專利名稱：水加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及加熱裝置，更具體地說，涉及一種水加熱裝置。
背景技術(shù)：
U. S.專利申請?zhí)枮?2/026， 724的專利申請公開了一種集成的涂層系統(tǒng)，其相關(guān) 內(nèi)容在本實(shí)用新型申請的水加熱裝置中全文引用。該集成的涂層系統(tǒng)具有可靠的高溫加熱 元件，以執(zhí)行可靠的和連續(xù)的加熱功能，其加熱溫度可達(dá)600°C。該涂層系統(tǒng)設(shè)置在平坦的 陶瓷玻璃襯底上，其包括多層納米厚度的導(dǎo)電涂層，其性質(zhì)基于化學(xué)摻雜元素和處理?xiàng)l件。 該涂層系統(tǒng)進(jìn)一步包括特制的陶瓷玻璃平行電極，其跨越整個涂層，以確保電極與涂層和 襯底之間最優(yōu)的匹配，從而降低加熱元件的電阻并提高其導(dǎo)電性能。該涂層的制造可使用 噴霧熱裂解法并將溫度控制在大約650°C 75(TC之間，同時控制噴霧運(yùn)動以形成多層大 約50nm 70nm之間的薄膜，以提高高溫時的穩(wěn)定性。 導(dǎo)電涂層材料用于將電能轉(zhuǎn)換成熱能。其熱生成原理不同于傳統(tǒng)的加熱線圈，其 熱輸出來自金屬線圈電阻，由此具有較低的加熱效率和高能耗。與此相比，通過調(diào)節(jié)多層涂 層的成分和厚度，可控制涂層系統(tǒng)的電阻和增強(qiáng)其導(dǎo)電性，從而產(chǎn)生高效的加熱和最低的 能耗。該集成的涂層系統(tǒng)具有可靠的高溫加熱元件，以執(zhí)行可靠的和連續(xù)的加熱功能，其加 熱溫度可達(dá)60(TC。使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和脈寬調(diào)節(jié)(P麗)驅(qū)動的智能功率監(jiān)視和控制 系統(tǒng)與該加熱薄膜相集成，從而依據(jù)所需的水溫和流速，為加熱元件提供流暢的供電，優(yōu)化 其加熱性能和節(jié)能效率。 以上的背景描述以用于幫助理解該水加熱裝置，但并不作為本實(shí)用新型申請所公 開的水加熱裝置的相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)，或?qū)⑵淇紤]為評價本實(shí)用新型申請權(quán)利要求專利性的引 用材料。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種水加熱裝置，其包括
水箱和設(shè)置在所述水箱內(nèi)的至少一個加熱元件，所述加熱元件包括加熱主體、設(shè)置在所述
加熱主體上的至少一組多層納米厚度的導(dǎo)電涂層；及耦合到多層導(dǎo)電涂層的電極；其中，
所述多層導(dǎo)電涂層具有在高溫條件下穩(wěn)定所述加熱元件性能的結(jié)構(gòu)和成分。 所述水加熱裝置包括一個加熱元件，以在所述水箱內(nèi)形成n形結(jié)構(gòu)的水通道。 所述水加熱裝置包括相互平行排列的多個加熱元件，以在所述水箱內(nèi)形成迂回的
水通道。 所述水加熱裝置包括縱橫交錯排列的多個加熱元件，以在所述水箱內(nèi)形成迂回的 水通道。 所述水加熱裝置包括串聯(lián)電連接的多個加熱元件。 所述水加熱裝置包括并聯(lián)電連接的多個加熱元件。 所述加熱元件的加熱主體是一平面板。[0012] 所述加熱元件的加熱主體由陶瓷玻璃制成。 所述電極可以是陶瓷熔塊。 所述加熱元件包括串聯(lián)電連接的多個導(dǎo)電涂層。 所述加熱元件包括并聯(lián)電連接的多個導(dǎo)電涂層。 在多層導(dǎo)電涂層上覆蓋有絕緣材料。 所述水加熱裝置包括功率監(jiān)視和控制系統(tǒng)，其具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器和脈寬調(diào)制驅(qū)動。 所述加熱元件可拆卸地設(shè)置在所述水箱中。

