УГЛЕРОДНОЕ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к электрическим устройствам с углеводородным резистором для нагрева жидких и газообразных сред и может использоваться как самостоятельно для обогрева теплиц, жилых и промышленных помещений, так и в составе других приборов и калориферов.
Углеродные (карбоновые обогреватели появились более полувека назад, технология постоянно улучшалась: сначала нити были углеродными, их изолировали полимерами, чтобы добиться надежности и прочности обогревателя. Массовое производство карбоновых обогревателей началось после внедрения вместо углеродной нити электропроводной ткани (ленты). Дальнейшие усилия разработчиков направлялись на повышение качества работы карбонового обогревателя и его пожаробезопасность.
Основные преимущества карбонового обогревателя: экономичность; длительные сроки эксплуатации; высокая теплоотдача; надежность; малая теплоемкость; высокий КПД; легкость монтажа; компактность; быстрое нагревание; отсутствие дополнительного обслуживания. Карбоновый обогреватель дает 25% экономии электроэнергии в сравнении с иными видами отопления
Кроме того, карбоновый обогреватель имеет коммерческую ценность - углерод в качестве электронагревателя гораздо эффективнее, чем металлический электронагреватель, т.к. у металлов сопротивление кристаллической решетки (квантовомеханическая величина, прямо пропорциональная массе атома решетки) движению тепловых электронов гораздо выше, чем сопротивление графитовых ячеек.
Поэтому в металлических нагревателях тепловые электроны (те самые, которые и разогревают материал) теряют очень много энергии на преодоление сопротивления решетки. Следовательно, для нагревания электрическим током углерода, нужно в разы меньше энергии, чем бы его потребовалось для нагрева металла. Или, при потреблении 1 кВт-ч энергии углеродный нагреватель выдаст в 3-6 раз больше тепла, чем нагреватель с металлическим резистором.
Однако, использование углеродной ленты в качестве нагревателя имеет и недостатки в связи с тем, что: лента при температурах около 300-400 градусов воспламеняется, при температурах ниже 300 (начиная со 100) - частично разрушается из-за взаимодействия материала ленты (углерод 100%) с атмосферным кислородом, лента небезопасна при работе, т.к. находясь под напряжением, может нанести поражение электрическим током, лента механически непрочная, разрушается при малейшем механическом воздействии.
Известно углеродное электронагревательное устройство, содержащее электронагревательный блок с электропроводящим углеродным элементом, размещенный в корпусе нагревательного устройства между его входом и выходом из него, источник электрического тока, соединенный с углеродным элементом, причем в электрической цепи углеродного элемента установлено средство предотвращения его перегрева и разрушения, выполненное в виде позистора (патент RU2007609, С1, МПК 5 F02M 31/12, 26.12.1990 г.).
Данное техническое решение является наиболее близким к изобретению, поэтому принято за прототип.
Недостатками прототипа являются невысокие эксплуатационные и функциональные возможности вследствие использования корпусных деталей в качестве проводников и невозможности подогрева газообразных сред, а также сложность обслуживания и ремонта.
Техническим результатом полезной модели являются расширение эксплуатационных и функциональных возможностей за счет электроизолированности токонесущих элементов электронагревательного блока от корпусных деталей устройства и возможности подогрева газообразных сред, а также упрощение обслуживания и ремонта.
Ниже приведены общие и частные существенные признаки, характеризующие причинно-следственную связь полезной модели с указанным техническим результатом.
