(57)【要約】  導電性流体を加熱するためのオーミックヒータは、複数の電極を有し、これらの電極は、空間が電極間に位置するように、構造体に取り付けられている。電極（１４）は、電源の極（３８，４０）に選択的に接続され、これによって、いくつかの電極が極に接続され、他の電極が極から隔離される。２つ以上の隔離された電極を互いに接続するための分路スイッチが設けられている。分路スイッチによって、極間における空間内の流体及び種々の抵抗を通る様々な異なる電導路を有する多数の異なる接続スキームを比較的僅かな電極及び空間によって形成することができる。
2020500410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電導性流体を加熱するためのヒータであって、
（ａ）構造体と
（ｂ）前記構造体に取り付けられた複数の電極であって、前記複数の電極の互いに隣接するものの間に空間が位置しており、前記構造体は、前記電極を前記空間内の流体と接触した状態で維持するように構成され、これによって、前記空間内の流体が前記電極に接触し、互いに隣接する電極を互いに電気的に接触させるようになっている、複数の電極と、
（ｃ）少なくとも２つの極を有する電源であって、電源接続部が、互いに異なる電位を前記極の互いに異なるものに供給するように操作可能である、電源と、
（ｄ）前記電極の少なくともいくつかと前記極とを電気的に接続する電源スイッチであって、前記電源スイッチは、前記電極を前記極に選択的に接続し、前記電極を前記極から選択的に遮断するように操作可能であり、前記電源スイッチは、前記複数の電極が前記電源の互いに異なる極に接続された少なくとも第１及び第２の接続された電極と前記極から遮断された第１及び第２の隔離された電極を備えるように、前記電極の接続及び遮断を行うように操作可能である、電源スイッチと、
（ｅ）前記電極の少なくともいくつかに電気的に接続される分路スイッチであって、前記第１及び第２の隔離された電極間に分路接続部を選択的に形成するように操作可能である、分路スイッチと、
を備える、ヒータ。
【請求項２】
前記電源スイッチ及び前記分路スイッチは、複数の接続スキームにおいて、前記複数のスキームの各々において前記複数の電極の互いに異なるものが前記接続された電極及び前記隔離された電極を構成するように、前記電極を接続するように操作可能である，請求項１に記載の流体ヒータ。
【請求項３】
前記接続スキームの少なくとも１つにおいて、導電路が前記第１の作動電極から前記空間の少なくとも１つの流体を通って前記第１の隔離された電極に延び、前記分離接続部を通って前記第２の隔離された電極に延び、前記第２の隔離された電極から前記空間の少なくとも他の１つの流体を通って前記第２の作動電極に延びるようになっている、請求項２に記載の流体ヒータ。
【請求項４】
前記ヒータの１つ又は複数の作動状態を検出するように作動する１つ又は複数のセンサと、前記１つ又は複数のセンサ、前記電源スイッチ及び前記分路スイッチに接続された制御装置と、を更に備え、前記制御装置は、前記作動状態の１つ又は複数に応じて種々の導通スキームを選択するように前記電源スイッチ及び前記分路スイッチを制御するように作動するようになっている、請求項２に記載の流体ヒータ。
【請求項５】
前記複数の電極の少なくとも１対の互いに隣接する電極間の距離は、前記複数の電極の少なくとも他の対の互いに隣接する電極間の距離と異なっている、請求項１−４のいずれか１つに記載の流体ヒータ。
【請求項６】
前記電極の少なくともいくつかは、主面を有するプレートであり、前記プレートは、それらの互いに隣接するものの前記主面が互いに向き合って前記プレート間に前記空間の境界を画定するように、重なって配置されている、請求項５に記載の流体ヒータ。
【請求項７】
前記空間の少なくとも１つの特定抵抗は、前記空間の少なくとも他の１つの特定抵抗と異なっている、請求項１−４のいずれか１つに記載の流体ヒータ。
【請求項８】
前記電源スイッチは、第１及び第２の隔離された電極及び第３及び第４の隔離された電極を含む少なくとも４つの隔離された電極が生じるように、前記電源への電極の接続及び遮断を行うように操作可能であり、前記分路スイッチは、前記第３及び第４の隔離された電極を前記第１及び第１の電極に接続させることなく、前記第１及び第２の隔離された電極を互いに接続し、前記第３及び第４の電極を互いに接続するために、少なくとも２つの個別の分離接続部を形成するように、操作可能である、請求項１に記載の流体ヒータ。
【請求項９】
第１及び第２の分路バスを更に備え、前記分路スイッチの少なくともいくつかは、前記電極の少なくともいくつかと前記第１の分路バスとの間に接続され、前記分路スイッチの少なくともいくつかは、前記電極の少なくともいくつかと前記第２の分路バスとの間に接続されるようになっている、請求項７に記載の流体ヒータ。
【請求項１０】
第１の導電性分路バスを更に備え、前記分路スイッチの少なくともいくつかは、前記電極の少なくともいくつかと前記第１の分路バスとの間に接続されるようになっている、請求項１に記載の流体ヒータ。
【請求項１１】
前記電極の少なくともいくつかは、多目的電極であり、前記多目的電極の各々は、前記電源スイッチの１つ又は複数及び前記分路スイッチの１つ又は複数に電気的に接続されるようになっている、請求項１に記載の流体ヒータ。
【請求項１２】
前記構造体は、筐体から構成され、前記電極及び前記空間は、前記筐体内に配置されている、請求項１に記載の流体ヒータ。
【請求項１３】
前記筐体は、入口及び出口並びに前記電極を有し、前記流体が前記入口から前記空間を通って前記出口に流れることができるように配置されている、請求項１２に記載の流体ヒータ。
【請求項１４】
導電性流体を加熱する方法であって、
（ａ）前記流体を複数の電極に接触させるステップであって、前記複数の電極の互いに隣接するものの間に空間が位置しており、前記空間内の前記流体が前記電極に接触し、互いに隣接する電極を互いに電気的に接続させる、ステップと、  
（ｂ）電源の極への前記電極の接続及び遮断を選択的に行い、互いに異なる電位を前記電極の少なくともいくつかに印加し、電流を前記流体を通して前記電極の少なくともいくつかの間に流すステップであって、前記極への前記電極の選択的な接続及び遮断は、前記電極が前記電源の互いに異なる極に接続された少なくとも第１及び第２の接続された電極と前記極から遮断された第１及び第２の隔離された電極とを含むように、行われる、ステップと、
