專利名稱：電熱水器、液體加熱器、蒸氣發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于電熱水器、液體加熱器、蒸氣發(fā)生器，尤其是在數(shù)秒內(nèi)產(chǎn)生加熱效果的電熱水器、液體加熱器、蒸氣發(fā)生器。
瞬時(shí)熱水器，電氣式的慢，因此，以往通常幾乎全是燃?xì)馐降?。燃?xì)馐綗崴鞑捎萌紵绞?，因此，必須換氣，而且裝置達(dá)到高溫，因此，在許多家庭或事務(wù)所均將熱水器設(shè)置在建筑物的外部。從而，從熱水器至龍頭的管路則變長，擰開龍頭至熱水流出必須等待0.5～1分鐘時(shí)間，其間必須流掉大量冷水，而且使用后留在長管路中的熱水只能白白變成冷水。
如特開平4-278142號那樣，過去也曾有使用氮化鋁或碳化硅等作為加熱水或液體的隔板，以提高熱交換率的熱交換器，不過只講明加熱絲為

圖1中直徑2厘米的園形斷面、由鎳鉻耐熱合金絲組成的熱交換手段。但是，由于當(dāng)時(shí)在這方面尚末發(fā)明新穎的技術(shù)，自然認(rèn)為采用以往型的鎧裝式電熱絲或鎳鉻耐熱合金園線。
鎧裝式電熱絲防水性能好，多用于水的周圍。但是，如圖2E剖面所示，用薄的不銹鋼管15套在鎳鉻耐熱合金14外面，中間填充氧化鎂粉末16加以絕緣，由于被熱傳導(dǎo)系數(shù)低的物質(zhì)所包圍，因此，熱量達(dá)到熱傳導(dǎo)系數(shù)高的隔板12則非常慢。詳細(xì)說明書中所寫“在10分鐘后的平衡狀態(tài)下，熱交換率好”，意思是指達(dá)到平衡點(diǎn)所需時(shí)間10分鐘。
如圖2D中鎳鉻耐熱合金園絲那樣，索性周圍什么都不用，直接與氮化鋁板12接觸，因此，導(dǎo)熱更快。但是，顯而易見，相互接觸是由點(diǎn)排列成的線，因此，其余的熱量是通過空氣或靠熱輻射傳遞的，因此，與圖2A及B中鎳鉻耐熱合金薄絲11發(fā)生的熱量直接傳遞到氮化鋁板12的情況相比，非常得慢。
而且，前述專利申請中功率為5.2KW，碳化硅板直徑為30cm，與本發(fā)明的2KW，54cm2相比，屬大型裝置，為本發(fā)明的5倍。從而，前述申請即使利用碳化硅或氮化鋁，也沒有在數(shù)秒內(nèi)開始加熱的技術(shù)。
也曾有在氮化鋁板上燒結(jié)導(dǎo)電體的觀點(diǎn)，雖然反復(fù)進(jìn)行大量的試驗(yàn)和失敗，但是，由于與鋁板相比燒結(jié)溫度高達(dá)1.5倍，熱膨脹率在2/3以下，形不成氧化膜，又無適宜的粘合劑、以金屬化合物作導(dǎo)電體時(shí)不能產(chǎn)生足夠的電流等原因，現(xiàn)在尚無可能成功的跡象。即使今后有成功的發(fā)明，本發(fā)明那樣僅將鎳鉻耐熱合金或鐵鉻迭放成層，既簡單又成本低的裝置將繼續(xù)保持其存在的價(jià)值。
以此，加熱絲發(fā)出的熱量立即傳遞至加熱壁，水或液體在數(shù)秒內(nèi)被加熱并開始流出。利用這一快捷性，通過另外安裝可在數(shù)秒前接通的開關(guān)，也可組成幾乎不流出冷水的節(jié)能的電源回路。
圖2A～E為表示加熱絲與絕緣板、加熱壁之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)例的斷面圖，以幫助理解本發(fā)明的原理；圖3為形態(tài)不同的加熱壁及氮化鋁板的剖面圖。
圖4、圖5為其它應(yīng)用實(shí)例中液體容器的側(cè)視圖。
加熱絲6是將鐵鎳耐熱合金金屬板進(jìn)行恰當(dāng)?shù)拇慊?，再通過回火調(diào)質(zhì)處理以加強(qiáng)其彎曲部分，使其厚度變薄達(dá)到0.1mm，例如，如圖1所示，寬度為2mm的絲以間隙0.5mm在10mm寬度內(nèi)往復(fù)折彎，做成獨(dú)自形的乙字形，將此形態(tài)的加熱絲原樣迭放在氮化鋁板5上。用隔熱保護(hù)套發(fā)揮緊密連接功能，例如將玻璃纖維的絕熱材料套上上面，再用硅酮橡膠帶纏緊，也可用密封材料來防水。
