具有温度控制的液体加热器的制作方法

专利名称：具有温度控制的液体加热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液体加热器及其部件。
背景技术：
正如公布号为US2006/0291527A1 (“ ’ 527公布文件”)的前述美国专利申请所阐述的，使用“即热式”加热设备加热流体(特别是液体，例如用作家用热水的水)是方便的。当流体从源头流至使用位置时即热式加热设备用于加热流体。即热式加热器并不依赖于存储预热流体的贮液器，相反，它被设计成，即使流体以等于最大预计需求的速率流经加热器时，加热器具有足够的将流体加热至期望温度的性能。例如，如果即热式加热器用于给家里的花洒提供热水，加热器被设计成具有足够的将水在花洒的最大流速下从最低的预计流入温度加热至最高的期望花洒温度的性能。正如’ 527公布文件所披露的，特别适于液体(例如家用水)加热的流体加热器的一种形式是电阻式液体直接加热器。在电阻式液体直接加热器中，电功率被施加给浸没在要被加热的液体中的电极之间从而使得电流流经液体本身并且由于液体本身的电阻电能被转换成热量。同样正如’527公布文件所披露的，这种加热器能设置有多个电极，多个电极界定出多个用于液体流动的通道。用于这种加热器的控制系统可用于将电极中的不同电极与电源连接和断开。电极和加热器的相关元件能被设置从而使得不同组的电极与电源接头的连接能提供流经液体的不同值的电流。这些电流值最优选地包括零值电流(当没有电极被连接时)至最大电流(当所有的电极被连接时)之间的步进数列(progression)。正如’ 527公布文件所披露的，这种数列在具有非零电流值的数列的相邻梯级的电流之间优选具有基本上相同的比率。正如’ 527公布文件所阐述的，尽管流入的液体温度、期望输出的液体温度、流速以及液体的电阻率存在较大的变化，但是具有这样一组可能电流值的加热器能提供液体温度的步进控制。对于给定电阻率的流体，期望的步进数列优选包括多个梯级(例如60个梯级或更多的梯级)或不同的电流值。最优选地，所述梯级被设置从而使得具有非零电流的数列的任意两个相邻梯级内的电流值之间的最大比率不超过约1.22:1，优选地不超过约1.1:1，并从而使得对于流体电阻率的给定值，数列的任意两个相邻梯级内的电流值之间的最大差额不大于最大电流的约10%。由于热量在液体自身的内部形成，这种加热器能对流经其中的液体进行基本上即时的加热。另外，这种加热器能通过将电极中的不同电极与电源简单地连接和断开而被控制，这就允许使用开关元件，例如传统的继电器，或更优选的固态半导体开关元件，例如双向晶闸管和场效应晶体管。优选的半导体开关元件能被引至导通或“关闭”状态或基本上非导通的状态，在导通或“关闭”状态，半导体开关元件的电阻非常小，在非导通状态，半导体开关元件的电阻极高(几乎无限大)并且基本上不导电从而因此作为打开开关。因此，虽然半导体开关元件处于其关闭状态时大量的电流流经半导体开关元件，但半导体元件本身消耗非常少的电能。’527公布文件所披露的加热器包括温度传感器，温度传感器用于感应控制器附近被加热的液体的温度，为了控制开关元件，该控制器对来自温度传感器的信号进行响应，并且控制器因此控制由加热器施加给流动的液体的电能。’527公布文件所述的优选的温度传感器包括“热导温度感应片”，“热导温度感应片”尽可能靠近加热腔体的端部并且垂直于液体的流动而被放置从而使得离开加热腔体的液体必须穿过温度感应片的穿孔，“热导温度感应片”还包括安装至感应片的“基于半导体结的温度传感器”。但是，正如’ 527公布文件所阐述的，由于热片和热传感器的包装材料的热阻以及这些部件的“热质(thermal mass)”的存在，这种设置会在被加热的液体的温度变化与来自热传感器的信号输出之间产生“热滞后或延时”。为了补偿这种“热滞后或延时”，控制系统包括信号调理电路，信号调理电路产生一种代表“由温度传感器测量的温度的变化率”的信号，并且该信号与代表温度本身的信号进行求和。虽然这种设置能提供令人满意的运行，但是进一步的改进值得期望。

