專利名稱：流通型加熱的操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于加熱諸如水之類的流體的加熱系統(tǒng)。本發(fā)明具體涉及操作流通型加熱系統(tǒng)的方法，在這種加熱系統(tǒng)中需加熱的流體流過裝備有一個或多個加熱元件的導(dǎo)管。這樣的加熱系統(tǒng)特別可用于在例如家用器具中的用于分配熱水，用以制作諸如咖啡之類的熱飲料或用以產(chǎn)生用于使牛奶起泡的蒸汽的機器的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在熱水分配機器中，所希望的是將適當(dāng)?shù)乃吭谙鄬Χ虝r間內(nèi)提高到一定溫度，通常要接近沸點，這需要相對高的功率，通常約為2000-2500W的數(shù)量級。這些機器通常包括由公共電力網(wǎng)(即在歐洲為230V AC 50Hz)供電的電阻加熱元件，這特別適用于家用器具。一個2500W的設(shè)備需要從電力網(wǎng)得到10A以上的電流。
可能的是，所需功率是隨時改變的。例如，在設(shè)備為冷時接通時可能需要得到較多的可用功率，以便促進加熱過程并盡可能快地產(chǎn)生熱水或蒸汽。在加熱過程正在進行時，對功率的要求可以比較低。加熱系統(tǒng)必須設(shè)計成能應(yīng)付最大可能的功率要求，并允許容差，因此加熱系統(tǒng)通常的額定功率要比最大期望功率要求高一些。然而，實際上可能需要加熱系統(tǒng)工作在比較低的功率。
降低加熱系統(tǒng)的加熱功率輸出可以通過減小加熱元件內(nèi)電流的幅度來實現(xiàn)，在這一點上，可以將一個消耗功率的電阻與加熱元件串聯(lián)，但這浪費了能量。
降低加熱系統(tǒng)的加熱功率輸出的更為適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ墙油ê蛿嚅_通過加熱元件的電流。
電流的開關(guān)降低由電力網(wǎng)運轉(zhuǎn)的負(fù)載所消耗的功率本身是已知的。例如，一種適當(dāng)?shù)拈_關(guān)方法是所謂的“多周期脈沖串(multi-cycleburst)”方法，其中在電力網(wǎng)的過零點處進行開關(guān)，使得負(fù)載中的電流總是具有包括整數(shù)個半波的波形。
當(dāng)從電力網(wǎng)吸取的電流被開關(guān)時，就出現(xiàn)了應(yīng)該怎樣防止電力網(wǎng)的失真的問題。例如，從電力網(wǎng)吸取的電流的反復(fù)變化可以導(dǎo)致電力網(wǎng)電壓會違反規(guī)章的局部性變化(“閃爍”)。
本發(fā)明的總的目的是消除或至少減小這些問題。
要指出的是，德國Offenlegungsschrift 37.03.889揭示了一種包括兩個可以操作成相互獨立地完全接通或完全斷開的加熱元件的流通型加熱系統(tǒng)。
還要指出的是，美國專利5.438.914揭示了一種用于烤箱的電加熱系統(tǒng)，這種系統(tǒng)包括兩個或更多個加熱電阻，這些加熱電阻可以被開關(guān)使得在任何時候總是只有一個加熱電阻接通而所有其他的電阻斷開。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的第一方面，加熱系統(tǒng)包括多個至少兩個加熱元件，該加熱元件基本上彼此相等，并且在電和物理上相互并行地排列。
按照本發(fā)明的第二方面，通過按照適當(dāng)?shù)拈_關(guān)方案來接通/斷開，使得在任何時候最多只有一個加熱元件以降低的功率進行工作，而所有其他元件或者完全接通或者完全斷開。因此，減小了“閃爍”和與負(fù)載開關(guān)有關(guān)的類似問題，因為要開關(guān)的電流幅度得到減小。
結(jié)果，加熱元件在溫度上可以顯示出差別正在以降低的功率進行工作的加熱元件將具有比完全接通的加熱元件低的溫度，而具有比完全斷開的加熱元件高的溫度。這可以導(dǎo)致產(chǎn)生熱應(yīng)力。此外，正在以降低的功率進行工作的加熱元件由于反復(fù)接通/斷開而與完全接通或完全斷開的加熱元件相比較可能受損較重因而平均壽命會較短。按照本發(fā)明的優(yōu)選的方面，通過使加熱元件的狀態(tài)隨時間輪轉(zhuǎn)，使得平均起來每個加熱元件完全接通、完全斷開和以降低的功率工作的時間長度相同來減小以至消除這些后果。


下面將通過以下結(jié)合附圖所作的說明進一步解釋本發(fā)明的這些及其他一些方面、特征和優(yōu)點，在這些附圖中相同的參考標(biāo)記指示相同或類似的部分，其中圖1A示意性地示出了加熱單元；圖1B為具有兩個加熱元件的加熱單元的示意性剖視圖；圖1C為具有三個加熱元件的加熱單元的示意性剖視圖；圖2為示意性地例示加熱系統(tǒng)的電操作的方框圖；圖3為示意性地例示適合實現(xiàn)本發(fā)明的以降低的功率進行工作的情況的時間圖；圖4A-圖4C為例示按照本發(fā)明的具有兩個加熱元件的加熱系統(tǒng)以不同水平的所需功率進行工作的情況的時間圖；圖5A-圖5C為例示按照本發(fā)明的具有三個加熱元件的加熱系統(tǒng)以不同水平的所需功率進行工作的情況的時間圖；圖6A-圖6C為按比圖4A-圖4C中的較大的時間刻度例示按照本發(fā)明的具有兩個加熱元件的加熱系統(tǒng)以不同水平的所需功率進行工作的情況的定時圖；以及圖7A-圖7C為按比圖5A-圖5C中的較大的時間刻度例示按照本發(fā)明的具有三個加熱元件的加熱系統(tǒng)以不同水平的所需功率進行工作的情況的定時圖。
具體實施例方式
