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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Durchlauferhitzer zur
Schnellerhitzung von Fluiden, z.B. Wasser und betrifft insbesondere einen
selbstisolierenden, leicht zu installierenden thermoplastischen Wärmetauscher
expandierbarer modularer Konstruktion zum Erhitzen von Wasser ohne Verwendung
eines Speicherbehälters.
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Ein typischer Warmwasserbereiter, der nun seit einigen Jahrzehnten verwendet wird,
ist ein Speicherbehältererhitzer, der aus Metall hergestellt ist. Diese Erhitzer haben
einige Nachteile einschließlich der Beschränkung der Heißwassermenge, die
gespeichert und daher zu einem bestimmten Zeitpunkt verwendet werden kann, des
Energieverlustes, da der Wasservorrat kontinuierlich erhitzt werden muß, der
Möglichkeit gefährlicher Gaslecks, der Möglichkeit von Feuer und Explosion, da der
Hauptteil dieser bei der Verwendung in Haushalten Gaserhitzer sind und diese einen
hohen Raumbedarf haben, da ein Speicherbehälter erforderlich ist. Diese Erhitzer sind
im allgemeinen weit entfernt von der Abgabestelle des Warmwassers angeordnet, so
daß sich ein Wärmeverlust zwischen dem Speicherbehälter und der Abgabestelle
ebenso wie ein erheblicher Verlust von Trinkwasser ergibt, das nutzlos durch den
Auslaß abgegeben wird, während man wartet, bis das Warmwasser den Anschluß
erreicht.
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Zu der Zeit, als übliche Speicherbehälter-Warmwasserbereiter in großem Umfang
akzeptiert wurden, standen die Vorteile verbesserter Kunststoffmaterialien noch nicht
zu Verfügung. Die Kunststofftechnik liefert nun eine leichte, billige Alternative zu Metall
zur Verwendung in Strukturen zur Handhabung von Warmwasser.
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Die Notwendigkeit von Haushaltswarmwasser ist typischerweise periodisch und von
relativ kurzer Dauer. Die bekannte Konstruktion ermöglicht nun Warmwasserbereiter
der kontinuierlichen Durchlaufart, die nur erfordern&sub1; daß Wasser einmal und zum
Zeitpunkt des Gebrauchs erhitzt wird. Diese Vorteile eines
Schnell-Durchlaufwassererhitzers umfassen Einsparungen an Wasserheizkosten, an Trinkwasser, wegen der
Möglichkeit, Installationen nahe an Hauptabgabesstellen durchzuführen&sub1; führen zu
erhöhter Sicherheit durch die Verwendung elektrischer Heizelemente, die die
Notwendigkeit für Gas und offene Flammen vermeiden, haben geringeren
Platzbedarf, da kein Speicherbehälter erforderlich ist, eine leichtere Wartung,
Lebensqualitätsvorteile aufgrund der ständigen Verfügbarkeit von Warmwasser.
Probleme, die sich durch Korrosion des Behälters ergeben, können ebenfalls durch die
Verwendung von Kunststoff als Material beseitigt werden, das für zahlreiche
Komponenten des Warmwasserbereiters verwendet wird.
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Es wurden bereits Durchauferhitzer beschrieben. Das U.S.-Patent Nr.3,898,428 von
Dye beschreibt einen in-line-Wasserbereiter, der ein zylindrisches Heizelement hat,
das von einem spiralförmig gewellten Rohrstück umgeben ist. Das U.S.-Patent Nr.
4,567,350 von Todd beschreibt einen elektrischen Schnellwasserbereiter, der fünf
Wasserheizkammern hat, die durch Mischrohrstücke aus Metall verbunden sind. Die
Heizkammern haben Heizelemente, und ein Druckentlastungsventil ist am Boden der
letzten Heizkammer angeordnet. Das U.S.-Patent Nr. 4,604,515 von Davidson
offenbart einen elektrischen Warmwasserbereiter ohne Behälter, der vier
Heizkammern hat, die als kuchenstückähnliche Teile eines Zylinders angeordnet sind.
Jede Kammer hat ein Heizelement und einen gesonderten Temperatursensor, und
eine der Kammern hat ein Druckentspannungsventil. Das U.S.-Patent No. 4,645,907
von Salton beschreibt einen elektrischen Warmwasserbereiter, der ein Gehäuse mit
drei gesonderten Heizelementen hat.
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Die oben beschriebenen Patente haben einige Nachteile. Die Patente beziehen sich
auf keine Konstruktion eines Durchlauf-Schnellwasserbereiters, wie er hier als
Erfindung beschrieben wird, der der Reihe nach auf irgendeiner gewünschten Anzahl
von Durchlauf-Schnellwasserbereiter-Kammern konstruiert werden kann und
üblicherweise der Reihe nach aus Zweikammermodulen montiert wird, um die
Warmwasserabgabeanforderungen der Benutzeranwendung zu erfüllen. Diese
Patente hoben nicht die Vorteile der Erfindung erkannt, daß Warmwasserbereiter-
Kammern aus Kunststoff hergestellt werden können, daß die Kammern zur leichten
Entleerung und Reinigung für Wartungszwecke und zum Entfernen von
Feststoffmaterial, das das System verstopfen könnte, konstruiert sein sollten und
können, um mit aus handelsüblich leicht erhältlichen Komponenten für Installation und
Reparatur konstruiert werden zu können, die Wichtigkeit, die Temperatur des
Auslasses leder Kammer bestimmen zu können, die Wichtigkeit, eingschlossene Luft
oder eingeschlossenes Gas aus dem oberen Ende leder gesonderten Kammer
ablassen zu können, die im Heißwasserbereitersystem während des normalen Betriebs
verwendet wird, im Gegensatz zu der Verwendung von Druckentlastungsventilen und
nur in einigen der Kammern, Probleme zu lösen, die bei Übertemperaturzuständen
infolge von Ungenauigkeiten der Anzeige der Temperatur des Fluids unmittelbar am
oberen Ende der Kammer auftreten, wo sich Dampf dann ansammeln kann, wenn
Gase nicht abgeleitet werden, sowie die Bedeutung, ggf. ein elektronisches
Steuersystem in den Betrieb des Heizsystems zur Ermittlung des Wasserpegels und zur
elektrischen Ermittlung des Durchflusses (ohne sich bewegende Teile) einbauen zu
können, um zu bestimmen, ob das System in einem Betriebs- oder einem Stand-by-
Zustand ist, und zur sequentiellen Modulation der Heizelemente in
aufeinanderfolgenden Kammern, um eine gewünschte Ausgangstemperatur des Systems zu
erreichen, das die Heizelemente abschaltet, wenn die Temperaturen in den Kammern
übermäßige Pegel erreichen.
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Folglich besteht die Notwendigkeit für erhebliche Verbesserungen in vollständigen
Durchlauf-Schnellwarmwasserbereitersystemen mit dem Ziel, alle zuvor erwähnten
Nachteile zu beseitigen.
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Die EP-A-0209867 beschreibt einen Warmwasserbereiter mit einer einzigen Kammer
mit einer Einlaßöffnung am einen Ende und einer Auslaßöffnung am anderen Ende,
Heiz- und Temperatursensoreinrichtungen und einer Entlüftungsöffnung zum Ablassen
von Gas aus dem oberen Ende der Kammer, in der der Auslaß vorgesehen ist.
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Die DE-B-1232720 und die DE-A-3401935 beschreiben Warmwasserbereiter mit
modularen Konstruktionen.
