CN101825341B - 热水器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种存储式热水器及其操作方法。该热水器包括用于存储水的水箱、用于加热所存储的水的至少一个加热元件、包围水箱至少一部分的套以及用于控制热水器的控制系统。在该热水器的一个结构中，热水器包括两个加热元件，控制系统包括三个温度传感器和两个湿敏传感器。控制系统还可以包括用于检测错误的电路，并基于检测到的错误改变水的操作。

Description

热水器及其操作方法
本申请是2004年2月19日提出的申请号为PCT/US2004/004917(国家申请号：200480007413.7)的专利申请的分案申请。原案申请的发明名称为“热水器及其操作方法”。
本申请要求2003年2月19日提交的美国临时专利申请60/448,245的优先权。
技术领域
本发明涉及一种热水器及其操作方法。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供一种包括水箱和控制系统的存储式热水器。水箱具有内表面和垂直轴。控制系统包括结合在水箱上的第一和第二电阻加热元件。第一和第二加热元件分别包括第一和第二热表面，它们分别在第一和第二位置上设置在水箱的内表面内。控制系统还包括第一、第二和第三温度传感器。第一和第二温度传感器分别与第一和第二加热元件相关联。第三温度传感器在第三位置上结合在水箱上，所述第三位置垂直设置在第一和第二位置之间。
本发明还提供一种该存储式热水器所存储水的加热方法。在一个实施例中，该方法包括：通过第一温度传感器检测第一温度；通过第二温度传感器检测第二温度；如果第一温度低于第一设定点，第二温度高于第二设定点，并且存在零个或多个其它条件，则阻止向第二加热元件供电，并且可控地向第一加热元件供电；如果第二温度低于第二设定点，并且存在零个或多个其它条件，则阻止向第一加热元件供电，并且可控地向第二加热元件供电；以及如果第一和第二温度分别高于第一和第二设定点，并且存在零个或多个其它条件，则阻止向第一和第二加热元件供电。
在另一个实施例中，本发明提供一种存储式热水器，其具有用于存储水的水箱、加热所存储水的加热元件、包围水箱至少一部分的套以及包括设置在水箱和套之间的湿敏传感器的控制系统。如果湿敏传感器产生大于阈值的湿气值，并且存在零个或多个其它条件，则控制系统能操作以阻止加热元件加热水箱。在另一种结构中，控制系统能够关闭电磁阀，以防止水进入水箱。
本发明还提供一种控制存储式热水器操作的方法。该方法包括：可控地向第一和第二加热元件供电，以加热在水箱中所存储的水；对第一和第二加热元件中一个进行故障检测；如果检测到第一和第二加热元件中一个有故障，并且存在零个或多个其它条件，则阻止向有故障的加热元件供电，并且可控地向没有故障的加热元件供电，以加热在水箱中所存储的水。
通过详细的描述和附图，本发明的其它方面和实施例将变得显而易见。
附图说明
附图是具体表现本发明的热水器的示意图。
具体实施方式
在详细地描述本发明的实施例之前，应该理解本发明不限于在以下说明中阐述的或者在下列附图中示出的它所运用的组件布置和结构的细节。本发明能够有其它的实施例，并且能够以各种方式实施或实现。而且，应该理解地是，本文所使用的措词和术语是为了描述，而不应视作限定。本文中“包括”、“包含”或“具有”以及它们的变形指的是包括此后列出的项目和它们的等价物以及另外的项目。除非特定的或者限定的术语，否则术语“被安装”、“被连接”、“被支撑”和“被结合”以及它们的变形可以广泛地使用，并且包括直接和间接的安装、支撑、连接以及结合。而且，“被连接”和“被结合”并不限制为物理的或者机械的连接或者结合。
