專利名稱:流體加熱設(shè)備、用于加熱流體的電路及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流體加熱設(shè)備，例如電熱水器，其能夠確定該設(shè)備的加熱元件的老化，并且本發(fā)明涉及一種操作該流體加熱設(shè)備的方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)電熱水器中的電阻加熱元件失效時(shí)，加熱器的運(yùn)行受到削弱，直至更換該元件。這將對(duì)該熱水器的使用者產(chǎn)生不便。

發(fā)明內(nèi)容電阻元件的失效可能不是立即的。例如，該元件典型地具有通過(guò)絕緣體與元件導(dǎo)線相隔離的外皮，例如包裝的氧化鎂。如果外皮被損壞，則絕緣體仍然能夠隔離導(dǎo)線并阻止元件的完全失效。然而，絕緣體隨著時(shí)間的推移將與水結(jié)合，從而導(dǎo)線最終將短路，從而導(dǎo)致元件的失效。在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，在加熱元件失效之前，檢測(cè)損壞的外皮所導(dǎo)致的加熱元件的老化。在元件失效之前的元件老化的警報(bào)，將允許使用者利用其電器的短暫的停機(jī)時(shí)間替換該元件。
加熱元件產(chǎn)生能夠傳遞至圍繞加熱元件的水的熱量。水能夠擴(kuò)散許多由加熱元件產(chǎn)生的熱能。當(dāng)供電時(shí)加熱元件的溫度開始迅速升高，然后升溫率變慢，直至加熱元件的溫度保持相對(duì)穩(wěn)定。如果在熱水器裝滿水之前給加熱元件接通電源，或者當(dāng)熱水器中的水位不足夠高以圍繞加熱元件而發(fā)生故障時(shí)，存在通稱為“干燒”的潛在狀態(tài)。由于沒有水圍繞加熱元件以擴(kuò)散熱量，故加熱元件加熱至導(dǎo)致其失效的溫度。失效的發(fā)生僅為幾秒鐘的事情。因此，希望在加熱元件的損害發(fā)生之前，迅速檢測(cè)干燒狀態(tài)。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種控制流體加熱設(shè)備的方法。該流體加熱設(shè)備包括用于加熱圍繞加熱元件的流體的加熱元件；和連接至加熱元件并且可連接于電源的控制電路?？刂齐娐钒ㄟB接在從電源至加熱元件并返回至該電源的電流通路中的開關(guān)，以及電流傳感器。該方法包括通過(guò)在電流通路中產(chǎn)生電流，啟動(dòng)流體加熱設(shè)備的加熱狀態(tài)，所述產(chǎn)生電流的行為包括使開關(guān)允許在電流通路產(chǎn)生電流；通過(guò)停止電流通路中的電流，啟動(dòng)非加熱狀態(tài)和停止流體加熱設(shè)備的加熱狀態(tài)，該停止行為包括斷開開關(guān)以便在電流通路中不產(chǎn)生電流；在非加熱狀態(tài)期間，施加電壓至加熱元件；在施加該電壓期間，檢測(cè)加熱元件的泄漏電流；以及在加熱元件失效之前利用所檢測(cè)的泄漏電流確定加熱元件的老化。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于加熱流體的流體加熱設(shè)備。該流體加熱設(shè)備包括容器，引導(dǎo)流體進(jìn)入該容器的進(jìn)口，從該容器排出流體的出口，加熱元件，所述加熱元件至少部分由容器中的流體圍繞。該加熱元件包括導(dǎo)線，至少圍繞導(dǎo)線的一部分的絕緣材料，以及至少圍繞絕緣材料的一部分的外皮。該流體加熱設(shè)備還包括與外皮電連接的接地觸點(diǎn)，以及可連接于電源并連接至加熱元件的控制電路。該控制電路包括電流通路，該電流通路具有連接電源至加熱元件的第一點(diǎn)的第一支路和連接電源至加熱元件的第二點(diǎn)的第二支路；連接在第一支路的電路中的開關(guān)；以及電流傳感器。在一種結(jié)構(gòu)中，設(shè)置控制電路為通過(guò)在電流通路中產(chǎn)生電流，啟動(dòng)流體加熱設(shè)備的加熱狀態(tài)，所述產(chǎn)生電流的行為包括使開關(guān)允許在第一電流通路產(chǎn)生電流；通過(guò)停止電流通路中的電流，啟動(dòng)非加熱狀態(tài)和停止流體加熱設(shè)備的加熱狀態(tài)，該停止行為包括斷開開關(guān)以便在第一電流通路中不產(chǎn)生電流；在非加熱狀態(tài)期間，連接電源至加熱元件的第二點(diǎn)，從而在非加熱狀態(tài)期間允許在第二支路中產(chǎn)生電流；在非加熱狀態(tài)期間，在電源連接至加熱元件的第二點(diǎn)期間檢測(cè)加熱元件的泄漏電流；以及在加熱元件失效之前，利用所檢測(cè)的泄漏電流，確定加熱元件的老化。
通過(guò)參考詳細(xì)說(shuō)明和附圖將使本發(fā)明的其他方面變得明顯。
圖1為體現(xiàn)本發(fā)明的熱水器的局部分解視圖。
圖2為能夠用于圖1的熱水器中的電極的局部分解和局部側(cè)視圖。
圖3為能夠控制圖2的電極的第一控制電路的局部程序塊圖和局部電氣原理圖。
圖4為能夠控制圖2的電極的第二控制電路的局部程序塊圖和局部電氣原理圖。
圖5為能夠控制圖2的電極的第三控制電路的局部程序塊圖和局部電氣原理圖。
圖6A為浸入水中的圖2的電極的溫度曲線圖。
圖6B為暴露在空氣中的圖2的電極的溫度曲線圖。
