包括絲網(wǎng)加熱片的流體加熱器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及一種包括絲網(wǎng)片的流體加熱器。絲網(wǎng)片能夠包括鎳鉻 合金絲。鎳鉻合金絲通常用于諸如吹風(fēng)機(jī)和烤箱的家用電器并且用于嵌入式陶瓷加熱器。 絲具有高抗拉強(qiáng)度，并且能夠在高達(dá)1250攝氏度的溫度下工作。鎳鉻合金具有下面的物理 特性（標(biāo)準(zhǔn)室溫和壓力下使用，除非另有說(shuō)明）：
[0002]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 根據(jù)各種實(shí)施例，提供了一種流體加熱器，包括：導(dǎo)管；電路，該電路用于承載直 流電流；以及絲網(wǎng)片，該絲網(wǎng)片布置于導(dǎo)管中，并且配置該絲網(wǎng)片，以接收電流，其中該絲網(wǎng) 片具有錐形面。
[0004] 根據(jù)各種實(shí)施例，提供了一種流體加熱器套件，包括：直流電源；以及絲網(wǎng)片，配 置該絲網(wǎng)片，以布置于導(dǎo)管中并且接收來(lái)自直流電源的電流，其中該絲網(wǎng)片具有錐形面。
[0005] 應(yīng)當(dāng)明白，上面的一般描述和下面的詳細(xì)描述是示例性的并且是舉例說(shuō)明，且旨 在進(jìn)一步解釋要求保護(hù)的發(fā)明。根據(jù)下面的詳細(xì)描述、附圖和權(quán)利要求，其他特征和方案顯 而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0006] 為了進(jìn)一步理解本發(fā)明提供附圖，附圖包括在本說(shuō)明書(shū)中并且作為本說(shuō)明書(shū)的一 部分，附圖示出本發(fā)明實(shí)施例，并且與描述一起解釋本發(fā)明原理。
[0007] 在所有附圖上，相同的參考編號(hào)表示相同的元件。應(yīng)當(dāng)注意，附圖未必按比例。根 據(jù)下面參考附圖對(duì)實(shí)施例所做的詳細(xì)描述，更好地理解上述以及其他目的、方案和優(yōu)點(diǎn)，其 中：
[0008] 圖1是示出根據(jù)網(wǎng)股線的中心到中心間距變化的網(wǎng)元的輻射面積的曲線圖。
[0009] 圖2是示出根據(jù)股線半徑和網(wǎng)間距變化的網(wǎng)元的電阻的曲線圖。
[0010] 圖3是示出根據(jù)股線半徑和網(wǎng)間距變化并且功耗為20KW的兩面有邊的 125mmX250mm網(wǎng)元爐的上升時(shí)間的曲線圖。
[0011] 圖4是圖1和圖2的合成圖，指示在德盧卡元件比例接近0. 11歐姆/m2的情況下， 用于高速爐烹飪的區(qū)域。
[0012] 圖5示出根據(jù)各種實(shí)施例包括絲網(wǎng)的流體加熱器。
[0013] 圖6示出根據(jù)各種實(shí)施例包括絲網(wǎng)加熱元件的流體加熱器的俯視圖。
[0014] 圖7示出根據(jù)各種實(shí)施例包括絲網(wǎng)加熱元件的流體加熱器的仰視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面將參考附圖更全面描述本發(fā)明，附圖中示出本發(fā)明的實(shí)施例。然而，可以以許 多不同方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，并且不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本發(fā)明局限于在此描述的實(shí)施例。相反，提供這些 實(shí)施例，使得本公開(kāi)透徹，并且將本發(fā)明的范圍全面?zhèn)鬟_(dá)給本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員。附圖 中，為了清楚起見(jiàn)，可以將層和區(qū)域的尺寸和相對(duì)尺寸放大。附圖中相同的參考編號(hào)表示相 同的元件。
[0016] 應(yīng)當(dāng)明白，當(dāng)指元件"連接到"另一個(gè)元件時(shí)，其能夠直接連接到另一個(gè)元件，也可 以存在中間元件。
[0017] 當(dāng)考慮到在爐中使用鎳鉻時(shí)，重要的是，不僅要考慮到電阻特性，而且要考慮到元 件加熱時(shí)的黑體輻射。
[0018] 關(guān)于電阻元件的一般特性，電阻與長(zhǎng)度和電阻率成正比，并且與導(dǎo)體的面積成反 比。
[0019] R=L/A·P=L/A·Ρ〇(α(T-T〇)+l)等式 1
[0020] 其中Ρ是電阻率：
