(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に瞬間的に流体を加熱するために交流電流源によって電力を供給される加熱器（１０）であって、
中に入り口用開口部及び出口用開口部を有する少なくとも１つの隔室（９）を形成するハウジングと、
流体加熱用に各々が該少なくとも１つの隔室内にある電力を供給される複数の加熱要素（２２、３４、４４、５０）と、
加熱された流体と流体的に連通する温度センサー（３０）と、
該温度センサーに応答して該複数の加熱要素の各々を選択的に賦活し除活するための制御器（１８２）とを具備しており、
該制御器は予め決められた第１の時間の間複数の加熱要素の第１の加熱要素（２２）を賦活し、そして該第１の時間に機能的に関連する予め決められた第２の時間の間複数の加熱要素の第２の加熱要素（３４）を賦活して、該第１及び第２加熱要素の各々が該加熱器を通過する該流体の該加熱に寄与するする加熱器において、
該複数の加熱要素（２２、３４、４４、５０）の各々の上記賦活が、交流電流の第１のゼロクロスにおいて起こり、賦活された加熱要素の該除活が、交流電流の第２のゼロクロスにおいて起こること、
上記予め決められた第１の時間が、交流電流源の１つの半サイクルと等しく又はそれよりも大きく、３２の半サイクルよりも大きくないこと、
上記予め決められた第２の時間が、交流電流源の１つの半サイクルと等しく又はそれよりも大きく、３２の半サイクルよりも大きくないこと、及び
該第１及び第２の加熱要素（２２、３４）が、流体の加熱に実質的に等しく寄与すること
を特徴とする加熱器。
【請求項２】
該制御器（１８２）が、該複数の加熱要素の第１の加熱要素（２２）の賦活の後、８つの半サイクル以下の予め決められた時間後に該複数の加熱要素の第２の加熱要素（３４）の賦活を始動する請求項１に記載の加熱器。
【請求項３】
該制御器（１８２）が、該複数の加熱要素の第１の加熱要素（２２）の賦活の後、交流電流源の３２の半サイクル以下の予め決められた時間後に該複数の加熱要素の第２の加熱要素（３４）の賦活を始動する請求項１に記載の加熱器。
【請求項４】
該第１の時間の持続時間は第２の時間の持続時間と実質的に同じである請求項１に記載の加熱器。
【請求項５】
該制御器（１８２）が、該複数の加熱要素の各々の賦活を始動するためのクロック装置を備えている請求項１に記載の加熱器。
【請求項６】
該制御器（１８２）が、少なくとも１秒の時間中で実質的に同じ時間の間、該複数の加熱要素（２２、３４、４４、５０）の各々を賦活する請求項１に記載の加熱器。
【請求項７】
該ハウジングは複数の隔室（９）を形成しており、その中では各隔室は入り口用開口部と出口用開口部の間で直列に流体的に接続されており、複数の加熱要素（２２、３４、４４、５０）の各々が該複数の隔室の１つの中に位置している請求項７に記載の加熱器。
【請求項８】
該ハウジングが、中に少なくとも２つの隔室（９）を形成しており、該複数の加熱要素（２２、３４、４４、５０）のそれぞれの１つは該２つの隔室の各々の中に位置している請求項１に記載の加熱器。
【請求項９】
該ハウジングはプラスチック品である請求項１に記載の加熱器。
【発明の詳細な説明】
発明の背景技術
発明の属する技術分野
本発明は複数の加熱要素を有する水加熱器に関する。特に、本発明は複数の加熱要素を各々対応する室内に有する通水型又はタンクレス型の水加熱器に関し、該加熱要素に電力供給するための改良された制御器に関する。
従来技術の説明
通水型水加熱器は、タンクレス型又は瞬間水加熱器とも呼ばれるが、１つ以上の室を使用し、該室は一般に該加熱要素の寸法より僅かだけ大きい寸法で、該加熱器を通して水が流れると該水を必要な温度に瞬間的に加熱することが出来る。通水型水加熱器は大きな貯蔵又は保持用タンクを有する従来型水加熱器に勝る代替え品として長く認識されて来た。従来技術の通水型水加熱器に於ける問題点には家庭用及び商業用の水加熱応用品に通常関連する広範な範囲の条件用の希望温度を維持するに必要な強力で高ワット数の加熱源用の充分に応答性の良い制御を提供出来ないことが含まれる。特に、硬水地域での水加熱器内の鉱物質の堆積物の急速な形成のみならず潜熱から生ずる流れの無いシャットダウン時の高温のオーバシュートを防止出来ないことが問題である。
商業的に成功するためには、通水瞬間型又はタンクレス型水加熱器は複数の高ワット数の加熱要素を有し、かつ、定温度制御を維持するために流量と圧力の変化に非常に早く応答する能力を提供する制御案（control scheme）を有しなければならない。両課題に関係する困難をより良く理解するために、通水型加熱器に固有な障害に注目する必要がある。最も工業化された国民に於いて典型的な住宅用の生活スタイルの要求を充たすには約４８．９℃（華氏１２０度）で少なくとも約８５１７．２ｃｍ3／ｍ（２．２５ｇｐｍ）の流体流量を要することが測定されている。水温は地域と水源と季節により約３．３℃（華氏３８度）乃至約３２．２℃（華氏９０度）に及ぶので、単一源通水型水加熱器は少なくとも２８，０００ワット又は約９５，０００ＢＴＵの典型的最小流体加熱入力容量を要する。電気抵抗型加熱要素ではワット密度に関心を持つべきである。高ワット密度要素は低ワット密度要素よりも遥かに短いサービス寿命しか持っていない。２８ｋＷを得るため、かつ、小さい加熱システムの利点を維持するためには多数の加熱要素を有する水加熱器が好ましい。
１９７５年以前の多くの従来技術では固定入力加熱器の使用が示されている。家庭用水加熱器応用品は少ない｛約３７８５．４ｃｍ3／ｍ（１ｇｐｍ）より少ない｝乃至中程度｛約１１３５６．２ｃｍ3／ｍ（３ｇｐｍ）まで｝の流れでの流体加熱を要しているので、固定入力ユニットは元々限界を有している。中程度の流れの条件では熱を吸収し、希望温度に維持するに充分な水の流れがあった。しかしながら、少ない流れでは固定高熱入力は水を危険な程過熱し、それによりやけどする条件を発生する可能性が生ずる。従って固定入力通水型水加熱器に於ける流体加熱の方法はワット数を限定し、安全な最小流量が達成されるまで加熱要素の賦活を防止する流れ賦活装置（flow activation device）を必要とする。取り入れ水が約１５．６℃（華氏６０度）以上だったと仮定すると、２８ＫＷの熱入力の固定入力加熱器は約８５１７．２ｃｍ3／ｍ（約毎分２．２５ガロン）より少ない流れでは非常に危険である。前記の理由から固定入力の電気式通水型水加熱器は一般的に９ｋＷ（約３０，０００ＢＴＵ）迄に限定され、１箇所使用の加熱器として最も良く役立って来た。
上記の問題に加えて、家庭の水加熱用の商業的に許容出来る通水型加熱器の設計と開発に当たり注目されるべき追加的考慮は次に説明されるようである。
多数の加熱要素を有する通水型水加熱器は比較的高いワット数対流体容積比を有する小型熱交換器を持つように設計される。従来技術で示したように流水は該加熱モード中は充分に該熱を吸収し運び去るが、しかしシャットダウン時には該加熱要素の潜熱が該水温を非常に高いレベルまで上げる。この条件は従来技術で示されたシーケンシャル又は段階式の賦活制御案では悪化される。これらの設計では、個別の加熱室に一般に配置される加熱要素は、所望の温度に結果的に到達するに必要な全ての要素が連続的に賦活されるまで、第１の加熱要素が全電力を印加され、続いて需要により下流の要素が全電力を印加され、これを繰り返すように、シーケンシャルに賦活される。流れが無いとシャットダウンが起こり、該要素は賦活を解消される。幾つかの制御案では、シャットダウンは該加熱手段のシーケンシャルな稼動解消により影響されるが、それは、最後に稼動されるべき加熱要素を最初に停止し、次いで該残りの要素をシーケンシャルに停止し全てが賦活解消する迄に至る。いずれの案でも、少なくとも１つ以上の要素は最大電力でオンになっておりそして著しい量の潜熱を含んでいて該潜熱は該熱交換器又は個別の室の非常に少量の静水に伝熱される。結果としてシャットダウン時に最大に電力を印加されていた要素の非常に高い過熱となり、従って隣接する流体の過熱となる。このシャットダウン時の過大な温度上昇はやけどをする条件の可能性となり、特に該加熱器から流体ディスペンサーまでの距離が非常に短い１箇所使用の加熱器に於いて然りである。
該要素が熱い程水はより高温に加熱され、そしてより多くの鉱物質が析出される。これは硬水地域で特に問題である。従ってシャットダウン時の繰り返し起こる水の過熱のもう１つの不利益は該加熱される要素及び該熱交換器への鉱物質堆積物の結果的に加速された析出と蓄積である。通水型加熱器で使用される比較的小さい室のためにこの条件下では鉱物質の堆積物は急速に蓄積し、それにより該加熱要素及び／又は熱交換器の寿命を短くする。該水加熱器内の鉱物質堆積物の蓄積に加えてこれらの堆積物は流体流れに伴い該流体配管内を通して運び出され、皿洗い機、洗濯機そして蛇口の様な家庭電化製品や取り付け器具のフィルター用網内へ流入し、従ってこの様な電化製品や取り付け器具の保守作業を好ましくなく増加させる。
