CN1204365C - 一种加热流体的装置 - Google Patents
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Abstract
关于电气式热水器、液体加热器、蒸气发生器的申请，用加热丝6加热内部装有水或液体的液体容器1的加热壁2，采用电阻大的铁铬等金属、薄板在其能够独自保持形状的范围内做成该加热丝6；用氮化铝等作为夹在其与加热壁2之间的电绝缘体5，其热传导系数高达加热丝的3倍以上；并用铜或银做成前述加热壁，其热传系数高达加热丝的10倍以上，它们相互紧密接触进行热传导。从而，加热丝发出热量立即传递至加热壁2上，水或液体在数秒内被加热并开始流出。利用这一快捷性，通过另外安装可在数秒前打开的开关，做成几乎不流出冷水的、节能的电源回路。
Description
技术领域
本发明是关于一种加热流体的装置，尤其是在数秒内产生加热效果的电热水器、液体加热器、蒸气发生器。
技术背景
以往的电热水器或液体加热器，是将镍铬耐热合金等的加热丝卷绕在云母等绝缘板上，做成一定形状，再以云母绝缘，用它加热流过冷水的管子。云母虽是优秀的绝缘体，同时又是良好的绝热材料，因此，从该热水器或加热器中流出具有足够温度热水或液体则很慢，需2～3分钟后，加热丝达到近乎熔化的高温。
瞬时热水器，电气式的慢，因此，以往通常几乎全是燃气式的。燃气式热水器采用燃烧方式，因此，必须换气，而且装置达到高温，因此，在许多家庭或事务所均将热水器设置在建筑物的外部。从而，从热水器至龙头的管路则变长，拧开龙头至热水流出必须等待0.5～1分钟时间，其间必须流掉大量冷水，而且使用后留在长管路中的热水只能白白变成冷水。
如特开平4-278142号那样，过去也曾有使用氮化铝或碳化硅等作为加热水或液体的隔板，以提高热交换率的热交换器，不过只讲明加热丝为图1中直径2厘米的圆形断面、由镍铬耐热合金丝组成的热交换手段。但是，由于当时在这方面尚末发明新颖的技术，自然认为采用以往型的铠装式电热丝或镍铬耐热合金圆线。
铠装式电热丝防水性能好，多用于水的周围。但是，如图2E剖面所示，用薄的不锈钢管15套在镍铬耐热合金14外面，中间填充氧化镁粉末16加以绝缘，由于被热传导系数低的物质所包围，因此，热量达到热传导系数高的隔板12则非常慢。详细说明书中所写“在10分钟后的平衡状态下，热交换率好”，意思是指达到平衡点所需时间10分钟。
如图2D中镍铬耐热合金圆丝那样，索性周围什么都不用，直接与氮化铝板12接触，因此，导热更快。但是，显而易见，相互接触是由点排列成的线，因此，其余的热量是通过空气或靠热辐射传递的，因此，与图2A及B中镍铬耐热合金薄丝11发生的热量直接传递到氮化铝板12的情况相比，非常得慢。
而且，前述专利申请中功率为5.2KW，碳化硅板直径为30cm，与本发明的2KW，54cm2相比，属大型装置，为本发明的5倍。从而，前述申请即使利用碳化硅或氮化铝，也没有在数秒内开始加热的技术。
也曾有在氮化铝板上烧结导电体的观点，虽然反复进行大量的试验和失败，但是，由于与铝板相比烧结温度高达1.5倍，热膨胀率在2/3以下，形不成氧化膜，又无适宜的粘合剂、以金属化合物作导电体时不能产生足够的电流等原因，现在尚无可能成功的迹象。即使今后有成功的发明，本发明那样仅将镍铬耐热合金或铁铬迭放成层，既简单又成本低的装置将继续保持其存在的价值。
发明的公开
使用电阻大的薄型金属板在其能够独自保持形状的范围内做成加热内部装有水或液体的液体容器的加热壁的加热丝；用氮化铝等作为夹在其与加热壁之间的电绝缘体，其热传导系数高达加热丝的3倍以上；并用铜或银作为前述加热壁，其热传导系数高达加热丝的10倍以上，它们相互紧密贴合进行热传递。
以此，加热丝发出的热量立即传递至加热壁，水或液体在数秒内被加热并开始流出。利用这一快捷性，通过另外安装可在数秒前接通的开关，也可组成几乎不流出冷水的节能的电源回路。
附图说明
图1表示说明本发明的一实例的热水器，为取下隔热保护套后的侧视图。
图2A～E为表示加热丝与绝缘板、加热壁之间关系的实验例的断面图，以帮助理解本发明的原理；