接下來，從加熱絲的引線部分7通入8A的電流后，加熱絲6會發(fā)熱，立即被與其緊密接觸的熱傳導(dǎo)系數(shù)約8倍的氮化鋁板吸收，氮化鋁板的熱量于被熱傳導(dǎo)系數(shù)約2.5倍的加熱壁中吸收。開始通電流1秒鐘后，熱量傳遞至內(nèi)壁，因此，3～5秒鐘后開始流出吸收該熱量的熱水，在離開加熱壁的下游及上游處裝有溫度傳感器10作為溫度控制。不過，也可同時(shí)設(shè)置機(jī)械式冷熱水混合器。
按圖1的結(jié)構(gòu)，輸入電能為2KW，加熱壁4的六面柱的面積為50cm2，也就是說，氮化鋁板的電能密度為每平方厘米40W。從氮化鋁板的數(shù)據(jù)看，其似乎有5倍的耐久性，其價(jià)格也高。因此，電能密度小些更適宜。但是，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，在2.5倍的電能密度一即100W/cm2下，若加熱絲6有部分離開氮化鋁板的話，在很短時(shí)間內(nèi)就會被燒毀。這就是說，加熱絲6的電流密度應(yīng)相當(dāng)?shù)?，考慮這一點(diǎn)是為了提高安全性。
如圖2A～D所示，在此電流密度下進(jìn)行了傳熱速度的實(shí)驗(yàn)。A是將厚度0.1mm、寬度2mm的鐵鉻加熱絲11迭放在密度4mm、厚度0.6mm的氮化鋁薄板12之后再迭放在厚度1mm的銅板13上的剖視圖。B是從A中取下銅板13后的剖視圖。這兩種情況下，加熱絲之間的間隙做成0.1mm左右。C是將與加熱絲11有相同截面面積的直徑為0.5mm的園鐵鉻絲14迭放在與前述B中尺寸相同的氮化鋁薄板12及銅板13的情況，D為從C中取下銅板13后的情況。實(shí)際上，從疊放的絲和板的兩側(cè)，使用由2mm厚的氧化鎂和硅酸組成的絕熱材料的滑石，作為擠壓材料使它們相互緊密接觸，然后通入8A的電流1秒鐘。
雖然用時(shí)間過短，測量值缺乏準(zhǔn)確性，但是，圖2A中銅板在加熱絲另一側(cè)的表面，通過1秒后達(dá)到約400°～50°，C中銅板的相同表面約上升了1°～2℃。而且，A中加熱絲11溫度很低，為50°～60°；然而，C中園絲14與絕熱材料接觸的部分達(dá)到100°左右，稍有翹曲的部分則達(dá)到200°以上。通入電流3秒鐘，其中第1秒鐘后則達(dá)到上述數(shù)值的約3倍。
在B中氮化鋁板12在加熱絲相反一側(cè)的表面，1秒鐘后達(dá)到150°左右；在D中則為十幾℃。E情況末曾做過實(shí)驗(yàn)，但是，從用外徑4mm的鎧裝加熱絲疊放在氮化鋁薄板12上的剖面圖的反映的情況看，與D的趨勢大體相同，雖然不清楚使用的是鐵鉻絲還是鎳鉻耐熱合金絲，但是，由于進(jìn)一步被絕熱材料所色圍，可以說傳熱更慢。
由此可知，在數(shù)秒鐘的短時(shí)間內(nèi)薄面寬的加熱絲11發(fā)出的熱量會很快傳遞到銅板13上，比園絲要快幾十倍，加熱絲11自身的熱量也被吸收，使溫度降低。再者，若取下銅板13，則氮化鋁薄板及受熱更快并達(dá)到高溫，但熱量聚積少，加熱絲11也達(dá)到高溫。
綜上所述，要快速加熱應(yīng)采用A或B方式。但是，若按B方式長時(shí)間加熱，加熱絲11的溫度則會升高，因回火使彎曲部分會變?nèi)酰虼?，要使其維持自身形狀，必須使加熱絲加厚，例如達(dá)到0.5mm左右。而且，由于水的熱傳導(dǎo)系數(shù)極低，因此，由氮化鋁板進(jìn)行的熱傳導(dǎo)，象鍋爐那樣采用沸騰的方式才能提高效率，但是，這樣的話，不僅造成水與加熱絲的溫差，而且，氮化鋁板也會受到水沸騰的沖擊，由于是液體，也會產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。如果采用沒有粘滯性的陶瓷，則結(jié)構(gòu)上必須相當(dāng)牢固，由于原本材料費(fèi)很貴，則成本會相當(dāng)高。
