通常使用供暖系统来给楼房的住户提供合适的生活和工作温度。已知有多种形式的加热器，包括，例如，电阻电热、天然气炉，油炉等等。在某些例子中，将已加热的空气抽到楼房中。在其他例子中，使用热水供暖系统。在这样的系统中，水通常被油或天然气炉加热，然后水被抽入封闭的系统，通常在楼房的地板内或要被加热的区域内。不仅是地板，而且还有地板上方的空间也被从在地板下面的闭环系统中流动的加热的水发出的辐射热加热。
这些供暖系统具有它们的缺点。它们通常需要相当大的电量，或者燃烧化石燃料，这是非常昂贵的，并且还会释放不希望有的副产品。循环加热供暖系统一般依赖于中央热水供应和管道的隔热，这增大了建设费用。这样的循环加热供暖系统通常共享家庭管道热水供应，并会耗尽可用于淋浴及其他用途的水。
透热加热设备是已知的。例如，授予Sargeant的美国专利No.3,641,302公开了用于利用高频率的电能来处理流体的设备。Sargeant公开了，高频率的电能或电场弥漫并填充了电极之间的所有空间，因此，一旦流体在使其被加热的电极之间流动，流体就受到此能量的作用。最近，授予Burayez等人的美国专利No.5,506,391公开了使用电振荡的流体加热器。类似于Sargeant，Burayez等人公开了使用电振荡，而不是电流的通过来产生热量。Burayez等人教导了使用控制电路来控制用于对水进行加热的电振荡的源和振幅。通过连接到热传感器的振荡电路来调制电源。微处理器取得热量读数，并控制经调制的电源。
然而，发明人已经发现，事实上，振荡的水平或调制对透热加热器的性能不是关键的。相反，已经发现，由透热加热器所产生的热量直接与输入到加热器的电流的量相关。可以输入到加热器中的电流的量在某种程度上取决于流体中存在的(通常以诸如溶解矿物质盐之类的溶解固体的形式存在)电解质的含量。此外，还发现，如果电解质流体在以可被氧化的金属或合金制成的电极之间流动，则氧化的过程产生能量和电子，以致于降低否则将流体加热到所希望的水平所需要输入的电流的量。

本发明涉及产生热量的方法，以及相关的加热设备，其中，电解质流体在其上被施加了交流电的可氧化的电极之间流动，以便对流体进行加热。
根据本发明的产生热量的方法，包括提供由可氧化的并且导电的材料构成的第一电极，以及也由可氧化的并且导电的材料构成的第二电极。第一和第二电极彼此分隔。还提供了包含足够高含量的溶解盐或矿物质以通过其进行导电的水流体，并在第一和第二电极之间流动。当水流体在其上被施加了交流电的第一和第二电极之间流动时，产生电化学反应。第一和第二电极被氧化，水溶液中的溶解盐或矿物质被耗尽，导致提供给水流体的温度或电流增大，超过由于在电极之间的水流体中传递电流所产生的热量，使得否则用于将液体或流体加热到所希望的水平所需要输入的电流的量降低。
在一特别优选的实施例中，水流体的温度被监视。如果温度超出预定水平，则降低施加于电极的电流强度。作为替代，如果温度降至低于预定水平，则增大施加于电极的电流。
还可以监视吸入电极的电流的量。使用电流相位控制电路将施加于电极的电流维持在预定范围内。如果被电极吸入的电流超出预定水平，则降低施加于电极的电流强度。如果水流体中的溶解盐或矿物质的含量很高，就会发生这种情况。相反，如果被电极吸入的电流被确定为降至低于预定水平，则增大施加于电极的电流。如果水流体中的溶解盐或矿物质的含量很低，就会发生这种情况。如果由电极吸入的监视器电流强度太低，则可以激活可听或可视警报形式的警报，以便通知加热设备的所有者，需要补充水溶液中的溶解盐或矿物质的含量，或替换随着时间的推移已经耗尽了其溶解盐或矿物质的水流体。