图3为形态不同的加热壁及氮化铝板的剖面图。
图4、图5为其它应用实例中液体容器的侧视图。
实施发明的最佳方式
图1为本发明的一实例——短管型热水器1的侧视图，显而易见是取下隔热保护套的情况。液体容器2由壁厚1mm的铜制短管做成。其两端做成喇叭形，装上锥形螺母可与前后的管路连接。而且，液体容器的一部分做成每边为10mm的正六面柱体，作为加热壁4，在它的平面上迭放上0.6mm的氮化铝薄板5，再放置加热丝6。
加热丝6是将铁镍耐热合金金属板进行恰当的淬火，再通过回火调质处理以加强其弯曲部分，使其厚度变薄达到0.1mm，例如，如图1所示，宽度为2mm的丝以间隙0.5mm在10mm宽度内往复折弯，做成独自形的Z字形，将此形态的加热丝原样迭放在氮化铝板5上。用隔热保护套发挥紧密连接功能，例如将玻璃纤维的绝热材料套上上面，再用硅酮橡胶带缠紧，也可用密封材料来防水。
接下来，从加热丝的引线部分7通入8A的电流后，加热丝6会发热，立即被与其紧密接触的热传导系数约8倍的氮化铝板吸收，氮化铝板的热量于被热传导系数约2.5倍的加热壁中吸收。开始通电流1秒钟后，热量传递至内壁，因此，3～5秒钟后开始流出吸收该热量的热水，在离开加热壁的下游及上游处装有温度传感器10作为温度控制。不过，也可同时设置机械式冷热水混合器。
按图1的结构，输入电能为2KW，加热壁4的六面柱的面积为50cm2，也就是说，氮化铝板的电能密度为每平方厘米40W。从氮化铝板的数据看，其似乎有5倍的耐久性，其价格也高。，因此，电能密度小些更适宜。但是，根据实验，在2.5倍的电能密度一即100W/cm2下，若加热丝6有部分离开氮化铝板的话，在很短时间内就会被烧毁。这就是说，加热丝6的电流密度应相当低，考虑这一点是为了提高安全性。
如图2A～D所示，在此电流密度下进行了传热速度的实验。A是将厚度0.1mm、宽度2mm的铁铬加热丝11迭放在宽度4mm、厚度0.6mm的氮化铝薄板12之后再迭放在厚度1mm的铜板13上的剖视图。B是从A中取下铜板13后的剖视图。这两种情况下，加热丝之间的间隙做成0.1mm左右。C是将与加热丝11有相同截面面积的直径为0.5mm的圆铁铬丝14迭放在与前述B中尺寸相同的氮化铝薄板12及铜板13的情况，D为从C中取下铜板13后的情况。实际上，从叠放的丝和板的两侧，使用由2mm厚的氧化镁和硅酸组成的绝热材料的滑石，作为挤压材料使它们相互紧密接触，然后通入8A的电流1秒钟。
虽然用时间过短，测量值缺乏准确性，但是，图2A中铜板在加热丝另一侧的表面，通过1秒后达到约40°～50°，C中铜板的相同表面约上升了1°～2℃。而且，A中加热丝11温度很低，为50°～60°；然而，C中圆丝14与绝热材料接触的部分达到100°左右，稍有翘曲的部分则达到200°以上。通入电流3秒钟，其中第1秒钟后则达到上述数值的约3倍。
在B中氮化铝板12在加热丝相反一侧的表面，1秒钟后达到150°左右；在D中则为十几℃。E情况末曾做过实验，但是，从用外径4mm的铠装加热丝叠放在氮化铝薄板12上的剖面图的反映的情况看，与D的趋势大体相同，虽然不清楚使用的是铁铬丝还是镍铬耐热合金丝，但是，由于进一步被绝热材料所包围，可以说传热更慢。
由此可知，在数秒钟的短时间内薄面宽的加热丝11发出的热量会很快传递到铜板13上，比圆丝要快几十倍，加热丝11自身的热量也被吸收，使温度降低。再者，若取下铜板13，则氮化铝薄板及受热更快并达到高温，但热量聚积少，加热丝11也达到高温。
综上所述，要快速加热应采用A或B方式。但是，若按B方式长时间加热，加热丝11的温度则会升高，因回火使弯曲部分会变弱，因此，要使其维持自身形状，必须使加热丝加厚，例如达到0.5mm左右。而且，由于水的热传导系数极低，因此，由氮化铝板进行的热传导，象锅炉那样采用沸腾的方式才能提高效率，但是，这样的话，不仅造成水与加热丝的温差，而且，氮化铝板也会受到水沸腾的冲击，由于是液体，也会产生水击现象。如果采用没有粘滞性的陶瓷，则结构上必须相当牢固，由于原本材料费很贵，则成本会相当高。
