CN1267446A - 具有用于提高热效率的比例区段温度控制的热水器 - Google Patents

Abstract

一个具有水箱和延伸进水箱、对水箱中的水加热的电阻加热元件(125)的热水器。热水器包括比例区段温度控制器(100),用于以短脉冲串形式向电阻加热元件(125)传输电能。电源的每个短脉冲串后面跟着一个时间段,在该时间段内,温度控制器不向电阻加热元件(125)传输电能。在一个实施例中,电源的每个短脉冲串持续一个循环的大约95%或更少,其中所述循环包括电源的一个短脉冲串,后面跟着温度控制器(100)不传输电能的时间段。

Description

具有用于提高热效率的比例区段温度控制的热水器

发明领域

本发明一般地涉及电热水器。本发明特别涉及用于在这种热水器中对水加热的改进方法和装置。更特别地，本发明涉及以一种能提高热水器中的加热元件的加热效率的方式将电源加到电阻加热元件上的方法和装置。

这里的说明是关于家用热水器的，其中，水由电阻加热元件加热。该说明以及本发明的改进一般地可以应用到采用电阻加热元件的热水器上。

发明背景

这里所考虑的热水器一般包括固定封闭的垂直安装的圆柱形水箱，与水箱同轴并沿径向与水箱间隔开的圆柱形外壳，以便在水箱外壁与外壳内壁之间形成一个环形空间，还包括在环形空间的至少一部分中的绝热材料，用于提供对水箱的绝热。在环形空间内直接扩充的聚合泡沫是一种有效的绝热材料。特别地，带有发泡剂的多元醇和异氰酸酯反应物通常在环形空间内的适当位置进行反应，以形成聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫容易扩充到可到达的空间，并迅速地凝固成一个坚固密闭的单元泡沫绝热材料。在环形空间内提供了用于容纳扩充的泡沫的装置，例如泡沫挡板。

水箱具有各种附件，例如入口、出口和排水配件。特别地，水箱带有水加热和温度控制装置。对于电热水器，水加热装置一般包括电阻加热元件。加热元件穿过水箱壁中的配件延伸至水箱内，以便该电阻加热元件在水箱内部，而连接电阻加热元件和电源的装置在水箱外部。

电热水器的温度控制装置一般包括机械恒温器，当感测到水箱中的水温低于选定的设置点温度时，该机械恒温器操作开关来使得电源加在电阻加热元件上，而当水箱中的水温处于或高于该设置点温度时，操作该开关来切断电阻加热元件的电源。采用这样的温度控制装置，通过电阻加热元件的电源或者是完全导通的、通过全部电流，或者是完全截止的。

通常用在热水器上的机械恒温器包括安装为与水箱的外壁相接触的金属的双金属盘，用于感测水箱中的水温。该双金属盘在比设置点温度低时是平的。然而，在设置点温度时，双金属盘迅速变成凸顶形状，并且维持这种形状，直到它冷却到低于设置点的温度。在低于设置点的温度，双金属盘迅速变回成平坦位置。双金属盘的机械滞后使得该盘迅速变回到平坦位置的温度比双金属盘迅速变成凸顶形状的设置点温度要低得多(5到10℃)。双金属盘通过电绝缘推杆与附着在水箱外壁上的酚醛树脂外罩内的电开关相连。电开关在连接电阻加热元件和电源的电线中。

将一个带螺纹的双头螺栓安装在与双金属盘相接触的外罩中，用于手动调节双金属盘上的张力(tension)，以便可以将双金属盘调节为在所需的设置点温度从平坦位置迅速变为凸顶位置。

当双金属盘感测到一个较低水温、并且该盘处于平坦位置时，推杆闭合电开关，使得电源加在电阻加热元件上，从而加热水箱中的水。当水变热时，双金属盘在设置点温度迅速变成凸顶形状，则推杆断开电子开关，切断电阻加热元件的电源。电子开关保持断开，电源被切断，直到水箱中的水冷到足以使双金属盘变回到平坦位置，然而闭合电开关，使得电源加在电阻加热元件上。电源或者是完全导通的，或者是完全截止的。

