RU2088855C1

RU2088855C1 - Electric water heater

Info

Publication number: RU2088855C1
Application number: RU95107097A
Authority: RU
Inventors: Б.С. Абезгауз; Ю.Л. Ревякин; А.Н. Хрисанов
Original assignee: Производственный кооператив "Элав"
Priority date: 1995-05-06
Filing date: 1995-05-06
Publication date: 1997-08-27
Also published as: RU95107097A

Abstract

FIELD: water heating systems. SUBSTANCE: electric water heater has housing 1 with electric heating elements mounted inside it; heating elements 2 are secured to upper cover 6 of housing 1. Cover 6 is made from heat-conducting material for thermal contact. Cold water supply branch pipe 4 is connected to lower portion of housing 1 and hot water discharge branch pipe 5 is connected to upper cover 6 of housing 1. Water heater is also provided with safety thermoswitch 7 mounted on outside of housing 1 for thermal contact, water temperature controller with sensor mounted inside housing 1 in water-tight heat-conducting casing 8 which is connected to upper cover 6 of housing 1 for thermal contact. Electric heating elements 2 are connected to supply mains through thermocontroller and safety thermoswitch connected in series. Height of casing 1 does not exceed magnitudes 2,5λF_w, , where α is coefficient of thermal conductivity of material of casing, V/(mk); F_w is area of cross section of side wall of casing, sq.m. EFFECT: enhanced reliability. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электробытовым нагревательным приборам и может быть использовано с целью нагрева воды для бытовых нужд, например, в ванной или на кухне. The invention relates to electrical household heating appliances and can be used to heat water for domestic purposes, for example, in a bathroom or in the kitchen.

Известен электроводонагреватель по заявке Японии N 62-51375, 4 F 24 H 1/10 (ИСМ, 1988, вып. 99, N 11, с.42), содержащий корпус, внутри которого установлен электронагревательный элемент, токоподводящий вывод которого закреплен на верхней части корпуса, входной патрубок для подвода холодной воды, присоединенный к нижней части корпуса, выходной патрубок для отвода нагретой воды, присоединенный к верхней части корпуса, терморегулятор, соединенный последовательно с нагревательным элементом, датчик температуры которого заключен в непроницаемый для воды кожух, расположенный внутри корпуса и подключенный к дифференцируемой схеме. Кроме этого электроводоподогреватель имеет устройство, включающее электронагревательный элемент при поступлении воды в корпус. Known electric heater according to the application of Japan N 62-51375, 4 F 24 H 1/10 (ISM, 1988, issue 99, N 11, p. 42), comprising a housing, inside which there is an electric heating element, the current supply terminal of which is fixed on the upper part housing, an inlet pipe for supplying cold water connected to the lower part of the housing, an outlet pipe for draining heated water connected to the upper part of the housing, a temperature controller connected in series with a heating element, the temperature sensor of which is enclosed in a water-tight casing, located inside the case and connected to a differentiable circuit. In addition, the electric heater has a device that includes an electric heating element when water enters the housing.

Признаки данного устройства, совпадающие с существенными признаками заявляемого устройства:
корпус;
электронагревательный элемент, расположенный в корпусе, токоподводящий вывод которого закреплен на верхней части корпуса;
патрубок подвода холодной воды, присоединенный к нижней части корпуса;
патрубок отвода нагретой воды, присоединенный к верхней части корпуса;
терморегулятор, соединенный последовательно с нагревательным элементом;
установка датчика терморегулятора в водонепроницаемом кожухе внутри корпуса;
Недостатками данного устройства являются:
низкая надежность срабатывания системы защиты от перегрева в случае отказа или разрегулировки датчика расхода воды, установленного на входном патрубке. Это объясняется следующим. В случае включения нагревательного элемента при отсутствии воды в корпусе, нагрев датчика температуры осуществляется благодаря тепловому излучению и конвекции нагретого воздуха в корпусе, так как между кожухом датчика и электронагревательным элементом нет непосредственного теплового контакта. Вследствие относительно низкой интенсивности указанных видов теплообмена, скорость изменения температуры датчика будет достаточной для срабатывания системы защиты при значительном перегреве электронагревательного элемента, что может привести к его возгоранию.The signs of this device, coinciding with the essential features of the claimed device:
housing;
an electric heating element located in the housing, the current-carrying terminal of which is fixed on the upper part of the housing;
a cold water inlet connected to the bottom of the housing;
a heated water outlet pipe connected to the upper part of the housing;
a temperature controller connected in series with the heating element;
installation of the temperature sensor in a waterproof casing inside the housing;
The disadvantages of this device are:
low reliability of the overheating protection system in the event of a failure or deregulation of the water flow sensor installed on the inlet pipe. This is explained by the following. If the heating element is switched on in the absence of water in the housing, the temperature sensor is heated due to thermal radiation and convection of heated air in the housing, since there is no direct thermal contact between the sensor housing and the electric heating element. Due to the relatively low intensity of these types of heat transfer, the rate of change of the temperature of the sensor will be sufficient to trigger the protection system with a significant overheating of the electric heating element, which can lead to fire.