通水型水加熱器の主な目的の１つは需要に応じて急速に水を加熱することである。通水型加熱器で温度検出に使用される最も普通な素子はサーミスターである。コスト要素が使用するサーミスターの種類を限定し、これらの素子が温度変化を検出する応答時間は２秒の範囲にある。この応答時間を抵抗式加熱要素を加熱し次いで該サーミスターが加熱される前に該水を加熱するに要する時間と合体すると、全遅れ時間は約７秒になると判断される。従って従来技術の通水型水加熱器に於ける制御システムはハンチング型制御器の種類であり、それは動作温度では比較的高程度のヒステレシスに曝されている。取り入れ水が約２１．１℃（華氏７０度）の通常のシャワーに供給するために水加熱器から必要な約４８．９℃（華氏１２０度）の水の容積は約５６７８．１ｃｍ3／ｍ（約１．５ｇｐｍ）である。２８ＫＷの加熱器は水加熱器を約５６７８．１ｃｍ3／ｍ（１．５ｇｐｍ）で流れる水を約毎秒２度で加熱する容量を有している。７秒の遅れに関連する問題と上記に説明した過熱と関連して起こり得る問題とが多数の高ワット数加熱手段を有する通水型加熱器で複合されている。
相拮抗する器具を開放した時のシャワーの水温の効果については殆ど誰もが良く知っている。貯蔵タンク式加熱器の様な比較的一定温度の温水供給源を使用している時は、希望温度を回復するために温水と冷水の比を簡単に調節することは比較的容易である。甚だしいヒステレシスを有する制御システムを利用している通水型水加熱器ではこれはそうは行かない。該応答時間は流量の急速な変化と関連する温度効果を遅らせ、悩ましい温度スイングとなる。圧力の変化が流量に影響するので、同じ悩ましい温度スイングは圧力変化についても当てはまる。供給源として個人的用水井戸を使用している時は圧力変化を通常経験する。例えコミュニティや市の用水供給システムでも多量の水需要時間には著しい圧力変動を経験する場合がある。
通水型水加熱器が通常範囲の配管を通して多数の器具に使われている時は該配管は温度変化の緩衝の働きをする。該加熱器が温度をオーバーシュートした時は該熱の一部は配管に吸収され流水に混ぜられ小さな温度スイングの効果を減少させる。同じことは該加熱器制御システムがヒステレシスの結果として該希望温度をアンダーシュートした時も成り立つ。もし通水型加熱器が設定点より上で水を供給しているなら、該配管は該熱の一部を吸収し設定点より上の温度になる。次いで該加熱器がアンダーシュートすると、より冷たい水は部分的により熱い水と混合し該配管の過剰な熱もまた部分的に逆に水に伝熱される。加熱器から設備までの配管範囲は容易に３０フィート以上に成り得るのでこの緩衝効果は家庭用水加熱器応用品には有益になり得る。
電力配電システムは高い過渡電圧と電力サージに曝されるので、トライアック（triacs）又は他の固体化された電子式電力制御スイッチ素子に保護部品を備えることがシステム信頼性に重要である。最も通常的には、この保護部品は従来技術では酸化金属バリスターを有するサージ保護装置により供給されて来た。これらの素子はワット数が限定され大きな過渡電圧による破壊に曝される。
米国特許第５，２１６，７４３号、第５，０２０，１２７号、第４，６０４，５１５号、第４，５６７，３５０号、第４，５１１，７９０号、第４，３３３，００２号、第３，９５２，１８２号、第３，７８７，７２９号は、動作中のより良い温度制御を提供するために加熱要素のシーケンシャルな、又は段階的な賦活の利点のみならず、水加熱器内の多数の加熱要素の利点をも確認している。米国特許第５，２１６，７４３号、第５，０２０，１２７号は、照明回路内の障害のみならず、温度制御のヒステレシスをも減少するためにゼロをクロスすることで電力印加される加熱要素のシーケンシャルな又は段階的変調を使用する制御システムを含んでいる。米国特許第４，３３７，３８８号、欧州特許第ＥＰＯ２０９８６７Ａ２はオーバーヒートを避けるためのより良い温度制御の必要性を認識し予測回路部（anticipation circuitry）と変調制御（modulating control）を使用している。米国特許第３，９５２，１８２号と該引用された欧州特許は動作のスタート時又はスタート前に加熱室を初期ベントをすることを開示している。米国特許第５，２１６，７４３号は、加熱過程中でガスが生成されることを開示し、加熱要素又は加熱室への損傷を防止し、もし該温度センサーが流体との連通を失った時動作中の危険な過熱の可能性を減らすために該ガスの連続的なベント動作を利用している。
大抵の商業的なサーミスターは全温度変化に対応するのに約２秒を要する。この時間はサーミスター時定数として参照されている。該サーミスターが熱的遅れの結果として第２次的に加熱される通水型水加熱器ではシステムの遅れが起こる。加熱要素は該サーミスターがそれに応答すべき流体を加熱する前に暖められねばならないので該熱的遅れは本来的に存在する。ここで開示する種類の通水型水加熱器では全温度変化に該サーミスターが応答するために要する該システム時定数は約７秒である。従来技術の加熱器の加熱要素は１つが或る時期にそしてシーケンシャルに賦活されるが、最初の加熱要素は最初に全力で、かつ、連続的に賦活される。該最初の加熱要素の賦活で生ずる温度変化は、そこから需要信号が発生すべき基準設定点電圧と比較される。報告された需要の度合いは該システム温度時定数の関数である。該需要が該温度変化とシステム時定数との関係でが増加し、追加加熱の必要性を示すと、次の加熱要素がシーケンシャルにゼロ電力から１００％での全力連続賦活まで賦活される。米国特許第５，０２０，１２７号で開示されているように、設定点を達成するために充分な数の要素が賦活されるまで加熱要素は附加される。多くの応用品では、該最初に賦活される加熱要素のデユーテイサイクルは最後に賦活される加熱要素より著しく大きいように、設定点達成には全数より少ない数の要素しか賦活されない。従って該賦活された加熱要素は、そこで加熱要素が賦活されない領域に於けるより比例関係にない程熱くなっている。加熱要素がシャットダウンに対しては逆の順序で電源を切られると、１つ以上の要素が全電力で印加されていて流れが無い条件であるので、ホットスポットが発生する。オーバータイム、熱分布のこの不平衡の影響は該熱交換器を損傷し、使い過ぎの加熱要素のサービス寿命を著しく短縮させる。シャットダウン時の結果的な局部的過大な温度は硬水環境での鉱物質堆積の過剰な沈澱を引き起こす。
従来技術の欠点は本発明により克服される。複数の加熱要素の各々への電力をより望ましく制御するための制御器を利用する改良された水加熱器をここに開示する。本発明の技術は各々が複数の加熱要素の１つを有する多数の室を有する通水型又はタンクレスの水加熱器での使用に特に好適である。
発明の概要
本発明は１つ又は多数の電源により電力供給される多数の加熱要素を有する通水型又はタンクレスの水加熱器を提供する。該通水型水加熱器は温度検出回路部と予測回路部を含む改良された制御システムを備えている。該制御システムは、変化する流量で連続的に加熱された流体の温度検出に通常伴う熱的遅れ関する時定数の補償をする回路部によりその出力が修正される温度センサー素子と結合されており、それにより時々刻々修正された瞬時温度読み値を提供する。又該制御システムは改良された予測及び温度検出回路部を含んでおり、該回路部は該加熱要素への時／比率  定数（time/rate constants）に基づく電力印加を精確に制御する。該加熱要素への電力の供給源は該制御システムのロジックで制御される。
リレーの契合で該制御システムに電力が最初に結合され、次いで該加熱要素はゼロでクロスすること（zero crossing）によりトリガーする素子により賦活されるトライアック（triacs）により増分ずつ電力を印加／遮断される。該制御システムは電気的半サイクル位小さな増分で各加熱要素の電力印加の増加又は減少を繰り返すようなロジックと固体化された制御器を含んでいる。該加熱要素への電力の増加又はは減少は、各加熱要素が、正弦波の半サイクルのシーケンシャルな増分で該制御器により配分される電源からの等量の電力を受けるような仕方で制御されている。第１の加熱要素は電気的半サイクルがゼロでクロスすることで（at the zero crossing）最初に賦活されるか、又は賦活解消される。次いで、次のそして残りの加熱要素は次の半サイクルがゼロでクロスすることで交互に半サイクル賦活又は賦活解消を受けるので、該加熱要素へ供給される電力は概略同じ増分で分担され、それにより動作中は各要素のデユーテイサイクルは連続的に同一化され、集合された加熱要素の瞬間的に一致する賦活の増加量又は減少量は非常に小さな電力増加又は減少に制御される。該加熱要素への電気負荷が殆ど完全にバランスされ（単相及び３相の双方の電源に於いて）、それにより通常高ワット数加熱要素の電力印加から来る照明回路への障害を減少するか又は有効に除去したり、変圧器の偏りを防止するのは、この電力分担から来るものである。更に、この電力分担技術は該加熱システム内のホットスポットを最小にする。該加熱要素の適切なワット数決定を通して、大抵の水加熱応用品は該要素への最大（full）電力の５０％より少ない要求となり、各加熱要素は動作中に実質的に同じ賦活を受ける。シャットダウン時には、何れの加熱要素内の潜熱も、１つ以上の要素が通常最大電力で賦活される従来技術のシーケンシャルに段階的な加熱案の通常半分以下である。シャットダウン時は、該要素内の潜熱から生ずる温度オーバーシュートは、このオーバーシュートに関係のある形成された鉱物質堆積物と共に、実質的に減少しそして加熱要素の寿命は増加する。
