包含相变材料的取暖设备 |
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| 申请号 | CN201480040384.8 | 申请日 | 2014-06-09 | 公开(公告)号 | CN105393062A | 公开(公告)日 | 2016-03-09 |
| 申请人 | 米乐公司; | 发明人 | 亚历山大·布隆格; 让·路易斯·蒙纳塔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种电取暖设备(100)包括： 框架 (101)，所述框架包括界定所述框架的内部容积(104)的壳体(103)和后表面(102)以及加热元件(105)，其中所述后表面适合固定在基本竖直的 墙壁 上，所述加热元件设置在所述框架的内部容积内；所述设备的特征在于所述壳体包含 相变 材料 (109)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电取暖设备(100、100A、100B)包括： |
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| 说明书全文 | 包含相变材料的取暖设备[0002] 现有技术中已知的电取暖设备包括框架和具有辐射元件的壳体，其中框架的后表面固定在房间的垂直墙壁上，辐射元件具有辐射前端，所述辐射前端由加热元件从背面加热，所述加热元件例如是丝网印刷在膜上的电阻器或加热电缆。 [0004] 现有技术已知的解决方案是确保在这些设备的壳体表面温度不超过最大限制值。例如，已知的取暖设备被设计为具有较低的最大额定功率或配备将其最大额定功率降至较低等级的机电装置，以便获得较低的壳体表面温度。 [0007] 但是晶闸管的开闭循环可能一分钟发生数次，导致晶闸管显著过热而会受损。结果，晶闸管需要随后被冷却。当取暖设备稳定在一定温度时，尤其会出现这种问题。 [0008] 已知晶闸管的冷却是通过使用热沉经由热传导进行，随后在取暖设备内的晶闸管周围利用空气流动进行对流冷却。还已知将晶闸管浸没在液体中，该液体与晶闸管接触时蒸发，随后在与距晶闸管一定距离设置的冷表面接触时冷凝。由此，晶闸管积蓄的能量可以被移走。 [0009] 然而，这些解决方案有几个缺点。例如，使用热沉不可能充分冷却晶闸管，并且热沉容易积灰变脏，这使其效率下降。利用流体来冷却晶闸管的缺点是特别昂贵和污染，并且需要使用复杂的密封系统。 [0010] 如今，电取暖设备开发的目的是提高用户的舒适度。特别是，设计师们正寻求获得加热迅速但降温非常缓慢的取暖设备。 [0011] 现有技术中有几种解决方案。例如，除了热惯性低的辐射元件以外，已知在设备的后部使用热惯性高的元件。因此，热惯性高的元件的加热和冷却速度都非常慢，而辐射元件的加热和冷却非常迅速。然而，该解决方案的缺点在于具有辐射元件一旦停止被加热就立即冷却的辐射前端。另一个解决方案包括使用惰性惯性材料制造辐射元件，例如提供中等热惯性的澡石或玻璃。 [0012] 然而，这种解决方案仅是热惯性高和低之间的折衷，而且不会有可能获得加热快速但冷却非常缓慢的取暖装置。 [0014] 更确切地说，本发明涉及一种电取暖设备，包括： [0015] -具有壳体的框架，所述壳体包含相变材料，所述框架的后表面适合固定在基本垂直的墙壁上，其中所述壳体和所述后表面界定所述框架的内部容积； [0016] -放置在所述框架的内部容积中的加热元件。 [0017] 相变材料是能够通过改变其物理状态在基本恒定的温度下积蓄能量的材料。 [0018] 优选地，壳体包括具有辐射前端的辐射元件，由加热元件加热，其中所述相变材料放置在辐射元件中。 [0019] 在本发明的第一实施方案中，相变材料的相变温度Tφ略高于壳体允许的最高温度。 [0020] 该取暖装置提供以下优点：在装置故障的情况下减慢壳体的升温，从而限制灼伤使用者的风险。 [0021] 在本发明的第二实施方案中，相变材料的相变温度TφA基本上等于所述辐射前端的所需温度TvA。 [0022] 该取暖装置在通过晶闸管调节辐射元件的加热的情况下是特别有益的。事实上，这样的装置能够以较低的频率激活晶闸管，从而限制了晶闸管的加热。 [0023] 在本实施方案中，辐射元件可以有利地包括第二相变材料，其相变温度Tφ略高于壳体允许的最高温度。 [0024] 在本发明的第三实施方案中，相变材料的相变温度TφB略低于所述辐射前端所需的温度TvB。 [0025] 该取暖装置提供加热迅速但冷却缓慢的益处，从而提高了用户的舒适度。 [0026] 在本实施方案中，辐射元件可以有利地包括相变温度Tφ略高于壳体允许的最高温度的第二相变材料和/或相变温度TφA基本等于所述辐射前端所需温度TvA的第三相变材料。 [0027] 在本发明的一个实施方案中，辐射元件形成具有多个隔室的密封容器，在每个隔室内放置有一种或多种相变材料，其中所述隔室设置为形成至少一个连接所述辐射元件的背面与所述辐射前端的通道。在一个替代方案中，隔室进一步设置为形成至少一个基本平行于所述辐射前端放置的通道。 [0028] 该取暖装置提供了确保辐射元件从其背面到所述辐射前端的良好导热性的益处。 [0030] 附图显示： [0031] -图1：根据本发明的一个实施方案的取暖设备的侧视截面示意图； [0032] -图2：相变材料的温度随接收能量的变化； [0033] -图3：根据本发明不同于图1所示的其他实施方案的取暖设备的侧视截面示意图； [0034] -图4：根据现有技术的取暖设备的前端温度随时间的变化； [0035] -图5：根据图3所示方案的替代实施方案的取暖设备的侧视截面示意图； [0036] -图6：根据本发明图3所示的实施方案的取暖设备的前端温度随时间的变化； [0037] -图7：根据不同于图1和3所示方案的本发明实施方案的取暖设备的侧视截面示意图； [0038] -图8：根据图6所示的本发明实施方案的取暖设备的前端温度随时间的变化； [0039] -图9：根据图6所示方案的替代实施方案的取暖设备的侧视截面示意图。 [0040] 图1示出根据本发明第一实施方案的取暖设备100。 [0041] 取暖设备100包括一框架101。框架101具有适合固定在基本竖直墙壁的后表面102。框架101还包括壳体103。后表面102和壳体103一起界定框架101的内部容积104，用于容纳加热元件105。 [0042] 壳体103具有最高允许温度Tmax。最高温度Tmax是指超过该温度设备就会对使用者存在危险，特别是灼伤的危险。例如，最高温度Tmax是标准化的。例如，最高温度Tmax被输入设备100的调节装置(未示出)的数据存储器中。 [0043] 在本发明的一个实施方案中，加热元件105通过对流加热流经设备100的空气。加热元件105放置在框架101的背表面102附近。加热元件105例如是加热电阻。 [0044] 在图1所示的实施例中，壳体103包括具有辐射前端107的辐射元件106。辐射元件106被加热元件105加热。加热元件105放置为使得辐射元件106被基本均匀地加热。 [0045] 在本发明的一个实施方案(未示出)中，壳体103包括多个辐射元件106，均具有辐射前端107和加热元件105。辐射元件106设置为使得辐射元件106的辐射前端107共同形成设备100的前端。壳体103包含相变材料109。材料109是例如石蜡、醇、硅胶、熔盐或盐的水合物。在图1所示的实施例中，相变材料109特别放置在辐射元件106中。 [0046] 相变材料109具有相变温度Tφ。在本发明的一个优选实施方案中，相变温度Tφ是固/液-液/固相变的温度。在一个替代方案中，相变温度Tφ是液/气-气/液相变的温度。 [0047] 相变材料109在固/液-液/固相变过程的温度Tm变化取决于接收的能量E，如图2所述。当材料109处于固相时，温度Tm低于相变温度Tφ。当材料109处于固相时，材料109接收的能量E导致其温度Tm上升。当材料109的温度Tm达到相变温度Tφ时，材料109同时具有固相和液相。因此，材料109接收的附加能量E累积在材料109中，其温度Tm没有上升。材料109的温度Tm稳定在相变温度Tφ。 [0048] 然后，在接收到一定量的能量E后，材料109只具有液相并且其温度Tm开始再度上升。类似地，相变材料109在液/气-气/液相变过程的温度Tm的变化取决于接收的能量E。 [0049] 在图1所示的实施例中，材料109放置在形成辐射元件106的密闭容器111内。 [0050] 容器111是例如金属或塑料制成的。在另一个示例性实施方案中，容器包括具有蜂窝结构的材料。在一个替代方案中，材料109用于渗透另一种多孔固体材料。多孔固体材料优选是复合材料。用于渗透复合材料的材料109例如是石蜡，用于渗透陶瓷或包封在聚合物球中的熔盐。 [0051] 在图1所示的实施例中，加热元件105贴着辐射元件106的背表面108放置。加热元件105为例如已丝网印刷在塑料膜上的电阻器或加热电缆。在一个替代方案中，加热元件105嵌入在容器111内的相变材料109中。 [0052] 在图1所示的实施例中，相变材料109选择为使得其相变温度Tφ略高于壳体103的最高温度Tmax。“略高于”是指相变温度Tφ与最高温度Tmax之间的温差不超过30℃。 [0053] 这样，如果壳体103的温度超过允许的最高温度Tmax直到达到材料109的相变温度Tφ，则材料109相变，使得在一定的时间内壳体103的温度稳定保持在相变温度Tφ。如果设备100过热，则壳体103的温度上升由此得到延迟，因而限制了对于使用者的风险。 [0054] 图3示出根据本发明第二实施方案的取暖设备100A。 [0055] 取暖设备100A包括框架101A。框架101A具有适于固定在基本竖直墙壁上的后表面102A。框架101A还包括壳体103A。后表面102A与壳体103A一起界定框架101A的内部容积104A，用于容纳加热元件105A。 [0056] 壳体103A包括具有辐射前端107A的辐射元件106A。根据本发明的一个实施方案，辐射元件106A覆盖有距辐射前端107A一定距离放置的蜂窝板。辐射元件106A由加热元件105A加热。加热元件105A设置为使得辐射元件106A被基本均匀加热。 [0057] 根据本发明的一个实施方案(未示出)，壳体103A包括多个辐射元件106A，均具有辐射前端107A和加热元件105A。辐射元件106A设置为使得辐射元件106A的辐射前端107A一起形成设备100A的前端。 [0058] 加热元件105A连接到一个开关110A。优选地，开关110A是TRIAC，亦即用于交流电的三极管。TRIAC 110A包括两个晶闸管的组合。 [0059] 运行时，TRIAC 110A循环开启和关闭。当TRIAC 110A关闭时，加热元件105A被供电。当TRIAC 110A打开时，加热元件105A不被供电。根据本发明的一个实施方案，TRIAC110A的开闭时间相等。在一个替代方案中，TRIAC 110A的开闭时间不相等。 [0060] TRIAC 110A通过设备100A的调节装置(未示出)调节。所述调节装置包括微处理器、数据存储器、程序存储器和至少一个通信总线。调节装置通过输入接口连接至一个或多个探头，用于测量安装设备100A的房间的温度Tp。调节装置还通过输入接口连接至电子时钟。所述调节装置通过输出接口连接至TRIAC 110A。 [0061] 在设备100A已被启动和房间温度Tp达到设定温度Tc之后，调节装置启动TRIAC110A，以将房间温度Tp维持在设定温度Tc。设定温度Tc例如预先记录在调节装置的数据存储器中。