В случае частичного покрытия водой кожуха датчика температуры и электронагревательного элемента, перегрев последнего будет значительно большим, так как перегрев будет воспринимать только не покрытая водой часть датчика температуры. In case of partial coating of the temperature sensor casing and the electric heating element with water, the overheating of the latter will be much larger, since only the part of the temperature sensor that is not covered by water will perceive overheating.

необходимость в периодической перенастройки дифференцирующей схемы, так как с течением времени меняется интенсивность теплообмена электронагревательного элемента и кожуха датчика температуры, вследствие образования на них накипи, окисления поверхности и т.п. the need for periodic reconfiguration of the differentiating circuit, since the rate of heat transfer of the electric heating element and the casing of the temperature sensor changes over time due to the formation of scale on them, surface oxidation, etc.

Известен электроводоподогреватель по заявке Японии N 1-22553, 4 F 24 H 9/20, (ИСМ, 1990, вып. 99 N 2, с.69), содержащее корпус, внутри которого установлены электронагревательные элементы, токоподводящие выводы которых закреплены на верхней части корпуса, входной патрубок для подвода холодной воды и выходной патрубок для отвода нагретой воды, термовыключатель, установленный снаружи на верхней крышке корпуса рядом с открытым концом патрубка подвода холодной воды и подключенный последовательно с электронагревательными элементами. Known electric heater according to the application of Japan N 1-22553, 4 F 24 H 9/20, (ISM, 1990, issue 99 N 2, p.69), containing a housing inside which are installed electric heating elements, the current-carrying leads of which are fixed on the upper part the case, the inlet pipe for supplying cold water and the outlet pipe for removing heated water, a thermal switch mounted externally on the top cover of the case near the open end of the pipe for supplying cold water and connected in series with electric heating elements.

При перегреве корпуса электроводоподогревателя термовыключатель отключает питание электронагревательных элементов. When the body of the electric heater is overheated, the thermal switch cuts off the power to the electric heating elements.

Признаки данного устройства, совпадающие с существенными признаками заявленного устройства:
корпус;
электронагревательные элементы, расположенные в корпусе, токоподводящие выводы которых закреплены на верхней части корпуса;
патрубок для подвода холодной воды;
патрубок для отвода нагретой воды;
термовыключатель, установленный снаружи на верхней крышке корпуса и подключенный последовательно к электронагревательным элементам;
Недостатками известного устройства являются:
опасность ожога потребителя при неожиданном падении давления в водопроводной сети, что объясняется большой инерционностью термовыключателя. Действительно, при резком падении давления в водопроводной сети, уменьшается расход воды через водоподогреватель и увеличивается температура воды на выходе, а температуру воды вблизи открытого конца патрубка подвода холодной воды, да и то непосредственно через верхнюю крышку корпуса, то своевременного отключения нагревательных элементов не произойдет, что и вызовет перегрев воды на выходе;
низкая надежность, что объясняется большим током коммутируемым термовыключателем (до 25 А), частым замыканием его контактов при изменении давления в водопроводной сети и, как следствие, подгорание контактов, увеличение их переходного сопротивления и даже сваривания, что увеличивает пожароопасность устройства. Отсутствие дублирования системы термозащиты водоподогревателя делает его опасным для потребителя. Кроме того, при выходе из строя системы защиты от включения электронагревательных элементов при отсутствии воды в корпусе, также возникает опасность выхода из строя электроподогревателя, т. к. в этом случае термовыключатель будет периодически включать и выключать электронагревательные элементы не покрытые водой, что вызовет их перегрев и последующее перегорание.Signs of this device that match the essential features of the claimed device:
housing;
electric heating elements located in the housing, the current-carrying leads of which are fixed on the upper part of the housing;
branch pipe for cold water supply;
a nozzle for draining heated water;
a thermal switch mounted externally on the top cover of the housing and connected in series to the electric heating elements;
The disadvantages of the known device are:
danger of burns to the consumer in case of an unexpected drop in pressure in the water supply network, which is explained by the high inertia of the thermal switch. Indeed, with a sharp drop in pressure in the water supply network, the flow rate of water through the water heater decreases and the outlet water temperature increases, and the water temperature near the open end of the cold water supply pipe, and even then directly through the top cover of the casing, then the heating elements will not be turned off in a timely manner, which will cause overheating of the outlet water;
low reliability, which is explained by the high current of the switched thermal switch (up to 25 A), the frequent closure of its contacts when the pressure in the water supply network changes and, as a result, the contacts burn out, increase their transition resistance and even weld, which increases the fire hazard of the device. The absence of duplication of the thermal protection system of the water heater makes it dangerous for the consumer. In addition, in case of failure of the protection system against switching on electric heating elements in the absence of water in the case, there is also a danger of failure of the electric heater, because in this case the thermal switch will periodically turn on and off electric heating elements not covered by water, which will cause them to overheat and subsequent burnout.