圖1A示意性地示出了流通型加熱單元10的側(cè)視圖，加熱單元10包括流管11和多個彼此基本相同的加熱元件12。要指出的是，流管11可以是彎曲的，但在圖中，流管示為直管，因此它的中軸13為直線。標(biāo)為14的導(dǎo)管11的內(nèi)部空間適合讓流體例如水通過。
在下面，加熱元件將一般地由參考標(biāo)記12指示；在要區(qū)分個體加熱元件的情況下，就將它們分別標(biāo)為12A、12B、12C等等。
加熱元件12是設(shè)計成基本上在它們的整個長度上都產(chǎn)生熱的電阻性元件。加熱元件12在它們的端部具有用以電接觸的電接觸端；然而為了簡明起見沒有示出這些電接觸端。為了有效地加熱導(dǎo)管11內(nèi)的流體，加熱元件12與流管11熱接觸。在一個實際實施例中，加熱元件12可以由鋁制成，而流管11可以由鋼(不銹鋼)或任何其他適當(dāng)?shù)慕饘僦瞥伞?br> 每個加熱元件12為沿著流管11的長度延伸的縱向元件。加熱元件12可以如所示的那樣與導(dǎo)管11平行延伸，或者可選地也可以是加熱元件12圍著導(dǎo)管11螺旋形延伸。在任何情況下，加熱元件12安裝成對導(dǎo)管11的某段長度15進行加熱。加熱元件12可以具有與流管11相同的軸向長度，或者可選地也可以是它們比流管11短，在這種情況下受加熱的導(dǎo)管段15將比整個導(dǎo)管11短。
多個加熱元件12A、12B、12C圍著導(dǎo)管11排列，基本上彼此相互平行延伸，并且與同一段15關(guān)聯(lián)?；蛘邠Q句話說，導(dǎo)管段15受多個加熱元件12加熱；輸入導(dǎo)管段15之中的熱量為各個加熱元件的熱作用之和。圖1B為加熱單元10在具有兩個彼此相對排列的加熱元件12A、12B的實施例的情況下的示意性剖視圖。圖1C為加熱單元10在具有三個相互差120°的加熱元件12A、12B、12C的實施例的情況下的示意性剖視圖。顯然，具有4個或更多個加熱元件的實施例也是可行的。
流管11可以具有圓形的截面，或者可選地也可以是流管11具有起伏的截面，如圖所示，有凸部和凹部，加熱元件分別設(shè)置在凹部內(nèi)。
圖2為包括加熱單元10和對加熱元件12供電的供電電路20的流通型加熱系統(tǒng)1在加熱系統(tǒng)具有三個加熱元件的實施例的情況下的電路圖。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對這個電路要用于具有兩個加熱元件或者具有4或更多個加熱元件的加熱系統(tǒng)需作的修改應(yīng)該是清楚的。
供電電路20包括兩根輸電線21和22，設(shè)計成以眾所周知的方式接到電力網(wǎng)。因此，輸電線21和22可以載有例如50Hz的230V AC電壓。每個加熱元件12接在這兩根輸電線21和22之間，使得輸電線21和22內(nèi)的電流為各個加熱元件內(nèi)的各電流之和。每個加熱元件具有與它串聯(lián)的各自的可控開關(guān)23。在下面各個開關(guān)將分別標(biāo)為23A、23B、23C等。以示例的方式，開關(guān)23可以用三端可控硅器件實現(xiàn)，但也可以使用其他適當(dāng)類型的開關(guān)，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所清楚的那樣。
供電電路20還包括控制單元30，它具有接到輸電線21、22上用來接收工作功率的功率輸入31、32和與相應(yīng)可控開關(guān)23A、23B、23C連接的控制輸出33A、33B、33C?？刂茊卧?0設(shè)計成能生成分別用于可控開關(guān)23A、23B、23C的控制信號Sa、Sb、Sc，使得相應(yīng)的加熱元件可以工作在100％的加熱功率、零功率或者降低的功率，如下面要說明的那樣。
每個加熱元件12具有額定功率P。加熱系統(tǒng)的總功率容量Ptot等于各個加熱元件12i的各自額定功率Pi之和，表示為Ptot＝∑Pi。假設(shè)加熱元件基本彼此相同，加熱系統(tǒng)的總功率容量Ptot就等于N×P，其中N為加熱元件的個數(shù)。
如果所需的加熱功率Pr在某個時刻等于Ptot，那么所有的加熱元件12都應(yīng)該完全接通。如果所需的加熱功率Pr在某個時刻小于Ptot，那么其中一個加熱元件12應(yīng)該以降低的功率進行工作。為了使一個加熱元件12以降低的功率進行工作，相應(yīng)的可控開關(guān)23就要控制成在時間上有規(guī)律地接通(導(dǎo)電)和斷開(不導(dǎo)電)，優(yōu)選的是接通和斷開的時刻與電流的過零點重合，在這種情況下在加熱元件中所得到的電流將是一個由半波組成的序列。這樣的一個序列標(biāo)為“多周期脈沖串模式”。圖3例示了所得到的電流模型的一個例子。
圖3示出了一個與50Hz的15個半周期相應(yīng)的150ms的時幀TF。在這個時幀中，開關(guān)在實線41、42、43示出的半周期1、6、11期間接通，而在虛線44、45、46示出的所有其他半周期期間斷開。因此，相應(yīng)的加熱元件將產(chǎn)生(近似地)為它的額定功率P的3/15的功率。顯然，所產(chǎn)生的實際功率取決于相關(guān)的接通半周期的個數(shù)。
一個重要的情況是，事實上從電力網(wǎng)得到的優(yōu)選地是平均起來應(yīng)該沒有任何直流分量的電流。在上面這個例子中，時幀TF包括兩個正電流半周期和一個負(fù)電流半周期，因此直流分量就這種情況來說不等于零。然而，下一個時幀將包括兩個負(fù)電流半周期和一個正電流半周期，因此就大于兩個幀的時間平均來說平均電流就沒有直流分量。
