BR112013005715B1 - Dispositivo de manipulação de fluido, e, aquecedor de fluido - Google Patents

Abstract

dispositivo de manipulação de fluido, e, aquecedor de fluido. um aquecedor de líquido tal como um aquecedor de líquido de resistência elétrica direta tendo múltiplos canais de fluxo (48, 52) é provido com um elemento de sensoreamento de temperatura na forma de um fio (76) se estendendo pelos vários canais, preferivelmente todos os canais, próximos das extremidades a jusante dos canais. a resistência do fio represente a temperatura média do líquido que passa através de todos os canais, e assim a temperatura do líquido misturado que sai do aquecedor. uma estrutura que suprime bolha (54) é provida na vizinhança do fio.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção diz a respeito de aquecedores de líquido e de componentes do mesmo.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Conforme definido na publicação de pedido de patente US-A1- 2006/0291527 (“Publicação ‘527”), é vantajoso aquecer fluidos, em particular líquidos, tais como água, para uso como água quente doméstica utilizando um dispositivo de aquecimento “sem tanque”. Um dispositivo de aquecimento sem tanque se destina a aquecer o fluido, enquanto ele escoa a partir de uma fonte até um ponto de uso. Um aquecedor sem tanque não se baseia num reservatório armazenado de líquido pré-aquecido, mas, ao invés disso, ele é projetado com capacidade suficiente para aquecer líquido até a temperatura desejada, mesmo enquanto o líquido escoa através do aquecedor em uma taxa igual à demanda máxima esperada. Por exemplo, se um aquecedor sem tanque se destina a suprir água quente a um chuveiro numa casa, o aquecedor é projetado com capacidade suficiente para aquecer água à temperatura de entrada mais baixa esperada até a temperatura de banho mais alta desejada na taxa de escoamento máxima do chuveiro.

[003] Como descrito na Publicação ‘527, uma forma de aquecedor de fluido particularmente adequada para líquidos tais como aquecimento de água doméstica é um aquecedor líquido de resistência elétrica direta. Num aquecedor líquido de resistência elétrica direta, energia elétrica é aplicada entre eletrodos imersos no líquido a ser aquecido de forma que fluxos de corrente através do líquido em si e energia sejam convertidos em calor, devido à resistência elétrica do líquido em si. Como também é descrito na Publicação ‘527, tal aquecedor pode ser arranjado com múltiplos eletrodos definindo vários canais para escoar líquido. O sistema de controle para tal aquecedor pode ser arranjado de modo a conectar e desconectar eletrodos diferentes numa fonte de energia. Os eletrodos e elementos associados do aquecedor podem ser arranjados de tal forma que a conexão de diferentes conjuntos de eletrodos àquela conexão de fornecimento de energia elétrica proveja diferentes níveis de corrente que passam através do líquido. Esses níveis incluem mais preferivelmente uma progressão em degrau entre corrente zero, quando nenhum dos eletrodos é conectado e uma corrente máxima quando todos os eletrodos são conectados. Como descrito na referida Publicação ‘527, tal progressão exibe desejavelmente razões substancialmente uniformes entre as correntes de etapas adjacentes da progressão com níveis de corrente não zero. Como explicado na Publicação ‘527, aquecedores tendo tal conjunto de níveis de corrente possíveis pode prover controle progressivo de temperatura líquida de temperatura de líquido, apesar de grandes variações na temperatura de líquido que entra, na temperatura de líquido que sai, na taxa de fluxo e na resistividade do líquido desejadas. A progressão em degrau desejada inclui desejavelmente várias etapas, por exemplo, 60 ou mais etapas ou níveis diferentes de corrente para fluidos de uma dada resistividade. De preferência, ainda mais, etapas são arranjadas de forma que a razão máxima entre os níveis de corrente em quaisquer duas etapas adjacentes da progressão com correntes diferentes de zero seja não mais do que cerca de 1,22:1 e, mais preferivelmente, não mais do que 1,1:1, e ainda de tal maneira que a maior diferença entre níveis de corrente em quaisquer duas etapas adjacentes da progressão não seja maior do que 10% da corrente máxima para o dado nível de resistividade de fluido.

[004] Como o calor é envolvido dentro do líquido em si, tal aquecedor pode prover aquecimento essencialmente instantâneo do líquido que escoa por ele. Além disso, o aquecedor pode ser controlado através da simples conexão e desconexão de diferentes eletrodos ao fornecimento de energia, permitindo o uso de elementos de comutação, tais como retransmissões convencionais ou, mais preferencialmente, elementos de comutação de semicondutor em estado sólido tais como triacs e transistores de efeito de campo. Aqueles elementos de comutação de semicondutor preferenciais podem ser trazidos para um estado “fechado” ou de condução no qual eles tenham resistência elétrica muito baixa, ou um estado substancialmente não condutor no qual eles possuam resistência extremamente alta, quase infinita e, essencialmente, não conduzem corrente, e assim atuam como um comutador aberto. Assim, os elementos de semicondutor por si só dissipam muito pouca energia, ainda que correntes elétricas substanciais escoem através deles quando eles estão em seus estados fechados.