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，附圖中 圖1是依據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的水加熱裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是依據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的具有多個加熱元件的水加熱裝置的透視圖； 圖3是具有導(dǎo)電涂層的一加熱元件的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是圖3所示的加熱元件的主視圖； 圖5是具有單一的加熱元件的水加熱裝置的橫截面圖； 圖6是具有四個平行的加熱元件的水加熱裝置的橫截面圖； 圖7是具有多個縱橫交錯的加熱元件的水加熱裝置的橫截面圖； 圖8是高容量的水加熱裝置的第一實(shí)施例的透視圖； 圖9是高容量的水加熱裝置的第二實(shí)施例的透視圖； 圖10a是具有并聯(lián)連接的五個導(dǎo)電涂層的加熱元件的示意圖； 圖10b是具有串聯(lián)連接的五個導(dǎo)電涂層的加熱元件的示意圖； 圖11是關(guān)于具有三個加熱元件，每個加熱元件其輸出功率大約為3kW而總輸出功 率大約為9kW的水溫增加示意圖； 圖12是關(guān)于具有兩個加熱元件，每個加熱元件其輸出功率大約為3kW而總輸出功 率大約為6kW的水溫增加示意圖； 圖13是由九個加熱元件構(gòu)成的三相交流電源水加熱系統(tǒng)的電路框圖； 圖14是連接到供電電源的監(jiān)視器的電路原理圖； 圖15是功率監(jiān)視和控制系統(tǒng)的ADC和P麗驅(qū)動的電路原理圖。
具體實(shí)施方式應(yīng)該注意的對于說明書和權(quán)利要求書中，當(dāng)描述一元件"耦合"或"連接"到另一 元件時，其并非必要的意味一元件固定、綁定或以別的方式連接到另一元件。相反，詞語"耦 合"或"連接"是指一元件直接或間接地連接到另一元件，或以機(jī)械或電連接到另一元件。 圖1是依據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的水加熱裝置10的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是依 據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的具有多個加熱元件的水加熱裝置的透視圖。如圖l和2所示，水 加熱裝置10包括至少一個加熱元件12和電源和溫度監(jiān)視和控制系統(tǒng)14，該加熱元件包括 由陶瓷玻璃或別的合適的材料制成的一加熱主體，該電源和溫度監(jiān)視和控制系統(tǒng)用于控制 和優(yōu)化該裝置的水溫和加熱性能。可將使用紅外線或別的方式的遙控添加或集成到該水加 熱裝置10的監(jiān)控和控制系統(tǒng)14中，以執(zhí)行其設(shè)計(jì)功能。根據(jù)圖示的實(shí)施例，該加熱元件12的加熱主體可設(shè)計(jì)為平板結(jié)構(gòu)，以最大化加熱區(qū)域，從而對該水加熱裝置10中的水進(jìn)行有 效的加熱和達(dá)到纖薄和緊密的設(shè)計(jì)。 本應(yīng)用中加熱元件12的加熱主體可包括一平面，以最大化加熱面積，從而對該 水加熱裝置10中的水進(jìn)行有效的加熱和達(dá)到該裝置的纖薄和緊密的設(shè)計(jì)。例如，大小為 10 X 10cm2及厚度為4mm的陶瓷玻璃加熱主體可提供的加熱表面達(dá)200cm2，在該陶瓷玻璃的 兩側(cè)直接與水接觸并加熱。相比，為了提供同樣的加熱表面，管加熱元件將需要6. 4cm的直 徑，這將限制該水加熱裝置可實(shí)現(xiàn)的纖薄設(shè)計(jì)。 取代使用傳統(tǒng)的金屬加熱元件，該加熱元件12的加熱主體由陶瓷玻璃制成，其表 面設(shè)置有多層納米厚度的加熱薄膜。該陶瓷玻璃是剛性的并具有高的溫度阻抗。該陶瓷玻 璃可執(zhí)行可靠和連續(xù)的加熱功能，其溫度可達(dá)60(TC，本申請中的加熱元件可在一分鐘內(nèi)達(dá) 到300°C ，由此，當(dāng)水流過該陶瓷玻璃表面時，可提供非?？焖俚牧⒓醇訜?。該陶瓷玻璃是非 腐蝕性的，并可通過使用溫性酸溶液沖洗該加熱系統(tǒng)，容易地清洗該陶瓷玻璃。因此，通過 簡易的維護(hù)，就可長時間使用該加熱元件12。 每個加熱元件12可在10X10cm2的小區(qū)域，產(chǎn)生高達(dá)5000W的功率(以220V交 流)。具有50W/cm2功率密度的一個緊密和纖薄的水加熱裝置10可實(shí)現(xiàn)如此高功率，這是 別的現(xiàn)有加熱元件所不能實(shí)現(xiàn)的。 