CN113339996B - 一种加热效率高的电磁感应加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种加热效率高的电磁感应加热装置，包括储水箱、设在储水箱底部外侧的电磁发热体、与电磁发热体电性相连的IGBT模块、与IGBT模块接触相连的散热器以及用于控制IGBT模块的控制电路板；散热器具体包括相变材料块、导热板和冷却管，导热板和冷却管分别与相变材料块接触相连，冷却管与储水箱相连；由控制电路板根据IGBT模块的实时功率P及相变材料块设计的热容量C确定IGBT模块的最大工作时长t；在IGBT模块的实际工作时长达到最大工作时长t时，或者，IGBT模块的实际温度达到对IGBT模块预设的最高工作温度T0时，控制电路板控制IGBT模块停止工作。本发明提高了电磁感应加热装置的加热效率。

Description

一种加热效率高的电磁感应加热装置

技术领域

本发明涉及电磁感应加热技术领域，尤其是涉及一种加热效率高的电磁感应加热装置。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本申请相关的背景信息以方便本领域的技术人员能够更透彻、准确的理解本申请，其并不必然是现有技术。

电磁感应加热装置通常是通过铁芯在线圈产生的交变磁场内感应发热将水进行加热，通过采用IGBT模块作为功率控制器件，而IGBT模块流过电流较大且频繁动作，导致IGBT模块的发热量非常大。现有技术通常采用散热片甚至辅以方式对IGBT模块进行散热，确保使用过程中IGBT模块不会发生保护而无法工作。现有散热方式IGBT模块的热量尽快排出电磁感应加热装置，IGBT模块的热量并没有充分利用，导致现有的电磁感应加热装置存在热能利用率不高从而加热效率较低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种加热效率高的电磁感应加热装置，在散热器中设置相变材料块吸收IGBT模块工作产生的部分热量对冷水进行预热，提高电磁感应加热装置的加热效率。

本发明提出一种加热效率高的电磁感应加热装置，包括具有冷水进口及热水出口的储水箱、设在储水箱底部外侧的电磁发热体、与电磁发热体电性相连的IGBT模块、与IGBT模块接触相连的散热器以及用于控制IGBT模块的控制电路板；散热器具体包括相变材料块、导热板和冷却管，导热板和冷却管分别与相变材料块接触相连，冷却管的两末端分别设为进水端和出水端，进水端用于与外部水源相连，出水端与储水箱的冷水进口相连；由控制电路板根据IGBT模块的实时功率P及相变材料块设计的热容量C确定IGBT模块的最大工作时长t；在IGBT模块的实际工作时长达到所确定的最大工作时长t时，或者，在IGBT模块的实际工作时长不超过所确定的最大工作时长t时且储水箱内的水已被加热到预设的温度T3时，或者，IGBT模块的实际温度达到对IGBT模块预设的最高工作温度T0时，控制电路板控制IGBT模块停止工作。

在一个优选实施例中，控制电路板根据IGBT模块5的实时功率P及相变材料块62的热容量C确定IGBT模块的最大工作时长t包括：分别让IGBT模块在不同实时功率P工作时，测量相变材料块吸收热量达到设计的热容量C所需时间t1，确定IGBT模块在不同实时功率P时相变材料块对应的单位时间内的吸热率a；控制电路板根据IGBT模块在不同实时功率P下对应的吸热率a及工作时间，以及相变材料块的热容量C，拟合成一个计算方程，通过计算方程确定IGBT模块的最大工作时长t。

在一个优选实施例中，判断相变材料块吸收热量是否达到设计的热容量C，是通过检测IGBT模块的实际温度达到IGBT模块预设的最高工作温度T0时，就认为相变材料块吸收热量达到设计的热容量C。

在一个优选实施例中，在储水箱的热水出口还接有第二电热装置，第二电热装置用于将储水箱从热水出口流出的温度T3的水进一步加热到预设热水温度T4，T4＞T3。

在一个优选实施例中，散热器还包括散热本体，散热本体上设有容纳腔及与容纳腔相连通的避空槽，至少部分冷却管穿过避空槽设置在容纳腔内，且冷却管的进水端和出水端均外露出散热本体设置；相变材料块设置在容纳腔内并与冷却管接触连接；导热板与散热本体固定相连以将相变材料块限位在容纳腔内。

