CN1239861A - 带有改进的加热单元的电热水器 - Google Patents

Abstract

一种热水器加热单元包括适合于伸进并密封地嵌入热水器水箱壁的基座部件，基座部件具有一个凹槽；放置于凹槽中的热敏电阻；连接至热敏电阻并由基座部分向外伸出以传输温度信息的部件；密封的并由基座部件向外伸出的一个套；放置于套内的加热线圈；连接至加热线圈相对的两端和基座部件的冷销，该冷销足够长以使得由加热线圈产生的热量不会被热敏电阻检测到；及连接至冷销并由基座部件向外伸出以传输电能到加热线圈的部件。

Description

带有改进的加热单元的电热水器

本发明涉及一种电热水器，尤其涉及具有一个加热单元和一个电子控制系统的电热水器，该热水器大大地改善了制造成本，减少担保费用和运行功率。

典型的电热水器根据热水器的尺寸和用途带有一个或两个电能加热单元以加热水箱中的水。每个单元使用一个安装在水箱侧面的机电温度自动调节器，在这里单元的螺帽连接在水箱的侧面。这种构造有许多缺点。

现在的机电温度自动调节器利用双金属技术作用于使加热单元通电或断电的一组触点。此双金属技术不太精确且对水箱中温度变化的响应时间相对缓慢，因此降低了热水器的效率。

现有结构另一个重要的问题是难于避免“干烧”加热单元。“干烧”发生于为加热单元提供了电能而单元周围没有水的时候。这种干烧迅速导致加热单元的损坏，由此迅速地减少它的使用寿命。在多数情况下，干烧可能导致加热单元的立即损坏。

现有的机电温度自动调节器也使用较大的温度自动调节器支架和占据水箱面较大的表面积。这由于围绕着水箱剩余空间的聚氨脂(pulyurethane)泡沫绝缘材料未在这个空间使用而减少了能量效率。这种情况发生是由于形成聚氨脂泡沫材料的化学特质在装配和现场维护期间干扰机电温度自动调节器的控制。目前用于避免这种干扰的方法包括发泡板(foaming apron)，玻璃纤维夹层(fiberglass batts)或EPS泡沫隔板，所有这些都具有比环绕在水箱剩余空间周围的聚氨脂泡沫材料低的热效率(K-系数)。

上述所有构造导致了大量的制造部件步骤，所有这些增加了最终的生产成本。

本发明的一个目的就是提供一种提高效率的热水器。

本发明的另一个目的是提供一种消除较大的机电温度自动调节器和减少生产热水器所需要的元件数量的一种热水器。

本发明的其它目的和优点对于那些熟练的技术人员将从本发明的附图详细说明和附加的权利要求书了解得更清楚。

一方面，本发明是一个加热单元，包括适合于伸进并与热水器水箱侧壁密封啮合的一个基座部件。该基座部件具有一个凹槽以容纳一个热敏电阻。导体部件被连接到热敏电阻并从基座部件向伸伸出以传输温度信息给一个控制器。一个电阻加热器套被密封并从基座部件向外伸出且由此具有一个内部定位的加热线圈。冷销连接到加热线圈的相对的端和基座部件上，该冷销应足够长使加热线圈产生的热实际上不会由热敏电阻检测到。导体部件连接到冷销上并从基座部件向外伸出以传输电能到加热线圈。

另一方面，热水器包括一个水容器和加热水容器中的水的加热单元，加热单元包括一个适合于伸进并与热水器水箱壁密封啮合的基座部件，基座部件具有一个凹槽。一个热敏电阻被固定在凹槽内并具有从基座部件向外伸出以传输温度信息的导体部件。一个电阻加热器套被密封并从基座部件向外伸出。一个加热线圈固定在套内并具有连接到加热线圈相对端和基座部分的冷销。冷销要足够长以使由加热线圈产生的热实际上不会被热敏电阻检测到。导体部件连接到冷销并由基座部件向外伸出以传输电能至加热线圈。一个控制器连接到加热单元并能比较从热敏电阻接收的温度信息和预定温度且根据比较结果给加热单元供电。

