직접 전기 저항 액체 히터 document_id A220623068555

전기식 무탱크 액체 가열 장치의 목표는 적어도, 요구에 따라 가열된 액체의 공급, 최대 온도 설정점을 초과하지 않도록 가열된 액체의 온도 조절, 최대 전류 설정점 미만에서의 작동, 작동의 안정성, 파워 공급 장치의 최소 외란 및 저렴한 제작비를 포함한다. 종래의 액체 가열 장치들은 이들 목표를 성취하려고 했었으나, 단지 부분적으로 그렇게 할 수 있었다. 대부분 종래의 전기식 무탱크 액체 가열 장치들은 액체를 가열하기 위해 저항 형태의 전기 가열 엘리먼트들을 이용한다. 전기 가열 엘리먼트들의 사용이 잘 알려졌고 널리 실시되고 있지만, 무탱크 액체 가열 장치에서, 이들 엘리멘트는 상당한 단점을 갖는다. 이 중에서 가장 중요한 것들 중 하나는 "건조 발화(dry firing)"의 발생 즉, 가열 엘리먼트가 액체에 완전히 잠기지 않았을 때 또는 가열 엘리먼트의 표면을 따라 과도한 증착물이 형성될 때 가열 엘리먼트가 작동되는 것이며, 그에 따라 안전한 온도 범위를 벗어나서 가열 엘리먼트가 작동되어, 수명 단축, 엘리먼트 고장, 시스템 용융 또는 심지어 화재의 가능성이 있을 수 있다. 부가적인 기능 및 비싼 구성요소들이 이를 처리하기 위해 요구된다. Maus의 미국 특허 제4,900,896호는 그러한 히터의 예를 제공한다. 흐름 감지 스위치(가열 엘리먼트들에 의해 소비되는 전체 전류를 전달해야 함)는 수류 없음의 상태를 감지하여, 가열 챔버 내의 물이 불충분한 곳에서의 가열 요소의 건조 발화를 방지한다. 그러나, 가열 엘리먼트가 비교적 열적으로 비전도성인 증착물로 덮히는 경우, 서모스탯(thermostat)은 가열 요소와 열적으로 분리되어, 전기 가열 엘리먼트의 과열을 방지하기 위해 어떠한 것도 행하지 않는다. 이러한 단점을 갖는 전기 가열 요소들을 이용하는 다른 무탱크 워터 히터 및 이러한 단점을 해결하기 위한 메커니즘은 Seitz에게 허여된 미국 특허 제5,216,743호, Fernandez에게 허여된 미국 특허 제5,325,822호, Bolivar에게 허여된 미국 특허 제5,408,578호, White, Jr. 등에게 허여된 제5,479,558호, Seitz 등에게 허여된 제5,866,880호, Seitz 등에게 허여된 제6,080,971호, Seitz 등에게 허여된 미국 특허 제6,246,831호, 및 Chen-Lung 등에게 허여된 제6,834,160호에 개시되어 있다. 상기 미국 특허 제5,216,743호의 주요한 메카니즘은 온도 센서들이 액체 온도 감지를 확실히 하게 하는 자동 증기 배출구이다. 이러한 메카니즘은 명백히, 히터가 작동하는 동안 또는 이용되지 않는 기간 동안 배수된 후에는 작동하지 않는다. 미국 특허 제5,325,822호에서는, 액체 레벨 센서들이 사용된다. 그러나, 이들 센서는 단지 히터의 일 장착 방위에서 효과적이다. 미국 특허 제5,408,578호는 두 개의 가열 챔버에 물이 다소 균일하게 유입되도록 하는 두 개의 가열 챔버들 사이에 두 개의 포트를 제공하여, 둘 중 한 챔버의 가열 요소들 중 하나가 다른 하나에 물이 채워지는 동안 과열되는 것을 방지한다. 물의 흐름이 감지되지 않을 때 전력의 인가를 방지하기 위해 흐름 감지 스위치가 또한 사용된다. 그러나, 흐름 감지 스위치는 대체로 고가이며, 신뢰할 수 없다. 미국 특허 제5,479,558호는 온도를 조절하고 과온도 조건을 감지하기 위한 온도 센서들 및 정교한 흐름 검출기의 조합을 이용한다. 흐름 검출기는 수직으로 이동하도록 강제하는 프런저를 이용하여, 히터가 단지 한 방향으로 장착되게 한다. 그 밖에, 설명한 바와 같이, 흐름 검출기는 물의 흐름이 없을 때, 아마도 물 흐름의 존재를 나타내는 위치를 포함하여, 한 위치에서 결합 및 부착된다. 