水加熱裝置的製作方法

2023-05-04 17:31:46 3

專利名稱：水加熱裝置的製作方法
技術領域：
本實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：
U. S.專利申請號為12/026， 724的專利申請公開了一種集成的塗層系統，其相關 內容在本實用新型申請的水加熱裝置中全文引用。該集成的塗層系統具有可靠的高溫加熱 元件，以執行可靠的和連續的加熱功能，其加熱溫度可達600°C。該塗層系統設置在平坦的 陶瓷玻璃襯底上，其包括多層納米厚度的導電塗層，其性質基於化學摻雜元素和處理條件。 該塗層系統進一步包括特製的陶瓷玻璃平行電極，其跨越整個塗層，以確保電極與塗層和 襯底之間最優的匹配，從而降低加熱元件的電阻並提高其導電性能。該塗層的製造可使用 噴霧熱裂解法並將溫度控制在大約650°C 75(TC之間，同時控制噴霧運動以形成多層大 約50nm 70nm之間的薄膜，以提高高溫時的穩定性。 導電塗層材料用於將電能轉換成熱能。其熱生成原理不同於傳統的加熱線圈，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，通過調節多層塗 層的成分和厚度，可控制塗層系統的電阻和增強其導電性，從而產生高效的加熱和最低的 能耗。該集成的塗層系統具有可靠的高溫加熱元件，以執行可靠的和連續的加熱功能，其加 熱溫度可達60(TC。使用模數轉換器(ADC)和脈寬調節(P麗)驅動的智能功率監視和控制 系統與該加熱薄膜相集成，從而依據所需的水溫和流速，為加熱元件提供流暢的供電，優化 其加熱性能和節能效率。 以上的背景描述以用於幫助理解該水加熱裝置，但並不作為本實用新型申請所公 開的水加熱裝置的相關現有技術，或將其考慮為評價本實用新型申請權利要求專利性的引 用材料。

實用新型內容本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是構造一種水加熱裝置，其包括
水箱和設置在所述水箱內的至少一個加熱元件，所述加熱元件包括加熱主體、設置在所述
加熱主體上的至少一組多層納米厚度的導電塗層；及耦合到多層導電塗層的電極；其中，
所述多層導電塗層具有在高溫條件下穩定所述加熱元件性能的結構和成分。 所述水加熱裝置包括一個加熱元件，以在所述水箱內形成n形結構的水通道。 所述水加熱裝置包括相互平行排列的多個加熱元件，以在所述水箱內形成迂迴的
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，以在所述水箱內形成迂迴的 水通道。 所述水加熱裝置包括串聯電連接的多個加熱元件。 所述水加熱裝置包括並聯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製成。 所述電極可以是陶瓷熔塊。 所述加熱元件包括串聯電連接的多個導電塗層。 所述加熱元件包括並聯電連接的多個導電塗層。 在多層導電塗層上覆蓋有絕緣材料。 所述水加熱裝置包括功率監視和控制系統，其具有模數轉換器和脈寬調製驅動。 所述加熱元件可拆卸地設置在所述水箱中。

下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中 圖1是依據本實用新型一實施例的水加熱裝置的立體結構示意圖； 圖2是依據本實用新型一實施例的具有多個加熱元件的水加熱裝置的透視圖； 圖3是具有導電塗層的一加熱元件的立體結構示意圖； 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施例的透視圖； 圖9是高容量的水加熱裝置的第二實施例的透視圖； 圖10a是具有並聯連接的五個導電塗層的加熱元件的示意圖； 圖10b是具有串聯連接的五個導電塗層的加熱元件的示意圖； 圖11是關於具有三個加熱元件，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是關於具有兩個加熱元件，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成的三相交流電源水加熱系統的電路框圖； 圖14是連接到供電電源的監視器的電路原理圖； 圖15是功率監視和控制系統的ADC和P麗驅動的電路原理圖。
具體實施方式應該注意的對於說明書和權利要求書中，當描述一元件"耦合"或"連接"到另一 元件時，其並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，或以機械或電連接到另一元件。 圖1是依據本實用新型一實施例的水加熱裝置10的立體結構示意圖。圖2是依 據本實用新型一實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和電源和溫度監視和控制系統14，該加熱元件包括 由陶瓷玻璃或別的合適的材料製成的一加熱主體，該電源和溫度監視和控制系統用於控制 和優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的監控和控制系統14中，以執行其設計功能。根據圖示的實施例，該加熱元件12的加熱主體可設計為平板結構，以最大化加熱區域，從而對該水加熱裝置10中的水進行有 效的加熱和達到纖薄和緊密的設計。 本應用中加熱元件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中的水進行有效的加熱和達到該裝置的纖薄和緊密的設計。