(57)【要約】  導電性の流体を加熱するオーミックヒータが、電極（１４）と電極間のスペース（２０）とを含む。コントローラ（５２）は、異なる電位に接続された２つの作動中の電極と１つ又は複数のスペース内の流体とを各々が含む伝導経路を形成するために連続する作動インターバル中に電極を電源（３６）に選択的に接続する。コントローラは、スペースを通り移動する一連の有限要素（１００）としてスペースを通過する流体をモデル化する。各作動インターバルの前に、コントローラは、伝導経路内の流体における推定の温度と作動中の電極を通過する推定した電流とを含め様々な可能な伝導経路を作動させることの予期される結果を推定する。コントローラは、推定した結果が制約の組み合わせを満足する伝導経路の組み合わせを選択し、作動インターバル中に選択した伝導経路だけを作動させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電導性の流体を加熱するように構成されるヒータであって、
（ａ）構造体と、
（ｂ）複数の電極のうち複数の隣り合う電極の間に複数のスペースをともなって前記構造体に据え付けられた複数の電極であって、前記構造体は、前記スペース内の流体を電極と接触させ、かつ隣り合う電極を相互に電気的に接続するように、前記スペースを通って延びる所定の流路に沿って下流方向に向かって前記ヒータを通って流れる流体を導く構成である、複数の電極と、
（ｃ）複数の極を有する電源であって、電源が、前記複数の極のうち異なる極同士には異なる電位を供給するように作動可能である、電源と、
（ｄ）前記複数の電極のうち少なくともいくつかの電極と前記複数の極との間を電気的に接続する複数のパワースイッチであって、パワースイッチが、伝導経路を形成するために前記極に前記電極を選択的に接続するように、かつ前記極から選択的に前記電極の接続を切るように作動可能であり、各パワースイッチが、前記電源における前記異なる極同士に接続された２つの作動中の電極と、前記複数のスペースのうち少なくとも１つのスペース中の流体とを含む、複数のパワースイッチと、
（ｅ）前記流体が前記ヒータを通る前記流体の流量に基づく速度で前記複数のスペースを通過する一連の複数の流体要素としてモデル化されるモデルを、循環的な複数のサイクルにて演算することによって、前記複数のパワースイッチの作動を制御するように構成されたコントローラであって、各サイクルが、
（ｉ）始まり及び終わりを有する作動インターバルの間に前記複数の伝導経路のうち複数の異なる伝導経路の作動をモデル化するステップであって、モデル化するステップは、選択した複数の伝導経路の作動が前記作動インターバルの終わりにおける前記複数の流体要素のそれぞれに関する最大温度と、前記複数の作動中の電極のそれぞれを通る最大電流とを含む複数の制約の組み合わせに違反しないように、前記作動インターバル中の作動のために前記複数の伝導経路を選択するように行われ、モデル化するステップが、前記作動インターバルの始まりにおける前記複数の流体要素のうち複数の個別の流体要素に関する推定の開始温度及び導電率を使用する、モデル化するステップと、
（ｉｉ）前記作動インターバルの始まりにて前記選択した複数の伝導経路における前記複数の作動中の電極だけを前記電源に接続するように前記複数のパワースイッチを作動させるステップと、
（ｉｉｉ）有限要素モデルを使用して、前記作動インターバルの終わりにおける前記複数の流体要素のうち前記複数の個別の流体要素に関する終了温度を予測するステップと
を含む、コントローラと
を備え、
各サイクルにて使用される前記複数の流体要素に関する前記推定の開始温度が、先のサイクルにて予測した同じ複数の流体要素に関する前記終了温度に少なくとも部分的に基づいて決定されるようになっている、ヒータ。
【請求項２】
前記複数の伝導経路のうち少なくとも１つの伝導経路は、このような伝導経路における前記複数の作動中の電極が前記複数のスペース及び１つ又は複数の切り離された電極を介して相互に電気的に接続されるように、前記複数の極からの接続を切られた前記１つ又は複数の切り離された電極と、前記複数のスペースのうち少なくとも２つのスペース中の流体とを含んでいる、請求項１に記載のヒータ。
【請求項３】
前記複数の伝導経路のそれぞれについて前記モデル化するステップが、
各対の相互に隣接する電極の間における前記スペース内に配置された前記流体要素を考慮することと、前記最大温度よりも上に前記流体要素の温度を上昇させずに前記流体要素を挟んで印加することができる最大電圧を決定することとによって、前記伝導経路内に含まれる相互に隣接する前記対の電極に関する最大電圧を設定するステップと、
前記流体要素のうち、前記対の電極間における前記スペース内に配置されたいずれか１つの流体要素について決定した最も低い最大電圧に基づいて前記対の電極に関する最大電圧を設定するステップと
を含む、請求項２に記載のヒータ。
【請求項４】
前記複数の伝導経路のそれぞれが作動インターバルにて作動され得るかどうかの前記決定は、ある伝導経路の作動が、前記伝導経路に含まれるいずれかの対の相互に隣接する電極を挟む電圧であって、前記対の電極に関する前記最大電圧よりも高い電圧を印加することをもたらすはずである場合に、前記伝導経路が作動され得ないことを決定するステップを含む、請求項３に記載のヒータ。
【請求項５】
前記複数の伝導経路のそれぞれを前記モデル化するステップが、前記伝導経路内に含まれる各対の相互に隣接する電極の間における前記スペースを挟む電気抵抗を計算するステップであって、前記電気抵抗の計算が、平行と考えられる前記スペース内に配置された前記流体要素の抵抗に基づいている、ステップを含む、請求項４に記載のヒータ。
【請求項６】
前記１つ又は複数の切り離された電極を含む前記複数の伝導経路のそれぞれに関して、前記モデル化するステップが、前記伝導経路内に含まれる前記１つ又は複数の切り離された電極のうち各１つの切り離された電極の電圧を決定するステップを含む、請求項５に記載のヒータ。
【請求項７】
前記電極が、第１の積層方向及び第２の積層方向に延びる積層体内に配置され、
前記複数のサイクルのそれぞれにて、前記複数の伝導経路のうち複数の異なる伝導経路の作動をモデル化する前記ステップが、
第１の開始電極として前記複数の電極のうち１つの電極を指定するステップと、
前記複数の電極のうち、１つの作動中の電極としての前記開始電極と、もう１つの電極とを含む前記複数の伝導経路の作動に関する複数の作動の繰り返しによってモデル化する検索ルーティンを実行するステップであって、前記もう１つの電極が、前記繰り返しの各作動にて前記積層電極から離れた異なる仮定の電極を用いた仮定の作動中の電極として、前記第１及び第２の積層方向のうち選択した積層方向に前記開始電極からオフセットしたものとなっており、前記繰り返しの各作動が、（１）前記開始電極と前記仮定の電極との間における前記伝導経路が前記制約を満足するものとして選択されるという良好な結果となること、又は（２）前記開始電極と、前記仮定の作動中の電極として前記選択した積層方向に前記開始電極から最も離れた電極とを含む伝導経路をモデル化するステップが、このような伝導経路が前記制約を満足しないことを示すという良好でない結果となることのいずれかまで行われる、ステップと
を含むようになっている、請求項２に記載のヒータ。
【請求項８】
前記複数のサイクルのそれぞれにて、前記複数の伝導経路のうち複数の異なる伝導経路の作動をモデル化する前記ステップが、
前記検索ルーティンにて肯定的な結果をもたらす仮定の電極を新たな開始電極として指定するステップと、
前記検索ルーティンを前記第１及び第２の積層方向のうち同じ積層方向を用いて繰り返すステップと
を含む、請求項７に記載のヒータ。
【請求項９】
各サイクルにて、前記複数の伝導経路のうち複数の異なる伝導経路の作動をモデル化する前記ステップが、第１の開始電極と、先に選択した積層方向とは反対である前記選択した積層方向とを用いて前記検索ルーティンを繰り返すステップを含む、請求項７に記載のヒータ。
【請求項１０】