发明内容
本发明的一个方面提供了一种包括通道结构的流体加热器，通道结构界定出多个通道，多个通道沿下游方向延伸从而使得流体能平行地从入口经通道流至出口。通道结构优选地包括一个或多个与每个通道关联的电能施加元件。例如，电能施加元件可以是’ 527公布文件中所述的电极。加热器优选地还包括温度感应导线和控制电路，温度感应导线延伸穿过通道并邻近通道的下游端；控制电路与加热元件和导线连接，控制电路用于监测导线的电阻并且通过对导线的电阻的响应控制施加给电能施加元件的功率。控制电路优选地被设置从而至少在一些控制状况下，流经不同通道的流体将被加热至不同的温度。正如下文进一步所述的，导线的电阻代表与各个通道关联的部分的总和或平均，并且因此代表流体的最终温度，该最终温度是在来自通道的流体从通道向下游流动而混合时产生的。本发明的另一方面提供了一种例如能用在上述加热器中的流体处理设备。根据本发明的此方面的加热器优选地包括通道结构和细长导线，通道结构界定出至少一个通道，细长导线沿横向方向延伸穿过通道并且邻近通道的下游端。所述设备还包括出口结构，出口结构在通道的下游端限定出通道的边界。出口结构最优选地界定出沿横向方向延伸穿过通道并与导线对准的槽体。槽体的横截面积优选地小于通道的横截面积，并且优选地对于离开通道的流体的流动，槽体是打开的。出口结构优选地还界定出一对收集腔体和一对细长的唇状物，所述一对收集腔体被设置在槽体的相对侧并且沿与下游方向和横向方向垂直的侧向方向与槽体形成偏离，所述一对唇状物沿横向方向延伸并且将腔体和槽体隔开，收集腔体在上游方向是打开的并且从唇状物向下游延伸。出口结构优选地还界定出出口孔，出口孔与收集腔体连通并且对于离开通道的流体的流动是打开的。优选地出口孔的横截面积总体上小于所述槽体的横截面积。出口结构有助于气泡附着在导线上。所述导线为上述温度感应导线，这会提高感应作用。


图1是根据本发明的一个实施方式的加热器的外部平面图。图2是根据图1的为了清楚地显示而部分结构被移除的加热器的立体剖视图。图3是图1中沿线3-3的截面图。图4是图1所描述的加热器的截面图。图5是描述图4中标记数字5所指示的区域的局部截面图。图6是图5中沿线6-6的另一截面图。图7是图1-6所示的加热器中所使用的电路的模块示意图。
具体实施例方式根据本发明的一个实施方式的加热器包括壳体10 (图1)。壳体10包括第一端盖12、第二端盖14以及在第一端盖12和第二端盖14之间延伸的通常呈管状的外壳16。第一端盖和第二端盖具有安装脚18。第一端盖和第二端盖优选由金属材料(例如模铸或机加工金属)成型。外壳16的截面沿其端盖之间的长度优选基本上不变并且优选由金属材料成型。例如，外壳16可由挤压金属(挤压铝)成型。为了清晰起见，在图2中外壳16被移除。外壳16以及端盖12和14共同界定出耐压密封容器。第一端盖12具有流体入口 20，而第二端盖14具有流体出口 22。护罩24覆盖第一端盖20，另一护罩26覆盖第二端盖14。正如下文所述的，第二护罩26包围某些的电子部件。为了清晰地显示，护罩26以及相关的电子部件在图2中被移除。绝缘结构30被安装在外壳16内。绝缘结构优选包括多个彼此相同的填充节段32，填充节段32沿外壳16的长度方向一个叠加在另一个上。填充节段界定出槽体49。绝缘结构还包括设置在第一端盖12内的第一内部端件34和设置在第二端盖14内的第二内部端件36。为了清晰地显示，在图2中这些端件的部分被移除。绝缘结构30界定出位于外壳16内纵向延伸的流体进入通道38、位于壳体10内纵向延伸的流体流出通道40、位于壳体10和外壳16内同样纵向延伸的流体流出通道40以及位于壳体10和外壳16内同样纵向延伸的一对加热腔体42和44 (图3)。