JP2010522315A - 流体を加熱する改良されたシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

流体を加熱する装置は、予熱タンクを含む。予熱タンク内の水などの流体は、予熱タンクの流体を経由して電流を流すことのできる少なくとも１対のタンク電極間に電流を流し、タンクの流体を予熱温度まで加熱することによって加熱される。予熱温度は、装置の所望の出力流体温度よりは低い。余熱タンクの流体は、出力温度ブースタ送水路を経由して装置の出口に流れる。出力温度ブースタ送水路は、出力温度ブースタ送水路の流体を経由して電流を流すことができる電極対を有し、流体は出力温度ブースタ送水路内で動的に所望の出力流体温度まで加熱される。装置は、流体が装置内で熱くなるときの導電率の勾配のみならず、入力流体の導電率の変動にも適合できる。
【選択図】 図１

Description

関連出願との相互参照
本出願は、2007年３月26日出願のオーストラリア特許仮出願第2007901601号、2007年３月30日出願のオーストラリア特許仮出願第2007901707号からの優先権を主張し、ここに参照によりこれらの内容を組み込んだものとする。

発明の分野
本発明は、流体を急速に加熱する装置、システム、及び方法に関し、特に、電気エネルギーを用いて流体を急速に加熱する装置、システム、及び方法に関する。

様々な形態の給湯システムが、先進国における極めて多数の住宅及び職場に設置されている。いくつかの国では、水の加熱用の最も一般的なエネルギー源は電気である。

もちろん、一般に知られているように、化石燃料を燃焼させることによる電気の生成は、汚染及び地球の温暖化に深く関わっている。例えば、1996 年には、米国における最大の電気消費セクタは家庭であり、発生するすべての炭素排出量の20% を占めていた。この電気消費セクタからの全炭素排出量のうちで、63%は、このセクタ用の電気を生成するのに用いられる化石燃料の燃焼に直接帰属するものであった。

先進国では、電気は今や、住宅に日常不可欠なものと考えられており、1990 年以来、世帯当たり電気消費量が年当たり約1.5%の率で増加しているため、住宅セクタの電気消費量の予想される増加は、炭素の安定化（stabilisation）及び京都議定書の目標を満たすことに関する論争における中心的な課題になっている。

1982年から1996年まで、米国の世帯数は、年当たり1.4% の率で増加し、同じ期間の住宅電気消費量は、年当たり2.6% の率で増加した。したがって、米国の世帯数は、2010 年までに毎年1.1% 増加すると見込まれ、同じ期間の住宅電気消費量は、毎年1.6% の率で増加すると予想されている。

1995年に、世界全体で約4000 万戸の世帯が電気給湯システムを使用していると推定された。電気給湯システムの最も一般的な形態は、水が所定の温度まで時間をかけて徐々に加熱される貯蔵タンクを含んでいる。貯蔵タンクの水は、水が貯蔵タンクから汲み出され冷たい給水で補充されるときに所定の温度に維持される。一般に、貯蔵タンクは、主電源に接続され、動作がサーモスタットまたは温度監視装置によって制御される浸漬電気抵抗加熱素子を含んでいる。

電気温水貯蔵システムは一般に、消費者が将来のある時点まで温水を必要としないにもかかわらず、水を貯蔵し、使用に必要な温度よりも高い所定の温度まで加熱するという原理に基づいて動作するため、エネルギー効率が低いと考えられている。熱エネルギーが貯蔵タンクの温水から失われるので、この水を所定の温度まで再加熱するにはさらに電気エネルギーを消費する必要がある。結局、消費者が温水を必要としない期間はかなり長い。しかし、この期間、電気温水貯蔵システムは、消費者がいつか温水を必要とするときのために備えて水を加熱するためにエネルギーを消費し続ける。

もちろん、水温が短期間内に所定のレベルに達するように水を急速に加熱すると、システムは、温水を貯蔵している結果として必然的に生じる非効率を避けることができる。現在、天然ガスやLPG（液化石油ガス）などのガスと電気の両方をエネルギー源として用いる急速加熱すなわち「瞬間」給湯システムが利用可能である。天然ガスおよびLPG の場合、これらは、これらの燃料に点火することによって流体に対して十分な熱エネルギー伝達を行い、かつ流体の温度を制御された条件の下で比較的短時間内に十分なレベルまで上げることができるため、流体の急速加熱に特に適した燃料源である。

しかし、水の急速加熱に天然ガス燃料源を用いることはできるが、これらの燃料源は容易に得られるとは限らない。これに対して、電源は、先進国におけるほとんどの世帯で容易に利用できる。

以前より電気「瞬間」給湯システムを製作する試みがなされているが、成果は上がっていない。これらの試みには、熱ワイヤシステム及び電磁誘導システムが含まれる。比較的小さな直径を有する非伝熱性および非導電性チューブ内にワイヤが配置された熱ワイヤ「瞬間」給湯システムが開発されている。又は、給湯システムは、熱せられる抵抗ワイヤのすぐ近くを水が流れることを保証するハウジング内で具体化することができる。動作時には、水はワイヤに接触しながらチューブ内を通過するか又はワイヤの非常に近くを通過し、ワイヤが通電され、それによって熱エネルギーがチューブ内の水に伝達される。制御は一般に、チューブからの水の出力温度を監視し、この温度を所定の温度設定と比較することによって行われる。水の監視された出力温度に応じて、水温が所望の温度設定に達するまでワイヤに電圧が印加される。