動作中のより良い温度制御のために、温度検出と制御応答を改良するため、電力分担の仕方で該加熱要素へのエネルギーの交互の同じ増加及び又は減少を制御する制御器を有する水加熱器を提供ことが本発明の目的である。連続的な電力分担の仕方で均等に該加熱要素に電力印加する制御システムを備える通水型水加熱器を提供することは本発明の関連する特徴である。
電力が各要素で分担され、それにより全部ではなくても大抵の応用品で各要素内で流れが無いシャットダウン時に潜熱を減少させるような仕方で、多数の加熱要素を交互に電力印加するための水加熱器制御器を提供することも又本発明の目的である。流れが無いシャットダウン時全ての要素内の潜熱が均一に配分されるような電力分担の仕方で該加熱要素が賦活される通水型加熱器を提供することは関連した特徴である。各加熱要素内の潜熱を減らすことにより、各要素の該シャットダウン温度を下げられ該隣接する流体へ一様に配分され、それにより該要素へ又は該熱交換器内へ沈殿し、堆積する鉱物質の量は減少する。従って鉱物質の堆積蓄積及び形成が最小になる通水型水加熱器を提供することが本発明の特徴である。
該加熱要素へ同時、かつ、瞬間的に、一致して電気負荷することを抑制し、それにより照明回路と変圧器での障害を事実上除去するために、電力を分担する仕方で、そして電気的な半サイクルの様な少ない増分で、高ワット数加熱要素へのエネルギーの増加又は減少を制御することも又本発明の特徴である。各要素の電力印加が非常に小さいエネルギーパルスで、そして各要素へ一様に、交互に付加されたり、取り除かれたりするような電力分担の仕方で、各加熱要素へエネルギーを供給する制御システムをを備える通水型水加熱器を提供することが本発明の関連する特徴である。
本発明のなおもう１つの特徴は設定点のスムーズで急速な達成と流れの無い条件での急速なシャットダウンのために必要な検出と応答時間の熱的遅れを克服する温度検出と予測の回路部への向上性を備えた水加熱器である。好ましくは該通水型水加熱器は、向上した温度検出と予測回路部と、及び／又は最小のヒステレシスでスムーズで急速な設定点達成をすると共に、機械的な流れ無し検出装置を使うこと無く流れの無い条件での急速なシャットダウンを提供するロジックとを組み合わせる制御システムを備えるのが良い。
なお本発明のもう１つの特徴は該加熱要素が多数の供給源から電力を供給される電力分担制御案を有する水加熱器である。通過する水の該全ての加熱要素は多数の電力供給源の１つから電力を印加されても良い。
本発明のなおもう１つの特徴は多数の入って来る電源に対し、特に３相電力の使用時、平衡した負荷を提供する水加熱器用の制御器である。通水型水加熱器は該入って来る電源への需要がバランスされる仕方で制御される。
本発明のなおもう１つの特徴は、該トライアック又は他の電力制御スイッチ素子を該電源からの破壊的過渡電圧から絶縁する電力サージ保護部品を水加熱器に供給することである。スタンバイ状態での絶縁は素子の選択にノーマルオープンのリレーを使用することで得られるが、それによりこのスタンバイ状態中の該トライアックへの電力を取り除いている。
該通水型水加熱器が該水加熱器のシステム制御機能を達成するためにマイクロコントローラを使用する制御システムを備えることが本発明の利点である。
本発明の著しい利点は該制御システムの進歩のために消費者が通水型水加熱器をより容易に受け入れることである。
本発明のなおもう１つの利点は本発明による比較的長寿命でサービスコスト安い通水型水加熱器である。
これらと更に進んだ本発明の目的、特徴及び利点は付属する図面の図を参照する次の詳細な説明で明らかになる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明による多室式通水型水加熱器を概略示す。
図２は本発明の温度増幅器、回路ロジックと出力電圧対温度のグラフを図解する。
図３は本発明による適当な設定点回路を図解する。
図４は本発明の模範的なシャットダウン回路を示す。
図５は本発明の模範的スタンバイ回路を示す。
図６は本発明に使用するパルス幅変調器回路を示す。
図７は変調検波器を表す。
図８は本発明の典型的な異なる時間の点弧順序を示す。
図９は模範的な光結合式加熱器駆動部を示す。
図１０は選択された制御機能加熱要素用の光結合式加熱器駆動部を示す。
図１１は磁気結合式加熱器駆動部を示す。
図１２はリレー駆動部用制御回路を示す。
図１３は適当なシフトレジスター制御を示す。
図１４はライン同期増幅器を示す。
図１５は本発明によるマイクロコントローラ使用回路部を示す。
図１６は図１５に示した回路部に使用される電力制御回路を示す。
図１７は現在の温度情報の遅れを修正するための適当な補償回路を示す。
図１８は時間の関数としての温度変化率を予測するための適当な予測回路を示す。
図１９は本発明の代替えのマイクロプロセッサーのブロック図を示す。
好ましい実施例の詳細な説明
図１は本発明による多室式通水型水加熱器１０の１つの実施例の一般的構成を表す。該水加熱器はフランジ型連結部１４で一緒に結合された２つの実質的に同一の２室モジュール２６と３６を含んでいる。適当な水加熱器は１室モジュールを使用しても良いが、次に説明するように好ましくは間に適当なフランジ型連結部を用いて２つ以上の２室モジュールをシリースに組み合わせるのが良い。
動作中、該入り口ライン１３を通して流れる水と取り付けられたヒートシンク１６は次に説明する該固体化された加熱器制御用スイッチ素子を安全動作温度に保つ。水入り口温度は水入り口ライン１３の底部か第１加熱要素から上流の室内の何れかに設置したサーミスター１８によりモニターされる。水は第１室２０の底部に流れ込み上方へそして加熱要素２２と接触し流れる。室２０の頂部で該水流は高温リミットスイッチ又はリミットスイッチ２４により温度オーバー条件についてモニターされる。該流れはモジュール２６の室２０をモジュール２６の室２８と連結する細く開口した流体接続部２５を通して進行する。該水は制限された開口部２５から室２８の頂部に放出されるので増加した速度により混合される。室２８の頂部では該水温はサーミスター３０で測定される。水のレベルは室２８の頂部でレベル検出器３２でモニターされる。流れは室２８を通して下方へそして加熱要素３４と接触して進行する。
室２０の頂部のガスは細い開口部の流体路接続部２５の出口から室２８に、次いでモジュール２６とモジュール３６を連結するフランジ型接続部３３内のベント開口部３７を通して水平に流れる。次いでガスはモジュール３６の室３８内へ水平に流れ続ける。非常に少量の水はガスの流れに追随する。ヒートシンク１６、モジュール間の制限された接続部とベント作用に関する更に詳細なことは米国特許第５，２１６，７４３号に開示されている。
モジュール２６の室２８底部で水温がサーミスター４２で測定される。水は室２８と室３８の間の細い開口部の流体路接続部４１を通る時に混合される。室３８の底部に入った後、水は上方へ、そして、加熱器４４と接触して流れるが、高温リミットスイッチ４６で高温についてモニターされる。ガスは室３８の頂部から室３８の頂部を室４０の頂部に連結する細い開口部の流体接続部４７を通して水平に流れ続ける。水は室３８と４０の間の細い開口部の流体接続部４７を流れる時再び混合される。水温は室４０の頂部でサーミスター４９で測定され、水のレベルは室４０の頂部でレベル検出器４８でモニターされる。又水温は室４０の底部でサーミスター５４で測定される。流体流れは下方へそして加熱器５０と接触して進行し、一方ガスは室４０の頂部から接続部５１の出口ベント用開口部３７を通して該流体出口ライン５２内へ水平に流れ続ける。次いでガスは該出口流体と混合され、該加熱流体と共に該加熱器１０から放出される。動作中ガスは各加熱室の各々から連続的にベントされる。接続部５１のベント用開口部３７を通して少量の流体が該ガスと共に放出される。該温度は、図示のように室４０の底部にサーミスター５４を置くか、又は代わりに該流体出口ライン５２内にサーミスター５４を置くことにより測定しても良い。室４０から出口ライン５２内へ、次いで水の出口ライン５２の長さに沿って該流体出口５６へと上方へ、水を放出させるための細い開口部の流体接続部５３を備えることにより水は更に混合される。
