專利名稱：流體加熱設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種對流體(即液體或氣體)加熱的設備，特別涉及一種不需使用外露加熱元件或明火而能夠以高效對連續的流體流加熱的設備。
本發明的設備特別適用于商業或工業規模的水加熱，本文所敘述的也專對這方面的應用。但是，應當理解這種設備并不僅限于這種應用，而是也可以用于加熱各種各樣的流體。
目前，商業和工業規模的水加熱一般都使用批量加熱法，也就是裝在貯液箱內的水由電熱元件或煤氣燃燒器予以加熱，然后留在貯液箱內以備應用。這種方法有若干缺點，貯液箱體積龐大，如果為了避免輸送管道的熱損耗，貯液箱必須安置在靠近使用的地方;如果熱水的使用率很低，則大量的能量就被不必要地消耗在保持大容量的水在高溫狀態上;或者如果水的使用率很高，則從貯液箱中供應水就顯得不適合。為克服這些缺點，數種不同設計的“通流”。熱水器已經應市，但是所有這些到目前為止的設計都只能以比較低的流率供應熱水，而且安置費用很高。
因此，本發明的一個目的就是提供一種通流(即連續的)流體加熱器，這種加熱器的制造和安裝費比較低，并且能夠有效地以較高的流率工作。
在大部分的的商業和住宅房屋中通用的是電網電力。如果這種電網電力(即頻率為50-60Hz的交流源)能被應用而無需對其電源的種類或其頻率加以變更，則將大大地減少安裝和操作電流體加熱器的費用。因此本發明的又一個目的就是提供一種能利用電網電力的流體加熱設備。
以前有過許多建議想利用一個變壓器來對流體，特別是水，予以加熱。
例如，在美國專利第1，458，634號(1923年授于Aluin Waage)中公開了一種裝置，它具有一個共同的鐵芯，其上卷繞有一次和二次線圈。二次線圈是短路的，因而在二次線圈中的感應電壓引起一個電流從二次線圈流過并對其加熱。這個二次線圈是管狀的，準備加熱的水被安排從中流過。一次線圈也可以是管狀的。
像這種普通類型的加熱器在美國專利第4，602，140號和第4，791，262號中也有記載。
這種設計的一種變型公開在美國專利第1，656，518號中，其中，準備加熱的流體流經一個起短路二次線圈作用的箱形容器。
另一種變型公開在美國專利第2，181，274號中，其中準備加熱的流體流經變壓器的鐵芯;一次和二次線圈同心地圍繞著鐵芯，而二次線圈實際上是一個單圈的短路線匝。
又一種變型公開在美國專利第1，671，839，其中的一次和二次線圈以及共同的鐵芯都可以是空心的，而準備加熱的流體經過鐵芯(隨意地)也經過一次和二次線圈循環。二次線圈是短路的。
然而，在所有的上面提到的裝置中，變壓器都有一個鐵芯。
在電氣工程操作規程中一個確定已久的原則是，對于電源頻率裝置，只有在使用了變壓器鐵芯之后才能獲得有效的磁鏈。無鐵芯變壓器雖然早已為人們所知并且已應用了許多年，但只能被用于高頻率的用途中(典型的是50kHz，也就是高出于電源頻率一千倍)，因為在高頻率應用中，可以沒有鐵芯而獲得有效的磁鏈。
然而，本發明的設計卻具有意想不到和令人驚奇的優點，那就是雖然本發明的裝置是無鐵芯的，但它卻能在電源頻率下以非常高的效率工作。
無鐵芯變壓器比有鐵芯變壓器具有很多優點首先，由于不需要制造或裝配鐵芯，可節省很多成本。其次，無鐵芯變壓器通常展現出一種近直線型的磁化曲線，而與此對比，有鐵芯變壓器展現的是平穩的磁化曲線。近直線型磁化曲線意味著變壓器可以有效地在一個很大的電壓范圍內工作，因而是更加容易控制的，也就是說，可能使電壓在很大范圍內予以變化而不受曲線平穩段的影響。另一個優點是無鐵芯變壓器更容易冷卻，這是因為這里已沒有鐵芯來作為冷卻流體的障礙;因此，變壓器的效率就有了改善。
所有上面提到的這些裝置的另一特點是流體基本上只靠一種單一的方法予以加熱，也就是靠短路的二次線圈的熱傳導進行加熱。二次線圈通常是用低電阻材料制成的，因為這對于有效電力傳輸是必要的。但是，低電阻材料對于電阻加熱元件卻不是理想的材料，對于這種加熱元件最好還是用高電阻材料制造。
