JP5186216B2 - フロースルー型加熱装置の動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、水のような液体を加熱する加熱システムに関する。本発明は、特に、加熱されるべき液体が１つ以上の加熱要素を設けられた管を通じて流れるフロースルー型の加熱システムの動作方法に関する。このような加熱システムは、特に、コーヒーのような熱い飲物を作る温水を提供する、又は例えば家庭用電気機器においてミルクを泡立てる蒸気を生成する機械における用途に有用である。

温水を提供する機械では、比較的短時間の内に適量の水が高温に、標準的には沸点近くにされることが望ましい。これは比較的高い電力、標準的に２０００−２５００Ｗ程度を必要とする。
これらの機械は、一般に、商用電源（つまり欧州では２３０ＶＡＣ、５０Ｈｚ）から電気的に電力を供給される抵抗性加熱要素を有し、及びこれは特に家電に適用される。２５００Ｗの装置は、この電源から１０Ａより多い電流を必要とする。

必要な電力は時間と共に変化する可能性がある。例えば、加熱処理を起動し及び温水又は蒸気を可能な限り迅速に生成するため、装置が冷たい時にオンに切り替えられた場合、より多くの利用可能電力が必要とされ得る。加熱処理が進行中の場合、電力要件は低い。加熱システムは、最大可能電力要件に対処し、及び加熱システムが標準的に最大期待電力要件よりいくらか高い定格である許容範囲であるよう設計されなければならない。実際には、しかしながら、加熱システムを削減電力で動作することが要求され得る。

加熱システムの加熱電力出力を低減することは、電力提供抵抗が加熱要素と直列に接続される加熱要素における電流の振幅を減少することにより達成され得るが、これはエネルギーの浪費である。

加熱システムの加熱電力出力を低減するより適切な方法は、加熱要素を通じる電流をオン及びオフに切り替えることである。

電流の切り替えを通じ電源で動作される負荷により消費される電力を低減することは、それ自体、知られている。適切な切り替え方法は、例えば、負荷の電流が常に整数個の半波長を有する波形を有するよう、切り替えが電源のゼロ交差時に行われる所謂「マルチサイクルバースト」方法である。

電源から引き出される電流が切り替えられる場合、電源の歪みをどのように防ぐべきかという問題が生じる。例えば、電源から引き出された電流の反復的な変化は、調整を乱し得る電源電圧の変動（「フリッカ」）を生じ得る。

留意すべき点は、特許文献１が、完全にオン及び完全にオフで互いに独立に動作する２個の加熱要素を有するフロースルー型加熱システムを開示していることである。

更に留意すべき点は、特許文献２が、如何なる時も常に１つの加熱抵抗がオンであると同時に全ての他の抵抗がオフであるよう切り替えられる２個以上の加熱抵抗を有するトースターのための電気加熱システムを開示していることである。
独国特許出願公開第３７．０３．８８９号明細書 米国特許第５．４３８．９１４号明細書

本発明の全体の目的は、これらの問題を除去又は少なくとも低減することである。

本発明の第１の態様によると、加熱システムは、実質的に互いに等しく、電気的及び物理的に互いに並列に配置された複数の少なくとも２つの加熱要素、を有する。

本発明の第２の態様によると、適切な切り替え方式に従いオン／オフを切り替えられることにより、最大１つの加熱要素のみが如何なる時も削減電力で動作されると同時に、全ての他の要素は完全にオン又は完全にオフの何れかである。従って「フリッカ」及び負荷切り替えに関連する同様の問題は、切り替えられるべき電流振幅が減少されるので、低減される。

結果として、加熱要素は異なる温度を示して良い。削減電力で動作されている加熱要素は、完全にオンである要素より低い温度を有し、及び完全にオフである要素より高い温度を有する。これは結果として熱応力を生じる。更に、削減電力で動作されている加熱要素は、オン／オフを繰り返し切り替えられるので、完全にオン又は完全にオフである加熱要素と比べてより多く損害を受け及びより短い平均寿命を示し得る。本発明の好適な態様によると、これらの結果は、平均して各要素が完全にオン、完全にオフ、及び同一の時間長の間に削減電力で動作されるように時間の関数として循環される要素の状態を有することにより低減又は除去される。

本発明のこれら及び他の態様、特徴及び利点は、図面を参照した以下の記載により詳細に説明される。図中の同一の参照番号は、同一又は同様の部分を示す。

図１Ａは、フロー管１１と相互に実質的に同一である複数の加熱要素１２とを有するフロースルー型加熱ユニット１０の側面図を図示する。留意すべき点は、フロー管１１が曲線状であって良いが、図ではフロー管が中央軸１３が直線であるような直線状の管であることである。１４で参照される管１１の内側空間は、当該空間を通じて液体、例えば水を通過するのに適している。

以下では、加熱要素は一般に参照番号１２により示される。ここで個々の加熱要素を区別する目的で、加熱要素は１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ等で参照される。

加熱要素１２は、実質的に加熱要素の全長に渡り熱を生成するよう設計された抵抗性要素である。加熱要素１２は、この目的のため、電気的接触端子を加熱要素の端に有する。当該端子は、しかしながら簡単のため示されない。管１１内の液体を効率的に加熱するため、加熱要素１２はフロー管１１と熱接触する。実際の実施例では、加熱要素１２はアルミニウム製であって良く、一方、フロー管１１は（ステンレス）スチール製又は他の適切な金属製であって良い。

