RO132215B1 - Încălzitor electric - Google Patents

Description

Invenția se referă la un încălzitor electric destinat încălzirii unei locuințe.

Se cunoaște un încălzitor electric cu reglarea temperaturii, conform documentului CN 105588173 A, care cuprinde niște aripioare de răcire dispuse pe verticală, în interiorul cărora sunt dispuse niște țevi de încălzire. încălzitorul cuprinde un controler care este conectat la un modul de introducere a temperaturii presetate, la un senzor de temperatură și la țevile de încălzire cu ajutorul unor linii de comandă. Modulul de introducere a temperaturii presetate este utilizat pentru setarea valorii temperaturii cerute de consumator. Controlerul primește un semnal transmis de modulul de introducere a temperaturii presetate atunci când senzorul de temperatură detectează că temperatura aripioarelor de răcire este mai mică decât temperatura presetată a modului de introducere a temperaturii presetate și trimite un semnal pentru activarea țevilor de încălzire care prezintă la interior niște rezistențe electrice, pentru ca acestea să înceapă să funcționeze. Țevile de încălzire încep să funcționeze și căldura este transmisă prin intermediul aripioarelor către consumator.

Se cunoaște un încălzitor electric realizat dintr-un aliaj de aluminiu, conform documentului CN2758616 Y, care cuprinde o carcasă a cărei cavitate interioară este divizată întro parte superioară și o parte inferioară. O cavitate de vid prevăzută cu o supapă de vid este dispusă la partea superioară și o cavitate superconductoare de mediu de încălzit este dispusă la partea inferioară. Un tub al carcasei de aliaj de aluminiu este poziționat la partea inferioară a cavității inferioare de încălzire. Exteriorul tubului este sudat pe carcasa de încălzire, părțile laterale fiind acoperite cu câte o țeavă de încălzire cu infraroșu. Temperatura exterioară a carcasei poate atinge 6O...7O°C în decurs de 15 min și este controlată cu ajutorul unor module de temperatură și de control a timpului.

Se cunoaște un calorifer electric modulat, conform documentului FR 2824386 A1, care cuprinde un element electric de încălzire, respectiv o rezistență electrică, situat într-o carcasă închisă la baza radiatorului. Radiatorul poate fi umplut cu orice fluid de lucru, inclusiv apa, căldura de la elementul electric de încălzire fiind transferată prin conducție prin peretele carcasei. Apa poate fi alimentată de la un sistem de încălzire centrală. Caloriferul este format din mai multe module ce se grupează pentru a forma o baterie.

Sunt cunoscute și alte dispozitive pentru încălzirea locuinței, care au niște rezistențe electrice amplasate într-un lichid și care pot încălzi o cameră, având în același timp un consum ridicat de energie electrică, de preferință 1500...2500 w.

Dezavantajele soluțiilor prezentate anterior constau într-un consum mare de energie electrică, iar în lipsa alimentării cu energie electrică, acestea se răcesc repede.

Sunt cunoscute numeroase dispozitive pentru încălzirea locuinței cu rezistențe în infraroșu care pot încălzi obiectele dintr-o încăpere, având un consum de aproximativ

1500...3000 w de energie electrică.

Dezavantajele acestor încălzitoare constau în faptul că acestea sunt mari consumatoare de energie electrică, încălzind obiectele din încăpere, dar nu și aerul înconjurător.

Se mai cunosc dispozitive pentru încălzirea locuinței, având la bază o centrală termică cu gaz metan și calorifere pentru încălzit montate în fiecare cameră.

Dezavantajele acestor încălzitoare constau în costuri destul de ridicate privind conductele de gaz metan, necesitatea unor țevi și calorifere, personal specializat în instalații, costuri ridicate privind achiziționarea și montarea acestora, în același timp poluând mediul înconjurător cu emisii de monoxid de carbon.

Se cunosc dispozitive pentru încălzirea locuinței care folosesc sobe cu lemne sau centrale termice cu calorifere cu combustibil solid.

Dezavantajele acestorîncălzitoare constau în faptul că necesită introducerea regulată a lemnelorîn sobe sau centrale, curățarea periodică a coșurilor de fum, existând posibilitatea ca zgura din acestea să facă combustie și să aprindă locuința, fiind în același timp și poluator al mediului înconjurător.