前記コントローラが、複数の異なるサイクルでは前記第１の開始電極として前記複数の電極のうち異なる電極を指定するように構成されている、請求項７に記載のヒータ。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記作動インターバル中に前記電源の極同士の間を流れる予測上の全電流が最大の全電流を超えないように、各サイクルにて前記複数の伝導経路を選択するように構成されている、請求項１に記載のヒータ。
【請求項１２】
前記コントローラが、設定値温度の受信を行う入力部を含み、
前記コントローラが、各サイクルにて使用される前記最大温度として前記設定値温度を使用するように構成されている、請求項１に記載のヒータ。
【請求項１３】
前記コントローラに接続された流量計であって、前記コントローラが、流量計によって提供されるデータに応じて前記流体の流量を設定するように構成される、流量計をさらに備えている請求項１に記載のヒータ。
【請求項１４】
前記流路に入る流体の注入口温度を測定するように作動する注入口温度計であって、前記コントローラが、注入口温度に部分的に基づいて前記流体要素の開始温度を推定するように構成される、注入口温度計をさらに備えている請求項１に記載のヒータ。
【請求項１５】
前記複数のスペースのうち少なくとも１つのスペースから下流の前記流路に沿った場所における流体の温度を測定するように作動する追加の温度計であって、前記コントローラが、追加の温度計により測定された前記流体の温度に応じて前記複数の流体要素をモデル化するときに使用する少なくとも１つのパラメータを調節するように作動する、追加の温度計をさらに備えている請求項１４に記載のヒータ。
【請求項１６】
前記流路に沿って流れる流体の導電率を測定するように作動する導電率測定機器であって、前記コントローラが、前記測定された導電率に少なくとも部分的に基づいて前記流体の導電率を推定するように構成される、導電率測定機器をさらに備えている請求項１に記載のヒータ。
【請求項１７】
各サイクルにて、前記コントローラが、前記流体要素の前記推定された開始温度に部分的に基づいて各流体要素内における前記流体の導電率を推定するように構成されている、請求項１６に記載のヒータ。
【請求項１８】
前記コントローラが、前記先のサイクルに関する前記流体要素の予測された終了温度に部分的に基づき、かつ異なる温度を有する隣接する流体要素同士の間における熱拡散の推定値に部分的に基づいて各サイクルに関する前記流体要素の推定の開始温度を推定するように構成されている、請求項１に記載のヒータ。
【請求項１９】
ヒータ内の電導性の流体を加熱する方法であって、
（ａ）複数のスペース内における流体が複数の電極に接触し、かつ隣り合う電極同士を相互に電気的に接続させるように、隣り合う電極同士の間における前記スペースを通って延びる所定の流路に沿って前記流体を流すステップと、
（ｂ）前記流体が前記ヒータを通る前記流体の流量に基づく速度で前記複数のスペースを通過する一連の複数の流体要素としてモデル化されるモデルを、循環的な複数のサイクルにて演算するステップであって、各サイクルが、
（ｉ）複数の伝導経路のうち複数の異なる伝導経路の作動をモデル化するステップであって、各伝導経路が、異なる電位に接続された作動中の電極として前記複数の電極のうち２つの電極と、前記複数のスペースのうち少なくとも１つのスペース中の流体とを含み、選択される前記複数の伝導経路の作動が、各流体要素に関する最大温度と、各作動中の電極を通る最大電流とを含む制約の組み合わせに違反しないように、前記作動インターバルの作動のために複数の伝導経路を選択すべく始まり及び終わりを有する作動インターバルの間に、モデル化するステップが、前記複数の流体要素のうち複数の個別の流体要素に関する推定の開始温度及び導電率を使用する、モデル化するステップと、
（ｉｉ）前記作動インターバルの始まりにて前記選択される複数の伝導経路だけについての前記複数の作動中の電極を電源に接続するステップと、
（ｉｉｉ）有限要素モデルを使用して、前記作動インターバルの終わりにおける前記複数の流体要素のうち複数の個別の流体要素に関する終了温度を予測するステップと
を有する、循環的な複数のサイクルにて演算するステップと
を含み、
各サイクルにて使用される前記複数の流体要素に関する前記推定の開始温度が、先のサイクルにて予測された同じ複数の流体要素に関する前記終了温度に少なくとも部分的に基づいて決定される、方法。
【請求項２０】
前記複数の伝導経路のうち少なくとも１つの伝導経路は、前記複数の伝導経路における前記複数の作動中の電極が前記複数のスペース及び前記１つ又は複数の切り離された電極を介して相互に電気的に接続されるように、前記複数の極からの接続を切られた１つ又は複数の切り離された電極と、前記複数のスペースのうち少なくとも２つのスペース中の流体とを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
ステップ（ｂ）（ｉ）が、各伝導経路に関して、
各対の相互に隣接する電極に関する最大電圧を設定するステップであって、前記最大電圧が、前記対の電極の間における前記スペース内に配置された前記複数の流体要素のうち複数の個別の流体要素を考慮に入れることと、前記最大温度よりも上に各流体要素の温度を上昇させずにこのような流体要素を挟んで印加されることがある最大電圧を決定することとによって設定するステップと、
前記対の電極の間における前記スペース内に配置された前記複数の流体要素のうちいずれか１つの流体要素について決定した最も低い最大電圧に基づいて、前記対の電極に関する前記最大電圧を設定するステップと
を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
ステップ（ｂ）（ｉ）は、ある伝導経路の作動が、このような伝導経路に含まれるいずれかの対の相互に隣接する電極を挟む電圧であって、前記対の電極に関する前記最大電圧よりも高い電圧を印加することをもたらすはずである場合に、前記伝導経路が選択されないことを決定するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ステップ（ｂ）（ｉ）が、平行と考えられる前記スペース内に配置された前記流体要素の抵抗に基づいて、各対の相互に隣接する電極の間における前記スペースを挟む電気抵抗を計算するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
ステップ（ｂ）（ｉ）が、１つ又は複数の切り離された電極を含む各伝導経路に関して、前記伝導経路内に含まれる前記複数の切り離された電極のうち各１つの切り離された電極の電圧を決定するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項２５】
各サイクルにて使用される前記最大温度が、前記ヒータを出る流体の所望の温度を表している設定値温度に対応する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
前記複数のスペースのうち少なくとも１つのスペースから下流の前記流路に沿った場所における流体の温度を測定するステップと、
前記測定された温度に応じて有限要素モデルにおける少なくとも１つのパラメータを調節するステップと
をさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記流路に沿って流れる流体の導電率を測定するステップと、
前記流体の導電率を測定するステップと、
各サイクルにて、前記測定された導電率に部分的に基づき、かつ前記複数の流体要素のうち各個別の流体要素における前記推定の開始温度に部分的に基づいて、前記数の流体要素のうち各個別の流体要素中における前記流体の導電率を推定するステップと
をさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
各サイクルに関する前記流体要素における前記推定の開始温度が、前記先のサイクルに関する前記流体要素の前記予測された終了温度に部分的に基づき、かつ異なる温度を有する隣接する流体要素同士の間における熱拡散の推定値に部分的に基づいている、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［相互参照］
