CN1171974A - 用于控制水蒸馏器中电热器的先进方法与电路 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种家用逆顶式蒸馏器。它包含一个冷凝圈和一个电功率水加热器。一种控制功率流向加热器的方法包括下述步骤:触发一个计时电路以激励加热器;提高冷凝圈温度;和当圈温升到预定值时,旁通计时电路。当生水容器中基本耗尽且加热器温度由于此类耗尽而升至预定值时,就去激励加热器。还公开一种用于此蒸馏器的新电路。

Description

用于控制水蒸馏器中 电热器的先进方法与电路

一般说来，本发明涉及液体净化；具体地说，涉及使用水蒸馏法把水和杂质分开。

至少合理地纯的饮用水是生活所绝对必需的，清洁的新鲜味道的饮用水是令人喜爱的水。例如，象美国这样的很发达国家的大多数人一直在使用安全的饮用水。但甚至在拥有适合人类消费的水的地区，这类水也可能含有一些矿物质，例如铁和钙，和/或化学药品和其他物质。

虽然上述非水的构份可能对人无害，但它们常令某些人认为，此水尝起来和闻起来感到不快。而且普通高质量的饮用水有时也含有一些细菌或其他微生物，它们可能使水味道不佳，或相反，损害水的质量。上述不测事件往往系水处理设施中临时故障所致。而即使容易得到纯净无味无气的水，蒸馏水也用于蒸汽熨斗，自动机械冷却系统，以及其他希望避免矿物质沉淀的系统等。

一种把水和杂质分开的熟知方法是蒸馏。蒸馏需要把水沸腾以生成水蒸汽，然后把蒸汽冷却到冷凝温度以下的温度。收集所得液体，有时叫作冷凝液，供饮用或类似应用。蒸馏把纯水同携带的矿物质和其他味道可能不佳的杂质分开。而且除了改进水的感觉质量之外，蒸馏过程所涉及的高温还足以杀死多种可能有害的微生物。现有技术包括用蒸馏法提供净化饮用水的上述多种蒸馏器。

在蒸馏工程的实践方面，涉及在那些用电功率加热水的类型的蒸馏器中控制电功率。通常的做法是：如果其水位变成不合乎需要地低，就使用某种恒温器，以关掉加热线圈。而且当以不同的方式处理生水容器、加热器和恒温器的相互关系时，上述做法是“以条件为基础的”。即，控制是以有或没有特殊条件，例如温度或水位为先决条件的。下面用一些实例帮助说明这一点。

美国专利No.4,816,435(Sweet，Jr)认为，在不合乎需要地低的供水条件下，不希望继续操作电热器。在加热器旁边安装一个恒温器，以便在发生此类不测事件时关掉上述加热器。一个存储槽的恒温器在它的温度变得太高时，就启动一个螺线管操纵阀，以用管道把冷水送入上述槽中。

美国专利No.4,622,102(Diebel)使用一种以重量条件，而不是以水位条件，为基础的加热控制方法。如果供水的数量减少到某一水平，则容器支座移动一段距离(在弹簧推动下)，并且一个阀门打开，以引入更多的水。如果水变成不合乎需要地少，则容器支座移动一段更长的距离，并且关掉蒸馏器。显然，Diebel的蒸馏器需要数量极少但足够的生水去起动一个蒸馏循环。

显然，Sweet，Jr和Diebel二者之蒸馏器均未为加热器发生故障和不产热或产热太少时关掉蒸馏器而作好准备。它们也未为恒温器失灵时关掉蒸馏器而作好准备。而且看上去，Diebel的蒸馏器太复杂，且对一般家庭用户太贵。

某些现有技术蒸馏器的另一问题在于难以清洗。在美国专利No.4,269,663(McFee)所公开的蒸馏器中，加热器、恒温器和生水箱被配置成一个一体化的装置，没有可由用户拆卸之意。美国专利No.4,110,170(Kirschman等人)之蒸馏器似乎清洗特别不方便。至少，人们必须拆除一个带有冷凝圈的顶装预热箱。

某些熟知蒸馏器之另一问题在于，它们能“烧干”或基本上烧干。烧干是不合乎需要的(并且推断，在沸腾箱中保持小量水才是合乎需要的)，因为烧干的沸腾箱会聚集矿物沉淀或“水垢”。此外，要清除上述沉淀是困难的，或至少是不方便的。

