CN1182756C - 具有改进的加热元件控制器的流体加热器 - Google Patents

Abstract

一种电能热水器(10)包括一组加热元件(22、34、44和50)，其基本在瞬间加热流经加热器的流体。用于向这一组加热元件提供能量的一个控制器响应设置在流体路径中的一个温度检测器(30)。该温度检测器起动每一个加热元件预定长时间，该时间最好不超过32个半周期。该控制器在起动第一个加热元件(22)之后最好不超过8个半周期起动第二加热元件(34)。所说的起动各个加热元件的预定长时间可以是基本相等的，使得每个加热元件对于流体的加热贡献基本相等。在一个实施例中，加热器外壳中设置有一组腔室(9)，在每个腔室中设置一个加热元件。

Description

具有改进的加热元件控制器的流体加热器

本发明涉及一种具有多个加热元件的热水器。更具体地说，本发明涉及具有多个设置在相应的腔室中的加热元件的一种流过即热式或者无水箱式热水器和用于驱动这些加热元件的改进的控制器。

流过即热式热水器，其也被称为无水箱式或瞬时热水器，采用一个或多个通常仅比加热元件尺寸略大的腔室，当水流过加热器时能够将水在瞬间加热到所需温度。长期以来，人们已经认识到，流过即热式热水器是常规的带有大储水器或蓄水容器的热水器的优异替代品。在现有技术的流过即热式热水器中存在的问题是对于在与家庭和商业加热水应用相关的各种条件下为保持所需温度而必须提供的高功率热源不能够提供足够灵敏的控制。具体的问题就是在关断水流时不能够防止由于潜热造成的高温过热，以及在硬水地区矿物质迅速淀积在热水器中。

为了使产品具有强大的市场竞争力，流过即热式瞬时热水器或无水箱式热水器必须具有多个高功率加热元件和能够非常迅速地响应水流温度和压力的变化以保持恒温控制的一个控制系统。为了更好地理解这两个任务的难度，有必要指出流过即热式热水器所固有的缺陷。首先，在大部分工业化国家中已经规定，为了满足一般家居生活方式的要求，水流量在120°F时应当至少为2.25加仑/分(gpm)。由于水温会随着地点、水源和季节的不同而在38°F至90°F以上范围之间变化，通常要求单源流过即热式热水器的最小水流热输入功率至少为28000瓦特或者大约为95000BTU(英制热单位)。对于电阻型加热元件，则应当对其功率密度加以规定。高功率密度元件的使用寿命要比低功率密度元件短得多。为了获得28千瓦的功率和保持小的加热装置的优点，采用具有多个加热元件的热水器是比较可取的。

1975年以前的大部分热水器都采用固定输入功率。由于家居中使用热水要求在低水流量(小于1加仑/分)至中等水流量(大于3加仑/分)之间加热水流，因此固定输入功率的热水器存在固有的局限性。在中等水流量条件下，由足够的水流吸收热量和保持所需温度。但是，在低水流量条件下，较高的固定热输入功率将很危险地使水过热，从而形成烫伤隐患。由于采用以固定输入功率加热水的方法，因此限制了流过即热式热水器的功率，并且要求配备能够防止在达到安全的最小水流量之前起动加热元件的水流起动装置。假设入水温度为60°F或更高，具有28千瓦总热输入功率的固定输入功率热水器在水流量低于2.25加仑/分时是非常危险的。由于上述原因，固定输入功率的流过即热式电热水器的功率通常限制在9千瓦(大约30000BTU)，最好作为单点使用热水器。

除了上述问题，下面介绍与设计和开发适合市场需求的流过即热式热水器相关的其它考虑。

包括多个加热元件的流过即热式热水器一般设计成配备小的具有相对较高的功率与体积流量比的热交换器。如现有技术所表明的，在加热模式下水流可以令人满意地吸收和带走热量，但是在关断水流的情况下，加热元件中的潜热会使水温上升得很高。这种状况在现有技术使用按序或分级起动控制系统的情况下更加严重。在这些装置中，对于一般设置在单独的加热腔室中的多个加热元件是按序起动的，即首先将第一个加热元件激励到全功率状态，然后根据需要，再将下一个加热元件激励到全功率状态，如此下去，直到为产生所需温度而必需的所有加热元件都被连续起动为止。在没有水流时，处于关闭状态，所有加热元件断电。按照某些控制方式，热水器关闭是通过使加热元件按序断电实现的，即首先关断最后起动的加热元件，然后按序关断其余的加热元件，直到所有的加热元件都断电为止。按照这些控制方式，至少有一个或多个加热元件处于全功率状态，并且包含大量的潜热，这部分潜热传递到热交换器中或各个腔室中非常少量的静止水中。这将导致在水流关断时大部分未断电的加热元件产生极高的过热温度，进而使附近的流体过热。这种在水流关断时产生的过高温度上升可以形成烫伤隐患，特别是在热水器与流体分配器之间距离非常短的使用点热水器情况下。

加热元件越热，水也越热，矿物质淀积得也越多。这在硬水地区是一个突出的问题。因此在关断水流时水的重复过热的另一个缺点是导致矿物质加速淀积和积累在过热加热元件和热交换器中。由于在流过即热式热水器中使用相对较小的加热腔室，在这些条件下矿物质会迅速积累，从而缩短加热元件和/或热交换器的寿命。矿物质积淀物除了在热水器中积累，还可以被水流携带着进入流体分配管线，并且进入家用电器，诸如洗碗机、洗衣机和水龙头的过滤器中，因而增加了对于这些家用电器的维修费用。

流过即热式热水器的一个主要目的是根据需要迅速加热水。在流过即热式热水器中所采用的大部分温度传感装置为热敏电阻。成本原因限制了所使用的热敏电阻的类型，这些装置检测温度变化的响应时间可能在2秒之间。如果将这个响应时间与加热电阻性加热元件以及其后在热敏电阻被加热之前加热水所需时间相加，可以确定总的时间延迟大约为7秒。所以，现有技术的流过即热式热水器中的控制系统为自调整式控制器，它们具有相对较高的工作温度滞后性。假定入水温度为70°F，从一个热水器输出到一个通常的淋浴头所需的120°F的水体积流量大约为1.5加仑/分。一个28千瓦的热水器具有将以1.5加仑/秒水流量流动的水每秒提高大约2度的加热能力。在具有多个高功率加热元件的流过即热式热水器中同时存在上述的7秒延迟的问题和过热隐患问题。

几乎每个人都熟悉当打开与热水器相连的另一个用具时的水温变化效应。如果一个人正在使用的是具有相对恒定温度的一个热水供应源，例如一个储水器式热水器，通过简单地调整热水与冷水的比率来恢复所需水温是相对来说比较容易做到的。但是对于使用具有较大滞后性控制系统的流过即热式热水器来说这是无法做到的。响应时间滞后于由于流量的急剧变化而产生的温度变化效应，导致令人烦恼的温度不稳定现象。由于压力变化影响流量，所以压力变化同样也会引起令人烦恼的温度不稳定现象。人们在使用家庭水源时同样会经历与使用供应水源时一样的压力变化效应。即使使用社区或城市供水系统，在用水高峰期间人们也会感受到水压的波动。