이러한 해결책은 많은 비용이 소요되고, 신뢰할 수 없으며, 미국 특허 제4,900,896호와 동일한 문제를 겪게 된다. 미국 특허 제5,866,880호는 고온 제한 스위치들을 제공한다. 물이 없을 때와 같이, 히터들 및 스위치들 사이에 열 전도도가 높은 열적 경로가 없을 때에는 이들 히터가 작동하지 않는다. 미국 특허 제6,080,971호 및 제6,246,831호는 과온도 스위치를 제공하여, 이에 따라 앞서 언급한 단점을 갖는다. 저항 형태의 가열 엘리먼트들을 이용하는 액체 히터들의 다른 단점은 엘리먼트들 자체가 실질적인 축열체 및 열 저항을 갖는다는 것이다. 이것은, 액체 흐름 속도가 거의 0 또는 0으로 급격히 감소할 때 엘리먼트들의 잠열(아직 방출되지 않은 열)을 어떻게 관리할 것인가의 문제를 야기시킨다. 이러한 잠열은 엘리먼트들을 감싸고 있는 액체에 의해 흡수되어야 한다. 그러나, 그렇게 하면, 감싸는 액체의 온도는 아마도 바람직하지 않은 수준까지 상승된다. 따라서, 가열 챔버의 부피는 액체의 과열을 피하기 위해, 예컨대 액체 히터가 가정용 급탕 히터(domestic hot water heater)라면 화상을 방지하기 위해, 보다 커져야만 한다. 이것은 또한 임의의 온도 제어 루프의 동작을 안정화할 필요가 있으며, 그렇게 하지 않으면 가열된 액체의 큰 온도 변화가 발생하게 될 것이다. 그러나, 이러한 대형 가열 챔버는 특히 물 흐름 속도가 0에서 시작될 때 변화의 요구에 대한 응답을 어렵게 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 증착물이 가열 엘리먼트들 상에 형성되는 경향이 있다. Seitz는 미국 특허 제5,866,880호에서 미네랄 증착물의 양이 최대 가열 엘리먼트 온도의 함수이며, 그러한 증착을 최소화하기 위해, 개시된 히터를 통과하는 물을 가열하는 데에 필요한 전력의 함수로서, 가열 요소들에 전력을 공급하는 것이 바람직함을 개시하고 있다. 미국 특허 제5,479,558호에서, White, Jr.은 또한 조명의 깜박임을 야기시킬 수 있는 히터의 전력 요구로 인한 전력 공급 전압의 변동을 최소화하기 위해 이와 같이 행하는 다른 이유를 명시하고 있다. 불행히, 전기식 워터 히터들에 대한 전류를 제어하기 위한 최상의 반도체 장치들은 본질적으로 스위치들(스위치들은 열거나 닫을 수 있으나, 전류를 조절하기 위한 수단을 제공하지는 않음)이며, 그에 따라 이것은 중요한 문제를 발생시킨다. White Jr.은 동등한 크기인 복수의 가열 엘리먼트들을 통합시키는 것으로써 이것을 다루고 있다. 그러나, 이것은 단지 가열 엘리먼트들의 수의 비율로써, 그의 예에서는 4의 비율로, 전원 공급 장치 전압 변화의 크기를 줄인다. 미국 특허 제5,866,880호는 이러한 접근법을 반복하고 있다. 미국 특허 제6,080,971호 및 제6,246,831호에서, Seitz는 히터 전력 요구에서의 변화에 의한 전원 공급의 변화 및 조명의 시각적인 깜박임 및 그에 따른 전기적인 간섭을 최소화하기 위한 다양한 방법들을 개시하고 있다. 이러한 방법들은 일반적으로 복수의 가열 엘리먼트들의 사용, 및 전원 공급 전류의 변동을 최소화하거나, 또는 쉽게 감지할 수 없도록 전원 공급을 변동시키기 위한 전원 공급의 타이밍과 관련된다. 이것은 비교적 높은 수준의 설계 복잡성 및 대응하여 높은 제조 비용을 발생시킨다. 액체를 가열하기 위한 가열 엘리먼트들의 사용에 대한 주된 대안은, 전위차가 있는 두 전극 사이에 전류를 통과시킴으로써 액체를 통해 전류를 통과시키는 것이다. 전압은 액체의 전해를 방지하기 위해 바람직하게는 AC 전압이다. 이러한 방법은 DER(Direct Electrical Resistance) 가열로 알려졌다. 대개 이러한 접근법(비록 상대적으로 미숙함)은 실내 환경을 가습하기 위해 사용되는 증발기에서 가장 일반적으로 응용된다. 