CN218480767U - 一种结合高频电阻热与感应热的流体加热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种结合高频电阻热与感应热的流体加热装置，该加热装置包括有用于产生交变频率为f₀的高频交流电的高频交流电源；以及，用于构造电流通路的加热体；高频交流电源具有两个输出端，其两个输出端之间输出的变频率为f₀的交流电，f₀远大于市电频率；加热体设置于被加热流体的流道中；加热体的两端与高频交流电源两输出端接合并保持电导通。相比于现有技术，在本实用新型中提供的结合高频电阻热与感应热的流体加热装置结构简洁、体积小巧、使用寿命长，能长时间稳定工作不烧损，方便应用于广泛的工业用热风、工业用热水、生活用热水等流体加热应用场合中。

Description

一种结合高频电阻热与感应热的流体加热装置

技术领域

本实用新型属于工业加热技术领域，特别涉及一种流体加热装置。

背景技术

工业上应用以及日常生活中常出现需要加热气体或液体等流体的场景。例如在印刷工业过程中，需要将液态墨水加热到一定温度水平后按喷射到煤质上形成文字或图像；而在日常生活中常见的家用热水器、取暖用热风机、制热饮用蒸汽机等，其本质也均为采用一定的加热手段以获得具有一定温度水平的温热流体。流体加热过程无论在焊接、制药、印刷、包装、清洗、热处理等工业过程中还是烧水、空调制热等日常生活场景中均有广泛应用。

流体加热过程需要对应设置的流体加热器执行实现，现有技术中提供的流体加热器中，往往以电阻丝作为加热装置为流体提供热源。以专利申请号为“CN202021988075.2”的中国专利申请文件为例，在该专利申请文件中提供一种流体加热器，其中即明确记载：电阻发热体，包括电阻丝；所述电阻丝上设有发热电阻丝和温控电阻丝，所述发热电阻丝包括细电阻丝和粗电阻丝；流体加热容器，包括主体和盖体；所述主体和盖体内部形成一个容纳腔体，所述盖体上设有流体入口，所述主体靠近盖体处设有流体出口；电气控制系统，所述电气控制系统包括发热体温度检测电路；其中，所述电阻发热体设于流体加热容器内部的容纳腔体中。

上述专利中记载的技术方案，其中采用的“发热电阻丝”即为现有技术中最常见、最典型的流体加热装置的具体实现形式，这样的实现形式被广泛应用在现有的流体加热装置中，以上述方式构造流体加热装置中的发热部件后，该发热部件在电气层面上将具备一定的电阻值R，实际加工过程中，需对该“发热电阻丝”中通入具有一定电流幅值的直流电或工频交流电，该“发热电阻丝”基于P＝I²R的原理才能对应产生热量。

现有技术中采用电阻丝作为发热部件、对电阻丝通入电流，基于P＝I²R的原理产生热量时，为提高发热效率，应尽可能提高电阻丝的阻值R或通入电阻丝中的电流I的大小。而根据电阻丝阻值的计算公式：

式中ρ为电阻丝电阻率，l为接入电路中的电阻丝的有效长度，s为大接入电阻丝的横截面面积，由上述算式可清楚看出，如需提高电阻丝阻值，可通过选择电阻率较大的材质制备电阻丝、接入尽可能长、尽可能细的电阻丝等方法实现。

应该指出，上述通过增大电阻丝中的电流以及提高电阻丝自身阻值的方法应用到具体的流体加热装置中时，将存在明显缺陷：一方面，增大电阻丝中电流将给电源以及电阻丝自身性能都提出了挑战，不仅电源设备需要输出更大的电流以达到要求，电源设备自身器件以及电阻丝本身都需要对应配置能承受更大电流的器件或材质，整个流体加热装置的制造难度与制造成本都将大幅增加；另一方面，现有技术中为增大应用在流体加热装置中的电阻丝的阻值，通常选用电阻率较大、长度较长、线径较小的细电阻丝，在模具上反复盘绕成预期形状，将该细长电阻丝整段接入电路后，电阻丝发热，由于电阻丝自身线径较细，长时间发热后极易熔断，而对于流体加热装置而言，其内部作为核心发热部件的电阻丝一旦熔断，整个流体加热装置都将失去效用，这给流体加热过程顺利进行带来了巨大的困难。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种流体加热装置，利用高频交流电环境中导体的电阻热与感应热的双重热效应使得导体产生大量热量。

