专利名称：液体加热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及液体加热器，更特别地涉及手持工具形式的便携式液体加热器，用于用电力将水加热到合适的温度，以用于杀死植物(主要是杂草)或清除蚂蚁的巢穴。为了实现这个目的，最好在连续的流中将水加热到或接近于其沸点的温度。
背景技术：
已经出现这种要求，即提供处于受控温度的连续水流。一个这种应用是便携形式的接近沸腾的水源用于杀死杂草或蚂蚁巢穴，用于加热死亡动物的皮肤以剥去其羽毛或绒毛，用于拆下壁纸或类似的目的。另一个应用是为洗涤目的以基本不变的温度提供水，例如，清洗衣服，器皿，或手，或用于淋浴中，在这些情况下温度与流动速率或水压无关，而应该被控制在加/减1摄氏度。
要求实现该用途的装置必须避免一些不明显的问题。在这些问题中要求装置不对方向敏感，如果中断水的供应不会出现重大的故障，以及当水被加热开始工作时，不管水的输入温度是多少，不会与供水系统中的气穴或气泡或任何被溶解的气体的释放起反应。
现有技术从下述专利已知电力驱动的便携式连续供应液体加热器美国专利2287974描述了连续的手持水加热器，然而除了手动流量控制没有温度控制功能，并且看起来对气泡敏感。
美国专利2976392描述了一种喷枪，它加热被喷出的液体，然而仅有的温度控制功能看起来是手动流量控制。
美国专利3718805描述了一种便携式水加热器，然而输出为蒸汽，除了手动流量控制没有温度控制功能。
美国专利4026025描述了一种具有加热液体流功能的牙齿洗涤器，然而仅有的温度控制是通过手动流量控制实现的。
美国专利6321037及其专利系列描述了一种手持工具或棒状的便携式水加热器，它利用电子控制器检测输出温度，控制提供给与内部水导管接触的电阻加热器的电能。水沿棒长方向流动，向上通过加热通道，并接着流向棒的出口端。
由本申请人拥有的该专利，描述了以商标GREEN WEEDER销售的产品，当该产品工作时，实际上很难对其控制。通过使用开关模式电源，微处理器要求当加热元件时中断电源多个周期，从而在加热过程中产生滞后，但是更重要的是，该便携式水加热器的设计意味着如果由于软管的绞缠而中断来自花园橡胶软管的水的供应，或者如果将棒的末端抬高到水平面以上，而在棒内的加热通道上产生气锁，将出现灾难性的故障。这常常引起导管中明显的“热点”以及元件的过热，从而导致元件故障。如果重新开始水流，则水将被“热点”过度加热，产生一股蒸汽，其中的蒸汽常常产生使连接接头爆裂的气压，从而中断水的供应，如果没有足够迅速地切断电源，则加热元件将被烧坏。
本发明的发明人所做的许多实验表明，很难实现受微处理器控制的实时加热元件，很难从具有变化的压力和水流速率的花园橡胶软管接收水源并且努力保持输出水温处于或接近于水的沸点。即使这些不是不可能用现代的电子仪器实现，这些电子仪器处于生产便携式园艺工具所允许的成本区域内。
已经进行了其它的尝试以控制输出水或蒸汽的温度，即通过连接到传感器的反馈环电控到加热器的电输入，其中传感器监视输出温度并有时监视输入温度。然而，由于可能的流动范围太大，通过这种方式很难处理气泡，变化的水压以及变化的输入水温。更重要地，即使是最好的热传感器也存在以秒计量的响应时间，从而反馈环的反应时间主要受到热传感器的响应时间的限制。当输出传感器响应液体的输出温度的上升时，就已经太晚了，这是因为加热器的温度已经又上升了20或30摄氏度。在大多数情况下，提供例如40摄氏度加/减20摄氏度的平均温度是不能被接受的。如果输出温度需要保持到或大约为100摄氏度，如在植物控制的情况中，即，80摄氏度太冷而不能杀死大多数杂草，而120摄氏度将导致产生太多蒸汽和设备的可能的故障，则情况会更糟糕。
这些加热器都不能在供水系统的压力、输入流速或输入温度变化的情况下，提供处于固定温度的水。
发明内容
目的本发明的目的是提供一种液体加热器，它能够以基本固定的温度提供被加热的液体供给，或至少为公众提供有益的选择。
本发明的第二个目的是提供一种便携式手持工具，它能够提供始终接近沸点的水，并且在不利情况下不具有强的自我破坏的可能性。
发明综述在第一个方面，本发明提供了一种液体加热器，它能够将液体流加热到期望的温度，所述液体加热器具有液体入口、液体加热装置和出口，入口用于连接到液体源，所述液体加热装置连接到所述入口，所述出口用于放出液体加热装置供应的被加热的液体，其中在所述入口和出口之间存在温控压力调节阀，所述温控压力调节阀具有流量限制装置，能够调节送到出口的被加热的液体的流动，和热交换装置，允许温控压力调节阀与液体加热装置或离开液体加热装置的加热的液体进行热交换，从而使温控压力调节阀的加热或冷却导致流量限制装置的打开和闭合，以允许离开出口的被加热的液体的流量的增加或减少，从而控制离开出口的被加热的液体的温度。
在第二个方面，本发明提供了一种便携式手持工具，它能够将水流加热到适于杀死植物的温度，所述手持工具具有水入口、水加热装置和出口喷嘴，所述水入口用于连接到水源，所述水加热装置连接到所述入口，所述出口喷嘴用于放出水加热装置提供的被加热的液体，其中在所述入口和出口喷嘴之间存在温控压力调节阀，所述温控压力调节阀具有流量限制装置，能够调节送到出口喷嘴的被加热的液体的流动，和热交换装置，允许温控压力调节阀与水加热装置或离开水加热装置的加热的液体进行热交换，从而使温控压力调节阀的加热或冷却导致流量限制装置的打开和闭合，以允许离开喷嘴的被加热的液体的流量的增加或减少，从而控制离开喷嘴的被加热的液体的温度。