与上述情况相比，在A种情况下，铜板在结构上能够承受强度，与氮化铝相比，价格为其1/50，热传导系数为其2倍，因此，氮化铝板和加热丝的尺寸在保持必要的最小限度内，同时，将铜制加热壁加以扩展，也就是说，若得传热面积扩大很多，则向水或液体的热传导会大大提高，在扩展的加热壁上也可储存热量。并且，加热丝的温度也可降低，绝热或防水则变得简便。
更加大传热面积，并非只是加大尺寸，也可如图3中加热壁17那样，在内部设有凸起或翅片18，或设有沟槽。由于此时加热壁17为圆筒形，因此，氮化铝板19与加热壁17的二次曲面相贴合。在它们的间隙中填加在硅石混有微细氮化铝粉末的、热传导系数高的粘接剂或涂布润滑脂，不仅可以提高它们的导热性，而且，粘接剂取代隔热保护套后也可起到紧密连接的功能。对外热丝呈现低温也起作用。
与上述情况相反，提高电流密度、缩小加热面积也可能象锅炉那样使水沸腾。即使这种场合，加热丝的温度也达不到B方式那样高。不过，这样的话，有时在加热壁的内壁上会因水中析出矿物质而附着有垢，使传热效果降低，因此，需要进行抛光或用柠檬酸等药品加以清除。为此，也可以象图1所示那样，采取从管路上取下即可维修的方式；但是，如图4中侧视图所示，将液体容器20做成圆筒形，与前后管路连接的连接部分21从正面两端向横向分流，即使不拆下管路也可打开容器20末端的法兰盘22或从检修口23进行维修。
虽然这样场合也可从外部加热，但是，也可以如图4中中央部位用虚线表示那样，从下侧插入短管型加热壁24。该加热壁24的一端封死，该内壁壁面与氮化铝板，加热丝紧密接触，填充玻璃丝网或氧化镁粉末等绝缘、绝热材料，加热壁的另一端在取出引线25后封死，通过法兰26安装在液体容器20上。该短管型加热壁24可以带着加热丝原样与液体容器分开，成为单独的加热丝。但是，作为使用方法，是采取放入或插入液体容器的方式，因此，这些方式也包含在本申请的权利范围之内。
液体容器不仅有短管型，还可考虑采用各种形状，也可如图5所示的长方形箱体的形态27，在进出口28与内部设有用虚线表示的Z字形流水路径29。也可以相对的平面作为加热壁，让氮化铝板、加热丝紧密贴在其上面。不过，由于本发明是在非常短的时间的急剧加热，会发生变形或疲劳，累积起来则产生错位或损坏，使寿命缩短，因此，希望液体容器采用尽可能均匀膨胀的形态。
再者，将加热丝做成Z字形状，以吸收线膨胀所放出的热量的方式好，因此希望它在更短的距离内反复折弯。并且，加热丝的材质不仅可使用铁铬合金，也可使用镍铬耐热合金或钨等耐热性强的金属。但是，如果加热丝不与氮化铝板紧密贴合的话，以镍铬耐热合金丝而言，忽然达到高温会烧毁，因此，如图1所示，在加热容器的棱线或棱角9或加热丝的引线部分7的部位，将加热丝的宽度展宽2～5倍成为宽边9，必须抑制其自身发热。但是，将很细的宽度忽然展宽，在其附近的窄边部分应力会集中，并容易折断，因此，可以象图1那样，将加热丝逐渐展宽、或渐渐变细。通过这样的努力和经过淬火处理，加热丝6即使做得很薄(达到0.1mm左右)，也能够独自保持其形状，即使没有云母等支撑也能进行加工处理或使用中经受热膨胀。
电热水器会因漏水等原因而漏电，因此，在防水规格中也包括使用隔热保护套。但是，本发明的加热丝属低温型，因此，适宜采用的材料多，故可以选择最佳的材料。例如，用玻璃丝网缠绕，再缠上硅酮橡胶带，或在间隙内用密封材料进行防水，也可使陶瓷绝热材料再缠上聚氨酯橡胶。
将加热丝与加热壁之间进行电绝缘，用热传导系数来表示导热非常优良的材料的话，在常温下温度而变化的情况大体是：氮化铝(100～200W/m.k)，相对于此，则宝石(2000W/m.k)、CBN(1300W/m/K)、碳化硅(270W/m.k)、氧化铍(250W/mk)。不过存在有氧化铍毒性大，宝石、CBN或碳化硅均坚固，难以加工等缺点；将来姑且不论，这些现在不能用于本发明的用途。