如果總是讓一個完整的周期的電流通過，即每次都是讓一個正半周期與一個負(fù)半周期的組合的電流通過，也可以達到這種無直流的效果。
要指出的是，過零開關(guān)和多周期脈沖串模式運行本身都是已知的。還要指出的是，使加熱元件以降低的功率進行工作的其他類型的開關(guān)方案可能也是本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，并且也可以用來實現(xiàn)本發(fā)明。在任何情況下，提供有開關(guān)的電流以便使之以降低的功率進行工作的加熱元件將稱為“開關(guān)的”加熱元件。
按照本發(fā)明的一個重要方面，控制單元30設(shè)計成能生成它的控制信號Sa、Sb、Sc等，提供給所關(guān)聯(lián)的可控開關(guān)23A、23B、23C等，使得最多只有一個加熱元件作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作。而所有其他的加熱元件或者以100％的加熱功率或者以0％的加熱功率進行工作。
圖4A-圖4C例示了正好包括兩個加熱元件的系統(tǒng)的情況。
圖4A的曲線示出了在所需功率大于零而小于Ptot/2的情況下分別提供給可控開關(guān)23A、23B的可能的控制信號Sa、Sb和在加熱元件12A、12B內(nèi)引起的加熱電流Ia、Ib與時間的函數(shù)關(guān)系?？梢钥吹?，第一開關(guān)2 3A被接通和斷開，使得相應(yīng)的加熱元件12A作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第二開關(guān)23B一直保持在其斷開狀態(tài)，使得相應(yīng)的加熱元件12B以0％的功率進行工作。
圖4B的曲線示出了在所需功率等于Ptot/2的情況下分別提供給可控開關(guān)23A、23B的控制信號Sa、Sb和在加熱元件12A、12B內(nèi)所引起的加熱電流Ia、Ib?？梢钥吹剑谝婚_關(guān)23A一直保持在其接通狀態(tài)，使得相應(yīng)的加熱元件12A以100％的功率進行工作，而第二開關(guān)23B一直保持在其斷開狀態(tài)，使得相應(yīng)的加熱元件12B以0％的功率進行工作。
圖4C的曲線示出了在所需功率大于Ptot/2而小于Ptot的情況下分別提供給可控開關(guān)23A、23B的可能的控制信號Sa、Sb和在加熱元件12A、12B內(nèi)所引起的加熱電流Ia、Ib?？梢钥吹?，第一開關(guān)23A一直保持在其接通狀態(tài)，使得相應(yīng)的加熱元件12A以100％的功率進行工作，而第二開關(guān)23B被接通和斷開，使得相應(yīng)的加熱元件12B作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作。
顯然，在所需功率等于零的極端情況下，兩個開關(guān)都一直保持在其斷開狀態(tài)，而在所需功率等于Ptot的極端情況下，兩個開關(guān)都一直保持在其接通狀態(tài)。
在圖5A-圖5C中進一步示出了本發(fā)明的這個方面，針對正好包括三個加熱元件的系統(tǒng)的情況。
圖5A的曲線示出了在所需功率小于Ptot/3的情況下分別提供給可控開關(guān)23A、23B、23C的可能的控制信號Sa、Sb、Sc和分別在加熱元件12A、12B、12C內(nèi)所引起的加熱電流Ia、Ib、Ic?？梢钥吹?，第一開關(guān)23A被接通和斷開，使得相應(yīng)的加熱元件12A作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第二和第三開關(guān)23B和23C一直保持在其斷開狀態(tài)，因此相應(yīng)的加熱元件12B和12C以0％的功率進行工作。
圖5B的曲線示出了在所需功率大于Ptot/3而小于2×Ptot/3的情況下分別提供給可控開關(guān)23A、23B、23C的可能的控制信號Sa、Sb、Sc和在加熱元件12A、12B、12C內(nèi)所引起的加熱電流Ia、Ib、Ic?？梢钥吹?，第一開關(guān)23A一直保持在其接通狀態(tài)，使得相應(yīng)的加熱元件12A以100％的功率進行工作，第二開關(guān)23B被接通和斷開，使得相應(yīng)的加熱元件12B作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第三開關(guān)23C一直保持在其斷開狀態(tài)，使得相應(yīng)的加熱元件12C以0％的功率進行工作。
圖5C的曲線示出了在所需功率大于2×Ptot/3而小于Ptot的情況下分別提供給可控開關(guān)23A、23B、23C的可能的控制信號Sa、Sb、Sc和在加熱元件12A、12B、12C內(nèi)所引起的加熱電流Ia、Ib、Ic。可以看到，第一和第二開關(guān)23A和23B都一直保持在其接通狀態(tài)，使得相應(yīng)的加熱元件12A和12B以100％的功率進行工作，而第三開關(guān)23C被接通和斷開，使得相應(yīng)的加熱元件12C作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作。
對于所需功率等于零、或等于Ptot/3、或等于2×Ptot/3或等于Ptot的邊界情形沒有例示。要指出的是，在這些邊界情況下，沒有加熱元件作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，因此也就沒有涉及EMC的問題。
