專利名稱：直流電磁發(fā)熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種令物體發(fā)熱的發(fā)熱元件，特別是一種可用于發(fā)熱器的直流電磁發(fā) 熱元件。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今，有不同的放熱的方法。然而，考慮到要減少溫室氣體的排放，使用電能代替 傳統(tǒng)的礦物燃料(如天然氣與石油)已是眾望所歸。使用電能放熱已有不同的方法，包括 有電阻性和電感性放熱。電阻性放熱是一種以電流通過電導體進行電發(fā)熱的方法。另一方 面，電感性發(fā)熱是一種用交流電對導電材料進行電加熱的方法。對電導線圈，例如銅線圈， 施加交流電，從而產(chǎn)生一個交變磁場。該交變磁場在一個緊接著線圈的工件里產(chǎn)生交流電 壓和電流。所述交變電流產(chǎn)生了電阻損耗，從而令工件發(fā)熱。然而，這些發(fā)熱方法耗用了巨 大的能量，因此石油或天然氣發(fā)熱在傳統(tǒng)上便比常見的電熱方法更受接納。由于對清潔能 源加熱方法的需求增大，希望能有另一種電熱方案，可以耗用較少的能源或?qū)τ诋a(chǎn)生類似 量的熱量更為高效節(jié)能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種令物體發(fā)熱的發(fā)熱元件，尤其是一種可用于發(fā)熱器的直流電磁發(fā) 熱元件。本發(fā)明的目的是提供一種用于發(fā)熱器，熱水器及其它用途的直流電磁發(fā)熱元件。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供一種直流電磁發(fā)熱元件，它包括至少一個線 圈，其中，當直流電壓施加于所述線圈時，它使得固定磁極的閉合磁場作充分地充磁，并且 還使得磁場形成不同于所述線圈的額外2D放熱空間，以排放熱能。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種發(fā)熱器，它包括直流電磁場發(fā)熱元件， 所述發(fā)熱元件包括至少一個線圈，其中，當直流電流施加在此線圈上時，它使得閉合磁場被 充分地充磁，并且還使得磁場形成不同于所述線圈的額外的2D放熱空間，以排放熱能。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種令物體發(fā)熱的方法，所述方法包括如 下步驟(i)加直流電壓于至少一個線圈上，促使固定磁極的閉合磁場形成并被充分地充 磁，并且還令此磁場形成不同于所述線圈的額外的2D發(fā)熱空間，以排放熱能；和(ii)將所 述熱能施加于所述物體。


現(xiàn)在將更詳細地結(jié)合附圖進行描述，其中圖1至3是本發(fā)明的直流(“DC”)電磁發(fā)熱器的DC電路的示意圖；圖4至5示出了當交流電壓加在一線圈時，依時間推移，電壓與電流對磁場的影 響；圖6至7示出了當直流電壓加在此線圈時，依時間推移，電壓與電流對磁場的影響；圖8是一電磁發(fā)熱器的照片透視圖；圖9是電磁發(fā)熱器的示意性控制線路圖；圖10是一環(huán)境控制測試實驗室的示意圖；圖11是一表格，它表述了測量直流電磁發(fā)熱器與AC油熱式發(fā)熱器的測試結(jié)果；圖12是一圖表，它示出了依時間推移，此直流電磁發(fā)熱器及油熱式發(fā)熱器溫度升 高的測量值；和圖13是一圖表，它示出了依時間推移，直流電磁發(fā)熱器與油熱式發(fā)熱器總耗用電 量的測量值。
具體實施例方式通過直流(DC)電磁場的電熱能轉(zhuǎn)換的原理涉及電熱能的轉(zhuǎn)換。當直流電流通過 一線圈，并且使一閉合的磁場被充分地充磁時，此磁場形成一額外的2D發(fā)熱空間，它是一 個不同于此直流線路電路的，垂直空間或另一空間。被充磁磁場的磁介質(zhì)將會排放巨大的熱量。在電學里，在正常運行中，互感器過熱可能損壞具有開路(或是”次級電路”)的電 流互感器(CT)，這是公知常識。損壞是由于電流互感器里的電磁場被超飽和充磁。不言而 喻，這種情況是指在交流(AC)線路電路而言。事實上，在直流線路電路里，當一直流電流通過一線圈，并且使一閉合的磁場被充 分地充磁時，電磁場里的磁介質(zhì)也會放出巨大的熱能。在該DC線路電路的正常運行中，沒 有另一交變的感抗電阻，而只有線圈的純內(nèi)阻，因此可以讓最佳量的電流量通過。