当一个流过即热式热水器通过普通的分配管线为多个用具供应热水时，这些管线起到减缓温度变化的作用。当热水器产生过热温度时，一部分热量被管道吸收，并与流动的水混合以减少较小温度波动的影响。当热水器控制系统由于滞后性而使水温低于所需温度时也是如此。如果流过即热式热水器已经将水加热超过设定温度，则输水管线会吸收一部分热量，并且达到超过设定温度的一个温度。之后当热水器温度下降时，较冷的的水部分地与较热的水混合，管道中的过多热量也有一部分传递回水中。当从热水器到热水用具之间的管线长度能够达到30英尺或更长时，这种缓冲效应对于家用热水器的使用是有利的。

因为电力分配系统受到高压瞬变和电力波动的影响，为三端双向可控硅开关或其它电子固态功率控制开关器件提供保护对于保证系统安全性是十分重要的。通常，在现有技术中是通过使用具有金属氧化物可变电阻的电压波动保护器来提供这种保护的。这些器件受到功率的限制，而且大的瞬变仍会对其造成破坏。

美国专利US-5216743；5020127；4604515；4567350；4511790；4333002；3952182；和3787729认识到在热水器中使用多个加热元件的益处，和使用按序或分级起动加热元件以便在使用热水器时提供较好的温度控制的益处。美国专利US-5216743he 5020127中提出了采用按序或分级调整过零通电的加热元件来减少温度控制的滞后和对点火电路的干扰的控制系统。美国专利US-4337388和欧洲专利EP-0209867A2认识到为了更好地控制温度需要避免过热，并且采用了加速电路和随动控制。美国专利US-3952182和所引用的欧洲专利公开了在热水器开始工作时或者在此之前将加热腔室预先排空的方案。美国专利US-5216743公开了在加热过程中产生多种气体，和通过连续排放气体以防止损坏加热元件和加热腔室，和在热水器工作期间当温度传感器无法检测水温时形成危险过热的可能性。

大部分市售热敏电阻需要大约2秒钟响应全部的温度变化。这个时间可以称之为热敏电阻时间常数。在其中所用热敏电阻是由于热迟滞效应而被二次加热的流过即热式热水器中，会出现系统响应滞后的现象。因为加热元件必需在对流体加热之前先发热，而热敏电阻又是响应流体温度，所以热迟滞现象是固有的。在本申请中公开的这种流过即热式热水器中，热敏电阻响应全部温度变化所需的系统时间常数大约为7秒钟。现有技术热水器中的加热元件每次起动一个，并且按序连续起动，首先使第一个加热元件达到全功率状态，然后连续起动其它加热元件。将由于第一个加热元件的起动而产生的温度变化与发出的指令信号所设定的基准温度相比较。所要求温度的范围是系统温度时间常数的函数。当指示需要进一步加热的要求温度按照与温度变化和系统时间常数的关系提高时，所有加热元件按顺序从零功率起动直到以100％全功率工作。可以增加工作的加热元件数目直到足够数目的加热元件被起动以达到所设定温度，如在美国专利US-5020127中所述。在大部分使用过程中，只是几个而不是全部的加热元件都被起动以达到设定温度，因此最先起动的加热元件的负载周期明显大于最后起动的加热元件。所以处于工作状态的加热元件要比加热元件没有处于工作状态的区域热得多。由于加热元件以相反的顺序断电以关闭热水器，所以当一个或多个加热元件在没有水流状态下以全功率工作时会出现过热点，随着时间的推移，这种热分布的不平衡可能损坏热交换器，并且明显地减少了过度工作的加热元件的使用寿命。在关闭水流时产生的局部过热温度会使硬水地区的水中矿物质加速淀积。

本发明克服了现有技术中存在的缺陷。在下文中公开的一种改进的热水器采用了一种能够更加随意地调整每个加热元件的控制器。本发明的技术特别适用于具有多个加热腔室并且在每个腔室中包含多个加热元件中的一个的流过即热式热水器或无水箱式热水器。

本发明提供一种具有由一个或多个电源供电的多个加热元件的流过即热式或无水箱式热水器。这种流过即热式热水器包括一个改进的控制系统，其中包括温度传感电路和加速电路。该控制系统与多个温度传感器件相连，这些传感器件的输出利用电路加以调整以补偿与热迟滞相关的时间常数，所说热迟滞通常与对被连续加热的变化流量的流体的温度检测相关，从而提供经过时间校正的瞬间温度读数。该控制系统还包括一个改进的加速电路和温度检测电路，它可以根据时间/流量常数精确地控制加热元件的电力供给。电源向加热元件所提供的功率由该控制系统的逻辑电路控制。

电力首先通过继电器的动作传输到控制系统，然后借助于三端双向可控硅开关逐渐地使加热元件提高功率/降低功率，所说三端双向可控硅开关由过零触发器启动。该控制系统包括逻辑电路和一个固态控制器以小到半周期的增减量交替增加或减少加热元件的电功率。加热元件的功率增量或减量以这样的方式加以控制，使得每个加热元件从电源接受相等的功率，所说功率由控制器按照正弦波半周期的顺序增量进行分配。第一个加热元件在一个半周期的过零点首先通电或断电。然后顺序地其它加热元件在后续的半周期过零点交替地通电和断电，从而传输给加热元件的功率以大约相等的增量为所有加热元件分享，使每个加热元件在工作期间的负载周期持续相等，同时将加热元件的瞬间相同激励的增减量控制在非常小的功率增减量级。正是通过这种功率分享，使得这些加热元件的电负载几乎完全平衡(在单相电源和三相电源情况下都如此)，从而减少或有效地消除了高功率加热元件通电对点火电路造成的干扰，防止了变压器附加励磁。此外，这种功率分享技术使得在加热系统中出现的过热点最少。通过确定加热元件的适合功率值，大部分使用热水的情况只要求加热元件达到全功率的50％以下，在工作期间每个加热元件接受基本相等的激励。在关闭水流时，每个加热元件中的潜热通常只有或小于采用连续分级加热方式的现有技术中的一半，在现有技术中通常是一个或多个加热元件工作在全功率状态下。当关断水流时，基本消除了由于加热元件潜热造成的温度过热，以及与这种过热有关的矿物质淀积，并且延长了加热元件的寿命。

本发明的一个目的是提供一种具有控制器的热水器，所说控制器能够以功率分享方式调整传递给加热元件的能量交替地等量增加和/或减少，以提高温度灵敏度和控制响应速度，从而在使用中更好地控制温度。本发明的一个相关特征是提供一种流过即热式热水器，这种热水器包括一个控制系统，该控制系统能够以连续等量的功率分享方式激励加热元件。

本发明的再一个目的是提供一种热水器控制器，其用于以这样一种方式交替地激励多个加热元件，使得所传输的功率由每个加热元件分享，从而减少在大多数应用中，如果不能说是全部应用中的话，当关断水流时在每个加热元件中产生的潜热。本发明的一个相关特征是提供一种流过即热式热水器，其中以功率分享方式激励加热元件，使得在关断水流时所有加热元件中的潜热是等量分配的。通过减少每个加热元件中的潜热，降低了每个加热元件的关断温度，并且使加热元件的温度均匀地分配给周围的流体，从而减少了矿物质在加热元件上或在热交换器中的淀积量。因此本发明的一个特征是提供一种流过即热式热水器，其中矿物质的淀积和积累最少。

本发明的另一个特征是以功率分享方式和以半周期小的增量来控制高功率加热元件的能量的增减，增减以减少同时、瞬间重合地给加热元件加载，从而有效地消除了对于点火电路和变压器的干扰。本发明的一个相关特征是提供一种流过即热式热水器，其包括一个控制系统，该控制系统以功率分享方式向每个加热元件提供能量，使得每个加热元件的供能是以非常小的能量脉冲交替增加或减少的，并且均匀地传输给每个加热元件。

