JP2014505223A - 電気流体加熱器及び流体を電気的に加熱する方法 - Google Patents

Abstract

実施形態は大まかには電気流体加熱器及び加熱方法、並びにそのような加熱器及び方法を用いる加熱システムに関する。加熱器の代表的な実施形態は、流体入口及び流体出口を有し、流体入口及び流体出口の間に流体通路を規定する本体、及び本体内に配置され、平行に配置された少なくとも２つの加熱アセンブリであって、それぞれの加熱アセンブリは、流体に交流電流を流すことによって流体を加熱するよう構成された、少なくとも２つの電極を備える、少なくとも２つの加熱アセンブリを備え、少なくとも２つの加熱アセンブリは、流体通路を流れる流体が少なくとも２つの加熱アセンブリを同時に通って流れるよう、本体内に配置される。

Description

実施形態は、大まかには、電気流体加熱器、流体を加熱する方法、及びそのような加熱器及び加熱方法を利用するシステムに関する。

流体物質の急速加熱は、自動車、船舶、航空及び宇宙を含むさまざまな分野で好ましい。例えば寒冷な気候における電池のパフォーマンスは、ハイブリッド電気自動車の目下のテーマである。したがって許容できる電力及びエネルギーパフォーマンスを電池から得るためには、ハイブリッド電気自動車中の電池をウォームアップすることが必要である。特に寒冷地では、電池もハイブリッド電気自動車のエンジンも冷たい。エンジンのパフォーマンスの立ち上がりの悪さをなくすためには、エンジンブロックを予熱することが望ましい。他の場合においては、乗員の快適性のために、車両の室内の空気が加熱を必要とすることもある。

加熱器コア又は熱交換システムは、流体又はガスを加熱するのに典型的には用いられる。例として、車両のエンジンによって加熱された、加熱エンジン冷却液は、車両に取り付けられたヒートコアの熱交換器を通される。空気は、ファンによって熱交換器を通され、加熱されたエンジン冷却液から得られる熱を熱交換器から受け取る。それから加熱された空気は、乗員の快適さのために車両室内へと導かれ、又は防曇又は除氷のためにフロントガラスへと導かれ得る。

例えばコーヒーメーカー及びその他の加熱された流体のディスペンサーのような、加熱される流体が必要とされる応用例では、空間がかなり制限されることがある。従来の加熱器は、あまりにも大きすぎるか、又は小さいとしてもあまりにも非効率であり得る。

従前の加熱手法に付随する欠点又は短所の１つ以上について対応又は改善すること、又はそのような手法の有用な代替手段を少なくとも提供することが望ましい。

この明細書を通して、「comprise（備える）」という語、又は「comprises」又は「comprising」のような変化形は、記載された要素、整数（integer）又はステップ、又は要素群、整数群、又はステップ群を含むことを意味するのであって、任意の他の要素、整数又はステップ、又は要素群、整数群、又はステップ群を除外することを意味しないことが理解されよう。

いくつかの実施形態は、電気流体加熱器に関し、
流体入口及び流体出口を有し、前記流体入口及び流体出口の間に流体通路を規定する本体、及び
前記本体内に配置され、平行に配置された少なくとも２つの加熱アセンブリであって、それぞれの加熱アセンブリは、流体に交流電流を流すことによって流体を加熱するよう構成された、少なくとも２つの電極を備える、少なくとも２つの加熱アセンブリ
を備え、
前記少なくとも２つの加熱アセンブリは、前記流体通路を流れる流体が前記少なくとも２つの加熱アセンブリを同時に通って流れるよう、前記本体内に配置される。

電気流体加熱器は、少なくとも３つの加熱アセンブリを備え得る。前記加熱アセンブリの少なくとも１つは、少なくとも１つの分割された電極を備え、それぞれの分割された電極は、複数の電気的に分離され得る電極セグメントを備える。それぞれの分割された電極は、１つ以上の前記電極セグメントに選択的に通電することによって、電圧が前記分割された電極に印加される時、前記分割された電極によって引き出される電流が前記選択された１つ以上の電極セグメントの実効有効面積に依存するよう、制御可能であり得る。

前記加熱器は、前記１つ以上の分割された電極のうちの電極セグメントに選択的に通電したり、又は通電を止めたりすることによって、前記流体を加熱するために印加される電力を最適化するよう動作可能なコントローラをさらに備え得る。前記コントローラは、前記加熱アセンブリのそれぞれの出口における前記流体温度を繰り返し測定し、前記測定された温度出力を計算された出口温度値と比較するようさらに動作可能であり得る。

前記少なくとも２つの加熱アセンブリは、前記流体入口から流体出口へ流れる流体が前記少なくとも２つの加熱アセンブリのうちの少なくとも１つを通って流れるよう構成され得る。

前記本体は、例えば、容積が約０．１ｍ^３未満であり得て、オプションとしては容積が約０．０５ｍ^３未満であり得る。前記少なくとも２つの加熱アセンブリは、前記本体の中心軸について等しい間隔を空けて配置され得る。前記本体は、少なくとも一部においては実質的に円筒形であるか、又は実質的に長方形であり得る。それぞれの加熱アセンブリの前記少なくとも２つの電極は、実質的に同心円状であり得る。それぞれの加熱アセンブリにおける同心円状に配置された電極の表面積は、適切な量のエネルギーが水に伝わるようになっている。同心円状の平行加熱アセンブリのそれぞれにおける電極の表面積は、異なっていてもよい。

それぞれの加熱アセンブリの前記少なくとも２つの電極は、不活性電気伝導性材料で形成され得る。前記不活性電気伝導性材料は、電気伝導性プラスチック材料、カーボン含浸材料、及びカーボンコート材料のうちの１つであり得るが、これらの材料には限定されない。

いくつかの実施形態は、物質を加熱する熱発生器に関し、前記熱発生器は、
ここで記載される電気流体加熱器、及び
加熱された流体を前記電気流体加熱器から受け取り、前記加熱された流体から物質に熱を伝達する流体容器であって、前記加熱されるべき物質は、前記加熱された流体を含む前記流体容器の近傍にある、流体容器
を備える。

