專利名稱：具有溫度控制的液體加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液體加熱器及其部件。
背景技術(shù)：
正如公布號為US2006/0291527A1 (“ ’ 527公布文件”)的前述美國專利申請所闡述的，使用“即熱式”加熱設(shè)備加熱流體(特別是液體，例如用作家用熱水的水)是方便的。當(dāng)流體從源頭流至使用位置時即熱式加熱設(shè)備用于加熱流體。即熱式加熱器并不依賴于存儲預(yù)熱流體的貯液器，相反，它被設(shè)計成，即使流體以等于最大預(yù)計需求的速率流經(jīng)加熱器時，加熱器具有足夠的將流體加熱至期望溫度的性能。例如，如果即熱式加熱器用于給家里的花灑提供熱水，加熱器被設(shè)計成具有足夠的將水在花灑的最大流速下從最低的預(yù)計流入溫度加熱至最高的期望花灑溫度的性能。正如’ 527公布文件所披露的，特別適于液體(例如家用水)加熱的流體加熱器的一種形式是電阻式液體直接加熱器。在電阻式液體直接加熱器中，電功率被施加給浸沒在要被加熱的液體中的電極之間從而使得電流流經(jīng)液體本身并且由于液體本身的電阻電能被轉(zhuǎn)換成熱量。同樣正如’527公布文件所披露的，這種加熱器能設(shè)置有多個電極，多個電極界定出多個用于液體流動的通道。用于這種加熱器的控制系統(tǒng)可用于將電極中的不同電極與電源連接和斷開。電極和加熱器的相關(guān)元件能被設(shè)置從而使得不同組的電極與電源接頭的連接能提供流經(jīng)液體的不同值的電流。這些電流值最優(yōu)選地包括零值電流(當(dāng)沒有電極被連接時)至最大電流(當(dāng)所有的電極被連接時)之間的步進數(shù)列(progression)。正如’ 527公布文件所披露的，這種數(shù)列在具有非零電流值的數(shù)列的相鄰梯級的電流之間優(yōu)選具有基本上相同的比率。正如’ 527公布文件所闡述的，盡管流入的液體溫度、期望輸出的液體溫度、流速以及液體的電阻率存在較大的變化，但是具有這樣一組可能電流值的加熱器能提供液體溫度的步進控制。對于給定電阻率的流體，期望的步進數(shù)列優(yōu)選包括多個梯級(例如60個梯級或更多的梯級)或不同的電流值。最優(yōu)選地，所述梯級被設(shè)置從而使得具有非零電流的數(shù)列的任意兩個相鄰梯級內(nèi)的電流值之間的最大比率不超過約1.22:1，優(yōu)選地不超過約1.1:1，并從而使得對于流體電阻率的給定值，數(shù)列的任意兩個相鄰梯級內(nèi)的電流值之間的最大差額不大于最大電流的約10%。由于熱量在液體自身的內(nèi)部形成，這種加熱器能對流經(jīng)其中的液體進行基本上即時的加熱。另外，這種加熱器能通過將電極中的不同電極與電源簡單地連接和斷開而被控制，這就允許使用開關(guān)元件，例如傳統(tǒng)的繼電器，或更優(yōu)選的固態(tài)半導(dǎo)體開關(guān)元件，例如雙向晶閘管和場效應(yīng)晶體管。優(yōu)選的半導(dǎo)體開關(guān)元件能被引至導(dǎo)通或“關(guān)閉”狀態(tài)或基本上非導(dǎo)通的狀態(tài)，在導(dǎo)通或“關(guān)閉”狀態(tài)，半導(dǎo)體開關(guān)元件的電阻非常小，在非導(dǎo)通狀態(tài)，半導(dǎo)體開關(guān)元件的電阻極高(幾乎無限大)并且基本上不導(dǎo)電從而因此作為打開開關(guān)。因此，雖然半導(dǎo)體開關(guān)元件處于其關(guān)閉狀態(tài)時大量的電流流經(jīng)半導(dǎo)體開關(guān)元件，但半導(dǎo)體元件本身消耗非常少的電能?！?27公布文件所披露的加熱器包括溫度傳感器，溫度傳感器用于感應(yīng)控制器附近被加熱的液體的溫度，為了控制開關(guān)元件，該控制器對來自溫度傳感器的信號進行響應(yīng)，并且控制器因此控制由加熱器施加給流動的液體的電能?！?27公布文件所述的優(yōu)選的溫度傳感器包括“熱導(dǎo)溫度感應(yīng)片”，“熱導(dǎo)溫度感應(yīng)片”盡可能靠近加熱腔體的端部并且垂直于液體的流動而被放置從而使得離開加熱腔體的液體必須穿過溫度感應(yīng)片的穿孔，“熱導(dǎo)溫度感應(yīng)片”還包括安裝至感應(yīng)片的“基于半導(dǎo)體結(jié)的溫度傳感器”。但是，正如’ 527公布文件所闡述的，由于熱片和熱傳感器的包裝材料的熱阻以及這些部件的“熱質(zhì)(thermal mass)”的存在，這種設(shè)置會在被加熱的液體的溫度變化與來自熱傳感器的信號輸出之間產(chǎn)生“熱滯后或延時”。為了補償這種“熱滯后或延時”，控制系統(tǒng)包括信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路產(chǎn)生一種代表“由溫度傳感器測量的溫度的變化率”的信號，并且該信號與代表溫度本身的信號進行求和。