ТРУБЧАТЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Заявляется полезная модель, относящаяся к электротехнике, а именно, к трубчатым электронагревательным элементам (ТЭНам), применяемым в бытовых обогревателях конвекционного типа (конвекторы).
В настоящее время все большее распространение находит электрический обогрев жилых, общественных и производственных помещений, который открывает новые возможности качественного улучшения санитарно-гигиенических условий и повышения уровня комфорта среды обитания человека.
Известно множество трубчатых электронагревателей (ТЭНов), характеризующиеся наличием нагревательного элемента в виде намотанной на сердечник проволочной спирали из сплава с высоким удельным сопротивлением с изолирующей оксидной пленкой на поверхности, которая помещена в герметичный корпус из металла с высокой теплопроводностью, при этом пространство между нагревательным элементом и корпусом заполнено изолирующим материалом с высокой теплопроводностью, концы спирали связаны с герметичными изолированными токоподводами, выведенными через торцы трубчатого корпуса (см, например патент RU №147180, 2014).
Известные ТЭНы устанавливают в корпусе нагревательного прибора для нагрева воздуха. К недостаткам известных конструкций ТЭНов можно отнести относительно высокую массу, большие габариты самой конструкции и, конечно же, невысокую поверхность теплоотдачи и удельную мощность. Низкая площадь теплоотдачи приводит к повышению температуры при работе нагревателя, что негативно сказывается на надежности эксплуатации ТЭНа.
Известны ТЭНы, которые в значительной части не имеют указанных недостатков.
В частности, известны нагревательные элементы, на корпуса трубчатых элементов которых дополнительно насажены теплорассеиватели, выполненные в форме пластин, расположенных в виде ласточкина хвоста (CN 103528418, 2015) или теплорассеиватели, выполненные в виде насаженных на трубчатый корпус пластин, поверхности которых, обращенные друг к другу, снабжены равноудаленными треугольными элементами с оребренной поверхностью для усиления рассеивания тепла (ЕР 2439476, 2012).
Наиболее близким является трубчатый электронагревательный элемент, который изготовлен прессованием из алюминия или алюминиевого сплава трубчатого элемента, в корпусе которого размещен источник тепла, а снаружи снабжен одним или несколькими расположенными выступающими теплорассеивающими элементами, изготовленными из алюминия и имеющими форму крыльев с некоторым количеством ребер на каждом крыле, теплорассеивающие элементы закреплены на корпусе трубчатого нагревательного элемента прямо или под углом посредством элементов крепления в виде заклепок, сварки, фальцовки или иным аналогичным способом (FR 2764162, 1998).
Известные нагревательные элементы с теплорассеивающими пластинами позволяют увеличить площадь теплоотдачи поверхности и повысить эффективность работы нагревательного прибора, снизить удельную массу и габариты прибора, снизить удельную мощность и, как следствие, снизить температуру нагревательного элемента, что увеличивает срок его службы. Вместе с тем, ТЭН по прототипу не позволяет эффективно сократить инертность нагревательного прибора, заключающийся в быстром выходе на рабочую температуру и быстрое остывание при отключении. Наличие элементов крепления образуют мостики холода, которые снижают эффективность ТЭНа.
Технической задачей полезной модели является расширение ассортимента эффективных ТЭНов, которые обеспечивают улучшение показателей электрических нагревателей за счет повышения поверхности теплопередачи.
Технический результат, обеспечиваемый заявляемой полезной моделью, заключается в сокращении инертности изделия путем быстрого выхода на рабочую температуру и быстрого остывания при отключении путем повышения поверхности теплопередачи и устранения мостиков холода.
Сущность заявляемой полезной модели состоит в том, что заявляемый трубчатый электрический нагревательный элемент выполнен из металла с высокой теплопроводностью в виде трубчатого корпуса с выступающими теплорассеивающими элементами, внутри трубчатого корпуса помещен источник тепла в виде нагревательной нити, выполненной из сплава с высоким удельным сопротивлением, пространство между нагревательной нитью и внутренней стенкой трубчатого корпуса заполнено изолирующим материалом с высокой теплопроводностью, а концы нагревательной нити выполнены с возможностью соединения с изолированными токоподводами. Отличием заявляемого ТЭНа является то, что трубчатый корпус и выступающие теплорассеивающие элементы выполнены в виде моноблока, а поверхность трубчатого корпуса снабжена оребрением в виде рифлений.
