CN100416175C - 具有双重并排的加热元件的热水器 - Google Patents

Abstract

一种热水器，其具有水箱与延长进入水箱中的水的多个电阻加热元件。该热水器包括比例带温度控制器，其用于将电功率以脉冲串的方式传导到电阻加热元件。每个电功率的脉冲串后跟随其间温度控制器没有将功率传导到加热元件的一个时间段。在一个实施例中，电功率的每个脉冲串持续大约等于或小于一个循环的95%，该循环包括：其后跟随其间温度控制器不传导电功率的周期的电功率的脉冲串。以顺序地或其它定时或控制的方式通过控制器进一步实施加热元件的激励，使得水箱中的水均匀的加热。

Description

具有双重并排的加热元件的热水器

相关申请

本发明是1999年8月17日提交的U.S.(美国)编号为No.09/361,825的专利的继续申请。

技术领域

本发明通常涉及电热水器。本发明具体涉及用于将电功率以提高热水器加热效率的方式传递到电阻加热元件的方法与设备。

背景技术

存储型热水器通常包括：永久封闭水箱；圆柱形外壳，其与水箱同轴且在径向上远离水箱，以在水箱外壁和外壳内壁之间形成环状空间；和绝热材料，其至少位于环状空间的一部分，以向水箱提供隔热。水箱具有多种附件，如入水口、出水口和排水装置。另外，热水器还具有水加热及温度控制系统。水加热及温度控制系统包括电阻加热元件。该加热元件延伸通过水箱壁中的装置，使得加热元件在水箱内。加热元件连接至水箱外的电源。

传统的水的加热与温度控制系统还典型地包括机械温控器。当水箱中的水被检测到低于选定的设定点温度时，该机械温控器关闭开关使得电功率通过电阻加热元件，并且当水箱中的水高于或等于设定点温度时，该机械温控器打开开关以停止电功率通过电阻加热元件。通过电阻加热元件的电功率或者是全部打开，通过全部电流，或者完全地关闭。由于制造中的变化与机械温控器的滞后作用，水温将“超调”(“overshoot”)需要的设定点温度。也就是说，即使当水温高于设定点温度时，水的加热与温度控制系统也使电阻加热元件继续加热水箱中的水。防止或限制传统热水器的超调的量应该是有利的。

发明内容

因此，本发明提供一种热水器，其具有用于将电功率以脉冲(pulse)或脉冲串(burst)的形式调节到电阻加热元件的控制器。将电功率以脉冲或脉冲串的形式提供到加热元件使得：相同数量的水以与现有技术的机械式温度控制器实质上相同的速率加热到选定的温度，却实质上使用更少的电功率以加热水。因此，调节电功率提高了热水器的效率。

根据本发明的另一方面，如果包括多个控制的加热元件，则热水器产生更高的效率。如果使用多个加热元件，则控制器可优选地：顺序地或以预定频率或以预定方式来激励元件，从而传递到水箱的热能以平衡或均匀的方式分布。进一步，在大约加热器水箱下面的三分之一容积放置或安装加热元件还可提高热水器的节能性。在水箱的下面的三分之一容积安装多个加热元件增加了加热元件的辐射范围，并且导致功率在更大的范围扩展。这导致水中的对流的流动速率形式增加，并且有助于更加均匀地加热水。

本发明还提供一种热水器，其包括：用于保存水的水箱；进水管，其具有将冷水引进水箱的进水口；出水管，其具有将加热的水从水箱中排出的出水口；延长进入水箱的第一加热元件；以及延长进入水箱的第二加热元件。热水器包括控制电路，可操作该控制电路以分别控制将电功率以脉冲串的方式提供到第一与第二加热元件。每个脉冲串后跟随一个其间不将电功率提供到加热元件的时间段，从而提高热水器的效率。还可操作该控制电路以激励第一脉冲串持续第一时间周期并且激励第二脉冲串持续第二时间周期。

根据本发明的一个方面，提供了一种热水器，包括：用于保存水的水箱；进水管，其具有将冷水引进水箱的进水口；出水管，其具有将加热的水从水箱中排出的出水口；延长进入水箱的第一加热元件；延长进入水箱的第二加热元件；控制电路，可操作该控制电路以分别控制将电功率以脉冲串提供到第一与第二加热元件，每个脉冲串后跟随其间不将电功率提供到加热元件的一时间段，还可操作该控制电路以激励第一加热元件持续第一时间周期并且激励第二加热元件持续第二时间周期；并且其中水箱具有纵轴，水箱具有与纵轴正交的平面，以及第一和第二加热元件处于正交的平面内。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种热水器，包括：用于保存水的水箱，该水箱限定一容积，该容积具有上三分之二容积与下三分之一容积；进水管，其具有放置在下三分之一容积内的进水口，该进水口将冷水加入到水箱；出水管，其具有放置在上三分之二容积内的出水口，该出水口从水箱抽取加热的水；延长进入下三分之一容积的第一与第二加热元件；控制电路，可操作该控制电路以分别控制将电功率以脉冲串的方式提供到第一与第二加热元件，每个脉冲串后跟随其间不将电功率提供到加热元件的一时间段，还可操作该控制电路以激励第一加热元件持续第一时间周期并且激励第二加热元件持续第二时间周期。

对于本领域的普通技术人员，在审阅了随附的详细描述、权利要求与附图以后，本发明的其它特点与优点将变得显而易见。

附图说明

图1是实现本发明的热水器的剖视图，显示了本发明的温度控制器与热水器其它部分有关的布置。

图2是实现本发明的温度控制器的电路原理图。

图3是现有技术的机械温度控制器和本发明的比例带温度控制器的用电数据图。

图4是现有技术的机械温度控制器和本发明的比例带温度控制器的耗电率数据图。

图5是实现本发明的具有多个加热元件的另一热水器的剖面图。

图6是实现本发明的具有多个加热元件的再一热水器的剖面图。

图7是图6中所示的热水器的部分剖面图。

图8是实现本发明的包括控制器的热水器的剖面图。

图9是图8中所示的控制器的部分放大图。

图10是图8中所示的控制电路的原理示意图。

图11是用于图10中所示的控制电路的电源的电原理图。

图12是图10中所示的控制电路的过零检测器的电原理图。

图13是图10中所示的控制电路的低压复位电路的电原理图。

图14是图10中所示的控制电路的温度传感电路的电原理图。

图15是图10中所示的控制电路的温控器的电原理图。

图16(a)和16(b)是图10中所示的控制电路的各部分的电原理图。

图17是用于图10中所示的控制电路的振荡器的电原理图。

图18是表示控制图8中所示的热水器的方法的流程图。

图19是表示用于执行测试以确定加热元件是否被浸没的示例方法的流程图。

图20a、20b、20c和20d是表示执行采集传感器样本、计算水温、计算温控器设置、在需要的情况下的改变操作模式、设置加热周期状态、并设置加热优先级的步骤的示例方法的流程图各部分。

图21是表示800ms中断事件的流程图。

在详细解释本发明的一个实施例之前，应当理解，本发明不限于在下面的说明中提出或附图中描述的结构细节及部件安排。本发明能够以其它方式实施，且能够以多种方法实践或实现。而且应当理解，这里使用的措词和术语是用于描述的而不应被认为是用作限定。这里使用的“包括”和“包含”以及它们的变形代表包括其后列出的条项及其等同物和附加条项。这里使用的“由……构成”及其变形代表仅包括其后列出的条项。

具体实施方式

如上所述，在具有电阻加热元件的热水器中使用比例带温度控制器具有意外的优点，将热水器中的水加热至预选的设置点温度，而比在使用现有技术的机械温度控制器的相同热水器中将等量的水加热至相同的设置点温度耗电少。

一种示例性的比例带温度控制器是一种电子设备，包括：水温传感设备(热敏电阻)；温度设置点设备(可变电阻器)；门控晶闸管，用于将电功率切换至电阻加热元件；和逻辑电路，用于响应来自水温传感设备和温度设置点设备的信号而控制晶闸管。逻辑电路接收来自水温传感设备和温度设置点设备的电压输入，其指示水温与设置点温度之间的差距。逻辑电路响应来自水温传感设备和温度设置点设备的电压输入，用信号通知门控晶闸管。在水温传感设备和温度设置点设备之间温差大的情况，逻辑电路用信号通知门控晶闸管在AC电流每一循环的约94％的大部分中导电，并用信号通知门控晶闸管在每一AC循环的约6％中停止导电。随着水和设置点之间的温差变小，水温进入比例控制带，在比例控制带中逻辑电路开始向门控晶闸管施加更多的控制，以限制向电阻加热元件的供电。随着水温进入比例控制带，逻辑电路建立新的控制循环，并用信号通知晶闸管在每一循环的85％中传导电功率，并在每一循环的15％中停止导电。随着水温靠近设置点温度，逻辑电路用信号通知晶闸管在每一循环的更少时间中导电。当水温达到设置点温度时，逻辑电路关闭晶闸管，且电功率不被供应至电阻加热元件，直至水温再次低于设置点温度。为了避免设置点温度附近的不适当的循环，在再次用信号通知晶闸管传导电功率并将水加热恢复至设置点温度之前，逻辑电路被设置为需要使水温下降至低于设置点温度5°至10°F。

