即熱式電熱水器技術及原理研究

摘要：即熱式熱水器有體積小、即用即開無需提前加熱等優點，已被市場認可并得到廣泛使用。本文通過實例，結合傳熱學、自動控制等理論，介紹即熱式熱水器的相關技術原理，并分析一些設計思路。

關鍵詞：即熱式熱水器；技術原理；傳感器；自動控制；單片機

即熱式熱水器現已被廣泛應用。筆者家里先后用過幾臺即熱式熱水器，通過實物拆裝、器件拆解、電路分析、模擬測試等方法，結合查閱資料，分析其組成結構、相關技術和主要原理，本文介紹這些研究所得。

一、研究對象及方法

（一）研究對象

第一臺是檔位機，型號為諾克司DSTB8，額定功率8KW。檔位機電路簡單、成本低，但無法精確調節出水溫度，適合水壓穩定、對溫控要求不高的地方使用。第二臺為恒溫機，型號為諾德朗OTR/C8000SF，額定功率8KW。恒溫是指在進水溫度、流量在動態變化時，熱水器能實時、精確地調整加熱功率，使出水溫度及時穩定到預設溫度。恒溫機需要微電腦進行自動恒溫控制，電路較復雜，本文主要介紹恒溫機。

（二）研究方法

一是拆解整機及零部件研究其結構、功能；二是搭建模擬測試平臺，觀察其工作情況；三是對單片機各路信號進行邏輯分析，研究其算法設計要點。研究過程中，查閱的資料有相關理論書籍、器件資料數據表、相關專業論文，以及廠商及網店的宣傳及技術資料。

二、即熱式熱水器的組成

熱水器的結構，主要包括加熱筒、電路板、機殼及附配三部分。

（一）加熱筒

加熱筒是熱水器的核心部件，是熱交換的場所。筒內安裝多組加熱管，筒頂引出電極。進水通道上設有水流傳感器（檔位機是水流開關），進水和出水通道上均安裝有溫度傳感器。加熱筒直徑5cm、長24.5cm，再擠下4根U型加熱管，實際容積不到300ml，因此水流可以迅速升溫，實現“即熱即用”。

筒身上安裝溫控開關，型號為KSD307，作用是超溫斷電，動作溫度98℃。為確保溫控開關底部與加熱筒有效接觸，接觸面處涂有導熱膏（硅脂），以減小熱阻。溫控開關內部有一塊硬幣大小的圓形雙金屬凹凸片，凹凸間距約為1mm，凸面緊貼著開關的金屬底面，超溫時該雙金屬片凹凸翻轉，中心點上可產生2mm的行程，推動傳遞桿將開關的導電梁從觸點上頂開，從而切斷電路。動作后需要手動復位。

超溫可以發生在筒內滿水、缺水甚至無水三種狀態下，熱量通過水、水蒸氣或筒體頂部傳遞到筒身，筒身上部溫度最快升高，因此溫控開關也安裝在偏上部。據此分析，這類熱水器應豎直安裝。

加熱筒進水管上安裝的器件是可控硅，型號為TC35C60，這是用于恒溫控制的關鍵器件。該器件滿載導通電流18A時壓降約1V，耗散功率近18W，因此需要有效散熱。液態水的導熱系數約為0.59W/（m·K），空氣僅為0.026W/（m·K），因此將其安裝在進水管壁上，能充分利用流動的冷水散熱。

（二）控制電路板

電路板有兩塊，一塊為主電路板，直接固定在機殼上，另一塊是顯示及操作電路板，固定在前面板上，二者之間用一根多股排線連接。經查閱資料、對比實物，忽略一些電路細節，可以整理得到電路的邏輯框圖如下。

首先分析加熱管電路，加熱管的通斷使用了繼電器，實現強電弱電隔離。第二路中可控硅器件也直接串聯在加熱管電路中，因此通過一個光耦器件來實現電氣隔離。光耦通過“電光電”的二次轉換，將單片機的控制信號送往可控硅。

其次是單片機控制電路。廠方為了保密，單片機的型號標識已被擦除，但并不影響對電路的分析。單片機的輸入信號包括進水流量、進水溫度、出水溫度，由相應的傳感器電路負責提供。單片機的輸出控制信號包括兩路繼電器、一路可控硅。單片機另用多個I/O連接顯示屏、蜂鳴器、E2PROM存儲器、操作按鍵等電路。