[0021] ρ= 1/σ
[0022] L是導(dǎo)體的長(zhǎng)度、Α是其截面積、Τ是溫度、TO是基準(zhǔn)溫度（通常是室溫）、Ρ0是 T0時(shí)的電阻率、并且α是作為ρ〇的百分比的每單位溫度的電阻率的變化。在上面的表達(dá) 式中，假定在溫度范圍內(nèi)，L和Α保持不變。此外，請(qǐng)注意，Ρ0和α是取決于研究的導(dǎo)體的 常數(shù)。對(duì)于鎳鉻，Ρ〇是20°C或者1. 10Χ10-6和α= 〇. 〇〇〇4時(shí)的電阻率。從上面可以看 出，電阻元件半徑的增大2倍將使電阻減小4倍，反之亦然。
[0023] 關(guān)于電阻元件耗散的功率，其中I是電流，R是以歐姆為單位的電阻，ν是元件兩端 的電壓，根據(jù)歐姆定律，可以看出，由于ν=iR，所以：
[0024] P=i2R
[0025] 對(duì)于具有諸如電池的恒壓電源的元件，通過(guò)元件的電流隨著電阻變化。由上面代 入R，并且使用歐姆定律，
[0026] P=v2/R=v2A/p〇L等式 2
[0027] 對(duì)于諸如鎳鉻絲的電阻性元件，在輻射冷卻整個(gè)元件時(shí)，元件中產(chǎn)生的熱量迅速 耗散。
[0028] 現(xiàn)在，研究元件的黑體特性：假定元件具有黑體性質(zhì)，斯波（Stefan-Boltzmann) 等式特性化輻射時(shí)耗散的功率：
[0029] W=σ·A·T4 等式 3
[0030] 此外，如下由維恩定律（Wien'sLaw)給出發(fā)射強(qiáng)度最高的波長(zhǎng)λ:
[0031] A_=b/T等式 4
[0032] 其中：
[0033] 〇 是斯波常數(shù)：5· 670X10% ·m2 ·K4,以及
[0034] b是維恩位移常數(shù)：2· 897X103m·K
[0035] 在諸如烹飪爐的應(yīng)用中，對(duì)于最高效率要求的優(yōu)選工作波長(zhǎng)為2微米 (2X10E-6)，基于維恩定律的元件的溫度應(yīng)當(dāng)接近1400開(kāi)氏度或者1127攝氏度。根據(jù)斯 波等式，具有兩個(gè)加熱端的小型爐具有接近4X0. 25mx0. 25m或者0. 25m2的工作表面積。因 此，對(duì)于該爐，W應(yīng)當(dāng)接近20, 000瓦。
[0036] 對(duì)于生產(chǎn)安全大功率烤箱或者爐，該系統(tǒng)需要在不高于24伏的低電壓下工作。因 此，利用等式2,對(duì)于20, 000W，如果該工作溫度下的效率為100 %，則元件具有接近0. 041歐 姆的電阻。根據(jù)等式1，將工作溫度降低到室溫（從1400到293k)代表元件的電阻接近降 低約1. 44倍，并且因此，要求其電阻在室溫為0. 0284歐姆的元件。
[0037] 現(xiàn)在，研究元件的電阻與作為黑體的元件的特性之間的關(guān)系。
[0038] 加熱器的電阻與該加熱器的黑體輻射面積的比值變成爐的關(guān)鍵設(shè)計(jì)約束，在此， 稱為德盧卡元件比例（DeLucaElementRatio)。在2微米波長(zhǎng)下超過(guò)0.25平方米工作的 理想食物爐具有0. 1137ohms/m2(0. 0284ohms/0. 25m2)的德盧卡元件比例。德盧卡元件比例 僅取決于測(cè)量的電阻和輻射表面積，但是獨(dú)立于系統(tǒng)工作的電壓。此外，對(duì)于絲線，絲線的 長(zhǎng)度不改變?cè)摫壤?br>[0039] 表1列出幾個(gè)公用鎳鉻絲規(guī)格每米的電阻以及這些元件的德盧卡元件比例。重要 的是，請(qǐng)注意，所有這些絲線都具有遠(yuǎn)大于在1400k、24伏工作的爐要求的0. 1137,并且大 于0. 25m2。顯然，為了時(shí)限功率要求使用從端到端布置的具有電壓的單個(gè)絲線不切實(shí)際。
[0040]相反，在500k的較小的0. 338m2面積、在120V和1500V工作的家庭彈出式烤箱要 求35. 5的德盧卡元件比例。因此，橫跨其布置的0. 001m半徑的1米鎳鉻絲正確工作。
[0041]表1
[0042]
[0043] 顯然，為了實(shí)現(xiàn)接近0.1137的德盧卡元件比例，要求較低的電阻或者較大的表面 積。
[0044] 實(shí)現(xiàn)0. 1137的德盧卡元件比例的一種方式是使用2cm半徑的大元件。這樣的問(wèn)題 與元件的內(nèi)在熱容有關(guān)。由表1注意到溫度從室溫升高到1400k需要65. 4秒，并且因此， 需要約0. 36KWH的能量。
[0045] 由使熱能與比熱容有關(guān)的等式求得該計(jì)算，其中根據(jù)質(zhì)量的單位數(shù)量是：
[0046] ΔQ=meΔT