由于在制造中的变化以及双金属盘的滞后，双金属盘从平坦位置变成凸顶位置的温度变化高达25°F(14℃)。可以用带螺纹的双头螺栓将张力加到双金属盘上，用于调节使双金属盘从平坦位置迅速变成凸顶位置的设置点温度。带螺纹的双头螺栓未被校准，通过反复试验来对张力进行调节，以实现使双金属盘在一选定设置点温度动作。采用双金属盘热电偶的机械温度控制常常“过调节”所希望的设置点温度，使得电阻加热元件继续将水箱中的水加热到高于所希望的设置点温度。

上述的机械温度控制装置和电阻加热元件与水箱的外壁相接触，并延伸到水箱外壁和外壳之间的环形空间中。这些零件必须是在维护时可达到的。在外壳壁上的一个或多个开口提供了到温度控制装置和电阻加热元件的通路。在每个开口周围提供了挡板结构，用于保护温度控制装置和电阻加热元件，使其不与绝热泡沫相接触，并防止泡沫通过外壳壁上的开口漏出环形空间。

电热水器备有安全设备。在电源线上安装有高温安全切断开关，在水箱中的温度升至高于安全限度时切断电阻加热元件的电源。并且，水箱带有一个高温安全阀，在大约水的沸点(100℃)时打开，用于防止由沸水引起的水箱中的压力增大。

发明概述

依据本发明，通过以短脉冲或脉冲串传输电能，在水加热循环的一个相当大的部分上对热水器的电阻加热元件的电源进行调制。调制电源提高了加热热水器中的水的加热效率。以短脉冲或脉冲串向热水器的电阻加热元件传输电能使得以与现有技术中的机械温度控制器大致相同的速度将等量水加热到一选定温度，而使用相当少的电能来加热水。在典型的住宅装备中，用于加热和储存水的电热水器常常是最大的单个耗电电器。因此，采用相当少的电能来加热水则节约了相当大的能量和成本。

以短脉冲串调制到电阻加热元件的电源的一种较佳方式是采用比例区段温度控制器。比例区段温度控制器是一种电子设备，它感测热水器的水箱中的水温，并以依赖于水温与选定设置点温度的差值的速率来控制到电阻加热元件的电能。比例区段温度控制器通过循环地提供电源来调制到电阻加热元件的电源，每个循环包括在一个短脉冲串内传输电能，然后跟着一个不传输电能的短时间段。当水箱中的水温与设置点温度的差值很大时，与不传输电能的时间段相比，在每个循环中传输电能的时间段较长。随着水温接近选定设置点温度，则在每个循环中提供给电阻加热元件的电能的时间段变得越来越短。可以调节每个循环的时间段，一般小于1秒。并且，在一个循环期间，随着水温接近设置点温度，每个电脉冲串的时间段一般从循环周期的大约95％降到大约50％。

当水温达到设置点温度时，比例区段温度控制器完全停止向电阻加热元件传输电能。然后，当水温降至低于设置点温度时，比例区段温度控制器再次在短脉冲串的循环中向电阻加热元件传输电能。

比例区段温度控制器效率很高，具有非常小的电能损耗，并在水温达到设置点温度时精确地停止传输电能。另外，与现有技术的机械温度控制器相比，比例区段温度控制器在制造和安装上都比较便宜。并且，可以将诸如指示灯、音频报警器和温度显示器的附件容易地连接到比例区段温度控制器上，用于改进所连接的热水器的操作和方便性。

通过下面的详细的说明书、权利要求和附图，本发明的其他特征和优点对于本领域普通技术人员将变得更加明显。

附图简要说明

图1是热水器的剖视图，显示了相对于热水器的其他部件的本发明的温度控制器的结构；

图2是本发明的优选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区段温度控制器的能量使用数据的图；以及

图4是现有技术的机械温度控制器和本发明的比例区段温度控制器的能量消耗比数据的图。

在详细说明本发明的一个实施例之前，应该理解，本发明并不将其应用限制在下列说明中所陈述的或者附图中所显示的详细的结构和部件的安排或步骤。本发明可以有其他实施例，并可以以各种其他方式来实践和实现。并且，应该理解，这里所用的措辞和术语是为了说明的目的，而不应将其视为进行限制。最佳实施例说明

