CN1918439A

CN1918439A - 液体加热装置和方法

Info

Publication number: CN1918439A
Application number: CN200480041839.4A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·哈里森; 约翰·柯林斯; 安德鲁·罗利
Original assignee: C Tech Innovation Ltd
Current assignee: C Tech Innovation Ltd
Priority date: 2004-01-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2024-12-07
Also published as: GB2409957A; US20070154193A1; WO2005066551A1; CN1918439B; US7742689B2; EP1704371B1; CA2552546A1; GB0400206D0; EP1704371A1; ATE415600T1; DE602004018031D1

Abstract

本发明提供了液体加热装置和方法。本发明涉及一种用来对导电液体进行加热的装置和方法，该导电液体例如为饮用水。该加热装置包括：阵列形式的多个电极(2)；以及控制器(7)，用于以不同的组合选择性地给所述多个电极(2)通电，由此调节在电极阵列上观测到的电阻，从而使该装置获得的电流最大化。

Description

液体加热装置和方法

技术领域

本发明涉及用于加热液体的方法和装置，更具体地，涉及用于利用浸极来欧姆加热饮用水的方法和装置。

背景技术

壶是家中和办公室内常见的烧水用设备，常用来准备人们食用的食物和饮料。在大多数情况下，壶利用电能供能，因为电能是清洁且便利的能源。目前电壶被设计为提供最大的加热速率和效率，并且具有吸引人的美感外观。施加电能来对壶内的水进行加热的最常见的方式是通过浸在水中的一个或更多个电阻加热元件。

然而，使用加热元件来快速地对水进行加热造成该元件与和加热元件相接触的水之间的较高温度梯度。这与加热元件为气泡形成提供了多个成核点的事实一起导致产生很多小蒸汽泡，这些蒸汽泡随后在水体中破裂从而产生噪声。

此外，加热元件表面出现的极端温度梯度导致溶解在水中的矿物质和其他化学物质的沉淀。这导致在加热元件周围出现沉淀物(这降低了加热元件的加热效率)并且通常在整个壶的底部出现沉淀物(这导致这些沉淀物能够进入到利用加热过的水准备的食物和饮料中)。这些都是根据现有技术的壶不能令人满意的方面。

还可以采用被称为“欧姆加热”的技术来对诸如水的导电液体进行加热。水的欧姆加热使得能够快速、高效地对水进行加热。欧姆加热提供了对液体的更均匀加热，并且还具有如下优点，即，加热装置的任一个表面都不会变得比该液体更热。由此采用欧姆加热不会导致在加热周期的大部分时间内形成蒸汽泡，结果使得欧姆加热壶的操作实际上更安静，直到水整体沸腾，这时加热操作完成。

已知的结构是使电流通过液体以对液体进行加热。具体地，文献GB2268671公开了一种用于通过使电流通过液体来对其进行加热的欧姆加热器。

发明内容

根据本发明，提供了一种热水器，该热水器包括浸没在水中的至少三个电极和适于以至少两种不同的组合选择性地为这些电极通电的控制器。

优选地，该加热装置是用于在家中或办公室内对水进行加热的家用加热装置。

优选地，该控制器适于通过启动(activate)分别将所述多个电极中的至少两个连接到电源的开关来给所述多个电极中的一个或更多个通电。

优选地，设置电流检测器来检测总电极电流，并且所述控制器进一步适于根据检测到的电流来启动所述开关。

优选地，所述多个电极包括第一组电极和第二组电极，第一组电极连接到所述电源的第一端子，而第二组电极中的每一个都经由一开关连接到电源的第二端子。

优选地，第一组电极中的每一个都经由一开关连接到所述电源的第一端子。

优选地，电源的第一端子是中线端子，而第二端子是火线端子。

优选地，该加热器还包括用于容纳待加热的液体的电绝缘容器，其中在空间上设置所述多个电极，并且在所述多个电极之间具有预定间隙，并且其中所述电极中的不同的多个电极之间的预定间隙大小不同。

优选地，所述电极的各个不同的组合导致在电极上观测到不同的总液体电阻。

优选地，该控制器进一步适于响应于所测得的电流的增大通过在适当的电极对组合中进行切换来增大作用电极之间呈现的电阻，并适于响应于所测得的电流的减小来减小作用电极之间呈现的电阻。