[005] O aquecedor descrito na Publicação ‘527 inclui um sensor de temperatura arranjado para sensoreamento da temperatura do líquido aquecido próximo a um controlador, em resposta ao sinal do sensor de temperatura para controlar os elementos de comutação e, dessa forma, controlar a energia que é aplicada pelo aquecedor ao líquido que escoa. O sensor de temperatura que é preferido, e é conforme aquele ensinado na Publicação ‘527 inclui uma “placa de sensoreamento de temperatura termicamente condutora” a qual se encontra “posicionada o mais próximo quanto praticável à extremidade da câmara de aquecimento e perpendicular ao fluxo de líquidos tal que o líquido que deixa a câmara de aquecimento deva passar através das perfurações daquela placa de sensoreamento de temperatura”, e também inclui uma “junção semicondutora com base em sensor de temperatura” montada na placa. Conforme definido na Publicação ‘527, no entanto, tal arranjo sofre de “atraso térmico ou de demora térmica” entre mudanças na temperatura do líquido aquecido e o sinal emitido a partir do sensor térmico por causa de tal resistência térmica da placa térmica e do empacotamento do sensor térmico e a “massa térmica” dos componentes dos mesmos. Para compensação disto, o sistema de controle inclui um circuito condicionador de sinal o qual cria um sinal que representa “a taxa de mudança da temperatura conforme medida pelo sensor de temperatura”, e este sinal será somado com o sinal que representa a temperatura em si. Enquanto este arranjo provê operação satisfatória, melhora adicional pode ser desejável.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[006] Um aspecto da invenção provê um aquecedor de fluido, o qual inclui uma estrutura de canal que define uma pluralidade de canais que se estendem em uma direção à jusante de tal forma que o fluido possa escoar em paralelo a jusante através dos canais a partir da entrada para a saída. Aquela estrutura de canal preferivelmente inclui um ou mais elementos de aplicação de energia elétrica com cada canal. Por exemplo, os elementos de aplicação de energia podem ser eletrodos como discutido na Publicação ‘527. O aquecedor também inclui desejavelmente um fio de sensoreamento de temperatura que se estende pela pluralidade de canais adjacentes às extremidades a jusante da mesma; e um circuito de controle conectado com os elementos de aplicação de energia e o fio, o circuito de controle sendo arranjado para monitorar uma resistência elétrica no fio e para controlar a aplicação de energia aos elementos de aplicação em resposta à resistência elétrica do fio. O circuito de controle é desejavelmente arranjado de forma que, em pelo menos algumas condições de controle, fluido que escoe através de diferentes canais será aquecido a diferentes temperaturas. Como discutido ainda abaixo, resistência elétrica do fio representa um agregado ou média das seções associadas com aqueles vários canais, e assim representa a temperatura final do fluido que resultará quando o fluido que passa a partir dos canais se mistura, enquanto ele passa a jusante dos canais.

[007] Um aspecto adicional da invenção propicia um dispositivo de manipulação de fluido, o qual pode ser usado, por exemplo, em um aquecedor como discutido acima. O aquecedor de acordo com este aspecto da invenção inclui desejavelmente uma estrutura de canal que define pelo menos um canal que se estende numa direção à jusante e um fio alongado que se estende pelo canal num sentido da largura adjacente a uma extremidade a jusante do canal. O dispositivo inclui adicionalmente uma estrutura de saída que liga o canal em uma extremidade a jusante ao canal. A estrutura de saída, mais de preferência, define uma fenda se estendendo pelo canal no sentido da largura em alinhamento com o fio. A fenda exibe desejavelmente uma área de seção transversal menor do que a área de seção transversal do canal e é desejavelmente aberta para fluxo de fluido que sai do canal. A estrutura de saída também, de preferência, define um par de câmaras de coleta dispostas em lados opostos da fenda e deslocadas da fenda em direções laterais transversais para a direção à jusante e no sentido da largura, e um par de rebordos alongados que se estendem no sentido da largura e que separam as câmaras da fenda, as câmaras de coleta sendo abertas em uma direção a montante e se estendendo a jusante dos rebordos. A estrutura de saída desejavelmente define adicionalmente furos de saída que se comunicam com as câmaras de coleta e abertos para fluxo de fluido que sai do canal. De preferência ainda, os furos de saída têm coletivamente área de seção transversal menor do que a área de seção transversal da fenda. A estrutura de saída ajuda a evitar a anexação de bolhas ao fio, onde o fio é um fio de sensoreamento de temperatura como discutido acima, e com isso melhora a ação de sensoreamento.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[008] A Fig. 1 é uma vista plana exterior de um aquecedor de acordo com uma modalidade da invenção.

[009] A Fig. 2 é uma vista em corte da perspectiva do aquecedor de acordo com a Fig. 1 com porções removidas para clareza de ilustração.

[0010] A Fig. 3 é uma vista seccional ao longo da linha 3–3 na Fig. 1.

[0011] A Fig. 4 é uma vista seccional do aquecedor como representado na Fig. 1.

[0012] A Fig. 5 é uma vista seccional fragmentária que representa a área indicada em 5 na Fig. 4.

[0013] A Fig. 6 é uma vista seccional adicional ao longo da linha 6-6na Fig. 5.

[0014] A Fig. 7 é uma vista esquemática na forma de um diagrama de blocos de um circuito elétrico usado no aquecedor das Figs. 1 a 6.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0015] Um aquecedor, de acordo com uma modalidade da invenção, inclui um alojamento 10 (Fig. 1). O alojamento 10 inclui uma primeira tampa de extremidade 12, uma segunda tampa de extremidade 14, e um invólucro geralmente tubular 16 se estendendo entre as ditas tampas de extremidade. As primeira e segunda tampas de extremidade são providas com pé de montagem 18. A primeira e a segunda tampa de extremidade são desejavelmente formadas a partir de um material metálico tal como, por exemplo, um molde fundido ou metal usinado. O invólucro 16 desejavelmente apresenta uma seção transversal substancialmente constante ao longo de seu comprimento entre as tampas de extremidade e é desejavelmente formado a partir de um material metálico. Por exemplo, o invólucro 16 pode ser formado a partir de um metal extrusado tal como alumínio extrusado. O invólucro 16 é removido na Fig. 2 para clareza. O invólucro 16 e as tampas 12 e 14 cooperativamente definem um vaso a prova de pressão. A primeira tampa de extremidade 12 é provida com uma porta de entrada de fluido 20, pela qual a segunda tampa de extremidade 14 tem uma porta de saída de fluido 22. Uma blindagem 24 cobre a primeira tampa de extremidade 20, pela qual uma blindagem adicional 26 cobre a segunda tampa de extremidade 14. Como explicado abaixo, a segunda blindagem 26 engloba determinados componentes elétricos. A blindagem 26 e aqueles componentes elétricos associados são removidos da Fig. 2 para fins de clareza de ilustração.

