ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H05B3/26 

Изобретение относится к конструкциям электрических приборов для автономного горячего водоснабжения и может быть использовано в воздушно-отопительных агрегатах.

Известен проточный электронагреватель, содержащий изоляционный корпус с подводящим и отводящим патрубками на торцах, выполненный в виде комбинации последовательно соединенных между собой кольцевыми перемычками сферических оболочек, на наружную поверхность которого нанесена электропроводящая пленка [1]
Недостатками такого электроводонагревателя являются низкая электробезопасность, обусловленная размещением пленочного нагревательного элемента на наружной поверхности корпуса, малые надежность и ресурс, обусловленные перегревом корпуса при отсутствии воды или малом ее расходе.

Известен также проточный электронагреватель, содержащий изоляционный герметичный корпус с подводящим и отводящим патрубками на торцах и нагревательный элемент, размещенный внутри корпуса по всей его длине и выполненный в виде спирально намотанной тонкой гофрированной электропроводящей ленты [2]
Недостатками таких электроводонагревателей являются низкая электробезопасность, обусловленная значительной электропроводностью водопроводной воды (ρ 10 100 Ом˙м), что особенно существенно для случая использования электронагревателей в душевых установках, малые надежность и ресурс, обусловленные перегревом электроводонагревателя при отсутствии воды или малом ее расходе, возможны ожоги кипящей водой.

Целью изобретения являются повышение безопасности, надежности и ресурса электроводонагревателя.

Для этого в известном электроводонагревателе, содержащем изоляционный герметичный корпус с подводящим и отводящим патрубками на торцах и нагревательный элемент, размещенный внутри корпуса по всей его длине и выполненный в виде спирально намотанной тонкой гофрированной электропроводящей ленты, в нем лента выполнена в виде спирали Архимеда с гофрировкой по двум координатным осям, на поверхности ленты нанесено электроизоляционное покрытие, в корпусе выполнено отверстие, в котором по контуру герметично закреплена мембрана, выполненная из термобиметалла с начальной выпуклостью со стороны активного слоя, установленная активным слоем внутрь корпуса, с наружной стороны по центру мембраны закреплен изолированный от мембраны электрический контакт, на изоляционном кронштейне, закрепленном на корпусе соосно с контактом на мембране установлен с образованием зазора второй электрический контакт, контакты соединены последовательно с нагревательным элементом, причем на поверхность нагревательного элемента дополнительно нанесены электропроводящее покрытие, соединенное с заземляющим проводом, и герметизирующее антифрикционное электроизоляционное покрытие.

Новизна и изобретательский уровень предлагаемого электроводонагревателя определяются следующими существенными отличительными признаками: выполнением ленты в виде спирали Архимеда с гофрировкой по двум координатным осям, нанесением на поверхности ленты электроизоляционного покрытия, выполнением в корпусе отверстия, закреплением в нем по контуру герметично мембраны, выполнением ее из термобиметалла с начальной выпуклостью со стороны активного слоя, установкой ее активным слоем внутрь корпуса, закреплением по центру мембраны с наружной стороны изолированного от мембраны электрического контакта, закреплением на корпусе на изоляционном кронштейне соосно с контактом на мембране с образованием зазора второго электрического контакта, соединением контактов последовательно с нагревательным элементом, нанесением дополнительно на поверхности ленточного нагревательного элемента электропроводящего покрытия, соединенного с заземляющим проводом, и герметизирующего антифрикционного электроизоляционного покрытия.

Выполнение ленточного гофрированного по двум координатным осям нагревательного элемента в виде спирали Архимеда с трехслойным покрытием поверхностей ленты позволяет при малых габаритах и большой эффективности теплообмена уменьшить температуру нагревательного элемента до 200-250^оС, обеспечить двойную электрическую изоляцию нагревательного элемента от проточной воды и человека, произвести заземление электростатического экрана (электропроводящего покрытия), охватывающего нагревательный элемент, что необходимо для электробезопасности в случае местного электрического пробоя основного (первого) слоя электроизоляционного покрытия, а внешнее герметизирующее антифрикционное электроизоляционное покрытие, препятствуя проникновению воды в основное электроизоляционное покрытие, повышает его электроизоляционные свойства при малой суммарной толщине всех покрытий (h_пΣ0,10-0,15 мм), уменьшает осаждение механических примесей в проточной воде на нагревательном элементе.

Установка в корпусе малогабаритного блока автоматической защиты (реле "давление и температура"), выполненного в виде мембраны из термобиметалла с начальной выпуклостью со стороны активного слоя, установленной активным слоем внутрь корпуса с закрепленным по центру мембраны с наружной стороны изолированного от мембраны электрического контакта и закрепленного на корпусе на изоляционном кронштейне соосно с контактом на мембране с образованием зазора второго электрического контакта, последовательного соединения контактов с нагревательным элементом обеспечивает быстродействующую автоматическую защиту электроводонагревателя как при отсутствии или малом напоре (расходе) воды, так и при превышении температуры воды предельно допустимого значения, повышает безопасность, надежность и ресурс электроводонагревателя за счет исключения аварийных режимов работы, не требует обслуживающего персонала при использовании электроводонагревателей повышенной мощности (5-18 кВт) на производстве, в душевых установках, фермерских хозяйствах.