該高温水加熱器システム内に５個のサーミスターがあることが分かる。サーミスター４２と５４は該加熱器室の底部に配置されている。サーミスター３０と４９は室２８と４０の頂部にそれぞれ配置されており、サーミスター１８は入り口ライン１３の底部に位置付けられている。これらのサーミスターの数と位置は該加熱器システムを制御するための主要な測定手段である。示された数と位置は好ましい実施例を表しているがそれらの制御温度のみならず該サーミスター又は他の温度検出素子の数及び位置の両者共該応用の要求により変更されても良いことは当業者には明らかである。
高温リミットスイッチ２４と４６は室２０と３８の頂部に配置されている。リミットスイッチ２４と４６はノーマルクローズ（通常は電気的な接触を形成しており）のプリセット型の熱作動スイッチであり、予め選択された高温条件になった時だけ開く（該電気的接続を切る）。一旦スイッチが開くと、該スイッチを閉じるために手動又は自動でリセットするまで開いた儘でいる。又該高温リミットスイッチの数と位置を応用し品によって変えても良いことも理解されよう。
該リミットスイッチは２４、４６は８個のリレー用の制御信号と直列に結線されている。該リレーは該電子制御システムから来る如何なる制御ロジック命令も関係無く全部で４つの加熱器要素への電力配線の両側を遮断する。これは高温条件を検出するための機械的バックアップである。高温条件の場合は該リミットスイッチは該加熱器が再作動する前に手動又は自動でリセットされねばならない。該リレーは主に安全とサージ防護装置として使用され、この様な装置の使用と数は該加熱システムの目的により決定される。
水のレベル検出器３２、４８はモジュール２６と３６のそれぞれで水のレベルを検出する。該水のレベルが該水のレベル検出器の高さより下に低下した場合は該４つの加熱器要素の各々への電力配線の両側を切ることにより全ての制御リレーは電力を遮断される。もしモジュール３６の水のレベルのみがそのレベルより下に低下した場合は加熱要素２２、４４と５０が該制御リレーにより電力配線から遮断されるのが良い。もしモジュール２６の水のレベルのみがそのレベルより下に低下した場合は加熱器３４がその制御リレーにより遮断されるのが良い。加熱器３４が遮断された時は次に説明するように加熱器２２、４４と５０は制御ロジックから電力を与えられない。水のレベル検出回路部とセンサーの使用は主に安全の目的のためである。このような回路部とセンサーの使用と該センサーの数と位置は特定の応用品により決定されるのが良い。
なお図１を参照すると、モジュール２６と３６の頂部間の接続部３３のベント開口部３７とモジュール３６の頂部と水出口ライン５１の間の接続部５１のベント開口部３７はトラップされた空気が該水加熱器１０の加熱室の各々から連続的に除去されるようにする。この特徴が達成される一方同時に水が該室の適当なレベルに届くようにして、それにより該加熱器への損傷を防止する。
沈澱物用ボール９は加熱室２０、２８、３８及び４０の各々を形成する該ハウジングに取り外し可能に取り付けられている。該沈殿物ボール９は操作者が周期的に該加熱器のサービスの必要性を黙視で決定出来るよう実質的に透明にしても良い。各ボールはそれぞれのハウジングに従来のねじにより結合され、それにより該加熱室をドレーンし清掃するための容易な取り外しと交換を可能にしている。
図２は適当な温度増幅器回路６０を開示している。５つのシステム用サーミスター６２の各々はそれ自身の増幅器回路に接続される方が良い。該演算増幅器６３は該水加熱器の動作温度範囲内で該負抵抗サーミスターを約０．５６℃（華氏１度）当たり約３０ミリボルトの線形正電圧出力６４に変換する。従って電圧出力６４は該検出温度に比例している。図２は電圧出力と温度の間の直線性を表す。回路６０には適当な値のスケール抵抗６６と利得抵抗６８が含まれている。
図３に示すように、増幅器設定点回路７２はユーザが該高温水加熱器１０の出力温度を設定出来るよにする。温度は手動調整式ポテンショメータ７４により設定される。該設定点回路は２つの分離された基準電圧７８と８０、すなわち高温シャットダウン電圧７８と制御設定点動作電圧８０を確立する。該好ましい実施例では又該回路部は凍結を防止するためにスタンバイ最低設定点温度を供給する。該回路７２は演算増幅器８２を含んでいる。該電圧８４は上記で開示したそれぞれの入り口温度増幅器６３に接続されている。従って設定点回路７２は次に説明するように該シャットダウン回路とパルス幅変調器に電圧入力８０と７８を供給する。
該高温シャットダウン電圧７８は図４に示すように該シャットダウン回路１００の演算増幅器型比較器８６の１入力である。温度増幅器９２と９４はレショー用（ratioing）抵抗８８と９０を通して該比較器８６への第２入力９６を供給する。該比較器の出力電圧９８は、室２８と室４０の流体温度が高温シャットダウン電圧より低い時にハイ（high）になる。何れかの室又は両室が高温シャットダウン電圧を越えると該比較器出力電圧９８はゼロとなり図１０に示すようにＡＮＤゲート１０４はディスエーブル（disable）となる。これは図１０に示す制御回路により該加熱要素３４を停止させるがそれは次に説明するようである。
図１０に示す該制御回路１０２により制御される加熱器３４は、その動作が全ての他の加熱要素２２、４４、５０への制御シーケンスを始動するので、感知加熱器と考えられる。図４に示す該シャットダウン比較器８６の出力電圧がゼロになると、加熱器３４は停止される（該制御感知加熱器）。該パルス幅変調器から加熱器３４への命令電圧パルスを阻止することにより図１０に示すＡＮＤゲート１０４を通して全ての他の加熱器がディスエーブルとなる（図１０に示す感知回路１０６に無信号）。応用品により該加熱器のいずれを希望する制御用又は感知用加熱器を提供するために使用しても良い。室２８及び室４０（図１参照）の該温度増幅器からの出力電圧が該高温シャットダウン電圧より大きい限り該シャットダウン比較器８６は動作停止状態に留まっている。
図５で表すようにスタンバイ回路１０６は室２８の頂部に設置されたサーミスター３０と室２８の底部に設置されたサーミスター４２間の電圧差（温度を示す）を比較する。各サーミスターからの電圧は適当な抵抗１１２、１１４をそれぞれ通過する。又該回路１０６は抵抗１１６、キャパシター１１８、急速放電部材１２０、抵抗１２２と増幅器１２４を含んでいる。該回路１０６からの出力１２６は図１３に示すシフトレジスター１０９に与えられる。該スタンバイ回路の出力電圧は、スタンバイ比較器回路部１０６で示すようにサーミスター３０がサーミスター４２より２、３度だけ暖かい時にハイの電圧レベルになる。このハイのレベルの出力電圧はシフトレジスター１０９の動作を阻止するが、該レジスターは図１３に示すシフトレジスター制御回路１０８により加熱器２２、４４と５０の賦活をシーケンス的に行わせているものである。該シフトレジアウターの動作は下記で説明する。図５に示す該スタンバイ比較器１１０からのハイのレベルの出力電圧は又図１２に示す加熱要素２２、４４、と５０と組み合わされる制御リレー１１１を電源遮断する。
該加熱器１０を通して水が流れる通常動作では各室は該前の室よりも次々とより高温である。従って室２８は室２０よりも、室３８は室２８よりも、室４０は室３８よりも熱い。水流が中断された時全ての加熱器の潜熱は該室内の流体の温度を上げる。各室の頂部は流れが無い状態では同室の底部より熱い（水温躍層）。図４に示すように該スタンバイ回路比較器回路部１００はこの条件を検出し、加熱要素２２、４４と５０を有効に電力遮断する。下記に説明するように該パルス幅変調器は室２８を低い設定点温度に維持する一方室２８の頂部を室２８の底部より熱く保ち、それにより図５に示す該スタンバイ回路１０６からのハイのレベルの電圧出力を維持し該加熱器１０をスタンバイ状態に保っている。
流れが水加熱器１０を通して再確立されるとサーミスター３０により検出された温度はサーミスター４２により検出される温度に近似する。スタンバイ回路比較器１１０からの出力電圧はロー（low）のレベルに変わり、該シフトレジスター１０９をイネーブル（enable）とし、それにより加熱要素２２、４４と５０と組み合わされた制御リレー１１１の電力印加を開始する。従って制御回路ロジックはスタンバイモードから動作モードへスイッチされ、該設定点はスタンバイ設定点から動作設定点へ戻る。該加熱器は需要に対応して賦活され、段階的に増加しつつ動作設定点温度を探す。もし該水加熱器１０が該動作設定点より上の余熱された水を受けたならば該制御は該スタンバイモードに留まっている。