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Die Erfindung schafft einen modularen Warmwasserbereiter entsprechend dem
Anspruch 1.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 - 10 beispielsweise erläutert. Es
zeigt:
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Fig. 1: einen Aufriß eines Zweikammer-Durchlauferhitzers, aus der ein einzelner
Modul des Wasserbereiters hervorgeht;
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Fig. 2: eine Seitenansicht eines Zweikammer-Durchlauferhitzers;
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Fig. 3: eine Aufsicht eines Zweikammer-Durchlauferhitzers;
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Fig. 4: einen Querschnitt eines Zweikammer-Druchlauferhitzers, wie er in Fig. 1
gezeigt ist;
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Fig. 5: einen Querschnitt eines Zweikammer-Durchlauferhitzers längs der Linie
5-5 in Fig. 4;
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Fig. 6: eine Endansicht des Entlüftungsstopfens;
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Fig. 7: in auseinandergezogener Anordnung eine perspektivische Darstellung
der beschriebenen Erfindung mit zwei Kammern;
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Fig. 8: ein Funktionsblockschaltbild des Steuersystems der beschriebenen
Erfindung;
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Fig. 9: eine schematische Darstellung der Durchlauferfassungseinrichtung, die
bei der beschriebenen Erfindung alternativ eingebaut ist; und
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Fig. 10: ein Funktionsblockschaltbild der Steuerlogik gem. der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen zeigt insbesondere Fig. 1 eine Ausführungsform
des Durch lauferhitzers und -systems, die allgemein mit 10 bezeichnet sind, zur
sofortigen Erhitzung eines Fluids vorzugsweise einer Flüssigkeit wie z.B. Wasser. Zum
Zwecke der Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung wird der Erhitzer als
Warmwasserbereiter, dem häufigsten Anwendungsfall, erläutert. Der
Schnellwarmwasserbereiter 10 hat einige Grundleitungselemente, die in Reihe geschaltet sind,
nämlich: ein Einlaßrohr 20 am stromaufwärtigen Ende des Systems 10, eine erste
Kammer 40, eine zweite Kammer 60 und ein Auslaßrohr 20 am stromabwärtigen
Ende des Systems 10. Die erste Kammer 40 und die zweite Kammer 60 enthalten
Heizelemente 140 bzw. 160 zur Schnellerhitzung yon durchlaufendem Wasser. Für die
Erfindung werden die beiden Kammern als ein Modul für einfache
Erweiterungszwecke, wenn erforderlich, betrachtet.
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Wie die Fig. 1, 2 und 3 zeigen, wird das Einlaßrohr 20 von einer Einlaßrohrhalterung
24 gehalten. Die Einlaßrohrhalterung 24 hat O-Ringnuten 27 (Fig. 4), sitzt um den
Außenumfang des Einlaßrohrs 20 und ist an der ersten Kammer 40 durch Bolzen 26
befestigt. Das untere Ende des Einlaßrohrs 20 ist zum Anschluß an ein
Einlaßanschlußstück 28 mit einem Gewinde versehen. Das Einlaßanschlußstück 28 ist an der
unteren Seite nahe dem unteren Ende der ersten Klammer 40 durch Bolzen 29
befestigt.
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Die Schnittzeichnungen der Fig. 4 und 5 zeigen eine erste Kammer 40, die von einem
Gehäuse 42 umgeben ist und die als hohler, zylindrischer Innenbereich ausgebildet
ist. Das Gehäuse 42 ist als rohrförmig dargestellt, obwohl dies nicht notwendig ist, hat
eine erste Öffnung 44, die nahe dem unteren Ende liegt, und eine zweite Öffnung 46,
die nahe dem oberen Ende des Gehäuses 42 liegt. Eine dritte Öffnung 48 ist
wahlweise vorgesehen, um den Kunststofformvorgang für die Modubauweise der
Kammern zu vereinfachen, und liegt, wenn vorhanden, nahe dem oberen Ende des
Gehäuses 42 gegenüber der zweiten Öffnung 46. Ein Verbindungsstück 100, das eine
rohrförmige Konstruktion hat, wird verwendet, um das Einlaßanschlußstück 28 an die
erste Kammer 40 durch die erste Öffnung 44 anzuschließen, um eine
Strömungsmittelverbindung vom Einlaßrohr 20 zur ersten Kammer 40 zu schaffen. Ein
O-Ring 110 sitzt in einer Nut 25 im Einlaßanschlußstück 28, um eine wirksame
Dichtung zwischen dem Einlaßanschlußstück 28, dem Verbindungsstück 100 und dem
ersten Kammergehäuse 42 zu schaffen.
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Wie gezeigt, ist die dritte Öffnung 48 in der ersten Kammer 40 durch einen Stopfen
102 verschlossen und unter Verwendung eines O-Ringes 112 abgedichtet, der in der
Nut 27 sitzt. Der Stopfen 102 ist zylindrisch und massiv.
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Die zweite Öffnung 46 dient zur Verbindung des Strömungsweges des Wassers durch
die erste Kammer 40 mit der zweiten Kammer 60. Das Verbindungsstück 104 dient
zur Herstellung dieser Verbindung zwischen der ersten Kammer 40 und der zweiten
Kammer 60 und ist nahe dem oberen Ende der ersten Kammer 90 angeordnet. Das
Verbindungsstück 104 ist gleich dem Verbindungsstück 100 und ist in der zweiten
Öffnung 46 der ersten Kammer 40 und in der ersten Öffnung 64 der zweiten
Kammer 60 befestigt und durch einen O-Ring 114 abgedichtet, der in der Nut 47 in
der ersten Kammer 40 sitzt.
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Die zweite Kammer 60 ist gleich oder ähnlich der ersten Kammer 40. Die zweite
Kammer 60 ist ein zylindrischer langgestreckter Hohlraum im Gehäuse 62 und hat
eine erste Öffnung 64 und eine zweite Öffnung 66 nahe dem oberen Ende und eine
dritte Öffnung 68, die nahe dem unteren Ende liegt.
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Die. erste Kammer 40 und die zweite Kammer 80 sind am unteren Ende durch einen
Boden 80 verschlossen, der durch Bolzen oder andere geeignete Befestigungsmittel
befestigt ist. Vorzugsweise sind O-Ringe 81 und 82 in Nuten 83 bzw. 84 im Boden 80
angeordnet, um das untere Ende der Kammern 40 und 60 abzudichten. Der Boden
80 kann leicht abgenommen und wieder befestigt werden, um eine
Korrosionsreinigung und das Entfernen anderen Feststoffmaterials aus den Kammern 40 und 60
und von den Heizelementen 140 und 160 ohne Abnahme der elektrischen
Verdrahtung zu ermöglichen. Die Gehäuse 42 und 62 bzw. der Boden 80 können sich
auch verjüngen und mit einem Ventil für jede Kammer 40 und 60 versehen sein, um
eine pneumatische oder irgendeine andere Ausbasart ohne Abnehmen des Bodens
80 zuermöglichen. Selbstverständlich kann der Boden 80, obwohl er als ein einziges,
beide Kammern 40 und 60 verschließendes Teil gezeigt ist, aus zwei Teilen hergestellt
werden, von denen le eines mit dem oberen Ende der ersten Kammer 40 und der
zweiten Kammer 60 verbunden wird. Wie Fig. 2 zeigt, ist das untere Ende 88 des
Bodens 80 vorzugsweise gerippt, um Strukturfestigkeit zu verleihen und Materialkosten
zu sparen.
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Eine obere Platte 85 bildet vorzugsweise eine elektrische Masseanordnung für die
Heizelemente und wird gegen die Heizelemente 140 und 160 gehalten, wenn diese
durch Verschrauben oder durch irgendeine andere geeignete Befestigungseinrichtung
am Gehöuse 42 und 62 befestigt werden. Obwohl die Platte 85 als eine einzelne
Platte gezeigt ist, kann sie selbstverständlich ebenfalls aus zwei gesonderten Platten
hergestellt werden, von denen je eine mit dem oberen Ende der Gehäuse 42 und 62
verbunden ist.