（ｃ）前記第１及び第２の隔離された電極を前記電源の前記極に接続させることなく互いに電気的に接続させるステップと、
を含む方法。
【請求項１５】
前記ステップ（ｂ）及び（ｃ）は、前記第１及び第２の接続された電極及び前記第１及び第２の隔離された電極を構成する前記電極の選択を変更し、異なる接続スキームを形成するように、行われる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記電源の前記極間の特定抵抗は、前記接続スキームのそれぞれにおいて異なる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
１つ又は複数の動作状態を検出し、前記検出された動作状態の１つ又は複数に応じて接続スキームを選択するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ステップ（ａ）は、前記ステップ（ｂ）及び（ｃ）において前記流体が前記空間を通って流れるように、前記流体を前記電極を含む筐体を通過させることを含む、請求項１４−１６のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１７年２月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／４５８，２０１号の出願日の利得を主張し、２０１６年１１月７日に出願された米国仮特許出願第６２／４１８，４９３号の利得を主張するものであり、これらは、参照することによってここに含まれるものとする。
【０００２】
［背景技術］
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は、例えば、飲料水としての導電性流体を加熱するために用いられる。このようなヒータは、典型的には、互いに離間した複数の電極を備えている。これらの電極は、加熱される流体と接触し、該流体は、互いに隣接する電極間の空間を充填する。２つ以上の電極が電源に接続され、異なる電位が異なる電極に印加される。例えば、オーミックヒータが通常のＡＣ商用電源、例えば、家庭の電気プラグから得られる商用電源を用いて作動される場合、電極の少なくとも１つが交番電位を運ぶ１つの極に接続され、少なくとも１つの他の電極が中立極又は接地極をなす反対極に接続される。電気が電極間の少なくとも１つの空間内の流体を通って電極間に印加され、電気エネルギーが流体の電気抵抗によって熱に変換される。
【０００３】
このようなヒータでは、加熱された流体の所望の温度を達成するために、電気エネルギーが熱に変換される速度、すなわち、「加熱速度（heatin rate）」を制御することが望ましい。移動する電極を機械的に互いに接近させ、電極間の電気抵抗を変化させることによって、加熱速度を変化させる方法が提案されている。しかし、このような構成は、流体に露出する移動部分を含む複雑な機械的な要素を必要とする。更に、迅速な状況の変化に対処するためにこのような機構を迅速に変化させることが困難である。例えば、もしオーミックヒータがシャワーヘッドのような配管器具に供給される水を加熱する「瞬間加熱（instanteneous heating）」装置に用いられるなら、配管器具の使用中に、水が連続的にヒータを通って直接的に配管器具に流される。もしユーザーが器具の弁を開くことによって水の流量を急激に増大させた場合、ヒータは、配管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、加熱速度を増大させるように迅速に対応しなければならない。
【０００４】
種々の電極を電源の極に選択的に接続するために、相当の数の電極及び電源スイッチをオーミックヒータに具備させることも提案されている。例えば、電極のアレイが、空間が電極間に介在する線状配列に配置されることがある。このアレイは、その両端の２つの電極と２つの端電極間に位置する多数の中間電極とを備えている。最小の加熱速度を得る場合、２つの端電極が電源の両極に接続され、中間電極が両極から隔離される。電流は、１つの端電極から第１の空間内の流体を通って最近接する中間電極に流れ、次いで、次の空間内の流体を通って次の隔離された電極に流れ、以下同様に繰り返され、最後の中間電極に達し、この後、最後の中間電極から他方の端電極に流れる。従って、全ての空間内の流体が、２つの端電極間において直列に電気接続される。この接続スキームは、電源の極間に高電気抵抗、従って、低加熱速度をもたらす。
【０００５】
最大の加熱速度を得る場合、電極の全てが、各電極がその最隣接する電極が接続された極と反対の極に接続されるように、極に接続される。換言すれば、全ての電極が、交互に、活性極及び中立極に接続される。この状態では、各空間内の流体は、電源の両極間において、他の各空間内の流体と並列に直接接続される。この接続スキームは、極間に最小の抵抗をもたらす。中間的な加熱速度は、電源の極への電極の接続を種々組み合わせることによって、達成される。例えば、このような１つの接続スキームでは、２つの中間電極が電源の両極に接続され、残りの電極が電源の両極から電気的に隔離される。接続された中間電極は、僅かな数の他の中間電極及び僅かな数の空間によって互いに分離され、これによって、僅かな数の空間内の流体のみが両極間において直列に接続される。この接続スキームは、最大加熱速度スキームにおける両極間の抵抗よりも高い両極間の抵抗をもたらすが、最小加熱速度スキームにおける両極間の抵抗よりも低い両極間の抵抗をもたらす。所定の導電率を有する流体に対して、種々の接続スキームによって、種々の両極間の抵抗、従って、種々の加熱速度が得られる。所定の接続スキームにおける抵抗は、導電率が増大すると減少するので、流体によって電気的に接続される要素を有する回路又は回路の一部を特徴付けるために、本開示では、「特定抵抗（specific resistance）」と呼ばれるパラメータが用いられる。特定抵抗は、回路又は回路の一部の電気抵抗と回路内の流体の抵抗率との間の比率である。
【０００６】