优选地，所述电极是由垂直延伸的板形成的。

优选地，所述电极基本平行。

优选地，所述电极是由碳或含碳介质(carbon containing media)形成的。

优选地，所述电极是由压缩脱层型碳(exfoliated carbon)形成的。

优选地，所述电极是由聚合物和碳的混合物形成的。

优选地，所述多个电极设置为围绕一中心棒设置的多个同心环。

优选地，交替环来自同一组电极。

优选地，交替环具有不同的高度。

还提供了一种用来对导电液体进行加热的装置，该装置包括浸没在液体中的至少两个电极。

优选地，该装置还包括倾斜开关，其被设置为当倾斜开关检测到该装置倾斜时将电源装置与所述多个电极隔离。

优选地，该装置还包括盖和开关，可以通过所述盖的打开来机械地操作该开关，并且该开关用来在打开盖时将电源装置与所述电极隔离。

优选地，该装置还包括手柄，所述手柄包括连接装置，该连接装置用于将所述开关连接到所述电源。

优选地，该控制器包括微控制器，该微控制器适于从电流检测器接收表示电极电流的输入，并适于根据所获得的电极电流将控制输出提供给所述开关中的一个或更多个。

优选地，该装置还包括位于所述盖下面、围绕所述容器的顶部设置的导体，其中该导体与电源的地线电连接。

优选地，该容器还包括出口(spout)和出口遮盖网，其中该出口遮盖网与电源的地相连接，并能够在加热装置倾斜得实质性地偏离垂直时允许经加热的水通过。

优选地，所述开关是半导体开关，并且所述控制器利用驱动器电路来操作所述半导体开关。

优选地，所述半导体开关是三端双向可控硅开关元件(triac)。

优选地，所述半导体开关热耦合到容器底部。

优选地，被加热的水是饮用水。

还提供了一种在加热导电液体时采用的电极结构，所述电极结构包括第一多个电极和第二多个电极，每个电极都由开关启动，由此，启动所述开关中的不同的多个开关使得在第一多个电极和第二多个电极上观测到变化的电阻。

优选地，所述电极中的不同的多个电极间隔开不同的预定距离。

还提供了一种加热生活饮用水的方法，该方法包括如下步骤：将至少三个电极浸没在待加热的液体中；以及以至少两种不同的组合选择性地向所述多个电极通电。

优选地，该方法进一步包括如下步骤：测量总电极电流；以及根据所述测得的电流来启动所述开关。

优选地，该方法进一步包括如下步骤：响应于所测得的电流的增大，通过在适当的电极对组合中进行切换来增大作用电极之间呈现的电阻；以及响应于所测得的电流的减小来减小作用电极之间呈现的电阻。

优选地，增大作用电极之间呈现的电阻的步骤是通过对不同电极通电的二进制加法来实现的。

优选地，该方法进一步包括如下步骤：如果所测得的总电极电流超过预定电平，则返回先前的通电电极组合。

优选地，该方法进一步包括如下步骤：如果所测得的电流由于液体开始沸腾而迅速减小，则将电极与电源断开。

还提供了一种用于加热水的家用电壶，该电壶包括：容器，用于容纳水；至少三个电极，用于浸没在容纳在容器内的水中；以及控制器，适于以至少两种不同组合选择性地给电极通电，由此调整在电极上观测到的总液体电阻。

还提供了一种水或其他液体的加热设备，该加热设备具有两个电极，这两个电极通过连接到单相(或三相中的两相)电源而被通电，这些电极在通电时使得电流通过水，导致水被加热(由于水自身的电阻率)，该电流的通过使得水被加热，而不会形成导致产生噪声的气泡，由此得到快速和安静的壶。

还提供了一种操作欧姆加热的安静的壶的方法，其中可通过调节所述电极的间距来改变电极2与3之间的电流，以将壶调整到最优性能。

还提供了一种操作欧姆加热的安静的壶的方法，其中可通过调节所述电极的面积来改变电极2与3之间的电流，以将壶调整到最优性能。

还提供了一种操作欧姆加热的安静的壶的方法，其中可通过电子监测和控制技术来改变电极2与3之间的电流，以将壶调整到最优性能。

还提供了一种欧姆加热的安静的壶，其中所述容器是电绝缘的。

还提供了一种安静加热技术，其可以在诸如内嵌热水器、咖啡机以及淋浴器的设备中用于对水(以及其他液体)进行加热。

还提供了一种用于加热水的安静加热技术，使得在不形成沉淀物(“水垢”)的情况下对水进行加热。

优选地，被加热的水是饮用水，用于制作人们食用的食物或饮料。

优选地，该水加热装置将用在消费者设备中。

另选地，该水加热装置可用于配餐(catering)，例如用在大型饮水加热装置中。

优选地，通过围绕传送电源电流的导体设置的线环(wire loop)来测量电流。然而，同样可以利用与传送电源电流的导体串联的固定电阻来测量该电流，通过跨接在固定电阻上的电压检测器使用公式I＝V/R来测量电流。同样可以采用其他的测量电流的方法，例如利用霍尔效应/磁性探头。

通过对水进行欧姆加热并利用使得加热装置得到的电流最大化(达到电源可以提供的最大电流)的控制器，以可能的最快速度对水进行加热。此外，对水进行直接加热比在如先前已知的壶中采用的标准热传导方法要更高效，这是因为在先前已知的方法中，需要能量来对加热元件本身以及水进行加热。

