НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к устройствам управляемого теплового нагрева и может быть использована для контактного нагрева поверхностей или объемов.
Известны нагревательные устройства, которые содержат последовательно соединенные термодатчик, блок управления нагревательным элементом и нагревательный элемент (SU 401977, 1973; SU 920656, 1982; SU 590718, 1978; SU 752267, 1980; RU 2348962, 2007; RU 2359309, 2009).
В качестве нагревательного элемента используют, например, термоэлектрический нагреватель (SU 920656, 1982) или мощный выходной транзистор блока управления (SU 590718, 1978; SU 752267, 1980; RU 2348962, 2007; RU 2359309, 2009).
Работа известных нагревательных устройств основана на том, что, если температура термодатчика оказывается ниже заданной, то блок управления приоткрывает транзистор, который нагревается при протекании через него тока и за счет теплопередачи осуществляет нагрев поверхности или объема до тех пор, пока температура термодатчика не достигнет заданного значения. Когда температура термодатчика становится выше заданной, то по сигналу из блока управления транзистор закрывается и нагрев прекращается.
При моноблочном выполнении нагревательного устройства транзистор, являющийся нагревательным элементом, и термодатчик устанавливают на одном общем основании, которое выполнено из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди или алюминия. Такие моноблочные по конструктивному исполнению нагревательные устройства используют для обеспечения заданного температурного режима других устройств, на которые нагревательные устройства устанавливают теплопроводящим основанием с обеспечением теплопередачи от теплопроводящего основания к устройству, тепловой режим которого необходимо обеспечить.
Наиболее близким по технической сущности к настоящей полезной модели следует считать известное нагревательное устройство (Венгеровский Л.В., Вайнштейн А.Х. Системы терморегулирования в электронике. - Л.: Энергия, 1969, с.43, рис.21), которое содержит теплопроводящее основание, выполненное из меди, а также последовательно соединенные термодатчик, блок управления нагревательным элементом и мощный транзистор, используемый в качестве нагревательного элемента. Транзистор, являющийся нагревательным элементом, установлен на основании, а термодатчик вмонтирован в основание в непосредственной близости от транзистора. Элементы, тепловой режим которых необходимо обеспечить, также установлены на основании.
В процессе работы ближайшего аналога, когда температура термодатчика оказывается ниже заданной, блок управления приоткрывает транзистор, который нагревается при протекании через него тока и за счет теплопередачи через основание осуществляет нагрев термостатируемых элементов до достижения температурой термодатчика заданного значения. Когда температура термодатчика становится выше заданной, то по сигналу из блока управления транзистор закрывается и нагрев прекращается.
Однако, такое размещение термодатчика внутри объема основания приводит к тому, что термодатчик формирует электрический сигнал, зависящий не от температуры термостатируемого элемента, а от температуры основания в месте установки термодатчика. При этом для обеспечения теплопередачи от основания к термостатируемому элементу температура основания в месте установки этого термостатируемого элемента должна быть выше температуры последнего. В результате этого температура термостатируемого элемента и температура, измеряемая термодатчиком, отличаются. Вследствие установки термодатчика внутри объема основания на расстоянии от нагревательного элемента, меньшем расстояния между нагревательным элементом и термостатируемым элементом, и существенного значения площади поперечного сечения основания, перпендикулярного направлению теплопередачи от нагревательного элемента к термодатчику, термодатчик нагревается более интенсивно и различие температуры термостатируемого элемента и температуры, измеряемой термодатчиком, становится еще более существенным.
В результате этого снижается точность регулирования температуры нагреваемого элемента или устройства.
Задачей настоящей полезной модели является повышение точности регулирования температуры нагреваемого элемента.
Поставленная задача решена согласно настоящей полезной модели тем, что нагревательное устройство содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, основание, выполненное из теплопроводящего материала, установленные на основании последовательно соединенные датчик температуры, блок управления и нагревательный элемент в виде транзистора, находящегося в тепловом контакте с основанием, отличается от ближайшего аналога тем, что в основании выполнена выемка, размеры которой в плане превышают размеры датчика температуры, а датчик температуры установлен с обеспечением теплового контакта только с дном выемки.
При этом основание выполнено из алюминия или меди.
Основание выполнено в виде пластины.
Выполнение в основании выемки, размеры которой в плане превышают размеры датчика температуры, а также установка датчика температуры с обеспечением теплового контакта только с дном выемки обеспечивает уменьшение разности температуры нагреваемого элемента и температуры, измеряемой датчиком температуры, в результате чего повышается точность регулирования температуры нагреваемого элемента. Это подтверждается следующими соображениями.
