使用绞合电阻线的开放式线圈电气电阻加热器以及制造该加热器的方法

摘要

一种开放式线圈电阻加热装置，使用具有特定的规格和间距的绞合线对(11、13)作为电阻加热线。使用具有所选规格和间距的该绞合线对导致了显著的成本减少；为了实现相同的加热能力，需要较少的线。

说明书

发明领域

本发明涉及一种开放式线圈电气电阻加热器，并且特别地，涉及使用绞合电气电气电阻线对作为其加热元件的开放式线圈电气电阻加热器。

背景技术

形成为螺旋状线圈并且随后用于电气加热器中的单一电气电阻线的使用，在现有技术中是公知的。该应用的一个示例是如图1所示并由参考数字70标出的开放式线圈电气电阻加热器。

加热器70包含端子板71、顶部横梁72、和三个附装到端子板71的杆60。在杆60的相对侧安置了两个加热元件(顶部的加热元件被示为74)，且双钉紧夹具1附装到杆60(每个杆三个夹具)，并且两个绝缘体20(仅示出了一个)附装到每个夹具1。杆60在一端附装到60a处的端子板71，并且在相对端附装到横梁72。

加热元件74每个均为连续长度的适当的电气电阻加热线，诸如镍铬合金等。优选地，该加热元件具有电气电阻加热线的纵向螺旋状线圈的形式，且该线圈每个均具有许多通常均匀隔开的旋圈。加热元件74具有多个(例如，图1中是6个)加热元件通路76(未示出的下面的线圈具有相同的通路)。加热元件的相邻的通路通过环状端转弯部78串联地电气连接到加热元件的相邻的通路。

除了上文讨论的通路和环状端转弯部以外，加热元件74具有引线80，其构成了加热元件的端部，并且其电气连接到端子板71中的各自电气端子82。本领域的技术人员将认识到，端子82可以连接到电气供电源(未示出)，用于以传统的方式向加热元件74供能。

加热元件74，经由加热元件通路76，被支撑在绝缘体20上，由此在供能过程中保持加热元件74，使之不同杆60接触，并且支撑加热元件。每个绝缘体20固定在夹具1中，该夹具1接下来由杆60支撑。在美国专利No.6,509,554中公开了该类型的加热器，并且作为开放式线圈电气电阻加热器的一个示例，其整体内容在此处并入列为参考。

在这些类型的加热器中，向电阻线圈供能，以加热在线圈上面通过的空气，加热的空气然后用于不同的应用，干衣机等。这仅是一种类型的开放式线圈电阻加热器的示例，并且存在许多其他的类型，诸如使用不同类型的绝缘体支撑部和绝缘体本身的加热器，诸如圆形衬套、点悬挂绝缘体、或者平衬套。

在其他的加热器中，通过将线馈送到用于缠绕在轴上的卷绕机中，可以使电阻线平行卷绕。一旦形成，每个分离线的独立引线终止于公共的端子，线圈的每个端部处有一个端子。该平行缠绕通常用于铠装的或管式的电气加热元件。

然而，在开放式线圈电阻加热器工业中，存在对缩减生产成本和使用较少的材料重量的紧迫的需要。因此，存在对这些类型的加热装置的改进方案的需要，由此制造商可以获得超越其竞争对手的竞争能力。

响应于该需要，本发明提供了一种加热器，其提供了对材料重量的显著节约。本发明的开放式线圈电阻加热器使用绞合线对替换传统的开放式线圈电阻加热装置中使用的单一电阻线。使用具有适当构成的绞合线对导致了材料重量的节约，这是因为在制造加热装置时最终使用了较少的线，并且在不损失加热能力的情况下实现了节约。

应当理解，本发明不仅是在电阻加热器中使用绞合线。在授予Burstein的美国专利No.5,296,685和授予Gustafson的美国专利No.3,904,851中公开了电气电阻加热时的绞合线的使用。Burstein涉及一种辐射式石英电热管，其中在石英管中装入了绞合电阻线，并且教导了，间距或放置距离应约为单一线的直径的9～11倍。在Gustafson中，绞合线绕绝缘体板缠绕，并且介质在用于加热目的的板上面通过。

