Устройство для нагрева текучей среды, водонагреватель и способ резистивного нагрева текучей среды

 

Устройство для нагрева текучей среды, водонагреватели, содержащие эти устройства, используют нагревательные элементы, которые содержат электропроводный резистивный материал, способный нагревать текучую среду при подключении его к источнику электропитания. Электропроводные резистивные нагревательные элементы спирально намотаны, изолированы и защищены полимерным покрытием, нанесенным поверх резистивного материала. Нагревательные элементы являются легковесными, недорогими и минимизирующими электрохимическую коррозию и осаждение извести без ущерба нагревательной способности. 3 с. и 26 з.п. ф-лы, 7 ил.

Настоящее изобретение относится к электрическим резистивным нагревательным элементам, а более конкретно к полимерным резистивным нагревательным элементам, предназначенным для нагрева газа и жидкостей.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ Электрические резистивные нагревательные элементы, используемые в связи с водонагревателями, традиционно изготавливают из металлических и керамических компонентов. Типовая конструкция нагревательного элемента содержит пару штырьковых выводов, припаянных твердым припоем к нихромовой спирали, которую затем располагают в осевом направлении в U-образном трубчатом металлическом кожухе. Резистивная спираль изолирована от металлического кожуха посредством порошкового керамического материала, как правило, окисью магния.

Хотя такие стандартные нагревательные элементы уже в течение десятилетий находят самое широкое применение в промышленности в качестве водонагревателей, они обладают рядом хорошо известных недостатков. Например, гальванические токи, имеющие место между металлическим кожухом и какими-либо неизолированными металлическими поверхностями в резервуаре, могут вызвать коррозию различных анодных металлических компонентов системы. Металлический кожух нагревательного элемента, который, как правило, выполнен из меди или из медного сплава, притягивает также из воды известковые осадки, которые могут привести к преждевременному разрушению нагревательного элемента. Кроме того, применение латунной арматуры и медных трубок все время дорожает из-за увеличения цены на медь в последние годы.

В качестве типичного представителя подобных нагревателей можно привести устройство, защищенное патентом США N 3943328, содержащее по меньшей мере металлический нагревательный элемент в пластмассовом кожухе. В указанном устройстве обычную резистивную проволоку и порошковую окись магния использовали в связи с пластмассовым кожухом. Поскольку этот пластмассовый кожух является непроводящим, он не образует гальванических элементов с другими металлическими частями нагревательного узла, находящимися в контактном взаимодействии с водой в резервуаре, не имеет также места образования известкового нароста. Однако по различным причинам подобные нагревательные элементы были неспособны обеспечивать высокие номинальные тепловые эффекты в течение периода нормальной эксплуатации и, в связи с этим, не нашли широкого применения.

Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату при использовании, является устройство для нагрева текучей среды, содержащее электропроводный резистивный нагревательный элемент, имеющий два свободных конца, соединенных с двумя концевыми контактными площадками, в котором нагревательный элемент заключен в полимерное покрытие и размещен на поддерживающем средстве, при этом он находится в контакте с нагреваемой текучей средой и обеспечивает ее нагрев через полимерное покрытие, которого достаточно для нагрева текучей среды до требуемой температуры без плавления указанного полимерного материала (патент США N 5129033, МПК6 H 05 B 1/02, опубл. 1992).

В данном устройстве в основном устранены отмеченные выше недостатки, присущие аналогичным нагревателям, однако вместе с тем процесс изготовления подобных нагревателей недостаточно технологичен, а их технические характеристики не оптимальны.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании устройства для нагрева текучей среды, свободного от недостатков, перечисленных выше и присущих известным техническим решениям аналогичного назначения, конструктивное решение которого устраняет технические и экономические проблемы, имеющие место при их изготовлении и использовании. Т.е. исключить коррозию различных металлических деталей устройства, заменить используемую арматуру и трубки, выполняемые из цветных металлов, на детали, выполненные из полимерных материалов, повысить технологичность устройства и его технические характеристики.

Указанный технический результат достигается за счет использования в предлагаемом устройстве электропроводного резистивного нагревательного элемента, покрытого полимерным материалом и особенностей его конструктивного исполнения.

