熱水器出水恒溫技術(shù)研究

歐陽山西 董越 金玉章

(廣東威博電器有限公司 廣東佛山 528305)

1 引言

2012 年，中國家用熱水器產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖中，明確了熱水器出水恒溫技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)，即：2012年（現(xiàn)有基準(zhǔn)）目前部分使用；2015年（目標(biāo)）50%以上產(chǎn)品應(yīng)用；2020年（目標(biāo)）80%以上產(chǎn)品應(yīng)用 。

目前，高檔舒適型的燃氣熱水器普遍應(yīng)用了出水恒溫技術(shù)，而儲水式電熱水器、空氣能熱水器、太陽能熱水器等則很少應(yīng)用出水恒溫技術(shù)，一個重要原因就是：目前行業(yè)內(nèi)的出水恒溫技術(shù)還不夠成熟，有許多功能問題和安全問題有待解決。比如：水流量大小影響恒溫精度、恒溫時間長而浪費水、受外界水壓波動會出現(xiàn)高溫而燙傷人、關(guān)水后會出現(xiàn)高溫而燙傷人等等。

2 出水恒溫技術(shù)背景和現(xiàn)狀

燃氣熱水器最早應(yīng)用的出水恒溫技術(shù)，是一種簡單的比例閥技術(shù)，是通過調(diào)節(jié)冷水的流量大小進行出水恒溫的。這種技術(shù)在恒溫過程中，熱水的流量是固定的，不可調(diào)的。這種技術(shù)有一個最大的缺點就是出水流量大小不可控制，流量隨出水的溫度變化而變化。后來又出現(xiàn)了一種恒溫技術(shù)，即通過調(diào)節(jié)燃氣流量來調(diào)節(jié)火力大小，從而控制出水溫度。這種恒溫技術(shù)也有個缺點，即恒溫速度反應(yīng)慢。再后來，又出現(xiàn)了調(diào)節(jié)冷水和調(diào)節(jié)火力相結(jié)合的恒溫技術(shù)，大大提高了燃氣熱水器出水恒溫技術(shù)的實用性。又經(jīng)過多年的努力，目前的恒溫技術(shù)在此基礎(chǔ)上得到了長足的發(fā)展，性能上得到了很大的優(yōu)化，技術(shù)已是相當(dāng)?shù)某墒臁?/p>

燃氣熱水器的出水恒溫技術(shù)是不適用電熱水器上的。一個最主要的原因就是：燃氣熱水器的熱水量在洗澡時是固定不變的，而電熱水器的熱水量隨時間的變化而相對快速地變化。燃氣熱水器的出水溫度一旦穩(wěn)定，基本就不會發(fā)生變化了，但電熱水器的出水溫度會慢慢降低。而且，儲水式電熱水器是不能快速調(diào)節(jié)“火力”大小的。因此，燃氣熱水器的出水恒溫技術(shù)不適用于電熱水器，在技術(shù)研究上需要另辟蹊徑。

然而，現(xiàn)在電熱水器上應(yīng)用的恒溫技術(shù)都是從燃氣熱水器恒溫技術(shù)“演變”而來的，都是通過“調(diào)節(jié)冷水流量”和“調(diào)節(jié)電功率”來達到恒溫的目的，因此，目前電熱水器的恒溫技術(shù)出現(xiàn)了許多缺點，所以不能被廣泛應(yīng)用，只勉強應(yīng)用在即熱式電熱水器上。

3 電子恒溫技術(shù)設(shè)計

電子恒溫閥的閥體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電子恒溫閥主要由閥體、自動閥芯、手動閥芯、出水管等部分組成。它的工作原理是：冷水由冷水進水管進入閥體，熱水由熱水進水管進入閥體，冷水進入閥體后流過A，流經(jīng)A ，然后并聯(lián)到達自動閥芯和手動閥芯。同樣，熱水進入閥體后，流過B，流經(jīng)B ,然后并聯(lián)到達自動閥芯和手動閥芯。冷水和熱水在自動閥芯內(nèi)部混合后的溫水流經(jīng)C 通道到達手動閥芯內(nèi)部，然后從手動閥芯內(nèi)部流出進入C 通道，最后由C通道流出電子恒溫閥閥體，水路流向如圖2所示。

圖1 電子恒溫混水閥閥體結(jié)構(gòu)圖

圖2 閥體內(nèi)部水路流向示意圖

圖3 閥芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)自動閥芯工作時，手動閥芯關(guān)閉出水，不混水，但留有一條專用通道給自動閥芯出水，如圖1中剖視圖1所示。當(dāng)手動閥芯工作時，自動閥芯處于失效狀態(tài)，專用通道處于關(guān)閉狀態(tài)，自動閥芯混合出來水流不出閥體。

閥芯由外殼、轉(zhuǎn)柄、陶瓷動片、陶瓷靜片、底座、密封圈等部件組成。手動閥芯和自動閥芯可通用，閥芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

