專利名稱：：電流集膚效應(yīng)加熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明專利是一種在碳鋼管內(nèi)穿有耐高溫絕緣電線的加熱元件，尤其同時(shí)采用集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)原理。
背景技術(shù)：
：專利ZL03220373X于2004年4月21日公告了"集膚效應(yīng)伴熱元件"文獻(xiàn)，其提出了絕緣電線絕緣層采用氟塑料，提高絕緣耐溫和導(dǎo)線表面鍍錫或鍍鎳方案，但是其存在以下重要問題需解決1、絕緣電線與發(fā)熱管如何電氣連接？發(fā)熱原理不清楚，發(fā)熱材料不明確，是導(dǎo)線發(fā)熱還是發(fā)熱管發(fā)熱？2、發(fā)熱管內(nèi)壁多少厚度能通過電流？與那些因素有關(guān)？發(fā)熱管表面是否帶電？有無危險(xiǎn)？
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明專利的目的有1、分析電氣回路及發(fā)熱原理，用什么發(fā)熱材料作絕緣電線和發(fā)熱管；2、找到發(fā)熱管內(nèi)壁電流集膚規(guī)律，設(shè)計(jì)和確定發(fā)熱管內(nèi)壁電流通道的安全厚度；保證表面產(chǎn)生的漏電流、漏電壓不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)；本發(fā)明專利是這樣實(shí)現(xiàn)的為了使電流集膚效應(yīng)加熱元件的發(fā)熱管外表面安全不帶電，電流僅在發(fā)熱內(nèi)表面流過，可在發(fā)熱管中穿一根絕緣電線，其尾端與發(fā)熱管尾端通過連接點(diǎn)可靠相連接，絕緣電線的首端和發(fā)熱管首端分別接交流電源的相線和零線，施以交流電壓交流，電流通過絕緣電線的線芯和發(fā)熱管形成串聯(lián)電回路。由于絕緣電線線芯材質(zhì)是銅，屬非磁性材料，導(dǎo)磁率U=l;發(fā)熱管材質(zhì)是碳鋼，屬強(qiáng)磁性材料，導(dǎo)磁率U》l,在絕緣導(dǎo)線穿在發(fā)熱管中形成串聯(lián)電回路，于是絕緣電線阻抗Z1＝r-j.XL;發(fā)熱管阻抗Z2＝R+j.Xc;1串聯(lián)回路的阻抗Z:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>則該串聯(lián)帶回路的交流電流I為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>....................................(2Z(r+R)+j(LL+LCc)(1)、(2)式中r為絕緣電線的電阻(Q);X!^為電流集膚效應(yīng)加熱元件的容抗(Q);Z,為絕緣電線的阻抗(Q);R為發(fā)熱管的平均交流電阻(Q);Xc為電流集膚效應(yīng)加熱元件的感抗(Q);Z2為發(fā)熱管的阻抗(Q);Z為電流集膚效應(yīng)加熱元件的阻抗(Q);1J為交流電壓(V);f為交流電流(A);C為絕緣電線線芯表面與發(fā)熱管內(nèi)孔表面之間電介質(zhì)的電容(F);L為電流集膚效應(yīng)加熱元件的電感(H);下面對(duì)(1)式r、R、XL、Xe分別述敘根據(jù)基爾霍夫第二定律串聯(lián)電路可知<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>...............................................................(3)式中IJL為交流電源的相線在絕緣電線首端對(duì)尾端的電壓；iic為交流電源的在發(fā)熱管尾端對(duì)首端零線的電壓。由<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>................................................(4)由交流電流I在通過串聯(lián)回路這兩個(gè)部分，其功率為pu。a.絕緣導(dǎo)線的電阻r上產(chǎn)生焦耳熱P產(chǎn)fr;b.發(fā)熱管的電阻R上產(chǎn)生焦耳熱PffR;(R是個(gè)變量與電流、磁場(chǎng)有關(guān))所以<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>................................................