专利名称：温度传感器组件，包括该温度传感器组件的热水器，和检测温度的方法
技术领域：
本发明通常涉及温度传感器。更特别地，本发明涉及用于更有效地测量比如电热水器这样的能源的温度的方法和装置。
背景技术：
一种贮水式热水器通常包括永久密封的水箱；与水箱同轴的圆柱外壳，该外壳与水箱轴向相距，以在水箱的外壁和外壳的内壁之间形成环形空间；以及至少在环形空间的一部分中的绝缘材料，用于为水箱提供热绝缘。水箱具有多种附属物，比如进水口、出水口和排水装置。另外，热水器具有水加热及温度控制系统。水加热及温度控制系统包括一加热元件以将水加热。
现有的水加热及温度控制系统通常进一步包括机械自动调温器。在电热水器中，当检测到水箱中的水低于所选择的设置点温度时，机械自动调温器将开关闭合，以允许电力流经电阻加热元件；并且当水箱中的水处于或高于设置点温度时，机械自动调温器将开关断开，以停止电力流经电阻加热元件。
现有的热水器往往使用双金属盘和/或多传感器来确定热水器中的温度。然后将来自这些传感器的读数平均，并且该均值被传输至温度控制系统以启动自动调温器。然而，由于精确测量温度所需的传感器的数目，这些系统往往不是投资有效的。在现有热水器中提供更有效的温度测量以提供更为有效的热水器温度控制，将是有益处的。
发明内容
因此，在一个实施例中，本发明提供了一种热水器，其具有水箱、用于将冷水引入该箱的入水口、用于从该箱移除热水的出水口，以及加热元件。该热水器还包括一温度传感器组件，其适于检测箱内的水温并且耦合至箱的外表面。温度传感器组件包括放置在非平面基底中的传感器，耦合至基底和水箱的收集器，以及耦合至基底的反射器。
在一种结构中，水箱具有一特征，并且温度组件在箱外部上的位置依赖于该箱特征。在另一结构中，非平面基底是弓形的。在另一结构中，基底包括导热材料。在另一结构中，传感器包括NTC热敏电阻。在另一结构中，收集器包括铜箔盘。在另一结构中，收集器是绝缘的。在另一结构中，反射器包括高反射性材料(即，铝箔)。在另一结构中，反射器的形状为抛物线，并且传感器位于反射器的焦点。在另一结构中，基底包括第一表面和第二表面，使得收集器耦合至第一表面并且反射器耦合至第二表面。
在另一实施例中，本发明提供了一种温度传感器组件，其包括放置在非平面基底内的传感器、耦合至基底的收集器、以及耦合至基底的反射器，使得传感器和反射器没有热接触。
在再一实施例中，本发明提供了一种温度传感器组件，其包括放置在导热弓形基底内的传感器、耦合至基底的绝缘铜箔收集器、以及耦合至基底的由高反射性材料构成的抛物线反射器。
在另一实施例中，本发明提供了检测热水器中流体温度的方法，该方法包括确定热水器中水箱的热分布；将具有采样区域的传感器耦合至水箱的外表面，其中传感器在箱上的位置由箱的热分布确定；并且通过测量水箱的辐射热来检测箱中流体的温度。
通过结合所有这些特征，得到超过现有热水器的显著节能效果。本领域熟练技术人员通过下面的具体说明、权利要求和附图可以明显地看出本发明的其它特征和优点。
图1是热水器的截面图。
图2是能够在图1的热水器中使用的温度传感器组件的正视图。
图3是沿图2的3-3线得到的温度传感器组件的截面图。
图4是能够在图1的热水器中使用的另一温度传感器组件的截面图。
具体实施例方式
在具体解释本发明的任何方面之前，应当理解，本发明的应用不限定于下面的说明所给出的或附图所描绘的结构的细节以及部件的排列。本发明可以有其它实施例并且能够以多种方式实践或实现。而且，应当理解，这里所使用的措词和术语是为了说明的目的并且不应被看作是限定。“包括”、“包含”或“具有”以及它们的变体的使用意指涵盖其后列出的条目及其等同物以及附加条目。这里，术语“连接”、“耦合”和“安装”及其变体被广泛使用，并且，除非特别说明，都涵盖直接和非直接的链接、耦合及安装。另外，这里，术语“连接的”和“耦合的”以及它们的变体不限于物理和机械的连接或耦合。
图1显示了电热水器10的截面图，其包括封闭的水箱11、环绕水箱11的外壳12、以及填充水箱11和外壳12之间的环形空间的泡沫绝缘材料13。对于本领域技术人员应当理解，其它类型的热水器，例如燃气(热力)热水器，也可以被使用并且也落在本发明的范围内。水箱11具有用于确定水箱的热分布的箱特征。箱特征可以包括但不限于箱直径、箱高度、箱存储容量等。箱特征确定在箱11中创建不同温度水层的箱11内部热对流模式。