Известен электрический водонагреватель по заявке Франции N 2575544, 4 F 24 H 1/2 (ИСМ, 1987, N 1, вып. 99 с.29), содержащий корпус, внутри которого установлен электронагревательный элемент с токоподводящими контактами, расположенными в нижней части корпуса, патрубки подвода холодной и нагретой воды. Электронагревательный элемент окружен предохранительной трубкой без соприкосновения, к которой присоединен кожух датчика терморегулятора, соединенного последовательно с электронагревательным элементом. Known electric water heater according to the application of France N 2575544, 4 F 24 H 1/2 (ISM, 1987, N 1, issue 99 p.29), containing a housing, inside which is installed an electric heating element with current-carrying contacts located in the lower part of the housing, nozzles for supplying cold and heated water. The electric heating element is surrounded by a safety tube without contact, to which is attached the casing of the temperature control sensor connected in series with the electric heating element.

Признаки данного устройства, совпадающие с существенными признаками заявленного устройства:
корпус;
электронагревательный элемент, расположенный в корпусе;
патрубок подвода холодной воды;
патрубок отвода нагретой воды;
терморегулятор, соединенный последовательно с электронагревательным элементом;
установка датчика терморегулятора в водонепроницаемом кожухе внутри корпуса.Signs of this device that match the essential features of the claimed device:
housing;
an electric heating element located in the housing;
cold water inlet;
heated water outlet pipe;
a temperature controller connected in series with an electric heating element;
installation of the temperature sensor in a waterproof casing inside the housing.

Недостатком данного электроводонагревателя является низкая надежность. Это объясняется следующим:
отсутствие дублирование системы защиты от перегрева, что при выходе из строя терморегулятора приведет к перегоранию электронагревательного элемента;
низкой интенсивностью теплообмена между электронагревательным элементом и датчиком температуры при включении устройства, незаполненного водой. Действительно электронагревательный элемент и кожух датчика температуры разделены воздушным зазором и предохранительной трубкой, что увеличивает запаздывание срабатывания терморегулятора, вызывает перегрев электронагревательного элемента, что может привести к его сгоранию.The disadvantage of this heater is low reliability. This is explained by the following:
lack of duplication of the system of protection against overheating, which, if the thermostat fails, will lead to burnout of the electric heating element;
low heat transfer between the electric heating element and the temperature sensor when you turn on the device, unfilled with water. Indeed, the electric heating element and the casing of the temperature sensor are separated by an air gap and a safety tube, which increases the response delay of the thermostat, causes the electric heating element to overheat, which can lead to its combustion.

Наиболее близким устройством прототипом является электроводонагреватель с предохранительным терморегулятором по патенту США N 4641011, МКИ 4 H 05 B 1/02, (ИСМ 137-12-87, стр. 23). Электроводонагреватель содержит корпус, внутри которого установлены электронагревательные элементы, токоподводящие выводы которых закреплены на верхней крышке корпуса, патрубок подвода холодной воды, присоединенный к корпусу в нижней части, патрубок отвода нагретой воды, присоединенный к верхней крышке корпуса, датчик терморегулятора температуры воды, установленный в герметичной трубке внутри корпуса, датчик предохранительного термовыключателя установленный на боковой стенке снаружи корпуса, причем терморегулятор температуры воды и предохранительный терморегулятор соединены последовательно, благодаря чему достигается дублирование отключения электронагревательных элементов при перегреве водонагревателя. The closest device to the prototype is an electric heater with a safety thermostat according to US patent N 4641011, MKI 4 H 05 B 1/02, (ISM 137-12-87, p. 23). The electric heater contains a housing, inside which electric heating elements are installed, the supply leads of which are fixed to the upper housing cover, a cold water supply pipe connected to the lower housing, a heated water discharge pipe connected to the upper housing cover, a water temperature thermostat sensor installed in a sealed the tube inside the housing, a safety thermoswitch sensor mounted on the side wall outside the housing, and the temperature thermostat in s and a safety thermostat connected in series, which results in duplication of heating elements off when the heater is overheated.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявленного изобретения:
корпус;
электронагревательные элементы, расположенные в корпусе, токоподводящие выводы которых закреплены на верхней крышке корпуса;
выполнение крышки из теплопроводного материала;
патрубок подвода холодной воды, присоединенный к нижней части корпуса;
патрубок отвода нагретой воды, присоединенный к верхней крышке корпуса;
предохранительный термовыключатель, установленный снаружи корпуса, с возможностью теплового контакта с ним;
терморегулятор с датчиком, заключенным в водонепроницаемый, теплопроводный кожух, установленный внутри корпуса;
последовательное соединение предохранительного термовыключателя и терморегулятора и подключение через них электронагревательных элементов к сети питания.Signs of the prototype, coinciding with the essential features of the claimed invention:
housing;
electric heating elements located in the housing, the current-carrying leads of which are mounted on the top cover of the housing;
the implementation of the cover of a heat-conducting material;
a cold water inlet connected to the bottom of the housing;
a heated water outlet pipe attached to the upper housing cover;
safety thermal switch mounted outside the housing with the possibility of thermal contact with it;
a temperature controller with a sensor enclosed in a waterproof, heat-conducting casing installed inside the housing;
serial connection of the safety thermal switch and thermostat and the connection through them of electric heating elements to the power supply.

