專利名稱：具有雙重并排的加熱元件的熱水器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及電熱水器。本發(fā)明具體涉及用于將電功率以提高熱水器加熱效率的方式傳遞到電阻加熱元件的方法與設(shè)備。
背景技術(shù)：
存儲(chǔ)型熱水器通常包括永久封閉水箱；圓柱形外殼，其與水箱同軸且在徑向上遠(yuǎn)離水箱，以在水箱外壁和外殼內(nèi)壁之間形成環(huán)狀空間；和絕熱材料，其至少位于環(huán)狀空間的一部分，以向水箱提供隔熱。水箱具有多種附件，如入水口、出水口和排水裝置。另外，熱水器還具有水加熱及溫度控制系統(tǒng)。水加熱及溫度控制系統(tǒng)包括電阻加熱元件。該加熱元件延伸通過水箱壁中的裝置，使得加熱元件在水箱內(nèi)。加熱元件連接至水箱外的電源。
傳統(tǒng)的水的加熱與溫度控制系統(tǒng)還典型地包括機(jī)械溫控器。當(dāng)水箱中的水被檢測到低于選定的設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，該機(jī)械溫控器關(guān)閉開關(guān)使得電功率通過電阻加熱元件，并且當(dāng)水箱中的水高于或等于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，該機(jī)械溫控器打開開關(guān)以停止電功率通過電阻加熱元件。通過電阻加熱元件的電功率或者是全部打開，通過全部電流，或者完全地關(guān)閉。由于制造中的變化與機(jī)械溫控器的滯后作用，水溫將“超調(diào)”(“overshoot”)需要的設(shè)定點(diǎn)溫度。也就是說，即使當(dāng)水溫高于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，水的加熱與溫度控制系統(tǒng)也使電阻加熱元件繼續(xù)加熱水箱中的水。防止或限制傳統(tǒng)熱水器的超調(diào)的量應(yīng)該是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供一種熱水器，其具有用于將電功率以脈沖(pulse)或脈沖串(burst)的形式調(diào)節(jié)到電阻加熱元件的控制器。將電功率以脈沖或脈沖串的形式提供到加熱元件使得相同數(shù)量的水以與現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)械式溫度控制器實(shí)質(zhì)上相同的速率加熱到選定的溫度，卻實(shí)質(zhì)上使用更少的電功率以加熱水。因此，調(diào)節(jié)電功率提高了熱水器的效率。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，如果包括多個(gè)控制的加熱元件，則熱水器產(chǎn)生更高的效率。如果使用多個(gè)加熱元件，則控制器可優(yōu)選地順序地或以預(yù)定頻率或以預(yù)定方式來激勵(lì)元件，從而傳遞到水箱的熱能以平衡或均勻的方式分布。進(jìn)一步，在大約加熱器水箱下面的三分之一容積放置或安裝加熱元件還可提高熱水器的節(jié)能性。在水箱的下面的三分之一容積安裝多個(gè)加熱元件增加了加熱元件的輻射范圍，并且導(dǎo)致功率在更大的范圍擴(kuò)展。這導(dǎo)致水中的對流的流動(dòng)速率形式增加，并且有助于更加均勻地加熱水。
本發(fā)明還提供一種熱水器，其包括用于保存水的水箱；進(jìn)水管，其具有將冷水引進(jìn)水箱的進(jìn)水口；出水管，其具有將加熱的水從水箱中排出的出水口；延長進(jìn)入水箱的第一加熱元件；以及延長進(jìn)入水箱的第二加熱元件。熱水器包括控制電路，可操作該控制電路以分別控制將電功率以脈沖串的方式提供到第一與第二加熱元件。每個(gè)脈沖串后跟隨一個(gè)其間不將電功率提供到加熱元件的時(shí)間段，從而提高熱水器的效率。還可操作該控制電路以激勵(lì)第一脈沖串持續(xù)第一時(shí)間周期并且激勵(lì)第二脈沖串持續(xù)第二時(shí)間周期。
對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在審閱了隨附的詳細(xì)描述、權(quán)利要求與附圖以后，本發(fā)明的其它特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。


圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的熱水器的剖視圖，顯示了本發(fā)明的溫度控制器與熱水器其它部分有關(guān)的布置。
圖2是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的溫度控制器的電路原理圖。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)械溫度控制器和本發(fā)明的比例帶溫度控制器的用電數(shù)據(jù)圖。
圖4是現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)械溫度控制器和本發(fā)明的比例帶溫度控制器的耗電率數(shù)據(jù)圖。
圖5是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具有多個(gè)加熱元件的另一熱水器的剖面圖。
圖6是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具有多個(gè)加熱元件的再一熱水器的剖面圖。
圖7是圖6中所示的熱水器的部分剖面圖。
圖8是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的包括控制器的熱水器的剖面圖。
圖9是圖8中所示的控制器的部分放大圖。
圖10是圖8中所示的控制電路的原理示意圖。
圖11是用于圖10中所示的控制電路的電源的電原理圖。
圖12是圖10中所示的控制電路的過零檢測器的電原理圖。
圖13是圖10中所示的控制電路的低壓復(fù)位電路的電原理圖。
圖14是圖10中所示的控制電路的溫度傳感電路的電原理圖。
圖15是圖10中所示的控制電路的溫控器的電原理圖。
圖16(a)和16(b)是圖10中所示的控制電路的各部分的電原理圖。
圖17是用于圖10中所示的控制電路的振蕩器的電原理圖。
圖18是表示控制圖8中所示的熱水器的方法的流程圖。
圖19是表示用于執(zhí)行測試以確定加熱元件是否被浸沒的示例方法的流程圖。
圖20a、20b、20c和20d是表示執(zhí)行采集傳感器樣本、計(jì)算水溫、計(jì)算溫控器設(shè)置、在需要的情況下的改變操作模式、設(shè)置加熱周期狀態(tài)、并設(shè)置加熱優(yōu)先級的步驟的示例方法的流程圖各部分。
圖21是表示800ms中斷事件的流程圖。
在詳細(xì)解釋本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于在下面的說明中提出或附圖中描述的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及部件安排。本發(fā)明能夠以其它方式實(shí)施，且能夠以多種方法實(shí)踐或?qū)崿F(xiàn)。而且應(yīng)當(dāng)理解，這里使用的措詞和術(shù)語是用于描述的而不應(yīng)被認(rèn)為是用作限定。這里使用的“包括”和“包含”以及它們的變形代表包括其后列出的條項(xiàng)及其等同物和附加條項(xiàng)。這里使用的“由……構(gòu)成”及其變形代表僅包括其后列出的條項(xiàng)。
具體實(shí)施例方式
如上所述，在具有電阻加熱元件的熱水器中使用比例帶溫度控制器具有意外的優(yōu)點(diǎn)，將熱水器中的水加熱至預(yù)選的設(shè)置點(diǎn)溫度，而比在使用現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)械溫度控制器的相同熱水器中將等量的水加熱至相同的設(shè)置點(diǎn)溫度耗電少。
一種示例性的比例帶溫度控制器是一種電子設(shè)備，包括水溫傳感設(shè)備(熱敏電阻)；溫度設(shè)置點(diǎn)設(shè)備(可變電阻器)；門控晶閘管，用于將電功率切換至電阻加熱元件；和邏輯電路，用于響應(yīng)來自水溫傳感設(shè)備和溫度設(shè)置點(diǎn)設(shè)備的信號而控制晶閘管。邏輯電路接收來自水溫傳感設(shè)備和溫度設(shè)置點(diǎn)設(shè)備的電壓輸入，其指示水溫與設(shè)置點(diǎn)溫度之間的差距。邏輯電路響應(yīng)來自水溫傳感設(shè)備和溫度設(shè)置點(diǎn)設(shè)備的電壓輸入，用信號通知門控晶閘管。在水溫傳感設(shè)備和溫度設(shè)置點(diǎn)設(shè)備之間溫差大的情況，邏輯電路用信號通知門控晶閘管在AC電流每一循環(huán)的約94％的大部分中導(dǎo)電，并用信號通知門控晶閘管在每一AC循環(huán)的約6％中停止導(dǎo)電。隨著水和設(shè)置點(diǎn)之間的溫差變小，水溫進(jìn)入比例控制帶，在比例控制帶中邏輯電路開始向門控晶閘管施加更多的控制，以限制向電阻加熱元件的供電。隨著水溫進(jìn)入比例控制帶，邏輯電路建立新的控制循環(huán)，并用信號通知晶閘管在每一循環(huán)的85％中傳導(dǎo)電功率，并在每一循環(huán)的15％中停止導(dǎo)電。隨著水溫靠近設(shè)置點(diǎn)溫度，邏輯電路用信號通知晶閘管在每一循環(huán)的更少時(shí)間中導(dǎo)電。當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)置點(diǎn)溫度時(shí)，邏輯電路關(guān)閉晶閘管，且電功率不被供應(yīng)至電阻加熱元件，直至水溫再次低于設(shè)置點(diǎn)溫度。為了避免設(shè)置點(diǎn)溫度附近的不適當(dāng)?shù)难h(huán)，在再次用信號通知晶閘管傳導(dǎo)電功率并將水加熱恢復(fù)至設(shè)置點(diǎn)溫度之前，邏輯電路被設(shè)置為需要使水溫下降至低于設(shè)置點(diǎn)溫度5°至10°F。
這種在使用比例帶溫度控制器的熱水器中對水進(jìn)行加熱的效率提高沒有完全被理解。在理論上，本質(zhì)上所有供給電阻加熱元件的電功率都將被轉(zhuǎn)化為熱，且熱應(yīng)當(dāng)被傳輸至環(huán)繞電阻加熱元件的水。等量的電功率應(yīng)當(dāng)將等重量的水加熱相同的溫度。如下面的例子所示，具有比例帶溫度控制器的熱水器將一水箱的水加熱至選定的設(shè)置點(diǎn)溫度所需的電功率比現(xiàn)有技術(shù)的具有機(jī)械溫度控制器的相同熱水器少約10％。用于以很少的超調(diào)使水達(dá)到設(shè)置點(diǎn)溫度的比例帶溫度控制器在準(zhǔn)確性上的改善解決了機(jī)械溫度控制器的某些效率改進(jìn)，但沒有解決所有。