该电流的通过使得可以在不形成导致产生噪声的气泡的情况下对水进行加热。因此，根据本发明的设备可以比根据现有技术的设备更快速并且产生更少噪声地对水进行加热。

此外，由于利用流过液体的电流而不是利用来自热表面的热传递来直接加热液体，所以在本发明的设备中将更低程度地产生“水垢”(即，形成沉淀物)，这是因为这种水垢倾向于仅出现在利用浸没式加热元件时观测到的高表面温度梯度处。

将电极设置为垂直延伸的板并且电极之间具有间隙，如果允许壶烧干，则一旦已经烧掉足够多的水而在电极之间不再形成电路时，壶将不再得到任何电流，因此不会出现对壶或电极的损伤。

尽管针对利用三端双向可控硅半导体开关给电极通电来描述实施例，但是本领域技术人员将明白，在本发明中还可以利用诸如半导体闸流管、MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及触点式继电器或其他类似的开关器件的等效器件。

附图说明

可按照多种不同的方式来实践本发明。下面将仅通过示例并参照附图来描述实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明的壶的一个实施例的示意性截面图，该壶包括电极、控制系统、以及保护系统；

图2示出了图1中的电极结构的更详细视图，包括平面图和侧视图；

图3a示出了图1中的控制系统的一个实施例的更详细视图，该控制系统利用了基于检测线圈的电流传感器；

图3b示出了图1中的控制系统的另选实施例，该控制系统利用基于电阻器的电流传感器；以及

图4示出了当接通和断开不同电极时，壶使用的功率与水的导电率的曲线图。

具体实施方式

下面参照图1，示出了本发明的一优选实施例，其中电极2以由基本垂直的板形成的同心环的形式设置在用来容纳待加热的液体的容器1的整个底部，并且中线电极和火线电极交替排列。

如通常在家中或办公室内所发现的，壶1被设计为与标准单相AC市电电源11相连接。这种AC电源11通常包括至少火线和中线，对于某些国家，例如英国，出于安全考虑还提供了地线。在下述优选实施例中，采用英国标准AC电源的示例。

本发明的壶1被设计为在正常工作期间工作在用来向壶1供电的家用AC电源11的限制下。例如，在英国，这些限制是230伏和13安。

壶1包括主容器(包括手柄)、用于将电能传递给水的多个电极2、内出口分隔器(divider)3、接地网(earch mesh)4、盖5、多个半导体开关6、电极通电控制电路7、AC到DC转换器8、电流传感器9、盖联锁器10、AC电源连线(connection)11、倾斜开关12、盖接地条13以及地线14。

壶容器1由适当的电绝缘材料(例如，热固性塑料、聚合物或陶瓷、或者具有绝缘涂层的导电材料)构成，并且必须具有足以承受在对水进行加热过程中(尤其是当水沸腾时)出现的内部温度的壁厚。

电极2包括：多个中线电极，其共同连接到AC电源的中线；以及多个火线电极，其经由多个半导体开关6连接到电源11的火线。这些开关使得能够独立地向不同的火线电极通电，由此使得能够控制火线电极与中线电极之间的总电阻，否则该总电阻将仅取决于被加热的水的液面(level)和导电率。

在另选实施例中，中线电极还经由半导体开关分别连接到AC电源的中线。这具有下述的优点，即，提供了对电极2的更多的切换组合，从而提供了可以从整个电极阵列上观测到的更多数量的电阻。这进而使得壶得到的电流能够与最大额定值更匹配，由此使得加热水所花费的时间最少。

电极2由适当的材料构成，选择该适当的材料以使其在壶1的正常工作期间的腐蚀最小，并且还使得在加热处理中可能出现的任何电化学效应最小化。电极2还必须由与待加热的液体的化学和电化学特性相容的材料制成。

通常，存在电流密度的上限，该上限是任何特定的电极材料在不损伤电极的载流部分或不导致水在电极表面处起反应而对壶1的工作产生不利影响的情况下能承受的电流密度。此外，电极2应由适用于加热人们饮用的水的材料形成。

已经发现的适当的电极材料有镀铂钛和各种基于石墨的材料(包括压缩脱层型碳或碳/聚合物的混合物)，但是还可以选择诸如钢、不锈钢以及钛的其他材料。

在该优选实施例中，电极全部由压缩脱层型碳形成，或者由注模的碳和聚合物的混合物形成，并且具有由适当的金属(例如铜)形成的电连线，在制造过程中将这些连线压到电极中或者在制造电极之后再加上这些连线。然后使所完成的电极2通过适当的电绝缘基底材料(例如，聚合物、玻璃或陶瓷)，并且使用密封剂来防止热水渗漏到位于下面的电路区域中。

将电极阵列制造为在电极中以及在不同电极之间具有间隙，这些间隙为被加热的水的流动提供了路径，其足以确保水在电极之间均匀地扩散，并使得水能够通过由对水进行加热而引起的对流从电极之间对流出去。这确保了经加热的水与未经加热的水充分混合，从而保证对水的更均匀的加热，并使得壶的工作在加热周期的大部分时间内保持安静。