腔体42在本文中被称为“上”加热腔体，而腔体44在本文中被称为“下”腔体，但是这种称呼并不意味着涉及标记的重力结构的任何特定方向。正如在图3和5中最易看到的，多个扁平的板状电极46被安装至聚合结构30并且将上加热腔体42细分成10个单独的通常为矩形的通道48。电极46中的两个被设置在腔体的边缘，并且在边缘的附近限定出所述通道的边界。正如下文中进一步所讨论的，电极46之间的间距不是相同的，从而使得不同的通道48具有不同的宽度。下加热腔体44包含另外的扁平的板状电极50，板状电极50将腔体44细分成多个通常为矩形的单独的通道52(图3)，通道52也具有不同的宽度。正如在图4、5和6中最易看到的，出口结构54在通道48和52靠近第一端盖12和第一内部端件34的下游端限定出腔体42和44的边界，并且因此也限定通道48和52。出口结构54因此将通道和加热腔体与第一内部端件34内的出口腔体56隔开(图4和5)。正如在图5中最易看到的，出口壁结构54具有面向通道48的上游侧(朝向图5中附图的上部)和面向出口空间56的下游侧(朝向图5中附图的下部)。电极46被容纳在延伸至出口结构54的上游侧的槽内(未示)。出口结构54还具有分割壁58，分割壁58基本上与单独的电极共面从而使得分割壁58有效地保持每个通道46与相邻的通道46分开。在每个电极与共面的分割壁58之间具有小缺口 60，但是对于流体的流动，这些缺口基本上是无关紧要的。每个通道48位于出口结构54处的端部通过出口结构(除下文中所述的出口结构内的缺口外)被有效地关闭。第二端盖14处的第二内部元件36界定出(图2和4中)标记数字62所示意的流体流入空间，流体流入空间62与所述通道的邻近第二端盖14的端部相通。流体进入通道38与第一端盖12内的流体入口 20连通，并且与邻近第二端盖14的流体流入空间62 (图2和3)连通。流体流出通道40 (图2和3)与邻近第一端盖12的出口空间56 (图4和5)连通，并且也与第二端盖14的流体出口 22 (图1)连通。因此，正如图2中通过曲线标记的流动路径63所指示的，流经该设备的流体进入第一端盖12并且经过流体进入通道38流至邻近第二端盖14的流入腔体62。流体然后朝向第一端盖12流经流动腔体42和44的通道48和52，并且从所述通道经出口结构54的缺口流入出口腔体56。流体然后从出口腔体56流经流体流出通道40 (图2和3)并且经第二端盖14内的出口 22流出设备。因此，通道48和52内流动的流体沿从第二端盖14朝向第一端盖12的方向流动。参考通道和出口结构的结构，该方向在本文中称为“下游方向”，并且在图2、4和5的每个附图中用箭头D标记，而相反的方向在本文中被称为“上游”方向。正在如图5和6中最易看到的，出口结构54包括一对唇状物64，唇状物64沿通道W的在本文中称为“导线”或“横向”的方向(图6)延伸穿过每个通道48。横向方向是进入和离开图5中附图的平面的方向。唇状物64在其之间界定出槽体66。槽体为细长槽体并沿横向方向W延伸穿过通道48。正如在图5中最易看到的，槽体66与出口空间56相通，从而使得对于离开通道48的流体的流动，槽体是打开的。出口结构还界定出一对收集腔体70，收集腔体70在图5和6中沿通过箭头L所示相反的侧向方向与槽体66形成偏离。侧向方向与横向方向W垂直并且也与下游方向D垂直。与每个通道48关联的收集腔体70通过唇状物64与槽体66隔离并且沿唇状物的下游延伸。在上游方向收集腔体是打开的。出口结构还界定出出口孔72，出口孔72将收集腔体70的下游端与出口空间56连接。因此，对于离开通道48的流体的流动，出口孔也是打开的。与每个通道关联的槽体66的横截面积比通道的小。