盡管不希望被限制到以下的敘述中，我建議當(dāng)使用比例帶溫度控制器時(shí)在加熱效率上的提高源于水箱內(nèi)的物理?xiàng)l件，該物理?xiàng)l件影響了從電阻加熱元件至水的熱傳遞。比例帶溫度控制器以短脈沖串將電功率傳導(dǎo)至電阻加熱元件，直至水箱中的水達(dá)到選定的設(shè)置點(diǎn)溫度，其中所述短脈沖串后跟隨不傳導(dǎo)電功率的短暫周期。當(dāng)水達(dá)到設(shè)置點(diǎn)溫度時(shí)，比例帶溫度控制器準(zhǔn)確地停止向電阻加熱元件傳導(dǎo)電功率。另一方面，現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)械溫度控制器在水被加熱期間持續(xù)以滿功率向電阻加熱元件傳導(dǎo)電功率。當(dāng)水達(dá)到設(shè)置點(diǎn)溫度時(shí)，雙金屬熱電偶的機(jī)械特性可能導(dǎo)致機(jī)械溫度控制器超調(diào)，并在停止將電功率傳導(dǎo)至電阻加熱元件之前將水加熱至高于設(shè)置點(diǎn)溫度的溫度。
在家用熱水器中使用的電阻加熱元件在幾秒鐘之內(nèi)加熱至800°F至900°F范圍的溫度。與這樣的熱電阻加熱元件接觸的水可能依賴于水箱壓力而蒸發(fā)，可能在電阻加熱元件周圍形成一層蒸汽并減少從電阻加熱元件傳遞給水的熱量。在機(jī)械溫度控制器中，電阻加熱元件被這樣加熱并保持高溫，直至雙金屬熱電偶切斷電源。來自電阻加熱元件且被機(jī)械溫度控制器控制的熱量可能被輻射至水箱壁，或可能通過蒸發(fā)對流而被傳送至水箱頂部，在水箱頂部，多余的熱量被最頂層的遠(yuǎn)離溫度傳感雙金屬熱電偶的水所吸收。
在比例帶溫度控制器中，電阻加熱元件在電功率的每一個(gè)脈沖串期間被加熱，且在脈沖串之間的時(shí)間段中通過與水接觸而被冷卻。在電功率的每一脈沖串之間對電阻加熱元件的冷卻減少了電阻加熱元件提高的溫度，并減少了在熱電阻加熱元件周圍的蒸發(fā)積累的電勢。于是，從電阻加熱元件傳遞至水的熱量增加了。以不連續(xù)的短脈沖串向熱水器中的電阻加熱元件提供電功率改善了從電阻加熱元件到熱水器中的水的熱傳遞效率，其中每一脈沖串后跟隨電功率關(guān)斷的時(shí)間段。
比例帶溫度控制器為人們所熟知且廣泛應(yīng)用于許多商業(yè)應(yīng)用，包括控制如咖啡機(jī)這樣的裝置中的水溫。據(jù)我所知，比例帶溫度控制器尚未應(yīng)用于控制存儲(chǔ)型熱水器中的大體積水的溫度。
圖1顯示了熱水器10的剖視圖，熱水器10包括永久封閉水箱11、圍繞水箱11的外殼12、和填充水箱11和外殼12之間的環(huán)形空間的泡沫絕熱層13。進(jìn)水管或汲取管14和出水管15進(jìn)入水箱11的頂部。進(jìn)水管14具有用于在水箱11的底部附近添加冷水的進(jìn)水口22。出水管15具有用于從水箱11的頂部附近排出熱水的出水口24。電阻加熱元件16延伸通過水箱11的壁。控制箱17內(nèi)的比例帶控制電路連接至電阻加熱元件16。熱敏電阻18與水箱11的外壁相接觸以檢測水箱11中的水溫，其通過電線19連接至邏輯電路。交流電通過導(dǎo)線20供應(yīng)給門控晶閘管?？啥ㄖ频牟僮鹘涌诳梢园惭b在熱水器的外側(cè)，以與控制箱17進(jìn)行通信并提供用于控制加熱元件的安全保護(hù)訪問?？刹僮鞑僮鹘涌谝蕴峁訜嵩闹苯踊蜻h(yuǎn)程控制。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的方法的用于加熱熱水器中的水的優(yōu)選的比例帶溫度控制電路100的電路原理圖。在圖2中，電阻加熱元件125是用于加熱熱水器中的水的4500W加熱元件。溫度設(shè)置點(diǎn)設(shè)備101是可變電阻器，用于將溫度設(shè)置點(diǎn)設(shè)置在大約90°F至180°F范圍內(nèi)。熱敏電阻102用于檢測熱水器中的水溫。在另一實(shí)施例中，可以在水箱內(nèi)各處放置多個(gè)熱敏電阻，以測量多個(gè)位置的水溫。多個(gè)熱敏電阻的輸出可以被平均。
門控晶閘管103是由Motorola公司生產(chǎn)的TRIAC，用于控制到電阻加熱元件125的電功率。邏輯芯片104是由Motorola公司生產(chǎn)的比例帶溫度控制器UAA1016A。通過導(dǎo)線105和106向比例帶溫度控制電路100供應(yīng)240V電。下面將要描述的光電耦合器108用于控制在比例帶溫度控制電路再次啟動(dòng)之前必須從設(shè)置點(diǎn)溫度下降的水溫的量。
約為-8V的穩(wěn)定供電電壓從導(dǎo)線106通過齊納二極管107和電阻109進(jìn)入導(dǎo)線110，供應(yīng)給比例代溫度控制電路。通過溫度設(shè)置點(diǎn)設(shè)備101和溫度傳感器102的電壓降在點(diǎn)111產(chǎn)生信號電壓。信號電壓與設(shè)置點(diǎn)溫度和傳遞的水溫之間的溫差成比例。測量電壓通過導(dǎo)線112被傳輸至邏輯芯片104內(nèi)電壓比較器113的一條管腳。在點(diǎn)116生成參考電壓，其幅度由通過電阻114和115的電壓降而確定。在邏輯芯片104內(nèi)的鋸齒波發(fā)生器118中生成的鋸齒波電壓在點(diǎn)119被施加于參考電壓。由鋸齒波電壓修改的參考電壓通過導(dǎo)線117流至電壓比較器113的第二管腳。
施加于參考電壓的鋸齒波電壓導(dǎo)致電壓比較器113的第二管腳處的電壓在約0.85秒的周期內(nèi)以鋸齒波的形式從最小電壓變化到最大電壓。在電壓比較器113中，第一管腳處的信號電壓與第二管腳處的修改后的參考電壓進(jìn)行比較。比較結(jié)果通過導(dǎo)線120傳輸至邏輯電路121。在邏輯電路121中，生成的信號流經(jīng)導(dǎo)線122、放大器123和導(dǎo)線124，用于控制晶閘管103。當(dāng)比較器113的第一管腳處的信號電壓大于比較器113的第二管腳處的參考電壓的最大值時(shí)，到晶閘管103的信號將傳導(dǎo)并允許電功率流經(jīng)電阻加熱元件125，以用來加熱水箱中的水。安排邏輯芯片104，以使導(dǎo)線124中的信號使得晶閘管103在每一交流電周期的96％中導(dǎo)電，并在每一電流周期的4％中停止傳導(dǎo)。
由于溫度傳感器102檢測的水溫達(dá)到在設(shè)置點(diǎn)溫度設(shè)備101上選擇的設(shè)置點(diǎn)溫度，電壓比較器113的第一管腳處的信號電壓將降至低于電壓比較器113的第二管腳處的參考電壓的最大值的值。當(dāng)信號電壓在參考電壓的最大值和參考電壓的平均值之間的范圍中時(shí)，溫度控制電路100在比例帶控制范圍內(nèi)。于是，當(dāng)信號電壓大于電壓比較器的第二管腳處的參考電壓值時(shí)，邏輯電路121用信號通知放大器123，使其用信號通知晶閘管103將電功率傳導(dǎo)至電阻加熱元件125。然后，隨著鋸齒波電壓導(dǎo)致電壓比較器的第二管腳處的參考電壓增至大于電壓比較器的第一管腳處的信號電壓值的值，邏輯電路121用信號通知放大器123，使其用信號通知晶閘管103停止向電阻加熱元件125傳導(dǎo)電功率。隨著電壓比較器的第一管腳處的信號電壓接近電壓比較器113的第二管腳處的參考電壓的平均值，在生成的鋸齒波電壓的每一周期的更多比例中晶閘管103不導(dǎo)通。當(dāng)由溫度傳感器102檢測的水溫等于溫度設(shè)置點(diǎn)設(shè)備101的設(shè)置點(diǎn)溫度時(shí)，電壓比較器113的第一管腳處的信號電壓將等于電壓比較器113的第二管腳處的平均參考電壓值，且邏輯電路121用信號通知放大器123關(guān)斷晶閘管103，切斷向電阻加熱元件125的電功率。晶閘管103保持為非導(dǎo)通狀態(tài)，直至溫度傳感器102檢測的水溫降到低于設(shè)置點(diǎn)溫度預(yù)設(shè)的量，這將在下面說明。
電壓比較器113的第一管腳處的信號電壓和電壓比較器113的第二管腳處的參考電壓必須具有這樣的值，其使得邏輯電路121可以產(chǎn)生到放大器123的可以適當(dāng)控制晶閘管103將水加熱至期望溫度的信號。溫度設(shè)置點(diǎn)設(shè)備101是可變電阻器，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)它的電阻以改變設(shè)置點(diǎn)溫度。溫度傳感器102是熱敏電阻，其電阻隨著檢測的水溫升高而降低。選擇電阻126和127的值，使得點(diǎn)111處的信號電壓與設(shè)置點(diǎn)溫度和檢測的水溫之間的差成比例。點(diǎn)116處的參考電壓由電阻114和115的值確定，且于點(diǎn)119處施加到參考電壓的鋸齒波電壓的幅度由電阻128和129的值確定。必須調(diào)整這些電阻的值，以適應(yīng)特定的溫度設(shè)置點(diǎn)設(shè)備101、溫度傳感器102和為比例帶溫度控制電路100選擇的邏輯芯片104的特性。
如上所述，光電耦合器108包括在比例帶溫度控制電路100中，以防止在檢測的水溫在設(shè)置點(diǎn)溫度附近時(shí)的晶閘管103的不適當(dāng)循環(huán)。當(dāng)檢測的水溫等于設(shè)置點(diǎn)溫度時(shí)，邏輯電路121用信號通知放大器123關(guān)斷晶閘管103并停止將電功率傳導(dǎo)至電阻加熱元件125。如果沒有光電耦合器108，則當(dāng)檢測的水溫下降至低于設(shè)置點(diǎn)溫度一很小的量例如少于1℃時(shí)，邏輯電路121將用信號通知放大器123打開晶閘管103并將電功率傳導(dǎo)至電阻加熱元件125，直至檢測的水溫再次加熱到設(shè)置點(diǎn)溫度。這個(gè)步驟導(dǎo)致迅速打開和關(guān)斷晶閘管103，以將檢測的水溫控制得盡可能接近設(shè)置點(diǎn)溫度。
通過導(dǎo)線130和131與電阻加熱元件125電路相連的光電耦合器108的操作使得當(dāng)電流流經(jīng)電阻加熱元件125時(shí)檢測的溫度顯得比實(shí)際高約5℃。所以，當(dāng)溫度傳感器102檢測的水溫達(dá)到設(shè)置點(diǎn)溫度時(shí)，晶閘管103停止通過電阻加熱元件125和光電耦合器108傳導(dǎo)電流。如果沒有電流流經(jīng)光電耦合器108，則點(diǎn)111處的信號電壓由經(jīng)過溫度傳感器102的電壓降和經(jīng)過設(shè)置點(diǎn)設(shè)備101、電阻126及電阻127的電壓降而確定。電阻127生成的電壓降與由約5℃的檢測溫度變化而引起的電壓降等效。于是，檢測的溫度顯得比其實(shí)際高約5℃，且在電壓比較器113的第一管腳處的信號電壓指示檢測的溫度低于設(shè)置點(diǎn)溫度之前，檢測的溫度必須額外下降5℃。當(dāng)電壓比較器113用信號向邏輯電路121通知檢測溫度低于設(shè)置點(diǎn)溫度時(shí)，邏輯電路121用信號通知放大器123打開晶閘管103并允許電流流經(jīng)電阻加熱元件125。隨著電流流經(jīng)電阻加熱元件125，電流通過導(dǎo)線130和131流經(jīng)光電耦合器108。隨著電流流經(jīng)光電耦合器108，電阻127被分流，且消除了視在的測量水溫的5℃偏差。然后邏輯電路121用信號通知放大器123打開晶閘管103，直至檢測的水溫再次達(dá)到設(shè)置點(diǎn)溫度。光電耦合器108的這個(gè)步驟使得在晶閘管103再次通過電阻加熱元件125傳導(dǎo)電功率之前，檢測的溫度降至設(shè)置點(diǎn)溫度以下約5℃，并使得在切斷電阻加熱元件125的電功率之前將檢測的水溫加熱至設(shè)置點(diǎn)溫度。這個(gè)步驟防止了當(dāng)檢測水溫在設(shè)置點(diǎn)溫度附近時(shí)通過電阻加熱元件125的電流循環(huán)。