图1示意地表示出了根据本发明的外观的(aspect)热水器正视图，其中虚线表示热水器的内部。

图2示出了图1所示热水器的侧视图，进行了部分的剖视，其中虚线示出热水器的内部。

图3示出了根据本发明使用的加热单元外观的正视图。

图4示出了图3所示的加热单元的侧视图，其中虚线示出了加热单元基座的内部。

图5示出了图3所示的加热单元的侧视图，其中虚线表示加热单元基座的内侧部分。

图6示出了图3所示的安装于水箱夹板的加热单元的局部剖视图，其中虚线表示加热单元基座的内侧部分。

图7根据本发明的特性公开了热水器控制系统的电路图。

图8根据本发明的特性示出了热水器控制系统的多级图(ladderdiagram)。

应当认识到下列说明书参考如图中举例所选择的本发明的具体实施例而不是用来规定或限制本发明的，除了附加的权利要求书外。

现在转到图上且具体地图1-2，标号“10”指示本发明的电热水器。热水器10包括一个外壳12，也包绕着泡沫绝缘材料14。泡沫绝缘材料包覆着水箱16。一个顶盘18盖在外壳12的上端而底盘20盖在外壳12的底端。水箱16上部的入口22向水箱提供冷水。同样地，出口24让热水从水箱16的上部排出。

一对加热单元26被安装在水箱16的侧面。加热单元26被电气连接到位于顶盘18的凹槽部分30的电子控制器28。加热单元26被安装在水箱16的侧壁并由塑料盖32覆盖，该塑料盖通过壳12上的开口进入闭合位置。上部泡沫隔板34包围着上部单元26并伸到水箱16和壳12之间。同样地，下泡沫隔板36包围着单元26和塞栓38。泡沫隔板36也伸到壳12和水箱16之间。

如图3-6所示，每个加热单元26包括一个基座27，一个电阻加热器29，一个热敏电阻传感器44和一对热敏电阻连接器45。热敏电阻44被定位在电阻加热器29的相对的臂之间的基座内。

电阻加热器29包括一个外套60，该外套实际上成具有一对臂62和64的“U”形，臂62和64密封地连接到基座27。电阻加热器29的内部是一个加热线圈66。加热线圈66将它的相对端的每一端连接到冷销68。冷销68是电导体但当电流提供给加热单元时它不发热。对于具有电阻加热器29约有13.25英寸长的加热单元26每个冷销约有2.5英寸长。这是与0.8英寸的典型长度相比较。冷销68连接至连接于导线40的螺钉70。

基座27包括一个沿径向扩展的法兰盘72。法兰盘72的内表面74与夹板84的外边82接触，这样基座27被固定了。夹板84通过焊接接点88被安装于水箱16。螺纹76密封地拧入夹板84上对应成套的螺纹86以将基座27密封于水箱16的侧面。

基座27也包括容纳热敏电阻传感器44的凹槽78。热敏电阻传感器44被嵌入在将热敏电阻传感器44密封于凹槽78内的散热复合物(heatsink compound)80内。热敏电阻传感器44实际上沿基座27和凹槽78的扩展的中心轴线放置。

如图1和2所示，电子控制器28通过导线40连接至加热单元26。导线40在壳12和水箱16之间的空间有电子控制器28和加热单元26之间延伸。否则那个空间将充满绝缘材料14。为固定导线40如将泡沫成形液在发泡期间直接在导线40的周围成形是可能的。如果需要，导线40也可以被固定在泡沫内制成的通道内，象软管，导管和类似的管道内。电子控制器28是一个用户接口并包括一个水温调节刻度盘，它能被旋转以选择不同的水温值，水箱16内的水将保持该水温值。

电子控制器28及加热单元26的连接和操作特性如图7和8所示，热敏电阻44以常规的方式通过热敏电阻连接器45连接至电子控制器28。电阻加热器29也经由加热器控制板47上的继电器50以同样的方式连接至加热器控制板47。电能通过电源48给系统供电，电源48包括保险49和49’用于过流时切断系统。

正如下文更详细的描述的那样，加热控制板47更好地结合电子控制电路以控制热水器的操作，这种控制电路可以结合一些普通的技术人员了解的电子元件，像固态晶体管和伴随偏压的元件，或一个或多个同类的，可编程的逻辑芯片。该电子控制电路也可以结合一个可编程的只读存储器(PROM)，随机存取存储器(RAM)和一个微处理器。

这些元件的安排与/或编程可以采取任何为本领域普通的技术人员已熟知的形式，以完成热水器如下文所述的操作。例如，这里所描述的具体编程类型可以由Therm-o-Disc有限公司和联合技术电子控制公司(United Technologies Electronic Controls)获得。

