本發(fā)明總體涉及一種用于檢測(cè)和防止熱水器中的干燒事件的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

電熱水器被用于在儲(chǔ)存罐中加熱和儲(chǔ)存一些水以隨后按要求輸送給住宅和商業(yè)建筑中的衛(wèi)生設(shè)備，例如水槽、浴缸和淋浴器。電熱水器典型地利用一個(gè)或多個(gè)電阻加熱元件以在恒溫器的控制下提供熱量給罐儲(chǔ)存的水，恒溫器監(jiān)控儲(chǔ)存的水的溫度。

電熱水器在出售時(shí)其罐內(nèi)沒(méi)有水，在移動(dòng)并安裝在其準(zhǔn)備工作的位置之后充滿水。存在的可能性是，熱水器可能被“干燒”，即，在儲(chǔ)存罐充滿水(從而將元件浸入水中)之前或以其它方式在加熱元件在水中沒(méi)有被覆蓋的條件下，使其電阻型加熱元件通電。當(dāng)這種干燒發(fā)生時(shí)，電阻加熱元件可能過(guò)熱，其可能導(dǎo)致將該設(shè)備返回給制造商，或者打電話給修理技術(shù)人員以執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)的元件替換。以及，在那些包括由塑料材料形成的本體的熱水器中，由于過(guò)熱從而對(duì)本體造成的損害可能使熱水器不能維修。

以前已經(jīng)提出了多種解決方案來(lái)防止電熱水器中的加熱元件通電，除非元件浸入水中。這些提出的解決方案有兩種形式，基于浮控開(kāi)關(guān)的保護(hù)系統(tǒng)，其中加熱元件只有在浮子傳感器檢測(cè)到罐中的水平線在充分覆蓋加熱元件的一定水平線之上的情況下被激活，以及基于溫度傳感器的保護(hù)系統(tǒng)，其中加熱元件只有在鄰近相應(yīng)的加熱元件、與熱水器的外表面接觸的溫度傳感器指示溫度低于預(yù)定閾值的情況下被激活。然而，為了合并到整個(gè)熱水器組件中，基于浮控開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)變得復(fù)雜且昂貴，并且包括可能不利地影響可靠性的移動(dòng)部分?，F(xiàn)有的基于溫度傳感器的保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于具有聚合物材料構(gòu)造的罐的熱水器可能是不可靠的，由于聚合物是熱的不良導(dǎo)體，在溫度傳感器檢測(cè)到干燒條件之前，罐可能發(fā)生損害。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明認(rèn)識(shí)并考慮到現(xiàn)有技術(shù)的構(gòu)造和方法。

在本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例中，熱水器具有限定內(nèi)部容積的罐，設(shè)置在內(nèi)部容積中的加熱元件，相對(duì)于加熱元件設(shè)置的溫度傳感器、使得溫度傳感器檢測(cè)內(nèi)部容積中加熱元件周?chē)鷧^(qū)域的溫度，以及與溫度傳感器相連的控制器?？刂破髋渲贸梢灶A(yù)定觸發(fā)率、以累計(jì)的觸發(fā)(actuate)期間觸發(fā)加熱元件，使得預(yù)定觸發(fā)率使加熱元件在空氣中保持在預(yù)定最大溫度以下，以及使得在累計(jì)的觸發(fā)期間結(jié)束時(shí)，當(dāng)加熱元件浸入水中時(shí)，加熱元件貢獻(xiàn)至少預(yù)定量的能量給通過(guò)溫度傳感器測(cè)量的區(qū)域。

在另一個(gè)實(shí)施例中，控制器被配置為接收來(lái)自溫度傳感器的、指示周?chē)鷧^(qū)域溫度的第一信號(hào)，并基于第一信號(hào)確定第一溫度。在確定第一溫度后，控制器間歇地以預(yù)定的累計(jì)觸發(fā)期間觸發(fā)加熱元件。在預(yù)定累計(jì)觸發(fā)期間之后，控制器接收來(lái)自溫度傳感器的、指示周?chē)鷧^(qū)域溫度的第二信號(hào)，并基于第二信號(hào)確定第二溫度。如果第二溫度相比于第一溫度超出第一預(yù)定增量，控制器使加熱元件停用。

在另一個(gè)實(shí)施例中，熱水器包括限定內(nèi)部容積的罐，設(shè)置在內(nèi)部容積中的加熱元件，相對(duì)于加熱元件設(shè)置的溫度傳感器、使得溫度傳感器檢測(cè)內(nèi)部容積中加熱元件周?chē)鷧^(qū)域的溫度，以及與溫度傳感器相連的控制器。控制器被配置為，在檢測(cè)用于觸發(fā)加熱元件的條件時(shí)，接收來(lái)自溫度傳感器的、指示周?chē)鷧^(qū)域溫度的第一信號(hào)，并且基于第一信號(hào)確定第一溫度。在確定第一溫度后，控制器以足夠的累計(jì)觸發(fā)期間觸發(fā)加熱元件，以將加熱元件周?chē)乃訜嶂辽兕A(yù)定增量，并且以足夠?qū)⒓訜嵩３衷陬A(yù)定最大溫度以下的相應(yīng)的加熱元件的非觸發(fā)期間來(lái)分隔累計(jì)觸發(fā)期間內(nèi)的加熱元件的觸發(fā)期間。在預(yù)定累計(jì)觸發(fā)期間后，控制器接收來(lái)自溫度傳感器的、指示周?chē)鷧^(qū)域溫度的第二信號(hào)，并且基于第二信號(hào)確定第二溫度。如果第二溫度相比于第一溫度超出相應(yīng)于預(yù)定增量的閾值時(shí)，控制器使加熱元件停用，并且如果第二溫度相比于第一溫度沒(méi)有超出相應(yīng)于預(yù)定增量的閾值時(shí)，控制器響應(yīng)該條件而觸發(fā)加熱元件。