在一特别优选的实施例中，在加热器设备中实现本发明的用于产生热量的方法。该加热器设备包括交流电源。加热器模块可操作地连接到电源。该加热器模块包括由可氧化的导电材料构成的第一电极，以及与第一电极分隔并由可氧化的导电材料构成的第二电极。流体通道由流体入口、第一和第二电极之间的间隔，以及流体出口所定义。提供具有充分的溶解盐或矿物质含量的水流体，以便在所述第一和第二电极之间充分传导地传递电流。该加热器设备还包括用于将水流体移动经过所述加热器模块并到达热交换器的泵。在存在水流体的情况下向电极施加电流导致产生电化学反应，该电化学反应产生的电流和热量超过由于在电极之间施加的电流而产生的热量或电流的电化学反应，如此降低了将水流体加热到预定水平而施加于电极的电流的量。
第一和第二电极通常由包括诸如铁之类的可氧化材料的金属构成。在一个实施例中，第一和第二电极由不锈钢构成。优选情况下，加热器模块可可拆卸地连接到加热器设备，以便在电极被氧化到预定水平之后可替换为新的加热器模块。
通常，加热器设备包括用于检测水流体的温度或提供给加热器模块的电流的量的传感器。一个电子电路可操作地与传感器相关联，并用于当感应的温度超出预定水平时自动地关闭或降低提供给加热器模块的交流电流，或者，当感应的温度低于预定水平时自动地向加热器模块提供交流电流。优选情况下，该电子电路包括可操作地与传感器相关联的限流器，用于当检测到的温度或电流低于预定水平时增大施加于加热器模块的电流，或者，当检测到的温度或电流超出预定水平时减小施加于加热器模块的电流。
在一特别优选的实施例中，加热器设备包括可操作地连接到传感器的可视或声音警报，当检测到的温度或电流落在预定范围之外，所述警报被激活，以便通知加热器设备的所有者需要补充水溶液中的溶解盐或矿物质的含量，或者需要替换加热器模块。
通过结合作为示例示出了本发明的原理的各个附图进行的比较详细的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。

各个附图示出了本发明。在这样的图形中：
图1是根据本发明具有同心电极的透热加热器系统的截面图解视图；
图2是根据本发明具有并联电极的再一个供暖系统的截面图解视图；
图3是根据本发明具有电极的交替阵列的另一个加热器的截面图解视图；
图4是包括热交换器设备的闭环供暖系统的示意图；
图5是示出了根据图4的供暖系统所使用的功率和控制电路的电子示意图；
图6是根据本发明所使用的限流器的电子示意图；
图7是根据本发明所使用的加热器模块的透视图；以及
图8是一般沿着图7的线8-8截取的加热器模块的横截面图。

如各附图所示，为了进行说明，本发明涉及加热器设备以及用于对流体进行加热的相关方法。根据本发明，如此处更加全面地描述的，本发明涉及对一系列非平衡放热电化学反应的控制。更具体而言，如下面更加全面地描述的，本发明涉及用于对流体进行加热的方法。在一特别优选的实施例中，流体在其上被提供了交流电的金属电极之间流动。流体通常是具有充分的诸如盐和矿物质之类的电解质的要被加热的水溶液，以便充分导电。例如，蒸馏水就很难使用本发明来进行加热。然而，具有充分的矿物质、盐等形式的电解质的水，如具有充分的矿物质含量的自来水，容易使用本发明来进行加热。事实上，根据本发明，给定电流输入可以更迅速地对水溶液进行加热，并且加热到更大程度。可以认为，这是由于在电极中和/或水溶液的电解质/矿物质中发生的各种发热电化学反应而发生的。本发明还针对用于限制施加于加热器上的交流电流的限流器设备，以便它不会过热或产生比所希望的更大的热量或能量。
现在参考图1，示出了体现了本发明的示例性加热器设备10的图解视图。加热器设备10包括提供交流电流形式电的电源28。虽然电源的频率和电压不是关键的，但是，通常从墙上插座或发电机获取电源，以便提供频率大致在60赫兹的100和500伏特之间的电压。更典型地，电源是110伏特或者220伏特，60赫兹。如下面更加全面地描述的，电流强度被控制为不会使流体过热。