各加熱要素１２は、フロー管１１の長さに沿って延在する縦走要素である。加熱要素１２は、図示されるように管１１と並行して延在して良い。又は代案として加熱要素１２は管１１の周りの螺旋として延在して良い。いずれにしても、加熱要素１２は、管１１の長さの特定セグメント１５を加熱するために取り付けられる。加熱要素１２は、フロー管１１と同一の軸長を有して良い。又は代案として加熱要素１２はより短くて良く、この場合、加熱される管セグメント１５は管１１の全体より短い。

複数の加熱要素１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは、管１１の周りに配置され、互いに実質的に平行に延在し、及び同一のセグメント１５と関連付けられる。或いは、言い換えれば、管セグメント１５は複数の加熱要素１２により加熱され、管セグメント１５への熱入力は、個々の加熱要素の熱貢献の和である。図１Ｂは、互いに向かい合って配置された２個の加熱要素１２Ａ、１２Ｂを有する実施例の場合の、加熱ユニット１０の断面図である。図１Ｃは、互いに１２０°の距離に配置された３個の加熱要素１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを有する実施例の場合の、加熱ユニット１０の断面図である。４個以上の加熱要素を有する実施例も実現可能であることが理解されるべきである。

フロー管１１は、円形断面を有して良い。又は代案としてフロー管１１は凸部及び凹部を示す波状の断面を有し、加熱要素は示されるように凹部に配置されて良い。

図２は、加熱システムが３個の加熱要素を有する実施例における、加熱ユニット１０と加熱要素１２へ電力供給する電源回路２０とを有するフロースルー型加熱システム１の回路図を示す。２個の加熱要素を有し、又は４個以上の要素を有する加熱システムのための当該回路への変更は、当業者に明らかである。

電源回路２０は、知られている方法で電源と接続されるよう設計された２個の電源線２１及び２２を有する。従って電力線２１及び２２は、例えば２３０ＶのＡＣ電圧を５０Ｈｚで伝達して良い。各加熱要素１２は、２個の電力線２１及び２２の間に接続される。従って電力線２１及び２２内の電流は、個々の加熱要素内の個々の電流の和である。各加熱要素は、各加熱要素と直列に接続された制御可能なスイッチ２３を有する。以下では、個々のスイッチは、参照番号２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ等により示される。例として、スイッチ２３は、トライアックとして実施されて良いが、当業者に明らかなように他の適切な種類のスイッチが同様に用いられて良い。

電源回路２０は、電力線２１及び２２と接続され動作電力を受信する電力入力３１、３２を有し及び個々の制御可能なスイッチ２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃと結合された制御出力３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃを有する制御ユニット３０を更に有する。制御ユニット３０は、それぞれ制御可能なスイッチ２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃのための信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃを生成するよう設計される。従って対応する加熱要素は、以下に説明されるように、１００％の加熱電力、ゼロ電力、又は削減電力の何れかで動作される。

各加熱要素１２は、電力定格Ｐを有する。加熱システムの総電力容量Ｐｔｏｔは、個々の加熱要素１２ｉの個々の電力定格Ｐｉの和に等しく、Ｐｔｏｔ＝ΣＰｉとして表される。加熱要素は相互に実質的に同一であるとすると、加熱システムの総電力容量Ｐｔｏｔは、Ｎを加熱要素の数として、Ｎ×Ｐに等しい。

特定の時間の瞬間における所要加熱電力ＰｒがＰｔｏｔに等しい場合、全ての加熱要素１２は完全にオンに切り替えられるべきである。特定の時間の瞬間における所要加熱電力ＰｒがＰｔｏｔより少ない場合、加熱要素１２の１つは削減電力で動作されるべきである。加熱要素１２を削減電力で動作するため、対応する制御可能なスイッチ２３は、オン（導通）及びオフ（非導通）に定期的な時間の瞬間で、望ましくは電流のゼロ交差と同時に切り替えられるよう制御される。この場合、結果として生じる加熱要素内の電流は、半波長の連続である。このような連続は「マルチサイクルバーストモード」と表記される。結果として生じる電流パターンの例は、図３に示される。

図３は、例である１５０ｍｓの時間フレームＴＦを示し、５０Ｈｚにおける１５個の半サイクルに対応する。この時間フレームでは、スイッチは実線の曲線４１、４２、４３により示される半サイクル１、６、１１の間オンであり、及び点線の曲線４４、４５、４６により示される他の全ての半サイクルの間オフである。従って、対応する加熱要素は、定格電力Ｐの（約）３／１５を生成する。生成される電力の実際のレベルはオンの半サイクルの相対数に依存することが明らかである。

重要な特徴は、平均して主電源から引き出される電流には如何なるＤＣ成分もないことが望ましいという事実である。上述の例では、時間フレームＴＦは２個の正電流の半サイクルと１個の負電流の半サイクルを有し、従ってＤＣ成分はこのスケールではゼロに等しくない。しかしながら、次の時間フレームは２個の負電流の半サイクルと１個の正電流の半サイクルを有し、従って２個以上のフレームの時間スケールでは平均して平均電流にＤＣ成分がない。