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Wie Fig. 4 zeigt, erstreckt sich das Heizelement 140 nach unten durch die Öffnung in
der oberen Platte 85 und axial durch den inneren Bereich der ersten Kammer 40. Das
Heizelement 140 erstreckt sich nach unten in axialer Richtung in den hohlen
Innenbereich der ersten Kammer 40. Die axiale Lage des Heizelements 140 im hohlen
inneren Bereich ist derart, daß das Heizelement 140 vom Gehäuse 2 an jeder Stelle
um den Umfang des Gehäuses 42 im wesentlichen abstandsgleich ist. Das
Heizelement 140 sitzt auf der oberen Platte 85 und ist vorzugsweise an der Kammer
40 durch eine geeignete Gewindeverbindung befestigt. Ein O-Ring 86 ist in einer Nut
88 zwischen dem Heizelement 140 und der oberen Platte 85 zur Abdichtung des
oberen Endes der ersten Kammer 40 angeordnet. Ein Heizelement vorzugsweise für
Wasser ist für eine Ausgangsleistung von 3500 - 7000 Watt auf der Grundlage der
Konstruktionsauslegung des speziellen Erhitzers bemessen. Die Gleichmäßigkeit der
Wärmeübertragung vom Heizelement 140 auf das durch die erste Kammer 40
fließende Wasser wird aufgrund der symmetrischen Anordnung des Elements 140
bzgl. des Hohlraumes begünstigt, durch den das Fluid, Wasser, strömt.
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Das Heizelement 160 erstreckt sich noch unten durch die Öffnung in der oberen Platte
85 und axial in die zweite Kammer 60. Das Heizelement 160 ist gleich oder ähnlich
dem Heizelement 140. Das Heizelement 160 sitzt auf der oberen Platte 85 und ist
vorzugsweise an der Kammer 60 durch eine geeignete Gewindeverbindung befestigt.
Ein O-Ring 87 ist in einer Nut 89 zwischen dem Heizelement 160 und der oberen
Platte 85 zur Abdichtung des oberen Endes der zweiten Kammer 60 angeordnet.
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Ein Temperatursensor bzw. Thermistor 120 (Fig. 7) erstreckt sich in den innenbereich
des Gehäuses 42 der ersten Kammer nahe der zweiten Öffnung 46 zur Ermittlung der
Temperatur T1 des aus der ersten Kammer 40 fließenden Wassers. Der Sensor 120
kann sich in die Gehäusekammer 42 von anderen Stellen aus erstrecken, solange er
sich im Strömungswege des Wassers und nahe der zweiten Öffnung befindet. Für die
Erfindung kann das Wasser stromabwärts vom Heizelement 140 und stromaufwärts
von der zweiten Öffnung 46 als nahe der zweiten Öffnung 46 befindlich angesehen
werden.
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Ein Temperatursensor oder Thermistor 125 steht in den Innenbereich des Gehäuses
62 der zweiten Kammer nahe der dritten Öffnung 68 zur Ermittlung der Temperatur
T2 des aus der zweiten Kammer 60 ausfließenden Wassers vor. Der Sensor 125 kann
von anderen Stellen in das Kammergehäuse 62 vorstehen, solange er sich im
Strömungsweg des Wassers und nahe der dritten Öffnung 68 befindet. Für die
Erfindung kann Wasser stromabwärts des zweiten Heizelements 160 und
stromabwärts der dritten Öffnung 68 als der dritten Öffnung 68 nahe angesehen
werden.
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Eine Auslaßleitung 90 ist an die zweite Kammer 60 über ein Auslaßanschlußstück 92
und ein Verbindungsstück 96 angeschlossen. Ein Verbindungsstück 106 dient zum
Anschluß der zweiten Kammer 60 an das Auslaßanschlußstück 92 und ist durch einen
O-Ring 116 abgedichtet, der in einer Nut 69 des Gehäuses 62 sitzt. Das
Auslaßanschlußstück 92 ist an der zweiten Kammer 60 durch Bolzen 94 befestigt. Das
Auslaßanschlußstück 92 und das Verbindungsstück 96 können mit dem Rohr 90
verschraubt oder durch eine andere geeignete Einrichtung daran befestigt oder als
Teil des Rohrs 90 hergestellt sein.
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Das Verbindungsstück 96 ist an der zweiten Kammer 60 durch Bolzen 94 befestigt. Ein
Entlüftungsstopfen 108 ist in der zweiten Öffnung 66 der zweiten Kammer 60 zum
Ablassen von Luft, Dampf oder anderen Gasen in das Verbindungsstück 96 und von
da in das Auslaß rohr 90 befestigt. Der Entlöftungsstopfen 108 ist in der zweiten
Öffnung 66 durch einen O-Ring 118 teilweise abgedichtet, der in einer Nut 67 im
Gehäuse 62 sitzt. Wie Fig. 6 zeigt, hat der Entlüftungsstopfen 108 einen Kanal 109,
der vorzugsweise nahe dem oberen Ende der zweiten Kammer 60 angeordnet ist. Der
Kanal 109 im Entlüftungsstopfen 108 ermöglicht es, Gase während normaler
Betriebszustände in der ersten Kammer 40 und der zweiten Kammer 60 von der
Flüssigkeit zu trennen und in das Auslaßrohr 90 und aus dem System abzuleiten,
ohne daß ein Druckaufbau erforderlich ist, bevor diese Gase abgeleitet werden. Der
Kanal 109 ist groß genug, daß die Dämpfe austreten können, jedoch klein genug, um
jeden wahrnehmbaren Flüssigkeitsnebenschluß zu verhindern. Selbstverständlich kann
als Alternative zur Öffnung 60 zum Verschlußstopfen 108 und zum Kanal 109 das
Gehäuse ohne solch eine Öffnung gegossen werden, und eine kleine
Entlüftungsöffnung kann gebohrt werden, um den Durchgang von Gasen in das
Verbindungsstück 96 und das Auslaßrohr 90 zu ermöglichen.
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Wasser, das durch das Einlaßrohr 20 strömt, tritt in das untere Ende der ersten
Kammer 40 ein und wird vom Heizelement 140 erhitzt, wenn es in der ersten Kammer
40 steigt. Das Wasser strömt dann durch das Verbindungsstück 104 und nach unten
durch die zweite Kammer 60, wenn es vom Heizelement 160 erhitzt wird. Das Wasser
erreicht dann das untere Ende der zweiten Kammer 60 und wird durch das
Auslaßanschlußstück 92 und aus dem Auslaßrohr 90 abgeleitet, die ggf. aus einem
Stück hergestellt werden können. Gase, die sich im System durch die Wechselwirkung
der Heizelemente 140 und 160 im Wasser aufbauen, steigen automatisch zum oberen
Ende der ersten Kammer 40 und der zweiten Kammer 60 infolge der geringeren
Dichte der Gase.
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Wie die Fig. 4 und 6 zeigen, bilden das Verbindungsstück 104 und der
Entlüftungskanal 109, der im Entlüftungsstopfen 108 liegt, einen Auslaß für diese
Gase durch das Auslaßrohr 90, so daß die Heizelemente 140 und 160 stets
eingetaucht bleiben und der Temperatursensor 120 stets eine Flüssigkeitstemperatur
und keine Dämpfe mißt. Wasser, das durch den Entlüftungskanal 109 im
Entlüftungsstopfen 108 strömt, wird wegen der verringerten Fläche des
Entlüftungskanals 109 begrenzt.
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Selbstverständlich können alle Befestigungen, die durch Bolzen hergestellt sind, durch
andere geeignete Befestigungseinrichtungen wie z.B. Klebstoff oder
Ultraschallschweißen hergestellt werden, und das Einlaßrohr 20, das Einlaßanschlußstück 28,
das Auslaßanschlußstück 92 oder das Verbindungsstück 108 kann oder es können
alle als Schraubteile oder in anderer Weise an den Rohren 20 und 90 befestigbar
oder als in die Rohre 20 und 90 integriert ausgebildet sein. Selbstverständlich können
die Kammern 40 und 60 einstückig hergestellt sein, was die Notwendigkeit für
Verbindungsstücke und O-Ringe zwischen den beiden Kammern vermeidet, obwohl
dennoch eine Verbindung zu zusätzlichen, den beiden Kommern zugefügten
Kammern hergestellt werden kann.