圖3是具有由陶瓷玻璃制成的加熱主體的加熱元件12的立體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖 3所示，多層納米厚度的導(dǎo)電涂層16、16'的特性基于化學(xué)、摻雜元素和處理?xiàng)l件，其在高溫 加熱時，可保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能，且跨越整個涂層的特制的陶瓷玻璃電極18設(shè)置在加熱 元件12的陶瓷玻璃主體上。如圖4所示，該涂層區(qū)域可由另一陶瓷玻璃20或別的合適的 用于保護(hù)和絕緣的材料覆蓋。該加熱元件12被封住并可防水，其可直接與水接觸。 如圖3所示，每一加熱元件12可包括一個或多個導(dǎo)電涂層16、16'。每一導(dǎo)電涂 層16、16'包括加熱薄膜的涂層區(qū)域。如果加熱元件12包括多個導(dǎo)電涂層16、16'，這些導(dǎo) 電涂層16、16'可具有相同或不同的大小尺寸。這些導(dǎo)電涂層16、16'可具有相同涂層性能 (例如結(jié)構(gòu)、成分、厚度等等)或不同涂層性能。這些導(dǎo)電涂層16、16'可相互地并聯(lián)或串聯(lián) 在一起?；谶@些導(dǎo)電涂層16、16'的所有的性能及其相互之間的電連接，可改善這些導(dǎo)電 涂層16、16'導(dǎo)電性并將其電阻降到10ohms，從而可在較大的加熱區(qū)域產(chǎn)生高的功率輸出， 或在較小的區(qū)域產(chǎn)生高的功率密度(> 10W/cm2)，以在電水壺、家用和工業(yè)加熱器及別的水 加熱裝置中，執(zhí)行有效的水加熱。 如圖5 9示出水加熱裝置的加熱元件的幾個實(shí)施例。圖5示出的水加熱裝置 110僅具有一個加熱元件112并形成n形水通道。該加熱裝置110具有進(jìn)水口 120和出水 口 122。冷水通過進(jìn)水口 120進(jìn)入加熱裝置110。加入的冷水沿著箭頭方向所指的水通道 流動時，由加熱元件112對其進(jìn)行加熱。經(jīng)過加熱的水通過出水口 122流出加熱裝置110。 圖6示出的水加熱裝置210具有四個加熱元件212并形成迂回的水通道。冷水通 過進(jìn)水口 220流入加熱裝置210。加入的冷水沿著箭頭方向所指的水通道流動時，由四個加 熱元件212對其進(jìn)行加熱。經(jīng)過加熱的水通過出水口 222流出加熱裝置210。 圖7示出的水加熱裝置210具有橫向加熱元件312和縱向加熱元件314并形成迂 回的水通道。同樣，冷水通過進(jìn)水口 320流入加熱裝置310。加入的冷水沿著箭頭方向所指 的水通道流動時，由橫向和縱向的加熱元件312對其進(jìn)行加熱。經(jīng)過加熱的水通過出水口322流出加熱裝置310。 圖8和9是用于工業(yè)應(yīng)用的高容量水加熱裝置410、510。在這些水加熱裝置410、 510中，加熱元件412、512可連接到一獨(dú)立的供電電源?？蛇x擇的，加熱元件412、512可以 并聯(lián)或串聯(lián)的方式進(jìn)行電連接，并連接到單相或三相的供電電源。 如圖5 9所示，通過分別增加或降低加熱元件112、212、312、412、512的數(shù)量，可 相應(yīng)的增加或降低水加熱裝置110、210、310、410和510的功率輸出或能耗。為實(shí)現(xiàn)這樣的 效果，可簡單的添加更多的加熱元件到水加熱裝置、或從水加熱裝置中移除一些加熱元件、 或斷開一些加熱元件和供電電源之間的連接。在實(shí)際使用中，根據(jù)所需的加熱輸出，該水加 熱裝置可以較大的加熱面積配置較少量的加熱元件或者以較小的加熱面積配置大量的加 熱元件。 通過分別增加或降低每個的加熱元件112、212、312、412、512的功率容量，該加熱 裝置110、210、310、410、510也可相應(yīng)的增加或降低其功率輸出或能耗。可以通過改變導(dǎo)電 涂層16、16'的成分、涂層面積、處理?xiàng)l件及連接以增加其導(dǎo)電性，從而提高每個加熱元件的 功率容量。使用分開的涂層區(qū)域和電極連接方法，使用a.c.供電，實(shí)現(xiàn)在較小區(qū)域的高功 率密度的功率輸出。從而發(fā)展具有高功率密度的加熱元件。通過以并聯(lián)連接的方式，排列導(dǎo) 電涂層16、16'，可改善加熱元件及其功率輸出。例如，加熱元件包括五個導(dǎo)電涂層16、 16'， 每個導(dǎo)電涂層可使用a.c.