[0016] Uma estrutura dielétrica 30 é montada dentro do invólucro 16. A estrutura dielétrica 30 desejavelmente inclui várias seções intermediárias 32 idênticas entre si, as seções intermediárias 32 sendo empilhadas uma sobre a outra ao longo da direção do comprimento do invólucro 16. As referidas seções intermediárias empilhadas definem fendas 49. Dita estrutura dielétrica também inclui uma primeira peça de extremidade interior 34 que é montada dentro da primeira tampa de extremidade 12 e uma segunda peça de extremidade interior 36 montada dentro da segunda tampa de extremidade 14. Porções destas peças são removidas da Fig. 2 para fins de clareza de ilustração. A estrutura dielétrica 30 define um canal de admissão de fluido 38 o qual se estende no sentido do comprimento dentro do invólucro 16, um canal de saída de fluido 40 o qual se estende no sentido de comprimento dentro do alojamento 10, um canal de saída de fluido 40 o qual também se estende no sentido de comprimento dentro do alojamento e dentro do invólucro 16, e um par de câmaras de aquecimento 42 e 44 (Fig. 3) também se estendendo no sentido do comprimento dentro do dito alojamento 10 e dito invólucro 16. A câmara 42 é referida aqui como câmara de aquecimento “superior”, na qual a câmara 44 é referida aqui como câmara de aquecimento “inferior”, mas tal designação não implica qualquer orientação particular relativa à armação gravitacional de referência.

[0017] Como melhor visto nas Figs. 3 e 5, vários eletrodos similares à placa plana 46 são montados à estrutura polimérica 30 e subdividem a câmara de aquecimento superior 42 em 10 canais geralmente retangulares individuais 48. Dois dos eletrodos 46 são montados nas bordas da câmara, e ligados aos canais mais próximos das bordas. Conforme discutido adicionalmente abaixo, o espaçamento entre eletrodos 46 não é uniforme, em que diferentes canais 48 exibem diferentes larguras. Aquela câmara de aquecimento inferior 44 contém eletrodos semelhantes à placa plana 50 subdividindo-se a câmara 44 em vários canais individuais geralmente retangulares 52 (Fig. 3), os quais também exibem larguras que diferem.

[0018] Como melhor visto nas Figs. 4, 5 e 6, uma estrutura de saída 54 liga as câmaras 42 e 44 e assim canais 48 e 52 em extremidades a jusante dos canais 48 e 52 próximo da primeira placa de extremidade 12 e a primeira peça de extremidade interior 34. A estrutura de saída 54 assim separa os canais e as câmaras de aquecimento de uma câmara de saída 56 (Figs. 4 e 5) dentro da primeira peça de extremidade interior 34.

[0019] Como melhor visto na Fig. 5, a estrutura de parede de saída 54 possui um lado a montante (em direção ao topo do desenho na Fig. 5) que faceia em direção aos canais 48 e um lado à jusante (em direção ao fundo do desenho na Fig. 5) que faceia em direção ao espaço de saída 56. Os eletrodos 46 são recebidos nas ranhuras (não mostrado) se estendendo para o lado a montante da estrutura de saída 54. A estrutura de saída 54 também possui paredes de divisão 58 que são substancialmente coplanares com os eletrodos individuais de forma que as paredes de divisão 58 efetivamente mantém cada canal 46 separado do canal adjacente 46. Existe uma pequena lacuna 60 entre cada eletrodo e a parede de divisão coplanar 58, mas tais lacunas são substancialmente sem importância com relação ao fluxo de fluido. A extremidade de cada canal 48 na estrutura de saída 54 é efetivamente fechado pela estrutura de saída separado das aberturas na estrutura de saída discutida abaixo.

[0020] O segundo elemento interior 36 na segunda lacuna de extremidade 14 define um espaço de entrada de fluido, esquematicamente mostrado em 62 (Figs. 2 e 4), aberto para as extremidades dos canais adjacentes a segunda lacuna de extremidade 14. A passagem de admissão de fluido 38 se comunica com a porta de entrada de fluido 20 na primeira tampa de extremidade 12, e com o espaço de entrada de fluido 62 (Figs. 2 e 3) adjacente à segunda tampa de extremidade 14. O canal de saída de fluido 40 (Figs. 2 e 3) se comunica com o espaço de saída 56 (Figs. 4 e 5) adjacente à primeira tampa de extremidade 12, e também se comunica com a porta de saída de fluido 22 da segunda tampa de extremidade 14 (Fig. 1). Assim, como indicado pelo trajeto de fluxo curvado 63 mostrado na Fig. 2, o fluido que passa através do dispositivo entra na primeira tampa de extremidade 12 e passa através do canal de entrada de fluido 38 para a câmara de entrada 62 adjacente a segunda tampa de extremidade 14. O fluido então passa através dos canais 48 e 52 das câmaras de fluxo 42 e 44 em direção à primeira tampa de extremidade 12, e passa a partir dos canais através das aberturas na estrutura de saída 54 para a câmara de saída 56. O fluido então passa da câmara de saída 56 através do canal de saída de fluido 40 (Figs. 2 e 3) e fora do dispositivo através da porta de saída 22 na segunda tampa de extremidade 14. Assim, o fluido que escoa dentro dos canais 48 e 52 passa na direção da segunda tampa de extremidade 14 em direção à primeira tampa de extremidade 12. Em referência às estruturas dos canais e a estrutura de saída, aquela direção é referida aqui como a “direção à jusante” e é indicada pela seta D em cada uma das Figs. 2, 4 e 5, pela qual a direção oposta é referida aqui como a “direção a montante”.

[0021] Como melhor visto nas Figs. 5 e 6, a estrutura de saída 54 inclui um par de rebordos 64 se estendendo por cada canal 48 nas direções referidas aqui como as direções de “fio” ou “no sentido do comprimento” do canal W (Fig. 6). A direção do comprimento é para dentro e para fora do plano do desenho na Fig. 5. Os rebordos 64 definem uma fenda 66 entre elas. A feda é alongada e se estende pelo canal 48 na direção do comprimento W. Como melhor visto nas Fig. 5, a fenda 66 é aberta para fluxo de fluido que sai do canal 48.