圖7為能夠控制圖2的電極和檢測(cè)干燒狀態(tài)的第四控制電路的局部程序塊圖和局部電氣原理圖。
圖8為用于檢測(cè)干燒狀態(tài)的圖7的控制電路的操作流程圖。
圖9A為浸入水中的圖2的電極的電阻曲線圖。
圖9B為暴露在空氣中的圖2的電極的電阻曲線圖。
具體實(shí)施方式在詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的所有實(shí)施例之前，應(yīng)了解本發(fā)明不限制在只使用于下述描述提出或下述的結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)和部件的布置。本發(fā)明可以具有其他的實(shí)施例，而且能夠被實(shí)施或以多種方式實(shí)現(xiàn)。同樣，應(yīng)了解在此所使用的術(shù)語(yǔ)和專門名詞是為了描述，而不應(yīng)該被認(rèn)為是限制。這里所使用的“包括”，“包含”或“具有”以及其變型意味著包括其后列出的對(duì)象和其相當(dāng)物以及其他的對(duì)象。術(shù)語(yǔ)“安裝”，“連接”，“支撐”，以及“聯(lián)接”被概括性地使用，其包括直接和間接安裝，連接，支撐和聯(lián)接。此外，“連接”和“聯(lián)接”不局限于物理或機(jī)械連接或聯(lián)接，其可以包括電連接或聯(lián)接，不管是直接的或間接的。
圖1表示存儲(chǔ)型熱水器100，存儲(chǔ)型熱水器100包括密閉水箱105(在此稱之為密閉容器)，圍繞水箱105的殼體110，以及填充水箱105和殼體110之間的環(huán)形空間的泡沫絕緣體115。典型的貯水箱105由鐵類金屬制成，并利用類似玻璃的搪瓷作為內(nèi)襯以防止金屬被腐蝕。然而，貯水箱105能由其他材料制成，例如塑料。進(jìn)水口管道或汲取管120以及出水口管道125進(jìn)入水箱105的頂端。進(jìn)水管道120具有用于添加冷水至水箱105的進(jìn)口130，出水管道125具有用于從水箱105取出熱水的出口135。所述箱可能還包括與存儲(chǔ)在箱中的水相接觸的接地元件(或觸點(diǎn))。另外，該接地元件可為熱水器的另一個(gè)部件的一部分，例如加熱元件的插頭(將在下文論述)。該接地元件包括允許電流流向大地的金屬材料。
熱水器100還包括電阻加熱元件140，其連接到箱105并延伸進(jìn)入箱105內(nèi)以加熱水。能夠用于熱水器100中的示例性加熱元件140如圖2所示。參考圖2，加熱元件140包括內(nèi)部高電阻加熱元件導(dǎo)線150，內(nèi)部高電阻加熱元件導(dǎo)線150由合適的絕緣材料155(例如包裝的氧化鎂)所包圍；封閉絕緣材料的金屬外殼(或外皮)160；以及聯(lián)接金屬外殼160至可為大地的殼體110的元件連接組件165(典型地稱之為插頭)。對(duì)于所示結(jié)構(gòu)，所述連接組件165包括具有螺紋的金屬定位樁170，金屬定位樁170通過(guò)與殼體110的開口的螺紋相匹配，將加熱元件140固定至殼體110。該連接組件165還包括用于將導(dǎo)線150電連接至控制電路(在下文中論述)的連接器175和180，其中控制電路為導(dǎo)線150提供控制電力。雖然所示為具有元件140的熱水器100，但是本發(fā)明可使用在其他用于加熱導(dǎo)電流體的流體加熱設(shè)備，例如瞬時(shí)熱水器或油加熱器，以及其他加熱元件設(shè)計(jì)和布置。
圖3所示為用于控制加熱元件140的控制電路200的一種結(jié)構(gòu)的局部電氣原理圖和局部程序塊圖?？刂齐娐?00包括微控制器205。如下面更詳細(xì)地論述，微控制器205接收多個(gè)傳感器或電路的信號(hào)或輸入，分析輸入，并產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)輸出，以控制熱水器100。在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，微控制器205包括處理器和存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器包括一個(gè)或多個(gè)具有指令的模塊。該處理器實(shí)現(xiàn)解釋和執(zhí)行指令，以控制熱水器100。雖然微控制器205描述為具有處理器和存儲(chǔ)器，但是可利用其他包括多種集成電路(如專用集成電路)和分立器件的控制器或裝置實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，這對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯而易見的。另外，微控制器205和控制電路200能夠包括其他線路，并執(zhí)行在此未討論而在本領(lǐng)域已知的其他功能。
