ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР Российский патент 1994 года по МПК H05B6/10 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к бытовым электронагревательным приборам, и может быть использовано для нагрева различных объектов, в том числе, помещений.

Известны электронагревательные приборы, например "сухие" электрорадиаторы и греющие электропанели в напольном, настенном, потолочном и модульном исполнении, конструктивно представляющие собой электроизоляционные (как правило нагревостойкие) пластины, на защищенных от прикосновения сторонах которых или внутри них размещены резистивные нагревательные элементы в виде различных по форме проводящих нитей с высоким удельным сопротивлением.

К недостаткам этих электронагревателей относится невозможность непосредственного контакта резистивного нагревательного элемента (спирали, нихромовых проволок и т. д. ) с нагреваемой средой (воздухом), а также несоизмеримость размеров резистивных элементов с габаритами греющей панели. Как следствие этого неизбежность значительного перепада температур между резистивным нагревательным элементом, иногда раскаленным до нескольких сот градусов, и поверхностью электронагревательных панелей.

Необходимость применения термостойкой изоляции, обладающей как правило плохой теплопроводностью и нередко механической хрупкостью (стекло, керамика и др. ).

Ограниченная стойкость к механическим воздействиям, как случайных, так и преднамеренных при формообразовании панелей (удар, изгиб, крепление и т. д. ).

Пониженная электробезопасность электронагревателя, подключаемого непосредственно к сети (220 В), особенно в условиях повышенной влажности воздуха или непосредственного воздействия воды на электронагревательный прибор.

Повышенная тепловая инерционность, и как следствие - медленный разогрев панели при включении и соответствующие затруднения при регулировании температуры греющей поверхности.

Известны также электронагревательные приборы, содержащие жесткие греющие панели из материала с высокой теплопроводностью, в которых используются трубчатые резистивные электронагревательные элементы, герметично закрытые материалом панели. Такие панели изготавливаются из проводящей керамики или листового алюминия в односторонней теплостойкой изоляцией. В подобных отопительных приборах снижается перепад температур между резистором и греющей поверхностью панели, повышается стойкость к механическим воздействиям, снижается вредное экологическое влияние на нагреваемую среду из-за герметичности резистора и тепловая инерционность.

Однако использование электропроводящих пластин (особенно металлических) для этих панелей приводит к дальнейшему снижению электробезопасности, не обеспечивает непосредственного контакта нагреваемой среды с греющим резистором и требует дорогостоящих материалов.

Известны также электронагревательные приборы, использующие разогрев резисторных элементов за счет идуцированных в них токов промышленной частоты и предназначенные в основном для нагрева жидкостей. Такие электроприборы содержат встроенный трансформатор, первичная обмотка которого подключается к сети промышленной частоты, а вторичная замкнутая обмотка, изолированная от магнитопровода теплостойкой изоляцией, является основным тепловыделяющим элементом.

Электроприборы с индукционным нагревом имеют повышенную электробезопасность и пожаробезопасность. Они более долговечны в эксплуатации.

Наиболее эффективным электронагревательным прибором с индукционным нагревателем промышленной частоты является принятый за прототип электронагреватель трансформаторного типа. Этот электроводонагреватель содержит встроенный трансформатор с шихтованным сердечником и первичной обмоткой, подключаемой к сети, и вторичную одновитковую обмотку, выполненную из электропроводящего материала в виде тонкостенного полого тороидального резервуара, замкнутого через окно магнитопровода, встроенного трансформатора, таким образом, чтобы магнитопровод с первичной обмоткой оставался внутри полого тороида. Тороидальный резервуар наполняется водой, нагреваемой за счет индуктированных в стенках этого резервуара токов промышленной частоты.

Кроме преимуществ указанных выше аналогов (повышенная электробезопасность и пожаробезопасность электроприбора при эксплуатации) против имеет меньшую тепловую инерционность из-за сравнительно большой греющей внутренней поверхности тороидального резервуара непосредственно соприкасающейся с нагреваемой водой.

К недостаткам электронагревательного прибора, принятого за прототип, следует отнести:
Возможность появления опасного электрического потенциала на внешней поверхности тороидального резервуара и связанная с этим необходимость защиты от проникновения нагреваемой жидкости во обмотки и сердечник встроенного трансформатора, который находится внутри тороидального резервуара, заполненного нагреваемой жидкостью, в основном воды.

Недостаточная механическая жесткость конструкции тонкостенного тороидального резервуара, выполняемого из электропроводящего материала, в частности, меди и алюминия. Выполнение тороидального резервуара из тонколистовой стали для повышения механической жесткости электроприбора, приводит к увеличению омического сопротивления полого тороида и, следовательно, при прочих равных условиях к заметному снижению удельной мощности электронагрева стенок тороида. Соответственно увеличение сечения стальных стенок тороида (для уменьшения его омического сопротивления) приводит к существенному увеличению материалоемкости и массы этого электронагревателя.