如本發(fā)明所提出的這種控制方法可以使在除了邊界情況之外的所有情況下只有一個加熱元件是作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而所有其他的加熱元件完全接通或完全斷開。作為結(jié)果，將涉及閃爍的問題保持在最小限度。加熱系統(tǒng)內(nèi)加熱元件越多，涉及閃爍的問題的減小就越顯著。
如果加熱系統(tǒng)內(nèi)的加熱元件不是同樣地進行工作，加熱元件所遭受的損耗和/或熱機械應(yīng)力也就會有差別。此外，還可以導(dǎo)致流管11有些彎曲，特別是在流管11用與加熱元件12的材料不同的材料制成的情況下。以上所述也適用于邊界情況，當(dāng)然，除了所需功率等于零或Ptot的邊界情況之外。為了減小這些問題和為了得到熱平衡的系統(tǒng)，按照本發(fā)明的第二方面，將各個加熱元件的功能相互交換，使得就長時間的平均來說加熱元件同樣地進行工作。
圖6A-圖6C例示了這個第二方面，針對正好包括兩個加熱元件的系統(tǒng)的情況。
圖6A例示了在所需功率大于零而小于Ptot/2的情況下加熱元件12A、12B的工作情況與時間的函數(shù)關(guān)系(參考圖4A)。在從t0至t1的第一時間間隔T1期間，第一加熱元件12A作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第二加熱元件12B被斷開。在持續(xù)時間與第一時間間隔T1相同的從t1至t2的第二時間間隔T2期間，第一加熱元件12A被斷開，而第二加熱元件12B作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作。因此，始終有一個加熱元件作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作和有一個加熱元件被斷開，但這兩個加熱元件的身份卻交換了。在從t0至t2的這段時間間隔T1+T2內(nèi)，平均起來，第一加熱元件12A在50％的時間內(nèi)作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第二加熱元件12B也在50％的時間內(nèi)作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作；使得就較長的時間來看，這兩個元件得到同樣的對待。
圖6B例示了在所需功率等于Ptot/2的情況下加熱元件12A、12B的工作情況與時間的函數(shù)關(guān)系(參考圖4B)。在從t0至t1的第一時間間隔T1期間，第一加熱元件12A被接通，而第二加熱元件12B被斷開。在持續(xù)時間與第一時間間隔T1相同的從t1至t2的第二時間間隔T2期間，第一加熱元件12A被斷開，而第二加熱元件12B被接通。因此，始終有一個加熱元件被接通和一個加熱元件被斷開，但這兩個加熱元件的身份改變了。在從t0至t2的時間間隔T1+T2內(nèi)，平均起來，第一加熱元件12A在50％的時間內(nèi)被接通，而第二加熱元件12B也在50％的時間內(nèi)被接通；使得就較長的時間來看，這兩個元件得到同樣的對待。
圖6C例示了在所需功率大于Ptot/2而小于Ptot的情況下加熱元件12A、12B的工作情況與時間的函數(shù)關(guān)系(參考圖4C)。在從t0至t1的第一時間間隔T1期間，第一加熱元件12A被接通，而第二加熱元件12B作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作。在持續(xù)時間與第一時間間隔T1相同的從t1至t2的第二時間間隔T2期間，第一加熱元件12A作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第二加熱元件12B被接通。因此，始終有一個加熱元件作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作和一個加熱元件被接通，但這兩個加熱元件的身份卻改變了。在從t0至t2的時間間隔T1+T2內(nèi)，平均起來，第一加熱元件12A在50％的時間內(nèi)作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作并在50％的時間內(nèi)完全被接通，而第二加熱元件12B也在50％的時間內(nèi)作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作并在50％的時間內(nèi)完全被接通；使得就較長的時間來看，這兩個元件得到同樣的對待。
在圖7A-圖7C中進一步示出了本發(fā)明的第二方面，針對正好包括三個加熱元件的系統(tǒng)的情況。
圖7A例示了在所需功率大于零而小于Ptot/3的情況下加熱元件12A、12B、12C的工作情況與時間的函數(shù)關(guān)系(參考圖5A)。在從t0至t1的第一時間間隔T1期間，第一加熱元件12A作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第二和第三加熱元件12B、12C被斷開。在持續(xù)時間與第一時間間隔T1相同的從t1至t2的第二時間間隔T2期間，第二加熱元件12B作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第一和第三加熱元件12A和12C被斷開。在持續(xù)時間與第一時間間隔T1相同的從t2至t3的第三時間間隔T3期間，第三加熱元件12C作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第一和第二加熱元件12A、12B被斷開。因此，始終有一個加熱元件作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作和兩個加熱元件被斷開，但這三個加熱元件的身份卻是改變的。在從t0至t3的時間間隔T1+T2+T3內(nèi)，平均起來，加熱元件12A、12B、12C各在33.3％的時間內(nèi)作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，使得就較長的時間來看，所有這些加熱元件都得到同樣的對待。