本出願は、その開示が本願に援用により取り込まれている２０１８年４月１３日出願の米国特許出願第１５／９５２，８３２号の継続出願である。
【背景技術】
【０００２】
本開示は、オーミック流体加熱装置、及び流体を加熱する方法に関する。オーミック流体ヒータを、例えば、飲用水等のような電導性流体を加熱するために使用することができる。このようなヒータは、互いに間隔を空けた複数の電極を典型的には含む。電極は、流体が隣り合う電極同士の間のスペースを満たすように、加熱しようとする流体と接触する。電極のうち２つ以上の電極が、電源に接続され、その結果、異なる電位が複数の電極のうち異なる電極同士に印加される。例えば、オーミックヒータが家庭用の電気プラグから得ることができるような通常のＡＣ外部電力を使用して作動する場合、複数の電極のうち少なくとも１つの電極は、交流電位を送る１つの極に接続され、その一方で、少なくとも１つの他の電極は、反対の極に接続される。電気は、電極同士の間における少なくとも１つのスペースを、流体を通して電極同士の間に流れ、そして、電気エネルギーが流体の電気抵抗により熱に変換される。
【０００３】
加熱した流体の所望の温度を実現するためのこのようなヒータでは、電気エネルギーを熱に変換する速度（加熱速度）を制御することが望ましい。互いに相対的に近くへ電極を機械的に動かすことによって加熱速度を変え、これによって、電極同士の間における電気抵抗を変えることが提案されている。しかしながら、このような装置は、流体に晒される可動部品を含む複雑な機械的要素を必要とする。その上、素早く変化する状態に対処するために、このような機構を迅速に応答させることは困難となっている。例えば、オーミックヒータが、シャワーヘッド等のような配管された設備に供給される水を加熱するための「瞬間加熱」装置に使用される場合には、水は、設備が使用されている間に設備に向かってヒータを連続的に直接通過する。設備の弁を開くことによるように、ユーザが水の流量を突然増加させる場合には、ヒータは、設備に供給される水を実質的に一定の温度に維持するために、加熱速度を高めるように迅速に反応するはずである。
【０００４】
相当な数の電極を有し、電源における複数の極に複数の電極のうち複数の異なる電極を選択的に接続するためのパワースイッチを有するオーミックヒータを提供することもまた提案されている。例えば、電極の配列集合体を、電極同士の間にスペースを空けて直線的な配列に配置することができる。配列集合体は、配列集合体の一番端に位置する２つの電極と、これら２つの一番端の電極間に位置する多数の中間の電極とを含む。最小の加熱速度を提供するために、一番端の電極は、電源の反対の極に接続され、かつ中間の電極は、極から切り離される。電流は、一方の一番端の電極から第１のスペース内の流体を通って中間の電極のうち最も近い中間の電極へ、次いで、次のスペース内の流体を通って次の切り離された電極へ、という具合に電流が最後の中間の電極へ達するまで流れ、そして、最後の中間の電極から他方の一番端の電極へと流れる。このように、すべてのスペース内の流体が、２つの一番端の電極間で直列に電気的に接続される。この接続方式は、電源の極同士の間に高い電気的抵抗及び低い加熱速度をもたらす。
【０００５】
最大加熱速度に関して、電極のすべてが、次の最も近い隣り合う電極とは反対の極に接続されるように極に接続される。この状態では、各スペース内の流体は、１つおきのスペース内の流体と並列な状態で、電源の極同士の間に直接接続される。その接続方式は、極同士の間に最小の抵抗をもたらす。中間の加熱速度を、電源における複数の極に複数の電極を様々な組み合わせで接続することによって実現することができる。例えば、１つのこのような接続方式では、中間の電極のうち２つの電極が電源における反対の極に接続され、そして、残りの電極は電源における極から電気的に切り離される。接続された中間の電極は、少数の他の中間の電極及び少数のスペースによって相互に隔てられ、その結果、ほんの少数のスペース内の流体が極同士の間で直列に接続される。この接続方式は、最大の加熱速度方式における抵抗よりも高いが最小の加熱速度方式における抵抗よりも低い抵抗となるように極同士の間の抵抗をもたらす。所与の導電率を有する流体を用いると、異なる接続方式が極同士の間に異なる抵抗を、従って、異なる加熱速度を与える。
【０００６】
典型的には、スイッチは、例えば、サイリスタのような半導体スイッチング素子等のような電気的に制御可能なスイッチである。このタイプのオーミックヒータは、接続方式同士の間を迅速に切り替えることができ、従って、加熱速度同士の間を迅速に切り替えることができる。このようなヒータは、加熱速度を制御するために流体と接触するいかなる可動部品をも必要としない。このタイプのオーミックヒータは、段階的に、電極の物理的な構成により固定される特定の抵抗、従って、加熱速度の組み合わせの中から選択できるだけである。その開示が本願に援用により組み込まれている特許文献１及び特許文献２に開示されたように、このようなヒータの電極を、互いに不均一な距離で間隔を空けることができて、所与の導電率の流体を用いて広い範囲の抵抗と、複数のステップ間で加熱速度の実質的に均一な比率とを有する多数のステップをもたらすことができる。その開示が本願に援用により組み込まれている特許文献３（国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０６０１９２）に開示されたように、加熱速度のより多くのステップでさえ、複数の電極のうちある電極を相互に選択的に接続できるシャントスイッチを設けることによって所与の数の電極を用いて実現することができる。このタイプのヒータでは、利用可能なスイッチの組み合わせ及び関係する加熱速度を、ルックアップテーブルに記憶することができる。このタイプのヒータは典型的には、大きな加熱速度又は小さな加熱速度を選択することにより作動状態に反応するフィードバック制御システムによって制御されてきている。例えば、このようなヒータは、排出口温度センサを含むことができる。ヒータから吐出される流体が所望の温度（又は「設定値」温度とも呼ばれる）よりも低い温度である場合には、制御システムは、より高い加熱速度を有する電極の組み合わせを選択する。このタイプのヒータは、効果的な加熱を実現することができ、そして、流量、導電率、注入口温度の違い等のような作動状態の違いを補償することができる。
【０００７】
しかしながら、依然としてさらなる改善が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７，８１７，９０６号明細書
【特許文献２】米国特許第８，８６１，９４３号号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１８／０８５７７３号
【発明の概要】
【０００９】
本発明の一態様は、電導性の流体を加熱するように構成されるヒータを提供する。本発明の一態様に係るヒータは、構造体と、複数の電極のうち複数の隣り合う電極同士の間に複数のスペースをともなって上記構造体に据え付けられた複数の電極とを、望ましくは含む。上記構造体は、上記スペース内の流体が上記電極と接触し、隣り合う電極を相互に電気的に接続し、かつ上記スペースを通って延びる所定の流路に沿って下流方向に向かって上記ヒータを通って流れる流体を導くように、望ましくは構成される。
【００１０】
上記ヒータは、複数の極を有する電源を、望ましくは含み、上記電源が上記複数の極のうち異なる極同士に異なる電位を供給するように作動可能である。上記ヒータは、上記複数の電極と上記複数の極との間を電気的に接続する複数のパワースイッチを好ましくは含み、上記パワースイッチが、伝導経路を形成するように上記電極を上記極に選択的に接続し、かつ上記電極を上記極から選択的に接続を切るように作動可能であり、各伝導経路が、上記電源の異なる極同士に接続された２つの作動中の電極と、上記複数のスペースのうち少なくとも１つのスペース中の流体を含む。
【００１１】
望ましくは、本発明の一態様に係る上記ヒータは、上記流体が上記ヒータを通る上記流体の流量に基づく速度で上記複数のスペースを通過する一連の複数の流体要素としてモデル化されるモデルを、循環的な複数のサイクルにて演算することによって上記複数のパワースイッチの作動を制御するように構成されたコントローラを含む。最も望ましくは、上記モデルの各サイクルが、