水温躍層条件の存在及び／又は非存在の場合に、前記説明のように温度微分の比較により該スタンバイ回路比較器１０６は該加熱器１０を通しての流体流れのスタートと停止を検出する。室２８の頂部が下流の室の底部で検出された温度に近似していれば、該スタンバイ回路１０６の出力はゼロ値（zero state）となり、高温水加熱器１０を該スタンバイモード外へ出す。図４に示す該シャットダウン回路１００はこの時ハイの値（high state）にあり、該回路は流れている条件を示す。流れ検出が行われた時、図７に示す変調回路部出力１４９がゼロ値に下がり、制御リレーは全て電力を印加され、図１３に示すシフトレジスター１０９はイネーブルとなる。
図６に示す該パルス幅変調器回路１２８は６つの電圧入力を受ける。４つの増幅器出力１３０、１３２、１３４及び１３６は各々それぞれの室２０、２８、３８及び４０の温度をモニターする。それぞれのサーミスター３０、４２、４９及び５４から電圧出力が得られる。１つの電圧入力は制御設定点電圧１３９である（手動又は自動で設定される）。最終設定点電圧入力１３８は入り口サーミスター１８温度補償制御基準設定点である。
変調器回路１２８は典型的に１２８Ｈｚで発振する発振器１４０を有する。該発振器１４０は該電力配線周波数とは特に非同期である。該変調器回路１２８は２乃至９８％の公称デューテイサイクル制御範囲を有する正電圧矩形波出力（典型的には１２８Ｈｚ）を発生する。該回路の一般的機能と動作は上記説明と図６を見れば提供されている。
流れの在る条件では図６に示すＯＰＡＭＰ  Ａ２（演算増幅器Ａ２）の正の入力電圧は負の電圧入力より高く、ＯＰＡＭＰ  Ａ２の出力電圧をゆっくり増大させ、そして該パルス幅出力デューテイサイクルは増加する。次いでこれらの条件は図１０に示す該トライアック１６４を典型的な電力分担点弧順序で点弧させる。該ＯＰＡＭＰ  Ａ２の出力で増加する電圧は抵抗Ｒ１１とキャパシターＣ１で積分され、次いで電圧フオロワー（voltage follower）ＯＰＡＭＰ  Ａ３で緩衝される。Ｒ１１とＣ１の該時定数は典型的に３０秒である。この積分回路部は該ＯＰＡＭＰＡ２の出力で起こる急激な変化をダンプする（dampen）。ＯＰＡＭＰ  Ａ２の正の出力電圧は該適当な電力レベルが現在の流量で動作設定点温度を発生ことを達成されるまで増加を続ける（該加熱手段の限界内で）。
該水が暖まるとサーミスター増幅器の該出力電圧は増加する（該サーミスター増幅器回路６０を図２に示す）。該サーミスター増幅器の出力電圧の増加のためにＯＰＡＭＰ  Ａ２への差の入力電圧は減少するので該加熱器への電力は減少する。この制御方法は、各加熱要素への適当な加熱器電力が達成されるまで電力のスムーズな段階的推移となる一方、又各加熱要素の電力分担を行いつつ出力温度を設定点に維持する。このスムーズな増加推移は該水加熱器の電力限界内でどんな流量でも起こる。
次いで水流が停止すると仮定すると該流体温度は上昇する。該水加熱器はＯＰＡＭＰ  Ａ２への差の入力電圧の減少のために該要素の各々への電力を段階的に減少し始める。ＯＰＡＭＰ  Ａ２は終局的にパルス幅変調器のデユーテイサイクルを該要素にもはや電力が印加されない点まで減少させる。しかしながら、該加熱要素の潜熱が該水温を予め決められたシャットダウン温度の上に持って行くので、従って図４に示すシャットダウン回路１００の出力は室２８用の加熱器駆動器をデイスエーブルにするロー値に下がる。要素３４がデイスエーブルになると又他の全ての加熱要素もデイスエーブルになることは理解されよう。又シャットダウンは全ての該制御リレーをもデイスエーブルにする。
シャットダウンの殆ど直後に室２８の頂部は室２８の底部より熱くなる。この流れの無い条件が起こると図７に示す変調検出出力１４９はハイ値に上がり全ての制御リレーは電力を遮断され該シフトレジスターはデイスエーブルになる。該制御システムはスタンバイモードになる。好ましい実施例ではこの時以後図５のスタンバイ回路により熱は図１２に示す加熱器リレー１１３により室２８に印加されるのみであり、凍結を避けるために最低スタンバイ設定点温度を維持する。該スタンバイ設定温度とスタンバイモードの継続用の温度差を維持するためには非常に僅かの量の電力しか要しない。
該室の温度が該設定点よりずっと低い時は、発生する矩形波サイクルの正の部分は長い（時間）持続期間になる。このパルスの幅、すなわちデユーテイサイクルは該加熱器に印加される電力又はワット出力のパーセントを決める。もし該パルス（駆動パルス）の正の部分がサイクル時間の長いパーセントの間ハイであると、該出力電力は高く、かくしてワット数出力は高い。該パルスの正の部分が該サイクルタイムの短いパーセントであると、該出力電力は低く、該ワット数出力は低い。図１０に示す駆動パルスと図９に示す光結合器のゼロでクロスする窓とが一致すると加熱器３４は点弧する。該光結合器のゼロでクロスする窓は該光結合器がイネーブルとなる０ボルトに近い線電圧、典型的には０乃至５ボルト、の範囲である。
該サーミスター増幅器と関連する該パルス幅変調器回路１２８は出口温度を制御設定点温度に保つために該加熱要素の各々に印加されるべき電力の平均パーセントを入力する。良好な温度制御に必要な電力の平均パーセントと電力変化の割合を計算することは該電源に対する大きく変化する需要を著しく減少させる。電源に対する大きく変化する需要は大きな配電線電圧変動を起こす。従ってこの制御案、そして特に後で説明する代替えの実施例は照明、変圧器と他の該電力配電線に接続された電化製品を攪乱する配電線電圧変動を減少したり除去したりする。
該パルス幅変調器回路１２８は、典型的には０乃至＋５ボルトで変化する出力アナログ電圧を発生する信号調節用演算増幅器を含んでいる。これはパルス幅変調器のデユーテイサイクルを制御する電圧である。アナログ電圧が高い時は該加熱器へ電力を印加する要求がある。該アナログ電圧が０．７ボルトより下へ低下すると（加熱器要求が無く）、電圧レベル検出器は全ての制御リレーの電力を遮断する正の出力電圧を発生し、該加熱要素から全ての電力を取り除く。この電圧レベル検出器の出力は又この中で該変調検出器として参照される。該制御リレーが電力遮断されて全ての加熱要素は電気的に切断され、電力配電線又は電源から絶縁されるが、これは水流が無い時の該加熱器の正常な状態である。従って該スイッチ用トライアックはこれらスイッチ素子を損傷する可能性のある電力配電線過渡電圧から防護される。この種の水加熱器が動作する１日当たりの最小時間のために該トライアックは２４時間当たりの８５％の間防護されると仮定出来る。
図７は該加熱要素の電力分担用の適当な変調検出回路部を表す。電圧１４６は正の基準電圧である。該パルス幅変調器からの出力に比例する電圧１４４が該電力配電線のゼロとのクロスに一致すると、配電線電力の１つの半サイクルが加熱器３４に印加される。第２トライアックの点弧は、図１３に示す、１２０Ｈｚでクロック駆動され、電源線に同期されている４段のシフトレジスターの入力となるロジックパルスを発生する。次のクロックパルスは該レジスターの第１シフト段が該電力配電線の精確にゼロでクロスするところでハイのレベルの出力電圧を発生し、第１トライアックを点弧し該加熱要素２２に半サイクルの配電線電力を印加する。次のクロックパルスはハイのレベルの出力電圧をレジスターの第１出力からレジスターの第２入力にシフトする。これは該配電線のゼロでクロスするところで起こり、第３トライアックを点弧し、１つの半サイクルの配電線電力を加熱器４４に印加する。該次のクロックパルスはハイのレベルの出力電圧をシフトレジスタの第２出力からレジスターの第３の入力にシフトする。これは該配電線のゼロでクロスするところで起こり、第４トライアックを点弧し、１つの半サイクルの配電線電力を加熱器５０に印加する。適当なシフトレジスター制御１０８が図１１３に表されている。
パルス幅変調器回路１２８が１つの半サイクルの間加熱器３４の点弧を始動した。加熱器３４の点弧がレジスターにクロックとして導入されるロジックパルスを発生し、次の半サイクル用にゼロでクロスすることで加熱器２２を点弧する。該次のクロックパルスが再び出力電圧をシフトし、ゼロでクロスすることで第３トライアックを点弧し、次の半サイクルの間加熱器４４に電力を供給する。該次のクロックパルスが加熱器５０を次の半サイクルの間電力供給するロジックパルスをシフトする。この電力線制御方法の重要な特徴は各加熱要素に同じ量のオン時間が配送され、該配電線電力が常に全サイクルで（in full cycles）使用されることである。該電力線の全サイクル利用を維持することは、直流バイアスを伴う変圧器の問題を含めて半サイクル使用で起こる問題が発生しないことを保証する。