如上所述，在具有电阻加热元件的热水器中使用比例区段温度控制器具有意想不到的优点，即，在将热水器中的水加热到预先选定的设置点温度，比在使用现有技术的机械温度控制器的同一热水器中将同等重量的水加热到同一设置点温度的情况下消耗更少的电能。

比例区段温度控制器是这样一个电子设备，它包括水温感测设备(热敏电阻)、温度设置点设备(可变电阻器)、用于将电源切换到电阻加热元件的栅极晶闸管、以及响应于来自水温感测设备和温度设置点设备的信号来控制晶闸管的逻辑电路。逻辑电路接收来自水温感测设备和温度设置点设备的表明水温与设置点温度之间的差值的电压输入。逻辑电路响应于来自水温感测设备和温度设置点设备的电压输入，向栅极晶闸管发出信号。在水温感测设备和温度设置点设备之间的大温差的情况下，逻辑电路通知栅极晶闸管在交流电流的每个循环的一大部分、大约94％期间导电，并通知栅极晶闸管在每个交流循环的大约6％停止导电。随着在水与设置点之间的温差的缩小，水温进入一个比例控制区段，在比例控制区段，逻辑电路开始对栅极晶闸管施加更多的控制，以限制提供到电阻加热元件的电能。随着水温进入该比例控制区段，逻辑电路建立一个新的控制循环时间段，并通知晶闸管在每个循环的85％传输电能，在每个循环的15％停止导电。随着水温更加接近设置点温度，逻辑电路通知晶闸管在每个循环的更少时间段导电。当水温达到设置点温度时，逻辑电路关闭晶闸管，电能不再提供给电阻加热元件，直到水温再次降到设置点温度以下。为了防止关于设置点温度的过度循环，将逻辑电路设置为在再次通知晶闸管传输电能并将水加热到设置点温度之前需要水温降至低于设置点温度5℃到10℃。

采用比例区段温度控制器的热水器中的水的加热效率的提高并未被完全了解。在理论上，基本上提供给电阻加热元件的所有电能都将被转换成热能，该热能将被传递给围绕着电阻加热元件的水。等量的电能将等重量的水加热到同等温度。如同下面的例子所示，与具有现有技术的机械温度控制器的同一热水器相比，具有比例区段温度控制器的热水器需要大约少10％的电能来将一箱水加热到选定的设置点温度。比例区段温度控制器的将水加热到设置点温度而几乎没有过调节的提高的精度是其比机械温度控制器的效率提高的一些原因，但不是全部原因。

虽然不希望受到限制，我认为在采用比例区段温度控制器时加热效率的提高是由于水箱内影响热能从电阻加热元件到水的传递的物理条件。比例区段温度控制器以短脉冲串后面跟着不导电的短时间段的形式将电能传导给电阻加热元件，直到水箱中的水达到选定设置点温度。比例区段温度控制器在水温达到设置点温度时精确地停止向电阻加热元件传输电能。另一方面，现有技术的机械温度控制器在水被加热时以全部功率连续地将电能传导给电阻加热元件。当水达到设置点温度时，双金属热电偶的机械特性可能使得在其停止将电能传导给电阻加热元件之前机械温度控制器过调节并将水加热到一个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内将热至800°F到900°F范围内的温度。与这样一个热电阻加热元件相接触的水进行蒸发，形成围绕着电阻加热元件的一层蒸气，减少了从电阻加热元件到水的热传递。在采用机械温度控制器的情况下，电阻加热元件就这样被加热，并一直保持在高的温度，直到双金属热电偶切断电源。来自由机械温度控制器控制的电阻加热元件的过剩热能可能会辐射到水箱壁上，或者可能由蒸气输送到水箱的顶部，在这里将过剩热能吸收在远离温度感测双金属热电偶的水的最顶层中。

在采用比例区段温度控制器的情况下，电阻加热元件在电源的每个短脉冲串期间被加热，在短脉冲串之间的时间通过与水接触而被冷却。电阻加热元件在电源的每个短脉冲串之间的这个冷却降低了电阻加热元件所提高的温度，并减少了在热的电阻加热元件周围的蒸气的聚集。因此，从电阻加热元件到水的热传递被提高。以离散的短脉冲串将电能提供给热水器中的电阻加热元件，其中每个短脉冲串后面跟着一个电源关闭的时间段，提高了热水器中从电阻加热元件到水的热传递的效率。

