Электрический нагреватель туристического газового баллона

Полезная модель относится к области электрического нагрева, в частности к электрическому нагревателю, который предназначен для нагрева газового баллона и может быть использован в области туризма и альпинизма, а также в качестве вспомогательного оборудования может применяться при выполнении заданий специальных подразделений.
Известна проблема, что при отрицательных температурах в холодное время года или в условиях высокогорья, а также при температурах до 10 градусов по Цельсию при интенсивном расходе газа туристические баллоны переохлаждаются. Процессы кипения и перехода в газообразную фазу сжиженной смеси пропана и изобутана, применяемой в данном типе баллонов сильно замедляются при снижении температуры, что приводит к существенному понижению давления, уменьшению потока газа и переходу работы используемых устройств (туристических газовых горелок, плит, ламп, обогревателей и т.п.) в низкоэффективный режим. Это происходит из-за малого объема туристического баллона, естественного охлаждения при интенсивном расширении газа, изменения внутреннего давления за счет расхода газа. При уменьшении количества газа примерно до 25% от начального объема давление в баллоне падает настолько, что при отрицательных температурах ниже -15 градусов по Цельсию практически невозможно добиться его выхода из баллона. Баллон «замерзает» и без внешнего подогрева не работает. Это приводит к тому, что баллон, израсходованный всего на 75%, отключают и используют новый. Или используют различные, не всегда безопасные способы нагреть полупустой баллон.
Из уровня техники известны различные конструкции на основе гибких и проволочных электрических нагревательных элементах применяемых для подогрева бытовых и промышленных газовых баллонов в стационарных условиях.
Так известен нагревательный блок для использования при нагреве бака пропана, включающий в себя первый гибкий покровный слой и второй гибкий покровный слой. Гибкий электрический нагревательный элемент расположен между первым и вторым покровными слоями. Теплоизоляционный слой прикреплен ко второй стороне гибкого электрического нагревательного элемента и расположен рядом с первым покровным слоем (US 2011174802, 21.07.2011).
Известен обогреватель баллонов с пропаном, включающий в себя гибкий элемент ленты, имеющий внутреннюю поверхность нагрева, предназначенную для контакта с бутылкой, разъемный удерживающий элемент для закрепления гибкого ленточного элемента вокруг внешней поверхности бутылки и электрический нагревательный элемент, расположенный в гибкой ленте. Первый термостат расположен внутри области нагревательного элемента над гибким ленточным элементом для измерения и регулирования температуры электрического нагревательного элемента, а второй термостат расположен внутри области нагревательного элемента на расстоянии от электрического нагревательного элемента и под электрическим нагревательным элементом для измерения температуры баллона (US 2007181561, 09.08.2007).
Недостатком данных конструкций является их громоздкость, технические трудности при попытках масштабирования, и низкая эффективность подогрева из-за того что нагревательные элементы расположены вдоль боковой поверхности баллона, необходимость использования стационарных источников питания.
В качестве наиболее близкого аналога можно принять электрический нагреватель газового баллона, состоящий из корпуса с резистивным источником тепла, датчиком температуры, терморегулятором, стопорными элементами для позиционирования баллона и проводом для подключения к источнику питания (CN 2783148, 24.05.2006).
В данном нагревателе не устранены указанные выше недостатки, в том числе низкая эффективность подогрева.
Техническая проблема, на решение которой направлена предложенная полезная модель, заключается в расширении арсенала технических средств и создании компактного, высокоэффективного экономичного нагревателя, параметры которого устраняют указанные выше недостатки и обеспечивают улучшение эксплуатационных характеристик.
Технический результат, достигаемый при реализации данной полезной модели, заключается в повышении эффективности и экономичности подогрева туристического газового баллона и обеспечении компактности и удобства в эксплуатации при сохранении простоты конструкции нагревателя.