在熱水器中檢測(cè)干燒事件的方法的實(shí)施例中，熱水器具有限定內(nèi)部容積的罐，設(shè)置在內(nèi)部容積中的加熱元件，以及相對(duì)于加熱元件設(shè)置的溫度傳感器，使得溫度傳感器檢測(cè)內(nèi)部容積中加熱元件周?chē)鷧^(qū)域的溫度。加熱元件以預(yù)定觸發(fā)率、以累計(jì)觸發(fā)期間被觸發(fā)，使得預(yù)定觸發(fā)率使加熱元件在空氣中保持預(yù)定最大溫度以下，并且使得在累計(jì)觸發(fā)期間結(jié)束時(shí)，當(dāng)加熱元件浸入水中時(shí)，加熱元件貢獻(xiàn)至少預(yù)定量的能量給通過(guò)溫度傳感器測(cè)量的區(qū)域。

在進(jìn)一步的實(shí)施例中，檢測(cè)周?chē)鷧^(qū)域的第一溫度。在檢測(cè)第一溫度后，加熱元件間歇地以預(yù)定累計(jì)觸發(fā)期間被觸發(fā)。在預(yù)定累計(jì)觸發(fā)期間后，確定周?chē)鷧^(qū)域的第二溫度。如果第二溫度相比于第一溫度超出第一預(yù)定增量，停用加熱元件。

在另一個(gè)檢測(cè)熱水器中干燒事件的方法的實(shí)施例中，熱水器具有限定內(nèi)部容積的罐，設(shè)置在內(nèi)部容積中的加熱元件，以及相對(duì)于加熱元件設(shè)置的溫度傳感器、使得溫度傳感器檢測(cè)內(nèi)部容積中加熱元件周?chē)鷧^(qū)域的溫度，周?chē)鷧^(qū)域的第一溫度在觸發(fā)加熱元件發(fā)生的條件下被檢測(cè)。在檢測(cè)第一溫度后，加熱元件以足夠的預(yù)定累計(jì)觸發(fā)期間被觸發(fā)，以將加熱元件周?chē)乃訜嶂辽兕A(yù)定增量。累計(jì)觸發(fā)期間內(nèi)的加熱元件的觸發(fā)期間被足夠?qū)⒓訜嵩３衷陬A(yù)定最大溫度以下的相應(yīng)的加熱元件的非觸發(fā)期間來(lái)分隔。在預(yù)定累計(jì)觸發(fā)期間后，確定周?chē)鷧^(qū)域的第二溫度。如果第二溫度相比于第一溫度超出第一預(yù)定增量，停用加熱元件，并且如果第二溫度相比于第一溫度沒(méi)有超出相應(yīng)于預(yù)定增量的閾值，加熱元件響應(yīng)該條件被觸發(fā)。

在檢測(cè)包括加熱元件的熱水器中干燒事件的方法的實(shí)施例中，加熱元件通電之前確定熱水器中的第一溫度。加熱元件以由加熱元件非觸發(fā)的相應(yīng)的第二預(yù)定時(shí)間期間分隔的多個(gè)第一預(yù)定時(shí)間期間間歇地通電。確定加熱元件已經(jīng)通電的第一預(yù)定時(shí)間期間的總量。第一預(yù)定時(shí)間期間的總量與第一預(yù)定時(shí)間期間的預(yù)定量比較。當(dāng)?shù)谝活A(yù)定時(shí)間期間的總量大于或等于第一預(yù)定時(shí)間期間的預(yù)定量，確定熱水器中的第二溫度。第二溫度與第一溫度比較。當(dāng)?shù)诙囟鹊扔诘谝粶囟然虮鹊谝粶囟却笾辽兕A(yù)定溫度增量時(shí)，阻止對(duì)加熱元件的能量供給。

在本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例中，用于在包括加熱元件的熱水器中檢測(cè)干燒事件的系統(tǒng)具有鄰近加熱元件設(shè)置的溫度傳感器元件，以及控制器?？刂破鞅慌渲脼樵诩訜嵩娗盎趤?lái)自溫度傳感器元件的信號(hào)確定熱水器中的第一溫度?？刂破鏖g歇地以多個(gè)第一預(yù)定時(shí)間期間給加熱元件通電?？刂破鞔_定加熱元件被通電的第一預(yù)定時(shí)間期間的總量?？刂破鞅容^第一預(yù)定時(shí)間期間的總量和第一預(yù)定時(shí)間期間的預(yù)定量。當(dāng)?shù)谝活A(yù)定時(shí)間期間的總量大于或等于第一預(yù)定時(shí)間期間的預(yù)定量時(shí)，控制器基于來(lái)自溫度傳感器元件的信號(hào)確定熱水器中的第二溫度。控制器比較第二溫度和第一溫度，并且當(dāng)?shù)诙囟鹊扔诘谝粶囟然虮鹊谝粶囟却笾辽兕A(yù)定溫度增量時(shí)，阻止對(duì)加熱元件的能量供給。

結(jié)合并構(gòu)成說(shuō)明書(shū)一部分的附圖示出本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，與說(shuō)明書(shū)一起用于解釋本發(fā)明的原理。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的完整和允許的公開(kāi)，包括本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉的最佳模式，在說(shuō)明書(shū)中闡述，參照附圖，其中：

圖1是包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的干燒保護(hù)系統(tǒng)的熱水器的正視圖；