在上面段落和在权利要求书中，我们提到供应到水加热装置的“水”，但是接着提到离开水加热装置并行进到喷嘴的“被加热的液体”。这种语言旨在包含各种可能性，包括(a)只有离开加热装置的水，(b)空气，(c)空气和水，(d)蒸汽，(e)蒸汽和水的混合，(f)蒸汽和空气的混合，(g)蒸汽/水/空气的混合，以及(h)注入到供水系统中的任何其它液体或添加剂。更加概括的权利要求1包括将任何液体加热到任何希望的温度。
当液体在压力下加热到约100到107摄氏度时，我们发现在加热装置中释放溶解的气体，并且最终的液体包括小百分数的空气和直到10％的蒸汽。依赖于水源，溶解气体的数量和类型，供水系统中或供水软管中聚集的任何气泡，供水系统、软管或接头中的泄漏导致的气体，以及加热液体的温度和压力，所说各种百分数将会变化。
创造性创造性是这样实现的通过控制通过加热器的液体的流动速率，可以能够保持输出温度基本不变(在大多数情况下处于加/减1摄氏度范围)。
这可以通过使用我们的“温控压力调节阀”实现。
优选特点或选项这种温控压力调节阀优选地具有作为可移动元件的压力室，压力室包含一种物质，它能够在压力室中产生受控的压力，以响应压力调节室的温度的变化调节阀门的打开和闭合。尽管在一些情况下，该物质可以是固体，当温度升高时它可发生相变，例子包括可升华为气体状态的硫华，或者更一般地，压力室中的冰，可融化为水并进而成水蒸汽。
优选地，压力室包括水和空气的混合物，因此当压力室内的成分被加热时，室内的压力将上升向流量限制装置施加压力，从而允许增加流过阀门的液体。
优选地，流量限制装置能够在低的液体流动速率和高的液体流动速率之间变化，以使通过阀门的被加热的液体的流动使热交换装置控制压力室的温度。
优选地，可移动的元件是一个隔膜。
可选地，可移动的元件可以是一个活塞。
优选地，水加热装置包括一个或多个处于或附着于散热片上的电加热元件。
优选地，在散热片上或其内部安装热熔断路器，所述热熔断路器适于当断路器的温度超过预定值时切断电加热元件。
优选地，散热片是一块具有良好导热质量的金属，并且包围液体通道，液体通道的大小可以防止静止气泡的形成，即使是在低的流量水平下亦是如此。
优选地，这涉及使用散热片内的一个或多个液体通道，每个通道具有比正常高的多的表面积对于体积之比，以使液体通过每个通道。通过使用横截面为圆形并在通道中插入填充条的通道，能最好地实现这个目的，这样，液体能够仅在填充条和通道的内壁之间的环形中流动。
优选地，散热片是铝的挤压件。
优选地，加热元件夹持在散热片的缝隙内。
优选地，散热片的热惯量是足够的，如果液体的流动停止，在液体沸腾之前过热保险器将动作，任何接着的温度上升将不足以产生沸腾。
优选地，在最大可用流量情况下，来自加热器的热输入不会使水温超过沸点。
优选地，本发明提供了一种便携式液体加热工具，它能够将水流加热到大约100摄氏度，它通过连接到该工具的软管连接到供水系统。允许水流过所述工具中的电加热器，接着流到热控压力调节阀和输出喷嘴。所述阀门具有可移动的元件，例如密封压力室的隔膜件。隔膜的移动使阀门打开或者至少部分地闭合。当阀门闭合时，阀门阻止或限制水通过该阀门从入口流向出口。在所述隔膜的另一侧，在压力室中聚集了少量水，从而当阀门加热时，压力室内的压力增加，水转换为水蒸汽，室内的空气同时膨胀。这种压力室内压力的增加使隔膜向外稍微移动，从而驱使枢轴使球阀打开并允许增加的被加热的水通过阀门到达工具的喷嘴。
优选地，流量控制阀包括至少一些与被加热的液体相同或相近的沸点的初始液体，从而使其对温度敏感，当温度接近沸点时，初始液体的气压的增加使液体的流动加速。
优选地，在最大可用流量情况下，来自加热器的热输入不会使水温超过沸点。
优选地，流量控制阀门初始液体被密封在风箱或具有一个可移动壁的密封腔内。
优选地，加热器内的整个液体路径的尺寸为在几乎最小流量情况下，使静止气泡不能形成。
优选地，在这种最小流动情况下，提供压力阀以断开加热器。
可以在大量的物质中插入传统的抗热元件，在这种情况下，抗热元件是一块铝，或者将其浇注在元件的周围或者将元件插入通道中，同时使通道穿过这块铝的中心。铝块的大小和形状依赖于所选择的元件的类型，涉及适合于特殊的用途的材料的质量的设计特征，特别是元件的瓦特数，但是挤压块是首选的，这是因为其尺寸稳定性。
在下述的实施例中，加热器的额定功率为2.4kW，以加热通过中央导管的水，例如上述的手持热水除草器，优选地，铝块的质量约为200到300克，具有通过它的中心孔，其两端各开一个口，以容纳例如铜的金属入口管，和例如铜的金属出口管。在认为是压配合因而可以提供足够的稳定性的情况下，入口管和出口管可以仅仅被压进中心孔，并具有O型环密封圈。在一些情况下，入口管或出口管可以是不锈钢或其它合适的材料。
优选地，铝的内置杆占有中央导管的大多数面积，在周围留下大约0.5mm的同轴空间作为液体通道。已经发现，大约这个深度或更少的液体薄膜可提供层流和足够大的流动速率，或者不会形成用于任何溶解气体的成核位置，或者在这些位置(当温度超过80摄氏度时，溶解的气体通常开始从溶液中析出)形成的气泡被液体带走或分解。类似地，入口流处的气泡将蔓延到整个流动区域，因此在其能够产生局部过热之前被快速地从导管推开。内置杆可以是中空的，在每一端被钻孔，从而液体流过杆的末端并流进或流出同轴空间。
通过用内螺纹在铝块的每端车螺纹，入口管和出口管可以拧入铝块中，但是压配合也是可接受的。
我们的测试表明，所述2kW容量的传统的加热元件，如果没有接触或浸入到液体中，将快速过热，从而导致元件在温度调节装置能够响应升高的温度前被烧坏。
然而，通过将这种元件插入在散热片中，散热片是由铝块形成的，由于铝具有高的比热和非常好的导热性，因此铝为特别优选的材料，元件温度升高的速率大大降低，即使不再存在液体。