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Fig. 7 zeigt detaillierter den Durchlauf durch den Erhitzer 10, der in den Fig. 1 - 6
gezeigt ist. Ein Triac-Kühlblech 170 muß am Einlaßrohr 20 befestigt werden. Durch
Schrauben befestigte Triacs 171, 172, 173 und 174 sind am Kühiblech 170 befestigt.
Ein thermostatischer Ausschalter 177 mit hohem Grenzwert und eine Erdungsplatte
178 müssen an der Öffnung 65 befestigt werden, die am oberen Ende des zweiten
Gehäuses 60 liegt. Ein Schalter 177 mit hohem Grenzwert erfaßt eine übermäßige
Temperatur im Erhitzer 10 und schaltet die Heizelemente 140 und 160 ab, wenn
solche Übertemperaturzustände festgestellt werden. Eine wahlweise Steuertafel-
Befestigungsplatte 175 ist an das erste Gehäuse 40 und das zweite Gehäuse 60
angeschlossen gezeigt, und ein elektrischer Eingangsanschluß 1 76 ist an das zweite
Gehäuse 60 angeschlossen gezeigt. Diese Anschlüsse können an irgendeiner
geeigneten Stelle angeordnet sein und sind oben nur zur Erläuterung gezeigt und
beschrieben.
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Fig. 8 zeigt einen Zweikammer-Fluiderhitzer 10 für Fluide wie Wasser und hat eine
erste Kammer 40 und eine zweite Kammer 60. Fluid tritt in die Kammer 40 ein, wo es
erhitzt wird. Das Fluid verläßt die Kammer 40 und tritt dann in die Kammer 60 ein, wo
es ebenfalls erhitzt werden kann. Das Fluid tritt dann aus der Kammer 60 aus. Die
Temperatur des die Kammer 40 verlassenden Fluids wird als Temperatur T1 und die
Temperatur des aus der Kammer 60 austretenden Fluids als Temperatur T2
bezeichnet.
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Die Konstruktion des Steuersystems 200, wie sie nachstehend beschrieben wird, zeigt
eine bevorzugte Steuersystemkonstruktion. Bei gegebenem Steuersystemkonzept ist
diese Konstruktion dem Fachmann zur Durchführung einer besonderen
Ausführungsform der Erfindung bekannt. Andere Steuersystemkonstruktionen, die dem
Fachmann bekannt sind, können ebenfalls angewandt werden.
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Die Steuersystemlogik 200 hat eine wahlweise Wasserpegelmeßeinrichtung, die die
Steuerfunktion freigibt, wenn ein ausreichender Pegel in den Heizkammern festgestellt
wird, wobei eine Leitfähigkeitsmeßeinrichtung verwendet wird. Wie gezeigt, hat sie
auch einen Arbeitseinsteilpunkt OSP, einen Übergangseinstelpunkt TSP und einen
Stand-by-Einstellpunkt SSP, der steuert, wenn der Erhitzer im Ruhezustand ist. Der
Stand-by-Einstellpunkt SSP dient dazu, Stand-by-Erhitzungsverluste und das Einfrieren
des Erhitzers 10 zu verhindern, wenn er sich in der Stand-by-Betriebsart an einer
Gefriertemperaturstelle befindet. Der Übergangseinstellpunkt TSP ist die tatsächliche
Zieltemperatur, die der Erhitzer 10 durch die Logik 200 erhält. Er ist ein Einsteilpunkt,
der vom Arbeitseinstelpunkt OSP abgeleitet wird. Der Arbeitseinstelpunkt OSP ist die
für heißes Fluid gewählte Temperatur, die den Schnelldurchlauferhitzer 10 verläßt,
wenn er in Betrieb ist. Der Übergangseinstelpunkt TSP wird ebenfalls vom Stand-by-
Einstelpunkt abgeleitet. Der Stand-by-Einstellpunkt SSP stellt einen niedrigeren
Einstelpunkt als den Arbeitseinsteilpunkt OSP dar, während der
Übergangseinstellpunkt TSP ein Wert zwischen SSP und OSP ist und vorzugsweise oberhalb der
Eingangstemperatur des Fluids und dessen Gefrierpunkt variiert. Der Stand-by-
Einsteilpunkt SSP ermöglicht es dem Erhitzer 10, abzukühlen, weniger Energie zu
verbrauchen und niedrigere Wärmeverluste zu haben, wenn er sich in einer
Betriebsart ohne Strömung oder in der Stand-by-Betriebsart befindet. Der
Arbeitseinstelipunkt OSP, der Stand-by-Einstellpunkt SSP, die Temperatur T1 und die
Temperatur T2 sind alles Eingangssignale der Steuersystemlogik 200. Der
Übergangseinstellpunkt TSP ist ein intern in der Steuersystemlogik 200 erzeugter. Die
Ausgangssignale der Steuersystemlogik 200 sind ein erstes Heizelement-Treibersignal
240 und ein zweites Heizelement-Treibersignal 260. Das Heizelement-Treibersignal
240 führt dem Heizelement 140 Energie zu, das sich in der Kammer 40 befindet, und
das Heizelement-Treibersignal 260 führt dem Heizelement 160 Energie zu, das sich in
der Kammer 60 befindet.
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Wie zuvor beschrieben, ermöglicht die Logik 200, wie gezeigt, einen zeitverzögerten
Übergang zwischen dem Arbeitseinstelpunkt QSP und dem Stand-by-Einstellpunkt
SSP, der als Übergangseinstelpunkt TSP bekannt ist. Nach Wahl des Konstrukteurs
kann die Übergangszeit als Momentanzeit eingestellt werden, in welchem Falle der
Übergangseinstellpunkt TSP gleich dem Arbeitseinstelpunkt OSP oder etwas höher als
der Stand-by-Einstellpunkt SSP in Abhängigkeit davon ist, ob ein Durchlauf durch den
Erhitzer 10 erfolgt, wie durch die Beziehung zwischen der Temperatur T1 und der
Temperatur T2 bestimmt ist. Mit einer geringen Änderung kann der Fachmann die
Durchdachtheit des TSP beseitigen und die Einheitenlogik so konstruieren, daß auf
dem OSP und dem SSP auf der Grundlage des Vorhandenseins eines Durchlaufs
gearbeitet wird, was durch die Beziehung zwischen T1 und T2 bestimmt ist. Der
Konstruktion kann in ähnlicher Weise den Übergangseinstellpunkt TSP so wählen, daß
er ein sich ändernder Wert ist, der von einer festen Zahl bestimmt wird, die zur
Temperatur T1 addiert oder von der Temperatur T2 subtrahiert wird. Somit wird
(abhängig davon, ob eine Strömung durch die Beziehung zwischen den Temperaturen
T1 und T2 festgestellt wird, der Übergangseinstellpunkt TSP (unabhängig davon, ob er
ein Momentanwert ist oder sich ändert) zu einer Konstruktion modifiziert, die als
Totzonenbereich um den Arbeits- oder Stand-by-Zustand gewählt wird. Typische
Werte für einen Haushaltswarmwasserbereiter kann ein Arbeitseinstellpunkt OSP von
145º Fahrenheit (63º C) und ein Stand-by-Einstellpunkt SSP von 400 Fahrenheit (4º C)
oder irgendein anderer Wert über dem Gefrierpunkt des durch den Erhitzer 10
geleiteten Fluids sein.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 9, einem Beispiel für eine Logikschaltanordnung für Fig.
