電加熱專利技術(shù)分析

鄭 磊 雷鑫水（等同第一作者）

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450002）

電加熱是利用電能轉(zhuǎn)換為熱能的一種能量轉(zhuǎn)換，與一般的化石燃料相比，電加熱可以獲得比較高的溫度，例如電弧加熱的溫度可達(dá)到3000℃以上，這樣利于技術(shù)人員實現(xiàn)溫度的自動控制和遠(yuǎn)程控制，可按實際需要將被加熱物體保持在一定的溫度范圍內(nèi)。電加熱可以在被加熱物體內(nèi)部直接生熱，也可根據(jù)實際加熱需求實現(xiàn)被加熱物體的整體均勻加熱、局部加熱或表面加熱，而且電加熱的升溫速度可控，熱效率高，控制氣氛加熱和真空加熱都可通過電加熱實現(xiàn)。此外，電加熱另一優(yōu)點就是可保持被加熱物體的結(jié)晶，在加熱過程中，不產(chǎn)生廢氣、煙塵和殘余物，因此電加熱不污染環(huán)境。電加熱廣泛應(yīng)用于科研、生產(chǎn)和試驗等領(lǐng)域中，如鐵合金的熔煉，人造石墨、機械零件、表面淬火、單晶和晶體管的制造等［1］。

根據(jù)將電能轉(zhuǎn)換為熱能的方式，電加熱通常分為電阻加熱、感應(yīng)加熱、電弧加熱、電子束加熱、紅外線加熱和介質(zhì)加熱等。

1 電加熱技術(shù)分類

1.1 電阻加熱（Ohmic-resistance heating）

基本概念：

利用電流的焦耳效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)變成熱能以加熱物體，電阻加熱在國際專利分類表（International Patent Classification）中所對應(yīng)的分類號為H05B3/+。

電阻加熱技術(shù)領(lǐng)域中比較有代表性的發(fā)明專利文獻(xiàn)有：

發(fā)明名稱：加熱器及具備該加熱器的火花塞；

公開號：CN103053218A；

公開日：2013年4月17日；

分類號：H05B3/18。

圖1

如上圖所示，加熱器1 是用于機動車發(fā)動機火花塞的加熱器，3是電阻體，8是引線，9是絕緣基體。引線8與電阻體3端部接合，電阻3與引線8的接合部具有在剖視下使電阻體3整周隔著引線8而與絕緣體9分離的區(qū)域，絕緣基體9覆蓋電阻體3和引線8。

該發(fā)明專利申請所要解決的技術(shù)問題是：當(dāng)發(fā)動機開始工作時，大電流流過發(fā)熱器的電阻體和引線，由于電阻體和引線在發(fā)熱和冷卻時的熱膨脹差導(dǎo)致在電阻體和引線的接合部容易產(chǎn)生裂紋，從而降低加熱器的可靠性和耐久性。

該發(fā)明專利申請為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)手段是：通過向電阻體3中添加氮化硅，而使熱膨脹率接近絕緣基體9的熱膨脹率，從而能夠緩和加熱器1的升溫及降溫時的熱膨脹率之差引起的應(yīng)力；引線8 以作為無機導(dǎo)電體的WC 為主成分，且向其添加含有量為15%以上的氮化硅。隨著氮化硅的含有量增加而能夠使引線8的熱膨脹率接近構(gòu)成絕緣基體9的氮化硅的熱膨脹率。

1.2 感應(yīng)加熱（Heating by electromagnetic fields）

基本概念：

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，處于交變電磁場中的導(dǎo)體能產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流eddy current），這樣就使具有一定電阻的導(dǎo)體產(chǎn)生焦耳熱而自身發(fā)熱。電磁感應(yīng)加熱采用的 交 流 電 源 的 頻 率 有 工 頻（50～60Hz）、中 頻（60～10000Hz）和高頻（＞10000Hz），工頻電源就是工業(yè)上通常用的交流電源，世界上大部分國家的工頻為50Hz，部分采用的60Hz。由于感應(yīng)加熱的加熱功率調(diào)節(jié)可通過調(diào)節(jié)電壓來實現(xiàn)，因此加熱感應(yīng)裝置上的工頻電源的電壓必須是可調(diào)的，根據(jù)供電網(wǎng)容量大小和加熱設(shè)備的額定功率，可以將高壓電源（6～10kV）通過變壓器調(diào)壓來供電，也可以將加熱設(shè)備直接接在220V的低壓電網(wǎng)上。

中頻電源通常采用中頻發(fā)電機組來產(chǎn)生，中頻發(fā)電機組由中頻發(fā)電機和驅(qū)動異步電動機組成，其輸出功率一般在50～1000kW 范圍內(nèi)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，中頻電源可利用晶閘管先把工頻交流電變換成直流電，再把直流電轉(zhuǎn)變成所需頻率的交流電來產(chǎn)生。由于變頻設(shè)備運行可靠、體積小、重量輕等優(yōu)點，已逐漸取代了中頻發(fā)電機組。