自動閥芯的工作原理如圖4所示，手動閥芯的工作原理如圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，所有閥口的橫截面積都是相等的。同時，假設(shè)單個閥口的橫截面積為1，則閥芯動片與靜片作相對運動時，冷、熱水閥口流通水的橫截面積之和總是等于1。假設(shè)冷水流量為1/3，則熱水流量一定是2/3。由此可以保證電子恒溫閥的出水流量是不變的，出水流量一旦設(shè)定，則在恒溫過程中，出水流量是固定的。這就保證出水溫度不受外界水壓的影響，從而增強了水溫的穩(wěn)定性和抗干擾性能。自動閥芯混合出水的流量雖然不變，但卻可以通過手動閥芯進行任意調(diào)節(jié)，如圖5所示，當(dāng)手動閥芯從A點運動到B點時，C 管道出來的水由最大流量變?yōu)?(即關(guān)水)，因此，自動閥芯混合出水的水流量大小，可以通過手動閥芯任意調(diào)節(jié)。

由圖4和圖5可見，自動閥芯擔(dān)負著自動恒溫的任務(wù)，手動閥芯可實現(xiàn)手動調(diào)溫。自動恒溫的基本原理是：由電機驅(qū)動閥芯自動調(diào)節(jié)冷水和熱水的比例而實現(xiàn)恒溫的。通過兩閥芯的巧妙設(shè)計，自動恒溫與手動調(diào)溫操作有機結(jié)合，使閥體的出水溫度自動恒定或手動調(diào)節(jié)，出水流量大小可隨意調(diào)整，實現(xiàn)了出水智能恒溫功能、手動調(diào)溫與自動恒溫相諧調(diào)工作的功能，滿足了洗浴使用舒適性要求。

4 電子恒溫閥應(yīng)用

4.1 電子恒溫閥的工作原理

電子恒溫閥技術(shù)就是基于目前燃氣熱水器恒溫技術(shù)不適用于儲水式電熱水器的事實而進行設(shè)計研發(fā)的（已申請實用新型專利，專利申請?zhí)枺?00920262876.8)。其工作原理是：三個溫度傳感器分別感應(yīng)冷水、熱水、出水的溫度，單片機芯片根據(jù)用戶設(shè)置的溫度值大小與出水溫度值作比較，通過單片機芯片計算出冷水、熱水的流量比例值，然后驅(qū)動電機帶動閥芯旋轉(zhuǎn)一個角度，調(diào)節(jié)冷水和熱水的流量比例值，從而實現(xiàn)恒溫的目的。

在原理上與以往的恒溫技術(shù)相比較，本技術(shù)有兩個最大的創(chuàng)新點：一是混水恒溫的方式不同。以往的恒溫技術(shù)只是通過調(diào)節(jié)冷水的流量和火力的大小進行恒溫的，而電子恒溫閥是通過調(diào)節(jié)冷水和熱水的流量比例進行恒溫的。二是閥體結(jié)構(gòu)不同。以往的恒溫技術(shù)只能自動恒溫，不能手動調(diào)溫，因此，當(dāng)自動恒溫系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，整個產(chǎn)品將不可用而失去意義。而電子恒溫閥既可自動恒溫又可手動調(diào)溫，自動恒溫和手動調(diào)溫互不干涉，兩者獨立工作。當(dāng)自動恒溫系統(tǒng)出現(xiàn)故障而不可用時，可啟動手動調(diào)溫功能，此時，電子恒溫閥相當(dāng)于一個普通的混水閥。電子恒溫閥調(diào)節(jié)旋鈕工作如圖6所示。

4.2 電子恒溫閥的恒溫特性

(1)電子恒溫閥恒溫精度高，恒溫精度可達到：±1℃，但一般都做到≤±2℃洗澡就足夠舒適了，這完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求 。

(2)電子恒溫閥既可手動調(diào)節(jié)出水溫度，又可自動恒溫。兩個功能獨立工作，互不干涉。手動調(diào)節(jié)出水溫度時，電子恒溫閥相當(dāng)于一個普通混水閥。

(3)電子恒溫閥的自動恒溫功能可防止溫度過高而燙傷用戶。其混合出來的水保證不超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的55℃ 。所以說，電子恒溫閥其實還是一個防燙型混水閥。

(4)電子恒溫閥由于采用了同時調(diào)節(jié)冷水和熱水的流量比例方式進行恒溫，所以，當(dāng)外界水壓波動時，冷水和熱水的流量比例保持不變，因此，電子恒溫閥抗干擾能力強，穩(wěn)定性好。

圖4 自動閥芯工作原理示意圖

圖5 手動閥芯工作原理示意圖

圖6 調(diào)節(jié)旋鈕工作示意圖

表1 電子恒溫閥測試結(jié)果

(5)電子恒溫閥能快速恒溫，一般在1～3秒的時間內(nèi)就可以恒定出水溫度。普通混水閥和機械式恒溫閥一般都要15秒以上的時間才能恒定出水溫度，所以電子恒溫閥有節(jié)約用水的作用。