加熱器３４の点弧は、図８に示す２つの電気的全サイクルを通して変調された半サイクルシーケンスで加熱器２２、４４そして５０を点弧させる。４個全要素が同じワット数と仮定すると、主電源から該加熱器への全排出電流はフル電力で使用される只１つの加熱器要素と等価であり、それにより同じ電力分担となる。もし図１０の感知回路１０２が該電力配電線の各半サイクルで点弧を検出すると該パルスは該シフトレジスターでクロックされ、全ての加熱要素に全出力のかつ連続した電力を供給することは理解出来る。順に、かつ、電力配電線のゼロでクロスするところで点弧されるトライアックは高周波障害を大いに減少させる。
加熱器２２、４４そして５０用の、図９に示す光結合式加熱器駆動回路部１５０は設計が同一である。個別のシフトレジスターからの出力はトランジスターインバーターへの入力となり、該インバーターは今度は光結合器の発光ダイオードを駆動する。命令データは標準的結合構成を経由して該トライアックスイッチの入力に光学的に結合されている。該光結合器は該トライアックを該電力配電線のゼロでクロスするところでターンオンする種類のものである。加熱器３４用の加熱器駆動回路部は、点弧されると加熱器３４用駆動回路が図１３に示す該シフトレジスターに正のロジックレベルを発生する図１０に示す追加的感知要素を始動し、該電力分担制御機構をイネーブルにすることを除くと、該駆動回路１５０と同様である。上記説明の様に、該加熱器の何れの１つも上記に開示した加熱器３４用の加熱器駆動回路部で使用したような制御機能を行うように図１０の駆動回路部と共に使用可能である。該光結合器は納得出来る耐電圧を有するものを入手可能であり、この応用では信頼性を期待出来る。
図１２は配電線過渡電圧と不安全な動作条件に対し防護する代替的磁気結合型加熱器リレー回路１７０を開示する。加熱器リレー１、２、３及び４はそれぞれ図１に示す加熱要素２２、３４、４４及び５０と組み合わされる。該回路１７０の動作は上記説明と図１２の学習から明らかである。
回路１５２は、図１１に示す、電力配電線のゼロでクロスするところで起こるロジック信号に接続された１つの入力１５６と該シフトレジスターからの第２の入力１５８を有するＡＮＤゲート１５４を使用するもう１つの実施例である。該ＡＮＤゲート１５４の出力はパルス変圧器１６２の第１次をを駆動する固体化されたスイッチ１６０を駆動する。降下された第２次は電流リミッタ抵抗１６６を通して該トライアック１６４の入力を駆動する。
該水加熱器が全力（full power）で動作している時該電力配電線からの電流は可成り高い。入力回路ブレーカーと配電線給電ワイヤ寸法はこの電流を収容する程充分大きくすべきである。この実施例では、多数回路ブレーカーと配電線給電は実際的設置ハードウエア用として一体化される。
該水加熱器が該スタンバイモードにあると仮定しよう（図５に示すスタンバイ回路１０６参照）。制御リレーは全て電力遮断されているので、室２８の頂部は従って室２８の底部より高温である。図７に示す変調検出器からの出力はゼロ値にある。該高温水加熱器への需要は該システムを通して動作設定点温度より流水クーラにより始動される。サーミスター３０により検出される温度がサーミスター４２により検出される温度に近似する時は該スタンバイ回路の出力はゼロ値となり、該高温水加熱器をスタンバイモードから取り出す。入り口の水は予め決めた動作停止温度より低く、該回路部は従って流れの条件を示していると仮定すると図４に示す動作停止回路１００はこの時ハイ値になる。（もし入り口水温が該設定点温度より高いなら、該水には熱は印加されない。）流れ検出が起こると該変調検出器出力はゼロ値に低下し、制御リレーは全部電力遮断され、該シフトレジスターはイネーブルとなる。該水のレベル検出器は該応用に望ましいように直流でも交流でも使用出来る。該水のレベル検出器は室内に水が無しで該加熱器を運転する時に該熱交換器への過熱損傷を発生から防止する。
図１５はマイクロコントローラ又はＭＣＵ１８２又は他のマイクロプロセッサーシステムを含む１つの実施例を開示する。マイクロプロセッサー制御では該サーミスターからの出力信号は図２の温度増幅器と同様な信号調節器１８４に走査入力される。設定点信号も又該信号調節器に走査入力される。該設定点信号はポテンショメータ、キーパッドと表示器又は遠隔制御のアナログかデジタルの装置で確立することも出来る。該信号調節器１８４から該信号はＡＤ変換器１８８に送られる。該ＡＤ変換器１８８は通常の回路で該マイクロコントローラに一体に含まれていても良い。該ＭＣＵは通常のマイクロコントローラ又はマイクロプロセッサーシステムの何れの１つでも良い。図１４に示す配電線同期回路１６８は配電線との同期を取るために該配電線周波数から得られた該ＭＣＵ用のクロック信号である。該配電線同期は配電線電力制御アルゴリズムを簡単にしてくれる。代わりに別なＭＣＵクロックとＭＣＵへの配電線同期入力を使うことも出来る。該好ましい実施例では図４に示すシャットダウン回路と図５に示すスタンバイ回路が該ＭＣＵのソフトウエアに含められる。この実施例ではパルス幅変調器は必要としない。図９又は１１に示す回路は該トライアック駆動器とスイッチ手段用に使用しても良いが、それはトライアックが一種のスイッチであるからである。図１５に示す実施例は又製品安全性のために水レベル検出器と高温リミットスイッチ（図１参照）を使用している。
図１５に示す実施例では、電圧センサーと共に図１５に示す電流変圧器又は他の電流センサーが該ＭＣＵへの追加入力として組み合わされている。これらの入力は該温度設定点制御の精度を改善するために該制御アルゴリズムにより利用される。追加的な開示や回路は何ら示されて無いが、それは該加熱要素の状態情報を得て利用するよう電流変圧器を使用するためには好ましい実施例と図１５の実施例を開示されれば当業者は該ＭＣＵ用のソフトウエアを容易に開発出来るからである。このソフトウエアは他の異常な条件と共に粗悪要素、要素ワット数不平衡、漏洩電流の補償を考慮したり、与えられた室についてワット入力当たりの温度上昇を基礎に制御助力を提供することも出来る。従って当業者はここに開示した技術を展開するためのこれらの目的と改善を達成するに必要な回路部とアルゴリズムを開発しても良い。
取り入れ電力配電線への悪影響を出来るだけ少なく保ち、又長い要素寿命を維持するためにフルサイクル利用と残像より速い電力変動を維持する電力制御が必須である。ライン電力制御の好ましい方法は図１６に示す電力制御回路１９２の１部として読み出し専用メモリー（ＲＯＭ）を使用しても良い。従って図１６に示す該電力制御回路部は図６に示すパルス幅変調器回路と取り替えられる。該好ましい実施例では、該ＲＯＭは外付けＲＯＭも使用出来るが、該マイクロプロセッサーに内蔵されている。該ＲＯＭには各加熱器の半サイクル利用用の該ビットストリーム（bit stream）が記憶されている。各ビットストリームはフルサイクル利用を考慮しており、或電力レベルのビットストリーム内の奇数半サイクルを残像よりも速い繰り返し率に保っている（電力負荷変動により起こる該フリッカーが気付かれない）。該ＲＯＭのアドレスは第１と第２の両アドレスの２部分に分かれている。該第１のアドレスは或電力レベル用のビットストリームのスタートアドレスをメモリー内に配置している。該第２アドレスは該蓄積されたビットストリームを電力制御用出力にクロック同期させるカウンタに接続されている。該好ましい実施例では１２８の第１アドレスが１％より良い電力制御段差を供給するために使用され、７ビットの第２アドレスが１２８ビットストリームを通してのクロック同期用に使用されている。
該熱交換器室内の少量の水に対し膨大な量の熱容量がある。頻繁な流量変化のために希望制御案を適切に実施するための予測回路又は予測アルゴリズムを持つことが非常に望ましい。好ましい実施例では予測実施の方法は単位時間当たりの温度変化率を測定することである。
与えられた一定流量用の加熱器に適当な量の電力が印加されている時、該出力温度は該設定点温度で一定に留まっている。しかし該流量が突然増加するか減少すると、該サーミスターにより検出される温度は誤差内にある。この誤差は該サーミスターの熱的応答時間遅れと該水の熱伝導のためである。
図１７の回路部１９４は図２に示す該サーミスター増幅回路６０に対する改良であり、正しい温度情報の遅れを補償する。Ｒ１とＣ１の時定数、正しい瞬時温度情報用の時間修正済み温度か、予測用に温度変化を誇張するか何れかを提供するよう調整出来る。この回路部の出力電圧は予測情報を提供する。この回路はＭＣＵ制御案を使用する図１５に示す実施例ではアルゴリズムによりエミュレートされる。