[0022] A estrutura de saída também define um par de câmaras de coleta 70 as quais são deslocadas da fenda 66 em direções laterais opostas simbolizadas por setas E nas Figs. 5 e 6. As direções laterais são transversais à direção do comprimento W e também transversal à direção à jusante D. As câmaras de coleta 70 associadas com cada canal 48 são separadas da fenda 66 pelos rebordos 64 e se estende a jusante dos rebordos. As câmaras de coleta são abertas na direção a montante. A estrutura de saída também define furos de saída 72 que conectam as extremidades a jusante das câmaras de coleta 70 com o espaço de saída 56. Assim, os furos de saída também são abertos para fluxo de fluido que sai do canal 48. A fenda 66 associada com cada canal possui uma área de seção transversal menor do que do canal. Os furos de saída 72 associados com cada canal também possuem uma área de seção transversal menor do que o canal e, preferivelmente, uma área de seção transversal agregada menor do que a área de seção transversal da fenda.

[0023] Como melhor visto na Fig. 5, cada uma das câmaras de coleta 70 possui uma parede limitante a qual está geralmente na forma de um semicírculo tendo seu eixo se estendendo na direção do comprimento W (a direção para dentro e para fora do plano do desenho na Fig. 5). A parede limitante de cada câmara de coleta 70 inclui uma parede limitante interna que se estende ao longo do lado de uma dos rebordos. Tal parede limitante se inclina para longe da fenda na direção lateral em direção à extremidade a jusante da câmara de coleta. Cada câmara de coleta 70 também possui uma parede limitante externa remota da fenda e se inclinando geralmente para dentro em direção à fenda em direção à extremidade a jusante da câmara de coleta. As paredes limitantes se inclinam uma em direção a outra e se encontram no ponto da câmara de coleta mais a jusante, na interseção da câmara e do furo de saída 72 associado com a câmara.

[0024] A estrutura de saída 54 define um arranjo similar de uma câmara de coleta de fenda e furos de saída para cada canal 48 na câmara de fluxo superior 42 e para cada canal 52 na câmara de fluxo inferior 44.

[0025] Como melhor visto na Fig. 6, as fendas 66 de todos os canais de fluxo 48 na câmara de fluxo superior 42 são alinhadas entre si, como são as câmaras de saída de todos os canais 48. A fenda, rebordos, e câmaras de saída ocupam substancialmente toda a área de seção transversal de cada canal. A fenda associada com cada canal é de mesma largura na direção lateral L, mas se estende por toda a extensão do canal a direção de fio W. Como melhor percebido com referência a Fig. 6, e também com referência a Fig. 3, os vários canais 46 na câmara de fluxo superior diferem um do outro em suas dimensões na direção de fio W, e assim em área de seção transversal. Da mesma forma, os vários canais 52 na câmara de fluxo inferior 48 diferem nas dimensões de direção de fio, e assim na área de seção transversal um do outro. Isto é uma consequência dos espaçamentos desiguais entre os eletrodos 46 e entre os eletrodos 50 associados com os vários canais de fluxo. No entanto, cada fenda possui uma área de seção transversal substancialmente menor do que o canal associado. Meramente por modo de exemplo, a largura de cada fenda 66 na direção lateral L pode ser da ordem de 0,115 polegadas (0,29 cm), onde a dimensão de cada canal 46 e 52 na direção lateral pode ser cerca de 0,929 polegadas (2,36 cm), de forma que a razão de área de seção transversal de fenda para área de seção transversal de canal é cerca de 0,12.

[0026] Os diâmetros dos furos de saída, tais como furos de saída 72 (Figs. 5 e 6) desejavelmente são selecionados de forma que os furos de saída associados com o menor canal possui o diâmetro mínimo o qual irá confiavelmente permitir bolhas de passarem através dos furos. Apesar da presente invenção não ser limitada por qualquer teoria de operação, acredita- se que este diâmetro mínimo é relacionado à tensão de superfície do líquido. Para água quente doméstica a cerca de 100 a 120 °F, o diâmetro mínimo é cerca de 0,070 polegadas. Este diâmetro mínimo produz uma razão de cerca de 0,35 entre a área de agregado dos furos de saída e a área aberta da fenda 66 associada com o menor canal (após deduzir a área bloqueada pelo fio 76 discutido abaixo). Os furos de saída associados com canais mais largos são de diâmetro mais largo de forma a manter uma razão razoavelmente uniforme entre as áreas de seção transversal dos furos de saída associados com cada canal e a área de seção transversal da fenda associada com cada canal. Por exemplo, este razão pode ser cerca de 0,3 a cerca de 0,45 para todos os canais.

[0027] Um fio alongado unitário 76 é montado à estrutura de saída e se estende no sentido da largura W em alinhamento com as fendas 66 associadas com todos os canais 48 na câmara superior 42. Aquele fio 76 é suportado em pequenos entalhes nas paredes de divisão 58 da estrutura de saída 54. O fio 76 se estende ao longo das fendas de todas as câmaras. Uma porção do fio (não mostrado) se estende entre as fendas da câmara de fluxo superior e as fendas associadas com a câmara de fluxo inferior. Esta porção é posicionada dentro do espaço de saída 56. O fio 76 é um fio de diâmetro fino tendo resistência que varia com a temperatura. Por exemplo, o fio 76 pode ser um fio formado a partir de uma liga de níquel-ferro tal como uma liga de 70% de níquel e 30% de ferro do tipo vendido sob a designação comercial liga Balco 120 ohm, e pode ser cerca de calibre 40 (diâmetro de 0,079 mm) com uma cobertura dielétrica fina. A cobertura dielétrica preferivelmente é formada a partir de um polímero como, por exemplo, um fluoropolímero tal como um polímero PTFE vendido sob a marca registrada Teflon®. A cobertura dielétrica isola o fio do fluido que escoa no aquecedor. A cobertura dielétrica deve ser tão fina quanto praticável sem orifícios de pino ou outras lacunas.