供電，生成大約1000W的額定功率?？蓡为?dú)或合在一起使用每個 導(dǎo)電涂層16、16'，以生成大約5000W的總功率輸出。這些密封合板形式的導(dǎo)電涂層16、16' 可防水，并可在電水壺和熱水加熱器中執(zhí)行高效的水加熱，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的熱水加熱器。 圖10a示出在加熱元件12中并聯(lián)連接的五個導(dǎo)電涂層614、616、618、620和622， 其可將加熱元件612的電阻降到10ohms以下。對于電阻為10ohms， a. c.電壓為220V，單 一的加熱元件可生成4840W的額定功率。如圖6所示，對于在一水加熱裝置中設(shè)置4個這 樣的加熱元件，可容易地達(dá)到19kW的總功率輸出。 導(dǎo)電涂層也可串聯(lián)連接。如圖10b示出在一加熱元件712中串聯(lián)連接的五個導(dǎo)電 涂層714、716、718、720、722。對于每個導(dǎo)電涂層的電阻為2ohms，從而在串聯(lián)連接的5個導(dǎo) 電涂層中，可達(dá)到10ohms的電阻。對于a. c.電壓為220V，單元的加熱元件可生成4840W的 額定功率。如圖6所示，對于在具有4個這樣的加熱元件的水加熱裝置，可達(dá)到19kW的總 功率輸出。 由于本申請中的陶瓷玻璃加熱元件，可在該裝置中實(shí)現(xiàn)快速的水加熱。如圖11和 12所示，在不同的水流速率和額定功率時，水溫的上升。圖11示出總功率輸出大約為9kW 時所產(chǎn)生的結(jié)果，其中具有三個加熱元件，每個加熱元件的功率輸出大約為3kW。圖12示 出總功率輸出大約為6kW時所產(chǎn)生的結(jié)果，其中具有兩個加熱元件，每個加熱元件的功率 輸出大約為3kW。可以得到，對于大約9kW的三相功率輸出，在水流速率為每分鐘6升時， 可在20秒內(nèi)將溫度升高20°C 。而后可實(shí)現(xiàn)44°C的溫度水溫。水溫的升高受到水流速率的 影響。對于每分鐘10升的較高的水流速率，可在20秒內(nèi)將溫度上升12t:，接著水溫將穩(wěn) 定在36°C。對于總功率輸出大約為6kW的兩個單相加熱元件，可觀察到一些加熱性能的改 變。對于每分鐘6升的水流速率，可在20秒內(nèi)將水溫上升13°C ，接著水溫將穩(wěn)定在40°C 。 對于每分鐘10升的水流速率，可在20秒內(nèi)將水溫上升8°C ，接著水溫將穩(wěn)定在35°C 。對于 市場上可購得的大多數(shù)品牌的熱水加熱器，對于6kW的單相功率，在每分鐘3升的較低的水
6流速率時，可實(shí)現(xiàn)水溫為40°C以適合廚房使用。 一般地，淋浴要求最小的水流速率為每分鐘 5升。 使用ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和P麗(脈寬調(diào)制)驅(qū)動的功率監(jiān)視和控制系統(tǒng)14可與 導(dǎo)電涂層集成在一起，從而可根據(jù)水流速率和水溫，為加熱元件提供流暢的供電，并優(yōu)化加 熱元件的加熱性能和節(jié)能效率。 圖13示出三相a.c.供電的水加熱系統(tǒng)700的系統(tǒng)框圖，其具有九個加熱元件 712。依據(jù)使用中的水溫和水流速率的預(yù)設(shè)條件，可將溫度傳感器和流量儀730連接到電源 控制734的系統(tǒng)控制器732中。特別地，使用ADC和P麗驅(qū)動的功率監(jiān)視和控制系統(tǒng)14可 與納米厚度的加熱薄膜相集成，從而為加熱元件提供流暢的供電，并優(yōu)化其加熱性能和節(jié) 能效率。功率監(jiān)視和控制系統(tǒng)14可與導(dǎo)電涂層相集成，以優(yōu)化溫度和節(jié)能控制。使用用于 溫度測量的ADC和用于精確控制功率的P麗驅(qū)動軟件和控制器與加熱元件集成到圖14和 15所示的電路中。使用該監(jiān)視和控制系統(tǒng)14，可發(fā)展一種加熱伺服系統(tǒng)，從而可與納米厚 度的導(dǎo)電涂層的快速和有效的加熱性能相匹配并對其進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到快速地加熱(1分 鐘內(nèi))、精確的溫度目標(biāo)(+/_2°C )和最大化的節(jié)能(節(jié)能效率達(dá)到95% )。