这种在使用比例带温度控制器的热水器中对水进行加热的效率提高没有完全被理解。在理论上，本质上所有供给电阻加热元件的电功率都将被转化为热，且热应当被传输至环绕电阻加热元件的水。等量的电功率应当将等重量的水加热相同的温度。如下面的例子所示，具有比例带温度控制器的热水器将一水箱的水加热至选定的设置点温度所需的电功率比现有技术的具有机械温度控制器的相同热水器少约10％。用于以很少的超调使水达到设置点温度的比例带温度控制器在准确性上的改善解决了机械温度控制器的某些效率改进，但没有解决所有。

尽管不希望被限制到以下的叙述中，我建议当使用比例带温度控制器时在加热效率上的提高源于水箱内的物理条件，该物理条件影响了从电阻加热元件至水的热传递。比例带温度控制器以短脉冲串将电功率传导至电阻加热元件，直至水箱中的水达到选定的设置点温度，其中所述短脉冲串后跟随不传导电功率的短暂周期。当水达到设置点温度时，比例带温度控制器准确地停止向电阻加热元件传导电功率。另一方面，现有技术的机械温度控制器在水被加热期间持续以满功率向电阻加热元件传导电功率。当水达到设置点温度时，双金属热电偶的机械特性可能导致机械温度控制器超调，并在停止将电功率传导至电阻加热元件之前将水加热至高于设置点温度的温度。

在家用热水器中使用的电阻加热元件在几秒钟之内加热至800°F至900°F范围的温度。与这样的热电阻加热元件接触的水可能依赖于水箱压力而蒸发，可能在电阻加热元件周围形成一层蒸汽并减少从电阻加热元件传递给水的热量。在机械温度控制器中，电阻加热元件被这样加热并保持高温，直至双金属热电偶切断电源。来自电阻加热元件且被机械温度控制器控制的热量可能被辐射至水箱壁，或可能通过蒸发对流而被传送至水箱顶部，在水箱顶部，多余的热量被最顶层的远离温度传感双金属热电偶的水所吸收。

在比例带温度控制器中，电阻加热元件在电功率的每一个脉冲串期间被加热，且在脉冲串之间的时间段中通过与水接触而被冷却。在电功率的每一脉冲串之间对电阻加热元件的冷却减少了电阻加热元件提高的温度，并减少了在热电阻加热元件周围的蒸发积累的电势。于是，从电阻加热元件传递至水的热量增加了。以不连续的短脉冲串向热水器中的电阻加热元件提供电功率改善了从电阻加热元件到热水器中的水的热传递效率，其中每一脉冲串后跟随电功率关断的时间段。

比例带温度控制器为人们所熟知且广泛应用于许多商业应用，包括控制如咖啡机这样的装置中的水温。据我所知，比例带温度控制器尚未应用于控制存储型热水器中的大体积水的温度。

图1显示了热水器10的剖视图，热水器10包括：永久封闭水箱11、围绕水箱11的外壳12、和填充水箱11和外壳12之间的环形空间的泡沫绝热层13。进水管或汲取管14和出水管15进入水箱11的顶部。进水管14具有用于在水箱11的底部附近添加冷水的进水口22。出水管15具有用于从水箱11的顶部附近排出热水的出水口24。电阻加热元件16延伸通过水箱11的壁。控制箱17内的比例带控制电路连接至电阻加热元件16。热敏电阻18与水箱11的外壁相接触以检测水箱11中的水温，其通过电线19连接至逻辑电路。交流电通过导线20供应给门控晶闸管。可定制的操作接口可以安装在热水器的外侧，以与控制箱17进行通信并提供用于控制加热元件的安全保护访问。可操作操作接口以提供对加热元件的直接或远程控制。

图2是根据本发明的方法的用于加热热水器中的水的优选的比例带温度控制电路100的电路原理图。在图2中，电阻加热元件125是用于加热热水器中的水的4500W加热元件。温度设置点设备101是可变电阻器，用于将温度设置点设置在大约90°F至180°F范围内。热敏电阻102用于检测热水器中的水温。在另一实施例中，可以在水箱内各处放置多个热敏电阻，以测量多个位置的水温。多个热敏电阻的输出可以被平均。

门控晶闸管103是由Motorola公司生产的TRIAC，用于控制到电阻加热元件125的电功率。逻辑芯片104是由Motorola公司生产的比例带温度控制器UAA1016A。通过导线105和106向比例带温度控制电路100供应240V电。下面将要描述的光电耦合器108用于控制在比例带温度控制电路再次启动之前必须从设置点温度下降的水温的量。

约为-8V的稳定供电电压从导线106通过齐纳二极管107和电阻109进入导线110，供应给比例代温度控制电路。通过温度设置点设备101和温度传感器102的电压降在点111产生信号电压。信号电压与设置点温度和传递的水温之间的温差成比例。测量电压通过导线112被传输至逻辑芯片104内电压比较器113的一条管脚。在点116生成参考电压，其幅度由通过电阻114和115的电压降而确定。在逻辑芯片104内的锯齿波发生器118中生成的锯齿波电压在点119被施加于参考电压。由锯齿波电压修改的参考电压通过导线117流至电压比较器113的第二管脚。

施加于参考电压的锯齿波电压导致电压比较器113的第二管脚处的电压在约0.85秒的周期内以锯齿波的形式从最小电压变化到最大电压。在电压比较器113中，第一管脚处的信号电压与第二管脚处的修改后的参考电压进行比较。比较结果通过导线120传输至逻辑电路121。在逻辑电路121中，生成的信号流经导线122、放大器123和导线124，用于控制晶闸管103。当比较器113的第一管脚处的信号电压大于比较器113的第二管脚处的参考电压的最大值时，到晶闸管103的信号将传导并允许电功率流经电阻加热元件125，以用来加热水箱中的水。安排逻辑芯片104，以使导线124中的信号使得晶闸管103在每一交流电周期的96％中导电，并在每一电流周期的4％中停止传导。

由于温度传感器102检测的水温达到在设置点温度设备101上选择的设置点温度，电压比较器113的第一管脚处的信号电压将降至低于电压比较器113的第二管脚处的参考电压的最大值的值。当信号电压在参考电压的最大值和参考电压的平均值之间的范围中时，温度控制电路100在比例带控制范围内。于是，当信号电压大于电压比较器的第二管脚处的参考电压值时，逻辑电路121用信号通知放大器123，使其用信号通知晶闸管103将电功率传导至电阻加热元件125。然后，随着锯齿波电压导致电压比较器的第二管脚处的参考电压增至大于电压比较器的第一管脚处的信号电压值的值，逻辑电路121用信号通知放大器123，使其用信号通知晶闸管103停止向电阻加热元件125传导电功率。随着电压比较器的第一管脚处的信号电压接近电压比较器113的第二管脚处的参考电压的平均值，在生成的锯齿波电压的每一周期的更多比例中晶闸管103不导通。当由温度传感器102检测的水温等于温度设置点设备101的设置点温度时，电压比较器113的第一管脚处的信号电压将等于电压比较器113的第二管脚处的平均参考电压值，且逻辑电路121用信号通知放大器123关断晶闸管103，切断向电阻加热元件125的电功率。晶闸管103保持为非导通状态，直至温度传感器102检测的水温降到低于设置点温度预设的量，这将在下面说明。

电压比较器113的第一管脚处的信号电压和电压比较器113的第二管脚处的参考电压必须具有这样的值，其使得逻辑电路121可以产生到放大器123的可以适当控制晶闸管103将水加热至期望温度的信号。温度设置点设备101是可变电阻器，可以手动调节它的电阻以改变设置点温度。温度传感器102是热敏电阻，其电阻随着检测的水温升高而降低。选择电阻126和127的值，使得点111处的信号电压与设置点温度和检测的水温之间的差成比例。点116处的参考电压由电阻114和115的值确定，且于点119处施加到参考电压的锯齿波电压的幅度由电阻128和129的值确定。必须调整这些电阻的值，以适应特定的温度设置点设备101、温度传感器102和为比例带温度控制电路100选择的逻辑芯片104的特性。

如上所述，光电耦合器108包括在比例带温度控制电路100中，以防止在检测的水温在设置点温度附近时的晶闸管103的不适当循环。当检测的水温等于设置点温度时，逻辑电路121用信号通知放大器123关断晶闸管103并停止将电功率传导至电阻加热元件125。如果没有光电耦合器108，则当检测的水温下降至低于设置点温度一很小的量例如少于1℃时，逻辑电路121将用信号通知放大器123打开晶闸管103并将电功率传导至电阻加热元件125，直至检测的水温再次加热到设置点温度。这个步骤导致迅速打开和关断晶闸管103，以将检测的水温控制得尽可能接近设置点温度。

