JP2005502017A - 流体を急速に加熱するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

流体を急速に加熱する装置は、間を流体が流れる電極（16、17、18）を有する流路（12）を含んでいる。一対の電極（16、17、18）間に電圧が印加され、それによって流路を通って電流が流れる。入口および出口の流体温度が測定され、測定された流体流量に従って流体の所望の温度上昇をもたらすように印加電圧を変化させることによって、電流が調節される。

Description

【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、流体を急速に加熱する装置、システム、および方法に関し、特に、電気エネルギーを用いて流体を急速に加熱する装置、システム、および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
いろいろな形態の給湯システムが、先進国における極めて多数の住宅および職場に設置されている。いくつかの国では、水を加熱する最も一般的なエネルギー源は電気である。
【０００３】
もちろん、一般に知られているように、化石燃料を燃焼させることによる電気の生成は、汚染および地球の温暖化に顕著な影響を与えている。たとえば、1996年には、米国における最大の電気消費セクタは家庭であり、発生するすべての炭素排出量の20%を占めていた。この電気消費セクタからの全炭素排出量のうちで、63%は、このセクタ用の電気を生成するのに用いられる化石燃料の燃焼に直接関わるものであった。
【０００４】
先進国では、電気は今や、住宅に実用上必要なものとみなされており、1990年から世帯当たり電気消費量が年当たり約1.5%の率で増加しているため、住宅セクタの電気消費量の予想される増加は、炭素の安定化および京都議定書の目標を満たすことに関する論争における中心的な課題になっている。
【０００５】
1982年から1996年まで、米国の世帯数は、年当たり1.4%の率で増加し、同じ期間の住宅電気消費量は、年当たり2.6%の率で増加した。したがって、米国の世帯数は、2010年までに毎年1.1%増加すると見込まれ、同じ期間の住宅電気消費量は、毎年1.6%の率で増加すると予想されている。
【０００６】
1995年に、世界全体で約4000万戸の世帯が電気給湯システムを使用していると推定された。電気給湯システムの最も一般的な形態は、水が所定の温度まで時間をかけて徐々に加熱される貯蔵タンクを含んでいる。貯蔵タンク内の水は、水が貯蔵タンクから汲み出され低温の給水が補充されるときに所定の温度に維持される。一般に、貯蔵タンクは、主電源に連結され、動作がサーモスタットまたは温度監視装置によって制御される浸水電気抵抗加熱素子を含んでいる。
【０００７】
電気湯貯蔵システムは一般に、消費者が未来のある時点まで湯を必要としないにもかかわらず、水を貯蔵し、使用に必要な温度よりも高い所定の温度まで加熱するという原則に基づいて動作するため、エネルギー効率が低いとみなされている。熱エネルギーは貯蔵タンク内の湯から失われるので、この水を所定の温度まで再加熱するにはさらに電気エネルギーを消費する必要がある。結局、消費者が湯を必要としない期間はかなり長い。しかし、この期間の間、電気湯貯蔵システムは、消費者がいつか湯を必要とするときのために備えて水を加熱するためにエネルギーを消費し続ける。
【０００８】
もちろん、水温が短期間内に所定のレベルに達するように水を急速に加熱すると、システムは、湯を貯蔵している結果として必然的に生じる非効率を避けることができる。現在、天然ガスやLPG（液化石油ガス）などのガスと電気の両方をエネルギー源として用いる急速加熱システムすなわち「瞬間」給湯システムが利用可能である。天然ガスおよびLPGの場合、これらは、これらの燃料に点火することによって流体に対する十分な熱エネルギー伝達を行い、かつこの流体の温度を制御された条件の下で比較的短時間内に十分なレベルまで上昇させることができるため、流体の急速加熱に特に適した燃料源である。
【０００９】
しかし、天然ガス燃料源を用いて水を急速に加熱することは可能であるが、このような燃料源は容易に得られるとは限らない。これに対して、電源は、先進国におけるたいていの世帯で容易に得ることができる。
【００１０】
