[发明专利]带有限元控制的流体加热器

权利要求书

1.一种用于加热导电流体的加热器，包括：

（a）结构；

（b）多个电极，所述多个电极安装在所述结构上，并且在相邻的所述电极之间具有空间，所述结构适于沿延伸经过所述空间的预定流动路径引导流体流过下游方向的加热器，从而使所述空间内的流体接触所述电极并将相邻电极彼此电连接；

（c）电源，所述电源具有至少两个极，所述电源可操作以向所述极中的不同的极提供不同的电位；

（d）电源开关，所述电源开关电连接在至少一些电极与所述极之间，所述电源开关可操作以选择性地将所述电极连接到所述极并且选择性地将所述电极与所述极断开以形成传导路径，每个所述传导路径包括连接到所述电源的不同极的两个带电电极和至少一个所述空间中的流体；

（e）控制器，所述控制器被配置为通过周期性地操作模型来控制所述电源开关的操作，在所述模型中，所述流体被建模为一系列的流体元素，所述流体元素以基于经过所述加热器的所述流体的流速的速度流过所述空间，每个周期包括以下步骤：

（i）对针对具有开始和结束的致动间隔的不同传导路径的操作进行建模，进行所述建模步骤，以便选择在所述致动间隔期间用于致动的传导路径，使得选定传导路径的致动不会违反一组约束条件，所述一组约束条件包括在所述致动间隔结束时每个流体元素的最高温度和经过每个带电电极的最大电流，在所述致动间隔开始时使用各个所述流体元素的估计开始温度和电导率进行建模；然后

（ii）在所述致动间隔开始时致动所述电源开关，以仅将选定传导路径的所述带电电极连接到所述电源；以及

（iii）使用有限元模型预测在所述致动间隔结束时所述各个流体元素的结束温度；

其中，至少部分地基于先前周期中预测的相同流体元素的所述结束温度来确定每个周期中使用的所述流体元素的所述估计开始温度。

2.根据权利要求1所述的加热器，其中，所述传导路径中的至少一个包括与所述极断开的一个或更多个隔离电极以及至少两个空间中的流体，使得这种传导路径的带电电极通过所述空间和所述一个或更多个隔离电极彼此电连接。

3.根据权利要求2所述的加热器，其中，针对每个传导路径的建模包括：通过考虑设置在一对电极之间的所述空间中的每个流体元素并且确定可以被施加到这种流体元素上而不使所述流体元素的温度升高到所述最高温度以上的最大电压，来为所述传导路径中包括的每对互相相邻的电极设置最大电压；以及基于针对设置在所述电极对之间的所述空间中的任何一个流体元素所确定的最低最大电压来为所述电极对设置所述最大电压。

4.根据权利要求3所述的加热器，其中，确定每个传导路径是否可以在致动间隔中被致动包括：如果所述传导路径的致动将导致在被包括在所述传导路径中的任何一对互相相邻的电极上施加电压高于该电极对的最大电压，则确定不能致动该传导路径。

5.根据权利要求4所述的加热器，其中，针对每个传导路径的建模包括：基于并联设置在所考虑的空间中的所述流体元素的电阻，来计算所述传导路径中包括的每对互相相邻的电极之间的空间上的电阻。

6.根据权利要求5所述的加热器，其中，对于包括一个或更多个隔离电极的每个传导路径，所述建模包括：确定在所述传导路径中包括的每个所述隔离电极处的电压。

7.根据权利要求2所述的加热器，其中，所述电极被布置在堆叠中，所述堆叠在第一堆叠方向和第二堆叠方向上延伸，其中，在每个周期中，对不同的传导路径的操作进行建模的步骤包括：指定所述电极中的一个作为第一启动电极，执行对传导路径进行重复建模操作的搜索例程，所述搜索例程包括：将所述启动电极作为一个带电电极，将在选定的一个堆叠方向中从所述启动电极偏移的电极中的另一个电极作为假定带电电极，在每次重复中，使用远离堆叠电极的不同的假定电极，直到：（1）达到成功的结果，在所述成功的结果中，选定所述启动电极和所述假定电极之间的所述传导路径为满足所述约束条件，或者（2）达到不成功的结果，在所述不成功的结果中，包括所述启动电极和在选定的堆叠方向上作为假定电极的距离所述启动电极最远的所述电极的传导路径的建模表明这种传导路径不满足所述约束条件。