[0028] As extremidades a montante de eletrodos 50 e 48 se projetam através da segunda extremidade de interior 36 e segunda tampa de extremidade 14 como melhor percebido com referência a Fig. 2, onde as extremidades a jusante de eletrodos 50 associados com a câmara de fluxo inferior são visíveis. Os eletrodos 46 associados com a câmara de fluxo superior 42 são removidos na Fig. 2 para clareza de ilustração. Os eletrodos são selados para a segunda estrutura de extremidade interior 36. As extremidades a montante dos eletrodos são conectadas a elementos de comutação montados dentro da blindagem 26 (Fig. 4). Um pouco dos elementos de comutação são esquematicamente indicados pelas setas 82 na Fig. 7. Os elementos de comutação podem ser comutadores mecânicos atuados por retransmissão, mas mais preferivelmente são elementos de comutação semicondutores tais como triacs, transistores de efeito de campo ou semelhantes. Os elementos de comutação associados com cada eletrodo desejavelmente são operáveis para conectar cada eletrodo a ambos os polos 84 e 86 de uma conexão de fornecimento de energia de corrente alternada. A conexão de fornecimento de energia de corrente alternada para esta modalidade é uma conexão de corrente alternada de fase única para conexão ao fornecimento de energia elétrica doméstico comum. Quando os polos do fornecimento de energia são conectados ao fornecimento de corrente doméstico, existe uma voltagem alternada, tipicamente 220 volts nos EUA, entre os polos 84 e 86. Apesar de apenas alguns poucos eletrodos 46 e 50 serem representados na Fig. 6 para clareza de ilustração, cada eletrodo possui elementos de comutação 82, e cada eletrodo pode ser independentemente conectado a ambos os polos do fornecimento de energia.

[0029] O fio 76 é conectado em um circuito de controle esquematicamente mostrado na Fig. 7. O circuito de controle inclui um monitor de resistência 78 arranjado para sensorear a resistência elétrica do fio 76 e para fornecer um sinal que representa a resistência do fio 76 como um sinal de temperatura que representa a temperatura de fluido dentro ou que passa através do aquecedor. O circuito de controle inclui adicionalmente uma unidade lógica de controle 80 a qual é ligada ao monitor de resistência de forma que a lógica de controle recebe o sinal de temperatura. A unidade de lógica de controle também é conectada a uma fonte 81 de uma valor de ajuste. Este valor de ajuste pode ser um ajuste permanente ou pode ser um ajuste selecionável por usuário, caso no qual a fonte 81 do ajuste pode ser um controle operável por usuário tal como um indicador, teclado ou semelhante.

[0030] Os elementos de comutação 82 são atuados pela lógica de controle 80. Como explicado em maior detalhe na Publicação ‘527, a lógica de controle 80 pode conectar os eletrodos aos polos do fornecimento de corrente e podem deixar parte ou todos os eletrodos desconectados. Através da conexão ou desconexão de diferentes eletrodos ao fornecimento de energia, a lógica de controle pode criar trajetos de corrente de diferentes comprimentos e assim resistência elétrica que difere. Meramente por meio de exemplo, eletrodos de conexão 46a e 46b nas extremidades extremas da câmara 42 para polos opostos do fornecimento de corrente enquanto deixa todos os outros eletrodos 46 desconectados a partir do fornecimento de energia cria um trajeto de corrente de resistência alta relativamente longo através do fluido em todos os canais de fluxo 48 da câmara superior 42. Por contraste, a conexão de qualquer dois eletrodos imediatamente adjacentes entre si cria uma baixa resistência, muito curta e assim trajeto de fluxo de alta corrente. Os espaçamentos desiguais entre eletrodos permitem a criação de uma grande variação de trajetos de fluxo de diferentes comprimentos. Uma pluralidade de trajetos de fluxo de corrente pode ser criada pela conexão de mais do que dois eletrodos para os polos do fornecimento de energia, e cada trajeto de fluxo de corrente pode incluir um canal de fluxo único ou múltiplos canais de fluxo. Os canais de fluxo da câmara inferior 44 proveem uma ação similar. Como explicado em maior detalhe na Publicação ‘527, os espaçamentos dos eletrodos proveem trajetos de fluxo de corrente tendo diferentes resistências elétricas, e assim diferindo em condutância elétrica quando cheios com fluido de uma dada condutividade. As condutâncias e assim a corrente a qual irá fluir ao longo de cada trajeto desejavelmente inclui várias condutâncias e correntes diferentes. As condutâncias diferentes e as correntes diferentes desejavelmente incluem condutâncias e correntes que definem uma progressão semelhante a degrau de condutâncias e correntes que formam uma progressão substancialmente logarítmica entre uma condutância diferente de zero mínima (e fluxo de corrente diferente de zero mínimo) e uma condutância máxima e fluxo de corrente máximo. Para cada etapa na progressão, a condutância é a soma das condutâncias entre todos os pares de eletrodos os quais são conectados ao fornecimento de energia, e o fluxo de corrente é a soma de todos os fluxos de corrente entre os eletrodos conectados. Desejavelmente as razões de fluxo de corrente, e assim condutância, dos degraus na progressão são substancialmente uniformes. Mais preferivelmente, a progressão inclui pelo menos 60 degraus, e desejavelmente mais, e é selecionado de forma que a diferença no fluxo de corrente entre quaisquer dois degraus da progressão não é maior do que cerca de 25% do fluxo de corrente máximo e desejavelmente menos, mais preferivelmente cerca de 10% do fluxo de corrente máximo ou menos. Os valores de fluxo de corrente e condutâncias disponíveis também podem incluir valores redundantes não necessários para formar a progressão como, por exemplo, um valor de fluxo de corrente o qual é exatamente o mesmo como ou quase exatamente o mesmo que outro valor de fluxo de corrente incorporado na progressão.

