CN1940400A - 液体加热容器的加热器 - Google Patents

Abstract

一种用来封闭液体加热容器基座上开口的加热器，该加热器包括：基板(2)，同所述基板(20处于良好热接触状态的主器件(6)，主器件(6)用来将容器中的流体加热到预定的温度，和功率比第一加热器低的第二加热器，所述的第二加热器包括围绕在绝缘芯周围呈细长电阻状的电阻器(10)。电阻器(10)容纳在安装到基板上并且填充了合适的导热填充材料的外壳(8)上，所述导热材料至少局部包裹所述电阻器(10)。

Description

液体加热容器的加热器

技术领域

本申请涉及对液体加热容器的加热器的改进，尤其是对其保温能力的改进。

背景技术

液体加热容器，比如说那些适于把水加热到沸腾状态的加热容器，主要应用一种所谓的底面下的加热器(under-floor heater)。这些液体加热容器包括装有护套的加热器元件，这些加热器元件恰当地连接在或者形成在平板的底部，平板形成加热容器的基座或者基座的一部分。装有护套的器件本身由电阻丝组成，该电阻丝例如可以为镍铬耐热合金(镍/铬合金的一种)。电阻丝放置在在管状的护套内部，管状护套通常由铝制成，然后用氧化镁粉末包覆护套，氧化镁粉末除了用做热导体外，还用做电绝缘体。

根据下面的公式，和家庭主干线电源相连接的装有护套的器件的输出功率必然取决于它的电阻值：

$P=\frac{V^2}{R}$

其中P表示输出功率，V表示电源电压(RMS)，R表示加热器的电阻值。

众所周知，作为通常用于烧开水的较大输出功率而言(例如2-3kW)，需要的热水器的电阻会相对较低；从240V的电压源中输出3kW的功率需要19欧姆的电阻。借助常规长度器件中的标准规格的镍铬导线很容易实现上述阻值。

然而，对液体加热容器的附加功能的需求不断增大。一个普遍的需求是使容器中的液体保持在沸腾温度左右或者低于沸腾温度。与在合理的时间内把液体(例如水)从房间温度加热到沸腾温度所需要的功率相比，这需要的功率要小得多。因此，就产生了这样一种需求：即能够提供一种将液体的温度保持在沸腾温度左右或者低于沸腾温度的功率较低的器件。这样的器件被称为保温器件。在具有代表性的应用中，保温器件可能仅仅需要60W的功率。将该功率用到上面的公式中，得到960欧姆的电阻值。然而，因为使用的电阻丝必须非常细，所以具有这种数量级阻值的装有护套的器件难以制造(因此昂贵)。这也使得这种器件容易毁坏。另一个缺点是为了容纳足够长度的金属丝，以能够用甚至是最细的使用电阻丝达到所需的电阻值，器件必须至少和标准的满功率器件一样长或者比标准的满功率器件长。这样增加了成本并限制了作为整体的器具的设计自由性。

通常折衷的办法是用温度调节装置来使主加热器循环，或者使用更高功率的第二加热器，来供给所需要的较低的平均功率。然而，因为需要额外的组件并且连续地开关加热器是产生电磁干扰的势源，因此这并不理想。

发明内容

本发明的目标是提供一种改进的加热器。当从第一视图看，本发明提供一种用来封闭液体加热容器基座上开口的加热器。该加热器包括：基板；和所述基板之间处于良好热接触状态的主器件和第二加热器，该主器件用来将容器中的液体加热到预定的温度，第二加热器的功率比第一加热器低，所说的第二加热器包括围绕在绝缘芯周围并具有细长电阻形状的电阻器。

因此，人们会发现根据本发明所述，加热器用设置在绝缘芯周围的电阻做为功率较低的保温元件。细长形的电阻可以是某种膜式电阻，例如其可以为金属薄片或者薄的膜式电阻，但是优选电阻器包括绕线式电阻器。这样的电阻器通常包括缠绕在绝缘芯(例如陶瓷芯)周围的电阻丝，并且，虽然绝缘套不是必要的，但是电阻丝通常覆盖有绝缘套。它们随处可见并普遍用作电子电路的独立组件。应用到电子线路需要比应用在例如放大器上的通常功率损耗略大一些。在自由空间中通常是在几瓦的等级上。

