БЫТОВОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР Российский патент 1995 года по МПК H05B6/10 

Изобретение относится к бытовым приборам, в частности к устройствам для приготовления пищи, отопления помещений, пайки изделий и глажения одежды.

Известна электрическая плитка "Нева-110", содержащая корпус, термоэлектрический нагреватель, биметаллический регулятор мощности и шнур с вилкой [1] . Недостатком данной электрической плитки является то, что она имеет малый срок службы, обусловленный подгоранием контактов биметаллического регулятора мощности. Плитка требует постоянного присмотра, когда она включена в электросеть (необходимо периодически убавлять и прибавлять мощность и выключать плитку после окончания варки пищи), она не позволяет устанавливать любую температуру и поддерживать ее в течение заданного времени постоянной. Термоэлектрический нагреватель быстро выходит из строя из-за окисления и перегорания спирали, выполненной из нихрома и нагреваемой до высокой температуры. Плитка не пригодна для эффективного отопления помещений, нагрева паяльника и утюга до нужной температуры, обеспечивающей пайку изделий и глажение одежды при постоянной температуре.

Анализ аналогов показывает, что наиболее близким техническим решением к предлагаемому по назначению и признакам является бытовой нагревательный прибор, содержащий подставку и нагревательный элемент и объект нагрева [2].

Недостатком прибора-прототипа является то, что он имеет низкие потребительские свойства и малый коэффициент использования по времени.

Целью изобретения является расширение потребительских свойств прибора и повышение коэффициента его использования по времени.

Поставленная цель достигается тем, что нагревательный элемент выполнен в виде индукционной катушки с внешними и внутренними магнитопроводами, при этом индукционная катушка с внешними магнитопроводами установлена на подставке, а внутренний магнитопровод - в объекте нагрева; внутренний магнитопровод в объекте нагрева установлен с возможностью вертикального перемещения и снабжен приводом перемещения в виде биметаллической пластины или камеры, заполненной материалом с большим коэффициентом термического расширения (например галлием, имеющим КТР 124˙10^-6 град^-1 при температуре 339^оК, или фосфором, имеющим КТР 125 ˙10^-6 град^-1 при температуре 273-313^оК.

Индукционная катушка с внешними магнитопроводами установлена с возможностью вертикального перемещения относительно подставки и снабжена приводами перемещения.

Подставка снабжена столом, установленным с возможностью вертикального перемещения, и камерой с воздухоприемным наконечником, или вентилятором;
Объект нагрева выполнен в виде опоры посуды, образованной плитами, стянутыми между собой винтами, между плитами установлен подвижно подпружиненный магнитопровод с регулировочным винтом, а на верхней плите опоры закреплены приводы перемещения индукционной катушки и магнитопровода;
Объект нагрева может быть выполнен в виде паяльника, состоящего из корпуса с резьбовым концом и внутренним резьбовым отверстием, ручкой, гайками, навинченными на резьбовой конец корпуса, рабочим стержнем, ввинченным в резьбовое отверстие корпуса, и магнитоприводом с приводом перемещения в виде биметаллических пластин.

Объект нагрева выполнен в виде утюга, состоящего из подошвы, магнитопровода с полостью, регулировочным винтом и приводом перемещения.

В объектах нагрева на поверхностях деталей, контактирующих с магнитопроводами, нанесено покрытие с высокой теплопроводностью (например, алмазное покрытие).

На фиг. 1 показан бытовой нагревательный прибор, разрез А-А; на фиг. 2 - прибор с опорой под посуду, разрез Б-Б; на фиг. 3 - прибор с опорой и посудой, установленный на опоре вертикальный разрез; на фиг. 4 - прибор с установленным на нем паяльником, вертикальный разрез (прибор с неподвижными катушкой и внешними магнитопроводами), слева - паяльник холодный, справа - паяльник горячий; на фиг. 5 - прибор с установленным на нем утюгом (прибор с неподвижными катушкой и внешними магнитопроводами) вертикальный разрез; на фиг. 6 - показан утюг, разрез по С-С на фиг. 5; на фиг. 7 - привод перемещения индукционной катушки, или привода пуска таймера, вертикальный размер.

