具有多个操作状态的欧姆加热器的制作方法

具有多个操作状态的欧姆加热器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年11月20日申请的美国临时专利申请62/937,877的权益。
技术领域

背景技术：

3.本公开涉及欧姆液体加热装置并且涉及加热液体的方法。欧姆液体加热器包括用于容纳待加热的液体的结构和彼此间隔开的多个电极。电极与有待加热的流体相接触，使得液体填充相邻电极之间的空间。在电极之间施加电压，并且电流在电极之间穿过液体，从而通过在液体本身的电阻中消耗的功率来加热液体。加热速率随电流的平方变化，并随通电电极之间的液体的电阻反向变化。电流随液体的导电性而变化。对于给定电导率的液体，电流随电极之间的间距变化。紧密间隔的电极提供低电阻电流路径，从而提供高电流和高加热速率。电流和加热速率也随着电极的面积而变化；更大的电极提供更高的电流。如在本公开中用于表征具有通过液体电连接的元件的电路或电路的一部分的术语“比电阻”是指该电路或该电路的一部分的电阻与该电路中的液体的电阻率之比。例如在ca1291785中描述的欧姆加热器使用不同尺寸的多对电极，使得每对电极限定不同的比电阻。每对的电极是板状元件，板状元件彼此相对以便在它们之间限定空间。液体流动路径依次延伸通过由各对限定的空间。所期望的加热速率是通过选择电极对并且将每对的电极连接至电源的相反极来实现的。如wo2009/100486中公开的加热器使用大体上类似的布置，并且进一步通过快速闭合和打开开关来控制加热速率，开关将每对的电极集聚至电源，以便在脉冲宽度调制方案中，随着时间改变所施加的平均电压。在us 8,532,474中公开了利用多对电极的另一种欧姆加热器。然而，进一步的改进将是所期望的。


技术实现要素：

4.本发明的一个方面提供了一种欧姆加热器。根据本发明的该方面的欧姆加热器理想地包括限定沿下游方向延伸的流动路径的结构。加热器理想地包括设置在流动路径内的第一对的电极，第一对的电极沿下游方向彼此相邻，但在垂直于下游方向的方向上彼此间隔开。理想地，加热器还包括设置在第一对的电极下游的流动路径内的第二对的电极，第二对的电极在流动路径内沿下游方向彼此相邻，但在垂直于下游方向的方向上彼此间隔开。仅举例来说，结构可以包括由电介质材料形成的细长管，第一对的电极可以在沿着管的一个位置处彼此面对，并且第二对的电极可以在第一电极下游的另一个位置处彼此面对。在该示例中，管状电介质结构可以限定在第一电极与第二电极之间延伸的细长通道。加热器还期望包括在至少三种状态中可操作的电路。期望状态包括(i)第一状态，在第一状态中电路在第一对的电极之间施加电压；(ii)第二状态，在第二状态中电路在第二对的电极之间施加电压；以及(iii)第三状态，在第三状态中电路在第一对中的至少一个电极和第二对中的至少一个电极之间施加电压。不同的状态理想地提供不同的比电阻。在第三状态中，电流
沿着流动路径的长度在第一对的电极和第二对的电极之间流入。在以上讨论的示例中，电流沿着通道的长度流动穿过细长通道中的液体。如下面进一步讨论的，该状态可以提供比第一状态或第二状态中的比电阻高得多的比电阻。理想地，加热器可以在紧凑结构中提供宽范围的比电阻。理想地，电路可操作以改变施加至电极的平均电压。通过在状态之间改变和改变电压来调整比电阻的组合效应可满足宽范围的操作状况，诸如载不超过电路的限制的情况下，改变液体的导电性、改变对热的需求等。
5.本发明的另外的方面提供了一种结合了如上文所讨论的加热器的洗涤器具(诸如洗碗机等)以及加热液体的方法。
附图说明
6.图1是描绘根据本发明的一个实施例的加热器的概略性局部剖视图。
7.图2是描绘根据本发明的另一实施例的加热器的概略性局部剖视图。
8.图3是描绘根据本发明的进一步实施例的加热器的概略性局部剖视图。
9.图4是描绘在本发明的更进一步实施例中可使用的一对电极的概略性立体图。