典型的には、スイッチは、半導体スイッチ素子、例えば、サイリスタのような電気的に制御可能なスイッチである。この種のオーミックヒータは、接続スキームを迅速に切り替え、これによって、加熱速度を迅速に切換えるようになっている。このようなヒータは、加熱速度を制御するために、流体と接触するどのような移動部品も必要としない。この種のオーミックヒータは、電極の物理的形態によって定められる一連の特定抵抗、従って、一連の加熱速度を単に段階的に選択するにすぎない。状況によっては、得られる加熱速度が、所望の流体温度を生じさせる加熱速度と一致しないことがある。この欠点は、例えば、広範囲にわたる種々の導電率を有する流体、種々の速度でヒータ内を流れる流体の種々の流量、種々の流体入口温度及び種々の流体出口温度、等の幅広い条件下で用いられるヒータの場合、より顕著である。例えば、もしヒータが、比較的高い導電率の流体に低加熱速度を与えるために有効な最大特定抵抗と低導電率の流体に高加熱速度を与えるのに有効な最低特定抵抗との間にある一連の種々の特定抵抗を準備したとしても、特定流体の温度を調整するために有用な範囲内にある特定抵抗の組は、ごく僅かにすぎないことになる。また、電極の数を増やすと、ヒータのコスト及び寸法が増大する。更に、電極の数を増やすと、冗長な接続スキームが生じる可能性がある。すなわち、種々の接続スキームが電源の両極間に同一の特定抵抗を生じる可能性がある。この場合、電極の数を増大しても、殆ど利得が得られないことになる。
【０００７】
この課題の１つの解決策が特許文献１，２に開示されている。これらの文献の開示内容は、参照することによってここに含まれるものとする。これらの文献に開示されるように、互いに隣接する電極の対間の特定抵抗が不均一となるように配置された電極、例えば、不均一な間隔を隔てて配置された電極は、広範囲の条件下での操作に適するオーミックヒータをもたらすことができる。望ましくは、互いに隣接する電極の対間の特定抵抗は、所定の導電率の流体に対して、種々の接続スキームを用いて得られる電力レベルが広範囲にわたって一連の非冗長性特定抵抗を含むように、選択される。例えば、このようなヒータは、実質的に対数級数的な６０通り以上の特定抵抗、すなわち、各特定抵抗と次の下位特定抵抗との間の比率が実質的に一定であるような一連の特定抵抗を含むことができる。このような構成は、要求の厳しい用途、例えば、家庭用温水の瞬間湯沸かし器等に商業的に用いられる有効な解決策をもたらすことになる。しかし、このアプローチは、依然として、比較的多数の電極を必要とする。例えば、このヒータのいくつかの実施形態は、この性能レベルを得るために２０個を超える電極を用いている。従って、僅かな数の電極を用いることによって極めて多くの異なる電力レベルをもたらすことができるオーミックヒータを提供することが望まれている。
【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号明細書
【発明の概要】
【０００９】
本発明の一態様によれば、導電性流体を加熱するためのヒータが提供される。本発明のこの態様によるヒータは、望ましくは、構造体と、構造体に取り付けられた複数の電極とを備えている。電極は、空間が互いに隣接する電極間に位置するように、構造に取り付けられている。構造体は、電極を空間内の流体と接触した状態で維持するように構成され、これによって、空間内の流体は、電極に接触し、互いに隣接する電極を電気的に接続させる。ヒータは、望ましくは、少なくとも２つの極を有する電源を備え、電源接続部が異なる電位を異なる極に供給するように操作可能である。構造体は、望ましくは、少なくともいくつかの電極と極との間に電気的に接続される電源スイッチも備えている。電源スイッチは、電極を極に選択的に接続し、電極を極から選択的に遮断するように操作可能である。電源スイッチは、電極が電源の異なる極に接続された少なくとも第１及び第２の接続された電極及び極から遮断された第１及び第２の隔離された電極を備えるように、電極の接続及び遮断を行うように操作可能である。
【００１０】
好ましくは、ヒータは、電極の少なくともいくつかに電気的に接続される分路スイッチを更に備えている。分路スイッチは、第１及び第２の隔離された電極間に分離接続部を選択的に形成するように、操作可能である。望ましくは、電源スイッチ及び分路スイッチは、  複数の接続スキームにおいて、該接続スキームの各々において複数の電極の互いに異なるものが接続された電極及び隔離された電極を構成するように、電極を接続するように操作可能である。以下に更に詳細に説明するように、隔離された電極間に分路接続部を形成する能力によって、分路接続部と連携せずに電源スイッチを用いて形成することができる接続スキームに加え、多数の独自の接続スキームをもたらすことができる。これらの追加的な接続スキームは、典型的には、分路接続部を用いずに達成可能な接続スキームと異なる特定抵抗をもたらすことになる。従って、本発明のいくつかの実施形態によるヒータは、分路能力を有しない同等のヒータにおいて同様のシーケンスをもたらすのに必要な電極の数よりも少ない数の電極によって、満足のいく一連の特定抵抗シーケンスをもたらすことができる。
【００１１】
本発明の更なる態様によれば、電導性流体を加熱する方法が提供される。本発明のこの態様による方法は、流体を複数の電極に接触させるステップであって、空間が互いに隣接する電極間に位置しており、これによって、空間内の流体が電極に接触し、互いに隣接する電極を電気的に接続させる、ステップを含んでいる。この方法は、望ましくは、複数の電極が電源の異なる極に接続された第１及び第２の接続された電極及び極から電気的に遮断された第１及び第２の隔離された電極を含むように、電源の極に対する電極の選択的な接続及び遮断を行うステップを含んでいる。好ましくは、この方法は、第１及び第２の隔離された電極を電源の極に接続させることなく、第１及び第２の隔離された電極を互いに電気的に接続させるステップを更に含んでいる。
【００１２】
本発明の他の態様及び特徴は、以下に述べる詳細な説明から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態によるヒータを示す略断面図である。
【図２】図１のヒータに用いられる電極の略斜視図である。
【図３】一部をブロック図で示す図１，２に示されるヒータの電気回路図である。
【図４】図１−３のヒータによって得られる１つの接続スキームを示す線図である。