這樣，對 線圈施加很低的直流電壓能夠促使有足夠的電流量通過線圈，并且使磁場被充分地充磁。 這種直流電路耗用電量很小，但卻以穩(wěn)定、持續(xù)而安靜的方式產(chǎn)生巨大的熱能。這種直流電路有如下的二個特點1.當直流線路電路中有電磁場存在時，此磁場將形成不同于直流線路電路的新的 額外的2D放熱空間。此放熱空間放出的熱能的容量/量甚至比通過交流發(fā)熱方法產(chǎn)生的 熱量更加巨大和穩(wěn)定。2.不論此電磁場是否存在于此直流線路電路里，整個電路的耗電量仍然是保持不 變。在此電路里，正是按照焦耳定律(Joule's Law)，由線圈所耗用的電能轉(zhuǎn)化成熱能。然 而，相信此直流磁場的2D發(fā)熱空間所放出的熱能是在焦耳定律計算以外的。與通用的交流 電發(fā)熱方式相比，這種具有磁場的直流電路耗用更少的電量。現(xiàn)在，參考圖1至3，一個線圈10具有內(nèi)阻R ；在圖1，2和3中，通過此線圈10的 電流分別被標為II，12和13。類似地，在圖1，2和3中，線圈10的耗電量分別被標為W1， W2和W3 ；而放熱量(power energy)分別被標為PI, P2和P3。圖1示出了近似于只有初級線圈10的電流互感器的線路圖，它沒有次級線圈(未 示出)。當直流電壓施加在線圈10兩端時，直流電流Il流經(jīng)此線圈，并對閉合電路磁場進 行充磁。此直流電磁場形成新的額外的2D放熱空間20 (見圖3)。圖2中，在形成磁場之前，此電路200的耗電量為W2 = I22R瓦特，而放熱量依焦 耳定律是P2 = W2t = I22Rt焦耳。
圖3中，一旦電路300中有磁場存在，線圈10的末端A3-B3的電壓以及通過線圈 的電流13都保持不變，與圖2中的一樣，即是12 = 13。這實質(zhì)上說明了，無論磁場是否存 在，該直流線路電路的耗電量會保持不變。當整個電路的耗電量與以前一樣不變之際，一個 額外的2D放熱空間新加入進來。此時，電路300的總放熱量是P3 = I32Rt+2Dt,因 13 = 12，P3 = I32Rt+2Dt = I22Rt+2Dt = P2+2Dt此結(jié)果表明，電路200與300的耗電量在數(shù)值上保持相等，但放熱量方面，電路300 比電路200增多了 2Dt。圖4示出了當施加交流電壓時，電壓30分別在圖1，2和3的A1-B1，A2-B2或A3-B3 處隨時間在一個周期的變化。在許多國家里，交流電是50或者60Hz (赫茲)，因此電壓30 每秒要重復(fù)50或60次。如圖4所示，電壓值30在周期的第一半是正值，而在周期的第二 半轉(zhuǎn)向負值。圖5標示了在圖1，2禾Π 3中，電壓30和電流35通過線圈10依時間順序的變化。 隨著交流電壓30在正與負之間(通過依時間順序以正弦波繪制)交替，流過線圈10的電 流35也會跟隨電壓30進行交替。除了線圈10的內(nèi)阻R，交流電流流經(jīng)線圈10的流量主 要是與線圈的感抗電阻成正比的。不過，在第一半周期(即是0與M之間)在線圈10周圍 建立起來的磁場會被在第二半周期(即是M與N之間)期間建立起來的另一磁場翻轉(zhuǎn)和消 除。在任一給定一半周期建立的磁場會受其前面一半周期建立的磁場妨礙或影響，并且又 影響隨后的磁場。再者，在每一完整周期對磁場的有效充磁值是零。圖6標示了當施加直流電壓時，在圖1，2和3中的Al-Bl，Α2-Β2或Α3-Β3處直流 電壓30’依時間順序推移的數(shù)值。正如圖7所見，直流電流35’只需克服線圈10的內(nèi)阻R 就達到其比例值。隨時間推移通過線圈10的所述直流電流35’會有效地建立一個磁場。相 信所述過程還促進了發(fā)熱。與交流電壓的情況不同，當一直流電壓加在線圈10上時，因為 電壓保持不變以對一固定極性的相同磁場充磁，并沒有如對線圈10施加交流電壓的情況 那樣存在無功電壓。對線圈10施加直流電壓有效地對環(huán)繞線圈10的磁場進行充磁和供給 能量，因此高度加強了其對磁場的充磁，以便熱傳遞。圖8示出了按照前述原理通過直流電磁場進行電熱能轉(zhuǎn)換的功率300W(瓦特)的 電磁發(fā)熱器54。此發(fā)熱器包括五(5)個線圈，它們串連而成。每一線圈鐵芯的尺寸為32mm χ 62mm,以19號或直徑為1. 12mm的漆包銅線，每層繞43匝，共有六層，這樣每個線圈有總 匝數(shù)258匝.(此發(fā)熱器包括五(5)個線圈，因此實質(zhì)上總匝數(shù)為1290匝)。