本发明的又一个特征是提供一种热水器，其对温度检测电路和加速电路进行改进以克服为平滑和迅速地达到设定温度和在无水流情况下迅速关闭热水器所需检测和响应时间方面的热迟滞效应。这种流过即热式热水器最好包括一个控制系统，其具有改进的温度检测和加速电路和/或逻辑电路，以便以最小迟滞平滑和迅速地达到设定温度，和在无水流情况下无需机械式断水检测装置就能够迅速关闭热水器。

本发明的再一个特征是提供一种热水器，这种热水器采用功率分享控制方式，从而利用多个电源为加热元件供电。流过即热式热水器的所有加热元件分别由多个电源中的一个供电。

本发明的又一个特征是提供一种热水器控制器，其为多个输入电源提供平衡负载，特别是在使用三相电源的情况下。可以以这样一种方式控制一个流过即热式热水器，使得对于输入电源的需求是平衡的。

本发明的另一个特征是为热水器提供功率波动保护，这种保护将三端双向可控硅开关或其它功率控制开关器件与来自电源的破坏性电压瞬变隔离开来。在待用状态下的隔离是使用通常为打开状态的选择装置中的继电器实现的，从而使得在待用状态下没有功率作用在三端双向可控硅开关上。

本发明的优点在于所说流过即热式热水器包括一个控制器，其利用一个微控制器实现热水器的系统控制功能。

本发明的一个显著优点是由于控制系统的先进性，顾客将更加容易接受流过即热式热水器。

本发明的再一个优点是根据本发明构成的流过即热式热水器具有相对较长的使用寿命和较低的维修费用。

通过以下结合附图所作的说明，可以清楚地了解本发明的这些和其它目的、特征和优点。

图1示意性表示根据本发明构成的一个多腔室流过即热式热水器。

图2表示本发明的温度放大器、电路逻辑和电压输出与温度关系图。

图3表示本发明的一个合适的设定点电路。

图4表示本发明的一个示例性关闭电路。

图5表示本发明的一个示例性待用电路。

图6表示可以用于本发明的一个脉冲宽度调制器电路。

图7表示一个调制检测器。

图8表示本发明的一种典型的在不同时间的点火次序。

图9表示一个示例性任选耦合的加热器驱动器。

图10表示具有选择控制功能的加热元件的一个任选耦合的加热器驱动器。

图11表示磁耦合的加热器驱动器。

图12表示一个继电器驱动器的控制电路。

图13表示一个适合的移位寄存器控制。

图14表示一个线性同步放大器。

图15表示本发明使用微控制器的电路系统。

图16表示可以用于图15所示电路系统中的一个功率控制电路。

图17表示用于校正当前温度信息延迟的一个适合的补偿电路。

图18表示用于使作为时间函数的温度变化速率加快的一个适合的加速电路。

图19表示本发明的另一种微处理器方块图。

图1表示了根据本发明构成的一个多腔室流过即热式热水器10的一个实施例的总体结构。热水器10包括两个基本相同的两腔室组件26和36，它们利用法兰连接件14连接在一起。一个适用的热水器可以采用一个单腔组件，但可取的是如下所述将两个或多个两腔室组件利用位于其间的适合的法兰连接件组合在一起。

在工作过程中，流过入水管线13和固定的热交换器16的水使下面所述的固态加热器控制开关器件保持在安全的工作温度。入水温度利用安装在入水管线13底部或者安装在第一个加热元件腔室上游处的一个热敏电阻进行监测。水流入第一腔室20的下部，向上流动并与加热元件22接触。在腔室20的上部，由高温限制或限制开关24监测水流温度，以防止出现过热状态。水流通过一个缩小孔径的通流管25，该连通件使组件26的腔室20与组件26的腔室28相连。当水从缩小孔径的连通件25中进入腔室28的上部时，流速增大。在腔室28的上部，利用热敏电阻30测量水温。水位利用设置在腔室28上部的水位检测器32监测。水流向下流过腔室28，并与加热元件34接触。

腔室20上部中的气体水平地从缩径通流管25进入腔室28，然后通过连接组件26和组件36的法兰连接件33上的排气孔37。之后气体继续水平地进入组件36的腔室38中。在气流之后跟有极少量的水。有关热交换器16、组件之间的缩径连通件和排气孔的详细内容可以参见美国专利US-5216743。

在组件26的腔室28下部，利用热敏电阻42测量水温。当水流过腔室28与腔室38之间的缩径通流管41时发生混合。在进入腔室38下部之后，水向上流动，并与加热元件44接触，由高温限制器件46监测高温。气体继续水平地从腔室38上部通过连接腔室38上部与腔室40上部的通流管47。当水流过腔室38与腔室40之间的缩径通流管47时再次发生混合。水温由设置在腔室40上部的热敏电阻49测量，水位由设置在腔室40上部的水位检测器48监测。在腔室40的下部还利用热敏电阻54测量水温。流体向下流动，并与加热元件50接触，而气体则继续水平地从腔室40上部通过连通管51中的排气出口37，进入流体排放管52。然后气体与出口处流体混合，并与加热流体一起从热水器10中排放出来。在工作过程中，气体从每个加热腔室中继续排出。少量的流体随着气体通过连通管51中的排气孔37排出。可以通过如图所示那样将热敏电阻54设置在腔室40的下部，或者将热敏电阻54设置在出水管线52中来测量水温。通过设置缩径通流管53使水从腔室40排放到出水管线52，然后向上沿出水管线52流到出水口56。

可以看到在热水加热器系统中设置了5个热敏电阻。热敏电阻42和54位于加热腔室的下部。热敏电阻30和49分别位于加热腔室28和40的上部，而热敏电阻18设置在入水管线13的下部。这些热敏电阻的数目和位置是控制加热器系统的主要测量手段。对于本领域技术人员来说这里所示的热敏电阻的数目和位置表示一个优选实施例，但是，热敏电阻或其它温度传感器件的数目和位置，以及它们的控制温度，都可以根据使用要求而加以改变。

高温限制器件24和26位于腔室20和38的上部。限制器件24和46为预置热开关，通常是闭合的(通常为电接触状态)，它们仅仅当出现预先选定的高温条件时才打开。一旦开关打开，它将保持打开状态，直到手动或自动重新设置将其闭合为止。同样，应当理解，高温限制开关的数量和位置可以根据使用要求而改变。

限制开关24和46相对于8个继电器的控制信号串联。这些继电器切断通向所有四个加热元件的两侧的电力线，而不论是否有控制逻辑命令从电子控制系统中发出。这是检测高温状态的机械后备装置。在产生高温的状态下，必须手动或自动恢复限制开关，热水器才能重新开始工作。这些继电器通常用作安全和电压波动保护装置，这类装置的使用和数量根据加热系统的目的确定。

水位检测器32和48分别检测组件26和36中的水位。在水位低于水位检测器高度的情况下，通过切断两侧每个加热元件的电力线而使所有的继电器断电。如果仅有组件36中的水位低于其检测器高度，则可取的是由控制继电器使加热元件22、44和50与电力线断开。如果仅有组件26中的水位低于其检测器高度，则可取的是由其控制继电器使其断开。当加热元件34断电时，加热元件22、44和50无法从控制逻辑电路中获得电力，如下所述。使用水位检测电路和传感器的主要目的是为了安全。可取的是，根据具体的用途确定是否使用这种电路和传感器，以及所使用传感器的数量和位置。

