CN1232781C - 特别用于生活用水锅炉的管状加热元件 - Google Patents

Abstract

本发明要说明的是一种将水加热的元件，它可用于锅炉和一般的电气用具。使用印刷技术如丝网印刷印制的印刷电阻器(4、4.1)被敷设在一段用来发放热水的管路(3)上，所说这两个元件构成管状的加热元件(1)的主要部分并可具有不同的形状和大小，还可引入热水装置所需的其他设施。

Description

特别用于生活用水锅炉的管状加热元件

技术领域

本发明涉及一种管状加热元件，特别可供生活用水锅炉使用。

背景技术

目前在上述锅炉中使用的加热器件一般为所谓“铠装电阻器”。它们由沉浸在化学上惰性的电绝缘粉末中的电阻丝构成，然后被压入到一个气密密封的金属管内。

每单位表面可分配的最佳热力(一般被称为“热负荷”)通常约为8.5W/cm²对锅炉电阻器。

要改变电阻器上的热负荷实际上是不可能的。为了使热力主要分配在所需区域，必需弯曲电阻器本身使它成环状或螺旋状。

就使用这些电阻器的存储设备而言，重要的是要将不同型式的设备区分开来，即电存储加热器(electrical storage heaters)、所谓“沉浸式”(under-the-sink)电存储加热器，快速作用的存储电锅炉(fast-actingstorage electric boilers)。

电存储加热器的特征一般为，在突缘上装有一个或多个电阻器，有一含有一个或多个传感器的恒温器套，还可能有一个镁的阳极保护或阴极保护电极的抗腐蚀器件。极短的进水管正好穿透水罐，将冷水送到所说罐的底部，而输出管延伸通过整个罐，以便从最高部汲取热水。

这种型式锅炉的最小安装功率约为1200/1500W。

所谓“沉浸式”电存储加热器为位于沉浸单元内的小型锅炉。为了使放水单元容易连结，这种锅炉安装时往往上侧向下，使冷水进入到下部内，而热水从上部汲取，该管一般作为进水管，然后被连接到出水管上，反过来也可以。

快速作用电锅炉在构造上与存储加热器相似，只是有一较小的罐以便适合所要满足的功能，它们装有较高的功率，并且为了安全起见，常属于所谓“可自由排放”的那一种，即容纳在罐内的水系处在室内压力下。

上述铠装电阻器具有不少缺点，首先是生产过程复杂。

这种公知电阻器另一个缺点是，热功率用环状或螺旋状电阻器来分布，所有各种形式都需要费钱的特殊设备。

还有另外一些缺点是由于下列各种情况造成的：在电阻器端头存在中性区，以致在那里没有热发出；在该电阻器上有沉积氧化钙水垢的倾向，造成过热，以致在该区域内的水会沸腾(发出噪声)，电阻器会破裂；以及需要有大的开口以便将苯重形式的环状或螺旋状电阻器插置到锅炉内。

归根到底，现有电存储加热器的一些缺点是由于需要有下列各项而造成的：一个突缘作为密封元件、一个支承用来支承一个或多个电阻器、一个套用于一个或多个恒温器探头、以及可能地，一个镁的阳极阴极保护系统的电极。

这种锅炉还有一个缺点是水必须至少被存储在使用温度，但一般这个温度要比快速作用锅炉的温度高得多，甚至比瞬时锅炉还要高，而安装功率较低，热损失较大，并且氧化钙水垢沉积会形成得更快，这两者都会影响腐蚀。