Низкий коэффициент мощности (cos ϕ ) электронагревательного прибора, благодаря соизмеримости активного и индуктивного сопротивлений вторичной одновитковой короткозамкнутой обмотки, выполненной в виде полого тороида. При выполнении последнего из листовой стали коэффициент мощности становится еще меньше, из-за увеличения потоков рассеивания замыкающихся непосредственно по стальной (ферромагнитной) оболочке тороида.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о целесообразности создания электронагревательного прибора с более высоким коэффициентом мощности, обладающего универсальностью, т. е. более широкой областью применения.

Это достигается в предложенном электронагревательном приборе, содержащем встроенный трансформатор с шихтованным сердечником, первичную обмотку, подключаемую к сети, причем греющая часть прибора является частью вторичной короткозамкнутой обмотки трансформатора, имеет произвольную форму и выполнена из ферромагнитного листового материала с электропроводящим покрытием толщиной меньшей глубины проникновения электромагнитной волны в покрытие на частоте питающей сети.

На фиг. 1 представлен предлагаемый электронагревательный прибор, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, общий вид.

Электронагревательный прибор содержит встроенный трансформатор с первичной обмоткой 1, подключаемой к сети, и шихтованным сердечником 2. Греющая часть прибора может быть любой формы, например, в виде короба 3, определять форму прибора и выполнена из ферромагнитного листового материала, например, стального листа 4 с электропроводящим покрытием 5. Покрытие 5 из меди или цинка нанесено на внешней стороне листа 4, например, напылением или электролитическим способом и т. д. Толщина покрытия меньше глубины проникновения электромагнитной волны в этот материал на частоте питающей сети. Греющая часть прибора является частью вторичной обмотки трансформатора, замкнутой накоротко медными шинами 6, электрически соединенными с коробом 3 сваркой или, например, с помощью заклепок, винтовых соединений и т. д. В греющей части короба 3 имеются отверстия 7 (фиг. 2), регулирующие при изготовлении прибора ее активное сопротивление и распределение плотности тока в греющей части.

Предлагаемый электронагревательный прибор функционирует следующим образом.

При подключении к сети переменного (в частности, синусоидального) тока первичной обмотки 1 возникает переменный магнитный поток той же частоты в шихтованном сердечнике 2 трансформатора, встроенного в прямоугольный короб 3, который определяет форму электронагревательного прибора и является его греющей частью, электрически замыкающей два параллельных витка (шины 6) вторичной обмотки этого трансформатора. В этой обмотке наводится ЭДС и возникает достаточно большой ток короткого замыкания, а так как сопротивление короба 3 в контуре вторичной обмотки является определяющим, в нем и выделяется основная энергия, идущая на электроразогрев стенок короба 3, непосредственно соприкасающихся с нагреваемой средой (в частности, с воздухом нагреваемого помещения). Выполнение стенок греющей части предлагаемого электронагревательного прибора (короба 3) и ферромагнитного материала, например, стальной ленты 4 с внешним электропроводящим покрытием 5, например, медным, обеспечивает, во-первых, стальные стенки 4 греющей части практически независимо от ее формы, обеспечивают ее достаточную конструктивную жесткость и снижение массы всего прибора; во-вторых, при протекании переменного тока по биметаллической стенке с толщиной внешнего немагнитного проводящего слоя (покрытия) с толщиной меньшей глубины проникновения электромагнитной волны в этот слой на частоте питающей сети происходит резкое вытеснение плотности тока в немагнитный слой т. к. эквивалентное сопротивление единицы длины этого слоя становится на порядок меньше сопротивления стальной стенки. В результате этого наиболее нагретой частью короба 3 становится его внешняя поверхность (слой 5), что усиливает его теплообмен с нагреваемой средой, в третьих, резкое вытеснение тока во внешний слой 5 короба 3 приводит к тому, что комплексное сопротивление этого короба и вторичной обмотки становится практически омическим, а это приводит к существенному улучшению коэффициента мощности (cos ϕ ) электронагревательного прибора.

(56) 1. Патент Германии N 329131, кл. 21 И 12, 1920.

2. Сборник "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизация технологических процессов промышленных предприятий", Комсомольск-на-Амуре, 1989, с. 97,113.

Использование: для нагрева различных объектов, в том числе помещений. Сущность изобретения: Электронагревательный прибор содержит встроенный трансформатор с шихтованным сердечником 2, первичную обмотку 1, подключаемую к сети, греющая часть 3 прибора является частью вторичной короткозамкнутой обмотки трансформатора, имеет произвольную форму, определяющую форму прибора, и выполнена из ферромагнитного листового материала с электропроводящим покрытием 5 толщиной, меньшей глубины проникновения электромагнитной волны в это покрытие на частоте питающей сети. 2 ил.

ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР, содержащий встроенный трансформатор с шихтованным сердечником, первичную обмотку, подключенную к сети, и вторичную обмотку, отличающийся тем, что греющая часть прибора является частью короткозамкнутой вторичной обмотки трансформатора, имеет произвольную форму и выполнена из ферромагнитного листового материала с электропроводящим покрытием толщиной, меньшей глубины проникновения электромагнитной волны в это покрытие на частоте питающей сети.