水加热装置

1.一种水加热装置，其特征在于，包括：
水箱；
设置在所述水箱内的形成迂回水通道的多个加热元件，所述多个加热元件相互之间电连接，每个所述加热元件包括：
由陶瓷玻璃制成、形成一平面板的加热主体；
设置在所述加热主体上的至少一组多层纳米厚度的导电涂层；及
耦合到多层导电涂层的陶瓷熔块电极；其中，所述多层导电涂层具有在高温条件下稳定所述加热元件性能的结构和成分;
所述多个加热元件包括横向加热元件和纵向加热元件，所述横向加热元件和纵向加热元件纵横交错排列形成迂回的水通道。
2.一种水加热装置，其特征在于，包括：
水箱；
设置在所述水箱内的形成迂回水通道的多个加热元件，所述多个加热元件相互之间电连接，每个所述加热元件包括：
形成一平面板的加热主体；
设置在所述加热主体上的至少一组多层纳米厚度的导电涂层；及
耦合到多层导电涂层的电极；其中，所述多层导电涂层具有在高温条件下稳定所述加热元件性能的结构和成分；所述多个加热元件包括横向加热元件和纵向加热元件，所述横向加热元件和纵向加热元件纵横交错排列形成迂回的水通道。
3.根据权利要求2所述的水加热装置，其特征在于，所述多个加热元件相互之间串联电连接。
4.根据权利要求2所述的水加热装置，其特征在于，所述多个加热元件相互之间并联电连接。
5.根据权利要求2所述的水加热装置，其特征在于，所述加热元件包括多个相互之间串联电连接的导电涂层。
6.根据权利要求2所述的水加热装置，其特征在于，所述加热元件包括多个相互之间并联电连接的导电涂层。
7.一种水加热装置，其特征在于，包括：
水箱；
设置在所述水箱内的至少一个加热元件，所述加热元件包括：
加热主体；
设置在所述加热主体上的至少一组多层纳米厚度的导电涂层；其中，所述多层导电涂层具有在高温条件下稳定所述加热元件性能的结构和成分;所述多个加热元件包括横向加热元件和纵向加热元件，所述横向加热元件和纵向加热元件纵横交错排列形成迂回的水通道；所述加热元件的加热主体是一平面板。
8.根据权利要求7所述的水加热装置，其特征在于，包括串联电连接的多个加热元件。
9.根据权利要求7所述的水加热装置，其特征在于，包括并联电连接的多个加热元件。
10.根据权利要求7所述的水加热装置，其特征在于，所述加热元件的加热主体由陶瓷玻璃制成。
11.根据权利要求7所述的水加热装置，其特征在于，所述电极包括陶瓷熔块。
12.根据权利要求7所述的水加热装置，其特征在于，所述加热元件包括串联电连接的多个导电涂层。
13.根据权利要求7所述的水加热装置，其特征在于，所述加热元件包括并联电连接的多个导电涂层。
14.根据权利要求7所述的水加热装置，其特征在于，在多层导电涂层上覆盖有绝缘材料。
15.根据权利要求7所述的水加热装置，其特征在于，进一步包括功率监视和控制系统，该系统包括模数转换器和脉宽调制驱动。
16.根据权利要求7所述的水加热装置，其特征在于，所述加热元件可拆卸地设置在所述水箱中。

水加热装置\n相关专利申请\n[0001] 本申请要求于2008年6月24日提交的美国临时专利申请61/075,008的优先权，其全部内容通过引用包含于此。\n技术领域\n[0002] 本发明涉及加热装置，更具体地说，涉及一种水加热装置。\n背景技术\n[0003] U.S.专利申请号为12/026,724的专利申请公开了一种集成的涂层系统，其相关内容在本发明申请的水加热装置中全文引用。该集成的涂层系统具有可靠的高温加热元件，以执行可靠的和连续的加热功能，其加热温度可达600℃。该涂层系统设置在平坦的陶瓷玻璃衬底上，其包括多层纳米厚度的导电涂层，其性质基于化学掺杂元素和处理条件。该涂层系统进一步包括特制的陶瓷玻璃平行电极，其跨越整个涂层，以确保电极与涂层和衬底之间最优的匹配，从而降低加热元件的电阻并提高其导电性能。