Поставленная задача с достижением упомянутого технического результата решается тем, что в известном устройстве для нагрева текучей среды, содержащем электропроводный резистивныи нагревательный элемент, имеющий два свободных конца, соединенных с двумя концевыми контактными площадками, электропроводный резистивныи нагревательный элемент изолирован полимерным материалом, находящимся в контакте с нагреваемой текучей средой, при этом электропроводный резистивный нагревательный элемент выполнен в виде винтовой спирали, размещенной в канавках, образованных в наружной поверхности стержня и герметично инкапсулирован посредством высокотемпературного полимерного покрытия; а также тем, что стержень с размещенным на нем электропроводным резистивным нагревательным элементом выполнен из полимерного материала; а также тем, что стержень из полимерного материала изготовлен посредством литья под давлением; а также тем, что указанный стержень выполнен полым и имеет по меньшей мере одно отверстие, предназначенное для пропускания через него текучей нагреваемой среды; а также тем, что электропроводный резистивныи нагревательный элемент обеспечивает тепловой эффект в диапазоне от 1000 до 6000 Вт для нагрева текучей среды до температуры, по меньшей мере, 49^oC; а также тем, что текучей нагреваемой средой является вода; а также тем, что электропроводный резистивныи нагревательный элемент обеспечивает тепловой эффект в диапазоне от 100 до 1200 Вт для нагрева газообразной текучей среды; а также тем, что в устройстве стержень из полимерного материала с электропроводным резистивным нагревательным элементом, выполнен с возможностью прохождения через стенку резервуара для обеспечения нагрева текучей среды, например, воздуха или воды, а упомянутый стержень из полимерного материала имеет трубчатую активную часть с отверстием на одном из его концов и ступенчатую втулку с фланцем на ее наружном конце, при этом упомянутый электропроводный резистивный нагревательный элемент выполнен в виде винтовой спиральной обмотки, расположенной на упомянутом стержне из полимерного материала вдоль упомянутой трубчатой активной части, а покрытие из высокотемпературного полимерного материала нанесено поверх упомянутой винтовой спиральной обмотки;
а также тем, что покрытие из высокотемпературного полимерного материала имеет толщину в диапазоне от 0,1 до 1,27 см;
а также тем, что покрытие из высокотемпературного полимерного материала содержит смолу, выбранную из группы, состоящей из полиарилсульфонов, полиимидов, полиэфиркетонов, полифениленсульфидов, силиконов, полиэфирсульфонов, жидкокристаллических полимеров и их смесей и сополимеров, а так же добавки, предназначенные для улучшения теплопроводности указанного покрытия из полимерного материала и добавки в диапазоне от 5 до 40 мас.% указанного полимерного материала для обеспечения его усиления, при этом часть полимерного покрытия имеет толщину 0,254 см;
а также тем, что электропроводный резистивный нагревательный элемент размещен на трубчатой активной части, один торец которой выполнен открытым, а второй сочленен с втулкой, наружный конец которой имеет соединительный фланец с резьбовым сочленением;
а также тем, что высокотемпературный полимерный материал покрытия содержит полифениленсульфидный или жидкокристаллический полимер;
а также тем, что устройство дополнительно содержит высокотемпературный автоматический выключатель;
а также тем, что нагреваемая газообразная текучая среда является воздухом;
а также тем, что высокотемпературное полимерное покрытие и полимерный стержень выполнены из одного термопластичного материала, имеющего температуру плавления более 93,3^oC;
а также тем, что часть высокотемпературного полимерного покрытия нанесена на винтовую спиральную обмотку посредством формования и имеет толщину не более 1,27 см;
а также тем, что стержень из полимерного материала содержит волокна из стекла, графита или полиамида.

Поставленная задача решается также тем, что в известном водонагревателе, содержащем резервуар для наполнения водой и устройство для нагрева воды, закрепленное с возможностью прохода через стенку резервуара для обеспечения электрического резистивного нагрева воды в указанном резервуаре, устройство для нагрева воды содержит электропроводный резистивный нагревательный элемент, нагревающий указанную воду при подключении к нему электропитания, при этом электропроводный резистивный нагревательный элемент изолирован полимерным материалом, находящимся в контакте с нагреваемой текучей средой, причем упомянутый электропроводный резистивный нагревательный элемент выполнен в виде винтовой спиральной обмотки, размещенной в канавках, образованных в наружной поверхности стержня, герметично инкапсулирован посредством высокотемпературного полимерного покрытия, обеспечивая эффективную передачу тепла, генерируемого электропроводным резистивным нагревательным элементом воде для повышения ее температуры без плавления высокотемпературного полимерного покрытия;
а также тем, что температура нагреваемой воды повышается по меньшей мере до 49^oC;
а также тем, что корпус упомянутого резервуара, наполняемого водой для подогрева, выполнен из полимерного материала, содержащего термопластичный полимер, формуемый литьем под давлением;
а также тем, что полимерный материал корпуса резервуара, формуемого литьем под давлением, содержит, например, полифениленсульфид;
а также тем, что электропроводный резистивный нагревательный элемент размещен на трубчатой активной части, один торец которой выполнен открытым, а второй - сочленен с втулкой, наружный конец которой имеет соединительный фланец с резьбовым сочленением.