TRIAC 110A然后以规则的时间间隔Δt开启和关闭。时间间隔Δt例如预先记录在所述调节装置的数据存储器中。时间间隔Δt确定为使得尽管TRIAC 100A存在开闭周期，但辐射前端107A的温度Tf基本恒定。 [0062] 图4示出现有技术的具有前述TRIAC的取暖设备在加热的室温Tp保持在设定温度Tc期间辐射前端温度Tf随时间的变化。曲线下方的灰色区域表示在此期间TRIAC关闭的时间。一个开关循环的时间间隔很短，因此辐射前端温度Tf基本恒定。该时间间隔可以为例如30-60秒。 [0063] 壳体103A包括相变材料109A。材料109A是例如石蜡、醇、硅胶、熔盐或盐的水合物。在图3所示的实施例中，相变材料109A被更加精确地放置在辐射元件106A中。 [0064] 相变材料109A具有相变温度TφA。在本发明的一个优选实施方案中，相变温度TφA是固/液-液/固相变温度。在一个替代方案中，相变温度TφA是液/气-气/液相变温度。相变材料109A的行为等同于上述图2所示的行为。 [0065] 在图3所示的实施例中，材料109A被特别放置在用于形成辐射元件106的密封容器111A的内部。 [0066] 容器111A是例如金属或塑料制成的。在另一个示例性实施方案中，容器包括具有蜂窝结构的材料。在一个替代方案中，材料109A被用来生渗透另一种多孔固体材料。多孔固体材料优选是复合材料。渗透复合材料的材料109A是例如石蜡，用来渗透陶瓷或包封在聚合物球中的熔盐。 [0067] 在图3所示的实施例中，加热元件105A紧贴着辐射元件106A的后表面108A放置。加热元件105A是例如已丝网印刷在塑料膜上的电阻器或加热电缆。在一个替代方案中，加热元件105A嵌入容器111A内的相变材料109A中。在图5所示的另一个替代方案中，加热元件105A是电阻丝，并且容器111A包括隔室115A，其中放置有嵌入在电绝缘且导热的材料116A(例如氧化镁)内的电阻丝105A，还包括一个或多个其它隔室117A，其中放置有相变材料109A。使用蜂窝板118A覆盖辐射元件106A特别适合最后一个替代方案。 [0068] 在图3所示的实施例中，相变材料109A选择为使得其相变温度TφA基本等于辐射前端107A的所需温度TVA。在室温Tp已经达到设定温度Tc时，所需温度TVA例如基本等于辐射前端107A的温度Tf。 [0069] 这样，接近所需温度TVA时，相变材料发生相变，辐射前端107A温度的上升或下降变慢。辐射前端107A可由此保持基本恒定的温度，相对于图4所示的现有技术中的时间间隔，时间间隔Δt增加，因此允许TRIAC 110A的激活频率下降以及限制晶闸管的加热。图6示出在被加热房间的温度Tp保持在设定温度Tc期间设备100A的辐射前端107A的温度Tf随时间的变化。曲线下方的灰色区域表示在此期间TRIAC 110A关闭的时间。图6示出由于在辐射前端107A温度Tf围绕所需温度TvA的变化与图4所示相同的设备100A的壳体 103A内使用相变材料109A，从而允许降低晶闸管110A的开闭周期的频率。 [0070] 本发明的第二实施方案可以有利地与本发明的第一实施方案相结合。辐射元件106A则包括第二相变材料109，其相变温度TφA略高于壳体103A允许的最高温度Tmax。 [0071] 因此，设备110A提供既与使用相变材料109A相关的益处以及与使用相变材料109相关的益处。 [0072] 图7示出根据本发明第三实施方案的取暖设备100B。 [0073] 取暖设备100B包括框架101B。框架101B具有适合用于固定在基本竖直墙壁上的后表面102B。框架101B还包括壳体103B。后表面102B和外壳103B一起界定框架101B的内部容积104B，用于容纳加热元件105B。 [0074] 壳体103B包括具有辐射前端107B的辐射元件106B。根据本发明的一个实施方案，辐射元件106B覆盖有距辐射前端107B一定距离放置的蜂窝板。