本实用新型的另一个目的在于提供一种合高频电阻热与感应加热的流体加热装置，该装置体积小巧、发热量大、使用寿命长、成本低、适于广泛推广。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种结合高频电阻热与感应热的流体加热装置，该加热装置包括有：

用于产生交变频率为f₀的高频交流电的高频交流电源；

以及，用于构造电流通路的加热体；

高频交流电源具有两个输出端，其两个输出端之间输出的变频率为f₀的交流电，f₀远大于市电频率；加热体设置于被加热流体的流道中；加热体的两端与高频交流电源两输出端接合并保持电导通。

应用到具体的流体加热场景中时，加热体以导电性良好、电阻率高、耐热性好的导体制得，记加热体自身天然的电阻阻值为R_dc，即该加热体在直流环境下将呈现为阻性，其直流电阻阻值大小为R_dc；高频交流电源的两输出端之间输出的交流电的交变频率为f₀，将加热体的两端接入高频交流电源后，该交变频率为f₀的交流电将施加到加热体上，此时的加热体由于交流电在导体中的趋肤效应和临近效应，将表现出与其自身天然的电阻阻值完全不同的“交流电阻”特性，在本申请提供的技术方案中，记加热体在交变频率为f₀的交流环境下的交流电阻阻值为R_ac，即该加热体在交流环境下在电气层面上呈现为阻性，其交流电阻阻值大小为R_ac，此时存在：R_ac＝R_dc(1+γ_s+γ_p)，式中γ_s表示当前交流电环境下因电流趋肤效应引起的电阻阻值变化因数、式中γ_p表示当前交流电环境下因电流临近效应引起的电阻阻值变化因数；γ_s与γ_p均与f₀正相关，f₀越大，γ_s与γ_p都将对应升高。

在本申请提供的技术方案中设置高频交流电源，将高频交流电源中输出的交变电流施加在加热体上后，一方面，由于交流电的趋肤效应和临近效应，加热体在电气层面上将表现出明显大于该加热体直流电阻阻值的交流电阻特性，高频交流电源处输出的交流电的交变频率越高，加热体在电气层面上表现出的交流电阻越大，加热体上的发热功率越高，在同等时间长度内发热量越大，加热体的发热效率越高；另一方面，加热体以导电性良好、电阻率高、耐热性好的导体制得，与高频交流电源接合后能构造完整的、连通的电流通路，在一段导体中通入交流电，则容易推知该段导体附近将对应产生交变磁场，相邻段的导体之间其磁场相互影响，前一段导体所产生的磁场覆盖后一段导体后，前一段导体产生的磁场将对后一段导体处感应加热，进一步增加加热体上的发热量，提升该加热体的发热效率。

因此可以说，在被加热体的流道中设置加热体，设置高频交流电源向加热体上施加高频交流电，则一方面基于交流电的趋肤效应和临近效应，加热体自身将表现出明显大于其直流电阻的交流电阻特性，加热体将在电气层面上将表现出优异的电阻热特性，其发热功率较高，发热效率也显著提升；另一方面基于电磁感应原理，被施加了交流电的加热体周围对应产生交变磁场，交变磁场将对临近区段的加热体产生感应加热，加热体上产生的热量进一步增加，如此，相较于现有技术中应用细长的电阻丝，依靠电阻丝自身的直流电阻特性产生电阻热以加热流体，我方申请中提供的技术方案中，加热体以高频交流电阻热与感应热结合产热，流体流经加热体后与加热体表面直接接触，流体分子与加热体热交换，加热效率显著提升。