従来、電気「瞬間」給湯システムを生産する試みがなされているが、成果は上がっていない。これらの試みには、熱線システムおよび電磁誘導システムが含まれる。比較的小さな直径を有する非伝熱性および非導電性チューブ内にワイヤが配置された熱線「瞬間」給湯システムが開発されている。動作時には、水がワイヤに接触しながらチューブ内を通過するかまたはチューブの、ワイヤの非常に近くを通過し、ワイヤが通電され、それによって熱エネルギーがチューブ内の水に伝達される。制御は一般に、チューブからの水の出力温度を監視し、この温度を所定の温度設定と比較することによって行われる。水の監視された出力温度に応じて、水温が所望の温度設定に達するまでワイヤに電圧が印加される。この種のシステムは、湯の貯蔵に伴うエネルギー非効率を回避するが、残念なことに他のいくつかの欠点を有している。特に、ワイヤを周囲の水の温度よりもずっと高い温度まで加熱する必要がある。このことは、塩化カルシウムや硫酸カルシウムのような通常水中に様々な濃度で存在する溶解した塩の結晶を形成させるという不利な効果を有する。ワイヤの、水に直接接触する高温領域は、これらの種類の結晶の形成を引き起こすのに適した環境を構成し、その結果、ワイヤが「固化」し、したがって、ワイヤから周囲の水への伝熱効率が低下する。チューブは一般に直径が比較的小さいので、結晶が形成されると、チューブを通る水の流量が少なくなる恐れがある。さらに、熱線型システムは、効果的に動作するのに比較的高い水圧を必要とし、したがって、これらのシステムは、比較的低い水圧を有するか、またはピーク水使用時に水圧が頻繁に低下する可能性のある領域では有効に使用できない。
【００１１】
電磁誘導システムは変圧器と同様に機能する。この場合、変圧器の二次巻線に誘導された電流は、二次巻線を加熱させる。ここで発生する熱は、二次巻線を囲む水ジャケット内を通る循環水によって散逸させられる。加熱された水は次いで、システムから出て使用される。制御は一般に、水ジャケットからの水の出力温度を監視し、この温度を所定の温度設定と比較することによって行われる。水の監視された出力温度に応じて、一次巻線に印加される電圧を変化させることができ、それによって、水温が所望の温度設定に達するまで二次巻線に誘導される電流が変化する。この種のシステムは、湯の貯蔵に伴うエネルギー非効率を回避するが、他のいくつかの欠点も有している。特に、二次巻線を周囲の水の温度よりもずっと高い温度まで加熱する必要がある。これは、上述のような溶解した塩の結晶を形成させるのと同じ効果を有する。二次巻線と周囲の水ジャケットとの間の隙間は一般に比較的狭いので、結晶が形成されるとジャケット内を通る水の流量も少なくなる恐れがある。
【００１２】
さらに、磁界が発生し二次巻線に高電流が誘導される結果、許容されないレベルの電気雑音またはRF雑音が生じる可能性がある。この電気雑音またはRF雑音は、抑圧または遮蔽するのが困難であることがあり、電磁界の範囲内の電磁界の影響を受けやすい他の装置に影響を与える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、電気エネルギーを用いて流体、特に水を急速に加熱し、他のシステムの欠陥の少なくともいくつかを解消する装置を提供することが望ましい。
【００１４】
さらに、電力消費量を最小限に抑える、電気エネルギーを用いて水を急速に加熱する改良された方法を提供することが望ましい。
【００１５】
さらに、家庭および／または商業に適した、水の比較的急速な加熱を実現する、電気エネルギーを用いて水を加熱する改良されたシステムを提供することが望ましい。
【００１６】
さらに、出力温度の調節を容易にし、一方、溶解した塩の結晶の形成を最小限に抑える、改良された電気流体加熱装置および方法を提供することが望ましい。
【００１７】
さらに、家庭および商業建築物で一般に得られる主電源を用いる改良された流体加熱システムを提供することが望ましい。
【００１８】
さらに、様々な流体スループット容量を持つように製造することのできる改良された加熱装置を提供することが望ましい。
【００１９】
さらに、様々な流体および様々な硬度の水に対処するように構成できる流体加熱装置を提供することが望ましい。
【００２０】
本明細書に含まれる装置、物品などについての議論は、本発明の背景を与えるためのものに過ぎないことが理解されよう。これらの事項のどれかまたはすべてが、本出願の各請求項の優先日よりも前に存在していたために、従来技術の基礎の一部を形成するか、または本発明に関連する分野における常識であったことを認めるものとみなされてはならない。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
発明の概要
本発明の一態様によれば、加熱すべき流体用の１つまたは複数の流路を形成する通路手段と、上流側流体温度検知手段と、流体が間を通過する電極手段と、下流側温度検知手段と、電極に電力を供給すると共に電力を調節する電気制御手段とを備え、制御手段が、電流、印加電圧、上流側温度および下流側温度、ならびに流体の流量を関係付けて、流体への所望の電力入力を求め、所定の時間で所望の下流側温度を達成する処理手段を有する装置が提供される。
【００２２】
好ましくは、通路手段は、間隔を置いて配置された実質的に同軸の円筒形部材間に環状の空間を備えている。通路手段は、流体用の単一の流路を形成することができ、他の実施態様では、複数の互いに平行な流路を形成することができる。
【００２３】
