CZ283545B6 - Elektrická topná jednotka - Google Patents

Abstract

Topná jednotka sestává z odporového topného elementu, kterým protéká proud, a který je vytvořen jako masívní těleso, například ve formě trubky (1) nebo desky. Trubka (1) je na obou svých koncích opatřena kontakty (2), které se připojí ke zdroji napětí. Ttoto masívní těleso je vyrobeno z polovodivého materiálu a buď nese ohřívaný předmět nebo vede ohřívané médium. Řešení může být použito pro průtokové ohřívače, topné a varné plotýnky. ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká elektrické topné jednotky s odporovým topným elementem protékaným proudem a s masivním tělesem nesoucím ohřívaný předmět nebo vedoucím ohřívané médium.

Dosavadní stav techniky

Běžné elektrické topné jednotky jsou opatřeny topnými elementy tvořenými vodiči protékanými proudem. Výhodnými materiály pro tyto vodiče jsou slitiny Cr-Ni, které mají specifický elektrický odpor p o hodnotě asi 1.10⁶ Qm. Protože specifický elektrický odpor p elektrických vodičů je velmi malý, musí mít vodič co nejmenší plochu průřezu a velkou délku, aby bylo dosaženo dostatečně velkého účinného odporu R. Proto jsou běžné odporové topné elementy provedeny z tenkých drátů, které jsou spirálovitě navinuty. Přesto je odpor R těchto topných drátů tak malý, že již při malých napětích je vstupní výkon velký. Drát se proto velmi rychle ohřeje na vysokou teplotu. Tato teplota se obvykle pohybuje kolem 1000 °C.

Odporový drát je oddělen od ohřívaného kapalného nebo plynného média nebo od ohřívaného předmětu masivní, většinou elektricky izolovaným tělesem. Toto těleso nese ohřívaný předmět nebo vede ohřívané médium.

Typickým příkladem takových topných jednotek je elektrická topná plotýnka. Nad topnou spirálou je v odstupu upraven kotouč z keramického materiálu, na němž je umístěna pánev určená k ohřátí.

Dalším příkladem je průtokový ohřívač. Ohřívaná voda je vedena trubkami, kolem nichž jsou v určitém odstupu navinuty odporové dráty.

V obou příkladech dochází k ohřevu předmětu nebo média méně vedením tepla než tepelným zářením. Uvedené příklady představují známá příkladná provedení topných jednotek s odporovými topnými elementy, které mají určité nevýhody. Mezi zdrojem tepla, to jest topným drátem, a tepelnou jímkou, to jest předmětem nebo médiem, musí být neustále upraven vložený element. Tento vložený element má velkou hmotnost a většinou je navíc špatným vodičem tepla, protože je elektricky izolován. Tento systém je proto z hlediska přenosu tepla velmi těžkopádný. Topný element proto musí mít mnohem vyšší teplotu, aby mohlo být dosaženo účinnějšího ohřevu předmětu nebo média. Navíc se velká část topného výkonu ztrácí, protože tepelné záření je vyzařováno do všech směrů. Účinnost známých topných jednotek je proto velmi malá.

Zvýšení účinnosti by bylo možno dosáhnout tím, že ohřívaný předmět nebo médium by byly v tepelně vodivém kontaktu se zdrojem tepla. To však je u známých topných drátů neproveditelné. Jak již bylo uvedeno, není možno dosahovat nízkých až středních teplot. Kontakt s horkým topným elementem by mohl znamenat změnu struktury předmětu nebo složení média. Rovněž může docházet ke vzniku okrajových jevů, které brání v přenosu tepla.

Optimální přenos tepla navíc existuje pouze tehdy, když je kontaktní plocha mezi médii, mezi nimiž dochází k výměně tepla, co největší. Z doposud používaných materiálů však nemůže být vytvořen velkoplošný topný element, protože jeho specifický odpor je příliš malý.

Z hlediska na stále rostoucí požadavky, aby elektrická energie byla využita co nejúčinněji a nejůspoměji, nemohou známé topné jednotky již dostačovat.

- 1 CZ 283545 B6

Úkolem vynálezu proto je vytvořit elektrickou topnou jednotku, která bude mít vysokou účinnost při přenosu tepla ze zdroje tepla do tepelné jímky.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje elektrická topná jednotka s odporovým topným elementem protékaným proudem a s masivním tělesem nesoucím ohřívaný předmět nebo vedoucím ohřívané médium, podle vynálezu, jehož podstatou je, že nosné, popřípadě vodicí masivní těleso současně tvoří odporový topný element protékaný proudem aje vyrobeno z polovodivého materiálu, jehož specifický elektrický odpor je od 10⁴ Qm do 1 Qm.

Elektrická topná jednotka podle vynálezu je opatřena stejně jako známé topné jednotky odporovým topným elementem protékaným proudem. Tento odporový topný element je však vytvořen jako masivní, to znamená jako pevné a mohutné těleso. Může být provedeno například jako trubka nebo deska. Toto masivní těleso se v topné jednotce podle vynálezu použije nejen jako zdroj tepla, nýbrž i jako nosič ohřívaného předmětu, a v případě ohřevu plynu nebo kapaliny jako prostředek, který plyn nebo kapalinu vede.