１つの完全な電流サイクルが過ぎた場合は常に、つまり正及び負の電流サイクルの組み合わせ毎に、このＤＣのない効果が達成され得る。

留意すべき点は、ゼロ交差切り替え、及びマルチサイクルバーストモード動作は、それ自体知られていることである。更に留意すべき点は、加熱要素を削減電力で動作する切り替え方式の他の種類が当業者に知られており、及び本発明を実施する際に用いられ得ることである。何れの場合も、削減電力で動作するために切り替えられた電流を供給される加熱要素は、「切り替え」加熱要素として示される。

本発明の重要な態様によると、制御ユニット３０は、最大でただ１つの加熱要素が「切り替え」加熱要素として動作されるよう、関連付けられた制御可能なスイッチ２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ等のための制御信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ等を生成するよう設計される。全ての他の要素は、１００％の加熱電力又は０％の加熱電力の何れかで動作される。

これは、正確に２個の加熱要素を有するシステムの場合に図４Ａ−Ｃに図示される。

図４Ａは、制御可能なスイッチ２３Ａ、２３Ｂのための可能な制御信号Ｓａ、Ｓｂ、及び加熱要素１２Ａ、１２Ｂ内のそれぞれ結果として生じる加熱電流Ｉａ、Ｉｂを、所要電力がゼロより大きいがＰｔｏｔ／２より小さい状況において時間の関数として示すグラフである。第１のスイッチ２３Ａはオン及びオフに切り替えられ、従って対応する加熱要素１２Ａは「切り替え」加熱要素として動作され、同時に第２のスイッチ２３Ｂは連続的にオフ状態に保たれ、従って対応する加熱要素１２Ｂは０％の電力で動作されることが分かる。

図４Ｂは、制御可能なスイッチ２３Ａ、２３Ｂのための制御信号Ｓａ、Ｓｂ、及び加熱要素１２Ａ、１２Ｂ内のそれぞれ結果として生じる加熱電流Ｉａ、Ｉｂを、所要電力がＰｔｏｔ／２に等しい状況において示すグラフである。第１のスイッチ２３Ａは連続的にオン状態に保たれ、従って対応する加熱要素１２Ａは１００％の電力で動作され、同時に第２のスイッチ２３Ｂは連続的にオフ状態に保たれ、従って対応する加熱要素１２Ｂは０％の電力で動作されることが分かる。

図４Ｃは、制御可能なスイッチ２３Ａ、２３Ｂのための可能な制御信号Ｓａ、Ｓｂ、及び加熱要素１２Ａ、１２Ｂ内のそれぞれ結果として生じる加熱電流Ｉａ、Ｉｂを、所要電力がＰｔｏｔ／２より大きいがＰｔｏｔより小さい状況において示すグラフである。第１のスイッチ２３Ａは連続的にオン状態に保たれ、従って対応する加熱要素１２Ａは１００％の電力で動作され、同時に第２のスイッチ２３Ｂはオン及びオフに切り替えられ、従って対応する加熱要素１２Ｂは「切り替え」加熱要素として動作されることが分かる。

所要電力がゼロに等しい極限状況では両方のスイッチは連続的にオフ状態に保たれること、及び所要電力がＰｔｏｔに等しい極限状況では両方のスイッチは連続的にオン状態に保たれることが明らかである。

本発明のこの態様は、システムが正確に３個の加熱要素を有する場合に図５Ａ−Ｃに更に説明される。

図５Ａは、それぞれ制御可能なスイッチ２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃのための可能な制御信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、及び加熱要素１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ内のそれぞれ結果として生じる加熱電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを、所要電力がＰｔｏｔ／３より小さい状況において示すグラフである。第１のスイッチ２３Ａはオン及びオフに切り替えられ、従って対応する加熱要素１２Ａは「切り替え」加熱要素として動作され、同時に第２及び第３のスイッチ２３Ｂ及び２３Ｃは連続的にオフ状態に保たれ、従って対応する加熱要素１２Ｂ及び１２Ｃは０％の電力で動作されることが分かる。

図５Ｂは、制御可能なスイッチ２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃのための可能な制御信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、及び加熱要素１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ内のそれぞれ結果として生じる加熱電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを、所要電力がＰｔｏｔ／３より大きいが２×Ｐｔｏｔ／３より小さい状況において示すグラフである。第１のスイッチ２３Ａは連続的にオン状態に保たれ、従って対応する加熱要素１２Ａは１００％の電力で動作されること、第２のスイッチ２３Ｂはオン及びオフに切り替えられ、従って対応する加熱要素１２Ｂは「切り替え」加熱要素として動作されること、及び第３のスイッチ２３Ｃは連続的にオフ状態に保たれ、従って対応する加熱要素１２Ｃは０％の電力で動作されることが分かる。

図５Ｃは、制御可能なスイッチ２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃのための可能な制御信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、及び加熱要素１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ内のそれぞれ結果として生じる加熱電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを、所要電力が２×Ｐｔｏｔ／３より大きいがＰｔｏｔより小さい状況において示すグラフである。第１及び第２のスイッチ２３Ａ及び２３Ｂは連続的にオン状態に保たれ、従って対応する加熱要素１２Ａ及び１２Ｂは１００％の電力で動作されること、及び第３のスイッチ２３Ｃはオン及びオフに切り替えられ、従って対応する加熱要素１２Ｃは「切り替え」加熱要素として動作されることが分かる。