通过导线130和131与电阻加热元件125电路相连的光电耦合器108的操作使得当电流流经电阻加热元件125时检测的温度显得比实际高约5℃。所以，当温度传感器102检测的水温达到设置点温度时，晶闸管103停止通过电阻加热元件125和光电耦合器108传导电流。如果没有电流流经光电耦合器108，则点111处的信号电压由经过温度传感器102的电压降和经过设置点设备101、电阻126及电阻127的电压降而确定。电阻127生成的电压降与由约5℃的检测温度变化而引起的电压降等效。于是，检测的温度显得比其实际高约5℃，且在电压比较器113的第一管脚处的信号电压指示检测的温度低于设置点温度之前，检测的温度必须额外下降5℃。当电压比较器113用信号向逻辑电路121通知检测温度低于设置点温度时，逻辑电路121用信号通知放大器123打开晶闸管103并允许电流流经电阻加热元件125。随着电流流经电阻加热元件125，电流通过导线130和131流经光电耦合器108。随着电流流经光电耦合器108，电阻127被分流，且消除了视在的测量水温的5℃偏差。然后逻辑电路121用信号通知放大器123打开晶闸管103，直至检测的水温再次达到设置点温度。光电耦合器108的这个步骤使得在晶闸管103再次通过电阻加热元件125传导电功率之前，检测的温度降至设置点温度以下约5℃，并使得在切断电阻加热元件125的电功率之前将检测的水温加热至设置点温度。这个步骤防止了当检测水温在设置点温度附近时通过电阻加热元件125的电流循环。

在另一实施例中，温度控制电路100能够包括可编程实时时钟，其中高峰或非高峰需能周期或空闲操作循环可以被编程为对加热元件的控制循环。另外，也可以添加压力传感器、温度传感器、矿物质沉积(mineral deposit)传感器和/或用于检测水的存在的传感器。当检测到预定的条件或限制时，将把控制电路编程为断开来自热水器和/或加热元件的电功率。进一步，控制电路可以包括用于响应不同条件而自动调整设置点的装置，所述不同条件例如用水量或处于高峰还是非高峰需能周期。

示例

在第一个例子中，操作具有4500W电阻加热元件的热水器，用来使用240V交流电将水从60°F加热至120°F。在第一行程中，使用在本申请的介绍部分中描述的可商用的双金属温控器，以检测水温并控制到电阻加热元件的电流。在第二行程中，使用图2中所示的在本申请中描述的比例带温度控制电路，以检测水温并控制到电阻加热元件的电流流动。图3中显示了两个行程的比较结果。

对于行程1，双金属温控器上的张力由双头螺栓调节，使得双金属温控器在120°F的设置点温度处从扁平结构迅速变为半球形结构。双金属温控器在电阻加热元件上方约三英寸的位置接触热水器水箱的外壁。双金属温控器通过绝热杆连接至向电阻加热元件供电的导线中的电开关。水箱充满60°F的水，且电源连接至提供电阻加热元件的导线。双金属温控器保持为扁平状且电开关关闭。电流持续大约27分钟以19.7安培的速率流经电阻加热元件，直至水被加热至约122°F。然后双金属温控器迅速变为半球形，启动开关切断到电阻加热元件的电流。图3中显示了对于第一行程的水温与时间关系图。

对于行程2，使用了如图2所示的在本申请中描述的比例带温度控制电路。设置点设备101被校准为设置点120°F温度，且热敏电阻温度传感设备102在电阻加热元件125上方约三英寸处附着于水箱。晶闸管103连接至电阻加热元件125。热水器的水箱被排干且重新充满60°F的水，且比例带温度控制电路100连接至电功率干线。比例带温度控制电路100最初向电阻加热元件125提供18.8安培的电，即大约为行程1的机械温控器提供的电流的95％。在大约四分钟后(68°F)，比例带温度控制电路100将供给电阻加热元件125的电减至18.6安培，即大约为行程1的机械温控器提供的电流的91％。在大约21分钟后(104°F)，检测的水温进入比例带温度范围且比例带温度控制电路100开始缓慢减少到电阻加热元件125的电流，直至27分钟后检测的水温达到设置点温度，且比例带温度电路100关断到电阻加热元件125的电流。

对图3的检查显示了相同量的水在行程1和行程2中在相同时间被加热至几乎相等的温度。然而，在行程1中需要电19.7安培，而在行程2中在加热期间仅需要电约18.6安培。即，在装备了本发明的比例带温度控制电路的热水器中加热水需要的电功率比在使用机械温度控制器的相同热水器中将等量的水加热至相同温度少约9％，其中本发明的比例带温度控制电路以短脉冲串向电阻加热元件125供电，且短脉冲串后跟随短暂的断电时间段。这是意外的结果。

比例带温度控制电路向负载发出的电流脉冲使得水温可以响应施加的电流而精密地迅速提高和降低。施加于加热元件每一时间段的电流的短暂中断可以使辐射能量从加热元件向水更有效的传递。

作为第二个例子，执行一个测试以确定在典型的热水加热操作循环期间消费者要使用的能量的实际量。参考图4，对于机械温控器和包含比例带控制逻辑的电子温控器绘制了实际的千瓦时(kWh)与时间的关系。

图4说明在典型的加热循环期间，使用比例带控制逻辑的直接结果是少用约3％的能量。通过改变三端双向可控硅开关元件的点火象限(firing quadrant)的导通角，有可能将这个百分比增至约5-5.5％，而不会对热水器的性能产生不利影响。

另外，通过限制流向使用比例带控制逻辑的加热元件的电流，并通过以脉冲向加热器供电，逐渐滑向温度设置点而不超调期望温度，可以再减少15％的能耗。

将电流调制和防止温度设置点的超调相结合，向消费者提供了与使用双金属机械温控器的类似加热器的操作成本相比将近10％的复合能量节约。

过热水通过125°F-130°F的合理温度通常会浪费能量。典型的两英尺厚绝热层在高于约130°F的温度下失去有效保持热量的能力。这种在备用模式中的能量损失是浪费的，且潜在地导致加热器循环次数更经常超过需要。

本发明的比例带控制电路防止超调，并使得水温仅下降10°F左右，以仅周期使水温返回想要的设置点所需要的差别。

比例带控制电路的另一优点是它适用于易燃蒸汽环境。例如，在修车场、车间、或地下储存室区域存在具有溶剂、汽油、丙烷或其它高易燃性或爆炸性蒸汽的环境。当建立或断开电接触时，依赖于切换的电流量，机械温控器及接触型开关设备可能形成电弧。如果蒸汽充分不稳定，则电弧可以点燃易燃蒸汽。相反，比例带控制电路完全是固态的，没有移动部分，且不会点燃易燃蒸汽。

尽管上述实现的比例带控制具有优势，但可以在具有多重被控的加热元件中得到甚至更高的加热效率。图5中显示了具有该元件的示例热水器150，它受以下专利的影响，即1999年8月17日递交的名称为PROPORTIONAL BAND TEMPERATURE CONTROL FORMULTIPLE HEATING ELEMENTS(多个加热元件的比例带温度控制)的美国专利09/361825，这里并入该专利作为参考。热水器150与热水器10共享许多公用元件，且公用元件在图1和5中以相同的附图标记代表。然而，与热水器10不同，热水器150具有多个加热元件16和16’。加热元件16位于水箱的较低部分中，加热元件16’位于水箱的较高部分中。可以通过存储在控制箱17’中的控制电路控制加热元件16’，控制电路通过如电线这样的通信链路19’接收来自热敏电阻或温度传感器18’的输入。或者尽管未显示，但传感器18’和加热元件16’可以与存储在控制箱17中的控制电路联系，且能够使用一个控制器而非多个电路。传感器18’和加热元件16’之间的通信可以通过与导线20物理上平行的通信链路(未显示)而实现。在以单个控制器控制两个加热元件的情况下，箱17内的控制电路可采取可编程微处理器的形式。当然，如果需要，可以将多于两个的加热元件安装在热水器150中，且它们由这样的控制器控制。

不管使用确切的控制电路或实现了单控制器还是多控制器，图5中的加热元件被顺序或以某种预定频率或方式启动，以使传递至水箱150的热能以平衡或均匀的方式分布。于是，例如，加热元件16可以在时间T1的第一时间段起作用，在该时间段期间功率以上述的脉冲或多脉冲串方式提供给加热元件16。随后，元件16’可以在时间T2的时间段以脉冲的方式被启动。依赖于特定的加热应用及条件，时间T1和T2可能长度相等或不等，且可能互相交迭或不交迭。另外，根据在水箱11的上部或下部检测的温度，使用温度传感器18和18’的反馈机制可能被用于触发特定的加热元件。