RO 132215 Β1

Tehnologia de încălzire este reprezentată peste tot în lume de folosirea gazelor natu- 1 rale care sunt arse în centrale termice, folosirea combustibiIilor fosili, încălzirea cu calorifere cu rezistențe electrice având puteri mari de 1,5...3 kW, încălzire cu infraroșu tot cu puteri 3 mari, sau încălzirea cu sobe și centrale termice cu lemne sau derivate din acestea.

Prezenta invenție face parte dintr-o tehnologie de economisire a energiei electrice 5 și fără să polueze mediul.

Conversia energiei este amplu descrisă în literatura de specialitate a semiconducto- 7 rilor. Aceștia au nevoie, în funcționare, de radiatoare și ventilatoare, pentru a le menține la un nivel ridicat de temperatură a joncțiunilor. 9

Energia electrică consumată de acest tip de calorifer este de aproximativ

200...350 W, în funcție de temperatura setată, având un punct maxim de 70°C, care este 11 destul de mare, de regulă temperatura oferită de centralele termice situându-se la 4O...5O°C.

Un radiator de căldură transformă energia termică dintr-un dispozitiv de temperatură 13 mai ridicată la o temperatură mai mică. Mediul de fluid este frecvent aerul, dar poate fi, de asemenea, apa, uleiul de transformator sau alți solvenți. 15

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în conversia energiei electrice în energie termică necesară încălzirii unei locuințe. 17 încălzitorul electric, conform invenției, rezolvă problema tehnică menționată și înlătură dezavantajele menționate anterior, prin aceea că modulul de încălzire este alcătuit dintr-un 19 circuit imprimat din sticlotextolit, în care sunt introduși, prin lipire, niște pini ai unor semiconductori aflați în legătură cu niște tije metalice pentru alimentarea acestora. 21 încălzitorul electric, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

- nu emite noxe în timpul funcționării; 23

- are un consum redus de energie electrică, respectiv 150...350 W;

- ușurință în exploatare, deoarece este echipat cu un controler digital pentru controlul 25 temperaturii;

- ușor de instalat; 27

- nu necesită oameni specializați pentru montare;

- economii substanțiale la consumul de energie față de centralele cu gaz, sau față de 29 caloriferele cu rezistențe electrice de 1500...3000 W;

- ajunge în scurt timp la temperatura programată, respectiv în 30...40 min; 31

- asigură o temperatură maximă de 70°C.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu fig. 1 ...6, 33 care reprezintă:

- fig. 1, schema de ansamblu a încălzitorului electric; 35

- fig. 2, vedere laterală a încălzitorului electric;

- fig. 3, vedere de ansamblu a unui modul pentru încălzire; 37

- fig. 4, diagrama de funcționare a unui semiconductor;

- fig. 5, model de calcul al unui radiator; 39

- fig. 6, schema electrică a modulului de încălzire.

încălzitorul electric conform invenției este alcătuit dintr-o cavitate metalică inferioară 41 A din cupru sau aluminiu, în interiorul căreia se află un modul de încălzire B format dintr-o grupare de elemente semiconductoare, din niște elemenți metalici C fixați prin sudare atât 43 în modulul metalic inferior A, cât și într-o cavitate metalică superioară D, dintr-un modul controler de temperatură E, un modul transformator de tensiune F și un modul electronic G 45 pentru comanda modulului B. în interiorul cavității A și a elemenților metalici C metalice, se găsește ulei de transformator până la un nivel a. 47

RO 132215 Β1

Cavitatea metalică A este o țeavă metalică, de preferință din cupru sau aluminiu, în care sunt introduși elemenții metalici C, iar în partea superioară se află o cavitate D în care sunt introduși elemenții metalici C pentru a forma un încălzitor electric. în partea inferioară a cavității metalice inferioare A se găsește un modul de încălzire B aflat în legătură cu niște tije metalice 1, 2 și 3 pentru alimentarea unor semiconductori 4, ai căror pini sunt introduși prin lipire pe un circuit 5 imprimat, de preferință din sticlotextolit. Tijele 1, 2 și 3 străbat o flanșă 6 metalică prin niște izolatori de trecere 7, 8 și 9. La extremitatea dreaptă a cavității A, se află fixată o flanșă 10 cu găuri, în scopul etanșării încălzitorului electric prin strângere cu niște șuruburi 21 și niște piulițe 22. Controlerul de temperatură E prezintă un senzor 11 fixat pe unul din elemenții metalici C printr-un conductor 12 metalic, izolat la exterior pentru măsurarea temperaturii în mod precis. Controlerul E se setează la o temperatură dorită de 50, 55 sau 60°C, iar când temperatura elemenților metalici C a fost atinsă, controlerul E întrerupe alimentarea cu energie electrică a transformatorului de tensiune F prin intermediul unor conductori 13 și 14 metalici, izolați la exterior, și implicit a modulului de încălzire B. Dacă temperatura scade cu 2°C, controlerul E dă comanda și închide contactele releului din interiorul, iar astfel se reia un nou ciclu de alimentare a modulului de încălzire B.