前記加熱器によって加熱される前記流体は、水、エチレングリコール、プロピレングリコール、鉱油又は合成油、又はナノ流体であり得る。前記加熱器及び前記流体容器は、その中を前記流体が移動する閉ループの一部を形成し得る。流体が前記加熱器を通り、前記流体容器に入るよう移動させるポンプをさらに備え得る。

いくつかの実施形態は、加熱方法に関し、
流体を、流体入口及び流体出口を有し、前記流体入口及び流体出口の間に流体通路を規定する本体を通過させること、
前記本体内に配置され、平行に配置された少なくとも２つの加熱アセンブリであって、それぞれの加熱アセンブリは、流体に交流電流を流すことによって流体を加熱するよう構成された、少なくとも２つの電極を備える、少なくとも２つの加熱アセンブリを用いて前記流体を加熱すること
を含み、
前記少なくとも２つの加熱アセンブリは、前記流体通路を流れる流体が前記少なくとも２つの加熱アセンブリを同時に通って流れるよう、前記本体内に配置される。

前記方法は、加熱された流体を前記本体から流体容器にポンプで送ることをさらに含み得て、前記流体容器は、熱を、前記加熱された流体から前記流体容器の近傍にある物質に伝達する。前記流体容器は、熱交換器の中にあり得て、前記方法は、前記物質が前記熱交換器を通って流れるようにすることをさらに含む。前記流体容器、熱交換器、及び前記本体は、閉ループを共に形成し得て、前記方法は、前記閉ループを通るように前記流体を循環させることをさらに含む。

前記方法は、前記加熱される物質の温度を制御するために、前記加熱される流体の温度を制御することをさらに含む。

前記少なくとも２つの加熱アセンブリは、前記流体通路内に配置された少なくとも第１、第２、及び第３平行加熱アセンブリを備え得る。前記少なくとも２つの加熱アセンブリは、前記流体入口から流体出口へ流れる流体が前記少なくとも２つの加熱アセンブリのうちの少なくとも１つを通って流れるよう構成され得る。

前記方法は、流体伝導率、設定された流量、及び前記流体入口における流体温度を測定すること、及び前記測定された流体伝導率、流量及び温度から、前記流体を設定された温度に加熱するために、前記電極を介して前記流体に与えられるよう要求される電力を決定することをさらに含み得る。

前記方法は、前記少なくとも２つの電極の分割された電極セグメントを選択的に通電すること又は通電を止めることをさらに含み得る。これによって流体に伝達される電力の最適化が可能になり得る。

それぞれの加熱アセンブリの前記少なくとも２つの電極は、分割された電極を備え得て、前記分割されている電極は、複数の電気的に分離可能な要素を備え、前記加熱することは、前記分割された電極の１つ以上の電極セグメントに選択的に通電することによって、電圧を前記分割された電極に印加すると、前記分割された電極によって引き出される電流が、前記選択された１つ以上の電極セグメントの実効的な有効面積に依存する。

いくつかの実施形態は、物質を加熱するために、熱を発生する方法に関し、前記方法は、
電気流体加熱器に流体をポンプで送ることであって、前記電気流体加熱器は、前記流体に交流電流を流すことによって前記流体を加熱し、前記電気流体加熱器は、前記流体の抵抗成分によって前記流体を加熱する、流体をポンプで送ること、及び
前記電気流体加熱器からの加熱された流体を流体容器にポンプで送ること
を含み、
前記流体容器は、前記加熱された流体から、前記加熱された流体を含む前記流体容器に近接している物質に熱を伝達する。

いくつかの実施形態は、物質を加熱する熱発生器に関し、前記熱発生器は、
流体を受け取り、前記流体に交流電流を流すことによって前記流体を加熱するよう動作可能な電気流体加熱器であって、前記流体の抵抗によって前記流体が加熱される、電気流体加熱器、及び
加熱された流体を前記電気流体加熱器から受け取り、前記加熱された流体を前記熱交換器を介して物質に伝達する熱交換器内の流体容器
を備え、
加熱されるべき前記物質は、前記熱交換器に近接している。

物質を加熱するこの方法は、制御されたやり方で電気が印加されている流体によって発生された熱を利用する。流体からの熱は、可能ななんらかの手段による加熱を要求する物質へと伝達され得る。典型的には加熱されるべき物質は、加熱された流体を含む流体容器に非常に近接しているか、又は直接に接触するように配置されるか、又は通過させられる。このようにして、熱交換が起こり、加熱されるべき物質は温度が上昇する。加熱される物質の温度は、加熱される流体の温度の正確な制御を維持することによって制御される。

流体容器は、電気流体加熱器を持つ閉ループを形成する。そのような実施形態において、本方法は、流体をこの閉ループを循環させることを含む。

典型的には流体は、加熱されるべき物質に非常に近接し得るか、又は直接に接触し得る、流体容器内を循環させられる。

電気流体加熱器は、電源からの交流電流（ＡＣ）又は直流電流（ＤＣ）電力であり得る電力で動作する。もしＤＣ電源が用いられるなら、交流電流に変換されてから電極に供給されなければならない。

流体は、電気的かつ熱的に伝導性である流体であることが理解されるべきではあるが、熱発生器は、電気流体加熱器によって加熱される流体の具体的なタイプには限定されない。任意のシステムで用いられる流体の選択は、部分的には、得られるべき所望の温度、及び加熱される物質が用いられるべき応用例に依存する。熱的に伝導性を有する流体は、これらには限定されないが、水、エチレングリコール、プロピレングリコール、鉱油又は合成油、及びナノ流体から選択され得る。

これら流体は、ここで記載されるように、熱交換の応用例において用いられるのに適する。加熱された流体が熱交換のために用いられるのではなく、吐出される目的の応用例においては、他の流体も用いられ得る。

熱発生器は、流体容器の形態には限定されず、その構成は、加熱されるべき物質の種類、及び選択された具体的な流体加熱の応用例に依存する。記載された流体加熱の実施形態は、多くの流体加熱の要求に幅広く応用される。

流体容器は、熱交換器の要素を形成し得る。ある実施形態において、加熱されるべき物質は空気であり得て、ラジエータの形態をとる熱交換器が提供され得る。そのような実施形態においては、ラジエータは、空気がラジエータを通って流れるときに、加熱された流体から空気（物質）に熱を伝達し得る。他の実施形態において、流体容器は、ポリマー硬化、オートクレーブ動作、風防の除氷、電池の加熱、及びエンジンの予熱を含む、さまざまな種類の応用例に展開するために、熱交換器などの要素を形成し得る。