比例区段温度控制器是公知的，并且广泛使用在许多商业应用中，包括控制诸如咖啡壶之类的电器中的水温。就我所知，比例区段温度控制器还没有被用于控制热水器中的大量水的温度。

图1显示了热水器10的剖视图，热水器10包括固定封闭的水箱11、环绕水箱11的外壳12、以及填充在水箱11与外壳12之间的环形空间的泡沫绝热材料。入水管线或封液管14接入水箱11的顶部，用于在水箱11的底部附近添加冷水。出水管线15穿出水箱11，用于从水箱11的顶部附近放出热水。电阻加热元件16穿出水箱11的外壁。控制盒17中的比例区段控制电路连接到电阻加热元件16。热敏电阻18与水箱11的外壁相接触，用于感测水箱11中的水温，该热敏电阻18通过电线19与逻辑电路相连。将交流电源通过线20提供给栅极晶闸管。安装在热水器外部的可定制操作接口30与控制盒17进行通信，提供对加热元件的控制的安全保护通路(access)。操作接口可用于提供对加热元件的直接或远程控制。

图2是依据本发明的方法的用于热水器中的水的加热的一个优选比例区段温度控制电路100的原理图。在图2中，电阻加热元件125是4,500瓦的加热元件，用于加热热水器中的水。温度设置点设备101是一个可变电阻器，用于在大约90°到180°F范围内设置温度设置点。热敏电阻102用于感测热水器中的水温。在另一个实施例中，可以在水箱内放置多个热敏电阻，以感测多个位置处的水温。热敏电阻的输出可以被平均。

栅极晶闸管103是由摩托罗拉公司制造的TRIAC，用于控制提供到电阻加热元件125的电能。逻辑芯片104是由摩托罗拉公司制造的比例区段温度控制器UAA1016A。通过线105和106将240伏的电源提供给比例区段温度控制电路100。下面将要说明的光电耦合器108用于控制在比例区段温度控制电路重新工作之前水温必须从设置点温度下降的量。

通过齐纳二极管107和电阻器109从线106到线110将大约-8伏的稳定电源电压提供给比例区段温度控制电路。通过温度设置点设备101和温度传感器102的压降在点111产生一个信号电压。信号电压与设置点温度与感测到的水温之间的温差成比例。将感测到的电压通过线112输出到逻辑芯片104内的电压比较器113的一个管脚上。在点116产生一个基准电压，其幅度由通过电阻器114和115的压降确定。在点119将由逻辑芯片104中的锯齿发生器118产生的锯齿电压施加在基准电压上。由锯齿电压修改的基准电压通过线117传递给电压比较器113的第二个管脚。

加在基准电压上的锯齿电压使得在电压比较器113的第二个管脚的电压在大约0.85秒的循环上以锯齿波形式从最小到最大变化。在电压比较器113中，将第一管脚的信号电压与第二管脚的修改基准电压进行比较。将比较结果通过线120输出给逻辑电路121。在逻辑电路121中产生一个通过线122、放大器123和线124的、用于控制晶闸管103的信号。当比较器113的第一个管脚的信号电压大于比较器113的第二个管脚的基准电压的最大值时，晶闸管103的信号导通，并使得向电阻加热元件125传输电能，用于加热水箱中的水。将逻辑芯片104安排为使得线124中的信号使晶闸管103在每个交流电流循环的96％导电，在每个电流循环的4％停止导电。