电极还可以被形成为使得在壶的底部与各电极的底部之间存在其他间隙，从而提供了被加热的水可以被混合的其他通道。

这些电极还彼此间隔开预定距离。根据电极之间的间距的大小，对于被加热的水的任意给定导电率，在电极上将观测到不同的电阻。

通过提供适当的装置使液体在被加热的同时进行混合，通常液体的温度会均匀升高，并且通常仅当液体整体达到其沸点时才开始沸腾。不像在常规的壶中那样在加热处理中涉及热表面，因此不会出现常规的壶中由这种热表面引起的点沸腾。因此，由于蒸汽泡形成而导致产生噪声将仅在液体整体开始沸腾时出现，所以根据本发明的设备实际上在容纳在容器1中的全部液体沸腾之前保持安静。

还需要按照如下方式来选择电极2的尺寸及其间距：将流过它们的电流限制为电极和水的组合可以承受的程度。下面将参照图2来描述计算所需间距的方法。

与安装电极相关的关键因素包括电极彼此保持平行、电极间距适当、以及电极被设置为促使水流过电极阵列。

壶1包括内出口分隔器3。这可以由与主容器1相同的电绝缘材料(例如，聚合物)制成，并且可以是利用单个模具制造的、主容器1的整体部分，或者可以独立地制造内出口分隔器3，并在使用时安装到主容器上。

壶1还包括组合的接地网和过滤器4，其位于壶出口的输出处。除了其用作去除残渣(例如，在加热处理过程中形成的任何沉淀物)的过滤器以外，该过滤器还用作防止操作者意外接触到电极2的屏障。此外，过滤器4可由导电材料形成，并电连接到地线14(如果存在的话)，以形成防止意外的漏电通过水并进入到用户的另一电屏障。

盖5与市电电源联锁10，以在使用过程中打开盖5的情况下，通过隔离电源或简单地防止控制器给任何电极通电，来防止操作者意外接触到壶内的电极。盖5还有助于容纳在加热和沸腾过程中产生的任何蒸汽，并防止整个壶将水溢出到其所放置的表面上。盖还可进一步包括位于盖5的边沿上的接地条13，其与由某些家用AC电源11提供的地线14(例如，在英国)电连接。

正如所期望的，使用手柄来拿起或拿住壶，并在壶中的容纳物沸腾之后将其从壶中倒出。然而，手柄还有其他的用途，即提供下述的空间，该空间用于安排将盖联锁器与电源相连接所需的配线以及要连接到过滤器4和位于盖5的边沿的接地条13的地线14。

用来将火线电极或中线电极连接到AC电源11的火线或中线的半导体开关6可以是用于此目的的任意适合类型。具体地，半导体开关6必须能够满足大负载功率要求。在该优选实施例中，这些半导体开关6是三端双向可控硅开关元件，例如SGS Thompson BTA16B三端双向可控硅开关元件。另选地，还可以采用高功率触点式继电器、MOSFET、半导体闸流管或IGBT。

三端双向可控硅开关元件6通过适当的连接装置连接至火线电极或中线电极，例如，将三端双向可控硅开关元件端子与在碳电极的制造过程中已嵌入到碳电极内的铜连接器相连接的铜配线。在工作期间，三端双向可控硅开关元件6将升温(heat up)，并且要求冷却以防止由于热击穿而导致的损坏。在优选实施例中，由于三端双向可控硅开关元件通常工作到高达140℃或更高的温度，所以将三端双向可控硅开关元件6热耦合到壶1的底部，在该底部，由于三端双向可控硅开关元件的切换而产生的热量可以传递到被加热的水中。这样的好处在于缩短了加热水所花费的时间，并且通过回收废热而提高了壶1的效率。

饮用水的导电率根据溶解在水中的是哪种矿物质和其他化学物而在不同地区和国家各不相同。例如，源自富含白垩区的水将具有较高的碳含量，并将具有相对较高的导电率。

为了适应被加热的水的导电率的这些变化，要求对壶1进行调整以确保壶1工作在接近而不超过最高功率电平。该调整包括改变电极阵列的总电阻以将电阻保持为或高于阈值。将该较低阈值设置为与用于对壶1进行供电的电源的最高功率输出相对应，或者可能与壶1本身的较低最高功率额定值相对应。

对壶1的调整包括两个不同的阶段。第一阶段是设计电极的尺寸和形状以确保壶可容纳预期的流体电导电率和液面的范围。在壶的设计过程中执行这一阶段。

第二调整阶段是在对液体进行实际加热的过程中执行的。该阶段包括通过以各种组合接通和断开不同火线电极，来在进行加热的同时对电极阵列2的电阻进行调整。在该优选实施例中，该第二阶段的调整是利用控制器7电子地执行的。