如在图中所示，热水器10具有水箱15、包围水箱15的隔热套20，以及用于分别连接在建筑物的冷水供应管和热水管上的各个进水口接管25和出水口溢水接管30。对于示出的结构，在水箱15的上部和下部中分别有上和下(相对于轴32)电加热元件35、40。热水器的其它结构可以包括不同数量的加热元件，并且元件的位置可以改变。热水器10还具有控制系统，其包括四个温度传感器45、50、55、60、两个水传感器65、70、在电源电路中的电流传感器75、开关箱或者模块80以及操作面板85。热水器的其它结构可以包括不同的或者另外的控制传感器，并且应该理解的是，不是所有结构都需要所有的已示出的控制传感器。
再参考附图中示出的结构，控制传感器(即在控制系统中所有的传感器)、加热元件的连接和所有相关的互相连接都设置在水箱15和外面保护套20之间的绝热空间中。温度传感器45、50、55、60分别定位于刚好在下加热元件40的上方的位置、在上和下加热元件35、40之间的位置、刚好在上加热元件35的上方的位置和靠近水箱15的顶部的位置。温度传感器与水箱壁紧密地接触，并且可以是例如热敏电阻式传感器。
在所示的结构中，传感器55和45分别用于控制上和下加热元件35、40。传感器50用于确定自动增强的需要。例如，传感器50可以用于检测排水过多的情况。控制系统应该具有一种算法，以检测这种情况并且开始加热模式(上加热元件较早启动通常发生在仅有上下温度传感器的情况下)。这可导致在热水器中更快的热水恢复时间。传感器60用于在专用的高限制电路中监测水箱15中最热的水的温度。
在本文中也称为湿敏传感器的水传感器65、70定位在热水器10的顶部和底部，以检测水泄漏，并且可以处于隔热套20中或者在其下面。在一个结构中，上传感器设置在套顶部的下面或者设置在热水器水箱的顶部上，并且能够检测由于例如有故障的导管连接所造成的泄漏。如果在热水器10中包括一个水传感器，则底部的水传感器70可以重新设置在承滴盘上。在一个结构中，底部水传感器检测由于水箱焊接失效或有故障的螺纹组件(例如，加热元件、排出阀等)而产生的泄漏。参考图中所示的结构，电操作的电磁阀90安装在引入的供水系统线路上，并且由控制系统供电。该控制器能够具有一种算法，以检测来自水传感器65、70的合适信号并且启动(关闭)在引入的供水系统上电磁阀，以防止水损坏周围区域。
开关箱80可以安装在热水器套的里面、外面或者顶部。控制系统从110伏、240伏、或480伏电源获得电能。开关箱80接收来自用户界面板85的控制指令(或信号)，并且提供所有在加热元件35、40和建筑物电路之间的电流处理界面。开关箱80包含所有电源开关组件，它们用于加热元件35、40、控制器电源、任何必要的处理装置以及所有传感和电连接终端器。控制传感器电连接在开关箱上。开关箱还可以包含与第一加热元件相关的第一电流传感器和与第二加热元件相关的第二电流传感器。第一和第二电流传感器分别检测流入到第一加热元件35和第二加热元件40的电流。
在热水器的一个结构中，开关箱80包括其内的高温限制继电器开关，用于当温度传感器60测定水箱15的顶部的温度已经超过设定温度时中断向加热元件35、40供电。在240伏下，高温限制开关能够在直到40安培下转换。在操作面板上还存在手动开关，用来当水箱15顶部的水的温度已经降到所编程的安全温度时允许操作者手动地将高温限制开关复位。在热水器的至少一个结构中，自动继电器开关和手动开关限定了双极电路，用于使热水器10与电源隔离。如果极端的温度情况发生，断开向热水器供电的两极。再参考附图，在开关箱80中还存在加热元件继电器开关(例如，电子继电器开关、机电继电器开关或者它们的组合)，用于控制向上加热元件35和下加热元件40的供电。加热元件继电器开关能够在240伏30安培下转换。
在图中示出的操作面板85包括可编程的中央处理器(CPU)，其控制控制系统的操作。但是，其它的可编程装置和/或处理或控制单元或电路也可以用于热水器10。操作面板85在市电上操作，但还包括电池备用电源，用于在电源故障时保留程序。操作面板85可以安装在热水器套20上、远离在相同房间中的热水器10(例如在墙上)、在建筑物的另一个房间中或者甚至在建筑物的外面。在开关箱80和用户界面板85之间的接口可以包括2线总线系统、4线总线系统或者无线电波信号。