【図５】図４に示される接続スキームの電気回路図である。
【図６】図１−３のヒータによって得られる他の接続スキームを示す図４と同様の図である。
【図７】図６に示される接続スキームの電気回路図である。
【図８】図１−３のヒータによって得られる更なる接続スキームを示す図４，６と同様の他の図である。
【図９】図８に示される接続スキームの電気回路図である。
【図１０】図１−３のヒータによって得られる更に他の接続スキームを示す図４，６，８と同様の更に他の図である。
【図１１】図１０に示される接続スキームの電気回路図である。
【図１２】本発明の更なる実施形態によるヒータの電気回路図である。
【図１３】本発明の更に他の実施形態によるヒータの略断面図である。
【図１４】図１３の線１４−１４によって切断された略断面図である。
【図１５】本発明の更に他の実施形態によるヒータの要素を示す略断面図である。
【図１６】本発明の更に他の実施形態によるヒータを示す略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態によるヒータ（図１）は、中空ハウジング１４の形態にある構造体１２を備えている。５つの電極１４が、ハウジングに取付けられている。図２に示されるように、各電極は、概して、主面１６，１８を有する平坦な矩形プレートである。主面１６，１８は、互いに反対方向を向き、縁面がこれらの主面間に延在している。これらの電極１４は、空間２０が互いに隣接する電極間に画定されるように、ハウジング１２内に取付けられている。電極に関して本開示に用いられる「隣接する（neighboring）」という語句は、どのような他の電極によっても妨げられない連続的な空間が２つの互いに隣接する電極間に延在することを意味している。多数の電極１４のそれぞれの主面１８，１６は、互いに向き合っており、これによって、これらの電極１４は、１つの電極の主面１８が隣接する電極の反対側の主面１６と向き合って積み重ねられている。この構成における電極のそれぞれの主面は、互いに平行であり、その結果、各空間の境界を画定する電極面間の距離は、該空間の全範囲にわたって均一である。しかし、この構成では、多数の電極は、互いに不均一に離間している。従って、各対の互いに隣接する電極間の距離は、他の対の互いに隣接する電極間の距離と異なっている。
【００１５】
図１において、各電極１４は、参照番号１４に隣接する括弧内に示される序数を有している。序数は、図１に示されるように、積層体内における特定の電極の上から下の方向に順序付けられた位置を示している。具体的には、電極１４（０）が図面の頂部の最も近くに位置し、電極１４（１）がその隣に位置し、電極１４（２）、１４（３）、及び４（４）がこの順番で続き、電極１４（４）は、積層体の底の最も近くに位置している。各空間２０は、特定の空間の境界を画定する２つの電極の序数記号に対応する序数記号を有している。例えば、空間２０（０−１）は、電極１４（０）及び電極１４（１）によって境界が画定された空間であり、空間２０（１−２）は、電極１４（１）及び電極１４（２）によって境界が画定された空間であり、以下、空間２０（２−３）及び空間２０（３−４）も同様である。
【００１６】
電極は、加熱されるべき流体と相性のよいどのような電導性材料から形成されていてもよい。例えば、流体が水の場合、電極は、ステンレス鋼、白金被覆チタン、又は黒鉛のような材料から形成されているとよい。ハウジング１２を形成する構造体も、流体と相性のよいどのような材料から構成されていてもよい。しかし、構造体は、ハウジングがどのような電極間にも電導性経路を形成しないように配置された一種又は複数種の誘電材料から構成されるべきである。
【００１７】
ハウジング１２は、複数の空間と連通する入口２２及び出口２４を画定している。電極１４は、ハウジングと連携して入口２２と出口２４との間に連続的な流路を形成するように、ハウジング１２内に配置されている。電極及びハウジングは、入口から出口に流れる流体が空間２０の全てを連続的に通るように、配置されている。この場合、流体は、出口２４に達する前に、空間２０（３−４）、空間２０（２−３）、空間２０（１−２）、及び空間２０（０−１）をこの順序で通るようになっている。従って、流体は、入口導管２６，ヒータ、及び出口導管２８を通って導かれるとよい。接地電極３０，３２が、任意選択的に入口導管及び出口導管内に設けられていてもよい。これらの接地電極は、望ましくは、電極１４から離れている。
【００１８】
図１，２に関して前述したヒータは、電気回路（図３）も備えている。この回路は、導体３８，４０の形態にある２つの極を含む電源３６を備えている。これらの導体は、商用電源ソケット４４のような電源への接続に適するプラグ４２に接続されている。商用電源ソケット４４は、発電機４６に最終的に接続される商用電源幹線に通常の方法によって接続される。これらの導体は、作動時に互いに異なる電位が極３８，４０に印加されるように構成されている。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であり、導体３８は、ＡＣ電源によって供給される交流電圧を受ける「活性（hot）」導体であるとよい。
【００１９】
電源スイッチ４８は、電極４８と電源３６との間に接続される。電源スイッチ４８は、各電極を極３８，４０のいずれか１つに接続させるか又はこれらの極から隔離した状態で残すように、構成されている。本開示に用いられる「スイッチ（switch）」という用語は、手動によって作動されてもよいし又はリレーのような装置によって作動されてもよい機械的なスイッチを含み、また超高インピーダンスの電導状態と超低インピーダンスの「オン」状態とを切換えるように作動可能な固体素子も含んでいる。固体スイッチ素子の例として、トライアック、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、及びＩＧＢＴが挙げられる。図示される特定の構成では、２つの個々の単極／単投スイッチが各電極に付随して設けられており、各スイッチは、関連する電極を各極に接続するように操作可能であり、両方のスイッチが開いている時、電極は、両方の極から隔離されている。しかし、この構成は、どのような他の電気的に等価のスイッチ構成と置き換えられてもよい。
【００２０】