圖2是圖1中示出的熱水器的沿線2-2的截面圖；

圖3是具有根據(jù)本發(fā)明的干燒保護(hù)系統(tǒng)的熱水器的實(shí)施例的側(cè)視圖；包括側(cè)壁的部分切面圖；

圖4A和4B分別是圖1中示出的熱水器的電加熱元件的頂視圖和側(cè)視圖；

圖5是圖4A和4B中示出的電加熱元件的基部的透視圖；

圖6是與圖1-3的熱水器一同使用的干燒保護(hù)控制系統(tǒng)的示意圖；以及

圖7示出檢測(cè)和防止干燒事件發(fā)生的方法，作為圖1-3的熱水器的一部分，由圖6的控制系統(tǒng)執(zhí)行。

本說(shuō)明書(shū)和附圖中涉及特征的反復(fù)使用意在表示根據(jù)本公開(kāi)的發(fā)明的相同或相似的特征或元件。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將詳細(xì)做出參考以介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其一個(gè)或多個(gè)例子在附圖中示出。每個(gè)例子通過(guò)本發(fā)明的解釋的方式提供，但不限于此。實(shí)際上，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是改進(jìn)和變動(dòng)可以在本發(fā)明中做出而不背離其范圍和精神。例如，作為一個(gè)實(shí)施例的一部分示出或描述的特征可以用在另一個(gè)實(shí)施例中以得到進(jìn)一步的實(shí)施例。因此，想要的是，本發(fā)明覆蓋附加權(quán)利要求和其等同物的范圍內(nèi)的這種改進(jìn)和變動(dòng)。

如在此使用的，涉及方向的術(shù)語(yǔ)，或關(guān)于熱水器方位的位置，例如但不限于“垂直”、“水平”、“上”、“下”、“在......之上”或“在......之下”，是指方向和關(guān)于熱水器在其通常準(zhǔn)備運(yùn)行的方位的相對(duì)位置，如這里圖1至3所示的。因此，例如，術(shù)語(yǔ)“垂直”和“上”涉及垂直方位和圖1至3視角中的相對(duì)較上的位置，并且在這樣的背景下應(yīng)當(dāng)理解的是，甚至關(guān)于可以設(shè)置在不同方位的熱水器。

進(jìn)一步，用在該申請(qǐng)和附加權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)“或”想要表示包括的“或”而不是排除的“或”。換句話說(shuō)，除非另有規(guī)定，或從上下文中排除，短語(yǔ)“X使用A或B”意在表示自然包括性置換的任何一個(gè)。換句話說(shuō)，短語(yǔ)“X使用A或B”由以下例子的任意一個(gè)滿足：X使用A；X使用B；或X使用A和B。另外，在該申請(qǐng)和附加權(quán)利要求中使用的冠詞“a”和“an”(“一”)通常應(yīng)當(dāng)解釋為“一個(gè)或更多”，除非另有規(guī)定或從上下文中排除，涉及單一形式。貫穿說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中，以下術(shù)語(yǔ)在這里至少具有明確相關(guān)的意思，除非上下文另有規(guī)定。以下認(rèn)定的意思不是必須限制術(shù)語(yǔ)，但是僅為術(shù)語(yǔ)提供示例。“a”、“an”和“the”可以包括復(fù)數(shù)形式，并且“in”的含義可以包括“在......里”和“在......上”。在此使用的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”盡管可以，但是不必須涉及相同的實(shí)施例。

現(xiàn)在參照?qǐng)D1和2，熱水器100包括根據(jù)本公開(kāi)的用于檢測(cè)干燒事件的系統(tǒng)。熱水器100包括垂直定向、通常為圓柱形的本體101，該本體通過(guò)具有圓蓋形頂端頭部104的外壁、底盤(pán)部分106、大體圓柱形側(cè)壁102(該圓柱形側(cè)壁在二者之間延伸并具有在垂直于本體圓柱形中軸的平面上的環(huán)形橫截面)而限定，以及包括設(shè)置在其中的無(wú)縫單片襯墊103，該襯墊限定用于接收且保持水的內(nèi)部容積108。如所示出的，側(cè)壁102由加強(qiáng)聚丙烯基聚合物材料形成，但是從本公開(kāi)中可以理解的是，在其它實(shí)施例中，可利用其它合適的聚合物材料，以及鋼或其他金屬，用于側(cè)壁102、頭部104和盤(pán)106。從本公開(kāi)中也應(yīng)當(dāng)明顯的是，壁的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造也可以改變，并且本公開(kāi)不局限于這里討論的特定例子的結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)實(shí)施例中，例如，并且參照?qǐng)D3，本體101由上和下本體部分101a和101b形成，其獨(dú)立地模制并隨后在接縫105處連接。本體部分101a和101b由雙壁結(jié)構(gòu)形成，而不是如圖2的實(shí)施例中示出的壁-和-球膽布置。本體部分101a和101b的制造過(guò)程在1999年7月13日發(fā)表的美國(guó)專(zhuān)利No.5923819中更詳細(xì)地討論，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用在此結(jié)合，因此過(guò)程的詳細(xì)描述在此不再重復(fù)。

如圖1和2所示，冷水進(jìn)口管110，熱水出口接頭112和溫度及壓力排泄閥114通過(guò)限定在熱水器的圓蓋形頂端頭部104中的合適的開(kāi)口延伸。閥排水管116通過(guò)底盤(pán)部分106向內(nèi)延伸。一對(duì)頂部和底部垂直間隔的電阻加熱組件130a和130b(見(jiàn)圖2)通過(guò)一對(duì)相應(yīng)的頂部和底部孔118和120向內(nèi)徑向延伸入內(nèi)部容積108，頂部和底部孔118和120形成在相應(yīng)的凹形外殼143中，外殼143被設(shè)置并且在熱水器本體101的襯墊103和側(cè)壁102之間延伸。外殼143包括或與相應(yīng)的蓋109(圖1)配合，蓋109覆蓋電阻加熱組件130a和130b的電接頭139(圖4A和4B)，并且從熱水器100的側(cè)壁向外延伸。電源通過(guò)電接頭139提供電流給組件130a和130b的相應(yīng)的加熱元件，并且控制板通過(guò)電接頭139與組件130a和130b的相應(yīng)的溫度傳感器(150/152)相連，如下所描述的。