圖7B例示了在所需功率大于Ptot/3而小于2×Ptot/3的情況下加熱元件12A、12B、12C的工作情況與時間的函數(shù)關(guān)系(參考圖5B)。在從t0至t1的第一時間間隔T1期間，第一加熱元件12A作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第二加熱元件12B被接通和第三加熱元件12C被斷開。在持續(xù)時間與第一時間間隔T1相同的從t1至t2的第二時間間隔T2期間，第二加熱元件12B作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第三加熱元件12C被接通和第一加熱元件12A被斷開。在持續(xù)時間與第一時間間隔T1相同的從t2至t3的第三時間間隔T3期間，第三加熱元件12C作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第一加熱元件12A被接通和第二加熱元件12B被斷開。因此，始終有一個加熱元件作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作、一個加熱元件被接通和一個加熱元件被斷開，但這三個加熱元件的身份卻是輪轉(zhuǎn)的。在從t0至t3的時間間隔T1+T2+T3內(nèi)，平均起來，加熱元件12A、12B、12C各在33.3％的時間內(nèi)作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，在33.3％的時間內(nèi)被接通和在33.3％的時間內(nèi)被斷開，使得就較長的時間來看，所有這些加熱元件都得到同樣的對待。
圖7C例示了在所需功率大于2×Ptot/3而小于Ptot的情況下加熱元件12A、12B、12C的工作情況與時間的函數(shù)關(guān)系(參考圖5C)。在從t0至t1的第一時間間隔T1期間，第一加熱元件12A作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第二和第三加熱元件12B和12C被接通。在持續(xù)時間與第一時間間隔T1相同的從t1至t2的第二時間間隔T2期間，第二加熱元件12B作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第一和第三加熱元件12A和12C被接通。在持續(xù)時間與第一時間間隔T1相同的從t2至t3的第三時間間隔T3期間，第三加熱元件12C作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作，而第一和第二加熱元件12A和12B被接通。因此，始終有一個加熱元件作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作和兩個加熱元件被接通，但這三個加熱元件的身份卻是輪轉(zhuǎn)的。在從t0至t3的時間間隔T1+T2+T3內(nèi)，平均起來，加熱元件12A、12B、12C各在33.3％的時間內(nèi)作為“開關(guān)的”加熱元件進行工作和在66.6％的時間內(nèi)被接通，使得就較長的時間來看，所有這些加熱元件都得到同樣的對待。
要指出的是，功能可以“輪轉(zhuǎn)”，這意味著第一加熱元件的功能總是轉(zhuǎn)移給第二加熱元件，而第二加熱元件的功能總是轉(zhuǎn)移給第三加熱元件，如此等等，而最后的加熱元件的功能總是轉(zhuǎn)移給第一加熱元件。這樣轉(zhuǎn)移的次序可以始終保持不變，但轉(zhuǎn)移次序也可以稍后加以改變。所述“第二”加熱元件可以實際上與所述“第一”加熱元件相鄰，但也可以在“第一”與“第二”加熱元件對之間有一個或多個加熱元件。
在任何情況下，如以上所說明的時間間隔T1、T2、T3將表示為“工作狀態(tài)周期”，而從一個工作狀態(tài)周期(例如，T1)轉(zhuǎn)變到下一個工作狀態(tài)(例如，T2)將表示為“狀態(tài)轉(zhuǎn)變”。
雖然工作狀態(tài)周期的持續(xù)時間原則上不是關(guān)鍵性的，但優(yōu)選的是應(yīng)該選擇成不是太長，以免輪轉(zhuǎn)不均衡而引起系統(tǒng)熱不平衡。為了防止系統(tǒng)達到嚴(yán)重不平衡的狀況，工作狀態(tài)周期的持續(xù)時間優(yōu)選的是選擇成比總的系統(tǒng)熱時間常數(shù)短一些，更優(yōu)選地是短于總的系統(tǒng)熱時間常數(shù)的0.1倍；這樣的總熱時間常數(shù)通常約為5到10秒的數(shù)量級。
另一方面，選擇工作狀態(tài)周期的持續(xù)時間的值的自由度可能受到對加熱元件進行操作的開關(guān)控制的類型的限制。如果減小功率是通過切入每個電流半波的可變相位來達到的，則狀態(tài)轉(zhuǎn)變原則上可以在每個電流半波后執(zhí)行。如果減小功率是通過涉及重復(fù)出現(xiàn)的多周期脈沖串模型的時幀TF的多周期脈沖串技術(shù)來達到的，則狀態(tài)轉(zhuǎn)變通常應(yīng)該只是在一個完整的時幀結(jié)束后才執(zhí)行，則使得工作狀態(tài)周期的持續(xù)時間等于n倍的TF，其中n為大于或等于1的整數(shù)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，本發(fā)明并不局限于以上所說明的這些示范性的實施例，在如所附權(quán)利要求書中所限定的本發(fā)明的保護范圍內(nèi)若干變形和修改都是可能的。
