熱水器出水恒溫技術研究

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，中國家用熱水器產業技術路線圖中，明確了熱水器出水恒溫技術的發展目標，即：2012年（現有基準）目前部分使用；2015年（目標）50%以上產品應用；2020年（目標）80%以上產品應用 。

目前，高檔舒適型的燃氣熱水器普遍應用了出水恒溫技術，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用出水恒溫技術，一個重要原因就是：目前行業內的出水恒溫技術還不夠成熟，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高溫而燙傷人、關水后會出現高溫而燙傷人等等。

2 出水恒溫技術背景和現狀

燃氣熱水器最早應用的出水恒溫技術，是一種簡單的比例閥技術，是通過調節冷水的流量大小進行出水恒溫的。這種技術在恒溫過程中，熱水的流量是固定的，不可調的。這種技術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。后來又出現了一種恒溫技術，即通過調節燃氣流量來調節火力大小，從而控制出水溫度。這種恒溫技術也有個缺點，即恒溫速度反應慢。再后來，又出現了調節冷水和調節火力相結合的恒溫技術，大大提高了燃氣熱水器出水恒溫技術的實用性。又經過多年的努力，目前的恒溫技術在此基礎上得到了長足的發展，性能上得到了很大的優化，技術已是相當的成熟。

燃氣熱水器的出水恒溫技術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定，基本就不會發生變化了，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節“火力”大小的。因此，燃氣熱水器的出水恒溫技術不適用于電熱水器，在技術研究上需要另辟蹊徑。

然而，現在電熱水器上應用的恒溫技術都是從燃氣熱水器恒溫技術“演變”而來的，都是通過“調節冷水流量”和“調節電功率”來達到恒溫的目的，因此，目前電熱水器的恒溫技術出現了許多缺點，所以不能被廣泛應用，只勉強應用在即熱式電熱水器上。

3 電子恒溫技術設計

電子恒溫閥的閥體結構如圖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A ，然后并聯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B ,然后并聯到達自動閥芯和手動閥芯。冷水和熱水在自動閥芯內部混合后的溫水流經C 通道到達手動閥芯內部，然后從手動閥芯內部流出進入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構圖

圖2 閥體內部水路流向示意圖

圖3 閥芯內部結構示意圖

當自動閥芯工作時，手動閥芯關閉出水，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。當手動閥芯工作時，自動閥芯處于失效狀態，專用通道處于關閉狀態，自動閥芯混合出來水流不出閥體。

閥芯由外殼、轉柄、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，閥芯內部結構如圖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節，如圖5所示，當手動閥芯從A點運動到B點時，C 管道出來的水由最大流量變為0(即關水)，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節。

由圖4和圖5可見，自動閥芯擔負著自動恒溫的任務，手動閥芯可實現手動調溫。自動恒溫的基本原理是：由電機驅動閥芯自動調節冷水和熱水的比例而實現恒溫的。通過兩閥芯的巧妙設計，自動恒溫與手動調溫操作有機結合，使閥體的出水溫度自動恒定或手動調節，出水流量大小可隨意調整，實現了出水智能恒溫功能、手動調溫與自動恒溫相諧調工作的功能，滿足了洗浴使用舒適性要求。

4 電子恒溫閥應用

4.1 電子恒溫閥的工作原理

電子恒溫閥技術就是基于目前燃氣熱水器恒溫技術不適用于儲水式電熱水器的事實而進行設計研發的（已申請實用新型專利，專利申請號：200920262876.8)。其工作原理是：三個溫度傳感器分別感應冷水、熱水、出水的溫度，單片機芯片根據用戶設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，然后驅動電機帶動閥芯旋轉一個角度，調節冷水和熱水的流量比例值，從而實現恒溫的目的。

在原理上與以往的恒溫技術相比較，本技術有兩個最大的創新點：一是混水恒溫的方式不同。以往的恒溫技術只是通過調節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節冷水和熱水的流量比例進行恒溫的。二是閥體結構不同。以往的恒溫技術只能自動恒溫，不能手動調溫，因此，當自動恒溫系統出現故障時，整個產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溫，自動恒溫和手動調溫互不干涉，兩者獨立工作。當自動恒溫系統出現故障而不可用時，可啟動手動調溫功能，此時，電子恒溫閥相當于一個普通的混水閥。電子恒溫閥調節旋鈕工作如圖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，這完全符合國家標準要求 。

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

(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準規定的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節冷水和熱水的流量比例方式進行恒溫，所以，當外界水壓波動時，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 調節旋鈕工作示意圖

表1 電子恒溫閥測試結果

(5)電子恒溫閥能快速恒溫，一般在1～3秒的時間內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約用水的作用。

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

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器，可以感應漏電電流的大小，一旦漏電電流超過國家標準5mA 時，電子恒溫閥將自動關水，使得帶電體脫離了人體，這里的斷水就相當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組合和技術升華，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。當系統檢測到花灑的水帶電并有一定的漏電流流過花灑時，系統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)當出水溫度超過53℃時，電子恒溫閥立即進入保護狀態，1秒時間內自動調節，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所做不到的。

4.4 電子恒溫閥的設計和應用

一套功能完整的電子恒溫裝置應該包括以下部件：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、漏電保護器及連接線等。其中，可選用的電機參數可選為：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的可反復充電的普通鋰氫電池。混水閥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。

電子恒溫閥產品經測試，各項性能指標均符合國家標準，測試結果如表1所示。

電子恒溫閥應用非常廣泛，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溫的場所都可以應用。另外，電子恒溫閥應用方式靈活多樣，可以與整機融為一體使用，也可以拆分兩部分單獨使用，還可以直接作為產品單獨出售。

5 總結

(1)電子恒溫閥通過調節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、穩定性好、抗干擾性強和舒適節能等諸多優點。

(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)電子恒溫閥結構簡單，體積小巧，安裝方便，易于大批量生產，形成產業化。同時又可以與整機融合一體進行產品優化和升級，具有廣闊的發展前景。

(4)一套完整的電子恒溫閥成本約35元，應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，節省成本約45元。如果融合到電腦型產品上，則電子防電墻還可以節省成本約15元，所以，總的來說，應用電子恒溫閥，不但沒有增加熱水器的成本，反而節省了成本，因此經濟效益非常可觀。

[1]中國家用熱水器產業技術路線圖（2012年版）.中國家用電器協會.2012；98.

[2]數控恒溫水嘴.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研究.家電科技，2013（3）：84～85.

[6]數控恒溫水嘴.GB/T 24293-2009；5.