10.图5是描绘根据本发明的又另一实施例的加热器的部分的片段视图。
11.图6是描绘根据本发明的又另一实施例的洗碗机的概略性视图。
具体实施方式
12.根据本发明的一个实施例的加热器包括结构20，结构20限定在由图1中的箭头d表示的下游方向上、从入口端24延伸至出口端26的流动路径22。流动路径22包括与入口端24相邻的直区段和与出口端26相邻的另一直区段，以及将直区段彼此连接的细长通道30。在此实施例中，细长通道30是弯曲的，但所展示的具体形状是完全任意的；通道30可以是直的或可以包括多条曲线。而且，结构20被描绘为一体的管状体，但其可由彼此连接以限定流动路径的多个元件形成。如在此所讨论的，在沿着流动路径的任何点处的下游方向应当被认为是流动路径的中心线32的方向。同样地，垂直于下游方向的方向是在沿流动路径的任一点处垂直于中心线的方向。中心线32是沿着流动路径22通过流动路径的区域中心的线。当然，在具有圆形横截面的流动路径的情况下，区域中心仅仅是横截面的圆心。
13.第一对的电极34a、34b被设置在流动路径22的邻近入口端24的直区段内，使得细长通道30位于第一对的电极的下游。第一对的电极34a、34b在下游方向上彼此相邻。在这个实施例中，电极34a、34b具有相同的尺寸并且在下游方向上彼此对齐，使得电极在它们的整个上游至下游的范围上彼此面对。第一对的电极34a、34b在垂直于下游方向的方向上彼此间隔开。这些电极可以是大体上板状或片状结构。虽然在这个实施例中，电极34a、34b被安装到结构20的壁，但这不是必要的；电极可以根据需要与该壁间隔开。然而，电极应设置在流动路径22内，使得电极将接触在流动路径中流动的液体。理想地，结构20全部或部分地由电介质材料形成，使得结构不在电极之间形成电连接。第二对的电极36a、36b被设置在流动路径的邻近下游端26的直区段中。因此，通道32被设置在第一对34的下游但在第二对36的上游。第二对的电极与第一对的电极类似地配置，使得电极36a、36b在下游方向上彼此相邻并彼此对齐，但在垂直于下游方向的方向上彼此间隔开。第二对的电极之间的间隔方向可以与第一对的电极之间的间隔方向相同，或者可以不同。在该特定实施例中，第二电极36a、
36b的面积大于第一电极34a、34b的面积并且彼此更靠近。因此，穿过电极36a、36b之间的流动路径中的液体的传导路径将具有比穿过第一对的电极34a、34b之间的流体的传导路径更低的比电阻。
14.加热器进一步包括可变电压电源40。电源40具有第一极(pole)42和第二极44。在这种情况下，第一极42是中性极，而第二极44是“热”极。电源40被布置成在极42、44之间供应电力并且施加电压，电压可以在电压的操作范围内根据需要进行控制和改变。通常，电源向热极施加交流电压，同时将中性极维持在固定电压，该固定电压可以接近或等于接地电压。
15.第一对的一个电极34a永久地连接至电源的中性极42，而第一对的另一个电极34b通过开关46连接至电源的热极44。第二对的电极36a通过开关48连接至电源的中性极42，而第二对的相对的电极36b通过另一开关50连接至电源的热极44。在图1中将开关46、48、50描述为传统的机械开关，但是最典型地，开关46、48、50是可以电子控制的半导体开关，诸如fet、mosfet等。
16.加热器进一步包括传感器阵列，传感器阵列被布置成用于检测电路、穿过加热器的液体、或两者的一种或更多种状况。例如，在该实施例中，传感器包括布置成检测来自电源40的电流的电流传感器52和布置成检测极42、44之间的电压的电压传感器54。这些传感器还包括可以检测穿过加热器的液体的一种或更多种状况的传感器，例如，被设置在第一对的电极34a、34b上游的输入温度传感器56和被设置在第二对的电极36a、36b下游的输出温度传感器56、以及被设置在流动路径内并且被布置成用于测量通过路径的液体流速的流量传感器58。不必提供图1中描绘的所有传感器。