101 ist ein schematisches Schaltbild für den Durchlaufschaltkreis gezeigt, der allgemein
mit 214 bezeichnet ist und der ein Analogschalter ist, der zwischen zwei analogen
Eingangssignalen differenziert und ein Ausgangssignal abgibt, das eine logische 1
oder eine logische 0 auf der Grundlage davon abgibt, welches der beiden
Eingangssignale höher ist. Diese Kreise sind dem Fachmann bekannt und
funktionieren als Schalter im gesamten Steuersystem dieser Ausführungsform.
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Der Kreis 214 benötigt zwei Eingangsspannungen V1 und V2, die jeweils die
Kammerausgangstemperaturen der ersten Kammer 40 und der zweiten Kammer 60
darstellen, durch Strombegrenzungswiderstände R3 in einen Funktionsverstärker A der
einen Rückkopplungskondensator C zum invertierenden Eingang hat. Typische
Komponenten und/oder Werte für solche in Fig. 9 gezeigten Komponenten sind wie
folgt: Thermistoren T1 und T2, General Automotive Specialities No. 25502;
Widerstände r1, etwa 800 bis 1200 Ohm; Widerstände R2, 0 Ohm, wenn man
General Automotive No. 25502 verwendet (der Fall, daß der Thermistor an Masse
liegt und R2 automatisch 0 ist). Die Widerstände R3 haben nur
Strombegrenzungsfunktion und können irgendeinen Wert zwischen 1000 und 100.000 Ohm haben. Der
Rückkopplungskondensator C liegt typischerweise zwischen 0,1 bis 0,4 Mikrofarad;
der Funktionsverstärker A ist typischer eise ¼ eines Motorola-ICs No. MC3403P. Es
können selbstverständlich andere Komponenten verwendet werden, jedoch können
die vorherigen mit zufriedenstellenden rgebnissen verwendet werden.
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Die interne Logik 200 zur Steuerung des Durchlauferhitzers 10 ist speziell, da sie die
Durchlauferfassung beinhaltet, ohne einen üblichen Durchlaufschalter zu benötigen.
Die elektronische Durchlauferfassung beruht auf dem folgenden Prinzip: das erste
Heizelement 140 hält eine Temperatur T1, die höher als die Temperatur T2 ist,
während der Stand-by-Betriebsart aufrecht, wenn kein Durchlauf durch den Erhitzer
10 erfolgt. Wenn der Durchlauf beginnt, wird wärmeres Wasser von der Kammer 40
in die Kammer 60 gedrückt, so daß T2 gleich oder nahezu gleich T1 wird, so daß ein
Durchlauf angezeigt wird, und wenn die Heizelemente 140 und 160 für das Fluid
sequentiell in solch einer Weise aktiviert bzw. erhitzt werden, daß das Heizelement
140 sequentiell vor dem Heizelement 160 erhitzt wird, wenn der Durchlauf beginnt,
und sie sequentiell in solch einer Weise deaktiviert werden, daß das Heizelement 160
sequentiell vor dem Abschalten des Heizelements 140 abgeschaltet wird, wenn der
Durchlauf stoppt, dann kann die Durchlauferfassung auf der Beziehung zwischen den
beiden getrennten Stellen bzw. Kammern wie der Temperatur T1 in der Kammer 40
und der Temperatur T2 in der Kammer 60 beruhen. Bei gegebenen
Durchlauferfassungskonzept kann der Fachmann die Durchlauferfassungsmethode entwerfen, um
auf der Grundlage der Temperaturbeziehung zwischen irgendwelchen zwei Stellen im
Erhitzer wie der Temperaturbeziehung zwischen dem Eingangsfluidzufluß 20 und dem
Fluid in der Kammer 40 zu arbeiten. Für die Durchlauferfassung muß ein
Temperatursensor stromabwärts von einem anderen liegen, und eine Heizeinrichtung
muß derart angeordnet sein, daß eine Temperaturdifferenz zwischen den Sensoren
aufrechterhalten wird, wenn kein Fluiddurchlauf stattfindet. Die Erfindung steuert die
die Aktivierung der Heizelemente 140 und 160 auf der Grundlage des
Durchlauferfassungsprinzips, und solche eine Durchlauferfassung erfolgt ohne mechanische
Bewegungsteile, und diese Erfassung ist sehr zuverlässig und effektiv. Zum Betrieb des
Durchlaufschalters 214 ist nur erforderlich&sub1; daß in der ersten Kammer 40 Wärme
erzeugt wird, die dann nur ausreicht, um die Temperatur auf oder über dem Stand-
by-Einstellpunkt SSP zu halten.
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Das Steuersystem verwendet den Temperatursensor 120, der in der ersten Kammer
liegt, um einen Wert für T1 zu messen, und den Temperatursensor 125, der in der
zweiten Kammer 60 liegt, um einen Wert für T2 zu messen, und die Differenz
zwischen den Temperaturen der beiden Kammern wird zur Erfassung des Durchlaufs
verwendet. Wenn kein Fluiddurchlauf erfolgt, wird das Fluid in der ersten Kammer 40
über das erste Heizelement zunächst mit Wärme beaufschlagt, um das Fluid in der
ersten Kammer 40 auf oder über der Stand-by-Einstellpunkttemperatur SSP zu halten.
In diesem Zustand ist die Temperatur T1 in der ersten Kammer 40 höher als die
Temperatur T2 in der zweiten Kammer 60. In einer Situation, in der kein Durchlauf
erfolgt, und wenn die Temperatur T1 derart abweicht, daß sie sich T2 nähert, und ein
Durchlauf vom Ausgangssignal 314 angezeigt wird, dauert solch ein Zustand nur
momentan an, da die folgende Sequenz von Ereignissen stattfindet. Wie Fig. 10 zeigt,
wird TSP durch die Signale 314 und 316 inkrementiert, die Temperatur T1 steigt rasch
an, da kein Durchlauf erfolgt. T1 wird höher als T2, und das "Kein Durchlauf"-Signal
310 wird wiederhergestellt. TSP wird von den Ausgangssignale 306, 310 und 314
dekrementiert. Die Heizelement-No. 1-Anforderung wird von den Ausgangssignalen
316 und 322 dekrementiert und der "Kein Durchlauf"-Stand-by-Zustand wird
wiederhergestellt.
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Wenn das Fluid zu strömen beginnt, fällt, selbst wenn eine Wärmebeaufschlagung
erfolgt, die Temperatur T1 in der ersten Kammer 40 unter die Temperatur T2 in der
zweiten Kammer 60 und durch Vergleich dieser beiden Temperaturen T1, und T2
oder des Temperaturunterschieds bestimmt das Steuersystem, daß kein Durchlauf
durch das System erfolgt. Wenn das Steuersystem einen Durchlauffeststellt, ändert
sich der Einstelpunkt normalerweise von einem Leerlauf bzw. Übergangseinstelpunkt
TSP zu einem Arbeitseinstelpunkt OSP, wie nachstehend beschrieben wird und in Fig.
10 gezeigt ist. Der Arbeitseinstelpunkt OSP ist im allgemeinen gleich der gewünschten
Ausgangstemperatur des Systems.
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Wenn das Fluid zu strömen aufhört oder mit sehr niedrider Geschwindigkeit durch das
System strömt, beginnt die in der ersten und zweiten Kammer 40 und 60 erfaßte
Temperatur sich auszugleichen, und wenn der Durchlauf aufhört, überschreitet die
Temperatur T1 in der ersten Kammer 40 die Temperatur in der zweiten Kammer 60.
Die Steuerlogik 200 bestimmt durch Vergleich des Temperaturunterschiedes oder
durch Registrierung einer niedrigeren Anforderung H1D des ersten Heizelements, das
ein "Kein Durchlauf"-Zustand herrscht, und das am weitesten stromabwärts befindliche
Heizelement, das aktiviert ist, wird dekrementiert, bis es deaktiviert wird, zu welchem
Zeitpunkt notwendigenfalls das benachbarte Heizelement dekrementiert wird, so daß
die Fluidtemperatur vom Arbeitseinstelipunkt OSP zum Übergangseinstelipunkt TSP
geändert wird und sich den Stand-by-Einstellpunkt SSP zwischen dem
Arbeitseinstellpunkt OSP und dem Stand-by-Einstellpunkt nähert, um Stand-by-
Energieverluste zu verringern.