在另一實(shí)施例中，溫度控制電路100能夠包括可編程實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其中高峰或非高峰需能周期或空閑操作循環(huán)可以被編程為對加熱元件的控制循環(huán)。另外，也可以添加壓力傳感器、溫度傳感器、礦物質(zhì)沉積(mineral deposit)傳感器和/或用于檢測水的存在的傳感器。當(dāng)檢測到預(yù)定的條件或限制時(shí)，將把控制電路編程為斷開來自熱水器和/或加熱元件的電功率。進(jìn)一步，控制電路可以包括用于響應(yīng)不同條件而自動(dòng)調(diào)整設(shè)置點(diǎn)的裝置，所述不同條件例如用水量或處于高峰還是非高峰需能周期。
示例在第一個(gè)例子中，操作具有4500W電阻加熱元件的熱水器，用來使用240V交流電將水從60°F加熱至120°F。在第一行程中，使用在本申請的介紹部分中描述的可商用的雙金屬溫控器，以檢測水溫并控制到電阻加熱元件的電流。在第二行程中，使用圖2中所示的在本申請中描述的比例帶溫度控制電路，以檢測水溫并控制到電阻加熱元件的電流流動(dòng)。圖3中顯示了兩個(gè)行程的比較結(jié)果。
對于行程1，雙金屬溫控器上的張力由雙頭螺栓調(diào)節(jié)，使得雙金屬溫控器在120°F的設(shè)置點(diǎn)溫度處從扁平結(jié)構(gòu)迅速變?yōu)榘肭蛐谓Y(jié)構(gòu)。雙金屬溫控器在電阻加熱元件上方約三英寸的位置接觸熱水器水箱的外壁。雙金屬溫控器通過絕熱桿連接至向電阻加熱元件供電的導(dǎo)線中的電開關(guān)。水箱充滿60°F的水，且電源連接至提供電阻加熱元件的導(dǎo)線。雙金屬溫控器保持為扁平狀且電開關(guān)關(guān)閉。電流持續(xù)大約27分鐘以19.7安培的速率流經(jīng)電阻加熱元件，直至水被加熱至約122°F。然后雙金屬溫控器迅速變?yōu)榘肭蛐危瑔?dòng)開關(guān)切斷到電阻加熱元件的電流。圖3中顯示了對于第一行程的水溫與時(shí)間關(guān)系圖。
對于行程2，使用了如圖2所示的在本申請中描述的比例帶溫度控制電路。設(shè)置點(diǎn)設(shè)備101被校準(zhǔn)為設(shè)置點(diǎn)120°F溫度，且熱敏電阻溫度傳感設(shè)備102在電阻加熱元件125上方約三英寸處附著于水箱。晶閘管103連接至電阻加熱元件125。熱水器的水箱被排干且重新充滿60°F的水，且比例帶溫度控制電路100連接至電功率干線。比例帶溫度控制電路100最初向電阻加熱元件125提供18.8安培的電，即大約為行程1的機(jī)械溫控器提供的電流的95％。在大約四分鐘后(68°F)，比例帶溫度控制電路100將供給電阻加熱元件125的電減至18.6安培，即大約為行程1的機(jī)械溫控器提供的電流的91％。在大約21分鐘后(104°F)，檢測的水溫進(jìn)入比例帶溫度范圍且比例帶溫度控制電路100開始緩慢減少到電阻加熱元件125的電流，直至27分鐘后檢測的水溫達(dá)到設(shè)置點(diǎn)溫度，且比例帶溫度電路100關(guān)斷到電阻加熱元件125的電流。
對圖3的檢查顯示了相同量的水在行程1和行程2中在相同時(shí)間被加熱至幾乎相等的溫度。然而，在行程1中需要電19.7安培，而在行程2中在加熱期間僅需要電約18.6安培。即，在裝備了本發(fā)明的比例帶溫度控制電路的熱水器中加熱水需要的電功率比在使用機(jī)械溫度控制器的相同熱水器中將等量的水加熱至相同溫度少約9％，其中本發(fā)明的比例帶溫度控制電路以短脈沖串向電阻加熱元件125供電，且短脈沖串后跟隨短暫的斷電時(shí)間段。這是意外的結(jié)果。
比例帶溫度控制電路向負(fù)載發(fā)出的電流脈沖使得水溫可以響應(yīng)施加的電流而精密地迅速提高和降低。施加于加熱元件每一時(shí)間段的電流的短暫中斷可以使輻射能量從加熱元件向水更有效的傳遞。
作為第二個(gè)例子，執(zhí)行一個(gè)測試以確定在典型的熱水加熱操作循環(huán)期間消費(fèi)者要使用的能量的實(shí)際量。參考圖4，對于機(jī)械溫控器和包含比例帶控制邏輯的電子溫控器繪制了實(shí)際的千瓦時(shí)(kWh)與時(shí)間的關(guān)系。
圖4說明在典型的加熱循環(huán)期間，使用比例帶控制邏輯的直接結(jié)果是少用約3％的能量。通過改變?nèi)穗p向可控硅開關(guān)元件的點(diǎn)火象限(firing quadrant)的導(dǎo)通角，有可能將這個(gè)百分比增至約5-5.5％，而不會(huì)對熱水器的性能產(chǎn)生不利影響。
另外，通過限制流向使用比例帶控制邏輯的加熱元件的電流，并通過以脈沖向加熱器供電，逐漸滑向溫度設(shè)置點(diǎn)而不超調(diào)期望溫度，可以再減少15％的能耗。
將電流調(diào)制和防止溫度設(shè)置點(diǎn)的超調(diào)相結(jié)合，向消費(fèi)者提供了與使用雙金屬機(jī)械溫控器的類似加熱器的操作成本相比將近10％的復(fù)合能量節(jié)約。
過熱水通過125°F-130°F的合理溫度通常會(huì)浪費(fèi)能量。典型的兩英尺厚絕熱層在高于約130°F的溫度下失去有效保持熱量的能力。這種在備用模式中的能量損失是浪費(fèi)的，且潛在地導(dǎo)致加熱器循環(huán)次數(shù)更經(jīng)常超過需要。
本發(fā)明的比例帶控制電路防止超調(diào)，并使得水溫僅下降10°F左右，以僅周期使水溫返回想要的設(shè)置點(diǎn)所需要的差別。
比例帶控制電路的另一優(yōu)點(diǎn)是它適用于易燃蒸汽環(huán)境。例如，在修車場、車間、或地下儲(chǔ)存室區(qū)域存在具有溶劑、汽油、丙烷或其它高易燃性或爆炸性蒸汽的環(huán)境。當(dāng)建立或斷開電接觸時(shí)，依賴于切換的電流量，機(jī)械溫控器及接觸型開關(guān)設(shè)備可能形成電弧。如果蒸汽充分不穩(wěn)定，則電弧可以點(diǎn)燃易燃蒸汽。相反，比例帶控制電路完全是固態(tài)的，沒有移動(dòng)部分，且不會(huì)點(diǎn)燃易燃蒸汽。
盡管上述實(shí)現(xiàn)的比例帶控制具有優(yōu)勢，但可以在具有多重被控的加熱元件中得到甚至更高的加熱效率。圖5中顯示了具有該元件的示例熱水器150，它受以下專利的影響，即1999年8月17日遞交的名稱為PROPORTIONAL BAND TEMPERATURE CONTROL FORMULTIPLE HEATING ELEMENTS的美國專利09/361825，這里并入該專利作為參考。熱水器150與熱水器10共享許多公用元件，且公用元件在圖1和5中以相同的附圖標(biāo)記代表。然而，與熱水器10不同，熱水器150具有多個(gè)加熱元件16和16’。加熱元件16位于水箱的較低部分中，加熱元件16’位于水箱的較高部分中?？梢酝ㄟ^存儲(chǔ)在控制箱17’中的控制電路控制加熱元件16’，控制電路通過如電線這樣的通信鏈路19’接收來自熱敏電阻或溫度傳感器18’的輸入?；蛘弑M管未顯示，但傳感器18’和加熱元件16’可以與存儲(chǔ)在控制箱17中的控制電路聯(lián)系，且能夠使用一個(gè)控制器而非多個(gè)電路。傳感器18’和加熱元件16’之間的通信可以通過與導(dǎo)線20物理上平行的通信鏈路(未顯示)而實(shí)現(xiàn)。在以單個(gè)控制器控制兩個(gè)加熱元件的情況下，箱17內(nèi)的控制電路可采取可編程微處理器的形式。當(dāng)然，如果需要，可以將多于兩個(gè)的加熱元件安裝在熱水器150中，且它們由這樣的控制器控制。
不管使用確切的控制電路或?qū)崿F(xiàn)了單控制器還是多控制器，圖5中的加熱元件被順序或以某種預(yù)定頻率或方式啟動(dòng)，以使傳遞至水箱150的熱能以平衡或均勻的方式分布。于是，例如，加熱元件16可以在時(shí)間T1的第一時(shí)間段起作用，在該時(shí)間段期間功率以上述的脈沖或多脈沖串方式提供給加熱元件16。隨后，元件16’可以在時(shí)間T2的時(shí)間段以脈沖的方式被啟動(dòng)。依賴于特定的加熱應(yīng)用及條件，時(shí)間T1和T2可能長度相等或不等，且可能互相交迭或不交迭。另外，根據(jù)在水箱11的上部或下部檢測的溫度，使用溫度傳感器18和18’的反饋機(jī)制可能被用于觸發(fā)特定的加熱元件。
無論使用什么特定順序，使用比例帶溫度控制器來控制熱水器中的多個(gè)元件有助于避免水箱中的水的不均勻加熱?，F(xiàn)有的加熱系統(tǒng)中通常發(fā)生不均勻加熱，現(xiàn)有的加熱系統(tǒng)中大部分水的加熱由位于加熱水箱底部附近的加熱元件完成。這個(gè)結(jié)構(gòu)常導(dǎo)致產(chǎn)生“分層”，被加熱的水升高至水箱頂部并變得過熱，而在水箱的底部形成了不均勻的溫度層。更糟糕的是，由于水箱內(nèi)的隔熱層13不能有效地保持來自過熱水的高熱能，所以水箱頂部的熱量累計(jì)將迅速消散。利用這里描述的對水順序脈沖或脈沖串加熱，水箱11中的水更一致地被加熱。這減小了從水箱頂部到底部的分層中發(fā)生熱或冷點(diǎn)的可能。也減少了過熱水的產(chǎn)生并提高了效率。
通過位于汲取管14中的混合閥157的出口或水管155，上述的順序還可以與冷水的受控引入結(jié)合。通過通信鏈路VI/O可以控制閥157，其中通信鏈路VI/O與箱17’中的控制電路耦合，或(未顯示)當(dāng)箱17中的控制電路被構(gòu)造為控制多個(gè)加熱元件時(shí)與箱17中的控制電路耦合。于是，例如，如果水箱上部中的傳感器18’檢測到過熱，則可以通過出口155將一定量的冷水引入水箱11的頂部，以降低加熱的水的溫度。
圖6顯示了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的再一熱水器160。熱水器160與熱水器10和150共享許多公用元件，且圖1、5和6中以相同的附圖標(biāo)記指定公用元件。對于圖6中顯示的實(shí)施方式，水箱160定義容積165，其具有大約上三分之二的容積170和大約下三分之一的容積175。進(jìn)水口22位于下三分之一容積175中，且將冷水引入水箱11。出水口24位于上三分之二容積170中。
如圖6所示，加熱元件16和16’都延伸入水箱11較低的三分之一容積175中。加熱元件16和16’由存儲(chǔ)在控制箱17中的控制電路控制，該控制電路接收來自溫度傳感器18和18’的輸入?；蛘?，熱水器160可以包括多于一個(gè)控制箱，可以包括多于兩個(gè)加熱元件，并包括多于兩個(gè)溫度傳感器。