在另一另选实施例中，还可以接通或断开中线电极来提供可在电极2上观测到的范围增大的电阻。

图2通过俯视图和侧视图示出了适当的电极结构的一个实施例。在该实施例中，以垂直同心环的方式布置电极，并且中线电极和火线电极是交替的环。所选择的环的数量将确定用来控制火线电极的开关装置的数量。

形成电极阵列的电极之间的形状和间距可以采取很多形式。然而，为该阵列选择的形式应满足多种设计约束。这些约束包括：

—需要将这些电极设置得间隔足够远，以使得经加热的水能够从电极2之间对流出去，以防止出现点沸腾。水的充分流动还具有如下益处，即减少了在对水进行加热的过程中形成的沉淀物的量。

—电极2还需要足够的表面积以覆盖在正常使用期间可能遇到的液体导电率的整个范围。这是为了确保对于低导电率的水获得足够的加热速率，并且确保通过任一电极的电流密度决不会超过设计水平(在该优选实施例中，该设计水平大约为1500A/m²)。所采用的控制系统(即，采用由逻辑芯片控制的半导体开关)将确保在任何点处从AC市电电源获得的电流都不会过高。如果被加热的液体正好具有该壶所设计的导电率范围以外的导电率，则还应该包括电解扣电路作为故障保护装置。

—电极面积必须足以确保使得任何电化学效应最小化，并且确保电极2在使用过程中经受的电流密度低于用来形成电极2的材料可长时间安全承受的最大值。

—电极2必须能够适合容器的尺寸。

在工作时，接通并断开不同的火线电极和中线电极，以提供确保壶不会得到过多电流所需的不同电阻。通常，如果液体的导电率较高，则将采用间隔最远的这些电极2，而如果液体的导电率较低，则将采用间隔较近的这些电极2。当然，当对导电率在最高水平与最低水平之间的水进行加热时，电极2的各种其他组合都是可能的。例如，还可以接通多个电极来提供电极阵列上的电阻范围的中间值。

在电极2上观测到的电阻取决于被加热的液体的导电率以及电极间距与电极面积之比。此外，电极间距与电极面积之比可以通过接通或断开不同火线(和/或中线，在另选实施例中)电极2而改变。

当设计根据本发明的壶1时，设计者必须确定壶1能够处理的液体导电率的范围以及应当可获得多少电阻分级变化。分级变化的数量取决于采用的可切换火线(或中线)电极的数量。可获得的分级变化越多，则壶能够在越接近AC电源的最高功率电平处工作。另外，具有宽范围的电极电阻(其能够覆盖在使用壶1的过程中可能遇到的全部液体导电率)也是很重要的。

生活水源的液体导电率的典型范围的示例是0.001Siemens/m到0.25Siemens/m。火线电极的适当数量通常在3到6之间，需要3到6个附带的三端双向可控硅开关元件。

以典型的230V的英国AC市电电源(额定为高达13A)以及上述液体导电率为例，并且仅利用3个切换火线电极，可采用以下计算：

R_min＝V/I＝230/13＝17.69Ohm

其中，R_min为保证壶1不会获得超过13A所需的最小电阻。这是壶1理想地试图在电极2处保持的以确保最大的加热效果的电阻。然而，壶1不能总是工作在最高功率下，所以我们允许可能的功率下降，例如20％。这导致理想的最大电阻为：

R_max＝R_min*1.2＝17.69*1.2＝21.23Ohm

当液体导电率处于最高值时，可以利用下式来计算电极间距与电极面积的最小允许比值：

比值＝R_min*液体导电率＝17.69*0.25＝4.42

利用以上计算的电极间距与电极面积之比，可以利用下式来计算可被处理的液体的最低导电率：

最低导电率＝比值/R_max＝4.42/21.23＝0.21。

以上计算的间距应用于第一切换电极选项，其中仅使用单个火线电极。通过利用液体导电率的不同值来重复上述计算，可针对各个切换电极选项来计算所需的电极间距与电极面积之比。另外，通过采用先前切换电极选项的最低导电率作为下一切换电极选项的最高值，可以满足全范围的液体导电率。

一旦已知了全部的电极间距与电极面积之比，就可以参照能够安装在正常尺寸的壶1内的电极阵列的大小，来计算实际的间距和面积。

当确定各电极的尺寸和形状以匹配上述计算时，确保电流密度不会超过对于所选电极材料在水中的极限值(超过该极限值，电化学效应将成为问题)(～1500A/m²)是非常重要的。对于给定材料，可以通过使表面粗糙来增大该电流密度极限值。例如，利用压缩碳电极材料给出了优选的最高电流密度1500A/m²，尽管对于高导电液体来说，该值可达到～2500A/m²。

在该优选实施例中，电极2是设置在中心棒周围的同心环或多段环，环高度通常随朝向中心而增大。各同心环与位于其内部和外部的环或棒在极性上是交替的，即中心棒是中性的，设置在中心棒周围的环是载电的，而向外的下一个环又是中性的，依此类推。