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Die Stand-by-Punkt-Temperatur SSP kann eine sich ändernde Einstellpunkttemperatur
oder ebenso eine Festpunkttemperatur sein. Eine vorzugsweise sich ändernde Stand-
by-Einstellpunkttemperatur SSP ändert sich so, daß sie in einem Bereich von 8º oder
10º Fahrenheit (-13º oder -12º C) über der Eingangstemperatur des Wassererhitzers
10 liegt, sie sollte jedoch stets in dem Bereich aufrechterhalten werden, der über der
Gefriertemperatur des Fluids gewählt wird.
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Das Logikelement 214 ist, wie beschrieben, mit jedem der anderen Logikelemente
vergleichbar, die in Fig. 10 gezeigt sind, die die Logikelemente 210, 212, 216, 218,
220 und 222 sind.
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Geeignetenfalls kann das Steuersystem eine elektrische Leitfähigkeit beinhalten, um
einen akzeptierbaren Wasserpegel in den Kammern als eine Möglichkeit der
Beaufschlagung der Steuersystemlogik mit Energie zu erfassen. Ein elektrisches
Kontaktpaar (nicht gezeigt), liegt nahe den Thermistoren 120 und 125 zur Ermittlung
des Vorhandenseins einer mit Wasser gefüllten Kammer durch die
Leitfähigkeitseinrichtung als eine optionale Möglichkeit zum Betrieb des Erhitzers 10.
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Fig. 10 zeigt den Aufbau der Logik für einen Zweikammererhitzer 10 unter
Verwendung einer von der Temperatur abgeleiteten elektronischen
Durchlauferfassung, wobei solch ein Steuerlogiksystem 200 auf jedes Paar von in Reihe liegenden
Kammern größer als 2 anwendbar ist, die zusammengebaut werden können. Auf der
linken Seit der Fig. 10 sind die vier Eingänge der Steuersystemlogik 200 vorhanden,
nämlich der Arbeitseinstelpunkt OSP, der Stand-by-Einstellpunkt SSP, die
Ausgangstemperatur T1 der ersten Kammer 40 und die Ausgangstemperatur der
zweiten Kammer 60.
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Die Logik, die erforderlich ist, um die beiden Kammern 40 und 60 zu betreiben, die
beiden Heizelemente 140 und 160 und der Erhitzer 10 bestehen aus 7 analogen
Logikschaltern 210, 212, 214, 216, 218, 220 und 222, zwei Maximumanforderungs-
Grenzeinsteilpunkten H1M und H2M und je einem für das erste Heizelement 140 und
das zweite Heizelement 160. Sechs logische Und-Glieder sind erforderlich, um die
Logik zu vervollständigen. Drei zusätzliche Eingangssignale zur Logik werden von den
Ausgangssignalen erzeugt: diese sind der Übergangseinstelpunkt TSP, die
Anforderung H1D des ersten Heizelements und die Anforderung H2D des zweiten
Heizelements.
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Es sind sechs Ausgangssignale für die Erhitzersteuerlogik 200 vorhanden. Das erste
Ausgangssignal 230 dient dazu, den Übergangseinstellpunkt TSP zu inkrementieren,
und das zweite Ausgangssignal 232 dient dazu, den Übergangseinstelpunkt TSP zu
dekrementieren.
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Das dritte Ausgangssignal 234 der Erhitzerlogik 200 inkrementiert die Anforderung
des ersten Heizelements 40, und das vierte Ausgangssignal 236 dekrementiert die
Anforderung des ersten Heizelements 140. Diese beiden Ausgangssignale 234 und
236 gehen zur Anforderung H1D des ersten Heizelements, die ebenfalls als Signal zur
Logik 200 zurückgeleitet wird.
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Das fünfte Ausgangssignal 238 der Heizelementlogik 200 dient dazu, die
Anforderung des zweiten Heizelements 160 zu inkrementieren, und das sechste
Ausgangssignal 239 dient dazu, die Anforderung des zweiten Heizelements 160 zu
dekrementieren. Diese beiden Ausgangssignale 238 und 239 gelangen zur Anforderung H2D
des zweiten Heizelements, das ebenfalls als ein Signal zur Logik 200 zurückgeleitet
wird.
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Die Funktion der internen Logik 200, die in Fig. 10 gezeigt ist, wird wie folgt
beschrieben. Wie gezeigt, sind die Bedingungen, die zum Inkrementieren des
Übergangseinstellpunktes TSP erforderlich sind, ein Ja-Ausgangssignal 302 der Logik
210 und ein Nein-Ausgangssignal 312 der Logik 214. Dieses Ausgangssignal 230
wird dazu verwendet, den Übergangseinstelipunkt TSP über den Stand-by-
Einstellpunkt SSP zu inkrementieren, jedoch nicht höher als der Arbeitseinstelpunkt
OSP. Die Bedingungen, die für das Ausgangssignal 232 erforderlich sind, um den
Übergangseinstelpunkt zu dekrementieren, sind ein Ja-Ausgangssignal 306 von der
Logik 121, ein Ja-Ausgangssignal 310 vom Logikglied 214 und vorzugsweise auch ein
Ja-Ausgangssignal 314 vom Logikglied 216. Das Ja-Ausgangssignal 306 ergibt sich,
wenn der Übergangseinstellpunkt TSP höher als der Stand-by-Einstellpunkt SSP ist.
Das Ja-Ausgangssignal 310 ergibt sich, wenn die Temperatur T1 höher als die
Temperatur T2 ist. Das Ja-Ausgangssignal 314 ergibt sich, wenn der
Übergangseinstellpunkt TSP höher als die Temperatur T2 ist, die den Übergangseinstellpunkt TSP
auf die Nachlauftemperatur T2 während der Abkühlung begrenzt, wenn der Erhitzer
10 im Stand-by-Zustand ist.
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Die Anforderung H1D des ersten Heizelements wird durch Inkrementieren des
Ausgangssignals 234 und Dekrementieren des Ausgangssignals 236 gesteuert, was
durch die logischen Und-Glieder bewirkt wird. Die Bedingungen, die erforderlich sind,
um das Signal 234 der Anforderung H1D des ersten Heizelements zu inkrementieren
sind Ja-Ausgangssignale 314 bzw. 326 der logischen Glieder 216 und 222. Diese
Bedingungen werden im logischen Glied 216 erfüllt, wenn der
Übergangseinstellpunkt TSP höher als die Temperatur T2 ist, sowie im logischen Glied
222, wenn die erste Maximalanforderungsgrenze H1M des ersten Heizelements
größer als die Anforderung H1D des ersten Heizelements ist. Somit fordert der
Übergangseinstelpunkt TSP mehr Wärme an, und die Maximum H1M-Grenze des
ersten Heizelements wurde nicht erreicht.
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Die Bedingungen, die zum Dekrementieren des Signals 236 der Anforderung H1D
des ersten Heizelements erforderlich sind, sind ein Nein-Ausgangssignal 316 vom
analogen Logikschalterglied 216 und ein Ja-Ausgangssignal 322 vom logischen Glied
222. Ein Nein-Ausgangssignal 316 ergibt sich, wenn der Übergangseinstellpunkt TSP
nicht höher als die Temperatur T2 ist. Ein Ja-Ausgangssignal 322 ergibt sich im
analogen Logikschalter 222, wenn die Anforderung H2D des zweiten Heizelements im
wesentlichen gleich Null (ZV) ist, was sich vorzugsweise ergibt, wenn 0,05 V festgestellt
werden, obwohl andere Spannungsablesegrenzen verwendet werden können. Kurz
gesagt wird die Anforderung H1D des ersten Heizelements dann dekrementiert, wenn
die Ausgangstemperatur T2 den Übergangseinstellpunkt TSP überschreitet, und die
Anforderung H2D des zweiten Heizelements im wesentlichen Null ist.