與所公開的熱水器150類似，加熱元件16和16’被順序地或以某種預(yù)定頻率啟動(dòng)，以使熱量以平衡或一致的方式傳遞至水箱11。另外，加熱元件16和16’優(yōu)選地由利用比例帶控制技術(shù)的控制器17啟動(dòng)。
在熱水器160的優(yōu)選實(shí)施例中，加熱元件16和16’排列在與水箱11的縱軸185基本上正交的平面180中(即在基本上“水平”的平面中)(見圖7)。然而，加熱元件16和16’可以以任何其它結(jié)構(gòu)置于大約下三分之一容積175中，只要這兩個(gè)元件都在大約下三分之一容積175中即可(見圖6)。而且，如果使用額外的加熱元件，它們也位于大約下三分之一容積210中。
典型地，現(xiàn)有技術(shù)的熱水器很少使用上部加熱元件。通常僅當(dāng)?shù)谝淮伟惭b熱水器、或很長時(shí)間沒有使用熱水器、或當(dāng)短時(shí)間內(nèi)從水箱抽出了大量熱水時(shí)才啟動(dòng)上部加熱元件。除了這些少見的情況發(fā)生外，很少使用現(xiàn)有技術(shù)的上部加熱元件。于是，在單元的壽命中加熱的大部分水僅使用下部元件加熱。僅使用下部元件在能量上效率低，它需要一段較長的時(shí)間將水溫恢復(fù)至設(shè)置點(diǎn)溫度，且經(jīng)常需要大的儲(chǔ)水箱以保證在需要時(shí)能夠提供足夠的熱水。熱水器160通過將第二加熱元件16’放置在水箱11的約下三分之一容積175中，克服了上述不足。以這種方式排列元件16和16’，并通過生成具有比例帶控制的序列脈沖來控制對元件16和16’的操作，使得熱水器160可以使用更有效的水加熱策略。這導(dǎo)致元件16和16’將熱能傳遞給水的過程經(jīng)過改進(jìn)，更為有效。另外，元件16和16’更均勻地分配瓦特密度，從而減少汽化損失。于是，熱水器160與現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)熱水器相比，具有更快的恢復(fù)時(shí)間且使用更少的能量。另外，與現(xiàn)有技術(shù)相比，熱水器160可以具有更緊湊的用于同等熱水需要的水箱尺寸。
圖8說明了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一熱水器200。熱水器200包括永久封閉水箱205；外殼210，其環(huán)繞水箱205；和泡沫絕熱材料210，其填充水箱205和外殼210之間的環(huán)形空間。水箱205具有外表面206。進(jìn)水管或汲取管215和出水管220進(jìn)入水箱205的頂部。進(jìn)水管215具有用于在水箱205的底部附近添加冷水的進(jìn)水口。出水管220具有用于從水箱205的頂部附近排出熱水的出水口230。
熱水器200進(jìn)一步包括第一電阻加熱元件235和第二電阻加熱元件240，它們延伸通過水箱205的壁。可以預(yù)想，加熱元件235和240可以置于水箱205內(nèi)的任意位置且可以是任一特定形狀。然而，優(yōu)選地，第一和第二加熱元件235和240處于水箱200的下三分之一容積，且在與縱軸基本上正交的平面上(與圖7類似)。另外，盡管通過兩個(gè)加熱元件235和240描述本發(fā)明，但熱水器200可以包括其它加熱元件或可以僅包含一個(gè)加熱元件235。另外，商用的水箱熱水器(與民用水箱熱水器相比)可以包含多達(dá)十五個(gè)加熱元件。
熱水器200包括第一水溫傳感器245和第二水溫傳感器250。水溫傳感器245和250都安裝在水箱205的外表面206上。水溫傳感器245和250優(yōu)選地是熱敏電阻，且與水箱205中的水熱力學(xué)耦合。優(yōu)選地，水溫傳感器250位于水箱205的下半部，溫度傳感器245位于水箱205的上半部。但是，可以預(yù)想，水溫傳感器245和250可以安裝在水箱的同一半部。另外，熱水器200可以包括其它溫度傳感器或僅包含一個(gè)溫度傳感器245。
熱水器200可能包括環(huán)境或空間溫度傳感器255。環(huán)境溫度傳感器255位于熱水器200之外，但處于熱水器200的周圍環(huán)境之中，它檢測熱水器200的周圍環(huán)境的溫度。當(dāng)然，熱水器200可能包括其它環(huán)境溫度傳感器且可能包括其它傳感器(如水均勻度傳感器)。
熱水器200包括比例帶控制器或控制單元260，其電連接至第一和第二加熱元件235及240、第一和第二水溫傳感器245和250、以及環(huán)境溫度傳感器255。通常，控制器260接收來自電源線265的240V交流(AC)信號；對提供至第一和第二加熱元件245和250的第一和第二比例帶信號分別進(jìn)行調(diào)制；接收來自第一和第二溫度傳感器245和250的第一和第二水溫信號；并接收來自環(huán)境傳感器255的環(huán)境溫度信號。
如圖9所示，控制器260包括腔體267，其具有可視顯示區(qū)域270和用戶輸入?yún)^(qū)域275?？梢曪@示區(qū)域270包括多個(gè)發(fā)光二極管(LED)。這些LED包括第一元件LED2、第二元件LED3、系統(tǒng)LED4、加熱LED5、報(bào)警LED6和電源LED7。電源LED7優(yōu)選地是紅色LED且在通電的任何時(shí)間發(fā)光(即“開”)。系統(tǒng)LED4優(yōu)選地是綠色的，且用于指示系統(tǒng)的總狀態(tài)。在正常的操作期間，系統(tǒng)LED4約每秒閃一次。系統(tǒng)LED4的規(guī)則閃亮表示熱水器正常工作。當(dāng)控制器260處于“加熱”模式時(shí)(即熱水器正在將水加熱至期望溫度時(shí))，加熱LED5與系統(tǒng)LED4一致地閃爍。第一元件LED2和第二元件LED3只要在各加熱元件工作時(shí)就點(diǎn)亮。報(bào)警LED6和加熱LED5在同一管殼中。報(bào)警LED6與系統(tǒng)LED4共同工作，指示熱水器200的狀態(tài)。
在正常操作期間，如果控制器260處于“備用”模式(即，水溫等于或高于期望水溫)，則只有系統(tǒng)LED4閃亮。如果控制器260處于加熱模式，則控制器260一致地閃亮系統(tǒng)LED4和加熱LED5。如果因?yàn)槟撤N原因，出現(xiàn)錯(cuò)誤狀態(tài)，則加熱LED5變?yōu)榧t色的警報(bào)LED6。在錯(cuò)誤狀態(tài)期間，系統(tǒng)LED4閃亮指示錯(cuò)誤類型的錯(cuò)誤代碼。當(dāng)然，可以增添其它LED，且可以除去或修改任一上面披露的LED。另外，可以包括可聞?chuàng)P聲器以提供可聞指示，或者LED提供的信息可以由其它可視指示器(如液晶顯示器)傳達(dá)。
用戶輸入?yún)^(qū)域280包括輸入撥號盤283，用于用戶輸入期望的水溫。輸入撥號盤283包括關(guān)位置(即熱水器200是“關(guān)”)、空閑位置、以及在低或冷水溫至高或熱水溫之間的多個(gè)位置。如果輸入撥號盤285處于空閑位置，則控制器處于“空閑”模式?！翱臻e”模式將水加熱至低于熱水器的正常溫度范圍的一個(gè)預(yù)設(shè)溫度?；蛘哂脩糨斎?yún)^(qū)域275可以包括用于輸入期望的水溫狀態(tài)的其它可能的設(shè)備，其包括具有數(shù)字LCD顯示的多個(gè)按鈕。當(dāng)然，可視顯示區(qū)域275和用戶輸入?yún)^(qū)域280可以安裝在遠(yuǎn)離熱水器20的第二控制箱內(nèi)(即不安裝在熱水器20上)。第二控制箱或者通過硬件有線連接或者通過RF或其它適當(dāng)?shù)耐ㄐ艡C(jī)制與控制器260進(jìn)行通信。
控制器260包括控制電路285，圖10中表示了它的原理圖。通常，控制電路285包括電源290、過零檢測器295、低壓復(fù)位電路300、溫度傳感電路305、溫控器電路310、LED控制電路312、微控制器U1、存儲(chǔ)單元315、第一驅(qū)動(dòng)電路320、第二驅(qū)動(dòng)電路325、和干燒電路330。
如圖10所示，電源290接收來自導(dǎo)線260(圖8)的高壓AC信號(例如，AcIn＝240VAC)，并生成低壓AC信號(例如，AcOut＝9VAC)、未調(diào)節(jié)的直流(DC)信號(例如，V-SNS＝5VDC)、和已調(diào)節(jié)的直流信號(例如，Vcc＝5VDC)。圖11中更詳細(xì)的顯示了示例電源290。
如圖11所示，電源290包括變壓器T2，其具有用于將高壓AC信號(AcIn)轉(zhuǎn)換為低壓AC信號(AcOut)的初級線圈和次級線圈。得到的低壓AC信號(AcOut)被提供給過零檢測器295(圖10)和開關(guān)S1，開關(guān)S1是連接至次級線圈的高壓側(cè)的單刀單擲(SPST)開關(guān)。當(dāng)開關(guān)S1閉合時(shí)，控制電路285工作。
電源進(jìn)一步包括全波橋式整流器D8、電容C26、齊納二極管D9、調(diào)壓器U9、和電容CU1、CU2、CU4、CU7和CU8。橋式整流器D8對低壓AC信號(AcOut)進(jìn)行整流，且電容C26對未調(diào)節(jié)的DC信號(VSNS)得到的信號進(jìn)行濾波。齊納二極管D9對未調(diào)節(jié)的DC信號(VSNS)進(jìn)行削頂并保護(hù)調(diào)壓器U9的輸入免于瞬時(shí)的短期超壓現(xiàn)象。調(diào)壓器U9將電壓調(diào)節(jié)至5V的Vcc信號，且調(diào)壓器U9上的每一個(gè)電容CU1、CU2、CU4、CU7和CU8是用于各集成電路的去耦電容。例如，電容CU1是用于集成電路U1的去耦電容。
再參考圖10，電源290向過零檢測器295提供低壓AC信號(AcOut)。圖12中更詳細(xì)的顯示了示例過零檢測器295。過零檢測器295提供輸出信號(ZeroCross)，其指示每次檢測器295檢測到低壓信號(AcOut)多次變化。過零檢測器295包括電阻R55、R61和R53、電容C21、二極管D1、和晶體管Q8。電阻R55接收低壓AC信號(AcOut)。二極管D1、電容C21和電阻R61并聯(lián)，它們一端連接至電阻R55和晶體管Q8的基極，另一段連接至晶體管Q8的發(fā)射極。電阻R53的一端連接至Vcc，另一段連接至晶體管Q8的集電極。晶體管Q8的集電極處生成過零信號(ZeroCross)。隨著AC電壓改變極性，Q8在關(guān)狀態(tài)和飽和之間來回切換，從而生成具有前沿的一系列脈沖。每一脈沖的前沿對應(yīng)一個(gè)過零。
再參考圖10，控制電路285包括低壓復(fù)位電路300。圖13中詳細(xì)顯示了示例的低壓復(fù)位電路300。低壓復(fù)位電路包括集成電路U3，其優(yōu)選地是連接至電容C18和電阻R45及R46的MotorolaMC34064P-5(也可使用其它電路)。集成電路U3向微控制器U1提供欠壓復(fù)位保護(hù)信號。在功率衰退或“節(jié)電(brown)”的情況，集成電路U3使微控制器U1復(fù)位。優(yōu)選地，請求的DC信號一旦降至低于4.5V就進(jìn)行上述操作。低壓復(fù)位電路保證控制電路285安全地操作，不因?qū)Ь€功率低而發(fā)生故障。