當(dāng)水溫達(dá)到預(yù) 設(shè)的目標(biāo)溫度時，ADC和P麗控制系統(tǒng)將立即響應(yīng)并切斷供電，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，同時限 制導(dǎo)電涂層溫度的支流。當(dāng)水溫降到預(yù)設(shè)溫度以下時，ADC和P麗將進(jìn)行響應(yīng)，同時導(dǎo)通供 電以進(jìn)行加熱。因此，該伺服系統(tǒng)可提供連續(xù)的監(jiān)視和控制及快速響應(yīng)，從而為加熱元件提 供流暢的供電，同時優(yōu)化加熱性能和節(jié)能效率。 本實(shí)用新型是通過幾個具體實(shí)施例對該水加熱裝置進(jìn)行說明的，本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)明白，針對特定情形或具體情況，可以對本實(shí)用新型做各種修改，而不脫離本實(shí)用新型 的范圍。
權(quán)利要求一種水加熱裝置，其特征在于，包括水箱；設(shè)置在所述水箱內(nèi)的至少一個加熱元件，所述加熱元件包括加熱主體；設(shè)置在所述加熱主體上的至少一組多層納米厚度的導(dǎo)電涂層；及耦合到多層導(dǎo)電涂層的電極；其中，所述多層導(dǎo)電涂層具有在高溫條件下穩(wěn)定所述加熱元件性能的結(jié)構(gòu)和成分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水加熱裝置，其特征在于，包括相互平行排列的多個加熱元 件，以在所述水箱內(nèi)形成迂回的水通道。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水加熱裝置，其特征在于，包括縱橫交錯排列的多個加熱元 件，以在所述水箱內(nèi)形成迂回的水通道。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水加熱裝置，其特征在于，包括串聯(lián)電連接的多個加熱元件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水加熱裝置，其特征在于，包括并聯(lián)電連接的多個加熱元件。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水加熱裝置，其特征在于，所述加熱元件的加熱主體是一平 面板。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水加熱裝置，其特征在于，所述加熱元件的加熱主體由陶瓷 玻璃制成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水加熱裝置，其特征在于，所述電極包括陶瓷熔塊。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水加熱裝置，其特征在于，所述加熱元件包括串聯(lián)電連接的 多個導(dǎo)電涂層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水加熱裝置，其特征在于，所述加熱元件包括并聯(lián)電連接的 多個導(dǎo)電涂層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水加熱裝置，其特征在于，在多層導(dǎo)電涂層上覆蓋有絕緣材料。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水加熱裝置，其特征在于，所述加熱元件可拆卸地設(shè)置在所 述水箱中。
專利摘要本實(shí)用新型的水加熱裝置包括水箱和設(shè)置在所述水箱內(nèi)的至少一個加熱元件。所述加熱元件包括加熱主體、設(shè)置在所述加熱主體上的至少一組多層納米厚度的導(dǎo)電涂層、以及耦合到多層導(dǎo)電涂層的電極。所述多層導(dǎo)電涂層具有使得所述加熱元件在高溫時具有穩(wěn)定性能的結(jié)構(gòu)和成分。所述加熱元件的加熱主體是可由陶瓷玻璃制成的一平面板。
文檔編號F24H1/20GK201476281SQ20092016531
公開日2010年5月19日 申請日期2009年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者楊榮耀 申請人:高新材料企業(yè)有限公司