（ｉ）（１）各流体要素に関する作動インターバルの終わりにおける終了温度と（２）各作動中の電極を通過する電流とを予測するために上記作動インターバル中における上記複数の伝導経路のうち複数の異なる伝導経路の作動をモデル化するステップであって、上記予測が、推定の開始温度と、上記作動インターバルの開始における各流体要素に関する導電率とに基づいており、モデル化するステップは、最大終了温度と、各作動中の電極を通る最大電流とを含む制約の組み合わせに違反せずに上記作動インターバル中に作動させることができる上記複数の伝導経路を選択するように行われる、モデル化するステップと、
（ｉｉ）上記作動インターバルの始まりにて上記選択した複数の伝導経路における上記複数の作動中の電極だけを上記電源に接続するために上記複数のパワースイッチを作動させるステップと
を含み、
各サイクルにて使用される上記複数の流体要素に関する上記推定の開始温度が、先のサイクルにて予測される同じ複数の流体要素に関する上記終了温度に少なくとも部分的に基づいて決定される。
【００１２】
本発明のさらなる態様においては、導電性の流体を加熱する方法が提供される。本発明の他の態様及び特徴は、下記に述べる詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図面の明確化のためにいくつかの要素を省略した状態で、本発明の一実施形態に係るヒータを示す断面図である。
【図２】図１のヒータで使用される電極の斜視図である。
【図３】図面の明確化のためにいくつかの要素を省略した状態で、図１及び図２に示したヒータの電気的な概要を示す部分ブロック図である。
【図４】図１〜図３のヒータの作動において実行される制御プロセスを示すフローチャートである。
【図５】図４に示したプロセスのうち１つのステップを構成するルーティンを示すフローチャートである。
【図６】図５に示したルーティンのうち１つのステップを構成するルーティンを示すさらなるフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態に係るヒータ（図１）は、中空の筐体１３を有する構造体１２を含む。電極１４は筐体に据え付けられる。図２に示したように、各電極は、互いに反対の方向に面する主表面１６及び１８を有する一般に平坦かつ長方形の平板であり、これらの主表面の間に延びる端部表面をともなう。電極１４は、スペース２０が隣り合う電極同士の間に画定されるように筐体１３に据え付けられる。電極に関連してこの開示において使用されるように、「隣り合う」という表現は、何らかの他の電極により中断されない連続するスペースが２つの隣り合う電極の間に延びることを意味する。１つの電極の主表面１８が隣り合う電極の対向する主表面１６に向かって面する状態の積層体に、電極が配置されるように、電極１４の主表面は互いに面する。この配置での電極の主表面は、互いに平行であり、その結果、各スペースの範囲を定める電極表面同士の間の距離はスペースの全体の広がりにわたって均一である。しかしながら、この配置では、電極は互いに不均一な間隔に空けられる。従って、少なくともいくつかの対の隣り合う電極間における距離Ｄは、他の対の隣り合う電極間における距離とは異なる。
【００１５】
図１では、各電極１４は、符号１４の次に括弧内に示した序数を有する。序数は、積層体内の電極の位置を表す。従って、積層体の一方の端部のところの電極１４（１）、電極１４（２）が次であり、等々で、積層体の反対の端部のところに配置された最後の電極１４（２９）をともなう。積層体は、電極１４（１６）のところで折り返される。各スペース２０は、その特定のスペースの範囲を定めている２つの電極の序数表示に対応する序数表示を有する。例えば、スペース２０（１−２）は電極１４（１）及び１４（２）によって範囲を定められ、スペース２０（２−３）は電極１４（１）及び１４（２）によって範囲を定められる、等々。電極１４（１６）は、１つの主表面の２つの部分を有する。一方の部分は、スペース２０（１５−１６）の範囲を定めるように電極１４（１５）に面する。電極１４（１６）の他方の部分は、スペース２０（１６−１７）の範囲を定めるように電極１４（１７）に面する。
【００１６】
電極は、加熱しようとする流体と相性の良いいずれかの電導性材料から形成することができる。例えば、流体が水である場合、電極は、ステンレス鋼、白金コートしたチタン、又はグラファイト等のような材料から形成することができる。筐体１３を形成している構造体もまた、流体と相性の良いいずれかの材料を含むことができるが、誘電材料を含むか、又は筐体が複数の電極のうちいずれかの間には電導性経路を形成しないように準備された材料を含むはずである。
【００１７】
筐体１３は、スペースに接続された注入口２２及び排出口２４を画定する。電極１４は、筐体１３の内部に配置され、その結果、構造体と協働して、電極は注入口２２と排出口２４との間に連続する流路を形成する。電極及び構造体は、注入口から排出口まで流れる流体がスペースの序数にしたがった順番で直列にスペース２０のすべてを通過するように配置される。例えば、構造体は、図１に部分的に示されたバッフル２１を含むことができ、これは、スペース２０を相互に接続している通路２３を画定する。これらの通路は、流体がスペース２０（２１−２２）及びスペース２０（２２−２３）のところに示したように曲がりくねった様式でスペース２０を通過するように配置される。他のスペースのうちのいくつかに関係するバッフル及び通路は、図１では図面の明確化のために省略される。バッフルは、望ましくは、誘電材料から形成され、電極を相互に電気的に接続しない。任意選択的に、接地電極３０は、注入口及び排出口の内部に設けることができる。これらの接地電極は、望ましくは、電極１４から遠く離れている。
【００１８】
図１及び図２に関して上に論じたようなヒータもまた、電気回路（図３）を含む。この回路は、導体３８及び４０の形態である２つの極を組み込んだ電源３６を含む。これらの導体は、外部電力ソケット等のような電力の供給源への接続に適合したプラグ４２に接続される。これとは代替的には又はこれに加えて、外部電力を搬送する回路への恒久的な接続のために、導体を配置することができる。導体は、作動中に、異なる電位が極３８及び４０に印加されるように配置される。例えば、導体４０は、典型的には、接地電圧に近い中立電圧を受ける中立導体とすることができ、これに対して、導体３８は、ＡＣ電力源により供給される交流電圧を受ける「ホット側（ｈｏｔ）」の導体とすることができる。
【００１９】
パワースイッチ４８は、電極１４と電力源３６との間に接続される。各電極を極３８及び４０のうちいずれか一方に接続することができるか、又は極から切り離されたまま残すことができるように、パワースイッチ４８が配置される。複数の電極のうち少数の電極だけ及びパワースイッチが図３に示され、残りの電極は図面の明確化のために省略されている。この開示で使用されるように、「スイッチ」という用語は、リレー等のような装置により作動させることができる機械的なスイッチを含み、そしてまた、非常に高いインピーダンスを有する伝導状態と非常に低いインピーダンスを有する「オン」状態との間を切り替えるために作動させることができる固体デバイスを含む。固体スイッチの例は、トライアック、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、及びＩＧＢＴを含む。固体スイッチを迅速に作動させることができるという理由で、固体スイッチが好ましい。図示した特定の装置では、２つの別個の単極単投スイッチが各電極に関係付けられ、これらのそれぞれが関係する電極を複数の極のうち異なる極に接続するように作動することができる。各電極は、両方のスイッチが開のときには両方の極から切り離される。しかしながら、この装置を、任意の他の電気的に等価なスイッチング装置により置き換えることができる。
【００２０】