[0031] Como descrito em maior detalhe na Publicação ‘527, a lógica de controle 80 responde a um sinal que indica a temperatura do fluido que escoa através do aquecedor, ou presente no aquecedor, o qual neste caso é o sinal do monitor de resistência 78, escolhendo uma etapa tendo maior ou menor valor de corrente agregado. Mais preferivelmente a lógica de controle 80 é arranjada para avaliar o sinal e alterar o valor de corrente de maneira adequada em vários momentos por segundo, mais preferivelmente uma vez em cada ciclo da voltagem de corrente alternada aplicada ao fornecimento de energia 84, 86. Em um arranjo particularmente preferido, a lógica de controle é arranjada para comutar qualquer dos elementos de comutação como necessário para alterar a combinação de eletrodos inativos quase no momento que a voltagem no fornecimento de energia cruza o zero durante o ciclo de corrente alternada normal. Isto ajuda a garantir que a ação de comutação não gera “ruído” elétrico na linha de energia ou interferência de frequência de rádio. Além disso, a lógica de controle desejavelmente é arranjada para alterar o conjunto de eletrodos conectados uma etapa em cada ciclo. Isto é, se o sinal de temperatura indica que um maior fluxo de corrente é necessário, a lógica de controle irá selecionar a conexão que origina o próximo maior degrau da progressão em degrau e energiza os eletrodos naquele padrão, e repetir como necessário até o sinal de temperatura indicar que a temperatura do líquido está no valor desejado. Declarado de outra forma, a lógica de controle desejavelmente não “pula” imediatamente para um degrau muito maior. Isto ajuda a garantir que a ação de comutação não causa flutuações de voltagem na linha de fornecimento, e assim não causa, por exemplo, escurecimento de luzes em uma edificação onde o aquecedor é instalado.

[0032] Eletrodos de vazamento 90 são montados na passagem de admissão 38 e passagem de saída 40. Os eletrodos de vazamento também se estendem através da segunda estrutura de extremidade interior 36 e segunda extremidade de tampa 14. Os eletrodos de vazamento são permanentemente conectados à conexão de chão do fornecimento de energia. Os eletrodos de vazamento garantem que corrente não pode passar de qualquer um dos eletrodos 46 ou 50 através do líquido que escoa para o sistema de encanamento ou o fluido que escoa através do sistema. Os eletrodos de vazamento também garantem que corrente não pode passar para qualquer uma das extremidades ou para o invólucro 16. O invólucro e tampas de extremidade podem ser eletricamente conectadas à conexão terra do fornecimento de energia para garantia ainda melhor.

[0033] Em operação, a porta de entrada 20 é conectada a uma fonte do líquido a ser aquecido, tal como o sistema de encanamento de uma casa, e a porta de saída 22 é conectada a um ponto de uso. Um líquido tal como água escoa através do aquecedor, como discutido acima, através do canal de admissão 38, que passa geralmente na direção a montante U a partir da primeira tampa de extremidade 12 em direção a tampa de extremidade 14 no canal de entrada e contatar o eletrodo de vazamento em tal canal. O líquido então passa a jusante através dos vários canais 48 e 50 enquanto é aquecido pela passagem de corrente através do líquido entre os eletrodos. Quando o líquido alcança a extremidade a jusante de cada canal, a maior porção do líquido que escoa em cada canal passa fora do canal para o espaço de saída 56 (Figs. 5 e 6) através das fendas associadas com cada canal, e assim passa sobre o fio 76.

[0034] O fio 76 se estende ao longo das fendas associadas com todos os canais, e assim é exposto ao líquido que escoa em todos os canais. O líquido que escoa em diferentes canais será aquecido por diferentes quantidades. Por exemplo, se a combinação particular de eletrodos os quais são conectados ao fornecimento de energia é tal que nenhuma corrente está escoando através de um canal particular, o líquido que escoa em tal canal não será aquecido diretamente, apesar de ele poder ser aquecido levemente por transferência de calor a partir de canais adjacentes. O líquido que escoa nos vários canais se mistura no espaço de saída 56 e passa fora do aquecedor através do canal de saída 40, onde ele novamente contata o eletrodo de vazamento de corrente 90 e passa fora do sistema através da porta de saída 22. A temperatura real do líquido que passa fora da saída irá refletir a temperatura do líquido que passa fora dos vários canais em combinação; os líquidos mais quentes e frios irão se misturar para formar um líquido que possui uma temperatura média final.

[0035] Como o fio 76 é exposto ao líquido que passa fora de todos os canais, a resistência do fio irá refletir a temperatura média final do líquido que passa fora do aquecedor. No entanto, através da medição da temperatura tão próximo quanto possível à extremidade a jusante dos canais individuais, antes de misturar, a resistência do fio irá medir a média final sem o atraso de tempo necessário para o processo de mistura ocorrer. Além disso, como o fio 76 possui massa térmica muito baixa, sua resistência irá seguir as temperaturas dos líquidos que escoam a partir dos canais quase instantaneamente. Estes fatores minimizam o “atraso de ciclo” no sistema de controle. Isto pode ser mais bem entendido com referencia a um sistema hipotético no qual a temperatura média é medida a jusante dos canais de aquecimento como, por exemplo, na porta de saída de fluido 22 do aquecedor. Em tal sistema, se a temperatura do líquido é menor do que a temperatura de ajuste desejada, a lógica de controle traz os eletrodos para um ajuste de corrente mais alto e assim aplica mais calor. No entanto, até o líquido aquecido passar a jusante da porta de saída, o líquido que passa pelo sensor permanece abaixo da temperatura de ajuste, e assim a lógica de controle irá continuamente aumentar a quantidade de corrente aplicada. Isto pode fazer com que a lógica de controle aplique corrente muito maior do que é realmente necessário para produzir o ajuste desejado, levando a uma condição de “excesso”. Através da minimização do atraso de ciclo, o aquecedor de acordo com esta modalidade provê um sistema de controle mais efetivo. O sinal de resistência a partir do monitor de resistência 78 rastreia proximamente a temperatura que é normalmente não necessária para prócer um sinal que representa a mudança no sinal de resistência para a lógica de controle. No entanto, tal sinal pode ser aplicado se desejado.