Углеродное
электронагревательное устройство содержит электронагревательный блок с электропроводящим углеродным элементом, размещенный в корпусе нагревательного устройства между его входом и выходом из него, источник электрического тока, соединенный с углеродным элементом. В электрической цепи углеродного элемента установлено средство предотвращения его перегрева и разрушения, выполненное в виде позистора. Электронагревательный блок включает в себя торцевые упоры, между которыми расположены в зависимости от типа электрического параллельного, последовательного или параллельно-последовательного подключения в чередующемся порядке токопроводящие и диэлектрические пластины, между которыми размещен указанный электропроводящий элемент, выполненный в виде отрезков углеродного материала, соединенных между собой проводниками. Указанные отрезки углеродного материала, токопроводящие и диэлектрические пластины, и торцевые упоры скомпонованы в электронагревательный блок средствами фиксации. В контакте с указанными торцевыми упорами установлены диэлектрические пластины, Указанный углеродный элемент выполнен с покрытием из изолирующих материалов, а его удельное сопротивление углеродного элемента в зависимости от проходящей массы потока нагреваемой жидкостной или воздушной среды устанавливается с возможностью ограничения температуры углеродного элемента рамками рабочих параметров его изолирующего покрытия материала. Место контакта углеродного элемента и проводника подвода напряжения питания покрыто слоем водостойкого диэлектрика. Средства фиксации электронагревательного блока выполнены в виде продольных стержней с расклепанными торцами, пропущенных внутри диэлектрической втулки, проходящей сквозь соосные отверстия в отрезках углеродного материала, токопроводящих и диэлектрических пластинах, и торцевых упорах. Средства фиксации электронагревательного блока выполнены в виде продольных резьбовых стержней с гайками, пропущенных внутри диэлектрической втулки, проходящей сквозь соосные отверстия в отрезках углеродного материала, токопроводящих и диэлектрических пластинах, и торцевых упорах. Средства фиксации составных частей электронагревательного блока выполнены в виде клеевых соединений. Проводники указанных токопроводящих пластин выполнены в виде электропроводных перемычек, соединенных с концами указанных отрезков углеродного материала. Указанные токопроводящие пластины имеют на одном конце разрезной захват, сопряженный с концом отрезка углеродного материала, имеющему соответствующую форму, размещенных в соответствующих отверстиях диэлектрических пластин, расположенных в контакте друг к другу., а другие концы токопроводящих пластин соединены между собой проводниками в виде перемычек в зависимости от типа подключения. В качестве углеродного элемента использована плоская лента или жгут или углеродный элемент изготовлен из нитей. Для подогрева воздуха устройство снабжено вентилятором для его подачи. Для подогрева воздуха устройство выполнено в виде конвектора навесного, настенного или напольного типа, причем подводящие отверстия расположены в его нижней боковой части корпуса, а отводящие отверстия выполнены в верхней его части. Отрезки углеродного элемента электрически соединены между собой параллельно, последовательно или параллельно-последовательно с соединением концевых отрезков с источником электропитания. В качестве изоляции углеродного элемента могут быть использованы; фторопластовая пропитка; керамическое покрытие; силиконовые материалы; термо-электроизоляционные лаки и краски или полимерные композиции.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства для нагрева жидкости; на фиг.2 на фиг.1 представлена схема устройства для нагрева воздуха с принудительной подачей; на фиг.3 представлена схема устройства для нагрева воздуха конвекцией; на фиг.4 - продольный разрез устройства на фиг.1; на фиг.5 - вид А-А на фиг.4; на фиг.6 - вид спереди на фиг.5; на фиг.7 - вид А-А на фиг.4, вариант исполнения; на фиг.8 - вид сверху на фиг.5; на фиг.9 - вид сверху на фиг.7; на фиг.10 - пластина с отверстиями на фиг.5, продольный разрез; на фиг.11 - пластина фиг.10, вид спереди; на фиг.12 - вид Б-Б на фиг.11 и на фиг.12; на фиг.13 - пластина без отверстий на фиг.7, продольный разрез; на фиг.14 - пластина фиг.13, вид спереди; на фиг.15 - продольный разрез устройства на фиг.3; на фиг.16 - продольный разрез на фиг.5 с пластинами, соединенными проводниками; на фиг.17 - вид В-В на фиг.16; на фиг.18 вид Г-Г на фиг.17, вверху с боковыми стрежнями на фиг.17, верх и внизу с центральным стержнем нижняя проекция на фиг.17; на фиг.19 - вид Г-Г на фиг.17, вариант пластин без отверстий; на фиг.20 - электронагревательный блок, вариант присоединения проводников; на фиг.21 - вариант углеродного элемента на фиг.20; на фиг.22 - вариант проводника на фиг.20; на фиг.23 - параллельное соединение углеродных элементов; на фиг.24 - то же, электросхема; на фиг.25 - последовательное соединение углеродных элементов; на фиг.26 - то же, электросхема; на фиг.27 - параллельно-последовательное соединение углеродных элементов; на фиг.28 - то же, электросхема.