Недостатком прототипа является низкая надежность в случае включения электроводонагревателя, не заполненного водой. Действительно, в этом случае, между электронагревательными элементами, с одной стороны, и предохранительным термовыключателем, а также датчиком терморегулятора, с другой стороны, имеется воздушный зазор, исключающий тепловой контакт между ними. Поэтом при нагреве электронагревательных элементов тепло к указанным чувствительным элементам будет передаваться через воздушный зазор путем излучения и конвекции, что вызовет значительное запаздывание срабатывания термозащиты и, как следствие, перегрев электронагревательных элементов и выход их из строя. The disadvantage of the prototype is the low reliability in the case of turning on the electric heater, not filled with water. Indeed, in this case, between the electric heating elements, on the one hand, and the safety thermal switch, as well as the thermostat sensor, on the other hand, there is an air gap that excludes thermal contact between them. Therefore, when heating the electric heating elements, heat will be transferred to the indicated sensitive elements through the air gap by radiation and convection, which will cause a significant delay in the operation of thermal protection and, as a result, overheating of the electric heating elements and their failure.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении надежности электроводонагревателя путем обеспечения теплового контакта между электронагревательными элементами, с одной стороны, и термовыключателем, а также датчиком терморегулятора, с другой стороны, и, следовательно, уменьшении времени запаздывания срабатывания термозащиты и исключении перегрева электронагревательных элементов. The technical result achieved by the invention is to increase the reliability of the electric heater by providing thermal contact between the electric heating elements, on the one hand, and the thermal switch, as well as the thermostat sensor, on the other hand, and, therefore, reducing the delay time of the thermal protection and eliminating overheating of the electric heating elements.

Указанный результат достигается тем, что в электроводонагревателе, содержащем корпус, в полости которого установлены электронагревательные элементы, прикрепленные к верхней крышке корпуса, выполненной из теплопроводного материала, с возможностью теплового контакта, патрубок подвода холодной воды, присоединенный к нижней части корпуса, патрубок отвода нагретой воды, присоединенный к верхней крышке корпуса, предохранительный термовыключатель, установленный снаружи корпуса с возможностью теплового контакта с ним, терморегулятор температуры воды с датчиком, установленным в непроницаемом для воды теплопроводном кожухе внутри корпуса, причем терморегулятор температуры воды и предохранительный термовыключатель соединены последовательно, предохранительный термовыключатель установлен на верхней крышке корпуса, кожух датчика терморегулятора присоединен к верхней крышке корпуса с возможность теплового контакта, а высота кожуха не должна превышать величины 2,5λF_Б, где λ коэффициент теплопроводности материала кожуха, Вт/м•K; F_Б площадь поперечного сечения боковой стенки кожуха, м².This result is achieved by the fact that in the electric heater containing the housing, in the cavity of which electric heating elements are installed, attached to the upper housing cover made of heat-conducting material, with the possibility of thermal contact, a cold water supply pipe connected to the lower part of the body, a heated water discharge pipe attached to the top cover of the case, a safety thermal switch mounted outside the case with the possibility of thermal contact with it, the temperature regulator water temperature with a sensor installed in a water-tight heat-conducting casing inside the housing, the water temperature thermostat and the safety thermal switch are connected in series, the thermal safety switch is installed on the upper housing cover, the temperature control sensor housing is connected to the upper housing cover with the possibility of thermal contact, and the casing height is not must exceed 2.5λF _B , where λ is the thermal conductivity of the casing material, W / m • K; F _B the cross-sectional area of the side wall of the casing, m ² .