CPU可通过操作面板85上的用户界面进行编程。用户界面包括触摸板或者键盘以及可视显示器，为了容易操作，它们都从背面照明。利用该界面，操作者可以在允许的范围(例如，家庭应用为90-150°F，商业应用为90-180°F)内设置“关闭”温度和“打开”温度，在一个结构中，打开温度必须低于关闭温度至少3°F。顾名思义，关闭温度是控制系统使加热元件35、40关闭时的温度，打开温度是控制系统使加热元件35、40中一个打开时的温度。在一些结构中，加热元件35、40具有不同的打开和/或关闭温度。
例如，打开/关闭程序可以限定一个24小时、7天的时间表或者一个24小时、平时5天和周末2天的时间表，其中任何一个都可以限定多个打开和关闭温度。操作者可以手动地使打开/关闭程序无效。CPU还提供假日设定，其中，控制系统使降低水温持续操作者所规定的时间。
还可以对CPU编程，以通过进入增强模式而减小恢复时间(即，使热水器10从排水过多中较快地恢复)来自动地适应排水过多的情况(即，当在较短的时间内水的温度迅速地降低时)。在增强模式中，控制系统向上加热元件而不是下加热元件提供能量，以快速地增加水箱15顶部的水的温度。一旦上加热元件35达到它的设定点，加热系统的正常的自动操作将重新开始，所述设定点可以设定在比用于上加热器35的正常打开温度更高的温度(诸如用于当前二十四小时期间的最高的设定点温度)上。
操作面板85还提供用于手动地将控制系统转换到增强模式的开关。这将允许用户开始加热程序，该程序将温度调节装置的设定点重新设定到用于这天中最高的已编程的值，如果水温低于该值，则使热水器打开。一旦达到设定点，温度调节装置自动地重新设置到已编程的值，并且正常热水器操作将重新开始。
操作面板85包括用于控制系统模式的指示器(例如，手动、自动、增强或者假期模式)。它还包括“通电”指示器以及用于每个加热元件35、40的指示器，以指示元件是否起作用。这些指示器可帮助安装者和最终用户。操作面板85还包括用于计算机连接的端口(例如，RS232端口)。
在示出的结构中，控制系统防止上和下加热元件35、40同时运行。在一种操作方法中，CPU使用以下控制程序。如果温度传感器55的温度低于上加热元件35的设定点，向下元件40的输出是无效的，并且上元件35打开。如果温度传感器55的温度大于上加热元件35的设定点，并且温度传感器45的温度低于下元件40的设定点，则打开下元件40。如果温度传感器45的温度大于下加热元件40的设定点，两个输出都关闭。如果温度传感器50检测到快速的温度下降，则下元件45是不起作用的，并且上元件35在自动的增强模式中打开。用于控制元件35和40的其它方法是可能的。
操作面板85提供有故障解决和错误检测的特点，其使用上述控制传感器来检测问题，并且经过可视显示器和/或警报(声音和/或光)将问题通知给操作员。例如，当控制系统检测到加热元件35、40中的一个有故障时，它将电源转换到另一个加热元件并且向操作员报警该故障。该控制系统可以检测到这样的故障(1)当尽管相关的传感器(55、45)在它的设定点的下面，但在元件电路中检测不到电流时；(2)当在元件中测量的电阻表明开路元件时；或者(3)当检测到电流并且在限定时间内没有检测到在水箱15中的温度升高。系统还监测加热元件35、40的水垢堆积。如果在加热元件中的电阻的变化率或者变热速度表明在元件上过多的水垢，则通过显示器和/或警报通知操作员。
除了向操作员报警以外，当水传感器65、70检测到水泄漏时、当控制系统检测干烧时(即，在水箱15中缺水的情况下使加热元件35、40中的一个通电)、当电流传感器75检测到对地漏电流时以及当电流传感器75检测到热水器10没有接地时，控制系统将关闭热水器10。当在加热元件电路中存在反常的电流和电阻读数时，检测到干烧。当由于电流泄漏到加热元件35、40而在电源电路的一个引线上不存在电压时，发生对地电流。
控制器可在每一个引入的电源线上设置电压传感器，该传感器具有测量机壳接地点的电压的能力。如果在引入的电源线的两个引线上都不存在对地的电位(或者所确定的阈值)，则建筑物电路没有正确接地。控制器可具有算法，以检测这种条件，并且关掉向加热器的电输入和/或向物主报警存在不安全(不接地)的情况。