在美国专利No.3,935,077(Dennison)中示出蒸馏器之至少另一特征，即，加热器与风扇是同时通电和断电的。发明者并未意识到：如何既使蒸馏器消散“顶热”，而又避免把热量加入装置。

若有一种改进的电路和相关的方法，其中的控制不唯一地依靠某一操作条件或一组操作条件，它识别停止加热器工作的可能性，并且它容许相关的蒸馏器配置一个组合式、容易拆卸、容易清洗的生水容器；则应该是技术上一个重要优势。

本发明之一个目的在于，提供一种用于蒸馏器的改进电路与方法，以克服先有技术的某些问题与缺点。

本发明之另一目的在于，提供一种使用一个不同于特定条件，例如温度或重量的参数的改进电路与方法，以控制蒸馏器。

本发明之另一目的在于，提供一种使用冗余断路特征的改进电路与方法。

本发明之又一目的在于，提供一种在水沸腾结束时在沸腾箱中保持适中数量水的改进电路与方法。

本发明之另一目的在于，提供一种容易使用的改进电路与方法。

本发明之又一目的在于，提供一种改进的电路与方法，它可使配置的生水容器与一体化的加热器容易用插入方式，为使用而安装和为临时清洗而拆卸。

本发明之另一目的在于，提供一种不需要用特殊的最小水位去起动一个蒸馏循环的改进电路与方法。

本发明之另一目的在于，提供一种既使蒸馏器消散顶热而又避免把热量加入蒸馏器的改进电路与方法。

本发明之另一目的在于，提供一种在恒温器失效时为关掉蒸馏器而选用的改进电路与方法。从下而的描述与附图中会明白如何实现这些目的和其他目的。

本发明需要一个蒸馏器，打算主要供家庭用于净化生水，例如取自自来水龙头的水。蒸馏器包括一个冷凝圈，它从热的汽化水(即汽)吸取热量，借此把该水从其汽相变成其液相。蒸馏器还具有一个电控制电路和一个连接于上述电路的加热器，该加热器用于把水加热到其沸点，并且把水汽化成具有沸点以上温度的汽。新方法的首先描述方面需要一些在正常蒸馏操作期间用于蒸馏大量水的步骤。

用于控制功率流向加热器的方法包括一些下述的步骤：触发一个定时电路以激励加热器，提高圈的温度，并且当圈的温度提高到某一预定值，即此中所谓第一圈温度时，并联该定时电路。当加热器温度提高到某一预定值时，使加热器去一激励。在一种高度优先的方法中，去激励步骤包括按照对加热器的温度—传感关系改变一个加热器热器件的状态。

在此方法的一个更特殊的方面，只有当生水容器中的水接近耗尽时，加热器温度才提高到上述值。在这种情况下，水不再以充足的数量用于对加热器及其直接环境给与充足的冷却影响。

在本发明的其他更特殊的方面，在第一时间间隔，例如半小时，一小时或类似时间时期，触发一个定时电路。在各个由一个比第一时间间隔短的第二时间间隔分隔开且确定此间隔的时间，启动触发步骤和旁通步骤。旁通步骤包括改变一个按照对圈的温度—传感关系安装的圈热器件的状态。在一个特殊的实施例中，当圈的温度上升到第一圈温度，例如160°F时，圈热器件的状态就从打开变到闭合。提高圈温度的步骤包括使热的水汽流过该圈。

在新方法的其他方面，蒸馏器包括一个按照对圈的空气流动关系设置的风扇；并且触发步骤包括在触发定时电路时激励该风扇。而且去—激励步骤包括例如当圈温度下降到一个第二预定值，例如一个155°F的第二圈温度时，使风扇去激励。但不论上述温度的数字值是多少，第二圈温度总是低于第一圈温度。在一个更特殊的方面，新方法包括一个阻塞步骤，用于在圈温度下降到第二圈温度时，阻塞整个控制电路(包括连接于其上的加热器)。

如果即使生水容器只有数量不足的水或甚至其中无水，也要起动蒸馏操作，则使用新方法的其他方面。在上述条件下起动蒸馏操作通常是由于疏忽而造成的。该方法包括一些起动一个定时电路，以便在一个时间间隔期间激励加热器的步骤。检测冷凝圈的温度，如果在该时间间隔结束时，圈温度未能提高到一个预定值，就使加热器去激励。