在该优选实施例中，除了中心中线电极棒的直径被设置为8mm以外，碳电极2厚度被设置为3mm。

利用上述处理来计算环(环段)的高度以及它们之间的间距，同时确保整个电极结构可以安装到标准壶1的覆盖区所允许的空间中。在该优选实施例中，这导致第一外部火线环段的高度为20mm并且为整个外环的138度段，并且与第一中线电极环(其位于更朝向中心的位置处)间隔18mm。第二火线环是该外环的另一段(为215度段)。第一中线环的高度被设置为32mm，并且与第三火线电极环(位于进一步朝向中心的位置处，其高度也为32mm)间隔12mm。再进一步朝向中心的下一(即第二)中线电极与第二火线电极的间隔也为12mm，但是高度为46mm。第四火线电极高度为44mm并且位于第二中线电极与第三中线电极(其为中心棒)之间，并且该第四火线电极与其任一侧的中线电极都间隔5mm。

该优选实施例的电极2还包括火线环与中线环内的一些间隙，以使得水能够在电极之间的不同空间之间自由流动。这通过使得存在对流沿其运动的通道以及使得水可以均匀地分布在可用的加热面积上而有助于加热处理。

图3a示出了控制器7的一个实施例。在该实施例中，控制器7包括AC到DC转换器电路710、微控制器720、各个三端双向可控硅开关元件740的驱动电路730(用来驱动由电极上的水的电阻形成的负载750)、以及具有串联电阻器的电流检测器760。

AC到DC转换器电路710将输入到壶1中的市电AC电压转换为大小足以用来操作控制器7的其余组件的恒定DC电压。例如，该DC电压可以在3到6伏之间。

微控制器720切断从AC到DC转换器710输出的DC电压。微控制器720具有用来从电流检测器760接收信号的模拟输入721。同样地，可以采用专用电路来将数字和模拟信号输出到控制器。微控制器720定期地对这些模拟输入进行采样以获得流过传送提供给电极2的AC功率的配线的电流。采样速率可由用户定义，但是必须足够快以确保壶1能够对电流的任何变化足够快地进行反应，以确保安全。

微控制器720具有多个数字输出725。每个三端双向可控硅开关元件740使用一个数字输出725。数字输出725通常不直接连接到三端双向可控硅开关元件740，相反它们馈送到三端双向可控硅开关元件驱动器730。这些驱动器可以是分立的器件或电路。采用三端双向可控硅开关元件驱动器730确保了在三端双向可控硅开关元件740的控制输入处接收到的信号足以用来操作三端双向可控硅开关元件740。此外，出于安全考虑，其用来提供低功率控制电路与高功率加热电路之间的某种隔离。

微控制器720需要振荡器715来设置微控制器720的工作频率。这通常是几MHz的晶体振荡器，然而，其取决于所用的微控制器720的类型。

将微控制器720编程为检测流经被加热的水的电流，并且根据是否必须增大或减小电流来接通或断开不同的电极2。利用简单的开关712和连接到微控制器720的数字输入的电阻器分配器网络(适于提供微控制器720所需的高或低电压)来启动微控制器720的操作。

通常，控制器7通过如下操作进行工作，直到水中流过最大电流为止：接通提供最高电阻(即，提供最低电流)的电极，测量流经电极2的电流，然后接通另一电极2。因为接通不同的电极2将电极2上的电阻改变了特定量，所以电极2的不同组合将给出不同的总电阻。通过利用电极2的二进制加法，这些组合可以在整个范围内平滑地增大电阻。

图4示出了当接通或断开电极2的不同组合时，所述壶1所用的功率与被加热的液体的导电率的曲线图。

如果在任何阶段所得到的电流高于最大值，则选择先前的电极组合。在该优选实施例中，按照最高电阻的优先顺序切换电极2，经过尺寸递增的各个电极的二进制加法，直到最终接通全部电极2为止。例如，切换顺序可以是仅A、仅B、仅C、仅D、A+B、A+C等等，直到A+B+C+D。

电极之间的液体的导电率将随着液体的加热而变化，使得所使用的电极组合将发生改变。此外，当电极之间的水中开始沸腾并且形成蒸汽泡时，电极之间的水的电阻将由于气泡减小了导电率而增大。这种电阻增大在沸腾开始时将快速出现，由此可用作检测沸腾开始的信号。快速电阻变化可被电子地检测到并用作当沸腾开始时关闭壶1的信号。

在根据本发明的设备中可以结合多种安全装置，以防止在使用该设备时用户与液体的意外接触，或者用来在发生特定动作(例如，壶倾倒)的情况下切断对壶的供电。这些装置包括：

下述的装置，该装置根据盖5是否闭合而向火线电极或中线电极供电及切断对火线电极或中线电极的供电，以使得仅当容器盖5正确闭合时电流才通过液体。例如为了在容器中装入更多液体，该装置通常为开关10的形式(当盖打开时，开关10断开中线与中线电极之间的接触)。这避免了在盖5打开时，容器操作者与容器1内的电极2或液体之间的意外接触。