Оребрения в виде рифлений на трубчатом корпусе могут иметь продольное или поперечное направления. Форма рифлений в поперечном сечении может быть в виде окружности, треугольников, прямоугольников, трапеций со округлениями и без скруглений и т.д. Направление рифлений и их форма существенным образом не влияют на заявленный технический результат. Рифления могут быть сформированы методом экструзии профиля или обработкой давлением.
Для достижения дополнительного результата, направленного на увеличение теплорассеивающей способности заявляемого ТЭНа, выступающие телорассеивающие элементы выполнены в виде тел сложного профиля, включающего теплорассеивающие пластины на образующих поверхностях которых выполнены оребрения в виде рифлений, и могут быть выполнены дополнительные ребра, размещенные под углом к теплорассеивающей пластине, которые предпочтительно выполнены разной высоты, образуя криволинейную дополнительную поверхность теплорассеивания.
Для достижения дополнительного результата, направленного на увеличение площади теплорассеивания, поверхность указанного моноблока подвергнута пескоструйной обработке для формирования микропрофиля.
Трубчатый корпус предпочтительно имеет овальную форму в поперечном сечении.
Площадь теплопередачи заявляемого ТЭНа существенно увеличена за счет выполнения трубчатого корпуса с оребрением в виде рифлений и изготовлением трубчатого корпуса с теплорассеивающими элементами в виде моноблока.
Под моноблоком понимается такое изготовление корпуса, в котором трубчатый корпус и выступающие теплорассеивающие элементы не имеют элементов крепления в виде заклепок, сварки, вальцовки и иных аналогичных мест соединения. Моноблок изготавливают методом экструзии или обработкой давлением и последующей штамповки.
В качестве металла с высокой теплопроводностью для изготовления моноблока используют известные для этих целей алюминий или алюминиевые сплавы.
Нагревательную нить подбирают таким образом, чтобы обеспечить необходимую мощность ТЭНа Нагревательную нить размещают вдоль осевой линии внутри трубчатого корпуса известными способами, например, навивая ее по спирали на сердечник. Нагревательная нить окружена изоляционным материалом с высокой теплопроводностью, в качестве которого используют порошкообразный оксид магния, который напрямую контактирует моноблоком.
Концы нагревательной нити могут быть выведены с левого и правого торцов моноблока. Концы нагревательной нити могут быть выведены с одного торца моноблока, а второй торец заглушен. Со стороны заглушенного торца нагревательная нить выполнена с образованием петли. Способ вывода концов нагревательной нити с торцов моноблока не влияет на достижение заявленного технического результата, но может приводить к получению дополнительного технического результата, связанного с удобством эксплуатации и массово-габаритными размерами нагревателя. Возможность соединения с изолированными токоподводами обеспечивается электроизолирующими вставками и наконечниками для подключения электропитания или проводами для подключения, что исключает наличие открытых токоведущих частей. Указанные способы соединения являются известными и приводят к получению одинакового технического результата.
Заявляемый трубчатый электрический нагревательный элемент за счет выполнения его в виде моноблока не имеет мостиков холода, что способствует сокращению инертности и быстрого достижения нагревателем температуры, достаточной для эффективного нагрева помещений. Выполнение трубчатого корпуса с оребрениями в виде рифлений позволяет обеспечить развитую поверхность теплопередачи в непосредственной близости к зоне контакта с нагревательной нитью, что также способствует сокращению инертности и способствует снижению удельной мощности. Увеличенная площадь теплопередачи в непосредственной близости к зоне нагрева и отсутствие мостиков холода в совокупности обеспечивают получение заявленного технического результата - высокую эффективность и безопасностью эксплуатации заявленному ТЭНу. За счет развитой площади теплопередачи достигается пониженная удельная мощность, снижается материалоемкость и габариты нагревательного прибора конвекционного типа (конвектора).
Заявляемый нагревательный элемент устанавливается в нижней части корпуса нагревательного прибора конвекционного типа (конвектора). Длина и глубина конвектора зависят от габаритных размеров нагревательного элемента. При равной площади теплообмена и равной мощности, заявляемый нагревательный элемент по сравнению с прототипом может быть на 15-20% короче.
Заявляемая совокупность существенных признаков полезной модели обуславливают причинно-следственную связь с заявленным техническим результатом. Выполнение заявляемого нагревательного элемента в габаритах, не превышающих габариты прототипа, позволяет обеспечить большую площадь теплоотдачи и повышенную эффективность за счет выполнения корпуса в виде моноблока с оребренной поверхностью трубчатого корпуса, а также обеспечивает простоту монтажа нагревательного элемента в конвекторе, позволяя получить мощный, компактный, эффективный и надежный в эксплуатации конвектор.
