Электронагревательная система с низким сопротивлением

Предлагается электронагревательная система с низким сопротивлением, содержащая электропроводный материал с низким сопротивлением, из которого изготовлен электронагревательный элемент (10) в виде двух плоских спиралеобразных секций (10 а) и(10b), покрывающих почти всю площадь, подлежащую нагреву, включающий электропроводный материал с низким сопротивлением, достаточным для выделения тепла. Плоские спиралеобразные секции (10 а) и (10b) электронагревательного элемента (10) выполнены таким образом, что ток тепловыделения течет в одном направлении в каждой из плоских спиралеобразных секций (10 а) и(10b), а не в противоположных направлениях. Центры (10 с) каждой из плоских спиралеобразных секций (10 а) и (10b) электронагревательного элемента (10) электрически соединены друг с другом последовательно. Схема завершается подсоединением плоских спиралеобразных секций (10 а) и(10b) к управляемому источнику питания (11) с внешней стороны плоской спирали (10d). Мэнток Пол Ленуорт (GB) Поликарпов А.В. (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: КАПЭСИТИВ ТЕКНОЛОДЖИЗ ЛИМИТЕД (GB) Получение тепла с помощью электрической энергии хорошо известно. Для этого требуется нагревательный элемент, включающий электропроводный материал, имеющий сопротивление, достаточное для выделения тепла при прохождении через него электрического тока вследствие приложенной к нему разности потенциалов от источника питания. Мощность Р в ваттах, необходимая для выделения тепла, зависит от тока I в амперах, протекающего в нагревательном элементе, его сопротивления R в Омах и разности потенциалов V в Вольтах, приложенной к нему, и выражается с помощью следующих соотношений: Указанное выше выражение определяет тепловую энергию, выделяемую при температуре, при которой электрическая энергия полностью преобразуется в тепловую. Температура преобразования энергии больше температуры плавления многих электропроводных материалов, что приводит к необходимости выполнения нагревательного элемента из сплава с высоким сопротивлением, температура преобразования энергии которого значительно ниже температуры плавления этого сплава. Температура преобразования энергии для таких сплавов намного выше требуемой температуры, что вызывает необходимость контроля температуры при требуемом значении температуры. Высокое сопротивление нагревательного элемента характеризуется приемлемой скоростью нагрева, позволяющей термостату иметь время для реакции при поддержании необходимой температуры настолько постоянной, насколько это возможно. Проблема заключается в том, что чем выше сопротивление нагревательного элемента, тем больше ток и разность потенциалов, которую необходимо приложить к элементу для возникновения протекающего через него тока, обеспечивающего выделение тепла, что требует больше мощности и, следовательно,больше электроэнергии для выделения тепла. Эффективным способом распределения тепла по поверхности, подлежащей нагреву, является обеспечение покрытия нагревательным элементом максимально возможной площади поверхности, подлежащей нагреву. Это могло бы быть достигнуто с помощью фольги достаточной длины. Проблема заключается в том, что сопротивление нагревательного элемента напрямую связано с его удельным сопротивлением и геометрией, и поскольку сплавы, используемые в известных нагревательных элементах, уже имеют высокое сопротивление, элемент будет иметь высокое удельное сопротивление. Фольга будет также иметь значительно уменьшенную площадь поперечного сечения, и увеличение ее длины еще больше увеличит ее сопротивление, что потребует еще больше мощности и, следовательно, больше электрической энергии для выделения тепла. Такая геометрия нагревательного элемента ограничивает возможность его использования для выделения тепла. По этой причине используется вторая среда, такая как вода или масло, для переноса тепла от нагревательного элемента к поверхности, например, панельного электрообогревателя, поскольку вода или масло распределяют тепло более эффективно, а относительно медленная скорость роста температуры воды или масла предоставляет термостату время для реакции на изменение температуры, в результате чего обеспечивается безопасная температура поверхности. Почти все бытовые и многие промышленные применения электрического нагрева осуществляются при температурах ниже температуры плавления электропроводных материалов с низким сопротивлением, таких как медь и алюминий. Следующее