상기 접근법의 대중성에 대한 한 원인은 본질적으로 안전하다는 것이다, 즉 만일 전극들 사이에 액체가 없다면 전혀 전류가 흐를 수 없다. 음료 자판기에서 사용하기 위한 DER 액체 히터의 한 예가 Herrick 등에게 허여된 미국 특허 제6,130,990호에 개시되어 있다. "간접 가열 방법과 관련하여 에너지 손실을 줄이면서 열 에너지로서 물에 전기 에너지를 빠르고 효과적으로 전달하는 방법"의 장점들이 개시되어 있다. 그러나, DER 방법의 단점들 중 하나는, 전극들 사이의 액체에 의해 소모되는 전류의 양과 이에 따라 액체에 전달되는 열의 양이 액체의 전도도, 즉 매우 넓은 범위 예컨대 10 내지 1 범위에서 변할 수 있는 파라미터에 의해 결정된다는 것이다. 이 특허에서 고려된 온도 제어의 한 가지 방법은 물의 유속을 변화시키는 것에 의한 것이다. 다른 방법은 물에 공급되는 전력을 가변시키는 것이며, 이는 전원 공급 전압의 변화를 요구한다. 제3의 방법은 기계적으로 전극 사이의 거리를 조절하는 것을 포함한다. 이들 중 임의의 방법에 의해 그러한 넓은 범위의 액체의 전도도들을 수용하는 것은 매우 어렵다는 것은 명백하다. 사실, 발명자들은 물의 전도도를 향상시키기 위해 히터를 통과시키기 이전에 미네랄로 물을 처리하는 가능성을 고려하고 있다. 또한, 미국 특허 제6,130,990호로부터 일부계속출원중인 Herrick 등에게 허여된 미국 특허 제6,522,834호에서, 이러한 문제를 극복하기 위해 새로운 엘리머트, 즉 전원 공급 장치가 특히 소개되고 있다. 근본적으로, 상기 전원 공급 장치는 일반적인 전원 공급 장치(예컨대, 220VAC @ 60Hz)로부터 전력을 받아 그것을 변환하는 전원 변환기이며, 그 출력 전압은 조절 가능하고 50Hz에서 200KHz까지의 주파수 범위를 가질 수 있다. 이것은 명백히 광범위한 물의 전도도를 수용하기 위한 필요성 및 그 밖의 앞서 언급한 방법들의 부적절함에 의해 도출된 것이다. Novotny 등에게 허여된 미국 특허 제6,640,048호는 광범위한 액체의 전도도를 처리하는 다른 조절 메카니즘을 제공하는 DER 액체 히터를 개시하고 있다. 그것은 비전도성 통문판(electrically non-conducting current gating plate)을 전극들 사이에 조절가능하게 삽입함으로써 전극들의 면적(전극들 사이의 유효 거리)을 기계적으로 가변시켜, 전극들 및 그들 사이의 액체를 포함하는 가열 존(zone)의 전기적 컨덕턴스를 조절한다. 그러나, 장치의 조절 능력의 범위가 개시되어 있지 않다. 게다가, 기계적인 조절은 액체를 가로질러 공기 장벽으로의 움직임의 전이를 포함하고 있는데, 이 중 일부는 저비용으로 신뢰성 있게 구현하기 어렵다. DER 액체 히터들은 저항 형태의 전기 가열 엘리먼트들을 이용하는 히터들에게 공통인 그 밖의 어려움들을 또한 해결해야만 한다. 이러한 어려움의 예는 전력의 히터로의 인가를 제어하기 위한 플로우 스위치의 사용이다. 플로우 스위치들은 일반적으로 유속 문턱(flow rate threshold)에 의해 특징되며, 비록 저속 유동이 존재할 수 있어도 유속 문턱 이하의 흐름을 나타내지 않는다. 이것은 낮은 유속에서(일반적인 탱크 형태의 히터들과는 달리) 미가열된 액체가 히터로부터 떠나게 해주며, 그것은 액체 흐름이 요구되는 시간 및 완전히 가열된 액체가 최종적으로 공급되는 시간 사이에 지연을 발생시키는 경향이 있으며, 그에 따라 액체의 손실을 야기시킨다. 이것은, 배향 한계의 존재, 신뢰할 수 없는 기능성 및 가격과 함께, 위에서 언급한 목표들을 만족시키는 무탱크 액체 가열 장치에서 극복되어야만 한다. 또한, 잠열 관리와 관련된 앞서 언급한 어려운 점들, 온도 제어 루프의 설계 및 작동, 증착물의 형성, 전원 공급 변화의 최소화 및 전원 공급 변화에 대응하는 조명의 깜박임은 극복되어야 한다.