電加熱專利技術分析

鄭 磊 雷鑫水（等同第一作者）

（國家知識產權局專利局 專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450002）

電加熱是利用電能轉換為熱能的一種能量轉換，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到3000℃以上，這樣利于技術人員實現溫度的自動控制和遠程控制，可按實際需要將被加熱物體保持在一定的溫度范圍內。電加熱可以在被加熱物體內部直接生熱，也可根據實際加熱需求實現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。此外，電加熱另一優點就是可保持被加熱物體的結晶，在加熱過程中，不產生廢氣、煙塵和殘余物，因此電加熱不污染環境。電加熱廣泛應用于科研、生產和試驗等領域中，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］。

根據將電能轉換為熱能的方式，電加熱通常分為電阻加熱、感應加熱、電弧加熱、電子束加熱、紅外線加熱和介質加熱等。

1 電加熱技術分類

1.1 電阻加熱（Ohmic-resistance heating）

基本概念：

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

電阻加熱技術領域中比較有代表性的發明專利文獻有：

發明名稱：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分離的區域，絕緣基體9覆蓋電阻體3和引線8。

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

該發明專利申請為解決上述技術問題所采用的技術手段是：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力；引線8 以作為無機導電體的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的熱膨脹率接近構成絕緣基體9的氮化硅的熱膨脹率。

1.2 感應加熱（Heating by electromagnetic fields）

基本概念：

根據電磁感應定律可知，處于交變電磁場中的導體能產生感應電流（渦流eddy current），這樣就使具有一定電阻的導體產生焦耳熱而自身發熱。電磁感應加熱采用的 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。由于感應加熱的加熱功率調節可通過調節電壓來實現，因此加熱感應裝置上的工頻電源的電壓必須是可調的，根據供電網容量大小和加熱設備的額定功率，可以將高壓電源（6～10kV）通過變壓器調壓來供電，也可以將加熱設備直接接在220V的低壓電網上。

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

高頻電源的產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）將直流電轉變為高電壓、高頻率的交流電［2］。

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

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

發明名稱：雙轉子電磁熱機；

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，本發明專利申請涉及一種雙轉子電磁熱機，該熱機將輸入的機械能完全轉換為熱能，并通過流體傳熱介質傳遞熱能。該熱機采用雙轉子、雙氣隙結構，永磁轉子采用halbach磁體結構以提高永磁體利用率，并減少轉子鐵心用量。當轉子由外部機械動力帶動時，該熱機的定子即處于旋轉的永磁磁場形成的交變磁場中，并利用磁滯、渦流效應及定子內部閉合導電體的電流熱效應致熱，定子內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備使用，也可應用在海產養殖、高寒地區工作站供暖、高緯度地區溫水灌溉等領域。

該發明專利申請所要解決的技術問題是：現有的電磁熱機主要有兩種結構：一種是采用簡單的單定子、單氣隙結構，該結構的材料及空間利用率較低；另一種是采用杯型轉子配合雙定子、雙氣隙的結構，該結構能夠利用轉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，但是其結構復雜，包含多個密封組件，加工難度高。現有的電磁熱機都存在永磁體利用率低的問題，且熱機內部換熱的流體通路短，換熱面積小，工作效率不高。

該發明專利申請為解決上述技術問題所采用的技術手段是：采用雙轉子、雙氣隙（17、18）結構，包括雙轉子及定子，雙轉子包括轉軸（16）、內轉子（10）、外轉子（6）以及永磁體（7、9）；定子包括定子鐵心（8）、定子鐵心內嵌入的導電體（20）及短路環（21）以及換熱管道（19）；定子一端通過軸承、支撐與轉子配合，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；內轉子（10）與外轉子（6）的永磁體分別排列成halbach磁體結構；定子鐵心（8）內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

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

［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：空間電磁感應加熱［M］.北京：氣象出版社，2011.