再次參考圖3，控制電路200還包括從電源201至加熱元件140并返回至電源201的電流通路。該電流通路包括第一支路202和第二支路203。第一支路202連接電源201至加熱元件140的第一點(diǎn)206，同時(shí)第二支路203連接電源201至加熱元件140的第二點(diǎn)207。恒溫器連接在電源201和加熱元件206之間的第一支路202中，該恒溫器圖示為根據(jù)水是否需要加熱而斷開和閉合的開關(guān)210。當(dāng)恒溫器開關(guān)210閉合時(shí)，其允許電流經(jīng)過(guò)第一和第二支路202和203、從電源201流至加熱元件140并返回至電源201。這使得加熱元件140將水加熱至該恒溫器所確定的要求的設(shè)置點(diǎn)。將水加熱至要求的設(shè)置點(diǎn)在此稱之為熱水器100處于加熱狀態(tài)。當(dāng)恒溫器開關(guān)210斷開時(shí)，其阻止電流經(jīng)過(guò)第一和第二支路202和203、從電源201流至加熱元件140并返回至電源201。這使得加熱器100處于非加熱狀態(tài)。檢測(cè)水溫和控制電源201流向加熱元件140的電流的其他方法是可能的(例如，具有傳感器的電子控制，聯(lián)接至傳感器的微控制器205以接收與所檢測(cè)溫度具有關(guān)系的信號(hào)，以及電子開關(guān)，例如響應(yīng)于所檢測(cè)溫度由微控制器控制的例如三端雙向可控硅開關(guān)的電子開關(guān))。
正如剛才所述，當(dāng)開關(guān)210閉合時(shí)，恒溫器開關(guān)210允許電流流過(guò)加熱元件140。當(dāng)電壓作用于加熱元件140時(shí)，可變的泄漏電流能夠經(jīng)過(guò)絕緣材料155從元件導(dǎo)線150流至外皮160。可變電阻器215表示泄漏電阻，可變電阻器215提供泄漏通道。當(dāng)加熱元件140由于外皮160的失效而老化時(shí)，導(dǎo)線與大地之間的電阻從大約4,000,000歐姆降至大約40,000歐姆或者更少。這將在下文中更詳細(xì)地論述。
該控制電路210還包括電壓測(cè)量電路220和電流測(cè)量電路225。電壓測(cè)量電路220檢測(cè)第一和第二支路202和203之間的電壓差，電壓測(cè)量電路220能夠包括用于將所檢測(cè)電壓過(guò)濾和調(diào)節(jié)至適合于微控制器205的水平的濾波器和信號(hào)調(diào)節(jié)器。該電壓差可用于確定恒溫器開關(guān)210是否斷開或閉合。電流測(cè)量電路225利用環(huán)形電流互感器(torroidal current transformer)230檢測(cè)流向加熱元件140的電流。該環(huán)形電流互感器235可以布置在兩個(gè)支路202和203的周圍，從而在熱水器100的加熱狀態(tài)期間阻止電流檢測(cè)信號(hào)過(guò)載，以及在熱水器100的非加熱狀態(tài)期間精確地測(cè)量泄漏電流。電流測(cè)量電路225還可以包括用于將所檢測(cè)當(dāng)前值過(guò)濾和調(diào)節(jié)至適合于微控制器205的水平的濾波器和信號(hào)調(diào)節(jié)器。
在熱水器100操作期間，外皮160可能老化導(dǎo)致外皮160的裂口(稱之為孔隙)。當(dāng)孔隙暴露絕緣材料155時(shí)，材料155可能吸水。最終，絕緣材料155可能浸透，導(dǎo)致導(dǎo)線150變得接地。這將導(dǎo)致元件140的失效。
當(dāng)絕緣材料155吸水時(shí)，材料155隨著其和水結(jié)合而物理性質(zhì)發(fā)生變化。絕緣材料155的和水結(jié)合減少了從元件導(dǎo)線150至接地元件(例如，加熱元件插頭165和聯(lián)接外皮160)的泄漏通道的電阻215。本發(fā)明的控制電路200識(shí)別泄漏通道的電阻215的變化，并當(dāng)泄漏電流增加至預(yù)定水平時(shí)發(fā)出警報(bào)。
更具體地描述圖3，在美國(guó)通用的是，通過(guò)連接第一120VAC至第一支路202以及第二120VAC至第二支路203，從而將240VAC施加至元件導(dǎo)線140。恒溫器開關(guān)210切斷輸送至加熱元件140的第一120VAC，從而使得熱水器100進(jìn)入非加熱狀態(tài)。然而，如圖3所示，第二120VAC通過(guò)第二支路仍然施加至加熱元件140。因此，泄漏電流仍然能夠流過(guò)泄漏電阻215。電壓測(cè)量電路220提供信號(hào)至微控制器205，直接或通過(guò)微控制器205的分析表示恒溫器開關(guān)210是否處于斷開狀態(tài)，電流測(cè)量電路230提供信號(hào)至微控制器205，直接或通過(guò)微控制器205的分析表示包括泄漏電流的通過(guò)電路通道的電流。當(dāng)所測(cè)量的泄漏電流大于指示加熱元件140具有老化的外皮160的閾值時(shí)，微控制器205能夠發(fā)出警報(bào)。該閾值能夠基于熱水器100的模型的經(jīng)驗(yàn)性測(cè)試而設(shè)置。該警報(bào)能夠采用可見和/或聲音警報(bào)250的形式。甚至可以想象，該警報(bào)能夠采用阻止水進(jìn)一步加熱直至變更加熱元件140的形式。
在熱水器100的另一個(gè)結(jié)構(gòu)中，如果通過(guò)微控制器205執(zhí)行流至加熱元件140的電流的控制時(shí)，電壓測(cè)量電路220可能不是必需的。即，當(dāng)熱水器100進(jìn)入加熱狀態(tài)時(shí)，電壓測(cè)量電路220能夠通知微控制器205。然而，在一些熱水器中，微控制器205從溫度傳感器接收箱105內(nèi)水的溫度，并通過(guò)繼電器控制流向加熱元件140的電流(即，直接控制熱水器100的狀態(tài))。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，由于微控制器了解熱水器100的狀態(tài)，故電壓測(cè)量電路220不是必需的。