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Die Anforderung H2D des zweiten Heizelements wird durch Inkrementieren des
Signals 238 und Dekrementieren des Signals 239 gesteuert, die über die logischen
Und-Glieder geliefert werden. Die Bedingungen, die zum Inkrementieren des Signals
238 der Anforderung H2D des zweiten Heizelements erforderlich sind, sind Ja-
Ausgangssignale 314 vom logischen Glied 216, ein Nein-Ausgangssignal 328 vom
logischen Glied 222 und ein Nein-Ausgangssignal 320 vom logischen Glied 218. Ein
Ja-Ausgangssignal 314 ergibt sich im logischen Glied 216, wenn der
Übergangseinstelpunkt TSP höher als die Temperatur T2 ist. Ein Nein-Ausgangssignal
328 ergibt sich vom logischen Glied 222, wenn die maximale Kapazität des ersten
Heizelements H1M nicht größer als die Anforderung H1D des ersten Heizelements ist.
Ein Nein-Ausgangssignal ergibt sich vom logischen Glied 216, wenn die Anforderung
H2D des zweiten Heizelements nicht größer als die oder gleich der maximalen
Kapazität des zweiten Heizelements H2M ist. Kurz gesagt, ist die Anforderung des
ersten Heizelements H1D, wenn die Ausgangstemperatur T2 geringer als die
Zieltemperatur ist, auf maximaler Kapazität H1M, und die Anforderung des zweiten
Heizelements H2D ist nicht auf maximaler Kapazität H2M, weshalb dann die
Anforderung am zweiten Heizelement H2D inkrementiert werden sollte.
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Die Bedingungen, die zum Dekrementieren des Signals 239 der Anforderung H2D
des zweiten Heizelements erforderlich sind, sind ein Nein-Ausgangssignal 316 vom
logischen Glied 216 und ein Nein-Ausgangssignal 324 vom logischen Glied 220. Ein
Nein-Ausgangssignal 316 ergibt sich im logischen Glied 216, wenn der
Übergangseinstellpunkt TSP nicht höher als die Temperatur T2 ist. Ein Nein-
Ausgangssignal 324 ergibt sich vom logischen Glied 220, wenn die Anforderung H2D
des zweiten Heizelements nicht im wesentlichen gleich Null (ZV) ist. Kurz gesagt sollte
die Anforderung am zweiten Heizelement H2D dekrementiert werden, wenn die
Ausgangstemperatur T2 nicht größer als die oder gleich der Zieltemperatur TSP ist.
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Der Einfachheit halber wurde alles Obige auf der Grundlage eines Zweikammer-,
Zweiheizelement-Fluiderhitzers 10 für Fluide wie Haushalstwasser entworfen und
diskutiert. Die gleiche Logik kann auf die Steuerung eines Mehrelemente-,
Mehrkammer-Erhitzers mit mehr als zwei Heizelementen und mehr als zwei Kammern
einfach durch Einfügen aller zusätzlichen Heizelemente in die zusätzlichen Kammern
aufeinanderfolgend nach dem Heizelement 160 und der Kammer 60 angewandt
werden. Der Konstrukteur kann die Erfindung auf die Ausgangsanforderungen des
Endverbrauchers durch Einbau des notwendigen Steuersystems und der Anzahl von
Kammern und Heizelementen anpassen. Somit wird der Fachmann einfach leden
folgenden Erhitzer bis zur erforderlichen Grenze aussteuern.
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In ähnlicher Weise würde man bei einem Erhitzer 10 mit mehr als zwei Kammern die
Temperatur T2 in zwei getrennte Messungen aufteilen. Die Temperatur T2, die im
logischen Element 214 dargestellt wird, das verwendet wird, um zu bestimmen, ob ein
Durchlauf auftritt, würde vom Temperatursensor 125 erfaßt werden, der in der zweiten
folgenden Kammer 40 liegt. Die Temperatur T2 ledoch, die als Haupt-Heizelement-
Steuereingangssignal im logischen Element 216 verwendet wird, würde vorzugsweise
von der letztfolgenden Kammer erfaßt werden (z.B., wenn sechs Kammern vorhanden
sind, in der sechsten Kammer).
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In ähnlicher Weise kann der Fachmann die Eingangssignale zu den analogen
Logikschaltern 214 und 216 auch als Eingangssignale zu Differentialverstärkern
verwenden, um die Geschwindigkeit- oder Beschleunigungs/Verzögerungs-Grenzen
für einen sich verschiebenden Übergangseinstellpunkt TSP, die Anforderung H1D des
ersten Heizelements und die Anforderung H2D des zweiten Heizelements zur noch
genaueren Steuerung einzustellen.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform stellen der Übergangseinstellpunkt TSP, die
Anforderungen H1D des ersten Heizelements und die Anforderung H2D des zweiten
Heizelements analoge Speichereinheiten dar, die zwischen 0 und 5 V Gleichspannung
arbeiten. Ihr Ausgangssignal wird in asynchrone Impulse unter Verwendung eines
Impulsbreitenmodulators wie eines Motorola MC34060 umgewandelt, dessen
Ausgangssignal dazu verwendet wird, logische NOR-Treiber wie Motorola
SN74LS28N anzusteuern, die wiederum Optoisolatoren wie Motorola MOC3040
ansteuern. Die Optoisolatoren sind direkt mit Triacschaltern verbunden, die die
Energie zu den Heizelementen 140 und 160 steuern. Selbstverständlich sind
äquivalente Komponenten bekannt, die die oben angegebenen Ergebnisse erzielen
könne.
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Das Steuersystem verwendet den Impulsbreitmodulator, um die Heizelemente in jeder
Kammer in Abhängigkeit vom Vergleich zu modulieren, der zwischen dem
Einstellpunkt SSP oder TSP und der Temperatur, wie sie am Ausgang leder Kammer ermittelt
wird, durchgeführt wird. Ein Ziel des Steuersystems besteht darin, eine konstante
Ausgangstemperatur vom Schnellwarmwassererhitzer zu erhalten, wie sie vom
Benutzer des Erhitzers bestimmt wird. Dieses Ziel wird durch sequentielle Änderung
der Aktivierung bzw. "Ein"-Zeit des Heizelements nahe dem letztfolgenden Heizelement
erreicht, das voll eingeschaltet ist, bis die gewünschte Ausgangstemperatur des
gesamten Systems erreicht ist. Wenn der Benutzer des Systems dann wünscht, die
Ausgangstemperatur des Systems zu senken, kehrt sich das Steuersystem selbst um,
um die Deaktivierung der Heizelemente sequentiell zu modulieren und die
Heizelemente abzuschalten, wie es erforderlich ist, um die Ausgangstemperatur des
Fluids absenken zu können. Die Beschleunigung des Modulationstastverhältnisses
kann entweder auf eine Erhöhung, Verringerung oder konstante Rate der
Beschleunigung oder Verzögerung in Abhängigkeit von den Anforderungen des
Systems eingestellt werden.
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Wenn kein Warmwasser vom in Ruhe befindlichen Erhitzers 10 angefordert wird,
beginnt das Steuersystem zunächst, das erste Heizelement 140 zu modulieren, das in
der ersten Kammer 40 liegt. Der Prozentsatz der "Ein"-Zeit des ersten Heizelements
140 steigt weiter an, bis entweder eine erste Schaltpunkttemperatur erreicht ist, (bei
der die Zeit des ersten Heizelements 140 von einem hohen Tastverhältnis auf eine
volle Ein-Position übergeht) oder bis die gewünschte Ausgangstemperatur des Systems
erreicht ist. Wenn die erste Schaltpunkttemperatur vor Erreichen der
Ausgangstemperatur erreicht ist, geht das erste Heizelement 140 von einem hohen
Tastverhältnis auf volle Ein-Position über, und das zweite Heizelement 160 beginnt zu
modulieren. Das Tastverhältnis des zweiten Heizelements 160 steigt wiederum an, bis
die gewünschte Ausgangstemperatur erreicht ist oder bis es voll eingeschaltet ist.