В частном случае реализации электроводонагревателя по п.2 формулы изобретения наружная боковая поверхность кожуха выполнена шестигранной, соединение кожуха с верхней крышкой корпуса осуществляется с помощью конического резьбового соединения, в качестве датчика температуры использован терморезистор, залитый внутри кожуха теплопроводной, электрически изолирующей пастой, дно кожуха выполнено конусообразным с углом при вершине конуса, равным 60^oC, температура отключения предохранительного термовыключателя превышает температуру настройки терморегулятора не менее, чем на 25 К.In the particular case of the implementation of the electric heater according to claim 2, the outer side surface of the casing is made hexagonal, the casing is connected to the upper cover of the casing using a conical threaded connection, a thermistor is used as a temperature sensor, which is filled with heat-conducting, electrically insulating paste inside the casing, the bottom of the casing is made cone-shaped with an angle at the apex of the cone equal to 60 ^o C, the tripping temperature of the safety thermal switch exceeds the temperature no less than 25 K.

Существенными признаками заявляемого устройства, отличительными от прототипа, являются:
установка предохранительного термовыключателя на верхней крышке корпуса;
присоединение кожуха датчика терморегулятора к верхней крышке корпуса с возможностью теплового контакта;
высота кожуха относительно внутренней плоскости верхней крышки корпуса не должна превышать величины 2,5λF_Б, где λ теплопроводность материала кожуха, F_Б площадь поперечного сечения боковой стенки кожуха.Salient features of the claimed device, distinctive from the prototype, are:
installation of a safety thermal switch on the upper housing cover;
attaching the casing of the temperature controller sensor to the upper housing cover with the possibility of thermal contact;
the height of the casing relative to the inner plane of the upper cover of the casing should not exceed 2.5λF _B , where λ is the thermal conductivity of the casing material, F _{B is} the cross-sectional area of the side wall of the casing.

Установка предохранительного термовыключателя на верхней крышке корпуса необходима для увеличения быстродействия срабатывания термовыключателя при возникновении неисправности терморегулятора, т.к. этим достигается наименьшее тепловое сопротивление между электронагревательными элементами и термовыключателем. The installation of a safety thermal switch on the top cover of the housing is necessary to increase the response time of the thermal switch in the event of a malfunction of the temperature controller, because This achieves the lowest thermal resistance between the electric heating elements and the thermal switch.

Присоединение кожуха датчика терморегулятора к верхней крышке корпуса с возможностью теплового контакта, а также выбор высоты кожуха, не превышающей указанной выше величины, необходимо для обеспечения своевременного отключения электронагревательных элементов при неполном заполнении водой корпуса или при ее отсутствии. Это поясняется фиг.1, где показан разрез теплопроводного кожуха 1, соединенного с верхней крышкой корпуса 2. Внутри кожуха установлен датчик температуры 3. При полном заполнении корпуса электроводонагревателя водой датчик температуры определяет температуру воды в верхней части корпуса, которая и поступает к потребителю. Причем тепловой поток от нагретой воды, в основном, передается датчику через дно кожуха, имеющего наименьшую толщину, допускаемую технологией изготовления и обеспечивающую достаточную прочность дна кожуха. The connection of the casing of the temperature controller sensor to the upper case lid with the possibility of thermal contact, as well as the selection of the casing height not exceeding the above value, is necessary to ensure timely disconnection of electric heating elements when the casing is incompletely filled with water or in its absence. This is illustrated by figure 1, which shows a section of a heat-conducting casing 1 connected to the top cover of the housing 2. Inside the casing, a temperature sensor 3 is installed. When the casing of the electric heater is completely filled with water, the temperature sensor determines the temperature of the water in the upper part of the casing, which is supplied to the consumer. Moreover, the heat flux from the heated water is mainly transmitted to the sensor through the bottom of the casing having the smallest thickness allowed by the manufacturing technology and providing sufficient strength of the casing bottom.

В случае появления неисправности электроводонагревателя и включения электронагревательных элементов, не покрытых водой, начинается разогрев кожуха и заключенного в нем датчика температуры. При этом нагрев датчика происходит благодаря теплопередаче от верхней крышки корпуса через боковую стенку кожуха, тепловому излучению нагретых электронагревательных элементов, а также теплоотдаче от нагреваемого в корпусе воздуха. Увеличение скорости нагрева датчика температуры может быть достигнуто за счет увеличения теплового потока, передающегося от нагревающейся верхней крышки благодаря теплопроводности стенок кожуха. In the event of a malfunction of the electric heater and the inclusion of electric heating elements not covered by water, heating of the casing and the temperature sensor enclosed in it begins. In this case, the heating of the sensor occurs due to heat transfer from the upper cover of the housing through the side wall of the casing, the thermal radiation of the heated electric heating elements, as well as heat transfer from the air heated in the housing. An increase in the heating rate of the temperature sensor can be achieved by increasing the heat flux transmitted from the heating top cover due to the thermal conductivity of the walls of the casing.

