专利名称：电热水器操作的控制装置和方法
本申请涉及操作电热水器的控制装置和方法的领域。本发明尤其用于使用微控制器的控制装置和方法，并将具体参考其描述本发明。然而，可以理解本发明具有更广的方面，也可用其他形式的控制装置来实施。
当安装了电热水器后，在接通热水器之前最好给热水器水箱注水并清除水箱中的空气。没有给热水器水箱注水以及没有清除水箱中的空气可导致毁坏加热元件或热水器。因此，最好有这样的自动装置，即，当热水器水箱中缺水时防止加热元件工作。另外，最好具有辅助节能特征，如，能编程该热水器以适应热水需求周期中每日的时刻和/或每周内日期的变化，同时能方便并容易地使用假日内温度下降特征。
用于检测电热水器中无水启动的控制装置和方法，通过首先记录该单个或最底部加热元件上的初始温度来操作，所述电热水器有一个或两个顶部和底部电加热元件或辅助加热元件。在短时间内使该单个或最底部加热元件通电，其后断电并延迟后，记录最底部加热元件上的最终温度。接着比较初始和最终温度读数，如果其间的差值大于几度，表示该单个或最底部加热元件没有浸没在水中，控制装置锁断所有的加热元件以防止加热元件再通电直到控制装置复位。
如果初始和随后的温度之间的差值小于几度，这确定底部加热元件由水包围，接着使最底部的加热元件通电以将水加热到关断设定点温度。
监测顶部加热元件的温度，仅在顶部加热元件的温度已达到关断设定点温度接着降到低于关断设定点温度几度后，控制装置使顶部加热元件通电。这防止了在没有清除水箱中的空气由此顶部加热元件没有浸没在水中的情况下对顶部加热元件的通电。
控制装置也包括这样的特征，即，使设定点温度(在该温度使加热元件断电)随日的时刻和/或周的不同日而改变以适应不同的热水使用方式，同时降低了热水器的整体能量损耗并提供假日设置，在此期间很长时间内保持减小的设定点从而给用户提供方便并容易地使用保存能量损耗的装置。
通过结合附图的以下描述和后附的权利要求书，本发明另外的优点和特征将更加明显。
图1根据本申请的控制装置和方法操作的电热水器的示意图；图2和2A说明根据本发明的控制装置和方法的电热水器的操作流程图；图3是根据本发明控制装置的电路图；以及图4是表示根据本发明与控制装置连接的可选择的可编程定时器的图。
现在参考附图，其中所示仅为了说明本发明优选实施例的目的而并不是对本发明的限定，图1表示电热水器A，其包括具有顶壁12、底壁14和外围或侧壁16的水箱B。
冷水供水管18通过其顶壁12进入水箱B中，其入口20与水箱底壁14相邻从而冷水进入邻近底部的水箱B中。热水出水管22通过顶壁12伸到水箱B中，出水管22的入口24与顶壁12相邻，通过出水管22热水从水箱B流出。
顶部和底部的电加热元件C和D通过侧壁16伸到水箱B中，并用已知的方法将其固定到侧壁16上。每个加热元件C和D有位于水箱侧壁16外表面上的基底30和32。每个基底上设有用于连接导线的合适的端子，以及如电阻负温度系数的热敏电阻34和36这样的温度传感器被容纳在每个基底中以提供温度信号。
应当注意的是本发明是结合使用两个加热元件的热水器来描述的，即，上部加热元件C和下部加热元件D。然而本发明也包括如需要时仅用一个加热元件的热水器或具有多于两个这样的加热元件的热水器。
尽管也可安装在其他位置，但示出控制装置E安装在电加热器A的顶部。控制装置E可与交流电源用已知方法连接，示意性示出的导线38和40用于通过控制装置E将加热元件C和D连接到电源上，并用于将热敏电阻34、36和控制装置E相连。