所要電力がゼロに等しい、又はＰｔｏｔ／３に等しい、又は２×Ｐｔｏｔ／３に等しい、又はＰｔｏｔに等しい境界状況は図示されない。留意すべき点は、これらの境界状況では、如何なる加熱要素も「切り替え」加熱要素として動作されない、従ってＥＭＣ関連問題は生じないことである。

本発明により提案される制御方法は、境界状況は別として全ての状況においてただ１つの加熱要素が「切り替え」加熱要素として動作され、同時に全ての他の加熱要素が完全にオン又は完全にオフであることを達成する。結果としてフリッカ関連問題は最小限に保たれる。加熱システム内の加熱要素の数が多いほど、フリッカ関連問題は大きく低減される。

加熱システムの加熱要素が等しく動作されない場合、加熱要素は、摩耗又は熱機械的ストレス、又は両方における差に直面し得る。更に、特にフロー管１１が加熱要素１２と異なる材料から作られている場合、フロー管１１にいくらかの湾曲が生じ得る。以上は境界状況にも適用される。勿論、所要電力がゼロに等しい又はＰｔｏｔに等しい境界状況を除く。これらの問題を低減するため、及び熱平衡システムを得るため、本発明の第２の態様によると、個々の加熱要素の機能は相互に交換され、従って加熱要素はより長い時間スケールで平均して等しく動作する。

この第２の態様は、正確に２個の加熱要素を有するシステムの場合に図６Ａ−Ｃに図示される。

図６Ａは、加熱要素１２Ａ、１２Ｂの動作を、所要電力がゼロより大きいがＰｔｏｔ／２より小さい状況において（図４Ａを参照）、時間の関数として図示する。ｔ０からｔ１までの第１の時間間隔Ｔ１の間、第１の加熱要素１２Ａは「切り替え」加熱要素として動作され、同時に第２の加熱要素１２Ｂはオフである。第１の時間間隔Ｔ１と同一の期間を有する、ｔ１からｔ２までの第２の時間間隔Ｔ２の間、第１の加熱要素１２Ａはオフであり、同時に第２の加熱要素１２Ｂは「切り替え」加熱要素として動作される。従って、常に、「切り替え」加熱要素として動作される１つの加熱要素、及びオフである１つの加熱要素が存在するが、これら要素の個性は切り替えられる。平均して、ｔ０からｔ２までの時間間隔Ｔ１＋Ｔ２にわたり、第１の加熱要素１２Ａは５０％の時間の間「切り替え」加熱要素として動作され、及び第２の加熱要素１２Ｂは５０％の時間の間「切り替え」加熱要素として動作され、従ってより長い時間スケールでは２個の要素は等しく扱われる。

図６Ｂは、加熱要素１２Ａ、１２Ｂの動作を、所要電力がＰｔｏｔ／２に等しい状況において（図４Ｂを参照）、時間の関数として図示する。ｔ０からｔ１までの第１の時間間隔Ｔ１の間、第１の加熱要素１２Ａはオンであり、同時に第２の加熱要素１２Ｂはオフである。第１の時間間隔Ｔ１と同一の期間を有する、ｔ１からｔ２までの第２の時間間隔Ｔ２の間、第１の加熱要素１２Ａはオフであり、同時に第２の加熱要素１２Ｂはオンである。従って、常に、オンである１つの加熱要素、及びオフである１つの加熱要素が存在するが、これら要素の個性は変更される。平均して、ｔ０からｔ２までの時間間隔Ｔ１＋Ｔ２にわたり、第１の加熱要素１２Ａは５０％の時間の間オンであり、及び第２の加熱要素１２Ｂは５０％の時間の間オンであり、従ってより長い時間スケールでは２個の要素は等しく扱われる。

図６Ｃは、加熱要素１２Ａ、１２Ｂの動作を、所要電力がＰｔｏｔ／２より大きいがＰｔｏｔより小さい状況において（図４Ｃを参照）、時間の関数として図示する。ｔ０からｔ１までの第１の時間間隔Ｔ１の間、第１の加熱要素１２Ａはオンであり、同時に第２の加熱要素１２Ｂは「切り替え」加熱要素として動作される。第１の時間間隔Ｔ１と同一の期間を有する、ｔ１からｔ２までの第２の時間間隔Ｔ２の間、第１の加熱要素１２Ａは「切り替え」加熱要素として動作され、同時に第２の加熱要素１２Ｂはオンである。従って、常に、「切り替え」加熱要素として動作される１つの加熱要素、及びオンである１つの加熱要素が存在するが、これら要素の個性は変更される。平均して、ｔ０からｔ２までの時間間隔Ｔ１＋Ｔ２にわたり、第１の加熱要素１２Ａは５０％の時間の間「切り替え」加熱要素として動作され、及び５０％の時間の間完全にオンであり、及び第２の加熱要素１２Ｂも５０％の時間の間「切り替え」加熱要素として動作され、及び５０％の時間の間完全にオンであり、従ってより長い時間スケールでは２個の要素は等しく扱われる。