[0036] O fio 76 é disposto muito próximo as extremidades a jusante dos eletrodos e canais. Assim, o fio 76 está em comunicação térmica efetiva com o fluido contido dentro dos canais eles mesmos, mesmo quando nenhum líquido está escoando. Assim, o sistema de controle pode manter a temperatura do líquido dentro dos canais no ajuste desejado, mesmo enquanto nenhum líquido escoa através do sistema. Não é necessário prover um sensor separado para uso durante tais condições sem fluxo. Além disso, não é necessário prover um sensor de fluxo ou outro dispositivo para sensorear a ocorrência de uma condição sem fluxo.

[0037] Todos estes benefícios são providos com um arranjo de sensoreamento de temperatura extremamente simples. O fio único usado nas modalidades discutidas acima provê o mais novo em simplicidade, e requer apenas uma ou duas conexões para o exterior do espaço depositado por fluido, pressurizado.

[0038] Em um arranjo adicional, o fio unitário 76 pode ter múltiplos passes ou voltas, com cada passe ou volta se estendendo por todas as fendas associadas com todos os canais de fluxo. Isto provê sensibilidade aumentada ou mudança na resistência por alteração de unidade na temperatura. Ainda em uma variante adicional, o fio pode ser provido em seções, com cada seção se estendendo por apenas poucos dos canais e com a resistência de cada seção sendo monitorada separadamente pelo sistema de controle. Em tal arranjo, no entanto, o sistema de controle preferivelmente pode incluir um circuito o qual combina matematicamente os valores de resistência como, por exemplo, tomando uma média. Ainda em uma variante adicional, um fio individual ou outro sensor pode ser provido para cada canal. No entanto, tal arranjo pode requerer um circuito mais complexo, programação lógica mais complexa no circuito, ou ambos. Além disso, um arranjo que usa múltiplos sensores associados com múltiplos canais pode requerer múltiplas conexões elétricas que passam fora do espaço de escoamento de fluido, aumentando assim a possibilidade de vazamento ou outra falha das conexões e aumentando o custo do sistema.

[0039] Enquanto o líquido passa a jusante através dos canais e é aquecido pela corrente que passa através dele, bolhas de gás tendem a se desenvolver dentro do líquido. Por exemplo. Gases dissolvidos no líquido tendem a sair de solução enquanto o líquido é aquecido. Se tais bolhas de gás se agarram ao fio de sensoreamento 76, elas podem impedir a transferência de calor ao fio de sensoreamento e assim causar sinais de temperatura errôneos ou atrasados. A estrutura de saída e componentes relacionados minimizam a possibilidade de que bolhas de gás se agarrem ao fio de saída. A área de seção transversal relativamente pequena da fenda 66 tende a criar um fluxo de líquido de alta velocidade através da fenda, o que auxilia nas bolhas de extração do fio. Além disso, as câmaras de coleta 70 irão tender a capturar bolhas presentes no líquido de forma que as bolhas passam fora do canal através das portas de saída 72, e assim não cruzam o fio. Surpreendentemente, o arranjo de portas de saída, câmaras de coleta, e a fenda tende a prover esta ação independentemente da orientação do aquecedor em relação a gravidade. A forma precisa das câmaras de coleta e elementos associados pode ser variada de alguma maneira. Por exemplo, as câmaras de coleta não precisam ser de forma semicircular como mostrado, mas pode ter uma seção transversal geralmente poligonal.

[0040] As áreas de seção transversal relativamente pequenas das fendas e furos de saída proveem resistência de fluxo que é apreciável em comparação à resistência de fluxo dos canais 46 e 52. Isto ajuda a equalizar a velocidade do líquido que escoa nos vários canais.

[0041] O projeto modular do aquecedor como descrito aqui permite a produção simples de aquecedores que possuem várias faixas de capacidade diferentes. Um aquecedor com uma capacidade maior pode ser provido simplesmente usando eletrodos mais longos, um revestimento mais longo 16, e elementos mais intermediários 32.

[0042] Nas modalidades discutidas acima, as condutâncias diferentes dos diferentes trajetos de fluxo 46 e 52 são providas pelos diferentes espaços entre os vários eletrodos na direção de fio W (Fig. 6). Isto é desejável, pois essencialmente toda a área de cada eletrodo é exposta ao fluido que escoa para transferência de corrente, e as densidades de corrente são substancialmente uniformes sobre toda a área de superfície de cada eletrodo. Outros arranjos mais complicados podem ser usados para prover a mesma diferença na condutância entre os vários canais. Por exemplo, os canais podem ser de largura uniforme na direção do fio, mas alguns canais possuem uma barreira dielétrica se estendendo dentro do canal na direção lateral L (Fig. 6) de forma a estreitar uma porção do trajeto condutor. Alternativamente, alguns dos eletrodos podem ser revestidos sobre porções de sua superfície com um material dielétrico de forma a reduzir a área do trajeto de corrente e assim aumentar a resistência elétrica do canal. Tais arranjos são menos preferidos, já que eles implicam densidades de corrente não uniformes pelas superfícies dos eletrodos.

[0043] O arranjo físico dos canais de fluxo em dois conjuntos - canais de fluxo 46 na câmara de fluxo superior 42 e canais de fluxo 52 na câmara de fluxo inferior 44 - ajuda a prover um arranjo mais compacto tendo uma pequena dimensão na direção transversal ou do fio, isto é, em uma direção transversal às direções a montante e a jusante. Isto, por sua vez, facilita a construção do invólucro pressurizado, incluindo o revestimento 16. Para estar conforme as necessidades de segurança e regulatórias, o revestimento 16 tipicamente deve ser arranhado para suportar uma pressão interna bem acima daquela normalmente encontrada em serviço.

[0044] Aquecedores como discutidos acima podem ser utilizados em uma variedade de aplicações, mas são particularmente úteis no aquecimento de água quente doméstica. Um único aquecedor pode ser provido para uma casa inteira ou, mesmo mais preferivelmente, aquecedores individuais podem ser associados com dispositivos que consomem água individuais ou com um subconjunto dos dispositivos na casa como, por exemplo, um aquecedor individual para cada banheiro ou cozinha. Em um sistema onde um aquecedor individual está associado com um dispositivo que utiliza água individual tal como uma torneira ou chuveiro, o ajuste pode ser definido por uma maçaneta no dispositivo de utilização.

