包含相变材料的取暖设备本发明涉及一种包含相变材料的取暖设备。本发明属于家
用取暖领域。
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。
当取暖设备运行时，这些设备的壳体可达到很高的表面温
度，特别是会达到使用者接触时存在被灼伤危险的温度。这些
取暖设备在其壳体下部易于被年幼儿童触及时尤其危险。
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。
然而，这些解决方案并不能令人满意，第一个方案需要设
计用于专门用途的加热设备，而另一个方案导致用户面对电子
设备故障的风险。
通常，此类取暖设备的电力供应是基于使用由调节装置控
制的晶闸管。这些晶闸管如快速动作开关那样运作，它的开闭
循环控制着取暖设备的电力供应。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
本发明的目的在于通过补救现有技术的缺陷来解决一个
或多个上述技术问题。
更确切地说，本发明涉及一种电取暖设备，包括：
-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；
-放置在所述框架的内部容积中的加热元件。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
通过阅读以下说明并检查附图可以更好地理解本发明。附
图仅作为指导，不以任何方式限制本发明。
附图显示：
-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；
-图2：相变材料的温度随接收能量的变化；
-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；
-图4：根据现有技术的取暖设备的前端温度随时间的变
化；
-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；
-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；
-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；
-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；
-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。
图1示出根据本发明第一实施方案的取暖设备100。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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℃。
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。
图3示出根据本发明第二实施方案的取暖设备100A。
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。
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。
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。
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。TRIAC110A包括两个
晶闸管的组合。
运行时，TRIAC110A循环开启和关闭。当TRIAC110A
关闭时，加热元件105A被供电。当TRIAC110A打开时，加热
元件105A不被供电。根据本发明的一个实施方案，TRIAC
110A的开闭时间相等。在一个替代方案中，TRIAC110A的开
闭时间不相等。
TRIAC110A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
TRIAC110A。
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。
TRIAC110A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Δ
t确定为使得尽管TRIAC100A存在开闭周期，但辐射前端107A
的温度Tf基本恒定。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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TRIAC110A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TRIAC110A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。
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。
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。
图7示出根据本发明第三实施方案的取暖设备100B。
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。
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。
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。
壳体103B包括相变材料109B。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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T
φB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。
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。
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。
在时刻t11，设备100B和现有技术的设备例如是开启的。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。