本申请中提供的加热体，由于其发热原理为高频交流电阻热以及感应热，提升高频交流电源的输出交流电的频率即可有效提升交流电阻热以及感应热的产热量和产热效率，加热体无需再采用细长的形状以追求更高的直流电阻，因此在具体设置时，本领域技术人员可选用横截面较大、导电系数较高、耐热性能较好的导体以制得上述加热体，无需再以细长的电阻丝反复盘绕。而也正是因为加热体本身以横截面较大、导电系数较高、耐热性能较好的导体制得，其应用在具体场景中时的耐流特性、耐热特性也更强，加热体自身结构更加简洁，能长时间处于高温发热状态下不熔断，该加热装置整体的使用寿命得以进一步延长，其在具体工作过程中的稳定性也进一步提升。

进一步的，加热体包括有第一加热体以及第二加热体；第一加热体与第二加热体均设置在被加热流体的流道中；第一加热体设置在第二加热体的一侧，第一加热体的其中一端连接高频交流电源的其中一个输出端，第一加热体的另一端连接第二加热体的其中一端，第二加热体的另一端连接高频交流电源的另一个输出端。第一加热体与第二加热体以串联的形式按序接合，则整个加热体的直流电阻阻值大小将是第一加热体的直流电阻与第二加热体的直流电阻的总和，按照上文所述的R_ac＝R_dc(1+γ_s+γ_p)，提升加热体总体的直流电阻阻值将有助于进一步提升加热体总体的交流电阻，进而帮助加热体整体获得较大的交流电阻，进一步提升其流体加热效果。

进一步的，第一加热体置于第二加热体的磁场范围内。第一加热体设置在靠近被加热流体流道中心的一侧；第二加热体设置在远离被加热流体流道中心的另一侧。将第一加热体设置在被加热流体流道的中心一侧，保持第一加热体置于第二加热体的磁场范围内，则高频交流电源提供的交变频率为f₀的交流电施加在第一加热体和第二加热体后，第二加热体将在其周围产生交变磁场，该交变磁场将在处于磁场范围内的第一加热体的表面产生感应涡流，对第一加热体进行感应加热，进一步提升的第一加热体表面处的温度，被加热流体沿流道流动时，流体分子充分与其接触，能获得更优良的流体加热效果。

进一步的，第一加热体横截面处最小厚度不小于当前交流电环境下的电流在第一加热体上的透入深度；第二加热体横截面处的最小厚度也不小于当前交流电环境下电流在第二加热体上的透入深度。如第一加热体横截面处最小厚度与第二加热体横截面处最小厚度分别等于其各自的透入深度，则在当前交流电环境下，高频交流电源的两输出端之间输出的交流电进入到第一加热体以及第二加热体中后，第一加热体与第二加热体的全部横截面都将参与电流传输，第一加热体与第二加热体中被充分利用。而如第一加热体横截面处最小厚度与第二加热体横截面处最小厚度分别大于其各自的透入深度，则在当前交流电环境下，高频交流电源的两输出端之间输出的交流电进入到第一加热体以及第二加热体中后，第一加热体与第二加热体中表层部分参与电流运输，其深层部分处电流密度稀疏，发热量不大，此时将更多起到结构支撑以及热量传导的作用，用以提升第一加热体以及第二加热体的结构稳定性及其耐热性能，保证第一加热体与第二加热体能长时间稳定工作不熔断。

本实用新型的优势在于：相比于现有技术，在本实用新型中提供的结合高频电阻热与感应热的流体加热装置结构简洁、体积小巧、使用寿命长，能长时间稳定工作不烧损，方便应用于广泛的工业用热风、工业用热水、生活用热水等流体加热应用场合中。