下記にさらに論じるように、スイッチ４８の作動によって電力源３６から切り離されている電極１４を、スペース２０内の流体により１つ又は複数の他の電極に電気的に接続することができ、そして、もう一方の電極を極に接続することができる。このような間接的な接続は、電極が極に接続されているか否かを判断する際に無視される。別の言い方をすれば、本開示で使用されるように、電極が電源のある極に接続されるという記述を、電極が電源スイッチ及び関係する電導体を介して電源に直接接続されることを意味するように理解すべきである。
【００２１】
ヒータはさらに、注入口２２内に設置された注入口温度センサ６１（図１）と、排出口２４に設置された排出口温度センサ６３と、流路に沿ったほぼ中ほどの、例えば、スペース２０（１５−１６）及びスペース２０（１６−１７）の間のような注入口及び排出口か遠く離れた流路内に配置された１つ又は複数の中間温度センサ６５とを含む。温度センサを、例えば、熱電対、サーミスタ、又は温度で変わる電気抵抗を有するレジスタのような従来型の素子とすることができる。流量計６７が、例えば、注入口２２のところのようなヒータを通る流路との関係で直列の流れに設けられる。流量計もまた、例えば、タービンホイールセンサ、超音波流量計、又は、例えば、注入口２２と排出口２４との間のような流路に沿った２点間の圧力差を測定することに適応した計器等のような従来型の素子とすることができる。導電率測定機器もまた、ヒータを通過している流体の電導度を測定するために設けられる。図示された実施形態では、導電率測定機器は、ヒータの最初の２つの電極１４（１）及び１４（２）と、電源の一方の極３８と直列に接続された電流センサ８０とを含む。下記に説明するように、制御回路は、他の電極のすべてを電源から切り離したままにしながら電極１４（１）及び１４（２）を電源の反対の極に瞬間的に接続するように配置される。この状態で電源を通って流れる電流は、スペース２０（１−２）内の流体の導電率と、電源により印加される電圧とに比例する。この電圧を、指定された値を有すると仮定することができるか、又は極３８及び極４０の間に接続された電圧計７８により測定することができる。他の実施形態では、導電率測定機器は、別の電源により電圧を加えられることがある別の電極を含むことができる。
【００２２】
ヒータはまた、コントローラ５８（図３）を含む。コントローラは、論理ユニット７２及びメモリ７０を含む。論理ユニットは、プログラム制御可能なマイクロプロセッサ、ハードワイヤード論理回路、プログラム制御可能なゲートアレイ、又は本明細書において論じる演算を実行可能とするいずれかの他の論理素子を含むことができる。「ユニット」という用語を本明細書において使用するとは言え、このことは、ユニットを構成する複数の素子が単一の場所に配置されることを必ずしも必要としない。例えば、論理ユニットの部品を、物理的に離れた場所に配置することができ、そして、いずれかの好適な通信媒体を介して相互に作動上で接続することができる。メモリは、望ましくは、例えば、読出し専用メモリ（「ＲＯＭ」）、プログラム制御可能な読出し専用メモリ、又は下記に論じる作動を実行するためにマイクロプロセッサを作動させるように構成された命令を記憶するディスクメモリのような不揮発性メモリ７０を含む。メモリ７０は、望ましくはまた、例えば、様々な電極のサイズを表すデータ、パワースイッチの最大定格電流等のようなヒータの構成を表すデータを記憶する。メモリ７０は、望ましくはまた、下記に論じる作動中の中間結果等のようなデータを記憶するためのランダムアクセスメモリ等のような揮発性メモリを含む。メモリ７０はまた、通信チャネルにより相互接続された複数の物理的に分離された素子を含むことができる。
【００２３】
論理ユニット７２は、スイッチを作動させるために論理ユニットにより供給される信号を適切な電圧又は電流へと変換するために配置された、例えば、従来型のドライバ回路（図示せず）を介してのように、パワースイッチ４８に接続された１つ又は複数の出力部（図示せず）を有する。論理ユニットはまた、上に論じた温度センサ、電流センサ及び流量センサに接続された入力部も有する。設定値入力素子７１は、所望の設定値温度、すなわち、ヒータから流れ出る流体の所望の温度の値を供給するためコントローラに接続される。設定値入力素子を、ノブ若しくはキーボード等のような手動で作動可能な装置、又はインターネット等のような通信媒体を介して所望の設定値を受信することができる通信装置とすることができる。さらなる変形形態では、固定の設定値を、例えば、メモリ７２に記憶された命令の一部としてメモリに記憶することができるか、又はコントローラへと組み込むことができる。
【００２４】
コントローラ５２は、ヒータの数学モデルを演算する。このモデルでは、ヒータを通って流れる流体を、各々が所定の体積を有する一連の個別の流体要素としてモデル化する。例えば、家庭用水加熱のためのヒータでは、各流体要素は、１立方センチメートルの体積を有することがある。モデルは、流体を一連のこれらの要素として表わす。流体要素１００のうちいくつかの流体要素１００が、図１には破線で示されている。各流体要素１００は、第１のスペース２０（１−２）への入り口のところで生まれるように、そして、ヒータを通る流体の流量に比例する速度でスペース２０及び通路２３を通り流体経路に沿って移動するようにモデル化される。下記にさらに説明するように、コントローラは、互いに直後に続く一定期間の一連の短い作動インターバル中に電極を作動させる。スペース２０及び通路２３の体積は、一定で既知であり、その結果、流体経路に沿った各位置は入口から第１のスペースまでの流体要素の既知の数に対応する。モデルは、各作動インターバルの始まりにおける流体要素の位置を追跡する。例えば、モデルが第１の作動インターバルの始まりの直前に作り出されたような特定の流体要素１００ａを表し、そして、流量は１０個の流体要素が各作動インターバル中に作り出されるようなものであり、要素１００ａは、次の作動インターバルの始まりにおいては要素１００ｂの位置にある。より大きな流量では、同じ流体要素は、図１において１００ｃで示された位置にあるはずである。
【００２５】
モデルは、各流体要素についての温度データを維持管理する。作り出されると、各流体要素は、その要素が作り出されたそのときに注入口温度計６１により測定された温度を有する。下記にさらに論じるように、各流体要素についての温度データは、連続する作動インターバル中に印加された電力の効果を表すために更新される。開始時に、モデルは、スペース２０のすべてが流体要素の組み合わせで満たされ、そして、流体要素のすべてが測定した注入口温度であると仮定する。開始時に、そしてその後、定期的に、コントローラは、入ってくる流体の導電率を測定し、そして、ベースライン導電率データを提供するように導電率測定中に入ってくる流体の温度もまた測定する。流体に関する温度での導電率の既知の変化とともにこのデータを、様々な流体要素の更新した温度とともに使用して、各要素内の流体の導電率を推定する。
【００２６】
コントローラは、図４に示されるようにモデルを循環して演算する。ステップ１１０では、コントローラは、次の作動インターバルの始まりにおいて各スペース２０の範囲を定めている電極同士の間における総計の電気抵抗又はコンダクタンス（抵抗の逆数）を推定する。この推定は、次の作動インターバルが始まる時点でスペースの内部に配置される流体要素の個々の電気抵抗に基づく。各流体要素の抵抗は、流体要素の推定した導電率と、スペースの範囲を定めている電極同士の間の距離とに依存する。各流体要素についての推定した導電率は、ベースライン導電率データ及び作動インターバルの始まりにおける各流体要素の推定した温度から計算される。電極同士の間の距離は、電極同士の間における電流経路の長さと、電流経路を横切る平面内の流体要素の断面積とを決定する。例えば、広く間隔を空けた電極同士の間のスペース２０（２−３）内に配置された流体要素１００ｂ（図１）は、比較的長い経路長と、比較的小さな断面積とを有する。対照的に、スペース２０（５−６）内に配置された流体要素１００ｃは、短い経路長と、大きな断面積とを有する。両方の流体要素が同じ導電率を有する場合には、要素１００ｃは、はるかに低い電気抵抗を有する。電極同士の間のスペースが一定で既知であるという理由で、各スペースについて抵抗パラメータがあり、その結果、各流体要素の抵抗を、その流体要素の推定した導電率でそのパラメータを割り算することにより計算することができる。抵抗パラメータは、望ましくは、メモリに記憶される。各流体要素の推定される抵抗の計算を、各流体要素の推定される電気的コンダクタンスの計算として実行することができ、ここでは、コンダクタンスは抵抗の逆数である。別の言い方をすれば、コンダクタンスの計算は、抵抗を明示的に計算し、逆も同様であることが理解されるはずである。