美國專利第4，471，191號公開了一種流體加熱器，它主要包括有一個無鐵芯變壓器;一個一次線圈圍繞著一個容器，容器的內部由數個金屬圓筒體分割成幾部分，形成若干通道，準備加熱的流體就從這些通道中流過。金屬環或螺旋形狀的二次線圈位于容器的內部，與圓筒體相間隔開。
在使用中，一次線圈在二次線圈或多個二次線圈內感應出一個電壓，二次線圈被短路因而由感應電流在其中產生熱。金屬圓筒體也被感應加熱，從二次線圈或多個二次線圈和從圓筒體來的熱對流經容器的流體進行加熱。
但是，在這種設計中能量被浪費掉了第一，一次線圈是在容器的外面，因而對流體的加熱起不了什么作用。第二，二次線圈和金屬圓筒體的同心安排意味著在一次和二次線圈之間的磁鏈并不太理想，因而發生磁通量漏失，降低了裝置的效率。第三，二次線圈或數個二次線圈被短路，面不是被連接到一個由二次電壓電阻加熱的負荷上;這方面的缺點已在前面敘述過了。
因此本發明的又一個目的就是提供一種流體加熱裝置，它至少能夠克服上面所述的第三種缺點，并且能夠在電源頻率下以高效率工作。
本發明提供一種電源頻率電力流體加熱器，它包括一個無鐵芯變壓器和一個導電的套筒，使用時準備加熱的流體流經這個套筒，所述的無鐵芯變壓器包括一個由導電材料制成的一次繞組，被安排成至少部分地纏繞在所述套筒上，但是與套筒相互電絕緣;一個由導電材料制成的二次繞組，其相對一次繞組的設置，使得在使用時，由一個在所述一次繞組中流動的交流電流所產生的磁鏈耦合所述二次繞組，并在其內感應出一個電壓;所述二次繞組與所述一次繞組相互電絕緣，但是與套筒有電的連接，從而在使用時，在所述二次繞組內感應出的所述電壓產生一個流經所述套筒的電流，該電流對所述套筒進行電阻加熱，所述套筒還被所述一次繞組內流動的所述交流電流在其中感應的渦流加熱。
最好是所述套筒、一次繞組和二次繞組都是同軸的，一次繞組緊挨著套筒，而二次繞組環繞在一次繞組的外面。但是，也有可能將一次繞組環繞在二次繞組的外面。
也可以使用多重二次繞組，兩個或全部繞組經串聯或并聯的方式與套筒電連接。
二次繞組可以是管狀的(例如是一根螺旋管或一個雙壁套筒)，二次繞組連接在套筒上，使準備加熱的流體在流經套筒之前或之后流過二次繞組。這種流體流動的模式有助于對二次繞組的冷卻，同樣也有助于對流體的加熱。為了同樣的目的，一次繞組也可以是管狀的，但業已發現它并不是太理想，因為會遇到實際上的設計困難。
僅作為舉例，下面將根據本發明的一個較佳實施例參照附圖作詳細的描述。其中

圖1是本發明設備的局部縱向剖視圖。
參看圖1，設備2包括一個雙層壁的套筒3，在套筒的外圍纏繞著一次繞組4;二次繞組5纏繞在一次繞組4的外面。
套筒3由金屬制成，最好這種金屬具有較高的電阻。
這里必須著重指出的是該套筒并不起一個變壓器鐵芯的作用，因此無需用鐵磁金屬制成。然而，如果該套筒用鐵磁金屬制成還是有利的，因為由于改進了該設備的磁化強度，它也改進了設備的功率因數。一種適宜的制造套筒的材料是熟鐵，它能滿足所有上面所提的條件。
套筒具有一個外壁6和一個內壁7，兩壁之間是一個圓筒形的通道8，當該設備使用時，流體就是從這個通道中流過的。通道8的一端由一個流體密封的連接件9連接到一個盤旋管的內部，該盤旋管構成二次繞組5，通道8的另外一端連接到一個出口管10上。
內壁7內的空間12里面充滿空氣;這個空間內可以安置一個金屬的鐵芯，但是這個鐵芯的使用并沒有發現對本設備的性能有多大的改變。
另一種設計是，如果準備被該設備加熱的流體是一種熱的良導體，或者是所要求的加熱速率很低，則套筒可以單層壁的。套筒里的流體是由加熱壁的熱傳導作用而被加熱的，因此只有與壁相接觸的那層流體才是直接被加熱的，流體的其余部分靠流體內的熱傳導和對流而被加熱。因此，通道8的長度和寬度必須根據準備加熱的流體的類型，所要求的流體溫升，和所要求的流動速率而定。