以下に更に説明するように、スイッチ４８の操作によって電源３６から隔離された電極１４は、空間２０内の流体によって１つ又は複数の他の電極に電気的に接続される。この場合、他の電極は、極に接続されていてもよい。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どうかとは無関係である。換言すれば、この開示に用いられる「電極が電源の極に接続される」という記述は、電極が電源スイッチ及び関連する電導体を介して電源に直接的に接続されることを意味することを理解されたい。
【００２１】
回路は、分路スイッチ５０を更に備えている。１つの分路スイッチが電極の各々に接続される。分路スイッチは、第１の分路バス５２にも接続されており、任意の２つ以上の電極１４が、これらの電極に接続された分路スイッチ５０を閉じることによって、互いに接続され、これによって、閉じたスイッチ５０及び分路バス５２を含む分路接続部が形成されることになる。
【００２２】
作動に際して、電導性流体、例えば、飲料水のような電導性液体が入口からハウジングを通って出口に流れ、この時、流体が電極１４間の空間２０（図１）内を通り、その結果、電極が流体に接触する。各空間内の流体は、空間の境界を画定する互いに隣接する電極間に電導路を形成する。互いに隣接する電極のそれぞれの対間の距離Ｄ（図１）が互いに異なっているので、それぞれの空間内の流体の電気抵抗も異なる。例えば、空間が同一の導電率の液体によって充填されている場合、空間２０（０−１）内の電極１４（０）と電極１４（１）との間の距離は、空間２０（１−２）内の電極１４（１）と電極１４（２）との間の距離よりも長い。従って、空間２０（０−１）を通る経路は、空間２０（１−２）を通る経路よりも高い抵抗及び低い導電率を有する。換言すれば、種々の空間は、種々の特定抵抗を有する。
【００２３】
作動時に、流体がヒータ内に流され、電力が極３８，４０に供給される。少なくとも２つの電極が、電源スイッチ４８の１つ又は複数を閉じることによって、電源３６の極３８，４０に接続される。接続される電極の少なくとも１つは、一方の極に接続され、接続される電極の少なくとも１つは、他方の極に接続され、これによって、電流が、互いに逆の極に接続された電極間に配置された空間の少なくともいくつかにおける流体を通って流れる。種々の空間内の流体を通る全電流、従って、流体内に放散して流体の抵抗によって熱に変換される電力は、電源の両極間において互いに逆の極に接続された電極及びこれらの電極間の種々の空間を通る電流路の抵抗に依存する。分路スイッチ５０の全てを開いて電源スイッチ４８のみを用いることによって、いくつかの接続スキームが得られる。例えば、電極１４（０）が活性極３８に接続され、又はその逆に接続され、他の電極１４（１），１４（２），及び１４（３）が極から遮断された場合、導電路は、全ての空間２０内の流体を通って延びる。この場合、導電路の全てにおける流体の抵抗が互いに直列に接続され、その結果、極間に比較的小さい電流しか流れないことになる。この接続は、最大の特定抵抗及び最小の非ゼロ加熱速度をもたらす。この接続スキームでは、電源の極間に高い特定抵抗が生じる。他の接続スキームでは、電極１４（０）、１４（２）、及び１４（４）がいずれも中立電極４０に接続され、電極１４（１）及び１４（３）が活性極３８に接続される。この接続スキームでは、導電路が空間２０の各々内の電気抵抗を通って延びる。これらの電気抵抗は、互いに並列である。この場合、両極間の特定抵抗が低く、加熱速度が可能な限り高くなる。これらの極端な例の中間的な特定抵抗、従って、中間的な加熱速度を有するいくつかの接続スキームが、ここでも分路スイチ５０を開いて電源スイッチ４８のみを用いることによって、得られる。例えば、電極１４（０）が電源の活性極３８に接続され、電極１４（１）が中立極４０に接続される。残っている電極は、関連するスイッチ４８を開くことによって電源から隔離されるか、又は電極４１（１）と同一の電位とするために中立極に接続される。この接続スキームでは、両極間の導電路は、空間２０（０−１）しか通らない。しかし、分路スイッチ５０を開いて電源への電極の接続及び遮断を行うことによって、ほんの限られた数にすぎないが、種々の特定抵抗及び種々の加熱速度を有する種々の相互接続スキームを得ることができる。
【００２４】
追加的な接続スキームは、電源スイッチ４８と併せて分路スイッチ５０を用いることによって、得られる。分路スイッチ５０の２つ以上を閉じることによって、分路接続部が任意の２つ以上の電極間に確立される。この分路接続部は、電源から独立しているので、電源から隔離された電極は、互いに接続されても、隔離された状態で維持される。例えば、電源スイッチ４８が作動され、電極１４（１）及び１４（２）を電源から隔離させた状態で、電極１４（０）及び１４（４）を電源の活性極３８に接続させ、電極１４（３）を電源の中立極又は接地極４０に接続させる。次いで、電極１４（１）及び１４（２）に関連する分路スイッチ５０を作動させ、これらの分路スイッチ及び分路バス５２の一部を含む分路接続部によって、隔離された電極１４（１）及び１４（２）を互いに接続させる。この接続スキームは、図４，５に概略的に示され、分路接続部は、図４において６０で示されている。図４及び以下に説明する図６，８、１０において、活性極３８に接続された電極は、斜交線のシェーディングによって示され、中立極に接続された電極は、垂線のシェーディングによって示され、電源から隔離された電源は、シェーディングが付されていない。この接続スキームにおいて、導電路は、活性極３８及び電極１４（０）から空間２０（０−１）を通って電極１４（１）に延び、分路接続部６０を通って電極１４（２）に延び、空間２０（２−３）を通って電極１４（３）に延びる。換言すれば、この導電路は、第１の接続された電極、第１の空間、第１の隔離した電極、分路接続部６０、第２の隔離された電極、及び（第２の隔離した電極を第２の接続された電極に接続する）第２の空間を含んでいる。従って、この導電路は、分路接続部６０によって互いに直列に接続された空間２０（０−１）及び２０（２−３）内の流体のそれぞれの電気抵抗を含んでいる。この電導路は、電源の活性極３８と中立極４０との間に接続されている。空間２０（１−２）内の流体は、導電路の有効部分を形成しない。何故なら、分路接続部６０の電気抵抗が空間２０（１−２）内の流体の抵抗よりもかなり低いからである。同一の接続スキームにおいて、更なる導電路が、活性極３８から電極１４（４）に延び、空間２０（３−４）内の流体を通って電極１４（３）に延びている。この更なる導電路は、空間２０（０−１）及び２０（２−３）を含む前述の第１の導電路と並列である。従って、これらの導電路は、両極間に並列路をもたらす。この接続スキームは、分路接続部を用いずに得られるどのような特定抵抗とも異なる特定抵抗を有することになる。