仍然参照图1，组件26和36上部之间的连通件33中的排气孔37，和组件36上部和出水管线51之间连通件51中的排气孔可以使其中蓄积的空气从热水器10的各个加热腔室中连续地排出。这个特征是在使水在腔室中达到其适合水位的同时实现的，从而防止了对热水器的损坏。

在每个加热腔室20、28、38和40的外壳上可拆卸地安装有一个沉淀物收集盘9。每个沉积物收集盘可以基本上是透明的，以使使用者可以看到以定期地确定是否需要对热水器进行保养维护。可以采用常规的螺纹将各个收集盘9连接到它们各自的外壳上，从而便于拆卸和更换，以排放和清洗加热腔室。

图2表示了一个适合的温度放大器电路60。可取的是，5个热敏电阻62中的每一个与其自己的放大器电路相连。在热水器的工作温度范围内，该运算放大器将负的热敏电阻值转换成大约每华氏度30毫伏的线性正电压输出值64。因此电压输出64正比于所检测的温度。图2表示电压输出与温度之间的线性关系。电路60包括适合数值的标定电阻66和增益电阻68。

图3所示的放大器设定点电路72使用户可以设定热水器10的输出温度。温度是利用一个手动调节电位计设定的。该设定点电路建立了两个独立的参考电压78和80，即一个高温关断电压78，和控制设定点运算电压80。在优选实施例中，该电路系统还设置了一个最小待用设定点温度，以防止结冰。电路72包括一个运算放大器82。电压84施加到上述的各个入水温度放大器63上。设定点电路72为关断电路和脉冲宽度调制器提供电压输入80和78，如下所述。

如图4所示，高温关断电压78输入到关断电路100的运算放大器比较器86。温度放大器92和94通过比率电阻88和90向比较器86提供第二输入电压96。如果腔室28和腔室40中的流体温度低于高温关断电压，则比较器的输出电压98为高电平。如果其中一个腔室或者两个腔室温度超过高温关断电压，则比较器输出电压98下降为零，与门104截止，如图10所示。这样就由控制电路禁止加热元件34工作，如图10所示，和如下所述。

可以认为由图10所示控制电路102控制的加热元件34是检测加热元件，因为它的工作可以触发所有其它加热元件22、44和50的控制序列信号。如果如图4所示关断比较器86输出电压变为零，则加热元件34停止工作(控制检测加热元件)。通过禁止从脉冲宽度调制器发出的指令电压脉冲经由图10所示与门104传输到加热元件34，所有其它加热元件都停止工作(如图10所示，没有信号传送到检测电路106)。根据具体用途，可以采用任何一个加热元件作为所需的控制或检测加热元件。只要腔室28和腔室40(参见图1)的温度放大器的输出电压大于高温关断电压，关断比较器86就会保持关断状态。

图5所示的待用电路106将安装在腔室28上部的热敏电阻30与安装在腔室28下部的热敏电阻42之间的电压差(指示温度)进行比较。从各个热敏电阻输出的电压分别通过一个适合的电阻112和114。电路106还包括电阻116、电容器118、快速放电器件120、电阻122和放大器124。电路106的输出126传送到移位寄存器109，如图13所示。当热敏电阻30如待用比较器电路106所示只比热敏电阻42温度高几度时，待用电路的输出电压变为一个高电压电平。这个高电平输出电压使移位寄存器109禁止，该移位寄存器如图13所示借助于移位寄存器控制电路108为加热元件22、44和50的启动定序。下面解释移位寄存器的操作。如图5所示，从待用比较器110输出的输出电压高电平还使与加热元件22、44和50相关的控制继电器111断电，如图12所示。

在有水流过热水器10的正常工作状态下，每个腔室都依次比前一个腔室更热。即腔室40比腔室38热，腔室38比腔室28热，而腔室28又比腔室20热。当水流中断时，所有加热元件中的潜热将使腔室中的流体温度上升。在无水流状态下每个腔室的上部比同一腔室的下部热(温跃层)。图4所示的电路系统100中的待用电路比较器检测这种状态，并有效地切断加热元件22、44和50的电力。如下所述的脉冲宽度调制器在保持腔室上部28热于腔室28下部的同时使腔室28维持在降低的设定点温度，从而维持从图5所示待用电路106的输出的高电压电平，和使热水器10处于待用状态。

当水流重新通过热水器10时，由热敏电阻30检测到的温度近似等于由热敏电阻42检测的温度。从待用电路比较器110输出的电压改变为低电平，使移位寄存器109开始启动对与加热元件22、44和50相关的控制继电器111的激励。控制电路逻辑从待用模式转换到工作模式，设定温度点从待用设定点恢复到工作设定点。热水器响应指令开始工作，逐渐达到工作设定点温度。如果热水器100输入的是高于工作设定点温度的预热水，则控制保持在待用模式。

如上所述，通过对温差的比较，在存在/不存在温跃层的状态下，待用电路比较器106检测流体从热水器100流过的开始和停止。当在腔室28上部检测的温度近似等于在一个下游腔室检测的温度时，待用电路106的输出变为零状态，使热水器100退出待用模式。图4所示的关断电路100这时将处于高电平状态，电路将指示有水流存在状态。当水流检测信号产生时，图7所示调制电路输出149下降到零，所有控制继电器通电，图13所示移位寄存器开始工作。

脉冲宽度调制器电路128如图6所示接收6个电压输入。四个放大器输出130、132、134和136分别监测各个腔室20、28、38和40中的温度。电压输出从各个热敏电阻30、42、49和54获得。一个电压输入为控制设定点电压139(手动或自动设定)。最后一个设定点电压输入138为入口热敏电阻18温度补偿控制基准设定点。

调制器电路128包括一个工作频率通常为128赫兹的振荡器140。振荡器140与电力线频率不同步。调制器电路128产生一个正电压方波输出(通常为128赫兹)，该方波输出的标称占空比控制范围为2-98％。以上描述和图6介绍了该电路的主要功能和工作特性。

在有水流状态下，图6所示OPAMP A2(运算放大器A2)的正输入电压大于负输入电压，使得OPAMP A2的输出电压缓慢地增大，脉冲宽度输出占空比提高。这些状态使得图10所示三端双向可控硅开关164按照典型的功率分享点火次序点火。在OPAMP A2输出端的增大电压由电阻R1和C1积分，然后由电压输出放大器OPAMP A3缓冲。R1和C1的时间常数一般为30秒。这个积分电路减弱了在OPAMP A2输出端产生的急剧变化。OPAMP A2的正输出电压继续增大(在加热元件限值范围之内)，直到在现有流量条件下达到适合功率值以产生工作设定点温度。

当水温提高时，热敏电阻放大器的输出电压增大(图2中表示了热敏电阻放大器电路60)。当由于热敏电阻放大器输出电压的增大造成OPAMP A2的差分输入电压下降时，传输给热水器的功率减少。这种控制方法使得功率平滑渐增传输，直到每个加热元件都达到适合的加热功率为止，而同时借助于加热元件的功率分享使出水温度保持在设定点。对于在热水器功率范围限值范围内的任何流量都保持这种平滑渐增传输特性。

现在假定水流中断，水温上升。由于OPAMP A2差分输入电压的下降，热水器开始逐渐降低各个加热元件的功率。OPAMP A2将脉冲宽度调制器的占空比均匀地减少到没有更多的功率传输给加热元件的点。但是，加热元件的潜热使得水温上升超过预定关断温度以上，所以，如图4所示的关断电路100变为低电平状态使腔室28的加热驱动器停止工作。应当理解，随着加热元件34停止工作，其它加热元件也停止工作。关断还使所有的控制继电器停止工作。