电导线14和16向同心电极18-24提供交流电流。水溶液在这些电极18-24之间流动。当将电流施加于第一组电极18和22时，在交流电周期的一部分期间，电荷在电极上累积。相同的电荷被从其他电极20和24移动到任何一个交流电周期的另一部分。电流流过水流体时对水流体加热。如上文所表明的，水流体必须包含足够含量的溶解盐或矿物质等，以便在电极18-24之间以电力传导电流。
电极18-24由可以被氧化的导电金属材料构成。例如，金属材料可以包括铁(Fe)。可以认为，随着电极材料被氧化，电子被释放到电极。在铁的情况下，这可以是铁的每个被氧化分子去除两或三个电子。结果是，在交流电周期的一部分期间随着电流进入电极，在电极表面上产生过多的电荷。然后，在交流电周期的另一部分期间，去除该过多的电荷。从电极表面这种电荷的流动增加到总电流中，并且实际上充当附加的电流源。对于给定电压，这种氧化生成的电流减小了对于给定的电源输入将水溶液加热到所希望的温度需要由外接电源12提供的电流的量。
现在参考图2和3，本领域的技术人员将理解，电极排列不仅限于图1中所示出的那种排列。如图2所示，体现了本发明的加热器设备110的确具有交流电源112，其中正的和负的引线114和116延伸到并联的电极118和120并与并联的电极118和120导电接触。电极118和120由诸如包含铁、不锈钢等的金属之类的导电并易氧化的材料构成。在这种情况下，端盖122和124由绝缘材料构成，使得在除了当水流体在电极118和120之间通过入口126和出口128流动时之外，电流不会在它们之间流动。当水流体的溶解盐或矿物质含量足够高时，电流能够在电极118和120之间流动，导致放热化学反应，该反应使电极118和120氧化，并随着时间的推移耗尽流体的溶解盐和矿物质含量。
现在参考图3，示出了本发明的再一个加热器模块和加热器设备210，该设备还包括交流电源212和用于向分离的第一和第二电极218和220提供交流电流的电导线214和216，第一和第二电极218和220在本实施例中构成了电极的交替阵列，在其入口222和出口224之间形成流体通道。电流流过水流体时对流体加热。此外，如上面所解释的，放热化学反应还产生热量和/或附加的电子，由此产生进一步提高水流体的温度的电流。由此，为了达到预定水平或希望的温度，放热化学反应要求对电极进行较小的电流输入。
由此，本领域的技术人员可以理解，电极的排列不是关键的，只要电流可以流过流体，并且流体包含充分含量的溶解固体以便被有效地加热。
当电极被氧化时，以及当交流电流流过包含电解质的流体时，产生热量。发明人发现，诸如矿物质及流体中的其他杂质之类的溶解固体对电振荡或电流敏感，导致流体迅速地加热，使得流体从加热室出来时是热的。具有非常低的溶解矿物质含量的流体不会被有效地加热。例如，当蒸馏水流过加热室时，很难将蒸馏水加热。然而，当具有相对高的溶解矿物质含量的水流过加热室时，水可以被非常有效地加热，并且可以加热到相当高的温度。
进行了测试，以便确认此现象。装盛了26盎司的流体的封闭环系统流过加热室10，水中具有溶解的矿物质或固体，使用从墙上插座提供的交流电源对加热室10进行加热，持续80分钟。输入功率具有220伏特的电压，提供大约32安培。在被加热80分钟之前，以及在被加热80分钟之后，如表1所示分析水。
表1：使用SS电极的溶解元素(mg/l)
  元素   之后   之前   钙  铬  铜  铁  铅  镁  锰  钼  镍  锌   21  1.0  1.6  0.12  0.33  11  0.50  0.064  1.9  0.40   30  ＜0.05  ＜0.05  ＜0.05  ＜0.005  16  ＜0.05  ＜0.05  ＜0.05  ＜0.05