随着由温度传感器102感测的水温接近在设置点温度设备101上选择的设置点温度，电压比较器113的第一个管脚的信号电压将降至一个小于电压比较器113的第二个管脚的基准电压的最大值的值。当信号电压处于基准电压的最大值与基准电压的平均值之间的范围时，温度控制电路100处于比例区段控制范围内。于是，当信号电压大于在电压比较器的第二个管脚的基准电压值时，逻辑电路121通知放大器123，以通知晶闸管103将电能传导到电阻加热元件125。然后，随着锯齿电压使得电压比较器的第二个管脚的基准电压增大到一个大于电压比较器的第一个管脚的信号电压值的值，逻辑电路121通知放大器123，以通知晶闸管103停止将电能传导给电阻加热元件125。随着电压比较器的第一个管脚的信号电压接近电压比较器113的第二个管脚的基准电压的平均值，晶闸管103不在所产生的锯齿电压的每个循环的较大比例上导通。当由温度传感器102感测的水温等于温度设置点设备101的设置点温度时，在电压比较器113的第一个管脚的信号电压则等于在电压比较器113的第二个管脚的平均基准电压值，并且逻辑电路121通知放大器123关闭晶闸管103，切断到电阻加热元件125的电源。晶闸管103保持在非导通状态，直到由温度传感器102感测的水温降至设置点温度之下的一个预设量，这将在下面进行说明。

电压比较器113的第一个管脚的信号电压和电压比较器113的第二个管脚的基准电压必须具有使得逻辑电路121产生一个到放大器123的信号的值，该放大器123将适当地控制晶闸管103来将水加热到所需温度。温度设置点设备101是可变电阻器，其电阻可以被手动调节，用于改变设置点温度。温度传感器102是一个热敏电阻，其阻值随着感测到的水温的升高而减小。选择电阻器126和127的值，以使得点111的信号电压将与设置点温度和感测到的水温之间的温差成比例。点116的基准电压由电阻器114和115的值确定，加在点119基准电压上的锯齿电压的幅度由电阻器128和129的值确定。必须调节这些电阻器的值，以适应为比例区段温度控制电路100选择的特定温度设置点设备101、温度传感器102和逻辑芯片104的特性。

如上所述，在比例区段温度控制电路100中包括有光电耦合器108，用于在感测到的水温大约处于设置点温度时防止晶闸管103的过度循环。当感测到的水温等于设置点温度时，逻辑电路121通知放大器123截止晶闸管103，停止向电阻加热元件125传输电能。在没有光电耦合器108的情况下，当感测到的水温降到低于设置点温度一个很小的量、例如不到1℃时，逻辑电路121将通知放大器123打开晶闸管103，向电阻加热元件125传输电能，直到感测到的水温再次被加热到设置点温度。这个行为导致了迅速地导通和截止晶闸管103，以便将感测到的水温控制为尽可能地接近设置点水温。

光电耦合器108通过线130和131与电阻加热元件125电连接，当电流流过电阻加热元件125时，光电耦合器108工作使得感测到的温度看起来比实际上高大约5℃。这样，当由温度传感器102感测到的水温达到设置点温度时，晶闸管103切断流过电阻加热元件125和光电耦合器108的电流。在没有电流流过光电耦合器108的情况下，点111的信号电压由通过温度传感器102的压降和通过设置点设备101、电阻器126和电阻器127的压降确定。电阻器127产生一个等效于由感测温度中大约5℃的温度变化所引起的压降的压降。因此，感测温度看起来比实际上高大约5℃，在电压比较器113的第一个管脚的信号电压表明感测温度低于设置点温度之前，感测温度必须另外下降5℃。当电压比较器113通知逻辑电路121感测温度低于设置点温度时，逻辑电路121通知放大器123打开晶闸管103，使电流流过电阻加热元件125。随着电流流过电阻加热元件125，电流通过线130和131流过光电耦合器108。随着电流流过光电耦合器108，电阻器127被旁路，去除了对视在感测水温的5℃偏差。逻辑电路121然后通知放大器123打开晶闸管103，直到感测水温再次达到设置点温度。光电耦合器108的这个行为使得在晶闸管103再次向电阻加热元件125传输电能之前，感测温度下降至设置点温度以下大约5℃，并使得在从电阻加热元件125切断电源之前感测水温能升至设置点温度。这个行为防止在感测水温处于设置点温度附近时通过电阻加热元件125的电流的循环。

在另一个实施例中，温度控制电路100可以包括可编程实时时钟，其中可以将峰值或非峰值能量需求时间段或空闲操作循环编程为加热元件的控制循环。另外，还可以增加压力传感器、温度传感器、矿藏传感器和/或用于检测水的存在的传感器。控制电路可以被编程，以便在检测到预定条件或限制时断开电源到热水器和/或加热元件的连接。此外，控制电路可以包括用于响应于诸如用水量或者是否是峰值或非峰值能量需求时间段等各种条件自动调节设置点的装置。实例