Поставленная задача решается так же тем, что в известном способе нагрева текучей среды электропроводным резистивным нагревательным элементом, выполненным из электропроводного резистивного материала, способным нагревать текучую среду при его подключении к электропитанию, при этом электропроводный резистивный нагревательный элемент герметизирован и электрически изолирован от нагреваемой текучей среды полимерным материалом, предусматривающем погружение упомянутого нагревательного элемента через стенку резервуара в упомянутую текучую среду, благодаря чему, упомянутая нагреваемая текучая среда приходит в прямое контактное взаимодействие с упомянутым полимерным герметизирующим материалом для поддержания его при температуре меньше температуры его плавления, поглощая в то же самое время тепло, генерируемое упомянутым электропроводным резистивным нагревательным элементом и передаваемое через упомянутый полимерный герметизирующий материал, при этом нагрев текучей среды осуществляется электропроводным резистивным нагревательным элементом, выполненным в виде винтовой спиральной обмотки, размещенной в канавках, образованных в наружной поверхности стержня, герметично инкапсулирован посредством высокотемпературного полимерного покрытия;
а также тем, что высокотемпературное полимерное покрытие формуется литьем под давлением;
а также тем, что электропроводный резистивный нагревательный элемент размещен на трубчатой активной части, один торец которой выполнен открытым и предназначен для поступления через него нагреваемой текучей среды, причем упомянутая текучая среда поглощает тепло, выделяемое из упомянутого нагревательного элемента, осуществляя это поглощение как на внутренней, так и на наружной поверхности упомянутого нагревательного элемента.

Настоящее изобретение обеспечивает полимерные электрические резистивные нагревательные элементы и водонагреватели, содержащие такие элементы. Нагревательный элемент выполнен из электропроводного резистивного материала, нагревающегося при пропускании через него электрического тока, и имеет два свободных конца, соединенных с двумя концевыми контактными площадками. Этот резистивный материал герметично изолирован в интегральном слое полимерного материала. Резистивный материал и полимерный слой вместе образуют тело нового нагревательного элемента, который обеспечивает резистивный нагрев, достаточный для нагрева воды до температуры, по меньшей мере, приблизительно 120^oF (49^oC) без плавления полимерного слоя.

Нагревательные элементы, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, более всего пригодны для нагрева горячей воды, предназначенной для промышленного и бытового применения. Они предназначены для обеспечения теплового эффекта по меньшей мере 100-1200 Вт для нагрева газообразной текучей среды и 1000-6000 Вт, а предпочтительно 1700-4500 Вт для нагрева жидкой текучей среды. Такая мощность развивается водонагревателем без разрушения полимерного покрытия или резервуара-хранилища даже в том случае, например, когда резервуар выполнен из пластмассы. Хотя настоящее изобретение не ограничено какой-либо особой теорией, представляется, что охлаждающий эффект текучей среды, которой может быть масло, воздух, вода, позволяет поддерживать температуру полимерного материала ниже температуры его плавления, давая ему возможность передавать тепло конвекцией от резистивного нагревательного материала без плавления полимерного покрытия.

Для эффективного нагрева воды до полезных температур 120-180^oF (49-82^oC), полимерное покрытие должно быть, как можно более тонким, предпочтительно толщиной менее 0,5 дюйма (1,27 см), а в идеальном случае - менее 0,1 дюйма (0,254 см). Это позволяет покрытию обеспечивать герметичное уплотнение, предохраняющее от электрических коротких замыканий, без большой массы, уменьшающей эффективность теплопроводности нагревательного элемента. Полимерное покрытие должно быть равномерным и по существу без пузырьковых включений с тем, чтобы исключить возможные участки местного перегрева вдоль элемента, которые могут привести к преждевременному разрушению элемента в жидких средах.

В более подробно описанном варианте осуществления настоящего изобретения иллюстрируется электрический резистивный нагревательный элемент, предназначенный для нагрева текучей среды. Этот нагревательный элемент содержит винтовую спираль, свернутую из резистивной проволоки, имеющей две свободные концевые части. Винтовая спираль герметично инкапсулирована в высокотемпературном полимере. Этот элемент имеет трубчатую форму, с закрытым торцем на одном из его концов, и открытым торцем на противоположном конце трубчатого нагревательного элемента. Торец на закрытом конце содержит соединительный фланец с резьбовым сочленением и по меньшей мере два проводника, соединенных со свободными концами резистивной проволоки и выходящих из соединительного фланца с резьбовым сочленением элемента для соединения с источником электропитания. Нагревательный элемент может дополнительно содержать прибор для высокотемпературного выключения, который выполнен с возможностью прерывания прохождения электрического тока через этот элемент в случае перегрева, приводящего к плавлению полимера или к возникновению электрического короткого замыкания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ Сопроводительные чертежи иллюстрируют предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, а также другую информацию, изложенную в описании.

Фиг. 1 - изометрическое изображение предпочтительного варианта выполнения полимерного нагревателя текучей среды, соответствующего настоящему изобретению.