熱ワイヤ型システムは、温水の貯蔵に伴うエネルギー非効率を回避するが、残念なことに他のいくつかの欠点を有している。特に、ワイヤを周囲の水の温度よりもずっと高い温度まで加熱する必要がある。このことは、塩化カルシウムや硫酸カルシウムのような通常水中に様々な濃度で存在する溶解した塩の結晶を形成させるという不利な効果を有する。水に直接接触するワイヤの高温領域は、これらの種類の結晶の形成を引き起こすのに適した環境を与え、その結果、ワイヤが「固化」し、したがって、ワイヤから周囲の水への伝熱効率が低下する。このような環境ではチューブは直径が比較的小さいので、結晶が形成されると、チューブを通る水の流量が少なくなる恐れがある。さらに、熱ワイヤ型システムは、水が熱ワイヤに極めて接近していることを保証する必要上、効果的動作のために比較的高い水圧を必要とし、したがって、これらのシステムは、比較的低い水圧を有するか、又は水のピーク使用時に水圧が頻繁に低下する可能性のある領域では有効に使用できない。

電磁誘導システムは変圧器と同様に機能する。この場合、変圧器の２次巻線に誘導された電流は、２次巻線を加熱させる。ここで発生する熱は、水を、２次巻線を囲む水ジャケット内を循環させることによって散逸させられる。加熱された水はその後、システムから出て使用される。制御は一般に、水ジャケットからの水の出力温度を監視し、この温度を所定の温度設定と比較することによって行われる。水の監視出力温度に応じて、１次巻線に印加される電圧を変化させることができ、それによって、水温が所望の温度設定に達するまで２次巻線に誘導される電流が変化する。

このタイプのシステムは、温水の貯蔵に伴うエネルギー非効率を回避するが、他のいくつかの欠点も有している。特に、２次巻線を周囲の水の温度よりも高い温度まで加熱する必要がある。これは、上述のような溶解した塩の結晶を形成させるのと同じ効果を有する。２次巻線と周囲の水ジャケットとの間の隙間は一般に比較的狭いので、結晶が形成されるとジャケット内を通る水の流量も少なくなる恐れがある。

さらに、２次巻線に磁界が発生し高電流が誘導される結果、許容できないレベルの電気雑音またはRF雑音が生じる可能性がある。この電気雑音またはRF 雑音は、抑圧または遮蔽するのが困難であることがあり、電磁場内の電磁場の影響を受けやすい他の装置に影響を与える。

上記考察は、同様に、給湯システム及び沸騰水ディスペンサーに当てはまり、給湯システムでは、所望の出力水の温度は、一般に約60℃以下であり、沸騰水ディスペンサーでは、所望の出力水の温度は、一般に、90−95℃の範囲内又は近辺などより高い。

従って、電気エネルギーを使用して、流体、特に水を、急速に加熱する装置であって、すくなくとも他のシステムの幾つかの欠点を解消する装置を提供することが望ましい。

さらに、電気エネルギーを使用して、流体、特に水を、急速に加熱する改良された方法であって、消費電力を最小限にする方法を提供することが望ましい。

さらに、電気エネルギーを使用して、流体、特に水を、加熱する改良されたシステムであって、家庭及び/又は業務用途に適したかなり急速な加熱を行うことができるシステムを提供することが望ましい。

さらに、出力温度の制御を容易にし、一方、溶解した塩の結晶の形成を最小限に抑える、改良された電気流体加熱用装置および方法を提供することが望ましい。

さらに、家庭及び商業建築物に於いて一般に利用可能な主電源を用いる改良された流体加熱システムを提供することが望ましい。

さらに、様々な流体スループット容量を持つように製造することのできる改良された加熱装置を提供することが望ましい。

さらに、様々な流体又は様々な硬度の水に対処するように構成できる流体加熱装置を提供することが望ましい。

さらに、温水口に極めて接近して設置し、それにより温水の到達の遅延を減らし、不必要な水の消失を解消できる流体加熱装置を提供することが望ましい。

本明細書に含まれる文献、法令、機材、装置、物品などについての議論は、本発明の背景を与えるためのものに過ぎない。これらの事項のどれか又はすべてが、本出願の各請求項の優先日よりも前に存在していたために、従来技術の基礎の一部を形成するか、または本発明に関連する分野における常識であったことを認めるものとみなされてはならない。

この明細書全体を通じて、用語「含む(“comprise”)」、又は「含む（"comprises"又は"comprising"）」などの変形体の用語は、記載された要素、数値又はステップ、或いは要素、数値又はステップのグループの包含を意味し、その他の要素、数値又はステップ、或いは要素、数値又はステップのグループの排除を意味するものではないことが理解されよう。

第１の態様によれば、本発明は、流体を加熱する装置であって、
予熱タンクの流体を経由して電流を流すことができる少なくとも１対のタンク電極を有し、前記タンクの流体を予熱温度まで加熱することができる予熱タンクと、
予熱タンクの流体が装置の出口まで経由して流れる出力温度ブースタ送水路であって、
出力温度ブースタ送水路の流体を経由して電流を流すことができる少なくとも１対の出力電極を有し、出力温度ブースタ送水路内で流体を動的に装置の所望の出力流体温度まで加熱する出力温度ブースタ送水路と、を含み、前記予熱温度が、前記所望の出力流体温度よりは低い温度である、装置を提供する。

第２の態様によれば、本発明は、流体を加熱する方法であって、
予熱タンクの流体を経由して、予熱タンクの少なくとも１対のタンク電極間に電流を流し、前記タンク内の流体を予熱温度まで加熱することと、
出力温度ブースタ送水路経由の流体出力時には、出力温度ブースタ送水路の流体を経由して、少なくとも１対の出力電極間に電流を流し、出力温度ブースタ送水路内で流体を動的に所望の出力流体温度まで加熱することと、を含み、前記予熱温度が、前記所望の出力流体温度よりは低い温度である、方法を提供する。