Выполнение мембраны с начальной выпуклостью ("прыгающей") увеличивает ресурс контактной группы блока автоматической защиты за счет уменьшения времени коммутации контактов.

На фиг. 1 изображен предлагаемый электроводонагреватель с реле "давление-температура", общий вид, разрез; на фиг. 2 узел I на фиг. 1.

Электроводонагреватель содержит корпус 1 с отводящим патрубком 2 на торце и крышку 3 с подводящим патрубком 4, выполненные из электроизоляционного материала, соединенные с образованием герметичной полости, в которой по всей ее длине размещен нагревательный элемент 5, выполненный в виде спирали Архимеда из тонкой гофрированной по двум координатным осям электропроводящей ленты, например, из стали 1Х18Н9Т толщиной 0,02-0,05 мм, допускающей глубокую вытяжку гофров, поверхность которой покрыта теплостойким эластичным электроизоляционным лаком 6 типа полиимидного лака АД-9103 ПС ТУ619-283-85 с диапазоном рабочих температур 200-250^оС, ограничено до 300^оС с удельным электрическим сопротивлением ρ 10¹⁴ Ом м, пробивным напряжением Е_пр 200 МВ/м, относительным удлинением δ 40-70% пределом прочности σ_в 130-160 МПа, эластичной теплостойкой электропроводящей композицией ПАТ на основе полиимидного лака с сажеграфитовым наполнителем с рабочей температурой до 250^оС, образующей электростатический экран 7, и герметизирующей антифрикционной электроизоляционной композицией 8 типа АФК толщиной 10-20 мкм с максимальной рабочей температурой 250^оС, удельным сопротивлением ρ10¹³-10¹⁴ Ом м, пробивным напряжением Е_пр 100-120 МВ/м и относительным удлинением δ 40-50%
Между витками нагревательного элемента 5, выполненного в виде спирали Архимеда, размещена полиимидная пленка 9, в которую упираются вершины гофр смежных слоев, что позволяет после нанесения 3-го слоя покрытия на нагревательный элемент 5, свернутый на крестовине 10 в спираль Архимеда, и его полимеризации получить жесткую сотовую конструкцию, в которой каждый элемент выполняет функции турбулизатора потока воды, увеличивая теплопередачу от нагревательного элемента к воде. При малых мощностях электроводонагревателя ленточный нагревательный элемент может быть выполнен в виде меандра с гофрами на отдельных участках.

Выводы 11 нагревательного элемента 5 и электростатического экрана 7 соединены с герметичными выводами 12 в крышке 3, а вывод 11 электростатического экрана 7 соединен с заземляющим проводом 13.

В корпусе 1 выполнено отверстие, в котором по наружному контуру герметично закреплена цилиндрическая мембрана 14, выполненная из термобиметалла с начальной сферической выпуклостью со стороны активного слоя, установленная активным слоем (выпуклостью) внутрь корпуса 1, что обеспечивает противоположный прогиб мембраны 14 при повышении давления и температуры проточной воды.

С наружной стороны по центру мембраны 14 установлен на клее электрический контакт 15, изолированный от мембраны 14, например, полиимидной пленкой, соединенной с гибким ленточным токоподводом 16. На крышке 17, выполненной из электроизоляционного материала, закрепленной на корпусе винтами 18, заармирована резьбовая втулка с регулировочным винтом 19, с которой одним концом соединен упругий токопроводящий элемент 20, на другом конце которого соосно с контактом 15 закреплен второй электрический контакт 21, зазор между которыми регулируется винтом 19. Через ламель 22, соединенную с гибким токоподводом 16, и упругий токоподвод 20 электрические контакты 15 и 21 соединены последовательно с нагревательным элементом 5.

Мембрана 14, выполненная из термобиметалла, с подвижным электрическим контактом 15 и неподвижным электрическим контактом 21 на крышке 17 выполняет функции двухканального быстродействующего реле, реагирующего как на изменение давления (динамического напора) воды в полости корпуса 1, так и на изменение ее температуры. Пределы срабатывания реле по давлению и температуре воды определяются диаметром, толщиной и способом закрепления мембраны по контуру в корпусе 1, типом термобиметалла, соотношением гидравлических сопротивлений подводящего 4 и отводящего 2 патрубков (диаметром и количеством отверстий 23 распылителя в отводящем патрубке 2).