電気流体加熱器は、入口から出口への流路に沿って流体を流すことによって、電気抵抗を持つ流体を加熱し得る。

流路は、流路に平行に配置された、少なくとも第１及び第２加熱アセンブリを含み得て、第１加熱アセンブリを通る流体は、平行である第２加熱アセンブリを通り、それぞれの加熱アセンブリは、その間を電気抵抗を持つ流体が流れる、少なくとも１対の電極を備え、１対の電極は、流体の電気抵抗によって、流体が流路に沿った流体通路を通って流れるとき、電流を引き出す。

流路は、流体が３つ以上の平行加熱アセンブリを全て通るような、流路に沿って配置された少なくとも第１、第２及び第３平行加熱アセンブリを備え得る。

電気流体加熱器は、流体伝導率、流量、及び流体温度を入口及び出口において測定するようさらに動作可能であり得る。測定された流体伝導率、流量、及び温度から、電気流体加熱器は、流体温度を所望の量だけ上げるために第１、第２、第３、及び／又は第ｎ平行加熱アセンブリによって流体に伝達されるべき要求される電力を決定し得る。

ある実施形態においては、電気流体加熱器の加熱アセンブリのうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの分割されている電極を備え、分割されている電極は、複数の電気的に分離可能な要素を備え、この要素は、要素を選択的に通電することによって、分割されている電極の実効的な有効面積が制御されることを可能にすることによって、電圧を分割された電極に印加すると、引き出される電流は、選択された１つ以上のセグメントの実効的な有効面積に依存する。さらに電極セグメントの選択は、ピーク電流制限を超えないことを確実にするようなやり方で実行され得る。そのような実施形態において、入口伝導率の測定によって、コントローラは、供給されるべき電流がそのままでは電流制限を超えるかどうかを判断でき、もしそのような電流制限が安全に満足できないなら、電極の動作を防止することができる。

ある実施形態において、流体伝導率の変動は、入ってくる流体の伝導率の測定に応答して、実質的に連続的に受け入れられる。流体伝導率は、１つ以上の加熱アセンブリの１つ以上の電極にわたる電圧の印加で引き出される電流を参照して決定され得る。

さらなる実施形態は、熱発生器が動作するよう設計された許容可能な流体伝導率の所定の範囲から逸脱することが起こらないことを確実にするために、測定された流体電導率を利用する。

さらに、複数の平行加熱アセンブリを提供することによって、それぞれの加熱アセンブリは、上昇する流体温度による流体の導電率の変化を許容するかたちで動作され得る。例えば、水の伝導率は、温度と共に上昇し、１℃につき平均で約２％上昇する。例えば室温から６０℃又は９０℃まで、何十℃も流体が加熱されるべきであるなら、入口流体伝導率は、出口流体伝導率と実質的に異なり得る。

流路に沿った平行加熱アセンブリを通って流れる流体に通電することは、それぞれの加熱アセンブリが所定の温度範囲で動作することを可能にする。よってそれぞれの加熱アセンブリは、温度範囲全体にわたって単一の、又は平均された伝導率の電力を与えようと試みる代わりに、その所定の温度範囲内で流体伝導率に適用可能な、適切な電力を与え得る。

１つ以上の実施形態は、加熱器出口における流体温度を測定し、流体加熱のフィードバック制御を可能にするために、下流の流体温度センサをさらに備える。

いくつかの実施形態においては、それぞれの加熱アセンブリは、流路がその間を通る、実質的に平坦な電極を備え得る。代替として、それぞれの加熱アセンブリは、流体のフローのための概ね環状の空間又はチャネルを規定する加熱アセンブリを持つ、実質的に同軸の円筒形又は湾曲した部材を備え得る。加熱アセンブリ群は、全体として、流体のための複数の平行な流路を規定し得る。

いくつかの実施形態においては、熱発生器は３つ以上の加熱アセンブリを備え得て、それぞれのアセンブリは入口及び出口を有し、アセンブリは平行に接続され、制御手段は、最初に、入ってくる流体の測定された伝導率に従って電極セグメントを選択し、制御手段は、システム入口及び出口温度を測定することによって決定される要求される流体温度に従って、それぞれのアセンブリの電極対への電力を制御する。

電極群の任意のセットの間を流れる流体の体積は、流体のフローと併せて、流体が電極に曝される通路の寸法を求めることによって決定され得る。

流体の与えられた体積が電極から電力を受け取る時間は、システムを通る流体の流量を参照することによって決定され得る。流体の温度上昇は、流体に与えられた電力量に比例する。流体の温度を与えられた量だけ上げるのに要求される電力量は、加熱される流体の質量（体積）及び流路を流れる流体の流量に比例する。流体を通して流れる電流の測定は、その電流の導電率、又は比伝導率の測定として利用され得て、よって与えられる電力を一定に、又は所望のレベルに維持するために要求されるシステム制御及び管理と併せて、電極セグメントの選択されたものが通電されることを可能にする。導電率は、よって加熱される流体の比伝導率は、上昇する温度と共に変化し、そのため流体の流路に沿って比伝導率には勾配が生じる。

ある体積の流体の温度を上昇させるのに要求されるエネルギーは、２つの関係を組み合わせることによって決定され得る。

エネルギー＝比熱容量×密度×体積×温度変化
ある体積の流体の温度を上昇させるのに要求される単位時間当たりのエネルギーは、以下の関係によって決定され得る。

電力（Ｐ）＝比熱容量（ＳＨＣ）×密度×体積（Ｖ）×温度変化（Ｄｔ）／時間（Ｔ）
水の場合について分析すれば、水の比熱容量は、例えば、０℃及び１００℃の温度間で一定であると考えることができる。水の密度も１に等しいと考えることができる。したがって、単位質量の水の温度を１秒間に１℃変化させるのに要求される比熱つまりエネルギー量は、一定であると考えることができ、「ｋ」というラベルを付すことができる。体積／時間は、流量（Ｆｒ）と等価である。