无论使用什么特定顺序，使用比例带温度控制器来控制热水器中的多个元件有助于避免水箱中的水的不均匀加热。现有的加热系统中通常发生不均匀加热，现有的加热系统中大部分水的加热由位于加热水箱底部附近的加热元件完成。这个结构常导致产生“分层”，被加热的水升高至水箱顶部并变得过热，而在水箱的底部形成了不均匀的温度层。更糟糕的是，由于水箱内的隔热层13不能有效地保持来自过热水的高热能，所以水箱顶部的热量累计将迅速消散。利用这里描述的对水顺序脉冲或脉冲串加热，水箱11中的水更一致地被加热。这减小了从水箱顶部到底部的分层中发生热或冷点的可能。也减少了过热水的产生并提高了效率。

通过位于汲取管14中的混合阀157的出口或水管155，上述的顺序还可以与冷水的受控引入结合。通过通信链路V_I/O可以控制阀157，其中通信链路V_I/O与箱17’中的控制电路耦合，或(未显示)当箱17中的控制电路被构造为控制多个加热元件时与箱17中的控制电路耦合。于是，例如，如果水箱上部中的传感器18’检测到过热，则可以通过出口155将一定量的冷水引入水箱11的顶部，以降低加热的水的温度。

图6显示了实现本发明的再一热水器160。热水器160与热水器10和150共享许多公用元件，且图1、5和6中以相同的附图标记指定公用元件。对于图6中显示的实施方式，水箱160定义容积165，其具有大约上三分之二的容积170和大约下三分之一的容积175。进水口22位于下三分之一容积175中，且将冷水引入水箱11。出水口24位于上三分之二容积170中。

如图6所示，加热元件16和16’都延伸入水箱11较低的三分之一容积175中。加热元件16和16’由存储在控制箱17中的控制电路控制，该控制电路接收来自温度传感器18和18’的输入。或者，热水器160可以包括多于一个控制箱，可以包括多于两个加热元件，并包括多于两个温度传感器。

与所公开的热水器150类似，加热元件16和16’被顺序地或以某种预定频率启动，以使热量以平衡或一致的方式传递至水箱11。另外，加热元件16和16’优选地由利用比例带控制技术的控制器17启动。

在热水器160的优选实施例中，加热元件16和16’排列在与水箱11的纵轴185基本上正交的平面180中(即在基本上“水平”的平面中)(见图7)。然而，加热元件16和16’可以以任何其它结构置于大约下三分之一容积175中，只要这两个元件都在大约下三分之一容积175中即可(见图6)。而且，如果使用额外的加热元件，它们也位于大约下三分之一容积210中。

典型地，现有技术的热水器很少使用上部加热元件。通常仅当第一次安装热水器、或很长时间没有使用热水器、或当短时间内从水箱抽出了大量热水时才启动上部加热元件。除了这些少见的情况发生外，很少使用现有技术的上部加热元件。于是，在单元的寿命中加热的大部分水仅使用下部元件加热。仅使用下部元件在能量上效率低，它需要一段较长的时间将水温恢复至设置点温度，且经常需要大的储水箱以保证在需要时能够提供足够的热水。热水器160通过将第二加热元件16’放置在水箱11的约下三分之一容积175中，克服了上述不足。以这种方式排列元件16和16’，并通过生成具有比例带控制的序列脉冲来控制对元件16和16’的操作，使得热水器160可以使用更有效的水加热策略。这导致元件16和16’将热能传递给水的过程经过改进，更为有效。另外，元件16和16’更均匀地分配瓦特密度，从而减少汽化损失。于是，热水器160与现有技术的传统热水器相比，具有更快的恢复时间且使用更少的能量。另外，与现有技术相比，热水器160可以具有更紧凑的用于同等热水需要的水箱尺寸。

图8说明了实现本发明的另一热水器200。热水器200包括永久封闭水箱205；外壳210，其环绕水箱205；和泡沫绝热材料210，其填充水箱205和外壳210之间的环形空间。水箱205具有外表面206。进水管或汲取管215和出水管220进入水箱205的顶部。进水管215具有用于在水箱205的底部附近添加冷水的进水口。出水管220具有用于从水箱205的顶部附近排出热水的出水口230。

热水器200进一步包括第一电阻加热元件235和第二电阻加热元件240，它们延伸通过水箱205的壁。可以预想，加热元件235和240可以置于水箱205内的任意位置且可以是任一特定形状。然而，优选地，第一和第二加热元件235和240处于水箱200的下三分之一容积，且在与纵轴基本上正交的平面上(与图7类似)。另外，尽管通过两个加热元件235和240描述本发明，但热水器200可以包括其它加热元件或可以仅包含一个加热元件235。另外，商用的水箱热水器(与民用水箱热水器相比)可以包含多达十五个加热元件。

热水器200包括第一水温传感器245和第二水温传感器250。水温传感器245和250都安装在水箱205的外表面206上。水温传感器245和250优选地是热敏电阻，且与水箱205中的水热力学耦合。优选地，水温传感器250位于水箱205的下半部，温度传感器245位于水箱205的上半部。但是，可以预想，水温传感器245和250可以安装在水箱的同一半部。另外，热水器200可以包括其它温度传感器或仅包含一个温度传感器245。

热水器200可能包括环境或空间温度传感器255。环境温度传感器255位于热水器200之外，但处于热水器200的周围环境之中，它检测热水器200的周围环境的温度。当然，热水器200可能包括其它环境温度传感器且可能包括其它传感器(如水均匀度传感器)。

热水器200包括比例带控制器或控制单元260，其电连接至第一和第二加热元件235及240、第一和第二水温传感器245和250、以及环境温度传感器255。通常，控制器260接收来自电源线265的240V交流(AC)信号；对提供至第一和第二加热元件245和250的第一和第二比例带信号分别进行调制；接收来自第一和第二温度传感器245和250的第一和第二水温信号；并接收来自环境传感器255的环境温度信号。

如图9所示，控制器260包括腔体267，其具有可视显示区域270和用户输入区域275。可视显示区域270包括多个发光二极管(LED)。这些LED包括第一元件LED 2、第二元件LED 3、系统LED 4、加热LED 5、报警LED 6和电源LED 7。电源LED 7优选地是红色LED且在通电的任何时间发光(即“开”)。系统LED 4优选地是绿色的，且用于指示系统的总状态。在正常的操作期间，系统LED 4约每秒闪一次。系统LED 4的规则闪亮表示热水器正常工作。当控制器260处于“加热”模式时(即热水器正在将水加热至期望温度时)，加热LED 5与系统LED 4一致地闪烁。第一元件LED 2和第二元件LED 3只要在各加热元件工作时就点亮。报警LED 6和加热LED 5在同一管壳中。报警LED 6与系统LED 4共同工作，指示热水器200的状态。

在正常操作期间，如果控制器260处于“备用”模式(即，水温等于或高于期望水温)，则只有系统LED 4闪亮。如果控制器260处于加热模式，则控制器260一致地闪亮系统LED 4和加热LED 5。如果因为某种原因，出现错误状态，则加热LED 5变为红色的警报LED6。在错误状态期间，系统LED 4闪亮指示错误类型的错误代码。当然，可以增添其它LED，且可以除去或修改任一上面披露的LED。另外，可以包括可闻扬声器以提供可闻指示，或者LED提供的信息可以由其它可视指示器(如液晶显示器)传达。

用户输入区域280包括输入拨号盘283，用于用户输入期望的水温。输入拨号盘283包括关位置(即热水器200是“关”)、空闲位置、以及在低或冷水温至高或热水温之间的多个位置。如果输入拨号盘285处于空闲位置，则控制器处于“空闲”模式。“空闲”模式将水加热至低于热水器的正常温度范围的一个预设温度。或者用户输入区域275可以包括用于输入期望的水温状态的其它可能的设备，其包括具有数字LCD显示的多个按钮。当然，可视显示区域275和用户输入区域280可以安装在远离热水器20的第二控制箱内(即不安装在热水器20上)。第二控制箱或者通过硬件有线连接或者通过RF或其它适当的通信机制与控制器260进行通信。

控制器260包括控制电路285，图10中表示了它的原理图。通常，控制电路285包括电源290、过零检测器295、低压复位电路300、温度传感电路305、温控器电路310、LED控制电路312、微控制器U1、存储单元315、第一驱动电路320、第二驱动电路325、和干烧电路330。

如图10所示，电源290接收来自导线260(图8)的高压AC信号(例如，AcIn＝240VAC)，并生成低压AC信号(例如，AcOut＝9VAC)、未调节的直流(DC)信号(例如，V-SNS＝5VDC)、和已调节的直流信号(例如，Vcc＝5VDC)。图11中更详细的显示了示例电源290。

如图11所示，电源290包括变压器T2，其具有用于将高压AC信号(AcIn)转换为低压AC信号(AcOut)的初级线圈和次级线圈。得到的低压AC信号(AcOut)被提供给过零检测器295(图10)和开关S1，开关S1是连接至次级线圈的高压侧的单刀单掷(SPST)开关。当开关S1闭合时，控制电路285工作。