与每个通道关联的出口孔72的横截面积也比通道的小，并且优选地，出口孔72的总横截面积小于槽体的横截面积。正如在图5中最易看到的，每个收集腔体70具有限定壁，限定壁通常为半圆形的，半圆的轴线沿横向方向W (进入和离开图5中附图平面的方向)延伸。每个收集腔体70的限定壁包括沿其中一个唇状物的一侧延伸的内部限定壁。该限定壁沿侧向方向朝收集腔体的下游端远离槽体地倾斜。每个收集腔体70还具有外部限定壁，外部限定壁远离槽体并且通常朝槽体向收集腔体的下游端向内地倾斜。限定壁朝向彼此地倾斜并且在收集腔体的最下游的位置在腔体和与腔体关联的出口孔72的交叉点处汇合。出口结构54为上流动腔体42内的每个通道48和下流动腔体44内的每个通道52界定出类似槽体收集腔体和出口孔的结构。正如在图6中最易看到的，上流动腔体42内的所有流动通道48的槽体66相互对准，同时所有通道48的出口腔体也相互对准。槽体、唇状物以及出口腔体基本上占据了每个通道的整个横截面积。与每个通道关联的槽体沿侧向方向L的宽度相同，但是槽体沿横向方向W延伸穿过通道的整个范围。优选参考图6以及图3，上流动腔体内的各个腔体46沿横向方向W的尺寸彼此不同并且因此上横截面积也彼此不同。同样，下流动腔体48内的各个通道52的横向方向的尺寸不同，并且因此上彼此的横截面积不同。这就导致在电极46之间产生不等的间距，并且在与各个流动通道关联的电极50之间也产生不等的间距。但是，每个槽体的横截面积比相关的通道的横截面积小于很多。例如，每个槽体66沿侧向方向L的宽度约0.115英寸,而每个通道46和52沿侧向方向的尺寸约0.929英寸,从而使得通道横截面积与槽体横截面积的比率约为0.12。出口孔(例如出口孔72，图5和6中)的直径优选是可选的从而使得与最小通道关联的出口孔具有最小的直径，这样就能可靠地使气泡通过出口孔。虽然本发明不受任何操作理论的限制，但应当认为，最小直径与液体的表面张力相关。对于约100-120°F的家用热水，最小直径为约0.070英寸。最小直径导致出口孔的总面积和与最小通道关联的槽体66的开口面积(扣除下文中所述的导线76遮挡的面积之后)之间的比率约为0.35。与较大通道关联的出口孔具有较大的直径从而在与每个通道关联的出口孔的横截面积和与每个通道关联的槽体的横截面积之间保持合理均一的比率。例如，对于所有的通道，该比率能为约0.3 至 0.45。整体的细长导线76被设置到出口结构并且沿横向方向W与上腔体42内的所有通道48相关联的槽体66对准地延伸。导线76被支撑在出口结构54的分割壁58内的小槽口内。导线76沿所有的腔体的槽体延伸。导线的部分(未示)在上流动腔体的槽体与下流动腔体的槽体之间延伸。该部分被设置在出口空间56内。导线76是细直径导线，其阻抗随温度变化而变化。例如，导线76可以是由镍铁合金制成的导线，这种镍铁合金例如为商号为Balco所销售的含70%镍和30%铁的120欧姆的合金，并且含薄绝缘覆盖层约为40规格(直径为0.079mm)。绝缘覆盖层优选地由聚合物(例如含氟聚合物，如商标为Teflon 的聚四氟乙烯)制成。绝缘覆盖层将加热器中流动的流体与导线隔离。绝缘覆盖层应当在没有针孔或其他缺口的情况下尽可能地薄。优选参考图2，在图2中，与下流动腔体关联的电极50的上游端是可见的，电极50和48的上游端伸出第二内部端结构36和第二端盖14。为了清晰地显示，与上流动腔体42关联的电极46在图2中被移除。电极被密封到第二内部端结构36。电极的上游端与护罩26 (图4)内设置的开关元件连接。在图7中用箭头82示意性地指示出多个开关元件。开关元件可以是继电器驱动的机械开关，但是最优选地是半导体开关元件，例如双向晶闸管、场效应晶体管或类似开关。与每个电极关联的开关元件用于将每个电极连接至AC电源接头的每任一极点84或86。在本实施方式中AC电源接头是连接至普通家庭电源的单向AC接头。