17.加热器进一步包括控制器60。控制器60连接至开关46、48、50，并且连接至电源40，使得控制器可命令每个开关独立地进入到开关导通的闭合状态中或开关不导通的断开状态中。控制器还连接至电源40并且布置成命令电源增大或减小极42、44之间施加的电压。控制器60还连接至上述传感器，使得控制器可从传感器接收信号。为了在图1中清楚地示出，省略了控制器和传感器之间的连接。控制器60可包括布置成执行以下论述的操作的常规模拟数字电路元件。最典型地，控制器包括数字处理器和包含指示处理器执行操作的所存储的指令的存储器。控制器典型地还包括用于与传感器以及与开关接口连接的适当电路，例如像模拟数字转换电路和数字模拟转换电路。
18.在图1所描绘的状态中，在所有开关46、48、50断开的情况下，加热器是不运转的。通过闭合开关48并且使开关48和开关50断开，可以选择第一对的电极34a、34b连接至电源40，并且因此将电路置于第一状态。在该状态中，电极34a、34b与电源的相反极连接，使得在电极34a、34b之间施加电压差。在该状况下，电流将穿过存在于流动路径22中的液体在这些电极之间流动。同样，通过断开开关48并且闭合开关48和开关50，控制器可以选择第二对的电极36a、36b并且将这些电极连接至电源的相反极42、44。在该状况下，电流穿过这些电极之间的空间中的流体在电极36a、36b之间流动。因为第一对的电极34a保持连接至中性极，所以一些电流可以通过细长通道30中的液体从电极36b流到电极34a。然而，由于穿过通道30中的流体的细长且相对窄的电流路径，第二对的电极36a、36b之间的比电阻远低于第二对的电极36b与第一对的电极34a之间的比电阻。因此，电流将主要在电极36a、36b之间流动。
19.控制器60还可操作以将电路置于开关46和开关48断开并且开关50闭合的第三状态中。在这种状态中，电源的极之间通过任何电极的仅有的电流路径通过通道30在第二对的电极36b与第一对的电极34a之间延伸。可选地，控制器可操作以将电路置于第四状态中，在第四状态中，电极34a、34b连接到电源的相反极，并且第二对的电极36a、36b也连接到电源的相反极。
20.如以上所讨论的，两对电极被配置成使得它们限定了不同的比电阻。因此，加热器作为整体可以提供四个不同的比电阻。可以选择这些比电阻，以便在比电阻之间覆盖相对大的阶梯的宽范围。通常，电源40具有有限的操作范围。例如，电压源通常将能够在极42、44之间施加不大于预定的最大电压的电压，并且还将能够通过极和开关施加不大于最大电流的电流而不损坏电源或开关。理想地，选择各种状态中提供的比电阻，使得对于预定电导率范围内的任何液体，可以通过选择上述状态之一和通过在其操作范围内的状况调节电源来提供预定加热速率操作范围内的任何加热速率。
21.在一个实施例中，控制器可以使用如由输出温度传感器58所检测到的来自加热器的流体的出口温度作为主要输入来执行简单的控制方案。在这种控制方案中，控制器最初选择具有最高比电阻的状态，在这种情况下是电极36b、34a连接至极的第三状态。在电路处于此状态的情况下，控制器致动电源以在极42、44之间施加低电压并且逐渐增加此电压，直到输出温度达到所期望的设定点值或直到所施加的电压达到预定的切换阈值电压，该切换阈值电压可以处于或仅略低于电源的最大操作电压。如果在输出温度达到设定点值之前达到阈值电压，则控制器选择具有下一个较低比电阻的状态(即，以上所讨论的第一状态，其中第一对的电极34a、34b被选择并且减小由电源施加的电压)。控制器然后逐渐增加由电源施加的电压，直到实现期望的出口温度或达到另一个预定的切换阈值电压。如果达到这个预定阈值切换电压，则控制器再次降低由电源施加的电压并且切换到下一个更低的可用比电阻，在这种情况下，选择具有第二对的电极36a、36b第二状态。如果达到阈值切换电压，则控制器将切换到具有最低可用比电阻的第四状态。当然，如果流体温度升高到所期望的设定点温度以上，控制器将反向执行相同的步骤，首先将由电源提供的电压降低到所选择的最小电压阈值并且然后如果达到这个最小电压阈值则切换到更高的比电阻状态。任选地，控制器可监测如由电流传感器52检测到的电流流动，并且在电流增加到最大阈值的情况下减小电压、切换到较高比电阻状态或两者。例如，如果液体的导电性显著增加，这种情况可能发生。