当需要热水时，热水从出口24排出而冷水从入口22注入。热敏电阻传感器44借助于它们被嵌在基座27中定位于水箱侧壁的内部的方式检测在水箱16中水的温度。基座27的温度反映水箱16中水的温度。然后热敏电阻44典型地以电信号的形式传送温度信息至控制器28。控制器28以预设温度点编程，以确定在该温度点控制器28为单元26供电。如果需要，预设温度点可以改变。当水箱16中水的温度降低到预设点时，控制器28检测从热敏电阻传感器44接收的温度信息并为单元26供电。在连续供电状态下单元26不断地对水加热直到从传感器44接收的温度信息指示水温已达到第二预设温度点。

第二预设点通过调整刻度盘被设定并且是可变的。当控制器28检测第二预设点已经达到，控制器28切断单元26电源。第二预设点典型的具有5个可变的设置用于切断单元26电源。这种可选择的设置最好在90°-180°F之间。这个用于加热单元供电的差异能够根据所需完成的任何而改变。

控制器28还包含一个锁定设置点，它最好小于大约210°F。控制锁定防止当水温达到异常预设点时为单元26供电，并且控制器28直到控制器28切断电源并被复位然后重新供电时才允许单元26加电。这能由控制器28自动结完成，由此减少和尽可能消除机械的重新设置控制的需要。这种复位可以通过在控制器28上复位用户接口来完成。传感器44的传感能力是这样的，只要从水箱16有1.5加仑的水被抽出后单元26可以被供电和断电。这可与现有技术构造约排出3加仑水相比较。

关于完成热水器操作的步骤的一个具体顺序如下所述。当热水器控制系统第一次被启动时，热水器控制板47的控制电子电路记录底部加热单元26的初始温度，然后接通底部加热单元26十秒钟然后关闭两分钟。然后加热器控制板47记录例如底部加热单元26的存储温度作为通过热敏电阻44测量的温度并计算终了温度和初始温度之间的差。

如果这些温度差大于五度，那么加热器控制板47通过继电器50关闭两个加热单元26。加热器控制板47随后检查是否系统电源通过输入电源48已经切断或复位。一旦系统已被复位，加热器控制板47随后从头开始这个程序。

然而，如果温度差小于五度，那么加热器控制板47给底部加热单元26供电以加热水箱16中的水直到它达到温度调节刻度盘上设定的温度。

如果温度调节刻度表的温度小于110°F，那么顶部加热单元26保持断开。否则，加热器控制板47检查在上面的加热单元26上的热敏电阻44的温度。如果在上面的加热单元26上的热敏电阻44的温度等于温度盘减5°F的温度，那么加热器控制板47直到在上面的加热单元26上的热敏电阻44的温度小于接通温度(典型地是在温度调节刻度表上设置的减去增加值像5°的温度)减5°F时才为上面的加热单元26供电。加热器控制板47随后为顶部加热单元26供电。

然后水箱16中水的加热以常规的方式继续进行，直到温度调节刻度盘的温度已达到才关闭。

通过以上文所描述的方式为上部和下部加热单元26供电，本发明的显著优点可以被实现。例如，为元件短暂的供电(如，约5-10秒)和用热敏电阻检测温度使加热器控制板47防止加热单元26长时间在“干烧”状态被供电，由此避免实质性老化及显著的延长它们的寿命。由此，“实质上无老化”指的是很少或无元件老化，这些发生在元件供电约5秒和到约10秒期间。在任何干烧条件下供电超过10秒就可能导致实质的老化。

热敏电阻44的使用比使用普通的温度传感技术，如双金属片，便于更精确和更灵敏的检测温度。使得在干烧条件下发生在短暂的时间里的显著温度变化只有在为加热单元26供电的很短的时间(例如，10秒)被检测。用这种方法，干烧状态实际上可以立即被检测到，从而有效地防止了由于元件过热而降低了它的使用寿命。

我们已经发现热敏电阻44，当它嵌入放在凹槽78中的散热复合物80内时，提供上文所讨论的高精度的温度读数。我们还发现以前使用的冷销是如此短以便由加热线圈66所产生的热对双金属片的读数起使用。这是因为由加热线圈66辐射的局部热量人为地升高了基座27的温度，由此提供了不准确的结果。冷销68从标准的0.8英寸加长到至少2英寸且更好的是加长到约2.5英寸，实际上清除了加热线圈66散热的局部影响，换言之，冷销68应该是普通冷销长度的2-3倍。冷销68最好由镀镍冷轧钢制成。

在它的最佳形式下，加热单元26具有约110v至480v的电压范围和约1000-6000瓦特数范围。热敏电阻最好可以由Therm-o-Disc有限公司获得而散热复合材料80可以由Locktite Inc获得，尤其是Locktite383。类似地，套60最好由铜制成，尽管其它适当的材料也可以使用。基座27最好由不锈钢制成，虽然其它材料只要耐腐蚀和能传热就可以被采用。