该设备还应该在壶出口的输出上包括金属网，该金属网与地线14或另外的电流感测系统相连接。然后该设备可用作防止诸如用户手指的物体进入壶1的物理屏障，并且还可以在任何水通过该网时将水接地。此外，该网可用作微粒过滤器。

接地的导体环13围绕盖5的边沿或位于壶1的顶部，并且例如在壶1非常满并且沸腾作用使一些水流出盖5的情况下，该接地的导体环13还用来使可能带电的水接地。

如果需要，还可以结合有倾斜开关12，该倾斜开关12在壶1倾斜时(例如，倒出水时)切断对壶1的供电。这防止了在通电的同时将水倒出壶1。

在本发明的壶1的正常工作过程中的电化学气体生成很少。在任何情况下，在加热处理过程中产生的任何气体将与由于热或沸水产生的水蒸气或蒸汽相混合，然后被扩散到周围环境中，由此将不会出现大量的气体累积。

在根据本发明的设备中，电极2的另选结构包括栅格形式或者成行(而不是上述同心环形式)的垂直电极2和沿水平朝向的平行电极2。

在电极2由沿水平朝向的平行电极形成的情况下，通常火线电极可以是一组位于加热容器的整个底部的固体导电板，并且中线电极由位于火线电极板上方的一条或更多条配线或者配线网形成。

对中线电极使用配线网使得将涂层涂覆到电极上(从而提高了其作为电极材料的性能)的工艺更加容易。

这种涂层可以包括铂或掺杂金刚石涂层。采用孔型或网型中线电极使得任何析出的气体可以从电极2之间上升出去，并且还使得水能够通过自然对流更自由地在壶1中循环，从而提供了水在壶1中的更均匀的热分布，防止了在壶中的局部区域中发生沸腾，从而确保壶的安静工作。欧姆加热的、安静的壶的这种水平电极的适当尺寸是间隔15mm的距离、直径为100mm的板，并且其孔的直径为6mm。

尽管针对在家用壶中对饮用水进行加热描述了上述内容，但是本发明同样可用来加热任何导电液体，同时避免产生噪声和形成沉淀物。此外，本发明可用来在除了壶以外的设备(例如，内嵌热水器、咖啡机、大型饮水加热器、洗衣机、洗碗机以及淋浴器)中加热饮用水。此外，在经加热的水不是用来供人们饮用的情况下，水可以是非饮用级别的水。该技术在如下系统中最为有益，即其中由于替换水垢已经达到使得设备不能再使用的程度的设备所需的成本和劳动力而非常不希望该设备(包括管线)形成水垢。

Claims

1、一种家用热水器，该家用热水器包括：

浸没在水中的至少三个电极；以及

适于以至少两种不同的组合选择性地给所述电极通电的控制器。

2、根据权利要求1所述的装置，该装置还包括电源，并且其中所述控制器适于通过启动独立地将所述电极中的至少两个连接到电源的开关来给所述多个电极中的一个或更多个通电。

3、根据权利要求2所述的装置，该装置还包括被设置用来检测总电极电流的电流检测器，并且其中所述控制器还适于根据所检测到的电流来启动所述开关。

4、根据权利要求2或3所述的装置，其中所述多个电极包括第一组电极和第二组电极，该第一组电极连接到所述电源的第一端子，而该第二组电极中的每一个都经由一开关连接到所述电源的第二端子。

5、根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一组电极中的每一个都经由一开关连接到所述电源的第一端子。

6、根据权利要求4或5所述的装置，其中，所述电源的所述第一端子是中线端子，而所述第二端子是火线端子。

7、根据权利要求4、5或6所述的装置，该装置还包括用于容纳待加热的液体的电绝缘容器，其中在空间上设置所述多个电极，并且所述多个电极之间具有预定间隙，并且其中所述电极中的不同的多个电极之间的预定间隙的大小不同。

8、根据任一前述权利要求所述的装置，其中，电极的各种不同的组合使得在所述电极上观测到不同的总液体电阻。

9、根据权利要求8所述的装置，其中，所述控制器还适于响应于所测得的电流的增大而通过在适当的电极对组合中进行切换来增大作用电极之间呈现的电阻，并适于响应于所测得的电流的减小而减小作用电极之间呈现的电阻。

10、根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述电极由垂直延伸的板形成。

11、根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述电极基本平行。

12、根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述电极由碳或含碳介质形成。

13、根据权利要求12所述的装置，其中，所述电极由压缩脱层型碳形成。

14、根据权利要求12所述的装置，其中，所述电极由聚合物和碳的混合物形成。

15、根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述多个电极被设置为围绕一中心棒设置的多个同心环。