在一个优选实施例中，在相变材料块的下侧面设有与水管的外侧面相适配的凹槽，凹槽在相变材料块的下侧面的延伸方向与水管在容纳腔内的分布方向一致；至少部分水管嵌设在凹槽内。

在一个优选实施例中，水管设有一个或多个弯折部，弯折部嵌设在凹槽内。

在一个优选实施例中，在导热板与相变材料块之间设有用于使相变材料块与水管保持接触相连的限位结构。

在一个优选实施例中，限位结构包括：下凸设置在导热板下侧面的限位件，以及对应于限位件设置相变材料块表面的限位槽；当导热板装配在散热本体时，导热板的下侧面与相变材料块的上侧面贴合相连，且限位件位于限位槽内。

在一个优选实施例中，在导热板的上侧面涂覆有导热硅脂，或者，在导热板的上侧面设有导热绝缘层。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在利用电磁发热体对储水箱内的水进行加热过程中，利用散热器中相变材料块部分吸收IGBT模块工作时产生的热量，既起到了给IGBT模块散热的作用，同时又让相变材料块收储了IGBT模块产生的部分热量，相变材料块吸收的热量可以传递给冷却管内温度为T1的冷水以对冷水进行预热，将预热成温度T2的冷水加热至温度T3所需时间，小于直接将外部水源提供的温度T1的冷水加热至温度T3所需时间，通过散热器在对IGBT模块提供散热时同时对冷水进行预热，通过充分利用电热提高电磁发热体的加热效率。并且，通过控制IGBT模块的工作，在利用散热器对IGBT模块进行散热及热量吸收存储时不会影响IGBT模块的正常工作，能够确保IGBT模块工作稳定可靠。

附图说明

图1是电磁感应加热装置的立体结构示意图。

图2是电磁感应加热装置的部分结构示意图。

图3是IGBT模块装配在散热器上的结构示意。

图4是散热器的分解结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本申请为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

结合图1和图2示，本发明公开一种加热效率高的电磁感应加热装置，包括外壳1、具有冷水进口21及热水出口22的储水箱2、设在储水箱2底部外侧的电磁发热体3、与电磁发热体3电性相连的IGBT模块5、与IGBT模块5接触相连的散热器以及用于控制IGBT模块5的控制电路板。

电磁发热体3包括金属发热管、套设在金属发热管外侧面且与金属发热管之间形成加热腔的绝缘管31以及缠绕在绝缘管31的外侧面的电磁线圈32，加热腔与储水箱2相连通以通过电磁发热体3将储水箱2加热至温度T3。由控制电路板控制IGBT模块5向电磁线圈提供交变电流，交变电流流过电磁线圈32时产生交变磁场，金属发热管在交变磁场内感应发热将加热腔内的水进行加热得到温度T3的热水。

进一步结合图3和图4所示，散热器6具体包括相变材料块62、导热板63和冷却管64，导热板63和冷却管64分别与相变材料块62接触相连，冷却管64的两末端分别设为进水端641和出水端642，进水端641用于与外部水源相连，出水端642通过供水管路与储水箱2的冷水进口21相连通。

IGBT模块5与导热板63接触连接，通过导热板63将IGBT模块5工作时产生的热量传递给相变材料块62，从而让相变材料块62部分吸收IGBT模块5工作时产生的热量，既起到了给IGBT模块5散热的作用，同时又让相变材料块62收储了IGBT模块5产生的部分热量；同时，相变材料块62吸收的热量可以传递给冷却管64内温度为T1的冷水以对冷水进行预热：温度T1的冷水流经冷却管64时通过冷却管64与相变材料块62进行热交换，让温度T1（例如T1=20℃）的冷水预热成温度T2（例如T2=25℃）的冷水，预热后温度T2的冷水再提供给电磁发热体3加热至温度T3（T1<T2<T3，例如T3=99℃）。

由此可见，利用电磁发热体3对储水箱2内的水进行加热过程中，将预热成温度T2的冷水加热至温度T3所需时间，小于直接将外部水源提供的温度T1的冷水加热至温度T3所需时间，通过散热器6在对IGBT模块5提供散热时同时对冷水进行预热，通过充分利用电热提高电磁发热体3的加热效率。