在熱水器100的另一個(gè)結(jié)構(gòu)中，微控制器205(或一些其它部件)可以控制電流測(cè)量電路225，以便僅在“斷開”狀態(tài)期間檢測(cè)流過(guò)加熱元件140的電流。這種結(jié)構(gòu)允許電流測(cè)量電路225在非加熱狀態(tài)期間對(duì)泄漏電流更加敏感。
參考表1，該表提供對(duì)八種不同元件執(zhí)行八種測(cè)試的結(jié)果。每個(gè)元件在形狀上與圖2所示的元件140相似。這些元件為固定在設(shè)計(jì)上與圖1所示的熱水器100相似的52加侖的電熱水器的4500瓦的元件。在測(cè)試期間采用元件的多種測(cè)量方法。該測(cè)量方法包括“電力接通平均測(cè)量差動(dòng)電流”，“電力接通最大測(cè)量差動(dòng)電流”，“電力斷開平均測(cè)量差動(dòng)電流(ma)”，以及“電力斷開最大測(cè)量差動(dòng)電流”。孔隙進(jìn)入元件E，F(xiàn)，G和H的外皮160中。該孔隙導(dǎo)致絕緣材料155的老化。當(dāng)絕緣體老化時(shí)，測(cè)量元件EFGH。表1中的數(shù)據(jù)表示在接通狀態(tài)(或加熱狀態(tài))期間具有完好的外皮160的元件的電流測(cè)量值，以及具有損壞外皮160的元件的電流測(cè)量值。例如元件“邊緣孔G”具有低于優(yōu)良元件C和優(yōu)良元件D的平均電流。與此相反，在“斷開”狀態(tài)(或非加熱狀態(tài))期間的電流測(cè)量表示具有損壞外皮160的元件對(duì)比于具有完好外皮160的元件在示值存在較大的差異。例如，老化外皮160的所測(cè)量的最小平均電流，邊緣孔G為12.5ma，高出未受損壞的元件、即優(yōu)良D的所測(cè)量的最大平均電流六倍多。
表1差動(dòng)電流測(cè)量值
圖4所示為用于控制加熱元件140的控制電路200A的另一種結(jié)構(gòu)的局部電氣原理圖和局部程序塊圖。與圖3所示的結(jié)構(gòu)相似，控制電路200A包括微控制器205，恒溫器開關(guān)210A，電壓測(cè)量電路220，和電流測(cè)量電路225。然而，對(duì)于圖4中的控制電路的結(jié)構(gòu)，電路200A的第一支路202A連接至120VAC或240VAC，控制電路200的第二支路203連接至大地。如圖4進(jìn)一步所示，雙刀恒溫器開關(guān)210A電連接在電流測(cè)量電路225和120VAC或240VAC之間。圖4中的控制電路200A的操作與圖3中的控制電路200相似。表2表示最初沒有孔隙的加熱元件140和在元件140的邊緣具有孔隙的元件140之間的對(duì)比?？梢钥闯?，表2表示在非加熱狀態(tài)期間老化元件和優(yōu)良元件的電流之間存在較大的差異。
表2在電力斷開狀態(tài)期間的差動(dòng)電流測(cè)量值(240VAC)
在進(jìn)一步論述之前，應(yīng)了解到目前為止的所描述的結(jié)構(gòu)包括額外的允許間歇性測(cè)試的電路。例如，如圖2所示，當(dāng)恒溫器開關(guān)210A斷開時(shí)，能夠增加微控制器225所控制的第二開關(guān)255，將電源201A連接于加熱元件140，從而允許微控制器225計(jì)算泄漏電流。
圖5所示為用于控制加熱元件140的控制電路200B的另一種結(jié)構(gòu)的局部電氣原理圖和局部程序塊圖。與圖3所示的結(jié)構(gòu)相似，控制電路200B包括微控制器205，恒溫器開關(guān)210B，電壓測(cè)量電路220，和電流測(cè)量電路225B。然而，對(duì)于圖5中的控制電路200B的結(jié)構(gòu)，圖5所示的電路200B的布置和操作與圖3所示的電路200的布置稍有不同。如圖5所示，電流測(cè)量電路225B包括在12VDC(或12VAC)電源505和恒溫器開關(guān)210B之間電連接的電流電阻旁路500。恒溫器開關(guān)210B由120VAC(或240VAC)電源和12VDC(或12VAC)電源505之間的開關(guān)和恒溫器溫度傳感器控制。電壓測(cè)量電路220與加熱元件并聯(lián)地電連接，以確定熱水器100的狀態(tài)。圖5中的控制電路200B的操作稍類似于圖3中的控制電路200。然而，不同于圖3中的控制電路200，當(dāng)控制電路200B改變?yōu)榉羌訜釥顟B(tài)時(shí)，恒溫器開關(guān)210B對(duì)加熱元件140供應(yīng)低電壓電源505電壓。表3表示最初沒有孔隙的加熱元件140和在元件140的邊緣具有孔隙的元件140之間的對(duì)比。可以看出，表3表示在非加熱狀態(tài)期間老化元件和優(yōu)良元件的電流之間存在較大的差異。
表3在電力斷開狀態(tài)期間的差動(dòng)電流測(cè)量值(12VDC)