Фиг. 2 - левая боковая проекция полимерного нагревателя текучей среды, показанного на фиг. 1.

Фиг. 3 - вид спереди (с частичным вырывом) полимерного нагревателя текучей среды, показанного на фиг. 1.

Фиг. 4 - вид спереди (с полным разрезом) предпочтительного варианта выполнения внутренней формованной части полимерного нагревателя текучей среды, показанного на фиг. 1.

Фиг. 5 - вид спереди (с частичным разрезом) предпочтительного варианта выполнения контактного узла полимерного нагревателя текучей среды, показанного на фиг. 1.

Фиг. 6 - увеличенный частичный вид спереди конца предпочтительного варианта выполнения спирали полимерного нагревателя текучей среды, соответствующего настоящему изобретению.

Фиг. 7 - увеличенный частичный вид спереди варианта воплощения полимерного нагревателя текучей среды с двумя спиралями, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к электрическим резистивным нагревательным элементам и водонагревателям, содержащим эти элементы. Эти устройства полезны для минимизации электрохимической коррозии в водонагревателях и маслоподогревателях, а также известковых наростов и проблем уменьшения срока службы элементов. Используемый в настоящем описании термин "текучая среда" относится как к жидкостям, так и к газам.

Предпочтительный вариант выполнения полимерного нагревателя 100 текучей среды в соответствии с настоящим изобретением приведен ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, в частности со ссылкой на фиг. 1-3. Полимерный нагреватель 100 текучей среды содержит нагревательный элемент, выполненный из электропроводного резистивного материала. Этот резистивный нагревательный элемент может быть изготовлен в виде проволоки, сетки, ленты или иметь, например, змеевидную форму. В предпочтительном варианте выполнения нагревателя 100 спираль 14, имеющая два свободных конца, соединенных с двумя контактными концевыми площадками 12 и 16, предназначена для нагрева сопротивлением (нагрева джоулевой теплотой, выделяемой при пропускании электрического тока). Спираль 14 герметизирована и электрически изолирована от текучей среды посредством интегрального слоя, выполненного из высокотемпературного полимерного материала. Другими словами, активный резистивный материал нагревательного элемента защищен от короткого замыкания в текучей среде полимерным покрытием. Резистивный нагревательный элемент, соответствующий настоящему изобретению, имеет достаточные площадь поверхности, длину или толщину поперечного сечения для нагрева воды до температуры по меньшей мере 120^oF (49^oC) без плавления полимерного слоя. Как станет очевидно из описания, приведенного ниже, это может быть обеспечено путем тщательного выбора соответствующих материалов и размеров деталей нагревательного элемента.

В частности, из фиг. 3 следует, что предпочтительный вариант выполнения полимерного нагревателя 100 текучей среды, как правило, содержит три функциональные части: контактный узел 200, показанный на фиг. 5, втулку 300, показанную на фиг. 4, и полимерное покрытие 30. Теперь будут дополнительно описаны каждая из этих составляющих частей и их конечная сборка в виде полимерного нагревателя 100 текучей среды.

В предпочтительном варианте выполнения втулка 300, показанная на фиг. 4, является одноэлементным компонентом, со ступенчатой наружной поверхностью, полученным литьем под давлением высокотемпературного полимера. На наружном конце втулка 300 имеет фланец 32. Смежно фланцу 32 расположена собственно втулочная часть, имеющая множество витков резьбы 22. Витки резьбы 22 предназначены для вхождения без зазора во внутренний диаметр сквозного монтажного отверстия в боковой стенке резервуара-хранилища, напримеррезервуара водонагревателя. Для обеспечения более надежного водонепроницаемого уплотнения, на внутренней поверхности фланца 32 может быть использовано уплотнительное кольцо (не показано). Во внутренней части втулка 300 имеет полость 39 для установки терморезистора, расположенную в ее предпочтительном круглом поперечном сечении. Полость 39 для терморезистора может иметь торцевую стенку 33, предназначенную для отделения терморезистора 25 от текучей среды. Полость 39 для терморезистора предпочтительно открыта через фланец 32 так, чтобы обеспечить простую установку контактного узла 200. Внутренняя часть втулки 300 имеет также по меньше мере две полости 31 и 35 для проводников, расположенных между полостью для терморезистора и наружной поверхностью втулки 300, для установки шины 18 и контактного проводника 20 контактного узла 200. Втулка 300 содержит ряд радиальных регулировочных канавок 38, расположенных вокруг ее наружной периферии. Эти канавки могут быть витками резьбы или несоединенными канавками и должны быть достаточно разнесены друг относительно друга, чтобы обеспечить опорную поверхность для электрического отделения витков предпочтительной спирали 14.