雖然這種設(shè)置能提供令人滿意的運行，但是進一步的改進值得期望。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面提供了一種包括通道結(jié)構(gòu)的流體加熱器，通道結(jié)構(gòu)界定出多個通道，多個通道沿下游方向延伸從而使得流體能平行地從入口經(jīng)通道流至出口。通道結(jié)構(gòu)優(yōu)選地包括一個或多個與每個通道關(guān)聯(lián)的電能施加元件。例如，電能施加元件可以是’ 527公布文件中所述的電極。加熱器優(yōu)選地還包括溫度感應(yīng)導(dǎo)線和控制電路，溫度感應(yīng)導(dǎo)線延伸穿過通道并鄰近通道的下游端；控制電路與加熱元件和導(dǎo)線連接，控制電路用于監(jiān)測導(dǎo)線的電阻并且通過對導(dǎo)線的電阻的響應(yīng)控制施加給電能施加元件的功率?？刂齐娐穬?yōu)選地被設(shè)置從而至少在一些控制狀況下，流經(jīng)不同通道的流體將被加熱至不同的溫度。正如下文進一步所述的，導(dǎo)線的電阻代表與各個通道關(guān)聯(lián)的部分的總和或平均，并且因此代表流體的最終溫度，該最終溫度是在來自通道的流體從通道向下游流動而混合時產(chǎn)生的。本發(fā)明的另一方面提供了一種例如能用在上述加熱器中的流體處理設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的此方面的加熱器優(yōu)選地包括通道結(jié)構(gòu)和細(xì)長導(dǎo)線，通道結(jié)構(gòu)界定出至少一個通道，細(xì)長導(dǎo)線沿橫向方向延伸穿過通道并且鄰近通道的下游端。所述設(shè)備還包括出口結(jié)構(gòu)，出口結(jié)構(gòu)在通道的下游端限定出通道的邊界。出口結(jié)構(gòu)最優(yōu)選地界定出沿橫向方向延伸穿過通道并與導(dǎo)線對準(zhǔn)的槽體。槽體的橫截面積優(yōu)選地小于通道的橫截面積，并且優(yōu)選地對于離開通道的流體的流動，槽體是打開的。出口結(jié)構(gòu)優(yōu)選地還界定出一對收集腔體和一對細(xì)長的唇狀物，所述一對收集腔體被設(shè)置在槽體的相對側(cè)并且沿與下游方向和橫向方向垂直的側(cè)向方向與槽體形成偏離，所述一對唇狀物沿橫向方向延伸并且將腔體和槽體隔開，收集腔體在上游方向是打開的并且從唇狀物向下游延伸。出口結(jié)構(gòu)優(yōu)選地還界定出出口孔，出口孔與收集腔體連通并且對于離開通道的流體的流動是打開的。優(yōu)選地出口孔的橫截面積總體上小于所述槽體的橫截面積。出口結(jié)構(gòu)有助于氣泡附著在導(dǎo)線上。所述導(dǎo)線為上述溫度感應(yīng)導(dǎo)線，這會提高感應(yīng)作用。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的加熱器的外部平面圖。圖2是根據(jù)圖1的為了清楚地顯示而部分結(jié)構(gòu)被移除的加熱器的立體剖視圖。圖3是圖1中沿線3-3的截面圖。圖4是圖1所描述的加熱器的截面圖。圖5是描述圖4中標(biāo)記數(shù)字5所指示的區(qū)域的局部截面圖。圖6是圖5中沿線6-6的另一截面圖。圖7是圖1-6所示的加熱器中所使用的電路的模塊示意圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的加熱器包括殼體10 (圖1)。殼體10包括第一端蓋12、第二端蓋14以及在第一端蓋12和第二端蓋14之間延伸的通常呈管狀的外殼16。第一端蓋和第二端蓋具有安裝腳18。第一端蓋和第二端蓋優(yōu)選由金屬材料(例如模鑄或機加工金屬)成型。外殼16的截面沿其端蓋之間的長度優(yōu)選基本上不變并且優(yōu)選由金屬材料成型。例如，外殼16可由擠壓金屬(擠壓鋁)成型。為了清晰起見，在圖2中外殼16被移除。外殼16以及端蓋12和14共同界定出耐壓密封容器。第一端蓋12具有流體入口 20，而第二端蓋14具有流體出口 22。護罩24覆蓋第一端蓋20，另一護罩26覆蓋第二端蓋14。正如下文所述的，第二護罩26包圍某些的電子部件。為了清晰地顯示，護罩26以及相關(guān)的電子部件在圖2中被移除。絕緣結(jié)構(gòu)30被安裝在外殼16內(nèi)。絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)選包括多個彼此相同的填充節(jié)段32，填充節(jié)段32沿外殼16的長度方向一個疊加在另一個上。填充節(jié)段界定出槽體49。絕緣結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置在第一端蓋12內(nèi)的第一內(nèi)部端件34和設(shè)置在第二端蓋14內(nèi)的第二內(nèi)部端件36。為了清晰地顯示，在圖2中這些端件的部分被移除。