再參考圖10，控制電路285包括溫度傳感電路305。與第一及第二水溫傳感器245和250相結(jié)合的溫度傳感電路305將熱水器200的水溫傳輸給微控制器。如圖14中詳細(xì)所示，溫度傳感電路包括電阻R70和R71、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RT1和RT2。電阻R70和熱敏電阻RT1形成產(chǎn)生第一溫度信號的第一分壓器(第一傳感器)，電阻R71和熱敏電阻RT2形成產(chǎn)生第二溫度信號的第二分壓器(第二傳感器)。由于第一和第二分壓器優(yōu)選地是相同的，所以只詳細(xì)討論第一分壓器。隨著水箱205外面的溫度增加，熱敏電阻RT1的電阻下降，引起輸出電壓(第一傳感器)增加。微控制器U1中的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器讀出八位數(shù)字的電壓(第一傳感器)。該八位數(shù)字用作具有多個(gè)相應(yīng)的檢測溫度的查詢表的索引。根據(jù)該八位數(shù)字，得到檢測的溫度結(jié)果。
隨著水箱205內(nèi)的水溫升高，在溫度傳感器245或250檢測的結(jié)果中的誤差增加。即，從水經(jīng)過水箱205的材料的熱傳導(dǎo)通路具有滯后時(shí)間差。為了校正它，由線性等式“校正”從查詢表讀出的檢測溫度值。微控制器U1在作出水加熱決策時(shí)使用校正的溫度。
再參考圖10，控制電路包括溫控器310。如圖15中詳細(xì)所示，溫控器是電位器R65，其作為分壓器且具有電阻范圍(如20k歐姆)。分壓器(溫控器)的輸出信號被微控制器U1轉(zhuǎn)換為八位數(shù)字，然后被按比例調(diào)節(jié)以生成設(shè)置點(diǎn)溫度值。設(shè)置點(diǎn)溫度值是水要加熱到的溫度。
再參考圖10，控制電路285包括LED控制電路312。LED控制電路312控制發(fā)光二極管LED2、LED3、LED4、LED5、LED6和LED7的啟動(dòng)。如圖16(a)中詳細(xì)顯示的，LED控制器312包括電阻R56、R57、R58、R59、R60、R47、R48、R49、R50、R51和R52、以及晶體管Q3、Q4、Q5、Q6和Q7。當(dāng)開關(guān)S1(圖11)關(guān)閉時(shí)，電源290生成供給LED7和電阻R52的已調(diào)節(jié)的低壓DC信號(Vcc)。提供的低壓已調(diào)節(jié)DC信號(Vcc)點(diǎn)亮LED7。為了控制LED2、LED3、LED4、LED5和LED6，將五位信號提供給電阻R56、R57、R58、R59和R60。如果任一位為高，則向各電阻R56、R57、R58、R59或R60提供低壓DC信號，使得基極電流足以使電流流經(jīng)各晶體管Q3、Q4、Q5、Q6或Q7。電流從Vcc流經(jīng)晶體管Q3、Q4、Q5、Q6或Q7，通過各發(fā)光二極管LED2、LED3、LED4、LED5或LED6到達(dá)大地。
再參考圖10，控制電路包括微控制器或處理器U1和存儲(chǔ)單元315。如圖16(a)所示，微控制器U1優(yōu)選地是28腳的MotorolaMC68HC705P6A(也可使用其它微控制器)。微控制器U1包括八位輸入/輸出端口(引腳3-10)、三位串行接口(引腳11-13)、四位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(引腳15-19)、用于存儲(chǔ)操作微控制器的軟件程序的存儲(chǔ)器、和用于接收來自振蕩器317(圖17)的信號的兩個(gè)引腳(引腳26和27)。存儲(chǔ)單元315包括256字節(jié)的電可擦除只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)芯片U4。EEPROM U4用于存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)，如熱水器結(jié)構(gòu)規(guī)格(例如操作電壓、水箱容積、不同元件的電阻等)、用戶使用方式數(shù)據(jù)、元件類型數(shù)據(jù)、以及其它相關(guān)數(shù)據(jù)。有了EEPROM數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)(如，第一和第二水溫傳感器245和250檢測的溫度)，微控制器U1執(zhí)行軟件程序，以控制加熱元件加熱并保持水溫。另外，軟件程序包括至少一個(gè)子程序，以確定水是否圍繞每一加熱元件。
再參考圖10，控制電路包括第一驅(qū)動(dòng)電路320和第二驅(qū)動(dòng)電路325，它們分別控制提供至第一和第二加熱元件235和240的功率。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電路是同樣的，于是只詳細(xì)討論驅(qū)動(dòng)電路320。如圖16(b)所示，第一驅(qū)動(dòng)電路320包括電阻R66和R86、三端雙向可控硅開關(guān)元件Q1、以及光聲耦合過零三端雙向可控硅開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)器U5。三端雙向可控硅開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)器U5由從微控制器U1的輸出接收的門脈沖確定門驅(qū)動(dòng)。脈沖串由微控制器U1生成，微控制器U1確定發(fā)送至加熱元件235(圖10)的功率電平。例如，微控制器U1可能向三端雙向可控硅開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)器U5提供脈沖串，引起66％的功率輸送(即，66％的可用功率被輸送至加熱元件)；或者可能向三端雙向可控硅開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)器U5提供脈沖串，引起40％的功率輸送。三端雙向可控硅開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)器U5與過零檢測器295耦合，以保證當(dāng)達(dá)到設(shè)置點(diǎn)溫度時(shí)，三端雙向可控硅開關(guān)元件完全關(guān)斷。如果不使用驅(qū)動(dòng)器U5，則三端雙向可控硅開關(guān)元件Q1可以在傳導(dǎo)狀態(tài)中保持部分打開，并潛在地影響控制電路285的可靠性。
再參考圖10，控制電路包括干燒電路330。如圖16(a)和16(b)中詳細(xì)所示，干燒電路330包括數(shù)據(jù)鎖存器U2(16(a))、第一電阻梯(ladder)335(16(a))、第二電阻梯340(16(a))、電壓傳感放大器345(16(b))、電流傳感放大器350(16(b))、電阻R90、R91、R92、R97、R98和R100(都在16(b)中)、晶體管Q9和Q10(都在16(b)中)、電流傳感器R1(16(b))、和電阻R44(16(b))。數(shù)據(jù)鎖存器U2優(yōu)選地是Motorola 74HC374數(shù)據(jù)鎖存器(可以使用其它數(shù)據(jù)鎖存器)，它用來保存控制第一和第二電阻梯335和340的五位數(shù)據(jù)字。第一電阻梯335生成一電壓，電壓傳感放大器345將該電壓用作參考。一旦設(shè)置或校準(zhǔn)了這個(gè)參考電壓，數(shù)據(jù)鎖存器U2就用于控制第二電阻梯340生成一電壓，該電壓被電流傳感放大器350用作參考。鎖存器還保存三個(gè)額外的數(shù)據(jù)位。第一數(shù)據(jù)位(位7)控制顯示LED之一；第二數(shù)據(jù)位(位6)選擇EEPROM和第三數(shù)據(jù)位(位5)使得能夠與非板載測試儀器通信。電流傳感器T1和電阻R44生成與提供給加熱元件的電流成比例的電壓。晶體管Q9和Q10選擇當(dāng)前哪一個(gè)放大器將信號提供給微控制器U1。
“干燒”測試的基礎(chǔ)是在“幾乎”逐周期的基礎(chǔ)上的峰值電壓和峰值電流的測量結(jié)果。測量結(jié)果不是精確的逐周期的原因是電壓是在經(jīng)整流和過濾之后測量的。AC導(dǎo)線電壓中的變化表明了整流的DC電壓中的變化。由于電容C26的時(shí)間常數(shù)以及變壓器的次級繞組中的電阻，所以電壓和電流采樣是在逐周期的基礎(chǔ)上進(jìn)行的并存儲(chǔ)在緩沖器中。當(dāng)緩沖器滿時(shí)，檢查電壓采樣，以確定在電壓采樣填滿緩沖器的時(shí)間期間電壓是否穩(wěn)定。如果變化在可接受的限度內(nèi)，則電壓和電流采樣是平均值，且執(zhí)行簡單的電阻計(jì)算(即R＝V/I)。
當(dāng)生產(chǎn)者組裝熱水器200時(shí)，生產(chǎn)者將用于組裝熱水器200的構(gòu)件、水箱205的容積、和/或關(guān)于熱水器200的特定元件的產(chǎn)品信息編程寫入存儲(chǔ)單元315。例如，生產(chǎn)者可以將一個(gè)或多個(gè)水箱特性和/或一個(gè)或多個(gè)元件特性編程寫入存儲(chǔ)單元。水箱特性可以包括但不限于水箱直徑、水箱高度、水箱存儲(chǔ)容積等。水箱特性決定在水箱205中生成不同溫度水層的水箱205中的熱對流方式。元件特性可以包括但不限于元件數(shù)、元件類型、元件電壓、元件的物理位置(如上部或下部、或并行(side-by-side))、元件瓦特密度等。元件特性有助于提供關(guān)于元件235和240怎樣有效地加熱水的信息。
另外，微控制器U1可以確定一些水箱或元件特性。例如，微控制器可以通過向元件施加電壓并計(jì)算一段時(shí)間后的元件電阻，而為特定的元件計(jì)算元件功率。
優(yōu)選地，將所有熱水器水箱特性和元件特性都編程寫入存儲(chǔ)單元315。根據(jù)變量和特性，微控制器U1從查詢表中得到特定于熱水器200的代碼。微控制器U1的軟件部分根據(jù)熱水器代碼為熱水器200生成加熱策略(下面討論)。如果微控制器U1檢測到元件被更換，或檢修人員對存儲(chǔ)單元315中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)重新編程，則微控制器U1可以更新熱水器代碼。另外，盡管生產(chǎn)者將每一個(gè)變量或特性編程寫入存儲(chǔ)單元315，但可以預(yù)想，生產(chǎn)者可以直接將代碼編程入存儲(chǔ)單元315。
因?yàn)樵陔姛崴鞯闹圃旌徒Y(jié)構(gòu)中使用了多種水箱特性和元件，所以僅靠加熱策略不能解決眾多結(jié)構(gòu)。而軟件根據(jù)熱水器200的變量和特性向熱水器200指定代碼。變量和特性定義了熱水器的特征標(biāo)記，而且當(dāng)以熱水器使用方式使用時(shí)，變量和特性生成更可靠的有效且節(jié)能的熱水器。