Бытовой нагревательный прибор состоит из подставки 1, нагревательного элемента 2 и объекта нагрева 3. Подставка 1 образована основанием 4, колоннами 5, пружинами 6-8, упорными втулками 9, столом 10, кронштейнами 11, диском 12, пластинами 13 из трансформаторного железа, камерой 14 с воздухоприемным наконечником 15, электродвигателем 16 с крыльчаткой 17 вентилятора. В основании 4 выполнены отверстия 18. Нагревательный элемент 2 состоит из индукционной катушки 19, образованной каркасом 20 и проволокой 21, намотанной на каркас 20, внешних магнитопроводов 22, образованных фланцами 23, 24, кронштейнами 25, пластинами 26 из трансформаторного железа и внутренних магнитопроводов 27-29. В качестве объекта нагрева служат опора 30 посуды или паяльник или утюг 32.

Опора 30 состоит из плит 33, 34, винтов 35, втулок 36, магнитопровода 27, пружин 37, камеры 38, гаек 39-41, материала 42 с большим коэффициентом термического расширения, толкателя 43 и регулировочного винта 44. На опоре 30 установлена посуда 45.

Паяльник состоит из корпуса 46 с резьбовым концом 47 и внутренним резьбовым отверстием 48, ручкой 31, гайками 49-51, навинченными на резьбовой конец 47 корпуса 46, рабочим стержнем 52, ввинченным в резьбовое отверстие 48 корпуса 46, и магнитопроводом 28 с приводом перемещения в виде биметаллических пластин 53. На магнитопроводе 28 закреплены теплоизоляционная прокладка 54 и фланец 55.

Утюг 32 состоит из подошвы 56, кожуха 57, винтов 58, 59, втулок 60, пружин 61, биметаллической пластины 62, магнитопровода 29 с полостью 63, регулировочного винта 64, гайки 65 и ручки. Бытовой нагреватель прибор снабжен путевым переключателем 66, установленным в камере 14, приводами 67 перемещения, установленными на плите 34 (на фиг. 1 на фланце 23 показаны места 68 касания приводов 67). На столе 10 выполнены радиальные канавки 69 (аналогичные канавки выполнены на плите 34, но не показаны). На фланце 23 закреплен таймер 70, а на плите 34 - привод пуска таймера 70. Привод пуска таймера 70 состоит из камеры 38, гаек 39, 40, толкателя 43, пружин 71, направляющих 72 и биметаллических 73 пластин. Привод перемещения 67 индукционной катушки 19 выполнен аналогично приводу перемещения магнитопровода 27 в опоре 30 посуды 45 (фиг.2,3). Объекты нагрева 30-32 могут быть снабжены термометрами (не показаны).

Стол 10 выполнен из металла (фиг. 2,3) или керамики (фиг.4,5). Детали 11, 25, 35, 36, 58,59,60 выполнены из немагнитных материалов, например из нержавеющей стали. Каркас 20 выполнен из стекла или керамики. Проволока 21 выполнена из алюминия и покрыта окисной пленкой Al₂O₃. Детали 43, 44, 64 выполнены из материала с низкой теплопроводностью, например из титанового сплава, а детали 34, 46, 51, 52, 56 - из материала с большой теплопроводностью, например из сплава на медной или алюминиевой основе. На поверхностях деталей 34, 46, 51, 52, 56 нанесено покрытие с высокой теплопроводностью, например алмазное покрытие, осаждаемое гальваническим путем. Для питания индукционной катушки 19 предпочтителен электрический ток промышленной частоты (50 Гц). В исходном (холодном) состоянии биметаллические пластины 53, 56, 73 прямые, магнитопровод 27 прижат к плите 34, магнитопровод 28 - к корпусу 46, а магнитопровод 29 - к подошве 56.

Бытовой нагревательный прибор со столом 10, снабженным деталями 11-13 работает следующим образом. В исходном положении под действием пружин 6 стол 10 находится в верхнем положении (фиг.2), пластины 13 из трансформаторного железа расположены напротив индукционной катушки 19. При включении в электросеть вилки прибора по катушке 19 протекает ток. Когда пластины 13 находятся внутри катушки 19, ее электросопротивление большое (за счет большого индуктивного сопротивления), а сила тока и потребляемая катушкой мощность минимальные. При установке на диск 12 стола 10 опоры 30 стол 10 остается в верхнем положении. При установке на опору 30 посуды 45 с приготовляемой пищей стол 10 опускается под действием веса этой посуды, пружины 6 сжимаются, стол 10 касается упорных втулок (фиг. 3). Вместе со столом 10 опускаются пластины 13 из трансформаторного железа, что приводит к уменьшению электросопротивления катушки 19 (за счет уменьшения ее индуктивного электросопротивления), увеличению силы тока и потребляемой прибором (катушкой 19) мощности. После установки посуды 45 на опору 30 устанавливают таймер 70 на нужную выдержку времени.

