DE69122245T2 - Thermoplastischer wärmeaustauscher - Google Patents

Thermoplastischer wärmeaustauscher

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Folglich besteht die Notwendigkeit für erhebliche Verbesserungen in vollständigen Durchlauf-Schnellwarmwasserbereitersystemen mit dem Ziel, alle zuvor erwähnten Nachteile zu beseitigen.
  • 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.
  • Die DE-B-1232720 und die DE-A-3401935 beschreiben Warmwasserbereiter mit modularen Konstruktionen.
  • Die Erfindung schafft einen modularen Warmwasserbereiter entsprechend dem Anspruch 1.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 - 10 beispielsweise erläutert. Es zeigt:
  • Fig. 1: einen Aufriß eines Zweikammer-Durchlauferhitzers, aus der ein einzelner Modul des Wasserbereiters hervorgeht;
  • Fig. 2: eine Seitenansicht eines Zweikammer-Durchlauferhitzers;
  • Fig. 3: eine Aufsicht eines Zweikammer-Durchlauferhitzers;
  • Fig. 4: einen Querschnitt eines Zweikammer-Druchlauferhitzers, wie er in Fig. 1 gezeigt ist;
  • Fig. 5: einen Querschnitt eines Zweikammer-Durchlauferhitzers längs der Linie 5-5 in Fig. 4;
  • Fig. 6: eine Endansicht des Entlüftungsstopfens;
  • Fig. 7: in auseinandergezogener Anordnung eine perspektivische Darstellung der beschriebenen Erfindung mit zwei Kammern;
  • Fig. 8: ein Funktionsblockschaltbild des Steuersystems der beschriebenen Erfindung;
  • Fig. 9: eine schematische Darstellung der Durchlauferfassungseinrichtung, die bei der beschriebenen Erfindung alternativ eingebaut ist; und
  • Fig. 10: ein Funktionsblockschaltbild der Steuerlogik gem. der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

1. Modularer Warmwasserbereiter (10) zur im wesentlichen sofortigen Erhitzung von Wasser mit einer ersten und zweiten Kammer (40, 60), von denen jede eine Einlaßöffnung hat, die an deren einem Ende liegt, und eine Auslaßöffnung, die an deren entgegengesetztem Ende liegt, wobei die Auslaßöffnung für die erste oder zweite Kammer nahe der Einlaßöffnung für die andere der ersten und zweiten Kammer für den Durchlaufbetrieb des Warmwasserbereiters liegt, und die erste und zweite Kammer Heizeinrichtungen (140, 160) und Temperatursensoreinrichtungen (120, 125) darin aufweist, bei dem:
eine Entlüftungsöffnung (109) nahe dem oberen Ende der ersten oder zweiten Kammer angeordnet ist, deren Einlaßöffnung am oberen Ende der Kammer und deren Auslaßöffnung am unteren Ende der Kammer liegt, wobei die Entlüftungsöffnung Gas vom oberen Ende der Kammer ableitet, während Wasser von der Einlaßöffnung der Kammer nach unten und aus der Auslaßöffnung dieser Kammer strömt.
2. Modularer Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, bei dem die erste und zweite Heizeinrichtung (140, 160) jeweils in der ersten bzw. zweiten Kammer vollständig vom oberen Ende des Warmwasserbereiters aus gehalten sind, und bei dem eine Grundplatte des Warmwasserbereiters leicht lösbar und wiederbefestigbar ist, so daß die erste und zweite Kammer für die Beseitigung von Feststoffen aus jeder Kammer direkt zugänglich sind.
3. Modularer Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, bei dem die erste Temperatursensoreinrichtung (120) nahe dem Auslaß der ersten Kammer (40) angeordnet ist, und bei dem die zweite Temperatursensoreinrichtung (125) nahe dem Auslaß der zweiten Kammer (60) angeordnet ist, so daß die erste und zweite Temperatursensoreinrichtung an gegenüberliegenden Enden des modularen Warmwasserbereiters angeordnet sind.
4. Modularer Warmwasserbereiter nach Anspruch 1 weiterhin aufweisend eine Steuereinrichtung (200) zum Aktivieren der ersten und zweiten Heizeinrichtung, die eine Reguliereinrichtung aufweist, um die Heizeinrichtungen hoch- und herunterzufahren und eine im wesentlichen konstante Temperatur des Ausgangsfluids des Warmwasserbereiters zu erreichen.
5. Modularer Warmwasserbereiter nach Anspruch 4, bei dem die Steuereinrichtung (200) eine Folgesteuereinrichtung zur selektiven Betätigung der ersten Heizeinrichtung (40) vor der Betätigung der zweiten Heizeinrichtung (60) aufweist.
6. Modularer Warmwasserbereiter nach Anspruch 4, bei dem die Steuereinrichtung (200) eine Einstelltemperatur-Wähleinrichtung aufweist, die die Solltemperatur des Ausgangsfluids des Warmwasserbereiters darstellt.
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