本発明の第２の態様は、システムが正確に３個の加熱要素を有する場合に図７Ａ−Ｃに更に説明される。

図７Ａは、加熱要素１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの動作を、所要電力がゼロより大きいがＰｔｏｔ／３より小さい状況において（図５Ａを参照）、時間の関数として図示する。ｔ０からｔ１までの第１の時間間隔Ｔ１の間、第１の加熱要素１２Ａは「切り替え」加熱要素として動作され、同時に第２及び第３の加熱要素１２Ｂ及び１２Ｃはオフである。第１の時間間隔Ｔ１と同一の期間を有する、ｔ１からｔ２までの第２の時間間隔Ｔ２の間、第２の加熱要素１２Ｂは「切り替え」加熱要素として動作され、同時に第１及び第３の加熱要素１２Ａ及び１２Ｃはオフである。第１の時間間隔Ｔ１と同一の期間を有する、ｔ２からｔ３までの第３の時間間隔Ｔ３の間、第３の加熱要素１２Ｃは「切り替え」加熱要素として動作され、同時に第１及び第２の加熱要素１２Ａ及び１２Ｂはオフである。従って、常に、「切り替え」加熱要素として動作される１つの加熱要素、及びオフである２つの加熱要素が存在するが、これら要素の個性は変更される。平均して、ｔ０からｔ３までの時間間隔Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３にわたり、各加熱要素１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは３３．３％の時間の間「切り替え」加熱要素として動作され、従ってより長い時間スケールでは全ての要素は等しく扱われる。

図７Ｂは、加熱要素１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの動作を、所要電力がＰｔｏｔ／３より大きいが２×Ｐｔｏｔ／３より小さい状況において（図５Ｂを参照）、時間の関数として図示する。ｔ０からｔ１までの第１の時間間隔Ｔ１の間、第１の加熱要素１２Ａは「切り替え」加熱要素として動作され、同時に第２の加熱要素１２Ｂはオンであり、及び第３の加熱要素１２Ｃはオフである。第１の時間間隔Ｔ１と同一の期間を有する、ｔ１からｔ２までの第２の時間間隔Ｔ２の間、第２の加熱要素１２Ｂは「切り替え」加熱要素として動作され、同時に第３の加熱要素１２Ｃはオンであり、及び第１の加熱要素１２Ａはオフである。第１の時間間隔Ｔ１と同一の期間を有する、ｔ１からｔ２までの第３の時間間隔Ｔ３の間、第３の加熱要素１２Ｃは「切り替え」加熱要素として動作され、同時に第１の加熱要素１２Ａはオンであり、及び第２の加熱要素１２Ｂはオフである。従って、常に、「切り替え」加熱要素として動作される１つの加熱要素、オンである１つの加熱要素、及びオフである１つの加熱要素が存在するが、これら要素の個性は循環される。平均して、ｔ０からｔ３までの時間間隔Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３にわたり、各加熱要素１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは３３．３％の時間の間「切り替え」加熱要素として動作され、３３．３％の時間の間オンであり、及び３３．３％の時間の間オフであり、従ってより長い時間スケールでは全ての要素は等しく扱われる。

図７Ｃは、加熱要素１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの動作を、所要電力が２×Ｐｔｏｔ／３より大きいがＰｔｏｔより小さい状況において（図５Ｃを参照）、時間の関数として図示する。ｔ０からｔ１までの第１の時間間隔Ｔ１の間、第１の加熱要素１２Ａは「切り替え」加熱要素として動作され、同時に第２及び第３の加熱要素１２Ｂ及び１２Ｃはオンである。第１の時間間隔Ｔ１と同一の期間を有する、ｔ１からｔ２までの第２の時間間隔Ｔ２の間、第２の加熱要素１２Ｂは「切り替え」加熱要素として動作され、同時に第１及び第３の加熱要素１２Ａ及び１２Ｃはオンである。第１の時間間隔Ｔ１と同一の期間を有する、ｔ２からｔ３までの第３の時間間隔Ｔ３の間、第３の加熱要素１２Ｃは「切り替え」加熱要素として動作され、同時に第１及び第２の加熱要素１２Ａ及び１２Ｂはオンである。従って、常に、「切り替え」加熱要素として動作される１つの加熱要素、及びオンである２つの加熱要素が存在するが、これら要素の個性は循環される。平均して、ｔ０からｔ３までの時間間隔Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３にわたり、各加熱要素１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは３３．３％の時間の間「切り替え」加熱要素として動作され、及び６６．６％の時間の間オンであり、従ってより長い時間スケールでは全ての要素は等しく扱われる。

機能は「循環」されて良いことは、第１の加熱要素の機能が常に第２の加熱要素へ移転され、同時に第２の加熱要素の機能が常に第３の加熱要素へ移転される等、同時に最後の加熱要素の機能が常に最初の加熱要素へ移転されることを意味することに留意すべきである。このような移転の順序は常に一定に保たれ得るが、移転の順序が後に変更されることも可能である。前記「第２の」加熱要素は、前記「第１の」加熱要素に物理的に隣接して良い。しかし１つ以上の加熱要素が「第１の」及び「第２の」加熱要素の対の間に配置されることも可能である。

何れの場合も、上述の時間間隔Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は、「動作状態期間」として示される。及び１つの動作状態期間（Ｔ１のような）から次（Ｔ２のような）への遷移は、「状態遷移」として示される。

動作状態期間の期間は原則として重大ではないが、システムが熱平衡されると同時に不平衡が循環されるよう、この期間は望ましくは長すぎないように選択されるべきである。システムが深刻な不平衡条件に達するのを防ぐため、動作状態期間の期間は、望ましくはシステムの主要な熱時定数より短く、より望ましくはシステムの主要な熱時定数の０．１倍より短く選択する。従って主要な熱時定数は、標準的に５乃至１０秒程度である。