與上述情況相比，在A種情況下，銅板在結(jié)構(gòu)上能夠承變強(qiáng)度，與氮化鋁相比，價(jià)格為其1/50，熱傳導(dǎo)系數(shù)為其2倍，因此，氮化鋁板和加熱絲的尺寸在保持必要的最小限度內(nèi)，同時(shí)，將銅制加熱壁加以擴(kuò)展，也就是說，若得傳熱面積擴(kuò)大很多，則向水或液體的熱傳導(dǎo)會大大提高，在擴(kuò)展的加熱壁上也可儲存熱量。并且，加熱絲的溫度也可降低，絕熱或防水則變得簡便。
更加大傳熱面積，并非只是加大尺寸，也可如圖3中加熱壁17那樣，在內(nèi)部沒有凸起或翅片18，或設(shè)有溝槽。由于此時(shí)加熱壁17為園筒形，因此，氮化鋁板19與加熱壁17的二次曲面相貼合。在它們的間隙中填加在硅石混有微細(xì)氮化鋁粉末的、熱傳導(dǎo)系數(shù)高的粘接劑或涂布潤滑脂，不僅可以提高它們的導(dǎo)熱性，而且，粘接劑取代隔熱保護(hù)套后也可起到緊密連接的功能。對外熱絲呈現(xiàn)低溫也起作用。
與上述情況相反，提高電流密度、縮小加熱面積也可能象鍋爐那樣使水沸騰。即使這種場合，加熱絲的溫度也達(dá)不到B方式那樣高。不過，這樣的話，有時(shí)在加熱壁的內(nèi)壁上會因水中析出礦物質(zhì)而附著有垢，使傳熱效果降低，因此，需要進(jìn)行拋光或用檸檬酸等藥品加以清除。為此，也可以象圖1所示那樣，采取從管路上取下即可維修的方式；但是，如圖4中側(cè)視圖所示，將液體容器20做成園筒形，與前后管路連接的連接部分21從正面兩端向橫向分流，即使不拆下管路也可打開容器20末端的法蘭盤22或從檢修口23進(jìn)行維修。
雖然這樣場合也可從外部加熱，但是，也可以如圖4中中央部位用虛線表示那樣，從下側(cè)插入短管型加熱壁24。該加熱壁24的一端封死，該內(nèi)壁壁面與氮化鋁板，加熱絲緊密接觸，填充玻璃絲網(wǎng)或氧化鎂粉末等絕緣、絕熱材料，加熱壁的另一端在取出引線25后封死，通過法蘭，26安裝在液體容器20上。該短管型加熱壁24可以帶著加熱絲原樣與液體容器分開，成為單獨(dú)的加熱絲。但是，作為使用方法，是采取放入或插入液體容器的方式，因此，這些方式也包含在本申請的權(quán)利范圍之內(nèi)。
液體容器不僅有短管型，還可考慮采用各種形狀，也可如圖5所示的長方形箱體的形態(tài)27，在進(jìn)出口28與內(nèi)部設(shè)有用虛線表示的Z字形流水路徑29。也可以相對的平面作為加熱壁，讓氮化鋁板、加熱絲緊密貼在其上面。不過，由于本發(fā)明是在非常短的時(shí)間的急劇加熱，會發(fā)生變形或疲勞，累積起來則產(chǎn)生錯(cuò)位或損壞，使壽命縮短，因此，希望液體容器采用盡可能均勻膨脹的形態(tài)。
再者，將加熱絲做成Z字形狀，以吸收線膨脹所放出的熱量的方式好，因此希望它在更短的距離內(nèi)反復(fù)折彎。并且，加熱絲的材質(zhì)不僅可使用鐵鉻合金，也可使用鎳鉻耐熱合金或鎢等耐熱性強(qiáng)的金屬。但是，如果加熱絲不與氮化鋁板緊密貼合的話，以鎳鉻耐熱合金絲而言，忽然達(dá)到高溫會燒毀，因此，如圖1所示，在加熱容器的棱線或棱角9或加熱絲的引線部分7的部位，將加熱絲的寬度展寬2～5倍成為寬邊9，必須抑制其自身發(fā)熱。但是，將很細(xì)的寬度忽然展寬，在其附近的窄邊部分應(yīng)力會集中，并容易折斷，因此，可以象圖1那樣，將加熱絲逐漸展寬、或漸漸變細(xì)。通過這樣的努力和經(jīng)過淬火處理，加熱絲6即使做得很薄(達(dá)到0.1mm左右)，也能夠獨(dú)自保持其形狀，即使沒有云母等支撐也能進(jìn)行加工處理或使用中經(jīng)受熱膨脹。