一次繞組4由直接繞在套筒3外部的多匝絕緣線組成，該線繞成一個或多個間隔層，以適應繞組的長度。這種線是由電的良導體制成的(例如銅、鋁、超導體)。一次繞組的兩個端11連接至電力供電系統(230V，50Hz)上。
二次繞組5包括一個由對熱和電都是良導體的材料(例如銅、鋁)制成的螺旋管。
二次繞組在一個油流擋板16上。整個裝置密封在一個隔熱的容器17內。一次繞組4受到由一個泵(未顯示)圍繞著容器泵入的油的冷卻。冷卻油從一次繞組傳送到二次繞組，并從該處再傳至在二次繞組內循環的流體。
但是，如果所要求的是一種比較簡單的流體加熱裝置，而且熱輸出要求也不高(即該裝置可以在較低溫度下工作)，那么容器17和冷卻油都可以省去，一次繞組的冷卻只需簡單地用二次繞組緊緊繞在一次繞組上就行，使一次繞組通過熱傳導來冷卻。
如上所述，二次繞組的一端由連接件9連接在套筒3的通道8上;二次繞組的另一端連接到一個流體出口處14上。二次繞組的兩端可以用任何適宜的裝置，例如連接件9(它是一個電接頭，同時也是一個流體接頭)和一個金屬插頭15(它僅是電接頭)，連接到套筒3上。
上述裝置的使用方法如下準備加熱的流體(例如水)通過入口被送入管狀二次繞組中。流體沿著二次繞組的長度運行，并在另一端通過連接件9送入套筒3的通道8中。流體然后沿著套筒3的長度運行，并從出口管10中排出。但是，設想一個相反的流體流動路線(即先經過通道8，然后經過二次繞組)也是可能的。
一次繞組4供用電網交流電流(單相或多相)供電。這種電流產生的磁通量在二次繞組中感應出一個電壓;這種感應電壓產生一個通過電連接件9和15流經套筒3的電流，因而靠電阻加熱對套筒進行加熱。換句話說，套筒形成了變壓器電路的負荷。應該理解，用一種具有較高電阻的金屬制造套筒是有利的，因為這可以使電阻加熱達到最大限度并改進了設備的功率因素。
如果套筒是金屬的，它也受到由一次繞組的變化磁場所產生的渦流的加熱。這種效應在如圖1中所示的結構中是很明顯的，其中一次繞組位于套筒和二次繞組之間，但是即使二次繞組位于一次繞組和套筒之間，這種效應也在較小的范圍存在。套筒的進一步加熱發生在由于磁滯損耗的磁滯加熱。
在使用時，一次和二次繞組往往也會有加熱的趨向，這種加熱所以會發生是因為金屬繞組對流經繞組的電流的阻力所產生的。根據變壓器的常規，用電傳導性能好的金屬制造一次和二次繞組就能盡量減小這種電阻加熱。還有，該裝置的設計和或/所用的冷卻系統(如前面討論到的)的選擇必須使一次繞組保持在一個合適的工作溫度范圍之內。
然而，對于二次繞組的情況，如果所用的是管狀二次繞組，那么在其中循環的準備加熱的流體冷卻二次繞組，據認為，如果選擇一種較高電阻的金屬(例如鋼)制作二次繞組將是有利的，因為在二次繞組中導出的熱可以有效地用于加熱流體。
當流體進入套筒后，流體靠套筒的熱傳導繼續被加熱。由于套筒內的流體是由熱傳導加熱的，通道8最好比較窄，以便在流體和套筒之間獲得最大的接觸。
在上述實施例中可以理解，本裝置以多種不同的方式對流體提供熱1.對套筒的電阻加熱，2.對套筒的渦流和磁滯加熱，3.對一次繞組的電阻加熱，由一次繞組冷卻系統傳送至二次繞組，4.對二次繞組的電阻加熱。
可以認識到，流體可以只經過套筒加熱，而不經過二次繞組，但是可能有些缺點，如二次繞組就不會被冷卻，并且流體不再由二次繞組傳導加熱。
上述設計的另一種形式是套筒3呈螺旋形式，準備加熱的水從管中流過。
對于圖1中所示結構的設備曾做過測試。套筒3由熟鐵制成，265mm長，提供的直徑為60mm，而通道8的直徑大約為3mm。
一次繞組由327匝3.75mm直徑的銅線制成。二次繞組由13匝11.5mm直徑的銅管制成。
一次繞組連接到電網供電系統上電壓 230V頻率 50Hz電流 147.5A電力 29.7KW功率因素 0.874lag一次繞組溫度 105-93℃效率 96%本裝置是在電穩態下工作的，同時也是熱穩定的。入口溫度為攝氏15度的水以大約17.9升/分鐘的流速經過本裝置，流過二次繞組然后經過套筒，最后以攝氏38度的溫度離開出口。