电源进一步包括全波桥式整流器D8、电容C26、齐纳二极管D9、调压器U9、和电容CU1、CU2、CU4、CU7和CU8。桥式整流器D8对低压AC信号(AcOut)进行整流，且电容C26对未调节的DC信号(VSNS)得到的信号进行滤波。齐纳二极管D9对未调节的DC信号(VSNS)进行削顶并保护调压器U9的输入免于瞬时的短期超压现象。调压器U9将电压调节至5V的Vcc信号，且调压器U9上的每一个电容CU1、CU2、CU4、CU7和CU8是用于各集成电路的去耦电容。例如，电容CU1是用于集成电路U1的去耦电容。

再参考图10，电源290向过零检测器295提供低压AC信号(AcOut)。图12中更详细的显示了示例过零检测器295。过零检测器295提供输出信号(ZeroCross)，其指示每次检测器295检测到低压信号(AcOut)多次变化。过零检测器295包括电阻R55、R61和R53、电容C21、二极管D1、和晶体管Q8。电阻R55接收低压AC信号(AcOut)。二极管D1、电容C21和电阻R61并联，它们一端连接至电阻R55和晶体管Q8的基极，另一段连接至晶体管Q8的发射极。电阻R53的一端连接至Vcc，另一段连接至晶体管Q8的集电极。晶体管Q8的集电极处生成过零信号(ZeroCross)。随着AC电压改变极性，Q8在关状态和饱和之间来回切换，从而生成具有前沿的一系列脉冲。每一脉冲的前沿对应一个过零。

再参考图10，控制电路285包括低压复位电路300。图13中详细显示了示例的低压复位电路300。低压复位电路包括集成电路U3，其优选地是连接至电容C18和电阻R45及R46的MotorolaMC34064P-5(也可使用其它电路)。集成电路U3向微控制器U1提供欠压复位保护信号。在功率衰退或“节电(brown)”的情况，集成电路U3使微控制器U1复位。优选地，请求的DC信号一旦降至低于4.5V就进行上述操作。低压复位电路保证控制电路285安全地操作，不因导线功率低而发生故障。

再参考图10，控制电路285包括温度传感电路305。与第一及第二水温传感器245和250相结合的温度传感电路305将热水器200的水温传输给微控制器。如图14中详细所示，温度传感电路包括电阻R70和R71、具有负温度系数的热敏电阻RT1和RT2。电阻R70和热敏电阻RT1形成产生第一温度信号的第一分压器(第一传感器)，电阻R71和热敏电阻RT2形成产生第二温度信号的第二分压器(第二传感器)。由于第一和第二分压器优选地是相同的，所以只详细讨论第一分压器。随着水箱205外面的温度增加，热敏电阻RT1的电阻下降，引起输出电压(第一传感器)增加。微控制器U1中的模数(A/D)转换器读出八位数字的电压(第一传感器)。该八位数字用作具有多个相应的检测温度的查询表的索引。根据该八位数字，得到检测的温度结果。

随着水箱205内的水温升高，在温度传感器245或250检测的结果中的误差增加。即，从水经过水箱205的材料的热传导通路具有滞后时间差。为了校正它，由线性等式“校正”从查询表读出的检测温度值。微控制器U1在作出水加热决策时使用校正的温度。

再参考图10，控制电路包括温控器310。如图15中详细所示，温控器是电位器R65，其作为分压器且具有电阻范围(如20k欧姆)。分压器(温控器)的输出信号被微控制器U1转换为八位数字，然后被按比例调节以生成设置点温度值。设置点温度值是水要加热到的温度。

再参考图10，控制电路285包括LED控制电路312。LED控制电路312控制发光二极管LED2、LED3、LED4、LED5、LED6和LED7的启动。如图16(a)中详细显示的，LED控制器312包括电阻R56、R57、R58、R59、R60、R47、R48、R49、R50、R51和R52、以及晶体管Q3、Q4、Q5、Q6和Q7。当开关S1(图11)关闭时，电源290生成供给LED7和电阻R52的已调节的低压DC信号(Vcc)。提供的低压已调节DC信号(Vcc)点亮LED7。为了控制LED2、LED3、LED4、LED5和LED6，将五位信号提供给电阻R56、R57、R58、R59和R60。如果任一位为高，则向各电阻R56、R57、R58、R59或R60提供低压DC信号，使得基极电流足以使电流流经各晶体管Q3、Q4、Q5、Q6或Q7。电流从Vcc流经晶体管Q3、Q4、Q5、Q6或Q7，通过各发光二极管LED2、LED3、LED4、LED5或LED6到达大地。

再参考图10，控制电路包括微控制器或处理器U1和存储单元315。如图16(a)所示，微控制器U1优选地是28脚的MotorolaMC68HC705P6A(也可使用其它微控制器)。微控制器U1包括八位输入/输出端口(引脚3-10)、三位串行接口(引脚11-13)、四位模数转换器(引脚15-19)、用于存储操作微控制器的软件程序的存储器、和用于接收来自振荡器317(图17)的信号的两个引脚(引脚26和27)。存储单元315包括256字节的电可擦除只读存储器(EEPROM)芯片U4。EEPROM U4用于存储配置数据，如热水器结构规格(例如操作电压、水箱容积、不同元件的电阻等)、用户使用方式数据、元件类型数据、以及其它相关数据。有了EEPROM数据和实时传感数据(如，第一和第二水温传感器245和250检测的温度)，微控制器U1执行软件程序，以控制加热元件加热并保持水温。另外，软件程序包括至少一个子程序，以确定水是否围绕每一加热元件。

再参考图10，控制电路包括第一驱动电路320和第二驱动电路325，它们分别控制提供至第一和第二加热元件235和240的功率。两个驱动电路是同样的，于是只详细讨论驱动电路320。如图16(b)所示，第一驱动电路320包括电阻R66和R86、三端双向可控硅开关元件Q1、以及光声耦合过零三端双向可控硅开关元件驱动器U5。三端双向可控硅开关元件驱动器U5由从微控制器U1的输出接收的门脉冲确定门驱动。脉冲串由微控制器U1生成，微控制器U1确定发送至加热元件235(图10)的功率电平。例如，微控制器U1可能向三端双向可控硅开关元件驱动器U5提供脉冲串，引起66％的功率输送(即，66％的可用功率被输送至加热元件)；或者可能向三端双向可控硅开关元件驱动器U5提供脉冲串，引起40％的功率输送。三端双向可控硅开关元件驱动器U5与过零检测器295耦合，以保证当达到设置点温度时，三端双向可控硅开关元件完全关断。如果不使用驱动器U5，则三端双向可控硅开关元件Q1可以在传导状态中保持部分打开，并潜在地影响控制电路285的可靠性。

再参考图10，控制电路包括干烧电路330。如图16(a)和16(b)中详细所示，干烧电路330包括数据锁存器U2(16(a))、第一电阻梯(ladder)335(16(a))、第二电阻梯340(16(a))、电压传感放大器345(16(b))、电流传感放大器350(16(b))、电阻R90、R91、R92、R97、R98和R100(都在16(b)中)、晶体管Q9和Q10(都在16(b)中)、电流传感器R1(16(b))、和电阻R44(16(b))。数据锁存器U2优选地是Motorola 74HC374数据锁存器(可以使用其它数据锁存器)，它用来保存控制第一和第二电阻梯335和340的五位数据字。第一电阻梯335生成一电压，电压传感放大器345将该电压用作参考。一旦设置或校准了这个参考电压，数据锁存器U2就用于控制第二电阻梯340生成一电压，该电压被电流传感放大器350用作参考。锁存器还保存三个额外的数据位。第一数据位(位7)控制显示LED之一；第二数据位(位6)选择EEPROM；和第三数据位(位5)使得能够与非板载测试仪器通信。电流传感器T1和电阻R44生成与提供给加热元件的电流成比例的电压。晶体管Q9和Q10选择当前哪一个放大器将信号提供给微控制器U1。

“干烧”测试的基础是在“几乎”逐周期的基础上的峰值电压和峰值电流的测量结果。测量结果不是精确地逐周期的原因是因为电压是在经整流和过滤之后测量的。AC导线电压中的变化表明了整流的DC电压中的变化。由于电容C26的时间常数以及变压器的次级绕组中的电阻，所以电压和电流采样是在逐周期的基础上进行的并存储在缓冲器中。当缓冲器满时，检查电压采样，以确定在电压采样填满缓冲器的时间期间电压是否稳定。如果变化在可接受的限度内，则电压和电流采样是平均值，且执行简单的电阻计算(即R＝V/I)。

当生产者组装热水器200时，生产者将用于组装热水器200的构件、水箱205的容积、和/或关于热水器200的特定元件的产品信息编程写入存储单元315。例如，生产者可以将一个或多个水箱特性和/或一个或多个元件特性编程写入存储单元。水箱特性可以包括但不限于水箱直径、水箱高度、水箱存储容积等。水箱特性决定在水箱205中生成不同温度水层的水箱205中的热对流方式。元件特性可以包括但不限于元件数、元件类型、元件电压、元件的物理位置(如上部或下部、或并行(side-by-side))、元件瓦特密度等。元件特性有助于提供关于元件235和240怎样有效地加热水的信息。