絕緣結(jié)構(gòu)30界定出位于外殼16內(nèi)縱向延伸的流體進入通道38、位于殼體10內(nèi)縱向延伸的流體流出通道40、位于殼體10和外殼16內(nèi)同樣縱向延伸的流體流出通道40以及位于殼體10和外殼16內(nèi)同樣縱向延伸的一對加熱腔體42和44 (圖3)。腔體42在本文中被稱為“上”加熱腔體，而腔體44在本文中被稱為“下”腔體，但是這種稱呼并不意味著涉及標(biāo)記的重力結(jié)構(gòu)的任何特定方向。正如在圖3和5中最易看到的，多個扁平的板狀電極46被安裝至聚合結(jié)構(gòu)30并且將上加熱腔體42細(xì)分成10個單獨的通常為矩形的通道48。電極46中的兩個被設(shè)置在腔體的邊緣，并且在邊緣的附近限定出所述通道的邊界。正如下文中進一步所討論的，電極46之間的間距不是相同的，從而使得不同的通道48具有不同的寬度。下加熱腔體44包含另外的扁平的板狀電極50，板狀電極50將腔體44細(xì)分成多個通常為矩形的單獨的通道52(圖3)，通道52也具有不同的寬度。正如在圖4、5和6中最易看到的，出口結(jié)構(gòu)54在通道48和52靠近第一端蓋12和第一內(nèi)部端件34的下游端限定出腔體42和44的邊界，并且因此也限定通道48和52。出口結(jié)構(gòu)54因此將通道和加熱腔體與第一內(nèi)部端件34內(nèi)的出口腔體56隔開(圖4和5)。正如在圖5中最易看到的，出口壁結(jié)構(gòu)54具有面向通道48的上游側(cè)(朝向圖5中附圖的上部)和面向出口空間56的下游側(cè)(朝向圖5中附圖的下部)。電極46被容納在延伸至出口結(jié)構(gòu)54的上游側(cè)的槽內(nèi)(未示)。出口結(jié)構(gòu)54還具有分割壁58，分割壁58基本上與單獨的電極共面從而使得分割壁58有效地保持每個通道46與相鄰的通道46分開。在每個電極與共面的分割壁58之間具有小缺口 60，但是對于流體的流動，這些缺口基本上是無關(guān)緊要的。每個通道48位于出口結(jié)構(gòu)54處的端部通過出口結(jié)構(gòu)(除下文中所述的出口結(jié)構(gòu)內(nèi)的缺口外)被有效地關(guān)閉。第二端蓋14處的第二內(nèi)部元件36界定出(圖2和4中)標(biāo)記數(shù)字62所示意的流體流入空間，流體流入空間62與所述通道的鄰近第二端蓋14的端部相通。流體進入通道38與第一端蓋12內(nèi)的流體入口 20連通，并且與鄰近第二端蓋14的流體流入空間62 (圖2和3)連通。流體流出通道40 (圖2和3)與鄰近第一端蓋12的出口空間56 (圖4和5)連通，并且也與第二端蓋14的流體出口 22 (圖1)連通。因此，正如圖2中通過曲線標(biāo)記的流動路徑63所指示的，流經(jīng)該設(shè)備的流體進入第一端蓋12并且經(jīng)過流體進入通道38流至鄰近第二端蓋14的流入腔體62。流體然后朝向第一端蓋12流經(jīng)流動腔體42和44的通道48和52，并且從所述通道經(jīng)出口結(jié)構(gòu)54的缺口流入出口腔體56。流體然后從出口腔體56流經(jīng)流體流出通道40 (圖2和3)并且經(jīng)第二端蓋14內(nèi)的出口 22流出設(shè)備。因此，通道48和52內(nèi)流動的流體沿從第二端蓋14朝向第一端蓋12的方向流動。參考通道和出口結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，該方向在本文中稱為“下游方向”，并且在圖2、4和5的每個附圖中用箭頭D標(biāo)記，而相反的方向在本文中被稱為“上游”方向。正在如圖5和6中最易看到的，出口結(jié)構(gòu)54包括一對唇狀物64，唇狀物64沿通道W的在本文中稱為“導(dǎo)線”或“橫向”的方向(圖6)延伸穿過每個通道48。橫向方向是進入和離開圖5中附圖的平面的方向。唇狀物64在其之間界定出槽體66。槽體為細(xì)長槽體并沿橫向方向W延伸穿過通道48。正如在圖5中最易看到的，槽體66與出口空間56相通，從而使得對于離開通道48的流體的流動，槽體是打開的。出口結(jié)構(gòu)還界定出一對收集腔體70，收集腔體70在圖5和6中沿通過箭頭L所示相反的側(cè)向方向與槽體66形成偏離。側(cè)向方向與橫向方向W垂直并且也與下游方向D垂直。與每個通道48關(guān)聯(lián)的收集腔體70通過唇狀物64與槽體66隔離并且沿唇狀物的下游延伸。在上游方向收集腔體是打開的。出口結(jié)構(gòu)還界定出出口孔72，出口孔72將收集腔體70的下游端與出口空間56連接。因此，對于離開通道48的流體的流動，出口孔也是打開的。與每個通道關(guān)聯(lián)的槽體66的橫截面積比通道的小。與每個通道關(guān)聯(lián)的出口孔72的橫截面積也比通道的小，并且優(yōu)選地，出口孔72的總橫截面積小于槽體的橫截面積。正如在圖5中最易看到的，每個收集腔體70具有限定壁，限定壁通常為半圓形的，半圓的軸線沿橫向方向W (進入和離開圖5中附圖平面的方向)延伸。