соотношение Р = I2R = VI Вт предполагает, что если сопротивление нагревательного элемента уменьшится, то и мощность, необходимая для выделения тепла, будет снижена. Проблема использования электропроводных материалов с низким сопротивлением, таких как медь или алюминий, заключается в том, что они очень быстро нагреваются до температуры плавления, если они подключены к неуправляемому источнику питания. Именно по этой причине их применяют в качестве плавкой проволоки в предохранителях. Если для подачи напряжения на электронагревательный элемент и для пропускания тока через него применяется управляемый источник питания, предоставляющий ограниченную мощность путем использования элемента с чисто емкостным сопротивлением в виде конденсатора с нулевыми потерями, который точно управляет протекающим через него током согласно выражению поскольку он имеет нулевые сопротивление и индуктивность. Конденсатор может использоваться в сочетании с трансформатором, повышающим или понижающим напряжение на электронагревательном элементе до необходимого значения. Тогда электронагревательный элемент будет только получать достаточную мощность и выделять тепло при некоторой температуре с приемлемой скоростью нагрева, которая безопасно ниже его температуры плавления. Сопротивление нагревательного элемента могло бы быть уменьшено путем использования электропроводного материала с низким сопротивлением. Тогда электропроводный элемент может быть изготовлен без сильного увеличения его сопротивления из электропроводной фольги для покрытия поверхности или увеличения площади поверхности, подлежащей нагреву, что приведет к повышению эффективности нагрева и,таким образом, к снижению мощности и электроэнергии, необходимой для выделения тепла. При протекании тока через электронагревательный элемент он создает электромагнитное поле до тех пор, пока не достигнет своей температуры преобразования энергии. Если электронагревательный элемент выполнен таким образом, что в нем протекает ток в противоположном направлении, то созданное электромагнитное поле будет направлено в противоположную сторону и будет снижать нагревающее действие тока, тем самым уменьшая эффективность электронагревательного элемента. Следовательно,электронагревательный элемент должен быть выполнен таким образом, чтобы ток нагревания протекал в одном направлении, и электромагнитные поля не были направлены противоположно друг другу, что повысит эффективность нагревания. Часть электромагнитного поля отводится от нагревательного элемента и теряется, что сокращает тепло, выделяемое током. С помощью дефлектора электромагнитного поля отведенное электромагнитное поле может быть вновь наведено в электронагревательном элементе, что повысит ток тепловыделения и эффективность нагревания электронагревательного элемента. Предлагается электронагревательная система с низким сопротивлением, содержащая электропроводный материал с низким сопротивлением, из которого изготовлен электронагревательный элемент для выделения тепла. Электропроводный материал с низким сопротивлением представляет собой электропроводный материал с таким сопротивлением, что при использовании его в качестве электронагревательного элемента, подключенного к неуправляемому источнику питания, электропроводный материал достигает точки плавления и плавится, прежде чем он достигнет температуры преобразования энергии. Электронагревательный элемент выполнен таким образом, что протекающий через него ток течет в одном направлении, так что созданные при этом электромагнитные поля не направлены противоположно друг другу, что повышает эффективность нагревания. Электронагревательный элемент подключен к управляемому источнику питания постоянного или переменного тока, при этом приложенное к электронагревательному элементу напряжение и протекающий через него ток регулируются для ограничения мощности, подаваемой на электронагревательный элемент. Управляемый источник питания регулирует величину мощности для электронагревательного элемента, тем самым ограничивая температуру электронагревательного элемента до температуры преобразования энергии, которая безопасно ниже температуры плавления электропроводного материала с низким сопротивлением, из которого изготовлен электронагревательный элемент, что уменьшает мощность, необходимую для выделения тепла при необходимой температуре или около нее. Предлагается электронагревательная система с низким сопротивлением с дефлектором электромагнитного поля, выполненным из электропроводного