另外，微控制器U1可以确定一些水箱或元件特性。例如，微控制器可以通过向元件施加电压并计算一段时间后的元件电阻，而为特定的元件计算元件功率。

优选地，将所有热水器水箱特性和元件特性都编程写入存储单元315。根据变量和特性，微控制器U1从查询表中得到特定于热水器200的代码。微控制器U1的软件部分根据热水器代码为热水器200生成加热策略(下面讨论)。如果微控制器U1检测到元件被更换，或检修人员对存储单元315中存储的数据重新编程，则微控制器U1可以更新热水器代码。另外，尽管生产者将每一个变量或特性编程写入存储单元315，但可以预想，生产者可以直接将代码编程入存储单元315。

因为在电热水器的制造和结构中使用了多种水箱特性和元件，所以仅靠加热策略不能解决众多结构。而软件根据热水器200的变量和特性向热水器200指定代码。变量和特性定义了热水器的特征标记，而且当以热水器使用方式使用时，变量和特性生成更可靠的有效且节能的热水器。

现在参考图18，在热水器200的操作中，用户通过将温控器310从关位置顺时针旋转而“打开”热水器200(步骤500)。这关闭了开关S1。一旦关闭开关S1，电源290就生成低压AC信号(AcOut)、未整流的DC信号(V-SNS)和已整流的DC信号(Vcc)。一旦电源生成高于4.5V的Vcc，低压复位300将微控制器U1带出复位状态。如果任何时候电压降至低于4.5V(例如，用户关闭系统、发生“断电”、或发生“节电”)，则低压复位300向微控制器U1提供信号，复位微控制器U1。

在步骤505，当微控制器U1从复位中出来之后，软件初始化微控制器U1。软件将所有变量复位至它们的默认值，并将所有输出复位至它们各自的默认状态。

在步骤510，微控制器执行“干烧”测试。术语“干烧”是指对没有浸入水的加热元件235或240进行加热。通常，“干烧”将在一分钟之内破坏或烧坏加热元件235或240。控制电路285执行“干烧”测试，以确定加热元件是否由水围绕。

通常，控制电路285通过测量施加于加热元件235和240的每个的峰值电流和峰值电压并根据测量结果进行电阻计算，执行“干烧”测试。例如，通过向加热元件235或240之一施加特定时间长度的电压，并在测试时段的起点和终点测量电阻，可以确定加热元件235或240的状态。随着元件235或240加热，它的电阻增加。如果元件在水中，则元件很快达到平衡(即稳定的温度和电阻)。相反，如果元件235或240是“干”的，则它持续加热并在很短的时间达到高温(和高电阻)。在测试结束时，比较起点和终点电阻。对于“湿”元件，起点和终点电阻之差小；而对于“干”元件，起点和终点电阻之差比湿元件的大许多倍。

另外，通过改变干烧测试的长度，可以精确测量加热元件235或240的瓦特密度。根据瓦特密度，微控制器U1可以更新热水器代码。

图19显示了一种用于执行干烧测试的示例方法。在步骤605，微控制器U1在干烧测试期间使所有LED无效。LED的无效保证LED的闪烁不影响测试。在步骤610，软件设置元件号，该元件号指示第一加热元件235正在测试。在步骤615，软件将微控制器U1的操作模式设置为干烧模式，其向所有子程序通知微控制器U1正在执行干烧测试。在步骤620，软件清除所有干烧错误标志。干烧错误标志指示最近的干烧测试(如果发生了)是否导致错误。例如，如果前一次干烧测试导致对应于第一元件的错误标志为“干”，则然后微控制器U1复位错误标志，其表示当前测试的结果还未完成。

在步骤625，微控制器U1校准电压放大器345。在任一电压采样可以作为干烧计算使用之前，必须使用由数据锁存器U2和电阻梯335生成的可变参考电压校准电压放大器345。为了完成这个校准，微控制器U1首先通过驱使Q10进入饱和(Q9为关)，选择电压传感电路的输出。然后将参考电压(V-REF)设置为它的最高值。接下来，参考电压(V-REF)逐渐地减少，直至电压放大器的输出(Dry-Out)达到预定值。于是参考电压留在该值。

例如，V-SNS是未经调节的DC信号，其具有稳态元件和小的“交流电”元件。在提供给变压器的信号(AcIn)中的任何增大或减小将在V-SNS信号的小“AC”元件中得以体现。为了使微控制器U1注意到任何重要的变化，电压放大器345将小“AC”元件的变化放大。例如，如果稳态是2.0V，则流入电阻R88(图16(b))的任何超过2.0V的参考电压(V-REF)将导致不发生放大且放大器的输出将为零。如果参考电压(V-REF)低于2.0V，则将发生放大。调整参考电压(V-REF)，所以U7B的输出在它的输出幅度(例如，0-3.5V)的中间某处。微控制器U1继续步调一致地减小参考电压(V-REF)，直至达到期望的输出(例如，参考电压等于1.5V)。于是，导线电压中的任何变化被与U7B的增益相等的因子放大。

在步骤630，微控制器U1校准电流放大器350。由于具有电压放大器345，所以第二阶段必须在能够开始采样之前校准U8B(图16(b))。通过驱使Q9进入饱和(Q10关)然后与参考电压(V-REF)类似地逐渐调节参考电流(I-REF)，选择电流传感电路。

在步骤635，软件确定电压和电流放大器345和350是否被正确校准。如果在校准中有错误，则软件将校准错误标志设置为正结果(步骤640)，并进入步骤660。如果校准没有任何错误，则微控制器U1进入步骤645。

在步骤645，微控制器U1对第一元件235执行干烧测试。对于该测试，在峰值处测量瞬时电压和电流。这是通过对放大电路345和350(Dry-Out)的电压和电流的信号相对于低压AC信号(AcOut)的过零进行采样而完成的。在合适的过零处，对于每一放大电路340和350启动计时器。当电压和电流波形处于峰值时，使用超时变量来以预定的周期相对于过零进行电压或电流采样。瞬时电压和电流采样各自加载到微控制器U1中分别的缓冲器。当缓冲器满时，分析数据以确定导线电压是否在采样周期期间是稳定的。如果采样电压是稳定的，则计算平均电压和电流，并进行电阻计算。在干烧测试期间继续这种方式进行计算。在测试末尾，提取起点和终点电阻值，以找出在测试过程中电阻变化了多少。测试的基础不是电阻的实际值(与加热元件的各个类型不同)，而是电阻从测试起点到测试终点的差别。

在步骤650，微控制器U1确定第一元件235是否为干。如果计算的电阻差大于设置电阻变化值(这可根据使用的加热元件而变化)，则微控制器U1确定该元件不被水所包围(即，“干”)并进入步骤655。如果微控制器U1确定计算的电阻变化等于或小于设置电阻变化值，则微控制器U1确定该元件被水所包围并进入步骤660。

在步骤655，软件将第一元件错误标志设置为正结果。正的第一元件错误标志向随后的子程序通知第一元件235未被水包围。因此，后面的子程序将不使用这个元件加热水。微控制器U1也将把ReCheck计时器设置为180分钟。ReCheck计时器将随时间递减，直至达到零分钟。当ReCheck计时器达到零时，微控制器U1将在该元件上执行另一干烧测试。

在步骤660，微控制器U1将元件号设置为第二元件。在步骤665，微控制器U1为第二元件重复步骤625、630、635、640、645、650和655，以确定第二元件是否干。如果微控制器U2确定第二元件干，则它将把第二元件错误标志设置为正结果。当然，如果热水器包括多于两个加热元件，则微控制器U2为其余元件执行干测试。另外，如果热水器仅包含一个加热元件，则微控制器U2将不执行步骤660或665。

再参考图18，在步骤515，软件确定“ReCheck”超时是否大于零。ReCheck超时是由软件使用的计时器(例如20ms)，用来在要对温度传感器245、250和255采样时通知软件，并生成或修改加热包含在热水器中的水的加热策略。如果ReCheck超时大于零，则软件进入步骤520。如果ReCheck超时小于或等于零，则软件进入步骤525。

在步骤520，微控制器U1“点亮”系统LED4、加热LED5和报警LED6。即，软件根据软件所处的模式或是否发生了错误标志，执行启动合适的LED的子程序。例如，在正常操作期间，微控制器305生成使得系统LED4闪亮或熄灭的信号。如果软件处于加热模式(下面讨论)，则加热LED5与系统LED4一致地闪亮。如果软件具有正的错误标志，则报警LED6与系统LED4共同作用，向操作者或维修人员指示热水器200的状态。

如果ReCheck超时小于或等于零，则微控制器U1进入步骤525。通常，微控制器U1采样温度传感器样本(步骤525)、计算水温(步骤530)、计算温控器设置(步骤535)、建立操作模式(步骤540)、设置加热循环状态(步骤545)、并设置加热优先级(步骤550)。图18中显示了实现步骤525、530、535、540、545和550的示例方法。另外，微控制器U1存储用于生成使用历史的数据(步骤555)并点亮LED(步骤560)。