よってある体積の流体の温度を上げるのに要求される単位時間当たりのエネルギーは、以下の関係によって決定され得る。

電力（Ｐ）＝ｋ×流量（Ｆｒ）×温度変化（Ｄｔ）／時間（Ｔ）
よってもし要求される温度変化が既知であるなら、流量は決定され得て、要求される電力が計算され得る。

加熱されるべき物質が車室内の空気である、これには限定されない例において、ユーザが暖められた空気を必要とするとき、自動車の計器盤上のコントローラ入力要素又はリモコン装置が操作される。この操作入力は、電気流体加熱器によって検出されるか、又は電気流体加熱器に与えられ、加熱シーケンスが開始され得る。流体の入口温度が測定され、システムからの出口における流体についての予め定められた所望の温度と比較され得る。これら２つの値から、入口から出口への流体温度の要求された変化がコントローラによって決定され得る。

流体の電極アセンブリへの入口温度は、時間軸上で繰り返し測定され得て、測定された入口流体温度の値が変化するにつれて、電極アセンブリの入口から出口への要求される温度変化について計算される値もそれに従って調整され得る。同様に、温度、鉱物成分などが変化すると、導電率が変化し、したがって流体の比伝導率の変化も時間の経過と共に起こり得る。したがって、流体を通って流れる電流が変化し得て、それによって、結果として得られる流体に与えられる電力も変化することになるが、これは分割された電極（群）の要素に選択的に通電したり、通電を止めたりすることによって管理され得る。加熱部の出口における温度を時間軸上で繰り返し測定し、これらを計算された出口温度値と比較することによって、繰り返し計算すれば、流体に与えられる電力を連続的に最適化することができる。

いくつかの実施形態において、マイクロコンピュータで制御された管理システムによって提供される計算手段は、加熱アセンブリ入口及び出口の間の所望の温度差を発生させる電力値を決定し、水の比伝導率の変化の効果を測定し、それによって電極セグメントの適切な駆動を選択し、与えられた流量について印加されるべき電力を計算することによって、電極間を通過する流体に与えられるべき電力を決定するのに用いられる。

いくつかの好ましい実施形態において、それぞれの加熱アセンブリ内の電極間を流れる電流、すなわち流体を通して流れる電流が測定される。加熱の実施形態の入口及び出口温度も測定される。電流及び温度の測定によって、コンピュータで制御された管理システムの計算手段は、所望の量だけ流体の温度を上げるために、それぞれの加熱アセンブリにおいて流体に与えられることが要求される電力を決定できる。

いくつかの実施形態において、マイクロコンピュータで制御された管理システムによって提供される計算手段は、それぞれの加熱アセンブリの電極間を通る流体に与えられるべき電力を決定し、それぞれの分割された電極内でどの電極セグメントが通電されなければならないかを選択し、所望の温度変化を及ぼすために印加される必要がある電力を計算する。

初期加熱シーケンスの一部として、印加される電圧は、電極間を通る流体の初期比伝導率を決定するようなやり方で制御され得る。電極へ電圧を印加することによって、その間を通る電流が流体を通して引き出され、よってそれを通して引き出される電流に正比例する流体の比伝導率の決定が可能になる。したがってそれぞれの加熱アセンブリにおいて電極間を流れる流体に与えられるべき電力の管理は、それぞれの加熱アセンブリにおいて電極間を流れる流体の温度を要求される量だけ上げるために正しく適用され得る。流体によって引き出される瞬時電流は、流体の流路の長さに沿った変化について、連続的にモニタされ得る。通路に沿った任意の位置において引き出される瞬時電流の変化は、流体の導電率つまり比伝導率の変化を示す。加熱アセンブリ内の電極間を通る流体に現れる比伝導率の変化する値は、加熱パス（heating path）に沿った比伝導率の勾配を実効的に規定する。

加熱器及び熱発生器のさまざまな動作パラメータは連続的にモニタされ、与えられた期間内に予め設定された所望の温度に流体の温度を上げるために流体に印加されるべき電力を決定するため、計算が連続的に実行される。

図１は、いくつかの実施形態による物質を加熱するための熱発生器を示す。 図２は、いくつかの実施形態による物質を加熱するための熱発生器を示す。 図３は、それぞれのアセンブリが平行な電極を有し、それらのそれぞれのうちの１つは２つの電極セグメントに分割されている、３つの加熱アセンブリの平行な構成を有する、図１又は図２に示される熱発生器と共に用いられ得る電気流体加熱器を示す図である。 図４は、電極が同心円状に配置された、３つの加熱アセンブリの平行な構成を有する、図１、図２又は図３に示される熱発生器と共に用いられ得る電気流体加熱器を示す。

関連出願の相互参照
本願は、2011年1月7日に出願された国際特許出願PCT/AU2011/000016に基づく優先権を主張しており、その全体がここで参照によって援用される。

添付の図面を参照して、実施形態が例示によって以下に詳細に説明される。

実施形態は、大まかには、電気流体加熱器及び加熱方法に関する。加熱器及び流体加熱のいくつかの実施形態は、加熱された流体から、空気又は水のような液体のような他の流体のような他の物質へ熱を伝達するために、熱発生器又は加熱システムと共に利用され得る。流体加熱器及び加熱方法の実施形態は、小さな空間内で効率的かつ急速に水を加熱するために、複数の流体加熱アセンブリの平行構成を利用する。この平行構成によって、加熱機器は、その加熱効率及び電力消費の割には驚くほど小さなハウジング内に収納することができる。

図１は、例えば空気のような気体、又は水又は飲料液体のような液体であり得るターゲット物質を加熱するための熱発生器１０のいくつかの実施形態を示す。熱発生器１０は、電子コントローラ２４によって制御され、調整／熱交換器２０の要素を構成する流体容器（fluid receptacle）に結合された電気流体加熱器（electric fluid heater）２２を示す。熱交換器２０のさまざまな可能な構成が用いられ得る。図１の実施形態は、熱交換器２０を介して加熱されている物質に、電気流体加熱器２２が効果的に熱的に結合されるようにする。電気流体加熱器２２は、電気流体加熱器２２及び熱交換器２０の間で小型ポンプ２６を用いて循環される流体（fluid、液体）を加熱するために用いられる。熱交換器２０は、加熱された流体から、加熱されている物質に熱を伝達するために用いられる。伝達された熱のレベルは、電気流体加熱器２２及び電子コントローラ２４によって制御される。