另一个缺点是不可能不用一个形状复杂的电阻器来将数量相当大的热功率集中在罐的下部，为的是保证较均匀的温度、较少的热损失，从而使平均温度保持不变。

还有另一个缺点是采用铠装电阻器当将水从装置内汲出时不可能将水最后一次加热。

就快速作用的电锅炉或目前的瞬时锅炉而言，其最重要的缺点是由于需要采用比存储加热器所用电阻器还要大的电阻器，因此需要较大的突缘。

在提出本发明的目的及说明较优的实施例和某些可能的变型之前，值得将电阻器制造技术的基本特征提示一下。该技术虽然是一个已知的技术，但还很少被使用。

所说电阻器由金属支承基体构成，一般为AISI(美国钢铁学会)430号钢，能够扩散发出的热能并且即使发生热膨胀，仍能保证叠置层的粘合。

在这个金属支承基体上逐步加上下列各项：

-一层或多层介电材料；

-一个印刷电路，它是通过一种合适的印刷工艺如丝网印刷、敷设一种特殊的电阻膏而产生的；

-另外一层或多层介电材料。

今后“印刷电阻器”一词将被用来指示由实际印刷电路及在其下和其上的介电材料构成的整个单元，不管这个印刷电路是用丝网印刷工艺或任何其他电路印刷工艺制出的。

用印刷电阻器可能得到的热负荷显然取决于热消失能力，相对于那些在区域内使用的热负荷，要产生较低的热负荷，虽然费用没有特别增加，但热负荷可能仍旧很高(至少为18-20W/cm²)。与加热液体一样，印刷电阻器还能在干燥状态下发挥其功能，因为它们能在空气中经受高达700℃的高温(在电路终端的焊接点上为250℃)。

以后的各层还可被放置在弯曲的表面上。

馈电电缆在电路上被连接到印刷电阻电路上，连接时在两个点上进行焊接，这两个点是有意不被第二组介电材料层覆盖的。

本发明公开的内容

本发明的第一目的为在一将水加热的装置如电锅炉，当需要提供电阻设施来将水加热，并可能提供校核水温的设施，或可能提供防止腐蚀的电化设施时，减少实现上述这些设施所需的构件。

第二目的为简化一个或多个上述这些加热、温度校核和腐蚀防止设施的构造。

第三目的为简化一个或多个上述这些设施在将水加热的装置上的安装。

第四目的为限制在上述加热设施上形成的氧化钙水垢的沉积。

第五目的为希望从一个或多个上述设施上消除支承突缘。

再一个目的为希望上述加热设施发出的热能更好地分布。

又一个目的为，对于存储加热器，使它在热水被放出时能够使用加热存储水的同一个加热设施将水充分加热。

还有一个最终目的为减少制造费用。

由于我们一开始便使用公知的技术将印刷电阻器应用到金属支承上，所以上述这些目的都能达到。

实际上，本发明的课题是为生活用的热水器具研发一种加热元件，该加热元件由设计用来流通水(至少为生活用)的管状元件构成，在其外表面及/或内表面上敷设一个或多个按上面确定的方法印刷的电阻器。

图1为按照本发明在一热水存储罐内应用的加热元件的较优实施例的剖面图；

图2为上图中加热元件的总视图；

图3为上图中所示同一元件沿主轴线的剖面图；

图4为一般的加热元件在与主轴线成直角的方向上的剖面图；

图5为图2和3所示本发明的一种可能变型的略图，图中示出水在加热阶段和汲取阶段在加热元件内的流动；

图6为图2所示本发明的另一可能变型的略图；

图7极其概略地示出一个快速作用的存储锅炉，该锅炉使用按照本发明一个变型的加热元件。

下面说明按照本发明的加热元件的一个较优实施例，该加热元件可极其有效地用于存储在加热器内。

参阅图1，其中示出一个按照本发明的设在存储加热器罐2内的加热元件1。在这个作为例子的情况下，加热元件1为从罐2出来的热水输出管。如图1到3所示，加热元件1由下列各项构成：一段管路3，该管路由任何一种适合使用印刷电阻器工艺并承受所受到的化学、物理和机械应力的材料如AISI430号钢制成；一个印刷电阻器4；和一个管接头5。为了清晰起见，只是印刷电阻器4的实际印刷电路部分示出，虽然在实际上它们都被在上面和下面的介电材料层所覆盖，正如前面所说，这些介电材料层连同上面所说的印刷电路，一起构成了印刷电阻器。图上还示出在管路3的下部和上部制出的孔10和11。

管接头5用适当的连接设施6和7如带螺纹的衬套配装，以资将所说管接头5分别固定到罐2(用焊接在罐2上的环螺帽8)和热水分布系统(未示出)上。管接头5还配装有合适的连接器9以资将电力供应给印刷电阻器4，所说连接器9在电路上被连接到印刷电阻器4上，并以图上未示出的公知的方法与其余元件在电路上绝缘。