当电热水器最初安装或电热水器使水从夹持水箱中排出后返回运行时，该水箱将包含大气压状态的大量气体。当供水阀被打开时，水将会流入水箱直到水箱内部压力等于供水压力。然而，如果关闭出口阀或如果没有打开任何一个热水配送阀时，水箱中的空气将被限制并加压到等于供水压力。如果不释放被加压的空气，将限制水箱装满水从而一个或两个加热元件没有浸没在水中。由于水比空气更易于吸热，当没有浸没在水中时，加热元件的通电可导致毁坏加热器元件。这种情况通常是指在加热元件浸没在水中前使其通电的无水启动状况。
参考图2，安装热水器并且完成适当的电连接和水连接后，接通控制装置E以进行初始操作，如50所指。接着，控制装置E记录由底部加热元件D上的热敏电阻36监测到的初始温度，如52所指。然后，在预定时间内使底部加热元件D通电，接着在预定延迟时间内断电，如54所指。所述延迟后，控制装置E再次记录由底部加热元件D上的热敏电阻36监测到的最终温度，如56所指。接着，计算初始和最终温度之间的差值，如58所指。
如图2A中60所指，比预定度数大的初始和最终温度之间的差值表示已经处于无水启动状态，底部的加热元件没有被水包围。如果初始和最终温度之间的差值小于预定的度数，则表示底部加热元件浸没在水中，热水器操作正常。在有水情况下，使底部加热元件通电(如62所指)以使水箱中的水加热到由手动选择开关确定的关断设定点温度(如64所指)。底部加热元件周期操作或保持接通直到达到关断设定点温度。然后，通过控制装置E使底部加热元件D断电。通过外壳的热量损失或热量通过出水管22从热水水箱顶部流出，以及外加的冷水通过入口20流入水箱B中，导致热水冷却，所以，由热敏电阻36检测到的温度将低于接通设定点温度。在预定的接通设定点温度，控制装置E将使下部加热元件再次通电以再次将水箱B中的水加热到关断设定点温度，被再次通电时所述加热元件一般低于关断设定点温度的度数通常为5-10度的级别。在正常操作顺序中，将继续这样的操作循环。
由于下部加热元件D加热水箱B中的水，通常常规电流将导致水温上升，从而使上部热敏电阻34检测到的温度上升。最终，仅当顶部加热元件C已经或逐渐浸没在水中时，由顶部加热元件C上的热敏电阻34检测到的温度将达到关断设定点温度。如果顶部加热元件C由水箱B中的气泡包围时，不希望给顶部加热元件C的通电，控制装置E将防止使其通电。然而，如果上部加热元件浸没在水中，控制装置E将记录热敏电阻34已达到关断设定点温度。当由使用了热水或水的自然冷却而引起热敏电阻34检测到的温度下降到低于预定关断设定点温度预定度数时，控制装置E将使上部加热元件正常操作。因此，仅在由热敏电阻34检测到的温度下降到低于设定点温度预定度数后，控制装置将使顶部加热元件C通电。此后，顶部和底部加热元件都将单独周期操作，但通常并不同时以用于保持设定点温度。这些操作步骤如图2A中66和68所指。但是，如果由于某些原因使得关断设定点温度低于预定的最小值，尽管上部加热元件没被浸没，由下部加热元件D加热的热水也可能使由上部热敏电阻34检测到的气穴的温度上升到足以达到关断设定点。为了防止这种现象的出现，控制装置E将不操作上述初始程序，从而即使在关断设定点温度低于预定的最小值的情况下，例如低于110°F，也允许上部加热元件通电。
如上所述，设计用于住宅使用的大多热水器具有两个加热元件，控制装置E设计为能操作加热元件C或D中的一个或另一个，但通常不同时操作。在这样的热水器中，下部元件D通常正常地进行接通或断开循环以响应需求。然而，如果存在上部热敏电阻34检测到的温度降低到接通设定点这样的相当高的需求时，下部加热元件D将断电，而上部加热元件C将通电直到达到关断设定点。但是，其他类型的热水器可允许两个加热元件或甚至多于两个加热元件同时操作。本发明对这样的热水器同样适用，可以理解遵循同样的顺序，即，如上所述，相对于元件C和D，由控制装置E最初使最下部加热元件通电，接着使最上部加热元件通电。应当注意的是可设计控制装置E使得需要时其将次序通电每个连续的较高安装的加热元件，由于一旦最顶部加热元件已浸没在水中，其他下部加热元件也已被浸没，所以这通常认为不必要。