然而，申请人已经意识到应用到本发明的背景中，例如，与加热器基座处于紧密的热连接状态中，加热器基座本身同诸如水这样的流体在使用中处于紧密的热接触状态，水作为非常有效吸热介质使得电阻器可以在高得多的功率下连续地运行。该功率例如可以为60Watts左右，其是使通常烧水容器中的水保温但不沸腾所需的那种功率。

根据本发明，应用作为第二加热器的保温加热器的优点是：和功率相当的装有护套的传统加热器相比，本发明的成本要低得多(因为大量生产，固然更容易制造)。并且，本发明要小很多，其设计自由度最大，并且使加热器最为一个整体可以更紧凑，从而进一步节省了成本。

电阻器能够仅仅在一边和加热器基座处于热接触状态。然而，如此设置有可能不允许足够的热量传递给液体，以防止过热。因此，建议把至少部分，优选整个电阻器封装在导热材料中。这增强了对流体的热量传递。所述材料可以是金属，例如电阻器可以位于固定到加热器基座上的内腔中的孔中。可选择借助将使电阻器顶着基座固定的夹具来进行密封。

但是，优选将电阻器容纳在外壳中，该外壳安装在基座上并填充有合适的导热填充材料。该材料应当具有足够高的导热系数，以防止电阻过热。优选材料的导热系数大于5瓦每米每绝对温标(W/m/K)，更优选大于10W/m/K，更优选大于15W/m/K。

然而，导热系数不是唯一考虑的因素。申请人发现优选填充物的热膨胀应当尽可能地接近外壳的热膨胀。这样有助于确保在运行过程中，不会随着加热器的加热产生空气间隙，或者产生非常小的空气间隙，产生空气间隙或者很小的空气间隙会对电阻热量的传导产生不利影响。例如，在外壳是用铝制成的场合，如同优选的那样，将具有大约百万分之20每摄氏度(ppm/℃)大小的热膨胀系数。在这种情况下，优选填充物的膨胀系数大于8ppm/℃，更优选膨胀系数大于12ppm/℃。优选的填充物包括氧化镁，例如作为粉末，腻子或者泥浆。一个合适的填充材料的例子是陶瓷10氧化美混合物，可以从sauereisien ofPittsburgh，MA，USA获得这种混合物。其具有17-28W/m/K的导热系数和9ppm/℃的膨胀系数。可以从sauereisien得到的陶瓷33S也非常合适。它具有8-10W/m/K的导热系数和14ppm/℃的膨胀系数，理想的混合物是具有和陶瓷10相似的导热系数和陶瓷33S相似的膨胀系数的混合物。

可以根据特定的应用来选择电阻器的属性。但是，在优选的实施例中电阻器具有在自由空间中的小于10Watts的设计额定功率，优选在5-10Watts之间和优选约为7Watts。类似地，电阻器的阻值优选大于750欧姆，优选在750欧姆和1.25千欧之间，优选大约为1千欧。

附图说明

现在将参照附图通过唯一的一个例子来描述本发明优选的实施例，在附图中：

图1是根据本发明所述的从加热器底部看去的透视图。

具体实施方式

如图1所示的加热器包括一个碟形的不锈钢基座盘2，该不锈钢基座盘2具有大体上平整的中心区域。在平整的中心区域上设置有铝制散热板4。在基座的外周焊接有一个装有护套的加热器件6，其额定功率例如可以为2200W。