図１８は単位時間当たりの温度変化率の情報を提供する回路部１９６を開示している。この回路部の出力電圧は予測情報を提供する。又この回路部は図１５に示す実施例でアルゴリズムによりエミュレートされても良い。
代わりのマイクロプロセッサーを基礎とした回路１９０を図１９に示す。従って図１９に示す該回路部は図１５に示す該回路部の代替えである。
それぞれ図１に示すサーミスター１８，３０，４２，４９及び５４に対応する５個のサーミスターＴＨ  ＩＮ、ＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨ３及びＴＨ４は今度は各加熱室がその温度と、その温度の設定点温度との上か下の関係とをモニターされるように配置されている。次いでこの一連の関係は、該加熱要素への電力が該システムの出力に於いて該水流を設定点温度に至らせるための必要性に最も良く適合する方程式を展開するため使用される。又この関係は該水流をモニターするためにも使用される。
或時間の間に該加熱要素に印加された特定の電力レベルの効果を計算することにより水温の変化率が決定される。次いでこの変化率は、該水温を所要の設定点へ上げるために与えられた電力レベルのどれだけ多くの追加時間が必要かを決定するために、該システム又は室の出力に於ける水温と設定点の間の差と比較される。もし該変化率が充分でなければ、追加電力が該加熱要素の各々に前述の電力分担方式で印加されても良い。もし出力温度が該設定点に近づいていれば、該設定温度のオーバーシュートを避けるために該電力レベル減少させても良い。該設定点に到達する前に該電力レベルを減少することにより、該水を該設定点温度の上の点へ加熱することを止めるために該加熱要素に蓄積された潜熱が使われ次いで該設定点の下へ低下させる。過熱すること無く、水温を該設定点の上へ上げたり、その下へ降下させること無く、該水を特定の設定点へ加熱するためのこの電力の需要予測は本発明の特徴である。実施例は温度入力信号を現在の時刻に修正するアルゴリズムを使用している。
該加熱要素はトライアック経由で電力線に接続されている。これらのトライアックの主要の故障原因は電力ラインの変動と該交流ライン上のスパイク電圧である。前に説明したように該システムは大部分の時間は遮断状態にあるので該トライアックを該交流ラインから切り離す方法が望ましい。該リレー回路部は、該システムに熱の要求が無い時、該トライアックへの交流ラインを開くことにより該トライアック用のこの防護部品を提供している。該システムは典型的には時間の８５％の間概略不使用の状態にあるので、このリレーによる絶縁で該トライアックの信頼性は劇的に改良される。
これだけが有効な動作のために必要な配慮ではないが、該加熱要素に印加される電力は該水温を該設定温度にもたらすに必要な量にだけ限定されている。もし電力が該加熱要素に同時に突然印加されることがあれば、該需要は、需要時に使用する照明のフリッカーや空調や冷蔵庫の様な電力に敏感な電化品に使用可能な電圧の減少の様な好ましくない影響を電力配電線に引き起こす。この悩ましい照明のフリッカーを避け、利用電圧の減少を押さえるために本発明の技術は加熱要素間での負荷分担をしているが、それは全ての電力需要を一辺に応じるのでなく、該需要が減少時も該システムは突然シャットダウンはしないようにしているためである。
従って本発明は各加熱要素により分担されるように需要に基づく電力の比例制御を備えている。１つの運転モードでは各加熱要素は全電力レベルの約４分の１で加熱するように、電力は交流の半サイクルの間印加される。需要が減少したり、シャットダウンでは該要素は逆の仕方で再び段々に電力遮断される。常に配送された電力は常に各加熱要素により分担されるが、１つの実施例では均等に分担される。該加熱器の本来の設計的要求が、その加熱要素が該計画した応用品に温水を供給するに充分なワット数の容量を有している型を求める。大抵の加熱用応用品は意図した最大電力出力の１００％より少ない要求をするので、各要素は動作中その定格ワット数出力の１００％より少なく均等に電力を与えられる。１つの加熱要素を賦活し、かつ、他の加熱要素を賦活する間も連続して賦活状態に維持する従来技術のシーケンシャルな賦活案と異なり、該開示された実施例では熱は該熱交換器１０全体に同じ様に配分され、それにより、シャットダウン時のホットスポットを防止し、流れの急速な減少やシャットダウン時の水の高温のオーバーシュートを著しく減少する。更に該電力分担技術は熱が常に動作中該システム全体に等しく配分される。電力変化の該加熱手段へのミクロな温度影響は精密な温度制御のためにより有効に、均等に、高速にモニターされる。この動作に必要なアルゴリズムは該マイクロプロセッサーのソフトウエアに収納されても良い。
本発明の好ましい実施例は図１に示すように電気的には並列に接続され、該水加熱器を通る流体流れに対し直列に配置された４つの７，０００ワットの加熱要素を使用している。
本発明によれば、例えば１秒の実用時間以上の該システムからの加熱需要は該加熱要素の各々の間で連続的に分割される。好ましくは加熱要素は図８に示すように、間を隔てた、重なり合って賦活状態で電力を印加されるのが良い。該加熱システムの段々と変える負荷は追加される各加熱要素へ２分の１サイクルのエネルギーで増加される。従って、需要の関数としての全要求電力が該設定点温度に到達するに必要な電力を供給するために各加熱要素間で分配されるまで全ての加熱要素は重なり合う仕方で電力を印加される。従って大抵の応用品では該要素の各々は実際の１秒の間には１００％の電力より少なくして動作している。電力が同じだが逆の仕方で減少すると、シャットダウン時に局部領域のホットスポットが除かれるか、少なくとも著しく減少するように、熱は全利用可能要素により均等に配分される。
上記で開示したように該加熱手段は交流の半サイクル賦活の仕方で賦活されるので、最初の賦活の時間間隔は毎秒６０サイクル電源で１つの半サイクル又は８．３３ミリ秒である。次で更に説明するように妥当な温度制御を行うための賦活時間間隔は次々の要素の賦活間で３２半サイクルの長さ（約４分の１秒）であるが、しかし好ましくは８半サイクル以下が良い。この時間間隔を空けた賦活の意義は例えば１秒以上の時間の間の需要は全ての利用可能な加熱要素間で分配されることである。この１秒の時間は全温度変化を示すに要する該システム時定数より著しく短い。図１８に示す改良された予測回路部と図１７に示すサーミスター時間修正回路部がこの種制御を著しく改良している。
該加熱器を賦活する本発明による制御案は該第１の賦活される加熱要素用の非常に短い予め決められた期間を確立する。上記で説明したように、該期間は電力の１つの半サイクル程短くても良い。該１つの半サイクルの期間の電力も１つより多くの加熱器に配分されても良いが、１つの半サイクル期間の電力を多数の加熱器に分配することにより意味のある利点は実現しない。前に１つの半サイクルの期間を詳細に説明したが、該第１の加熱器用のこの予め決められた賦活の期間２，４，又は８つの半サイクルであっても良い。しかしながら、該第１の加熱器を最初に賦活するための該予め決められた期間は６０ｃｐｓ電源で約４分の１秒である３２半サイクルより少ないのが好ましい。上記で開示したように、第１の加熱要素の賦活は該システム内の他の加熱要素の各々用の同じ賦活期間となる。もし第１加熱要素の賦活期間が３２半サイクルより長いと、そして他の加熱要素が３２半サイクルを越えた期間同様に賦活されると、該加熱器システムを通過する水の温度の精確なそしてスムーズな制御に関する本発明の利点は最小となる。
図６に示す該案により、第１の加熱要素を賦活する予め決められた期間は１半サイクルであり、それは他の加熱要素の各々を賦活する同じ予め決められた期間となる。もし要求される加熱負荷が非常に低いと、該４つの加熱要素の各々の次々の半サイクル賦活は該全加熱要素の比較的長い非賦活期間により追随される。もし負荷が増加すると、第４の加熱要素がその半サイクル間の賦活が第１の加熱要素のその半サイクルの再賦活に直ちに追随されるような時期まで、該賦活の期間は短くなる。従ってこの点で該システムはその最大電力４分の１で動作することになる。
もしその後該負荷が増加すると、該第１の加熱要素は２回目として再賦活され、一方第４又は第３加熱要素は初めて賦活される。代わって、該第１の加熱要素を賦活する期間は１半サイクルから例えば４半サイクルに増加されても良いが、各次々に賦活される加熱要素の中での第１の加熱要素の賦活間の期間は１半サイクル又は２半サイクルになお留めても良い。