【００２７】
各スペース２０の範囲を定めている電極同士の間における総計の抵抗又はコンダクタンスは、互いに平行なスペース内の個々の流体要素の抵抗又はコンダクタンスから計算される。総計のコンダクタンスは、そのスペース内部に配置された流体要素のコンダクタンスの単純に総和である。
【００２８】
次のステップ１１２（図６）では、コントローラは、そのスペース内部の流体要素のうちいずれの流体要素をも最大温度の上の温度まで加熱せずに次の作動インターバル中に各スペースの範囲を定めている電極同士の間に印加することができる最大電圧を決定する。この実施形態では、最大温度は、設定値温度、すなわち、ヒータを流れ出る流体の所望の温度に等しい。各流体要素に関して、その要素を最大温度の上に加熱せずに印加することができる最大電圧は、
【００２９】
【数１】
2021521593.tif 000003
であり、ここでは、
Ｅｍａｘは、印加することができる最大電圧であり、
Ｒｅｌｅｍｅｎｔは、作動インターバルの始まりにおける流体要素の推定した電気抵抗であり、
Ｔｍａｘは、最大温度であり、
Ｔｅｌｅｍｅｎｔは、作動インターバルの始まりにおける流体要素の推定した温度であり、
Ｋ１は、流体要素の質量で掛け算し、作動インターバルの期間で割り算した流体の比熱に等しい定数である。この定数は、すべての流体要素について同じであろう。
【００３０】
家庭用水と、大部分又はすべてのイオン性溶液とを含め、大部分の流体に関しては、導電率が温度とともに増加する。このような流体に関して、Ｒｅｌｅｍｅｎｔ及び（Ｔｍａｘ−Ｔｅｌｅｍｅｎｔ）の両方は、Ｔｅｌｅｍｅｎｔが増加するにつれて減少する。それゆえ、このような流体に関して、特定のスペース内の任意の流体要素についてのＥｍａｘの最も低い値は、常に、作動インターバルの始まりにおける最も高い推定した温度を有する要素についてのＥｍａｘの値である。従って、ステップ１１２では、コントローラは、最も高い推定した温度を有する各スペース内の要素を単純に選択し、そして、この要素について（式１）を解くことにより最大電圧を決定する。この決定を、明確な計算により又はＲｅｌｅｍｅｎｔ及び（Ｔｍａｘ−Ｔｅｌｅｍｅｎｔ）の様々な組み合わせについてのＥｍａｘの記憶した値を有するルックアップテーブルの使用により行うことができる。
【００３１】
次のステップ１１４では、コントローラは、次の作動サイクルにおける作動のための伝導経路の組み合わせを選択する。このステップのゴールは、伝導経路のすべてが下記の制約を満足するように伝導経路の組み合わせを選択することである。第１に、伝導経路の作動が、上に論じた最大温度Ｔｍａｘの上にいずれの流体要素をも加熱させない。第２に、伝導経路の作動が、いずれかの作動中の電極を通りスイッチの電流能力を超える電流の流れをもたらさず、このスイッチは作動中の電極を電源の極のうちの一方に接続する。第３に、組み合わせ内の伝導経路のすべての作動が、典型的には、電源の定格能力に設定されるか又はわずかに下に設定される所定の最大全電流を超えては、電源の極同士の間の電流の流れをもたらさない。
【００３２】
ステップ１１４で使用されるルーティンを、図５に示す。このルーティンのステップ１１６において、コントローラは、検索において使用される初期電極を選択する。この実施形態では、初期電極が、実質的にランダムな選択により選ばれる。例えば、コントローラは、電極に関する序数の範囲に等しい範囲内の乱数又は擬似乱数を発生させるため従来のルーティンを走らせ、そして、そのときには乱数に最も近い序数を有する電極を初期電極として選択することができる。従って、２９個の電極を有する図１に示されたヒータに関して、乱数は、１と２９との間であるはずである。例えば、乱数が６．２である場合に、ルーティンは、初期電極として電極１４（６）を選択する。
【００３３】
ステップ１１７において、ルーティンは、検索方向、すなわち、初期電極から電極１４（１）のところにおける積層体の第１の端部へ向かう第１の積層方向又は電極１４（２９）のところにおける積層体の第２の端部へ向かう第２の積層方向のどちらかを選択する。この選択は任意であり、また乱数又は擬似乱数に基づくこともある。
【００３４】
ルーティンは、次いで、電源のホット側の極に接続すべきあると仮定した伝導経路に関する開始電極として、すなわち、経路の１つの作動中の電極として初期電極を設定する（ステップ１１８）。ステップ１２０では、ルーティンは、電源の中立極に接続すべきである伝導経路における他の作動中の電極として、開始電極に隣り合うが検索方向に開始電極からオフセットする電極を仮定する。例えば、電極１４（６）が開始電極であり、そして、検索方向が第１の方向である場合には、電極１４（５）が仮定される電極であるはずである。
【００３５】
ステップ１２２では、ルーティンは次いで、図６に示したルーティンを使用して仮定した伝導経路を試験する。このルーティンのステップ１２４では、コントローラは、伝導経路内部の各スペースを挟んで印加されるはずの電圧を推定する。伝導経路が２つの作動中の電極及び１つのスペースだけを含む場合の上に論じた例では、このスペースを挟む推定した電圧は、単純に電源の極同士の間に印加される全電圧である。しかしながら、仮定した伝導経路が下記に論じるように１つ又は複数の切り離された電極及び２つ以上のスペースを含む場合には、コントローラは、直列回路として伝導経路をモデル化する。このモデル化するステップでは、各スペースの抵抗は、上に論じたステップ１１０において推定したようなそのスペースの抵抗である。伝導経路内のスペースの抵抗が、切り離された１つ又は複数の電極を通り直列に接続されるようにモデル化される。各切り離された電極のところの電圧は、電源におけるホット側の電圧と中立電圧との間の値を有し、そして、各スペースを挟んで現れる電圧は、電源の全電圧よりも低い。直列モデルでは、各スペースを挟む推定される電圧は、仮定した伝導経路内のスペースのすべてを挟む抵抗の総和によって割り算した、電源により印加される全電圧とスペースのすべてを挟む抵抗との積であろう。
【００３６】
ステップ１２６では、コントローラは、仮定した伝導経路内の各スペースについての推定した電圧を、ステップ１１２（図４）において決定したようなそのスペースについての最大電圧と比較する。経路内のいずれかのスペースに関して、推定した電圧がそのスペースについての最大電圧を超えることをこのような比較が示す場合には、ルーティンはその経路を除外する。（ステップ１２８）
【００３７】
そうでなければ、ルーティンはステップ１３０へ進み、そして、各作動中の電極を通る、すなわち、開始電極及び仮定した電極を通る電流を推定する、従って、その電極を電源と接続するパワースイッチを通過する電流を推定する。ルーティンは、仮定した伝導経路を通りこれらの電極同士の間を流れる電流の推定値を最初に算出する。この推定した電流は、電源の全電圧を伝導経路内に含まれるスペースのすべてを挟む抵抗の総和で割り算することにより求められる。開始電極及び仮定した電極を組み込んでいる仮定した伝導経路がこれらの電極を組み込んでいる唯一の伝導経路である場合には、各作動中の電極を通る推定される電流は、仮定した伝導経路を通る電流に等しい。下記に説明するように、複数の作動中の電極のうちいくつかの作動中の電極は、２つの別々の伝導経路に含まれる。仮定した電極又は開始電極が、作動させようとする伝導経路の組み合わせ内に既に受け入れられ、そして、含まれているもう１つの伝導経路内の作動中の電極として含まれている場合には、ルーティンは、その電極についての全電流に達するように他の伝導経路についての推定した電流に仮定した伝導経路について推定した電流を加える。全電流がその電極についての最大電流よりも大きい、すなわち、その電極に関連するパワースイッチの定格を決める電流より大きい場合には（ステップ１３２）、ルーティンは、ステップ１２８へ進み、仮定した伝導経路を除外する。