几乎紧随着热水器关断，腔室28上部的温度立即高于腔室28下部温度。当出现无水流状态时，图7所示的调制检测输出149变为高电平状态，所有的控制继电器断电，移位寄存器停止工作。控制系统进入待用状态。在优选实施例中，从这时起，将仅仅由图12所示的加热器继电器113根据图5所示待用电路的输出向腔室28供热，以维持最低的待用设定点温度以避免结冰。需要非常小量的功率来维持待用状态设定点温度，和持续待用模式的温度差。

当腔室中的温度大于低于设定点时，所产生的方波周期的正部分持续较长时间。这个脉冲的宽度，即占空比，确定了提供给热水器的功率或功率输出的百分比。如果脉冲的正部分(驱动脉冲)保持高电平在周期时间里占较长的百分比，则输出功率较高，即瓦特输出数较高。如果脉冲的正部分在周期时间中占较小百分比，则输出功率较低，即瓦特输出数较低。图10所示驱动脉冲与图9所示光耦合器的零交叉窗口重合使热水器34点火。光耦合器的零交叉窗口是光耦合器可以工作的接近零伏特的线性电压范围，一般为0至5伏特。

脉冲宽度调制器电路128与热敏电阻放大器结合输入平均百分比功率，施加到每个加热元件，以使出水温度保持在控制设定点温度。为实现良好的温度控制而计算平均百分比功率和功率变化速率大大减少了对于功率源的较大改变的要求。功率源的较大改变要求会引起较大的线电压波动。因此，这种控制方案，特别是后面所讨论的优选实施例，减少或消除了线电压波动，这种波动会干扰点火电路、变压器和与电力线相连的其它装置。

脉冲宽度调制器电路128包括信号调整运算放大器，其产生通常在0-5伏特变化的模拟输出电压。这就是控制脉冲宽度调制器占空比的电压。当模拟电压为高电平时，需要向热水器提供功率。当模拟电压下降到0.7伏特以下时(不需要热水器)，一个电压电平检测器产生一个正输出电压使所有控制继电器断电，从加热元件中取消所有功率。这个电压电平检测器输出在本申请中还被称为调制检测器输出。随着控制继电器断电，所有加热元件都断电或者与电力线或功率源隔离，这时在没有水流时热水器10的一种正常状态。于是保护三端双向可控硅开关使之不受可能损坏这些开关装置的电力线瞬变的影响。由于每天只有少量的时间在使用热水器，所以可以假定在一天24小时内85％的时间该三端双向可控硅开关处于保护状态。

图7表示用于实现加热元件功率分享的适用调制检测器电路142。电压146为正向参考电压。当正比于脉冲宽度调制器输出的电压144与电力线的零交叉窗口重合时，将线路功率的一个半周期施加给加热元件34。2号三端双向可控硅开关的启动产生一个逻辑脉冲，该脉冲输入到如图13所示的一个4级移位寄存器中，其工作时钟为120赫兹，与电源线同步。下一个时钟脉冲使得该寄存器的第一移位级在线路功率的零交叉点产生一个高电平输出电压，触发1号三端双向可控硅开关，并将线路功率的一个半周期施加到加热元件22上。下一个时钟脉冲使高电平输出电压从1号寄存器输出端移位到2号寄存器输入端。这种移位发生在线路功率的零交叉点，触发3号三端双向可控硅开关，在加热元件44上施加线路功率的一个半周期。下一个时钟脉冲使高电平输出电压从2号移位寄存器输出端移位到3号寄存器的输入端。这种移位发生在线路功率的零交叉点，触发4号三端双向可控硅开关，在加热元件50上施加线路功率的一个半周期。图13表示一种适合的移位寄存器控制108。

脉冲宽度调制器电路128使加热元件34点火一个半周期。加热元件34的启动产生一个逻辑脉冲，其作为寄存器的时钟信号，在下一个半周期的零交叉点使加热元件22点火。下一个时钟脉冲再次将输出电压移位，在零交叉点触发3号三端双向可控硅开关，以便在下一个半周期向加热元件44输送功率。下一个时钟脉冲使该逻辑脉冲移位，在下一个半周期向加热元件50传输功率。这种功率线路控制方法的重要特征是向每个加热元件传输相同时间的功率，线路功率总是工作在满负荷状态。保持满负荷使用功率线路确保了不会出现由于半周期引起的问题，包括在具有直流偏压的变压器中产生的问题。

加热元件34的点火使得加热元件22、44和50按照图8所示的调制半周期次序在两个全周期内点火。假定所有四个加热元件具有相同的额定功率，从主功率源向加热元件输出的总电流等于仅有一个加热元件在满功率状态下使用时的电流，从而获得等量的功率分享。可以理解，如果图10中的检测电路102在功率线的每一个半周期检测点火状态，则该脉冲可以作为移位寄存器的时钟信号，并且向所有加热元件提供全额和连续的功率。三端双向可控硅开关按照次序和在功率线的零交叉点点火大大减少了无线电干扰。

图9所示的为加热元件22、44和50配备的任选耦合加热元件驱动电路150具有相同设计。各个移位寄存器的输出输入到一个晶体管倒相器，它又驱动光耦合器的一个发光二极管。指令数据借助于一个标准耦合装置光耦合到三端双向可控硅开关的输入端。所说光耦合器为在功率线的零交叉点打开三端双向可控硅开关的类型。加热元件34的加热元件驱动电路与驱动电路150类似，除了在点火时，加热元件34的驱动电路启动如图10所示的另一个检测元件，该元件产生一个正逻辑电平输入到图13所示的移位寄存器中，以使功率分享控制机构开始工作。如上所述，可以将任何一个加热元件与加热元件驱动电路结合发挥如上所述的加热元件34的加热元件驱动电路的控制功能。光耦合器具有合理的中断电压，在这种应用中是可靠的。

图12表示了另一种磁耦合加热元件继电器电路170，其用于防止线路瞬变和不安全工作状态的影响。加热元件继电器1、2、3和4分别与加热元件22、34、44、和50相关。根据以上描述并参照附图可以理解电路170的工作情况。

电路152为如图11所示的另一个实施例，其中采用了一个与门154，该与门包括一个输入端156，其接收在功率线的零交叉点产生的一个逻辑信号，和与移位寄存器相连的一个第二输入端158。与门154的输出驱动一个固态开关160，其驱动一个脉冲变压器162的初级线圈。减缓电压的次级线圈通过一个限流电阻166驱动三端双向可控硅开关的输入端。

当热水器以全功率工作时，从功率线输出的电流非常大。输入电路断路器和功率线传输线直径应当足够大以适应这种大电流。在该实施例中，在实际的装置中采用多个电流断路器和多个传输线。

假定热水器处于待用模式(参见如图5所示的待用电路106)。由于所有控制继电器断电，所以腔室28的上部比腔室28的下部较热。图7所示的调制检测器的输出处于零状态。控制热水器使从该系统中流出的水温低于工作设定点温度。当热敏电阻30检测的温度与由热敏电阻42检测的温度近似时，待用电路的输出变为零状态，使热水器退出待用模式。如图4所示的关断电路100这时处于高电平状态，假定入水温度低于预定的关断温度，该电路将指示流动状态。(如果入水温度高于设定点温度，则不加热水。)当出现流动检测信号时，调制检测器输出下降到零状态，所有控制继电器通电，移位寄存器开始工作。水位检测器可以根据具体应用要求，采用直流或交流电压。当试图在腔室中无水状态下使热水器工作时，水位检测器会防止热交换器出现过热损坏。