本発明の実施形態は、望ましくは、タンク内の流体の温度を測定するタンク流体温度測定手段を含む。タンク流体温度測定手段は、望ましくは、出力温度ブースタ送水路の入口の近位に配置される。追加として、又は代替として、出力流体温度を測定する出力流体温度測定手段を設けてよい。出力流体温度測定手段は、望ましくは、出力温度ブースタ送水路の出口の近位に配置される。

出力温度ブースタ送水路は、望ましくは、出力温度ブースタ送水路に沿って配置された少なくとも第１と第２の電極セットを含み、前記第１と第２の電極セットはそれぞれ、流体を経由して電流が流され、前記流体が出力温度ブースタ送水路を流れる間に、前記流体を加熱する少なくとも１対の電極を有する。

本発明の実施形態は、望ましくは、出力温度ブースタ送水路を通る流体流量を決定するための流体流量決定手段をさらに含む。

本発明の実施形態は、望ましくは、出力温度ブースタ送水路の電極に電力を供給し制御する電気制御手段をさらに含み、前記制御手段は、測定されるタンク流体温度、測定される出力流体温度及び流体流量に応じて、電流と印加電圧を関係付ける処理手段を有し、各電極セットから前記流体に入力される所望の電力を決定し、所望の出力流体温度を達成する。

一実施形態に於いては、送水路内温度測定手段が、出力温度ブースタ送水路の第１及び第２電極セットの間の流体の温度を測定し、前記制御手段は、前記測定温度と、各それぞれの電極セットを横切る流体の所望の温度上昇とに従って、第１及び第２電極セットに対する電力を制御する。

好適な実施形態においては、各対の電極が流路を隔てて間を置いて配置され、流体が出力温度ブースタ送水路を流れるとき、各対の電極間に印加される電圧によって、電流が流体を通って前記流路を横切って流れる。

本発明の好ましい実施形態では、流体に渡される電力の制御は、マイクロコンピュータ制御の管理システムによって行われる。マイクロコンピュータ制御の管理システムは好ましくは、流入する流体の電気伝導度の変動のみならず、システム自体内の流体の温度の変化による流体自体の導電率の変化を検出し、それに対処することができる。すなわち、本発明の好ましい実施形態では、管理システムは、電気伝導度、または加熱システムの各加熱素子の入力と出力との間の導電率の勾配を監視し、それに対応する。家庭用給湯に用いられる本発明の一実施形態による流体加熱システムでは、水温の変化や溶解した化学物質および塩の濃度の変化などの因子によって、流入する水の電気伝導度が変動する可能性もあり、当然のことながらこのような変化に対処すべきである。しかし、本発明の好ましい実施形態はまた、流体がタンク内及び出力温度ブースタ送水路内で加熱されるときに流体の電気伝導度の変化を管理して対応する、すなわち、導電率の勾配を効果的に処理する。

従って、本発明の実施形態は、各セットの電極間に可変電圧を印加し、それによって各セットの電極間の流体に電流を流すことと、前記可変電圧が印加されたことに応答して各電極セットの電極間の流体を流れる電流を監視することと、各電極対によって流体に渡される電力の量が前記流体の所定の温度上昇に相当するように、前記監視の流体温度及び電流を参照することによって求められる前記流体の導電率に応じて各電極セットの電極間の前記可変電圧を制御することとを含んでよい。

本発明の方法の好ましい実施形態では、可変温度および溶解した化学物質ならびに塩の可変濃度によって生じ且つ流体を加熱することによって生じる流体の電気伝導度の変化を、流体の温度を所望の量だけ上昇させる際に導電率の変化に対処するように可変電圧を変えることによって補償することを含む追加のさらなるステップを実行することができる。このようなステップは、電極セットに印加される電力を制御し、その電極セグメントにおいて必要な一定の流体温度上昇を維持することによって行ってよい。その場合、可変電圧を調整して、各電極対が関係する流路のセグメント内の流体の導電率の変化を補償してよく、これは、そのセグメント内の流体によって流される電流に影響を与える。個々の電極セグメントを通過する流体の導電率の変化をこのように別々に処理することができる。したがって、システムは、システム全体に亘って生じる導電率の勾配を効果的に制御し処理することができる。

出口流体の所望の温度は、調整可能な制御手段を介してユーザによって調整することができる。

任意のセットの電極間を通過する流体の体積は、内部に於いて流体が電極にさらされる送水路の寸法を測定し、流体流と結合して考慮することによって正確に求めることができる。

同様に、出力温度ブースタ送水路を通る流体の流量を測定することによって、所与の体積の流体が電極から電力を受けている時間を求めることができる。流体の温度上昇は、流体に印加される電力の量に比例する。流体の温度を既知の量だけ上昇させるのに必要な電力の量は、加熱される流体の質量（体積）および送水路を通る流体の流量に比例する。流体を通って流れる電流の測定値は、電気伝導度又はその流体の導電率の尺度として用いてよく、したがって、印加電力を一定に維持するのに必要な印加電圧の必要な変化を求めるのを可能にする。電気伝導度、したがって加熱中の流体の導電率は、温度の上昇と共に変化し、したがって、流体流の経路に沿った導電率の勾配が生じる。