【００３８】
そうでなければ、ルーティンは、仮定した伝導経路を通る推定した電流を作動させようとする伝導経路の組み合わせに含まれるいずれかのこれまでに受け入れられた伝導経路を通る推定した電流に加えることにより、作動インターバル中に電源から引き出される全電流を推定する（ステップ１３４）。推定した全電流を、電源に対する最大電流と比較する（ステップ１３６）。推定した全電流が電源に対する最大電流を超える場合には、ルーティンは、仮定した伝導経路を除外する（ステップ１２８）。そうでなければ、試験ルーティンは、制約のすべてを満足するとして仮定した伝導経路を受け入れ、作動インターバルに関する伝導経路の組み合わせにこの伝導経路を追加する（ステップ１３８）。ステップ１２８又はステップ１３８の後で、試験ルーティン１２２は完了し、そして、システムは経路選択ルーティンのステップ１４０へ進む（図５）。
【００３９】
ステップ１２２が仮定した伝導経路を追加することに失敗した場合には、選択ルーティンは、仮定した電極が開始電極から検索方向に配置された積層体の端部に配置されていたかどうか、すなわち、第１の方向が検索方向であると仮定して、電極１４（１）が仮定した電極であったかどうかを判断する（ステップ１４２）。そうでなければ、システムは、新しい伝導経路を仮定するように開始電極と伝導経路を形成するための仮定した電極として、検索方向に開始電極からさらに遠くの次の電極を選択し（ステップ１４４）、そして、試験ステップ１２２を繰り返す。電極１４（６）が開始電極として選択され、そして、隣り合う電極１４（５）が伝導経路に関する他の作動中の電極として仮定されかつステップ１２２において試験されていた上に論じた例では、試験ルーティン１２２における不合格は、一方の作動中の電極として同じ開始電極１４（６）、他方の作動中の電極として電極１４（４）、及び切り離された電極として電極１４（５）を含む新たな伝導経路をステップ１４４に仮定させる。この経路もまたステップ１２２において不合格である場合には、選択ルーティンは、作動中の電極１４（６）と１４（３）及び切り離された電極１４（５）及び１４（４）を有するさらにもう１つの伝導経路を仮定する。このことは、試験が成功するか、又は開始電極１４（６）及び積層体の端部の仮定した電極１４（１）を用いる試験がステップ１２２において不合格であることのいずれかまで続く。別の言い方をすれば、選択ルーティンは、各スペースにおいて低い印加電圧及び低い電流を有するより長い伝導経路の検索によって仮定した伝導経路の不合格に応答する。
【００４０】
仮定した伝導経路がステップ１２２を合格し、作動させるべき電極の組み合わせに追加される場合には、選択ルーティンは、ステップ１４５へ進み、その伝導経路内の仮定した電極が積層体の端部のところであったかどうか、すなわち、検索方向が第１の方向であった場合に、仮定した電極が電極１４（１）であったかどうかを再びチェックする。端部でなければ、これは、最後に受け入れた伝導経路と積層体の端部との間に残っている電極及びスペースがあることを示す。選択ルーティンは、ステップ１４６へ進み、新たな開始電極として最後に受け入れられた伝導経路において使用した仮定した電極を設定する。例えば、ホット側の極に接続された開始電極１４（６）及び中立に接続された仮定した電極１４（３）を用いる伝導経路が、ステップ１２２において試験ルーティンに首尾よく合格した場合には、選択ルーティンは、中立の極に接続された電極１４（３）を開始電極として設定する。選択ルーティンは、もう１つの伝導経路を見出そうとして上に論じたステップを使用する。同じ例では、ルーティンは、電源のホット側の極に接続されるべき作動中の電極として開始電極１４（３）から第１の方向に配置された隣り合う電極１４（２）を最初に仮定する。この仮定した経路がステップ１２２において不合格である場合には、ルーティンは、電極１４（１）を組み込んでいる新たな伝導経路を仮定する。
【００４１】
このようにして、選択ルーティンは、ステップ１１６において選択した初期電極から検索方向に配置された伝導経路を検索する。ルーティンがステップ１４２又はステップ１４４のいずれかにおいて検索方向の積層体の端部に達すると、この方向の検索は完了する。ルーティンはそのときには、両方の検索方向が使用されたかどうかをチェックする（ステップ１４８）。使用されていなければ、選択ルーティンは、ステップ１１７へ戻り、反対の検索方向を選択し、そして、初期電極から新たな検索方向に配置された受け入れ可能な伝導経路を検索する。この検索は、上に論じたものと厳密に同じ方法で行われる。両方の検索方向が使用されてしまうと、伝導経路の設定が完了し、選択ルーティン１１４（図４及び図５）は終了する。プロセスのこの段階で、コントローラは、電源のホット側の極及び中立の極に接続すべき電極のアイデンティティを含めやがて来る作動インターバルにおいて使用される伝導経路のすべての組み合わせを記憶してしまう。
【００４２】
次の作動インターバルの初めに、コントローラは、最後のこれまでの作動インターバルにおいて使用した接続からステップ１１４において選択した伝導経路の組み合わせだけを形成するために必要な接続のパターンへと、電極１４と電源３６の極３８及び４０との間の接続を変えるようにパワースイッチ４８（図３）を作動させる。電源３６が交流電圧を供給する場合、各作動インターバルの始まり及び終わりは、望ましくは、交流電圧のゼロを横切る点のところで又はその近くで生じる。従って、各作動インターバルは、望ましくは、電源電圧の整数の半周期に等しい期間を有する。例えば、各作動インターバルは、電源電圧の完全な１周期に対応する１秒の１／６０であってもよい。コントローラは、作動インターバルのタイミングを計測するための内部クロック（図示せず）を含むことができ、このようなクロックは電源電圧と同期している。例えば、コントローラは、内部クロックのタイミングを電源電圧と比較するため、そして従って、内部クロックを調節するためにフェーズロックループ又は他の従来型の素子を使用することができる。
【００４３】
作動インターバル中に、コントローラは、温度センサ６１，６３と６５（図１）から及び電力源に関係する電流センサ８０から測定したデータを取り込み、そして、このデータを期待される値と比較する（ステップ１５２）。例えば、センサ８０により測定されるような、電源を通過する全電流を、全電流の期待される値、すなわち、使用中の伝導経路に関する推定した電流の総和と比較することができる。中間温度センサ６３のところ及び出口センサ６５のところの流体の温度を、作動インターバル中にこれらのセンサのところに位置する流体要素についての推定した温度と比較することができる。
【００４４】
ステップ１５４では、コントローラは、流量計６７により測定されるような流量に基づいて、流体要素が次の作動インターバルの始まりにおいて存在する位置を決定する。
【００４５】
ステップ１５６では、コントローラは、各流体要素がステップ１５０において始まった作動インターバルの終わりのところで有する温度を推定する。そのインターバル中に作動された伝導経路内に含まれるスペース内部に配置された各流体要素に関して、この終了温度の第１の推定値Ｔｅｎｄ１は、
Ｔｅｎｄ１＝Ｔｂｅｇｉｎ＋Ｋ２（Ｅｅｓｔ）２／Ｒｅｓｔ
により与えられる。
ここで、
Ｔｂｅｇｉｎは、作動インターバルの始まりにおける流体要素の推定された温度であり、
Ｅｅｓｔは、ステップ１２４（図６）で決定したように、スペースの範囲を定めている電極同士の間の推定された電圧であり、
Ｒｅｓｔは、作動インターバルの始まりにおいてスペース内に配置された流体要素の推定された電気抵抗であり、そして、
Ｋ２は、流体要素の比熱と質量との積により割り算した作動インターバルの期間に等しい定数である。
Ｔｅｎｄ１は、従って、各流体要素内部で消失する電力の効果を表す。従って、作動された伝導経路の外に配置されるこれらの流体要素に関して、Ｔｅｎｄ１はＴｂｅｇｉｎに等しい。第１の推定値Ｔｅｎｄ１は、望ましくは、伝導及び混合による等の、隣接する流体要素同士の間の熱伝達を考慮してさらに調節される。任意の流体要素１００ｎ（図１）に関して、熱は、配列内の直ぐ隣接する要素１００（ｎ−１）及び１００（ｎ＋１）へ又はそれらから伝達される。従って、要素１００ｎの調節した推定値Ｔｅｎｄ２（ｎ）は、