当电源的极点被连接至家庭电源，极点84和86之间的电压就是可选择的，在美国通常为220伏。虽然为了清晰地显示在图6中描述了少量的电极46和50，但是每个电极都有开关元件82，并且每个电极能独立地与电源的任一极点连接。导线76被连接在图7示意性显示的控制电路中。控制电路包括电阻监测仪78，电阻监测仪78用于探测导线76的电阻并且提供代表导线76的电阻的信号，代表电阻的信号可作为代表加热器内或流经加热器的流体的温度的温度信号。控制电路还包括控制逻辑单元80，控制逻辑单元80与电阻监测仪连接从而使得控制逻辑单元接收温度信号。控制逻辑单元还与具有设定值的输入端(S0Urse)81连接。该设定值可以是不变的设定或是用户可选择的设定，在这种情况下具有设定值的输入端81可以是用户可操作的控制器，例如调节器、键盘或类似的控制器。开关元件82由控制逻辑单元80驱动。正如’ 527公布文件中更详细阐述的，控制逻辑单元80能将电极与电源的极点连接并且能允许某些或所有的电极断开。通过将不同的电极与电源连接和断开，控制逻辑单元能产生不同长度以及不同电阻的电流路径。例如，将腔体42的最末端处的电极46a和46b与电源的异性极点连接，同时将所有的其他电极46与电源断开会产生较长和较高电阻的流经上腔体42的所有流动通道48内流体的电流路径(current path)。通过比较,将任何两个直接相邻的电极彼此连接会产生非常短、非常低电阻并且因此上非常高电流的流动路径。电极之间的不等间距能产生各种不同长度的流动路径。通过将两个以上的电极与电源的极点连接能产生多个电流流动路径，并且每个电流流动路径可包括单个的流动通道或多个流动通道。下腔体44的流动通道具有类似的功能。正如’ 527公布文件详细阐述的，当电极的间隔中装满给定电导率的流体时电极的间隔提供不同电阻以及不同电导的电流流动路径。电导以及沿每个路径流动的电流优选包括多个不同的电导和电流。不同的电导和电流优选包括能界定出电导和电流的步进数列的电导和电流，该步进数列在最小非零电导(以及最小非零电流)和最大电导(以及最大电流)之间形成实质上的对数数列。对于数列中的每个梯级，所述电导是所有连接至电源的电极对之间电导的总和，并且电流时所有被连接的电极之间的电流的总和。优选地，数列中电流(以及电导)梯级的比率是大体上均一的。最优选地，数列包括至少60个梯级，并且更优选地，数列是可选的从而使得数列的任何两个梯级之间的电流差不大于最大电流的约25%，优选更小些，电流差更优选地不大于最大电流的约10%或更小。有效的电导和电流值也可以包括形成数列非必须的多余值，例如与加入数列中的电流值完全相同或几乎完全相同的电流值。正如’ 527公布文件所详细描述的，通过采集具有更大或更小总和电流值的梯级，控制逻辑单元80对显示流经加热器的流体的温度或加热器内的流体的温度响应，在这种情况下，所述信号是来自电阻监测仪78的信号。最优选地，控制逻辑单元80用于相应地每秒钟多次评估所述信号以及改变所述电流值，最优选地，在施加至电源84和86的AC电压的每个周期内进行一次评估和改变。在特别优选的设置中，当需要在普通的AC周期内电源的电压越过零电压的时间点改变闲置电极的组合时，控制逻辑单元被设置以开关所述开关元件中的任意一个。这有助于保证开关动作不会在输电线上产生电“噪音”或射频干涉。另夕卜，控制逻辑单元优选被设置以在每个周期的一个梯级上改变被连接的电极的设置。即，如果温度信号显示需要更大的电流，控制逻辑单元就选择能给予步进数列的下一较大梯级并且以这种方式使电极通电的接头，并且当需要时重复所述选择直至温度信号显示液体的温度为期望值。换种方式说，控制逻辑单元优选不要直接“跳”至太高的梯级。这有助于确保开关动作不会在电源线上引起电压波动，并且因此例如不会引起装有热水器的建筑中的照明灯变暗。泄漏电极90被设置在进入通道38和流出通道40内。