Odporový topný element podle vynálezu není, jak je známé, vyroben z elektricky vodivého materiálu s malým specifickým elektrickým odporem, nýbrž z materiálu, který má značně vyšší specifický elektrický odpor. Těmito materiály mohou být například polovodiče, jako karbid křemíku, vysokovýkonné plasty dotované uhlíkem, grafitem nebo kovem, nebo i jiné materiály podobné polovodičům. Tyto materiály mají značně vyšší specifický odpor p než doposud používané materiály.

Typické hodnoty specifického odporu jsou v rozsahu od 10^-4 do 1 Qm.

Specifický odpor p použitých materiálů, a proto i jejich účinný odpor R, jsou dostatečně velké, takže malý průřez a velká délka již nepředstavují žádnou podmínku pro provedení odporového topného elementu. Navíc je energie přeměněná při stejném napětí na teplo vzhledem k vyššímu odporu poněkud menší, než u známých vodivých odporových elementů. Topný element může byt regulován již na nízké až střední teploty. Teploty leží obvykle v rozsahu od 50 °C do 700 °C.

Polovodivý odporový topný element, vytvořený jako masivní těleso, skýtá několik výhod. Protože je topný element regulovatelný již při nízkých teplotách, může být ohřát na teplotu, která je pouze mírně vyšší, než požadovaná konečná teplota předmětu nebo média. Tím je možno topný element uvést do kontaktu s ohřívaným předmětem nebo médiem, takže přenos tepla se provádí vedením tepla a nikoli tepelným zářením.

Protože je topný element vytvořen jako masivní těleso, je jeho kontaktní plocha s ohřívaným předmětem nebo médiem velká. K přenosu tepla tedy dochází touto velkou plochou. Navíc není zapotřebí žádného přídavného masivního vloženého elementu, který by bránil přenosu tepla. Pro dosažení požadované teploty předmětu nebo média proto postačí, při obrácené úvaze, nižší až střední teplota zdroje tepla. Účinnost topné jednotky podle vynálezu je proto značně vyšší, než účinnost běžných známých topných elementů s odporovými topnými dráty. Topná jednotka podle vynálezu je energeticky úsporná.

Pro přídavné zvýšení účinnosti mohou být plochy topného elementu, které nejsou použity pro přenos tepla, tepelně izolovány. Teplo je tak cíleně přiváděno na potřebné místo. Ztráty tepelným zářením jsou malé.

-2CZ 283545 B6

Podle oblasti použití je masivní těleso odporového topného elementu vůči ohřívanému médiu nebo předmětu elektricky izolováno. Izolační vrstvou může být například keramický povlak s podobným součinitelem tepelné roztažnosti jako má masivní těleso. S výhodou se zvolí elektricky izolující materiál s co nejlepšími vlastnostmi pro vedení tepla.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladech provedení podle přiloženého výkresu, na němž obr. 1 znázorňuje topnou jednotku ve formě trubky, obr. 2 topnou jednotku s odporovým topným elementem ve formě desky, a obr. 3 topnou plotýnku podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněn trubkový odporový topný element. Sestává z trubky 1, která je na svém každém konci opatřena dobře vodivým kovovým kontaktem 2 s velkou dotykovou plochou pro vytvoření proudového obvodu. Připojí-li se na tyto kontakty 2 zdroj napětí, protéká trubkou 1 proud. Trubka 1 se vzhledem ke svému odporu R ohřívá.

Popsaný odporový topný element se používá například v průtokovém ohřívači nebo v myčce nádobí. Trubka 1 odporového topného elementu potom zároveň představuje trubkové vedení ohřívané vody. Voda proudí ve vnitřku 3 trubky L Přímým kontaktem s horkými stěnami trubky 1 se voda ohřívá. Protože má stěna trubky 1 teplotu pouze nepodstatně vyšší než je požadovaná teplota vody, nedochází k žádným změnám ve složení vody a účinnost je podstatně vyšší, než u známých průtokových ohřívačů. Aby se zabránilo nežádoucím tepelným ztrátám do okolí, může být trubka 1 obklopena tepelně izolačním pláštěm.

Jestliže se k trubce 1 připojí nízké napětí, to znamená napětí menší než 50 V, není zapotřebí žádné speciální elektrické izolace. Použije-li se však napětí o hodnotě 220 V, musí být topná jednotka vůči okolí chráněna elektricky izolačním pláštěm, který ji obklopuje. Ohřívané médium, to jest kapalina nebo plyn, zůstává přesto v přímém kontaktu s trubkou 1, sloužící jako zdroj tepla. Jako izolační materiál se použije například silikonový kaučuk. Na vnitřní stěnu proudem protékané trubky 1 se umístí u speciálních případů provedení rovněž taková tenká izolační vrstva.

