[发明专利]流体加热设备

说明书

本发明涉及一种对流体（即液体或气体）加热的设备，特别涉及一种不需使用外露加热元件或明火而能够以高效对连续的流体流加热的设备。

本发明的设备特别适用于商业或工业规模的水加热，本文所叙述的也专对这方面的应用。但是，应当理解这种设备并不仅限于这种应用，而是也可以用于加热各种各样的流体。

目前，商业和工业规模的水加热一般都使用批量加热法，也就是装在贮液箱内的水由电热元件或煤气燃烧器予以加热，然后留在贮液箱内以备应用。这种方法有若干缺点，贮液箱体积庞大，如果为了避免输送管道的热损耗，贮液箱必须安置在靠近使用的地方;如果热水的使用率很低，则大量的能量就被不必要地消耗在保持大容量的水在高温状态上;或者如果水的使用率很高，则从贮液箱中供应水就显得不适合。为克服这些缺点，数种不同设计的“通流”。热水器已经应市，但是所有这些到目前为止的设计都只能以比较低的流率供应热水，而且安置费用很高。

因此，本发明的一个目的就是提供一种通流（即连续的）流体加热器，这种加热器的制造和安装费比较低，并且能够有效地以较高的流率工作。

在大部分的的商业和住宅房屋中通用的是电网电力。如果这种电网电力（即频率为50-60Hz的交流源）能被应用而无需对其电源的种类或其频率加以变更，则将大大地减少安装和操作电流体加热器的费用。因此本发明的又一个目的就是提供一种能利用电网电力的流体加热设备。

以前有过许多建议想利用一个变压器来对流体，特别是水，予以加热。

例如，在美国专利第1，458，634号（1923年授于Aluin    Waage）中公开了一种装置，它具有一个共同的铁芯，其上卷绕有一次和二次线圈。二次线圈是短路的，因而在二次线圈中的感应电压引起一个电流从二次线圈流过并对其加热。这个二次线圈是管状的，准备加热的水被安排从中流过。一次线圈也可以是管状的。

像这种普通类型的加热器在美国专利第4，602，140号和第4，791，262号中也有记载。

这种设计的一种变型公开在美国专利第1，656，518号中，其中，准备加热的流体流经一个起短路二次线圈作用的箱形容器。

另一种变型公开在美国专利第2，181，274号中，其中准备加热的流体流经变压器的铁芯;一次和二次线圈同心地围绕着铁芯，而二次线圈实际上是一个单圈的短路线匝。

又一种变型公开在美国专利第1，671，839其中的一次和二次线圈以及共同的铁芯都可以是空心的，而准备加热的流体经过铁芯（随意地）也经过一次和二次线圈循环。二次线圈是短路的。

然而，在所有的上面提到的装置中，变压器都有一个铁芯。

在电气工程操作规程中一个确定已久的原则是，对于电源频率装置，只有在使用了变压器铁芯之后才能获得有效的磁链。无铁芯变压器虽然早已为人们所知并且已应用了许多年，但只能被用于高频率的用途中（典型的是50kHz，也就是高出于电源频率一千倍），因为在高频率应用中，可以没有铁芯而获得有效的磁链。

然而，本发明的设计却具有意想不到和令人惊奇的优点，那就是虽然本发明的装置是无铁芯的，但它却能在电源频率下以非常高的效率工作。

无铁芯变压器比有铁芯变压器具有很多优点：首先，由于不需要制造或装配铁芯，可节省很多成本。其次，无铁芯变压器通常展现出一种近直线型的磁化曲线，而与此对比，有铁芯变压器展现的是平稳的磁化曲线。近直线型磁化曲线意味着变压器可以有效地在一个很大的电压范围内工作，因而是更加容易控制的，也就是说，可能使电压在很大范围内予以变化而不受曲线平稳段的影响。另一个优点是无铁芯变压器更容易冷却，这是因为这里已没有铁芯来作为冷却流体的障碍;因此，变压器的效率就有了改善。

所有上面提到的这些装置的另一特点是流体基本上只靠一种单一的方法予以加热，也就是靠短路的二次线圈的热传导进行加热。二次线圈通常是用低电阻材料制成的，因为这对于有效电力传输是必要的。但是，低电阻材料对于电阻加热元件却不是理想的材料，对于这种加热元件最好还是用高电阻材料制造。

美国专利第4，471，191号公开了一种流体加热器，它主要包括有一个无铁芯变压器;一个一次线圈围绕着一个容器，容器的内部由数个金属圆筒体分割成几部分，形成若干通道，准备加热的流体就从这些通道中流过。金属环或螺旋形状的二次线圈位于容器的内部，与圆筒体相间隔开。