Как только магнитопровод 27 оказывается внутри катушки 19 (фиг.3), в нем наводятся вихревые токи и магнитопровод 27 нагревается. От магнитопровода тепло передается плите 34, от плиты - к посуде 45 с пищей и камере 38 с материалом 42. При нагреве материала 42 последний расширяется и при достижении определенной температуры, на которую отрегулирован винт 44, материал 42 действует через толкатель 43 и винт 44 на магнитопровод 27, последний сжимает пружины 37, при этом магнитопровод 27 опускается, между магнитопроводом 27 и плитой 34 образуется зазор (величина которого достигает 2 мм). Теплопроводность воздуха, находящегося в зазоре, много ниже теплопроводности деталей 27 и 34. Теплоотвод от магнитопровода 27 к плите 34 резко уменьшается или прекращается практически полностью, но приводит к сохранению практически постоянной температуры на плите 34 и дне 45 посуды с приготовляемой пищей. Температура же магнитопровода 27 продолжает возрастать.

При нагреве плиты 34 нагреваются приводы перемещения индукционной катушки 19 и привод пуска таймера 70. При нагреве катушки 38 (фиг. 7) нагреваются пластины 72 и 73. Пластины 73 изгибаются, опускают толкатель 43, сжимая пружину 71, а толкатель 43 упирается во фланец 23, сжимает пружины 7 и опускает фланец 23 с закрепленными на нем индукционной катушкой 19 и внешними магнитопроводами 22. Пластины 13 из трансформаторного железа вновь оказываются внутри катушки 19, а это приводит к росту электросопротивления данной катушки (за счет роста индуктивного электросопротивления), уменьшению силы тока и потребляемой катушкой 19 мощности. В результате уменьшается нагрев магнитопровода 27.

При нагреве привода пуска таймера 70 его толкатель 43 опускается и включает таймер 70 в работу. По истечении времени установленной ранее выдержки таймер 70 обесточивает катушку 19 (выключатель таймера не показан). После отключения таймера варка пищи некоторое время продолжается за счет отдачи тепла от магнитопровода 27 к плите 34 (до выравнивания их температур).

Если после приготовления пищи в открытой посуде (пища варится при температуре 100^оС) необходимо приготовить пищу в скороварке (пища варится при 105^оС), то в опоре 30 ослабляют (откручивают) гайку 41, поворачивают (выкручивают) винт 44 на определенный угол и вновь затягивают гайку 41. Затем на опору 30 устанавливают скороварку с приготовляемой пищей и варят пищу при давлении выше атмосферного и температуре выше 100^оС. При переходе на приготовление пищи в открытой посуде вновь перерегулируют винт 44.

Прибор может использоваться для нагрева (отопления) помещения. Для этого включают электродвигатель 16 или к воздухоприемному наконечнику 15 присоединяют шланг от пылесоса и включают последний. Крыльчатка 17 электродвигателя 16 или пылесоса гонит воздух, который обдувает магнитопровод 27 (28 или 29), и нагретый воздух рассеивается через радиальные канавки 69 стола 10 или плиты 34 по всему объему помещения (прибор используется как отопительный агрегат).

При необходимости пайки изделий на стол 10 подставки 1 устанавливают паяльник (фиг. 4). Рассматриваем работу прибора с подставкой 1, на которой индукционная катушка 19 с внешними магнитопроводами 22 установлены неподвижно, а стол 10 выполнен из керамики, под столом размещен путевой переключатель 66. При установке паяльника на стол 10 последний опускается, сжимая пружину 8, и нажимает на путевой переключатель 66, который подает питание на индукционную катушку 19. При прохождении тока по индукционной катушке 19 в магнитопроводе 28 наводятся вихревые токи и он нагревается. Пока паяльник холодный, магнитопровод 28 находится в нижнем положении, между ним и корпусом 46 зазор отсутствует (фиг. 4, левая часть паяльника). От магнитопровода 28 нагревается корпус 46, а от последнего тепло передается гайке 51, рабочему стержню 52 и биметаллическим пластинам 53. При нагреве пластины 53 изгибаются, при достижении определенной температуры, установленной гайкой 51, они упираются во фланец 55, а при дальнейшем нагреве и изгибе пластины 53, поднимают магнитопровод 28 относительно стержня 46. Между магнитопроводом 28 и корпусом 46 образуется зазор, что приводит к резкому уменьшению теплоотдачи от магнитопровода 28 к корпусу 46. Это позволяет нагревать магнитопровод 28 до любой температуры и нагревать корпус 46 до нужной температуры, а затем содержать постоянной температуру стержня 46 в течение всего времени пайки. При нагреве рабочего стержня 52 до нужной температуры паяльник снимает с подставки 1, при этом стол 10 поднимается под действием пружины 8, а контакт путевого переключателя 66 размыкает электрическую цепь, и питание катушки 19 прекращается.