当在电源电路的两个引线上都不存在电压时，控制系统知道加热器10没有接地。
控制系统还可以设置有电输出，用于控制在供水进水管上的可选的电磁阀90。可选的电磁阀是关闭的，直到检测到一定的条件和正确的监测信号为止，以防止水泄漏而破坏建筑物，或者防止对用户的安全危险。
控制系统的另外一个特征是，能够测量和监测能量消耗。能量消耗是电加热元件的功率和该功率所持续时间的函数。CPU能够保留能量消耗等式的时间部分的轨迹，但是要求初始设备厂家或者操作员设计用于使该特征正常工作的加热元件35、40的功率。控制系统在用户界面85的可视显示器上显示热水器的能量消耗。
连同在每个加热元件导线上的电流传感器一起，控制器设置有定时器，其随着电流流到加热元件而计时，即当电流流动时，定时器将计时。用加热元件输入到控制器的功率，控制器具有算法，以计算和存储能量消耗。该能量消耗可以是连续的，或者可以每天、每月、每年或者在任何用户所选择的时间期限上重新设定。
控制系统还包括在每一个引入的电源线上的电压传感器，该传感器具有测量机壳接地点的电压的能力。如果在引入的电源线的两个引线上都不存在对地的电位，或者如果电压下降到低于阈值以下，则建筑物电路没有正确接地。控制器具有算法，以检测这种条件，并且关掉向加热器的电输入和/或向物主报警存在不安全(不接地)的情况。
通过在每个引入电源线上的电压传感器和在每个加热元件的导线上的电流传感器，控制器具有一种算法，能够连续地计算每个加热元件的“热”(在负荷下)电阻。控制器将加热元件开始通电时的这个电阻值作为基准，并且连续地监测该电阻，用来与这个开始的电阻值比较。这种能力允许检测出干烧情况(在水箱中没有水的时候向加热元件供电)以及在元件上的水垢堆积。控制器包含一种算法，其能够检测出表示干烧元件的电阻模式以及表示在加热元件上过多水垢堆积的电阻模式。在任何一种情况下，控制器向物主报警：水箱中没有水，或者加热元件将要出故障。
考虑到电阻的变化率，用于检测干烧和水垢堆积的算法为时间的函数，并且将该电阻变化率与崭新的、清洁的加热元件基准信息的特性相比较。加热元件在干烧1-2分钟内可能烧坏。例如，用于确定干烧情况的算法可以基于在元件运行的开始几秒或更短时间内电阻增加的变化率(例如，在开始的2-10秒后电阻增加3-10％)。对于一些加热元件。例如，在元件运行的开始3秒后电阻增加5％可以是干烧的很好的指示。早期检测出干烧允许控制器通过快速关闭加热元件以保护加热元件。
从而，本发明提供一种新的和有用的热水器及其操作方法。上述的以及在附图中示出的热水器的结构和操作该热水器的方法仅仅经由实例说明，不应视作对于本发明的概念和原理的限制。本发明的各种特征和优点在所附权利要求书中说明。

Claims (12)

1.一种存储式热水器，其包括：
用于存储水的水箱；
冷水进口和热水出口，它们都进入到所述水箱中；
结合在冷水进口和热水出口中的至少一个上的电操作阀，用来控制水流过水箱；
包围所述水箱至少一部分的套；
第一湿敏传感器，设置在水箱和套之间的第一位置处，第一湿敏传感器能操作，以检测水箱外表面上的液体，而且如果第一湿敏传感器产生大于阈值的湿气值，则它产生第一信号；
第二湿敏传感器，设置在水箱和套之间的第二位置处，第二湿敏传感器能操作，以检测水箱外表面上的液体，而且如果第二湿敏传感器产生大于所述阈值的湿气值，则它产生第二信号，第二湿敏传感器独立于第一湿敏传感器；以及
控制系统，其与第一湿敏传感器，第二湿敏传感器和阀连通，所述控制系统能够操作，检测第一信号和第二信号，以至少部分地基于控制系统是否接收到第一信号和第二信号中的一个，控制所述阀，其中，所述控制系统能进一步操作，以控制阀，防止水进入水箱，并且所述控制系统还能进一步操作，以控制阀，以便当湿敏传感器产生小于阈值的湿气值时，以可控制方式允许水进入水箱。