给定了石英辐射式石英加热器和开放式线圈电阻加热器的操作参数之间的基本差异，Burstein的线配置不能工作于开放式线圈电阻加热器中。如由Gustafson所解释的，操作温度约为1000摄氏度，其比用于开放式线圈电阻加热器的操作温度高很多。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种改进的开放式线圈电阻加热装置。

本发明的另一目的在于提供一种开放式线圈电阻加热装置，相比于传统的开放式电阻加热装置，其使用较少的电阻线重量。

本发明的另一目的是，一种通过使用绞合线对作为替换单一线的电阻线，加热在开放式线圈上面通过的介质的方法。

随着本发明的描述的进行，其他的目的和优点将变得显而易见。

为了满足本发明的前面的目的和优点，本发明是使用卷绕的电气电阻线的加热器的改进方案。根据本发明的一个方面，用作加热器的部件的单一的卷绕的电阻线可以替换为具有较小直径和指定间距的绞合线对。该加热器可以是任何类型的开放式电阻线加热器，并且该单一线和该绞合线对之间的关系由下式限定：

规格(单一线)+3.5＝规格(该对的每个线)

例如，使用16.5规格线的加热器可替换为使用20规格线对的加热器而不损失性能。可替换地，16规格线的加热器可替换为使用两个19.5规格线的加热器。

该绞合线对的间距可以基于范围在25～40，优选地在30～34之间的比率而变化，其中该比率是该间距除以该小的线的直径。

附图简述

现在参考本发明的附图，其中：

图1是现有技术的开放式电阻线圈加热器的平面图；和

图2是作为用于开放式电阻线圈加热器的电阻加热线对的绞合线对的一段的侧视图。

优选实施例描述

本发明提供的在开放式线圈电阻加热器的领域中的优点在于，通过将现有技术的单一电阻线替换为具有特定间距和规格的绞合线对，可以实现显著的材料重量节约。使用绞合线对导致了相比于单一线加热器使用了较少的总的线重量，并且因此，导致了每个组装加热器的较少的材料重量。

参考图2，由参考数字10标出了本发明的一段双绞合线，并且其包括线11和13。线的直径或规格由(g)表示，并且间距由字母P表示。间距是给定线的一个完整的旋圈的长度。还示出了半间距的测量结果，1/2P，并且其是由两个不同线的相邻尖峰测得的。

应当理解，本发明不仅是用于电阻加热的绞合线的使用。而且，绞合线必须具有适当的规格和间距，由此该线对具有单一线的机械强度。此外，该线对的尺寸必须被确定为，使得当电压施加到开放式线圈电阻加热器的环境中时，该线不能过热。

本发明的关键方面在于提供了绞合线对作为传统单一线的替代品且不损失加热能力的能力；但是同时，通过使用较少的线的能力，实现重量节约。

下面的理论分析针对这样的情况，其中一个线被替换为两个或更多个线，且在使用该两个或更多个线时维持了相同的瓦特负荷(wattloading)。线束应具有与单一线相同的电阻，以确保关于这两者中任何一个的瓦特负荷通常相同。换言之，该线束被设计为具有与单一线相同的表面积(或瓦特负荷)，由此该线束耗散与单一线相同的热量，并且在使用该线束时，加热器的性能是相同或相似的。

假设传统的加热器线的直径是D。假设每个替换线的直径是“d”，η表示替换线的数目，“R”表示单一线的电阻，并且“r”表示每个替换线的电阻。而且，使用W作为单一线的瓦特数，w作为每个替换线的瓦特数，L作为单一线的长度，“l”作为每个替换线的长度。下式应用：

(1)η×R＝r

(2)W＝η×w

(3)l/L＝η×d²/D²

(4)d＝D/(η²)^1/3

为了将直径D的单一线替换为η个(η是2或更多，并且假设该线具有相同的材料，对于η和D的选择，使用式(4)近似该线的尺寸d)或更多个电阻线束。例如，如果你具有使用0.050英寸直径的线的电阻加热器，并且需要使用两个线，则使用0.050英寸作为D并使用2作为η，计算“d”。已知“d”，你可以选择同“d”最接近的可利用的电阻线的直径，并且然后在式(3)中使用实际线的“d”，以确定长度比率l/L。

使用上面的公式以及两个线(η＝2)，导致了约0.63的d/D比率。其意义在于，较小的线的直径是待替换的单一线的直径的63％。由于直径是重量的函数，因此这也反映了重量节约。