現(xiàn)在參考圖18，在熱水器200的操作中，用戶通過將溫控器310從關(guān)位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)而“打開”熱水器200(步驟500)。這關(guān)閉了開關(guān)S1。一旦關(guān)閉開關(guān)S1，電源290就生成低壓AC信號(AcOut)、未整流的DC信號(V-SNS)和已整流的DC信號(Vcc)。一旦電源生成高于4.5V的Vcc，低壓復(fù)位300將微控制器U1帶出復(fù)位狀態(tài)。如果任何時(shí)候電壓降至低于4.5V(例如，用戶關(guān)閉系統(tǒng)、發(fā)生“斷電”、或發(fā)生“節(jié)電”)，則低壓復(fù)位300向微控制器U1提供信號，復(fù)位微控制器U1。
在步驟505，當(dāng)微控制器U1從復(fù)位中出來之后，軟件初始化微控制器U1。軟件將所有變量復(fù)位至它們的默認(rèn)值，并將所有輸出復(fù)位至它們各自的默認(rèn)狀態(tài)。
在步驟510，微控制器執(zhí)行“干燒”測試。術(shù)語“干燒”是指對沒有浸入水的加熱元件235或240進(jìn)行加熱。通常，“干燒”將在一分鐘之內(nèi)破壞或燒壞加熱元件235或240?？刂齐娐?85執(zhí)行“干燒”測試，以確定加熱元件是否由水圍繞。
通常，控制電路285通過測量施加于加熱元件235和240的每個(gè)的峰值電流和峰值電壓并根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行電阻計(jì)算，執(zhí)行“干燒”測試。例如，通過向加熱元件235或240之一施加特定時(shí)間長度的電壓，并在測試時(shí)段的起點(diǎn)和終點(diǎn)測量電阻，可以確定加熱元件235或240的狀態(tài)。隨著元件235或240加熱，它的電阻增加。如果元件在水中，則元件很快達(dá)到平衡(即穩(wěn)定的溫度和電阻)。相反，如果元件235或240是“干”的，則它持續(xù)加熱并在很短的時(shí)間達(dá)到高溫(和高電阻)。在測試結(jié)束時(shí)，比較起點(diǎn)和終點(diǎn)電阻。對于“濕”元件，起點(diǎn)和終點(diǎn)電阻之差??；而對于“干”元件，起點(diǎn)和終點(diǎn)電阻之差比濕元件的大許多倍。
另外，通過改變干燒測試的長度，可以精確測量加熱元件235或240的瓦特密度。根據(jù)瓦特密度，微控制器U1可以更新熱水器代碼。
圖19顯示了一種用于執(zhí)行干燒測試的示例方法。在步驟605，微控制器U1在干燒測試期間使所有LED無效。LED的無效保證LED的閃爍不影響測試。在步驟610，軟件設(shè)置元件號，該元件號指示第一加熱元件235正在測試。在步驟615，軟件將微控制器U1的操作模式設(shè)置為干燒模式，其向所有子程序通知微控制器U1正在執(zhí)行干燒測試。在步驟620，軟件清除所有干燒錯(cuò)誤標(biāo)志。干燒錯(cuò)誤標(biāo)志指示最近的干燒測試(如果發(fā)生了)是否導(dǎo)致錯(cuò)誤。例如，如果前一次干燒測試導(dǎo)致對應(yīng)于第一元件的錯(cuò)誤標(biāo)志為“干”，則然后微控制器U1復(fù)位錯(cuò)誤標(biāo)志，其表示當(dāng)前測試的結(jié)果還未完成。
在步驟625，微控制器U1校準(zhǔn)電壓放大器345。在任一電壓采樣可以作為干燒計(jì)算使用之前，必須使用由數(shù)據(jù)鎖存器U2和電阻梯335生成的可變參考電壓校準(zhǔn)電壓放大器345。為了完成這個(gè)校準(zhǔn)，微控制器U1首先通過驅(qū)使Q10進(jìn)入飽和(Q9為關(guān))，選擇電壓傳感電路的輸出。然后將參考電壓(V-REF)設(shè)置為它的最高值。接下來，參考電壓(V-REF)逐漸地減少，直至電壓放大器的輸出(Dry-Out)達(dá)到預(yù)定值。于是參考電壓留在該值。
例如，V-SNS是未經(jīng)調(diào)節(jié)的DC信號，其具有穩(wěn)態(tài)元件和小的“交流電”元件。在提供給變壓器的信號(AcIn)中的任何增大或減小將在V-SNS信號的小“AC”元件中得以體現(xiàn)。為了使微控制器U1注意到任何重要的變化，電壓放大器345將小“AC”元件的變化放大。例如，如果穩(wěn)態(tài)是2.0V，則流入電阻R88(圖16(b))的任何超過2.0V的參考電壓(V-REF)將導(dǎo)致不發(fā)生放大且放大器的輸出將為零。如果參考電壓(V-REF)低于2.0V，則將發(fā)生放大。調(diào)整參考電壓(V-REF)，所以U7B的輸出在它的輸出幅度(例如，0-3.5V)的中間某處。微控制器U1繼續(xù)步調(diào)一致地減小參考電壓(V-REF)，直至達(dá)到期望的輸出(例如，參考電壓等于1.5V)。于是，導(dǎo)線電壓中的任何變化被與U7B的增益相等的因子放大。
在步驟630，微控制器U1校準(zhǔn)電流放大器350。由于具有電壓放大器345，所以第二階段必須在能夠開始采樣之前校準(zhǔn)U8B(圖16(b))。通過驅(qū)使Q9進(jìn)入飽和(Q10關(guān))然后與參考電壓(V-REF)類似地逐漸調(diào)節(jié)參考電流(I-REF)，選擇電流傳感電路。
在步驟635，軟件確定電壓和電流放大器345和350是否被正確校準(zhǔn)。如果在校準(zhǔn)中有錯(cuò)誤，則軟件將校準(zhǔn)錯(cuò)誤標(biāo)志設(shè)置為正結(jié)果(步驟640)，并進(jìn)入步驟660。如果校準(zhǔn)沒有任何錯(cuò)誤，則微控制器U1進(jìn)入步驟645。
在步驟645，微控制器U1對第一元件235執(zhí)行干燒測試。對于該測試，在峰值處測量瞬時(shí)電壓和電流。這是通過對放大電路345和350(Dry-Out)的電壓和電流的信號相對于低壓AC信號(AcOut)的過零進(jìn)行采樣而完成的。在合適的過零處，對于每一放大電路340和350啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。當(dāng)電壓和電流波形處于峰值時(shí)，使用超時(shí)變量來以預(yù)定的周期相對于過零進(jìn)行電壓或電流采樣。瞬時(shí)電壓和電流采樣各自加載到微控制器U1中分別的緩沖器。當(dāng)緩沖器滿時(shí)，分析數(shù)據(jù)以確定導(dǎo)線電壓是否在采樣周期期間是穩(wěn)定的。如果采樣電壓是穩(wěn)定的，則計(jì)算平均電壓和電流，并進(jìn)行電阻計(jì)算。在干燒測試期間繼續(xù)這種方式進(jìn)行計(jì)算。在測試末尾，提取起點(diǎn)和終點(diǎn)電阻值，以找出在測試過程中電阻變化了多少。測試的基礎(chǔ)不是電阻的實(shí)際值(與加熱元件的各個(gè)類型不同)，而是電阻從測試起點(diǎn)到測試終點(diǎn)的差別。
在步驟650，微控制器U1確定第一元件235是否為干。如果計(jì)算的電阻差大于設(shè)置電阻變化值(這可根據(jù)使用的加熱元件而變化)，則微控制器U1確定該元件不被水所包圍(即，“干”)并進(jìn)入步驟655。如果微控制器U1確定計(jì)算的電阻變化等于或小于設(shè)置電阻變化值，則微控制器U1確定該元件被水所包圍并進(jìn)入步驟660。
在步驟655，軟件將第一元件錯(cuò)誤標(biāo)志設(shè)置為正結(jié)果。正的第一元件錯(cuò)誤標(biāo)志向隨后的子程序通知第一元件235未被水包圍。因此，后面的子程序?qū)⒉皇褂眠@個(gè)元件加熱水。微控制器U1也將把ReCheck計(jì)時(shí)器設(shè)置為180分鐘。ReCheck計(jì)時(shí)器將隨時(shí)間遞減，直至達(dá)到零分鐘。當(dāng)ReCheck計(jì)時(shí)器達(dá)到零時(shí)，微控制器U1將在該元件上執(zhí)行另一干燒測試。
在步驟660，微控制器U1將元件號設(shè)置為第二元件。在步驟665，微控制器U1為第二元件重復(fù)步驟625、630、635、640、645、650和655，以確定第二元件是否干。如果微控制器U2確定第二元件干，則它將把第二元件錯(cuò)誤標(biāo)志設(shè)置為正結(jié)果。當(dāng)然，如果熱水器包括多于兩個(gè)加熱元件，則微控制器U2為其余元件執(zhí)行干測試。另外，如果熱水器僅包含一個(gè)加熱元件，則微控制器U2將不執(zhí)行步驟660或665。
再參考圖18，在步驟515，軟件確定“ReCheck”超時(shí)是否大于零。ReCheck超時(shí)是由軟件使用的計(jì)時(shí)器(例如20ms)，用來在要對溫度傳感器245、250和255采樣時(shí)通知軟件，并生成或修改加熱包含在熱水器中的水的加熱策略。如果ReCheck超時(shí)大于零，則軟件進(jìn)入步驟520。如果ReCheck超時(shí)小于或等于零，則軟件進(jìn)入步驟525。
在步驟520，微控制器U1“點(diǎn)亮”系統(tǒng)LED4、加熱LED5和報(bào)警LED6。即，軟件根據(jù)軟件所處的模式或是否發(fā)生了錯(cuò)誤標(biāo)志，執(zhí)行啟動(dòng)合適的LED的子程序。例如，在正常操作期間，微控制器305生成使得系統(tǒng)LED4閃亮或熄滅的信號。如果軟件處于加熱模式(下面討論)，則加熱LED5與系統(tǒng)LED4一致地閃亮。如果軟件具有正的錯(cuò)誤標(biāo)志，則報(bào)警LED6與系統(tǒng)LED4共同作用，向操作者或維修人員指示熱水器200的狀態(tài)。
如果ReCheck超時(shí)小于或等于零，則微控制器U1進(jìn)入步驟525。通常，微控制器U1采樣溫度傳感器樣本(步驟525)、計(jì)算水溫(步驟530)、計(jì)算溫控器設(shè)置(步驟535)、建立操作模式(步驟540)、設(shè)置加熱循環(huán)狀態(tài)(步驟545)、并設(shè)置加熱優(yōu)先級(步驟550)。圖18中顯示了實(shí)現(xiàn)步驟525、530、535、540、545和550的示例方法。另外，微控制器U1存儲(chǔ)用于生成使用歷史的數(shù)據(jù)(步驟555)并點(diǎn)亮LED(步驟560)。
在步驟705(圖20(a))，微控制器U1對溫度傳感器245進(jìn)行采樣并將得到的第一電壓載入軟件中用于處理。在步驟710，微控制器U1對溫度傳感器250進(jìn)行采樣并將得到的第二電壓載入軟件中用于處理。在步驟715，微控制器U1使用溫度查詢表將第一和第二采樣電壓分別轉(zhuǎn)換為第一和第二傳感溫度。查詢表包含具有各個(gè)相關(guān)溫度的多個(gè)電壓范圍。例如，如果第一溫度傳感器生成2.1V信號，則相關(guān)的溫度可能是110°F。查詢表可以根據(jù)使用的傳感器而改變。在得到第一和第二檢測溫度后，軟件考慮在獲得溫度時(shí)的任何延遲時(shí)間，修改檢測的溫度。即，由于水箱205中的水溫升高，所以在溫度傳感器245或250檢測的結(jié)果中存在遞增誤差。從水通過水箱205的材料的熱傳導(dǎo)通路具有延遲時(shí)間差異。為了校正它， 該延遲被從查詢表中讀出的溫度值“校正”。在軟件作出水加熱決定中使用經(jīng)校正的第一和第二溫度。