16、根据权利要求15所述的装置，其中，交替环来自同一组电极。

17、根据权利要求15或16所述的装置，其中，交替环具有不同的高度。

18、一种用于对导电液体进行加热的装置，该装置包括浸没在液体中的至少两个电极。

19、根据任一前述权利要求所述的装置，该装置还包括倾斜开关，该倾斜开关被设置为在该倾斜开关检测到该装置倾斜时使电源装置与所述多个电极隔离。

20、根据任一前述权利要求所述的装置，该装置还包括：

盖；以及

开关，可以通过所述盖的打开来机械地操作该开关，并且该开关用于在打开所述盖时使电源装置与所述电极隔离。

21、根据权利要求20所述的装置，该装置还包括手柄，所述手柄包括连接装置，用于将所述开关连接到所述电源。

22、根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述控制器包括微控制器，该微控制器适于从电流检测器接收表示电极电流的输入，并适于根据所获得的电极电流将控制输出提供给所述开关中的一个或更多个。

23、根据任一前述权利要求所述的装置，该装置还包括位于所述盖的下面并围绕所述容器的顶部的导体，其中该导体与电源的地线电连接。

24、根据任一前述权利要求所述的装置，所述容器还包括出口和出口遮盖网，其中该出口遮盖网与电源的地相连接，并且能够在加热装置倾斜得实质性地偏离垂直时允许经加热的水通过。

25、根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述开关是半导体开关，并且所述控制器利用驱动器电路来操作所述半导体开关。

26、根据权利要求25所述的装置，其中，所述半导体开关是三端双向可控硅开关元件。

27、根据权利要求25所述的装置，其中，所述半导体开关热耦合到容器底部。

28、一种家用壶，该壶包括根据权利要求1至27中的任意一项所述的装置。

29、根据任一前述权利要求所述的装置，其中，被加热的水是饮用水。

30、一种在加热导电液体时使用的电极结构，所述电极结构包括第一多个电极和第二多个电极，每一个电极都由开关启动，由此，启动所述开关中的不同的多个开关使得在第一多个电极和第二多个电极上观测到变化的电阻。

31、根据权利要求30所述的装置，其中，所述电极中的不同的多个电极间隔开不同的预定距离。

32、一种加热生活饮用水的方法，该方法包括如下步骤：

将至少三个电极浸没在待加热的液体中；以及

以至少两种不同的组合选择性地给所述电极通电。

33、根据权利要求32所述的方法，该方法进一步包括如下步骤：

测量总电极电流；以及

根据所述测得的电流启动所述开关。

34、根据权利要求33所述的方法，该方法进一步包括如下步骤：响应于所测得的电流的增大而通过在适当的电极对组合中进行切换来增大作用电极之间呈现的电阻，以及响应于所测得的电流的减小而减小作用电极之间呈现的电阻。

35、根据权利要求34所述的方法，其中，增大作用电极之间呈现的电阻的步骤是通过给不同电极通电的二进制加法来实现的。

36、根据权利要求35所述的方法，该方法进一步包括如下步骤：如果所测得的总电极电流超过预定电平，则返回到先前的通电电极组合。

37、根据权利要求31至36中的任意一项所述的方法，该方法进一步包括如下步骤：如果所测得的电流由于液体开始沸腾而快速减小，则将电极与电源断开。

38、一种用于加热水的家用电壶，该壶包括：

容器，用于容纳水；

至少三个电极，其浸没在容纳在所述容器内的水中；以及

控制器，适于以至少两种不同的组合选择性地给所述电极通电，由此调节在所述电极上观测到的总液体电阻。

39、一种水或其他液体的加热设备，该加热设备具有两个电极，这两个电极通过连接到单相(或三相中的两相)电源而通电，这些电极在通电时使得电流在水中流过，导致水被加热(由于水自身的电阻率)，该电流的流过使得水被加热，而不会形成导致产生噪声的气泡，由此实现快速且安静的壶。

40、一种操作根据权利要求39所述的欧姆加热的安静的壶的方法，其中可以通过调节所述电极的间隔来改变电极2与3之间的电流，以将所述壶调整到最优性能。

41、一种操作根据权利要求39所述的欧姆加热的安静的壶的方法，其中可以通过调节所述电极的面积来改变电极2与3之间的电流，以将所述壶调整到最优性能。

42、一种操作根据权利要求39所述的欧姆加热的安静的壶的方法，其中可以通过电子监测和控制技术来改变电极2与3之间的电流，以将所述壶调整到最优性能。

43、一种根据权利要求39所述的欧姆加热的安静的壶，其中，所述容器是电绝缘的。

44、一种安静加热技术，该技术可以在诸如内嵌热水器、咖啡机以及淋浴器的设备中用于对水(以及其他液体)进行加热。

45、一种用于加热水的安静加热技术，该技术使得可以在不形成沉淀物(“水垢”)的情况下对水进行加热。