每個收集腔體70的限定壁包括沿其中一個唇狀物的一側(cè)延伸的內(nèi)部限定壁。該限定壁沿側(cè)向方向朝收集腔體的下游端遠(yuǎn)離槽體地傾斜。每個收集腔體70還具有外部限定壁，外部限定壁遠(yuǎn)離槽體并且通常朝槽體向收集腔體的下游端向內(nèi)地傾斜。限定壁朝向彼此地傾斜并且在收集腔體的最下游的位置在腔體和與腔體關(guān)聯(lián)的出口孔72的交叉點處匯合。出口結(jié)構(gòu)54為上流動腔體42內(nèi)的每個通道48和下流動腔體44內(nèi)的每個通道52界定出類似槽體收集腔體和出口孔的結(jié)構(gòu)。正如在圖6中最易看到的，上流動腔體42內(nèi)的所有流動通道48的槽體66相互對準(zhǔn)，同時所有通道48的出口腔體也相互對準(zhǔn)。槽體、唇狀物以及出口腔體基本上占據(jù)了每個通道的整個橫截面積。與每個通道關(guān)聯(lián)的槽體沿側(cè)向方向L的寬度相同，但是槽體沿橫向方向W延伸穿過通道的整個范圍。優(yōu)選參考圖6以及圖3，上流動腔體內(nèi)的各個腔體46沿橫向方向W的尺寸彼此不同并且因此上橫截面積也彼此不同。同樣，下流動腔體48內(nèi)的各個通道52的橫向方向的尺寸不同，并且因此上彼此的橫截面積不同。這就導(dǎo)致在電極46之間產(chǎn)生不等的間距，并且在與各個流動通道關(guān)聯(lián)的電極50之間也產(chǎn)生不等的間距。但是，每個槽體的橫截面積比相關(guān)的通道的橫截面積小于很多。例如，每個槽體66沿側(cè)向方向L的寬度約0.115英寸,而每個通道46和52沿側(cè)向方向的尺寸約0.929英寸,從而使得通道橫截面積與槽體橫截面積的比率約為0.12。出口孔(例如出口孔72，圖5和6中)的直徑優(yōu)選是可選的從而使得與最小通道關(guān)聯(lián)的出口孔具有最小的直徑，這樣就能可靠地使氣泡通過出口孔。雖然本發(fā)明不受任何操作理論的限制，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)為，最小直徑與液體的表面張力相關(guān)。對于約100-120°F的家用熱水，最小直徑為約0.070英寸。最小直徑導(dǎo)致出口孔的總面積和與最小通道關(guān)聯(lián)的槽體66的開口面積(扣除下文中所述的導(dǎo)線76遮擋的面積之后)之間的比率約為0.35。與較大通道關(guān)聯(lián)的出口孔具有較大的直徑從而在與每個通道關(guān)聯(lián)的出口孔的橫截面積和與每個通道關(guān)聯(lián)的槽體的橫截面積之間保持合理均一的比率。例如，對于所有的通道，該比率能為約0.3 至 0.45。整體的細(xì)長導(dǎo)線76被設(shè)置到出口結(jié)構(gòu)并且沿橫向方向W與上腔體42內(nèi)的所有通道48相關(guān)聯(lián)的槽體66對準(zhǔn)地延伸。導(dǎo)線76被支撐在出口結(jié)構(gòu)54的分割壁58內(nèi)的小槽口內(nèi)。導(dǎo)線76沿所有的腔體的槽體延伸。導(dǎo)線的部分(未示)在上流動腔體的槽體與下流動腔體的槽體之間延伸。該部分被設(shè)置在出口空間56內(nèi)。導(dǎo)線76是細(xì)直徑導(dǎo)線，其阻抗隨溫度變化而變化。例如，導(dǎo)線76可以是由鎳鐵合金制成的導(dǎo)線，這種鎳鐵合金例如為商號為Balco所銷售的含70%鎳和30%鐵的120歐姆的合金，并且含薄絕緣覆蓋層約為40規(guī)格(直徑為0.079mm)。絕緣覆蓋層優(yōu)選地由聚合物(例如含氟聚合物，如商標(biāo)為Teflon 的聚四氟乙烯)制成。絕緣覆蓋層將加熱器中流動的流體與導(dǎo)線隔離。絕緣覆蓋層應(yīng)當(dāng)在沒有針孔或其他缺口的情況下盡可能地薄。優(yōu)選參考圖2，在圖2中，與下流動腔體關(guān)聯(lián)的電極50的上游端是可見的，電極50和48的上游端伸出第二內(nèi)部端結(jié)構(gòu)36和第二端蓋14。為了清晰地顯示，與上流動腔體42關(guān)聯(lián)的電極46在圖2中被移除。電極被密封到第二內(nèi)部端結(jié)構(gòu)36。電極的上游端與護罩26 (圖4)內(nèi)設(shè)置的開關(guān)元件連接。在圖7中用箭頭82示意性地指示出多個開關(guān)元件。開關(guān)元件可以是繼電器驅(qū)動的機械開關(guān)，但是最優(yōu)選地是半導(dǎo)體開關(guān)元件，例如雙向晶閘管、場效應(yīng)晶體管或類似開關(guān)。與每個電極關(guān)聯(lián)的開關(guān)元件用于將每個電極連接至AC電源接頭的每任一極點84或86。在本實施方式中AC電源接頭是連接至普通家庭電源的單向AC接頭。當(dāng)電源的極點被連接至家庭電源，極點84和86之間的電壓就是可選擇的，在美國通常為220伏。