在步驟720，微控制器U1加載或采樣來自溫控器310的信號。如果微控制器U1確定溫控器電壓對應(yīng)處于關(guān)位置的溫控器(步驟725)，則軟件將操作模式設(shè)置為等于關(guān)狀態(tài)(步驟730)并返回圖18的步驟555。例如，如果溫控器電壓低于0.1V，則軟件確定溫控器處于關(guān)位置，并關(guān)斷控制器260。如果溫控器電壓大于相應(yīng)于關(guān)位置的電壓(步驟725)，則軟件進(jìn)入步驟735。
在步驟735，軟件確定操作模式先前是否被設(shè)置為關(guān)(即，系統(tǒng)剛打開)。如果操作模式先前是關(guān)，則軟件將操作模式改變?yōu)椤皞溆谩?步驟740)。正如下面將詳細(xì)討論的，當(dāng)熱水器200處于備用模式時(shí)，控制器260不增加水溫。如果操作模式處于關(guān)操作模式以外的模式，則軟件進(jìn)入步驟745。
在步驟745，軟件將溫控器電壓與代表溫控器的空閑位置的設(shè)置電壓比較。例如，如果溫控器電壓小于0.7V，則軟件確定溫控器被設(shè)置為空閑位置并進(jìn)入步驟750。如果溫控器電壓大于0.7V，則軟件確定用戶已經(jīng)將熱水器設(shè)置為期望的溫度，并進(jìn)入步驟755。
在步驟750，軟件將設(shè)置點(diǎn)溫度設(shè)置為等于空閑溫度(例如，90°F)。空閑溫度可以是制造商確定的值或由用戶預(yù)設(shè)。在設(shè)置了設(shè)置點(diǎn)溫度后，軟件進(jìn)入步驟760(圖20(b))。
在步驟755(圖20(b))，軟件根據(jù)采樣的溫控器電壓，計(jì)算設(shè)置點(diǎn)溫度。微控制器U1優(yōu)選地使用第二查詢表，但是也可使用基于輸入電壓的公式。
在步驟760，軟件計(jì)算熱水器開溫度。熱水器開溫度是一個(gè)或多個(gè)元件接收到功率信號的溫度。熱水器開溫度是設(shè)置點(diǎn)溫度減去滯后溫度。滯后溫度是水溫在加熱之前比設(shè)置點(diǎn)溫度低的華氏度數(shù)(例如，10華氏度)。于是，通過計(jì)算熱水器開溫度，微控制器U1避免“欠循環(huán)(under cycling)”。
在步驟765，軟件確定操作模式是否處于“備用”模式或“加熱”模式。如果操作模式被設(shè)為備用，則軟件進(jìn)入步驟770。如果操作模式被設(shè)為加熱，則軟件進(jìn)入步驟775。
在步驟770，軟件確定水箱下部溫度(來自溫度傳感器250)是否小于或等于熱水器開溫度。如果水箱下部溫度小于或等于熱水器開溫度，則軟件確定應(yīng)當(dāng)將水加熱并進(jìn)入步驟780。如果水箱下部溫度高于熱水器開溫度，則軟件確定不應(yīng)對水進(jìn)行加熱，并進(jìn)入步驟800。
在步驟780，軟件將操作模式設(shè)置為加熱模式，指示應(yīng)當(dāng)對水進(jìn)行加熱。在將操作模式設(shè)置為加熱后，軟件對于另一加熱循環(huán)復(fù)位所有操作狀態(tài)變量和超時(shí)(步驟785)。例如，軟件復(fù)位ReCheck超時(shí)(例如20ms)。
如果在步驟765，軟件確定操作模式被設(shè)置為加熱，則軟件進(jìn)入步驟775。在步驟775，軟件確定水箱下部溫度是否高于或等于設(shè)置點(diǎn)溫度。如果水箱下部溫度高于或等于設(shè)置點(diǎn)溫度，則軟件確定應(yīng)繼續(xù)對水進(jìn)行加熱，并因此停留在加熱模式中，并進(jìn)入步驟800。如果水箱下部溫度小于設(shè)置點(diǎn)溫度，則軟件確定水已被合適地加熱，并進(jìn)入步驟785。
在步驟785，軟件將操作模式改變至備用(即，指示水溫不應(yīng)再增加)。在步驟790，軟件確定第一加熱元件235是否被水包圍(假設(shè)第一元件在第二元件之上)。如果第一加熱元件235沒有被水包圍(即，元件為干)，則軟件將ReCheck超時(shí)變量設(shè)置為兩分鐘(步驟795)。通過改變ReCheck超時(shí)變量的長度，軟件使得水箱在被第一元件加熱之前可以充滿水。當(dāng)然，軟件設(shè)置的ReCheck超時(shí)變量的時(shí)間量可以變化，且對于要工作的發(fā)明的用途不需要特定的值。如果第一元件確實(shí)被水包圍(即，得到濕狀態(tài))，則軟件進(jìn)入步驟800。
在步驟800(圖20(c))，軟件確定是否已經(jīng)經(jīng)過了溫度斜率計(jì)算周期。如果已經(jīng)過了該周期，則軟件復(fù)位計(jì)時(shí)器并計(jì)算溫度斜率(步驟805)。計(jì)算溫度斜率使得可以確定是否正在發(fā)生汲取水。最近的水箱溫度采樣以常規(guī)的時(shí)間間隔(例如，90秒)同存儲(chǔ)單元(315)中存儲(chǔ)的先前樣本進(jìn)行比較。根據(jù)溫度值，對水計(jì)算溫度斜率或溫度變化的速率。如果用戶正在汲取水，則將得到大的負(fù)斜率值，向軟件通知正在對水進(jìn)行汲取。
在步驟810，軟件設(shè)置工作循環(huán)，其確定要傳遞給各個(gè)加熱元件的電量。電量根據(jù)水溫以及熱水器200的熱水器代碼而變化。另外，電量可以考慮熱水器使用方式(其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元315中)、環(huán)境溫度、水均勻度值、或其它信息。
對于步驟810，軟件從存儲(chǔ)單元315得到熱水器代碼以及熱水器存儲(chǔ)的過去的數(shù)據(jù)記錄。每次軟件結(jié)束步驟555(圖18)時(shí)，存儲(chǔ)過去的記錄，且每條記錄包括日期時(shí)間、過去的加熱持續(xù)時(shí)間、在水溫降低和升高中的變化速率(斜率)、還可能包括其它信息，如環(huán)境溫度。當(dāng)控制器260對水進(jìn)行加熱時(shí)，它在存儲(chǔ)單元315中搜索在之前的天和/或星期中的相同時(shí)間段期間的相似情況的記錄信息。如果表現(xiàn)出用戶在任一給定時(shí)間期間使用大約等量的水，則水將被以熱水器代碼的標(biāo)準(zhǔn)速率被加熱，該速率將滿足加熱的水的期望消耗。如果存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)指示，在當(dāng)前加熱循環(huán)之后不再有使用，則將以較低的工作循環(huán)很緩慢地對水進(jìn)行加熱，以將能耗最小化。如果在水溫中有突然或迅速的下降(即，負(fù)溫度斜率)，則軟件將根據(jù)熱水器的當(dāng)前使用條件計(jì)算新的工作循環(huán)。隨著使用方式改變，改變舊的記錄以反映當(dāng)前的操作條件。對于優(yōu)選實(shí)施例，考慮什么最小水溫流速將是可接受的的基線公式是最小恢復(fù)，其等于以60°F上升的每小時(shí)十加侖。
與這個(gè)公式、產(chǎn)品代碼信息和使用記錄一起，與溫度速率改變相對的功率輸入比被用于確定加熱策略。該策略提供輸入功率水平，以達(dá)到或超過最小恢復(fù)速率，同時(shí)將能量效率保持為最大。隨著使用方式中的條件變化，改進(jìn)策略以保持最低恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)。
例如，用于具有第一元件功率的第一熱水器代碼的標(biāo)準(zhǔn)加熱策略將與用于具有第二元件功率的第二熱水器代碼的加熱策略不同。表1和2中顯示了對于第二元件240的兩種示例性加熱策略。
表1對于第一加熱器代碼的水加熱策略水溫第二元件的功率或工作循環(huán)＜115°F 100％115°F～120°F66％120°F～125°F57％125°F～130°F50％130°F～135°F40％135°F＞ 20％表2對于第二加熱器代碼的水加熱策略水溫第二元件的功率或工作循環(huán)＜115°F 100％115°F～120°F80％120°F～125°F66％125°F～130°F50％130°F～135°F40％135°F＞ 20％對于熱水器200，施加于加熱元件235或240的工作循環(huán)或功率至少部分基于檢測的水溫和熱水器代碼。依賴于熱水器代碼的加熱策略的概念不像對于熱水器10和150的加熱水的方法。對于熱水器10和150，施加于加熱元件16和/或16’的工作循環(huán)或功率是基于檢測的水溫和期望的水溫之間的差。然而已經(jīng)確定，與功率輸入相比，在給定的水溫將功率增加到浸入水中的元件可能不會(huì)導(dǎo)致最適宜的水溫增益。例如，假設(shè)所有其它條件都是相同的，可以確定，當(dāng)水處于較涼的溫度時(shí)，可以從元件向水傳遞更多的熱。隨著水溫升高，需要提供給加熱元件235或240的功率較少，而與測量溫度和期望溫度之間的差無關(guān)(即，與功率輸入相比，超額的功率將不會(huì)導(dǎo)致最佳的傳遞)。因此，軟件無需為對水進(jìn)行加熱而考慮期望溫度和測量溫度之間的差。但是可以預(yù)想，在一些條件下(例如，使用方式改變，需要水被盡快加熱，而無需考慮效率)加熱策略可能需要包括差值測量結(jié)果。
在步驟815，軟件確定“汲取下降(draw down)”狀態(tài)。汲取狀態(tài)指示用戶當(dāng)前是否在汲取水，以及用戶正以什么速率汲取水。汲取下降狀態(tài)有四個(gè)值“水箱在加熱”、“汲取下降-1”、“汲取下降-2”和“恢復(fù)”。如果汲取下降狀態(tài)是“水箱在加熱”，則軟件進(jìn)入步驟820。如果汲取下降狀態(tài)是“汲取下降-1”，則軟件進(jìn)入步驟825。如果汲取下降狀態(tài)是“恢復(fù)”，則軟件進(jìn)入步驟830。如果引水狀態(tài)是“汲取下降-2”，則軟件進(jìn)入步驟835。
在步驟820，軟件確定溫度斜率是否小于或等于汲取下降的閾值。例如，如果計(jì)算的溫度斜率小于10°F，則軟件確定正在進(jìn)行汲取下降，并將汲取下降狀態(tài)設(shè)置為“汲取下降-1”(步驟840)。如果溫度斜率大于汲取下降閾值，則軟件確定不在進(jìn)行汲取，并進(jìn)入步驟870。
如果汲取下降狀態(tài)當(dāng)前為“汲取下降-1”，則熱水器之前處于汲取下降(即，用戶正在使用熱水)。在步驟825，軟件確定溫度斜率是否為正。如果溫度斜率為正，則軟件確定熱水器正在恢復(fù)，并將汲取下降狀態(tài)設(shè)置為恢復(fù)(步驟845)。如果溫度斜率仍為負(fù)，則軟件確定熱水器仍處于汲取下降，并進(jìn)入步驟870。
如果汲取下降狀態(tài)當(dāng)前被設(shè)置為“恢復(fù)”，則熱水器從汲取下降中恢復(fù)。在步驟830，軟件確定是否存在另一汲取下降(即，溫度斜率小于或等于汲取下降的閾值)。如果有另一個(gè)汲取下降，則軟件將汲取下降狀態(tài)設(shè)置為“汲取下降-2”(步驟850)。如果軟件確定熱水器仍在恢復(fù)，則程序進(jìn)入步驟870。