关于该方法的问题是，在使用该立方根关系(公式(4))将线捆束在一起时，该线辐射在它们自身上而非向周围环境辐射。结果，该线变热，并且加热器的操作温度增加。该操作温度的增加减少了电阻线的寿命。此外，由于捆束的线的目的在于替换具有已建立的操作温度的单一线，因此可能需要其他的变化，例如，恒温器可能需要重新校准，由于增加的辐射热量可能需要额外的绝缘以保护使用加热器的装置的其他部件，等等。

关于该方法的另一问题是，线的规格在工业中得到相当好的限定。关于规格的B&S数值，例如，0～48，限定了工业已建立的线直径，其已经是可利用的。例如，20的B&S数值等于0.02196英寸的线直径。由于这些数值得到良好的承认，因此关于理解本发明的进一步的解释是不必要的。半尺寸也是可获得的，并且它们的尺寸可以通过在相邻的尺寸之间外推而确定。因此，基于给定的单一线直径以及上面的计算，较小的线尺寸可能不是易于获得的。

然而，本发明已发现，如果遵循下式，则可以在开放式电气电阻加热器中使用绞合线对替换单一线：

(5)规格(单一线)+3.5＝规格(每个较小的线)

例如，如果加热器使用16.5规格线，则可以使用遵循如上文提及的关于间距的比率的、具有绞合取向的20规格线对，以产生操作于相同或较少能力下的加热器。另一示例是，如果单一线的加热器的B&S规格是10，则绞合线将使用13.5规格。也可以使用0至48的B&S规格范围内的其他情况。

优选的是，使用两个线而非三个或多于三个的线。如果使用了多于两个线，则在多个线的中间形成了空腔，并且可能发生过热。通过仅使用两个线，消除了空腔的形成，并且不存在过热问题。使用两个线，至多在线之间存在间隙，但是不存在干涉表面，以防止热量从该间隙漏出。在三个线的束中，这些线自身可能收集热量，并且可能引起过热条件。而且，在使用三个或更多线时，抵消了仅使用两个线实现的重量节约。

尽管重要的是维持上文略述的规格关系，但是本发明还需要选择关于绞合线的适当的间距。在该方面，按照间距P除以绞合线对中使用的较小的线直径的比率RA，测量间距(RA＝P/d)。对于本发明，该比率的范围在约25和40之间，更优选的范围是在30和34之间。例如，如果线尺寸(g)是0.03390英寸(19.5规格)，并且该比率被选为30，则间距P是1.088英寸。在规格方面，优选的是，关于小直径线的规格的范围在16.0至21.0之间，即使对于小直径线，其可能取决于加热器的应用而越出该优选范围，例如，10～16、25～48、10～25或者甚至是0至48的B&S范围中的其他范围。

优选的是，通过使用所选的规格和如上文略述的比率来指定间距。该优选是基于这一事实，即标准尺寸的线规格是可利用的，如加热器工业中所公知的，例如，示例性的规格是19或0.03390英寸。对于该规格和33的比率，示例性的间距是约1.125。下表示出了基于不同的比率和线直径的多种间距。

                                      表1

  线直径  (规格)  关于比率25的  间距  关于比率30的  间距  关于比率34的  间距  关于比率40的  间距  0.04804(16.5)  1.201″  1.4412″  1.6333″  1.9216″  0.04536″(17.0  1.134″  1.3608″  1.5422  1.8144  0.04030(18).  1.0075  1.209  1.3702  1.612  0.03589(19).  0.8973  1.0767  1.22026  1.4356  0.02846(21)  0.7115  0.8538  0.9676  1.1384

基于表1，对于16.5～21的B&S规格，间距的范围可以从约0.70英寸至约2.00英寸，尽管在特定的情况中，如果使用了不同的规格，则间距可以越出这些限制。在优选模式中，间距将约为略小于约1.0英寸至约1.5英寸，由此同使用16或16.5规格的单一线的常见的加热器一致。

本发明还预期，通过使用上面的公式，将开放式电阻加热装置中的单一线替换为两个线的方法。即，基于初始的线直径和给定的加热器尺寸，使用式(5)获得较小直径的线的尺寸，并且使用上文描述的比率范围确定间距。电阻加热器是通过使用具有小直径线的该绞合线对制造的，并且在与用于单一线电阻加热装置的条件相同的条件下操作。实际上，结果是具有相同的加热能力，但是由于使用了较少的电阻线，因此显著地减少了制造该装置的成本。