(5)為了表示(1)和(4)式實(shí)部產(chǎn)生焦耳熱程度的有功部分，用功率因數(shù)表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>..............................(6)也可以理解為交流電流在串聯(lián)電路中利用銅損和鐵損原理產(chǎn)生焦耳熱來進(jìn)行分析；1、銅損部分(P產(chǎn)Pr)銅損部分指絕緣電線線芯材質(zhì)為電纜純銅，電阻率一般普通指電阻率0.01792amm"m(2(TC)下，電阻溫度系數(shù)a為0.0038廠C，根據(jù)電磁學(xué)推算純銅單根圓銅導(dǎo)線直徑為約20mm左右，在工頻電流不會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。因此絕緣電線應(yīng)采用多股電纜純銅絞成成其線芯。絕緣電線的電阻r與電阻溫度系數(shù)a及其溫度有關(guān)產(chǎn)r肌[l+a(T-20)]............................................................(7)式中r抓為20。C下電阻(Q)2.鐵損部分p2=i2R2.1由于發(fā)熱管的材質(zhì)是碳鋼，屬于強(qiáng)磁質(zhì)，交流阻抗要比直流電阻明顯要比直流電阻大得多。對(duì)于指定規(guī)格的碳鋼管來說工頻電源下交流阻抗也比直流電阻明顯要大。直流電阻在一定條件是一定的，而交流阻抗是個(gè)變量，其V-A特性是非線性，而且涉及磁場(chǎng)的影響，由于直接計(jì)算確定"R"比較復(fù)雜，可以采用實(shí)驗(yàn)并結(jié)合近似計(jì)算方法確定"R"。2.2由于絕緣電線穿在發(fā)熱管孔中很近，且形成串聯(lián)電流回路，在發(fā)熱管內(nèi)壁產(chǎn)生明顯的"鄰近效應(yīng)"，在磁感應(yīng)"鄰近效應(yīng)"作用下，發(fā)熱管電流通道由全部環(huán)形截面改變成靠沿內(nèi)壁流動(dòng)，外壁設(shè)有電流，電流密度從內(nèi)壁向外壁極限方向按指數(shù)規(guī)律變化，簡(jiǎn)之，發(fā)熱管外壁出現(xiàn)了"絕緣性"。其發(fā)熱管內(nèi)壁電流通道的"趨膚厚度"可按公知的下式計(jì)算式中S為趨膚厚度(cm);p為發(fā)熱管碳鋼管的電阻率(Q.cm);pm為發(fā)熱管碳鋼管的最大相對(duì)導(dǎo)磁率；f為電源頻率(Hz)。由于是在發(fā)熱管內(nèi)壁電流度服從指數(shù)規(guī)律衰減，發(fā)熱管表面設(shè)有電流通過,確保對(duì)人身安全，應(yīng)取為發(fā)熱管的厚度是其趨膚厚度的三倍以上。因此，電流集膚效應(yīng)加熱元件應(yīng)充分考慮一旦出現(xiàn)發(fā)熱管表面漏電引起不安全的問題，必須嚴(yán)格設(shè)置接地保護(hù)措施！2.3關(guān)于計(jì)算"R"2.3.1首先根據(jù)絕緣電線線芯的截面及直徑、長度，絕緣電線工作電壓的絕緣層的厚度。再確定發(fā)熱管外徑、厚度、穿線空隙及長度，并選擇導(dǎo)磁率較高，經(jīng)濟(jì)的相應(yīng)絕緣電線的規(guī)格。2.3.2第1.2條己確定的絕緣電線穿在發(fā)熱管中兩者尾端相連接，兩者首端分別接相線和零線，輸入工頻電源，調(diào)節(jié)電壓作出V-A特性曲線，并多次重復(fù)進(jìn)行。為了求出"R"，禾!J用"安培環(huán)路定律"H*G=N*I......................................................(9)式中H為磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m);G為發(fā)熱管的長度(m);N為匝數(shù)1;2.3.3根據(jù)安培環(huán)路定律可以求出磁場(chǎng)強(qiáng)度H"磁化曲線"并根據(jù)找出相對(duì)導(dǎo)磁率ym。為了保證發(fā)熱管厚度表面設(shè)有漏電流，取三倍趨膚厚度作為設(shè)計(jì)參數(shù)。2.3.4根據(jù)電磁學(xué)公知的趨膚厚度公式8=5030，^^可以求出發(fā)熱管內(nèi)壁導(dǎo)電層的平均電阻率p。L2.3.5最后求出發(fā)熱管內(nèi)壁電阻R=p--..................(10)p.兀D33.