入水口管线或汲取管14以及出水口管线15进入水箱11的顶部。入水口管线14具有入口22，用于在水箱11底部附近添加冷水。出水口管线15具有出口24，用于从水箱11的顶部附近排出热水。
加热元件16延伸通过水箱11的壁。在所示实施例中，加热元件16是电阻加热元件。然而，应当理解，也可以使用其它类型的加热元件，比如热力加热源。控制盒17中的温度控制电路连接至电阻加热元件16。温度控制电路包括控制器、温度传感器组件18和加热元件16。在一种结构中，温度控制电路包括脉冲串控制电路，用于以脉冲串向电阻加热元件16提供能量。在2001年1月2日提交的名称为“PROPORTIONAL BAND TEMPERATURE CONTROL FOR ONE ORMORE HEATING ELEMENTS”的美国第09/752,477号专利申请中说明了脉冲串温度控制电路的细节，这里将该申请的全部公开合并入本申请，作为参考。然而，温度控制电路可以使用用于对水进行加热的其它电路和其它方法。
在某些结构中，控制盒17中的温度控制电路包括可编程实时时钟。高峰或非高峰能量需求周期或者空闲操作循环被编程入用于加热元件的控制循环。另外，可以添加压力传感器、温度传感器、矿床传感器(mineral deposit sensor)和/或用于检测水的存在的传感器。在热水器10的一种操作方法中，控制电路被编程为当检测到预定条件或限度时，将电力与加热元件断开。
再次参考图1，温度传感器组件18耦合至水箱11的外壁，用于检测箱11中的水温。下面将详细说明温度传感器组件的部件。在一种结构中，传感器组件18在箱表面上的位置依赖于箱特征。下面还将具体说明正确位置的确定。
温度传感器组件18例如通过电线19电连接至控制器(在控制盒17中)。控制器是本领域中已知的控制系统，与加热元件16和温度传感器组件18通信，并且响应于传感器组件18检测的温度而产生启动加热元件的信号。控制器可以是软件驱动的集成电路、可编程器件、离散电路元件、处理器和存储器等。控制器可以包括开关元件(未显示)，比如半导体闸流管或三端双向可控硅开关元件，以选择性地向加热元件供电。
通过线路20向热水器10提供AC电力。可用户化的操作者接口(未显示)可以安装在热水器的外侧上，以允许与控制器通信，并且对于加热元件的控制提供受到安全保护的访问。操作者接口可以用于提供加热元件的直接或远程控制。
图2和3说明了根据本发明的一个实施例的温度传感器组件18。组件18包括安装在非平面基底32内部的传感器28。温度传感器被定义为能够测量耦合的设备，比如热水器、冷水器、浴盆、制冷系统等，的温度的任何设备。所示的传感器28为本领域已知的NTC热敏电阻。应当理解，任何类型的热敏电阻都可以得到使用并且仍然落在本发明的范围内。还应当理解，可以使用其它传感设备，比如光电(太阳能)电池、热电发生器、热电偶等，代替热敏电阻。
所示结构的非平面基底32是弓形的，并且包括第一表面36和第二表面40。基底32包括导热材料，比如铝箔或其它已知的合适导热金属。第一和第二表面36、40至少部分定义基底内的体积42。这个体积可以包括空的空间(即，空气)，或者可以包括足以不限制热辐射的材料，比如塑料或玻璃。
绝缘抵消垫圈44耦合至基底32的第一表面36。垫圈44还使用压敏附着剂耦合至箱11的外表面。垫圈44有利于防止传感器28通过箱11和第一表面36之间的接触而导热。绝缘材料可以包括已知的低密度聚氨酯泡沫、玻璃纤维、或任何其它合适的绝缘材料。垫圈44还包括收集器48。
在一些结构中，箱表面可能是粗糙或脏污的，并且因此不能提供良好的结合表面。为了补偿，收集器48包括位于垫圈44和箱表面之间的铜箔盘，以增加传感器组件11和箱11之间的结合的强度。
反射器56耦合至基底32的第二表面40。如图所示，反射器的形状为抛物线，并且传感器28位于抛物线的焦点。通常，传感器可以测量表面上很小区域，比如一点，的温度。如果传感器恰好测量到与环境其余部分相比不寻常的高或低温的点，则传感器可以产生错误读数。例如，如果传感器测量与水箱中其余水相比具有偏离的温度(skewed temperature)的水箱上的点(由于这里无需说明的任意多的变量)，传感器可以错误地触发控制器启动/止动加热元件。这可以浪费能量或者导致水温低于期望温度。