【００２５】
他の例（図６，７）では、電極１４（１）及び１４（２）が電源の両極に接続され、電極１４（０）及び１４（３）が電源から遮断され、（関連する分路スイッチ５０（図１）及び分路バス５２によって構成された）分路接続部６２によって互いに接続されている。この接続スキームでは、電導路は、活性極３８から接続された電極１４（２）に延び、空間２０（２−３）を通って隔離された電極１４（３）に延び、隔離された電極１４（３）から分路接続部６２を通って隔離された電極１４（０）に延び、空間２０（０−１）を通って接続された電極１４（１）及び電源の中立電極４０に延びている。この電導路は、図７に概略的に示されるように、活性極及び電極から空間２０（１−２）を通る他の導電路と並列である。ここでも、経路の２つの流体内の特定抵抗は、互いに直列に接続され、この直列の導電路が、他の電極対を通る導電路に並列に接続されている。電極４は、完全に接続されない状態にあってもよいし、又は分路バスに接続されていてもよい。いずれにしても、電極１４（４）は、実質的に電極１４（３）と同じ電位を有しており、これによって、電流は、空間２０（３−４）内に流れない。この接続スキームは、図５に示される接続スキームと異なる（電源の極間の）特定抵抗、従って、電力放散をもたらすことになる。
【００２６】
更なる例（図８，９）では、電極１４（１）、１４（２），及び１４（３）の全てが分路バスに接続され、これらの３つの電極の全ての間に分路接続部６４を形成し、その一方、電極１４（０）が電源の活性極に接続され、電極１４（４）が中立極４０に接続されている。導電路は、互いに直列の空間２０（１−２）及び２０（３−４）内の流体及び分路接続部から構成される。空間２０（１−２）及び２０（１−３）内の流体は、電導路の一部を形成しない。何故なら、この流体は、分路接続部６４によって電気的にバイパスされているからである。この接続スキームの変更例として、電極１４（２）が分路バスから遮断されていてもよい。電極１４（１）及び１４（３）が分路接続部によって同一の電位に維持されるので、電極１４（２）が分路バスから遮断されても、電導路を変化させることがない。
【００２７】
更に他の例（図１０，１１）では、分路接続部６６が電極１４（０）と電極１４（３）との間に確立されている。電極１４（２）は、活性極３８に接続され、電極１４（４）は、中立極に接続されている。この構成では、導電路は、電極１４（２）から第１の空間２０（１−２）を通って電極１４（１）に延び、第２の空間２０（０−１）を通って電極１４（０）に延び、次いで、電極１４（０）から分路接続部６６を通って電極１４（３）に延び、電極１４（３）から空間２０（３−４）内の流体を通って電極４及び電源の中立極４０に延びている。更なる導電路が、活性極３８及び接続された電極１４（２）から空間２０（２−３）内の流体を通って電極３に延び、電極３から空間２０（３−４）内の流体を通って電極１４（４）及び中立極４０に延びている。従って、図１１に示されるように、空間２０（１−２）及び空間２０（０−１）内の流体は、互いに直列に電気的に接続され、この直列路が空間２０（２−３）内の流体と並列に接続されている。流体空間のこの直列／並列路は、空間２０（３−４）内の流体と直列に接続されている。
【００２８】
所定の導電率の流体に対して電源の極間の多数の独自の特定抵抗値、従って、多数の独自の加熱速度値をもたらすために、電源スイッチ及び分路スイッチの多数の他の組合せが用いられてもよい。換言すれば、電極間に分路接続部を選択的に形成することによって、ヒータは、一連の独自の特定抵抗をもたらすことができる。このような一連の特定抵抗を得るために、分路接続部を用いなければ、はるかに多くの電極が必要である。
【００２９】
図１−１１を参照して前述したヒータは、任意選択的な制御回路５６（図３）を更に備えている。ここでは特定の制御回路が図示され且つ検討されるが、ヒータは、スイッチを手動によって操作することによって制御されてもよく、制御回路が省略されてもよいことを理解されたい。特定の制御回路５６は、制御処理ユニット５８と、ヒータの１つ又は複数の操作パラメータを検知するための１つ又は複数のセンサとを備えている。一例では、１つ又は複数のセンサは、ヒータから放出された流体の温度を検出するために、ハウジング１２の出口２４又はその近傍に物理的に取り付けられた温度センサ６３のみであってもよい。この温度センサとして、従来式の要素、例えば、１つ又は複数の熱電対、サーミスタ、及び温度と共に変化する電気抵抗を有する抵抗要素が挙げられる。制御処理ユニット５８は、図３において破線によって概略的に示されるように、電源スイッチ４８及び分路スイッチ５０に連結され、これによって、制御処理ユニットは、前述の種々の相互接続スキームをもたらすように、スイッチを作動させることができる。制御処理ユニットは、メモリ７０，例えば、不揮発性メモリ、ランダムアクセスメモリ、又は他の従来式の記憶素子を備えているとよい。メモリは、望ましくは、スイッチの操作によって達成可能な種々の接続スキームの少なくともいくつかのためのデータを記憶する。接続スキームごとのテーブルのデータは、電源スイッチの各々及び分路スイッチの各々のためのそれぞれの設定内容、具体的には、特定の接続スキームを形成するための設定内容及び記憶された接続スキームの特定抵抗に基づく序列を明示的に又黙示的に特定するデータを形成する設定内容を含んでいるとよい。例えば、各接続スキームのためのデータは、該接続スキームのための極間の特定抵抗又は等価データ、例えば、種々の接続スキームのための抵抗又は導電率の値を含んでいるとよい。なお、これらのデータは、いずれも空間が所定の導電率の流体によって充填された時に測定又は計算されるものである。代替的に、明白なデータは、単純に各接続スキームに対する序数であってもよい。黙示的な序列の例では、各接続スキームに対するスイッチ設定内容を特定するデータがメモリ内のアドレスに記憶されてもよい。これによって、最低アドレスのデータは、最低の特定抵抗を有する接続スキームのためのスイッチ設定値を特定し、これに続くアドレスのデータは、最低特定抵抗に続く特定抵抗を有する接続スキームのためのスイッチ設定値を特定し、以下、その後に続くアドレスのデータは、最低特定抵抗に続く特定抵抗を有するスイッチ設定内容を特定することになる。
