洗浴水龙头温度自动补偿的研究与应用

白双林

摘 要：洗浴前，人们先将水龙头的水温调节设定在一个舒适的位置，但在洗浴过程中，出水口水温会受供水端冷热水压力变化或温度变化而变化。本文简要介绍水龙头出水口温度自动补偿技术的研究与应用。

关键词：水龙头；压力平衡阀；恒温阀；热敏元件；恒温即热

中图分类号：TH762 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）14-0102-02

随着社会发展，生活水平逐步提高，人们更加重视洗浴过程的舒适性和安全性，为避免洗浴过程中水温急剧升高或降低造成烫伤等的问题出现，部分水龙头产品中增加了温度自动补偿技术。温度自动补偿技术，即自动补偿水龙头出水口的温度与初始调节设定的温度值差異，是一种持续自动检测温度偏差，并自动持续补偿的装置。

1 自动补偿技术的功能和意义：

1.1 补偿出水口温度

普通的洗浴龙头往往会出现出水温度忽冷忽热的情况，如同条水路中厨房和卫生间同时有多个用水设备共同使用时，以及供应热水的锅炉、热水器水温度下降时都会出现水龙头出水口温度忽冷忽热变化。自动补偿技术通过感应水压或水温变化，对应调整冷热水的混水比例，使最终出水温度稳定在一定范围。

1.2 防烫伤功能

自动补偿技术同时还具有防烫伤保护功能。常有新闻报道，酒店、宾馆、家庭出现淋浴被烫伤的事故，这些事故大多是因供水系统中冷水突然停断造成的。如果采用配置有自动补偿技术的淋浴龙头，当冷水突然断水时，自动补偿阀会自动切断热水，淋浴龙头会在5秒内将出水流量降低到安全流量或完全停止出水，这样可有效的防止烫伤事故的发生。

2 自动补偿技术的类型

2.1 恒温阀

恒温阀即感温自动补偿阀，在冷热水混合水的出水口处，设置有一个感温热敏元件，感温热敏元件对周围温度感受非常灵敏，可迅速的膨胀或收缩，从而推动恒温阀中控制冷热进水比例的活塞上下移动，根据出水口混合水温度，自动调节冷热进水口大小。即恒温阀设定在某个温度时，无论冷热进水的水压、水温如何变化，出水口温度始终按照最初设定的温度出水。

恒温阀的工作原理非常简单，就是物理的材料的热胀冷缩原理，恒温阀的核心元件采用热胀冷缩更敏感的材料，设置在恒温阀的出水口位置。我们使用时一般会初始设定好一个温度，使用中途冷热进水的水压或水温出现变化时，恒温阀出水口混合水温度也会出现变化，当热敏元件感觉到温度降低时，热敏元件快速收缩，带动活塞移动，减小冷水进水面积，同时放大热水进水面积，因为恒温阀芯冷热进水面积和是一定的，冷水减小的面积就是热水增加的面积。这样热敏元件时时感知出水口温度，并快速移动调节冷热进水比例，实现温度自动补偿，保证温度恒定。当热敏元件感觉到出水口温度升高时，热敏元件快速膨胀，工作和动作与以上相反。

恒温阀目前已知的感温热敏元件类型有两种，采用较多的是高纯度石蜡做为热敏原料，制造成温度棒应用于恒温阀（图1），另一种就是将热敏材料制作成记忆弹簧应用于恒温阀（图2）。

2.2 压力平衡阀

压力平衡阀是另外一种技术成熟并被广泛应用是温度自动补偿技术，从字面就可了解压力平衡阀只能补偿受压力变化影响的出水口温度。压力平衡阀内设置有一个对水压敏感的灵敏活塞，通水过程中可时时持续保证平衡阀两侧通水腔内水压力相等，即两侧通水腔内水压力平衡，两侧出水口出水体积也相等。如果冷水压力0.8map，热水0.1map，经过压力平衡阀后，冷热水的压力都变成了0.1map，就是总是向低压平衡，同理如果冷水是0map，热水是10map，那么混合出水口会出现断流，或流量很小，这就是冷水故障防烫伤保护。

压力平衡阀的工作原理也很简单，恒温阀感温热敏元件是设置在冷热水已经混合后的出水端，与恒温阀不同的是压力平衡阀的感压平衡活塞体设置的位置是在进水端，感压平衡活塞体与冷热进水腔都相通，可同时感知两侧的微小压力差而移动感压平衡活塞体，与此同时感压平衡活塞体还控制着冷热进水孔的进水面积，但是属于反向控制，即压力大反而会推动活塞体减小自身进水面积。例如冷水端压力低于热水端压力时，中间活塞体会向冷水端移动，移动过程中会减小热进水量同时增加冷进水量，直至冷热水两腔压力均衡，反之亦然。压力平衡阀的核心元件感压平衡活塞体安装后最终的工作位置都是处于水平位置，这样可以尽量减小内部活塞自身重量对水压感知灵敏度的影响。