電熱水器會因漏水等原因而漏電，因此，在防水規(guī)格中也包括使用隔熱保護(hù)套。但是，本發(fā)明的加熱絲屬低溫型，因此，適宜采用的材料多，故可以選擇最佳的材料。例如，用玻璃絲網(wǎng)纏繞，再纏上硅酮橡膠帶，或在間隙內(nèi)用密封材料進(jìn)行防水，也可使陶瓷絕熱材料再纏上聚氨酯橡膠。
將加熱絲與加熱壁之間進(jìn)行電絕緣，用熱傳導(dǎo)系數(shù)來表示導(dǎo)熱非常優(yōu)良的材料的話，在常溫下溫度而變化的情況大體是氮化鋁(100～200W/m.k)，相對于此，則寶石(2000W/m.k)、CBN(1300W/m/K)、碳化硅(270W/m.k)、氧化鈹(250W/mk)。不過存在有氧化鈹毒性大，寶石、CBN或碳化硅均堅(jiān)固，難以加工等缺點(diǎn)；將來姑且不論，這些現(xiàn)在不能用于本發(fā)明的用途。
目前，除氮化鋁外，在實(shí)用陶瓷中氧化鋁(20)最高，與鐵路相同等級，即為1倍，采用它不能期待得出本發(fā)明的效果。但是，使用熱傳導(dǎo)系數(shù)為鐵路加熱絲的4～5倍的氮化鋁則能充分發(fā)揮其功能，而且在這二者之間沒有實(shí)用的陶瓷，因此，請求的范圍包括至3倍左右，而且，加熱壁不僅可用銅(370)，如果成本合算，也可采用熱容量更大的銀(400)。并且，即使以這些材料為主成分的陶瓷或合金也能產(chǎn)生同樣的效果，因此，包括在本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明的加熱方法不僅快，而且具有以筒便方式達(dá)到低溫的最大優(yōu)點(diǎn)。從而，取代以往的加熱器，不僅可用于瞬時(shí)式，也可用于貯水式，并可用于各種液體加熱，保溫器具。
而且，根據(jù)本發(fā)明，利用快速加熱可以減少瞬時(shí)式電熱水器的冷水浪費(fèi)。通常沒有具有檢測功能的開關(guān)，檢測圖擰開龍頭后流出水所造成的減低的水壓。但是，與此不同的，如用手來按沒有洗臉盆上部的開關(guān)，另外安裝僅加熱5秒鐘的回路，然后再擰開龍頭時(shí)則可減少流出的冷水。該回路即使用于通常的電熱水器中，例如1分鐘也僅快5秒。但是，如按本發(fā)明則將5～7秒鐘縮短5秒，因此，效果格外好。
此時(shí)，時(shí)間的設(shè)定，最好將等待擰開龍頭的時(shí)間設(shè)定得短些，而且，不僅可以用手來擰開關(guān)，也可靠站在洗臉盆前的動作使傳感器動作。并且，當(dāng)打開開關(guān)后將出現(xiàn)過熱狀態(tài)時(shí)，也可預(yù)先靠溫度傳感器進(jìn)行檢測，以便不過熱加熱。
產(chǎn)業(yè)上應(yīng)用的可能性由于本發(fā)明的熱水器、液體加熱器、蒸氣發(fā)生器加熱并發(fā)出熱量快，因此節(jié)省能源。在熱水器中冷水的浪費(fèi)也少，使用完時(shí)管路內(nèi)無用的熱水也少。而且，依靠于幾秒鐘前打開發(fā)明開關(guān)的結(jié)構(gòu)，能源或水的浪費(fèi)則更少。進(jìn)而，浪費(fèi)的時(shí)間也少。
由于加熱絲或加熱壁是低溫，小型的，保溫或防水筒便，裝置也非常小型化，因此，作為移動使用也很方便，例如也可成為護(hù)理用熱水裝置。并且，維護(hù)方便、零部件的壽命也長。
還有，盡管與高性能無關(guān)，但是非常經(jīng)濟(jì)，以最少量的高價(jià)氮化鋁板制作，成本也低；因是小型裝置，安裝在洗臉盆的下面等處的費(fèi)用也低。
從上述優(yōu)點(diǎn)看，不僅可用于瞬時(shí)式，也可廣泛應(yīng)用于貯水式及至經(jīng)常加熱式的熱水器、液體加熱器。