他方で、動作状態期間の期間値を選択する自由は、加熱要素で動作する切り替え制御の種類により制限されて良い。電力低減が各電流半波長における可変位相カットにより達成される場合、状態遷移は、原則的に各電流半波長の後に実行されて良い。電力低減が自動更新マルチサイクルバーストパターンの時間フレームＴＦを有するマルチサイクルバースト技術により達成される場合、状態遷移は一般に１つの完全な時間フレームを完了した後にのみ実行されて良い。従って動作状態期間の期間は、ＴＦのｎ倍に等しく、ｎは１より大きい又は１に等しい整数である。

当業者には、本発明は以上に説明された例である実施例に限定されず、複数の変形及び変更が特許請求の範囲に定められた本発明の保護範囲内で可能であることが明らかであろう。

例えば、全てが同一の電力線２１、２２により電力供給される代わりに、加熱要素は異なる電源、例えば異なる位相の３相電源から電力供給されて良い。

図７Ａ−Ｃを参照して議論された実施例では、更に、加熱要素はオン−切り替え−オフの順序で動作されるが、代案としてそれら加熱要素はオフ−切り替え−オンの順序で動作され良い。

以上の例で、更に、本発明は、加熱要素の電力の低減が、マルチサイクルバースト技術に従い当該加熱要素を切り替え要素として動作することにより達成される場合で説明される。留意すべき点は、当該技術は実際に望ましいが、本発明が当該技術に限定されないことである。代案として例えば、当業者に知られているように、位相カット技術（加熱要素が電流のゼロ交差の後にオンに切り替えられる）を実行するため、及び／又は位相カットアウト技術（加熱要素は電流のゼロ交差の前に切り替えられる）を実行することが可能である。

以上の例では、更に、加熱要素は相互に実質的に同一であり、従って加熱要素の個々の加熱電力は相互に実質的に等しいとする。実際にこれは望ましく、この場合、５０Ｗ程度の差を生じる許容範囲は受け入れられると考えられて良い。しかしながら留意すべき点は、本発明が実質的に同一の加熱要素の状況に限定されないことである。設計者は、より複雑な制御部２０のコストにも拘わらず、追加の動作自由度を提供し得ることを考慮し、異なる定格の加熱要素を意図的に選択して良い。

正確に２個の相互に同一の加熱要素を有する実施例では、例えば、如何なる加熱要素も切り替え要素として動作されない境界制御は、Ｐｔｏｔの０％、５０％、又は１００％の要求電力でのみ、つまり３個の設定のみで実行され得る。しかしながら、第１の要素が電力定格Ｐ１を有し及び第２の要素が電力定格Ｐ２＝２×Ｐ１を有する場合、境界制御は、Ｐｔｏｔの０％、３３％、６７％、及び１００％の４個の要求電力の設定の何れでも実行され得る。更に、可能な電力設定の間の距離は、Ｐｔｏｔの０％乃至３３％の範囲のマルチサイクルバースト制御の場合、２個の加熱要素が相互に同一である実施例の場合より小さい。Ｐｔｏｔの６７％乃至１００％の範囲も同様である。このような場合、上述の知識を有する当業者に明らかなように、動作状態期間は、熱平衡システムを得るため、相互に異なる期間を与えられて良い。

より一般的には、第１の要素は従って電力定格Ｐ１＝α・Ｐｔｏｔを有し、及び第２の要素は電力定格Ｐ２＝（１−α）・Ｐｔｏｔを有して良く、０＜α＜１である。同様に、正確に３個の加熱要素を有する実施例では、第１の要素は従って電力定格Ｐ１＝α・Ｐｔｏｔを有し、第２の要素は電力定格Ｐ２＝β・Ｐｔｏｔを有し、及び第３の加熱要素は電力定格Ｐ３＝γ・Ｐｔｏｔを有して良く、α＋β＋γ＝１である。４個以上の要素を有する実施例の更なる詳細は、当業者に明らかである。

以上では、本発明は、本発明による装置の機能ブロックを図示するブロック図を参照して説明された。１つ以上のこれら機能ブロックは、ハードウェアに実施され、当該機能ブロックの機能が個々のハードウェア構成要素により実行されて良い。しかし１つ以上のこれら機能ブロックはソフトウェアで実行され、従って当該機能ブロックの機能はコンピュータープログラムの１つ以上のプログラム行、又はマイクロプロセッサー、マイクロコントローラー、デジタル信号プロセッサー等のようなプログラム可能な装置により実行されることも可能である。