例如，加熱元件可以不是由相同的輸電線21、22供電而是由不同的源例如3相電力網(wǎng)的不同的相線供電。
此外，在結(jié)合圖7A-圖7C所說明的實施例中，加熱元件按接通-開關(guān)的-斷開的次序進行工作；但可選地加熱元件也可以按斷開-開關(guān)的-接通的次序工作。
此外，在以上這些實例中，本發(fā)明是針對通過按照多周期脈沖串技術(shù)使一個加熱元件作為開關(guān)加熱元件來降低這個加熱元件的功率的情況進行說明的。應(yīng)指出的是，本發(fā)明并不局限于這種技術(shù)，雖然這種技術(shù)確實是優(yōu)選的。作為可行的替代方案，例如可以運用相位切入技術(shù)(加熱元件在電流的過零點后接通)和/或相位切出技術(shù)(加熱元件在電流的過零點前斷開)，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的那樣。
此外，在以上這些實例中假設(shè)，加熱元件基本上是彼此相同的，使得它們各個的加熱功率基本上是彼此相等的。確實，這是優(yōu)選的，在這種情況下導(dǎo)致約為50W數(shù)量級的容差被認(rèn)為是可接受的。然而，應(yīng)指出的是本發(fā)明并不局限于加熱元件基本上相同的這種情況。設(shè)計者可以有意選擇額定值不同的加熱元件，因為這可以提供附加的一些運行自由度，雖然是以控制器30要復(fù)雜一些為代價的。
例如，在一個具有正好兩個彼此相同的加熱元件實施例中，沒有加熱元件作為開關(guān)加熱元件的工作的界線控制只能在所需功率為0％、50％或100％的Ptot，即只是三個設(shè)置處執(zhí)行。然而，如果第一加熱元件的額定功率為P1而第二加熱元件的額定功率為P2＝2×P1，則界線控制就可以在所需功率為0％、33％、67％和100％的Ptot這四個設(shè)置中任何一個設(shè)置處執(zhí)行。此外，可能功率設(shè)置之間的間隔在從0％至33％的Ptot的范圍內(nèi)多周期脈沖串控制的情況下比在兩個加熱元件彼此相同的實施例中的小。這也適用于從67％至100％的Ptot的范圍。在這種情況下，為獲得熱平衡的系統(tǒng)，可以給工作狀態(tài)周期相互不同的持續(xù)時間，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員從以上所得到的知識可以看到的。
更一般地說，由此第一元件因此可以具有額定功率P1＝α×Ptot，而第二元件可以具有額定功率P2＝(1-o)×Ptot，其中0＜α＜1。同樣，在正好具有三個加熱元件的一個實施例中，第一元件可以具有額定功率P1＝α×Ptot，第二元件可以具有額定功率P2＝β×Ptot，而第三元件可以具有額定功率P3＝γ×Ptot，其中α+β+γ＝1。對于具有四個或更多個加熱元件的實施例的進一步詳細(xì)情況本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該是清楚的。
以上結(jié)合例示按照示出本發(fā)明的設(shè)備的功能塊的方框圖對本發(fā)明進行了說明?？梢岳斫?，這些功能塊中的一個或多個功能塊可以用硬件實現(xiàn)，這樣的功能塊的功能由各個硬件組件執(zhí)行，但是這些功能塊中的一個或多個功能塊也可能用軟件實現(xiàn)，使得這樣的功能塊的功能由計算機程序的一個或多個程序行或者例如微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器等的可編程設(shè)備執(zhí)行。
權(quán)利要求
1.一種操作流通型加熱系統(tǒng)(1)的方法，所述流通型加熱系統(tǒng)(1)包括多個與流通型加熱系統(tǒng)(1)的流管(11)的一段(15)熱傳導(dǎo)接觸的至少兩個加熱元件(12A、12B、12C)，每個個體加熱元件具有額定功率(Pi)；所述方法包括步驟通過使所述加熱元件(12A、12B、12C)中正好一個加熱元件以降低的功率(即在零功率到全功率之間的功率)進行工作而其余加熱元件(12A、12B、12C)或者以全功率或者以零功率進行工作，從而使所述加熱系統(tǒng)(1)以比所述加熱系統(tǒng)(1)的功率容量(Ptot)小的所需功率(Pr)進行工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述加熱元件(12A、12B、12C)中的所述一個加熱元件通過執(zhí)行多周期脈沖串模式操作以降低的功率進行工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述加熱系統(tǒng)(1)具有功率容量Ptot，其中所述加熱元件的總個數(shù)等于二，其中第一加熱元件具有額定功率P1＝α×Ptot，而第二加熱元件具有額定功率P2＝(1-α)×Ptot，在此0＜α＜1，以及其中所述加熱系統(tǒng)(1)通過使所述第一加熱元件(12A)至少在具有預(yù)定長度的某個第一時間間隔(T1)期間以降低的功率工作，而使所述第二加熱元件(12B)以零功率進行工作，從而以在零到α×Ptot之間的所需功率(Pr)進行工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第二加熱元件(12B)在所述第一時間間隔(T1)結(jié)束后以降低的功率