Wenn es voll eingeschaltet ist und eine dritte folgende Kammer enthalten ist, dann
wird der Prozeß wie oben beschrieben fortgesetzt. Wenn nur zwei Kammern enthalten
sind, arbeitet das System dann mit maximaler Ausgangskapazität.
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Es wurde eine Ausführungsform beschrieben, die für die elektronische Steuerung der
elektrischen Heizelemente verwendet wird. Die Ausgangsinkrementierungs- und
Dekrementierungssignale können jedoch ebenso einem Schrittmotor zugeführt
werden, der ein Steuerventil für einen gasbetriebenen Erhitzer einstellt. Es ist nicht
beabsichtigt, die Erfindung auf eine elektrische oder mit Gas erfolgende Erhitzung zu
beschränken, da jede Erhitzungsart auf die Erfindung angewandt und von dieser
umfaßt werden kann.
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Das Steuersystem, das die Steuerlogik 200 und die Durchlauferfassungsvorrichtung
214 der vorliegenden Erfindung verwendet, wie in den Fig. 8, 9 und 10 gezeigt ist,
arbeitet vorzugsweise mit zwei oder mehr Kammern, obwohl eine Kammer ebenso
verwendet werden kann. Wenn nur eine Kammer verwendet wird, muß die
Temperatur an oder nahe dem Einlaßende ebenso wie am oder nahe dem
Auslaßende dieser Kammer erfaßt werden.
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Wie zuvor für die Zweikammer-Ausführungsform beschrieben wurde, liegen die
Temperatursensoren 120 und 125 nahe der Ausgangsöffnung der ersten und zweiten
Kammer 40 und 60. Wenn mehr als zwei Kammern vorhanden sind, muß die
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung nur Temperatursensoren in der ersten und
zweiten Kammer und in der letztfolgenden Kammer enthalten. Die
Temperatursensoren können jedoch in leder Kammer oder ebenso in den Ein- und/oder
Auslaßrohren angeordnet sein. Das Steuersystem verwendet diese
Temperatursensoren, um den Durchlauf eines Fluids durch das System festzustellen
und über Temperaturzustände im System zu ermitteln, und um zu bestimmen, ob die
Heizelemente im System aktiviert werden sollten, um die gewiinschte
Ausgangstemperatur des Fluids durch das System zu erreichen.
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Wenn mehr als zwei Kammern vorhanden sind, kann das Steuersystem entweder
einen Arbeitseinstepunkt OSP für jede Kammer gesondert erzeugen oder einen
Arbeitseinstepunkt OSP nur für den Auslaß aus dem gesamten System
aufrechterhalten. Die Arbeits- und Stand-by-Einstellpunkte sind beide einstellbar bzw.
veränderbar. Der Betriebseinstelpunkt OSP kann eingestellt werden, bevor der
Schnellwasserbereiter installiert wird, oder kann vom Benutzer eingestellt werden.
Wenn die Temperatursensoren in jeder Kammer enthalten sind, kann das
Steuersystem die Temperaturanzeige am Auslaß jeder Kammer, wie sie von den
Temperatursensoren erfaßt wird, mit den jeweiligen Einstellpunkttemperaturen
vergleichen. Bei der bevorzugten Ausführung jedoch vergleicht das Steuersystem die
Einstellpunkttemperatur mit der Temperaturanzeige am Auslaß des gesamten Systems,
wie es vom Temperatursensor in der letztfolgenden Kammer ermittelt wird.
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Die Steuersystemlogik 200 hat auch eine Temperaturnebenschlußeigenschaft. Wenn
der Sensor 125 feststellt, daß die Ausgangstemperatur T2 der zweiten Kammer 60
(bzw. der letzten Kammer bei einem Mehrkammersystem) den Übergangseinstellpunkt
TSP überschreitet, bestimmt die Steuersystemlogik 200, daß die erste Kammer 40 eine
Übertemperatur erreicht hat, und dekrementiert die Heizelemente 140 und 160. Die
Heizelemente 140 und 160 werden wieder zurückgesteuert, sobald die Temperatur T2
und die Übergangseinstellpunkttemperatur TSP abkühlt. Die Steuersystemlogik 200
hat eine zusätzliche Übertemperatur-Nebenschlußeigenschaft durch den Eingang vom
thermostatischen Abschalter 177 mit hohem Grenzwert, der die Heizelemente 140
und 160 abschaltet, wenn Übertemperaturzustände infolge eines Ausfalls der
Steuerlogik 200, der Sensoren 120 oder 125 etc. auftreten.
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Alle diese Teile, die verwendet werden, um den Durchlauferhitzer herzustellen, können
aus Kunststoff mit Ausnahme der elektronischen Steuerung und Verdrahtung, der
Heizelemente 140 und 160, der Temperatursensore 120 und 125, der O-Ringe und
verschiedener Hardware hergestellt werden. Durch die Verwendung von Kunststoffen
können die Kammern mit niedrigen Kosten hergestellt werden, sind nicht
korrodierbar, selbstisolierend, leicht, stabil, haltbar und in der Lage, bei
Temperaturen über 150º Fahrenheit (65º C) zu arbeiten. Thermoplastische
Hochtemperatur-Harze können verwendet werden, um die technischen
Konstruktionsanforderungen zu erfüllen. Bevorzugter Rochtemperaturkunststoff ist vorzugsweise
eine Gruppe von Harzen, die unter den eingetragenen Markennamen "NORYL" und
"ULTEM" von der General Electric Company vertrieben werden. "NORYL" und ¹"ULTEM"
können für Betriebstemperaturen bis zu und über 180º Fahrenheit (82º C) verwendet
werden. "NORYL"-Harze behalten ihre Zug- und Biegefestigtkeit und ihren Modul bei
Temperaturen über 200º Fahrenheit (93 º C) bei, haben relativ niedrige
Wärmedehnungskoeffizienten (zwischen 1,4 und 4,1 in/in/ºF x 10&supmin;&sup5; bzw. 2,5 und 7,4
cm/cm/ºC x 10&supmin;&sup5;) ermöglichen eine breite Wahl von Ausenktemperaturen bei Last,
haben niedrige Wasserabsorptionsraten bei erhöhten Temperaturen, was zur
dimensionsmäßigen Stabilität bei hohen Wassertemperaturbedingungen beiträgt,
sowie niedrige Wäremverluste. "ULTEM" ist in Anwendungsfällen verwendbar, in
denen eine hohe Festigkeit gegen chemische Verwitterung von Erdölprodukten
erforderlich ist, und ist stabiler als "NORYL" bei hohen Temperaturen. Andere
Materialien wie Keramik können ebenfalls zur Konstruktion der Kammern verwendet
werden. Verschiedene Betriebstemperaturen können vom Konstrukteur bzw.
Installateur durch den Stand-by-Einstellpunkt SSP und den Arbeitseinstelpunkt OSP
einbezogen werden, die manuell einstellbar sind. Der Einsatz von O-Ringen und
Nuten kann zwischen Verbindungsteilen geändert werden. O-Ringe und Nuten sollen
jedoch für die modulare Bauweise und die Kompatibilität der Kammern eingesetzt
werden. Die Kammern sollen auch durch andere Einrichtungen wie chemische oder
Ultraschallschweißen abgedichtet werden.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wurde oben gezeigt und beschrieben.
Selbstverständlich können kleinere Änderungen in den Details und der Konstruktion
und Anordnung der Teile durchgeführt werden, ohne, daß der Rahmen der
vorliegenden Ansprüche überschritten wird.