新的电路包括一个常断开的电磁继电路，它带有一个继电器线圈，和一些用于在激励继电器线圈时激励加热器的闭合电接点。为了把继电器线圈连接于一个电功率源，装有一个固态开关器件，例如一个晶体管。一个定时器和一个圈热设备被并联地连接于开关器件，更准确地说，连接于晶体管的基极。加热器热器件是与加热器串联的。

一个START(开始)按钮触发定时电路，在其上把电压加到晶体管的基极上，使上述晶体管转换到一个导电状态。晶体管导电可激励继电器线圈，并且闭合继电器接点，从而激励加热器。借此加热生水，并且由于得到蒸汽中的热量，冷凝圈的温度就上升。

当圈热器件达到一个与冷凝圈温度有关的预定温度时，上述热器件就改变状态(例如从断开变到闭合)，并且继续把电压加到晶体管的基极上，即使定时器可能“超时”，也是如此。而且当容器中水基本耗尽时，加热器和加热器热器件的温度就上升，升到高于在容器中有大量水时经常保持的温度。当加热器热器件达到改变状态(例如从闭合变到断开)的温度时，就使加热器去激励。

在下面的详细描述与附图中，陈述本发明的其他方面。

图1是一个典型蒸馏器的立体图，新电路可以同它一起使用。

图2是一个图1所示蒸馏器的立视图，其蒸馏水接收容器已被拆除，并且门已被打开，否则可盖住用于安放一个容器的区域。

图3是一个与图1和2所示蒸馏器一起使用的典型生水容器的立视图。用虚线轮廓表示一些部件的表面。

图4是一个从120V电源使用的蒸馏器电路的实施例。

图5是另一个供240V电源使用的蒸馏器电路的实施例。

在描述新的电路10和方法以前，先了解特别适合电路10和方法的蒸馏器10的某些情况是有益的。首先参照图1-3，蒸馏器11具有一个底座13和一个从上述底座13向上延伸的外壳15。外壳15包括一个中央支架部分17，一些形成一个容器安放区域21的壁19，和一个用于封闭上述区域21的门23。置于容器23中的生水是通过激励加热器25来汽化的，并且所得到的蒸汽由一个冷凝圈27来冷凝，而冷凝圈27由一个风扇29按照与上述冷凝圈27的空气流动关系来冷却。流体流动的方向如箭头31，32所示。在部位35安置一个罐33，它直接从冷凝圈27的端部37接收滴下的蒸馏水。装于支架的面板39包括一些用于操作蒸馏器11的控制器。

如图2、4和5所示，有一个按照温度传感关系装到冷凝圈27上的圈热器件43。上述热器件是双金属型的，通常在室温下是断开的。当冷凝圈27的温度上升到某一第一预定值时(由于蒸汽在其中冷凝成水)，热器件43就闭合。一个典型的第一值为160°F。

如图4和5所示，还有一个按照对加热器25的温度传感关系安装的加热器热器件TS1。热器件TS1也是双金属型的，通常在室温下是闭合的。当加热器25的温度上升到某一预定值时(由于容器23中的水量不足以使加热器25维持在较低的温度下)，热器件TS1就断开。在一个高度优先的实施例中，上述热器件TS1被装入一个在生水容器23上安装的终端块47的一体化部件中，并且构成这个部件。

应该了解，术语“温度传感关系”并不一定意味着：冷凝圈27与热器件43处于同一温度下，或者加热器25与其热器件TS1处于同一温度下，该术语意味着：热器件43和TS1的温度通常分别正比于冷凝圈27和加热器25的温度。还应该了解，使用一个常断开的圈热器件43和一个常闭合的加热器热器件都是优选的；而具有相反常态的热器件43和TS1，虽然成本高，且附加电路复杂，但也是能够使用的。

图4和5示出新电路10，即用于120V电源的电路10a和用于240V电源的电路10b的两个实施例。每个电路10a，10b都具有一个接地终端51和两个电源终端53，55。整流器57向一个控制段59提供DC电源。

每个电路10a，10b都包括一个电磁继电器63，它带有一个继电器线圈65和一些常断开的电接点67。当继电器线圈65被激励时，上述接点67就闭合，并且电功率沿着线路69通向加热器25。为了把继电器线圈65连接于电功率源，装有一个固态开关器件，例如一个晶体管Q1。把一个定时电路U1和一个圈热器件43并联地连接于晶体管Q1，更准确地说，连接于晶体管Q1的基极75。加热器热器件TS1是与加热器25串联的。