Втулка 300 может быть получена литьем под давлением. Полость 11 трубчатой части 10 нагревательного элемента для прохождения потока предпочтительно получают с помощью вставок длиной 12,5 дюйма (31,75 см), приводимых в движение с помощью гидравлики, создавая в соответствии с этим нагревательный элемент длиной приблизительно 13-18 дюймов (33,02-45,72 см). Втулка 300 может быть получена с помощью металлической пресс-формы при образовании кольцеобразного литника на фланце 32. Желательно, чтобы целевая толщина стенки трубной активной части 10 нагревательного элемента была менее 0,5 дюйма (1,27 мм), а предпочтительно менее 0,1 дюйма (0,254 мм), при целевом диапазоне 0,04-0,06 дюйма (0,1-0,15 см), который, как представляется, является обычным нижним пределом оборудования для литья под давлением. Два крючка или штыря 45 и 55 также получены литьем под давлением вдоль активной трубчатой части 10 нагревательного элемента между последовательными витками резьбы или канавками для обеспечения места подключения или присоединения внешнего проводника или крепления витков одной или более спиралей. Для обеспечения полости 39 для терморезистора, полости 11 для прохождения потока, полостей 31 и 35 для проводников и отверстия 57 для прохождения потока в процессе литья под давлением могут быть использованы боковые вставки и торцевая вставка.

Теперь со ссылкой на фиг. 5 будет описан предпочтительный вариант выполнения контактного узла 200. Контактный узел 200 содержит полимерную торцевую крышку 28, предназначенную для установки в ней двух контактных соединений 23 и 24. Как показано на фиг. 2, контактные соединения 23 и 24 могут иметь резьбовые отверстия 34 и 36 для крепления резьбового соединителя, например, винта, для монтажа наружных электрических проводов. Контактные соединения 23 и 24 являются концевыми частями контактного проводника 20 и шины 21 терморезистора. Шина 21 терморезистора электрически соединяет контактное соединение 24 с клеммой 27 терморезистора. Другая клемма 29 терморезистора соединена с шиной 18 терморезистора, которая предназначена для установки в полости 35 для проводника вдоль нижней части, показанной на фиг. 4. Для замыкания цепи предусмотрен терморезистор 25. В некоторых случаях терморезистор 25 может быть заменен термореле, твердотельным ТСО или просто ленточным заземлением, которое соединено с внешним автоматическим выключателем или аналогичным ему прибором. Представляется, что ленточное заземление (не показано) может быть расположено вблизи одной из контактных концевых площадок 16 или 12 так, чтобы шунтироваться в процессе плавления полимерного покрытия.

В предпочтительном варианте осуществления, терморезистор 25 является быстродействующим термореле/термопредохранителем. Этот термопредохранитель имеет небольшие размеры и пригоден для напряжения 120/240 вольт переменного тока. Он имеет проводящую биметаллическую конструкцию в электрически активном корпусе. Торцевая крышка 28 предпочтительно является отдельной формованной полимерной деталью.

После того как контактный узел 200 и втулка 300 изготовлены, их предпочтительно собирают вместе перед намоткой описанной спирали 14 поверх регулировочных канавок 38 активной трубчатой части 10 нагревательного элемента. При ее осуществлении необходимо обязательно получить законченную цепь с контактными концевыми площадками 12 и 16 спирали. Это можно гарантировать путем получения соединения пайкой твердым припоем, пайкой мягким припоем или точечной сваркой контактных концевых площадок 12 и 16 спирали с контактным проводником 20 и шиной 18 терморезистора. Важно также должным образом расположить спираль 14 на поверхности втулки 300 до нанесения полимерного покрытия 30. В предпочтительном варианте осуществления, полимерное покрытие 30 получают экструдированием поверхности втулки 300 для образования с ней термопластичного полимерного соединения. Также как в случае с втулкой 300, для сохранения отверстий 57 и полости 11 для прохождения потока открытыми в пресс-форму в процессе формования могут быть введены соответствующие вставки.

На фиг. 6 и фиг. 7 показаны варианты воплощения полимерных резистивных нагревательных элементов, в соответствии с настоящим изобретением, с одной и двумя резистивными проволоками, соответственно. В варианте воплощения с одной проволокой, показанном на фиг. 6, регулировочные канавки 38 используют для намотки первой проволочной пары, имеющей витки 42 и 43 в форме спирали. Поскольку предпочтительный вариант воплощения содержит изогнутую резистивную проволоку, концевая часть изогнутого или спирального конца 44 надета посредством его изгиба вокруг штыря 45. В идеальном случае, штырь 45 является деталью трубчатой части 10, изготавливаемой вместе с втулкой 300 в процессе литья под давлением.