在熱水器100的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行期間，來(lái)自壓力源的冷水流入熱水器內(nèi)部容積108，其中水通過(guò)電阻加熱組件130a和130b加熱并且存儲(chǔ)用于以后的使用。當(dāng)建筑或其它設(shè)備內(nèi)與熱水器100相連的、熱水器100安裝在其中的衛(wèi)生設(shè)備(未示出)需要熱水并且被致動(dòng)以允許經(jīng)由接頭112來(lái)自罐的熱水流動(dòng)時(shí)，熱水器100的內(nèi)部容積108中存儲(chǔ)的被加熱的水經(jīng)由如本領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)知曉的供熱水管通過(guò)熱水出口接頭112向外流至設(shè)備。通過(guò)熱水出口接頭112向外的被加熱的水的排放使得容積108中產(chǎn)生這樣能力，該容積相應(yīng)地由通過(guò)冷水進(jìn)口管110向下流動(dòng)并流入容積108中的加壓的冷水填充。這降低了罐中水的溫度，該水接著被電阻加熱組件130a和130b加熱?？刂瓢逄幚砥?下文中描述)基于從上加熱組件130a的溫度傳感器150(下文中討論)接收到的信號(hào)監(jiān)視罐中水的溫度，當(dāng)處理器檢測(cè)到水溫低于預(yù)定的低閾值時(shí)、觸發(fā)組件130a和130b的加熱元件，并且將加熱元件維持在觸發(fā)狀態(tài)、直到處理器檢測(cè)到水溫高于預(yù)定的高閾值，應(yīng)當(dāng)理解的是，高閾值大于低閾值。雖然在本示例中，控制系統(tǒng)依賴(lài)于在加熱元件組件中利用的溫度傳感器(150)，應(yīng)當(dāng)理解的是，這僅僅為了例子的目的，并且控制系統(tǒng)可以包括用于該目的的單獨(dú)的溫度傳感器。

圖4A和4B提供頂部電阻加熱組件130a的頂視圖和側(cè)視圖。在當(dāng)前描述的實(shí)施例中，頂部和底部電阻加熱組件130a和130b是相同的，但在其它實(shí)施例中，它們的結(jié)構(gòu)可以不同。在另一個(gè)實(shí)施例中，例如，如在此討論的，上加熱組件130a具有溫度傳感器，但是下加熱組件130b沒(méi)有。更進(jìn)一步，在其它實(shí)施例中，只有一個(gè)加熱組件在熱水器中使用，其具有如在此討論的溫度傳感器。當(dāng)熱水器只有一個(gè)加熱組件時(shí)，加熱組件可位于罐的較低處，通常位于圖2中組件130b的位置?；诒竟_(kāi)也將明顯的是，熱水器可以利用多于兩個(gè)加熱組件。

電阻加熱組件130a包括電阻加熱元件132和溫度傳感器探針150，每一個(gè)從圓柱形基部或軛部133的第一側(cè)133a向外延伸(并且當(dāng)加熱組件安裝在熱水器時(shí)向內(nèi)進(jìn)入罐內(nèi)部容積108中)。電阻加熱元件132包括一對(duì)水平隔開(kāi)的平行底部支腿部分134和一對(duì)水平隔開(kāi)的平行頂部支腿部分136。每個(gè)底部支腿部分134通過(guò)180度第一彎曲部分138均平行且連接于相應(yīng)的頂部支腿部分136，如圖4B所示。此外，如圖4A所示，頂部支腿部分136的遠(yuǎn)端通過(guò)180度第二彎曲部分140連接。頂部支腿部分136短于底部支腿部分134，意味著第二彎曲部分140從電阻加熱元件132的基部133水平隔開(kāi)或偏移(在圖4B和圖2視角中)。在先前描述的實(shí)施例中，電阻加熱元件132由鈦形成。然而，在可選實(shí)施例中，加熱元件可由其它合適的材料，如銅形成。加熱元件本身的結(jié)構(gòu)可以改變，如考慮到本公開(kāi)的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)理解的。此外，電阻加熱元件的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行應(yīng)當(dāng)被很好地理解，因此在此不做進(jìn)一步詳細(xì)的討論。

溫度傳感器探針150從基部133的第一側(cè)133a朝第二彎曲部分140向外延伸。當(dāng)元件安裝在熱水器100中、使得本體101被定向?yàn)槭沟闷淇v軸如圖1和2的視角所示而垂直時(shí)，溫度傳感器探針150水平設(shè)置在加熱元件底部支腿部分134之間并且在垂直上方，使得傳感器探針150平行于底部和頂部支腿部分134和136。還參照?qǐng)D5，溫度傳感器探針150包括設(shè)置在其中并且從螺紋基座154延伸的熱敏電阻元件152，螺紋基座154接收在限定在電阻加熱組件130a的基部133中的相應(yīng)的螺紋孔146中。類(lèi)似地，基部133是螺紋的并且接收在基座凸緣142的相應(yīng)的螺紋孔144中，如圖5所示。基座凸緣142被用于使電阻加熱組件130a固定在熱水器本體101的頂部孔118中(并且，更特別地，外殼143的襯墊103處)。如所示的，基座凸緣142優(yōu)選地通過(guò)多個(gè)緊固件，例如螺紋緊固件(未示出)，而固定于相應(yīng)一個(gè)凹形外殼143(圖2)，該凹形外殼143附于本體101的襯墊103且從罐外壁102向內(nèi)延伸至本體101的襯墊103。螺紋緊固件通過(guò)基座凸緣142的緊固件孔145而被接收。在可選實(shí)施例中，螺紋基部133可以直接接收在形成于熱水器100的環(huán)形側(cè)壁102中的相應(yīng)的螺紋孔中。電接頭139從加熱組件基部133的第二側(cè)133b向外延伸，使得加熱組件可被連接至相關(guān)電源，并且溫度傳感器探針電連接至(通過(guò)熱敏電阻元件152和電接頭139以及電接頭139和控制器202之間合適的接線)控制器202。注意，在可選實(shí)施例中，溫度檢測(cè)器，例如，但不局限于熱電偶、電阻溫度檢測(cè)器(RTD)等等可被使用，而不是采用熱敏電阻決定熱水器中的溫度。