在类似于图1中所示出的配置中使用了不锈钢(SS)电极。在80分钟的操作之后，Ca和Mg的含量减少，与不锈钢电极相关联的金属、即Fe、Cr、Ni和Mn增大。溶液的pH值从8.8增大到9.3，而电导率从510减小到460微西门子。可以认为，对过多热量的驱动机制是由在电极上发生的一系列非平衡发热化学反应产生的。可以认为，水或其他流体中的电解矿物质化合物(此处被称为溶解固体)和电极材料发生反应，以形成金属氢氧化物。金属氢氧化物的形成是由pH值的增大支持的。水溶液中的水也被认为在产生金属氢氧化物和在电极金属的氧化中起着作用。流体中的溶解矿物质化合物和/或盐还可以充当金属电极氧化的催化剂。
重复此实验，但是，使用铁电极代替不锈钢电极。表2示出了水中的测量之前和之后的溶解元素。
表2：使用铁电极的溶解元素(mg/l)
  元素   之后   之前   钙  铬  铜  铁  铅  镁  锰  钼  镍  锌   18  ＜0.05  ＜0.05  0.13  0.15  8.1  0.50  ＜0.05  ＜0.05  0.070   30  ＜0.05  ＜0.05  ＜0.05  ＜0.005  16  ＜0.05  ＜0.05  ＜0.05  ＜0.05
再一次显著耗尽了溶解固体矿物质(钙和镁)。与电极相关联的金属也增大。在这种情况下，铁和铅的量显著增大，但是，与304不锈钢电极相关联的铬及其他重金属的含量仍保持不变。从上文可以看出，在电极的表面上或电极内发生了电化学反应，使得电极脱落金属化合物，特别是铁和铅化合物。这被认为是通过氧化过程发生，其中，当电极被氧化以及当交流电流流过包含溶解固体/电解质的流体时产生热量。不论是哪一种情况，由于电极的氧化产生电流，这减少了否则以相同速率使流体加热所需的电流的总量。
现在参考图4，示出了封闭系统、自足式加热器设备300，其中，泵302使水流体从槽304流过加热室306和热交换器308而循环。风扇等310迫使空气流过热交换器308，以便加热环境空气。使用温度探测器312来监视空气或流体的温度。此实施例特别适用于对单元紧前面或围绕单元的空间中的环境空气进行加热的便携加热器和墙内加热器。
参考图5，从电绳N、G、L2进入的功率被路由到至少一个断路器CB2。优选情况下，包括了至少一个联锁开关，使得当去除加热器设备的盖子时，到控制电路的电源被断开。可以包括指示灯，以表示电源被连接，如“橙色电源”或其他颜色的指示灯所示出的。
使用温度控制器来调整由单元提供的对环境空气进行加热的热量。通常，温度控制器具有四十到八十华氏度数的范围，或者，目标环境空气温度，并且是安装在前面板上的主用户控件，诸如作为旋转拨盘等。当控制器被完全关闭时，控制器通常将发热，以保护该单元不会被冻坏。当温度降低到低于定位点以下时，红色指示灯、一个可选的计时器(未示出)，以及控制器继电器K2被通电。热开关TS1通常是闭合的，直到流体温度达到预定水平，如150华氏度数。当它被闭合时，加热元件被通电，开始对流体进行加热。受控制的继电器K2开启泵，将流体从贮槽304经过加热器306并经过热交换器308进行循环。当流体达到预定水平，如140华氏度数时，温度开关TS2开启风扇310，并给受控制的继电器K3施加电压。该单元现在处于加热模式，加热室306、循环泵302都在工作。温度开关TS1控制加热室电极，并将流体维持在预定的温度，通常是158华氏度数。
当空气温度达到由可以链接到恒温箱的温度控制器设置的所需的温度时，红色指示灯、可选的计时器，以及控制继电器K2被断电。泵302以及风扇310通常仍然开着，直到随着水温下降至低于预置水平，通常是140华氏度数，温度开关TS1打开。此时，泵302和风扇310被关闭，该单元不再提供热量。当空气温度下降至低于所选温度时，系统将再次被通电，流体被加热，直到空气温度提高到所希望的水平。