图15公开了一个实施例，其中包括利用一个微控制器或MCU182或其它微处理器系统的电路系统180。在微处理器控制下，热敏电阻的输出信号输入与图2所示温度放大器相似的一个信号调整器184。设定点信号也输入该信号调整器。设定点信号可以由电位计、键盘和显示器、或者远距离模拟或数字输入装置产生。该信号从信号调整器184传送到一个模数转换器188。模数转换器188是一个通用电路，可以集成在微控制器中。MCU可以是任何一种通用微控制器或微处理器系统。图14所示的电力线同步电路168可以为MCU提供电力线频率的时钟信号，以实现电力线性同步。电力线同步简化了电力线控制算法。此外，可以使用输入MCU的一个分开的MCU时钟信号和线性同步信号。在优选实施例中，图4所示关断电路和图5所示待用电路由MCU中的软件实现。在这个实施例中不需要脉冲宽度调制器。对于三端双向可控硅开关驱动器和开关装置可以使用图9或图11所示电路，因为三端双向可控硅开关就是开关的一种形式。为了安全性，图15所示的实施例还使用了水位检测器和温度限制开关(参见图1)。

在图15所示的实施例中，图15所示变流器189或其它电流检测器与电压检测器结合在一起作为MCU的附加输入装置。控制算法利用这些输入装置提高温度设定点控制的精度。本申请中没有给出其它方案或电路，因为在公开了优选实施例和图15所示实施例的情况下，本领域技术人员可以很容易地开发出所需的MCU软件，以使用变流器获得和利用有关加热元件的状态信息。这个软件可以补偿损坏的加热元件、加热元件功率失衡、电流泄漏、以及其它非正常状态，并且还可以根据给定腔室每瓦特输入的温度升高值提供辅助控制。因此本领域技术人员可以开发出所需电路和算法，以实现这些目的或对本申请中所公开技术的改进。

为了使对于输入功率线路的影响尽可能地小，并且使加热元件寿命延长，保持全周期利用的功率控制和使功率波动快于视觉暂留是必须的。线功率控制的一种优选方法可以使用一个只读存储器(ROM)作为图16所示功率控制电路192的一部分。因此图16所示的功率控制电路可以代替图6所示的脉冲宽度调制器电路。在优选实施例中，ROM包含在微处理器中，尽管可以使用一个外置ROM。在ROM中存储每个加热元件半周期使用的比特流数据。每个比特流计及全周期使用，和将处于某一功率值比特流的奇数半周期保持在以重复速率，该重复速率快于视觉暂留(由于变化功率引起的闪烁是不显著的)。该ROM地址被分成两个部分，主地址和辅助地址。主地址将特定功率值的比特流的开始地址存储在存储器中。辅助地址与一个计数器相连，该计数器为将存储的比特流传输到功率控制输出端提供时钟信号。在优选实施例中，可以使用128主地址提供好于1％的控制功率阶跃，和使用一个7位辅助地址为128位比特流提供时钟信号。

对于热交换器腔室中少量的水，热水器具有极大的加热能力。因为流量的频繁变化，非常需要有加速电路或加速算法以适当地实现所需的控制方案。在优选实施例中，实现加速的方法是测量每单位时间的温度变化率。

当对于给定的恒定流量向热水器提供适量的功率时，输出温度将保持在设定点温度。但是，当流量突然增大或减小时，由热敏电阻测得的温度是存在误差的。这种误差是由于热敏电阻的热响应时间延迟和水的热导性质产生的。

图17所示的电路194是对图2所示热敏电阻放大器电路60的一种改进，可以补偿正确温度信息的延迟。可以调整R1和C1的时间常数以提供经过时间校正的温度，从而获得正确的瞬时温度信息，或者将变化温度放大，以产生加速作用。这个电路的输出电压可以提供加速信息。这个电路可以用图15所示实施例中的一种算法模拟，该实施例使用一种MCU控制方式。

图18中表示了用于提供关于每单位时间温度变化率信息的一个电路196。这个电路的输出电压包含加速信息。该电路也可以用图15所示实施例中的一种算法模拟。

图19表示另一种基于微处理器的电路190。因此图19所示电路是图15所示电路的另一种形式。

在热水器中设置了分别与图1所示热敏电阻18、30、42、49和54相应的5个热敏电阻TH1N、TH1、TH2、TH3和TH4，从而可以依次监测每个加热腔室的温度，以及其温度高于或低于一个设定点温度的关系。然后利用这一系列关系建立能够最好地满足向加热元件提供功率以使水流在系统输出口达到设定点温度需要的方程。这些关系还用于监测水流。

通过计算在一定时间里向加热元件提供特定功率的作用，可以确定水温的变化率。然后可以将这种变化率与在系统或腔室出水口处的水温和一个设定点之间的差值进行比较，以确定在给定功率下将水温提高到所需设定点温度还需要多少时间。如果这种变化率不令人满意，可以按照上述的功率分享方式向每个加热元件提供更高功率。如果出水温度接近设定点温度，可以降低输入功率，以避免超过设定点温度。通过在达到设定点温度之前减小输入功率，存储在加热元件中的潜热可以用于加热水，以避免将水加热到设定点温度以上，然后下降到低于设定点。这种将功率需求加速以便在不产生过热和不使水温上升到高于和低于设定点温度的情况下将水加热到设定点温度是本发明的一个特征。一个实施例利用算法将温度输入信号校正到当前时间。

加热元件通过三端双向可控硅开关与功率线路相连。引起这些三端双向可控硅开关故障的主要原因是功率线波动和交流功率线上的尖峰。由于系统在大部分时间处于关闭状态，如上所述，所以需要有一种方法能够使三端双向可控硅开关与交流功率线路断开。继电器电路通过在系统不需要进行加热时使交流功率线路与三端双向可控硅开关断开而对其提供这种保护。由于该系统通常在大约85％的时间里处于关闭状态，通过这种继电器隔离极大地提高了三端双向可控硅开关的可靠性。

施加到加热元件的功率被限定在仅是将水温提高到设定点温度所需的功率，尽管这不是为有效工作所需的唯一考虑。如果突然同时向加热元件施加功率，则这种需要对于电力线产生不希望有的影响，诸如在该使用期间灯光的闪烁，或者降低了对功率灵敏的家用电器如空调和电冰箱的工作电压。为了避免产生这种令人讨厌的灯光闪烁和限制工作电压的降低，本发明的技术使负载在各个加热元件之间分摊，从而不是所有所需功率都是立即施加，当功率供应不足时系统不会关闭。

本发明提供相称的功率控制，根据需要，由各个加热元件均担。在一种工作模式中，以交替的半周期脉冲施加这些功率，从而每个加热元件以大约总功率的四分之一进行加热。当功率需要减少和在关闭时，这些加热元件按照相反的次序在逐渐减少功率。在所有时间里所传输的功率由各个加热元件分享，在一个实施例中可以是均等地分享。加热器的原设计要求，需要热水器的加热元件具有足够的加热功率以便为预期的应用提供热水。由于大部分加热应用需要小于设计的最大功率输出的100％的功率，每个加热元件均等地工作在小于其100％额定功率输出的状态。与现有技术中依序起动方式不同，这种方式起动一个加热元件，并且在起动另一个加热元件时使该加热元件持续地保持在工作状态，在所公开的实施例中，热是通过热交换器10均匀地分配的，从而避免在关闭时产生过热点，和在水流突然减小和关闭时明显地减少了水的高温过热的出现。此外，这种功率分享技术确保了在工作过程中热量始终是在系统中均匀分配的。这种加热元件随功率变化的微温度效应可以更加有效地、平滑地和迅速地加以监测以提供精确的温度控制。进行这种操作所需的算法可以包含在微处理器的软件中。