Аналогичным образом может быть получена конфигурация с двумя резистивными проволоками. В этом варианте воплощения, первая пара витков 42 и 43 первой резистивной проволоки отделена от следующей последовательной пары витков 46 и 47 в той же резистивной проволоке спиральным концом 54 второй спирали, обернутым вокруг второго штыря 55. Вторая пара витков 52 и 53 второй резистивной проволоки, которые электрически соединены со спиральным концом 54 второй спирали, наматывается затем вокруг трубчатой части 10 нагревательного элемента после витков 46 и 47 в следующей прилегающей паре регулировочных канавок. Хотя узел с двумя спиралями представляет собой чередующиеся пары витков для каждой проволоки, очевидно, что витки могут быть намотаны группами по два или более витка для каждой резистивной проволоки или при необходимости с разным числом витков и разной формой намотки, насколько их проводящие спирали остаются изолированными друг от друга поверхностью втулки 300 или каким-либо другим изолирующим материалом, например, отдельным пластмассовым покрытием, и так далее.

Пластмассовые детали настоящего устройства предпочтительно выполнены из "высокотемпературного" полимера, который не будет значительно деформироваться или плавиться при температурах текучей среды в диапазоне 120-180^oF (49-82^oC). Термопластичные полимеры, имеющие температуру плавления более 200^o F (93^oC), являются наиболее желательными, хотя для этой цели могут также оказаться приемлемыми некоторые керамические материалы и термореактивные полимеры. Предпочтительными термопластичными материалами являются фторуглероды, полиарилсульфоны, полиимиды, полиэфиркетоны, полифениленсульфиды, полиэфирсульфоны и смеси и сополимеры этих термопластов. Термореактивные полимеры, которые были бы приемлемы для этих случаев применения, включают некоторые эпоксидные смолы, фенольные смолы и силиконы. Для улучшения высокотемпературной химической обработки могут быть также использованы жидкокристаллические (мезоморфные) полимеры.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, наиболее желательными являются полифениленсульфиды, поскольку они обеспечивают работу при повышенных температурах, имеют небольшую стоимость и проще поддаются технологической обработке, особенно в процессе литья под давлением.

Полимеры, которые могут быть использованы в соответствии с настоящим изобретением, могут содержать до 5-40 мас.% армирующих волокон, например, из графита, стекла или полиамида. Эти полимеры могут быть смешаны с различными добавками для улучшения теплопроводности и извлечения из пресс-формы. Теплопроводность может быть улучшена введением углеродного, графитового и металлического порошка или чешуек. Однако важно, чтобы величина таких добавок не была слишком велика, поскольку избыток какого-либо проводящего материала может оказать влияние на диэлектрические свойства и коррозионную стойкость предпочтительных полимерных покрытий. Любой из полимерных нагревательных элементов в соответствии с настоящим изобретением может быть выполнен при любом сочетании этих материалов или может быть использован один, выбранный из этих полимеров, с добавками или без добавок для различных деталей настоящего изобретения, в зависимости от конечного использования этого элемента.

Резистивный материал, используемый для изготовления проводников электрического тока и выделения тепла в нагревательных элементах текучей среды, в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно представляет собой резистивный металл, который является электропроводным и термостойким. Наиболее распространенным материалом является нихромовый сплав, хотя в некоторых случаях применения могут оказаться приемлемыми медные сплавы, сталь и нержавеющая сталь. Очевидно также, что в качестве замены металлических резистивных материалов могут быть использованы проводящие полимеры, содержащие графитные, углеродные или металлические частицы или волокна, насколько они способны генерировать достаточно тепла при пропускании через них электрического тока для нагрева текучих сред, например воды. Из этих проводящих материалов могут быть также изготовлены остальные электрические проводники предпочтительного полимерного нагревательного элемента 100 текучей среды.

Стандартными электрическими характеристиками предпочтительных полимерных нагревательных элементов текучей среды, соответствующих настоящему изобретению и используемых для нагрева воды, являются напряжение электрического тока 240 В и электрическая мощность 4500 Вт, хотя в зависимости от длины и диаметра проволоки проводящей спирали 14 могут быть получены тепловые эффекты от 1000 до 6000 Вт, а предпочтительно в диапазоне 1700-4500 Вт. Для нагрева газа могут быть использованы более низкие тепловые эффекты, например, 100-1200 Вт. Путем применения двух или даже трех спиралей из резистивных материалов, заканчивающихся в различных местах вдоль активной трубчатой части 10 нагревательного элемента, могут быть получены нагреватели с тремя различными номиналами мощности.

Из приведенного выше описания очевидно, что настоящее изобретение обеспечивает создание усовершенствованных нагревательных элементов текучей среды для применения во всех типах нагревательных устройств текучей среды, включающих в себя водонагреватели и нагреватели масла. Самыми предпочтительными устройствами настоящего изобретения являются полимерные нагреватели, поскольку они имеют минимальную стоимость и существенно уменьшают электрохимическое воздействие в резервуарах-хранилищах текучей среды. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, полимерные нагреватели текучей среды могут быть применены в связи с полимерными резервуарами-хранилищами с тем, чтобы избежать коррозии, связанной с образованием металлических ионов.