在图3中，除了已经指明的元件以外，还有一些孔11b被指出，它们在管路3的上部、靠近其进口3a处。

在图4中，从加热元件1内侧到外侧，先是一个可能有的材料层14如聚丙烯，在该层上氧化钙水垢不易沉积；接着是管路3，在其上随后敷设印刷电阻器4，所说印刷电阻器4由下列各项构成：一个或多个锚固在管路3基体上的介电材料层；实际的电阻印刷电路；和一个或多个外部介电材料层。最后示出的是一个可能有的防护套15设计用来保护印刷电阻器以防被磨损。

图5为图3所示本发明的一个可能的变型。在图5中用箭头示出在存储加热器的两个功能模式中水流将会采取的循环方向。更精确点说，左边是在使用加热元件1的加热阶段中由对流运动引发的循环，而右边是在热水被汲出的阶段中水流的方向。配装有朝向内侧的折射片的孔10a和11b分别构成孔10和11的变型。

图6示出图5的一个可能的变型，其中孔10b和11b是在管路3的扩大区段13的位置上被制出。

图7示出一个小罐2.1，装在其上的元件都曾在以前的图中示出过，箭头指出进入和输出的水流方向；虽然没有在图中示出，但罐2.1也和以前图中的管路3一样，至少其整个圆筒形部分能够构成一个与印刷电阻器4完全相同的印刷电阻器4.1的支承基体。其他一些指出的元件与以前图中示出的元件相同或相当。因此所示快速作用锅炉配装有至少两个印刷电阻器，即上面提到的印刷电阻器4.1和以热水输出的管路3为基体的印刷电阻器4。

下面详细说明按照本发明的加热元件的特征。

首先，虽然将电力供应给电阻器4使存储在储罐2内的水加热的方式与已在使用的铠装电阻器相似，但本发明有其特殊的属性和优点，现予以说明。

图中一般地画出印刷电阻器4，不管它是由回纹或螺旋线卷绕在管路3上构成的都一样。实际上它可以是自身不相交的任何路线，这个路线甚至可以是不规则的以便最合适地沿着加热元件的长度使热负荷变化。例如在一对连接器9上可以用节距恒定的双螺旋线来开始和终止，或者用节距变化的双螺旋线。

可以有数个相邻的印刷电阻器4印刷在同一绝缘层上，每一个所说电阻器以各自的一对连接器9为终端，目的是通过插置一个或多个所说印刷电阻器4使发出的热力有可能调节。也可以有数个叠置的印刷电阻器相互间用同样多的绝缘层绝缘，每一个所说电阻器以各自的一对连接器9为终端。

这种特征使我们有可能将印刷电阻器产生的热力集中分布在最有用的区域内：对于存储加热器，这个区域一般为下部。另外，如果需要有数个印刷电阻器4而不希望显著增加总体尺寸也可用上述方法使所说数个印刷电阻器4的路线相邻或叠置，只要在各路线之间设有绝缘材料层即可。

本发明的一个重要方面为，使用同一工艺在印刷印刷电阻器的同时能够制出印刷电路，将各种电工的或电子的构件在电路上连接到罐的外部。这些所说构件能有效地沿着加热元件安装，所说加热元件可作为所说构件的支承。所说构件在沿着加热元件最合适的位置上用公知的方法焊接到印刷电路的一端上，并在电路上与周围环境绝缘；所说电路的另一端终止在管接头位置的合适的电连接器上。所说构件例如可以是：要被连接到相应电子恒温器上的温度传感器(如NTC即负温度系数的)；双金属片型的单极安全恒温器或具有熔断丝的或属于另一种尺寸极小的安全恒温器，在后一种情况下可直接串联焊接到要被监控的电阻器上。最后，这些构件可以是阴极抗腐蚀保护器件。

温度传感器也可由印刷的电阻轨迹构成，其电阻水平充分取决于要被测量的温度。为此目的，印刷传感器的路径可由足够长的轨迹构成以增加总电阻使成为温度变化函数的电阻器的测量容易进行。