當(dāng)熱水器100中的溫度降至低于預(yù)定閾值時(shí)，通過(guò)對(duì)加熱元件140供電，熱水器100設(shè)法將水的溫度加熱至大于預(yù)定閾值加上死區(qū)溫度。加熱元件140產(chǎn)生能夠傳遞至圍繞加熱元件140的水的熱量。水能夠擴(kuò)散許多由加熱元件140產(chǎn)生的熱能。圖6A表示對(duì)加熱元件140供電后加熱元件140的溫度，其中加熱元件140被水圍繞。加熱元件140的溫度開始迅速升高，然后溫度升高變慢，直至加熱元件140的溫度保持相對(duì)穩(wěn)定。加熱單元140所保持的恒溫能夠低于加熱元件140失效時(shí)的溫度。
如果在熱水器100裝滿水之前對(duì)熱水器100供電，或者當(dāng)熱水器100中的水位不足夠高以圍繞加熱元件140而發(fā)生故障時(shí)，供電至加熱元件140將造成稱之為“干燒”的狀態(tài)。如圖6B所示，由于沒有圍繞加熱元件140的水以擴(kuò)散熱量，故在干燒狀態(tài)期間加熱元件140變熱，并且繼續(xù)變熱至引起加熱元件140失效的溫度。在干燒狀態(tài)期間加熱元件140的失效的發(fā)生僅為幾秒鐘的事情。因此，希望在加熱元件140的損害發(fā)生之前迅速檢測(cè)干燒狀態(tài)。
圖7表示當(dāng)存在干燒狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)干燒狀態(tài)并阻止對(duì)加熱元件140供電的第四控制電路600的結(jié)構(gòu)的局部程序塊圖和局部原理圖。
在一些結(jié)構(gòu)中，控制電路600包括較高電壓電源201B(如120VAC，240VAC等等)，加熱元件140，較低電壓電源605(如+12VDC，12VAC，+24VDC，等等)，電流檢測(cè)電路610，控制器205，溫度檢測(cè)電路615，報(bào)警器620，常開開關(guān)625，以及雙刀雙投繼電器630。
如圖7的結(jié)構(gòu)所示，繼電器630的常閉(“NC”)觸點(diǎn)通過(guò)開關(guān)625聯(lián)接至高電壓電源201B。繼電器630的常開的(“NO”)觸點(diǎn)聯(lián)接至低電壓電源605。繼電器630的輸出觸點(diǎn)聯(lián)接至加熱元件140。當(dāng)開關(guān)625閉合并且不對(duì)繼電器630的線圈(以635表示)供電時(shí)，繼電器630保持在常閉觸點(diǎn)保持閉合的狀態(tài)，同時(shí)對(duì)加熱元件140供應(yīng)高電壓，使加熱元件140發(fā)熱。當(dāng)對(duì)繼電器630的線圈635供電時(shí)，繼電器630閉合常開觸點(diǎn)并對(duì)加熱元件140提供+12VDC?？蛇x定低電壓電源605的電壓，使得加熱元件140不會(huì)由于持續(xù)處于干燒狀態(tài)而損壞。
在這種結(jié)構(gòu)中，控制器205聯(lián)接至溫度傳感器615和電流傳感器610，并且從每個(gè)傳感器分別接收熱水器100中的溫度指示以及從低電壓電源605獲取的電流?？刂破?05還聯(lián)接至報(bào)警器620、開關(guān)625以及繼電器630。
圖8表示用于檢測(cè)干燒狀態(tài)的控制電路600的操作的實(shí)施例的流程圖。當(dāng)熱水器100接通電源時(shí)(程序塊700)，控制器205對(duì)繼電器630的線圈635供電(程序塊705)。其斷開繼電器630的常閉觸點(diǎn)并閉合繼電器630的常開觸點(diǎn)。閉合繼電器630的常開觸點(diǎn)使低電壓電源605聯(lián)接至加熱元件140。
在一些結(jié)構(gòu)中，控制器從電流傳感器610讀取通過(guò)低電壓電源605供應(yīng)至加熱元件140的第一電流(程序塊710)。干燒檢測(cè)系統(tǒng)600的其他結(jié)構(gòu)能夠讀取由低電壓電源605和加熱元件140設(shè)立的電路的其他電氣特性(例如，通過(guò)電壓傳感器的電壓)。
其次，控制器205閉合開關(guān)625并連接高電壓電源201B至繼電器630的常閉觸點(diǎn)(程序塊715)?？刂破?05還切斷繼電器630的線圈635的電力(程序塊720)。這斷開繼電器630的常開觸點(diǎn)，使低電壓電源605與加熱元件140斷開，同時(shí)閉合繼電器630的常閉觸點(diǎn)，使高電壓電源201B連接至加熱元件140。將高電壓電源201B聯(lián)接至加熱元件140使得加熱元件140變熱?？刂破?05延遲第一時(shí)間間隔(如，三秒)(程序塊725)。
在延遲(程序塊725)之后，控制器205對(duì)繼電器的線圈635供應(yīng)電力(程序塊730)，其斷開繼電器635的常閉觸點(diǎn)并使高電壓電源201B與加熱元件140斷開。第一時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間能夠允許加熱元件140變熱，且能夠足夠短以確保如果存在干燒狀態(tài)時(shí)，加熱元件140不會(huì)達(dá)到其失效的溫度。對(duì)繼電器630的線圈635供電還可閉合繼電器630的常開觸點(diǎn)，并使低電壓電源605聯(lián)接至加熱元件140。