В альтернативном варианте, эти полимерные нагреватели текучей среды могут быть предназначены для отдельного использования, будучи выполненными в виде емкости-хранилища, предназначенной для хранения и нагрева газов или жидкости. В таком варианте воплощения, полость 11 для прохождения потока может быть получена формованием в виде резервуара или бассейна-хранилища, а нагревательная спираль 14 может быть расположена в стенке резервуара или бассейна и обеспечиваться электроэнергией для нагрева жидкости или газа в резервуаре или бассейне. Нагревательные приборы в соответствии с настоящим изобретением могут также быть применены в подогревателях пищевых продуктов, нагревателях бигуди, фенах для сушки волос, щипцах для завивки волос и в нагревателях, применяемых в устройствах для активного отдыха, например в бассейнах.

Настоящее изобретение может также быть применимо для нагревателей проходящих потоков, в которых текучую среду пропускают через полимерную трубку, содержащую одну или более обмоток, выполненных из резистивных материалов, в соответствии с настоящим изобретением. Когда текучая среда проходит через такую трубку, тепло, выделяемое при пропускании по обмотке (обмоткам) электрического тока, проходящее через полимерную стенку трубки, имеющую внутренний диаметр, будет ее нагревать (газ или жидкость). Нагреватели проходящего потока могут быть применены в фенах для сушки волос и нагревателях, часто применяемых для нагрева воды "по требованию".

Хотя были описаны различные варианты воплощения настоящего изобретения, это было сделано для пояснения, а не для ограничения изобретения. Квалифицированному в этой области техники специалисту будут очевидны различные модификации, которые могут быть сделаны без отклонения от объема настоящего изобретения, описанного в прилагаемой формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Устройство для нагрева текучей среды, содержащее электропроводный резистивный нагревательный элемент, имеющий два свободных конца, соединенных с двумя концевыми контактными площадками, при этом электропроводный резистивный нагревательный элемент изолирован полимерным материалом, находящимся в контакте с нагреваемой текучей средой, отличающееся тем, что электропроводный резистивный нагревательный элемент выполнен в виде винтовой спиральной обмотки, размещенной в канавках, образованных в наружной поверхности полого стержня из полимерного материала, и герметично инкапсулированной посредством покрытия из высокотемпературного полимерного материала.

2. Устройство для нагрева по п.1, в котором полый стержень из полимерного материала изготовлен посредством литья под давлением.

3. Устройство для нагрева по п.1, в котором упомянутый полый стержень имеет, по меньшей мере, одно отверстие, предназначенное для пропускания через него текучей нагреваемой среды.

4. Устройство для нагрева по п.1, в котором электропроводный резистивный нагревательный элемент обеспечивает тепловой эффект в диапазоне 1000 - 6000 Вт для нагрева текучей среды до температуры, по меньшей мере, 49°С.

5. Устройство для нагрева по п.4, в котором текучей нагреваемой средой является вода.

6. Устройство для нагрева по п.1, в котором электропроводный резистивный нагревательный элемент обеспечивает тепловой эффект в диапазоне 100 - 1200 Вт для нагрева газообразной текучей среды.

7. Устройство для нагрева по п.3, в котором полый стержень из полимерного материала с отверстием на одном из его концов имеет ступенчатую втулку с фланцем на ее наружном конце, при этом упомянутый электропроводный резистивный нагревательный элемент, выполненный в виде винтовой спиральной обмотки, расположен на упомянутом стержне из полимерного материала, а покрытие из высокотемпературного полимерного материала нанесено поверх упомянутой винтовой спиральной обмотки.

8. Устройство для нагрева по п.7, в котором упомянутое покрытие из высокотемпературного полимерного материала имеет толщину в диапазоне 0,1 - 1,27 см.

9. Устройство для нагрева по п.1, в котором упомянутое покрытие из высокотемпературного полимерного материала содержит смолу, выбранную из группы, состоящей из полиарилсульфонов, полиимидов, полиэфиркетонов, полифениленсульфидов, силиконов, полиэфирсульфонов, жидкокристаллических полимеров и их смесей и сополимеров.

10. Устройство для нагрева по п.1, в котором упомянутое покрытие из высокотемпературного полимерного материала содержит добавки, улучшающие теплопроводность упомянутого полимерного материала.

11. Устройство для нагрева по п. 1, в котором упомянутое покрытие из высокотемпературного полимерного материала содержит добавки в диапазоне 5 - 40 мас.% упомянутого высокотемпературного полимерного материала для обеспечения его усиления.