雖然為了清晰地顯示在圖6中描述了少量的電極46和50，但是每個電極都有開關(guān)元件82，并且每個電極能獨立地與電源的任一極點連接。導(dǎo)線76被連接在圖7示意性顯示的控制電路中。控制電路包括電阻監(jiān)測儀78，電阻監(jiān)測儀78用于探測導(dǎo)線76的電阻并且提供代表導(dǎo)線76的電阻的信號，代表電阻的信號可作為代表加熱器內(nèi)或流經(jīng)加熱器的流體的溫度的溫度信號?？刂齐娐愤€包括控制邏輯單元80，控制邏輯單元80與電阻監(jiān)測儀連接從而使得控制邏輯單元接收溫度信號?？刂七壿媶卧€與具有設(shè)定值的輸入端(S0Urse)81連接。該設(shè)定值可以是不變的設(shè)定或是用戶可選擇的設(shè)定，在這種情況下具有設(shè)定值的輸入端81可以是用戶可操作的控制器，例如調(diào)節(jié)器、鍵盤或類似的控制器。開關(guān)元件82由控制邏輯單元80驅(qū)動。正如’ 527公布文件中更詳細(xì)闡述的，控制邏輯單元80能將電極與電源的極點連接并且能允許某些或所有的電極斷開。通過將不同的電極與電源連接和斷開，控制邏輯單元能產(chǎn)生不同長度以及不同電阻的電流路徑。例如，將腔體42的最末端處的電極46a和46b與電源的異性極點連接，同時將所有的其他電極46與電源斷開會產(chǎn)生較長和較高電阻的流經(jīng)上腔體42的所有流動通道48內(nèi)流體的電流路徑(current path)。通過比較,將任何兩個直接相鄰的電極彼此連接會產(chǎn)生非常短、非常低電阻并且因此上非常高電流的流動路徑。電極之間的不等間距能產(chǎn)生各種不同長度的流動路徑。通過將兩個以上的電極與電源的極點連接能產(chǎn)生多個電流流動路徑，并且每個電流流動路徑可包括單個的流動通道或多個流動通道。下腔體44的流動通道具有類似的功能。正如’ 527公布文件詳細(xì)闡述的，當(dāng)電極的間隔中裝滿給定電導(dǎo)率的流體時電極的間隔提供不同電阻以及不同電導(dǎo)的電流流動路徑。電導(dǎo)以及沿每個路徑流動的電流優(yōu)選包括多個不同的電導(dǎo)和電流。不同的電導(dǎo)和電流優(yōu)選包括能界定出電導(dǎo)和電流的步進數(shù)列的電導(dǎo)和電流，該步進數(shù)列在最小非零電導(dǎo)(以及最小非零電流)和最大電導(dǎo)(以及最大電流)之間形成實質(zhì)上的對數(shù)數(shù)列。對于數(shù)列中的每個梯級，所述電導(dǎo)是所有連接至電源的電極對之間電導(dǎo)的總和，并且電流時所有被連接的電極之間的電流的總和。優(yōu)選地，數(shù)列中電流(以及電導(dǎo))梯級的比率是大體上均一的。最優(yōu)選地，數(shù)列包括至少60個梯級，并且更優(yōu)選地，數(shù)列是可選的從而使得數(shù)列的任何兩個梯級之間的電流差不大于最大電流的約25%，優(yōu)選更小些，電流差更優(yōu)選地不大于最大電流的約10%或更小。有效的電導(dǎo)和電流值也可以包括形成數(shù)列非必須的多余值，例如與加入數(shù)列中的電流值完全相同或幾乎完全相同的電流值。正如’ 527公布文件所詳細(xì)描述的，通過采集具有更大或更小總和電流值的梯級，控制邏輯單元80對顯示流經(jīng)加熱器的流體的溫度或加熱器內(nèi)的流體的溫度響應(yīng)，在這種情況下，所述信號是來自電阻監(jiān)測儀78的信號。最優(yōu)選地，控制邏輯單元80用于相應(yīng)地每秒鐘多次評估所述信號以及改變所述電流值，最優(yōu)選地，在施加至電源84和86的AC電壓的每個周期內(nèi)進行一次評估和改變。在特別優(yōu)選的設(shè)置中，當(dāng)需要在普通的AC周期內(nèi)電源的電壓越過零電壓的時間點改變閑置電極的組合時，控制邏輯單元被設(shè)置以開關(guān)所述開關(guān)元件中的任意一個。這有助于保證開關(guān)動作不會在輸電線上產(chǎn)生電“噪音”或射頻干涉。另夕卜，控制邏輯單元優(yōu)選被設(shè)置以在每個周期的一個梯級上改變被連接的電極的設(shè)置。即，如果溫度信號顯示需要更大的電流，控制邏輯單元就選擇能給予步進數(shù)列的下一較大梯級并且以這種方式使電極通電的接頭，并且當(dāng)需要時重復(fù)所述選擇直至溫度信號顯示液體的溫度為期望值。換種方式說，控制邏輯單元優(yōu)選不要直接“跳”至太高的梯級。這有助于確保開關(guān)動作不會在電源線上引起電壓波動，并且因此例如不會引起裝有熱水器的建筑中的照明燈變暗。泄漏電極90被設(shè)置在進入通道38和流出通道40內(nèi)。泄漏電極還延伸經(jīng)過第二內(nèi)部端結(jié)構(gòu)36和第二端蓋14。泄漏電極永久地與電源的接地接頭連接。接地電極確保電流不會從任意一個電極46或50經(jīng)流動的流體傳至管道系統(tǒng)或傳至流經(jīng)所述系統(tǒng)的流體。