好ましい実施態様では、電極手段は、１つまたは複数の流路に沿って間隔を置いて配置された少なくとも３対の電極を備えている。各対の電極は、各対の電極間に電圧が印加されることによって、流体が通路手段に沿って通過する際に電流が流路を横切って流体中を流れるように、それぞれの流路を横切って間隔を置いて配置されている。
【００２４】
好ましい一実施態様では、電極手段は、通路手段の一区間を形成するかまたは一区間内に配置された円筒形で実質的に同軸の電極を備えている。好ましくは、通路手段は３つの区間を含み、各通路区間は、入口および出口を有し、各区間は、第１の区間の出口が第２の区間の入口を含み、第２の区間の出口が第３の区間の入口を含み、３つの区間のそれぞれに電極が設けられるように、互いに直列に連結されている。
【００２５】
好ましくは、第１および第２の区間の出口は流体温度検知手段を有し、制御手段は、各区間の検知された入口温度および出口温度ならびに所定の所望の温度差に従って各区間の電極への電力を調節する。
【００２６】
好ましい実施態様では、各通路区間は、流体用の環状の流路を形成する、間隔を置いて配置された実質的に同軸の円筒形電極によって形成されている。
【００２７】
他の実施態様では、通路手段は、３つよりも多くの区間を含み、各通路区間は、入口および出口を有し、各区間は直列に連結され、制御手段は、各区間の検知された入口温度および出口温度ならびに所定の所望の温度差に従って各区間の電極対への電力を調節する。
【００２８】
本発明の好ましい実施態様では、流体に伝達される電力の調節は、マイクロコンピュータによって制御される管理システムによって行われる。マイクロコンピュータによって制御される管理システムは好ましくは、システム自体内の流体の温度の変化による流体自体の比導電率の変化と、流入する流体の導電率の分散とを検出し、それに対処することができる。すなわち、本発明の好ましい実施態様では、管理システムは、導電率、または加熱システムの各素子の入力と出力との間の比導電率勾配を監視し、それに応答する。家庭用給湯に用いられる本発明の実施態様による瞬間流体加熱システムでは、水温の変化や溶解した化学物質および塩の濃度の変化などの因子によって、流入する水の導電率が変動する可能性もあり、当然のことながらこのような変化を管理すべきである。しかし、本発明の好ましい実施態様はまた、流体がシステム自体内で加熱されるときに流体の導電率の変化を管理してそれに応答し、すなわち、比導電率勾配を効果的に管理する。
【００２９】
本発明の他の態様によれば、流体を加熱する方法であって、
流体を流路に沿って流すステップと、
流路内に少なくとも１組の電極を設けるステップと、
１組の電極間に可変電極を印加し、それによって流体に電流を通過させるステップと、
流路の入口温度および出口温度を監視するステップと、
可変電圧が印加されたことに応答して流体を通過する電流を監視するステップと、
流体に伝達される電力の量が所定の時間内の流体の所定の温度上昇に対応するように、所与の流体流に関する入口流体温度および出口流体温度ならびに電流を参照することによって求められる流体の比導電率に応じて可変電圧を調節するステップとを含む方法が提供される。
【００３０】
本発明の方法の好ましい実施態様では、追加のステップ、すなわち：
流体の温度を所望の量だけ上昇させる際に比導電率の変化に対処するように可変電圧を変化させることにより、可変温度および溶解した化学物質ならびに塩の可変濃度によって生じると共に流体を加熱することによって生じる流体の導電率の変化を補償するステップを実行することができる。
【００３１】
このようなステップは、その電極セグメントにおいて必要な一定の流体温度上昇を維持するように電極セットに印加される電力を調節することによって行うことができる。次いで、各電極対に関連する流路のセグメント内の流体によって引かれる電流に影響を与える、このセグメント内の流体の比導電率の変化を補償するように可変電圧を調整することができる。別々の電極セグメントを通過する流体の比導電率の変化をこのように別々に管理することができる。したがって、システムは、システム全体にわたる結果として得られる比導電率勾配を効果的に調節し管理することができる。
【００３２】
同様に、本発明のシステムは好ましくは、流体を加熱することによって生じる流体の比導電率の変化を管理する手段をさらに備えている。このような手段は、出力流体温度を測定して入力流体温度と比較し、流体の所望の温度上昇が実現されたかどうかを判定する温度センサを備えてよい。
【００３３】
好ましい実施態様では、流体が電極セグメント間を通過する前に流体の温度を表す信号を供給する温度センサが、電極セグメントの上流側に配置されている。温度センサが電極セグメントの上流側に配置されている場合、入口流体と出口流体の所望の温度との温度差を求めることができる。出口流体の所望の温度は、調整可能な制御手段を介してユーザによって調整することができる。
【００３４】
任意の１組の電極間を通過する流体の体積は、内部で流体が電極にさらされる通路の寸法を測定し、流体流に関連して考慮することによって正確に求めることができる。
【００３５】