由于裝置中產生的熱全部都移給水了(導線、熱傳導和容器輻射的損耗都很少)，本裝置的有效系數大于95%。
作為商業或工業上應用時，上述的設備上可以配置控制器以使流體的出口溫度可以根據需要而預定或變化，還可以裝配一個壓力傳感器或流率測定器，以便當流體開始流入時，開動裝置的電源，而在流體停止流入或者低于安全最低值時切斷其電源。
本裝置可以設計成可以高壓操作，并可用以蒸汽，例如作為蒸汽，鍋爐的替代物。
已經設計成的有在230V和400V工作的裝置，其功率輸出在6KW-40KW的范圍內，但是也可能設計在其它范圍工作的裝置。
權利要求
1.一種電源頻率電力流體加熱器，其特征在于所述加熱器包括一個鐵芯變壓器和一個導電的套筒，在使用時準備加熱的流體流經該套筒；所述的無鐵芯變壓器包括一個由導電材料制成的一次繞組，被安排成至少部分地纏繞在所述套筒上，但是與套筒互相電絕緣；一個由導電材料制成的二次繞組，其相對于一次繞組的設置，使得在使用時，由一個在所述一次繞組中流動的交流電流所產生的磁鏈耦合所述二次繞組，并在其內感應出一個電壓；所述二次繞組與所述一次繞組互相電絕緣，但是與套筒有電的連接，從而在使用時，在所述二次繞組內感應的所述電壓產生一個流經所述套筒的電流，該電流對所述套筒進行電阻加熱，所述套筒還被一次繞組在其內感應產生的渦流加熱。
2.根據權利要求1所述的加熱器，其特征在于二次繞組形成兩個或更多個部分，每一部分都與套筒有電的連接。
3.根據權利要求1或2所述的加熱器，其特征在于二次繞組是管狀的，并連接在套筒上，以使準備加熱的流體在流經套筒之前或之后流經二次繞組，從而以變壓器加熱，對所述流體進行加熱。
4.根據權利要求1或3所述的加熱器，其特征在于所述套筒、一次繞組和二次繞組全部是同軸的。
5.根據權利要求4所述的加熱器，其特征在于套筒至少部分地被一次繞組所圍繞，而一次繞組至少部分地被二次繞組所圍繞。
6.一種電源頻率電力流體加熱器，它包括一個無鐵芯變壓器和一個用高電阻導電材料制成的套筒，在使用時準備加熱的流體流經這個套筒;所述無變壓器包括一個用低電阻導電材料制成的一次繞組，纏繞在套筒的大部分長度上，但是與其互相電絕緣;一個用低電阻導電材料制成的管狀二次繞組，纏繞在一次繞組上，所述二次繞組與所述一次繞組互相電絕緣，但導電地連接在套筒上，從而在使用時由一次繞組中流動的電流在二次繞組中感應產生的電壓產生一個流經所述套筒的電流，該電流對所述套筒進行電阻加熱，所述套筒還被由一次繞組在其內感應的渦流加熱;準備加熱的流體被安排在流經所述套筒之前或之后流經所述二次繞組。
7.根據權利要求6所述的加熱器，其特征在于其套筒是雙層壁的，而準備加熱的流體在所述的雙層壁之間流動。
8.根據權利要求6或7所述的加熱器，其特征在于一次繞組在使用中受到強制循環的油的冷卻，所述的油也循環在所述二次繞組的周圍，將熱從所述一次繞組轉移到所述二次繞組。
9.根據權利要求6或7所述的加熱器，其特征在于二次繞組直接接觸一次繞組的外層，但與其互相電絕緣，從而在使用中一次繞組靠熱傳導至二次繞組而得到冷卻。
10.根據權利要求6所述的加熱器，其特征在于一次和二次繞組是由銅制成的，而套筒是由熟鐵制成。
全文摘要
一種電源頻率電力流體加熱器，包括一個無鐵芯變壓器和一個導電的套筒，準備加熱的流體流過該套筒。無鐵芯變壓器包括一個與套筒互相電絕緣，但至少部分地纏繞該套筒的一次繞組；一個與一次繞組有磁通鏈接的二次繞組，二次繞組與一次繞組互相電絕緣，但是與套筒有電連接，使套筒同時受電阻加熱和受渦流加熱。
文檔編號H05B6/02GK1056928SQ9110367
公開日1991年12月11日 申請日期1991年5月28日 優先權日1990年5月29日
發明者羅斯·J·H·沃克, 帕特里克·S·波德格 申請人:特蘭斯弗勒克斯集團有限公司