[0045] Apesar dos elementos de sistema de controle, tais como o fio de sensoreamento de temperatura, e os elementos de eliminação de bolha, tai como a fenda e câmaras de coleta, foram descritas aqui em conjunto com um aquecedor de resistência elétrica direta onde os elementos de aplicação de energia elétrica do aquecedor são eletrodos, o fio os elemento de eliminação de bolha também podem ser usados em outras aplicações. Por exemplo, um aquecedor de líquido pode incluir múltiplos canais com elementos de aquecimento individuais expostos ao fluido que escoa em cada canal, os elementos de aquecimento sendo arranjados para dissipar energia elétrica nos elementos de aquecimento em si e transferir o calor para o fluido que escoa nos canais individuais. Tal aquecedor pode ser equipado com um fio de sensoreamento e elementos de eliminação de bolha como discutidos aqui.

[0046] Como essas variações e combinações, além de outras mais das funcionalidades discutidas acima podem ser utilizadas sem fugir da presente invenção como definida pelas reivindicações, a descrição anterior deverá ser tomada por meio de ilustração, ao invés de ser limitante da presente invenção.

Claims (12)

1. Dispositivo de manipulação de fluido, compreendendo: (a) uma estrutura de canal que define um canal (48) o qual se estende em uma direção a jusante, e um fio alongado (76) o qual se estende através do canal em uma direção no sentido da largura; caracterizadopelo fato de que: (b) o fio é um fio de sensoreamento de temperatura e é disposto adjacente a uma extremidade a jusante do canal; e (c) uma estrutura de saída (54) liga o canal numa extremidade a jusante do canal (48), tal estrutura de saída definindo uma fenda (66) a qual se estende através do canal no sentido da largura em alinhamento com o fio (76), a fenda (66) tendo uma área de seção transversal menor do que a área de seção transversal do canal (48), tal fenda sendo aberta para fluxo de fluido que sai do canal, tal estrutura de saída definindo adicionalmente um par de câmaras de coleta (70) dispostas em lados opostos da fenda (66) e deslocadas da fenda em direções laterais transversais à direção a jusante e ao sentido da largura, e um par de rebordos alongados (64) que se estendem no sentido da largura e que separam as câmaras da fenda, tais câmaras de coleta sendo abertas na direção a montante e se estendendo a jusante dos rebordos, a estrutura de saída definindo ainda furos de saída (72) que se comunicam com as câmaras de coleta e abertos para fluxo de fluido que sai do canal, os furos de saída (72) tendo coletivamente área de seção transversal menor do que a área de seção transversal da fenda (66).

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito fio (76) se estende dentro da fenda (66).

3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada uma das câmaras (70) tem uma parede limitante interna definida por um dos rebordos (64), dita parede limitante interna se inclinando para longe da fenda (66) em uma dita direção lateral ao longo da extensão a jusante da parede limitante.

4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que cada uma das câmaras (70) tem uma parede limitante externa remota da fenda (66) e se inclinando em direção à fenda ao longo da extensão a jusante da parede limitante externa.

5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada uma das câmaras (70) tem paredes limitantes geralmente na forma de uma metade de um cilindro circular tendo um eixo geométrico que se estende no sentido da largura.

6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito canal (48) é geralmente retangular em seção transversal e em que as ditas câmaras de coleta e dita fenda se estendem cooperativamente por substancialmente toda a área de seção transversal do canal.

7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a estrutura de canal define uma pluralidade de canais (48) que se estendem lado a lado e se deslocam entre si na direção do fio, o fio (76) se estende através da dita pluralidade de canais, e a estrutura de saída define uma fenda (66), câmaras de coleta (70), e furos de saída (72) como anteriormente mencionados para cada dito canal.

8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a estrutura de canal incluir um ou mais elementos de aquecimento (46, 50) associados com cada dito canal.

9. Aquecedor de fluido, compreendendo: (a) uma estrutura de canal que define uma entrada (20), uma saída (22) e uma pluralidade de canais (48) que se estendem em uma direção a jusante e que se comunicam com a entrada e a saída, de maneira tal que fluido possa escoar em paralelo através dos canais a partir da entrada para a saída, tal estrutura de canal incluindo um ou mais elemento(s) de aplicação de energia elétrica (46, 50) associado(s) com cada canal; caracterizado pelo fato de: (b) um fio de sensoreamento de temperatura (76) se estender através da pluralidade de canais adjacentes a suas extremidades a jusante; e (c) um circuito de controle (78, 80, 81, 82) conectado com os elementos de aplicação de energia elétrica (46, 50) e o fio (76), o circuito de controle sendo arranjado para monitorar uma resistência elétrica do fio e para controlar aplicação de energia aos elementos de aplicação de energia elétrica, em resposta à resistência elétrica do fio, de maneira tal que, em pelo menos algumas condições de controle, fluido que escoe através de canais diferentes daqueles canais será aquecido a diferentes temperaturas.

10. Aquecedor de fluido de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o dito circuito de controle inclui uma conexão de fornecimento de energia (84, 86) e pelo menos um comutador (82) conectado entre cada dito elemento de aplicação de energia elétrica e o fornecimento de energia, tal circuito de controle sendo arranjado para atuar os comutadores, de modo a conectar e a desconectar os elementos de aplicação de energia elétrica com o fornecimento de energia.

11. Aquecedor de fluido de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que os elementos de aplicação de energia elétrica incluem eletrodos expostos para contato com um fluido que escoa nos canais (48) e o circuito de controle é arranjado para atuar os comutadores (82), de tal maneira que corrente elétrica passe através do fluido em pelo menos parte dos canais.

12. Aquecedor de fluido de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de os eletrodos (46, 50) terem bordas a jusante e o fio (76) ser disposto dentro de cerca de 10 mm das bordas a jusante dos eletrodos.

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