СПОСОБ НАГРЕВА ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРЕДМЕТА ПРИЛЕГАЮЩИМ К НЕЙ ОДНОЙ СТОРОНОЙ ПЛОСКИМ НАГРЕВАТЕЛЕМ Российский патент 2007 года по МПК H05B3/20 

Предлагаемое изобретение относится к технологии нагрева и может быть использовано для нагрева, разогрева или подогрева изделий бытового и технического назначения, которые имеют хотя бы одну плоскую поверхность, например кастрюль, чайников, сковородок в быту, пластин, дисков, листов в технологических производствах.

1. Уровень техники.

Известен способ нагрева плоским нагревателем, основанным на конструкции самого электронагревателя, который представляет собой трехслойную пластину, средней слой которой является электронагревательным элементом, а другие электроизолируют элемент, одновременно являясь теплосъемными поверхностями [1, 2]. Недостатками данных способов является невозможность использования тепла, излучаемого одной поверхностью для нагрева поверхности, прилегающей к нагревателю с другой его стороны.

Известны тороидальные соленоиды, в которых проволока из материала с большой электропроводимостью намотана цилиндрической спиралью на тороидальный сердечник. Данный способ нагрева создает больше электромагнитного излучения, чем тепла, но обладает тем же недостатком. Если на одну сторону соленоида поставить плоскую деталь, она будет нагреваться только этой стороной. Противоположная сторона соленоида излучает тепло в пространство, что неэкономично.

Известны аналогичные способы нагрева плоскими поверхностями нагревателями, выполненными на основе плоских лент из терморезистивного материала [3, 4]. Недостатки этих способов те же. Прилегающая, к одной стороне нагревателя, плоская поверхность нагревается теплообменом с этой стороной. Противоположная сторона нагревателя излучает тепло не выполняя полезной работы нагрева детали или предмета.

Известен также способ изготовления электронагервательного элемента из тонкой, плоской терморезистивной ленты путем перегибов ее в плоскости и формированием зигзагов в этой плоскости. В результате увеличивается общая длина терморезистивного элемента и общая площадь нагреваемой плоской поверхности [5].

Однако данное техническое решение не позволяет устранить общий для известных плоских электронагревателей недостаток: невозможность использования нагрева одной стороны плоского нагревателя для повышения эффективности нагрева другой стороны.

2. Наиболее близким техническим решением (прототипом) может быть принято любое из перечисленных выше технических решений [1-6] и, в том числе, криволинейный отражатель (например автомобильная фара с электрической лампой накаливания, которая осуществляет отражение как светового, так и теплового излучения лампочки вдоль оси отражателя фары).

3. Причины, препятствующие получению технических результатов

3.1. Малый коэффициент полезного действия (КПД) и, как следствие, повышенный расход электроэнергии, а также длительный (по времени) разогрев плоской поверхности прилегающим к ней, одной стороной, плоским нагревателем.

На самом деле, плоская поверхность нагревается посредством контакта с нагреваемой поверхностью плоского электродвигателя.

Противоположная поверхность плоского нагревателя не имеет возможности контакта с нагреваемой плоской поверхностью.

Эта противоположная поверхность излучает тепло, не совершая полезной работы по нагреву плоской поверхности предмета.

При этом контактная передача тепла этой противоположной поверхности осуществляется, через корпусные детали, окружающему воздуху, вызывая его принудительную конвекцию.

Таким образом, при известных способах нагрева плоскими электронагревателями прилегающих к ним поверхностей предметов половина тепловой энергии (а следовательно и электрической) расходуется, не совершая полезной работы по нагреву предмета.

4. Признаки прототипа, совпадающие с заявленным.

4.1. Передача тепла от нагретой поверхности нагревателя плоской поверхности предмета посредством их взаимного контакта.

5. Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности нагрева, увеличение КПД нагревателя, снижение расхода электроэнергии.

6. Эти технические результаты в заявленном способе нагрева плоской поверхности предмета прилегающим к ней одной стороной плоским электронагревателем посредством передачи тепла от нагретой поверхности нагревателя плоской поверхности предмета за счет их взаимного контакта достигаются тем, что контакт между поверхностью предмета и поверхностью нагревателя осуществляют по периферии этой поверхности нагревателя, а тепловое излучение противоположной плоской поверхности нагревателя фокусируют в его середине на плоскую поверхность предмета.