本发明的一个优选实施例使用四个7000瓦的加热元件，这些加热元件在电路上并联连接，而相对于通过热水器的水流是串联连接的，如图1所示。

根据本发明，对于该系统在一定时间，例如1秒的加热需求持续地在各个加热元件中划分。可取的是，按照一种时间相间、重叠起动方式激励各个加热元件，如图8所示。加热系统的增量负载是按照向每个加热元件增加1/2周期能量的方式增加的。因此所有加热元件都按照一种重叠方式进行激励，直到作为需用量函数的总功率需求划分在各个加热元件之间以提供达到设定点温度所需功率为止。在大部分应用中，每个加热元件在1秒的实际工作时间里以小于100％的功率工作。当功率按照相同的但是相反的方式减小时，热量更加均匀地分配在所有可以使用的加热元件上，从而消除或者至少是明显地减少了在关断水流时在局部区域产生过热点。

如上所述，可以以交替的半周期起动方式起动所有加热元件，所以初次起动的时间间隔对于每秒60周期的电源来说为一个半周期或者8.33毫秒。如下文进一步解释的，在连续加热元件的起动之间能够提供合理的温度控制的起动时间间隔可以长达32个半周期(大约1/4秒)，但是可取的是8个半周期或更少。这种时间相间起动的意义在于在一定时间例如1秒或更多时间的需用量在所有可以工作的加热元件之间划分。这个1秒的时间明显短于指示完全的温度变化所需的系统时间常数。如图18所示的改进的加速电路和如图17所示的热敏电阻时间校正电路显著地提高了这种控制能力。

根据本发明构成的这种起动加热器的控制方案向第一个被起动的加热元件传输功率只需要非常短和预定的时间。如上所述，这个时间可以短到功率的一个半周期。在一个半周期时间里的功率可以分配到一个以上的加热元件中，在一个半周期内将功率划分到多个加热元件中不具有明显的优点。虽然前面已经详细讨论了一个半周期的时间，但是第一加热元件的预定起动时间可以2、4、或8个半周期。但是，初次起动第一加热元件的预定周期最好小于32半周期，对于一个60cps的电源来说，这个时间大约为1/4秒。如上所述，第一加热元件的起动导致对于系统中其它加热元件的每一个具有均等的起动时间。如果起动第一加热元件的时间长于32半周期，并且如果其它加热元件的起动时间同样长于32半周期，则将使本发明精确地和平滑地控制通过热水器的水流温度的优势减低到最小。

根据如图6所示的方案，起动第一加热元件的预定时间为一个半周期，而这导致每一个其它加热元件的起动具有相等的预定时间。如果所需的加热负载非常低，四个加热元件中每一个连续的半周期起动之后可以是所有加热元件相对较长时间的非起动状态。如果负载增大，非起动时间缩短，直至四个加热元件在其半周期的起动时间之后立即跟随着第一加热元件在其半周期的再次起动为止。这时，系统工作在其最大功率的四分之一。

如果之后负载增大，第一加热元件可以再次起动1秒时间，而第四或第三加热元件首次起动。或者，可以将起动第一加热元件的时间从一个半周期增加到例如四个半周期，但是在第一加热元件的起动与每一个连续起动的加热元件之间的时间仍然保持为一个半周期或两个半周期。

对于任何大于例如1秒的实际时间间隔，重要的是在这个间隔内每个加热元件起动相同的时间，使得负载均等分配。在加热元件1起动之前，确定起动的预定时间，并且利用该预定时间确定每一个其它加热元件的起动时间。在优选实施例中，每一个加热元件的起动时间是相等的，所以负载是均等分配的。或者，可以将第一加热元件起动预定长时间，例如4个半周期，于是这将使得加热元件2、3和4起动预定长时间，例如2个半周期。在任何情况下，起动各个加热元件的时间相对较短的，如上所述，最好小于32半周期，第一加热元件起动与各个相继起动的加热元件之间的时间也是相对较短的，可取的是小于32半周期。这段较短时间是传输到加热系统的交变功率的函数，但是在任何情况下只是一秒的几分之一。

应当理解，可以需要根据本发明构成的控制器首先激励水流路径中最后一个加热元件，例如图1所示的加热元件50。而且，在开始时，控制器可以向该第四个加热元件连续输入全功率，使其接受每一个半周期的能量。在这个开始阶段，第三、第二、和第一加热元件初次起动时可以以与第四加热元件的初次起动之后的半周期间隔起动。如上所述，控制器可以调整输入到第三、第二和第一加热元件的功率，使得每个加热元件分享根据要求以半周期增量方式传输的功率。例如，从开始至开始之后10秒的时间里，第四加热元件可以在每一个半周期以全功率工作，而第三、第二和第一加热元件则在每一个第四半周期工作。即使在起始阶段，第三加热元件的半周期起动控制第二和第一加热元件的半周期起动。这种交替起动技术的优点是，在开始时，向第四加热元件施加全功率，以使用户可以更加迅速地得到热水。在10秒钟的起始阶段之后，控制器可以转换到上述模式，在这种模式下每一个加热元件对于热水器负载输出的贡献基本相等。但是，即使在本实施例中，在相对较短的时间，例如1秒或更长时间里，每一个加热元件都对热水器的总功率输出作出贡献。

另一个实施例为系统提供了任选的串行接口，使得与远处的使用点有两种通信方式。这个特征提供了一种机制，使得远处的使用点可以根据需要要求减少或提高设定点温度，例如洗碗机使用较热的水，而淋浴使用较凉的水。因此，本领域技术人员可以为所有正常使用设计大约110°F的工作设定点温度，而仅仅在可能需要使用热水例如用于洗碗机时材提高设定点温度。由于一般较低的加热要求，这个特征将进一步减少矿物质的淀积，以及减少通常由于在热水供水系统中传送较高温度的水造成的管道热损失。这个特征还使得电力公司可以在用电高峰时要求减少耗电量，工作报警信息也可以传送到远处的使用点，从而指示加热元件损坏或一个限制开关使得服务中断而需要手动恢复。这个接口将实时的、平均的、和峰值功率需求传输到远处的使用点。

前面指出，热敏电阻的数量和位置可以根据使用要求加以改变。图1所示实施例中热敏电阻的设置位置也可以改变。例如，热敏电阻18可以设置在腔室20的下部，热敏电阻54可以设置在出水管线52中。在本发明的另一个实施例中，可以使用相同或相似的热敏电阻设置确定任何腔室或腔室组合中高温关断电压。还应当理解，待用电路可以从任何两个热敏电阻获得它的参考电压偏差信号，其中第一热敏电阻设置在一个加热腔室的上部，第二热敏电阻位于该第一热敏电阻的下游。

上述实施例响应来自光耦合器在过零点时的信号触发三端双向可控硅开关。代替光耦合器，可以使用适合的相位控制触发三端双向可控硅开关，尽管由于无线电频率干扰所产生的效应，一般认为相位控制并不适用。