而且，本发明不受缠绕在轴上的平行线的困扰。这些平行线配置受到缺乏稳定性的困扰，并且不能用于开放式线圈加热器中。

如上文所提及的，绞合线对的使用导致了较少的线重量的使用，同时维持了相似的加热能力。该重量节约小于理论节约，其是上文略述的63％，并且，基于公式(5)和间距范围，实际的节约转变为约20％，如下文讨论的实验所展示的。

执行测试以验证不以牺牲加热器性能为代价的重量节约。使用16.5规格的C级线(0.048英寸直径和90.978瓦特/in²)，和用于缠绕的0.625英寸的轴，制造了缩小的加热装置。线重量是.2144磅。为了比较，使用两个20规格的C级线(0.032英寸直径和76.071瓦特/in²)，和用于缠绕的0.625英寸的轴，制造了另一装置。线重量是.171磅(每个线.0855磅)。该装置操作于22.5安培，且具有气流。

使用16和19.5规格线制造了第二比较方案。使用16规格的C级线(0.051英寸直径和76.532瓦特/in²)，和用于缠绕的0.625英寸的轴，制造了一个缩小的加热装置。线重量是.2703磅。为了比较，使用两个19.5规格的C级线(0.034英寸直径和63.241瓦特/in²)，和用于缠绕的0.625英寸的轴，制造了另一装置。线重量是.2178磅(每个线.1089磅)。再一次地，该装置操作于22.5安培，且具有气流。

参考表2并比较线的重量，清楚地看到，在使用绞合线对替换单一线时，实现了约20％的节约。

                                      表2

  加热器中使用的线  的类型和数目  线总重量 以磅为单位的重量节约(一 个和两个线的加热器)  重量节约的百分比  一个线16.5规格  (0.048″)  .2144磅    0.0434磅    20.25％  两个线20规格  (0.032″)  .1710磅  一个线16规格  (0.051″)  .2703磅    0.0525磅    19.42％  两个线19.5规格  (0.034″)  .2178磅

而且，在对16规格和19.5规格的加热器测试了242,290个周期时，使用绞合线的加热器与16规格线相比是有利的；每个加热器仍正确地执行功能。这示出了，对于该绞合线加热器，未发生性能损失，由此电阻材料的重量节约是显著的。

尽管本发明被描述为用于如图1所示的加热装置，但是该绞合线对适用于任何类型的开放式电阻加热装置，包括那些可能使用双线圈配置的装置和具有不同的安装配置的装置。

尽管上文叙述的用于由单一线确定小直径线对的尺寸的公式使用了B&S规格，但是在使用其他的关于线尺寸的标准时，诸如SWG或米制线尺寸时，该公式同样适用。SWG线尺寸范围为0至49，但是SWG数值不必对应于B&S数值。米制尺寸由实际的线直径表示，例如，6.0mm、1.8mm，并且小至0.050mm。因此在使用该公式之前，须使单一线SWG规格或米制尺寸同B&S规格相关。本领域的技术人员可以容易地使用所公开的B&S+3.5的公式，并且，如果使用了SWG或米制标准，则确定必要的小的线尺寸。关键在于使具有所选标准的开始的单一线直径同B&S系统规格中的等效尺寸相互关联。已知关于单一线的B&S的等效尺寸，可以应用公式，并且生成B&S小的线直径规格。然后，该B&S小的线直径用于确定类似的SWG规格。同样地，对于米制尺寸，开始的米制尺寸单一线被用于确认对应的B&S规格。应用公式，并且随后使用其结果确认相似的米制的小的线直径。

这样，在发明的优选实施例方面公开了发明，其满足如上文叙述的本发明的每一个目的，并且提供了一种新的和改进的开放式电阻加热装置以及使用方法。

当然，在不偏离本发明意图所在的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以由本发明的教导内容设想多种修改、变化和改造。其意图在于，本发明仅受限于所附权利要求的条款。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1.一种开放式线圈电阻加热装置(70)，具有：框架，该框架具有绝缘体支撑部(1)和多个绝缘体(20)，当每个绝缘体安装到各自的绝缘体支撑部时，该多个绝缘体相互隔开；以及至少一个电阻线线圈(76)，其具有螺旋状形状并且安装在该多个分隔的绝缘体(20)上，且具有所限定的瓦特负荷，其中该线圈(76)具有中轴且是开放于大气中的，由此可以将介质引向该线圈(76)，用于介质加热，电阻线对(11，13)形成了至少一个电阻线线圈(76)，该电阻线对(11，13)相互绞合，以限定间距(P)。