现在说明按照本发明的加热元件1的某些细节和构造变型。

当存储加热器罐2内的水处在加热阶段时，有必要促使水在管路3内循环以资防止水在管路3内变得停滞并增温，以致氧化钙水垢极其迅速地形成沉积，而且在该区域内的水还会沸腾。如果在该时刻汲取水，那么后一现象就会使用户被烫着。这时如图1和3所示，可以在管路3的下部制出孔10。如图5和6所示，这样在加热阶段在管路3内便可进行连续的自然循环。当热水被汲取时，这个孔也是有用的，它可防止冷水涡流从锅炉下部通过所说孔。曾经被指出，在本发明的最普通的用途中，由4mm直径构成的一个或多个孔10就足够保证再循环而且当水从罐内被汲取时不会有冷水涡流。还可能设计其他合适的改进：例如在图5中孔10a配装有合适的折射片，在图6中孔10b设在断面适当扩大部分13的位置上，由于文丘里效应造成局部压力增加，可阻止冷水进入。另外，加热元件1可被制造得足够宽使在其内有充分主动的自然流动，这样就可不需要孔10。在其他实施例中，与此相反，水以足够高的速率或足够频繁地从罐内被汲取从而确保经常的冲洗而可防止或移去氧化钙水垢的沉积。为此目的，有效的做法如图4所示，可在管路3内敷设一层不粘氧化钙水垢的材料14如聚丙烯。

在罐2内所含水的加热阶段，当水通过自然循环在管路3内升起时最好不完全在端头3a排出，因为在该处常有空气泡能阻碍循环的进行。为此理由，水可仍旧通过图1中的孔11或图3中的孔11b离开。

在某些用途中，值得在构成印刷电阻器4的绝缘材料最外层加上外部的抗磨护套。这可像图4所示那样，有一个由合适材料制成的防护套15，但也可以有效地使所说防护套15由能用作阴极保护电极的材料制成，如同本申请人在同时立案的另一个专利申请中所充分说明的那样。或者所说防护套可由牺牲金属的管状元件构成以资保护设备不使腐蚀(一般为镁电极)。采用任何公知的方法或早先说明的方法，所说电极或阳极便可在电路上合适地连接到要被防护的金属罐上。

参阅图1，加热元件1可灵活操作，这在公知的铠装电阻器是不可能的。为了有一高储备量，锅炉一般将水保持在70-75℃，而使用温度一般为40℃。如果只需少量的水并且用户希望限制热损失，那么存储温度可下降到使用温度，但不能再低。采用加热元件1时可将水保持在比使用温度略低的温度，而在汲取阶段可启用印刷电阻器再次将水加热。为此目的，在存储阶段，所说电阻器4需用恒温器操作，而在水的吸取阶段则由流量传感器单元如压力转换器或流量转换器操作。

图1示出的按照本发明的加热元件1为一用来从存储加热器中吸取热水的管，但也可采取输入管的形式如在“沉浸式”锅炉中的情况或者兼作合适地在罐内延伸的进水管和能够较好地将热力分布在最合适区域的输出管。

而图7示出一个快速作用锅炉配装有至少两个在实体上互相分开的印刷电阻器。第一个所说电阻器4.1由罐2.1支承，能用一合适的恒温器调节将存储水保持在一个确定的温度。第二个所说电阻器4由输出管3支承，用一合适的流量传感器如压力转换器或流量转换器调节，可在汲取阶段将水加热。

自然，在图7中，构成输出管的单个加热元件1也能完成两个功能，即在存储阶段完成预热功能，而在汲取阶段完成最终加热功能，只要所说加热元件具有如图所示的孔11即可。

如果需要，印刷电阻器4或4.1可被敷设在加热元件1的内表面内，加热元件1也可具有不同形状的横断面(即不是圆形)或者被弯曲或凸起，当然这个形状应在公知的电阻器印刷工艺允许的限度内。