在操作上，电路10b的START按钮79是瞬时按下的，或者电路10a的开关77是移向MANUAL ON位置的。两个动作中的任何一个动作都激励代表着第一与第二时间间隔开始的计时电路U1。激励上述电路U1可把电压沿着线路81加到晶体管Q1的基极75上，便上述晶体管Q1转换成导电状态。晶体管导电可激励继电器线圈65，并且闭合继电器接点67，从而激励加热器25，最好是还激励风扇29。生水借此受到加热，并且由于得到蒸汽中热量，冷凝圈27的温度就上升。

当圈热器件43达到一个与冷凝圈27温度有关的预定温度时，上述热器件43就改变状态(例如从断开变到闭合)，并且上述状态变化表示第二时间间隔的结束。闭合的热器件43旁通计时电路U1，并且即使计时电路U1在第一时间间隔结束时“超时”，和线路81上的电压下降到零，它也继续把电压从线路85加到晶体管Q1的基极75上。(应该了解，在一个高度优先的实施例中，第一时间间隔是由计时电路U1中的电路系统来预先确定的。上述时间间隔可以是半小时，一小时或类似时间。)

当容器23中大部分水已经蒸发离去(只留下少量水在容器23中)时，这些剩余的少量水对加热器25的冷却影响就减小。因此，加热器25和加热器热器件TS1的温度就上升，升到高于当容器23中有大量水时经常呈现的温度。当加热器热器件TS1达到这个藉以改变状态(例如从闭合变到断开)的温度时，就使加热器25断电。最好是，风扇29也同时断电。

为了用稍微不同的方式说明某些上述的场合，就在各个由一个短于第一时间间隔的第二时间间隔分开的并且确定第二时间间隔的时间，起动触发步骤和旁通步骤。旁通步骤包括改变圈热器件43的状态，而提高冷凝圈27温度的步骤包括使变热的水蒸汽(用箭头31表示)流过冷凝圈27。

当容器23中的大部分水由于蒸汽流过冷凝圈27而已蒸发离去时，正在产生的蒸汽数量就不断地减少，直至正在产生的蒸汽不足以把冷凝圈温度维持在它的第一值为止。上述温度降至第二温度，例如155°F，并且圈热器件43断开和禁用控制电路10a，10b。

如果即使生水容器23中水量不足或甚至其中无水，也启动蒸发器操作(大概由于疏忽所致)，则使用新方法的其他方面。我们记得，圈热器件43是断开的，直至蒸汽流过上述冷凝圈27并把它的温度提高到上述的第一值为止。然而，如果没有蒸汽，则圈温度不会明显上升，并且热器件43不会闭合。

该方法包括一些触发一个计时电路U1的步骤，用于在一个时间间隔，即上述的第一时间间隔期间激励加热器25。检测冷凝圈27的温度，并且如果在上述间隔结束时，圈的温度未能上升到一个预定值，即如上所述的第一预定值，就使加热器25断电。

特别参看图4，图10a与图5的电路10b差别不大。电路10a具有一个三位置的开关77，它带有MANUAL ON位置80，OFF位置87和AUTO位置89。当开关处在AUTO位置89时，就可以操纵“小时装置”按钮91，“分钟装置”按钮93和“延迟装置”按钮95，使电路10a在某一未来的时间起动。这是一个有用的特征，至少在那些每千瓦小时电力价格在一天24小时期间不同的地理区域中是如此。电路10a具有一个显示器DS1，其中装有一些用于可视地显示时刻的发光二极管(LED)97。

在图4所示电路10a的具体实施例中使用下列的部件：

TF1热保险丝

C1电容器CAP ELECTRO 470 MFD 16 VDC

CR1-3二极管1N 4001 50V.1A.

CR5二极管1N 4148 75V.0.2A.

CR6-7二极管1N4148 75V.0.2A.