依赖于应用，温度升高的速率可以被限制在小于每秒一度的范围内，从而来自元件的热被铝的质量吸收，由于铝的良好的导热性，可以控制加热元件的有效温度。因此，由于温度的任何上升足够慢，从而在元件可能过热的情况下，温度调节装置有时间响应并切断电源，这样就延长了元件的寿命。这种具有温控压力调节阀的铝散热片能够很好地工作，在热质量过热的极端情况下，温度调节装置可以作为安全的“热熔断路器”工作。
由于包含了散热片，就可能在各种应用中获得对于传统电子元件的温度控制，但是也可应用于新型加热元件的设计。
传统的抗热元件被嵌入在散热片材料中，它优选地具有高的比热和导热性。在图2所示的情况下，铝为优选材料，因此铝围绕着元件，在这种情况下，使通道通过铝块的中央。元件可以是在铝中压配合，在安装前通过加热铝或冷却元件将元件放置其中。
需要的散热片材料的质量与输入电源和监视方法要求的温度变化速率成比例。
优选地，热熔断路装置被安装在散热片上，帮助消除在不再存在液体的情况下元件被烧坏的情况。
图1说明组装的除草器和其外罩。
图2是热水除草器样机的部件的内部装配的透视图。
图3说明散热片和内置杆。
图3a是散热片中水通道的横截面的展开图。
图4说明温控活塞阀。
图5说明加热器和喷嘴之间的图4中活塞阀40的位置。
图6是图4中阀门的分解图。
图7是压力室中气压和水蒸气压力的曲线图。
图7a是工作温度随时间的曲线图。
图8说明温控隔膜阀。
图9说明改进的隔膜阀。
图10是图9中阀门的剖面图。
图11是阀门直接安装在散热片上的改进的组件的透视图。
图12表示使用中的装置。
具体实施例方式
实施例1图1表示以手持工具形式组装的除草器，包括长约为1米的杆11，其主长度基本为椭圆形横截面，大约沿长轴的100mm并且沿水平短轴的50mm，一个手柄位于杆的顶端，花园橡胶软管可以在接头12被连接到该杆，电源线从手柄的底部从杆上延伸出来。在杆11的空腔内，有电力供能加热器，下面将更详细地对其进行描述。在手柄上有通断开关16和电源指示灯10。
在使用中，杆11通过公园橡胶软管连接到水源，电源线连接到(在这种情况下)交流电源的延长线。在其最佳的形式中，电源将能够供应2kW到2.4kW的电，例如在新西兰将是电流为10A，电压为240V的电源，在北美洲将是电流为20A，电压为110V的电源。
在其最简单的形式中，流过装置的水将会受到限制，但不会被中断，从而当装置连接到花园橡胶软管时，在打开电源加热水之前，水将连续地流过装置。
该装置将由使用者持有出口15上部的手柄19。在图12中说明该装置的使用。使用者接着打开开关16，使装置加热，从而离开出口15的水将很快到达处于或接近沸点的工作温度。通过为出口提供精细的圆锥形喷雾嘴，离开出口15的水将在超过300mm的距离处充分地变凉，从而当在草坪或植物上移动时，该装置可以被安全地在花园中搬运，而不会杀死花园植物，即使水连续地流过该装置亦是如此。然而当将该装置放置在杂草上时，离开喷嘴15的沸腾的水将杀死植物顶端，足够的沸水将进入地面，杀死植物的根部和种子。
图2表示杆11的内部组件，移开中空塑料外壳和必须的隔热元件，就显示出加热器的组成部分12是软管安装接头13是加热器14是温控流量调节阀15是出口喷嘴16是电源开关17是热熔断路传感器18是可选的低压开关(仅用在第一个样机上)。
来自加热器的水流通道由流量调节阀14和水管自身的小孔进行限制。前者根据达到的温度而变化，后者动作以对能够实现的流量设置上限，从而防止在故障情况下的过多流量。
流量调节阀14是成功地操作该便携式水加热器的关键。它是温控压力调节阀，有效地代替了早期在构造电力便携式水加热器的尝试中使用的微处理器控制。
下面将描述本发明人研究的不同类型的温控调节阀。其中的每一个在阀门的小室内使用少量物质(优选地为水或其它液体)，当阀门被加热时，或者被电加热器本身加热或者被电加热器加热的液体加热，就使阀门内收集的小体积的水转换为水蒸汽，从而在可移动元件上施加气压，以打开或闭合通过阀门的通道，从而改变通过阀门流向出口的流速。
在该例中，向流量调节阀加偏压，以使其决不会完全闭合，这就确保当加热器被连接到供水系统时，如果供水系统打开就将总由液体流过阀门(而无论加热器是否打开或关闭)。如果输入的水温是20摄氏度，压力为例如80psi(新西兰的平均干线水压)，那么我们希望在约7psi(阀门的低压设置)时最小液体流速(即，低温速度)为大约200mL/分钟。当液体流加热时，阀门14进一步打开，当接近阀门中水的沸点时，阀门自身打开增加的速率也随着增加，这就允许在100到107摄氏度并且压力大约为80psi时(阀门完全打开，输出压力等于或接近与干线水压)，最大流动速率超过400mL/分钟。
选择用于热水除草器的电加热元件的最大额定功率，以使在可能达到的最高的输入水温，并且在最低允许的水压，而且在阀门处于工作温度时，水温不会增加到超出沸点很高。当输入水温处于最低温度，水压处于最高压力时，阀门不会打开，从而水流较少并且输出温度将明显地变为相同温度。实际中，为了精确控制，根据便携式手持工具可用的电源，对最大流速进行选择(在这些情况下，长的导线上的压降可能是很大的，除非使用具有高传导率的导线)。
对于单相电源，在便携式手持工具上这可能为2到2.4kW，在这种情况下，如果输入水温为例如14和34摄氏度之间，则400-500ml/分钟的设计流速是可行的流速。
我们已经测试了样机手持工具，输入水温为5到40摄氏度，达到的流速为355ml/分钟到530ml/分钟，加热元件额定功率为2.4kW。冷冻条件下的测试显示当阀门或散热片中的任何冰融化时，手持工具将工作，用于1或2摄氏度的输入温度的流速约为300mls/分钟。