已经发现，当流体内有足够含量的溶解固体时，电极和流体比当溶解固体的含量较低时引入更大的电流强度。虽然水流体中的溶解固体含量必须满足最小阈值，但是，也会有流体内的溶解矿物质含量太高的情况。在这样的例子中，系统将自然地引入大量的电流，并将流体加热到非常高的温度。在这样的例子中，可以用多种方式对此进行控制。例如，可以将电源耦合到限流器，使得输入到电极的功率量，更具体而言，电流被限制。图6示出了根据本发明所使用的示例性限流器的电子电路。在另一个实施例中，流体的温度被监视，当流体的温度超出预定水平时，关闭系统的电源输入。还可以将流体冷却，如通过使用风扇等等，来控制加热过程。当水流体的溶解固体含量太高时，如水太硬，或向流体中添加了太多盐或浓缩的溶解矿物质，可能需要这样的步骤。
如上文所提及的，当流体内的溶解矿物质含量很高时，系统将自然地引入大量电流，并将流体加热到非常高的温度，可能会使加热器设备过热，或产生比所希望的更多的热量。例如，在上文所公开的加热器设备中，美国各个部分的自来水中的矿物质含量很高，以至于不能使用这样的自来水，因为它会过热。由此，设计出了关于提供其矿物质含量受控制的水流体的上文所标识的方法。然而，优选情况下，使用现有的水源代替提供具有预先设置的并且受监测的矿物质含量的专用水，后者会在制造和操作层面增大复杂性和成本。
已经发现，本发明的加热器设备可以通过实现限流器设备或电子电路，来使用诸如自来水之类的矿物质含量的含量经常变化的现有水源，所述限流器设备或电子电路特别配置并适合于与本发明的加热器设备一起使用，如图6所示。限流器设备被设计成将加热器模块的交流电流(AC)限制到预设值。如果在电路中包括一个可变的交换机，则允许的电流的量可以是可变的。简要地，限流器测量传送到加热器的AC电流(通常是120V或220V)，并控制基于三端双向可控硅的固态继电器的相位。
现在参考图6，示出了限流器或控制装置的电子示意图。向TBI 3和4施加输入线电压，120伏特或240伏特。板上的跳线是工厂安装的，以便以串联(240V)或并联(120V)方式连接电源变压器次级绕组。对二次电压进行整流、过滤和调节到用于微控制器电路的5伏特DC。向晶体管Q1施加直接到桥式整流器BR2的连接，以提供零交点参考。向微控制器U1施加此脉冲。
电流变压器T2有一个孔从其核心穿过，有一个向加热器提供电源的线路经过该孔。通过R1给电流变压器输出端增加负载，R1将电流输出转换为放大的电压。通过BR1对此电压进行整流，并分割为合适的电压，然后，将其施加于微控制器上的模拟输入端。第二模拟输入端连接到定位点电位计VR1。
微控制器将60Hz线的每半个周期内的测量的AC电流积分，并计算平均电流，并将它与定位点进行比较。然后，它向晶体管Q2输出被定时为过零的信号，该晶体管Q2向外部固态继电器提供开/关控制，而该外部固体继电器又与加热器串联。此控制信号调整SSR的接通时间。如果测量到的电流很低，则在周期的早期输出控制信号，而如果电流很高，则稍后输出控制信号。如上文所描述的，电子设备监视电流，并将电流强度降低到所希望的水平，使得加热器输出所希望的热量，并将水溶液加热到所希望的温度。此过程被称为相位控制。
如果控制信号被定时为向加热器提供最大输出，但是，测量到的电流仍太低，则连接到J2的安装在面板上的LED或其他可视或声音警报被打开。这通知用户需要向加热器的水槽中添加更多化学品或矿物质。例如，美国有地区的自来水的矿物质含量非常低，将需要向水中添加诸如上文所描述的矿物质以便产生充分的电流牵引和加热。可视或可听警报还可以通知加热器设备的所有者，加热器模块，特别是电极已经被氧化到它们需要替换的程度。作为替代，加热器设备可以包括计时器，使得在加热器设备被使用某一预定时间段之后，通知用户需要替换电极，因为它们已经被氧化到需要替换它们才能获得加热器设备的最佳效率的充分的点。