流体の本体の温度を上昇させるのに必要なエネルギーは、２つの関係を組み合わせることによって求めることができる。

関係(1)
エネルギー＝比熱容量 × 密度 × 体積 × 温度変化
または
流体の本体の温度を上昇させるのに必要な単位時間当たりのエネルギーは、以下の関係によって求めることができる。

電力(P)＝比熱容量(SHC) × 密度 × 体積(V) × 温度変化(Dt)/ 時間(T)
分析のために、水の比熱容量を温度０℃ から100℃ の間で定数とみなしてよく、水の密度は１に等しく、密度も定数と考えてよい。したがって、単位質量の水の温度を１秒で１℃ 変化させるのに必要なエネルギーの量は、定数とみなされ、「k」と示してよい。体積／時間は、流量（Fr ）の等価量である。したがって、流体の本体の温度を上昇させるのに必要な単位時間当たりのエネルギーは、以下の関係によって求めることができる。

電力(P)＝k x 流量(Fr)x 温度変化(Dt)/ 時間(T)
したがって、必要な温度変化が既知である場合、流量を求めることができ、必要な電力を算出することができる。

通常、ユーザが温水を必要とするとき、給湯栓が操作され、したがって、水がタンクから出力温度ブースタ送水路を通り流れ出る。この水の流れは流量計によって検出してよく、この流れによって加熱シーケンスを開始することができる。タンクの水の温度を測定し、システムから出力される水の事前に設定された所望の温度と比較することができる。この２つの値から、出力温度ブースタ送水路の入口から出口までの水温の必要な変化を求めることができる。

もちろん、電極セグメントの入口の水の温度を経時的に繰返し測定してよく、測定された入口の水温の値が変化するに従い、電極セグメントの入口から出口までの必要な温度変化の計算値をそれに応じて調整することができる。同様に、温度、鉱物含有量などの変化に応じて、電気伝導度、したがって、流体の導電率が経時的に変化する可能性がある。したがって、流体を流れる電流が変化し、結果として水に印加される電力が変化する。電極セグメントの温度出力を経時的に繰返し測定し、これらの出力を必要な出力温度値と比較することによって、繰返し計算を行い、電極セグメントに印加される電圧を絶えず最適にすることができる。

好ましい一実施形態では、マイクロコンピュータ制御の管理システムによって提供される計算手段を用いて、電極セグメントの入口と出口との間の所望の温度変化をもたらす電力の値を求め、水の導電率に対する変化の効果を測定し、それによって所与の流量に対して印加する必要のある電圧を算出することによって、電極間を通過する流体に印加すべき電力が求められる。

関係(2) 電力の制御
本発明の好ましい実施形態では、各電極セグメント内の電極間を、従って、流体内を流れる電流が測定される。電極セグメントの入力温度および出力温度も測定される。電流および温度を測定することにより、マイクロコンピュータ制御の管理システムの計算手段は、流体の温度を所望の量だけ上昇させるために電極セグメント内の流体に印加する必要のある電力を求めることができる。

一実施形態では、マイクロコンピュータ制御の管理システムによって提供される計算手段は、電極間を通過する流体に印加すべき電力を求め、それによって、温度変化を実質的に一定するために印加する必要のある平均電圧を算出する。

下記の関係(2)は、印加すべき電力をできるだけ正確にほぼ瞬間的に計算するのを容易にする。これによって、他の場合には水を必要な温度で供給する前に先ずシステムを通過させることが必要になる水の不必要な使用が無くなる。これによって、水又は他の流体を節約することが可能となる。

好ましい実施形態では、計算手段は、電極間を通過する流体に供給すべき電力を求め、次に、各電極セグメントに必要な電力の算出ができて且つ各電極セグメント(n)に流される電流を測定できる場合に、以下のようにこの電極セグメント（ES）に印加すべき電圧を算出することができる。

関係(2)
電圧ESn[Vappn]= 電力ESn[Preqn]/電流ESn[Isn]
Vappn=Preqn/Isn
初期加熱シーケンスの一部として、電極間を通過する流体の初期導電率を求めるために印加電圧を比較的小さな値に設定してよい。電極に電圧を印加すると、電流が、電極間を通過する流体を経由して流れ、したがって、流体の導電率を求めることができる。これは、流体の導電率は流体を経由して流れる電流に正比例するからである。したがって、電極セグメント内の電極間を流れる流体に供給すべき電力を求めた後、電極セグメント内の電極間を流れる流体の温度を必要な量だけ上昇させるためにこれらの電極に印加すべき必要な電圧を求めることが可能である。流体によって流れる瞬時電流は好ましくは、出力温度ブースタ送水路の長さに沿って変化に関して、連続的に監視される。送水路に沿った任意の位置で流れる瞬時電流の変化は、電気伝導度または流体の導電率の変化を示す。電極セグメント内の電極間を通過する流体に見られる導電率の様々な値は事実上、加熱流路に沿った比導電率の勾配を定める。

好ましくは、様々なパラメータが連続的に監視され、計算が連続的に実行され、流体に供給すべき電力と電極に印加すべき電圧とが求められ、流体の温度を所与の時間内に、事前に設定された所望の温度に上昇させる。

本発明の一実施形態による流体加熱装置の側面図である。 図１の装置を組み込んでいるシステムの概略ブロック図である。 図２のシステムの動作を示すフローチャートである。