该涂层的制造可使用喷雾热裂解法并将温度控制在大约650℃～750℃之间，同时控制喷雾运动以形成多层大约\n50nm～70nm之间的薄膜，以提高高温时的稳定性。\n[0004] 导电涂层材料用于将电能转换成热能。其热生成原理不同于传统的加热线圈，其热输出来自金属线圈电阻，由此具有较低的加热效率和高能耗。与此相比，通过调节多层涂层的成分和厚度，可控制涂层系统的电阻和增强其导电性，从而产生高效的加热和最低的能耗。该集成的涂层系统具有可靠的高温加热元件，以执行可靠的和连续的加热功能，其加热温度可达600℃。使用模数转换器(ADC)和脉宽调节(PWM)驱动的智能功率监视和控制系统与该加热薄膜相集成，从而依据所需的水温和流速，为加热元件提供流畅的供电，优化其加热性能和节能效率。\n[0005] 以上的背景描述以用于帮助理解本发明水加热装置，但并不作为本发明申请所公开的水加热装置的相关现有技术，或将其考虑为评价本发明申请权利要求专利性的引用材料。\n发明内容\n[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种水加热装置，其包括水箱和设置在所述水箱内的至少一个加热元件，所述加热元件包括加热主体、设置在所述加热主体上的至少一组多层纳米厚度的导电涂层；及耦合到多层导电涂层的电极；其中，所述多层导电涂层具有在高温条件下稳定所述加热元件性能的结构和成分。\n[0007] 所述水加热装置包括一个加热元件，以在所述水箱内形成n形结构的水通道。\n[0008] 所述水加热装置包括相互平行排列的多个加热元件，以在所述水箱内形成迂回的水通道。\n[0009] 所述水加热装置包括纵横交错排列的多个加热元件，以在所述水箱内形成迂回的水通道。\n[0010] 所述水加热装置包括串联电连接的多个加热元件。\n[0011] 所述水加热装置包括并联电连接的多个加热元件。\n[0012] 所述加热元件的加热主体是一平面板。\n[0013] 所述加热元件的加热主体由陶瓷玻璃制成。\n[0014] 所述电极可以是陶瓷熔块。\n[0015] 所述加热元件包括串联电连接的多个导电涂层。\n[0016] 所述加热元件包括并联电连接的多个导电涂层。\n[0017] 在多层导电涂层上覆盖有绝缘材料。\n[0018] 所述水加热装置包括功率监视和控制系统，其具有模数转换器和脉宽调制驱动。\n[0019] 所述加热元件可拆卸地设置在所述水箱中。\n附图说明\n[0020] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：\n[0021] 图1是依据本发明一实施例的水加热装置的立体结构示意图；\n[0022] 图2是依据本发明一实施例的具有多个加热元件的水加热装置的透视图；\n[0023] 图3是具有导电涂层的一加热元件的立体结构示意图；\n[0024] 图4是图3所示的加热元件的主视图；\n[0025] 图5是具有单一的加热元件的水加热装置的横截面图；\n[0026] 图6是具有四个平行的加热元件的水加热装置的横截面图；\n[0027] 图7是具有多个纵横交错的加热元件的水加热装置的横截面图；\n[0028] 图8是高容量的水加热装置的第一实施例的透视图；\n[0029] 图9是高容量的水加热装置的第二实施例的透视图；\n[0030] 图10a是具有并联连接的五个导电涂层的加热元件的示意图；\n[0031] 图10b是具有串联连接的五个导电涂层的加热元件的示意图；\n[0032] 图11是关于具有三个加热元件，每个加热元件其输出功率大约为3kW而总输出功率大约为9kW的水温增加示意图；\n[0033] 图12是关于具有两个加热元件，每个加热元件其输出功率大约为3kW而总输出功率大约为6kW的水温增加示意图；\n[0034] 图13是由九个加热元件构成的三相交流电源水加热系统的电路框图；\n[0035] 图14是连接到供电电源的监视器的电路原理图；\n[0036] 图15是功率监视和控制系统的ADC和PWM驱动的电路原理图。