權(quán)利要求
1.在至少由液體容器、電絕緣體、電源控制回路組成、在構(gòu)成液體容器一部分的加熱壁上通過電絕緣體隔開配置加熱絲、通過電源控制回路供給電能對加熱絲進(jìn)行加熱的電熱水器等裝置中，具有如下結(jié)構(gòu)特征的電熱水器、液體加熱器、蒸氣發(fā)生器加熱絲由電阻大的金屬薄板構(gòu)成，上述電絕緣體由熱傳導(dǎo)系數(shù)為該加熱絲3倍以上的導(dǎo)熱體構(gòu)成，而且，上述加熱壁是熱傳導(dǎo)系數(shù)為加熱絲的10倍以上的金屬，它們相互緊密接觸，進(jìn)行熱傳導(dǎo)。
2.上述電絕緣體為氮化鋁或碳化硅或以它們的主成分的陶瓷的薄板的權(quán)利要求1的電熱水器、液體加熱器、蒸氣發(fā)生器。
3.上述加熱壁為銅或以銅為主成分的權(quán)利要求1的電熱水器、液體加熱器、蒸氣發(fā)生器。
4.上述加熱絲為鐵鉻合金或鎳鉻耐熱合金的權(quán)利要求1的電熱水器、液體加熱器、蒸氣發(fā)生器。
5.加熱絲的發(fā)熱部分具有一定的細(xì)度和寬度，最好在更短的距離內(nèi)做成反復(fù)打彎的Z字形狀，并且在棱線或棱角處與電絕緣體不緊密貼合的部分大幅地進(jìn)行展寬，以上述結(jié)構(gòu)為特征的權(quán)利要求1的電熱水器、液體加熱器、蒸氣發(fā)生器。
6.除在擰開龍頭放水時(shí)發(fā)揮功能的通常的開關(guān)外，電源控制回路設(shè)有靠用手按等規(guī)定動作打開的開關(guān)，通過預(yù)先打開它，即使無水流出也可在設(shè)定的數(shù)秒內(nèi)向加熱絲供電進(jìn)行加熱，以這種結(jié)構(gòu)為特征的權(quán)利要求1的電熱水器。
7.在至少由液體容器、加熱絲、隔熱保護(hù)套、電源控制回路組成、具有與前后管路或進(jìn)出口連接的連接部分、液體容器的內(nèi)部有水或目標(biāo)液體流動或滯留、從電源控制回路通入電流對安裝在與構(gòu)成液體容器的一部分的加熱壁相鄰的加熱絲進(jìn)行加熱的電熱水器等裝置中，液體容器的加熱壁采用銅或銀或以它們?yōu)橹鞒煞值暮辖?，將與水接觸面的相反一側(cè)表面形成平面或平緩的二次曲面，成為容易緊密貼合的表面，加強(qiáng)其彎曲部分，在其能夠獨(dú)自成形的范圍內(nèi)將其做薄些，并進(jìn)行展寬，在加熱絲之間插入氮化鋁、碳化硅或以它們?yōu)橹鞒煞值奶沾杀“遄鳛殡娊^緣體，再用隔熱保護(hù)套壓緊，使它們相互緊密接觸，以上述結(jié)構(gòu)為特征的電熱水器、液體加熱器、蒸氣發(fā)生器。
全文摘要
關(guān)于電氣式熱水器、液體加熱器、蒸氣發(fā)生器的申請，用加熱絲6加熱內(nèi)部裝有水或液體的液體容器1的加熱壁2，采用電阻大的鐵鉻等金屬、薄板在其能夠獨(dú)自保持形狀的范圍內(nèi)做成該加熱絲6；用氮化鋁等作為夾在其與加熱壁2之間的電絕緣體5，其熱傳導(dǎo)系數(shù)高達(dá)加熱絲的3倍以上；并用銅或銀做成前述加熱壁，其熱傳系數(shù)高達(dá)加熱絲的10倍以上，它們相互緊密接觸進(jìn)行熱傳導(dǎo)。從而，加熱絲發(fā)出熱量立即傳遞至加熱壁2上，水或液體在數(shù)秒內(nèi)被加熱并開始流出。利用這一快捷性，通過另外安裝可在數(shù)秒前打開的開關(guān)，做成幾乎不流出冷水的、節(jié)能的電源回路。
文檔編號F24H1/12GK1463349SQ02802151
公開日2003年12月24日 申請日期2002年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月20日
發(fā)明者坂本篤信, 坂本和子 申請人:坂本篤信, 坂本和子