【００３０】
制御処理ユニット５８は、メモリ７０に接続された論理ユニット７２を更に備えている。この論理ユニットは、電源スイッチ４８及び分路スイッチ５０に接続される１つ又は複数の出力部、例えば、（論理ユニットによって供給された信号を適切な電圧又は電流に変換してスイッチを作動させるように構成された）従来式のドライバ回路（図示せず）を有している。論理ユニットの例として、ここで検討される操作を行うようにプログラム化された汎用プロセッサ、ハードウエアに組み込まれた論理回路、プログラム化可能なゲートアレイ、又はここで検討される操作を行うことができる任意の他の論理素子が挙げられる。本明細書において「ユニット（unit）」という用語が用いられるが、この「ユニット」という用語は、該ユニットを構成する複数の素子が単一位置に配置されることを必ずしも必要としない。例えば、制御処理ユニットの複数の部分、又は論理ユニットの複数の部分は、物理的に分離した位置に配置され、任意の通信媒体を介して互いに動作可能に接続されていてもよい。
【００３１】
作動に際して、制御ユニットは、以下のように、すなわち、最高特定抵抗（最低加熱速度）を有する接続スキームのためのスイッチ設定データを検索し、スイッチをこれに応じて設定し、従って、この接続スキームを第１の接続スキームとして用いることによって、ヒータの操作を開始するとよい。開始後に、制御ユニットは、周期的に出口温度センサ６３によって測定された流体の出口温度を設定温度と比較する。もし出口温度が所定公差を超えて設定値よりも低かったなら、制御ユニットは、加熱速度を高めるために、使用中の接続スキームの特定抵抗よりも一段階低い特定抵抗を有する接続スキームのためのスイッチ設定データを検索し、スイッチをこれに応じて設定する。出口温度が設定値に達するまで、このプロセスが周期的に繰り返される。もし出口温度が公差を超えて設定値よりも高かったなら、制御ユニットは、加熱速度を下げるために、次のサイクルにおいて一段階高い特定抵抗を有する接続スキームを選択する。このようにして、制御ユニットは、最終的に、流体を所望の出口温度にもたらす加熱速度を設定することになる。望ましくは、制御システムは、電源の活性極３８に印加される交流電圧がゼロ又はその近傍にある時、スイッチを作動させ、制御スキームを変化させるとよい。このようなゼロ交差タイミングが、通常のＡＣ波形の各サイクル中に２度生じる。この構成によって、スイッチング過渡現象及び電気ノイズ生成が最小限に抑えられる。
【００３２】
更に入り組んだ制御システムでは、制御処理ユニットに連結されるセンサとして、入口２２（図１）に位置する入口温度センサ６１、ハウジングの出口２４に位置する出口温度センサ６２、及び流路の任意の箇所に位置するとよい流量センサ７６が設けられる。流量センサは、従来式の流量測定装置、例えば、超音波流量メータ又は機械的流量メータから構成されているとよい。論理ユニットは、入口温度を設定温度と比較し、所望の温度上昇を計算し、所望の温度上昇に流量及び流体の比熱を表す定数を掛け、所望の加熱速度を得て、この所望の加熱速度の少なくとも一部に基づき、第１の接続スキームを選択するとよい。また、センサとして、電源の極３８，４０間の電位を測定するために接続される電圧センサ７８及び電源を通る電流を全体として測定する電流センサ８０が設けられてもよい。ここでも、この目的のために、従来式のセンサが用いられるとよい。論理ユニットは、電流及び電圧に基づき、極間の実際の抵抗又は導電率を計算し、電流及び電圧の測定時に用いられる接続スキームのこの抵抗及び特定抵抗に基づき、流体の導電率を決定するとよい。代替的に、センサは、流体の電導率を測定するための別の従来式機器を備えていてもよい。制御ユニットは、測定された導電率の流体によって所望の加熱速度を生成するために必要な極間の特定抵抗を計算し、この計算された特定抵抗に基づき接続スキームを選択するとよい。
【００３３】
センサが流体の導電率を測定することが可能な場合、制御システムは、この情報を用いて、システムの物理的制限、例えば、１つ又は複数のスイッチの電流定格を侵害する接続スキームを排除するようになっているとよい。例えば、低い特定抵抗を有する極めて狭い空間を画定する互いに密に離間した電極が存在することがある。もしこれらの電極が電源の両極に接続され、ヒータが高電導性流体によって充填されたなら、電源スイッチを通る電流がスイッチの電流定格を超える可能性がある。しかし、このような接続が高電導性流体と共に用いられてもよい。このように導電率を変化させるように機能する制御システムを用いることによって、所定のヒータは、大きな範囲の特定抵抗を有する複数の空間を備え、導電率を広範囲にわたって調整することができる。この制御技術は、前述の分路構成と無関係に用いることができる。
【００３４】
センサが電源から供給される電圧を測定することが可能な場合、制御システムは、検出した電圧と共に使用可能な接続スキームのみが選択されるように、制御スキームの選択を制限することができる。従って、制御システムは、１つ又は複数のスイッチにおける電流が最大値を超えるような接続スキームを排除し、これによって、電源を通る全電流が最大制限値を超えるような接続スキームを排除することができる。このアプローチは、制御システムが導電率も測定することが可能な場合、特に有用である。このアプローチによって、種々の電圧に対して広範囲にわたる特定抵抗を有する接続スキームを備えるヒータの操作が容易になる。例えば、同一のヒータを１１０Ｖ又は２２０Ｖの商用電源又は典型的には１０−１４Ｖの太陽電池又は自動車用電気システムの電源によって作動することが可能になる。
【００３５】