温度传感器组件18的抛物线结构增加了传感器28的有效采样区域，从而增加了传感器28的温度检测能力的精度。正如图2所最好的显示的，传感器28测量与反射器56的周围有关系的采样区域，并且因而不易于测量错误的高或低温。这允许使用更少的传感器得到更精确的温度读数，从而减少了在热水器中需要的部件并且消除了平均传感器读数的需要。
反射器56包括高反射性材料，例如铝箔、聚脂薄膜、静电涂覆的塑料或具有高反射性(例如，95％的反射性或更高)的其它已知材料。这个结构使得反射器可以会聚从箱11辐射的热，以将信号送入传感器28，进一步增加了采样区域和传感器28的效率。
可以通过箱11和外壳12之间的空间中的绝缘材料13，将反射器56与箱11外的温度绝缘。如图1所示，没有绝缘材料13环绕反射器56(在组件18内部)。在所示的结构中，不需要反射器56的外部绝缘材料来保护反射器56不受外部温度影响。然而，在其它结构(未显示)中，温度传感器组件18被安装在箱11的不同位置上，使得组件18和反射器56被绝缘材料13围绕。
尽管在所示的结构中，温度传感器组件18被配置为用于热水器，但是传感器组件18可以被配置为用于许多应用。例如，传感器组件18可以用于房间或建筑物自动调温器，用于温度控制的浴室、工业制冷系统、或许多其它应用中。
上述温度传感器组件18可以用于执行检测热水器中的水温的方法。为了确定给定的热水器模型(具有给定的箱容量、箱高度和箱直径)上的传感器组件18的合理放置，第一步骤是确定箱11的热分布。温度传感器组件18优选地位于箱上典型地具有平均水温的位置。通常，它靠近箱11的中部。
为了确定箱的热分布(例如，在垂直尺度上)，将多个传感器放置在箱上的不同垂直位置。在一些布置中，可以在箱表面上放置传感器带，代替单个的传感器。传感器的温度读数被平均，以确定箱中的水的平均温度。然后将这个平均值与传感器的各个读数相比较，以确定是否任何一个传感器(或者传感器带的任一部分)记录了这个平均温度读数。然后在那些具有与平均水箱温度最接近的温度读数的传感器之间的中间位置，将传感器组件18耦合至水箱。通过这样做，传感器28的采样区域包括平均温度的区域。
一旦对于给定的箱模型，确定了合适的传感器组件18位置，传感器18在这个位置被耦合至箱11。传感器28测量采样区域的温度，并且经由导线19将温度信号发送至控制器。然后控制器确定是否启动加热元件。
图4说明了根据本发明的另一实施例的温度传感器组件。对于类似的部件给予参考数字“a”。
组件18a的基底32a包括导热塑料。导热塑料可以是苯乙烯、ABS、PVC或导热的任何其它已知热硬化性塑料。反射器56a包括在反射器 56a的内表面(面向传感器28a)上的铝箔层。在一些结构中，反射器56a的外表面也被贴箔。如图4所示，反射区56a包括绝缘材料层60，其既保证了传感器28a不经由与基底32a的接触而导热，又有助于消除热水器外部温度的影响。
下面的权利要求中给出了本发明的多种其它特征和优点。
权利要求
1.一种热水器，包括水箱入水口，用于将冷水引入所述箱；出水口，用于从所述箱除去热水；加热元件；和温度传感器组件，其适于检测所述箱内的水的温度，并且耦合至所述箱的外表面，所述温度传感器组件包括至少部分定义一体积的非平面基底，放置在所述体积内的传感器，耦合至所述基底并且耦合至所述水箱的控制器，和耦合至所述基底的反射器。
2.如权利要求1所述的热水器，其中所述水箱具有一特征，并且其中所述特征是所述箱的直径或者所述箱的容量之一，并且其中所述温度传感器组件在所述箱的所述外表面上的位置依赖于所述箱特征。
3.如权利要求1所述的热水器，其中所述非平面基底是弓形的。
4.如权利要求1所述的热水器，其中所述基底包括导热材料。
5.如权利要求1所述的热水器，其中所述传感器包括NTC热敏电阻。
6.如权利要求1所述的热水器，其中所述收集器包括铜箔盘。
7.如权利要求1所述的热水器，其中所述收集器是绝缘的。
8.如权利要求1所述的热水器，其中所述反射器包括高反射性材料。
9.如权利要求8所述的热水器，其中所述高反射性材料包括铝箔。