在图2A中步骤60检测到无水启动的情况下，控制装置操作以使下部加热元件D断电，从而将防止使两个加热元件C和D都通电，如70所指。热水器水箱注满水并清除其中的空气后，控制装置可复位并再次通电(如72所指)以从图2中50所指的步骤重新开始。
在当前的优选实施例中，控制装置E将初始操作，从而在记录了热敏电阻36的初始温度后使下部加热元件D通电约5秒钟。接着，其使下部加热元件断电约2分钟，其后，将再次记录由下部热敏电阻36检测到的温度。如果第一和第二记录温度之间的差值大于5°F．，表示处于无水启动状况，并防止对两个加热元件再通电直到控制装置E复位。应当注意的是尽管认为上述的持续时间和温度是优选的，其可随其中使用本发明的具体应用的不同而变化。例如，如果使用较低瓦特数的加热元件，需要增加通电持续时间，同样如果使用较高瓦特数的加热元件，则需要减少持续通电时间。
参考图3，80所指的是交流-直流转换器和直流电源。根据本申请，微控制器F控制上部和下部加热元件C和D的操作。电路包括与四个继电器92-95相连的四个功率晶体管82-85。继电器92-94是常开继电器，继电器95是常闭继电器。继电器92和93分别与上部和下部加热元件C和D连接，继电器94和95是限流继电器。比较器102和104用于接通或关断晶体管84和85以控制限流继电器94和95。选择开关110用于选择热水器中水的所需设定点温度。当出现故障情况时，晶体管112根据来自微控制器F的信号使LED114闪烁。
当初始将控制装置接通或通电时，比较器102的输出很低，从而晶体管85保持关断，限流继电器95保持闭合。同时比较器104的正常稳定状态输出很高，从而接通晶体管84以使限流继电器94通电并闭合。
当初始接通或通电控制装置时，热敏电阻34和36将恒温度信号提供到微控制器F上，微控制器F通过底部热敏电阻36记录底部加热元件的初始温度。接着微控制器F接通晶体管83以使继电器93在约5秒的短时间内通电并闭合。这通过继电器95、93和94使下部加热元件D通电。短时间后，微控制器F关断晶体管83以使继电器93断电并断开，从而使下部加热元件D断电。
关断下部加热元件D后，出现约2分钟的延时，在两分钟末，微控制器F通过热敏电阻36记录底部加热元件的最终温度。接着微控制器F比较初始和最终温度。如果其差值大于预定的度数，表示出现无水启动的状况，以及下部加热元件没有浸没在水中。因此，微控制器F将锁断所有的加热元件以防止对加热元件再操作。在控制器E上也可设有适合的可视和/或可听的报警以指示这种情况。
在水箱中有水的情况下，初始和最终温度之间的差值将小于预定的度数，微控制器F将再次接通晶体管83以闭合继电器93，使下部加热元件D重新通电。使下部加热元件D通电直到通过热敏电阻36由微控制器F接收到的温度信号与由选择开关所选择的需要的关断设定点温度相一致。当达到关断设定点时，微控制器F关断晶体管83以断开继电器93，使下部加热元件D断电。
微控制器F接收来自晶体管34和36的恒定的读数，从而将加热元件周期接通和关断以保持水箱B中所需的水温。如果水箱的顶部有气泡，上部加热元件C将没浸没在水中，在这种情况下不需要使上部加热元件通电。因此，微控制器F将不使上部加热元件C通电直到由顶部热敏电阻34提供的温度信号首次达到关断设定点温度的第一预定度数范围内的一个温度，其后又下降到低于接通设定点温度的第二预定度数。尽管也可使用其他数，并且二者不需要相等，这些第一和第二预定度数优选约为3-5°F．。上部加热元件的温度将下降不多，除非其浸没或逐渐浸没在水中。直到上部加热元件的温度下降到低于设定点至少几度，微控制器F中断或防止上部加热元件通电。当温度下降到需要的度数后，当来自热敏电阻的随后的信号要求通电顶部加热元件时，微控制器F使顶部加热元件通电。