關(guān)于(1)式虛部的分析關(guān)于容抗的電容的計(jì)算2n(￡絕+S空)C=-.............................................(11)ln(b/a)式中e^絕緣電線的絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)e^絕緣電線與發(fā)熱管之間的空氣相對(duì)介電常數(shù)b為發(fā)熱管的內(nèi)徑ma為絕緣電線的線芯外徑m關(guān)于感抗的電感的計(jì)算14絕+ii空bL=-In——..........................................(12)2na式中U^為絕緣電線的絕緣材料的磁導(dǎo)率Us為絕緣電線與發(fā)熱管之間的空氣相對(duì)磁導(dǎo)率因此，根據(jù)電流集膚電流加熱元件的結(jié)構(gòu)推算容抗XC^~和感抗Xl="l，從而求出阻抗Z=(R+R)+j(Xl-Xc);(1)式虛部中感抗Xl和容抗Xc是由三個(gè)方面引起的3.1磁滯損耗Ph:由于發(fā)熱管的磁感應(yīng)變化滯后于絕緣導(dǎo)線的交流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)所需的損耗。其有兩部分組成，呈容性a發(fā)熱管材質(zhì)中的磁疇引成勢(shì)能，是儲(chǔ)能和放能以磁場(chǎng)能量返回絕緣電線電路。b發(fā)熱管材質(zhì)中磁疇為克服摩擦而產(chǎn)生一部分熱量，相對(duì)耗能微小。3.2渦流損耗Pe:由于穿在發(fā)熱管內(nèi)的絕緣電線磁通量變化必然誘發(fā)內(nèi)部感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在發(fā)熱管內(nèi)壁材質(zhì)內(nèi)的電阻產(chǎn)生焦耳熱，會(huì)提高發(fā)熱效率。另一方面渦電流的產(chǎn)生和增加必定反射饋返影響絕緣導(dǎo)線的交流電流I的增加。3.3剩余損耗Pc:由于對(duì)發(fā)熱管磁化狀態(tài)引起磁性滯后效應(yīng)引起延遲狀態(tài)的損耗，呈容性。因此，根據(jù)上述分析了發(fā)熱原理，確定了材質(zhì)，發(fā)熱管內(nèi)壁電流通道的規(guī)律，保證一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)的措施?，F(xiàn)總結(jié)見下表.-<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>綜上分析電流集膚效應(yīng)電熱元件采用了電磁"集膚效應(yīng)"和"鄰近效應(yīng)"原理，導(dǎo)線電線的線芯材質(zhì)是由多股單根銅導(dǎo)線絞成，發(fā)熱管材質(zhì)是碳鋼，在發(fā)熱管中穿一根絕緣電線，其尾端與發(fā)熱管尾端通過連接點(diǎn)可靠相連接，絕緣電線的首端和發(fā)熱管首端分別接工頻電源的相線和零線形成串聯(lián)回路，其產(chǎn)生熱量有三個(gè)方面-1.工頻電流在絕緣電線線芯的電阻的焦耳熱；2.交流電流在發(fā)熱管內(nèi)受"鄰近效應(yīng)"影響并且按"集膚效應(yīng)"從內(nèi)壁向表面方向服從指數(shù)規(guī)律衰減的焦耳熱。3.由于絕緣電線的交流電流引起載發(fā)熱管中的磁通量誘發(fā)電動(dòng)勢(shì)，渦電流在碳鋼內(nèi)的電阻上產(chǎn)生的焦耳熱，及克服磁磨擦的熱量。發(fā)熱管表面沒有電流通過，能保證人體完全并須可靠接地保護(hù)。由于建立電路回路阻抗表達(dá)式及計(jì)算公式，對(duì)于絕緣電線和發(fā)熱管的阻抗展開了各個(gè)部分的分析，找到了產(chǎn)生發(fā)熱的規(guī)律和原理，并解決保證了發(fā)熱管不會(huì)帶電的安全措施。現(xiàn)將上述得到分析總結(jié)列表如下圖1為本發(fā)明專利絕緣電線截面圖；圖2為本發(fā)明專利電氣原理示意圖；圖3為本發(fā)明專利直流電阻測(cè)量圖；圖4為本發(fā)明專利交流電阻測(cè)量圖；圖5為本發(fā)明專利串聯(lián)阻抗測(cè)量兼電氣原理圖；具體實(shí)施方式l.首先用多根電纜純銅單線絞成"絕緣電線線芯3"，再編織一層玻璃纖維"應(yīng)力補(bǔ)償層4"，包覆在其上面，再分別包覆高溫塑料或高溫橡膠作為"絕緣電線絕緣層5"和"絕緣電線耐磨層6"的"應(yīng)力補(bǔ)償層4"的上面，最后制成"絕緣電線1"。