此外，還有電源電路、漏電保護電路、過零檢測等電路。

（三）外殼及附配件

外殼采用ABS塑料，銘牌上寫明IPX4級防水，其含義是“防濺型，受任意方向的水飛濺無有害影響”，前蓋、后蓋采用套合設計，電源線、進出水管這3處開孔處，也均設置了防水皮圈。廠家的網上廣告上有防濺測試視頻，幫助消費者樹立安全信念。

隨機配件有防電墻、進水調節閥和安裝配件。進水調節閥接在進水管前，用以控制最大進水量，避免水量太大時達不到設定出水溫度。

三、加熱管電路分析

（一）檔位機加熱電路控制方式

檔位機設四根加熱管，功率為兩根1.7kW，兩根2.3kW，利用四個繼電器分別控制，可以組合出1.7-8kW共8種功率組合，對應8個檔位，以適合不同的溫度需要。

（二）恒溫機加熱電路控制方式

恒溫機也有四根加熱管，每根2kW，分2組接線，每組4kW，第一組用繼電器控制負責“粗調”，第二組用繼電器加雙向可控硅串聯控制負責功率“細調”。可控硅是一種大功率半導體器件，改變導通角就能控制電流，實現0-4kW之間的任意功率分配。兩組結合起來就能實現0-8kW的任意功率值輸出。

（三）可控硅控制原理

理解可控硅控制的工作原理，可以看懂電路更多設計細節。雙向可控硅是一種多層半導體器件，相當于一個特殊的開關，其特點為“觸發導通、通后保持、斷電才關”， T1、T2電極串聯在加熱管電路中，觸發信號由單片機輸出，通過光耦隔離后加載到門極G。

可控硅觸發導通后，即使移除觸發信號，器件也能保持導通狀態，直到斷電后才截止，等待下次觸發。斷電利用了交流電源50Hz正弦波的“過零”，在半個周期（角度π、時長10ms）中，設t1和t3是頭尾兩個“過零”時刻，t2為某個加載驅動信號的時刻，那么從t2到 t3之間的角度就是導通角，只要改變導通角的大小（0π），就能控制導通電流，從而實現0-100%間的任意功率分配。單片機在 t1時刻采樣到過零信號，啟動計時，延時到t2時發出觸發信號。導通角大小及其計算周期，需要依據復雜的自動控制理論來確定。過零信號來自電源變壓器次級電壓，經整流整形后，送入單片機作為同步控制信號。

測試時用邏輯分析儀采集各路信號，測試條件為進水溫度26℃、預定恒溫50℃的。啟動后，觀察到單片機先后接通兩組繼電器，可控硅進入較大導通角狀態，占空比（DutyCycle）為85.3%。

（四）超溫保護電路

超溫保護電路有兩組：第一組用溫控開關，防止異常高溫。第二組超溫保護是“高水溫保護”，保護值一般設為60℃，由單片機軟件負責控制。，一旦超溫，切斷加熱管電路，給出顯示和聲音提示，當溫度回復到設定值以下時，自動恢復正常恒溫控制。測試時，當水溫大于60℃時，觀察到單片機切斷兩路繼電器、關閉可控硅觸發信號，同時蜂鳴器產生3次90ms長的短促報警聲。

恒溫機用到了溫度傳感器、流量傳感器、電流互感器、溫控開關等多種傳感器。其中溫控開關既是傳感器也是控制器。電流互感器用于漏電保護。這里介紹溫度傳感器和流量傳感器的原理及技術。

水溫傳感器用NTC熱敏電阻，NTC即負溫度系數。這類傳感器以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。溫度低時，這些氧化物材料的載流子（電子和空穴）數目少，所以其電阻值較高。隨著溫度的升高，載流子數目增加，電阻值降低。溫度傳感器的電阻值需要經單片機AD轉換后，變成電壓，再轉換成溫度值才能用于運算、控制、顯示。

水流傳感器的內部結構，從頂部往下看，在圓柱形內部空間里，安放一個葉輪，葉輪上套有磁環，然后用頂蓋密封，頂蓋有一凹槽，正好嵌入霍爾器件，使磁環與霍爾器件間距小于3mm。水流驅動葉輪轉動，利用霍爾效應，元件感應到磁極信號變化，輸出電信號。霍爾效應是指當有電流流過半導體薄片時，在垂直于電流I和磁場B的方向上將產生電動勢的現象。器件型號為W12，內部集成了霍爾元件及信號處理電路，包括參考電壓、放大器、施密特觸發器和驅動輸出三極管，能直接輸出已整形的脈沖方波。