Ｔｅｎｄ２（ｎ）＝Ｔｅｎｄ１（ｎ）＋Ｋ３（Ｔｅｎｄ１（ｎ−１）−Ｔｅｎｄ１（ｎ））＋Ｋ３（Ｔｅｎｄ１（ｎ＋１）−Ｔｅｎｄ１（ｎ））
により与えられる。
ここで、
Ｋ３は、定数であり、「拡散定数」と一般に呼ばれ、そして、
Ｔｅｎｄ１（ｎ−１）及びＴｅｎｄ１（ｎ＋１）は、隣接する流体要素の最初の推定された温度である。
【００４６】
一旦、調節した推定温度Ｔｅｎｄ２が流体要素のすべてに対して決定されてしまうと、コントローラは、ステップ１５８へ進み、そこでは、コントローラにより使用されたパラメータを、さらに下記に論じるように調節することができる。このステップは、すべてのサイクルで必ずしも生じる必要がない。ステップ１５８に続いて、使用されとすれば、コントローラは、ステップ１１０へと戻る。図４に関連して論じた演算を継続的に繰り返すことを認識されたい。従って、ステップ１５０における１つの作動インターバルの始まりの後で、コントローラは、その作動インターバルが終わる前に、ステップ１５２〜１５８、及びステップ１１０〜１１４を実行する。演算のこのサイクルでは、所与の作動インターバルに対する伝導経路を設定するために使用した流体要素の推定した開始温度は、先の作動インターバルに対して推定した終了温度に基づく。
【００４７】
上に論じたように作動する制御システムは、入ってくる流体を所望の設定値温度にさせるヒータ全体の総合的な加熱速度を明確に見出そうとはしないことに留意されたい。むしろ、制御システムは、各サイクルにおいて、設定値温度よりも上に流体のいかなる部分をも加熱せずに流体の加熱に寄与する電極の組み合わせを見出そうとする。有限要素制御システムは、制御機構の一部として、推定した温度に反映するように、各流体要素の履歴を使用する。本発明が演算のいずれの理論によっても制限されないとは言え、このことは、流量若しくは導電率の変化、又は設定値温度の変化等のような作動条件の変化に対して制御システムが迅速に応答する制御システムの能力に寄与すると信じられている。
【００４８】
ステップ１５８では、コントローラは、測定した温度及び電流とステップ１５２において求めた対応する推定値との比較の結果を精査し、そして、これらの結果に基づいてモデルで使用したパラメータのうちの１つ又は複数を調節する。精査は、複数のサイクルにおいて求めた比較結果を含むことができる。例えば、いくつかのサイクルに関する比較結果を平均することができる。１つの単純な例では、電源のところで測定した電流が推定した値より一貫して低い場合には、コントローラは、モデルで使用したベースライン導電率を減少させることができる。さらなる例では、注入口センサ６１から排出口センサ６５までの流体内の温度上昇が期待した値より一貫して低いことを温度の測定した値が示し、そして、モデルで使用したベースライン導電率が正確であることを電流データが示す場合には、このことは、ヒータを通る流れが流量計により示されたものよりも大きいことを示す。これを補償するために、コントローラは、さらなるサイクルにおける流量に対して補正係数又はオフセットを適用することができる。あるいは、コントローラは、モデルで使用する導電率値を減少させることができる。このことは、スペースを挟んでより高い電圧を印加する伝導経路をモデルに選択させ、従って、加熱効率を大きくする。コントローラは、注入口センサ６１から中間センサ６３までの測定した温度上昇と同じ流体経路についての予測される温度上昇との間の比較に基づいて類似の調節を行うことができる。注入口センサと中間センサとの間の比較的短い流体経路長は、調節のための早い応答時間を提供する。同様の調節を、中間センサ６３から排出口センサ６５までの流体経路を使用する比較に基づいて行うことができる。
【００４９】
上に論じた実施形態を、多くの方法で変えることができる。例えば、より多くの電極又はより少ない電極を使用することができる。また、流量、流体温度及び電流を測定するための測定機器を設けることは、必須ではない。例えば、流体が、容積型ポンプにより又は一定水圧下でヒータに供給される場合には、流量を知ることができる。同様に、流体の導電率が上手く制御され、そして、既知である場合には、導電率を測定する必要がない。
【００５０】
図５及び図６を参照して上に論じた伝導経路選択ルーティンは、初期電極のランダムな選択及び受け入れ可能な伝導経路の積層体を通る双方向検索を使用する。初期電極のランダムな選択は典型的には、ヒータが一定条件下で作動しているときでさえも、選択ルーティンに異なる作動インターバル中に異なる伝導経路を選択させる。これは、複数のパワースイッチのうちの異なるパワースイッチを通して電流を送る際に望ましい。このことは、個々のパワースイッチがオーバーヒートすることを回避することに役立ち、これは、半導体パワースイッチでは特に望ましい。他の実施形態では、経路選択ルーティンは、積層体の一方の端部のところの初期電極から常に開始し、そして、一方向にだけ受け入れ可能な伝導経路を検索するように設定することができる。実際に、いずれかの特定の順番で受け入れ可能な伝導経路を検索することは必須ではなく、システムは、ランダムに伝導経路を単純に仮定することができる。
【００５１】
上に論じた伝導経路選択ルーティンでは、電源から引き出される全電力という制約が、ヒータ内部の伝導経路の場所に拘わらず、各仮定した伝導経路を試験するステップ中に印加される。変形形態では、選択ルーティンは、この制約に拘わらず伝導経路の予備的な組み合わせを選択することができ、次いで、全電流制約が満足されるまで経路の場所に基づく優先順位に従って伝導経路を削除することによりこの制約を適用することができる。例えば、削除機構を、排出口から遠い伝導経路を削除しながらヒータの排出口に最も近いこれらの伝導経路を維持するように偏らせることができる。さらなる変形形態では、この制約を完全に省略することができる。例えば、電源は、伝導経路の任意の組み合わせによって引き出すことができる最大全電流よりも大きな能力を有することができる。
【００５２】
上に論じた実施形態では、最大流体温度は、各スペースに対して最大電圧を設定することにより伝導経路の選択の際に制約として適用される。変形形態では、各仮定した伝導経路内の各スペースに対しての最も高い推定される流体要素温度を、伝導経路内のスペースを挟む印加電圧を推定した後に明確に計算することができ、そして、この最も高い推定した流体要素温度が最大温度を超える場合には、伝導経路を除外することができる。さらなる変形形態では、隣接する要素同士の間の熱伝達の効果を、各スペースに対する最大電圧を設定するために又は最も高い推定される流体要素温度を決定するために使用する計算における効果に考慮することができる。
【００５３】
上に論じた実施形態では、伝導経路の選択の際に使用される最大流体要素温度は、設定値温度であり、そして、ヒータ全体を通して均一である。他の実施形態では、最大流体要素温度は、例えば、排出口から遠く離れたヒータの部分ではわずかに高いので、ヒータの様々な部分で異なることがある。
【００５４】
上に論じた実施形態では、電極は積層体に配置され、そして、流体の流れが、スタックを通る一方向に対応する方向に流体を動かす。しかしながら、電極は、必ずしも積層体に配置される必要がなく、そして、ヒータのバッフル及び内部通路は、その順番がモデルにおいて説明される限り、任意の順番でスペースを通る流体のルートを決めるように配置されてもよい。
【００５５】
発明が本明細書では特定の実施形態に関連して説明されてきているとは言え、これらの実施形態が本発明の原理及び応用例の単に例示であるに過ぎないことを理解されたい。多くの修正を、例示の実施形態に行うことができること、及び他の配置を、別記の特許請求の範囲により規定されるような本発明の思想及び範囲から逸脱せずに考案することができることがこれゆえ理解されるはずである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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