辐射元件106B由加热元件105B加热。加热元件105B放置为使得辐射元件106B基本被均匀加热。 [0075] 根据本发明的实施方案(未示出)，壳体103B包括多个辐射元件106B，均具有辐射前端107和加热元件105。辐射元件106B设置为使得辐射元件106的辐射前端107B一起形成设备100B的前端。 [0076] 壳体103B包括相变材料109B。 [0077] 材料109B为例如石蜡、醇、硅胶、熔盐或盐的水合物。在图7所示的实施方案中，相变材料109B被更精确地放置在辐射元件106B中。 [0078] 相变材料109B具有相变温度TφB。根据本发明的一个优选实施方案，相变温度TφB是固/液-液/固相变的温度。在一个替代方案中，相变温度TφB是液/气-气/液相变的温度。相变材料109B的行为等同于上述图2中所示。 [0079] 相变材料通常具有低导热性。换言之，相变材料不容易传递热量。相变材料通常在纯相(固体，液体或气体)中具有低热容，但是在相变(固体/液体或液体/气体)过程中具有高热容。换言之，与纯相中的相变材料升温相比，必需更多的能量才能增加相变过程中相变材料的温度。 [0080] 在图7所示的实施例中，材料109B置于形成辐射元件106B的密封容器111B中。容器111B是例如金属或塑料制成的。 [0081] 根据另一示例性实施方案，所述容器包括具有蜂窝结构的材料。在一个替代方案中，材料109B用于渗透另一种多孔固体材料。多孔固体材料优选是复合材料。渗透复合材料的材料109B例如是石蜡，用于渗透陶瓷或包封在聚合物球中的熔盐。 [0082] 在图7所示的实施例中，加热元件105B紧贴着辐射元件106B的后表面108B放置。加热元件105B是例如已印刷在塑料膜上的电阻器或加热电缆。在一个替代方案中，加热元件105B嵌入在容器111B内的相变材料109B中。在另一个替代方案中，加热元件105B是电阻丝，并且容器111B包括隔室，其中放置有嵌入在电绝缘且导热材料116A(例如氧化镁)内的电阻丝，以及一个或多个其他隔室，其中放置有相变材料109B。使用蜂窝板覆盖辐射元件106B特别适合于最后一个替代方案。这种替代方案与图5所示的第二实施方案相同。 [0083] 在图7所示的实施例中，相变材料109B选择为使得其相变温度TφB略低于辐射前端107B的所需温度TvB。在安装有设备100B的房间的室温Tp已经达到设定温度Tc时，所需温度TvB例如基本等于辐射前端107A的温度Tf。“略低于”是指相变温度TφB与所需温度TvB之间的温差不超过70℃。所需温度TvB例如输入设备100B的调节装置(未示出)的数据存储器中。 [0084] 这样，取暖设备100B的温度快速上升但缓慢下降，由此改善使用者的舒适度。 [0085] 图9示出当设备100B的温度上升并随后下降时，设备100B的辐射前端107B的温度Tf随时间t的变化。图9还示出在相同阶段期间，根据现有技术的设备的辐射前端的温度Tf随时间t的变化。 [0086] 在时刻t11，设备100B和现有技术的设备例如是开启的。 [0087] 现有技术设备的辐射前端温度迅速升高，直至达到所需温度TvB，并稳定在该温度。 [0088] 当设备100B启动时，容纳在辐射元件106B内的相变材料109B处于固体状态。在时刻t12，设备100B的辐射前端107B的温度迅速上升至略低于材料109B的相变温度TφB的温度。在时刻t12，材料109B正在相变：既有固相又有液相。在材料109B相变过程中，辐射前端107B的温度Tf以较慢的速度进展，直到在时刻t13，其达到略高于材料109B的相变温度TφB的温度。 [0089] 当材料109B相变时，辐射前端107B的温度Tf以较慢的速度升高，因为材料109B在纯相下具有低热容，而在相变过程中具有高热容。