次に、本発明の実施例を、添付図面を参照して説明する。

図面を参照すると、図１は、一の実施形態の加熱システムの流体加熱装置10の側面図であり、そこでは、水が本体12を通って入口11から出口30に流される。本体12は好ましくは、合成プラスチック材料のような非導電性の材料で作られる。しかし、本体12は、導電性を有する銅管などの金属製送水管に連結される可能性が高い。したがって、図２に示す接地メッシュグリッド14が本体12の入口11及び出口30に含められ、装置10に接続された任意の金属配管を電気的に接地している。接地グリッド14は理想的には、本実施形態の加熱システムが設置された電気設備の接地に接続される。接地ストラップ14は、装置10を通過する水を経由して電極から電流を引き出すことが出来るので、漏電遮断器（RCD)を作動させることができる。この実施形態の特に好ましい形態では、システムは漏電回路保護装置を含んでいる。

本体12はタンク16を画定し、この実施形態では、1.5リットルの容積を有している。タンク16内には、予熱電極セット一組18が設けられている。電極は、水平面に取り付けられ、対流効率を最大にする。電極材は、適切な金属、または、導電性プラスチック材又は炭素含浸材などの非金属導電材でよい。電極は、化学反応及び/又は電気分解を最小限に抑える材料から選択されることが重要である。

予熱ステージでは、予熱タンク16の水は、電極18によって、タンク16に入ってくる水の周囲温度よりは高く、しかし装置10によって出力される水の所望の出力温度よりは低い予熱温度まで、予熱される。本実施形態では、予熱温度は60℃であり、出力温度ブースタ送水路22の入口で温度プローブ20によって測られる。予熱温度まで加熱されたタンク16の水は、そのとき、オンデマンドで使用できる状態である。

出口栓（図示せず）が開けられると、水は、ブースタステージの間、タンク16から出力温度ブースタ送水路22を通って流れ出る。出力温度ブースタ送水路は、共通接地又は中性電極25を有する電極セット24と26を含み、それら電極セットは、電力供給コントローラ41によって制御され、送水路22を流れる水を90℃の温度まで加熱する。その温度は、送水路22の出口30に配置された温度プローブ28によって測定される。

電力供給コントローラ41は又、送水路22内に配置された流量測定装置（図示せず）と、ユーザが所望の出力流体温度を設定できる温度設定装置37とから直接信号を受信し、送水路22への入力流体の温度を測定するタンク温度測定装置20と、送水路22から出る流体の温度を測定する出力温度測定装置28とから追加信号を受信する。コントローラ41は、電極24と電極26との間の流体温度を測定する、電極セット24と電極セット26との間に設置された中間温度測定装置（図示せず）からの信号に応答してよい。

電力コントローラ41は、様々な監視された入力を受信し、所望の電極対の電圧に関する必要な計算を行い、タンク16内にある流体、及び/又は送水路22を流れる流体に供給すべき算出された電力を供給する。電力コントローラ41は、電極対18、24及び26の各々に接続された３つの別々の位相の各々からの電圧のパルス供給を制御する。各パルス電圧供給は、電力コントローラ41から電力スイッチィングデバイスモジュール42への別々の制御信号によって個々に制御される。

したがって、電力コントローラ41内のソフトウェア・プログラムの制御下の計算手段は、電力コントローラ41が代表的な入力信号を受信する様々なパラメータに基づいて、電力スイッチィングデバイスモジュール42によって必要とされる制御信号を算出し、予熱タンク16内にある水、及び/又は送水路22を流れる水に必要な温度変化を与えるように、必要な電力を供給し、加熱された水が温度設定装置37によって設定された所望の温度で送水路22から出力されることが理解されよう。

ユーザが温度設定装置37を用いて所望の出力水温を設定すると、設定値は、電力コントローラ41によって取り込まれ、変更または再設定されるまでシステム・メモリに記憶される。好ましくは、メモリに90℃という所定のデフォルト値が保持され、温度設定装置37は温度設定値を視覚的に示してもよい。電力コントローラ41は、水を加熱することができなくなる最高温度値を表す、温度設定装置37向けの事前設定の最大値を有してもよい。したがって、温度設定装置37の値は最大設定値を超えることはできない。システムは、何らかの理由で、出力温度装置36によって検知された温度が設定最高温度よりも高くなった場合、システムがただちにシャットダウンされ停止されるように構成してもよい。

図３は、装置10の２つの動作ステージを示すフローチャート300である。予熱動作ステージでは、温度プローブ20が使用され、タンク16の水の温度が60℃の予熱温度にあるかどうかが３２０で判定される。予熱温度にない場合、３２２で、可視出力表示器LEDがオフ（青）にされ、３２４で、タンク16の電極18が作動され、温度が60℃に上がるまで水が加熱され、制御は３２０に戻る。

タンクの水温が60℃になると、制御は、ブースタステージに移行する。ブースタステージでは、３４０で、タンク電極18がオフされ、３４２で出力LED表示器がオン(赤)され、３４４でシステムは、出口栓を開くユーザによるMPSの起動を待つ。出口栓が閉じたままの間は、システムは、３２０に戻り、タンク温度を維持する。しかし、ステップ３４４で、出口栓が開いている場合、３４６で必要な温度ゲイン計算を行い、電極24と26によって印加されるべきパルス範囲ルーティンを設定し、出力送水路22の流体を適切量だけ加熱する。３４８で、プローブ28によって測定される出力温度が所望の温度（この例では90℃）より低い場合、ステップ３４６が繰り返され、パルスルーティンが修正される。３５０では、電極24と26は、ステップ３４６で規定されたようにオンのままであり、タンク電極18は、オフのままである。

制御300は、次に判定点３６０に移り、そこでは、プローブ20による測定温度が50℃より低い（即ち、60℃の所望のタンク温度より10℃よりも低い）かどうかが判定される。もし、低いなら、制御は、３２２のタンク予熱ステージに戻る。低くないなら、制御は、３４０のブースタ加熱プロセスに戻る。