此發(fā)熱器的電 源是直流48-60伏特/5. 5-6. 5安培。圖9示出了發(fā)熱器54的示意性控制線路圖。交流電壓接至發(fā)熱器的接頭A和B。 發(fā)熱器54包括通過開關(guān)70連接的電源變壓器75，所述開關(guān)70用于選擇初級線圈的長度， 用于對散熱器77下面放熱線圈(未示出)產(chǎn)生的熱量的控制。一橋式整流器76連接至變 壓器75的次級線圈，用以將交流電壓轉(zhuǎn)成直流電壓。發(fā)熱器54還包括一溫度監(jiān)控器80， 它在溫度采樣端85對發(fā)熱器54的散熱器77的溫度進行采樣。發(fā)熱器54還包括多個風扇 95，用于產(chǎn)生氣流，以便有效地將熱量散到發(fā)熱器54之外，并且控制發(fā)熱器在設(shè)定的溫度 內(nèi)工作。風扇95由風扇電源90連接和控制。風扇電源90與溫度監(jiān)控器80進行通訊，并 由溫度監(jiān)控器80的信號所控制，通過開啟風扇95使散熱器的溫度下降，或者令風扇95停 止處于待機狀態(tài)以供下一次冷卻。通過調(diào)節(jié)希望的開/關(guān)點及上下限范圍來預(yù)設(shè)溫度監(jiān)控器80，以便將該發(fā)熱器的溫度控制在預(yù)期的溫度范圍之內(nèi)。發(fā)熱器54已由香港科技大學環(huán)境控制測試實驗室進行測試，將它與歐洲產(chǎn)的油 熱式發(fā)熱器(即惠爾普Whirpool)作比較，對DC電磁發(fā)熱器與油熱式發(fā)熱器的性能進行測 量和比較。油熱式發(fā)熱器產(chǎn)生2000瓦特的熱功率。測試實驗室圖10示出了環(huán)境控制測試實驗室40的示意圖。此實驗室40是一閉環(huán)空氣環(huán)流， 由隔熱材料45全密封，以防止熱量進/出此實驗室40。此實驗室40有兩部分，即測試部 分50和空調(diào)部分60。在空調(diào)部分60里面有空調(diào)設(shè)備，包括空調(diào)發(fā)熱器61和空調(diào)冷卻線 圈62，用于控制實驗室40內(nèi)的環(huán)境溫度，以及調(diào)節(jié)空氣流通用的空調(diào)風機63。在測試部分 50，在空調(diào)部分60被調(diào)節(jié)的供氣51被吹出，產(chǎn)生層流52。兩套室溫采樣裝置53a和53b置 于測試部分50的中間，用于收集和測量實驗室40的環(huán)境溫度。受驗裝置54也被放置在測 試部分50里面?；貧?5被收集并回到空調(diào)部分60。測試設(shè)置與程序受驗裝置放置在環(huán)境控制測試實驗室40內(nèi)，并保持運行。環(huán)境控制測試實驗室40 的溫度設(shè)置為18°C，并由空調(diào)設(shè)備保持在該溫度。在測試期間，兩套室溫采樣裝置53a和 53b放置在測試部分50的中間，并且被固定。在實驗室40內(nèi)的環(huán)境溫度穩(wěn)定保持在18°C持 續(xù)一個小時以后，關(guān)閉空調(diào)發(fā)熱器61與空調(diào)冷卻線圈62，而空調(diào)風機63在測試期間保持運 行。環(huán)境溫度由兩個室溫采樣裝置53a和53b每分鐘進行測量和記錄。測試持續(xù)直至實驗 室40里的環(huán)境溫度達到28°C時。受驗裝置的總耗電量由電表，S卩Yokogawa Power Meter WT-110每分鐘進行測量和記錄。實驗室40內(nèi)的環(huán)境溫度由混合式記錄儀Yokogawa Hybrid Recorder DR-242每分鐘進行記錄。對于室溫采樣裝置53a和53b，使用的是Chino 電阻式 溫度計(采樣裝置)Pt-lOOs。測試結(jié)果每個直流電磁發(fā)熱器與油熱式發(fā)熱器在相同的測試條件及程序下獨立 地測試兩次。在圖11中，記錄和比較了它們運行的結(jié)果。圖12是隨時間推移溫度上升的 圖表。圖13是隨時間推移總耗電量的圖表。正如圖11所示，直流電磁發(fā)熱器平均耗用了 1705瓦特小時的電量，使測試室溫由18°C上升至28°C，而油熱式發(fā)熱器平均耗用了 3121瓦 特小時的電量獲得相同的效果。理論上，兩個發(fā)熱器應(yīng)當排放等量的熱能，使相同的室溫由 18°C上升至28°C。