压力平衡阀的核心元件感压平衡活塞体也有两种类型，一种圆柱形活塞体（图3），另一种就是膜片式活塞体（图4），圆柱形活塞体的材料可以是复合塑料、不锈钢、陶瓷，而膜片式活塞体形状像陀螺，核心零件隔膜的材料一般都采用耐老化的弹性橡胶。

3 市场自动补偿技术的研究分析

恒温阀优点突出，在国内和欧洲水龙头市场中被广泛应用，但无法大范围实现普及，主要有以下原因。首先，核心热敏元件成本高，单个热敏元件的成本就是一个普通混合水阀芯的10倍，影响成本因素还有就是普通恒温阀芯只能控制温度，控制不来开启关闭和流量大小，所以恒温阀还需要配流量开关阀搭配使用，以及恒温阀还需要在进水端安装单向阀，因为恒温阀内腔是混合水腔，长期连通冷热水，如果没有单向阀冷热水会出现高压端向低压端窜水，即冷或热水逆流。整组恒温龙头增加上述必备配件的成本更高，普通消费者无法接受。其次，恒温阀对水质要求严格，水中杂质、水垢等物质吸附在热敏元件上后严重影响热敏元件的性能。另外对水压突变大的供水环境也无法达到恒温效果，恒温阀对压力突变的调节能力只能达到压力平衡阀的一半，即进水压力从0.8map突然降低到0.4map时恒温阀的恒温工作能力不稳定，只能保证降低到0.6map时可正常工作，压力平衡阀则可在降低到0.4map时正常工作。

压力平衡阀由于只能感知进水水压无法感知温度的特点国内和欧洲市场很少使用，但因其出色的感压能力在北美市场的美国和加拿大却非常普及，美国一些特殊的州更是被强制定义为洗浴产品的标准配置。这主要是由于北美家庭别墅式房屋供水端都有中央热水器，其容量大多为200L—300L之间，可同时满足所有房间的热水供水要求，使用中，热水端的温度变化较小，相反压力变化非常大。所以，恒温阀在北美淋浴市场占有率较小，压力平衡阀在北美洗浴龙头市场占据主导。

4 未来自动补偿技术的解决方案

上述两种传统的温度自动补偿阀都存在成本高的问题，即使成本较低的压力平衡阀也比普通的冷热水混合阀贵3-5倍。随着电子技术在水龙头中的广泛应用，为检测水龙头温度，温度传感器已经应用于数显、灯光等可以向人们反馈温度的智能水龙头中，其原理简单，技术应用产品已经非常成熟。在电热水器行业和即热水龙头行业已经提出了新的温度自动补偿解决方案，其核心部件采用成本较低的温度传感器和微型磁铁搭配，即实现可时时检测出水温度，并持续反馈给加热部件控制加热温度。在传统水龙头行业采用温度传感器，代替现有传统温度自动补偿技术，可能会成为一种发展趋势。

参考标准：

标准全称：ASME A112.18.1-2012/CSA B125.1-12

（ASME： The American Society of Mechanical Engineer 美国机械工程协会）

标准英文名：Plumbing fixture fittings

标准中文名：管道安装部件

标准全称：QB 2806-2006

（QB：中华人民共和国轻工行业标准代号）

标准英文名：Thermostatic Faucets

标准中文名：温控水嘴

标准全称：EN1111-1999

（EN：European Standard 欧洲标准）

标准英文名：Sanitary tapware-Thermostatic mixing valves （PN10） -- general technical specifications"

标准中文名：卫生用具龙头---温控混合法（PN10） ---通用技术规范

参考文献

[1]林孝发，林孝山，梁绍团，郑继隆，黄鲲鹏.一种热水器专用的恒温阀芯：中国，CN201720703311.3[P].2018-02-23.

[2]户高健策，松井英之，关荣治，根岸功.冷热水混合龙头：中国，CN200880119350.2[P].2012-07-04.

[3]马克艾伦多伊奇，卡梅伦丹蒂马丁.混合阀的温度旋转限制器：中国，CN200810170639.9[P].2012-06-13.

[4]DJ布劳尔，MA尼韋尔.压力平衡单元：中国，CN201410087907.6[P].2016-12-07.