(6)電子恒溫閥的出水流量可隨意調(diào)節(jié)，最大流量為12L/min。不但可以方便用戶使用，還可以節(jié)約用水。

4.3 電子恒溫閥的安全防護特性

電子恒溫閥的閥體出水管上裝有漏電感應(yīng)器，可以感應(yīng)漏電電流的大小，一旦漏電電流超過國家標(biāo)準(zhǔn)5mA 時，電子恒溫閥將自動關(guān)水，使得帶電體脫離了人體，這里的斷水就相當(dāng)于有一股墻阻斷了漏電危險電源，因此，電子恒溫閥有防電墻的作用，我們稱之為：電子防電墻 。電子防電墻完全可以替代機械式防電墻，是目前機械式防電墻和漏電保護器的技術(shù)組合和技術(shù)升華，即使人為“犯錯”使電熱水器帶電，電子防電墻也能主動快速地保護人身安全。

圖7 電子恒溫閥裝配示意圖

(1)漏電自動斷電斷水功能。當(dāng)系統(tǒng)檢測到花灑的水帶電并有一定的漏電流流過花灑時，系統(tǒng)立即斷電的同時馬上斷水，可使人體完全擺脫帶電體。即使是用戶犯錯使水帶電，此時，人也完全可以擺脫帶電體，有效保護人身安全。

(2)電子恒溫閥是主動防護。當(dāng)檢測到水帶電時，它自動斷電斷水，主動切斷了電源體，克服了以往防電墻被動防護的缺點。

(3)當(dāng)出水溫度超過53℃時，電子恒溫閥立即進入保護狀態(tài)，1秒時間內(nèi)自動調(diào)節(jié)，使得出水溫度不超過55℃，從而達到安全防護的目的。

(4)電子恒溫閥可以對電熱水器以外的漏電進行安全防護，這是以往漏電防護技術(shù)所做不到的。

4.4 電子恒溫閥的設(shè)計和應(yīng)用

一套功能完整的電子恒溫裝置應(yīng)該包括以下部件：電控板、電源（或蓄電池）、電機、電子混水閥、溫度傳感器、定位開關(guān)、漏電保護器及連接線等。其中，可選用的電機參數(shù)可選為：額定電壓DC 6V,工作電流：80mA，斷水的時間約2秒，為了保證安全斷水，取電流100mA，取時間10秒，則需要電池的容量為：

電池容量可選用容量為80mAH的可反復(fù)充電的普通鋰氫電池?；焖y材料選用絕緣性能較高的塑料材料注塑而成，要求耐溫200℃以上，防水密封性能要好。漏電保護器選用兩極斷開的漏電保護器，最好選用電壓型的。連接線選用線徑為0.5平方毫米mm 的普通連接線。電子恒溫閥與整機裝配圖如圖7所示。

電子恒溫閥產(chǎn)品經(jīng)測試，各項性能指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，測試結(jié)果如表1所示。

電子恒溫閥應(yīng)用非常廣泛，包括電熱水器、燃氣熱水器、即熱水式電熱水器、太陽能熱水器、多能源組合式熱水器、中央供水等等需要調(diào)溫的場所都可以應(yīng)用。另外，電子恒溫閥應(yīng)用方式靈活多樣，可以與整機融為一體使用，也可以拆分兩部分單獨使用，還可以直接作為產(chǎn)品單獨出售。

5 總結(jié)

(1)電子恒溫閥通過調(diào)節(jié)冷水和熱水的比例來達到恒溫的目的，克服了以往恒溫技術(shù)出水流量不可控制的缺點，解決了許多安全性問題。同時，電子恒溫閥具有恒溫精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強和舒適節(jié)能等諸多優(yōu)點。

(2)電子恒溫閥具有電子防電墻的功能，能主動對熱水器本身以外的漏電進行安全有效地防護，即使用戶“犯錯”了，也能進行有效的安全防護。

(3)電子恒溫閥結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，安裝方便，易于大批量生產(chǎn)，形成產(chǎn)業(yè)化。同時又可以與整機融合一體進行產(chǎn)品優(yōu)化和升級，具有廣闊的發(fā)展前景。

(4)一套完整的電子恒溫閥成本約35元，應(yīng)用電子恒溫閥則取消了普通混水閥和與之連接的銅管以及普通防電墻，節(jié)省成本約45元。如果融合到電腦型產(chǎn)品上，則電子防電墻還可以節(jié)省成本約15元，所以，總的來說，應(yīng)用電子恒溫閥，不但沒有增加熱水器的成本，反而節(jié)省了成本，因此經(jīng)濟效益非?？捎^。

[1]中國家用熱水器產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖（2012年版）.中國家用電器協(xié)會.2012；98.

[2]數(shù)控恒溫水嘴.GB/T 24293-2009；7～8.

[3]家用和類似用途電器的安全 快熱式熱水器的特殊要求.GB 4706.11-2008；06.

[4]家用和類似用途電器的安全 儲水式熱水器的特殊要求.GB 4706.12-2006；12.

[5]歐陽山西，彭武龍，潘向軍.熱水器漏電防護技術(shù)研究.家電科技，2013（3）：84～85.

[6]數(shù)控恒溫水嘴.GB/T 24293-2009；5.