\n具体实施方式\n[0037] 现在对本专利申请中公开的水加热装置的较佳实施例作详细说明，其例子也会提供在下述说明中。本专利申请中公开的水加热装置的代表性实施例将被详细描述，但对于本领域的普通技术人员显而易见的是，为简洁之目的，对水加热装置的理解并非特别重要的某些特征可能没有示出。\n[0038] 而且，应当理解，本专利申请中公开的水加热装置并不限于以下描述的具体实施例，在不偏离未决的权利要求的精神或范围的前提下，本领域的普通技术人员可做多种变化和改变。例如，在该公开文本和未决权利要求的范围内，不同说明性实施例的要素和/或特征可相互组合和/或替换。\n[0039] 此外，在阅读该公开文件、附图和所附的权利要求之后，对于本技术领域的人员来说显而易见的改进和修改都位于所附的权利要求的精神和范围内。\n[0040] 应该注意的是，对于说明书和权利要求书中，当描述一元件“耦合”或“连接”到另一元件时，其并非必要的意味一元件固定、绑定或以别的方式连接到另一元件。相反，词语“耦合”或“连接”是指一元件直接或间接地连接到另一元件，或以机械或电气连接到另一元件。\n[0041] 图1是依据本发明一实施例的水加热装置10的立体结构示意图。图2是依据本发明一实施例的具有多个加热元件的水加热装置的透视图。如图1和2所示，水加热装置\n10包括至少一个加热元件12和电源和温度监视和控制系统14，该加热元件包括由陶瓷玻璃或别的合适的材料制成的一加热主体，该电源和温度监视和控制系统用于控制和优化该装置的水温和加热性能。可将使用红外线或别的方式的遥控添加或集成到该水加热装置10的监控和控制系统14中，以执行其设计功能。根据图示的实施例，该加热元件12的加热主体可设计为平板结构，以最大化加热区域，从而对该水加热装置10中的水进行有效的加热和达到细薄和紧密的设计。\n[0042] 本应用中加热元件12的加热主体可包括一平面，以最大化加热面积，从而对该水加热装置10中的水进行有效的加热和达到该装置的细薄和紧密的设计。例如，大小为\n2 2\n10×10cm 及厚度为4mm的陶瓷玻璃加热主体可提供的加热表面达200cm，在该陶瓷玻璃的两侧直接与水接触并加热。相比，为了提供同样的加热表面，管加热元件将需要6.4cm的直径，这将限制该水加热装置可实现的细薄设计。\n[0043] 取代使用传统的金属加热元件，该加热元件12的加热主体由陶瓷玻璃制成，其表面设置有多层纳米厚度的加热薄膜。该陶瓷玻璃是刚性的并具有高的温度阻抗。该陶瓷玻璃可执行可靠和连续的加热功能，其温度可达600℃，本申请中的加热元件可在一分钟内达到300℃，由此，当水流过该陶瓷玻璃表面时，可提供非常快速的立即加热。该陶瓷玻璃是非腐蚀性的，并可通过使用温性酸溶液冲洗该加热系统，容易地清洗该陶瓷玻璃。因此，通过简易的维护，就可长时间使用该加热元件12。\n[0044] 每个加热元件12可在10×10cm2的小区域，产生高达5000W的功率(以220V交\n2\n流)。具有功率密度达50W/cm 性能的一个紧密和纤薄的水加热装置10可构建高功率容量，这是别的现有加热元件所不能实现的。\n[0045] 图3是具有由陶瓷玻璃制成的加热主体的加热元件12的立体结构示意图。如图\n3所示，多层纳米厚度的导电涂层16、16’的特性基于化学、掺杂元素和处理条件，其在高温加热时，可保持稳定的结构和性能，且跨越整个涂层的特制的陶瓷玻璃电极18设置在加热元件12的陶瓷玻璃主体上。