2.如权利要求1所述的存储式热水器，其中，所述热水器还包括设置在水箱和套之间的承滴盘，其中第一湿敏传感器和第二湿敏传感器中的一个结合在承滴盘上，并且其中第一湿敏传感器和第二湿敏传感器中的所述一个检测由承滴盘收集的水分。
3.如权利要求2所述的存储式热水器，其中，所述水箱包括顶部和底部，且所述承滴盘设置在水箱的底部和套之间。
4.如权利要求1所述的存储式热水器，其中，所述冷水进口和热水出口进入水箱的顶部，并且其中第二湿敏传感器设置在冷水进口和热水出口之间。
5.如权利要求1所述的存储式热水器，其中，所述热水器还包括设置在水箱的底部和套之间以及水箱的顶部和套之间中的至少一个中的绝热体，并且其中所述湿敏传感器中的至少一个设置在所述绝热体中。
6.如权利要求1所述的存储式热水器，其中，所述电操作阀包括结合至冷水入口的电操作电磁阀，用以控制水流入水箱。
7.一种存储式热水器，其包括：
用于存储水的水箱；
冷水进口和热水出口，它们都进入到所述水箱中；
加热设备；
包围所述水箱至少一部分的套；
第一湿敏传感器，其设置在水箱和套之间的第一位置处，第一湿敏传感器能操作，以检测水箱外表面上的液体，而且如果第一湿敏传感器产生大于阈值的湿气值，则它产生第一信号；
第二湿敏传感器，设置在水箱和套之间的第二位置处，第二湿敏传感器能操作，以检测水箱外表面上的液体，而且如果第二湿敏传感器产生大于所述阈值的湿气值，则它产生第二信号，第二湿敏传感器独立于第一湿敏传感器；以及
控制系统，其与第一湿敏传感器，第二湿敏传感器和加热设备连通，所述控制系统能够操作，检测第一信号和第二信号，以至少部分地基于控制系统是否接收到第一信号和第二信号中的一个，控制所述加热设备，以便防止加热所存储的水，其中，所述控制系统能进一步操作，以控制加热设备，以便当湿敏传感器产生小于阈值的湿气值时，以可控制方式加热所存储的水。
8.如权利要求7所述的存储式热水器，其中，所述热水器还包括设置在水箱和套之间的承滴盘，其中第一湿敏传感器和第二湿敏传感器中的一个结合在承滴盘上，并且其中第一湿敏传感器和第二湿敏传感器中的所述一个检测由承滴盘收集的水分。
9.如权利要求7所述的存储式热水器，其中，所述水箱包括顶部和底部，所述第一湿敏传感器设置在水箱的底部和套之间，第二湿敏传感器设置在水箱的顶部和套之间。
10.如权利要求7所述的存储式热水器，其中，所述加热设备包括电阻加热元件。
11.如权利要求7所述的存储式热水器，其中，所述热水器还包括结合在冷水进口和热水出口中的至少一个上的电操作阀，用来控制水流过水箱，并且其中所述控制系统能进一步操作，以至少部分地基于第一湿敏传感器和第二湿敏传感器中的一个的值，控制所述阀。
12.一种存储式热水器，包括：
用于存储水的水箱，所述水箱包括顶部和底部；
冷水进口和热水出口，它们都进入到所述水箱中；
结合在冷水进口和热水出口中的至少一个上的电操作阀，用来控制水流过水箱；
设置在水箱中的电阻加热元件；
包围所述水箱至少一部分的套；
第一湿敏传感器，设置在水箱的底部和套之间，第一湿敏传感器能操作，以检测水箱外表面上的液体，而且如果第一湿敏传感器产生大于阈值的湿气值，则它产生第一信号；
第二湿敏传感器，设置在水箱的顶部和套之间，第二湿敏传感器能操作，以检测水箱外表面上的液体，而且如果第二湿敏传感器产生大于所述阈值的湿气值，则它产生第二信号，第二湿敏传感器独立于第一湿敏传感器；以及
控制系统，其与第一湿敏传感器，第二湿敏传感器和阀连通，所述控制系统能够操作，检测第一信号和第二信号，以至少部分地基于控制系统是否接收到第一信号和第二信号中的一个，控制所述阀和所述加热元件，
其中，所述控制系统能进一步操作，以控制阀，防止水进入水箱，所述控制系统能进一步操作，以控制阀，以便当湿敏传感器产生小于阈值的湿气值时，以可控制方式允许水进入水箱；所述控制系统还能进一步操作，以控制加热设备，以便当湿敏传感器产生小于阈值的湿气值时，以可控制方式加热所存储的水。
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