加热元件1的第一个优点为，在存储加热器内，突缘可被省掉，只是因为具有下列各项：一个固定加热元件用的带螺纹的环螺帽，一个插入恒温传感器及/或阴极抗腐蚀的保护电极用的焊接的或带螺纹的套，及/或一个插入镁阳极或电极用的带螺纹的环螺帽。但曾被证明，加热元件1也能支承所有在一起的传感器单元、安全恒温器、和抗腐蚀的保护电极或牺牲阳极。因此在某些变型内，有可能消除的不仅是突缘，而且还有罐2内的其他孔，只是按照本发明的加热元件所需的孔除外。

在存储加热器内，本发明还可显著地减少热损失和罐2内氧化钙水垢的形成。

作为例子，考虑一个功率为1500W的存储加热器。

一个淋浴喷头需要0.07公升/秒的流量。在这流量上如果在汲取阶段启用电阻器，那么在实际上，所说电阻器产生的热只是供给流动通过该元件的水，因为在那里热交换要比在水不流动的外侧激烈得多。结果被汲取水的温度约可增加到5℃；如果所需使用温度为40℃，那么可以先将水保持在35℃。

如果室温为20℃，那么造成的热损失为25％(热位差：35-20＝15℃，而不是40-20＝20℃)。

当水被保持在较低温度时，氧化钙水垢较少形成沉积。

这个优点对那些具有较高功率水平的如图7所示的快速作用的锅炉更为显著。

一般地说，按照本发明的加热元件使我们有可能制出快速作用的存储加热器，其时同一个加热元件能将存储水预热到低于使用温度的存储温度，然后在使用时完成加热阶段。

锅炉用的铠装电阻器如前所述，通常具有的热负荷为8.5W/cm²，并会快速形成氧化钙水垢的沉积，沉积量的增加与热负荷成正比。锅炉输出管的直径一般为1/2″(即21mm)，假设长度为600mm，安装功率为1500W，加热元件1具有的热负荷将小于4W/cm²，比铠装电阻器热负荷的一半还小；并且有可能进一步减少热负荷，只要增加管直径及其表面同时保持印刷电阻器路线的表面不变，这样不会显著增加费用。

Claims (4)

1.一种管形加热元件，用于加热清洁用水的储存设备，它采用将印刷电阻器敷在金属表面上的工艺，上述印刷电阻器由敷设在上述金属表面上的一个或更多的其它介电材料层组成，用丝网印刷技术将一个或更多的电阻电路印刷在金属表面上，上述加热元件配以连接设施(6、7)，以分别固定在罐(2，2.1)和热水分配系统上，支承至少一个印刷电阻器(4)的管路(3)为热水输出功能元件；其特征为，至少一个印刷电阻器(4)敷设在管路(3)的整个或部分表面上，以及印刷电阻器的路线有自身不相交的任何形式，上述敷设和上述路线设计成按要求沿管路(3)分配热负荷，以保持罐(2，2.1)内水温在第一预先设定的储存值，并在汲取阶段，只将被汲取的水重新加热至一高于第一储存值的第二汲取温度值，使用单个的加热元件(1)保持水温在第一预先设定的储存值，然后将其重新加热至一第二汲取温度值。

2.如权利要求1的管形加热元件，其特征在于，至少印刷电阻器(4)包含一个或更多的相互独立的电阻电路；在有多个上述电路的情况下，每个独立的电阻电路可以连至相应成对的用于电力供应的连接器(9)上，上述连接器被约束在与连接设施(6、7)相配的一个或更多的管接头(5)上。

3.如权利要求1的管形加热元件，其特征在于，管路(3)具有孔(10a，11b)和孔(10b)，孔(10a，11b)配装有折射片(12)，孔(10b)形成在断面扩大部分(13)的位置，所述孔连接管路(3)的外表面和内表面，孔(10a，10b)适于使在所述管路内的氧化钙水垢沉积为最少，以防止使用者被烫伤，而且孔(11b)设计成防止任何在进口处(3a)的空气泡变成障碍。

4.如权利要求1的管形加热元件，其特征为，在印刷电阻器(4)上可以加上防护套(15)，防止上述印刷电阻器磨损的潜在危险，或防止罐(2、2.1)中的腐蚀现象；

并可有利地包含一电极，其形式为一外加电流阴极保护器件，在此情况下，上述套可用钛合金制成，或是，防护套可有利地含有一牺牲阳极，而且，在此情况下，上述套可以用镁合金制成。

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