Электронагреватель выполняют в форме плоского кругового кольца с внутренним отверстием по диаметру большим, чем ширина кольца, или равным ей, который устанавливают в сферический отражатель неподвижно, с возможностью установки на одну его плоскую поверхность - плоскую поверхность предмета, обращая другую плоскую поверхность нагревателя (кольца) внутрь отражателя так, что фокус отражателя размещают на уровне плоскости нагревателя, взаимодействующей с плоскостью предмета и в середине отверстия кольца.

Отражатель с нагревателем выполняют сборно-разборными, а отражатель снабжают опорами с возможностью неподвижной фиксации отражателя на горизонтальной поверхности и устанавливают кольцо электронагревателя в отражатель горизонтально так, что фокус отражателя и центр окружностей кольца располагают на одной вертикальной прямой линии.

Отражатель выполняют в форме поверхности второго порядка, имеющей фокус.

7. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где показаны схемы устройства, реализующие способ.

На фиг.1 показан поперечный разрез плоского электрического нагревателя в сборке со сферическим отражателем.

На фиг.2. показан электрический нагреватель в сборке с отражателем, вид сверху.

На фиг.3. показано устройство плоского нагревателя.

На фиг.4 показано устройство электронагревательного элемента в плоском электронагревателе.

На фиг.5 показано взаимодействие электрического нагревателя и отражателя с плоской поверхностью предмета.

На фиг.6 представлена схема вывода электроприводов из корпуса электродвигателя.

Устройство, реализующее способ нагрева, состоит из плоского электронагревателя 1 с электронагревательным элементом 2 и контактами К подвода электроэнергии к нагревательному элементу 2. Плоский электронагреватель 1 (фиг.1) выполнен в форме плоского кругового кольца (фиг.2) и горизонтально помещен в чашу отражателя 3 сферической формы. Сферическая чаша отражателя 3 снабжена жесткими ножками 4 (фиг.1, фиг.2), которыми она неподвижно, с возможностью перемещений, установлена на горизонтальной плоскости 5, так что ее фокальная ось AF вертикальна и проходит через центр окружностей кольца нагревателя 1.

Электронагреватель 1 с электронагревательным элементом 2 (фиг, 3, фиг.4) выполнен из корпуса 6 (из теплопроводного материала, например, из алюминия), внутри которого на жестком кольцевом диске 7 установлен соосно диэлектрический изолятор 8 в виде тонкого плоского кругового кольца, например из слюды, на изоляторе 8 смонтирован соосно корпусу 6, диску 7 и изоляторам 8 электронагревательный элемент 2 (фиг.3, фиг.4),

Нагревательный элемент 2 состоит из тонкого диэлектрического кольца 9 с выемками на внутренней и наружной круговых кромках. На диэлектрическое кольцо 9 плотно намотана в выемках, в виде плоской спирали, электропроводная, терморезистивная лента 10, например из нихромовой фольги.

Концы ленты 10 прочно соединены с электропроводами 11 (фиг.4), например контактной (точечной) сваркой. Провода 11 подведены (электрически соединены) с контактами К (фиг.3).

Круговое плоское кольцо электронагревателя 1А и электронагревательный элемент 2А, внутри него, выполнены, например, в поперечном сечении, аналогичными и подобными неравностороннему прямоугольному треугольнику (фиг.5). Нагреватель 1А с элементом 2А установлен в отражатель 3 так, что наибольший катет треугольника образует внешнюю, горизонтальную, нагреваемую плоскость; поверхностью, образованной соединением меньшего катета с гипотенузой, нагреватель 1А установлен в отражателе 3, а круговая, кольцевая, нагреваемая поверхность нагревателя 1А, образованная гипотенузой, обращена к отражателю 3 (фиг.5).

Провода 11 (фиг.6) выведены через зазор в корпусе 6 нагревателя 1 (1А), полученным, например, вальцовкой тонкостенной трубки с двух сторон в плоское круговое кольцо.

На плоскую горизонтальную поверхность нагревателя 1 (1А), фиг.5, установлена плоская поверхность 12 предмета, например кастрюли, сковороды или аналогичного им.

Электрический нагреватель 1 (1А) установлен в отражателе 3 (сферическая поверхность отражения) так, что фокус F отражателя 3 расположен в наружной (относительно отражателя 3) плоскости нагревателя 1 (1А), к которой прилегает (посредством плотного контакта с периферией, относительно центра нагревателя 1 (1А)) плоская поверхность 12 (фиг.5) предмета (AF=1/2R).

Диаметр внутреннего отверстия D (фиг.2) плоского круглого кольца нагревателя 1 (1А) больше или равен ширине Т этого кольца.

На фиг.1 и 5 показаны нагреватели 1 и 1 А, у которых D=T, а на фиг.3 - D>T

8. Реализация заявляемого, способа осуществляется следующим образом.