この実施形態又は類似の実施形態において、電気流体加熱器２２は、複数の平行な（オプションとして同心円状の）電極要素を用いて、交流電流の形で電気エネルギーを電極から流体に直接に加えて流体を加熱することによって、電子制御の下で流体自体の中での加熱を行う。電極への交流電流のこの印加は、流体の電解（連続する反対の極性の電流パルスのそれぞれについて瞬時的なレベルを除いては）が起こるのを実質的に避けるよう意図されている。電気エネルギーを流体に供給することは、よって、流体の熱的（運動）エネルギーを増加させる以外の、流体の特性に化学的に干渉することを最小化するよう制御される。

電気流体加熱器の電圧は、家庭用交流電源又は電池のような電力源によって供給される。加熱器２２は、流体流量を制御することによって、大まかには設定された流体流量を達成し、当てはまる場合には、例えば温度変化による流体伝導率（fluid conductivity）の変化を補償する。ポンプ２６を介して流体の流れが促進される、クローズド・ループの連続流の流体加熱器なので、電気流体加熱器２２は、温度及び伝導率の限られた変化範囲の中で動作する。

図２は、ターゲット物質を加熱するための熱発生器１５のさらなるいくつかの実施形態を示し、これら実施形態を通して同様の番号は同様の構成要素を表す。この例では、電気流体加熱器２２は、自動車エンジン冷却液を加熱するのに用いられる。この文脈では、冷却液という語は、必ず冷却機能を実行するというよりは、温度伝達媒体を意味するよう用いられる。加熱されたエンジン冷却液は、自動車車内へと送り込まれている空気を加熱するのに用いられる熱交換器２０内の既存の流体容器を通してポンプで送り出される。実際には、加熱された流体は、小型ポンプ２６を用いて電気流体加熱器２２及び熱交換器２０の間で閉じたループ内を循環される。熱交換器２０と協働してソレノイド２８は、加熱されるべきエンジン冷却液を供給／還流する。熱交換器２０は、車両室内へ送り込まれるべき空気を加熱するのに用いられ得る。動いているエンジンの冷却液が十分に熱い時は、空気が熱交換器２０によって効果的に加熱されるようにするために、電気流体加熱器２２は、ソレノイド２８を用いて分離される。

図３及び図４は、電気流体加熱器１００のいくつかの実施形態の概略図であり、電気流体加熱器１００は、熱発生器１０又は１５が、加熱された流体からの熱伝達によって物質を加熱する流体加熱器２２として用いられ得る。図３は、電極が平面状構成に配置された実施形態を示し、図４は、同心円状構成に配置された実施形態を示す。同心円状平行加熱アセンブリのそれぞれにおける電極の表面積は、異なってもよく、いくつかの実施形態では、実質的に同じでもよい。加熱されるべき流体は、水、エチレングリコール、プロピレングリコール、鉱油又は合成油、及びナノ流体を例えば含み得て、電気流体加熱器１００の本体１１２を通って流れるようになっている。

本体１１２は、合成プラスチック材料のような電気的に非伝導性があり、熱的には非伝導性であるか、又は最小限しか伝導性を有しない材料で好ましくは作られる。しかし用途によっては、本体１１２は、アルミパイプのような電気的に伝導性がある金属製流体パイプに接続され得る。したがって装置１００に接続された任意の金属配管を電気的にアースするよう、図３に示されるアースメッシュグリッド１１４が、本体１１２の入口及び出口において含まれる。アースグリッド１１４は、加熱器１００が設置された電気設備の電気的なアースに理想的には接続されるだろう。アースメッシュグリッド１１４は、装置１００を通過する水を通して電極から電流を引き抜き得るので、制御システム内で漏電保護（earth leakage protection）を作動させることができる。本システムは、好ましくは漏電保護装置を含む。

動作中、流体は、流路矢印１０２によって示されるように、本体１１２の一端における流体入口に流れ込み、反対端における流体出口から流出し、流体は、本体１１２によって規定される流体通路を通って流れる。

本体１１２は、それぞれ平行な加熱アセンブリ１１６、１１７及び１１８を収め得て、これらは、入口から出口へ通る流体の流体流路を全体として規定する。加熱アセンブリ１１６、１１７及び１１８は、入口から出口へ通る流体が加熱アセンブリ１１６、１１７及び１１８のうちの少なくとも１つの中を通らなければならないよう本体１１２内に配置される。実施形態によっては、図３に示される３本の代わりに、２本、４本、５本、６本、７本、８本、９本、１０本、又はそれより多いそのような加熱アセンブリが利用され得る。しかし説明の目的のために、３本の加熱アセンブリを有する実施形態が図示され、説明される。

加熱アセンブリ１１６、１１７及び１１８内の電極の電極材料は、任意の適切な不活性の導電性材料、又は伝導性プラスチック材料、カーボン入りの被覆された材料のような非金属伝導性材料であり得る。電極は、化学反応及び／又は電気分解を最小限にするような材料から選択されることが重要である。

これらの電極はペアで配置され、ペアのうちの１つの電極が少なくとも２つの電極セグメントに分割される。

それぞれの電極対の分割された電極は、１１６ａ、１１７ａ、及び１１８ａであり、これらは共通の切り換えされるパスに、ＡＣ電源の活線側１２４である別個の電源電力制御素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を介して接続され、一方、それぞれの電極対の他方１１６ｂ及び１１７ｂは、電源１２１のリターン側に接続される。別個の電源電力制御素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は、マイクロプロセッサ制御システム１４１によって提供される電源管理制御（power management control）に基づいて活線側電源１２４をオン・オフする。それぞれの個々の加熱アセンブリ１１６，１１７及び１１８に供給される全電流は、電流測定装置１２９によって測定される。電流測定値は、入力インタフェース１３３を介して入力信号としてマイクロプロセッサ制御システム１４１に供給され、これが加熱アセンブリのための電源コントローラとして働く。

マイクロプロセッサ制御システム１４１は、実行される時には、マイクロプロセッサ制御システム１４１（ここではコントローラとも呼ばれる）がデータ入力を測定デバイス／センサから受け取り、ここで記載されている計算及び決定を行うためにそのデータを処理し、制御出力を、ここで説明されているさまざまな電気及び流体制御要素に供給するように働く、実行可能なプログラムコードを格納するメモリ（不図示）にアクセスする。