Поскольку размеры выемки в плане превышают размеры датчика температуры и датчик температуры установлен с обеспечением теплового контакта только с дном выемки, между датчиком температуры и боковыми стенками выемки существует зазор, препятствующий теплопередаче от боковых стенок выемки к датчику температуры. В результате этого теплопередача к датчику температуры осуществляется только от дна выемки основания. Вследствие того, что в основании, выполненном при наилучшем осуществлении полезной модели, например, в виде пластины, выполнена выемка, за счет ее объема площадь поперечного сечения пластины основания под дном выемки, через которое происходит теплопередача к дну выемки вдоль пластины основания, оказывается значительно меньше, чем площадь поперечного сечения пластины основания вне места расположения выемки. Поэтому теплопередача к дну выемки и датчику температуры практически не происходит вдоль пластины основания.
В результате всего этого теплопередача к дну выемки и датчику температуры происходит, в основном, от плоскости пластины основания через объем нагреваемого элемента, контактирующего с пластиной основания по окружающей нагревательный элемент площади ее одной стороны, и далее через тонкую под дном выемки пластину основания, которая имеет значительную по величине площадь поперечного сечения, перпендикулярного направлению этого теплового потока, и определяется размером выемки в плане. Поскольку теплопередача к дну выемки и датчику температуры происходит через объем нагреваемого элемента, разность температуры нагреваемого элемента и температуры, измеряемой датчиком температуры, по сравнению с ближайшим аналогом оказывается меньше, в результате чего повышается точность регулирования температуры нагреваемого элемента.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированной выше задачи настоящей полезной модели благодаря наличию у нагревательного устройства перечисленных выше отличительных признаков.
На фиг.1 показан вертикальный разрез нагревательного устройства, а на фиг.2 приведен вид сверху фиг.1, где 1 - основание, 2 - выемка, 3 - датчик температуры, 4 - дно выемки, 5 - блок управления, 6 - транзистор, 7 - изолирующая прокладка и 8 - нагреваемый элемент.
Нагревательное устройство содержит основание 1, которое выполнено, например, в виде пластины из теплопроводящего материала, например, из меди или алюминия. В основании 1 выполнена выемка 2, например, в форме цилиндра. На дне выемки 2 установлен датчик 3 температуры, находящийся в тепловом контакте с дном 4 выемки 2. Размеры выемки 2 в плане превышают размеры датчика 3 температуры. Датчик 3 температуры установлен с образованием зазоров между ним и боковыми стенками выемки 2. На основании 1 размещены блок 5 управления и нагревательный элемент в виде мощного транзистора 6, который установлен на основании 1 через теплопроводящую изолирующую прокладку 7. Блок 5 управления может быть выполнен, как и в конструкциях аналогов, в виде порогового устройства или компаратора. В нагревательном устройстве последовательно соединены датчик 3 температуры, блок 5 управления и транзистор 6.
Основание 1 устанавливают одной стороной, противоположной стороне, на которой расположены остальные элементы нагревательного устройства, на нагреваемом элементе 8 с обеспечением теплового контакта с ним.
Нагревательное устройство работает следующим образом.
Датчик 3 температуры формирует электрический сигнал, зависящий от температуры дна 4 выемки 2, который поступает в блок 5 управления. Блок 5 управления осуществляет сравнение этого сигнала, по меньшей мере, с одним пороговым уровнем. Если температура дна 4 выемки 2 ниже заданного значения, блок 5 управления на основании результата сравнения приоткрывает транзистор 6.
Ток, протекающий через приоткрытый транзистор 6, приводит к нагреву транзистора 6, в результате чего возникает тепловой поток, одна часть которого протекает вдоль пластины основания 1, нагревая пластину основания 1, а другая к нагреваемому элементу 8, нагревая его. Поскольку площадь теплового контакта с нагреваемым элементом 8 пластины основания под дном 4 выемки 2, определяемая размерами выемки 2 в плане, и площадь теплового контакта остальной поверхности пластины основания 1 с нагреваемым элементом 8 существенно превышают площадь вертикального поперечного сечения пластины основания 1 под дном 4 выемки 2, температура дна 4 выемки 2, на котором расположен датчик 3 температуры, определяется в основном тепловым потоком, который протекает от поверхности основания 1 через нагреваемый элемент 8 к дну 4 выемки. В результате этого температура дна 4 выемки 2, к которой чувствителен датчик 3 температуры, оказывается достаточно близкой по значению к температуре нагреваемого элемента 8.
Когда в процессе нагрева нагреваемого элемента 8 и дна 4 выемки 2 температура дна 4 выемки 2 превысит заданное значение, блок 5 управления на основании результата сравнения электрического сигнала с датчика 3 температуры с пороговым уровнем закрывает транзистор 6 и нагрев прекращается.
При понижении температуры нагреваемого элемента 8 рассмотренные выше процессы повторяются.
Таким образом, полезная модель обеспечивает повышение точности регулирования температуры нагреваемого элемента.