При подаче электрического напряжения на контакты К электрический ток по проводам 11 поступает в терморезистивную ленту 10. Лента 10 нагревается, нагревая посредством плотного контакта элементы соединения 9, 8, 7 в нагревателе 1 (1А), а через них - весь корпус 6 плоского нагревателя 1 (1А).

Плоская круглая наружная (относительно отражателя 3) поверхность нагревателя 1 (1А) нагревает прилегающую к ней плоскую поверхность 12 предмета (фиг.5) посредством контакта.

Тепловое излучение ТИ другой плоской поверхности нагревателя 1 (1А) фокусируется (т.е. уплотняется, суммируется или концентрируется) посредством отражателя в фокусе сферического отражателя 3, в точке F. Отверстие диаметром D в нагревателе не препятствует фокусировке теплового излучения ТИ внутренней плоскости нагревателя 1 (1А) на плоской, прилегающей поверхности 12 предмета (фиг.1, фиг.5).

Таким образом, прилегающая к нагревателю 1 (1А) плоская поверхность 12 предмета нагревается периферийной (относительно центра окружностей) частью его наружной плоской поверхности, а в середине кругового отверстия нагревателя 1 (1А) плоская поверхность 12 предмета дополнительно нагревается тепловым излучателем ТИ внутренней поверхности нагревателя 1 (1А), сфокусированным (сконцентрированным, суммированным, уплотненным) отражателем 3 сферической формы.

Так достигается технический результат решаемой задачи, а именно повышение эффективности нагрева, увеличение КПД нагревателя и снижение расхода электроэнергии.

Фокусировка теплового излучения ТИ противоположной нагреваемому предмету плоскости нагревателя на поверхности предмета посредством сферического отражателя позволяет более чем на 30% увеличить скорость нагрева предмета, при одном и том же расходе электроэнергии.

Соотношения между диаметром D и шириной Т получены экспериментально и соответствуют оптимальному.

Отражатель 3 для получения того же эффекта, при нагревателе 1 (1А) в форме плоского кругового кольца, (может быть) выполнен в форме поверхности второго порядка (имеющий фокус), например в виде гиперболоида, параболоида, эллипсоида. Для сферического отражения 3 при изготовлении проще рассчитывать фокальное расстояние AF (фиг.1, фиг.5).

При выполнении нагревателя 1 треугольным в сечении 1А (фиг.5) мощность отражаемого и фокусируемого теплового излучения ТИ увеличивается на 3-7%

Источники информации

1. ГОСТ 19689-80 "Нагреватели электрические стеклопластиковые тонкостенные", стр.2-11.

2. Патент Японии №60-21471, кл. Н 05 В 3/80, 1979 г.

3. Патент Японии №45-10250, кл. Н 05 В 3/80, 1970 г.

4. Патент Японии №49-28694, кл. Н 05 В 3/80, 1974 г.

5. Заявка РФ на изобретение №20031045491 от 19.02.03 "Способ изготовления плоского зигзагообразного электронагревательного элемента с прямоугольной формой зигзага"

6. к.н. Орир Дж., Физика, М., 1981 г. том 1, стр.325, рисунок к задаче 25.

7. к.н. Орир Дж., Физика., М., 1981 г., том 2, стр.416-417.

Область применения - нагрев, разогрев, подогрев изделий бытового и технического назначения. Способ позволяет повысить эффективность нагрева, увеличить КПД электронагревателя и уменьшить расход электроэнергии. В способе контакт между поверхностью предмета и поверхностью нагревателя осуществляют по периферии этой поверхности нагревателя, а тепловое излучение противоположной плоской поверхности нагревателя фокусируют в его середине на плоскую поверхность предмета. 6 ил.

Способ нагрева плоской поверхности предмета прилегающим к ней одной стороной плоским электронагревателем посредством передачи тепла электронагревателем контактом одной его плоской поверхности по периферии плоской поверхности предмета с отражением теплового излучения противоположной плоской поверхности электронагревателя отражателем, выполненным в форме поверхности, образованной кривой второго порядка, соединенным с электронагревателем, отличающийся тем, что отраженное тепловое излучение противоположной предмету плоской поверхности электронагревателя фокусируют в его середине на плоскую поверхность предмета, неподвижно устанавливая электронагреватель, выполненный в виде плоского кругового кольца, горизонтально в чаше отражателя, а отражатель размещают с помощью ножек на неподвижной горизонтальной поверхности, при этом поверхность отражателя выполняют сферической формы либо в виде гиперболоида, параболоида, эллипсоида.