附图说明

图1是具体实施例一中提供的结合高频电阻热与感应加热的热风装置的电路原理图。

图2是具体实施例一中提供的结合高频电阻热与感应加热的热风装置的第一视角整体结构示意图。

图3是具体实施例一中提供的结合高频电阻热与感应加热的热风装置的第二视角整体结构示意图。

图4是具体实施例一中提供的结合高频电阻热与感应加热的热风装置的剖面图。

图5是具体实施例二中提供的结合高频电阻热与感应加热的热风装置第一视角整体结构示意图。

图6是具体实施例二中提供的结合高频电阻热与感应加热的热风装置的第二视角整体结构示意图。

图7是具体实施例二中提供的结合高频电阻热与感应加热的热风装置的剖面图。

图8是具体实施例三中提供的结合高频电阻热与感应加热的热风装置第一视角整体结构示意图。

图9是具体实施例三中提供的结合高频电阻热与感应加热的热风装置的第二视角结构示意图。

图10是具体实施例三中提供的结合高频电阻热与感应加热的热风装置的剖面图。

图11是具体实施例三中提供的结合高频电阻热与感应加热的热风装置中相邻两个加热体的局部结构。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

具体实施例一

请参阅图1-4。

在本具体实施方式中提供一种结合高频电阻热与感应热的流体加热装置，该装置包括有：

用于产生交变频率为f₀的高频交流电的高频交流电源E；

以及，用于构造电流通路的加热体L；

高频交流电源E具有两个输出端，其两个输出端之间输出的变频率为f₀的交流电U_ac，f₀远大于市电频率；加热体L设置于被加热流体的流道中；加热体L的两端与高频交流电源两输出端接合并保持电导通。

进一步的，在本具体实施例中，该流体加热装置还包括有用于与加热体L接合形成谐振结构的谐振电容C，以及，用于约束流体的流动方向以及流动范围的壳体S，加热体L与谐振电容C均设置在壳体S内部，谐振电容C设置在靠近流体流入壳体S的位置上，加热体L设置在靠近流体流出壳体S的位置上；谐振电容C与加热体L均分别与壳体S连接。

进一步的，在本具体实施方式中，谐振电容C包括有至少一个电容C1、第一水冷铜皮C2、第二水冷铜皮C3以及水冷管C4；第一水冷铜皮C2紧贴电容C1的其中一个极板并与之导通，第二水冷铜皮C3紧贴电容C1的另一个极板并与之导通；水冷管C4盘绕在第一水冷铜皮C2和/或第二水冷铜皮C3外；水冷管C4与外部冷却水源接合连通。高频交流电源E的两输出端分别与第一水冷铜皮C2以及第二水冷铜皮C3连接并导通；第一水冷铜皮C2还连接加热体L的其中一端并相互导通；第二水冷铜皮C3还连接加热体L的另一端并相互导通。

进一步的，在本具体实施例中，加热体L包括有第一加热体L1以及第二加热体L2；第一加热体L1与第二加热体L2均设置在被加热流体的流道中；第一加热体L1设置在第二加热体L2的一侧，第一加热体L1的其中一端连接第一水冷铜皮C2，第一加热体L1的另一端连接第二加热体L2的其中一端，第二加热体L2的另一端连接第二水冷铜皮C3。

进一步的，在本具体实施例中，第一加热体L1置于第二加热体L2的磁场范围内。第一加热体L1设置在靠近被加热流体流道中心的一侧；第二加热体L2设置在远离被加热流体流道中心的另一侧。

进一步的，在本具体实施例中，第一加热体L1横截面处最小厚度不小于当前交流电环境下的电流在第一加热体L1上的透入深度；第二加热体L2横截面处的最小厚度也不小于当前交流电环境下电流在第二加热体L2上的透入深度。

进一步地，在本具体实施例中，第一加热体L1从靠近电容C1方向向远离电容C1方向延伸、连续盘绕成为螺线管形，第二加热体L2从远离电容C1方向向靠近电容C1方向延伸、连续盘绕成为包围第一加热体L1的螺线管形。