泄漏电极还延伸经过第二内部端结构36和第二端盖14。泄漏电极永久地与电源的接地接头连接。接地电极确保电流不会从任意一个电极46或50经流动的流体传至管道系统或传至流经所述系统的流体。泄漏电极还确保电流不会传至任一端盖或传至外壳16。为了进一步保险起见，外壳和端盖也可电连接至电源的接地接头。在运行过程中，入口 20与要被加热的液体的源头(例如家庭中的管道系统)连接，并且出口 22与使用端连接。正如上文所述的，液体(例如水)流经加热器，流经所述进入通道38，通常沿从第一端盖12向第二端盖14的上游方向U在进入通道内流动并且与所述通道内的泄漏电极接触。当流体通过电流流经电极之间的液体而被加热时，液体然后经各个通道48和50向下游流动。当液体到达每个通道的下游端，每个通道内流动的液体的主要部分经过与每个通道关联的槽体流出通道进入出口空间56 (图5和6)，并且因此流过导线W。导线76沿与所有的通道关联的槽体延伸，并且因此暴露于所有通道内流动的液体。在不同通道内流动的液体被不同程度地加热。例如，如果与电源连接的电极的特定组合使得没有电流流经特定的通道，在这些通道内流动的液体就根本不会被直接加热，虽然这些液体也许会被从相邻通道传递的热量稍微加热。在各个通道内流动的液体在出口空间56内混合并且经流出通道40流出加热器，在流出通道40液体会再次接触电流泄漏电极90并且经出口 22流出系统。流出出口的液体的实际温度会反映流出组合的各种通道的液体的温度；较热和较冷的液体会混合以形成具有最终平均温度的液体。由于导线76暴露于流出所有通道的液体，导线的电阻会反映流出加热器的液体的最终平均温度。但是，在液体混合之前，通过尽可能接近地测量单独通道的下游端的温度，导线的电阻会测量出最终的平均值，而不会出现混合过程所需的时间延迟。另外，由于导线76的热质非常低，其电阻会几乎即时地跟进来自通道的液体的温度。这些因素最小化控制系统内的“环路延时”。通过参考假想的系统更容易理解，在这种假想的系统中，在加热通道的下游(例如在加热器的流体出口 22处)测量平均温度。在这种系统中，如果液体的温度小于期望的设定温度，控制逻辑单元会给电极施加更大的电流设定并且因此施加更多的热量。但是，直至被加热的液体向下游流至出口，经过传感器的液体保持在设定温度以下，并且控制逻辑单元会持续地增加所施加的电流量。这可引起控制逻辑单元施加比产生期望的设定值实际所需的电流更大的电流，从而导致“超调”状况。通过最小化环路延时，根据本实施方式的加热器提供更加有效的控制系统。来自电阻监测仪78的电阻信号如此紧密地追踪所述温度从而使得通常不必给控制逻辑单元提供代表电阻信号改变的信号。但是，如果需要这种信号能被施加。导线76非常靠近电极和通道的下游端地被设置。因此，即使是在没有液体流动时，导线76与包含在通道自身内的流体有效地热联系。因此，即使是没有液体流经系统时，控制系统能将通道内的液体的温度维持在期望的设定值。没有必要在这种无流动状况下使用单独的传感器。另外，没有必要提供监测无流动状况出现的流动传感器或其他设备。
使用非常简单的温度感应装置就能提供所有这些好处。在上述实施方式中使用的单个的导线提供了最大的简易性，并且仅需要在加压的充满流体的空间的外部设置一个或两个接头。在另外的设置中，单体导线76可具有多个通道部分或转向部分，每个通道部分或转向部分延伸经过与所有流动通道关联的所有槽体。这就提升了灵敏度或每单位温度变化的电阻变化。在另一变形中，可分段提供导线，每段仅延伸经过几个通道，通过控制系统分开地监测每段的电阻。但是，在这种设置中，控制系统优选地可包括例如通过求平均值算数地将这些电阻值组合的电路。在另一变形中，可以为每个通道提供单独的导线或其他传感器。但是，这种设置会需要更加复杂的电路、电路中更加复杂的逻辑程序或者两者都需要。