一旦上部加热元件的温度下降到低于设定点温度几度时，由对热水的需求和由热敏电阻34和36提供到微控制器F上的温度信号来确定是否通电。当提供到微控制器F上的温度信号指示温度还没有下降到彻底低于所需的设定点温度时，微控制器F可周期操作底部加热元件D以将水加热到设定点温度并保持该温度。当温度信号指示温度已下降到彻底低于所需的设定点温度时，微控制器F将仅通电上部加热元件C以重新加热将先从水箱中引出的水。因此，微控制器F将接通晶体管82以使继电器92通电并闭合。通过限流继电器95、继电器92和继电器94使上部加热元件C通电。当达到水箱的上部中的水的设定点温度时，微控制器F将使顶部加热元件C断电并通电底部加热元件D。
微控制器F被编程以响应来自热敏电阻34和36的过高温度信号。在热敏电阻34和36将信号提供到微控制器F上，表示过高温度的情况下，微控制器F将关断晶体管82和93以断开继电器92和93，使加热元件断电直到其复位。
在微控制器F没有使加热元件通电以响应由热敏电阻34和36提供的过高温度信号的情况下，来自顶部热敏电阻34的过高温度信号将导致比较器102的高输出，其接通晶体管82以使常闭继电器95通电并断开。同时，比较器102的高输出引起比较器104低输出，其关断晶体管84，断开继电器94。从而，继电器94和95的断开将使加热元件断电直到继电器92和93不这样操作的情况下控制装置E复位。
当检测到无水启动时，微控制器F产生脉冲将晶体管112接通和断开以使得LED间隔闪亮。微控制器F可产生脉冲在不同的模式和间隔将晶体管112接通和关断，从而使得LED114以不同的速率闪亮以指示如顶部或底部加热元件的过高温度读数这样的故障。
微控制器F具有定时装置的功能，其初始在几秒内接通底部加热元件，接着在记录最终温度度数前延迟几分钟。微控制器F也具有激励器的功能，其通过接通或关断晶体管从而闭合或断开继电器以响应热敏电阻34和36检测到的温度信号给加热元件通电和断电。
另外，应当注意的是控制装置E优选被编程，从而在上部或下部热敏电阻短路或者任一热敏电阻开路的情况下，使上部和下部加热元件都断电并防止其进一步通电。此外，如需要，在控制装置E中可装有合适的可视和/或可听的报警以指示这种情况的出现。
为了利用本发明的仅有一个加热元件的热水器，控制器E将设计为仅操作上述下部加热元件的工作顺序。
还应注意尽管本发明描述了热敏电阻34和36位于对应的加热元件的基底中，但是这些传感器可放置在水箱B上的任何位置，但为了提供无水启动保护特征的全部优点，其可位于临近对应的加热元件的位置上。例如，传感器可夹在加热元件向外突出的销钉上，而不是位于其基底中。此外，尽管应用用于检测温度的热敏电阻来描述本发明，其他形式的传感器也可代替其使用。
如上所述，控制装置E可具有这样的能力，即，能使得关断设定点温度随每日的时刻和/或每周的日期变化的改变，同时具有将暂时下降的接通设定点温度保持很长时间(即，假日温度下降)的能力。这易于通过将普通的可编程定时器结合到控制装置E或以分离式组件的形式来实现，所述分离式组件可有选择地与控制装置E互连。可编程定时器与控制装置E一起改变控制装置E使用的接通设定点，以及可允许以周的每天不同的顺序在两个或多个接通温度设定点之间一天转换一次或多次。另外，可编程定时器可允许在很长时间内(即，假日温度下降)保持编程的低关断设定点。这样的可编程定时器在本领域已公知，在此不再详述，仅有的改变是需要编程各种接通设定点温度。