进一步的，在本具体实施例中，第一加热体L1与第二加热体L2采用直径大于当前交流电环境下电流的透入深度的圆线状粗导体制得。

具体实施例二

请参阅图5-7；

在本具体实施方式中提供一种结合高频电阻热与感应热的流体加热装置，该装置包括有：

用于产生交变频率为f₀的高频交流电的高频交流电源E(图未示)；

以及，用于构造电流通路的加热体L；

高频交流电源E具有两个输出端，其两个输出端之间输出的变频率为f₀的交流电U_ac，f₀远大于市电频率；加热体L`设置于被加热流体的流道中；加热体L`的两端与高频交流电源两输出端接合并保持电导通。

进一步的，在本具体实施例中，该流体加热装置还包括有用于与加热体L`接合形成谐振结构的谐振电容C`，谐振电容C`设置在加热体L`的一侧，谐振电容C`与加热体L`连接。

进一步的，在本具体实施方式中，谐振电容C`包括有至少一个电容C1`、第一水冷铜皮C2`、第二水冷铜皮C3`以及水冷管C4`；第一水冷铜皮C2`紧贴电容C1`的其中一个极板并与之导通，第二水冷铜皮C3`紧贴电容C1`的另一个极板并与之导通；水冷管C4`盘绕在第一水冷铜皮C2`和/或第二水冷铜皮C3`外；水冷管C4`与外部冷却水源接合连通。高频交流电源E的两输出端分别与第一水冷铜皮C2`以及第二水冷铜皮C3`连接并导通；第一水冷铜皮C2`还连接加热体L`的其中一端并相互导通；第二水冷铜皮C3`还连接加热体L`的另一端并相互导通。

加热体L`包括有第一加热体L1`以及第二加热体L2`；第一加热体L1`与第二加热体L2`均设置在被加热流体的流道中；第一加热体L1`设置在第二加热体L2`的一侧，第一加热体L1`的其中一端连接第一水冷铜皮C2`，第一加热体L1`的另一端连接第二加热体L2`的其中一端，第二加热体L2`的另一端连接第二水冷铜皮C3`。

进一步的，在本具体实施例中，第一加热体L1`置于第二加热体L2`的磁场范围内。第一加热体L1`设置在靠近被加热流体流道中心的一侧；第二加热体L2`设置在远离被加热流体流道中心的另一侧。

进一步的，在本具体实施例中，第一加热体L1`横截面处最小厚度不小于当前交流电环境下的电流在第一加热体L1`上的透入深度；第二加热体L2`横截面处的最小厚度也不小于当前交流电环境下电流在第二加热体L2`上的透入深度。

进一步地，在本具体实施例中，第一加热体L1`从靠近电容方向向远离电容方向延伸、连续盘绕成为螺线管形，第二加热体L2`从远离电容方向向靠近电容方向延伸、连续盘绕成为包围第一加热体L1`的螺线管形。

进一步的，在本具体实施例中，第一加热体L1`与第二加热体L2`采用厚度大于当前交流电环境下电流的透入深度的宽扁形的条形厚导体制得。

具体实施例三

请参阅图8-11。

在本具体实施方式中提供一种结合高频电阻热与感应热的流体加热装置，该装置包括有：

用于产生交变频率为f₀的高频交流电的高频交流电源E(图未示)；

以及，用于构造电流通路的加热体L``；

高频交流电源E具有两个输出端，其两个输出端之间输出的变频率为f₀的交流电U_ac，f₀远大于市电频率；加热体L``设置于被加热流体的流道中；加热体L``的两端与高频交流电源两输出端接合并保持电导通。

进一步的，在本具体实施例中，该流体加热装置还包括有用于与加热体L``接合形成谐振结构的谐振电容C``，谐振电容C``设置在靠近流体流入的位置上，加热体L``设置在靠近流体流出的位置上；谐振电容C``与加热体L``连接。

进一步的，在本具体实施方式中，谐振电容C``包括有至少一个电容C1``、第一水冷铜皮C2``、第二水冷铜皮C3``以及水冷管C4``；第一水冷铜皮C2``紧贴电容C1``的其中一个极板并与之导通，第二水冷铜皮C3``紧贴电容C1``的另一个极板并与之导通；水冷管C4``盘绕在第一水冷铜皮C2``和/或第二水冷铜皮C3``外；水冷管C4``与外部冷却水源接合连通。高频交流电源E的两输出端分别与第一水冷铜皮C2``以及第二水冷铜皮C3``连接并导通；第一水冷铜皮C2``还连接加热体L``的其中一端并相互导通；第二水冷铜皮C3``还连接加热体L``的另一端并相互导通。