四、溫度控制電路

按照自動控制理論，典型的溫度控制一般使用PID模擬控制，即“比例（P）-積分（I）-微分（D）”，其中r（t）是給定值，y（t）實際輸出值，偏差e（t）=r（t）y（t），偏差值經PID運算并線性組合后，形成控制量u（t），對被控制對象進行控制。

比例控制是根據誤差大小成比例地輸出控制量，使被控量朝著誤差減小的方向變化，控制量的大小取決于比例系數Kp。假設設定溫度為40℃，比例帶寬為20℃，當出水溫度在30℃以下控制器滿功率輸出，50℃以上零輸出，兩者之間則按比例控制。理論上，比例控制就可以實現恒溫效果了。

但比例控制無法解決靜態誤差（也叫靜差或穩態誤差）問題，因此引入積分控制，對靜差進行記憶、積分，產生控制量向減少靜差的方向調節。積分控制需要對前幾次誤差采樣積分后再產生控制信號，因此存在較大的滯后性，因此再引入微分控制。微分反映的是誤差的變化趨勢（變化速率），從而及時產生控制量。實際系統中溫度值是采樣獲得的離散值，積分和微分項需要進行離散化處理。

另一種廣泛應用的自動控制器是模糊控制器，非常適合于即熱式熱水器。研究表明，模糊控制對于非線性及時變等不確定系統有較好的控制作用。模糊控制器的控制過程為：輸入信號經模糊化接口處理后，由推理機調取數據庫和規則庫存儲的邏輯，運用數據矢量按相關規則求解模擬方程，獲得模糊控制量，再通過解模糊接口轉換成控制電信號。其中，數據庫中存放各輸入輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值，規則庫存放控制規則，這些規則是通過專家及經驗來定義的。在俞紅杰的對比測試中，模糊控制在到達穩態時間、控制精度及抗干擾能力等指標上都優于PID控制模式。

五、安全技術設計

安全是用戶選擇的首要考慮。如果加熱管破裂、穿孔，管內電熱絲就與水接觸，造成水體帶電。即熱式熱水器采取以下多項措施保障安全用電。

（一）接地裝置和漏電保護器

規范的配電環境是安全使用的著道屏障，包括接地系統和漏電保護器。熱水器電源線中的地線必須與入戶地線可靠連接，漏電保護器應每月按一次測試按鈕檢測有效性。即熱式熱水器功率大，應配置40A斷路器，鋪設至少4mm2電源專線。

（二）漏電檢測電路

熱水器內部有專門的漏電保護電路，電源進線（相線和零線，不包括地線）上套有一個互感器，且在互感器上纏繞一圈作為初級線圈，互感器次級線圈有一千多匝。如出現漏電，相線與零線的電流不一致，產生磁感應，次級感應出電壓，經CS54123芯片電路放大處理后，由單片機控制熱水器斷開繼電器。在模擬漏電測試中，觀察到單片機在77毫秒后關閉2路繼電器和可控硅的觸發信號，產生聲音報警信號和故障代碼顯示。

（三）防電墻

防電墻實際上是一段絕緣水管，通過水體本身的電阻對漏電電流進行衰減。為達到足夠的長度，一般內部設計為螺旋管道，這種管道的使用具有很好的可靠性。

本文介紹了即熱式熱水器的一些主要技術，限于篇幅，許多細節未分析到。隨著技術、理論的創新和發展，即熱式熱水器必將會朝著更可靠、更安全、更智能的方向發展。

參考文獻：

[1]秦臻.傳熱學理論及應用研究[M].中國水利水電出版社，2016.

[2]吳永橋，施光林，金康進.新型恒溫即熱式電熱水器控制系統的研究與開發[J].傳感技術學報，2004， 17（4）：683687.

[3]徐科軍.傳感器與檢測技術第2版[M].電子工業出版社，2008.

[4]胥布工，莫鴻強，謝巍.自動控制原理[M].電子工業出版社，2016.

[5]俞紅杰.即熱式電熱水器模糊溫度控制器的研制[D].浙江工業大學，2005.

作者簡介：沈真真（2000），女，浙江海寧人，嘉興市第一中學高三學生，對即熱式電熱水器的結構和原理進行了專門的研究。