加熱ユニットを図示する。 ２個の加熱要素を有する加熱ユニットの断面図を示す。 ３個の加熱要素を有する加熱ユニットの断面図を示す。 加熱システムの電気的動作を図解的に説明するブロック図である。 本発明を実施するために適した削減電力動作を図式的に説明する時間グラフである。 異なる所要電力レベルにおける、本発明による２個の加熱要素を有する加熱システムの動作を説明する時間グラフである。 異なる所要電力レベルにおける、本発明による２個の加熱要素を有する加熱システムの動作を説明する時間グラフである。 異なる所要電力レベルにおける、本発明による２個の加熱要素を有する加熱システムの動作を説明する時間グラフである。 異なる所要電力レベルにおける、本発明による３個の加熱要素を有する加熱システムの動作を説明する時間グラフである。 異なる所要電力レベルにおける、本発明による３個の加熱要素を有する加熱システムの動作を説明する時間グラフである。 異なる所要電力レベルにおける、本発明による３個の加熱要素を有する加熱システムの動作を説明する時間グラフである。 図４Ａ−Ｃより広範な時間スケールの、異なる所要電力レベルにおける、本発明による２個の加熱要素を有する加熱システムの動作を説明する時間グラフである。 図４Ａ−Ｃより広範な時間スケールの、異なる所要電力レベルにおける、本発明による２個の加熱要素を有する加熱システムの動作を説明する時間グラフである。 図４Ａ−Ｃより広範な時間スケールの、異なる所要電力レベルにおける、本発明による２個の加熱要素を有する加熱システムの動作を説明する時間グラフである。 図５Ａ−Ｃより広範な時間スケールの、異なる所要電力レベルにおける、本発明による３個の加熱要素を有する加熱システムの動作を説明する時間グラフである。 図５Ａ−Ｃより広範な時間スケールの、異なる所要電力レベルにおける、本発明による３個の加熱要素を有する加熱システムの動作を説明する時間グラフである。 図５Ａ−Ｃより広範な時間スケールの、異なる所要電力レベルにおける、本発明による３個の加熱要素を有する加熱システムの動作を説明する時間グラフである。

Claims (26)