ブースタシステムは、送水路22に於ける水流が検出されると、作動する。これによってブースタ加熱シーケンスが開始する。タンクの水の温度は入力温度装置20によって測定され、この値はコントローラ41によって取り込まれ、システム・メモリに格納される。温度設定装置37が設定された温度値またはデフォルト温度値を有するため、水温の必要な変化は、設定温度と測定された入力温度との差として容易に求められる。もちろん、２０（入力温度装置）でのタンクの水の温度は繰り返し測定され、値が変化すると、算出される温度差も変る。

計算手段41は次に、送水路22を流れる水の温度を20で測定された入力温度から設定温度に上げるために、水に印加する必要のある電力を求めることができる。計算手段41は、流れる水に印加する必要のある電力を算出した後、電極対24及び26間に印加する必要のある電圧を算出し、それによって水を経由して必要な電流を流すことができる。

本実施形態では、送水路22を流れる水の初期加熱シーケンスの一部として、印加電圧は、水の導電率又は比熱容量を算出するために所定の低い値に設定される。この電圧を水に印加すると、電流が流れ、コントローラ41の電流測定装置は、流れる電流を測定し、コントローラ41に信号を与える。総電流の値も周期的に測定される。

次いで、制御システム41は一連の検査を実行し、
(a)出口での水温が最高許容温度を超えておらず、
(b)漏電が所定の設定値を超えておらず、
(c)システム電流がシステムの事前に設定された限界を超えていない
ことを確認する。

これらの検査は、装置が動作している間繰り返し実行され、いずれかの検査によって制御限界を超えていることが判明した場合、システムは直ちに停止される。初期システム検査が満足いく形で完了した場合、送水路22を流れる水の温度を所望の量だけ変化させるために水に印加しなければならない必要な電圧を求める計算が実行される。次いで、算出された電圧が電極対24及び26に印加され、水が送水路22を流れるときに水温を急速に上昇させる。

送水路22を流れる水の温度が送水路の入口端部から上昇していくと、導電率が温度の上昇に応じて変化する。１つ又は複数の中間温度測定装置、及び出力温度測定装置28は、電極セット24及び26を含む送水路22の２つのセグメント内のそれぞれの増分温度上昇を測定する。次いで、それぞれの電極対24及び26の両端間に印加される電圧を、送水路22の長さに沿って均等な温度上昇が起こるようにして、電極セット24及び26の各々によって入力される電力を実質的に一定に維持し、且つ20での入力温度測定と28での出力温度測定との間の水の加熱の効率及び安定性を最大にするように、水の導電率の変化を考慮して変化させることができる。流れる水に供給される電力は、電力スイッチィングモジュール42によって供給される制御パルスの数を増減させることによって変化する。その数は、個々の電極対24及び26によって水に供給される電力を増減する働きをする。

この実施形態では、システムは、所与の電圧に対して、電極対18、24、及び26によって流されるシステム電流を連続的に調べることによって、導電率の変化についてタンク16及び送水路22の水を繰り返し監視し、且つプローブ20と28によって、及び電極セット24と26の間に配置された温度プローブとによって測定される温度を繰り返し監視することが理解されよう。水温の値の変化または検出される電流の変化によって、計算手段は、電極対18、24、及び26の両端に印加すべき修正された平均電圧値を算出する。システム電流の変化、個々の電極の電流の変化、または電極セグメントの水温の変化に対する間断のない閉ループ監視によって、個々の電極セグメントに印加すべき電圧の再計算が行われ、システムは、タンク16内の水、及び/又は送水路22を流れる水に適切で安定な電力を供給することができる。

米国特許第7,050,706号は、出力温度ブースタ送水路の電極などの、本装置及びシステムの態様の制御動作に適用できることを教示している。なお、当該特許の開示内容は、ここに参照により組み込んだものとする。

本発明の実施時に任意の数の電極セットを使用できることが理解されよう。したがって、前述の実施形態は、３つの電極セット、即ち、タンクの水の予熱用の１つの電極セットと送水路22を流れる出力水のブースタ加熱用の２つの電極セットを示しているが、タンク及び/又は送水路内の電極の数は流体加熱の個々の要件または応用詳細に従って増減させてよい。電極の数をたとえば６対に増やす場合、個々の各対を、本明細書の実施形態に関して説明したのと同じように電極電圧に対して個別に制御してよい。

電極対を利用し、電流が流体自身を通って流れるようにして、流体自身の抵抗から熱を発生させることによって、本特許は、電気抵抗素子の必要性を無くし、従って、加熱素子スケーリングまたは支物(furring)に付随する問題を改善することが理解できよう。さらに、予熱タンク16の内容を、90℃という所望の出力温度より相当低い60℃という温度まで加熱することによって、本実施形態は、水の出力の合間の熱損失量を減らし、従ってエネルギー消費を削減する。

本特許はさらに、家庭の給湯システム及び沸騰水ディスペンサーに限定されるものではないが、これらを含む応用に適用してよいことが理解できよう。２つのこのような応用は家事の温水要求のためによく使用されるが、これらの応用に関して、本特許は、エネルギーと水の節約を容易にすることができる。さらに、本システム原理は、容易な製造、使用場所への容易な設置、そして美学を満みたすことが可能で、市場で確立された快適要素を提供する。このような応用に於ける動作態様のより詳細な説明に於いて、まず給湯システムを考える。