泄漏電極還確保電流不會傳至任一端蓋或傳至外殼16。為了進一步保險起見，外殼和端蓋也可電連接至電源的接地接頭。在運行過程中，入口 20與要被加熱的液體的源頭(例如家庭中的管道系統(tǒng))連接，并且出口 22與使用端連接。正如上文所述的，液體(例如水)流經(jīng)加熱器，流經(jīng)所述進入通道38，通常沿從第一端蓋12向第二端蓋14的上游方向U在進入通道內(nèi)流動并且與所述通道內(nèi)的泄漏電極接觸。當(dāng)流體通過電流流經(jīng)電極之間的液體而被加熱時，液體然后經(jīng)各個通道48和50向下游流動。當(dāng)液體到達每個通道的下游端，每個通道內(nèi)流動的液體的主要部分經(jīng)過與每個通道關(guān)聯(lián)的槽體流出通道進入出口空間56 (圖5和6)，并且因此流過導(dǎo)線W。導(dǎo)線76沿與所有的通道關(guān)聯(lián)的槽體延伸，并且因此暴露于所有通道內(nèi)流動的液體。在不同通道內(nèi)流動的液體被不同程度地加熱。例如，如果與電源連接的電極的特定組合使得沒有電流流經(jīng)特定的通道，在這些通道內(nèi)流動的液體就根本不會被直接加熱，雖然這些液體也許會被從相鄰?fù)ǖ纻鬟f的熱量稍微加熱。在各個通道內(nèi)流動的液體在出口空間56內(nèi)混合并且經(jīng)流出通道40流出加熱器，在流出通道40液體會再次接觸電流泄漏電極90并且經(jīng)出口 22流出系統(tǒng)。流出出口的液體的實際溫度會反映流出組合的各種通道的液體的溫度；較熱和較冷的液體會混合以形成具有最終平均溫度的液體。由于導(dǎo)線76暴露于流出所有通道的液體，導(dǎo)線的電阻會反映流出加熱器的液體的最終平均溫度。但是，在液體混合之前，通過盡可能接近地測量單獨通道的下游端的溫度，導(dǎo)線的電阻會測量出最終的平均值，而不會出現(xiàn)混合過程所需的時間延遲。另外，由于導(dǎo)線76的熱質(zhì)非常低，其電阻會幾乎即時地跟進來自通道的液體的溫度。這些因素最小化控制系統(tǒng)內(nèi)的“環(huán)路延時”。通過參考假想的系統(tǒng)更容易理解，在這種假想的系統(tǒng)中，在加熱通道的下游(例如在加熱器的流體出口 22處)測量平均溫度。在這種系統(tǒng)中，如果液體的溫度小于期望的設(shè)定溫度，控制邏輯單元會給電極施加更大的電流設(shè)定并且因此施加更多的熱量。但是，直至被加熱的液體向下游流至出口，經(jīng)過傳感器的液體保持在設(shè)定溫度以下，并且控制邏輯單元會持續(xù)地增加所施加的電流量。這可引起控制邏輯單元施加比產(chǎn)生期望的設(shè)定值實際所需的電流更大的電流，從而導(dǎo)致“超調(diào)”狀況。通過最小化環(huán)路延時，根據(jù)本實施方式的加熱器提供更加有效的控制系統(tǒng)。來自電阻監(jiān)測儀78的電阻信號如此緊密地追蹤所述溫度從而使得通常不必給控制邏輯單元提供代表電阻信號改變的信號。但是，如果需要這種信號能被施加。導(dǎo)線76非?？拷姌O和通道的下游端地被設(shè)置。因此，即使是在沒有液體流動時，導(dǎo)線76與包含在通道自身內(nèi)的流體有效地?zé)崧?lián)系。因此，即使是沒有液體流經(jīng)系統(tǒng)時，控制系統(tǒng)能將通道內(nèi)的液體的溫度維持在期望的設(shè)定值。沒有必要在這種無流動狀況下使用單獨的傳感器。另外，沒有必要提供監(jiān)測無流動狀況出現(xiàn)的流動傳感器或其他設(shè)備。
使用非常簡單的溫度感應(yīng)裝置就能提供所有這些好處。在上述實施方式中使用的單個的導(dǎo)線提供了最大的簡易性，并且僅需要在加壓的充滿流體的空間的外部設(shè)置一個或兩個接頭。在另外的設(shè)置中，單體導(dǎo)線76可具有多個通道部分或轉(zhuǎn)向部分，每個通道部分或轉(zhuǎn)向部分延伸經(jīng)過與所有流動通道關(guān)聯(lián)的所有槽體。這就提升了靈敏度或每單位溫度變化的電阻變化。在另一變形中，可分段提供導(dǎo)線，每段僅延伸經(jīng)過幾個通道，通過控制系統(tǒng)分開地監(jiān)測每段的電阻。但是，在這種設(shè)置中，控制系統(tǒng)優(yōu)選地可包括例如通過求平均值算數(shù)地將這些電阻值組合的電路。在另一變形中，可以為每個通道提供單獨的導(dǎo)線或其他傳感器。但是，這種設(shè)置會需要更加復(fù)雜的電路、電路中更加復(fù)雜的邏輯程序或者兩者都需要。另外，使用與多個通道相關(guān)聯(lián)的多個傳感器的裝置會需要多個穿出流體流動空間的電接頭，因此，增加了接頭泄漏或其他故障的可能性，并增加了系統(tǒng)的成本。當(dāng)液體向下游流經(jīng)通道并且由流經(jīng)其中的電流加熱，在液體中會產(chǎn)生氣泡。例如，當(dāng)液體被加熱時，溶解在液體中氣體傾向于離開溶液。