При удельной мощности теплопередачи от нагревательного элемента 5, выполненного из ленты из нержавеющей стали толщиной 20 мкм, к проточной воде Q_уд 4,7˙10⁴ Вт/м² и коэффициенте теплопередачи к воде с учетом турбулизации потока воды в полости корпуса ζ 500 Вт/м² К максимальный градиент температуры на трехслойном покрытии суммарной толщиной 0,15 мм не превысит 45^оС, максимальный градиент температуры между покрытием нагревательного элемента и водой не превысит 95^оС и при максимально допустимой температуре воды в электроводонагревателе 85^оС температура внутреннего электроизоляционного покрытия не превысит 225^оС, а срок службы покрытий при температурах 200-225^оС с сохранением высоких электрических и физических свойств, а следовательно, и электробезопасности прибора составит 10000-15000 ч (для сравнения средний срок службы трубчатых электронагревателей составляет 2000 ч). Время прогрева воды в полости корпуса 1 до заданной температуры при расходе воды 30-60 л/ч составляет 5-8 с.

Корпус 1 и крышка 3 соединены между собой винтами 24. Кожух 25 из электроизоляционного материала предназначен для защиты электрической цепи от внешних воздействий и герметизации места стыковки подводящего патрубка 4 и кожуха 25 с помощью резиновой прокладки 26, а шнур 27 для подвода питания к прибору.

Электроводонагреватель работает следующим образом.

При подключении шнура 27 к сети и пропускании воды через электроводонагреватель, соответствующем минимально допустимому или превышающему его расходу воды мембрана 14 деформируется в направлении к неподвижному контакту 21 и за счет малой инерционности по давлению и наличия начальной выпуклости за сотые доли секунды контакты реле 15 и 21 замыкаются, напряжение сети подается на нагревательный элемент 5, температура которого за 1,0-1,2 с достигает номинального значения 200-235^оС и за счет теплопередачи турбулизированный поток проточной воды, распределенный во всем объеме сотовой конструкции нагревательного элемента 5 равномерно нагревается в зависимости от расхода (напора) воды на 20-60^оС.

При малых расходах воды и малых давлениях прогиб мембраны 14 от давления воды уменьшается, а за счет повышения температуры воды и мембраны 14 мембрана дополнительно деформируется в сторону, соответствующую увеличению зазора между контактами реле 15 и 21, контакты реле в силу наличия выпуклости на мембране 14 размыкаются скачкообразно. При таком аварийном режиме нагревательного элемента 5 с временем переходного процесса 1-2 с температура его также не превысит допустимого значения 235^оС, при которой сохраняются высокие электрические и физические свойства покрытий 6-8 в течение длительного времени, что и обеспечивает повышенные электробезопасность, надежность и ресурс электроводонагревателя.

Предлагаемую конструкцию проточного электроводонагревателя можно также использовать и в воздушно-отопительных агрегатах.

Использование: изобретение относится к конструкциям электрических приборов для автономного горячего водоснабжения и может быть использовано в воздушно-отопительных агрегатах. Сущность изобретения: для повышения безопасности, надежности и ресурса в электроводонагревателе, содержащем изоляционный герметичный корпус с подводящим и отводящим патрубками на торцах и нагревательный элемент, размещенный внутри корпуса по всей его длине, выполненный в виде спирали Архимеда из тонкой гофрированной по двум координатным осям электропроводящей ленты с электроизоляционным покрытием на поверхности ленты, в корпусе электроводонагревателя выполнено отверстие, в котором по контуру герметично закреплена мембрана, выполненная из термобиметалла с начальной выпуклостью со стороны активного слоя, установленная активным слоем внутрь корпуса, с наружной стороны по центру мембраны закреплен изолированный от мембраны электрический контакт, на изоляционном кронштейне, закрепленном на корпусе, соосно с контактом на мембране установлен с образованием зазора второй электрический контакт, контакты соединены последовательно с нагревательным элементом, а на поверхность нагревательного элемента дополнительно нанесены электропроводящее покрытие, соединенное с заземляющим проводом, и герметизирующее антифрикционное электроизоляционное покрытие. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ, содержащий изоляционный герметичный корпус с подводящим и отводящим патрубками на торцах и нагревательный элемент, размещенный внутри корпуса по всей его длине и выполненный в виде спирально намотанной тонкой гофрированной электропроводящей ленты, отличающийся тем, что лента выполнена в виде спирали Архимеда с гофрировкой по двум координатным осям, на поверхности ленты нанесено электроизоляционное покрытие, в корпусе выполнено отверстие, в котором по контуру герметично закреплена мембрана, выполненная из термобиметалла с начальной выпуклостью со стороны активного слоя, установленная активным слоем внутрь корпуса, с наружной стороны по центру мембраны закреплен изолированный от мембраны электрический контакт, на изоляционном кронштейне, закрепленном на корпусе соосно с контактом на мембране, установлен с образованием зазора второй электрический контакт, причем контакты соединены последовательно с нагревательным элементом. 2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что на поверхность нагревательного элемента дополнительно нанесены электропроводящее покрытие, соединенное с заземляющим проводом, и герметизирующее антифрикционное электроизоляционное покрытие.