在时刻t13，材料109B处于液体状态，辐射前端107B的温度Tf开始再次迅速上升，直到达到所需温度TVB，并稳定在其周围。 [0090] 因此，通过选择材料109B的相变温度TφB略低于所需温度TvB，使得辐射前端107B的高速升温仅受轻微影响。当设备100B的温度上升时为使用者提供舒适感。在时刻t21，设备100B和现有技术设备例如都是关闭的。 [0091] 现有技术设备的辐射前端温度迅速下降，直至达到室温，并稳定在该温度。 [0092] 当设备100B关闭时，容纳在辐射元件106B内的相变材料109B仍处于液体状态。在时刻t22，设备100B的辐射前端107B的温度迅速下降至刘高于材料109B的相变温度TφB。在时刻t22，材料109B正在相变。在材料109B的相变过程中，在时刻t23，辐射前端 107B的温度更加缓慢地下降至略低于材料109B的相变温度TφB。在时刻t23，材料109B处于固态并且辐射前端107B的温度Tf开始再次迅速下降，直到达到室温，并稳定在其周围。 [0093] 因此，通过选择材料109B的相变温度TφB略低于所需温度TvB，辐射前端107B的温度下降由于材料109B的相变而减慢，仍在相变温度TφB下保持一定时间。由此，当设备100B的温度下降时为使用者提供舒适感。 [0094] 图9示出根据图7所示实施方案的替代方案的设备100B。图9所示的替代方案也可以适用于本发明的第一和第二实施方案。 [0095] 在图9所示的实施例中，容器111B包括多个隔室112B，其中填充有相变材料109B。容器111B优选为铝制。隔室112B设置为形成连接辐射元件106B的后表面108B与辐射前端107B的至少一个通道113B。在该实施例中，隔室112B形成多个通道113B。通道 113B优选是基本平坦且垂直的。通道113B可以更容易地从辐射元件106B的后表面108B传输热量至辐射前端107B。在图9所示的实施例中，隔室112B也设置为形成基本平行于辐射前端107B设置的通道114B。 [0096] 在图9所示的实施例中，辐射前端107B是凸的。辐射前端107B从底部到顶部凸起。术语“顶部”和“底部”应理解为当设备100B固定在竖直墙壁上。通道113B设置为如从辐射元件106B的后面108B到凸起的辐射前端107B的辐条。在一个替代方案中，辐射前端107B从底部到顶部凹陷。在另一个替代方案中，辐射前端107B形成一个或多个波形。 [0097] 本发明的第三实施方案可以有利地与本发明的第一实施方案相结合。辐射元件106B则包括第二相变材料109，其相变温度TφA略高于壳体103B允许的最高温度Tmax。 [0098] 因此，设备110B同时提供与使用相变材料109B相关的益处以及与使用第二相变材料109相关的益处。 [0099] 本发明的第三实施方案可以有利地与本发明的第二实施方案相结合。辐射元件106B则包括第二相变材料109A，其相变温度TφA基本等于辐射前端107B的所需温度TvA。 辐射前端107B的所需温度TvB可以等于或不同于辐射前端107B的所需温度TvA。因此，设备110B同时提供与使用相变材料109B相关的益处以及与使用第二相变材料109A相关的益处。 [0100] 本发明的第三实施方案可以有利地与本发明的第一和第二实施方案相结合。 [0101] 辐射元件106B则包括第二相变材料109，其相变温度Tφ略高于壳体103B允许的最高温度Tmax，以及第三相变材料109A，其相变温度TφA基本等于辐射前端107B的所需温度TvA。辐射前端107B的所需温度TvB可以等于或不同于辐射前端107B的所需温度TvA。因此，设备110B同时提供与使用相变材料109B相关的益处，与使用第二相变材料109相关的移除以及与使用第三相变材料109A相关的益处。 |
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