同様に、通路を通る流体の流量を測定することによって、所与の体積の流体が電極から電力を受ける時間を求めることができる。流体の温度上昇は、流体に印加される電力の量に比例する。流体の温度を既知の量だけ上昇させるのに必要な電力の量は、加熱中の流体の質量（体積）および通路を通る流体の流量に比例する。流体を通って流れる電流の測定値は、導電率またはその流体の比導電率の尺度として用いることができ、したがって、印加電力を一定に維持するのに必要な印加電圧の必要な変化を求めるのを可能にする。導電率、したがって加熱中の流体の比導電率は、温度の上昇と共に変化し、したがって、流体流の経路に沿った比導電率勾配を生じさせる。
【００３６】
流体の本体の温度を上昇させるのに必要なエネルギーは、２つの関係を組み合わせることによって求めることができる。
【００３７】
関係 [1]
エネルギー＝比熱ｘ密度ｘ温度変化
または
流体の本体の温度を上昇させるのに必要な単位時間当たりエネルギーは、以下の関係によって求めることができる。
【００３８】
電力[P]kWh＝比熱 [SHC]x 質量／体積 [V]x 温度変化
[Dt]時間[T]
分析のために、水の比熱を00Cから1000Cの間の定数とみなすことができ、水の比熱は1に等しい。したがって、単位質量の水の温度を1秒で10C変化させるのに必要なエネルギーの量は、定数とみなされ、「k」と示すことができる。体積／時間は、流量（Fr）の等量である。したがって：
流体の本体の温度を上昇させるのに必要な単位時間当たりエネルギーは、以下の関係によって求めることができる。
【００３９】
電力[P]kWh＝k x 流量[Fr]x温度変化 [Dt]時間[T]
したがって、必要な温度変化が既知である場合、流量を求めることができ、必要な電力を算出することができる。
【００４０】
本発明の好ましい実施態様では、電極の入力温度および出力温度が測定される。温度を測定することによって、マイクロコンピュータによって制御される管理システムの計算手段は、流体の温度を所望の量だけ高くするように流体の比導電率の変化の必要な管理を行うのに必要な量の電力を流体に供給するために電極セグメント内の電極に印加する必要のある電圧を求めることができる。
【００４１】
通常、ユーザが湯を必要とするとき、湯の蛇口が操作され、したがって、水が流れる。この水の流れは流量計によって検出することができ、この流れによって加熱シーケンスを開始することができる。流入する水の温度を測定し、システムから放出される水の事前に設定された所望の温度と比較することができる。この2つの値から、入口から出口までの水の温度の必要な変化を求めることができる。
【００４２】
もちろん、電極セグメントの給水の温度を経時的に繰返し測定することができ、測定された給水温度の値が変化するにつれて、電極セグメントの入口から出口までの必要な温度変化の計算値をそれに応じて調整することができる。同様に、温度、鉱物含有量などの変化に応じて、経時的に導電率が変化し、したがって、流体の比導電率が変化する可能性がある。したがって、流体を通過する電流が変化し、結果として水に印加される電力が変化する。電極セグメントの温度出力を経時的に繰返し測定し、これらの出力を必要な出力温度値と比較することによって、繰返し計算を行い、電極セグメントに印加される電圧を補正することができる。
【００４３】
好ましい一実施形態では、マイクロコンピュータによって制御される管理システムによって形成される計算手段を用いて、電極セグメントの入口と出口との間の所望の温度変化をもたらす電力の値を求め、水の比導電率に対する変化の効果を測定し、それによって所与の流量に対して印加する必要のある電圧を算出することによって、電極間を通過する流体に印加すべき電力が求められる。
【００４４】
関係 [2]
本発明の好ましい実施形態では、各電極セグメント内の電極間、したがって、流体内を流れる電流が測定される。電極セグメントの入力温度および出力温度も測定される。電流および温度を測定することにより、マイクロコンピュータによって制御される管理システムの計算手段は、流体の温度を所望の量だけ上昇させるために電極セグメント内の流体に印加する必要のある電流を求めることができる。
【００４５】
流体を通過する電流は変化する。流体を通過する電流は好ましくは、繰返し計算を行うことができるように経時的に繰返し測定され、それによって、電極セグメントに印加される電力を実質的に一定にしておくことができる。
【００４６】
一実施形態では、マイクロコンピュータによって制御される管理システムによって形成される計算手段は、電極間を通過する流体に印加すべき電力を求め、それによって、印加される電力を実質的に一定するために印加する必要のある電圧を算出する。
【００４７】
関係[2]は、印加すべき電力をできるだけ正確にほぼ瞬間的に計算するのを容易にする。これによって、他の場合には、最初に、水を必要な温度で供給するのが容易になるようにシステムを通過する必要のある、不要な水の使用が不要になる。これによって、水を節約するのが可能になる。