在步骤705(图20(a))，微控制器U1对温度传感器245进行采样并将得到的第一电压载入软件中用于处理。在步骤710，微控制器U1对温度传感器250进行采样并将得到的第二电压载入软件中用于处理。在步骤715，微控制器U1使用温度查询表将第一和第二采样电压分别转换为第一和第二传感温度。查询表包含具有各个相关温度的多个电压范围。例如，如果第一温度传感器生成2.1V信号，则相关的温度可能是110°F。查询表可以根据使用的传感器而改变。在得到第一和第二检测温度后，软件考虑在获得温度时的任何延迟时间，修改检测的温度。即，由于水箱205中的水温升高，所以在温度传感器245或250检测的结果中存在递增误差。从水通过水箱205的材料的热传导通路具有延迟时间差异。为了校正它，该延迟被从查询表中读出的温度值“校正”。在软件作出水加热决定中使用经校正的第一和第二温度。

在步骤720，微控制器U1加载或采样来自温控器310的信号。如果微控制器U1确定温控器电压对应处于关位置的温控器(步骤725)，则软件将操作模式设置为等于关状态(步骤730)并返回图18的步骤555。例如，如果温控器电压低于0.1V，则软件确定温控器处于关位置，并关断控制器260。如果温控器电压大于相应于关位置的电压(步骤725)，则软件进入步骤735。

在步骤735，软件确定操作模式先前是否被设置为关(即，系统刚打开)。如果操作模式先前是关，则软件将操作模式改变为“备用”(步骤740)。正如下面将详细讨论的，当热水器200处于备用模式时，控制器260不增加水温。如果操作模式处于关操作模式以外的模式，则软件进入步骤745。

在步骤745，软件将温控器电压与代表温控器的空闲位置的设置电压比较。例如，如果温控器电压小于0.7V，则软件确定温控器被设置为空闲位置并进入步骤750。如果温控器电压大于0.7V，则软件确定用户已经将热水器设置为期望的温度，并进入步骤755。

在步骤750，软件将设置点温度设置为等于空闲温度(例如，90°F)。空闲温度可以是制造商确定的值或由用户预设。在设置了设置点温度后，软件进入步骤760(图20(b))。

在步骤755(图20(b))，软件根据采样的温控器电压，计算设置点温度。微控制器U1优选地使用第二查询表，但是也可使用基于输入电压的公式。

在步骤760，软件计算热水器开温度。热水器开温度是一个或多个元件接收到功率信号的温度。热水器开温度是设置点温度减去滞后温度。滞后温度是水温在加热之前比设置点温度低的华氏度数(例如，10华氏度)。于是，通过计算热水器开温度，微控制器U1避免“欠循环(under cycling)”。

在步骤765，软件确定操作模式是否处于“备用”模式或“加热”模式。如果操作模式被设为备用，则软件进入步骤770。如果操作模式被设为加热，则软件进入步骤775。

在步骤770，软件确定水箱下部温度(来自温度传感器250)是否小于或等于热水器开温度。如果水箱下部温度小于或等于热水器开温度，则软件确定应当将水加热并进入步骤780。如果水箱下部温度高于热水器开温度，则软件确定不应对水进行加热，并进入步骤800。

在步骤780，软件将操作模式设置为加热模式，指示应当对水进行加热。在将操作模式设置为加热后，软件对于另一加热循环复位所有操作状态变量和超时(步骤785)。例如，软件复位ReCheck超时(例如20ms)。

如果在步骤765，软件确定操作模式被设置为加热，则软件进入步骤775。在步骤775，软件确定水箱下部温度是否高于或等于设置点温度。如果水箱下部温度高于或等于设置点温度，则软件确定应继续对水进行加热，并因此停留在加热模式中，并进入步骤800。如果水箱下部温度小于设置点温度，则软件确定水已被合适地加热，并进入步骤785。

在步骤785，软件将操作模式改变至备用(即，指示水温不应再增加)。在步骤790，软件确定第一加热元件235是否被水包围(假设第一元件在第二元件之上)。如果第一加热元件235没有被水包围(即，元件为干)，则软件将ReCheck超时变量设置为两分钟(步骤795)。通过改变ReCheck超时变量的长度，软件使得水箱在被第一元件加热之前可以充满水。当然，软件设置的ReCheck超时变量的时间量可以变化，且对于要工作的发明的用途不需要特定的值。如果第一元件确实被水包围(即，得到湿状态)，则软件进入步骤800。

在步骤800(图20(c))，软件确定是否已经经过了温度斜率计算周期。如果已经过了该周期，则软件复位计时器并计算温度斜率(步骤805)。计算温度斜率使得可以确定是否正在发生汲取水。最近的水箱温度采样以常规的时间间隔(例如，90秒)同存储单元(315)中存储的先前样本进行比较。根据温度值，对水计算温度斜率或温度变化的速率。如果用户正在汲取水，则将得到大的负斜率值，向软件通知正在对水进行汲取。

在步骤810，软件设置工作循环，其确定要传递给各个加热元件的电量。电量根据水温以及热水器200的热水器代码而变化。另外，电量可以考虑热水器使用方式(其存储在存储单元315中)、环境温度、水均匀度值、或其它信息。

对于步骤810，软件从存储单元315得到热水器代码以及热水器存储的过去的数据记录。每次软件结束步骤555(图18)时，存储过去的记录，且每条记录包括日期时间、过去的加热持续时间、在水温降低和升高中的变化速率(斜率)、还可能包括其它信息，如环境温度。当控制器260对水进行加热时，它在存储单元315中搜索在之前的天和/或星期中的相同时间段期间的相似情况的记录信息。如果表现出用户在任一给定时间期间使用大约等量的水，则水将被以热水器代码的标准速率被加热，该速率将满足加热的水的期望消耗。如果存储的数据指示，在当前加热循环之后不再有使用，则将以较低的工作循环很缓慢地对水进行加热，以将能耗最小化。如果在水温中有突然或迅速的下降(即，负温度斜率)，则软件将根据热水器的当前使用条件计算新的工作循环。随着使用方式改变，改变旧的记录以反映当前的操作条件。对于优选实施例，考虑什么最小水温流速将是可接受的的基线公式是最小恢复，其等于以60°F上升的每小时十加仑。

与这个公式、产品代码信息和使用记录一起，与温度速率改变相对的功率输入比被用于确定加热策略。该策略提供输入功率水平，以达到或超过最小恢复速率，同时将能量效率保持为最大。随着使用方式中的条件变化，改进策略以保持最低恢复标准。

例如，用于具有第一元件功率的第一热水器代码的标准加热策略将与用于具有第二元件功率的第二热水器代码的加热策略不同。表1和2中显示了对于第二元件240的两种示例性加热策略。

表1：对于第一加热器代码的水加热策略

水温                      第二元件的功率或工作循环

＜115°F                  100％

115°F～120°F            66％

120°F～125°F            57％

125°F～130°F            50％

130°F～135°F            40％

135°F＞                  20％

表2：对于第二加热器代码的水加热策略

水温                    第二元件的功率或工作循环

＜115°F                100％

115°F～120°F          80％

120°F～125°F          66％

125°F～130°F          50％

130°F～135°F          40％

135°F＞                20％

对于热水器200，施加于加热元件235或240的工作循环或功率至少部分基于检测的水温和热水器代码。依赖于热水器代码的加热策略的概念不像对于热水器10和150的加热水的方法。对于热水器10和150，施加于加热元件16和/或16’的工作循环或功率是基于检测的水温和期望的水温之间的差。然而已经确定，与功率输入相比，在给定的水温将功率增加到浸入水中的元件可能不会导致最适宜的水温增益。例如，假设所有其它条件都是相同的，可以确定，当水处于较凉的温度时，可以从元件向水传递更多的热。随着水温升高，需要提供给加热元件235或240的功率较少，而与测量温度和期望温度之间的差无关(即，与功率输入相比，超额的功率将不会导致最佳的传递)。因此，软件无需为对水进行加热而考虑期望温度和测量温度之间的差。但是可以预想，在一些条件下(例如，使用方式改变，需要水被尽快加热，而无需考虑效率)加热策略可能需要包括差值测量结果。

在步骤815，软件确定“汲取下降(draw down)”状态。汲取状态指示用户当前是否在汲取水，以及用户正以什么速率汲取水。汲取下降状态有四个值：“水箱在加热”、“汲取下降-1”、“汲取下降-2”和“恢复”。如果汲取下降状态是“水箱在加热”，则软件进入步骤820。如果汲取下降状态是“汲取下降-1”，则软件进入步骤825。如果汲取下降状态是“恢复”，则软件进入步骤830。如果引水状态是“汲取下降-2”，则软件进入步骤835。

在步骤820，软件确定温度斜率是否小于或等于汲取下降的阈值。例如，如果计算的温度斜率小于10°F，则软件确定正在进行汲取下降，并将汲取下降状态设置为“汲取下降-1”(步骤840)。如果温度斜率大于汲取下降阈值，则软件确定不在进行汲取，并进入步骤870。