進行工作，而所述第一加熱元件(12A)至少在第二時間間隔(T2)的持續(xù)時間內(nèi)以零功率進行工作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中α至少近似等于0.5，以及其中所述第二時間間隔(T2)的持續(xù)時間等于所述第一時間間隔(T1)的持續(xù)時間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述加熱系統(tǒng)(1)具有功率容量Ptot，其中所述加熱元件總個數(shù)等于二，其中第一加熱元件具有額定功率P1＝α× Ptot，而第二加熱元件具有額定功率P2＝(1-α)×Ptot，在此0＜α＜1，以及其中所述加熱系統(tǒng)(1)通過使所述第二加熱元件(12B)至少在具有預(yù)定長度的某個第一時間間隔(T1)期間以降低的功率工作，而使所述第一加熱元件(12A)以全功率進行工作，從而以在α×Ptot到功率容量Ptot之間的所需功率(Pr)進行工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一加熱元件(12A)在所述第一時間間隔(T1)結(jié)束后以降低的功率進行工作，而所述第二加熱元件(12B)至少在第二時間間隔(T2)的持續(xù)時間內(nèi)以全功率進行工作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中α至少近似等于0.5，以及其中所述第二時間間隔(T2)的持續(xù)時間等于所述第一時間間隔(T1)的持續(xù)時間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述加熱系統(tǒng)(1)具有功率容量Ptot，其中所述加熱元件總個數(shù)等于三，其中第一加熱元件(12A)具有額定功率P1＝α×Ptot，其中第二加熱元件(12B)具有額定功率P2＝β×Ptot，而其中第三加熱元件(12C)具有額定功率P3＝γ×Ptot，在此α+β+γ＝1；以及其中所述加熱系統(tǒng)(1)通過使所述第一加熱元件(12A)至少在具有預(yù)定長度的某個第一時間間隔(T1)期間以降低的功率工作，而使其他加熱元件(12B、12C)以零功率進行工作，從而以在零到α×Ptot之間的所需功率(Pr)進行工作。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第二加熱元件(12B)在所述第一時間間隔(T1)結(jié)束后以降低的功率進行工作，而至少在第二時間間隔(T2)的持續(xù)時間內(nèi)所述第三加熱元件(12C)以零功率進行工作和所述第一加熱元件(12A)以零功率進行工作。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中α＝β以及其中所述第二時間間隔(T2)的持續(xù)時間等于所述第一時間間隔(T1)的持續(xù)時間。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第三加熱元件(12C)在所述第二時間間隔(T2)結(jié)束后以降低的功率進行工作，而至少在第三時間間隔(T3)的持續(xù)時間內(nèi)所述第二加熱元件(12B)以零功率進行工作和所述第一加熱元件(12A)以零功率進行工作。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中α＝β＝γ以及其中所述第三時間間隔(T3)的持續(xù)時間等于所述第一時間間隔(T1)的持續(xù)時間。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述加熱系統(tǒng)(1)具有功率容量Ptot，其中所述加熱元件總個數(shù)等于三，其中第一加熱元件(12A)具有額定功率P1＝α×Ptot，其中第二加熱元件(12B)具有額定功率P2＝β×Ptot，而其中第三加熱元件(12C)具有額定功率P3＝γ×Ptot，在此α+β+γ＝1；以及其中所述加熱系統(tǒng)(1)通過使所述第二加熱元件(12B)至少在具有預(yù)定長度的某個第一時間間隔(T1)期間以降低的功率工作，而使所述第一加熱元件(12A)以全功率進行工作和使所述第三加熱元件(12C)以零功率進行工作，從而以在α×Ptot和(α+β)×Ptot之間的所需功率(Pr)進行工作。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一加熱元件(12A)在所述第一時間間隔(T1)結(jié)束后以降低的功率進行工作，而至少在第二時間間隔(T2)的持續(xù)時間內(nèi)所述第三加熱元件(12C)以全功率進行工作和所述第二加熱元件(12B)以零功率進行工作。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第三加熱元件(12C)在所述第二時間間隔(T2)結(jié)束后以降低的功率進行工作，而至少在第三時間間隔(T3)的持續(xù)時間內(nèi)所述第一加熱元件(12A)以零功率進行工作和所述第二加熱元件(12B)以全功率進行工作。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中α＝β＝γ以及其中所述第一、第二和第三時間間隔(T1、T2、T3)具有彼此相等的持續(xù)時間。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第三加熱元件(12C)在所述第一時間間隔(T1)結(jié)束后以降低的功率進行工作，而至少在第二時間間隔(T2)的持續(xù)時間內(nèi)所述第一加熱元件(12A)以零功率進行工作和所述第二加熱元件(12B)以全功率進行工作。