图4中以通过导线202和204与控制装置E互连的可选择的组件的形式示出了典型的可编程定时器200。如图所示，可编程定时器包括接通/关断开关206和选择/程序开关208。其中设有的显示器可以显示日的时刻、周的日，以及可选择模式中被选择的模式。在示出的例子中，装有三个关断峰值程序，从而允许从周一到周五的程序、用于周六和周日的分离程序、以及假日模式和其中可编程定时器将不操作改变关断设定点的正常模式。
尽管本发明是参考优选实施例描述的，但很显然本领域的其他普通技术人员可根据阅读和理解这种说明对其进行等效的改变和变形本发明包括所有的这样的等效改变和变形，其保护范围仅由权利要求书来限定。
权利要求
1．用于检测具有一个电加热元件的电热水器的无水启动的设备，包括加热元件控制装置，其使所述加热元件初始通电；温度检测装置，在所述加热元件通电后预定时间其检测所述加热元件的温度以提供一个最终温度度数；以及当所述最终温度度数是表示所述加热元件周围缺水的预定值时所述控制装置使所述加热元件断电。
2．如权利要求1所述的设备，其中当所述加热元件被初始通电时所述温度检测装置检测所述加热元件的温度以提供初始温度读数；以及当所述最终温度读数大于所述初始温度读数预定量时，所述控制装置使所述加热元件断电。
3．如权利要求2所述的设备，其中所述的温度检测装置获得所述加热元件通电前的所述初始温度读数。
4．如权利要求3所述的设备，其中所述温度检测装置获得所述加热元件断电后的所述最终温度读数。
5．如权利要求4所述的设备，其中所述温度检测装置获得所述加热元件断电后至少一分钟时的所述最终温度读数。
6．一种检测具有一个加热元件的电热水器无水启动的设备，包括加热元件控制装置，包括在短时间内初始通电所述加热元件的定时装置；温度检测装置，其监测所述加热元件的温度并将一个温度信号提供到所述的控制装置上；所述控制装置，响应所述温度信号以当所述加热元件被水包围时重新使所述加热元件通电；以及所述控制装置，响应所述温度信号以当所述加热元件被空气包围时防止所述加热元件重新通电。
7．如权利要求6所述的设备，其中，所述控制装置使所述的底部加热元件重新通电以将水加热到一个设定点温度；在所述热水器中的一个顶部加热元件；一个顶部温度检测装置，其监测所述顶部加热元件的温度并将一个顶部温度信号提供到所述控制装置上；所述控制装置，响应所述顶部温度以仅在所述顶部加热元件被水包围后使所述顶部加热元件通电。
8．如权利要求6所述的设备，其中所述加热元件控制装置可进行给所述加热元件通电的操作直到所述温度检测装置将一个温度信号提供到所述控制装置上，指示所述水的温度已经达到关断设定点温度。
9．如权利要求8所述的设备，其中所述加热元件控制装置包括一个可编程定时器，编程所述可编程定时器使得在预选时间在高的第一和低的第二温度之间改变所述关断设定点温度。
10．如权利要求9所述的设备，其中所述预选时间包括日期的预选时间。
11．如权利要求10所述的设备，其中所述日期的预选时间随一周的不同日期变化。
12．如权利要求9所述的设备，其中所述可编程定时器可将低于所述高的第一温度的温度的所述设定点温度保持很长时间。
13．一种通电并防止电热水器的无水启动的设备，所述电热水器在初始安装后具有顶部和底部加热元件，包括加热元件控制装置，包括用于通电所述底部加热元件的底部加热元件激励器；底部温度检测装置，其检测所述底部加热元件的温度并将底部温度信号提供到所述控制装置上；所述控制装置，响应所述底部温度信号以当所述底部加热元件被水包围时保持对所述底部加热元件通电；所述控制装置，响应所述底部温度信号以当所述底部加热元件被空气包围时将所述底部加热元件断电；根据确定有水包围在所述底部加热元件周围的温度检测，所述控制装置保持通电所述底部加热元件以将水加热到一个设定点温度；顶部温度检测装置，其监测所述顶部加热元件的温度并提供一个顶部温度信号；所述控制装置，响应所述顶部温度信号，从而仅在所述顶部加热元件的温度下降到低于所述设定点温度的预定值后通电所述顶部加热元件。