【００４８】
好ましい実施形態では、計算手段は、電極間を通過する流体に供給すべき電力を求め、次に、各電極セグメントに必要な電力を算出でき、かつ各電極セグメント[n]によって引かれる電流を測定できる場合に、以下のようにこの電極セグメント[ES]に印加すべき電圧を算出することができる。
【００４９】
電圧ESn[Vappn]=電力ESn[Preqn]/電流ESn[ISn]
Vappn=Preqn/Isn
初期加熱シーケンスの一部として、電極間を通過する流体の初期比導電率を求めるために印加電圧を比較的小さな値に設定することができる。電極に電圧を印加すると、電流が、電極間を通過する流体を通じて引かれ、したがって、流体の比導電率を求めることができる。これは、流体の比導電率は流体を通じて引かれる電流に正比例するからである。したがって、電極セグメント内の電極間を流れる流体に供給すべき電力を求めた後、電極セグメント内の電極間を流れる流体の温度を必要な量だけ上昇させるためにこれらの電極に印加すべき必要な電圧を求めることが可能である。流体によって引かれる瞬間電流は好ましくは、加熱経路の長さに沿った変化に関して連続的に監視される。加熱経路に沿った任意の位置で引かれる瞬間電流のあらゆる変化は、導電率または流体の比導電率の変化を示す。電極セグメント内の電極間を通過する流体に見られる比導電率の可変値は実際上、加熱経路に沿った比導電率勾配を形成する。
【００５０】
好ましくは、様々なパラメータが連続的に監視され、計算が連続的に実行され、流体に供給すべき電力と、流体の温度を所与の期間中に、事前に設定された所望の温度に上昇させるために印加すべき電圧とが求められる。
【００５１】
次に、本発明の実施形態を添付の図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
図面を参照すると、図1は、水が管またはチューブ12を通って流される一実施形態の加熱システムの概略ブロック図である。チューブ12は好ましくは、合成プラスチック材料のような非導電性の材料で作られる。しかし、チューブ12は、導電性を有する銅配管などの金属製配水管に連結される可能性が高い。したがって、チューブ12の各端部に各ストラップ14が含められ、チューブ12に連結された任意の金属配管を電気的に接地している。接地ストラップ14は理想的には、実施形態の加熱システムが設置された電気的な設備のアースに接続されている。アース・ストラップは、チューブ12を通過する水を通じて電極かえら電流を引くことができるので、漏電回路遮断器（RCD）を作動させることができる。この実施形態の特に好ましい形態では、システムは漏電回路遮断器保護装置を含んでいる。
【００５３】
チューブは、流体流路を形成し、3組の電極16、17、18を備えている。電極材料は、任意の適切な金属、または導電プラスチック材料、炭素を含浸させた材料などの非金属材料であってよい。電極には、化学反応および／または電気分解を最小限に抑える材料が選択される。
【００５４】
各電極対16a、17b、および18bの一方は、別々の電圧源電力制御装置21a、22a、および23aを介して共通の切換え戻り経路19に接続されており、一方、各電極対16a、17a、および18aの他方は、入力3相電圧源21、22、および23に接続されている。別々の電圧源電力制御装置21a、22a、および23aは、電力管理制御に従って共通の戻り経路を切り換える。各電極に供給される総電流は、電流測定装置26によって測定され、一方、個々の各電極対16、17、および18に供給される電流はそれぞれ、電流測定装置27、28、および29によって測定される。総電流を表す信号は、線31に沿ってプラグJ6および信号入力インタフェース33を介して電源コントローラ41に入力信号として供給される。電源コントローラ41はまた、チューブ12内に配置された流量測定装置34と、ユーザが所望の出力流体温度を設定することができる温度設定装置37から直接信号を受信し、チューブ12への入力流体の温度を測定する入力温度測定装置35と、チューブ12から出る流体の温度を測定する出力温度測定装置36と、電極16と電極17との間の流体温度を測定する第1の中間温度測定装置38と、1組の電極17と電極18との間の流体の温度を測定する第2の中間温度測定装置39からプラグJ6および信号入力インタフェースを介して追加の信号を受信する。
【００５５】
電力コントローラ41は、様々な監視された入力を受信し、チューブ12を通って流れる流体に供給すべき算出された電力を供給する所望の電極対電圧に関する必要な計算を実行する。電力コントローラ41は、各電極対16、17、および18に接続された3つの別々の相からのパルス電圧源を制御する。各パルス電圧源は、電力コントローラ41から各電圧源電力制御装置21a、22a、および23aへの別々の制御信号によって別々に調節される。
【００５６】