în partea laterală a cavității metalice superioare D este prevăzut un robinet 15 pentru evacuarea aerului din interiorul caloriferului atunci când uleiul din interior se dilată datorită căldurii provenite de la modulul de încălzire B, iar după atingerea temperaturii maxime, robinetul 15 se închide etanș.

Tot în modulul F de alimentare cu energie electrică de la rețeaua electrică de 23 V c.a., se află un comutator de pornire 16 și o siguranță de protecție 17 în scopul prevenirii încălzirii transformatorului la creșterea accidentală a tensiunii de rețea.

în modulul electronic G, care este un modul electronic tip PMW generator de impulsuri cu un circuit integrat, se prevede un potențiometru exterior 8 pentru reglajul duratei impulsurilor și implicit creșterea sau descreșterea temperaturii.

Modulul de încălzire B este un modul de încălzire a uleiului din interiorul cavității A, format din semiconductori de putere 4 și care au nevoie de radiator de răcire în timpul funcționării. Semiconductorii 4 sunt fixați pe un profil 20 metalic, de preferință din cupru sau aluminiu, de formă pătrată sau dreptunghiulară, cu niște șuruburi 19, iar pinii semiconductorilor 4 aleși suni lipiți pe o placă de circuit imprimat 5 din sticlotextolit, care rezistă la temperaturi mai mari de 100°C. Fiecare element metalic C are câte doi semiconductori 4 montați în dreptul său, în scopul încălzirii rapide a uleiului de transformator din cavitatea A și elemenții metalici C.

Funcționarea instalației este următoarea: modulul de încălzire B este alimentat de la rețeaua electrică de 230 V c.a. printr-un transformator coborâtor de tensiune, de preferință de 24...36 V c.a., cu scopul alimentării semiconductorilor 4 care primesc în bază un impuls PMW care încălzește rapid toate tranzistoarele, generând astfel energie termică care se degajă rapid în masa substanței care înconjoară cavitatea metalică superioară D.

Controlerul de temperatură E este un controler cu afișare numerică a temperaturii măsurate cu ajutorul unui senzor 11 amplasat pe unul dintre elemenții metalici C. Setarea temperaturii încălzitorului electric se face prin intermediul unor butoane amplasate pe panoul frontal al controlerului E.

Modulul electronic G are montat la exterior un potențiometru 18 pentru reglarea frecvenței impulsurilor care comandă semiconductorii 4 din modulul B. Prin rotirea potențiometrului 18 se schimbă frecvența, factorul de umplere a impulsurilor, închizând și deschizând baza tranzistorilor, și implicit căldura generate de semiconductorii 4.

RO 132215 Β1 în timpul alimentării cu energie electrică, joncțiunile din dispozitivele semiconductoare 1 4 se pot încălzi până la o temperatură maximă de 150°C, conform datelor din fișa de date a componentei respective, pentru care consumă o anumită putere și un anumit curent. 3

Un dispozitiv electronic sau o joncțiune este caracterizată de un parametru termic important definit prin temperatura maximă a joncțiunilor. Temperatura atinsă de joncțiune 5 depinde de puterea disipată pe dispozitiv și de posibilitatea de răcire a acestuia. Pentru creșterea valorii disipate maxime, este necesar să se reducă rezistența termică totală. Acest 7 lucru este posibil prin montarea dispozitivului pe un corp metalic cu rol de răcire a capsulei, precum și imersarea întregului modul în ulei de transformator. Transferul termic de la sursa 9 termică, care este o sursă concentrată pe suprafață, prin încălzitor, către mediul ambient, are loc prin conducție, convecție și radiație termică. 11

Fiabilitatea și longevitatea oricărui dispozitiv semiconductor sunt aproximativ invers proporționale cu pătratul temperaturii joncțiunii. Mai precis, prin reducerea lajumătatea tem- 13 peraturii joncțiunii, va crește aproximativ de patru ori durata de viață preconizată a componentei semiconductoare. Procesul de eliminare a căldurii din zona activă a unui tranzistor 15 sau a unei diode implică mai multe transferuri termice.

