ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F24H1/20 

Изобретение относится к электробытовым нагревательным приборам и может быть использовано с целью нагрева воды для бытовых нужд, например, в ванной или на кухне.

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.

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.

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.

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.

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.

При перегреве корпуса электроводоподогревателя термовыключатель отключает питание электронагревательных элементов.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

На фиг. 5 показана структурная схема соединения предохранительного термовыключателя, терморегулятора и электронагревательных элементов.

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.

Электроводонагреватель работает следующим образом.

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.

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.

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.

В случае отказа терморегулятора отключение электронагревательных элементов осуществляет предохранительный термовыключатель.

Использование: для нагрева воды для бытовых нужд, например, в ванной или на кухне. Сущность изобретения: повышение надежности, благодаря исключению перегрева электронагревателей, вызванного их преждевременным включением до заполнения корпуса водой, обеспечивается тем, что электронагреватель содержит корпус 1, в полости которого установлены электронагревательные элементы 2, прикрепленные к верхней крышке 6 корпуса 1, выполненной из теплопроводного материала, с возможностью теплового контакта, патрубок 4 подвода холодной воды, присоединенный к нижней части корпуса 1, патрубок 5 отвода нагретой воды, присоединенный к верхней крышке 6 корпуса 1, предохранительный термовыключатель 7, установленный снаружи корпуса 1 на верхней крышке 6 с возможностью теплового контакта, терморегулятор температуры с датчиком, установленным внутри корпуса 1 в непроницаемом для воды теплопроводном кожухе 8, который присоединен с возможностью теплового контакта к верхней крышке 6 корпуса 1. Электронагревательные элементы 2 присоединены к сети питания через соединенные последовательно терморегулятор и предохранительный термовыключатель. Высота кожуха 1 не превышает величины 2,5λF_Б, где λ - коэффициент теплопроводности материала кожуха, В /(мК); F_Б - площадь поперечного сечения боковой стенки кожуха, м². 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электроводонагреватель, содержащий 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 электронагревательные элементы присоединены к сети питания через терморегулятор и предохранительный термовыключатель, соединенные последовательно, отличающийся тем, что предохранительный термовыключатель установлен на верхней крышке корпуса, кожух датчика терморегулятора присоединен к верхней крышке корпуса с возможностью теплового контакта, а высота кожуха не превышает величины
2,5λF_б,
где λ - коэффициент теплопроводности материала кожуха, Вт/(мК);
F_б площадь поперечного сечения боковой стенки кожуха, м². 2. Электроводонагреватель по п.1, отличающийся тем, что наружная боковая поверхность кожуха выполнена шестигранной, соединение кожуха с верхней крышкой корпуса осуществлено с помощью конического резьбового соединения, в качестве датчика температуры использован терморезистор, залитый внутри кожуха теплопроводной электрически изолирующей пастой, дно кожуха выполнено конусообразным с углом 60^o при вершине конуса, температура отключения предохранительного термовыключателя превышает температуру настройки терморегулятора не менее чем на 20К.