したがって、電力コントローラ41内のソフトウェア・プログラムの制御下の計算手段は、電力コントローラ41が代表的な入力信号を受信する様々なパラメータに基づいて、加熱された水が、設定温度装置37によって設定された所望の温度でチューブから放出されるように、チューブ12を通って流れる水に制御された温度変化を加えるように、実質的に一定の電力を供給するためにそれぞれの電圧源制御装置21a、22a、および23aによって必要とされる制御信号を算出することが理解されよう。
【００５７】
ユーザが設定温度装置37を用いて所望の出力水温を設定すると、設定値は、電力コントローラ41によって取り込まれ、変更または再設定されるまでシステム・メモリに記憶される。好ましくは、メモリに所定のデフォルト値が保持され、設定温度装置37は温度設定値を視覚的に示すことができる。電力コントローラ37は、水を加熱することができなくなる最高温度値を表す、設定温度装置37の事前に設定された最大値を有してよい。したがって、設定温度装置37の値は最大設定値を超えることはできない。システムは、何らかの理由で、出力温度装置36によって検知された温度が設定最高温度よりも高くなった場合、システムがただちにシャットダウンされ停止されるように構成することができる。
【００５８】
システムは、流量測定装置34によってプラグJ7を介して水流が検出されたときに作動する。これによって加熱シーケンスが開始する。流入する水の温度は入力温度装置35によって測定され、この値は入力インタフェース33によって取り込まれ、システム・メモリに記録される。設定温度装置37が設定された温度値またはデフォルト温度値を有するため、水温の必要な変化は、設定温度と測定された入力温度との差として容易に求められる。もちろん、給水の温度は連続的に周期的に測定され、値が変化した場合、算出される温度差も変化する。
【００５９】
計算手段はさらに、チューブ12内を通って流れる水の温度を測定された入力温度から設定温度に上昇させるために水に印加する必要のある電力を求めることができる。計算手段は、流れる水に印加する必要のある電力を算出した後、電極対16、17、および18間に印加する必要のある電圧を算出し、それによって必要な電流を水を通して流すことができる。
【００６０】
初期加熱シーケンスの一部として、印加電圧は、水導電率または比熱を算出するために所定の小さな値に設定される。この電圧を水に印加すると、電流が引かれ、電流測定装置26は、引かれた電流を測定し、入力インタフェース33に信号を与える。総電流の値も周期的に測定される。
【００６１】
次いで、制御システムは一連の検査を実行し、
[a]出口の所の水温が最高許容温度を超えておらず、
[b]漏電が所定の設定値を超えておらず、
[c]システム電流がシステムの事前に設定された限界を超えていないことを確認する。
【００６２】
これらの検査は、ユニットが動作している間絶えず実行され、いずれかの検査によって制御限界を超えていることが判明した場合、システムは直ちに停止される。
【００６３】
初期システム検査の結果が肯定的である場合、チューブ12内を通って流れる水の温度を所望の量だけ変化させるために水に印加しなければならない必要な電圧を求める計算が実行される。次いで、算出された電圧が電極対16、17、および18に印加され、水がチューブ12を通って流れるときに水温を高速に上昇させる。
【００６４】
チューブ12を通って流れる水の温度がチューブの入口端部から上昇していくと、導電率が温度の上昇に応じて変化する。第1および第2の中間温度検知装置ならびに出力温度検知装置36は、チューブ12の、電極16、17、および18を含む3つのセグメント内の増分温度上昇を測定する。次いで、それぞれの電極対16、17、および18の両端間に印加される電圧を、チューブ12の長さに沿って均等な温度上昇が起こるようにし、かつ各電極組によって入力される実質的に一定の電力を維持し、かつ入力温度測定と出力温度測定との間の水の加熱の効率および安定性を最大にするように、水導電率の変化を考慮して変化させることができる。流れる水に供給される電力は、電力制御装置21a、22a、および23aに供給される制御パルスの数を増減させることによって変化させられる。
【００６５】
システムは、システム電流測定装置26および個々の電流測定装置27、28、および29、ならびに温度測定装置35、36、38、および39を連続的にポーリングすることによって、水の導電率の変化を連続的に監視することが理解されよう。チューブ12の長さに沿って検出される水温の値の変化または検出される電流の変化によって、計算手段は、電極対の両端間に印加すべき変更された平均電圧値を算出する。システム電流、個々の電極の電流、電極セグメントの水温の一定の閉ループ監視によって、個々の電極セグメントに印加すべき電圧が再計算され、システムは加熱システムを通って流れる水に比較的一定した安定な電力を供給することができる。
【００６６】
図2は、水が、管54および55を連結することによって連結された3つのセル51、52、および53を通って流れる、本発明の第2の実施形態を示している。水入口管56は、セル51、52、および53に水を供給するのを可能にし、水出口管57は水をシステムから搬送する。