热敏电阻44的使用也淘汰了传统的机电温度自动调节器和它们相关的发泡板，玻璃纤维夹层及类似物品。小EPS泡沫隔板34充填基座27的周围并且允许泡沫绝缘材料覆盖水箱更大的表面积。举一个例子，现在典型的未由泡沫绝缘材料覆盖的水箱侧壁的表面积对于每个加热单元约是289平方英寸。这个表面积在本发明中能被减少到约84平方英寸或更少。这意味着减少约70％。该小泡沫隔板最好呈“环形箱”形并被定尺寸和定型以紧密环绕和实际上面对基座27。

上述的改进产生了高效能的热水器。其结果是在水箱16和壳12之间定位的泡沫绝缘材料的厚度可能被减少到约50％。换言之，一个2"的发泡空腔可以被减少到1"，且还保持同样的能量输入和备用品损耗。

尽管这个发明以具体的形式已做了叙述，可以意识到各种各样的等效物可以替代本文所述的具体元件而不脱离如在附加的权利要求书中所述的这个发明的实质。例如，水箱16可以被制成许多种尺寸和形状并且可以由各种材料如金属和/或塑料制成。泡沫绝缘材料14同样地可以由许多种在技术上已知的高效能的泡沫绝缘材料构成。

水箱16的底可以有各种的形状，不论是如所示的较低法兰盘还是像一个平面构造。可以进行其它的修改，包括在水箱16的底和底盘20之间使用泡沫绝缘材料。外壳12也可以由多种材料如轧制的金属，最好是钢，或者挤压出的乙烯树脂材料及类似材料制成。顶盘18和底盘20也可以是深拉伸，冲压成形或类似的方法，或者金属，塑料或其它合适的材料制成。

根据本发明更换另一套操作步骤也是可能的。在这个变形中，在控制热水器供电间，加热器控制板47在低位单元26上通过热敏电阻44测量的温度检查水是否需要加热并比较测量温度和温度调节刻度盘的温度。如果存在这样的需要，加热器控制板47为低位单元26供电并不断地检查是否水的加热需求已被满足。一旦这个加热要求被满足，加热器控制板47随后对上面的加热单元26重复这个步骤。

Claims (23)