本発明の一実施形態による給湯システムは、家庭生活環境に於ける１つ又は複数の台所、バスルーム及び洗濯室に、事前設定可能な又は固定の温度で温水を供給する、貫流型の瞬間オンデマンドの給湯システムを提供する。出力温度は、よくある給水悪条件にも関わらず、正確に制御され安定に保たれる。このタイプの応用に対する電力要件は、通常18kW〜33kWであり、殆どの場合、３相の電源を必要とする。或いは、これらの電力要件に対応できる単相の電源を設けてもよい。電力要件は、適用形態の特異性に応じて変わり得る。システムは、温水をユーザに対して、0.5リットル毎分と15リットル毎分の間の様々な流量で供給するように設計されている。再び言及するが、これは特定の適用形態に依存するものである。出力水温は、２℃から60℃の間に固定又は設定可能にしてよく、これは又、適用形態と家庭の決め方（domestic regulations）に依存する。温度増分性能は、公称10リットル毎分で50℃であるが、しかし、またこれも適用形態に依存する。

今や、本発明を使用してよい沸騰水ディスペンサー態様に戻る。本発明の一実施形態における沸騰水ディスペンサーは、最高95℃までの固定の出力温度で温水を供給するように設計された、貫流型の瞬間オンデマンド沸騰水ディスペンサーを提供する。この装置は、殆どの場合、キッチンタイプの環境の使用場所に設置される。出力温度は、よくある給水悪条件にも関わらず、正確に制御され安定に保たれる。このタイプの応用に対する電力要件は、通常1.8kW〜６kWである。このディスペンサーの流量は固定である。これは、公称では、1.0リットル毎分か1.2リットル毎分かのいずれかの流量に固定されるが、しかし、これも応用に依存する。電力要件は、応用要件に依存する。

さて、本発明による貫流型の沸騰水ディスペンサーに戻る。このようなシステムが、沸騰水を、貯蔵することなく、1.0リットル毎分で瞬間的に連続して供給することが必要な場合、電力６kWが必要で、釣り合った電源供給回路の設置が必要となる。本実施形態は、沸騰水を、必要な期間、中断することなく事実上連続して供給することができる。以前は、沸騰水を連続して供給することは、必然的に3.0リットル毎分より大きい流量となる高ライン圧力が要求されたため、利用可能で競争力のある瞬間給湯システム技術では、対応することはできなかった。沸騰水ディスペンサーに対して、1.2リットル毎分よりはるかに多い流量を使用することは、実用的ではない。

本発明の別の態様による一実施形態では、２ステージの沸騰水ディスペンサーが提供される。通常の単相電源出力が使用される場合、電力用件は、標準の家庭コンセントで対応できる1.8kW〜2.0kWに維持してよく、追加または専用の電源回路を必要としない。この実施形態では、２ステージの沸騰水ディスペンサーシステムを必要とし、システムは、動的な貫流構成要素のみならず水の貯蔵構成要素を含む。この点に関して、水は、公称水1.8リットル〜2.0リットルを保持するように設計された貯蔵システムに於いて先ず、70℃まで加熱される。70℃まで加熱されと、沸騰水ディスペンサーは、操作可能となり、オンされた時点で、70℃の水は、動的セクションを経由して送水口に供給される。この動的セクタは、オンデマンドで、1.0リットル毎分〜1.2リットル毎分で流れる水を95℃の出力温度までさらに25℃だけ加熱する。

この技術分野の当業者にとっては、特定の実施形態で説明されている特許に対して、広範に請求されている本特許の範囲から逸脱することなく、多くの変形及び/又は変更を加えることができることが理解されよう。従って、本実施形態は、あらゆる点に関して、例示的であって、限定するものではない。

Claims (29)