【００６７】
システムは、システムの一方の側に取り付けられた被制御ユニット58によって制御され、制御ユニット58は、59の主電源に接続されている。この実施形態のシステムでは、個々の各セル51、52、および53は、システムを通って流れる水が間を通過する1組の電極を収納している。したがって、各セルは、セルの相対的な位置によって決定される入口温度で水を受け入れる。
【００６８】
この実施形態の制御システムは、上述した実施形態と同様に動作する。各セルを通って流れる水の入口温度および出口温度が連続的に測定され、各セルの電極間に印加される電圧は、入口管56から出口管57まで流れる水の温度を均等に上昇させるように各セルに実質的に一定の電力が供給されるように調節される。
【００６９】
図3を参照すると、図2の個々のセルはそれぞれ、環状の流体流路63を形成するように半径方向に間隔を置いて配置された一対の同軸電極61および62を備えてよい。外側電極61は、ステンレススチールなどの電極材料のチューブで形成されており、流体入口64は流体が電極61と電極62との間の環状の流路63に流入するのを可能にする。
【００７０】
内側電極62は、外側電極61内に同軸に取り付けられた、ステンレス・スチールなどの電極材料のチューブを備えてもよい。同軸取付け部材は、内側電極62の一方の端部に固定されたプラグ66と、内側電極62の端部上で出口電極61の端部内に係合されたスペーサ67と、ボルト69によってプラグ66に固定されたエンド・キャップ68とを備えてよい。スペーサ67は、内側電極61と外側電極62との間の環状の空間内に締りばめされ、それによってこの空間を密封し、流体を漏れなしに流路に閉じ込める。
【００７１】
このように形成されたセルは、電流が、各電極の表面間を流れ、かつ環状の流路63を通って流れる流体中を流れることができるように、内側電極61と外側電極62との間に電圧を印加することができる。内側電極62と電源との接続は、エンド・プラグ66およびエンド・キャップ68を通して行うことができる。
【００７２】
外側電極61は、水加熱システム用の安全な電気環境を実現するように絶縁材料に密閉することができる。このような絶縁材料は、外側電極61の外側表面にぴったりと係合する合成プラスチック・チューブなどを構成してよい。
【００７３】
本発明の実施時に任意の数の組の電極を使用できることが理解されよう。したがって、前述の実施形態は3つの電極対を示しているが、電極の数は流体加熱の個々の要件に従って増減させることができる。電極の数をたとえば6対に増やす場合、個々の各対を、本明細書の実施形態に関して説明したのと同様に電極電圧に対して個別に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の一実施形態による急速加熱システムの概略ブロック図である。
【図２】図1に用いられている記号のうちのいくつかの凡例の図である。
【図３】本発明の実施形態による電極アセンブリの一形態の図である。

Claims (28)

1. 流体を加熱する装置であって、加熱すべき流体用の１つまたは複数の流路を形成する通路手段と、上流側流体温度検知手段と、流体が間を通過する電極手段と、下流側温度検知手段と、電極に電力を供給すると共に電力を調節する電気制御手段とを備え、前記制御手段は、電流、印加電圧、上流側温度および下流側温度、ならびに流体の流量を関係付けて、流体への所望の電力入力を求め、所望の下流側温度を達成する処理手段を有する装置。
2. 前記通路手段は、間隔を置いて配置された実質的に同軸の円筒形部材間に環状の空間を備える、請求項1に記載の装置。
3. 前記通路手段は、前記流体用の単一の流路を形成する、請求項1に記載の装置。
4. 前記電極手段は、１つまたは複数の流路に沿って間隔を置いて配置された少なくとも３対の電極を備え、各対の電極は、それぞれの流路を横切って間隔を置いて配置されている、請求項1に記載の装置。
5. 電極手段は、通路手段の区間を形成するかまたは区間内に配置された円筒形で実質的に同軸の電極を備える、請求項1に記載の装置。
6. 前記通路手段は３つの区間を含み、各通路区間は、入口および出口を有し、各区間は、第１の区間の出口が第２の区間の入口と連通し、第２の区間の出口が第３の区間の入口と連通し、各区間に電極が設けられるように、互いに直列に連結されている、請求項1に記載の装置。
7. 第１および第２の区間の出口は流体温度検知手段を有し、前記制御手段は、各区間の検知された入口温度および出口温度ならびに所定の所望の温度差に従って各区間の電極への電力を調節する、請求項6に記載の装置。
8. 各通路区間は、流体用の環状の流路を形成する、間隔を置いて配置された実質的に同軸の円筒形電極によって形成されている、請求項6に記載の装置。
