[发明专利]带有限元控制的流体加热器

说明书

一种用于加热导电流体的欧姆加热器，包括电极(14)和电极之间的空间(20)。控制器(52)在一系列的致动间隔期间选择性地将电极连接到电源(36)，以形成传导路径，每个传导路径包括连接到不同电位的两个带电电极以及在一个或更多个空间中的流体。控制器将流过空间的流体建模为一系列在空间中移动的有限元(100)。在每个致动间隔之前，控制器估计致动各种可能的传导路径的预期结果，预期结果包括传导路径中流体的估计温度和流过带电电极的估计电流。控制器选择其估计结果满足一组约束条件的一组传导路径，并在致动间隔期间仅致动选定的传导路径。

交叉引用

本申请是于2018年4月13日提交的美国申请No.15/952,832的延续申请，其公开内容通过引用合并于此。

技术领域

背景技术

本公开涉及欧姆流体加热装置以及加热流体的方法。可以使用欧姆流体加热器来加热导电流体(例如饮用水)。这种加热器通常包括彼此间隔开的多个电极。电极与待加热的流体接触，使得流体填充相邻电极之间的空间。两个或更多个电极连接到电源，以便将不同的电位施加到不同的电极上。例如，在使用普通交流市电(例如可从家用电源插头获得的普通交流市电)操作欧姆加热器的情况下，至少一个电极连接到载有交流电势的一个极，而至少另一个电极连接到极性相反的极。电流通过电极之间的至少一个空间处的流体在电极间流过，并且电能通过流体的电阻转换为热量。

期望控制这种加热器中电能被转换成热量的速率(“加热速率”)，以达到被加热流体的期望温度。已经提出了通过机械地使电极彼此相对靠近从而改变电极之间的电阻来改变加热速率。然而，这种布置需要复杂的机械元件，该机械元件包括暴露于流体的运动部件。而且，很难使这种机制快速响应以应对迅速变化的条件。例如，如果在“瞬时加热”布置中使用欧姆加热器来加热提供给诸如淋浴喷头之类的卫生器具的水，则在使用该器具时，水会连续不断地流过加热器直达该器具。如果用户(例如通过打开器具上的阀)突然增加水的流速，则加热器应迅速做出反应以增加加热速率，从而将供应至器具的水保持在基本恒定的温度下。

还提出了提供一种欧姆加热器，该欧姆加热器具有大量电极并且具有功率开关以选择性地将不同的电极连接到电源的两极。例如，电极的阵列可以以电极之间具有间隔的线性布置设置。该阵列包括位于阵列末端的两个电极以及位于两个末端电极之间的许多中间电极。为了提供最小的加热速率，将末端电极连接到电源的极性相反的极，并将中间电极与该两极隔离。电流从一个末端电极流过第一空间中的流体，到达中间电极中最近的一个，然后经过下一空间中的流体，到达下一个隔离电极，依此类推，直到到达最后一个中间电极为止，电流从最后一个中间电极流到另一个末端电极。因此，所有空间内的流体在两个末端电极之间串联地电连接。这种连接方案提供了低加热速率和电源的两极之间的高电阻。

为了获得最大的加热速率，所有电极都连接到该两极，使得每个电极都连接到与之次相邻的极性相反的极。在这种情况下，每个空间中的流体与每个其他空间中的流体并联地直接连接在电源的两极之间。该连接方案在两极之间提供了最小的电阻。通过将电极的各种组合连接到电源的两极，可以达到中等的加热速率。例如，在一种这样的连接方案中，两个中间电极连接到电源的极性相反的极，并且其余电极与电源的两极电隔离。所连接的中间电极通过其他几个中间电极和几个空间彼此隔开，使得仅在几个空间中的流体在两极之间串联连接。该连接方案提供了两极之间的电阻，该电阻高于最大加热速率方案中的电阻，但是低于最小加热速率方案中的电阻。对于具有给定电导率的流体，不同的连接方案将在两极之间提供不同的电阻，从而产生不同的加热速率。