またマイクロプロセッサ制御システム１４１は、本体１１２内の入口近くに位置するフロースイッチデバイス１０４から入力インタフェース１３３を介して信号を受け取る。電極セグメントの任意のセットの間を流れる流体の体積は、流体のフローに関連して流体が電極セグメントに曝される通路の寸法を予め測定することによって正確に決定され得る。同様に、与えられた体積の流体が電力を電極セグメントから受け取る時間も通路を通る流体の流量を測定することによって決定され得る。流体の温度上昇は、流体に加えられた電力量に比例する。流体の温度を既知の量だけ上げるのに必要とされる電力量は、加熱されている流体の質量（又は流体密度が既知の時の体積）、及び通路を通る流体流量に比例する。流体を通る電流の測定は、導電率（electrical conductivity）、つまりその流体の比伝導率（specific conductance）の測定に用いることができ、よって加えられる電力を一定に維持するのに必要とされる、適用される電力管理における変化の決定を、マイクロプロセッサ制御システム１４１によって可能にする。導電率、よって加熱されている流体の比伝導率は、温度が上がるにつれて変化し、そのため流体の流れのパス（path）に沿って比伝導率の勾配が生じる。

またマイクロプロセッサ制御システム１４１は、本体１１２への入力流体の温度を測定するために、入口近くの入力温度測定装置１３５から、かつ本体１１２から外に出る流体の温度を測定する出力温度測定装置１３６から、流体信号入力インタフェース１３３を介して信号を受け取る。

流体加熱装置１００は、装置が設置されている特定の場所から発生する変動でも、又は、単一の場所において時間によって発生する変動でも、流体の伝導率の変動に適応することがさらにできる。流体伝導率の変動は、与えられた印加電圧について、それぞれの電極によって引き出される電流量の変化を引き起こす。この実施形態は、そのような変化をモニタし、測定された伝導率の値を用いることによって、システムが動作できるようにする前に、電極セグメントの相応しい組み合わせを初期的に選択し、装置が所望のレベルの電流を引き出すことを確実にする。

それぞれの電極対１１６、１１７、及び１１８のうちの１つの電極は、２つの電極セグメント１１６ａ及び１１６ａｉ、１１７ａ及び１１７ａｉ、並びに１１８ａ及び１１８ａｉに分割される。それぞれの電極について、例えば、ａｉセグメントは、電極の有効面積（active area）の約４０％を成すよう形成され得て、ａセグメントは、電極の有効面積の約６０％を成すよう形成され得る。しかし２つ以上のセグメントが用いられてもよく、異なる割合の有効面積がそれらセグメントに用いられてもよい。よって電極セグメントを適切に選択することによって、又は電極セグメントを適切に組み合わせることによって、適切な電極表面面積が選択され得る。

伝導率が高い流体については、より小さい電極面積が選択されることによって、与えられた電圧について、電極によって引き出される電流は、所望のレベル、又は安全なレベルより上に上昇することが防止される。逆に、伝導率が低い流体については、より大きな電極面積が選択されることによって、同じ与えられた電圧について、所望の電力を流体へ伝えるために、適切な電流が引き出される。セグメントの選択は、電力スイッチング素子Ｑ１、…、Ｑ３をオン又はオフすることによって簡単に行われ得る。

選択された電極セグメントの組み合わせられた表面面積は、システムの定格最大電流値を超えないことを確実にするために、具体的に計算される。

マイクロプロセッサ制御システム１４１は、本体１１２を通って流れる流体に供給されるべき計算された電力量を提供するために、さまざまなモニタされた入力を受け取り、電極有効面積選択、及び所望の電極対電力について必要な計算を実行する。マイクロプロセッサ制御システム１４１は、加熱アセンブリ１１６、１１７、及び１１８のそれぞれに接続された電源からの（交番の）パルス電圧供給を制御する。それぞれのパルス電源は、マイクロプロセッサ制御システム１４１から電力スイッチング素子Ｑ１、…、Ｑ３への別々の制御信号によって個別に制御される。

計算手段は、マイクロプロセッサ制御システム１４１が受け取る代表的な入力信号についてのさまざまなパラメータに基づいて、マイクロプロセッサ制御システム１４１によって実行されるソフトウェアコードの制御の下で、本体１１２を通って流れる流体の、要求される温度変化を与えるために要求される電力を供給するために、電力スイッチング素子によって要求される制御パルスを計算する。これにより加熱された流体は、所望の温度で、又はそれに非常に近い温度で、本体１１２の出口から放出される。

マイクロプロセッサ制御システム１４１は、流体がそれ以上は加熱されてはいけない最大温度値を表す、記憶された規定の最大温度を有するか、又はメモリ中のこの最大温度にアクセスできる。もし何らかの理由で、出力温度センサ１３６によって検出された温度が上記規定の最大温度よりも高いなら、電極への電力の供給がすぐに遮断され、流体ポンプ２６が停止されるよう、流体加熱器１００は設計され得る。しかしマイクロプロセッサ制御システム１４１は、例えばそのような遮断の性質を表示できるようにするため、そのようなシチュエーションで動作し続けてもよい。

マイクロプロセッサ制御システム１４１は、以下を確実にするために、一連のチェックを繰り返し実行する。

（ａ）出口における流体温度が最大許容温度を超えない、
（ｂ）漏洩電流が所定の設定値を超えない、かつ
（ｃ）システム電流が前もって設定したシステムの電流制限を超えない。

これらのチェックは、ユニットが稼働中には繰り返し実行され、もしこれらチェックのうちのいずれか支配的制限からの逸脱を示すなら、少なくとも電極及びポンプはすぐに停止される。初期のシステムチェックが成功裡に完了すると、要求される電力をその所望の量だけ変化させるために、本体１１２を通って流れる流体に与えられなければならない、要求される電力を求めるために計算が行われる。計算された電力は、流体が本体１１２をシングルパスで通って流れる時に素早く流体温度を上昇させるよう、加熱アセンブリ１１６、１１７、及び１１８にそれから与えられる。