在第一个例子中，采用240伏交流电操作具有4,500瓦的电阻加热元件的电热水器，用于将水从60°F加热到120°F。在第一个运行中，如同在本申请的引言中所述的，采用一个商业上可得到的双金属恒温器来感测水温，并控制到电阻加热元件的电流。在第二个运行中，如图2所示和本申请中所述的，采用比例区段温度控制电路来感测水温，并控制到电阻加热元件的电流。两个运行的比较结果如图3所示。

对于运行1，用一个带螺纹的双头螺栓调节双金属恒温器上的张力，以使得双金属恒温器在120°F的设置点温度从平坦形状迅速变成凸顶形状。双金属恒温器在电阻加热元件之上大约3英寸的位置与热水器水箱的外壁相接触。双金属恒温器通过绝缘杆连接到在将电源提供给电阻加热元件的线路中的电开关。水箱充满60°F的水，电源被连接到向电阻加热元件供电的线路上。双金属恒温器保持在平坦位置，电子开关被闭合。电流以19.7安培的速度流过电阻加热元件大约27分钟，直到水被加热到122°F。双金属恒温器然后迅速变成凸顶形状，启动开关，切断到电阻加热元件的电流。图3中显示了这个第一个运行的水温-时间图。

对于运行2，采用了如图2所示和本申请中所述的比例区段温度控制电路。将温度设置点设备101校准到120°F的设置点，并将热敏电阻温度感测设备102附着在水箱的电阻加热元件125之上大约3英寸处。晶闸管103连接到电阻加热元件125。热水器的水箱被排空，并重新充满60°F的水，比例区段温度控制电路100连接到主电源。比例区段温度控制电路100最初向电阻加热元件125提供18.8安培的电流，即由运行1的机械恒温器提供的安培数的大约95％。在大约四分钟之后(在68°F)，比例区段温度控制电路100将提供给电阻加热元件125的电流减小至18.6安培，即由运行1的机械恒温器提供的安培数的大约91％。在大约21分钟之后(在104°F)，感测水温进入比例区段温度范围，比例区段温度控制电路100开始缓慢减小到电阻加热元件125的电流，直到27分钟之后感测水温达到设置点温度，比例区段温度控制电路100切断到电阻加热元件125的电流。

图3显示了在运行1和运行2中在等量时间内将等量水加热到大致相同的温度。然而，在运行1中，需要19.7安培的电流，而在运行2中，在加热期间只需要大约18.6安培的电流。也就是说，与在采用机械控制器的同一热水器中将等量水加热到同一温度相比，装配有本发明的比例区段温度控制电路的热水器中对水进行加热需要大约少9％的电能。这是一个意想不到的结果。

由比例区段温度控制电路对负载形成的电流脉动允许水温迅速地响应于所加电流而精密地上升和下降。每个循环周期加到热水器元件上的电流的短暂中断使得辐射能从热水器元件到水更高效地传递。

作为第二个例子，执行测试以确定一个用户在一个典型的热水器操作循环期间将使用的能量的实际值。参看图4，为机械恒温器和包括比例区段控制逻辑的电子恒温器绘出了实际千瓦时(kWh)比小时的图。

图4显示出，在一个典型的加热循环期间，作为采用比例区段温度控制逻辑的直接结果，少用了大约3％的能量。通过改变三端双向可控硅开关元件的启动象限的导通角度，有可能将这个百分比增大到大约5-5.5％，而不会不利地影响热水器的性能。

另外，通过采用比例区段控制逻辑限制到热水器元件的电流以及通过以脉冲形式向热水器提供电流，可以逐步地滑动至温度设置点，而不会过调节所需温度，这另外节省了15％的能量。

与采用双金属机械恒温器的相同热水器的操作成本相比，电流调制与防止温度设置点的过调节的结合为用户节省了总共将近20％的能量。

将水过加热到超过合理温度125°F-130°F一般会浪费能量。在高于130°F左右的温度，典型的两英寸厚的绝热层失去了其有效保持热的能力。在备用模式下的这种能量损耗是非常浪费的，并潜在地使热水器比所必需的循环得更频繁。