如果這些氣泡附著在感應(yīng)導(dǎo)線76上，氣泡能阻礙熱量傳遞至感應(yīng)導(dǎo)線并且因此引起延時的或錯誤的溫度信號。出口結(jié)構(gòu)和相關(guān)的部件最小化氣泡附著于出口導(dǎo)線的可能性。槽體66較小的橫截面積傾向于使流經(jīng)槽體的液體產(chǎn)生較大的流速，這有助于從導(dǎo)線上去除氣泡。另外，收集腔體70傾向于捕獲液體中的氣泡從而使得氣泡經(jīng)出口 72流出通道，并因此根本就不經(jīng)過導(dǎo)線。令人驚奇地，不考慮加熱器相對于重力的方位，出口、收集腔體和槽體的設(shè)置會傾向于提供這種作用。收集腔體和相關(guān)元件的準(zhǔn)確形狀在一定程度上可變化。例如，收集腔體無需為所示的半圓形，而可以是一般的多邊形橫截面。槽體和出口孔較小的橫截面積提供相比通道46和52的流阻更加顯著的流阻。這有助于使各種通道內(nèi)流動的液體的流速相等。本文所述的加熱器的模塊化設(shè)計能使多種不同容量范圍的加熱器的生產(chǎn)簡化。通過使用更長的電極、更長的外殼16以及更多的中間元件32能提供更大容量的加熱器。在上述實施方式中，通過沿導(dǎo)線方向W (圖6)通過各個電極之間的不同間距提供不同流動路徑46和52的不同電導(dǎo)。由于為了傳輸電流，基本上每個電極的整個區(qū)域與流動的流體接觸，并且經(jīng)過每個電極的整個表面面積的電流密度基本上是相同的。此外,可使用更加復(fù)雜的裝置以提供各個通道之間電導(dǎo)的相同差額。例如，沿導(dǎo)線方向，通道的寬度可以是相同的，但是某些通道可以具有絕緣屏障，絕緣屏障在通道內(nèi)沿側(cè)向方向L (圖6)延伸從而使部分導(dǎo)電路徑的變窄。選擇性地，可以使用絕緣材料覆蓋某些電極的部分表面從而減小電流路徑的面積并且因此增加通道的電阻。這種設(shè)置是較次的優(yōu)選，因為它們意味著穿過電極表面的電流密度不均勻。流動通道的物理結(jié)構(gòu)采用兩部分-上流動腔體42內(nèi)的流動通道46和下流動腔體44內(nèi)的流動通道52-有助于提供更加緊湊的結(jié)構(gòu)，這種更加緊湊的結(jié)構(gòu)在橫向方向或?qū)Ь€方向(即與上游和下游方向垂直的方向)的尺寸較小。這進而可簡化加壓殼體(包括外殼16)的構(gòu)造。為了滿足監(jiān)管和安全的要求，外殼16通常必須能承受遠(yuǎn)大于運行中正常所遇到的內(nèi)部壓力。上文所述的加熱器能用在各種應(yīng)用中，但是特別適于使用在家庭熱水加熱中。單個加熱器可用于整個家庭，或更加優(yōu)選地，單獨的加熱器可與單獨的耗水設(shè)備關(guān)聯(lián)或者與家庭中的部分設(shè)備(例如用于每個浴室或廚房的單獨的加熱器)關(guān)聯(lián)。在單獨的加熱器與單獨的耗水設(shè)備(例如水龍頭或花灑)關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)中，所述設(shè)定值可通過使用設(shè)備上的旋鈕來設(shè)定。雖然控制系統(tǒng)元件(例如溫度感應(yīng)導(dǎo)線)和氣泡消除元件(例如槽體和收集腔體)在本文中結(jié)合電阻式直接加熱器而被描述，其中加熱器的電能施加元件是電極，但是導(dǎo)線和氣泡消除元件也能使用在其他應(yīng)用中。例如，液體加熱器能包括多個通道，所述多個通道具有與每個通道內(nèi)流動的流體接觸的單獨加熱元件，所述加熱元件被設(shè)置以分散加熱元件自身內(nèi)的電能并且將熱量傳遞給單獨通道內(nèi)流動的流體。所述加熱器可以裝配有本文所述的感應(yīng)導(dǎo)線和氣泡消除元件。由于在不脫離權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的情況下能使用上述特征的各種變形和組合，所以前述說明書應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是為了說明本發(fā)明而不是為了限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種流體處理設(shè)備，包括: (a)通道結(jié)構(gòu)，所述通道結(jié)構(gòu)界定出沿下游方向延伸的通道； (b)細(xì)長導(dǎo)線，所述細(xì)長導(dǎo)線沿橫向方向延伸穿過所述通道并鄰近所述通道的下游端；以及 (C)出口結(jié)構(gòu)，所述出口結(jié)構(gòu)在通道的下游端限定出所述通道的邊界，所述出口結(jié)構(gòu)界定出沿所述橫向方向延伸穿過所述通道并與所述導(dǎo)線對準(zhǔn)的槽體，所述槽體的橫截面積小于所述通道的橫截面積，所述槽體是打開的，以實現(xiàn)離開所述通道的流體的流動，所述出口結(jié)構(gòu)還界定出一對收集腔體和一對細(xì)長的唇狀物，所述一對收集腔體被設(shè)置在所述槽體的相對側(cè)并且在與所述下游方向和橫向方向垂直的側(cè)向方向與所述槽體偏離，所述一對唇狀物沿所述橫向方向延伸并且將所述腔體和所述槽體隔開，所述收集腔體在所述上游方向是打開的并且從所述唇狀物向下游延伸，所述出口結(jié)構(gòu)還界定出出口孔，所述出口孔與所述收集腔體連通并且是打開的從而實現(xiàn)離開所述通道的流體的流動，所述出口孔的全體橫截面積小于所述槽體的橫截面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述細(xì)長導(dǎo)線為溫度感應(yīng)元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述導(dǎo)線在所述槽體內(nèi)延伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中每個所述腔體具有由所述唇狀物的一個所界定出的內(nèi)部限定壁，所述內(nèi)部限定壁在一個所述側(cè)向方向上沿著所述限定壁的下游區(qū)域遠(yuǎn)離所述槽體地傾斜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述 的設(shè)備，其中每個所述腔體具有外部限定壁，所述外部限定壁遠(yuǎn)離所述槽體并且朝所述外部限定壁的下游區(qū)域向所述槽體傾斜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中每個所述腔體具有軸線沿所述橫向方向延伸的大體為半圓柱形的限定壁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述通道的橫截面大體為矩形，并且其中所述出口腔體和所述槽體配合地延伸經(jīng)過所述通道的大體上整個橫截面積。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述通道結(jié)構(gòu)界定出多個并排延伸并且沿導(dǎo)線方向彼此偏離的通道，所述導(dǎo)線延伸穿過所述多個通道，并且出口結(jié)構(gòu)為每個所述通道界定出前述槽體、收集腔體和出口孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述通道結(jié)構(gòu)包括一個或多個與每個所述通道關(guān)聯(lián)的加熱元件。
10.一種流體加熱器，包括: (a)通道結(jié)構(gòu)，所述通道結(jié)構(gòu)界定出入口、出口和多個通道，所述多個通道沿下游方向延伸并且與所述入口和出口連通從而使得流體能平行地從所述入口經(jīng)所述通道流至所述出口，所述通道結(jié)構(gòu)包括一個或多個與每個通道關(guān)聯(lián)的電能施加元件； (b)溫度感應(yīng)導(dǎo)線，所述溫度感應(yīng)導(dǎo)線延伸穿過所述通道并鄰近所述通道的下游端；以及 (C)控制電路，所述控制電路與所述加熱元件和所述導(dǎo)線連接，所述控制電路用于監(jiān)測所述導(dǎo)線的電阻并且通過對所述導(dǎo)線的電阻的響應(yīng)來控制施加給電能施加元件的功率，從而至少在一些控制狀況下，流經(jīng)不同通道的流體將被加熱至不同的溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的流體加熱器，其中所述控制電路包括電源接頭和至少一個連接在每個所述輸入元件和電源之間的開關(guān)，所述控制電路用于驅(qū)動所述開關(guān)從而將所述電能施加元件和所述電源連接和斷開。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的流體加熱器，其中所述電能施加元件包括為了與所述通道內(nèi)流動的流體接觸而暴露出來的電極，并且所述控制電路用于驅(qū)動所述開關(guān)從而使得電流流經(jīng)至少一些通道內(nèi)的流體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的流體加熱器，其中具有下游邊緣，并且所述導(dǎo)線被設(shè)置在所述電極的下游邊 緣的約IOmm范圍內(nèi)。
全文摘要
具有多個流動通道(48、52)的液體加熱器(例如電阻式液體直接加熱器)具有導(dǎo)線(76)形式的溫度感應(yīng)元件，溫度感應(yīng)元件延伸傳感多個通道(優(yōu)選地穿過所有的通道)并且鄰近通道的下游端。導(dǎo)線的電阻代表流經(jīng)所有通道的液體的平均溫度，并且因此上代表離開加熱器的被混合的液體的溫度。氣泡抑制結(jié)構(gòu)(54)位于導(dǎo)線的附近。
文檔編號F24H9/20GK103154631SQ201180051171
公開日2013年6月12日 申請日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者約翰·H·鮑爾斯, 格雷戈里·S·里昂 申請人:艾思科技有限責(zé)任公司