另外，使用与多个通道相关联的多个传感器的装置会需要多个穿出流体流动空间的电接头，因此，增加了接头泄漏或其他故障的可能性，并增加了系统的成本。当液体向下游流经通道并且由流经其中的电流加热，在液体中会产生气泡。例如，当液体被加热时，溶解在液体中气体倾向于离开溶液。如果这些气泡附着在感应导线76上，气泡能阻碍热量传递至感应导线并且因此引起延时的或错误的温度信号。出口结构和相关的部件最小化气泡附着于出口导线的可能性。槽体66较小的横截面积倾向于使流经槽体的液体产生较大的流速，这有助于从导线上去除气泡。另外，收集腔体70倾向于捕获液体中的气泡从而使得气泡经出口 72流出通道，并因此根本就不经过导线。令人惊奇地，不考虑加热器相对于重力的方位，出口、收集腔体和槽体的设置会倾向于提供这种作用。收集腔体和相关元件的准确形状在一定程度上可变化。例如，收集腔体无需为所示的半圆形，而可以是一般的多边形横截面。槽体和出口孔较小的横截面积提供相比通道46和52的流阻更加显著的流阻。这有助于使各种通道内流动的液体的流速相等。本文所述的加热器的模块化设计能使多种不同容量范围的加热器的生产简化。通过使用更长的电极、更长的外壳16以及更多的中间元件32能提供更大容量的加热器。在上述实施方式中，通过沿导线方向W (图6)通过各个电极之间的不同间距提供不同流动路径46和52的不同电导。由于为了传输电流，基本上每个电极的整个区域与流动的流体接触，并且经过每个电极的整个表面面积的电流密度基本上是相同的。此外,可使用更加复杂的装置以提供各个通道之间电导的相同差额。例如，沿导线方向，通道的宽度可以是相同的，但是某些通道可以具有绝缘屏障，绝缘屏障在通道内沿侧向方向L (图6)延伸从而使部分导电路径的变窄。选择性地，可以使用绝缘材料覆盖某些电极的部分表面从而减小电流路径的面积并且因此增加通道的电阻。这种设置是较次的优选，因为它们意味着穿过电极表面的电流密度不均匀。流动通道的物理结构采用两部分-上流动腔体42内的流动通道46和下流动腔体44内的流动通道52-有助于提供更加紧凑的结构，这种更加紧凑的结构在横向方向或导线方向(即与上游和下游方向垂直的方向)的尺寸较小。这进而可简化加压壳体(包括外壳16)的构造。为了满足监管和安全的要求，外壳16通常必须能承受远大于运行中正常所遇到的内部压力。上文所述的加热器能用在各种应用中，但是特别适于使用在家庭热水加热中。单个加热器可用于整个家庭，或更加优选地，单独的加热器可与单独的耗水设备关联或者与家庭中的部分设备(例如用于每个浴室或厨房的单独的加热器)关联。在单独的加热器与单独的耗水设备(例如水龙头或花洒)关联的系统中，所述设定值可通过使用设备上的旋钮来设定。虽然控制系统元件(例如温度感应导线)和气泡消除元件(例如槽体和收集腔体)在本文中结合电阻式直接加热器而被描述，其中加热器的电能施加元件是电极，但是导线和气泡消除元件也能使用在其他应用中。例如，液体加热器能包括多个通道，所述多个通道具有与每个通道内流动的流体接触的单独加热元件，所述加热元件被设置以分散加热元件自身内的电能并且将热量传递给单独通道内流动的流体。所述加热器可以装配有本文所述的感应导线和气泡消除元件。由于在不脱离权利要求所界定的本发明的情况下能使用上述特征的各种变形和组合，所以前述说明书应当被认为是为了说明本发明而不是为了限制本发明。
权利要求