материала, для повторного наведения этого отведенного электромагнитного поля для повышения тока тепловыделения и эффективности тепловыделения электронагревательного элемента. Изобретение далее описывается с использованием следующих чертежей. На фиг. 1 представлен вид в перспективе отделенных друг от друга элементов электронагревательной системы с низким сопротивлением, подключенной к управляемому источнику питания. На фиг. 2 приведен первый вариант схемы управляемого источника питания. На фиг. 3 приведен второй вариант схемы управляемого источника питания. На фиг. 1 показан вид в перспективе элементов электронагревательной системы с низким сопротивлением, содержащей электропроводный материал с низким сопротивлением, из которого выполнен электронагревательный элемент 10 в форме двух плоских спиралеобразных секций 10 а и 10b, покрывающих почти всю поверхность, подлежащую нагреву, содержащих электропроводный материал с низким сопротивлением, достаточным для выделения тепла. Плоские спиралеобразные секции 10 а и 10b электронагревательного элемента 10 имеют такую конфигурацию, что ток тепловыделения течет в одном направлении в каждой из плоских спиралеобразных секций 10 а и 10b, а не в противоположных направлениях. Центры 10 с каждой из плоских спиралеобразных секций 10 а и 10b электронагревательного элемента 10 электрически соединены друг с другом последовательно. Схема завершается простым соединением плоских спиралеобразных секций 10 а и 10b с управляемым источником питания с внешней стороны плоской спирали 10d. Спиралеобразные секции 10 а и 10b соединены таким образом, что средства соединения,связывающие электронагревательный элемент 10 с управляемым источником питания 11, не пересекают плоские спиралеобразные секции 10 а и 10b электронагревательного элемента 10. Предлагаемая электронагревательная система с низким сопротивлением снабжена листом из электропроводного материала,выполняющим роль дефлектора 12 электромагнитного поля. Дефлектор 12 электромагнитного поля помещается между двумя секциями 10 а и 10b электронагревательного элемента 10 и электрически изолируется от каждой секции теплопроводным электроизолирующим материалом 13. Электромагнитное поле, созданное током тепловыделения, протекающим через две секции 10 а и 10b электронагревательного элемента 10, отражается и вновь наводится с помощью дефлектора 12 электромагнитного поля, увеличивая ток тепловыделения. Вся сборка снабжена теплопроводным электроизолирующим материалом 13 (на чертеже удален от внешней поверхности секции 10 а электронагревательного элемента 10) со стороны внешних поверхностей двух секций 10 а и 10b электронагревательного элемента 10, так что поверхность,подлежащая нагреву, оказывается электрически изолированной от двух секций 10 а и 10b электронагревательного элемента 10. Для управления температурой электронагревательного элемента 10 предусмотрен термостат (не показан). На фиг. 2 представлен первый вариант схемы управляемого источника питания, содержащей трансформатор 14 для управления напряжением, приложенным к электронагревательному элементу 10, и конденсатор 15 с нулевыми потерями для управления током тепловыделения, протекающим через электронагревательный элемент 10. На фиг. 3 представлен второй вариант схемы управляемого источника питания, содержащей по меньшей мере один конденсатор 15 с нулевыми потерями для управления напряжением, приложенным к электронагревательному элементу 10, и током тепловыделения, протекающим через электронагревательный элемент. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Электронагревательная система, содержащая электронагревательный элемент, имеющий секции, выполненные в виде плоских спиралей и электрически соединенные в центре каждой спирали,дефлектор электромагнитного поля для отражения электромагнитного поля, создаваемого током,протекающим через электронагревательный элемент, и его повторного наведения в электронагревательном элементе с обеспечением повышения тока и эффективности тепловыделения электронагревательного элемента, и конденсатор, предназначенный для ограничения выходной мощности источника питания и соединенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора, ко вторичной обмотке которого подключен электронагревательный элемент, для обеспечения прохождения через электронагревательный элемент такого тока, при котором температура электронагревательного элемента безопасно ниже температуры плавления указанного электропроводного материала.