12. Устройство для нагрева по п.7, в котором упомянутый электропроводный резистивный нагревательный элемент размещен на полом стержне, один конец которого выполнен открытым, а второй - сочленен со ступенчатой втулкой, наружный конец которой имеет соединительный фланец с резьбовым сочленением.

13. Устройство для нагрева по п.1, в котором упомянутый высокотемпературный полимерный материал покрытия содержит полифениленсульфидный или жидкокристаллический полимер.

14. Устройство для нагрева по п.1, дополнительно содержит высокотемпературный автоматический выключатель.

15. Устройство для нагрева по п.6, в котором нагреваемая газообразная текучая среда является воздухом.

16. Устройство для нагрева по п.4, в котором упомянутое покрытие из высокотемпературного полимерного материала и упомянутый полый полимерный стержень выполнены из одного термопластичного материала, имеющего температуру плавления более 93,3°С.

17. Устройство для нагрева по п.8, в котором часть упомянутого покрытия из высокотемпературного полимерного материала нанесена на винтовую спиральную обмотку посредством формования и имеет толщину не более 1,27 см.

18. Устройство для нагрева по п.10, в котором часть упомянутого покрытия из высокотемпературного полимерного материала имеет толщину менее 0,254 см.

19. Устройство для нагрева по п.1, в котором упомянутый полый стержень из полимерного материала содержит волокна из стекла, графита или полиамида.

20. Водонагреватель, имеющий резервуар, заполняемый нагреваемой водой, и устройство, закрепленное с возможностью прохода через стенку резервуара и содержащее электропроводный резистивный нагревательный элемент для обеспечения электрического резистивного нагрева воды в упомянутом резервуаре при подключении к нему электропитания, при этом электропроводный резистивный нагревательный элемент изолирован полимерным материалом, находящимся в контакте с нагреваемой текучей средой, отличающийся тем, что электропроводный резистивный нагревательный элемент выполнен в виде винтовой спиральной обмотки, размещенной в канавках, образованных в наружной поверхности полого стержня из полимерного материала, герметично инкапсулированной посредством покрытия из высокотемпературного полимерного материала, обеспечивая эффективную передачу тепла, генерируемого упомянутым электропроводным резистивным нагревательным элементом, воде для повышения ее температуры без плавления упомянутого покрытия из высокотемпературного полимерного материала.

21. Водонагреватель по п.20, в котором температура нагреваемой воды повышается, по меньшей мере, до 49°С.

22. Водонагреватель по п.20, в котором упомянутый резервуар, наполняемый водой, выполнен из полимерного материала.

23. Водонагреватель по п.20, в котором упомянутый электропроводный резистивный нагревательный элемент размещен на полом стержне, один конец которого выполнен открытым, а второй сочленен со ступенчатой втулкой, наружный конец которой имеет соединительный фланец с резьбовым сочленением.

24. Водонагреватель по п.23, в котором упомянутый соединительный фланец с резьбовым сочленением выполнен из полимерного материала.

25. Водонагреватель по п.22, в котором упомянутый полимерный материал резервуара содержит термопластичный полимер, формуемый литьем под давлением.

26. Водонагреватель по п.22, в котором упомянутый полимерный материал резервуара содержит полифениленсульфид.

27. Способ нагрева текучей среды электропроводным резистивным нагревательным элементом, выполненным из электропроводного резистивного материала, способным нагревать текучую среду при его подключении к электропитанию, при этом электропроводный резистивный нагревательный элемент герметизирован и электрически изолирован от нагреваемой текучей среды полимерным материалом, предусматривающий погружение упомянутого нагревательного элемента через стенку резервуара в упомянутую нагреваемую текучую среду, благодаря чему нагреваемая текучая среда приходит в прямое контактное взаимодействие с упомянутым полимерным материалом для поддержания его при температуре, меньшей температуры его плавления, поглощая в то же самое время тепло, генерируемое электропроводным резистивным нагревательным элементом и передаваемое через упомянутый полимерный материал, отличающийся тем, что нагрев текучей среды осуществляется электропроводным резистивным нагревательным элементом, выполненным в виде винтовой спиральной обмотки, размещенной в канавках, образованных в наружной поверхности полого стержня из полимерного материала, герметично инкапсулированной посредством покрытия из высокотемпературного полимерного материала.

28. Способ по п.27, в котором упомянутое покрытие из высокотемпературного полимерного материала формуется литьем под давлением.

29. Способ по п.28, в котором упомянутый электропроводный резистивный нагревательный элемент, размещенный на полом стержне, один конец которого выполнен открытым, предназначен для поступления через него нагреваемой текучей среды, причем упомянутая нагреваемая текучая среда поглощает тепло, выделяемое из упомянутого электропроводного резистивного нагревательного элемента, осуществляя это поглощение, как на внутренней, так и на наружной поверхности упомянутого нагревательного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7