在步驟835，軟件確定水箱下部溫度是否大于或等于熱水器開溫度。如果水箱下部溫度大于或等于熱水器開溫度，則軟件將汲取下降狀態(tài)設(shè)置為恢復(fù)，并復(fù)位溫度斜率。如果水箱下部溫度小于熱水器開溫度，則微控制器U1將工作循環(huán)設(shè)置為滿功率(步驟760)。當(dāng)然，依賴于特定的熱水器和環(huán)境情況，可以使用其它工作循環(huán)。
在步驟870，軟件為熱水器確定加熱優(yōu)先級。如果加熱優(yōu)先級是“50對50”(以下討論)，則軟件與水溫?zé)o關(guān)地將工作循環(huán)設(shè)置為滿功率(步驟875)。當(dāng)然，依賴于特定的熱水器和環(huán)境情況，可以使用其它工作循環(huán)。如果加熱優(yōu)先級不是50對50模式，則軟件進(jìn)入步驟880(圖20(d))。
在步驟880，軟件根據(jù)先前確定的加熱優(yōu)先級選擇一個(gè)情況。加熱優(yōu)先級用于確定啟動(dòng)哪一元件。例如，如果第一元件是上部的元件，且第二元件是下部的元件(與圖5相似)，則在一定條件下，兩個(gè)元件都可以使用。對于這種安排，如果兩個(gè)元件都正被使用，則加熱優(yōu)先級將是平分的。如果僅使用了一個(gè)元件，則加熱優(yōu)先級是0對100?；蛘?，如果元件在基本上水平的平面中，則可以是50對50的排列使用兩個(gè)元件(與僅使用一個(gè)元件相對比)來對水進(jìn)行加熱。
在步驟885，軟件確定上部的水箱溫度是否已經(jīng)下降(即，上部元件的溫度斜率小于或等于閾值)。如果上部水箱溫度下降了，則軟件將加熱優(yōu)先級設(shè)置為“50對50”(步驟887)，使得兩個(gè)元件都對水進(jìn)行加熱。如果上部水箱溫度沒有下降，則軟件進(jìn)入步驟555(圖16)。
在步驟890，軟件確定上部水箱溫度是否已經(jīng)恢復(fù)(即，上部元件的溫度斜率大于閾值)。如果上部溫度水箱已經(jīng)恢復(fù)，則軟件將優(yōu)先級設(shè)置為“0對100”(步驟895)，使得僅第二元件240對水進(jìn)行加熱。如果上部水箱溫度沒有恢復(fù)，則軟件進(jìn)入步驟555(圖16)。
軟件每800ms執(zhí)行一次計(jì)時(shí)器中斷事件。計(jì)時(shí)器中斷用作多種超時(shí)(例如，“ReCheck”超時(shí))的計(jì)時(shí)基準(zhǔn)。在每一中斷期間，微控制器的計(jì)時(shí)器被復(fù)位，且如果超時(shí)變量的值仍然大于零則減少超時(shí)變量。一旦超時(shí)值達(dá)到零，則可以在此時(shí)或在主循環(huán)期間執(zhí)行相關(guān)的子程序。如圖21所示，在步驟905軟件為下一預(yù)定中斷復(fù)位計(jì)時(shí)器。在步驟910，軟件為超時(shí)服務(wù)(即，減少各個(gè)超時(shí))并延遲變量。在步驟915，軟件按照需要執(zhí)行與事件相關(guān)的子程序。在步驟920，軟件從中斷返回至先前執(zhí)行的步驟。
每次信號(AcOuhHI)越過0V時(shí)，微控制器U1執(zhí)行過零事件中斷。當(dāng)晶體管Q8(圖12)打開時(shí)，它進(jìn)入飽和，引起生成微控制器U1的中斷的下降沿。這個(gè)下降沿用作用于啟動(dòng)三端雙向可控硅開關(guān)元件Q1和Q2(圖16(b))的參考沿。當(dāng)參考沿發(fā)生時(shí)，調(diào)節(jié)計(jì)時(shí)器中斷(圖21)，以使它精確地對應(yīng)發(fā)生過零的時(shí)間。通過這種方式，過零中斷在正確時(shí)間精確地啟動(dòng)三端雙向可控硅開關(guān)元件。
為了控制傳遞給加熱元件235和240的功率，微控制器U1生成輸出信號(第一元件或第二元件)，該輸出信號被分別供給過零三端雙向可控硅開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)器U5和U6。過零三端雙向可控硅開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)器U5和U6與三端雙向可控硅開關(guān)元件Q1和Q2聯(lián)合控制提供給加熱元件235和240的高壓AC信號(AcIn)。
為了控制傳遞給加熱元件235和240的功率，對于四個(gè)連續(xù)的半AC周期的序列，啟動(dòng)三端雙向可控硅開關(guān)元件Q1或Q2。啟動(dòng)的三端雙向可控硅開關(guān)元件Q1或Q2是基于加熱優(yōu)先級以及與加熱循環(huán)相關(guān)的軟件的狀態(tài)的。例如，如果加熱優(yōu)先級是“0對100”，則僅啟動(dòng)一個(gè)三端雙向可控硅開關(guān)元件Q2?；蛘?，如果加熱優(yōu)先級是“50對50”且加熱元件235和240被順序啟動(dòng)，則軟件包括確定啟動(dòng)加熱元件235或240的哪一個(gè)的變量。在啟動(dòng)四個(gè)順序AC半周期的序列后，軟件延遲啟動(dòng)，即在許多周期中不啟動(dòng)三端雙向可控硅開關(guān)元件Q1或Q2。不啟動(dòng)三端雙向可控硅開關(guān)元件Q1或Q2的周期數(shù)由要傳遞給加熱元件235或240的功率值確定。例如，如果要傳遞100％的功率，則軟件將完全不延遲啟動(dòng)。如果要傳遞50％的功率，則軟件將把三端雙向可控硅開關(guān)元件Q1或Q2的啟動(dòng)延遲四個(gè)半AC周期。表3披露了示例性的電功率傳遞表。
表3用于基于初始四周期啟動(dòng)的多種工作循環(huán)期的查詢表延遲(半周期)功率傳遞0半周期延遲100％功率1半周期延遲80％功率2半周期延遲66％功率3半周期延遲57％功率4半周期延遲50％功率6半周期延遲40％功率16半周期延遲 20％功率當(dāng)然，可以使用其它的半周期延遲，且可以改變初始四周期啟動(dòng)，以得到不同的功率傳遞比。
盡管這里顯示并描述了本發(fā)明的特定的實(shí)施方式，但是在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以作出改變和修改。例如，可以使用不同于Motorola UAA1016A邏輯芯片的邏輯芯片來控制晶閘管103的開關(guān)循環(huán)。而且，可以使用不同于熱敏電阻的溫度傳感設(shè)備作為溫度傳感設(shè)備102。而且，可以使用不同于Motorola TRIAC的晶閘管作為晶閘管103，且可以使用上面提到的多種加熱元件和其它可選擇的控制電路。因此，除了所附權(quán)利要求中包含的限定外，沒有其它對本發(fā)明的限定。
在下面的權(quán)利要求中提出了本發(fā)明的各種其它特征和優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種熱水器，包括用于保存水的水箱；進(jìn)水管，其具有將冷水引進(jìn)水箱的進(jìn)水口；出水管，其具有將加熱的水從水箱中排出的出水口；延長進(jìn)入水箱的第一加熱元件；延長進(jìn)入水箱的第二加熱元件；控制電路，可操作該控制電路以分別控制將電功率以脈沖串提供到第一與第二加熱元件，每個(gè)脈沖串后跟隨其間不將電功率提供到加熱元件的一時(shí)間段，還可操作該控制電路以激勵(lì)第一脈沖串持續(xù)第一時(shí)間周期并且激勵(lì)第二脈沖串持續(xù)第二時(shí)間周期；并且其中水箱具有縱軸，水箱具有基本上與縱軸正交的平面，以及第一和第二加熱元件處于基本上正交的平面內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的熱水器，其中水箱限定一容積，該容積具有上三分之二容積與下三分之一容積，其中出水口放置在上三分之二容積內(nèi)并且進(jìn)水口放置在下三分之一容積，并且其中第一與第二加熱元件放置在下三分之一容積。
3.如權(quán)利要求2所述的熱水器，其中第一與第二加熱元件以順序的方式啟動(dòng)。
4.如權(quán)利要求1所述的熱水器，其中第一與第二加熱元件以順序的方式啟動(dòng)。
5.一種熱水器，包括用于保存水的水箱，該水箱限定一容積，該容積具有上三分之二容積與下三分之一容積；進(jìn)水管，其具有放置在下三分之一容積內(nèi)的進(jìn)水口，該進(jìn)水口將冷水加入到水箱；出水管，其具有放置在上三分之二容積內(nèi)的出水口，該出水口從水箱抽取加熱的水；延長進(jìn)入下三分之一容積的第一與第二加熱元件；控制電路，可操作該控制電路以分別控制將電功率以脈沖串的方式提供到第一與第二加熱元件，每個(gè)脈沖串后跟隨其間不將電功率提供到加熱元件的一時(shí)間段，還可操作該控制電路以激勵(lì)第一脈沖串持續(xù)第一時(shí)間周期并且激勵(lì)第二脈沖串持續(xù)第二時(shí)間周期。
6.如權(quán)利要求5所述的熱水器，其中第二加熱元件與第一加熱元件以順序的方式啟動(dòng)。
7.如權(quán)利要求6所述的熱水器，其中水箱具有縱軸，其中水箱具有基本上正交于縱軸的平面，以及其中第一和第二加熱元件處于基本上正交的平面內(nèi)。
8.如權(quán)利要求5所述的熱水器，其中水箱具有頂部與底部，進(jìn)水管包括汲取管，該汲取管在與水箱的頂部相鄰的點(diǎn)處延伸進(jìn)入水箱，以及進(jìn)水口與水箱的底部相鄰。
9.如權(quán)利要求8所述的熱水器，其中汲取管包括放置在汲取管中的閥，該閥具有導(dǎo)管并且由控制電路控制以將冷水通過導(dǎo)管引進(jìn)水箱。
10.如權(quán)利要求5所述的熱水器，其中其中水箱具有頂部與底部，并且進(jìn)水管包括汲取管，該汲取管在與水箱的頂部相鄰的點(diǎn)處延伸進(jìn)入水箱。
11.如權(quán)利要求10所述的熱水器，其中汲取管包括放置在汲取管中的閥，該閥具有導(dǎo)管并且由控制電路控制以將冷水通過導(dǎo)管引進(jìn)水箱。
全文摘要
一種熱水器，其具有水箱與延長進(jìn)入水箱中的水的多個(gè)電阻加熱元件。該熱水器包括比例帶溫度控制器，其用于將電功率以脈沖串的方式傳導(dǎo)到電阻加熱元件。每個(gè)電功率的脈沖串后跟隨其間溫度控制器沒有將功率傳導(dǎo)到加熱元件的一個(gè)時(shí)間段。在一個(gè)實(shí)施例中，電功率的每個(gè)脈沖串持續(xù)大約等于或小于一個(gè)循環(huán)的95％，該循環(huán)包括其后跟隨其間溫度控制器不傳導(dǎo)電功率的周期的電功率的脈沖串。以順序地或其它定時(shí)或控制的方式通過控制器進(jìn)一步實(shí)施加熱元件的激勵(lì)，使得水箱中的水均勻的加熱。
文檔編號H05B3/82GK1492985SQ01821698
公開日2004年4月28日 申請日期2001年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月2日
發(fā)明者肯尼思·A·布雷登鮑, 肯尼思 A 布雷登鮑 申請人:Aos控股公司