1.一种热水器加热单元包括：

一个热传导基座部件，适合于伸出并密封地啮合于热水器水箱的一个壁上，所述的基座部件具有一个凹槽；

定位于所述的凹槽的一个热敏电阻；

连接至所述的热敏电阻并且从所述的基座部件向外伸出以传输温度信息的部件；

密封的并从所述的基座部件向外伸出的且伸进所述的热水器水箱的一个套；

定位于所述套内的一个加热线圈；

连接至所述加热线圈的相对的两端及所述基座部件的冷销，所述的冷销应足够长使得由所述加热线圈产生的热量实际上不被所述热敏电阻检测到；及

连接至所述冷销并由所述基座部件向外伸出以传输电能给所述的加热线圈的部件；

2.权利要求1所述的加热单元，进一步包括在所述基座部件上形成的螺纹以密封地旋入在所述壁上成形的螺纹。

3.权利要求2所述的加热单元，其中在所述壁上成形的所述螺纹被成形在密封地安装在所述壁上的一个夹板上。

4.权利要求1中所述的加热单元，其中所述的基座部件进一步包括适合于嵌入所述壁外表面的径向扩展的法兰盘。

5.权利要求1中所述的加热单元，其中所述冷销至少约有2英寸长。

6.权利要求1中所述的加热单元，其中所述冷销大约是2.5英寸长。

7.权利要求1中所述的加热单元，其中所述冷销由镀镍冷轧钢制成。

8.权利要求1中所述的加热单元，进一步包括包围着所述热敏电阻的散热复合材料。

9.权利要求8中所述的加热单元，其中所述的散热复合材料在所述凹槽中密封所述的热敏电阻。

10.权利要求1中所述的加热单元，其中所述热敏电阻被焊在连接至所述的热敏电阻的所述部件上。

11.权利要求1中所述的加热单元，其中所述基座部件实际是圆的并具有在其穿过的中心轴线且其中所述热敏电阻实际上被固定在所述中心轴线上。

12.一种电热水器包括：

1)一个水容器；

2)一个固定在所述水容器中以对水加热的加热单元，所述的加热单元包括：

适合于伸进并密封地嵌在热水器水箱壁的一个热传导基座部件，所述的基座部件具有一个凹槽；

定位于所述凹槽内的一个热敏电阻；

连接至所述热敏电阻并由所述基座部件向外伸出以传输温度信息的部件；

密封的并由所述基座元件向外伸出且伸进所述水容器的一个套；

定位于所述套内的加热线圈；

连接于所述加热线圈相对的两端和所述基座部件的冷销，所述冷销应足够长以使由所述加热线圈产生的热量不被所述热敏电阻检测到；

连接至所述冷销并由所述基座部件向外伸出以传输电能到所述加热线圈的部件；及

3)连接至所述加热单元的一个控制器，所述控制器能比较由所述热敏电阻接收的温度信息和一个预定温度并根据所述的比较结果为所述的加热单元供电。

13.权利要求12所述的热水器，进一步包括：

固定在所述加热单元的上面且能够加热所述水的一个第二加热单元，所述的第二个加热单元包括：

适合于伸进并密封地嵌入热水器水箱壁的一个热传导基座部件，所述的基座部件具有一个凹槽；

定位于所述凹槽内的一个热敏电阻；

连接至所述热敏电阻并由所述基座部件向外伸出以传输温度信息的部件；

密封的并由所述的基座部件向外伸出且伸进所述水容器的一个套；

定位在所述套内的一个加热线圈；

连接至所述加热线圈相对的两端和所述基座部件的冷销，所述冷销足够长以使得由所述加热线圈产生的热量实际上不被所述热敏电阻检测到；以及

连接至所述冷销并由所述基座部件向外伸出以传输电能到所述加热线圈的部件，所述第二加热单元被连接至所述控制器。

14.权利要求12中所述的热水器，其中所述的预定温度是可变的。

15.权利要求12中所述的热水器，其中所述控制器能够比较由所述热敏电阻接收的温度信息和第二预定温度并且根据此结果为所述加热单元断电。

16.权利要求15中所述的热水器，其中所述的第二预定温度是可变的。

17.权利要求12中所述的热水器，其中所述控制器能比较由所述的传感器接收的温度信息和一个第三预定温度并据此结果保证控制器锁定。

18.权利要求17中所述的热水器，其中所述控制器的锁定通过中断并随后再对所述控制器恢复供电而被解除。

19.权利要求12中所述的热水器，进一步包括环绕着所述水容器的一个壳和在所述壳及所述水容器中间放置的泡沫绝缘材料。

20.权利要求19中所述的热水器，进一步包括包围所述基座部件和在所述壳及所述水容器中间放置的泡沫隔板。

21.权利要求20中所述的热水器，其中所述泡沫隔板具有定尺寸和定型的开放式内表面以适于贴近所述的基座部件。

22.一种电热水器包括：

1)一个水箱

2)固定于所述水箱中以对水加热的加热单元，所述的加热单元包括：

适于伸进并密封地嵌入热水器水箱壁的热传导基座部件，所述的基座部件具有一个凹槽；

定位于所述凹槽内的热敏电阻；

连接至所述热敏电阻并由所述基座部件向外伸出以传输温度信息的部件；

密封的并由所述的基座部件向外伸出且伸进所述水箱的一个套；

放置于所述套内的加热线圈；

连接至所述加热线圈相对的两端和所述基座部件的冷销，所述冷销足够长，使得所述加热线圈产生的热量实际上不被所述热敏电阻检测到；

连接至所述冷销并由所述基座部件向外伸出以传输电能到所述加热线圈的部件；及

3)连接至所述加热单元的控制器，所述控制器能比较由所述热敏电阻接收的温度信息和一个预定的温度并由所述的感应温度小于所述的预定温度时为所述加热单元供电，而且所述控制器能比较一组感应的温度并且当在一预定时间的感应的温度差大于预定温度差时对所述的加热单元断电。

23.权利要求22中所述的热水器，进一步包括：

固定在所述加热单元上方的并能够加热所述水的第二加热单元，所述的第二加热单元包括：

适合于伸进并密封地嵌入热水器水箱壁的热传导基座部件，所述基座部件具有一个凹槽；

放置于所述凹槽内的热敏电阻；

连接至所述热敏电阻并由所述基座部件向外伸出以传输温度信息的部件；

密封的并由所述基座部件向外伸出且伸进所述水箱的一个套；

放置于所述套内的加热线圈；

连接至所述加热线圈的相对的两端和所述的基座部件的冷销，所述冷销足够长以使得由所述加热线圈产生的热量实际上不被所述热敏电阻检测到；及

连接至所述冷销并由所述基座部件向外伸出以传输电能到所述加热线圈的部件，所述第二加热单元被连接至所述的控制器。

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