上述的热水器实施例中使用了多个加热腔室，每个腔室中设置有各自的加热元件。本领域技术人员应当理解，本发明的控制方案可以用于控制流体温度和位于一个腔室中的多个加热元件，或者设置在一个腔室中的一个多段加热元件，例如在美国专利US-5020127中所公开的那种。因此可以按照与控制在本申请中所述的多个加热元件相同的方式控制这种单根多段加热元件的每一段。本领域技术人员还应当理解，本发明特别适用于家用或工业用热水器。但是，这种加热器可以用于加热其它流体，例如在商业或工业领域中所使用的油或其它碳氢化合物。

太阳能热水器通常带有一个热水储水容器。在使用完热水之后，太阳能系统加热储水容器中的水的恢复时间相对较长。此外，在无法使用太阳能加热的时间，必须将存储的水加热。在这种时候，常规的带储水容器热水器的流体存储功能就面临它的所有特点，包括待用状态能量损失。因此将本申请中公开的热水器与一个太阳能系统相结合可以提供一种自动的、自调节的、能量利用高效的系统。实现这个目的的一种最简单的方法是将太阳能热水器的出水管直接连接到热水器10的入水口。然后将热水器10的出水管以正常方式连接到热水分配管线。当经过太阳能加热的水从储水容器中流出并流入热水器10时，以在本申请中公开的相同方式检测水温。当经过太阳能预热的热水温度高于热水器设定点温度时，不需要发出加热指令，因此热水器10保持无源状态，而不进一步加热。在从太阳能储水容器中流入热水器10的水温低于设定点温度时，热水器立即开始加热，以保持稳定的和恒定的设定点温度。

将热量从由在a/c压缩机或热泵排放侧产生的热气加热的冷凝器盘管传送出去的热回收系统正在变得日益普遍。在这种系统中，a/c装置或热泵的冷凝器盘管浸入一个储水容器中。在热气加热盘管时，热量被传递到储水容器包含的水中。与上述的太阳能供热系统一样，任何常规类型的加热器可以与本发明的热水器10相结合都能够提供热水。当与一种常规流体加热系统结合时，根据本发明构成的这种热水器10的连接和补充功能与上述在太阳能应用中相同。

流过即热式燃气热水器已经能够产生超过75000BTU的功率。为了安全，流过即热式燃气热水器对于最小流量和最小水压具有限制。因此，大部分较高BTU型所要求的安全起动最小流量大约为0.75加仑/分。这种限制在例如洗澡等应用中水流量下降到低于最小起动流量时常常令人不快地导致热水器关闭。因为夏天水温比较容易达到80-90°F，与冷水掺和的热水流量常常很低，使得流量处于这类装置起动流量的边缘。无水箱式燃气热水器的初始起动和其后对于热水的限制也可能导致从热水器中流过的水流低于这个最小流量。将热水器10连接在燃气无水箱式热水器的下游可以非常有利。在这种情况下，热水器10的大小可以设计成使之仅仅需要为低于流过即热式燃气热水器最小流量的水流加热。当水流增加，燃气热水器起动时，经过加热的水会减少对于加热器10的需要，直到燃气热水器达到了加热器10的设定点温度为止，然后加热器10关闭。加热器10与一个流过即热式燃气热水器的连接和好处与上述的太阳能应用中相同。

虽然上文已经就某些实施例详细地描述了本发明，但是应当理解，这种解释仅仅是为了说明，本发明并不局限于这些实施例。对于本领域技术人员来说显然可以得到其它的设备和操作方法。参照本说明书，在不脱离本发明构思的前提下可以作出多种改进，这些改进由权利要求书限定。

Claims (18)

1、一种用于基本瞬时加热流体并且用交流电流源供电的电能加热器，该加热器包括：

一个外壳，其构成至少一个腔室，所述腔室具有一个入口和一个出口；

一组电能加热元件，每个加热元件都设置在所述的至少一个腔室中，用于加热所述流体；

一个温度传感器，和被加热的流体进行热交流；和

一个控制器，用于响应所述温度传感器有选择地在交流电流的第一零交叉点启动所述的一组加热元件中的每一个并在交流电流的第二零交叉点停用已启动的加热元件，所述控制器启动一组加热元件中的第一个加热元件等于或大于交流电流源的1个半周期但不大于32个半周期的预定长的第一时间，并启动一组加热元件组中的第二个加热元件等于或大于交流电流源的1个半周期但不大于32个半周期的预定的第二时间，使得所述第一和第二加热元件中每一个都对流经加热器的流体加热起到基本相同的作用。

2、如权利要求1所述的加热器，其特征在于，控制器在启动加热元件组中第一个元件后不大于8个半个周期的预定时间后，开始启动加热元件组中的第二个元件。

3、如权利要求1所述的加热器，其特征在于，加热器由一个交流电源提供能量，而控制器在启动所述的一组加热元件中第一个加热元件之后不大于32个半个周期的预定时间后开始启动所述的加热元件组中的第二个加热元件。

4、如权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述第一时间的长度基本等于所述第二时间的长度。

5.如权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述控制器包括一个用于开始启动所述加热元件组中每一个加热元件的时钟。

6、如权利要求1所述的加热器，其特征在于所述控制器在至少一秒的时间间隔里启动组加热元件组中每个加热元件基本相等的时间。

7.如权利要求1所述的加热器，其特征在于：

所述外壳限定了一组腔室，它们沿流体路径以串联方式连接在所述入口与出口之间；和

所述的加热元件组中每个加热元件都设置在所述的一组腔室其中之一内。

8.如权利要求7所述的加热器，其特征在于，所述外壳在其中限定了至少两个腔室，所述的一组加热元件中的每一个分别设置在两个腔室之一内。

9.如权利要求1所述加热器，其特征在于所述外壳是塑料制成的。

10.一种用于基本瞬时加热流体并且用交流电流源供电的电能加热器，该加热器包括：

一个外壳，其构成至少一个腔室，所述腔室具有一个入口和一个出口；

一组电能加热元件，每个加热元件都设置在所述的至少一个腔室中，用于加热所述流体；

一个温度传感器，与被加热的流体流体交流；和

一个控制器，用于响应所述温度传感器有选择地在交流电流的第一零交叉点启动所述的加热元件组中的每一个并在交流电流的第二零交叉点停用已启动的加热元件，所述控制器启动加热元件组中第一个加热元件第一预定时间并启动第二加热元件第二预定时间，控制器在开始启动第一加热元件后不大于交流电源的32个半周期内启动第二加热元件，使得所述第一和第二加热元件对流经加热器的流体加热起到基本相同的作用。

11.根据权利要求10所述的加热器，其中控制器分别在不大于交流电源的32个半周期的第一和第二时间期间启动每个第一和第二加热元件。

12.如权利要求10所述的加热器，其特征在于，控制器在开始启动第一加热元件后不大于8个半个周期的预定时间后，开始启动第二加热元件。

13、如权利要求10所述的加热器，其特征在于，所述第一时间期间基本等于第二时间期间。

14.如权利要求10所述的加热器，其特征在于，所述控制器包括一个用于开始启动所述加热元件组中每一个的时钟。

15.如权利要求10所述的加热器，其特征在于，所述控制器在至少1秒的时间间隔里启动加热元件组中每一加热元件基本相等的时间。

16.如权利要求10所述的加热器，其特征在于：

所述外壳限定了一组腔室，它们以串联方式流体连接在所述入口与出口之间；和

所述的每一加热元件都设置在所述的一组腔室其中之一内。

17.如权利要求16所述的加热器，其特征在于，所述外壳在其中限定了至少两个腔室，所述的一组加热元件中的每一个分别设置在两个腔室之一内。

18.如权利要求10所述加热器，其特征在于，所述外壳是塑料制成的。

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