本体１１２を通って流れる流体の温度が、本体の入口端から上昇するにつれて、上昇した温度に応答して伝導率も変化する。入力温度測定装置１３５及び出力温度測定装置１３６は、加熱アセンブリ１１６、１１７、及び１１８を含む本体１１２内で、３つの加熱アセンブリにおける温度差分を測定する。それぞれの加熱アセンブリ１１６、１１７、及び１１８に与えられる電力が、流体伝導率の変化を考慮に入れてそれから管理され得るので、本体１１２の長さに沿って均一な温度上昇が起こることを確実にし、それによってそれぞれの加熱アセンブリ１１６、１１７、及び１１８への電力入力を実質的に一定に維持し、かつ１３５における入力温度測定及び１３６における出力温度測定の間での流体加熱における最大効率及び安定性を確実にする。流れる流体に与えられる電力は、必要とされる電力に対応する、通電した電力スイッチング素子Ｑ１、…、Ｑ３によって供給される制御パルスを管理することによって変化させられる。これは個別の加熱アセンブリ１１６、１１７、及び１１８によって流体に供給される電力を増やしたり、減らしたりするように働く。

流体加熱器１００は、電流測定装置１２９及び温度測定装置１３５及び１３６を参照することによって、流体の伝導率変化を繰り返しモニタする。流体温度の変化から生じるシステム内での流体伝導率の値の変化、本体１１２の長さに沿って検出された流体成分の変化、又は流体によって引き出された検出された電流の変化に基づいて、計算手段は、加熱アセンブリ１１６、１１７、及び１１８に与えられるべき、修正された平均電力値を計算する。

入り込む流体伝導率の変化に基づいて、マイクロプロセッサ制御システム１４１は、電極セグメント１１６ａ及び１１６ａｉ、１１７ａ及び１１７ａｉ、並びに１１８ａ及び１１８ａｉの変更された組み合わせを選択的に駆動する。システム電流、個別の電極電流、及び電極セグメント流体温度の変化を閉ループで常にモニタリングすることによって、個別の加熱アセンブリに与えられるべき電力の再計算をすれば、システムは、比較的、一定で安定した電力を、流体加熱器１００を通って流れる流体に供給できる。個別に分割された加熱アセンブリを通って流れる流体の比伝導率の変化は、このようにして個別に管理され得る。したがって流体加熱器１００は、本体１１２内の流体にわたっての、結果として生じる比伝導率勾配を効果的に制御及び管理できる。

よって実施形態は、変化する温度及び溶解した化学成分の変化する濃度によって、及び流体の加熱を通じて生じる流体の導電率の変化に対する補償を、所望の量だけ流体温度を上げるときには、比伝導率の変化に対応するために、電力を変えることによって提供する。

記載された実施形態を実施するときには、任意の適切な個数の加熱アセンブリの電極が用いられ得ることが理解されよう。よって上述の実施形態は、本体１１２を通って流れる流体を加熱するための３つの加熱部を示すが、流路の加熱アセンブリの個数は流体加熱の個々の要件又は応用例の具体的な事項に基づいて変更され得る。例えばもし加熱アセンブリの個数が６対に増やされるなら、それぞれの個々の加熱アセンブリは、ここでの実施形態について説明されたのと同様に電力が個別に制御され得る。同様に、単一の電極が分割される電極セグメントの個数は、２とは異なっていてもよい。例えば、電極を有効面積の比が１：２：４：８である４つのセグメントに分割すれば、１５種類の有効面積の値がマイクロプロセッサ制御システム１４１によって選択され得る。

電流が流体自身を通って流れることによって、流体自身の抵抗から熱が発生する加熱アセンブリを利用することによって、本実施形態は、電気抵抗加熱要素の必要がなくなり、よって要素へのスケール付着や要素不良に関連する問題を緩和することが理解されよう。さらに、平行加熱アセンブリのコンパクトな構成によって、本流体加熱器は、従来の加熱システムと比べかなりスペース効率がよくなっている。

詳細な説明の一部は、コンピュータメモリ内でのデータビットに対する操作のアルゴリズム及び記号表現で記載されている。これらアルゴリズムの記載及び表現は、自分達の仕事の内容を他の当業者に最も効果的に伝えるために、データ処理技術の当業者によって用いられる手段である。ここでの、また一般的にアルゴリズムとは、所望の結果につながるステップの自己矛盾のない順序であると考えられる。これらステップは、物理的な量を物理的に操作することを要求するステップである。必須ではないがふつう、これらの量は、記憶され、転送され、結合され、比較され、又は操作され得る電気的又は磁気的信号の形態をとる。一般的な使用法であるという主な理由で、このような信号をビット、値、要素、シンボル、キャラクタ、項、数などと呼ぶことが時には便利であることがわかっている。

コンピュータによって実行されると呼ばれることもある、記載された行為及び操作は、構造化された形でデータを表す電気信号の、コンピュータの処理ユニットによる操作を含む。この操作は、データを変換し、又はコンピュータのメモリシステム内の位置においてデータを保持する。このような操作は、当業者によって理解されるやり方で、コンピュータの動作を再構成したり、そうでなければ変更したりする。データが保持されるデータ構造は、データのフォーマットによって規定される特定の特性を有する、メモリの物理的位置である。本実施形態は上記文脈で記載されているが、さまざまな行為及び操作がハードウェアでも実現され得ることが当業者にはわかるように、限定的であるように意図されてはいない。

しかしこれら及び同様の事項は、適切な物理的特性に関連付けられるべきであり、これらの特性に適用される便利なラベルに過ぎないことに注意されたい。記載から明らかなように、そうではない旨、具体的に記載されない限り、この説明を通して、「処理すること」又は「計算すること」又は「決定すること」又は「表示すること」などは、コンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内の物理的（電子的）特性として表されるデータを、コンピュータシステムのメモリ又はレジスタ又は他のそのような情報記憶、転送又は表示装置内の物理的特性として同様に表される他のデータに操作及び変換するコンピュータシステム、又は類似の電子計算装置の動作及び処理を指す。

広く記載されている本発明の範囲から逸脱することなく、実施形態には多くの変形例及び／又は変更がなされ得る。したがって本発明は、あらゆる点において例示的であって、限定的ではないと考えられるべきである。

Claims (27)