例えば１秒より長い何れの実質的な間隔の間に、負荷が均等に分配されるために各加熱要素がこの間の同じ時間の間賦活されることが重要である。加熱器１が賦活される前に賦活の予め決められる期間が決定され、その予め決められた期間が他の加熱器の各々の賦活期間を決定する。好ましい実施例では該加熱器の各々の賦活期間は同じであり、従って該負荷は均等に分配される。代わりに、第１加熱器は例えば４半サイクルの予め決められた期間賦活することも出来て、それは加熱器２，３，及び４が例えば２半サイクルの予め決められた期間賦活されることになる。何れの場合でも、各加熱要素を賦活する期間は比較的短く、上記説明の様に、好ましくは３２半サイクルより短いのが良く、そして、第１加熱要素の賦活と該次々と賦活される加熱要素の各々の賦活の間の時間の期間も又比較的短く、好ましくは３２半サイクルより短いのが良い。この短い期間は該加熱システムへの交代する電力供給の機能であるが、いずれの場合も１秒の数分の１である。
幾らかの応用品では本発明の制御器が該水を通る流体の流れ通路に沿った最後の加熱要素、例えば図１に示す加熱要素５０を最初に電力を印加することが望ましいことは理解されるべきである。又、始動時にエネルギーの各半サイクルを受けるように該制御器はこの第４の加熱要素に連続的に全電力を入力しても良い。この始動の間、第３，２及び１の加熱要素は第４の加熱要素の最初の賦活から次々の半サイクル間隔で最初に始動賦活されても良い。該制御器は第３，２及び１の加熱要素への電力を上記説明の様に制御するが、各要素は需要の要求により半サイクル増分で配送される電力を分担する。例えば、始動から始動後１０秒間の時刻まで、該第４の加熱要素はどの半サイクルの間もフルに賦活され、一方第３，２及び１の加熱要素は各々、第４の半サイクル毎に賦活される。例え始動中も、第３の加熱要素の半サイクル賦活が第２，１加熱要素の半サイクル賦活を制御する。この交互の技術の有利性は始動時にユーザに温水がより早く利用可能にする結果となるために全電力が第４の加熱要素に印加されることである。１０秒の始動期間の後に、該制御器は、各加熱要素が該水加熱器による負荷出力に実質的に均等に寄与する上記説明のモードに切り替えても良い。しかしながら、例えこの実施例でも、１秒以上の比較的短い期間中に加熱要素の各々は該水加熱器の全電力出力に貢献している。
１つの代わりの実施例は遠隔基地への双方向通信を出来るようにするシリアルポートのオプション的追加を提供する。この特徴は該遠隔基地が皿洗い機用のより熱い水又はシャワー用のより冷たい水の様に必要性に基づき低い又は高い設定点温度を要求するための機構を提供する。従って当業者は全ての通常の動作について動作設定点を約４３．３℃（約華氏１１０度）に展開し、該設定点は皿洗い機の様な応用品用のより熱い水が要求された時だけ上げることが出来る。この特徴は更に、該温水供給分配システム全体により高温の水を送ることに通常伴う配管損失が減少するのみならず通常より低い熱要求の結果として生成される鉱物質の堆積を減少させる。又、この特徴は電力会社にピーク電力期間中の電力消費の削減を可能にする。又該遠隔基地に動作警報を送信出来るようにするが、それにより加熱要素の欠損や手動リセットを要するリミットスイッチによるサービスの中断を示したりする。該ポートはリアルタイムで、平均、ピーク電力要求が遠隔基地へ伝送され得るようにする。
該サーミスターの数と位置は応用品の要求により変更しても良いことは既に述べた。該サーミスターの配置を図１８に表した配置から変えることも又差し支えない。例えば、サーミスター１８を室２０の底部に配置し、サーミスター５４を出口管５２内に配置することも出来る。本発明の代わりの実施例では何れの室又は室の組み合わせでも同じ又は同様のサーミスター位置を使用して該高温シャットダウン電圧を決定しても良い。又該スタンバイ回路部はその基準電圧偏差信号を、第１のサーミスターが１つの加熱室頂部に近く、かつ、該第１サーミスターの下流に配置された第２のサーミスターからは下流にあるような何れかの２つのサーミスターから得ても良いことは理解されるべきである。
上記で開示した実施例はゼロでクロスするところでの光結合器からの信号に応答して該トライアックを賦活した。比例型位相制御は高周波障害で生ずる影響のために望ましくないと考えるが、該光結合器の代わりに、比例型位相制御を該トライアックのトリガー用に用いても良い。
上記で説明した水加熱器の実施例は各々がそれぞれの加熱要素を中に有する多数の室の使用を開示している。本発明の制御案は１つの室内に配置された多数の加熱要素、又は１つの室内に配置された米国特許第５、０２０、１２７号で開示された１つのマルチセクション型加熱要素（multi-section heating element）の流体温度及び賦活の制御に使用することも出来ることは当業者は評価すべきである。かくして該１つのマルチセクション型加熱要素の該個々のセクションはここに開示した該多数の加熱要素の各々と同じ仕方で制御出来る。本発明が家庭及び工業用の水の加熱に特に好適であることを当業者は評価するであろう。しかしながら、該加熱器は種々の商業用又は工業用の応用品で使用されるオイルや他の炭化水素の様な他の種々の流体の加熱に使用しても良い。
太陽熱水加熱器システムは典型的に温水用貯蔵タンクを備えている。この温水が使用された後、該太陽熱システムが該貯蔵タンク内に収容された水を加熱する回復期間は比較的長い。更に、太陽熱による加熱が利用出来ない期間中は該貯蔵された水は加熱されねばならない。この期間中、従来の貯蔵タンク式加熱器の流体貯蔵機能はスタンバイのエネルギー損失を含めてその全ての特殊性の影響を受ける。かくしてここで開示した該加熱器と太陽熱システムの組み合わせの利点として自動式で、自己制御型の、かつ、高エネルギー効率のシステムが提供される。これを達成する最も簡単な方法は、該太陽熱システムの貯蔵タンクの流出パイプを直接該加熱器１０の入り口タンクに取り付けることである。次いで加熱器１０の出口管は通常の仕方で該温水分配用配管に接続される。該太陽熱で加熱された水はその貯蔵タンクから該加熱器１０に流れ込むので温度はここで開示したと同じ仕方で検出される。太陽エネルギーで予熱された温水が該加熱器の設定点の上にある限り、何ら需要は無く、かくして該水加熱器１０は受動的に留まり、熱は付与しない。該太陽熱システムのタンクから該加熱器１０に流れ込む水温が設定点の下へ降下した時に、該加熱器は確固とした一定の設定点温度を維持するために段々に熱を付加する。
空調用コンプレッサー又はヒートポンプの放出側（discharge side）から発生した高温ガスにより加熱されたコンデンサーコイルから熱を移送する熱再生システム益々一般化しつつある。このシステムで空調ユニット又はヒートポンプのコンデンサーコイルは水貯蔵タンク内に浸されている。高温ガスが該コイルを加熱すると、該熱は貯蔵タンク内に収容された隣接する水に移送される。上記説明の太陽熱を受けるシステムに於けるように、温水を提供する能力は本発明の加熱器１０と組み合わされる従来型加熱器の何れかの種類に依る。従来の流体加熱システムと結合された時本発明による加熱器１０の接続及び補間機能は太陽エネルギー応用品用に上記で説明したと同じである。
通水型ガス式水加熱器は約２２、１０５Ｗ（７５，０００ＢＴＵ）以上発生するよう設計されて来た。通水型ガス式水加熱器は安全な賦活に必要な最小流体流量と最小流体圧力に関して限界がある。この理由のために、大抵の高発熱量型は安全な賦活のために必要な最小流量を約２８３９ｃｍ3／ｍ（約．７５ｇｐｍ）としている。屡々この限定で入浴バス用の様な応用品で流量が最小賦活流量より下に減少した時厄介なシャットダウンとなる。夏の水温は容易に約２６．７℃（華氏８０度）乃至３２．２℃（華氏９０度）に達するので冷水で冷まされるべき温水量はこれらのユニットの該賦活流量に屡々境を接する程低下する。又タンクレスのガス加熱器からの温水の初期の賦活と続く抑制はこの最小流量より下へ加熱器通過流れが減少する結果となる。ガス着火式タンクレス水加熱器の下流に該加熱器１０を組み合わせることにより著しい利点が得られる。この様な場合、該加熱器１０は、該通水型ガス式加熱器の賦活流量より下の流量に対し充分な熱を供給することだけが必要なように大きさを決めて良い。流量が増加し、該ガスが賦活されると該温水は該加熱器１０の設定点温度が該ガスユニットで達成されるまで該加熱器１０への需要を減少し、次いで該加熱器１０は切られる。該加熱器１０を通水型ガス加熱器と組み合わせる接続法と利点は該太陽熱パネル応用品で前に説明したと同じである。
本発明を或実施例で詳細に説明したが、この説明は図解用であり、本発明はこれらの実施例に限定されないことは理解されるべきである。従って代替の装置や作動技術は当業者には明らかである。かくしてこの開示を参照すると変型品が考え出され、作られるが、それらは請求項で規定される本発明の精神を離れるものでない。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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