Na obr. 2 je znázorněn odporový topný element ve formě desky 4. Na obou koncích desky 4 jsou podobně jako u popsaného příkladu provedení umístěny elektrické kontakty 2. Tyto kontakty 2 mohou být upevněny na čelních plochách desky 4 nebo, jak je znázorněno, jsou upraveny po obvodu desky 4. Rovněž v tomto příkladu provedení je deska 4 současně zdrojem tepla a masivním tělesem, nesoucím ohřívaný předmět. Podle přiváděného napětí se deska 4 opatří elektricky izolační vrstvou, která však má co nejlepší tepelně vodivé vlastnosti. Rovněž spodní strana desky 4, v případě, že není použita k přenosu tepla, může být tepelně izolována. Tato deska 4 může být použita jako topná deska v domácnosti nebo jako topný element, který se ponoří do nádoby naplněné kapalinou.

Příklad použití takové desky 4 je znázorněn na obr. 3. Odporový topný element je použit jako topná plotýnka. Spodní strana 5 desky 4 je elektricky a tepelně izolována. Horní strana 6 je opatřena elektricky izolační vrstvou. Na takto provedenou topnou plotýnku je možno postavit ohřívaný hrnec.

- j CZ 283545 B6

Tato topná plotýnka má rovněž výše popsané výhody a umožňuje energeticky úspornou přípravu jídel.

Podle dalšího neznázoměného příkladu provedení je nosný topný element v kontaktu s dalším masivním tělesem. Toto další masivní těleso má elektricky izolační vlastnosti, avšak dobré vlastnosti pro vedení tepla. V případě topné plotýnky nebo varné desky se použije tato masivní izolace místo výše popsané izolační vrstvy. Jako izolační materiál se použije například nitrid hliníku (AIN). Toto izolační těleso odděluje nosný topný element od ohřívaného média nebo předmětu.

Podle dalšího příkladu provedení spojuje takové izolační těleso několik masivních topných elementů navzájem, které potom tvoří společnou topnou jednotku.

Aby mohla být topná jednotka podle vynálezu použita účelně, musí se pro každý příklad použití optimálně vypočítat všechny podstatné parametry. To znamená, že délka a plocha průřezu odporového topného elementu musí být zvoleny tak, že výsledný odpor R má velikost potřebnou pro dosažení požadované teploty. Současně však musí být splněn požadavek, že stabilita tělesa je pro vedení média nebo pro nesení předmětu dostačující. Jedním z částečně volně zvolitelných parametrů je při tom materiál. Specifický odpor se může změnit změnou dotování karbidu křemičitého nebo plastu.

Dále budou popsány některé typické příklady provedení:

1. příklad:

- použitý materiál:	vysokovýkonný plast plněný grafitem se specifickým odporem p = 4 Qcm
- rozměry trubky:	průměr: 40 mm tloušťka stěny: 2,5 mm délka: 200 mm
- připojené napětí:	220 V, 50 Hz
- výkon:	1,78 kW

2. příklad:

- použitý materiál:	vysokovýkonný plast se specifickým odporem p = 0,04 Qcm
- rozměry trubky:	průměr: 40 mm tloušťka stěny: 2,5 mm délka: 200 mm
- připojené napětí:	24 V
- výkon:	2,12 kW

3. příklad:

- použitý materiál:

vysokovýkonný plast se specifickým odporem p = 40 Qcm

-4CZ 283545 B6

- rozměry trubky:

- připojené napětí:

- výkon:

průměr: 40 mm tloušťka stěny: 2,5 mm 380 V

532 W

4. příklad:

- použitý materiál:

- rozměry tyče:

- připojené napětí:

- výkon:

karbid křemičitý se specifickým odporem p = 1,3 Ocm průměr: 8 mm délka: 150 mm

220 V, 50 Hz

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Elektrická topná jednotka s odporovým topným elementem protékaným proudem a s masivním tělesem nesoucím ohřívaný předmět nebo vedoucím ohřívané médium, vyznačující se tím, že nosné, popřípadě vodicí masivní těleso současně tvoří odporový topný element protékaný proudem a je vyrobeno z polovodivého materiálu, jehož specifický elektrický odpor je od ÍO^-4 Om do 1 Qm.
2. 2. Elektrická topná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že masivní těleso je vyrobeno z karbidu křemíku.
3. 3. Elektrická topná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že masivní těleso je vyrobeno z vysokovýkonného plastu dotovaného uhlíkem, grafitem nebo kovem.
4. 4. Elektrická topná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že masivní těleso má tvar trubky (1).
5. 5. Elektrická topná jednotka podle nároku 4, vyznačující se tím, že trubka (1) je opatřena tepelně izolačním pláštěm.
6. 6. Elektrická topná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že topný element je alespoň částečně potažen elektricky izolační, tepelně vodivou vrstvou nebo izolačním tělesem.
7. 7. Elektrická topná jednotka podle jednoho z nároku l nebo 6, vyznačující se tím, že topný element je proveden jako deska (4).
8. 8. Elektrická topná jednotka podle nároku 6, vyznačující se tím, že deska (4) je topnou plotýnkou.