通过选择相变材料的类型以及相变材料块62的大小等因素，可以确定相变材料块62的热容量C。相变材料块62对IGBT模块5提供散热时，当相变材料块62吸收的热量接近其设计的热容量C时，相变材料块62是无法再进行吸热来给IGBT模块5提供散热，而IGBT模块5在工作过程中的实际温度需要小于自我保护温度（自我保护温度一般为80-85℃）。为此，本发明做了如下改进：

由控制电路板根据IGBT模块5的实时功率P及相变材料块62的热容量C确定IGBT模块5的最大工作时长t，若IGBT模块5的工作时间达到最大工作时长t时时IGBT模块5停止工作。通过此手段可以确保在相变材料块62吸收的热量接近其设计的热容量C时IGBT模块5停止工作，从而确保IGBT模块5在工作过程中的实际温度需要不会超过对IGBT模块5预设的最高工作温度T0，其中T0小于IGBT模块5的自我保护温度（例如，自我保护温度为80℃，而T0为75℃），以确保IGBT模块5不会发生自保护导致无法正常工作。

由于IGBT模块5的实时功率P大小与其单位时间内的发热量或实际温度高度成正比：当IGBT模块5的实时功率P较高时，IGBT模块5与导热块63之间的温差较大导致相变材料块62吸收热量达到设计热容量C所需时间（即IGBT模块5的最大工作时长t）较短，因此，IGBT模块5的最大工作时长t与热容量C成正比且与IGBT模块5的实时功率P成反比。

控制电路板根据IGBT模块5的实时功率P及相变材料块62的热容量C确定IGBT模块5的最大工作时长t的方式如下：分别让IGBT模块5在不同实时功率P工作时，测量相变材料块62吸收热量达到设计的热容量C所需时间t1，确定IGBT模块5在不同实时功率P时相变材料块62对应的单位时间内的吸热率a；控制电路板根据IGBT模块5在不同实时功率P下对应的吸热率a及工作时间，与相变材料块62的热容量C拟合成一个计算方程，通过计算方程确定IGBT模块5的最大工作时长t，即热容量C=IGBT模块5在不同实时功率P下的工作时长乘以相应的吸热率a，不同实时功率P下的工作时长之和就是IGBT模块5的最大工作时长t。

其中，测量过程中，判断相变材料块62吸收热量是否达到设计的热容量C，是通过检测IGBT模块5的实际温度达到IGBT模块5预设的最高工作温度T0时，认为相变材料块62吸收热量达到设计的热容量C。具体拉说，在IGBT模块5上设置一个与控制电路板电性连接的第一温度传感器来检测IGBT模块5的实际温度即可。

另外，由于电磁发热体3在工作时，即IGBT模块5工作发热时并不一定需要给储水箱2供水，故在IGBT模块5工作时散热器6的冷却管64内不一定有冷水流过。因此，在相变材料块62吸收热量达到设计的热容量C后，仅当有冷水流过冷却管64时才能将相变材料块62吸收的部分热量带走，IGBT模块5才能开始下一次的加热工作。为此，控制电路板可以直接通过IGBT模块5的实际温度是否达到预设的最高工作温度T0来作为控制IGBT模块5工作的依据之一，以简化对IGBT模块5的控制。这是因为：即使相变材料块62吸收热量达到设计的热容量C后无冷水流过冷却管64时，若再次启动IGBT模块5，其实际温度立马飙升至最高工作温度T0就停止工作了，从而客观上起到了对IGBT模块5的工作控制保护。

因此，本发明在IGBT模块5的实际工作时长达到所确定的最大工作时长t时，或者，在IGBT模块5的实际工作时长不超过所确定的最大工作时长t时且储水箱2内的水已被加热到温度T3（一般需要在储水箱2设置与控制电路板相连的第二温度传感器来检测储水箱2内水的实际温度）时，或者，IGBT模块5的实际温度达到对IGBT模块5预设的最高工作温度T0时，控制电路板控制IGBT模块5停止工作，从而确保IGBT模块5不会发生过热损坏或自我保护导致无法继续正常工作。