1. フロースルー型加熱システムのフロー管の１つのセグメントと熱伝達接触した複数の少なくとも２個の加熱要素を有し、それぞれ個々の加熱要素は電力定格を有する前記フロースルー型加熱システムの動作方法であって、
   前記加熱要素の正確に１つをゼロ電力と全電力との間にある削減電力で動作し、同時に残りの加熱要素は全電力又はゼロ電力の何れかで動作されることにより、前記フロースルー型加熱システムを該フロースルー型加熱システムの電力容量より小さい所要電力で動作する段階、を有し、
   前記加熱要素の動作状態は特定の動作状態期間の間維持され、
   前記加熱要素の動作状態は、長い時間スケールで平均して全ての加熱要素が実質的に同一の電力量を消費するか又は実質的に同一の温度へ加熱するように、規則的な状態遷移に従って変えられる、
   フロースルー型加熱システムの動作方法。
2. 前記加熱要素の前記１つは、マルチサイクルバーストモード動作により削減電力で動作される、請求項１記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
3. 前記フロースルー型加熱システムは電力容量Ｐｔｏｔを有し、加熱要素の総数は２に等しく、第１の加熱要素は電力定格Ｐ１＝α・Ｐｔｏｔを有し、第２の加熱要素は電力定格Ｐ２＝（１−α）・Ｐｔｏｔを有し、０＜α＜１であり、
   前記フロースルー型加熱システムは、所定長を有する少なくとも特定の第１の時間間隔の間、前記第１の加熱要素を削減電力で動作し、同時に前記第２の加熱要素はゼロ電力で動作されることにより、ゼロとα・Ｐｔｏｔとの間の所要電力で動作される、請求項１記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
4. 前記第１の時間間隔が過ぎた後、前記第２の加熱要素は削減電力で動作され、同時に少なくとも第２の時間間隔の期間の間、前記第１の加熱要素はゼロ電力で動作される、請求項３記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
5. αは少なくとも約０．５に等しく、前記第２の時間間隔は前記第１の時間間隔の期間と等しい期間を有する、請求項４記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
6. 前記フロースルー型加熱システムは電力容量Ｐｔｏｔを有し、加熱要素の総数は２に等しく、第１の加熱要素は電力定格Ｐ１＝α・Ｐｔｏｔを有し、第２の加熱要素は電力定格Ｐ２＝（１−α）・Ｐｔｏｔを有し、０＜α＜１であり、
   前記フロースルー型加熱システムは、所定長を有する少なくとも特定の第１の時間間隔の間、前記第２の加熱要素を削減電力で動作し、同時に前記第１の加熱要素は全電力で動作されることにより、α・Ｐｔｏｔと電力容量Ｐｔｏｔとの間の所要電力で動作される、請求項１記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
7. 前記第１の時間間隔が過ぎた後、前記第１の加熱要素は削減電力で動作され、同時に少なくとも第２の時間間隔の期間の間、前記第２の加熱要素は全電力で動作される、請求項６記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
8. αは少なくとも約０．５に等しく、前記第２の時間間隔は前記第１の時間間隔の期間と等しい期間を有する、請求項７記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
9. 前記フロースルー型加熱システムは電力容量Ｐｔｏｔを有し、加熱要素の総数は３に等しく、第１の要素は電力定格Ｐ１＝α・Ｐｔｏｔを有し、第２の要素は電力定格Ｐ２＝β・Ｐｔｏｔを有し、第３の要素は電力定格Ｐ３＝γ・Ｐｔｏｔを有し、α＋β＋γ＝１であり、
   前記フロースルー型加熱システムは、所定長を有する少なくとも特定の第１の時間間隔の間、前記第１の加熱要素を削減電力で動作し、同時に前記第２の加熱要素及び前記第３の加熱要素はゼロ電力で動作されることにより、ゼロとα・Ｐｔｏｔとの間の所要電力で動作される、請求項１記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
10. 前記第１の時間間隔が過ぎた後、前記第２の加熱要素は削減電力で動作され、同時に少なくとも第２の時間間隔の期間の間、前記第３の加熱要素はゼロ電力で動作され且つ前記第１の加熱要素はゼロ電力で動作される、請求項９記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
11. α＝βであり、前記第２の時間間隔は前記第１の時間間隔の期間と等しい期間を有する、請求項１０記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
12. 前記第２の時間間隔が過ぎた後、前記第３の加熱要素は削減電力で動作され、同時に少なくとも第３の時間間隔の期間の間、前記第２の加熱要素はゼロ電力で動作され且つ前記第１の加熱要素はゼロ電力で動作される、請求項１０記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
13. α＝β＝γであり、前記第３の時間間隔は前記第１の時間間隔の期間と等しい期間を有する、請求項１２記載のフロースルー型加熱システム方法。
14. 前記フロースルー型加熱システムは電力容量Ｐｔｏｔを有し、加熱要素の総数は３に等しく、第１の要素は電力定格Ｐ１＝α・Ｐｔｏｔを有し、第２の要素は電力定格Ｐ２＝β・Ｐｔｏｔを有し、第３の要素は電力定格Ｐ３＝γ・Ｐｔｏｔを有し、α＋β＋γ＝１であり、
    前記フロースルー型加熱システムは、所定長を有する少なくとも特定の第１の時間間隔の間、前記第２の加熱要素を削減電力で動作し、同時に前記第１の加熱要素は全電力で動作され且つ前記第３の加熱要素はゼロ電力で動作されることにより、α・Ｐｔｏｔと（α＋β）・Ｐｔｏｔとの間の所要電力で動作される、請求項１記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
15. 前記第１の時間間隔が過ぎた後、前記第１の加熱要素は削減電力で動作され、同時に少なくとも第２の時間間隔の期間の間、前記第３の加熱要素は全電力で動作され且つ前記第２の加熱要素はゼロ電力で動作される、請求項１４記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
16. 前記第２の時間間隔が過ぎた後、前記第３の加熱要素は削減電力で動作され、同時に少なくとも第３の時間間隔の期間の間、前記第１の加熱要素はゼロ電力で動作され且つ前記第２の加熱要素は全電力で動作される、請求項１５記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
17. α＝β＝γであり、前記第１、第２、及び第３の時間間隔は相互に等しい期間を有する、請求項１６記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
18. 前記第１の時間間隔が過ぎた後、前記第３の加熱要素は削減電力で動作され、同時に少なくとも第２の時間間隔の期間の間、前記第１の加熱要素はゼロ電力で動作され且つ前記第２の加熱要素は全電力で動作される、請求項１４記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
19. 前記第２の時間間隔が過ぎた後、前記第１の加熱要素は削減電力で動作され、同時に少なくとも第３の時間間隔の期間の間、前記第３の加熱要素は全電力で動作され且つ前記第２の加熱要素はゼロ電力で動作される、請求項１８記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
20. α＝β＝γであり、前記第１、第２、及び第３の時間間隔は相互に等しい期間を有する、請求項１９記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
21. 前記スロースルー型加熱システムは電力容量Ｐｔｏｔを有し、加熱要素の総数は３に等しく、第１の要素は電力定格Ｐ１＝α・Ｐｔｏｔを有し、第２の要素は電力定格Ｐ２＝β・Ｐｔｏｔを有し、第３の要素は電力定格Ｐ３＝γ・Ｐｔｏｔを有し、α＋β＋γ＝１であり、
    前記フロースルー型加熱システムは、所定長を有する少なくとも特定の第１の時間間隔の間、前記第１の加熱要素を削減電力で動作し、同時に前記第２の加熱要素及び前記第３の加熱要素は全電力で動作されることにより、（α＋β）・Ｐｔｏｔと前記加熱システムの全電力容量Ｐｔｏｔとの間の所要電力で動作される、請求項１記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
22. 前記第１の時間間隔が過ぎた後、所定長を有する少なくとも特定の第１の時間間隔の間、前記第２の加熱要素は削減電力で動作され、同時に少なくとも第２の時間間隔の期間の間、前記第３の加熱要素は全電力で動作され且つ前記第１の加熱要素は全電力で動作される、請求項２１記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
23. 前記第２の時間間隔が過ぎた後、前記第３の加熱要素は削減電力で動作され、同時に少なくとも第３の時間間隔の期間の間、前記第２の加熱要素は全電力で動作され且つ前記第１の加熱要素は全電力で動作される、請求項２２記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
24. α＝β＝γであり、前記第１、第２、及び第３の時間間隔は相互に等しい期間を有する、請求項２３記載のフロースルー型加熱システムの動作方法。
25. フロースルー型加熱システムであって：
    フロー管；
    各加熱要素は個々の対応する制御可能なスイッチと直列に接続され、前記フロー管の１つのセグメントと熱伝達接触した複数の少なくとも２個の加熱要素；
    個々の制御可能なスイッチの制御入力と結合された制御出力を有する制御ユニット；を有し、
    前記制御ユニットは、請求項１記載のフロースルー型加熱システムの動作方法を実施するため、前記個々の制御可能なスイッチを開き及び閉じるための制御信号を生成するよう設計される、フロースルー型加熱システム。
26. 液体を提供する装置であって、請求項２５のフロースルー型加熱システムを有する、装置。

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