Так как величина этого теплового потока определяется тепловым сопротивлением кожуха, можно утверждать, что обеспечение заданного быстродействия отключения электронагревательных элементов может быть достигнуто уменьшением теплового сопротивления кожуха, определяемого по формуле:

где H
высота кожуха относительно внутренней плоскости верхней крышки корпуса, М;
λ - коэффициент теплопроводности материала кожуха Вт/мК;
F_б- площадь поперечного сечения боковой стенки кожуха, м².Since the magnitude of this heat flux is determined by the thermal resistance of the casing, it can be argued that providing a given speed of shutdown of electric heating elements can be achieved by reducing the thermal resistance of the casing, determined by the formula:

where h
casing height relative to the inner plane of the upper housing cover, M;
λ is the coefficient of thermal conductivity of the material of the casing W / mK;
F _b - the cross-sectional area of the side wall of the casing, m ² .

Для бытовых электроводонагревателей с максимальной мощностью, не превышающей 5 кВт, авторами экспериментально установлено верхний предел для теплового сопротивления кожуха, который составил 2,5 кВт, что обеспечивает отключение электронагревательных элементов терморегулятором температуры воды (при отсутствии воды в корпусе) при нагреве верхней крышки корпуса до температуры Т=353К. For domestic electric heaters with a maximum power not exceeding 5 kW, the authors experimentally set an upper limit for the thermal resistance of the casing, which amounted to 2.5 kW, which ensures that the electric heating elements are turned off by the water temperature thermostat (in the absence of water in the case) when the upper case cover is heated to temperature T = 353K.

Таким образом тепловое сопротивление кожуха должно удовлетворить неравенству:
2,5 к/Вт или

.Thus, the thermal resistance of the casing should satisfy the inequality:
2.5 k / W or

.

Отсюда получим неравенство, которому должна удовлетворять высота кожуха:
H ≅ 2,5 λ•F_Б
Нижний предел для высоты кожуха определяется величиной, достаточной для расположения датчика температуры внутри кожуха за пределами верхней крышки корпуса. Это необходимо для уменьшения погрешности определения температуры воды, вызванной тепловым потоком от верхней части крышки корпуса, температура которой отличается от температуры воды.From here we get the inequality that the casing height must satisfy:
H ≅ 2.5 λ • F _B
The lower limit for the height of the casing is determined by a value sufficient to position the temperature sensor inside the casing outside the top cover of the housing. This is necessary to reduce the error in determining the temperature of the water caused by the heat flux from the upper part of the housing cover, the temperature of which differs from the temperature of the water.

На фиг. 2, 3 показан общий вид электроводонагревателя, на фиг.4 пример схемы термовыключателя, на фиг.5 структурная схема подключения электронагревательных элементов к сети питания. In FIG. 2, 3 shows a general view of the electric heater, Fig. 4 is an example of a circuit breaker, and Fig. 5 is a structural diagram of connecting electric heating elements to a power network.

Электронагреватель (фиг. 2) содержит корпус 1, электронагревательные элементы 2 с токоподводящими контактами 3, патрубок подвода холодной воды 4, патрубок отвода нагретой воды 5, верхнюю крышку 6, предохранительный термовыключатель 7, кожух 8, датчик 9 терморегулятора, залитый теплопроводной пастой. The electric heater (Fig. 2) contains a housing 1, electric heating elements 2 with current-carrying contacts 3, a cold water supply pipe 4, a heated water pipe 5, a top cover 6, a safety thermal switch 7, a casing 8, a temperature controller 9, filled with heat-conducting paste.