見圖1。"應(yīng)力補(bǔ)償層4"用于緩沖長距離溫度變化引起線膨脹差導(dǎo)致"絕緣電線線芯3"與"絕緣電線絕緣層5"的應(yīng)力開裂。"絕緣電線耐磨層6"用于工程穿管的免磨損。2.將"絕緣電線1"穿在普通碳鋼"發(fā)熱管2"內(nèi)孔中，長度與"發(fā)熱管2"相同，"絕緣電線1"的尾端與"發(fā)熱管2"的尾端通過尾端連接點(diǎn)7可靠相連接，保證可靠連接，"絕緣電線1"的首端和"發(fā)熱管2"的首端分別接到工頻電源的相線和零相，施以工頻電壓，電流通過"絕緣電線1"的"絕緣電線線芯3"和"發(fā)熱管2"形成串聯(lián)電回路，見圖2。3.為了證明在相同的"發(fā)熱管2"在工頻電壓下的阻抗比直流電阻顯著更大，可以按接成圖3和圖4并按圖5作出V-A曲線圖，確定工作點(diǎn)的依據(jù)。4.根據(jù)安培環(huán)路定律，可以求出磁場(chǎng)強(qiáng)度H-N"(韋伯/米)，并L在公知的普通碳鋼B-H磁化曲線得到相應(yīng)磁感應(yīng)B，得磁感應(yīng)值求出導(dǎo)磁率^。5.圖5為本發(fā)明專利串聯(lián)阻抗測(cè)量兼電氣原理圖，"發(fā)熱管內(nèi)壁導(dǎo)電層8"是設(shè)計(jì)的主參數(shù)，要預(yù)先確定。為了保證"發(fā)熱管2"的表面設(shè)有漏電流，即"發(fā)熱管2"的壁厚應(yīng)為"發(fā)熱管導(dǎo)電層8"的壁厚的三倍以上。為了確保安全在"發(fā)熱管2"表面接上"保護(hù)接地10"。6.由于集膚效應(yīng)，在發(fā)熱管內(nèi)壁導(dǎo)電層的平均電阻按電磁學(xué)公知的趨膚厚度公式3=5030*_求出P值，然后按(10)式求出"R"。7.計(jì)算發(fā)熱功率a.絕緣電線產(chǎn)生焦耳熱P產(chǎn)fr(W)b.發(fā)熱管2產(chǎn)生焦耳熱P2=I2R(W)c.發(fā)熱功率_P由eP12+Ph+pe+pcr+R_d.功率因數(shù)Cosa=V(r+R)2+(XL-XC)權(quán)利要求1.一種電流集膚效應(yīng)加熱元件，由發(fā)熱管2、絕緣電線1、應(yīng)力補(bǔ)償層4、絕緣電線絕緣層5、絕緣電線耐磨層6、尾端連接點(diǎn)7組成，發(fā)熱管2的材質(zhì)是碳鋼，絕緣電線線芯3由多根銅導(dǎo)線絞成，應(yīng)力補(bǔ)償層4、絕緣電線絕緣層5和絕緣電線耐磨層6分別依次包覆在絕緣電線線芯3的上面，構(gòu)成絕緣電線1，在發(fā)熱管2中穿一根絕緣電線1，其尾端與發(fā)熱管1尾端通過連接點(diǎn)7可靠相連接，絕緣電線線芯3和發(fā)熱管2前端分別接到工頻電源的相線和零線，并在發(fā)熱管表面接上接地保護(hù)10，形成串聯(lián)電氣回路，其特征是絕緣線1。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流集膚效應(yīng)加熱元件，其特征是尾端連接點(diǎn)3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流集膚效應(yīng)加熱元件，其特征是應(yīng)力補(bǔ)償層4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流集膚效應(yīng)加熱元件，其特征是絕緣電線耐磨層。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流集膚效應(yīng)加熱元件，其特征是發(fā)熱管的壁厚為發(fā)熱管導(dǎo)電層的厚度的三倍以上。全文摘要一種電流集膚效應(yīng)加熱元件，由發(fā)熱管、絕緣電線等構(gòu)成，利用電工原理“集膚效應(yīng)”和電磁原理“鄰近效應(yīng)”的原理，充分分析“銅損”和“鐵損”產(chǎn)生焦耳熱關(guān)系，確定了材質(zhì)，及在發(fā)熱管內(nèi)壁電流通道的規(guī)律。保證了一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)的措施，提高發(fā)熱規(guī)律及效率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用途廣泛。文檔編號(hào)H05B3/56GK101262718SQ20081008368公開日2008年9月10日申請(qǐng)日期2008年3月15日優(yōu)先權(quán)日2008年3月15日發(fā)明者放趙申請(qǐng)人:放趙