注意，電熱水器被銷(xiāo)售，其內(nèi)部容積中沒(méi)有水，并且安裝后填充水?？赡艽嬖诘氖牵瑹崴鞅怀錆M之前可能會(huì)不小心地將一個(gè)或多個(gè)熱水器電阻加熱組件通電，或當(dāng)熱水器以其他方式不小心流空時(shí)，留下電阻加熱元件暴露于液面以上空間的空氣而沒(méi)有被浸入水中。沒(méi)有水存在使得熱量從加熱組件中更有效地(相比于空氣)消散，在這種干燒條件下的加熱組件的運(yùn)行可能由于過(guò)熱而導(dǎo)致加熱組件的損壞，和/或?qū)е聦?duì)熱水器本體的損壞，在該情況下的示例中熱水器本體由聚丙烯基聚合物材料形成。除了發(fā)生在安裝時(shí)的可能情況，在安裝后水從熱水器無(wú)意間排空時(shí)，也可存在干燒情況。因此，如圖6所示，熱水器100(圖1至3)包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的干燒保護(hù)系統(tǒng)200。

干燒保護(hù)系統(tǒng)200包括接收來(lái)自相關(guān)電源204的電力的控制器202，和一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器探針150，每一個(gè)與相應(yīng)的電阻加熱組件130a和130b相關(guān)聯(lián)。在示出的實(shí)施例中，如圖6中示出的控制器是控制熱水器運(yùn)行的相同的控制器，并且控制器、電源和如在201處指示的開(kāi)關(guān)單元206可以安置在熱水器的主控板上。因此，這里公開(kāi)的功能可以通過(guò)給熱水器現(xiàn)存的控制器編程而產(chǎn)生，盡管應(yīng)當(dāng)理解的是可以采用單獨(dú)的處理器。注意，開(kāi)關(guān)206和圖6指示的其他電路可布置在熱水器的主控板上，或以其他方式合并到熱水器現(xiàn)存的控制和功率電路中。

從本公開(kāi)中可以理解的是，屬于控制器202的功能可以通過(guò)執(zhí)行在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)和其相關(guān)存儲(chǔ)器或其它計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的程序的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令體現(xiàn)，如上所述，例如通過(guò)熱水器的通用嵌入式控制系統(tǒng)體現(xiàn)。通常，程序模塊包括例行程序、程序設(shè)計(jì)、部件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等等，其執(zhí)行特殊的任務(wù)和/或?qū)嵤┨厥獾某橄髷?shù)據(jù)類(lèi)型。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，這里描述的系統(tǒng)/方法可通過(guò)多種控制器配置而實(shí)踐，包括可編程邏輯控制器、簡(jiǎn)單邏輯電路、單處理器或多處理器系統(tǒng)，以及基于微處理器或可編程用戶或工業(yè)電子學(xué)等等。這些功能的方面也可在分布式計(jì)算環(huán)境中實(shí)踐，例如在所謂的“智能家居”布置或系統(tǒng)中，其中任務(wù)通過(guò)經(jīng)由本地或廣域通信網(wǎng)連接至部件(在附圖中另外示出)的遠(yuǎn)程處理裝置來(lái)執(zhí)行。在分布式計(jì)算環(huán)境中，編程模塊可位于本地和遠(yuǎn)程記憶存儲(chǔ)裝置中。因此，控制系統(tǒng)200可以包括通過(guò)硬線或無(wú)線本地或遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)與在此描述的系統(tǒng)部件進(jìn)行通訊的計(jì)算裝置。

可以產(chǎn)生在此描述的功能的控制器可以包括處理單元、系統(tǒng)內(nèi)存和系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線將包括但不局限于系統(tǒng)內(nèi)存的系統(tǒng)部件連接至處理單元。處理單元可以是多種可獲得的可編程裝置的任意一個(gè)，包括微處理器，并且應(yīng)當(dāng)意識(shí)到的是，雙處理器、多核和其它多處理器架構(gòu)可作為處理單元利用。

本領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)理解的是，電源204包括來(lái)自安裝有熱水器100的建筑物或其它場(chǎng)所的線電流，但是也包括熱水器主控板的功率控制電路。除了提供電力給控制器202外，電源204通過(guò)開(kāi)關(guān)單元206選擇性地提供電力給電阻加熱組件130a和130b，開(kāi)關(guān)單元206可以包括機(jī)電或固態(tài)繼電器，并且其運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)來(lái)自控制器202的輸入而控制，如在下文中更詳細(xì)地討論。