[0047] 其中ΔQ是進(jìn)入元件的或者從元件出來(lái)的熱能（其中PX時(shí)間=ΔQ)，m是元件 的質(zhì)量，c是比熱容，并且ΔΤ是最終溫度減去初始溫度的溫差。
[0048] 因此，加熱元件要求的時(shí)間特別地長(zhǎng)并且不能實(shí)現(xiàn)快速烹飪時(shí)間的目標(biāo)。
[0049] 降低電阻的另一種方式是并聯(lián)布置多個(gè)電阻器?；鶢柡煞颍↘irkoff)定律預(yù)測(cè)并 聯(lián)布置的電阻器的累積效果。
[0050]
[0051]
[0052] 下面的表2列出利用等式5求得、為了實(shí)現(xiàn)0. 1137的德盧卡元件比例需要并聯(lián)布 置的表1中的每個(gè)元件的導(dǎo)體的數(shù)量。顯然，對(duì)于制造，在表面上均勻布置和分布這些元件 非常困難并且不可能。此外，請(qǐng)注意，對(duì)于幾秒的總烹飪時(shí)間，對(duì)于半徑大于0.0002米的元 件，以20kw將組合質(zhì)量的元件從室溫加熱到1400k的要求時(shí)間太長(zhǎng)了。
[0053]表2
[0054]
[0056] 總之，利用電阻性網(wǎng)元件，下面的發(fā)明可用于產(chǎn)生大功率爐。通過(guò)修改網(wǎng)的厚度和 熱輻射的表面積，設(shè)計(jì)加熱元件，以考慮到要求的波長(zhǎng)輸出。加熱器由容易組裝到爐中并且 具有低質(zhì)量的單個(gè)單元網(wǎng)構(gòu)成，從而用于非常迅速發(fā)熱（在小于幾秒的數(shù)量級(jí)）。
[0057] 具體地說(shuō)，對(duì)于在1400開(kāi)氏度工作的快速響應(yīng)（小于2秒）爐應(yīng)用，校準(zhǔn)絲網(wǎng)編 織設(shè)計(jì)，以具有正確德盧卡元件比例。
[0058] 根據(jù)示例性實(shí)施例，用于快速響應(yīng)時(shí)間爐的網(wǎng)設(shè)計(jì)由股線直徑為0. 3_并且股線 間距為0. 3mm的鎳鉻絲網(wǎng)構(gòu)成，并且在24V的電壓工作。
[0059] 研究最佳網(wǎng)設(shè)計(jì)，重要的是，估計(jì)黑體輻射面積和研究的電阻隨如下的變化：
[0060] 1)單位面積的網(wǎng)的股線數(shù)量
[0061] 2)網(wǎng)股線的半徑
[0062] 3)網(wǎng)股線材料
[0063] 4)股線之間輻射遮擋的潛在量。
[0064] 圖1示出隨網(wǎng)的股線數(shù)量和股線間距變化的黑體面積。有趣的是，如果使間距隨 著半徑變化，則表面積與絲股線的半徑無(wú)關(guān)。
[0065] 利用上面的等式5,能夠?qū)μ囟ńz股線半徑計(jì)算網(wǎng)的電阻。圖2示出隨股線的半徑 和網(wǎng)間距變化的鎳鉻網(wǎng)元件的電阻。隨著股線數(shù)量變得非常大并且電阻變得非常低，等式 5中的限制變得明顯，因此，室溫下與金屬中的電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的原子效應(yīng)形成最低電 阻閾值。
[0066] 將鎳鉻用作網(wǎng)的股線材料并且使系統(tǒng)以20KW工作，達(dá)到1400開(kāi)氏度的工作溫度 的上升時(shí)間是股線半徑和網(wǎng)間距的函數(shù)（請(qǐng)注意，采用2倍125mmX250mm的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)尺寸）。 圖3示出在下面能夠?qū)崿F(xiàn)小于2秒的上升時(shí)間的區(qū)域（請(qǐng)注意，未示出大于0. 5mm的絲半 徑，因?yàn)橐箝L(zhǎng)上升時(shí)間）。
[0067] 圖4是圖1和圖2的合成圖，指示能應(yīng)用于高速爐烹飪、具有接近0. 11歐姆/m2的 德盧卡元件比例的區(qū)域。
[0068] 描述了一種包括絲網(wǎng)片的流體加熱器，其中要加熱的流體在網(wǎng)的空隙中，S卩，形成 絲網(wǎng)的絲片之間流動(dòng)。流體在流動(dòng)時(shí)能夠被持續(xù)加熱。流體能夠被急劇或者立即加熱。這 樣，能夠鄰近或者接近使用點(diǎn)或者消費(fèi)點(diǎn)布置本流體加熱器。
[0069] 能夠提供能夠使流體的溫度升高到大范圍以上的各種實(shí)施例。能夠提供能夠使大 量流體的溫度升高的各種實(shí)施例。在某些實(shí)施例中，能夠在類(lèi)似管子的導(dǎo)管中串行地，即， 一個(gè)接一個(gè)地布置多個(gè)流體加熱器。在某些實(shí)施例中，能夠在并行導(dǎo)管中布置多個(gè)流體加 熱