如图4所示，该涂层区域可由另一陶瓷玻璃20或别的合适的用于保护和绝缘的材料覆盖。该加热元件12被封住并可防水，其可直接与水接触。\n[0046] 如图3所示，每一加热元件12可包括一个或多个导电涂层16、16’。每一导电涂层16、16’包括加热薄膜的涂层区域。如果加热元件12包括多个导电涂层16、16’，这些导电涂层16、16’可具有相同或不同的大小尺寸。这些导电涂层16、16’可具有相同涂层性能(例如结构、成分、厚度等等)或不同涂层性能。这些导电涂层16、16’可相互地并联或串联在一起。基于这些导电涂层16、16’的所有的性能及其相互之间的电连接，可改善这些导电涂层16、16’导电性并将其电阻降到10ohms，从而可在较大的加热区域产生高的功率输出，\n2\n或在较小的区域产生高的功率密度(＞10W/cm)，以在电水壶、家用和工业加热器及别的水加热装置中，执行有效的水加热。\n[0047] 如图5～9示出水加热装置的加热元件的几个实施例。图5示出的水加热装置\n110仅具有一个加热元件112并形成n形水通道。该加热装置110具有进水口120和出水口122。冷水通过进水口120进入加热装置110。加入的冷水沿着箭头方向所指的水通道流动时，由加热元件112对其进行加热。经过加热的水通过出水口122流出加热装置110。\n[0048] 图6示出的水加热装置210具有四个加热元件212并形成迂回的水通道。冷水通过进水口220流入加热装置210。加入的冷水沿着箭头方向所指的水通道流动时，由四个加热元件212对其进行加热。经过加热的水通过出水口222流出加热装置210。\n[0049] 图7示出的水加热装置210具有横向加热元件312和纵向加热元件314并形成迂回的水通道。同样，冷水通过进水口320流入加热装置310。加入的冷水沿着箭头方向所指的水通道流动时，由横向和纵向的加热元件312对其进行加热。经过加热的水通过出水口\n322流出加热装置310。\n[0050] 图8和9是用于工业应用的高容量水加热装置410、510。在这些水加热装置410、\n510中，加热元件412、512可连接到一独立的供电电源。可选择的，加热元件412、512可以并联或串联的方式进行电连接，并连接到单相或三相的供电电源。\n[0051] 如图5～9所示，通过分别增加或降低加热元件112、212、312、412、512的数量，可相应的增加或降低水加热装置110、210、310、410和510的功率输出或能耗。为实现这样的效果，可简单的添加更多的加热元件到水加热装置、或从水加热装置中移除一些加热元件、或断开一些加热元件和供电电源之间的连接。在实际使用中，根据所需的加热输出，该水加热装置可以较大的加热面积配置较少量的加热元件或者以较小的加热面积配置大量的加热元件。\n[0052] 通过分别增加或降低每个的加热元件112、212、312、412、512的功率容量，该加热装置110、210、310、410、510也可相应的增加或降低其功率输出或能耗。可以通过改变导电涂层16、16’的成分、涂层面积、处理条件及连接以增加其导电性，从而提高每个加热元件的功率容量。使用分开的涂层区域和电极连接方法，使用a.c.供电，实现在较小区域的高功率密度的功率输出。从而发展具有高功率密度的加热元件。通过以并联连接的方式，排列导电涂层16、16’，可改善加热元件及其功率输出。例如，加热元件包括五个导电涂层16、16’，每个导电涂层可使用a.c.供电，生成大约1000W的额定功率。可单独或合在一起使用每个导电涂层16、16’，以生成大约5000W的总功率输出。这些密封合板形式的导电涂层16、16’可防水，并可在电水壶和热水加热器中执行高效的水加热，其性能优于传统的热水加热器。