目前，除氮化铝外，在可用陶瓷中氧化铝(20)热传导系数最高，与铁铬，相同等级，即为1倍，采用它不能期待得出本发明的效果。但是，使用热传导系数为铁铬，加热丝的4～5倍的氮化铝则能充分发挥其功能，而且在这二者之间没有可用的陶瓷，因此，请求的范围包括至3倍左右，而且，加热壁不仅可用铜(370)，如果成本合算，也可采用热容量更大的银(400)。并且，即使以这些材料为主成分的陶瓷或合金也能产生同样的效果，因此，包括在本发明的范围。
本发明的加热方法不仅快，而且具有以简便方式达到低温的最大优点。从而，取代以往的加热器，不仅可用于瞬时式，也可用于贮水式，并可用于各种液体加热，保温器具。
而且，根据本发明，利用快速加热可以减少瞬时式电热水器的冷水浪费。通常拧开龙头后流出水所造成减低的水压。通过水压减低启动开关。但是，与此不同的，如当手动按安装在洗脸盆上部的开关，产生了仅加热5秒钟的回路，预先加热电热水器中的水，然后再拧开龙头时则可减少流出的冷水。该回路即使用于通常的电热水器中，例如1分钟也仅快5秒。但是，如按本发明则将5～7秒钟缩短5秒，因此，效果格外好。
此时，时间的设定，最好将等待拧开龙头的时间设定得短些，而且，不仅可以用手来拧开关，也可靠站在洗脸盆前的动作使传感器动作。并且，当打开开关后将出现过热状态时，也可预先靠温度传感器进行检测，以便不过热加热。
产业上应用的可能性
由于本发明的热水器、液体加热器、蒸气发生器加热并发出热量快，因此节省能源。在热水器中冷水的浪费也少，使用完时管路内无用的热水也少。而且，依靠于几秒钟前打开发明开关的结构，能源或水的浪费则更少。进而，浪费的时间也少。
由于加热丝或加热壁是低温，小型的，保温或防水筒便，装置也非常小型化，因此，作为移动使用也很方便，例如也可成为护理用热水装置。并且，维护方便、零部件的寿命也长。
还有，尽管与高性能无关，但是非常经济，以最少量的高价氮化铝板制作，成本也低；因是小型装置，安装在洗脸盆的下面等处的费用也低。
从上述优点看，不仅可用于瞬时式，也可广泛应用于贮水式及至经常加热式的热水器、液体加热器。
Claims (7)
1、一种加热流体的装置，其包括含有水、蒸气或液体的容器、电绝缘体、电源控制回路、加热丝和构成该容器一部分的加热壁，该电绝缘体置放在加热丝和加热壁之间，它们相互紧密接触，进行热传导，通过电源控制回路供给电能对加热丝进行加热，加热丝将热通过电绝缘体和加热壁传递给容器中的水、蒸气或液体，其特征在于：加热丝由电阻大的金属薄板构成，所述电绝缘体由热传导系数为该加热丝3倍以上的导热体构成，而且，上述加热壁是热传导系数为加热丝10倍以上的金属，它们相互紧密接触，进行热传导。
2、如权利要求1所述的一种加热流体的装置，所述电绝缘体为氮化铝或碳化硅或以它们为主成分的陶瓷的薄板。
3、如权利要求1所述的一种加热流体的装置，其特征在于所述加热壁为铜或以铜为主的成分。
4、如权利要求1所述的一种加热流体的装置，其特征在于所述加热丝为铁铬合金或镍铬耐热合金。
5、如权利要求1所述的一种加热流体的装置，其特征在于加热丝的发热部分具有一定的细度和宽度，在更短的距离内做成反复打弯的Z字形状，并且在棱线或棱角处与电绝缘体不紧密贴合的部分大幅地进行展宽。
6、如权利要求1所述的一种加热流体的装置，其特征在于其除了具有在拧开龙头放水时发挥功能的通常的开关外，电源控制回路设有靠用手按等规定动作打开的开关，通过预先打开它，即使无水流出也可在设定的数秒内向加热丝供电进行加热。
7、一种加热流体的装置，包括含有水、蒸气或液体的圆形容器、加热丝、隔热保护套、电源控制回路、构成所述容器的一部分的加热壁、具有与容器水平连通的连接部分、液体容器的内部有水或目标液体流动或滞留、从电源控制回路通入电流对安装在与加热壁相邻的加热丝进行加热，所述圆形容器的加热壁采用铜或银或以它们为主成分的合金，将与水接触面的相反一侧表面形成平缓曲面，成为容易紧密贴合的表面，加强加热丝弯曲部分，在其能够独自成形的范围内将其做薄些，并进行展宽，在加热丝和加热壁之间插入氮化铝、碳化硅或以它们为主成分的陶瓷薄板作为电绝缘体，再用隔热保护套压紧，使它们相互紧密接触。
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