在一個(gè)實(shí)施例中，用于檢測(cè)在熱水器中是否存在干燒條件的測(cè)試涉及在滿足兩個(gè)條件的情況下觸發(fā)上加熱組件130a。首先，系統(tǒng)觸發(fā)加熱組件130a使得，在加熱元件浸入水中的情況下，加熱組件輸送大量熱量給周?chē)乃畧F(tuán)，該熱量充足從而以可靠穩(wěn)定和可測(cè)量的增量改變加熱元件132周?chē)鷧^(qū)域中的水團(tuán)的溫度。因?yàn)榧訜嵩退g的傳熱性能是已知的，并且不同于加熱元件和罐液面以上空間的空氣之間的傳熱性能，在加熱元件觸發(fā)之后的加熱元件周?chē)鷧^(qū)域中的預(yù)定溫度改變的檢測(cè)指示周?chē)鷧^(qū)域中水的存在，即，加熱元件浸入水中。換句話說(shuō)，在測(cè)試期間的加熱元件的觸發(fā)輸送熱量給加熱元件周?chē)膮^(qū)域。因?yàn)樗鸵好嬉陨峡臻g的空氣以不同速率從加熱元件吸熱，并且因?yàn)閭鬏斀o空氣和水的相應(yīng)的熱量通過(guò)標(biāo)定測(cè)試是可預(yù)測(cè)或可確定的，所以加熱元件測(cè)試期間觸發(fā)之前和之后的周?chē)h(huán)境溫度的測(cè)量提供足夠信息，用以辨別加熱元件浸入水中或暴露于液面以上空間的空氣的情況。因?yàn)樗畯募訜嵩形鼰嵝蕛?yōu)于液面以上空間的空氣，然而，如果沒(méi)有水浸(由此暴露于液面以上空間的空氣)，足以導(dǎo)致加熱元件輸送充足的可測(cè)量的熱量給浸入狀態(tài)下的周?chē)畧F(tuán)的時(shí)間的加熱元件的觸發(fā)可能導(dǎo)致加熱元件到達(dá)過(guò)高的溫度。這接著可能導(dǎo)致，通過(guò)液面以上空間的空氣和熱組件外殼的熱量到水罐的不期望的傳導(dǎo)。因此，本系統(tǒng)的該示例的第二條件是，當(dāng)加熱元件暴露于液面以上空間的空氣時(shí)，其觸發(fā)不應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致周?chē)好嬉陨峡臻g的空氣和加熱元件被加熱至不期望水平的熱量被傳導(dǎo)給罐壁的點(diǎn)。

這里描述的例子的系統(tǒng)滿足兩個(gè)條件，通過(guò)充分加熱一個(gè)或多個(gè)加熱元件而以可測(cè)量且可預(yù)測(cè)的穩(wěn)定增量提升周?chē)臏囟?，但是如果一個(gè)或多個(gè)元件被液面以上空間的空氣而非水包圍，那么以足夠低的速率加熱一個(gè)或多個(gè)加熱元件、使得一個(gè)或多個(gè)加熱元件不會(huì)過(guò)熱。在一個(gè)實(shí)施例中，所期望的低速率的加熱通過(guò)在測(cè)試期間間歇地觸發(fā)一個(gè)或多個(gè)加熱元件而實(shí)現(xiàn)。分別在熱水器的一個(gè)或多個(gè)加熱元件在測(cè)試期間上的觸發(fā)之前和之后，系統(tǒng)測(cè)量水罐中鄰近一個(gè)或多個(gè)加熱元件區(qū)域中的開(kāi)始和結(jié)束溫度，但是在測(cè)試期間內(nèi)以間歇期間的方式觸發(fā)一個(gè)或多個(gè)加熱元件。間歇激活期間的總和足以允許一個(gè)或多個(gè)加熱元件提供一定量的能量(由溫差表示，如下文所述)給加熱元件周?chē)鷧^(qū)域的水團(tuán)，如果加熱元件浸入水中，其足以將水團(tuán)的溫度改變所期望的(可靠地穩(wěn)定和可測(cè)量的)溫度增量。然而，加熱元件的間歇觸發(fā)期間通過(guò)一定的持續(xù)時(shí)間和頻率的相應(yīng)的非觸發(fā)期間而分隔，該持續(xù)時(shí)間和頻率足以允許加熱元件和液面以上空間的空氣冷卻，并且由此在測(cè)試期間保持在一溫度以下，如果加熱元件暴露于液面以上空間的空氣，該溫度可能對(duì)加熱元件或水罐造成損害。換句話說(shuō)，如果加熱元件暴露于液面以上空間的空氣，那么間歇非觸發(fā)期間允許加熱元件和周?chē)諝庠陂g隙觸發(fā)期間之間冷卻到所期望的程度，而如果加熱元件浸入水中，那么仍然共同提供充足的熱量給周?chē)鷧^(qū)域。