\n[0053] 图10a示出在加热元件12中并联连接的五个导电涂层614、616、618、620和622，其可将加热元件612的电阻降到10ohms以下。对于电阻为10ohms，a.c.电压为220V，单一的加热元件可生成4840W的额定功率。如图6所示，对于在一水加热装置中设置4个这样的加热元件，可容易地达到19kW的总功率输出。\n[0054] 导电涂层也可串联连接。如图10b示出在一加热元件712中串联连接的五个导电涂层714、716、718、720、722。对于每个导电涂层的电阻为2ohms，从而在串联连接的5个导电涂层中，可达到10ohms的电阻。对于a.c.电压为220V，单元的加热元件可生成4840W的额定功率。如图6所示，对于在具有4个这样的加热元件的水加热装置，可达到19kW的总功率输出。\n[0055] 由于本申请中的陶瓷玻璃加热元件，可在该装置中实现快速的水加热。如图11和\n12所示，在不同的水流速率和额定功率时，水温的上升。图11示出总功率输出大约为9kW时所产生的结果，其中具有三个加热元件，每个加热元件的功率输出大约为3kW。图12示出总功率输出大约为6kW时所产生的结果，其中具有两个加热元件，每个加热元件的功率输出大约为3kW。可以得到，对于大约9kW的三相功率输出，在水流速率为每分钟6升时，可在20秒内将温度升高20℃。而后可实现44℃的温度水温。水温的升高受到水流速率的影响。对于每分钟10升的较高的水流速率，可在20秒内将温度上升12℃，接着水温将稳定在36℃。对于总功率输出大约为6kW的两个单相加热元件，可观察到一些加热性能的改变。对于每分钟6升的水流速率，可在20秒内将水温上升13℃，接着水温将稳定在40℃。\n对于每分钟10升的水流速率，可在20秒内将水温上升8℃，接着水温将稳定在35℃。对于市场上可购得的大多数品牌的热水加热器，对于6kW的单相功率，在每分钟3升的较低的水流速率时，可实现水温为40℃以适合厨房使用。一般地，淋浴要求最小的水流速率为每分钟\n5升。\n[0056] 使用ADC(模数转换器)和PWM(脉宽调制)驱动的功率监视和控制系统14可与导电涂层集成在一起，从而可根据水流速率和水温，为加热元件提供流畅的供电，并优化加热元件的加热性能和节能效率。\n[0057] 图13示出三相a.c.供电的水加热系统700的系统框图，其具有九个加热元件\n712。依据使用中的水温和水流速率的预设条件，可将温度传感器和流量仪730连接到电源控制734的系统控制器732中。特别地，使用ADC和PWM驱动的功率监视和控制系统14可与纳米厚度的加热薄膜相集成，从而为加热元件提供流畅的供电，并优化其加热性能和节能效率。功率监视和控制系统14可与导电涂层相集成，以优化温度和节能控制。使用用于温度测量的ADC和用于精确控制功率的PWM驱动软件和控制器与加热元件集成到图14和\n15所示的电路中。使用该监视和控制系统14，可发展一种加热伺服系统，从而可与纳米厚度的导电涂层的快速和有效的加热性能相匹配并对其进行优化，以达到快速地加热(1分钟内)、精确的温度目标(+/-2℃)和最大化的节能(节能效率达到95％)。当水温达到预设的目标温度时，ADC和PWM控制系统将立即响应并切断供电，以实现节能的目的，同时限制导电涂层温度的支流。当水温降到预设温度以下时，ADC和PWM将进行响应，同时导通供电以进行加热。因此，该伺服系统可提供连续的监视和控制及快速响应，从而为加热元件提供流畅的供电，同时优化加热性能和节能效率。\n[0058] 本发明是通过几个具体实施例对该水加热装置进行说明的，本领域技术人员应当明白，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。