Q1晶体管2SC1815

DS1发光二极管显示器SL-1008-27F

R1电阻器10 OHM 1/4W

R2电阻器10K OHM 1/4W

R3电阻器68 OHM 1/4W

R4电阻器510K OHM 1/4W

R5电阻器6.8K OHM 1/4W

R6电阻器4.7K OHM 1/4W

R7电阻器1 OHM 1/4W

R8电阻器5.2K OHM 1/4W

T1变压器PI-28-106

#63继电器SRUDH-S-1090M1

U1计时电路I.C.TMS3468 NL

在图5所示电路10b的具体实施例中使用下列的部件：

TF1热保险丝

C1电容器CAP.POLY.FILM 0.47 MFD 400VDC

C2电容器CAP.ELECTRO.33 MFD 16 VDC

C3 CAP.POLY.FILM 0.1 MFD 50V

CR1-4二极管1N4005 600V.1A

CR5稳压二极管1N4744A 15V.1W

CR6二极管1N4148 75V.0.2A

TF1热保险丝

R1电阻器100 OHM 1/4W

R2电阻器470K OHM 1/4W

R3电阻器2M OHM 1/4W

R4电阻器4.7K OHM 1/4W

R5电阻器470 OHM 1/4W

R6电阻器4.7K OHM 1/4W

R7电阻器1.5K OHM 1/4W

R8电阻器1M OHM 1/4W

R9电阻器4.7K OHM 1/4W

Q1晶体管MPS4124

DS1发光二极管L.E.D.LAMP TLR-114A

#63继电器SRUDH-2-118DM

U1计时电路I.C.MC 14541 BCP

虽然已结合一些具体的实施例描述本发明的原理，但应当清楚地了解，只是通过实例作出这些描述，它们不用来限制本发明的范围。

Claims (10)

1.一种用于在一个包含冷凝圈和加热器的蒸馏器中控制一个电功率水加热器的方法，该方法包括下列步骤：

—触发一个计时电路，以激励加热器；

—通过从加热器把热量间接地传送到冷凝圈，提高冷凝圈的温度；

—当蒸汽通过冷凝圈并且借此使冷凝圈的温度提高到某一预定值时，旁通计时电路；和

—如果加热器温度提高到一个比冷凝圈温度预定值大的预定值，则去激励加热器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

—在第一个第一时间间隔时期，触发计时电路；

—在各个确定一个第二时间间隔的时间，启动触发步骤和旁通步骤；和

—第二时间间隔小于第一时间间隔。

3.根据权利要求2所述的方法，其中：提温步骤包括使热的水蒸汽流过冷凝圈。

4.根据权利要求3所述的方法，其中：旁通步骤包括改变一个冷凝圈热器件的状态，该器件按照对冷凝圈的温度传感关系安装。

5.根据权利要求3所述的方法，其中：去激励步骤包括改变一个加热器热器件的状态，该器件按照对加热器的温度传感关系安装。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

—蒸馏器包括一个按照对冷凝圈的空气流动关系安装的风扇；和

—触发步骤包括激励该风扇。

7.一种用于控制功率流向一个水蒸馏器的加热器的方法，该蒸馏器具有一个冷凝圈和一个加热器，该方法包括下列步骤：

—触发一个计时电路，以便在一个时间间隔期间激励加热器；

—检测冷凝圈的温度；和

—如果在该时间间隔结束时，冷凝圈温度未能提高到某一预定值，就去激励加热器。

8.一种用于实施权利要求1所述方法的电路，包括：

—一个继电器，带有一个继电器线圈和一些电接点，用于激励加热器；

—一个固态开关器件，用于把继电器线圈连接于一个电功率源；

—一个计时器，连接于开关器件；

—一个冷凝圈热器件，连接于开关器件，并且按照对冷凝圈的温度传感关系安装；和

—一个加热器热器件，按照对加热器的温度传感关系安装，并且其中：

冷凝圈热器件在一种断开状态与一种闭合状态之间转换；和

—当冷凝圈热器件处于闭合状态时，冷凝圈热器件就旁路计时器。

9.根据权利要求8所述的电路，其中：加热器热器件与加热器串联。

10.一种用于实施权利要求7所述方法的电路，包括：

—一个继电器，具有(a)一些用于激励加热器的电接点，和(b)一个继电器线圈；

—一个固态开关器件，用于把继电器线圈连接于一个电功率源；

—一个计时器，连接于开关器件；

—一个冷凝圈热器件，连接于开关器件，并且按照对冷凝圈的温度传感关系安装；和

—一个加热器热器件，按照对加热器的温度传感关系安装，并且其中：

—冷凝圈热器件在一种断开状态与一种闭合状态之间转换；和

—当冷凝圈热器件处于闭合状态时，冷凝圈热器件就旁路计时器。

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