1. 流体を加熱する装置であって：
   予熱タンクの流体を通して電流を流すことのできる少なくとも１対のタンク電極を有し、前記タンクの流体を予熱温度まで加熱することができる予熱タンクと、
   前記余熱タンクの流体が装置の出口に向かって流れる出力温度ブースタ送水路であって、出力温度ブースタ送水路の流体を通して電流を流すことができる少なくとも１対の出力電極を有し、出力温度ブースタ送水路内で流体を動的に装置の所望の出力流体温度まで加熱する出力温度ブースタ送水路と、を含み、
   前記予熱温度が、前記所望の出力流体温度よりは低い温度である、装置。
2. タンクの流体の温度を測定する、タンク流体温度測定手段をさらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記タンク流体温度測定手段は、前記出力温度ブースタ送水路の入り口の近位に配置される、請求項２に記載の装置。
4. 出力流体温度を測定する、出力流体温度測定手段をさらに含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記出力流体温度測定手段は、前記出力温度ブースタ送水路の出口の近位に配置される、請求項４に記載の装置。
6. 前記出力温度ブースタ送水路は、出力温度ブースタ送水路に沿って配置された少なくとも第１及び第２の電極セットを含み、
   前記第１電極セット及び第２の電極セットのそれぞれは、前記流体を通して電流が流され、前記出力温度ブースタ送水路に沿って流体が通過する間に前記流体を加熱する、少なくとも１対の電極を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 各対の電極は、前記流路を隔てて間を置いて配置され、前記流体が前記出力温度ブースタ送水路に沿って流れるとき、各対の電極間に印加される電圧によって、電流が、前記流体を通って前記流路を横切って流れる、請求項６に記載の装置。
8. 前記出力温度ブースタ送水路を通る流体流量を決定する流体流量決定手段をさらに含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記出力温度ブースタ送水路の前記電極に対して電力を供給し制御する電力制御手段をさらに含み、
   前記制御手段が、測定されるタンク流体温度、測定される出力流体温度及び流体流量に応じて、電流と印加電圧を関係付ける処理手段を有し、各電極セットから前記流体に入力される所望の電力を決定し、所望の出力流体温度を達成する、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記出力温度ブースタ送水路の前記第１及び第２電極セット間の前記流体の温度を測定する送水路内温度測定手段をさらに含み、
    前記制御手段が、前記測定温度と、各電極セットを横切る前記流体の所望の温度増加とに従って、第１及び第２電極セットに対する電力を制御する、請求項９に記載の装置。
11. 前記流体に渡される電力を制御する、マイクロコンピュータ制御の管理システムをさらに含む、請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記マイクロコンピュータ制御の管理システムは、前記出力温度ブースタ送水路内の前記流体の温度変化に起因する前記流体自体の導電率の変化を検出し対応するように作動する、請求項１１に記載の装置。
13. 前記マイクロコンピュータ制御の管理システムは、入力流体の電気伝導度の変化を検出し対応するように作動する、請求項１１又は１２に記載の装置。
14. 前記マイクロコンピュータ制御の管理システムは、各セットの電極間に可変電圧を印加してそれによって各セットの電極間の前記流体を通して電流を流し、前記可変電圧の印加に応じて各電極セットの電極間の前記流体を流れる電流を監視し、前記監視の流体温度及び電流を参照することにより求められる前記流体の導電率に応じて、各電極セットの電極間の前記可変電圧を制御して、各電極対によって前記流体に渡される電力量が前記流体の所定の温度増加に相当し且つその温度増加をもたらすように作動する、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記マイクロコンピュータ制御の管理システムは、可変温度及び溶解した化学物質並びに塩の可変濃度によって生じ且つ前記流体を加熱することによって生じる前記流体の電気伝導度の変化に対して、前記流体の温度を前記所望の量だけ上げる際に、導電率の変化に対応するように前記可変電圧を変えることによって補償するように作動する、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の装置。
16. 前記出力流体の前記所望の温度をユーザが調節することを可能にする調整制御手段を含む、請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置。
17. 流体を加熱する方法であって：
    予熱タンクの流体を通して、前記予熱タンクの少なくとも１対のタンク電極間に電流を流し、前記タンクの流体を予熱温度まで加熱することと、
    出力温度ブースタ送水路経由の流体出力時には、前記出力温度ブースタ送水路の流体を通して少なくとも１対の出力電極間に電流を流し、前記出力温度ブースタ送水路内で流体を動的に所望の出力流体温度まで加熱することと、を含み、前記予熱温度が、前記所望の出力流体温度よりは低い温度である、方法。
18. 前記タンク内の前記流体の温度を測定することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 出力流体温度を測定することをさらに含む、請求項１７又は１８に記載の方法。
20. 前記出力温度ブースタ送水路は、出力温度ブースタ送水路に沿って配置された少なくとも第１及び第２の電極セットを含み、
    前記第１電極セット及び第２の電極セットのそれぞれは、少なくとも１対の電極を有し、
    前記方法は、各電極対によって前記流体を通して電流を流し、前記出力温度ブースタ送水路に沿って流体が通過する間に前記流体を加熱することをさらに含む、請求項１７から１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記出力温度ブースタ送水路を通る流体流量を決定することをさらに含む、請求項１７から２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 電力制御手段によって、前記出力温度ブースタ送水路の前記電極に対して電力を供給し制御することをさらに含み、
    前記制御手段が、測定されるタンク流体温度、測定される出力流体温度及び流体流量に応じて、電流と印加電圧を関係付ける処理手段を有し、各電極セットから前記流体に入力される所望の電力を決定し、所望の出力流体温度を達成する、請求項１７から２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記出力温度ブースタ送水路の前記第１及び第２電極セット間の前記流体の温度を測定することをさらに含み、
    前記制御手段が、前記測定温度と、各電極セットを横切る前記流体の所望の温度増加とに従って、前記第１及び第２電極セットに対する電力を制御する、請求項２２に記載の方法。
24. 前記流体に渡される電力を、マイクロコンピュータ制御の管理システムによって、制御することをさらに含む、請求項１７から２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 前記マイクロコンピュータ制御の管理システムは、前記出力温度ブースタ送水路内の前記流体の温度変化に起因する前記流体自体の導電率の変化を検出し対応する、請求項２４に記載の方法。
26. 前記マイクロコンピュータ制御の管理システムは、入力流体の電気伝導度の変化を検出し対応する、請求項２４又は２５に記載の方法。
27. 前記マイクロコンピュータ制御の管理システムは、各セットの電極間に可変電圧を印加してそれによって各セットの電極間の前記流体を通して電流を流し、前記可変電圧の印加に応答して各電極セットの電極間の前記流体を流れる電流を監視し、前記監視の流体温度及び電流を参照することにより求められる前記流体の導電率に応じて、各電極セットの電極間の前記可変電圧を制御して、各電極対によって前記流体に渡される電力量が前記流体の所定の温度増加に相当し且つその温度増加をもたらす、請求項２４から２６のいずれか１項に記載の方法。
28. 前記マイクロコンピュータ制御の管理システムは、可変温度及び溶解した化学物質並びに塩の可変濃度によって生じ且つ前記流体を加熱することによって生じる前記流体の電気伝導度の変化に対して、前記流体の温度を前記所望の量だけ上げる際に、導電率の変化に対応するように前記可変電圧を変えることによって補償する、請求項２４から２７のいずれか１項に記載の方法。
29. ユーザが前記出力流体の前記所望の温度を調節することをさらに含む、請求項１７から２８のいずれか１項に記載の方法。

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