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200cm2，在該陶瓷玻璃的 兩側直接與水接觸並加熱。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現的纖薄設計。 取代使用傳統的金屬加熱元件，該加熱元件12的加熱主體由陶瓷玻璃製成，其表 面設置有多層納米厚度的加熱薄膜。該陶瓷玻璃是剛性的並具有高的溫度阻抗。該陶瓷玻 璃可執行可靠和連續的加熱功能，其溫度可達60(TC，本申請中的加熱元件可在一分鐘內達 到300°C ，由此，當水流過該陶瓷玻璃表面時，可提供非常快速的立即加熱。該陶瓷玻璃是非 腐蝕性的，並可通過使用溫性酸溶液衝洗該加熱系統，容易地清洗該陶瓷玻璃。因此，通過 簡易的維護，就可長時間使用該加熱元件12。 每個加熱元件12可在10X10cm2的小區域，產生高達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可實現如此高功率，這是 別的現有加熱元件所不能實現的。 圖3是具有由陶瓷玻璃製成的加熱主體的加熱元件12的立體結構示意圖。如圖 3所示，多層納米厚度的導電塗層16、16'的特性基於化學、摻雜元素和處理條件，其在高溫 加熱時，可保持穩定的結構和性能，且跨越整個塗層的特製的陶瓷玻璃電極18設置在加熱 元件12的陶瓷玻璃主體上。如圖4所示，該塗層區域可由另一陶瓷玻璃20或別的合適的 用於保護和絕緣的材料覆蓋。該加熱元件12被封住並可防水，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電塗層16、16'。每一導電塗 層16、16'包括加熱薄膜的塗層區域。如果加熱元件12包括多個導電塗層16、16'，這些導 電塗層16、16'可具有相同或不同的大小尺寸。這些導電塗層16、16'可具有相同塗層性能 (例如結構、成分、厚度等等)或不同塗層性能。這些導電塗層16、16'可相互地並聯或串聯 在一起。基於這些導電塗層16、16'的所有的性能及其相互之間的電連接，可改善這些導電 塗層16、16'導電性並將其電阻降到10ohms，從而可在較大的加熱區域產生高的功率輸出， 或在較小的區域產生高的功率密度(> 10W/cm2)，以在電水壺、家用和工業加熱器及別的水 加熱裝置中，執行有效的水加熱。 如圖5 9示出水加熱裝置的加熱元件的幾個實施例。圖5示出的水加熱裝置 110僅具有一個加熱元件112並形成n形水通道。該加熱裝置110具有進水口 120和出水 口 122。冷水通過進水口 120進入加熱裝置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對其進行加熱。經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並形成迂迴的水通道。冷水通 過進水口 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對其進行加熱。經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並形成迂 回的水通道。同樣，冷水通過進水口 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對其進行加熱。經過加熱的水通過出水口322流出加熱裝置310。 圖8和9是用於工業應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可連接到一獨立的供電電源。可選擇的，加熱元件412、512可以 並聯或串聯的方式進行電連接，並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的數量，可 相應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。為實現這樣的 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。在實際使用中，根據所需的加熱輸出，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也可相應的增加或降低其功率輸出或能耗。可以通過改變導電 塗層16、16'的成分、塗層面積、處理條件及連接以增加其導電性，從而提高每個加熱元件的 功率容量。使用分開的塗層區域和電極連接方法，使用a.c.供電，實現在較小區域的高功 率密度的功率輸出。從而發展具有高功率密度的加熱元件。通過以並聯連接的方式，排列導 電塗層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電塗層16、 16'， 每個導電塗層可使用a.c.供電，生成大約1000W的額定功率。可單獨或合在一起使用每個 導電塗層16、16'，以生成大約5000W的總功率輸出。這些密封合板形式的導電塗層16、16' 可防水，並可在電水壺和熱水加熱器中執行高效的水加熱，其性能優於傳統的熱水加熱器。 圖10a示出在加熱元件12中並聯連接的五個導電塗層614、616、618、620和622， 其可將加熱元件612的電阻降到10ohms以下。對於電阻為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，對於在一水加熱裝置中設置4個這 樣的加熱元件，可容易地達到19kW的總功率輸出。 導電塗層也可串聯連接。