控制器205延遲第二時(shí)間間隔(例如，十秒)(程序塊735)。在延遲期間，加熱元件140開始冷卻。如果加熱元件140被水圍繞時(shí)，加熱元件140冷卻的速度可以較快?？刂破?05從電流傳感器610讀取通過(guò)低電壓電源605供應(yīng)至加熱元件140的第二電流(程序塊740)。控制器205比較第一檢測(cè)電流和第二檢測(cè)電流，并確定第二檢測(cè)電流是否大于第一檢測(cè)電流一個(gè)閾值以上(程序塊745)。如果第二檢測(cè)電流不大于第一檢測(cè)電流多于所述閾值以上，控制器205確定不存在干燒狀態(tài)，并繼續(xù)正常運(yùn)行(程序塊750)。
如果第二檢測(cè)電流大于第一檢測(cè)電流多于該閾值以上，控制器205確定存在潛在的干燒狀態(tài)，并斷開開關(guān)625(程序塊755)。斷開開關(guān)625確保高電壓電源201B從加熱元件140斷開，并防止損壞加熱元件。然后控制器205發(fā)出警報(bào)，通知潛在干燒狀態(tài)的操作者(程序塊760)。在程序塊760的一種替換形式中，控制器205在一段時(shí)間延遲之后，可以執(zhí)行潛在的干燒狀態(tài)的第二次測(cè)試，從而檢驗(yàn)第一次測(cè)試的準(zhǔn)確度(例如，在箱處于裝灌過(guò)程的情況中)。如果第二次測(cè)試確定存在潛在的干燒狀態(tài)時(shí)，那么控制器可以發(fā)出警報(bào)。
圖9A和9B表示在濕燒狀態(tài)(圖9A)和干燒狀態(tài)(圖9B)的干燒檢測(cè)過(guò)程期間加熱元件140在不同的點(diǎn)的電阻。在程序塊720中，高電壓電力供應(yīng)至加熱元件140。加熱元件140的溫度升高，從而增加加熱元件140的電阻。在延遲(程序塊725)之后，高電壓電力從加熱元件140(程序塊730)斷開。在濕燒狀態(tài)中，圖9A，加熱元件140相對(duì)迅速地冷卻，使得加熱元件140的電阻相對(duì)迅速地下降至接近在如程序塊740所示的最初供應(yīng)高電壓之前的加熱元件140的電阻的水平。
參考圖9B，對(duì)于程序塊720至730，加熱元件140在干燒狀態(tài)的電阻類似于加熱元件140在濕燒狀態(tài)(圖9A)中的電阻。在程序塊730中斷開高電壓電力之后，在干燒狀態(tài)中，加熱元件140獲得更多的熱量并在相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)段內(nèi)具有更高的電阻。如程序塊740所述，當(dāng)存在干燒狀態(tài)時(shí)，測(cè)試包括加熱元件的電路的電氣特性，引起程序塊710的第一次讀數(shù)和程序塊740的第二次讀數(shù)之間的較大差異。
當(dāng)對(duì)熱水器100第一次供應(yīng)電力時(shí)，每次溫度檢測(cè)電路615指示需要熱量時(shí)，或者以一些其它間隔，控制電路600可以執(zhí)行一次干燒檢測(cè)過(guò)程?？刂齐娐?00的其他結(jié)構(gòu)可以在確定存在潛在的干燒狀態(tài)的其他時(shí)候執(zhí)行干燒檢測(cè)過(guò)程(例如，在加熱元件140已經(jīng)聯(lián)接至高功率信號(hào)的一個(gè)時(shí)間間隔之后)。
因此，本發(fā)明連同其它物品一道提供新的有效的熱水器和控制熱水器的方法。本發(fā)明的多個(gè)特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的權(quán)利要求
中提出。
權(quán)利要求
1.一種控制流體加熱設(shè)備的方法，所述流體加熱設(shè)備包括用于加熱圍繞所述加熱元件的流體的加熱元件；以及連接至所述加熱元件并可連接于電源的控制電路，所述控制電路包括從所述電源至所述加熱元件并返回至所述電源的電流通路，連接在所述電流通路中的開關(guān)，以及電流傳感器，所述方法包括通過(guò)在所述電流通路中產(chǎn)生電流，啟動(dòng)所述流體加熱設(shè)備的加熱狀態(tài)，所述產(chǎn)生電流的行為包括使所述開關(guān)允許在所述電流通路中產(chǎn)生電流；通過(guò)停止所述電流通路中的電流，啟動(dòng)所述流體加熱設(shè)備的非加熱狀態(tài)并停止所述流體加熱設(shè)備的加熱狀態(tài)，所述停止行為包括斷開所述開關(guān)以便不允許在所述電流通路中產(chǎn)生電流；在非加熱狀態(tài)期間，施加電壓至所述加熱元件；在施加所述電壓期間，檢測(cè)所述加熱元件的泄漏電流；以及在所述加熱元件失效之前，利用所檢測(cè)的泄漏電流確定所述加熱元件的老化。
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述控制電路還包括連接在所述電流通路中的第二開關(guān)。
3.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述流體加熱設(shè)備為存儲(chǔ)型熱水器，并且所述元件為電阻加熱元件。