Патрубок подвода холодной воды 4 присоединен к нижней части корпуса 1. Патрубок отвода нагретой воды 5 присоединен к верхней крышке 6, выполненной из теплопроводного материала. Трубчатые электронагревательные элементы 2 прикреплены к верхней крышке 6 с возможностью теплового контакта. Снаружи к верхней крышке 6 присоединен предохранительный термовыключатель 7 также с возможностью теплового контакта. Кожух 8 расположен внутри корпуса 1 и присоединен к верхней крышке 6, причем это соединение также обеспечивает тепловой контакт. Соединение кожуха 8 с верхней крышкой 6, в частном случае реализации устройства по п.2 формулы изобретения осуществляется коническим резьбовым соединением, что обеспечивает водонепроницаемость сочленения без применения уплотнительных прокладок. Боковая поверхность кожуха 8 выполнена шестигранной для удобства крепления кожуха 8 к верхней крышке 6. Внутри кожуха 8 установлен датчик температуры 9, например, терморезистор, залитый теплопроводящей пастой, необходимой для улучшения теплового контакта датчика температуры 9 с кожухом 8. Дно кожуха выполнено конусообразным с углом при вершине конуса равным 60^o, что необходимо для получения одинаковой минимальной толщины дна кожуха, внутренняя полость которого высверлена стандартным сверлом.The cold water supply pipe 4 is attached to the lower part of the housing 1. The heated water pipe 5 is connected to the upper cover 6 made of heat-conducting material. Tubular electric heating elements 2 are attached to the top cover 6 with the possibility of thermal contact. Outside to the top cover 6 is attached a safety thermal switch 7 also with the possibility of thermal contact. The casing 8 is located inside the housing 1 and is attached to the top cover 6, and this connection also provides thermal contact. The connection of the casing 8 with the top cover 6, in the particular case of the implementation of the device according to claim 2, is carried out by a conical threaded connection, which ensures the watertightness of the joint without the use of gaskets. The side surface of the casing 8 is made hexagonal for the convenience of attaching the casing 8 to the top cover 6. A temperature sensor 9 is installed inside the casing 8, for example, a thermistor filled with heat-conducting paste necessary to improve the thermal contact of the temperature sensor 9 with the casing 8. The bottom of the casing is conical with an angle at the top of the cone equal to 60 ^o , which is necessary to obtain the same minimum thickness of the bottom of the casing, the inner cavity of which is drilled with a standard drill.

Температура отключения предохранительного термовыключателя превышает температуру настройки терморегулятора не менее, чем на 25 К, что необходимо для исключения срабатывания предохранительного термовыключателя при исправном терморегуляторе. Указанная величина определена экспериментально для электроводонагревателей мощностью до 5 кВт. The tripping temperature of the safety thermal switch exceeds the temperature of the thermostat by at least 25 K, which is necessary to exclude the operation of the safety thermal switch with a working thermostat. The indicated value is determined experimentally for electric heaters with power up to 5 kW.

Предохранительный термовыключатель при однофазном питании электроводонагревателя содержит два термовыключателя, каждый из которых подключается к соответствующему проводу питания. Это необходимо для повышения электробезопасности электроводонагревателя после срабатывания предохранительного термовыключателя, так как при этом все узлы электроводонагревателя гарантированно отключается от сети питания. The safety thermal switch for single-phase power supply of the electric heater contains two thermal switches, each of which is connected to the corresponding power cable. This is necessary to increase the electrical safety of the heater after the safety switch is tripped, since in this case all nodes of the heater are guaranteed to be disconnected from the power supply.

Пример конструкции одного термовыключателя изображен на фиг.4. Термовыключатель содержит первый 1 и второй 2 неподвижные контакты с вертикальными выводами, опирающиеся на теплопроводную и электрически изолирующую пластину 3, выполненную, например, из слюды, третий контакт 4, припаянный посредством плавкого вещества 5 внахлест к контактам 1 и 2, причем температура плавления плавкого вещества 5 равна необходимой температуре аварийного отключателя электронагревательного прибора, цилиндрическую пружину 6, одним концом присоединенную к третьему контакту 4, а другим концом к вертикальному выводу контакта 2, корпус 7, дно корпуса 8, выполненное из теплопроводного материала, причем пластина 3 зажата между дном 8 и корпусом 7, а вертикальная перегородка корпуса 7 прижимает первый неподвижный контакт 1 к пластине 3. An example of the design of one thermal switch is shown in figure 4. The temperature switch contains the first 1 and second 2 fixed contacts with vertical leads, resting on a heat-conducting and electrically insulating plate 3 made, for example, of mica, a third contact 4, soldered by means of a fusible material 5 lapped to contacts 1 and 2, and the melting temperature of the fusible material 5 is equal to the required temperature of the emergency switch of the electric heating device, a cylindrical spring 6, one end connected to the third contact 4, and the other end to the vertical terminal of contact 2, the housing 7, the bottom of the housing 8, made of heat-conducting material, and the plate 3 is sandwiched between the bottom 8 and the housing 7, and the vertical partition of the housing 7 presses the first stationary contact 1 to the plate 3.

На фиг. 5 показана структурная схема соединения предохранительного термовыключателя, терморегулятора и электронагревательных элементов. In FIG. 5 shows a block diagram of the connection of the safety thermal switch, thermostat and electric heating elements.

Электронагревательные элементы 1 присоединены к однофазному источнику питания 5 через терморегулятор 3 и предохранительный термовыключатель 4, соединенные последовательно. Терморегулятор 3 настроен, например, на температуру отключения электронагревательных элементов 1 T_тр=330±2 K, а предохранительный термовыключатель 4 на температуру отключения Т_пт=368±5 K.Electric heating elements 1 are connected to a single-phase power source 5 through a temperature regulator 3 and a safety thermal switch 4 connected in series. The temperature controller 3 is set, for example, to the cut-off temperature of the electric heating elements 1 T _Tr = 330 ± 2 K, and the safety thermal switch 4 to the shut-off temperature T _Fri = 368 ± 5 K.

Электроводонагреватель работает следующим образом. Electric heater operates as follows.

После заполнения водой корпуса 1 электроводонагревателя (фиг. 2) и включения его в сеть электронагревательные элементы 2 нагревают воду, которая имеет наибольшую температуру у верхней крышки 6. Эта температура воспринимается датчиком температуры, находящимся в кожухе 8. После повышения температуры воды до предельной температуры, на которую настроен терморегулятор, происходит отключение последних электронагревательных элементов 2. После понижения температуры воды процесс регулирования повторяется. Так как температура отключения предохранительного термовыключателя как минимум на 25 К превышает температуру срабатывания терморегулятора, то срабатывания предохранительного термовыключателя не происходит. After filling the housing 1 of the electric heater (Fig. 2) with water and turning it on, the electric heating elements 2 heat the water, which has the highest temperature at the top cover 6. This temperature is sensed by the temperature sensor located in the casing 8. After raising the water temperature to the maximum temperature, to which the thermostat is set, the last electric heating elements 2 are switched off. After lowering the water temperature, the regulation process is repeated. Since the tripping temperature of the safety thermoswitch is at least 25 K higher than the temperature of the thermostat, the tripping of the safety thermoswitch does not occur.

При отказе терморегулятора температура воды в корпусе и, следовательно, температура верхней крышки 6 повышается и при достижении значения температуры срабатывания предохранительного термовыключателя 7 происходит расплавление плавкого вещества 5 (см. фиг.4). Под действием пружины 6 контакт 4 отрывается от неподвижных контактов 1 и 2 и размыкает электрическую цепь. Это происходит в каждом термовыключателе, входящем в состав предохранительного термовыключателя, тем самым электроводонагреватель полностью отключается от сети. In case of failure of the temperature controller, the water temperature in the housing and, therefore, the temperature of the top cover 6 rises and when the temperature of the safety switch 7 is reached, the fusible substance 5 melts (see Fig. 4). Under the action of the spring 6, the contact 4 is disconnected from the fixed contacts 1 and 2 and opens the electric circuit. This occurs in each thermal switch included in the safety thermal switch, thereby completely disconnecting the electric heater from the mains.

В случае включения электроводонагревателя, не полностью заполненного водой или без нее, происходит разогрев электроводонагревательных элементов и, следовательно, теплопроводной верхней крышки 6 (см. фиг.2). Одновременно происходит нагрев кожуха 8 с датчиком терморегулятора 7, которые находятся в тепловом контакте с верхней крышкой 6. Так как температура настройки терморегулятора как минимум на 25 К меньше температуры срабатывания предохранительного термовыключателя, то происходит срабатывание терморегулятора и отключение электронагревательных элементов. In the case of turning on the electric heater, not completely filled with water or without it, the electric heating elements and, therefore, the heat-conducting top cover 6 are heated (see figure 2). At the same time, the casing 8 is heated with the sensor of thermostat 7, which are in thermal contact with the top cover 6. Since the temperature of the thermostat is at least 25 K lower than the temperature of the safety thermal switch, the thermostat is triggered and the electric heating elements are turned off.

В случае отказа терморегулятора отключение электронагревательных элементов осуществляет предохранительный термовыключатель. In the event of a failure of the thermostat, the electric heating elements are switched off by a safety thermal switch.

Claims

1. An electric heater comprising a housing, in the cavity of which electric heating elements are mounted, attached to the upper housing cover made of heat-conducting material, with the possibility of thermal contact, a cold water supply pipe connected to the lower part of the housing, a heated water discharge pipe connected to the upper cover case, safety thermal switch installed outside the case with the possibility of thermal contact with it, water temperature thermostat with a sensor installed in a water-tight heat-conducting casing inside the case, and the electric heating elements are connected to the power supply through a temperature controller and a safety thermal switch connected in series, characterized in that the safety thermal switch is mounted on the top cover of the case, the casing of the temperature control sensor is connected to the top cover of the case with thermal contact, and casing height does not exceed value
2.5λF _b
where λ is the coefficient of thermal conductivity of the casing material, W / (mK);
F _b the cross-sectional area of the side wall of the casing, m ² .

2. The electric heater according to claim 1, characterized in that the outer side surface of the casing is hexagonal, the casing is connected to the upper cover of the casing using a conical threaded connection, a thermistor is used as a temperature sensor, which is filled with heat-conducting electrically insulating paste inside the casing, the bottom of the casing is made cone-shaped with an angle of 60 ^o at the top of the cone, the temperature of the safety thermoswitch trip is higher than the temperature of the thermostat by at least 20K.