特定抵抗は、特定抵抗自体として記述されてもよいし、又は特定抵抗に直接変換される他の値として記述されてもよい。例えば、各接続スキームに対する極間の特定抵抗は、導電率、すなわち、電極間の空間内の流体の導電率に対する極間の導電率として記述されてもよい。導電率は特定抵抗の逆数である、また、所定の接続スキームに対する特定抵抗は、「等価間隔（equivalent spacing）」、すなわち、（他の電極と共に用いられない時に接続スキームによって与えられるのと同じ極間の抵抗をもたらす）１対の電極間の距離によって表されてもよい。等価間隔は、特定抵抗に比例する。
【００３６】
本発明の更なる実施形態によるヒータ（図１２）は、図１１を参照して前述したヒータの電極よりも多くの電極を備えている。図１２のヒータは、極１３８，１４０を有する電源１３６と、各電極に関連付けられた電源スイッチ１５０とを備えている。これらの要素は、前述の実施形態における対応する要素と同様である。この実施形態では、前述の実施形態において用いられた単一の分路バスではなく、２つの分路バスが設けられている。また、分路スイッチ１５０は、各電極をいずれかの分路バスに接続することができる。この構成によって、２つの独立した分路接続部の形成を可能にし、これによって、任意の２つ以上の電極を第１の分路バスを用いて互いに接続し、任意の２つ以上の電極を第２の分路バスを用いて互いに接続することができる。従って、この実施形態は、互いに電気的に隔離された２つの分路接続部を形成することができる。この構成は、種々の特定抵抗を有する更に多くの接続スキームをもたらすことができる。ヒータは、任意の数の電極及び任意の数の分路バスを備えることができる。
【００３７】
電極間に１つ又は複数の分路を確立するために、他の構成が用いられてもよい。例えば、交差点ネットワークが、電極に接続された導体を有していてもよい。これらの導体は、列方向に延在するいくつかの導体及び列方向と直交する行方向に延在する他の導体を含み、これによって、種々の電極に接続された導体は、互いに交差するが、通常、互いに電気的に隔離されている。分路スイッチがこれらの交差点に設けられ、交差する導体を互いに接続することによって、分路接続部が形成される。更なる変更例では、電極のいくつかが１つ又は複数の専用の分路スイッチを備え、各分路スイッチは、他の電極の異なる１つに接続されるようになっている。従って、分路スイッチの１つを閉じることによって、分路接続部が２つの電極間に確立されることになる。
【００３８】
図１−１２を参照して前述した実施形態では、いずれの電極も、分路スイッチ及び電源スイッチを備え、これによって、各電極は、電源のいずれかの極に接続されるか、又は分路接続部を介して他の電極に接続されるか、又は完全に接続されずに残されるようになっている。しかし、スイッチのいくつかは、省略されもよく、その結果、１つ又は複数の個々の電極は、電源に接続されるが分路に接続されず、これによって、電極の１つ又は複数は、分路にのみ接続されてもよく、又は１つ又は複数の個々の電極は、電源及び分路の両方に接続されてもよい。
【００３９】
本発明の更なる実施形態によるヒータ（図１３，１４）は、図１−１１を参照して前述したヒータと同様である。しかし、図１３，１４のヒータでは、構造体２１２は、流体入口に接続された入口マニホールド２２１及び流体出口に接続された出口マニホールド２２３を画定している。電極２１４間の空間２２０の各々は、入口マニホールド２２１から出口マニホールド２２３に延在し、これによって、ヒータに入る流体は、個別の流れに分割され、これらの個別の流れが種々の空間内を互いに平行に流れる。他の更に複雑な流れ配列が用いられてもよい。
【００４０】
図１３，１４のヒータでは、電極は、均一な間隔で配置されている。しかし、異なる空間２２０内の流体の特定抵抗は、他の因子に起因して互いに異なる。例えば、空間２２０（−０−１）の特定抵抗は、空間２２０（１−２）の特定抵抗よりも高い。何故なら、空間２２０（０−１）は、制限されているからである。空間２２０（２−３）の特定抵抗は、電極２１４（３）の比較的小さい露出面積によって、小さくなっている。空間２２２（３−４）の特定抵抗は、電極２１４（４）のギザギザの面形態によって修正されている。
【００４１】
更なる変更例では、空間の各々は、同一の特定抵抗を有していてもよいが、この場合、ヒータは、前述の分路構成を備えているとよい。前述の分路構成は、この場合においても有利である。
【００４２】
電極はプレートである必要がない。例えば、図１５のヒータは、環状空間３２０によって分離された管状電極３２０を備えている。
【００４３】
本明細書において検討した分路配置及び他の特徴部は、多次元アレイに配置された電極に適用されてもよい。例えば、図１６に示されるヒータは、図の平面と直交する方向に延在する多数のロッド状の電極を組み込んでいる。これらの電極は、不規則な二次元アレイに配置されている。この構成において、１つ又は複数の電極は、多数の互いに隣接する電極を有しているとよい。例えば、電極４１４（ａ）、４１４（ｂ）、４１４（ｃ）、及び４１４（ｄ）は、いずれも電極４１４（ｅ）に隣接している。このような二次元アレイの電流経路は、より複雑であるが、同じ原理が適用され、分路接続の選択的な形成が互いに異なる接続スキームの数及び達成可能な電源極間の種々の特定抵抗の数を増大させることになる。
【００４４】
電極を保持する構造体がハウジングを画定すること又は流体が操作中にヒータを通って流れることは、必ずしも必要ではない。例えば、前述の特徴部は、電極が構造体の外側に露出する場合にも適用され、これによって、電極間の空間は、構造体を流体内に浸漬することによって加熱されるべき流体によって充填されてもよい。
【００４５】
以上、本発明を特定の実施形態を参照して説明してきたが、これらの実施形態が本発明の原理及び用途の単なる例示にすぎないことを理解されたい。それ故、例示的実施形態に対して多数の修正がなされてもよいこと、及び添付の請求項に規定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく他の構成が考案されてもよいことを理解されたい。
【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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【国際調査報告】
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