现在参考图7和8，因为本发明的加热设备的加热器中的电极随着时间的推移而被氧化，因此，不可避免地需要替换电极。补充水流体相对来说比较容易，通过向流体中添加将会溶解到流体中的盐或矿物质，用具有充分高的矿物或盐含量的自来水替换水流体，或周期性地用可以购买到的与加热器设备一起使用的水流体来补充或者替换水流体。然而，大多数采用现有技术的独立和自足式加温器的设备包括整体地与加热器包括在一起的加热元件，以致终端用户，如果不是不可能的话，也难以替换。替换本发明的整个加热设备可能成本非常高。为了避免此不需要的成本，本发明利用可移动的加热器模块400。将加热器模块插入到加热器设备中以及从其中取出，类似于人们将电池插入到手电筒或从手电筒取出电池的方式。
继续参考图7和8，加热器模块400包括外壳402，在里面安装了分隔的第一和第二电极404和406。如上文所指出的，电极404和406彼此分隔，根据需要，也可绝缘，如通过定义了它们之间的流体通道408的空间之外的绝缘材料。流体入口410用于容纳加热器设备的流体管道。水流体流入入口410，在流出流体出口412之前，经过电极404和406之间的流体通道408，而流体出口412还连接到流体管道，类似于图4中所示出的。电极接头414延伸到与第一电极404的导电关系中。第二电极接头416延伸到与第二电极406的导电连接。电极接头414和416诸如通过摩擦接触被移到与可操作地与电源相关联的对应的正的和负的电极啮合，或者通过导电螺栓、套等将它们互连，如本领域内已知的。以这样的方式，整个加热模块400都可以被容易地替换，而不需要分别地取出电极(这要求专业协助)，或替换整个加热器设备(代价非常大)。
本领域的技术人员可以理解，上文所描述的用于产生热量的加热器设备和方法具有许多潜在用途。例如，加热器设备可以被用于家庭供暖。这可以作为分区供暖设备，内置的和增压空气设备，独立的空间加热器，或作为落地式辐射系统的锅炉。本发明的加热器设备还可以与住宅和商用水加热器相关联地使用。如果加热器设备的尺寸相对较小，可以利用一个或多个加热器，使得可以实现按需热水，并可能免除热水管道，否则需要与现有的燃气或电热水器设备一起安装热水管道。本发明的加热器设备还可以安装在洗碗机、洗衣机、干衣机、咖啡壶等中。
可以在寒冷气候的热泵中实现本发明。加热器设备还可以与商业的烹饪操作一起使用。其他商业应用包括在制造期间为化学溶液提供热量。
在美国许多地方，使用储油槽来进行冬季供暖等。可以使用本发明来对储油槽进行加热。
在再一个应用中，可以在油的回收中实现本发明。在某些产油井中，油被充分嵌入在岩床内，或包括充分高含量的石蜡或其他类型物质，以至于将油限制在岩床内。可以使用本发明来将蒸汽喷射到油井中，将油加热，并使它从岩床松开，和/或熔化其他这样的蜡制物质等，以便能使油从地下收回。本发明的加热器设备在相当小的自足式单元内产生大量的热量和蒸汽，这种单元可以很容易地通过卡车来运输，或者甚至可以装在卡车上。加热器设备将需要具有满足如上所述的准则的大量水流体，以便将蒸汽喷射到产油井中。如上文所指出的，来自本国的许多区域的自来水包含足够高含量的溶解盐或矿物质来实现此目的。本发明的加热器设备可以接到现有的水源，从水槽等中吸入水或水流体。
虽然为了进行说明详细描述了多个实施例，但是，可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下对每个实施例进行各种修改。相应地，本发明不受限制，只受所附的权利要求书的限制。