При пайке изделий тепло интенсивно отводится от стержня 52, а к стержню 52 тепло передается от корпуса 46. При охлаждении корпуса 46 охлаждаются гайка 51 и биметаллические пластины 53, изгиб которых уменьшается в результате опускается магнитопровод 28 и уменьшается или устраняется зазор между деталями 28 и 46. Это приводит к увеличению теплоотвода от магнитопровода 28 к корпусу 46. За счет этого корпус 46 и стержень 52 сохраняют в течение некоторого времени постоянную температуру. При необходимости изменения температуры корпуса 46 ослабляют гайку 50, поворачивают гайку 51 и вновь затягивают гайку 50.

При необходимости глажения одежды или тканей на стол 10 подставки 1 устанавливают утюг 32 (фиг.5). При этом стол 10 опускается, сжимая пружину 8, и смыкает контакты путевого переключателя 66, на индукционную катушку 19 подается электропитание, в магнитопроводе 29 наводятся вихревые токи и он нагревается. Пока утюг холодный, магнитопровод 29 лежит на подошве 56, при этом биметаллическая пластина 62 прямая. При нагреве магнитопровода 29 происходит быстрый нагрев подошвы 56, поскольку между магнитопроводом 29 и подошвой 56 нет зазора. При нагреве подошвы 56 нагревается и изгибается пластина 62. При достижении определенной температуры пластина 62 касается регулировочного винта 64, а в дальнейшем она начинает поднимать винт 64 относительно подошвы 56. Поскольку винт 64 ввинчен в магнитопровод 29, то при подъеме винта 64 относительно подошвы 56 поднимается и магнитопровод 29, который сжимает пружины 61, между магнитопроводом 2 и подошвой 56 образуется зазор, теплопроводность воздуха в котором во много раз меньше теплопроводности деталей 29 и 56. Это позволяет нагревать магнитопровод 29 утюга 32 до любой температуры, а подошву 56 нагревать только до заданной температуры, а затем держать практически постоянной температуру подошвы 56 в течение всего времени глажения. При нагреве подошвы 56 утюга 32 до температуры глажения и магнитопровода 29 до температуры, более высокой по сравнению с температурой глажения, утюг 32 снимают с подставки 1, при этом стол 10 поднимается под действием пружины 8, а контакт путевого переключателя 66 размыкает электрическую печь и обесточивает катушку 19. При глажении одежды тепло интенсивно отводится от подошвы 56. При охлаждении подошвы 56 охлаждается и выпрямляется биметаллическая пластина 62, это приводит к опусканию магнитопровода 29, уменьшению или устранению зазора между деталями 29 и 56. В результате увеличивается теплоотвод с магнитопровода 29 к подошве 56, за счет чего подошва 56 сохраняет в течение некоторого времени постоянную температуру. При необходимости изменения температуры подошвы 56 ослабляют гайку 65, поворачивают винт 64 и вновь затягивают гайку 65.

Из вышеизложенного следует, что заявляемый прибор позволяет приготовлять пищу, паять изделия и гладить одежду практически при постоянной температуре. Этим предотвращается интенсивное выкипание жидкости из приготовляемой пищи (вытекание в виде пены через край посуды, например, при кипячении молока), упрощается пайка изделий и повышается качество пайки, а также предотвращается порча (пережог) одежды и повышается производительность при глажении одежды. Объекты нагрева могут быстро перерегулироваться на любую заданную температуру.