尤其结合图4所示，散热器6还包括散热本体61，散热本体61上设有容纳腔611及与容纳腔611相连通的避空槽612，至少部分冷却管64穿过避空槽612设置在容纳腔611内，且冷却管64的进水端641和出水端642均外露出散热本体61设置；相变材料块62设置在容纳腔611内并与冷却管64接触连接；导热板63与散热本体61固定相连以将相变材料块62限位在容纳腔611内，确保相变材料块62在容纳腔611内能够保持与冷却管64接触相连。

在相变材料块62的下侧面设有与冷却管64的外侧面相适配的凹槽621，凹槽621在相变材料块62的下侧面的延伸方向与冷却管64的分布方向一致；至少部分冷却管64位于凹槽621内，通过凹槽621提高相变材料块62与冷却管64之间的接触面积，进而有利于提高相变材料块62的热量传递给冷却管64。

冷却管64设有一个或多个弯折部640，弯折部640设置在凹槽621内。通过设置弯折部640能够进一步提高相变材料块62与冷却管64之间的接触面积，达到进一步改善相变材料块62的热量传递给冷却管64的能力。

在导热板63与相变材料块62之间设有用于使相变材料块62与冷却管64保持接触相连的限位结构。在一个实施例中，限位结构包括：下凸设置在导热板63下侧面的限位件631，以及对应于限位件631设置相变材料块62表面的限位槽622；当导热板63装配在散热本体61时，导热板63的下侧面与相变材料块62的上侧面贴合相连，且限位件631位于限位槽622内，利用限位件631与限位槽622配合，确保导热板63、相变材料块62和冷却管64能够形成一个快速导热的整体，提高相变散热装置的热传导能力，确保相变散热装置的工作可靠性。

装配时，先将冷却管64从避空槽612放入容纳腔611内，然后将相变材料块62放入容纳腔611内，并让冷却管64嵌入相变材料块62下侧面的凹槽621内，然后将导热板63装配在散热本体61上，就形成了相变散热装置。其中，导热板63装配在散热本体61的方式有多种。例如，在导热板63上设有多个第一装配孔632，在散热本体61上对应设有多个第二装配孔623，在散热本体61上对应设有多个第三装配孔613，利用装配件（例如螺钉）依次穿过第一装配孔632、第二装配孔623和第三装配孔613将三者装配固定于一个整体。

IGBT模块5贴设导热板63上，IGBT模块5产生的热量通过导热板63传递给相变材料块62进行热量吸收，从而起到给IGBT模块5降温的散热作用。

另外，为了进一步提高IGBT模块5与导热板63之间的导热性能，在导热板63的表面导热涂覆导热硅脂以增加对IGBT模块的热传导能力。

在一个实施例中，在IGBT模块5与导热板63之间设有导热绝缘层（例如为绝缘导热硅脂片），利用导热绝缘层不仅确保IGBT模块5与导热板63之间具有良好的导热能力，还能将IGBT模块5与导热板63之间进行电气隔离，避免IGBT模块5漏电带来的使用安全隐患。

由此可见，本发明是将IGBT模块5工作过程中产生的热量通过导热板63传递给相变材料块62进行热量吸收，从而起到给IGBT模块5降温的散热作用，确保IGBT模块5的工作在安全温度范围内以能够保持稳定可靠的工作。同时，相变材料块62吸收的热量传递给冷却管64，当水源的冷水从冷却管64流向电磁发热体的过程中，冷水与冷却管64进行热交换，利用相变材料块62吸收的热量给冷却管64内的冷水进行预热，经过预热后的冷水再通过管路送至电磁发热体的冷水进口以提供给电磁发热体进行加热，从而加热速度快且能量转换效率高。