供水系统中大的气泡可能完全占据加热器中的水流通道，但是由于到空气的热传导比到水的热传导更好，以及由于空气的粘性远小于水的粘性，因此其结果仅是提供温度接近100摄氏度的一阵空气，这是由于空气从加热器中被驱逐出来的缘故。在这些情况下可能存在少量蒸汽，但不会产生过热蒸汽。
液体入口可能更紧密地连接到阀门体，例如通过套筒的循环，以提供更快的响应。
可以提供可变偏动簧片9的装置，例如通过在阀门体中的可调整内部止块，以允许初始流速的变化，这种调整可能适合于对输出温度进行控制。
阀门适合于用在提供接近沸腾的水以杀死杂草的工具中，这里从压力变化以及温度随季节变化的长软管提供输入水。当提供的水的体积不固定时，温度将保持在用于杀死杂草的希望的范围内。
阀门并不限于用于压力室中的水和空气。在压力室中也可以使用其它液体，例如普通酒精和空气将提供用于水的较低的目标温度，而固体和气态二氧化碳的混合物能够在温度范围为-60摄氏度到-80摄氏度时，提供对气体温度的控制。
实施例2-元件散热片装置加热器13具有散热片装置，它被设计为将水温从大约10-20摄氏度的输入温度升高到大约100摄氏度，在这种情况下，用于根除杂草和其它不希望的植物的DIY市场。实际上，本发明的大多数样机提供处于约107摄氏度(加/减1摄氏度)的受压热水的输出。
通过在铝块31中插入标准杆电阻加热元件30(图3)可以实现这一目的，铝块31构成散热片，并在相同的块中提供管道33以使水通过。优选地，提供一对电加热元件，从而对于240V电源元件可以用导线串联连接，而当电源为110V时元件可以用导线并联连接。可选地，铝块可以更长，具有单个加热元件，或者可以是更复杂的形状，具有任何数量的插入块中的加热元件。然而，我们已经发现两个加热元件是最有效的配置，使相同的设备可以装配用于110V或240V电源的单元，并在中央管道33的任一边提供加热元件。
可以使用电加热元件的任何方便的类型，但是我们发现，具有镍铬电阻线的标准加热元件是可以使用的最简单的元件类型，它被惰性填充物围绕并密封在外部金属壳内。然而应该知道，实际上这些元件可以装配在铝散热片的原处，而不是包含在如图3所示的金属壳内，并被推进散热片的孔穴内。我们发现，通过挤压具有三个通道的散热片，存在用于水的中央管道33，和用于加热元件的两个孔穴37，38。可以按照需要的热质量切割挤压件的长度。
当在元件上加电时，铝散热片的温度上升，随着水通过该单元，热被传送到水。通过控制水的流速和在散热片中具有足够的表面积，可以控制该单元以传递需要的温度，然后离开该装置。优选地，使用隔热材料使散热片装置与外部塑料壳隔热。
内置杆34(图3)最好同轴安装在水管道33中，以为通过铝散热片的水形成细的“管状”流动通道。这种设计使水具有与内表面管道33接触的大的表面积，同时提供足够的水速以阻止任何被释放的“溶解气体”的积累，这是通过将溶解气体从系统中驱逐出去而实现的。水管道或杆增加了纵向的突出以保持导管内壁和内置杆之间的空间。任选地，杆或者管道可以内刻螺旋形槽线，以使水螺旋状地流过管道。
使用温控压力调节阀14，控制输出水的温度是可能的，从而在出口喷嘴15处并在压力下，使输出水的温度基本上保持在107摄氏度。主要的温度控制是通过温控压力调节阀实现的，温控压力调节阀与喷嘴15施加到水流上的限制一起控制输出水的温度，这是通过控制通过加热元件的水的流速实现的，当打开电源时加热元件向其提供几乎不变的来自两个加热元件30的(图3)2.4kW的热量。在提供给散热片的热量、通过散热片将热带离散热片的水的流速、和加热温控调节阀14的水的温度之间进行平衡折衷处理。
在使用中(隔热材料从散热片周围移开)水流入散热片并且阀门处于大约104摄氏度(阀门稍微冷却与移开隔热材料一起进行)，散热片在其上端(邻近冷水的注入)具有大约50摄氏度的温度，而在接近散热片的输出端处温度约为130到140摄氏度。
热熔断路器的设计温度依赖于热熔断路器沿散热片的位置。我们希望在处于或接近散热片的入口端处使用70度的熔断器。这有利于当入口端达到70度并且出口端达到约150摄氏度时切断电源。
如果供水系统被切断，则整个散热片将趋向约140到150度的统一温度。当供水系统重新开始时，入口端被引入的水快速冷却，沿散热片重新形成温度梯度。当入口端冷却到70摄氏度的熔断点时，电源重新开启。
过热熔断传感器17的这种设计和位置使散热片向水传导足够的热量，以使水被加热到正好处于100摄氏度以上，而不使水完全变为蒸汽(尤其当水流被中断并突然重新开始时)。如果供水系统突然受限，例如儿重关掉接到软管的龙头或在软管中产生绞缠，则当散热片13的上端的温度达到70摄氏度的设计温度时，铝散热片的温度的上升将使热熔断路器17关断电源。这种热熔断路器17将使散热片过热的可能性最小，并将使通过散热片13的任何水变为蒸汽和产生问题的可能性最小。
一般地，当供给散热片13的水例如通过解开绞缠的软管恢复时，如果散热片13比设计的温度热，则会产生少量的蒸汽。但是具有内置杆的小孔通道33的形状将使蒸汽能快速地从散热片释放出去，以给出短期的“溅射”，这里热水和间断的蒸汽从喷嘴中排出，之后除草器迅速恢复到107摄氏度的沸水(受压的)，这是输出的希望值。
尽管我们已经发现，处于微小压力下的沸水的优势比纯的蒸汽更有用，对于这种类型的除草器，有可能设置热熔断路温度和温控调节阀的工作温度以便只产生蒸汽，或者产生比上述装置产生的蒸汽热水百分比大的蒸汽热水百分比。
温控压力调节阀的优点之一是不再需要调节电源，因为从启动开始能够向系统提供完全的电源，仅当供水系统中断时关掉电源，并且热熔断路器17关掉电源。此外压力开关18可以被设计为当在散热片的输入端检测到水压的降低时关掉电源。
尽管本发明避免了对完全微处理器控制的电源调节系统的需要，但是加入这个特征也是可能的，尽管发明人相信对于大多数用于杂草控制的热水加热器的应用来说这个特征不是必要的特征。