2.权利要求1的装置，其中螺旋状线圈(76)的该中轴在该电阻线对(11，13)的端子端部(80)之间遵循蛇形的路径。

3.权利要求1的装置，其中该绞合电阻线对(11，13)的间距(P)同该电阻线对(11，13)中的每一个的线直径的比率的范围在25和40之间。

4.权利要求3的装置，其中该比率范围在30和34之间。

5.权利要求1的装置，其中，基于该加热装置(70)的所限定的瓦特负荷和该单一电阻线的直径，该电阻线对(11，13)中的每一个的尺寸基于以下公式：3.5加上通常对应于该单一电阻线直径的B&S规格，等于使用B&S规格测量的该电阻线对(11，13)中的每一个的尺寸。

6.权利要求5的装置，其中每个电阻线对(11，13)的规格在使用B&S规格数值时具有在16.0和21.0之间的尺寸范围。

7.权利要求3的装置，其中该螺旋状线圈的该中轴在该电阻线对(11，13)的端子端部(80)之间遵循蛇形的路径。

8.权利要求1的装置，其中该绞合线对的间距(P)的范围在约0.70英寸和约2.00英寸之间。

9.一种通过促使介质越过开放式线圈电阻加热装置(70)的加热介质的方法中，具有：框架，该框架具有绝缘体支撑部(1)和多个绝缘体(20)；以及至少一个电阻线线圈(76)，其具有螺旋状形状并且安装在该多个绝缘体(20)上，且具有所限定的瓦特负荷，其中该线圈(76)具有中轴且是开放于大气中的，由此可以将介质引向该线圈，用于介质加热，该线圈(76)由电气电阻线对(11、13)形成，该电阻线对(11，13)相互绞合，以限定间距(P)，并且使用该电阻线对(11、13)作为至少一个电阻线线圈(76)，加热该介质。

10.权利要求9的方法，其中该介质是空气。

11.权利要求9的方法，其中该绞合电阻线对(11，13)的间距(P)同该电阻线对中的每一个的线直径的比率的范围在25和40之间。

12.权利要求9的方法，其中该绞合线对(11，13)的间距(P)的范围在约0.70英寸(17.78mm)和约2.00英寸(50.8mm)之间。

13.权利要求11的方法，进一步包括，基于所限定的瓦特负荷确定该单一电阻线的直径，以及根据下列公式选择关于该电阻线对(11，13)的直径：

3.5加上通常对应于该单一电阻线直径的B&S规格，等于使用B&S规格测量的该电阻线对中的每一个的尺寸。

14.权利要求9的方法，其中每个该电阻线对(11，13)的B&S规格数值的范围在16.0和21.0之间。

15.权利要求9的方法，其中该至少一个电阻线线圈(76)在其端子端部(80)之间遵循蛇形的路径。

16.一种制造具有基于开放式线圈电阻加热器中的单一电阻线的瓦特负荷的加热器(70)的方法，包括以下步骤：

a)确定该单一电阻线的线直径和该线直径在B&S规格系统中的规格数值；

b)将3.5相加到该确认的B&S规格数值，以获得绞合线的B&S规格数值，和基于该所确认的绞合线的B&S规格数值确认关于每个绞合线的线直径的尺寸，以及选择独立的电阻线对(11，13)，其对应于关于每个绞合线的该所确认的线直径；

c)使该独立的电阻线相互围绕绞合，以形成具有预定间距(P)的绞合线对(11，13)；和

d)在加热器(70)中使用该绞合线对。

17.权利要求16的方法，其中该绞合电阻线对(11，13)的间距(P)同该电阻线对(11，13)中的每一个的线直径的比率的范围在25和40之间。

18.权利要求16的方法，其中该绞合线对(11，13)的间距(P)的范围在约0.70英寸(17.78mm)和约2.00英寸(50.8mm)之间。

19.权利要求17的方法，其中该比率的范围在约30和34之间。