本公開(kāi)中應(yīng)當(dāng)明顯的是，共同觸發(fā)期間長(zhǎng)度和間歇非觸發(fā)期間長(zhǎng)度的選擇將取決于特殊的系統(tǒng)條件，例如(a)一個(gè)或多個(gè)加熱元件的加熱性能，(b)一個(gè)或多個(gè)加熱元件和水/液面以上空間的空氣之間的傳熱性能，(c)組裝的熱水器系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)加熱元件組件與易受到熱損壞的組裝的熱水器系統(tǒng)中的部件之間的傳熱性能，和(d)這種熱水器系統(tǒng)部件的熱敏感性。關(guān)于被列出因素的最后一個(gè)，例如，具有由聚合物材料制成的罐壁的熱水器相比于具有由金屬制成的罐壁的熱水器可能更易受到熱損壞影響，雖然二者都會(huì)受到一定程度的影響。因此，在標(biāo)定示例性系統(tǒng)的方法中，系統(tǒng)制造商或設(shè)計(jì)者確定一個(gè)或多個(gè)加熱元件可被允許達(dá)到而不損害加熱元件或其它熱水器系統(tǒng)部件的最小溫度，用于給定加熱元件和組裝式熱水器系統(tǒng)中系統(tǒng)部件的套件。這可以是最大允許加熱元件溫度，雖然在某些實(shí)施例中，最大允許加熱元件溫度以一些溫度幅度低于絕對(duì)最大溫度，以允許用于系統(tǒng)和環(huán)境變化。設(shè)計(jì)者還選擇目標(biāo)水溫增量，期望在測(cè)試期間通過(guò)一個(gè)或多個(gè)加熱元件的觸發(fā)使水溫發(fā)生所述目標(biāo)水溫增量的改變，并且確定當(dāng)一個(gè)或多個(gè)加熱元件被浸入組裝式熱水器的水中時(shí)，一個(gè)或多個(gè)加熱元件貢獻(xiàn)熱量給周?chē)枰臅r(shí)間。接著，當(dāng)加熱元件暴露于空氣時(shí)，設(shè)計(jì)者以所需時(shí)間觸發(fā)加熱元件，在所需時(shí)間結(jié)束時(shí)確定加熱元件溫度和/或鄰近空氣溫度，并且確定加熱元件和/或空氣溫度是否等于或大于最大允許加熱元件和/或空氣溫度。如果不是，那么間歇加熱周期的使用可以在一個(gè)或多個(gè)加熱元件的運(yùn)行中省略。然而，如果是，設(shè)計(jì)者執(zhí)行一系列仿真，在干燒測(cè)試期間在整個(gè)加熱元件觸發(fā)中引入間歇降溫周期，在每個(gè)仿真結(jié)束時(shí)(即，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)加熱元件已經(jīng)被觸發(fā)了等于所需時(shí)間的總時(shí)間)測(cè)量加熱元件和/或液面以上空間的空氣溫度，并且在每次仿真中增加間歇降溫時(shí)間、直到得到仿真結(jié)束時(shí)測(cè)量的加熱元件和/或空氣溫度低于最大允許加熱元件和/或空氣溫度的結(jié)果的仿真。起始點(diǎn)仿真條件，即間歇降溫周期的數(shù)量和其長(zhǎng)度(并且，甚至假定整個(gè)觸發(fā)期間內(nèi)的間歇，間歇觸發(fā)期間的相應(yīng)長(zhǎng)度)在設(shè)計(jì)者的判斷力中由設(shè)計(jì)者選擇。

還將注意的是，熱水器系統(tǒng)的構(gòu)造可能影響控制系統(tǒng)200的構(gòu)造。例如，在目前描述的實(shí)施例中，罐壁102和襯墊103由聚合物材料構(gòu)造。由于聚合物不是很好的熱導(dǎo)體，所以這些實(shí)施例中的溫度傳感器(熱敏電阻152)設(shè)置在水罐內(nèi)部中的加熱元件周?chē)膮^(qū)域中。然而，在罐壁由金屬制成的實(shí)施例中，控制系統(tǒng)溫度傳感器可設(shè)置在罐、頭部、或盤(pán)壁之上或其中，在水罐內(nèi)部之外但是鄰近上加熱元件周?chē)乃迌?nèi)部的一部分。在這樣的實(shí)施例中，金屬罐壁可以充分導(dǎo)熱，這里描述的方法能依靠壁傳導(dǎo)的熱量實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需在罐內(nèi)部安裝溫度傳感器。在該實(shí)施例中，標(biāo)定方法將類(lèi)似于上文討論的，但是用于不同的物理設(shè)置。

圖7示出在熱水器100中檢測(cè)和/或防止干燒事件的方法。開(kāi)始事件(302)發(fā)生，例如，直接在熱水器安裝后熱水器的初始起動(dòng)時(shí)，或在任意斷電條件后熱水器100的初始起動(dòng)時(shí)，或通過(guò)控制器202檢測(cè)到在正常運(yùn)行期間需要施加電力給電阻加熱組件130a和130b以使設(shè)置在熱水器100中的水團(tuán)的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度的任意情況(例如，通過(guò)控制器對(duì)來(lái)自溫度傳感器探針150的信號(hào)的監(jiān)視，指示罐中的水溫已經(jīng)下降到或在最低閾值以下)。在一個(gè)實(shí)施例中，例如，文中描述的干燒測(cè)試在系統(tǒng)通電后要求一個(gè)或多個(gè)熱組件的起動(dòng)時(shí)(即，在第一熱請(qǐng)求發(fā)生時(shí))由控制器202對(duì)來(lái)自于溫度傳感器探針150的溫度執(zhí)行第一檢測(cè)，并且在這種情況下，步驟302應(yīng)該理解為表示這種第一熱請(qǐng)求的發(fā)生。步驟302發(fā)生時(shí)，控制器202在步驟304基于控制器從溫度傳感器探針150(更特別地，從熱敏電阻152)接收的信號(hào)來(lái)確定熱水器100中的第一溫度(T1)，溫度傳感器探針150是上加熱組件130a的一部分。鑒于本公開(kāi)應(yīng)該理解的是，熱敏電阻輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于由熱敏電阻(通常和探針150)檢測(cè)的溫度，以某種方式通過(guò)部件制造商提供或通過(guò)標(biāo)定確定，使得控制器202被編程為將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度，無(wú)論通過(guò)實(shí)際的數(shù)學(xué)換算或者通過(guò)簡(jiǎn)單地信號(hào)電平的直接關(guān)聯(lián)，或其它信號(hào)特性，轉(zhuǎn)換成溫度。注意的是，為了確定干燒條件是否存在于熱水器100中，目前描述的實(shí)施例接收來(lái)自上電阻加熱組件130a的溫度傳感器探針的輸入而無(wú)需來(lái)自加熱組件130b的輸入，雖然在另一些實(shí)施例中，溫度傳感器探針可以放置在兩個(gè)加熱組件中并且被監(jiān)視。因?yàn)楫?dāng)熱水器在其運(yùn)行位置時(shí)組件130a是垂直的最高的加熱元件組件，所以組件130a將是在少水或干燒條件下被發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)加熱組件。