入口和出口管是散热片每端内的推压配合，并使用O型环和星型垫圈进行密封，以防止被水压推出。
技术数据-图3的样机散热片装置合金6063 Temper T5，研磨光洁度长度310mm水管8.5mm-内径内置杆直径8mm长280mm2×元件额定功率1200W电压110V处于8mm耐热镍铬铁合金800管中散热片质量231.22克内置件质量14.11克水导管的表面积7857.52平方毫米与圆柱形通道的1∶6的水表面积对体积之比相比，这就提供了约1∶1的水表面积对体积之比。在图3a中用展开的截面图示出了这种薄的水的环形层。
在图2和图3所示的样机构造中，挤压的铝块13在没有受阳极钝化处理的测试期间有效地工作。然而应该相信，为了生产目的，钝化散热片，尤其是钝化管道33的内部将减小装置在工作寿命期间腐蚀的可能性。
对于英国，澳大利亚以及新西兰的电压，元件用导线串联连接，对于美国，元件用导线并联连接。
实施例3-热压力调节器图3所示的阀门作为流量控制阀14最好是特别设计的热压力调节器。第一个样机热压力调节器使用活塞，活塞的移动是由液体气压的温度响应进行控制的；在这种情况下，优选的液体是水，水在100摄氏度时在大气压下变为蒸汽。应该知道液体的性质是可以变化的，这依赖于阀门被设计为打开时的温度。这个实施例涉及活塞阀，但是其它类型的阀门也可以被设计为使用蒸汽压力的原理。
安装到除草器中的热压力调节器是专用低压水调节器40，利用气压控制出水的温度。该调节器与其它压力调节器不同，不同点在于它具有密封的压力室，在压力室中在适当的位置密封少量的水(或其它液体)和空气。
热压力调节器安装在加热元件装置之后，出口喷嘴之前(参考图2)。
该压力调节活塞阀被设计为位于图2的阀门14，尽管该早期样机阀门要求阀门被放置在侧面，由于水入口46和水出口47并排放置，而不是如图2中阀门14所示的情况是直接穿过的。
该阀门具有顶部外壳41和底部外壳42，当顶部外壳和底部外壳被密封在一起时就包含活塞43，和压力室48。活塞43在其内表面具有凹槽以容纳盘簧51。活塞43(图4)的下面是枢轴44，枢轴44推压位于水入口46处的不锈钢球45。该球可以被未示出的小的盘簧保持在合适的位置，或者可以被输入水压有效地支撑。在活塞43的下面是小室53，小室53由底部外壳42的上表面中的凹槽形成，该小室53与入口端口46和出口端口47相通。
此外，底部外壳42提供逐渐变窄的凹槽50，用于放置O型环以密封外壳防止漏水，活塞43也具有O型环凹槽49，用于放置O型环以密封压力室48和防止来自密封的压力调节室48内的水、水蒸汽、或空气的泄漏。
尽管图中没有表示，但是当安装活塞时，有少量的水位于压力调节室48内。在安装过程中，拔掉塞子52并使用注射器向20ml的室内喷入例如10ml的水，从而向室48内注入水。只要合适地平衡水和空气和/或其它液体的数量，就可以设置阀门以控制压力和通过阀门的水流，这依赖于液体的温度和/或压力室48内的空气。
通过由例如金属和金属合金的导热材料形成顶部和底部外壳以及活塞，阀门可以利用通过入口46的引入水的温度加热活塞，并因此加热压力室内的液体和空气，以控制活塞相对不锈钢球的运动，从而增加或减小从入口46经过枢轴44又返回通过出口47的水流。
因为该阀门被设计为利用引入水的温度来加热枢轴和活塞43的下面，因此希望该阀门具有通过阀门(即，阀门从不会完全闭合)的液体流提供的热交换特性。阀门可以被设计为具有旁路孔的“漏阀门”；尽管我们希望球阀45提供的流量限制装置总是保持稍微打开，以使总有来自入口46的少量水经过球阀45再通过室53回到出口47流出。优选地，当有足够的水流过室53以实现枢轴和活塞43的加热、从而控制压力室48内的液体和/或蒸汽和/或空气的温度时，这个较低的流速应尽可能地小，可能使通过散热片13的水尽可能地慢，以使传递给水的热最大。实际中，我们将压力调节阀设置为约7psi的最小值，以提供约200ml/分钟的低流速。完全打开的流速约为400到500ml/分钟。
这些气压阀的其它实施例可以利用与加热元件和/或散热片13的热交换，以控制压力室48内液体/蒸汽/空气的温度。
在使用中，干线供水系统通过连接到装置的软管提供例如40psi到200psi的干线压力水。这种水接着通过加热器单元到达温度调节器，在这里压力降低到10psi以下(优选的约为7psi)，提供了通过喷嘴的低流速，这个流速为250mls/分钟左右。我们发现，到花园橡胶软管的干线供水系统一般达到40psi到100psi，平均起来约为80psi。只是在极端情况下，干线压力将超过100psi是可能的。如果水压低于40psi，则流过装置的水将是少量的，特别是当使用长软管时。此外，如果水压很低，有时就会很难将空气从软管中驱逐出去，并且如果有大量的空气经过散热片，对于装置的操作可能变得不稳定。
当向加热器加电时，被加热的水借助于温度调节器并经过装置到达出口喷嘴。来自水的热被传递到温度调节器，从而使蒸汽室中的液体和空气膨胀。这种膨胀增加了调节器活塞上的压力，因此增加了调节器出口端上的水压。
增加的水流防止了元件装置的过热和水到蒸汽的转化，从而有效地控制了输出水温。
调节器主要包括底部外壳42，活塞43，弹簧51以及外壳41。活塞43具有小枢轴44，小枢轴44靠着底部外壳中的球45安装。当安装时，活塞后的弹簧51使球45离开其位置，给予调节器低压输出。在这个型式中为了确保水能够在启动时通过装置以将热传递给调节器，该低压输出是必须的。
外壳41内的活塞43后的区域，即弹簧51所处的区域，是气压室48。当安装时，该区域的大约一半充满了液体(在该例中为水)，剩余区域为空气。