如圖10b示出在一加熱元件712中串聯連接的五個導電 塗層714、716、718、720、722。對於每個導電塗層的電阻為2ohms，從而在串聯連接的5個導 電塗層中，可達到10ohms的電阻。對於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，對於在具有4個這樣的加熱元件的水加熱裝置，可達到19kW的總 功率輸出。 由於本申請中的陶瓷玻璃加熱元件，可在該裝置中實現快速的水加熱。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 時所產生的結果，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時所產生的結果，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，對於大約9kW的三相功率輸出，在水流速率為每分鐘6升時， 可在20秒內將溫度升高20°C 。而後可實現44°C的溫度水溫。水溫的升高受到水流速率的 影響。對於每分鐘10升的較高的水流速率，可在20秒內將溫度上升12t:，接著水溫將穩 定在36°C。對於總功率輸出大約為6kW的兩個單相加熱元件，可觀察到一些加熱性能的改 變。對於每分鐘6升的水流速率，可在20秒內將水溫上升13°C ，接著水溫將穩定在40°C 。 對於每分鐘10升的水流速率，可在20秒內將水溫上升8°C ，接著水溫將穩定在35°C 。對於 市場上可購得的大多數品牌的熱水加熱器，對於6kW的單相功率，在每分鐘3升的較低的水
6流速率時，可實現水溫為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(模數轉換器)和P麗(脈寬調製)驅動的功率監視和控制系統14可與 導電塗層集成在一起，從而可根據水流速率和水溫，為加熱元件提供流暢的供電，並優化加 熱元件的加熱性能和節能效率。 圖13示出三相a.c.供電的水加熱系統700的系統框圖，其具有九個加熱元件 712。依據使用中的水溫和水流速率的預設條件，可將溫度傳感器和流量儀730連接到電源 控制734的系統控制器732中。特別地，使用ADC和P麗驅動的功率監視和控制系統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，並優化其加熱性能和節 能效率。功率監視和控制系統14可與導電塗層相集成，以優化溫度和節能控制。使用用於 溫度測量的ADC和用於精確控制功率的P麗驅動軟體和控制器與加熱元件集成到圖14和 15所示的電路中。使用該監視和控制系統14，可發展一種加熱伺服系統，從而可與納米厚 度的導電塗層的快速和有效的加熱性能相匹配並對其進行優化，以達到快速地加熱(1分 鍾內)、精確的溫度目標(+/_2°C )和最大化的節能(節能效率達到95% )。當水溫達到預 設的目標溫度時，ADC和P麗控制系統將立即響應並切斷供電，以實現節能的目的，同時限 制導電塗層溫度的支流。當水溫降到預設溫度以下時，ADC和P麗將進行響應，同時導通供 電以進行加熱。因此，該伺服系統可提供連續的監視和控制及快速響應，從而為加熱元件提 供流暢的供電，同時優化加熱性能和節能效率。 本實用新型是通過幾個具體實施例對該水加熱裝置進行說明的，本領域技術人員 應當明白，針對特定情形或具體情況，可以對本實用新型做各種修改，而不脫離本實用新型 的範圍。
權利要求一種水加熱裝置，其特徵在於，包括水箱；設置在所述水箱內的至少一個加熱元件，所述加熱元件包括加熱主體；設置在所述加熱主體上的至少一組多層納米厚度的導電塗層；及耦合到多層導電塗層的電極；其中，所述多層導電塗層具有在高溫條件下穩定所述加熱元件性能的結構和成分。
2. 根據權利要求1所述的水加熱裝置，其特徵在於，包括相互平行排列的多個加熱元 件，以在所述水箱內形成迂迴的水通道。
3. 根據權利要求1所述的水加熱裝置，其特徵在於，包括縱橫交錯排列的多個加熱元 件，以在所述水箱內形成迂迴的水通道。
4. 根據權利要求1所述的水加熱裝置，其特徵在於，包括串聯電連接的多個加熱元件。
5. 根據權利要求1所述的水加熱裝置，其特徵在於，包括並聯電連接的多個加熱元件。
6. 根據權利要求1所述的水加熱裝置，其特徵在於，所述加熱元件的加熱主體是一平 面板。
7. 根據權利要求1所述的水加熱裝置，其特徵在於，所述加熱元件的加熱主體由陶瓷 玻璃製成。
8. 根據權利要求1所述的水加熱裝置，其特徵在於，所述電極包括陶瓷熔塊。
9. 根據權利要求1所述的水加熱裝置，其特徵在於，所述加熱元件包括串聯電連接的 多個導電塗層。
10. 根據權利要求1所述的水加熱裝置，其特徵在於，所述加熱元件包括並聯電連接的 多個導電塗層。
11. 根據權利要求1所述的水加熱裝置，其特徵在於，在多層導電塗層上覆蓋有絕緣材料。
12. 根據權利要求1所述的水加熱裝置，其特徵在於，所述加熱元件可拆卸地設置在所 述水箱中。
專利摘要本實用新型的水加熱裝置包括水箱和設置在所述水箱內的至少一個加熱元件。所述加熱元件包括加熱主體、設置在所述加熱主體上的至少一組多層納米厚度的導電塗層、以及耦合到多層導電塗層的電極。所述多層導電塗層具有使得所述加熱元件在高溫時具有穩定性能的結構和成分。所述加熱元件的加熱主體是可由陶瓷玻璃製成的一平面板。
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 優先權日2008年6月24日
發明者楊榮耀 申請人:高新材料企業有限公司