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第一加熱元件(12A)在所述第二時間間隔(T2)結(jié)束后以降低的功率進行工作，而至少在第三時間間隔(T3)的持續(xù)時間內(nèi)所述第三加熱元件(12C)以全功率進行工作和所述第二加熱元件(12B)以零功率進行工作。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中α＝β＝γ以及其中所述第一、第二和第三時間間隔(T1、T2、T3)具有彼此相等的持續(xù)時間。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述加熱系統(tǒng)(1)具有功率容量Ptot，其中所述加熱元件總個數(shù)等于三，其中第一加熱元件(12A)具有額定功率P1＝α×Ptot，其中第二加熱元件(12B)具有額定功率P2＝β×Ptot，而其中第三加熱元件(12C)具有額定功率P3＝γ×Ptot，在此α+β+γ＝1；以及其中所述加熱系統(tǒng)(1)通過使所述第一加熱元件(12A)至少在具有預(yù)定長度的某個第一時間間隔(T1)期間以降低的功率進行工作，而使所述其他加熱元件(12B、12C)以全功率進行工作，從而以在(α+β)×Ptot和所述加熱系統(tǒng)(1)的全功率容量(Ptot)之間的所需功率(Pr)進行工作。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二加熱元件(12B)在所述第一時間間隔(T1)結(jié)束后，至少在具有預(yù)定長度的某個第一時間間隔(T1)期間以降低的功率進行工作，而至少在第二時間間隔(T2)的持續(xù)時間內(nèi)所述第三加熱元件(12C)以全功率進行工作和所述第一加熱元件(12A)以全功率進行工作。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述第三加熱元件(12C)在所述第二時間間隔(T2)結(jié)束后以降低的功率進行工作，而至少在第三時間間隔(T3)的持續(xù)時間內(nèi)所述第二加熱元件(12B)以全功率進行工作和所述第一加熱元件(12A)以全功率進行工作。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中α＝β＝γ以及其中所述第一、第二和第三時間間隔(T1、T2、T3)具有彼此相等的持續(xù)時間。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述加熱元件的工作狀態(tài)在一定的工作狀態(tài)周期內(nèi)保持不變，以及其中所述加熱元件的所述工作狀態(tài)在規(guī)則的狀態(tài)轉(zhuǎn)變時刻改變，優(yōu)選的是輪轉(zhuǎn)，使得在較長的時間上平均起來所有的加熱元件消耗基本上相同數(shù)量的功率。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述加熱元件的工作狀態(tài)在一定的工作狀態(tài)周期內(nèi)保持不變，以及其中所述加熱元件的所述工作狀態(tài)在規(guī)則的狀態(tài)轉(zhuǎn)變時刻改變，優(yōu)選的是輪轉(zhuǎn)，使得在較長的時間上平均起來所有的加熱元件加熱到基本上相同的溫度。
27.一種流通型加熱系統(tǒng)(1)，包括流管(11)；多個與流管(11)中的一段(15)熱傳導(dǎo)接觸的至少兩個加熱元件(12A、12B、12C)，每個加熱元件(12A、12B、12C)與各自相應(yīng)的可控開關(guān)(23A、23B、23C)串聯(lián)連接；具有控制輸出(33A、33B、33C)的控制單元(30)，連接為控制各自相應(yīng)的可控開關(guān)(23A、23B、23C)的輸入；所述控制單元(30)設(shè)計為生成用于斷開和閉合所述相應(yīng)的可控開關(guān)(23A、23B、23C)的控制信號(Sa、Sb、Sc)，以便實現(xiàn)如在權(quán)利要求1中所述的方法。
28.一種用于分配液體的器具，所述器具包括權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)。
全文摘要
揭示了一種流通型加熱系統(tǒng)(1)，包括流管(11)；多個至少兩個加熱元件(12A、12B、12C)，每個加熱元件(12A、12B、12C)與對應(yīng)的可控開關(guān)(23A、23B、23C)串聯(lián)連接；與所述可控開關(guān)連接的、具有控制輸出(33A、33B、33C)的控制單元(30)，該控制單元(30)設(shè)計為生成用于斷開和閉合可控開關(guān)的控制信號(Sa、Sb、Sc)，使得所述加熱系統(tǒng)通過使所述加熱元件中正好一個加熱元件以降低的功率進行工作而其余加熱元件或者以全功率或者以零功率進行工作，從而以比所述加熱系統(tǒng)的功率容量(Ptot)小的所需功率(Pr)進行工作。
文檔編號F24H9/20GK101084400SQ200580043663
公開日2007年12月5日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月20日
發(fā)明者B·A·馬爾德, T·德哈恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司