加热体L``包括有第一加热体L1``以及第二加热体L2``；第一加热体L1``与第二加热体L2``均设置在被加热流体的流道中；第一加热体L1``设置在第二加热体L2``的一侧，第一加热体L1``的其中一端连接第一水冷铜皮C2``，第一加热体L1``的另一端连接第二加热体L2``的其中一端，第二加热体L2``的另一端连接第二水冷铜皮C3``。

进一步的，在本具体实施例中，第一加热体L1``置于第二加热体L2``的磁场范围内。第一加热体L1``设置在靠近被加热流体流道中心的一侧；第二加热体L2``设置在远离被加热流体流道中心的另一侧。

进一步的，在本具体实施例中，第一加热体L1``横截面处最小厚度不小于当前交流电环境下的电流在第一加热体L1``上的透入深度；第二加热体L2``横截面处的最小厚度也不小于当前交流电环境下电流在第二加热体L2``上的透入深度。

进一步地，在本具体实施例中，加热体L``设置若干个，每一个加热体L``中的第一加热体L1``、第二加热体L2``均采用厚度大于当前交流电环境下电流的透入深度的宽扁形的条形直线型厚导体制得，在第一个加热体L``中，第一加热体L1``的其中一端与第一水冷铜皮C2``连接，第二加热体L2``设置在第一加热体L1``的外侧，与第一加热体L1``平行，第一加热体L1``的另一端与其对应的第二加热体L2``的其中一端接合并导通，第一加热体L1``与第二加热体L2``围合形成类似矩形框的结构，第二加热体L2``的另一端连接下一个加热体L``中的第一加热体L1``的一端，以此往复，直至最后一个加热体L``中的第二加热体L2``与第二水冷铜皮C3``连接并导通。若干个加热体L``保持其各自的第一加热体L1``靠近被加热流体流动的中心轴线、其各自的第二加热体L2``原理被加热流体的中心轴线凑成中心聚拢形的多翅片结构。

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

Claims (5)

1.一种结合高频电阻热与感应热的流体加热装置，其特征在于，该加热装置包括有：

用于产生交变频率为f₀的高频交流电的高频交流电源；

以及，用于构造电流通路的加热体；

所述高频交流电源具有两个输出端，其两个输出端之间输出的变频率为f₀的交流电，该f₀远大于市电频率；所述加热体设置于被加热流体的流道中；所述加热体的两端与所述高频交流电源两输出端接合并保持电导通。

2.如权利要求1所述的结合高频电阻热与感应热的流体加热装置，其特征在于，所述加热体包括有第一加热体以及第二加热体；所述第一加热体与所述第二加热体均设置在被加热流体的流道中；所述第一加热体设置在所述第二加热体的一侧，所述第一加热体的其中一端连接所述高频交流电源的其中一个输出端，所述第一加热体的另一端连接所述第二加热体的其中一端，所述第二加热体的另一端连接所述高频交流电源的另一个输出端。

3.如权利要求2所述的结合高频电阻热与感应热的流体加热装置，其特征在于，所述第一加热体置于所述第二加热体的磁场范围内。

4.如权利要求3所述的结合高频电阻热与感应热的流体加热装置，其特征在于，所述第一加热体设置在靠近被加热流体流道中心的一侧；所述第二加热体设置在远离被加热流体流道中心的另一侧。

5.如权利要求4所述的结合高频电阻热与感应热的流体加热装置，其特征在于，所述第一加热体横截面处最小厚度不小于当前交流电环境下电流在所述第一加热体上的透入深度；所述第二加热体的最小厚度也不小于当前交流电环境下电流在所述第一加热体上的透入深度。

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