液体与空气的比不是固定的，在蒸汽室中只有10％的水和10％的空气时，装置可以成功地工作，尽管我们希望使用40％到55％的水(当安装上阀门时，在20摄氏度测量室内体积的百分数)。
图5表示温控活塞阀40在加热器13和喷嘴15之间的位置。铜管55可以连接到散热片中管道33的出口到阀门的入口46。因为阀门的出口47与入口处于同一侧，铜管56绕阀门弯曲以与直线部分57接通，直线部分57又与出口喷嘴15接通。我们发现使用小孔铜管能与铝散热片和阀门40的铜主体一起很好的工作。这些就是我们在样机中使用的材料(为了便于制造)，但是还可以使用其它的材料，尤其是当温度压力调节阀与加热器或散热片的一些部分热接触时更是如此。
当温度升高时，空气和液体的压力也都增加，并且压力迅速增加接近液体的沸点。室内急剧的压力增加使压力调节器中施加到活塞上的力增加，从而打开流量限制装置并增加了出口的水压。
出口处水压的增加导致了更高的流速，该流速部分地冷却了散热片和调节器，防止水变得太热；测试表明调节器能够将温度保持在+/-1摄氏度的范围内。
该应用中使用的液体是水；然而对于需要不同输出温度范围的各种应用，可以使用其它的液体。
图7是压力室内压力对温度的曲线图。当空气的温度从20摄氏度上升到130摄氏度时，我们已经测量了室内聚集的空气所施加的压力。这已经由曲线图中曲线71表示，从20摄氏度时的100kpa上升到约130摄氏度时的148kpa。另一方面曲线72表示水蒸汽的压力，水蒸汽的压力在20摄氏度到50摄氏度之间上升非常缓慢，但是接着开始比空气压力的变化更急剧地上升，因此当压力室的温度超过80摄氏度时，水蒸汽的温度快速上升，从我们的测量可见，在大约108摄氏度时，水蒸汽压力与空气压力交叉，交叉点由曲线图上的点73标记出来。
使用水作为蒸汽室内的液体，这使得到达出口喷嘴15的水的温度在暴露在大气压力之前，被保持(受电源影响)在98到115摄氏度范围内。在大多数情况下，我们已经发现在压力室内含有水的温度压力调节阀将使出口喷嘴处的温度为107+/-1摄氏度。
我们研究了其它液体，并且发现，通过根据液体或液体混合物的压力/温度图中的蒸汽压力曲线改变液体或液体的混合物，能够基于压力室内存在的液体和空气或其它气体混合物的物理参数调节喷嘴15处水的输出温度。
该控制系统的优点是温度调节器的温度由其设计确定并且在制造后不需要更多的输入。
为了获得平滑的动作并防止活塞中的O型环粘住，应该加宽O型环凹槽以使其可以滚动而不是滑动。这也有助于防止O型环在长期不使用之后粘住。
如果存在气锁或瞬间失去供水系统，则调节器将完全打开(由于室内的高气压)，并自我清除。当水恢复流入装置时，冷却蒸汽室将减小出口压力并将装置恢复到其预先设置的温度。
在该样机中，为便于制造和为了得到优良的传热特性，样机的温度调节器外壳和活塞由铜构成。我们已经发现铝主体更适宜，这是由于它具有比铜更快的响应时间。弹簧和螺丝配件由铜构成，所有O型环由硅构成(被设计为承受蒸汽)，以承受离开加热器到达喷嘴15的水对阀门的加热。
实施例4-第二个温度压力调节器(隔膜阀)阀门80在原理和操作上与图4的阀门类似，除了前一个阀门的活塞被隔膜代替以外。
隔膜被夹在顶部外壳81和底部外壳82之间，并形成压力室88的一个内壁。压力调节室88可以具有过滤器塞子92(用于在安装中注入水)。如果可以上下颠倒安装该室88，则水可以注入室中，因此可以省略该塞子。在该例中，室的总体积约为10ml，水的体积约为5ml。
优选地隔膜为硬的但稍微柔软的金属隔膜，其表面可以具有一串同心环或其它隆起线，以提供合适的坚硬度，同时允许隔膜微小地移动以操作枢轴84。优选地，枢轴84附着到隔膜83的下面，压住水入口通道86中的球85，通道86与低水位室93接通。塞子(未示出)位于球的下方以将球保持在适当的位置。
在安装中，少量的水被注入压力室，之后隔膜被夹在适当的位置以封闭压力室。隔膜的形状和硬度避免了在压力调节室中使用弹簧的需要，这是由于隔膜偏置于枢轴上，枢轴由压着不锈钢球85并处于通道上。
在使用中水将从加热器沿适当的小孔管，例如铜管，流到水入口86，当阀门温度低时，少量的液体将流过球进入室83，接着通过水出口87流出到另一个小孔管，该小孔管将接着把水带到喷嘴15。
在这种安排中，入口和出口孔彼此排成直线，从而与图5中所示的安排相比，加热器和喷嘴15之间的管件是相当直的。
在该例中，顶部和底部外壳由黄铜形成，隔膜由铜挤压成型。
该阀门同样也是“漏阀门”，即使当温度低时来自软管的少量的水经过加热器接着通过阀门的流量限制装置到达出口，在这个意义上阀门是漏的。这是经过深思熟虑的阀门的设计特性，以确保阀门体被从入口86到出口87的经过阀门的水加热。活塞的移动是很小的，实际上当活塞室88内的气压使枢轴压住球以增加通过阀门的流速时，枢轴在20摄氏度到107摄氏度之间仅移动约0.01mm。
在我们的不同的样机中，我们发现隔膜阀的工作与压力阀同样好，但是隔膜阀具有便于安装的一些优点，并且相信对于这种类型的产品，隔膜阀比图4的活塞阀更可能被大量生产。
实施例5-第三个压力调节器(改进的隔膜阀)图9是具有压力室的改进的隔膜阀的分解图。图10是该阀门的部分剖开和部分未剖开的视图，以表示隔膜和枢轴之间的关系。
图9和10所示的阀门是改进的气压调节器。其改进在于阀门90具有密封的包含少量水的压力室。
该阀门不同于实施例4的活塞阀或图8的隔膜阀，不同之处在于该阀门被设计为封锁流过阀门的水，直到输入水的温度达到希望的触发点的时间为止。