9. 前記通路手段は、３つよりも多くの区間を含み、各通路区間は、入口および出口を有し、各区間は直列に連結され、制御手段は、各区間の検知された入口温度および出口温度ならびに所定の所望の温度差に従って各区間の電極対への電力を調節する、請求項1に記載の装置。
10. 所定の所望の温度差は、それぞれの電極間の印加電圧および引かれる電流、各区間の入口温度および出口温度、流体の流量、ならびに上流側および下流側の検知温度に対して求められる、請求項7または請求項9に記載の装置。
11. 制御手段は、主電源電圧周波数の倍数であるパルス周波数で電極対に可変電圧を供給し、供給される電力は、パルスの数を変化させることによって調節される、請求項1に記載の装置。
12. 流体を加熱する方法であって、
    流体を流路に沿って流すステップと、
    流路内に少なくとも１組の電極を設けるステップと、
    １組の電極間に可変電極を印加し、それによって流体に電流を通過させるステップと、
    流路の入口温度および出口温度を監視するステップと、
    可変電圧が印加されたことに応答して流体を通過する電流を監視するステップと、
    流体に伝達される電力の量が流体の所定の温度上昇に対応するように、所与の流体流に関する入口流体温度および出口流体温度ならびに電流を参照することによって求められる流体の比導電率に応じて可変電圧を調節するステップとを含む方法。
13. マイクロコンピュータによって制御される管理システムによって流体に伝達される電力を調節するステップを含む、請求項12に記載の、流体を加熱する方法。
14. 流体が、測定された流量、流体入口温度、および所望の温度上昇率に関連してシステム内で加熱される際に、流体の導電率の変化を管理しそれに応答するステップを含む、請求項13に記載の、流体を加熱する方法。
15. 流体の温度を所望の量だけ上昇させる際に比導電率の変化に対処するように可変電圧を変化させることにより、可変温度および溶解した化学物質ならびに塩の可変濃度によって生じると共に流体を加熱することによって生じる流体の導電率の変化を補償するステップ含む、請求項12に記載の、流体を加熱する方法。
16. 流体流中に少なくとも3組の電極を設けるステップと、電極対の上流側および下流側の位置における流体の監視された温度に従って各対の電極間に電圧を印加するステップとを含む、請求項12から15のいずれか１項に記載の、流体を加熱する方法。
17. 流路内の各電極対のいずれかの側で流体の温度を監視するステップと、それぞれの電極対に隣接する流体流のこのセグメント内の必要な一定の流体温度上昇を維持するために各組の電極の電極対に印加すべき電力を別個に調節するステップとを含む、請求項16に記載の、流体を加熱する方法。
18. 各セグメント内の温度が上昇することによる変化を補償するように別々の電極対間を通過する流体の比導電率を別個に管理するステップを含む、請求項17に記載の、流体を加熱する方法。
19. 加熱すべき流体用の１つまたは複数の流路を備え、流体入口と、入口流体温度検知手段と、流路中のまたは流路を形成する少なくとも3対の電極と、出口温度検知手段と、電極に電力を供給すると共に電力を調節する電気制御手段とを備え、前記制御手段は、電流、印加電圧、入口流体温度および出口流体温度、ならびに流体の流量を関係付けて、流体への所望の電力入力を求め、所定の時間中に所望の下流側温度を達成する処理手段を有する流体加熱システム。
20. 前記流路は、間隔を置いて配置された実質的に同軸の円筒形部材間に環状の空間を備える、請求項19に記載の流体加熱システム。
21. 前記円筒形部材は各電極を構成する、請求項20に記載の流体加熱システム。
22. 前記電極手段は、１つまたは複数の流路に沿って間隔を置いて配置された少なくとも３対の電極を備え、各対の電極は、それぞれの流路を横切って間隔を置いて配置されている、請求項19に記載の流体加熱システム。
23. 前記流路は３つの区間を含み、各区間は、入口および出口を有し、各区間は、第１の区間の出口が第２の区間の入口と連通し、第２の区間の出口が第３の区間の入口と連通し、各区間に電極が設けられるように、互いに直列に連結されている、請求項19に記載の流体加熱システム。
24. 流体温度検知手段は、各組の電極に隣接して配置されており、前記制御手段は、各区間の検知された入口温度および出口温度ならびに所定の所望の温度差に従って各区間の電極への電力を調節する、請求項19に記載の流体加熱システム。
25. 制御手段は、主電源電圧周波数の倍数であるパルス周波数で電極対に電圧を供給し、供給される電力は、パルスの数を変化させることによって調節される、請求項19に記載の流体加熱システム。
26. 本明細書において添付の図面を参照して実質的に説明する流体加熱システム。
27. 本明細書において添付の図面を参照して実質的に説明する流体加熱装置。
28. 本明細書において添付の図面を参照して実質的に説明する流体加熱方法。

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