另外，根據(jù)焦耳定律的計算，1705瓦特小時所產(chǎn)生的熱量不應(yīng)與油熱式 發(fā)熱器所耗用3121瓦特小時產(chǎn)生的熱量相同。在圖13中可以看到，油熱式發(fā)熱器的斜線 表現(xiàn)為步進線；不過，電磁發(fā)熱器的線是比較連貫和直的。應(yīng)當注意，油熱式發(fā)熱器的步進 線是由于油熱式發(fā)熱器切斷了電源，以控制和保持散熱器溫度免于過熱而造成的。可以看 到，電磁發(fā)熱器的溫度控制在一很小變化的范圍之內(nèi)。還可以觀察到，油熱式發(fā)熱器的散熱 器溫度在52°C至72°C (上下波幅20°C)的范圍內(nèi)；但電磁發(fā)熱器的散熱器溫度在61°C至 64°C (上下波幅;TC)的范圍內(nèi)。這說明電磁發(fā)熱是非常穩(wěn)定的發(fā)熱方式。由于電磁發(fā)熱 器使用低電壓(約是60伏特)，與其它傳統(tǒng)的方式相比，這是一種對物體加熱更安全的方 式。由于兩個發(fā)熱器(油熱式發(fā)熱器和直流電磁發(fā)熱器)產(chǎn)生等量的熱能3121WH(瓦特小時)=1705WH(瓦特小時)+2Dt，因此2Dt = 3121瓦特小時-1705瓦特小時=1416瓦特小時
換句話說，直流電磁發(fā)熱器的2D空間在265分鐘的測試期間內(nèi)產(chǎn)生了 1416瓦特 小時的熱量，與油熱式發(fā)熱器產(chǎn)生的相同熱量相比，節(jié)省了多于40%的能量。應(yīng)當理解，本文所述的實施例及其變化形式只是本發(fā)明原理的例證，本領(lǐng)域的技 術(shù)人員在不偏離本發(fā)明的精神及范圍的前提下可以作出不同的改進。
權(quán)利要求
一種直流電磁發(fā)熱元件，它包括至少一個線圈，當直流電壓施加于所述至少一個線圈上時，使得有固定極性的閉合磁場被充分地充磁，并且還使得所述磁場形成不同于所述線圈的額外的2D發(fā)熱空間，以便排放熱能。
2.一種發(fā)熱器，它包括直流電磁發(fā)熱元件，所述直流電磁發(fā)熱元件包括至少一個線圈， 當直流電壓施加在所述至少一個線圈上時，使得有固定極性的閉合磁場被充分地充磁，并 且還使得所述磁場形成不同于所述線圈的額外的2D發(fā)熱空間，以便排放熱能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)熱器，其中，當直流電壓施加在所述至少一個線圈上時，所 述至少一個線圈減弱了感抗電阻，并提供了純內(nèi)阻，以使最佳量的直流電流流過其中，以便 減少了耗電量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)熱器，還包括溫度監(jiān)控器和至少一個溫度采樣端，所述采 樣端與所述溫度監(jiān)控器通訊，用于監(jiān)控和調(diào)節(jié)由所述發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱能的溫度；和，開 關(guān)，所述開關(guān)由所述監(jiān)控器激活，用于調(diào)節(jié)供給所述至少一個線圈的直流電壓，傳感器監(jiān)控 溫度，用于將發(fā)熱器控制在指定的溫度內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)熱器，其中，所述最少一個線圈是串聯(lián)的。
6.一種對物體進行加熱的方法，包括如下步驟(i)在至少一個線圈上施加直流電壓，以便建立由固定極性的閉合磁場并使它被充分 地充磁，并且還使得所述磁場形成不同于所述線圈的額外的2D放熱空間，以便排放熱能； 禾口( )將所述熱能施加于所述物體上。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種通過直流電磁場利用電熱能轉(zhuǎn)換原理的直流電磁發(fā)熱元件。當直流電流通過線圈并對閉合磁場充分地充磁時，磁場會形成不同于直流線路電路的額外的2D放熱空間。在該2D放熱空間中磁介質(zhì)會放出巨大熱能。與常用的交流發(fā)熱裝置相比，具有直流電磁場的電路的發(fā)熱裝置會節(jié)省多于40％的耗電量。
文檔編號H05B3/06GK101940059SQ200880116981
公開日2011年1月5日 申請日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月3日
發(fā)明者張式平 申請人:張式平