Заявляемый нагреватель может быть изготовлен из известных материалов с использованием известных технологий штамповки и известных приемов сборки, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость».
Заявляемая полезная модель иллюстрируется следующими рисунками.
На фиг. 1 общий вид нагревательного элемента.
На фиг. 2 представлен профиль поперечного сечения нагревательного элемента.
На фиг. 3 представлено визуальное сравнение поперечных сечений предлагаемого нового нагревательного элемента (б) и известного ранее (а).
На фиг. 4 представлен корпус нагревательного элемента.
На фиг. 5 представлен один теплорассеивающий элемент нагревательного элемента и часть трубчатого корпуса.
Корпус нагревательного элемента выполнен в виде моноблока (1) и имеет форму профиля постоянного сечения сложной формы, содержащий трубчатый корпус (6) в котором размещены нагревательная нить, навитая спиралью на стержень (не показаны), концы нагревательной нити снабжены контактными стержнями (2) и приваренными к ней контактами для подключения электроподвода (3). На торцах моноблока (1) закреплены термостойкие изоляционные заглушки (4), обеспечивающие неподвижность выводных контактов нагревательной нити и герметизирующее внутреннюю полость его трубчатого корпуса (6), заполненную порошком оксидом магния (не показан). Моноблок (1) содержит выступающие теплорассеивающие элементы (5) в виде пластин, образующие поверхности которых выполнены с оребрением в виде рифлений. На каждом теплорассеивающем элементе (5) дополнительно выполнены теплорассеивающие ребра (7), размещенными под углом к теплорассеивающему элементу (5), которые имеют разную высоту и соединены между собой боковыми кромками, образуя дополнительную криволинейную поверхность теплорассеивающего элемента (5).
Заявляемый нагревательный элемент изготавливают следующим образом. Профиль для изготовления моноблока (1) изготавливают из алюминия или алюминиевого сплава методом экструзии, после чего из него нарезаются трубчатые корпуса (6) необходимой длины, которые снабжены оребрением в виде рифлений и выступающими теплорассеивающими элементами (5). В полость трубчатого корпуса (6) помещают нагревательную нить (2), например, навитую спиралью на стержень, и набивают все имеющиеся пустоты изолирующим материалом с высокой теплопроводностью - порошком оксида магния. По окончании набивки полостей трубчатого корпуса (6), его тело опрессовывается прессом, после чего внутренний объем трубчатого корпуса (6) сокращается, что приводит к спрессовыванию порошка оксида магния, позволяя исключить внутренние пустоты и недостаточную теплопередачу от нагревательной нити к моноблоку (1). Сложный профиль выступающих теплорассеивающих элементов (5) с оребрением в виде рифлений и с теплорассеивающими ребрами (7) разной высоты, соединенных между собой боковыми кромками и образующие дополнительную криволинейную поверхность, получают дальнейшим формованием моноблока путем штамповки. Теплорассеивающие ребра (7) получают, например, путем отгиба под углом тела теплорассеивающего элемента (5). Все наружные поверхности нагревательного элемента подвергают пескоструйной обработке, что также позволяет дополнительно увеличить площадь теплоотдачи и снизить рабочую температуру изделия.
Заявляемая полезная модель за счет заявляемой конструкции корпуса, выполненной в виде моноблока, позволяет получить оребренный трубчатый корпус нагревательного элемента, обеспечивающий повышенную теплоотдачу, быстрое достижение ТЭНом необходимой температуры, что приводит к уменьшению энергопотребления нагревательного прибора в целом, достижение необходимого уровня нагрева при пониженной рабочей температуре, позволяя обеспечить нагревателю более высокий уровень надежности и безопасности эксплуатации. Дополнительную повышенную теплоотдачу обеспечивают также выступающие теплорассеивающие элементы сложного профиля. Повышенная теплоотдача моноблока позволяет сократить инертность конвектора путем быстрого выхода на рабочую температуру и быстрого остывания его при отключении.
Помимо вышеуказанного, заявляемая полезная модель за счет применения в конвекторе меньших габаритов и массы ТЭНа позволяет удешевить изделие, сократить площадь складирования и сократить трудозатраты для осуществления складского учета.