22.在更详尽的控制方案中，控制器可以通过将电路置于状态中的任何一种状态中、立刻致动电源以在极之间施加低电压并且使用传感器52测量电流流动来获取表示该液体的导电性的数据。所施加的电压可以用传感器54测量，或者可以从由控制器命令的电压以足够的精度得知。已知的电流和电压连同每种状态中的极之间的已知的比电阻可以用于计算电导率。控制器可以使用来自输入温度传感器56和流量传感器58的数据来估算加热速率，加热速率将使液体的温度升高到所期望的设定点，并且可以选择电路状态和施加的电压以实现所要求的加热速率同时将电路保持在其运行范围内。
23.根据本发明的进一步的实施例的加热器(图2)与以上参照图1所讨论的加热器相同，除了如以下所讨论的。在图2的加热器中，电源是固定电压电源，例如，作为市电电源连接。控制器160被布置为通过脉冲宽度调制改变电压。因此，控制器160被布置为通过重复地
断开和闭合与所选电极相关联的一个或更多个开关来控制施加到所选电极的平均电压。在第一状态中，在选择电极34a、34b的情况下，控制器可以布置成重复地断开和闭合开关46。在第二状态中，使用电极36a、36b，控制器可以重复地断开和闭合开关48和开关50中的一个或两个。同样，在第三状态中，控制器将断开和闭合开关50。在其他方面，系统如上所述操作。换句话说，控制器通过控制由电源施加的电压(如图1所示)，或者通过控制所选电极与电源之间的连接的占空比(如图2所示)，可以控制施加到所选电极上的平均电压。
24.根据另一个实施例的加热器(图3)类似于上文所讨论的加热器，除了该加热器包括第一对的电极234a、234b，第二对的电极236a、236b以及第三对电极237a、237b之外。在此实施例中，结构220限定流动路径222，流动路径222包括在第一对的电极与第二对的电极之间的第一细长通道230、以及在第二对的电极236a、236b与第三对电极237a、237b之间的第二细长通道231。在此，再次地，每对的电极被设置成沿流动路径在下游方向上彼此相邻。然而，在此特定实施例中，第二对的电极236a、236b以部分重叠的配置设置，而第三对的电极237a、237b沿着流动路径在下游方向d上不彼此重叠。同样在该实施例中，配置各对电极以使得每对电极提供不同的比电阻。
25.同样在这个实施例中，第一对的电极234a永久地连接至电源240的中性极242，而其余电极通过开关246、248、250、251、253连接至电源的极。再次，当电极237a、237b与电源断开连接时，控制器可操作将电路置于上文所论述的状态中的任一者中。控制器还可操作将电路置于附加状态。例如，控制器可仅选择第三对电极，使得第三对的电极237a、237b连接至相反极。在又一状态中，第三对的电极237b连接到热极244；第三对的电极237a与中性极断开；第二对的电极236a连接到中性极并且第二对的电极236b与热极断开。在这种状态中，极244、242通过第二通道231中的液体彼此电连接。因为第二通道231具有与第一通道230不同的配置，所以处于这种状态中的极之间的比电阻将不同于以上讨论的第三状态中的比电阻，在第三状态中，电流流动穿过第一通道230中的液体。在又一种状态中，第三对的电极237b连接至热极并且第一对的电极234a经由永久连接而连接至中性极，而其余电极与极断开。在这种状态中，电源极之间的电流路径延伸穿过串联的通道231中的液体和通道230中的液体。这样的电流路径提供了可用的最高比电阻。