本发明的比例区段控制电路防止过调节，并允许水温下降仅仅5°F左右，从而只在所需的温差下循环，以便使水温返回所需的设置点。

比例区段控制电路的另一个优点是其适合于易燃气环境。例如，这样一种环境可能存在于汽车间、车间或地下储存区，其中存在着溶剂、汽油、丙烷或其他高度易燃或爆炸性蒸气。机械恒温器和接触型开关设备在进行电接触或断开时会产生电弧，这取决于被开关的电流量。如果蒸气挥发严重，则电弧可以点燃易燃蒸气。相反，比例区段控制电路全部是固态的，没有移动部件，因此不会点燃易燃蒸气。

虽然这里已经显示和描述了本发明的一个特定实施例，但在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出修改和变形。例如，可以采用除了摩托罗拉的UAA1016A逻辑芯片之外的其他逻辑芯片来控制晶闸管103的开关循环。并且，也可以采用除了用作为温度感测设备102的热敏电阻之外的温度感测设备。并且，也可以采用除了摩托罗拉的TRIAC之外的晶闸管来作为晶闸管103。因此，本发明的范围由附带的权利要求书所限定。

Claims (31)

1.对于包括水箱和延伸进水箱内的电阻加热元件的热水器，一种用于将水箱中的水从初始较凉温度加热到预先选定的较暖设置点温度的改进方法，所述方法包括：

以短脉冲串形式将向电阻加热元件传输电能，电源的每个短脉冲串后面跟着一个不向电阻加热元件传输电能的时间段。

2.如权利要求1所述的方法，其中，提供给电阻加热元件的电流是交变电流；

其中，电源的每个短脉冲串的时间段是交变电流的每个循环的一部分；

并且，其中，跟在电源的每个短脉冲串之后的、不向电阻加热元件传输电能的时间段包括交变电流的每个循环的剩余部分。

3.如权利要求2所述的方法，其中，电源的每个短脉冲串的时间段是交变电流的每个循环的大约95％或更少。

4.在包括具有外壁的用于存水的水箱和延伸进水箱用于对水加热的电阻加热元件的热水器中，其改进包括：

温度控制器，用于向对水箱中的水加热的电阻加热元件传输电能，所述温度控制器以短脉冲串形式向电阻加热元件传输电能，每个短脉冲串后面跟着一个时间段，在该时间段中，不向电阻加热元件传输电能，以提高水箱中的水加热的效率。

5.如权利要求4所述的热水器，其中：

温度控制器包括：

逻辑电路，用于将循环限制在大约1秒或更短，所述循环包括一个电源短脉冲串和跟在其后的、不传输电能的时间段，所述逻辑电路还用于将电源的每个短脉冲串限制为不大于每个循环的大约95％。

6.如权利要求5所述的热水器，其中，温度控制器包括：

设置点温度设备，用于建立温度控制器要将水箱中的水加热到的设置点温度；

温度传感器设备，感测水箱中的水温；

逻辑电路中的温差装置，用于确定在感测的水温与设置点温度之间的温差；

以及逻辑电路中的用于在感测温度等于或高于设置点温度时停止向电阻加热元件传输电能的装置。

7.如权利要求6所述的热水器，其中，温度控制器是一个比例区段温度控制器，包括：

比例区段设备，随着感测温度在一个选定的比例区段范围内接近设置点温度，所述比例区段设备将温度控制器从所述温度控制器可以向电阻加热元件传输电能的状态循环到所述温度控制器不能向电阻加热元件传输电能的状态，每个循环具有一个大约1秒或更少的时间段，随着处于比例区段范围内的感测温度接近设置点温度，每个循环的温度控制器可以传输电能的时间段减小。