再次结合图1和图2所示。由于需要对IGBT模块5工作产生的热量通过相变材料块62进行热量吸收来给冷水预热，导致IGBT模块5的实际工作时长不超过所确定的最大工作时长t，而在最大工作时长t内利用电磁发热体3对储水箱2内的水实际能够达到加热温度T3并不一定满足实际的热水使用要求，为此，在一个实施例中，在储水箱2的热水出口22还接有第二电热装置4，第二电热装置4可以是现有任何其中一种形式的电热结构，利用第二电热装置4将储水箱2从热水出口22流出的温度T3的水进一步加热到预设热水温度T4（T4＞T3，例如，预设热水温度T4为沸水温度）。由于第二电热装置4是将储水箱2的温度T3的水进一步加热到预设热水温度T4，从而加热迅速，加热速度快，让本发明的电磁感应加热装置实质性成为一个速热热水器，能够给用户快速提供预设热水温度T4的热水。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种加热效率高的电磁感应加热装置，包括具有冷水进口及热水出口的储水箱、设在储水箱底部外侧的电磁发热体、与电磁发热体电性相连的IGBT模块、与IGBT模块接触相连的散热器以及用于控制IGBT模块的控制电路板；

其特征在于，散热器具体包括相变材料块、导热板和冷却管，导热板和冷却管分别与相变材料块接触相连，冷却管的两末端分别设为进水端和出水端，进水端用于与外部水源相连，出水端与储水箱的冷水进口相连；

由控制电路板根据IGBT模块的实时功率P及相变材料块设计的热容量C确定IGBT模块的最大工作时长t；

在IGBT模块的实际工作时长达到所确定的最大工作时长t时，或者，在IGBT模块的实际工作时长不超过所确定的最大工作时长t时且储水箱内的水已被加热到预设的温度T3时，或者，IGBT模块的实际温度达到对IGBT模块预设的最高工作温度T0时，控制电路板控制IGBT模块停止工作；

其中，确定IGBT模块的最大工作时长t包括：分别让IGBT模块在不同实时功率P工作时，测量相变材料块吸收热量达到设计的热容量C所需时间t1，确定IGBT模块在不同实时功率P时相变材料块对应的单位时间内的吸热率a；控制电路板根据IGBT模块在不同实时功率P下对应的吸热率a及工作时间，以及相变材料块的热容量C，根据热容量C等于IGBT模块在不同实时功率P下的工作时长乘以相应的吸热率a来拟合成一个计算方程，通过计算方程确定不同实时功率P下的工作时长之和作为IGBT模块的最大工作时长t。

2.根据权利要求1所述加热效率高的电磁感应加热装置，其特征在于，判断相变材料块吸收热量是否达到设计的热容量C，是通过检测IGBT模块的实际温度达到IGBT模块预设的最高工作温度T0时，就认为相变材料块吸收热量达到设计的热容量C。

3.根据权利要求1所述加热效率高的电磁感应加热装置，其特征在于，在储水箱的热水出口还接有第二电热装置，第二电热装置用于将储水箱从热水出口流出的温度T3的水进一步加热到预设热水温度T4，T4＞T3。

4.根据权利要求1-3任何一项所述加热效率高的电磁感应加热装置，其特征在于，散热器还包括散热本体，散热本体上设有容纳腔及与容纳腔相连通的避空槽，至少部分冷却管穿过避空槽设置在容纳腔内，且冷却管的进水端和出水端均外露出散热本体设置；相变材料块设置在容纳腔内并与冷却管接触连接；导热板与散热本体固定相连以将相变材料块限位在容纳腔内。

5.根据权利要求4所述加热效率高的电磁感应加热装置，其特征在于，在相变材料块的下侧面设有与水管的外侧面相适配的凹槽，凹槽在相变材料块的下侧面的延伸方向与水管在容纳腔内的分布方向一致；至少部分水管嵌设在凹槽内。

6.根据权利要求5所述加热效率高的电磁感应加热装置，其特征在于，水管设有一个或多个弯折部，弯折部嵌设在凹槽内。

7.根据权利要求4所述加热效率高的电磁感应加热装置，其特征在于，在导热板与相变材料块之间设有用于使相变材料块与水管保持接触相连的限位结构。

8.根据权利要求7所述加热效率高的电磁感应加热装置，其特征在于，限位结构包括：下凸设置在导热板下侧面的限位件，以及对应于限位件设置相变材料块表面的限位槽；当导热板装配在散热本体时，导热板的下侧面与相变材料块的上侧面贴合相连，且限位件位于限位槽内。

9.根据权利要求4所述加热效率高的电磁感应加热装置，其特征在于，在导热板的上侧面涂覆有导热硅脂，或者，在导热板的上侧面设有导热绝缘层。

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