如果汲取下降状态当前为“汲取下降-1”，则热水器之前处于汲取下降(即，用户正在使用热水)。在步骤825，软件确定温度斜率是否为正。如果温度斜率为正，则软件确定热水器正在恢复，并将汲取下降状态设置为恢复(步骤845)。如果温度斜率仍为负，则软件确定热水器仍处于汲取下降，并进入步骤870。

如果汲取下降状态当前被设置为“恢复”，则热水器从汲取下降中恢复。在步骤830，软件确定是否存在另一汲取下降(即，温度斜率小于或等于汲取下降的阈值)。如果有另一个汲取下降，则软件将汲取下降状态设置为“汲取下降-2”(步骤850)。如果软件确定热水器仍在恢复，则程序进入步骤870。

在步骤835，软件确定水箱下部温度是否大于或等于热水器开温度。如果水箱下部温度大于或等于热水器开温度，则软件将汲取下降状态设置为恢复，并复位温度斜率。如果水箱下部温度小于热水器开温度，则微控制器U1将工作循环设置为满功率(步骤760)。当然，依赖于特定的热水器和环境情况，可以使用其它工作循环。

在步骤870，软件为热水器确定加热优先级。如果加热优先级是“50对50”(以下讨论)，则软件与水温无关地将工作循环设置为满功率(步骤875)。当然，依赖于特定的热水器和环境情况，可以使用其它工作循环。如果加热优先级不是50对50模式，则软件进入步骤880(图20(d))。

在步骤880，软件根据先前确定的加热优先级选择一个情况。加热优先级用于确定启动哪一元件。例如，如果第一元件是上部的元件，且第二元件是下部的元件(与图5相似)，则在一定条件下，两个元件都可以使用。对于这种安排，如果两个元件都正被使用，则加热优先级将是平分的。如果仅使用了一个元件，则加热优先级是0对100。或者，如果元件在基本上水平的平面中，则可以是50对50的排列使用两个元件(与仅使用一个元件相对比)来对水进行加热。

在步骤885，软件确定上部的水箱温度是否已经下降(即，上部元件的温度斜率小于或等于阈值)。如果上部水箱温度下降了，则软件将加热优先级设置为“50对50”(步骤887)，使得两个元件都对水进行加热。如果上部水箱温度没有下降，则软件进入步骤555(图16)。

在步骤890，软件确定上部水箱温度是否已经恢复(即，上部元件的温度斜率大于阈值)。如果上部温度水箱已经恢复，则软件将优先级设置为“0对100”(步骤895)，使得仅第二元件240对水进行加热。如果上部水箱温度没有恢复，则软件进入步骤555(图16)。

软件每800ms执行一次计时器中断事件。计时器中断用作多种超时(例如，“ReCheck”超时)的计时基准。在每一中断期间，微控制器的计时器被复位，且如果超时变量的值仍然大于零则减少超时变量。一旦超时值达到零，则可以在此时或在主循环期间执行相关的子程序。如图21所示，在步骤905软件为下一预定中断复位计时器。在步骤910，软件为超时服务(即，减少各个超时)并延迟变量。在步骤915，软件按照需要执行与事件相关的子程序。在步骤920，软件从中断返回至先前执行的步骤。

每次信号(AcOuhHI)越过0V时，微控制器U1执行过零事件中断。当晶体管Q8(图12)打开时，它进入饱和，引起生成微控制器U1的中断的下降沿。这个下降沿用作用于启动三端双向可控硅开关元件Q1和Q2(图16(b))的参考沿。当参考沿发生时，调节计时器中断(图21)，以使它精确地对应发生过零的时间。通过这种方式，过零中断在正确时间精确地启动三端双向可控硅开关元件。

为了控制传递给加热元件235和240的功率，微控制器U1生成输出信号(第一元件或第二元件)，该输出信号被分别供给过零三端双向可控硅开关元件驱动器U5和U6。过零三端双向可控硅开关元件驱动器U5和U6与三端双向可控硅开关元件Q1和Q2联合控制提供给加热元件235和240的高压AC信号(AcIn)。

为了控制传递给加热元件235和240的功率，对于四个连续的半AC周期的序列，启动三端双向可控硅开关元件Q1或Q2。启动的三端双向可控硅开关元件Q1或Q2是基于加热优先级以及与加热循环相关的软件的状态的。例如，如果加热优先级是“0对100”，则仅启动一个三端双向可控硅开关元件Q2。或者，如果加热优先级是“50对50”且加热元件235和240被顺序启动，则软件包括确定启动加热元件235或240的哪一个的变量。在启动四个顺序AC半周期的序列后，软件延迟启动，即在许多周期中不启动三端双向可控硅开关元件Q1或Q2。不启动三端双向可控硅开关元件Q1或Q2的周期数由要传递给加热元件235或240的功率值确定。例如，如果要传递100％的功率，则软件将完全不延迟启动。如果要传递50％的功率，则软件将把三端双向可控硅开关元件Q1或Q2的启动延迟四个半AC周期。表3披露了示例性的电功率传递表。

表3：用于基于初始四周期启动的多种工作循环期的查询表

延迟(半周期)               功率传递

0半周期延迟                100％功率

1半周期延迟                80％功率

2半周期延迟                66％功率

3半周期延迟                57％功率

4半周期延迟                50％功率

6半周期延迟                40％功率

16半周期延迟               20％功率

当然，可以使用其它的半周期延迟，且可以改变初始四周期启动，以得到不同的功率传递比。

尽管这里显示并描述了本发明的特定的实施方式，但是在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以作出改变和修改。例如，可以使用不同于Motorola UAA1016A逻辑芯片的逻辑芯片来控制晶闸管103的开关循环。而且，可以使用不同于热敏电阻的温度传感设备作为温度传感设备102。而且，可以使用不同于Motorola TRIAC的晶闸管作为晶闸管103，且可以使用上面提到的多种加热元件和其它可选择的控制电路。因此，除了所附权利要求中包含的限定外，没有其它对本发明的限定。

在下面的权利要求中提出了本发明的各种其它特征和优点。

Claims (11)

1. 一种热水器，包括：

用于保存水的水箱；

进水管，其具有将冷水引进水箱的进水口；

出水管，其具有将加热的水从水箱中排出的出水口；

延长进入水箱的第一加热元件；

延长进入水箱的第二加热元件；

控制电路，可操作该控制电路以分别控制将电功率以脉冲串的形式提供到第一与第二加热元件，每个脉冲串后跟随其间不将电功率提供到第一和第二加热元件的一时间段，还可操作该控制电路以激励第一加热元件持续第一时间周期并且激励第二加热元件持续第二时间周期；并且

其中水箱具有纵轴，水箱具有与纵轴正交的平面，以及第一和第二加热元件处于正交的平面内。

2. 如权利要求1所述的热水器，其中水箱限定一容积，该容积具有上三分之二容积与下三分之一容积，其中出水口放置在上三分之二容积内并且进水口放置在下三分之一容积，并且其中第一与第二加热元件放置在下三分之一容积。

3. 如权利要求2所述的热水器，其中第一与第二加热元件以顺序的方式启动。

4. 如权利要求1所述的热水器，其中第一与第二加热元件以顺序的方式启动。

5. 如权利要求1所述的热水器，其中水箱具有顶部与底部，并且进水管包括汲取管，该汲取管在与水箱的顶部相邻的点处延伸进入水箱。

6. 如权利要求5所述的热水器，其中汲取管包括放置在汲取管中的混合阀，该混合阀具有水管并且由控制电路控制以将冷水通过水管引进水箱。

7. 一种热水器，包括：

用于保存水的水箱，该水箱限定一容积，该容积具有上三分之二容积与下三分之一容积；

进水管，其具有放置在下三分之一容积内的进水口，该进水口将冷水加入到水箱；

出水管，其具有放置在上三分之二容积内的出水口，该出水口从水箱抽取加热的水；

延长进入下三分之一容积的第一与第二加热元件；

控制电路，可操作该控制电路以分别控制将电功率以脉冲串的方式提供到第一与第二加热元件，每个脉冲串后跟随其间不将电功率提供到第一和第二加热元件的一时间段，还可操作该控制电路以激励第一加热元件持续第一时间周期并且激励第二加热元件持续第二时间周期。

8. 如权利要求7所述的热水器，其中第二加热元件与第一加热元件以顺序的方式启动。

9. 如权利要求8所述的热水器，其中水箱具有纵轴，其中水箱具有正交于纵轴的平面，以及其中第一和第二加热元件处于正交的平面内。

10. 如权利要求7所述的热水器，其中水箱具有顶部与底部，进水管包括汲取管，该汲取管在与水箱的顶部相邻的点处延伸进入水箱，以及进水口与水箱的底部相邻。

11. 如权利要求10所述的热水器，其中汲取管包括放置在汲取管中的混合阀，该混合阀具有水管并且由控制电路控制以将冷水通过水管引进水箱。

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