Указанный технический результат достигается в электрическом нагревателе газового баллона, содержащем корпус, внутри которого расположены пленочный резистивный источник тепла и датчик температуры, связанные с электронным модулем для поддержания температуры, при этом верхняя часть корпуса имеет геометрию, повторяющую поверхность дна газового баллона.
Пленочный резистивный источник тепла выполнен гибким на самоклеящейся основе в виде сегментированного круга, каждый сегмент которого выполнен с одинаковой топологией токопроводящей дорожки и размещен на внутренней поверхности верхней части корпуса.
Верхняя часть корпуса выполнена теплопроводной, тонкостенной металлической и изолированной от нижней части корпуса и представляет собой часть полусферы с внешним радиусом, совпадающим с радиусом кривизны дна газового баллона, при этом по всему периметру часть полусферы окаймлена отбортовкой с углублением или пазом для позиционирования газового баллона, в котором расположены магниты.
Электронный модуль для поддержания температуры представляет собой терморегулятор, плата которого интегрирована внутрь нижней части корпуса, при этом датчик температуры расположен в верхней части корпуса и соединен с платой терморегулятора гибким кабелем.
В нижнюю часть корпуса интегрирован стандартный разъем низковольтного питания для подключения внешнего источника постоянного электрического тока, при этом нижняя часть корпуса является теплоизолирующей подложкой, соединенной с верхней частью корпуса.
Электрический нагреватель газового баллона дополнительно содержит многослойную термоизоляцию, расположенную внутри верхней части корпуса под пленочным резистивным источником тепла.
Данное конструктивное выполнение электрического нагревателя обеспечивает постоянное плотное прилегание и эффективный подогрев газового баллона в широком диапазоне низких температур окружающей среды, что повышает эффективность и экономичность подогрева газового баллона при сохранении компактности и удобства в эксплуатации, а также простоты самой конструкции нагревателя.
Верхняя часть корпуса нагревателя выполнена полой и представляет собой часть полусферы с внешним радиусом, совпадающим с радиусом кривизны донышка баллона, внутренний радиус на 1-1,5 мм меньше, что обеспечивает высокую прочность и одновременно хорошую теплопередачу от источника тепла. По всему периметру часть полусферы окаймлена отбортовкой с углублением или пазом для позиционирования газового баллона при установке и расположения магнитов. При установке газового баллона в данное углубление/паз опускается нижняя кромка донышка баллона, и баллон удерживается в таком положении с помощью нескольких магнитов, расположенных по периметру в трех точках отбортовки. В качестве материала верхней части корпуса нагревателя применяется дюралюминий, обладающей высокими прочностными и теплопроводными свойствами наряду с легкостью и технологичностью в обработке.
В качестве резистивного пленочного источника тепла используется специально разработанный для данной геометрии верхней части корпуса гибкий резистивный пленочный нагревательный элемент на самоклеящейся основе, который при сборке выклеивается на внутренней поверхности полусферы. Нагревательный элемент имеет 12 сегментов со специальным рисунком расположения резистивного материала (одинаковой топологией токопроводящей дорожки) для обеспечения максимально равномерного прогрева верхней части корпуса нагревателя. Нагревательный элемент имеет общее электрическое сопротивление 10 Ом, выделяемая мощность определяется параметрами внешнего источника энергии и при эксплуатации составляет от 10 до 20 Вт, максимальная допустимая температура 85 градусов по Цельсию.
Предварительная установка рабочей температуры и удержание ее в заданном диапазоне (от 30 до 37 градусов по Цельсию) осуществляется с помощью электронного модуля, в качестве которого может быть использован стандартный серийно выпускаемый терморегулятор, например, типа W1209 DC12V. Плата терморегулятора интегрирована внутрь нижней части корпуса нагревателя, при этом датчик температуры расположен в верхней изолированной части корпуса нагревателя и соединяется с платой терморегулятора гибким кабелем. Для подключения внешнего источника постоянного электрического тока напряжением от 12 до 20 В используется стандартный разъем низковольтного питания (DC 2,1*5,5), также интегрированный в нижнюю часть корпуса нагревателя и связанный с электронным модулем (терморегулятором). Нижняя часть корпуса изготовлена из прочного пенопласта типа ПС-1-200 или пенополиуретана. Верхняя и нижняя часть корпуса герметично соединены с помощью винтов крепления. Это позволяет осуществлять при необходимости разборку нагревателя и изменять температурные и дополнительные параметры, что расширяет функциональные возможности нагревателя, его эксплуатационные характеристики.