接下來(lái)，控制器202發(fā)送信號(hào)給開(kāi)關(guān)單元206，使上電阻加熱元件130a由電源204通電第一預(yù)定時(shí)間期間(t₁)(306)，在該期間結(jié)束時(shí)，控制器202控制開(kāi)關(guān)單元206以停止電流流向加熱組件130a，從而使加熱組件斷電。第一預(yù)定時(shí)間期間(t₁)在某些實(shí)施例中在約0.5至約1.5秒之間，并且在目前描述的實(shí)施例中為約1.0秒。初始時(shí)間期間(t₁)結(jié)束且經(jīng)過(guò)第二預(yù)定時(shí)間期間(t₂)時(shí)(308)，控制器202然后給電阻加熱組件130a通電隨后的第一預(yù)定時(shí)間期間(t₁)。第二預(yù)定時(shí)間期間(t₂)在目前描述的實(shí)施例中的持續(xù)時(shí)間約15至約25秒，并且在一個(gè)實(shí)施例中約20秒。控制器202重復(fù)以第一預(yù)定時(shí)間期間(t₁)為加熱組件130a通電的循環(huán)，并且隨后等待第二預(yù)定時(shí)間期間(t₂)，直到加熱組件130a已經(jīng)以這種循環(huán)被通電預(yù)定量的時(shí)間，使得加熱元件在測(cè)試期間的觸發(fā)時(shí)間總量足以貢獻(xiàn)足夠的熱量給加熱元件周?chē)乃詫⑺臏囟忍嵘铚囟仍隽?。所需溫度增量可以是在以上描述的?biāo)定過(guò)程中確定的溫度增量，或者是標(biāo)定增量加上公差量，但是不論發(fā)生何種情況，相應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)化溫度增量。

更特別的，在步驟306中，加熱組件103a斷電后，控制器202在步驟307增加計(jì)數(shù)器(t_1TOT)(在步驟302初始化零)，使得(t_1TOT)表示在步驟302啟動(dòng)后的第一預(yù)定時(shí)間期間的總量，控制器202通過(guò)開(kāi)關(guān)單元206的觸發(fā)給電阻加熱元件130a通電這一總量。在309，控制器202比較第一預(yù)定時(shí)間期間的總量(t_1TOT)和儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器(在熱水器的控制板上和/或遠(yuǎn)離控制器和板)中的第一預(yù)定時(shí)間期間的預(yù)定量(t_1P)(310)。(t_1P)對(duì)應(yīng)于目前描述的實(shí)施例中從四個(gè)到六個(gè)的第一預(yù)定時(shí)間期間，并且在一個(gè)實(shí)施例中是五個(gè)第一預(yù)定時(shí)間期間。如果，在309，(t_1TOT)沒(méi)有達(dá)到界限(t_1P)，控制器202在308以第二預(yù)定時(shí)間期間t₂執(zhí)行計(jì)時(shí)器。

在第一預(yù)定時(shí)間期間的總量(t_1TOT)等于或大于儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的預(yù)定量(t_1P)后，在響應(yīng)于從溫度傳感器探針150取樣的第二信號(hào)確定熱水器中的水的第二溫度(T2)(314)之前，控制器等待第三預(yù)定時(shí)間期間(t₃)(312)。第三預(yù)定時(shí)間期間(t₃)優(yōu)選為約60至約80秒的持續(xù)時(shí)間，并且在一個(gè)實(shí)施例中約70秒。接下來(lái)，控制器202比較第二溫度(T2)和第一溫度(T1)(316)，并且如果第二溫度(T2)比第一溫度(T1)超出至少預(yù)定溫度值(ΔT)(318)，則防止(通過(guò)開(kāi)關(guān)單元206的控制)從電源204提供電力給電阻加熱元件130a和130b。因此，開(kāi)關(guān)單元206保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)?？刂破?02可以配置成使開(kāi)關(guān)單元206保持在斷開(kāi)狀態(tài)直到熱水器停用，然后重新觸發(fā)，即，直到下一個(gè)斷電和通電循環(huán)發(fā)生，此時(shí)重復(fù)干燒測(cè)試。預(yù)定溫度值(ΔT)在目前描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中約三至五度，并且在一個(gè)實(shí)施例中約四度。然而，如果第二溫度(T2)沒(méi)有超出第一溫度(T1)預(yù)定溫度值(ΔT)，控制器202觸發(fā)開(kāi)關(guān)單元206以提供電力給電阻加熱元件130a和130b，如在熱水器(320)的典型水加熱運(yùn)行期間發(fā)生的。溫差小于預(yù)定值(ΔT)表示熱量適當(dāng)?shù)貜募訜峤M件消散，指示加熱組件浸入水中，因此，沒(méi)有干燒情況存在。

雖然上文描述了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)意識(shí)到的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出本發(fā)明的多種改進(jìn)和變型而不背離其范圍和精神。例如，根據(jù)本公開(kāi)的復(fù)合壁板的可選實(shí)施例可以具有比所討論的實(shí)施例的數(shù)量更少或更多的層。本發(fā)明意在覆蓋滿足附加權(quán)利要求和其等同物的范圍和精神內(nèi)的這種改進(jìn)和變型。