装有护套的加热器件6延伸大约300多度，在一对电连接件或者冷端7的位置结束。在沿器件6径向朝内，与冷端7相对的地方，是一个窄的长方形外壳或者沟槽8，外壳或者沟槽8也是铝制的，其焊接在散热板4上。沟槽8内设置的是一个标准的，成品的1千欧姆的线绕电阻器10，其在自由空间的额定值是7Watts。电阻器的导线12以直角弯折，从而在垂直方向上延伸。一对瓷帽14安装在电阻器10两端的任何一端处，以将电阻器10牢固地卡在沟槽8内并使导线12与沟槽的壁面绝缘。虽然在图中没有展示，此后沟槽8内填充了可以从sauereisien，Pittsburgh，MA，USA得到的陶瓷10镁氧化物的混合物，混合物压紧在通道里面。

然后将控制单元(图中没有显示)安装到散热板4上，使主器件的冷端7和电阻器的导线12电连接。然后采用任何一种方便的安置方法，将整个加热器组件安装到液体加热器的基座上。

在使用中，为了迅速地把容器中的水加热到沸腾或者再低一些的温度，控制单元使主加热器件6通电。在该初始加热阶段可以或者不用使第二加热器通电，第二加热器是由线绕电阻器10形成的。一旦达到期望的温度，就关闭主器件6，第二加热器10或者打开或者保持原运行状态。通过在1千欧姆的电阻器两端施加电源电压(240伏RMS)，电阻器会消耗大约60Watts的能量。这足以使水的温度保持在稍微低于沸腾温度的温度，例如，大约85度。当然，供给电阻器10的功率并不需要连续供给，例如，如果需要更低的平均功率，则可以循环供给功率。

虽然在大气中消耗60W的能量会使电阻器10迅速地过热并且出故障，但是因为电阻器10安装在用氧化美混合物包覆的铝沟槽8内，和基座2之间处于非常好的热接触状态，所以，容器中的水起到非常有效的吸热作用，因此电阻器的运行温度很好地维持在它正常运行的范围内。至少在过热保护机构，例如双金属调节器开始动作为止，即使容器中的水烧干，基座2的热质量也足以防止电阻器过热。此外，因为填充物的热膨胀系数和铝制沟槽8具有相同大小的数量级，所以在遇到的温度范围内，在填充物和沟槽壁面之间不会形成大的开口。

Claims (14)

1、一种用来封闭液体加热容器基座上开口的加热器，该加热器包括：基板；同所述基板处于良好热接触状态的主器件和第二加热器，该主器件用来将容器中的流体加热到预定的温度，第二加热器的功率比第一加热器低，所述的第二加热器包括围绕在绝缘芯周围呈细长电阻状的电阻器。

2、如权利要求1所述的加热器，其中所述电阻器包括绕线的电阻器。

3、如权利要求1所述的加热器，其中所述的电阻器至少部分包裹在导热材料中。

4、如权利要求1所述的加热器，其中所述的电阻器完全包裹在导热材料中。

5、如权利要求1所述的加热器，其中电阻器容纳在外壳中，该外壳安装在基板上并且填充有导热填充材料。

6、如权利要求5所述的加热器，其中填充物的导热系数大于5瓦每米每开尔文度(W/m/K)，优选大于10W/m/K，更优选大于15W/m/K。

7、如权利要求5所述的加热器，其中所述外壳是由铝制成的。

8、如权利要求5所述的加热器，其中外壳具有大约23ppm/℃大小的热膨胀系数。

9、如权利要求7或8所述的加热器，其中填充材料的热膨胀系数大于8ppm/℃，优选大于12ppm/℃。

10、如权利要求5-8任意一项所述的加热器，其中填充材料包括氧化镁。

11、如权利要求5-8任意一项所述的加热器，其中填充材料具有17-28w/m/k的导热系数。

12、如权利要求5-8任意一项所述的加热器，其中填充材料具有14ppm/℃的热膨胀系数。

13、如权利要求1所述的加热器，其中电阻器在自由空间的设计功率的额定值小于10瓦，优选在5-10瓦之间，并且优选约为7瓦。

14、如权利要求1所述的加热器，其中电阻器的阻值优选大于750欧姆，优选在750和1250欧姆之间，优选约为1000欧姆。

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