В заявляемом приборе проволока 21 катушки 19 нагревается до малой температуры. Окисная пленка Al₂O₃, нанесенная на поверхность проволоки, предотвращает окисление проволоки. Это приводит к увеличению долговечности нагревательного элемента (делает его практически вечным). Выполнение терморегулятора без контактного переключателя делает данный терморегулятор более надежным и долговечным (практически вечным) в работе, поскольку в контактном переключателе контакты рано или поздно подгорают и выходят из строя. Выполнение терморегулятора в виде биметаллической пластины (пластин) - наиболее простое техническое решение, однако при большом количестве циклов изгиба пластины в биметалле накапливаются усталостные напряжения и биметалл разрушается (это происходит при количестве циклов изгиба, намного превосходящем количество смыкания контактов до подгорания). Выполнение терморегуятора в виде деталей 38-44 делает данный терморегулятор практически вечным, поскольку в нем нечему уставать или подгорать, изменение соотношения внутреннего диаметра камеры 38 к диаметру толкателя 43 позволяет изменять ход толкателя 43. Использование материала 42 с большим коэффициентом термического расширения позволяет увеличить ход толкателя 43 при минимальном объеме материала 42. Возможность установления практически постоянной температуры прибора и регулирования данной температуры, а также увеличение долговечности прибора расширяют потребительские свойства прибора и повышают коэффициент его использования по времени (заявляемый прибор может заменить традиционные приборы: электроплитку, электропаяльник, электроутюг и электроотопительный агрегат).

Рассмотрим реальность осуществления технического решения для утюга. Вес (G) серийно выпускаемых утюгов составляет 1,2 кг, а средняя потребляемая мощность (Р), расходуемая на глажение, 500 Вт. При средней температуре глажения t_o= 150^оС, нагреве магнитопровода до t₁ = 450^оС и теплоемкости стального магнитопровода С= 500 Дж/кг˙град время непрерывного глажения составляет
τ = = = 300 c = 5 мин При мощности катушки 1 квт нагрев магнитопровода утюга до 450^оС продолжается 2,5 мин. Если потребное непрерывное время глажения ограничить время минутами , то вес утюга можно значительно снизить (почти в 2 раза). При мощности индукционной катушки 1 квт время нагрева магнитопровода утюга до 450^оС сокращается до 1,5 мин. Данный расчет показывает, что утюг заявляемой конструкции будет иметь гораздо лучшие эксплуатационные характеристики по сравнению с серийно выпускаемыми утюгами (утюг получается более простым по конструкции, практически вечным, он позволяет устанавливать любую температуру и поддерживать ее в течение всего времени глажения, он более удобен в работе, поскольку не имеет электрошнура, мешающего глажению, он не создает радиопомехи, обусловленные работой контактных терморегуляторов. Все вышеизложенное относится и к паяльнику.

Нанесение на поверхность деталей 34, 46, 51,52,56 покрытия с высокой теплопроводностью, например алмазного покрытия, имеющего теплопроводность 545 вт/м˙к при Т= 293^оК улучшает теплоотвод от одной детали к другой. Помимо улучшения теплоотвода, алмазное покрытие предотвращает образование царапин и забоин на деталях прибора и схватывание резьбовых соединений.

Сущность изобретения нагревательный прибор содержит индукционную катушку с внешним магнитопроводом и внутренний магнитопровод, который устанавливают внутри нагреваемого элемента, выполняемого в виде различных модификаций бытовых приборов. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. БЫТОВОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР, содержащий подставку, нагревательный и нагреваемый элементы, отличающийся тем, что нагревательный элемент выполнен в виде индукционной катушки с внешними и внутренним магнитопроводами, при этом индукционная катушка с внешними магнитопроводами установлена на подставке, а внутренний магнитопровод - в нагреваемом элементе. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что катушка с внешними магнитопроводами и внутренний магнитопровод установлены с возможностью вертикального перемещения и снабжены приводами перемещения в виде камер, заполненных материалом с большим коэффициентом термического расширения, например галлием или фосфором. 3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что подставка снабжена столом, установленным с возможностью вертикального перемещения, и камерой с воздухоприемным наконечником и вентилятором. 4. Прибор по пп.1-3, отличающийся тем, что нагреваемый элемент выполнен в виде подставки для посуды из набора плит, стянутых между собой винтами, причем подвижно подпружиненный внутренний магнитопровод с регулировочным винтом установлен между плитами. 5. Прибор по п.1, отличающийся тем, что нагреваемый элемент выполнен в виде паяльника, содержащего корпус с резьбовым концом и внутренним резьбовым отверстием, ручку, гайки, навинченные на резьбовой конец корпуса, рабочий стержень, ввинченный в корпус, и магнитопровод с приводом перемещения, выполненным в виде биметаллических пластин. 6. Прибор по п.1, отличающийся тем, что нагреваемый элемент выполнен в виде утюга, содержащего подошву, внутренний магнитопровод, выполненный с полостью, с регулировочным винтом и гайкой, а также приводом перемещения в виде биметаллической пластины. 7. Прибор по пп.4-6, отличающийся тем, что на поверхности деталей нагреваемых элементов, контактирующих с магнитопроводами, нанесено покрытие с высокой теплопроводностью, например алмазное.