4.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述存儲(chǔ)型熱水器包括箱，其中所述加熱元件包括固定所述加熱元件至所述箱的連接組件，并且所述連接組件包括接地觸點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述電流通路包括連接所述電源至所述加熱元件的第一點(diǎn)的第一支路；以及連接所述電源至所述加熱元件的第二點(diǎn)的第二支路，其中，所述開關(guān)連接在第一支路和第二支路的電路中，其中，施加電壓至所述加熱元件包括施加所述電源至所述加熱元件的第一點(diǎn)從而允許第一支路中產(chǎn)生電流，并且，檢測(cè)泄漏電流包括檢測(cè)第二支路中的電流。
6.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述電流通路包括連接所述電源至所述加熱元件的第一點(diǎn)的第一支路；以及連接所述電源至所述加熱元件的第二點(diǎn)的第二支路，其中所述開關(guān)連接在第一支路的電路中，其中，施加電壓包括使所述開關(guān)切換至低電壓電源，從而允許在從所述低電壓電源至所述加熱元件的第一點(diǎn)的第二電流通路中產(chǎn)生電流，并且，檢測(cè)泄漏電流包括檢測(cè)第二電流通路中的電流。
7.如權(quán)利要求
6所述的方法，其中所述傳感器連接在第二電流通路中的電路里。
8.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述方法還包括當(dāng)所述確定顯示所述加熱元件老化時(shí)發(fā)出警報(bào)。
9.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中施加電壓包括間斷地施加電壓至所述加熱元件。
10.如權(quán)利要求
5所述的方法，其中所述開關(guān)包括恒溫器開關(guān)。
11.如權(quán)利要求
10所述的方法，其中所述控制電路還包括連接至所述第一支路和所述第二支路的電壓測(cè)量電路，其中所述電壓測(cè)量電路連接至所述恒溫器開關(guān)和所述加熱元件之間的所述第一支路，并且，所述方法還包括利用所述電壓測(cè)量電路檢測(cè)電壓；和基于檢測(cè)的電壓確定所述流體加熱設(shè)備的狀態(tài)。
12.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述電流傳感器包括電流互感器。
13.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述控制電路還包括微控制器，并且所述開關(guān)包括根據(jù)所述微控制器響應(yīng)的繼電器。
14.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述方法還包括確定表示所述泄漏電流的值，并且所述確定行為包括確定所述值是否大于表示老化的閾值。
15.一種用于加熱流體的流體加熱設(shè)備，所述流體加熱設(shè)備可連接于電源，所述流體加熱設(shè)備包括容器；引導(dǎo)所述流體進(jìn)入所述容器的進(jìn)口；從所述容器排出所述流體的出口；至少部分地由所述容器中的流體圍繞的加熱元件，所述加熱元件包括導(dǎo)線，圍繞所述導(dǎo)線的至少一部分的絕緣材料，以及圍繞所述絕緣材料的至少一部分的外皮；與所述外皮電連接的接地觸點(diǎn)；可連接于所述電源并連接至所述加熱元件的控制電路，所述控制電路包括電流通路，所述電流通路具有連接所述電源至所述加熱元件的第一點(diǎn)的第一支路和連接所述電源至所述加熱元件的第二點(diǎn)的第二支路；連接在第一支路的電路中的開關(guān)；和連接至所述電流通路的電流傳感器，所述控制電路設(shè)置成為通過(guò)在所述電流通路中產(chǎn)生電流，啟動(dòng)所述流體加熱設(shè)備的加熱狀態(tài)，所述產(chǎn)生電流的行為包括使所述開關(guān)允許在所述第一電流通路中產(chǎn)生電流；通過(guò)停止所述電流通路中的電流，啟動(dòng)所述流體加熱設(shè)備的非加熱狀態(tài)并停止所述流體加熱設(shè)備的加熱狀態(tài)，所述停止行為包括斷開所述開關(guān)以便不允許在所述第一電流通路中產(chǎn)生電流，在所述非加熱狀態(tài)期間，允許所述電源連接至所述加熱元件的第二點(diǎn)，從而在所述非加熱狀態(tài)期間允許在第二支路中產(chǎn)生電流，在所述非加熱狀態(tài)期間，在所述電源連接至所述加熱元件的第二點(diǎn)期間，檢測(cè)所述加熱元件的泄漏電流；以及在所述加熱元件失效之前，利用所檢測(cè)的泄漏電流確定所述加熱元件的老化。
16.如權(quán)利要求
15所述的流體加熱設(shè)備，其中所述流體加熱設(shè)備為存儲(chǔ)型熱水器，其中所述容器包括貯水箱，并且所述加熱元件由所述貯水箱支撐。
17.如權(quán)利要求
16所述的流體加熱設(shè)備，其中所述加熱元件包括固定所述加熱元件至所述箱的連接組件，并且所述連接組件包括所述接地觸點(diǎn)。
18.如權(quán)利要求
15所述的流體加熱設(shè)備，其中所述接地觸點(diǎn)通過(guò)所述流體與所述外皮電連接。
19.如權(quán)利要求
15所述的流體加熱設(shè)備，其中所述控制電路包括連接在所述第二支路的電路中的第二開關(guān)，其中所述控制電路還設(shè)置為允許所述電源連接至所述加熱元件的所述第二點(diǎn)，從而在所述非加熱狀態(tài)期間，通過(guò)間斷地操作所述第二開關(guān)，允許在所述第二支路中產(chǎn)生電流。