高頻電源的產(chǎn)生通常先通過變壓器將三相380V 的電壓提高到大約2萬伏的高電壓，然后用整流元件（閘流管或高壓硅）將工頻交流電整流成直流電，然后通過變頻裝置（電子振蕩管）將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠妷?、高頻率的交流電［2］。

感應(yīng)加熱的對象必須導(dǎo)體，當(dāng)高頻交流電流通過導(dǎo)體時，由于集膚效應(yīng)導(dǎo)體表面電流密度大，導(dǎo)體中心的電流密度小。此外，感應(yīng)加熱可對加熱物體進(jìn)行整體均勻加熱和表面加熱，可以進(jìn)行金屬熔煉；當(dāng)連接高頻電源時，可通過改變感應(yīng)線圈的形狀對任意局部進(jìn)行加熱［3］。

電磁加熱在國際專利分類表（International Patent Classification）中所對應(yīng)的分類號為H05B6/+。感應(yīng)加熱技術(shù)領(lǐng)域中比較有代表性的發(fā)明專利有：

發(fā)明名稱：雙轉(zhuǎn)子電磁熱機；

公開號：CN103200719A；

公開日：2013年7月10日；

分類號：H05B6/02。

圖2

如圖2 所示，本發(fā)明專利申請涉及一種雙轉(zhuǎn)子電磁熱機，該熱機將輸入的機械能完全轉(zhuǎn)換為熱能，并通過流體傳熱介質(zhì)傳遞熱能。該熱機采用雙轉(zhuǎn)子、雙氣隙結(jié)構(gòu)，永磁轉(zhuǎn)子采用halbach磁體結(jié)構(gòu)以提高永磁體利用率，并減少轉(zhuǎn)子鐵心用量。當(dāng)轉(zhuǎn)子由外部機械動力帶動時，該熱機的定子即處于旋轉(zhuǎn)的永磁磁場形成的交變磁場中，并利用磁滯、渦流效應(yīng)及定子內(nèi)部閉合導(dǎo)電體的電流熱效應(yīng)致熱，定子內(nèi)部通有折流板式換熱通道，以增大換熱面積，提高換熱效率。該電磁熱機可以作為小型家用供暖設(shè)備使用，也可應(yīng)用在海產(chǎn)養(yǎng)殖、高寒地區(qū)工作站供暖、高緯度地區(qū)溫水灌溉等領(lǐng)域。

該發(fā)明專利申請所要解決的技術(shù)問題是：現(xiàn)有的電磁熱機主要有兩種結(jié)構(gòu)：一種是采用簡單的單定子、單氣隙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的材料及空間利用率較低；另一種是采用杯型轉(zhuǎn)子配合雙定子、雙氣隙的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠利用轉(zhuǎn)子鐵心所占空間的熱能而增加材料及空間的有效利用率，提高致熱效率，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含多個密封組件，加工難度高?，F(xiàn)有的電磁熱機都存在永磁體利用率低的問題，且熱機內(nèi)部換熱的流體通路短，換熱面積小，工作效率不高。

該發(fā)明專利申請為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)手段是：采用雙轉(zhuǎn)子、雙氣隙（17、18）結(jié)構(gòu)，包括雙轉(zhuǎn)子及定子，雙轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸（16）、內(nèi)轉(zhuǎn)子（10）、外轉(zhuǎn)子（6）以及永磁體（7、9）；定子包括定子鐵心（8）、定子鐵心內(nèi)嵌入的導(dǎo)電體（20）及短路環(huán)（21）以及換熱管道（19）；定子一端通過軸承、支撐與轉(zhuǎn)子配合，另一端通過支撐、端蓋與機殼（5）固定，換熱管道（19）的進(jìn)口（22）及出口（23）位于定子軸向一端，并穿過第一端蓋（1）與外部管路連接；內(nèi)轉(zhuǎn)子（10）與外轉(zhuǎn)子（6）的永磁體分別排列成halbach磁體結(jié)構(gòu)；定子鐵心（8）內(nèi)部通有折流板式換熱管道（19），一次焊接成型，不需要密封組件。

2 總結(jié)

以上從電阻加熱、感應(yīng)加熱兩種電加熱方式分別列出了具有代表性的專利文獻(xiàn)，電加熱領(lǐng)域里的專利文獻(xiàn)涉及各行各業(yè)，從工業(yè)到民用都有所涉及，專利文獻(xiàn)申請量也越來越多，對該領(lǐng)域的技術(shù)細(xì)分就顯得更為重要。

［1］王忠誠.熱處理工使用手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［2］中國電力百科全書用電卷［M］.北京：中國電力出版社，1995.

［3］繆志先.地球的第二熱源：空間電磁感應(yīng)加熱［M］.北京：氣象出版社，2011.