阀门90具有顶部外壳91和底部外壳92。在底部外壳中提供入口端96，在同一个外壳中与入口端成直线地排列出口端97。夹在顶部和底部室中的是隔膜93。底部室103位于隔膜的下面，在该室内存在摇杆臂100，摇杆臂100与从隔膜的中心向下伸出的枢轴94接触。枢轴94与柱体95形成为一体，隔膜可以由金属，或者抗热橡胶或塑料材料制成。可以在压力室内在柱体95和顶部外壳92的顶部之间安装弹簧(未示出)。可选地，施加到枢轴上的压力并因此施加到摇杆臂100的压力可以由隔膜材料的适当的张力和/或隔膜的形状控制。在图10中隔膜被表示为具有一串同心环状隆起线，以帮助控制隔膜的移动。
在一对轴销101，102上支撑摇杆臂100，轴销101，102在其两边伸出(如图9所示)，靠近入口96的摇杆臂100的末端具有密封塞105，它最好为例如氯丁橡胶的弹性材料，能够承受输入水的温度(输入水温不可能超过115摄氏度)，从而使密封塞可以密封阀门座，阀门座围绕与入口端96连通的垂直通道106。
与前两个阀门不同，该例中枢轴94在这种情况下连接到摇杆臂100的末端，远离轴销101，102，从而使隔膜93的向上移动将要向上拉摇杆臂的左手端，因此向密封塞105施加向下的力，以封锁水通过通道106的通路。实际中，当压力室93温度低时，图10中隔膜和与其连接的枢轴94将被向上压，使摇杆臂和其密封塞106封锁通路106。
当阀门体加热时，热量传递到压力室93，压力室93内的气压将增加，以使隔膜向下移动，这就使枢轴压下摇杆臂100的那一端，并使塞子105升高离开围绕垂直通道106的阀门座。这时水将从入口96通过通道106流入底部室103，并通过出口端97流出。
我们发现，通过用铝制造顶部和底部外壳以及摇杆臂，阀门体迅速地加热，就可能将阀门置于与加热器13的散热片的热交换连通中。它具有这种优点当阀门温度低时，将有最小的水流经过阀门，对于所有实际目的，密封塞105将封锁通道106。
只有当阀门体加热时阀门才会打开。当阀门体被充分地加热以使气压在压力室93内增加时，这种压力室内的增加将使隔膜非常轻微地向下移动，这将使枢轴94推动摇杆臂100的左手端，从而使密封塞105升高离开阀门座，使水进入底部室103并因此到达出口。
实施例5-散热片上的阀门在这种型式中，散热片113由一段挤压成的铝条形成，该铝条穿过其长度具有3个孔。这些孔每个直径为8mm，中央孔具有一个直径为7mm的填充条，该填充条占有其长度的下半区(下半区指的是在其上安装了阀门114的输出端)。
阀门114具有铝主体和不锈钢隔膜，其设计类似于图9和10中的阀门。
两个外部孔115，116包含电加热元件。铜管117从阀门114得到输出，而通过中央孔的液体流在散热片的末端突然中断并转向通过阀门114。
通过使用铝主体作为于散热片111热接触的阀门，阀门以及压力室内的物质快速加热或冷却，以响应散热片中的变化。然而，该位置的阀门将变得比前面实施例中的阀门更热，对于材料的选择(并且液体聚集在室内)需要反映出该较高的工作温度范围。
图7a这是随时间以秒计的正常工作温度的曲线图，温度用摄氏度表示(本发明的手持工具的输出温度使用图8所示的阀门类型)。当输入水的温度为18摄氏度以及加热输出约为2.4kW时进行测量。使用240V电压10A电流的单相电源。这表示工具在小于1分钟的时间内将水加热到约105摄氏度，并在大于10分钟的测量时间保持该温度基本不变。每1或2分钟记录很小的温度波动，该温度波动约为1到4摄氏度，这可能是由于家庭供水系统的小的压力变化引起的。
图12该图表示处于使用中的连接到电源线和软管的手持工具11。使用者手持手柄19并将喷嘴15指向地面。当水流动以及软管内的任何空气彻底排出时，使用者可以打开电源开关16(图1)，从而水就被加热到工作温度。为了除草，使用者将喷嘴置于地面的杂草上持续约5分钟，这样沸水就会杀死杂草的根部，并清洁根部周围的地面。
优选实施例的优点所述的水加热器提供了使水的输出温度自动控制在基本不变的温度的功能，以及在所示的实施例中控制在接近沸点的更困难的温度，而没有由于水输入温度，水压或电源电压而产生的不适当的变化。这是通过与输出温度成比例地改变输出流而实现的。这里不需要微处理器控制器(尽管可以作为额外的选择提供微处理器控制器)。电源或者为完全“接通”或完全“断开”。
有效地，本发明可以被看为是基于“水冷却加热器”，即散热片的温度是来自一对电元件的输入的热量和热量输出、或通过散热片的水流带走的热量之间的平衡。这就忽略了从散热片经过隔热材料到除草工具的外壳的任何热损失。对散热片温度的控制是通过打开或闭合压力调节阀实现的，压力调节阀响应离开散热片的液体的温度。
该工具不会受到供水系统中断或加热器方向的影响。
变化方案反向流动阻止阀可以位于供水系统的输入端，以防止热水通过输入端回流的可能性。
因为输出流与输入流成比例，就可能通过增加输入电源增加水流，一般通过串联使用多个电加热器或通过增加暴露到散热片的水薄层的表面积，例如通过增加加热器中水膜的周长和使用更高瓦数的加热元件。实际中，通过提供一串通道，其中每个通道具有填充条，以提供多个通道用于水流入散热片，同时使水薄层的加热表面最大和当溶解的气体在通道中释放时使气泡的增加最小，这样就能够更容易地增加水流。
一旦供水系统断开，流量控制阀可以完全闭合，从而防止滴水和确保系统充满液体。输入端内的任何水压至少能够轻微地打开阀门。这就确保如果故障情况增加了输入端的压力，则输出阀将会打开。
尽管已经描述了与供水系统一起使用的本发明的水加热装置，其中的供水系统来自与干线供水系统连接的软管，但应该知道，供水系统可以是背囊，或存储在储水槽中的少量的水，储水槽连接到便携式除草装置或形成便携式除草装置的一部分。在这种情况下，这种背囊或储水槽系统是不希望的，这是因为优选的入口水压要高于40psi，并且这将涉及使用额外的泵以从储水槽或背囊将水泵入加热器。