10.如权利要求1所述的热水器，其中所述反射器的形状为抛物线，并且其中所述传感器被放置在所述反射器的焦点。
11.如权利要求1所述的热水器，其中所述反射器是绝缘的。
12.如权利要求1所述的热水器，进一步包括与所述加热元件和所述温度传感器通信的控制器，所述控制器用于接收来自所述温差传感器的检测的温度并且响应于所述检测的温度产生启动所述加热元件的信号。
13.如权利要求1所述的热水器，其中所述基底包括第一表面和第二表面，使得所述收集器耦合至所述基底的所述第一表面并且所述反射器耦合至所述基底的所述第二表面。
14.一种温度传感器组件，包括至少部分定义一体积的非平面基底；放置在所述体积内的传感器；耦合至所述基底的收集器；和耦合至所述基底的反射器，安装所述反射器使得所述传感器和所述反射器没有热接触。
15.如权利要求14所述的温度传感器组件，其中所述传感器包括NTC热敏电阻。
16.如权利要求14所述的温度传感器组件，其中所述非平面基底是弓形的。
17.如权利要求14所述的温度传感器组件，其中所述基底包括导热材料。
18.如权利要求14所述的温度传感器组件，其中所述收集器包括铜箔盘。
19.如权利要求14所述的温度传感器组件，其中所述收集器是绝缘的。
20.如权利要求14所述的温度传感器组件，其中所述反射器包括高反射性材料。
21.如权利要求20所述的温度传感器组件，其中所述高反射性材料包括铝箔。
22.如权利要求14所述的温度传感器组件，其中所述反射器的形状为抛物线，并且其中所述传感器位于所述绝缘反射器的焦点。
23.如权利要求14所述的温度传感器组件，其中所述反射器是绝缘的。
24.如权利要求14所述的温度传感器组件，其中所述传感器组件被配置为用于具有水箱的热水器，并且其中所述传感器组件耦合至所述水箱的外部。
25.一种温度传感器组件，用于检测辐射热，所述传感器组件包括至少部分定义一体积的导热弓形基底；放置在所述体积内部的传感器；耦合至所述基底的铜箔收集器，所述收集器是绝缘的；和由高反射性材料构成的抛物线反射器，所述抛物线反射器耦合至所述基底并且被安装为使得所述传感器和所述反射器没有热接触。
26.如权利要求25所述的温度传感器组件，其中所述传感器包括NTC热敏电阻。
27.如权利要求25所述的温度传感器组件，其中所述传感器位于所述反射器的焦点。
28.如权利要求25所述的温度传感器组件，其中所述反射器是绝缘的。
29.如权利要求25所述的温度传感器组件，其中所述传感器组件被配置为用于具有水箱的热水器，并且其中所述传感器组件耦合至所述水箱的外部。
30.如权利要求25所述的温度传感器组件，其中所述基底包括第一表面和第二表面，使得所述铜箔收集器耦合至所述第一表面并且所述抛物线反射器耦合至所述第二表面。
31.如权利要求30所述的温度传感器组件，其中所述基底仅具有第一和第二表面。
32.一种检测具有水箱的热水器中的流体的温度的方法，该方法包括确定所述水箱的热分布；将具有采样区域的传感器耦合至所述热水器中所述水箱的外表面，所述传感器在所述外表面上的位置由所述箱的所述热分布确定；以及利用所述传感器，通过测量所述水箱的辐射热，检测所述热水器中所述流体的温度。
33.如权利要求32所述的方法，其中确定所述箱的所述热分布包括确定在所述箱内部的平均流体温度。
34.如权利要求32所述的方法，进一步包括将所述传感器配置为增加所述传感器的所述采样区域，从而增加所述传感器的温度检测能力的精度。
35.如权利要求34所述的方法，其中配置所述传感器增加所述传感器的所述采样区域包括提供耦合至所述传感器的抛物线反射器，以增加所述采样区域并且将所述辐射热会聚到所述传感器上。
全文摘要
在热水器中使用的温度传感器组件和方法。温度传感器组件包括位于至少部分定义一体积的非平面基底内部的传感器、耦合至基底的收集器、和耦合至基底的反射器，使得传感器和反射器没有热接触。反射器包括高反射性材料，使得来自热水器的水箱的热会聚到传感器上，从而增加传感器的温度读数的精确度。
文档编号G01J5/04GK1576748SQ20041006388
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月14日 优先权日2003年7月14日
发明者肯·A·布拉登博 申请人:Aos控股公司