20.如權(quán)利要求
15所述的流體加熱設(shè)備，其中所述電流傳感器包括檢測(cè)所述第一支路和第二支路的電流的環(huán)形互感器。
21.如權(quán)利要求
15所述的流體加熱設(shè)備，其中所述控制電路還包括揚(yáng)聲器，并且所述控制電路還設(shè)置為當(dāng)所述確定指示所述加熱元件老化時(shí)發(fā)出警報(bào)。
22.如權(quán)利要求
15所述的流體加熱設(shè)備，其中所述開關(guān)包括恒溫器開關(guān)。
23.如權(quán)利要求
22所述的流體加熱設(shè)備，其中所述控制電路還包括連接至所述第一支路和所述第二支路的電壓測(cè)量電路，其中所述電壓測(cè)量電路連接至在所述恒溫器開關(guān)和所述加熱元件之間的第一支路，并且所述控制電路還設(shè)置為利用所述電壓測(cè)量電路檢測(cè)電壓；以及基于檢測(cè)的電壓確定所述流體加熱設(shè)備的狀態(tài)。
24.如權(quán)利要求
15所述的流體加熱設(shè)備，其中所述控制電路還包括微控制器，并且所述開關(guān)包括根據(jù)所述微控制器響應(yīng)的繼電器。
25.一種用于加熱流體的流體加熱設(shè)備，所述流體加熱設(shè)備可電連接于電源，所述流體加熱設(shè)備包括容器；引導(dǎo)所述流體進(jìn)入所述容器的進(jìn)口；從所述容器排出所述流體的出口；至少部分地由所述容器中的流體圍繞的加熱元件，所述加熱元件包括導(dǎo)線，圍繞所述導(dǎo)線的至少一部分的絕緣材料，以及圍繞所述絕緣材料的所述一部分的外皮；與所述外皮電連接的接地觸點(diǎn)；可連接于所述電源并連接至所述加熱元件的控制電路，所述控制電路包括第一電流通路，所述第一電流通路具有連接所述電源至所述加熱元件的第一點(diǎn)的第一支路和連接所述電源至所述加熱元件的第二點(diǎn)的第二支路；連接在第一支路的電路中的開關(guān)；和通過(guò)所述開關(guān)連接低電壓電源至所述加熱元件的第二電流通路；以及連接至所述第二電流通路的電流傳感器，所述控制電路設(shè)置成為通過(guò)在所述第一電流通路中產(chǎn)生電流，啟動(dòng)所述流體加熱設(shè)備的加熱狀態(tài)，所述產(chǎn)生電流的行為包括使所述開關(guān)允許在所述第一電流通路中產(chǎn)生電流，通過(guò)停止所述電流通路中的電流，啟動(dòng)所述流體加熱設(shè)備的非加熱狀態(tài)并停止所述流體加熱設(shè)備的加熱狀態(tài)，在所述非加熱狀態(tài)期間，連接所述低電壓電源至所述加熱元件，從而在所述非加熱狀態(tài)期間，允許在第二電流通路中產(chǎn)生電流，在所述低電壓電源連接至所述加熱元件期間，檢測(cè)所述加熱元件的泄漏電流；以及在所述加熱元件失效之前，利用所檢測(cè)的泄漏電流確定所述加熱元件的老化。
26.如權(quán)利要求
25所述的流體加熱設(shè)備，其中所述電流傳感器連接在第二電流通路的電路中。
27.如權(quán)利要求
25所述的流體加熱設(shè)備，其中所述流體加熱設(shè)備為存儲(chǔ)型熱水器，其中所述容器包括貯水箱，并且所述加熱元件由所述貯水箱支撐。
28.如權(quán)利要求
27所述的流體加熱設(shè)備，其中所述加熱元件包括固定所述加熱元件至所述箱的連接組件，并且所述連接組件包括所述接地觸點(diǎn)。
29.如權(quán)利要求
25所述的流體加熱設(shè)備，其中所述接地觸點(diǎn)通過(guò)所述流體與所述外皮電連接。
30.如權(quán)利要求
25所述的流體加熱設(shè)備，其中所述控制電路還包括揚(yáng)聲器，并且所述控制電路還設(shè)置為當(dāng)所述確定指示所述加熱元件老化時(shí)發(fā)出警報(bào)。
31.如權(quán)利要求
25所述的流體加熱設(shè)備，其中所述開關(guān)包括恒溫器開關(guān)。
32.如權(quán)利要求
25所述的流體加熱設(shè)備，其中所述控制電路包括微控制器，并且所述開關(guān)包括根據(jù)所述微控制器響應(yīng)的繼電器。
專利摘要
一種用于加熱流體的流體加熱設(shè)備，以及操作該設(shè)備的方法。該流體加熱設(shè)備包括用于加熱圍繞加熱元件的流體的加熱元件；和連接至加熱元件并且可連接于電源的控制電路。該控制電路包括從電源至加熱元件并返回至電源的電流通路；連接在該電流通路中的開關(guān)；以及電流傳感器。該方法包括啟動(dòng)流體加熱設(shè)備的加熱狀態(tài)；啟動(dòng)流體加熱設(shè)備的非加熱狀態(tài)；在非加熱狀態(tài)期間施加電壓至加熱元件；在施加電壓期間檢測(cè)加熱元件的泄漏電流；以及利用所檢測(cè)的泄漏電流確定加熱元件的老化。
文檔編號(hào)F24H1/00GK1991272SQ200610153157
公開日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2006年12月7日
發(fā)明者雷·O·克內(nèi)佩爾, 西斯廷 托馬斯·G·范, 賈森·W·T·斯科特, 大衛(wèi)·E·莫里斯 申請(qǐng)人:Aos控股公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan