热水器出水恒温技术研究

2013-07-09欧阳山西董越金玉章

家电科技 2013年11期

欧阳山西董越金玉章

(广东威博电器有限公司广东佛山 528305)

1 引言

2012 年，中国家用热水器产业技术路线图中，明确了热水器出水恒温技术的发展目标，即：2012年（现有基准）目前部分使用；2015年（目标）50%以上产品应用；2020年（目标）80%以上产品应用。

目前，高档舒适型的燃气热水器普遍应用了出水恒温技术，而储水式电热水器、空气能热水器、太阳能热水器等则很少应用出水恒温技术，一个重要原因就是：目前行业内的出水恒温技术还不够成熟，有许多功能问题和安全问题有待解决。比如：水流量大小影响恒温精度、恒温时间长而浪费水、受外界水压波动会出现高温而烫伤人、关水后会出现高温而烫伤人等等。

2 出水恒温技术背景和现状

燃气热水器最早应用的出水恒温技术，是一种简单的比例阀技术，是通过调节冷水的流量大小进行出水恒温的。这种技术在恒温过程中，热水的流量是固定的，不可调的。这种技术有一个最大的缺点就是出水流量大小不可控制，流量随出水的温度变化而变化。后来又出现了一种恒温技术，即通过调节燃气流量来调节火力大小，从而控制出水温度。这种恒温技术也有个缺点，即恒温速度反应慢。再后来，又出现了调节冷水和调节火力相结合的恒温技术，大大提高了燃气热水器出水恒温技术的实用性。又经过多年的努力，目前的恒温技术在此基础上得到了长足的发展，性能上得到了很大的优化，技术已是相当的成熟。

燃气热水器的出水恒温技术是不适用电热水器上的。一个最主要的原因就是：燃气热水器的热水量在洗澡时是固定不变的，而电热水器的热水量随时间的变化而相对快速地变化。燃气热水器的出水温度一旦稳定，基本就不会发生变化了，但电热水器的出水温度会慢慢降低。而且，储水式电热水器是不能快速调节“火力”大小的。因此，燃气热水器的出水恒温技术不适用于电热水器，在技术研究上需要另辟蹊径。

然而，现在电热水器上应用的恒温技术都是从燃气热水器恒温技术“演变”而来的，都是通过“调节冷水流量”和“调节电功率”来达到恒温的目的，因此，目前电热水器的恒温技术出现了许多缺点，所以不能被广泛应用，只勉强应用在即热式电热水器上。

3 电子恒温技术设计

电子恒温阀的阀体结构如图1所示。

电子恒温阀主要由阀体、自动阀芯、手动阀芯、出水管等部分组成。它的工作原理是：冷水由冷水进水管进入阀体，热水由热水进水管进入阀体，冷水进入阀体后流过A，流经A ，然后并联到达自动阀芯和手动阀芯。同样，热水进入阀体后，流过B，流经B ,然后并联到达自动阀芯和手动阀芯。冷水和热水在自动阀芯内部混合后的温水流经C 通道到达手动阀芯内部，然后从手动阀芯内部流出进入C 通道，最后由C通道流出电子恒温阀阀体，水路流向如图2所示。

图1 电子恒温混水阀阀体结构图

图2 阀体内部水路流向示意图

图3 阀芯内部结构示意图

当自动阀芯工作时，手动阀芯关闭出水，不混水，但留有一条专用通道给自动阀芯出水，如图1中剖视图1所示。当手动阀芯工作时，自动阀芯处于失效状态，专用通道处于关闭状态，自动阀芯混合出来水流不出阀体。

阀芯由外壳、转柄、陶瓷动片、陶瓷静片、底座、密封圈等部件组成。手动阀芯和自动阀芯可通用，阀芯内部结构如图3所示。

自动阀芯的工作原理如图4所示，手动阀芯的工作原理如图5所示。

由图4和图5可以看出，所有阀口的横截面积都是相等的。同时，假设单个阀口的横截面积为1，则阀芯动片与静片作相对运动时，冷、热水阀口流通水的横截面积之和总是等于1。假设冷水流量为1/3，则热水流量一定是2/3。由此可以保证电子恒温阀的出水流量是不变的，出水流量一旦设定，则在恒温过程中，出水流量是固定的。这就保证出水温度不受外界水压的影响，从而增强了水温的稳定性和抗干扰性能。自动阀芯混合出水的流量虽然不变，但却可以通过手动阀芯进行任意调节，如图5所示，当手动阀芯从A点运动到B点时，C 管道出来的水由最大流量变为0(即关水)，因此，自动阀芯混合出水的水流量大小，可以通过手动阀芯任意调节。

由图4和图5可见，自动阀芯担负着自动恒温的任务，手动阀芯可实现手动调温。自动恒温的基本原理是：由电机驱动阀芯自动调节冷水和热水的比例而实现恒温的。通过两阀芯的巧妙设计，自动恒温与手动调温操作有机结合，使阀体的出水温度自动恒定或手动调节，出水流量大小可随意调整，实现了出水智能恒温功能、手动调温与自动恒温相谐调工作的功能，满足了洗浴使用舒适性要求。

4 电子恒温阀应用

4.1 电子恒温阀的工作原理

电子恒温阀技术就是基于目前燃气热水器恒温技术不适用于储水式电热水器的事实而进行设计研发的（已申请实用新型专利，专利申请号：200920262876.8)。其工作原理是：三个温度传感器分别感应冷水、热水、出水的温度，单片机芯片根据用户设置的温度值大小与出水温度值作比较，通过单片机芯片计算出冷水、热水的流量比例值，然后驱动电机带动阀芯旋转一个角度，调节冷水和热水的流量比例值，从而实现恒温的目的。

在原理上与以往的恒温技术相比较，本技术有两个最大的创新点：一是混水恒温的方式不同。以往的恒温技术只是通过调节冷水的流量和火力的大小进行恒温的，而电子恒温阀是通过调节冷水和热水的流量比例进行恒温的。二是阀体结构不同。以往的恒温技术只能自动恒温，不能手动调温，因此，当自动恒温系统出现故障时，整个产品将不可用而失去意义。而电子恒温阀既可自动恒温又可手动调温，自动恒温和手动调温互不干涉，两者独立工作。当自动恒温系统出现故障而不可用时，可启动手动调温功能，此时，电子恒温阀相当于一个普通的混水阀。电子恒温阀调节旋钮工作如图6所示。

4.2 电子恒温阀的恒温特性

(1)电子恒温阀恒温精度高，恒温精度可达到：±1℃，但一般都做到≤±2℃洗澡就足够舒适了，这完全符合国家标准要求。

(2)电子恒温阀既可手动调节出水温度，又可自动恒温。两个功能独立工作，互不干涉。手动调节出水温度时，电子恒温阀相当于一个普通混水阀。

(3)电子恒温阀的自动恒温功能可防止温度过高而烫伤用户。其混合出来的水保证不超过国家标准规定的55℃ 。所以说，电子恒温阀其实还是一个防烫型混水阀。

(4)电子恒温阀由于采用了同时调节冷水和热水的流量比例方式进行恒温，所以，当外界水压波动时，冷水和热水的流量比例保持不变，因此，电子恒温阀抗干扰能力强，稳定性好。

图4 自动阀芯工作原理示意图

图5 手动阀芯工作原理示意图

图6 调节旋钮工作示意图

表1 电子恒温阀测试结果

(5)电子恒温阀能快速恒温，一般在1～3秒的时间内就可以恒定出水温度。普通混水阀和机械式恒温阀一般都要15秒以上的时间才能恒定出水温度，所以电子恒温阀有节约用水的作用。

(6)电子恒温阀的出水流量可随意调节，最大流量为12L/min。不但可以方便用户使用，还可以节约用水。

4.3 电子恒温阀的安全防护特性

电子恒温阀的阀体出水管上装有漏电感应器，可以感应漏电电流的大小，一旦漏电电流超过国家标准5mA 时，电子恒温阀将自动关水，使得带电体脱离了人体，这里的断水就相当于有一股墙阻断了漏电危险电源，因此，电子恒温阀有防电墙的作用，我们称之为：电子防电墙。电子防电墙完全可以替代机械式防电墙，是目前机械式防电墙和漏电保护器的技术组合和技术升华，即使人为“犯错”使电热水器带电，电子防电墙也能主动快速地保护人身安全。