Применение в конструкции дополнительной многослойной термоизоляции, расположенной внутри верхней части корпуса обеспечивает работу нагревателя в режиме термостата с минимальным потреблением электрической энергии. Так с многослойной термоизоляцией могут быть выполнены отбортовка верхней части корпуса, боковая поверхность верхней части корпуса и нижняя часть (основа, подложка, дно) корпуса, которая также изолирована от верхней части корпуса многослойной термоизоляцией, что дополнительно влияет на эффективность и экономичность подогрева газового баллона.
Предложенные конструктивное решение увеличения эффективной поверхности передачи тепла, выбранный температурный режим обеспечивают интенсивное кипение газовой смеси и поддержание безопасного достаточного давления внутри газового баллона для работы любого штатного газового оборудования в рабочем режиме, а также 100% выработку газа при температурах окружающей среды до - 30 градусов по Цельсию.
В качестве внешнего источника электрической энергии можно использовать широко распространенные в настоящее время и применяемые множеством туристов, альпинистов, охотников и рыбаков внешний аккумулятор/зарядное устройство Power Bank напряжением не менее 12 В и емкостью от 5Ач и выше. Наиболее эффективное использование энергии достигается при напряжение 12 В при температурах до -5 градусов; 14 В от -5 до -10 градусов; 16 В от -10 до -20 градусов и 18 В при более низких температурах. При экстремально низких температурах для экономии электрической энергии потребуется использование дополнительного теплоудерживающего чехла на туристический газовый баллон.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен электрический нагреватель в разрезе без отображения термоизолирующих материалов; на фиг. 2 - электрический нагреватель в разрезе без отображения термоизолирующих материалов в изометрии; на фиг. 3 - верхняя часть корпуса в разрезе с отображением термоизолирующих материалов; на фиг. 4 - электрический нагреватель с установленным на него газовым баллоном; на фиг. 5 - развертка пленочного резистивного источника тепла/нагревательного элемента.
Заявляемое техническое решение заключается в том, что за счет повторения геометрии дна стандартного туристического газового баллона 12 и применения пленочного резистивного источника тепла 9 (нагревательного элемента) специальной формы удалось добиться постоянного плотного прилегания 7 и эффективного подогрева газового баллона 12 в широком диапазоне низких температур окружающей среды.
Принцип работы заявленного устройства состоит в использовании свойств пленочного резистивного источника тепла 9, выполненного по технологии «толстых пленок» и обладающего достаточной мощностью для обеспечения интенсивного кипения газовой смеси 6 и создания постоянного высокого давления в газовом баллоне 12.
Конструкция и компоновка основных элементов электрического нагревателя изображены на фиг. 1 и 2. Для удобства на данных фигурах не отображены слои термоизоляции.
Электрический нагреватель газового баллона состоит из корпуса полусферической формы, содержащий теплопроводную, тонкостенную металлическую верхнюю часть 1 и нижнюю часть 2, изолированную от верхней части 1, являющейся теплопередающим элементом и представляющей собой часть полусферы с внешним радиусом, совпадающим с радиусом кривизны дна газового баллона, то есть верхняя часть 1 корпуса имеет геометрию, повторяющую поверхность дна газового баллона 12. По всему периметру часть полусферы окаймлена отбортовкой 3 с углублением 4 или пазом для позиционирования газового баллона 12, в котором расположены магниты 5. Нижняя часть 2 корпуса одновременно является и несущей терпоизолирующей подложкой и контейнером для установки электроники.