26.如以上参见图1和图2所讨论的，电源240可以是由控制器260控制的可变电压电源，如以上所讨论的。在另一种布置中，电源240可以是如图2所示的固定电压电源，并且控制器260可以被布置为重复地断开和闭合穿过所选择的电极的电流路径的开关，以便提供所施加的电压的脉冲宽度调制。如将认识到的，可以采用使用更多数目的电极对的仍其他实施例。
27.在以上讨论的实施例中，电极是沿着流动路径的相对侧延伸的板状结构。然而，可以采用其他布置。例如，如图4中所描绘的，一对电极可以包括在流动路径的下游方向上延伸的细长的棒状电极334b和围绕棒状电极的管状电极334a，管状电极334a的内径大于棒状电极334b的外径，使得电极在横向于下游方向的径向方向r上彼此间隔开。可以采用许多其他的电极配置。
28.典型地，加热器将包括安全特征，诸如设置在可连接至电源的电极的上游和下游的流动路径中的接地电极(未示出)，接地电极永久地连接至接地电势。
29.在另一个变体中，一对电极中的一个或两个电极可以分段地形成。如图5所示，一
对电极包括形成为单个整体元件的第一电极532a以及形成为两个部段534b1、534b2的第二电极。第二电极的两个部段被设置为在下游方向上与第一电极相邻。第一电极534a通过开关548连接到电源的一个极542。第二电极的部段534b1、534b2分别通过单独的开关548和开关549连接到电源的相反极544，使得每个部段能够独立于其他部段连接到电源的极或从电源的极断开。此布置可用于改变分段电极的有效面积，且因此在选择分段电极时改变比电阻，诸如该对的第一电极与第二电极之间的比电阻或所分段电极与另一对的电极之间的比电阻等。这种布置可应用于任何或所有电极对中。
30.在图1-图3中所描绘的实施例中，一个电极永久地连接到中性极上。任选地，这个电极可以通过由控制器操作的另外的开关而连接至中性极。
31.以上讨论的加热器可以通过相对少量的电极和相对少量的开关提供具有不同比电阻的多种导电路径。如本文讨论的加热器可以用于其中液体有待加热的任何应用中。然而，当预期液体的导电性在加热器的运行期间在宽范围内变化时，它们是特别有用的。例如，用于加热洗涤器具(诸如洗衣机或洗碗机)中的水的加热器在运行期间可以在非常宽的电导率范围内变化。供应到洗涤器具的水通常是饮用水，由于诸如水中溶解矿物的含量等的因素，饮用水的电导率可以变化。此外，随着洗涤器具运行，其导电性将典型地随着电解质(诸如肥皂的离子组分和从有待洗涤的物品洗涤的材料等)在洗涤循环期间被添加到水中而增大。如上所述的加热器可以配置成提供宽范围的比电阻，使得电路部件保持在它们的运行范围内，尽管导电性急剧变化。此外，加热器可以在非常紧凑的结构中提供这种能力。结构的提供细长通道的部分可以包括具有基本上任何配置的管。在一些实施例中，管可以围绕器具的其他部件延伸。例如，图6中所描绘的洗涤器具是具有限定洗涤室501的壳体501的洗涤器具。壳体包括被适配成将有待洗涤的物品(在这种情况下是洗涤室内的餐具505)固持的支架(未示出)。泵507被布置成使洗涤液体(诸如水等)循环到洗涤室中，使得洗涤液体接触有待洗涤的物品，例如通过迫使液体通过喷射装置509。如上所述的加热器包括限定用于洗涤液体的流动路径(未示出)的结构520，流动路径连接在泵的出口和喷射装置509之间。加热器结构520的一部分共同地围绕泵延伸，使得结构占据器具内的空间，否则该空间将被浪费。
32.在以上讨论的加热器中，在电极对之间延伸的通道是细长的并且具有相对小的横截面面积。即，每个通道的横截面面积小于电极的面积，并且通道的长度大于每对的电极之间的距离。由此，在上述加热器中，延伸通过通道的导电路径具有比一对的电极之间的任何导电路径高的比电阻。然而，在一对的电极彼此宽地间隔开并且在对之间的通道短的情况下，通过通道的导电路径可以具有比一对的电极之间的导电路径更低的比电阻。
33.在以上讨论的各种实施例中所公开的特征可以在不同的实施例中互换。例如，在图1和图2的任何加热器中，可以采用图3、图4和图5所示的电极结构。因此，前面的描述应作为说明，而不是作为对本发明的限制。