14．一种检测具有一个电加热元件的电热水器无水启动的方法，包括以下步骤初始通电所述加热元件；通电所述加热元件后，在预定时间检测所述加热元件的温度以提供一个最终温度读数；以及当所述最终温度读数是表示所述加热元件周围缺水的预定值时，使所述加热元件断电。
15．如权利要求14所述的方法，其中初始通电所述加热元件的所述步骤通过在短时间内初始通电所述加热元件然后断电来实现的，使所述加热元件断电的所述步骤是通过防止其再通电来实现的。
16．如权利要求15的方法，其中检测所述加热元件的温度以提供所述最终温度信号的所述步骤是通过在所述短时间后的断电之后检测所述加热元件的温度来实现的。
17．如权利要求14所述的方法，其中检测所述加热元件的温度的所述步骤是通过检测所述加热元件通电前的温度以提供一个初始温度读数来实现的，使所述加热元件断电的所述步骤是通过确定所述初始和最终温度读数之间的差值并当该差值是预定值时使所述加热元件断电来实现的。
18．如权利要求17所述的方法，其中最初短时间内通电所述加热元件，随后断电，检测所述加热元件的温度以获得最终的温度读数的所述步骤是通过检测所述加热元件断电后的温度来实现的。
19．如权利要求18所述的方法，其中检测所述加热元件以获得最终温度读数的所述步骤是在所述最初的短时间末所述加热元件断电后的预定时间延迟后。
20．一种检测具有一个电加热元件的电热水器无水启动的方法，包括以下步骤在短时间内初始通电所述加热元件；在所述短时间末，检测底部加热元件的温度以通过低的检测到的温度确定有水或通过高的检测到的温度确定缺水；以及再通电底部加热元件以响应低的检测到的温度或者防止底部加热元件的再通电以响应高的检测到的温度。
21．如权利要求20所述的方法，其中热水器包括一个顶部加热元件，以及再通电或防止再通电的所述步骤是通过再通电所述底部加热元件以响应低的检测到的温度从而将热水器中的水加热到一个设定点温度来实现的。
22．一种在安装后使电热水器初始通电的方法，所述热水器具有顶部和底部加热元件，包括以下步骤在短时间内通电底部加热元件；检测底部加热元件的温度以通过低的检测到的温度确定有水或通过高的检测到的温度确定缺水；再通电底部加热元件以响应低的检测到的温度或使底部加热元件断电以响应低的检测到的温度或断电热水器以响应高的检测到的温度；当再通电底部加热元件以响应低的检测到的温度时，将热水器中的水加热到一个设定点温度；检测顶部加热元件的温度；以及仅在检测到的顶部加热元件的温度下降到低于设定点温度的预定值后，通电顶部加热元件。
全文摘要
一种防止电热水器无水启动的控制装置和方法,在短时间内通电底部加热元件,接着检测温度以确定底部加热元件周围是否有水。缺水时,控制装置防止加热元件再通电。若有水,通电底部加热元件以将水加热到设定点温度。在其温度降到低于该设定点温度预定值后,通电辅助上部加热元件。控制装置还包括可编程定时器,其在给定日期和/或周的不同时间内以预定方式改变关断设定点温度,并提供简便方法将减小的关断设定点温度保持很长时间。
文档编号F24H9/20GK1284635SQ00122748
公开日2001年2月21日 申请日期2000年8月11日 优先权日1999年8月13日
发明者杰森·S·安德森 申请人:塞莫－O－光盘公司