Внутри корпуса расположены пленочный резистивный источник тепла 9 и датчик температуры 10, связанные с электронным модулем 11 для поддержания температуры.
Пленочный резистивный источник тепла 9 выполнен гибким на самоклеящейся основе в виде сегментированного круга, каждый сегмент 13 которого выполнен с одинаковой топологией токопроводящей дорожки 14 и размещен на внутренней поверхности верхней части 1 корпуса. Пленочный резистивный источник тепла 9 имеет контакты 15 для опосредованного подключения к электронному модулю 11.
Пленочный резистивный источник тепла 9 приклеен с помощью самоклеящейся подложки, являющейся его неотъемлемой частью, к внутренней поверхности верхней части 1 корпуса и прижат к нему вспененным полиуретановым слоем 16 (прочного пенопласта типа ПС-1-200 или пенополиуретана), второй фольгированный эластичный пенополиуретановый слой 17 является вспомогательным, при этом фольга 18 расположена снизу слоя 17 (со стороны нижней части 2 корпуса).
Электронный модуль 11 для поддержания температуры представляет собой автоматический терморегулятор, плата которого интегрирована внутрь нижней части 2 корпуса.
Датчик температуры 10 расположен в верхней части 1 корпуса и соединен с платой терморегулятора гибким кабелем (не показано).
В нижнюю часть 2 корпуса интегрирован стандартный разъем 19 электропитания (низковольтного питания) для подключения внешнего источника постоянного электрического тока.
Принцип работы поясняется фиг. 4, где схематично изображен эффект кипения жидкой газовой смеси по всей поверхности подогреваемого с помощью предлагаемого нагревателя дна баллона.
Общий вид пленочного резистивного источника тепла 9 отображены на фиг. 5. Существенным является его сегментная форма, которая позволяет при установке сформировать часть полусферы с заданными параметрами.
Сборка нагревателя осуществляется в следующем порядке:
1. В верхнюю часть корпуса с помощью механического пресса устанавливаются в углубления/пазы магниты.
2. На внутреннюю поверхность верхней части корпуса выклеивается с помощью самоклеящейся подложки пленочный резистивный источник тепла.
3. Датчик температуры устанавливается и закрепляется с помощью клея типа эпоксидной смолы во внутренней полости верхней части корпуса.
4. На внутреннюю поверхность верхней части корпуса наноситься вспененный полиуретановый слой, который в последствии затвердевает и образет первый слой термоизоляции.
5. Далее укладывается и приклеивается предварительно вырезанный слой эластичного пенополиуретанового слоя и выклеивается слой фольги.
6. В нижнюю часть корпуса устанавливается и приклеивается с помощью клея типа эпоксидной смолы разъем электропитания и плата электронного модуля.
7. К электронному модулю подключаются разъем электропитания, датчик температуры и пленочный резистивный источник тепла.
8. Верхняя и нижняя части корпуса соединяются с помощью винтов с применением дополнительных герметизирующих прокладок.
Подключение внешнего источника постоянного электрического тока (источника напряжения постоянного тока) через разъем электропитания к электрическому нагревателю обеспечивает включение платы электронного модуля и нагрев пленочного резистивного источника тепла, верхней части корпуса и дна баллона. Температура поддерживается в заданном диапазоне от 30 до 37 градусов по Цельсию. Выходные параметры внешнего источника постоянного электрического тока должны соответствовать нагрузке, т.е. ток до 2 А, напряжение до 20 В.
В качестве внешнего источника постоянного электрического тока может быть использован аккумулятор типа POWER BANK. Верхняя часть корпуса нагревателя может быть изготовлена из сплава Д16Т с защитным декоративным покрытием типа анодирование с применением красителя, а нижняя часть корпуса - из пенопласта ПС-1-200 и покрыта защитной декоративной акриловой краской.