在大多数情况下，部分打开的压力调节阀，如图4和图8中描述的阀门，对于花园中的使用是实用的，由于当温度低时仅仅有约200ml/分钟的少量的水经过这些阀门，而当加热器将水加热到处于或接近与沸点的温度时，水量快速上升到约500ml/分钟。
更不希望的选择方案是将阀门制成具有小的旁路孔的漏阀门，因此就总是有一些水流过阀门。然而这种漏阀门不如上述的温控压力调节阀可靠，这是由于漏阀门中的孔可能被供水系统中的微粒阻塞，尽管当孔被部分阻塞时，温控压力调节阀将进一步打开直到阻塞物被冲走。
应该知道，在这些型式中，一旦花园橡胶软管打开，就总是有一些水流过该装置。由于这是自来水，因此当温度低时就不能伤害植物并提供用在花园中的有用的灌溉功能。然而在一些情况下，可能希望包括供水系统关闭阀门，这种类型的最合适的阀门是电力操作的螺线管阀门，它将使使用者关掉供给加热器的电源，并同时关掉流过除草器的水流。优选地，这种螺线管操作的阀门位于温控压力调节器和出口喷嘴之间。然而，螺线管操作的阀门也可以位于接近水入口的地方，即，处于或邻接图1所示的除草器的手柄末端。这种阀门可以由图1所示的开关控制，该开关控制输入到电加热器的电源。
尽管铝被用作散热片的材料，使用其它铝基合金，镁，或其它类似材料也是可能的，这些材料既具有高比热又具有好的导热性。所有部件都应该抗腐蚀，还应该抗来自于任何非金属的电腐蚀。如果使用铝，则铝可以被阳极钝化以使腐蚀最小，特别是来自硬水或酸性水的腐蚀。
根据应用可以变化材料的大小，形状以及质量。
本发明可以用于加热各种液体到特定温度，并且可以使用任何方便的热源。一个家庭用途是当洗涤或淋浴时根据需要加热水，特别是当应该将温度控制在加/减1摄氏度时，尽管会在供给压力中存在波动(在家里当淋浴中打开龙头时，这种情况很普遍)。
如果在压力室内提供可调节的弹簧，则可以通过改变弹簧压力并因此改变阀门设定值来变化输出温度。
最后，在不脱离本阀门的范围的情况下，可以对前述说明进行各种其它替换和改进，正如下面的权利要求所述的。
权利要求
1.一种液体加热器，其能够将液体流加热到希望的温度，所述液体加热器具有液体入口、液体加热装置和出口，所述入口用于连接到液体源，所述液体加热装置连接到所述入口，所述出口用于传送所述液体加热装置提供的被加热的液体，其中在所述入口和所述出口之间有温控压力调节阀，所述温控压力调节阀具有流量限制装置和热交换装置，所述流量限制装置能够调节传送到所述出口的被加热的液体流，所述热交换装置使所述温控压力调节阀与所述液体加热装置或离开所述液体加热装置的被加热的液体进行热交换，从而所述温控压力调节阀的加热或冷却将使所述流量限制装置打开或关闭，以允许增加或减少离开所述出口的被加热的液体流，从而控制离开所述出口的被加热的液体的温度。
2.一种便携式手持工具，其能够将水流加热到适合杀死植物的温度，所述手持工具具有水入口、水加热装置和出口喷嘴，所述入口用于连接到水源，所述水加热装置连接到所述入口，所述出口喷嘴用于传送所述水加热装置提供的被加热的液体，其中在所述入口和所述出口喷嘴之间有温控压力调节阀，所述温控压力调节阀具有流量限制装置和热交换装置，所述流量限制装置能够调节传送到所述出口喷嘴的被加热的液体流，所述热交换装置使所述温控压力调节阀与所述水加热装置或离开所述水加热装置的被加热的液体进行热交换，从而所述温控压力调节阀的加热或冷却将使所述流量限制装置打开或关闭，以允许增加或减少离开所述喷嘴的被加热的液体流，从而控制离开所述喷嘴的被加热的液体的温度。
3.如权利要求2所述的便携式手持工具，其中所述温控压力调节阀位于所述水加热装置和所述喷嘴之间。
4.如权利要求2所述的便携式手持工具，其中所述温控压力调节阀具有作用于可移动元件上的压力室，所述压力室包含温度响应物质，所述温度响应物质能够在所述压力室内产生压力，以移动所述可移动元件，从而响应所述压力室内所述物质的温度变化调节所述流量限制装置的打开和闭合。
5.如权利要求4所述的便携式手持工具，其中所述物质为液体和/或气体。
6.如权利要求4所述的便携式手持工具，其中所述物质为水和空气的混合物。
7.如权利要求5所述的便携式手持工具，其中所述可移动元件为隔膜。
8.如权利要求6所述的便携式手持工具，其中所述水加热装置包括在散热片内或连接到散热片的一个或多个电加热元件。
9.如权利要求8所述的便携式手持工具，其中在所述散热片上或其内部安装热熔断路器，所述热熔断路器适于当熔断器的温度超过预定值时切断所述电加热元件。
10.如权利要求9所述的便携式手持工具，其中所述散热片为铝的挤压件，其包含用于所述加热元件的孔或通道，以及一个或多个具有大的表面积对体积之比的液体通道。
全文摘要
一种便携式液体加热工具，能够将处于干线压力下的水流加热到约107摄氏度，该工具通过软管连接到供水系统。水流过工具内的电加热器，接着流到温控压力调节阀(80)和流到出口喷嘴。阀门(80)具有可移动元件，例如封锁压力室(88)的隔膜(83)。隔膜(83)的移动使阀门(85)打开或至少部分闭合。当阀门(85)闭合时，阀门(85)阻止或限制水通过阀门从入口(86)流到出口(87)。在隔膜的另一侧，在压力室(88)中聚集少量水，从而当阀门(80)加热时，压力室(88)内的压力随着水转化为水蒸汽而增加，并且室内的空气膨胀。压力室(88)内压力的增加使隔膜(83)轻微向外移动，从而枢轴(84)使球阀(85)打开并使通过阀门(80)流到工具的喷嘴的被加热的水的流量最大。
文档编号A01M21/04GK1777360SQ200480010568
公开日2006年5月24日 申请日期2004年3月18日 优先权日2003年3月18日
发明者安瑟尼·J·海赫姆, 彼得·布鲁斯·克拉克, 布莱顿·泰特 申请人:格林威德控股有限公司