Углеродное электронагревательное устройство содержит электронагревательный блок 1 с электропроводящим углеродным элементом 2, размещенный в корпусе 3 нагревательного устройства между его входом 4 и выходом 5 из него, источник электрического тока 6 с блоком управления 7, соединенный с углеродным элементом 2.
В электрической цепи углеродного элемента 2 установлено средство предотвращения его перегрева и разрушения, выполненное в виде позистора 8. Электронагревательный блок 1 включает в себя торцевые упоры 9, между которыми расположены в зависимости от типа электрического параллельного, последовательного или параллельно-последовательного подключения в чередующемся порядке токопроводящие 10 и диэлектрические 11 пластины, между которыми размещен указанный электропроводящий углеродный элемент 2, выполненный в виде отрезков 12 углеродного материала, соединенных между собой проводниками 13.
Указанные отрезки 12 углеродного материала, токопроводящие 10 и диэлектрические 11 пластины, и торцевые упоры 9 скомпонованы в электронагревательный блок средствами фиксации.
В контакте с указанными торцевыми упорами 9 установлены диэлектрические 11 пластины.
Указанный углеродный элемент 2 выполнен с покрытием из изолирующих материалов, а его удельное сопротивление углеродного элемента в зависимости от проходящей массы потока нагреваемой жидкостной или воздушной среды устанавливается с возможностью ограничения температуры углеродного элемента рамками рабочих параметров его изолирующего покрытия материала. Место контакта углеродного элемента 2 и проводника 14 подвода напряжения питания покрыто слоем водостойкого диэлектрика.
Средства фиксации электронагревательного блока могут быть выполнены в виде продольных стержней 15 с расклепанными торцами, пропущенных внутри диэлектрической втулки 17, проходящей сквозь соосные отверстия в отрезках 12 углеродного материала, токопроводящих 10 и диэлектрических 11 пластинах, и торцевых упорах 9.
Средства фиксации электронагревательного блока могут быть выполнены также в виде продольных резьбовых стержней 18 с гайками 19, пропущенных внутри диэлектрической втулки 17, проходящей сквозь соосные отверстия в отрезках 12 углеродного материала, токопроводящих 10 и диэлектрических 11 пластинах, и торцевых упорах 9.
Средства фиксации составных частей электронагревательного блока выполнены в виде клеевых соединений.
Проводники указанных токопроводящих пластин могут быть выполнены в виде электропроводных перемычек 13, соединенных с концами указанных отрезков 12 углеродного материала.
Указанные токопроводящие 10 пластины могут иметь на одном конце разрезной захват 20, сопряженный с концом 22 отрезка углеродного материала, имеющему соответствующую форму, размещенных в соответствующих отверстиях диэлектрических 11 пластин, расположенных в контакте друг к другу., а другие концы токопроводящих 10 пластин соединены между собой проводниками в виде перемычек 13 в зависимости от типа подключения.
В качестве углеродного элемента 2 могут быть использованы: плоская лента или жгут, или углеродный элемент изготовлен из нитей.
Для подогрева воздуха устройство снабжено вентилятором 23 для его подачи. Для подогрева воздуха устройство может быть выполнено в виде конвектора навесного, настенного или напольного типа на опорах 24, причем подводящие отверстия 25 расположены в его нижней боковой части корпуса 26, а отводящие отверстия 27 выполнены в верхней его части.