8.如权利要求7所述的热水器，其中，温度控制器包括：

反循环设备，在感测温度达到设置点温度之后，所述反循环设备将温度控制器设置成不导电状态，直到感测温度从设置点温度下降一选定的温差。

9.一种热水器，包括：

固定封闭的用于存水的水箱；

用于将冷水添加到水箱中的入水管线；

用于从水箱放出热水的出水管线；

延伸进水箱中的电阻加热元件，用于加热水箱中的水；以及

控制电路，用于以短脉冲串形式向电阻加热元件传输电能，每个短脉冲串后面跟着一个不向电阻加热元件传输电能的时间段，从而提高了水箱中的水的加热效率。

10.如权利要求9所述的热水器，其中，水箱具有顶部和底部，其中，入水管线包括在邻近水箱顶部延伸进水箱并具有一个邻近水箱底部的出口的封液管。

11.如权利要求10所述的热水器，其中，出水管线具有邻近水箱顶部的入口。

12.如权利要求9所述的热水器，还包括环绕水箱的外壳，在水箱和外壳之间限定一个空间，在所述空间内绝热。

13.如权利要求9所述的热水器，其中，电源的一个短脉冲串和跟在其后的不传输电能的时间段定义了一个循环，控制电路将所述循环限制为大约1秒或更少。

14.如权利要求13所述的热水器，其中，控制电路将短脉冲串限制为少于每个循环的大约96％。

15.如权利要求13所述的热水器，其中，控制电路包括设置点温度设备，用于建立控制电路要将水箱中的水加热到的设置点温度；温度传感器，用于感测水箱中的水的感测温度；以及逻辑电路，用于确定在感测水温与设置点温度之间的温差，并在感测温度等于或高于设置点温度时，停止向电阻加热元件传输电能。

16.如权利要求15所述的热水器，其中，逻辑电路是比例区段温度控制器，其中，当感测温度处于一个预定的比例区段范围内时，随着感测温度变得越来越接近设置点温度，每个短脉冲串的持续时间减少。

17.如权利要求16所述的热水器，其中，控制电路包括用于防止逻辑电路的过度循环的装置，以便当感测温度达到设置点温度时，停止向电阻加热元件传输电能，直到感测温度降至低于设置点温度一个预定量。

18.如权利要求17所述的热水器，其中，用于防止过度循环的装置包括光电耦合器。

19.如权利要求18所述的热水器，其中，当向电阻加热元件传输电能时，光电耦合器导通电流。

20.如权利要求17所述的热水器，其中，用于防止过度循环的装置工作使得感测温度对于逻辑电路看起来比实际上大预定量。

21.一种热水器，包括：

固定封闭的用于存水的水箱，用于将冷水添加到水箱中的入水管线，用于从水箱放出热水的出水管线；

延伸进水箱中的电阻加热元件，用于加热水箱中的水，

控制电路，用于以短脉冲串形式向电阻加热元件传输电能，每个短脉冲串后面跟着一个不向电阻加热元件传输电能的时间段，其中，电源的一个短脉冲串和跟在其后的不传输电能的时间段定义了一个周期循环，

设置点温度设备，用于建立控制电路要将水箱中的水加热到的设置点温度，

温度传感器，用于感测水箱中的水温，以及

比例区段温度控制器，包括逻辑电路，用于确定感测水温与设置点温度之间的温差，并在感测温度等于或高于设置点温度时停止向电阻加热元件传输电能。

22.如权利要求21所述的热水器，其中，当感测温度处于一个预定的比例区段范围内时，随着感测温度变得越来越接近设置点温度，每个短脉冲串的持续时间减少。

23.如权利要求21所述的热水器，还包括用于对峰值和非峰值用水时间进行编程的可编程实时时钟，其中，响应于用水量调节设置点温度。

24.如权利要求21所述的热水器，还包括用于检测用水量的装置，其中，当用水量低于预定量时调节设置点温度。

25.如权利要求21所述的热水器，还包括压力传感器，其中，当达到预定压力时切断热水器的电源连接。

26.如权利要求21所述的热水器，其中，当达到预定水温时切断热水器的电源连接。

27.如权利要求21所述的热水器，还包括用于检测水的存在的装置，其中，当水箱中没有水时，控制器被禁止。

28.如权利要求21所述的热水器，还包括操作接口，用于操作控制器并具有安全保护通路(access)。

29.如权利要求28所述的热水器，其中，操作接口可以被远程访问。

30.如权利要求28所述的热水器，其中，操作接口包括对控制器操作，包括故障的视觉提示。

31.如权利要求21所述的热水器，还包括用于感测水箱中多个位置的水温的多个温度传感器，其中，控制器响应于所述多个温度传感器。

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