1. 流体入口及び流体出口を有し、前記流体入口及び流体出口の間に流体通路を規定する本体、及び
   前記本体内に配置され、平行に配置された少なくとも２つの加熱アセンブリであって、それぞれの加熱アセンブリは、流体に交流電流を流すことによって流体を加熱するよう構成された、少なくとも２つの電極を備える、少なくとも２つの加熱アセンブリ
   を備え、
   前記少なくとも２つの加熱アセンブリは、前記流体通路を流れる流体が前記少なくとも２つの加熱アセンブリを同時に通って流れるよう、前記本体内に配置される、電気流体加熱器。
2. 前記少なくとも２つの加熱アセンブリは、少なくとも３つの加熱アセンブリである、請求項１に記載の加熱器。
3. 前記加熱アセンブリの少なくとも１つは、少なくとも１つの分割された電極を備え、それぞれの分割された電極は、複数の電気的に分離され得る電極セグメントを備える、請求項１又は請求項２に記載の加熱器。
4. それぞれの分割された電極は、１つ以上の前記電極セグメントに選択的に通電することによって、電圧が前記分割された電極に印加される時、前記分割された電極によって引き出される電流が前記選択された１つ以上の電極セグメントの実効有効面積に依存するよう、制御可能である、請求項３に記載の加熱器。
5. 前記加熱器は、前記１つ以上の分割された電極のうちの電極セグメントに選択的に通電したり、又は通電を止めたりすることによって、前記流体を加熱するために印加される電力を最適化するよう動作可能なコントローラをさらに備える、請求項３又は請求項４に記載の加熱器。
6. 前記コントローラは、前記加熱アセンブリのそれぞれの出口における前記流体温度を繰り返し測定し、前記測定された温度出力を計算された出口温度値と比較するようさらに動作可能である、請求項５に記載の加熱器。
7. 前記少なくとも２つの加熱アセンブリは、前記流体入口から流体出口へ流れる流体が前記少なくとも２つの加熱アセンブリのうちの少なくとも１つを通って流れるよう構成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の加熱器。
8. 前記本体は、容積が約０．０５ｍ^３未満である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の加熱器。
9. 前記少なくとも２つの加熱アセンブリは、前記本体の中心軸について等しい間隔を空けて配置されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の加熱器。
10. 前記本体は、実質的に円筒形である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の加熱器。
11. それぞれの加熱アセンブリの前記少なくとも２つの電極は、実質的に同心円状である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の加熱器。
12. それぞれの加熱アセンブリの前記少なくとも２つの電極は、不活性電気伝導性材料で形成されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の加熱器。
13. 前記不活性電気伝導性材料は、電気伝導性プラスチック材料、カーボン含浸材料、及びカーボンコート材料のうちの１つである、請求項１２に記載の加熱器。
14. 物質を加熱する熱発生器であって、前記熱発生器は、
    請求項１〜１３のいずれか１項に記載の前記電気流体加熱器、及び
    加熱された流体を前記電気流体加熱器から受け取り、前記加熱された流体から物質に熱を伝達する流体容器であって、前記加熱されるべき物質は、前記加熱された流体を含む前記流体容器の近傍にある、流体容器
    を備える熱発生器。
15. 前記加熱器によって加熱される前記流体は、水、エチレングリコール、プロピレングリコール、鉱油又は合成油、又はナノ流体である、請求項１４に記載の熱発生器。
16. 前記加熱器及び前記流体容器は、その中を前記流体が移動する閉ループの一部を形成する、請求項１４又は請求項１５に記載の熱発生器。
17. 流体が前記加熱器を通り、前記流体容器に入るよう移動させるポンプをさらに備える、請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の熱発生器。
18. 流体を、流体入口及び流体出口を有し、前記流体入口及び流体出口の間に流体通路を規定する本体を通過させること、
    前記本体内に配置され、平行に配置された少なくとも２つの加熱アセンブリであって、それぞれの加熱アセンブリは、流体に交流電流を流すことによって流体を加熱するよう構成された、少なくとも２つの電極を備える、少なくとも２つの加熱アセンブリを用いて前記流体を加熱すること
    を含み、
    前記少なくとも２つの加熱アセンブリは、前記流体通路を流れる流体が前記少なくとも２つの加熱アセンブリを同時に通って流れるよう、前記本体内に配置される、加熱方法。
19. 加熱された流体を前記本体から流体容器にポンプで送ること
    をさらに含み、前記流体容器は、熱を、前記加熱された流体から前記流体容器の近傍にある物質に伝達する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記流体容器は、熱交換器の中にあり、前記方法は、前記物質が前記熱交換器を通って流れるようにすることをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記流体容器、熱交換器、及び前記本体は、閉ループを共に形成し、前記方法は、前記閉ループを通るように前記流体を循環させることをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記加熱される物質の温度を制御するために、前記加熱される流体の温度を制御することをさらに含む、請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記少なくとも２つの加熱アセンブリは、前記流体通路内に配置された少なくとも第１、第２、及び第３平行加熱アセンブリを備える、請求項１８〜２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 流体伝導率、設定された流量、及び前記流体入口における流体温度を測定すること、及び
    前記測定された流体伝導率、流量及び温度から、前記流体を設定された温度に加熱するために、前記電極を介して前記流体に与えられるよう要求される電力を決定すること
    をさらに含む請求項１８〜２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 前記少なくとも２つの電極の分割された電極セグメントを選択的に通電すること又は通電を止めることをさらに含む請求項１８〜２４のいずれか１項に記載の方法。
26. それぞれの加熱アセンブリの前記少なくとも２つの電極は、分割された電極を備え、
    前記分割されている電極は、複数の電気的に分離可能な要素を備え、
    前記加熱することは、前記分割された電極の１つ以上の電極セグメントに選択的に通電することによって、電圧を前記分割された電極に印加すると、前記分割された電極によって引き出される電流が、前記選択された１つ以上の電極セグメントの実効的な有効面積に依存する、請求項１８〜２５のいずれか１項に記載の方法。
27. 前記少なくとも２つの加熱アセンブリは、前記流体入口から流体出口へ流れる流体が前記少なくとも２つの加熱アセンブリのうちの少なくとも１つを通って流れるよう構成される
    請求項１８〜２６のいずれか１項に記載の方法。

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