Отрезки 12 углеродного элемента 2 электрически соединены между собой параллельно (фиг.23, фиг.24), последовательно (фиг.25, фиг.26) или параллельно-последовательно (фиг.27, фиг.28) с соединением концевых отрезков с источником электропитания.
Углеродное электронагревательное устройство может быть вставлено в разрез трубопровода и плотно присоединено электронагревательным блком 1 в отрезкам 4 и 5 трубопровода, при этом стык между ними может быть загерметизирован муфтами 28.
В качестве изоляции углеродного элемента могут быть использованы; фторопластовая пропитка; керамическое покрытие; силиконовые материалы; термо-электроизоляционные лаки и краски или полимерные композиции.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках не выявило средство, которому присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле полезной модели, включая характеристику назначения. Т.е., совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности “новизна”.
Данное техническое решение промышленно применимо, поскольку в описании к заявке и названии полезной модели указано его назначение, оно может быть изготовлено промышленным способом и использовано в качестве нагревателя жидких и газообразных сред.
Техническое решение работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, а отличительные признаки устройства позволяют получить заданный технический результат - расширение функционально-лечебных возможностей путем распространения индукционного воздействия импульсов тока на объем массы биологического объекта за счет замкнутого цикла, т.е. являются существенными. Полезная модель в том виде, как она охарактеризована в каждом из пунктов формулы, может быть осуществлена с помощью средств и методов, описанных в прототипе, ставшим общедоступным до даты приоритета полезной модели.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности “промышленная применимость”.
Устройство реализуется следующим образом.
Углеродное электронагревательное устройство собирается ручным или автоматическим способом, причем простота конструкции обеспечивает недорогую сборку полностью автоматическим способом,
Во время сборки не требуется постоянного соблюдения каких либо параметров - натяжения, расстояния; или каких-то наладочных - настроечных операций (дорогостоящих, с использованием искусственного интеллекта).
Собранное устройство может быть любых геометрических размеров и обладать любыми заданными физическими параметрами - параметры электропитания, сопротивление, мощность, удельная мощность на единицу площади, параметры среды эксплуатации, не нарушая целостности идеи в рамках данного описания.
Собранный нагревательный блок подвергается обработке (процессы нанесения электроизоляционных и др. покрытий).
Монтируется в предназначенное согласно сборочному заданию устройство.
Используется в любом устройстве для нагрева жидкостей или газов (в т.ч. воздуха) в соответствии с заданными параметрами - размерами, мощностью параметрами электропитания и др.
Использование полезной модели позволяет:
- унифицировать изделия для широкого спектра применения;
- наладить недорогое производство (недорогую продукцию) нагревателей с высокими эксплуатационными характеристиками
- получать серийные изделия с постоянными (в массе партий от 10 до 1000000 шт) с заранее заданными характеристиками в огромном диапазоне размеров и эксплуатационных характеристик с минимальной погрешностью благодаря конструкции изделия.
Технология сборки позволяет.
- унифицировать технологическую линию сборки для изготовления изделий разного размера - не требуется существенного изменения (либо вообще не требуется) линии - т.е. линия для сборки блоков 6x6=линии для сборки блоков 60×60 = линии для сборки блоков 6×600.
- максимально упростить способы расчета физических параметров изделия под заданные параметры - благодаря простоте конструкции
- получать легко встраиваемое в любое устройство изделие - благодаря малым габаритам и высоким механическим прочностным характеристикам блока.
- возможность использовать данный тип нагревателей в устройствах любого размера и мощности (микроскопических - и нагрев крупинки и нагрев воды в котельной).
- надежность устройства гораздо выше аналогов;
- срок службы гораздо выше аналогов;
- соотношение энергопотребления / энергоотдачи по сравнению с аналогами на данный момент наиболее высокое.