Sunt cunoscute, în fizică, toate relațiile de calcul necesare pentru disiparea căldurii 17 la radiatoarele folosite în electronică.

în fig. 5, este reprezentat un mod de calcul al unui circuit prin analogie cu un circuit 19 electric unde fluxul de căldură este reprezentat de curent constant, temperaturile sunt reprezentate prin tensiuni, rezistențele termice absolute sunt reprezentate de rezistențe și capa- 21 cități termice ale condensatoarelor:

- Ț, este temperatura joncțiunii; 23

- T_c, este temperatura la carcasa metalică a joncțiunii;

- T_h, este temperatura radiatorului atașat la carcasa metalică a joncțiunii; 25

T_amb, este temperatura mediului ambiant;

- R_0jc, este rezistența termică absolută a dispozitivului de la intersecția de caz; 27

- R_0ch, este rezistența termică absolută din interiorul încălzitorului;

- R_0ha, este rezistența termică absolută a încălzitorului. 29

Deși există o analogie între fluxul de căldură prin conductive și curgerea unui curent electric, proprietățile fizice corespunzătoare ale conductivității termice și electrice con- 31 lucrează și este greșit să concluzionăm că există o analogie practică între rezistența electrică și rezistența termică. Acest lucru se datorează faptului că un material considerat izolator din 33 punct de vedere electric este de aproximativ douăzeci de ori mai conductiv decât un material care este considerat un conductor, în timp ce, din punct de vedere termic, diferența dintre 35 un izolator și un conductor este de numai trei ori. întreaga gamă de conductivitate termică este apoi echivalentă cu diferența de conductivitate electrică a siliciului dopat cu dopare 37 înaltă și dopare joasă.

Zona de siguranță pentru unele tipuri de dispozitive semiconductoare este definită 39 ca fiind un raport între tensiunea și curentul care străbat o joncțiune fără a se distruge.

în fig. 5, este reprezentată o diagramă de funcționare a unui semiconductor, dia- 41 gramă care însoțește orice dispozitiv semiconductor fabricat de către un producător de componente electronice. Caietele de sarcini ale unui semiconductor combină diferite limitări ale 43 dispozitivului, cum ar fi tensiunea maximă, curentul maxim, temperatura pe joncțiune, etc., permițând astfel trasarea unei diagrame a protecției dispozitivului. Orice combinație de 45 tensiune și curent situată sub linia de toleranță duce la o funcționare normală a unui semiconductor. Curba ia în considerare curentul, temperatura joncțiunii, puterea internă disipată 47 și liniile de degradare secundare.

RO 132215 Β1 în cazul în care atât curentul, cât și tensiunea sunt reprezentate grafic pe scala loga ritmică, atunci:

³ l_c ⁼ 'cmax este limita de curent;

- V_ce = V_cemax - este limita de tensiune;

⁵ l_cV_ce ⁼ Pmax - este limita de disipări, defalcare termică;

- l_cV_ce = const - este limita dată de defalcarea secundară.

Claims (1)

1. Revendicare 1 încălzitor electric, alcătuit dintr-o cavitate metalică inferioară (A) în interiorul căreia 3 se află amplasat un modul de încălzire (B), aflată în legătură cu o cavitate superioară (D) prin intermediul unor elemenți metalici (C) conectați la un modul controler de temperatură (E), la 5 un modul transformator de tensiune (F) și la un modul electronic de comandă (G), caracterizat prin aceea că modulul de încălzire (B) este alcătuit dintr-un circuit (5) imprimat din 7 sticlotextolit, în care sunt introduși prin lipire niște pini ai unor semiconductori (4) aflați în legătură cu niște tije metalice (1, 2, 3) pentru alimentarea acestora. 9