固定到导管500。利用本技术领域内公知的其他方式，利用例如粘合剂、铆钉、采用钎焊、采用钎接、采用焊接等，能够将丝网片114固定到导管150。

控制器129能够从温度传感器124接收信号。温度传感器124能够布置于丝网片114的下游。温度传感器124能够测量加热流体的温度。控制器129能够包括能够设定加热流体的最高温度的输入。该输入能够例如包括拨盘、操纵柄或者本技术领域内公知的任何其他输入装置。控制器129能够从温度传感器124读出温度信号，并且根据最高温度输入，控制丝网片114。在某些实施例中，当温度低于最高温度时，控制器129能够在丝网片114与电源128之间实现电连接。在某些实施例中，当温度处于或者高于最高温度时，控制器129能够断开丝网片114与电源128之间的电连接。

控制器129能够从流量传感器126接收信号。流量传感器126能够布置于丝网片114的上游。温度传感器124能够测量例如未加热的聊天的流体的流量。控制器129能够从流量传感器126读出信号，并且当感测到流量时，通过使能电连接到电源128，控制丝网片114。在某些实施例中，控制器129能够中止电源128与丝网片114之间的电连接。

本公开用于利用电阻性丝网元件构造大功率流体加热器。通过既修改网的厚度又修改热辐射的表面积，加热元件能够考虑到要求的波长输出。加热器包括组装在流体/水加热器内并且质量低，从而允许非常迅速发热的单个单元网。

丝网片能够包括互相十字交叉的水平丝和垂直丝。丝的结交点能够形成电短路。丝网不需要电绝缘。在某些实施例中，丝网包括布置于上面的电绝缘。丝网丝能够包括镍铬。

在某些实施例中，丝网能够包括亲水涂层，从而有助于热水从丝网移开。用于快速响应时间流体加热器的网设计能够包括股线直径为0.3mm、股线之间的间距为0.3mm并且在24V的电压工作的镍铬丝网。在某些实施例中，丝网能够具有例如小于1.5mm、小于1.mm、小于0.7mm、小于0.5mm、小于0.3mm、小于0.1mm等的股线直径。在某些实施例中，股线之间的间距能够具有例如小于1.5mm、小于1.mm、小于0.7mm、小于0.5mm、小于0.3mm、小于0.1mm等的长度。

丝网能够包括例如为了快速响应加热应用工作而校准的丝网织物。例如，丝网能够在1400开氏度或者以上工作。在某些实施例中，丝网能够在例如不到10秒、不到5秒、不到2秒等内获得高温。

直流电源能够在例如24V或者以下、12V或者以下、6V或者以下等工作。

丝网的长度L能够例如小于200mm、小于150mm、小于100mm、小于50mm等。

在此阐述的例子旨在说明可能实现和特定实现。能够明白，对于本技术领域内技术人员，例子主要旨在出于说明的目的。作为例子提供在此示出的图。这些图或者在此描述的操作能够存在变型，而不脱离本发明的精神。例如，在特定情况下，能够以不同的顺序执行方法步骤或者操作，还能够添加、删除或者修改操作。

Claims

1.一种流体加热器，包括：

导管；

电路，所述电路用于承载直流电流；以及

丝网片，所述丝网片布置于所述导管中，并且配置所述丝网片，以接收所述电流，其中所述丝网片具有锥形面，

其中所述丝网片包括布置于所述导管中并且在并联电路中电连接到直流电源的多个丝网片。

2.根据权利要求1所述的流体加热器，其中由具有低于24V的电势的电压源供给所述直流电流。

3.根据权利要求1所述的流体加热器，其中所述丝网片包括位于所述导管中的多个丝网片。

4.根据权利要求3所述的流体加热器，还包括：继电器，所述继电器用于循环与多个丝网片中的每个的电流连接；以及控制电路，所述控制电路用于控制所述继电器中的每个。

5.根据权利要求3所述的流体加热器，还包括：

控制电路，通过以某个占空比响应用户输入，或者响应指示流体的情况的测量参数自动地循环接通和断开，所述控制电路控制到所述多个丝网片中的每个的电流。

6.根据权利要求1所述的流体加热器，还包括电压控制电路，所述电压控制电路配置用于改变所述多个丝网片中的每个的电压。

7.根据权利要求1所述的流体加热器，其中所述锥形面包括脊和凹下。

8.根据权利要求7所述的流体加热器，其中所述脊和凹下形成正弦形状。

9.根据权利要求1所述的流体加热器，还包括：

温度传感器，所述温度传感器产生流体温度信号；以及

控制器，所述控制器读出所述流体温度信号，其中当所述流体温度信号指示温度低于要求温度时，起动所述用于承载所述直流电流的电路。

10.根据权利要求1所述的流体加热器，还包括：

流量传感器，所述流量传感器产生流体流动信号；以及

控制器，所述控制器读出所述流体流动信号，其中当所述流体温度信号指示流体流动时，起动用于承载所述直流电流的电路。

11.根据权利要求1所述的流体加热器，其中所述丝网片包括宽环，所述宽环配置为连接到直流电源的正电极。

12.根据权利要求1所述的流体加热器，其中所述丝网片包括窄环，所述窄环配置为连接到直流电源的负电极。

13.根据权利要求1所述的流体加热器，其中所述丝网片包括丝网织物，所述丝网织物包括具有小于0.5mm的直径并且丝股线之间的间距小于0.5mm的丝股线。

14.根据权利要求13所述的流体加热器，其中所述丝股线十字交叉并且在交叉点形成短路。

15.根据权利要求1所述的流体加热器，其中所述丝网片包括亲水涂层。

16.一种流体加热器套件，包括：

直流电源；以及

丝网片，所述丝网片配置为布置于导管中并且接收来自所述直流电源的电流，其中所述丝网片具有锥形面，

17.根据权利要求16所述的流体加热器套件，还包括导管，其中所述丝网片布置于所述导管中。

18.根据权利要求16所述的流体加热器套件，还包括控制器和温度传感器。

19.根据权利要求18所述的流体加热器套件，其中所述控制器和所述丝网片是单体结构。