1.一种流体处理设备，包括: (a)通道结构，所述通道结构界定出沿下游方向延伸的通道； (b)细长导线，所述细长导线沿横向方向延伸穿过所述通道并邻近所述通道的下游端；以及 (C)出口结构，所述出口结构在通道的下游端限定出所述通道的边界，所述出口结构界定出沿所述横向方向延伸穿过所述通道并与所述导线对准的槽体，所述槽体的横截面积小于所述通道的横截面积，所述槽体是打开的，以实现离开所述通道的流体的流动，所述出口结构还界定出一对收集腔体和一对细长的唇状物，所述一对收集腔体被设置在所述槽体的相对侧并且在与所述下游方向和横向方向垂直的侧向方向与所述槽体偏离，所述一对唇状物沿所述横向方向延伸并且将所述腔体和所述槽体隔开，所述收集腔体在所述上游方向是打开的并且从所述唇状物向下游延伸，所述出口结构还界定出出口孔，所述出口孔与所述收集腔体连通并且是打开的从而实现离开所述通道的流体的流动，所述出口孔的全体横截面积小于所述槽体的横截面积。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述细长导线为温度感应元件。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述导线在所述槽体内延伸。
4.根据权利要求1所述的设备，其中每个所述腔体具有由所述唇状物的一个所界定出的内部限定壁，所述内部限定壁在一个所述侧向方向上沿着所述限定壁的下游区域远离所述槽体地倾斜。
5.根据权利要求4所述 的设备，其中每个所述腔体具有外部限定壁，所述外部限定壁远离所述槽体并且朝所述外部限定壁的下游区域向所述槽体倾斜。
6.根据权利要求1所述的设备，其中每个所述腔体具有轴线沿所述横向方向延伸的大体为半圆柱形的限定壁。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述通道的横截面大体为矩形，并且其中所述出口腔体和所述槽体配合地延伸经过所述通道的大体上整个横截面积。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述通道结构界定出多个并排延伸并且沿导线方向彼此偏离的通道，所述导线延伸穿过所述多个通道，并且出口结构为每个所述通道界定出前述槽体、收集腔体和出口孔。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述通道结构包括一个或多个与每个所述通道关联的加热元件。
10.一种流体加热器，包括: (a)通道结构，所述通道结构界定出入口、出口和多个通道，所述多个通道沿下游方向延伸并且与所述入口和出口连通从而使得流体能平行地从所述入口经所述通道流至所述出口，所述通道结构包括一个或多个与每个通道关联的电能施加元件； (b)温度感应导线，所述温度感应导线延伸穿过所述通道并邻近所述通道的下游端；以及 (C)控制电路，所述控制电路与所述加热元件和所述导线连接，所述控制电路用于监测所述导线的电阻并且通过对所述导线的电阻的响应来控制施加给电能施加元件的功率，从而至少在一些控制状况下，流经不同通道的流体将被加热至不同的温度。
11.根据权利要求10所述的流体加热器，其中所述控制电路包括电源接头和至少一个连接在每个所述输入元件和电源之间的开关，所述控制电路用于驱动所述开关从而将所述电能施加元件和所述电源连接和断开。
12.根据权利要求11所述的流体加热器，其中所述电能施加元件包括为了与所述通道内流动的流体接触而暴露出来的电极，并且所述控制电路用于驱动所述开关从而使得电流流经至少一些通道内的流体。
13.根据权利要求12所述的流体加热器，其中具有下游边缘，并且所述导线被设置在所述电极的下游边 缘的约IOmm范围内。
全文摘要
具有多个流动通道(48、52)的液体加热器(例如电阻式液体直接加热器)具有导线(76)形式的温度感应元件，温度感应元件延伸传感多个通道(优选地穿过所有的通道)并且邻近通道的下游端。导线的电阻代表流经所有通道的液体的平均温度，并且因此上代表离开加热器的被混合的液体的温度。气泡抑制结构(54)位于导线的附近。
文档编号F24H9/20GK103154631SQ201180051171
公开日2013年6月12日 申请日期2011年9月9日 优先权日2010年9月10日
发明者约翰·H·鲍尔斯, 格雷戈里·S·里昂 申请人:艾思科技有限责任公司