一種快速水加熱裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水加熱裝置及其控制方法，尤其涉及一種快速水加熱裝置及其控制方法，適用于高端智能坐便器、快速加熱型小廚寶以及淋浴器等即時(shí)水加熱裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技發(fā)展和生活水平的提高，快速加熱型小廚寶、淋浴器及智能溫水坐便器開(kāi)始逐步進(jìn)入國(guó)內(nèi)普通家庭。在快速水加熱裝置導(dǎo)入應(yīng)用前，傳統(tǒng)的水加熱方式為水箱儲(chǔ)熱加熱方式。其典型結(jié)構(gòu)一般包括:一個(gè)很大的儲(chǔ)熱水箱I (容量通常大于600ml)，一個(gè)水箱中的加熱元件2，水箱底部有進(jìn)水口 3，水箱上方有出水口 4，出水口 4有水位開(kāi)關(guān)5和出水溫度傳感器6，如圖1所示。其工作原理為，先打開(kāi)進(jìn)水口 3，將冷水注入儲(chǔ)熱水箱1，水位開(kāi)關(guān)5指示水滿(mǎn)后停止注水。然后加熱元件2對(duì)水箱中的冷水加熱，待水溫到達(dá)設(shè)置溫度后停止加熱。當(dāng)儲(chǔ)熱水箱I中的水冷卻時(shí)，再次開(kāi)啟加熱，水溫到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)再次關(guān)閉加熱，如此循環(huán)往復(fù)。當(dāng)需要使用熱水時(shí)，開(kāi)啟進(jìn)水管，向水箱中注入冷水，冷水把水箱中熱水向上從出水口推出，用戶(hù)在短時(shí)間(10?60秒)內(nèi)在出水口得到溫度相對(duì)穩(wěn)定的熱水。
[0003]市場(chǎng)上典型的快速水加熱裝置一般包括:一個(gè)加熱水箱殼體100 (容量通常小于30ml)，水箱有一個(gè)進(jìn)水口 101和一個(gè)出水口 102 ;—個(gè)或多個(gè)加熱元件200，發(fā)熱功率通常大于1000W，一個(gè)串聯(lián)在水路中的流量計(jì)300，一個(gè)串聯(lián)在進(jìn)水水路中的進(jìn)水溫度傳感器400，一個(gè)安裝在加熱水箱100后的出水溫度傳感器500，一個(gè)串聯(lián)在500后的緩沖水箱600 ;一個(gè)裝在緩沖水箱600上或后面的第二出水溫度傳感器601，一套單回路加熱的控制板，如圖2所示。其工作原理為:需要熱水時(shí)，冷水從進(jìn)水口 301流經(jīng)流量計(jì)300，進(jìn)入加熱水箱100，水流從加熱元件表面流過(guò)，在這過(guò)程中加熱元件對(duì)水流即時(shí)加熱，加熱過(guò)的水從出水口流出。其中加熱元件的輸出功率由控制驅(qū)動(dòng)電路板根據(jù)流量計(jì)、進(jìn)水溫度傳感器、出水溫度傳感器的信號(hào)以及設(shè)定的目標(biāo)溫度，計(jì)算得出；并隨時(shí)根據(jù)流量、溫度信號(hào)的變化調(diào)整加熱元件功率，使出水溫度快速響應(yīng)流量、溫度的變化，并控制在一定的精度范圍內(nèi)。
[0004]快速水加熱裝置由于只在使用時(shí)才加熱，不需要熱水時(shí)不對(duì)水箱中的水加熱保溫，因而更節(jié)能；由于沒(méi)有適合細(xì)菌滋生的儲(chǔ)熱水箱，因而更衛(wèi)生；由于能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)提供穩(wěn)定的溫水，因而沖洗更舒適；由于占用體積遠(yuǎn)小于儲(chǔ)熱水箱，因而終端產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可以更緊湊，更小巧更美觀(guān)。鑒于這多方面的優(yōu)勢(shì)，快速水加熱裝置是所有含水加熱功能的產(chǎn)品的發(fā)展方向和核心部件。
[0005]在現(xiàn)有的快速水加熱裝置控制技術(shù)中，流量計(jì)是必不可少的元件?？焖偎訜嵫b置是對(duì)流過(guò)加熱元件的水流進(jìn)行實(shí)時(shí)加熱；加熱元件的功率很大；加熱元件及加熱腔體對(duì)熱量的傳導(dǎo)有滯后性；溫度傳感器的溫度信號(hào)也有滯后，往往不能及時(shí)反應(yīng)溫度的快速變化(坐便器中常用的快速響應(yīng)溫度傳感器一般需要3?5秒后才能感知溫度變化的63% )。在應(yīng)用中，流量、進(jìn)水溫度，及兩個(gè)出水溫度的信號(hào)稍有變化，就必須對(duì)加熱功率作出及時(shí)的、乃至前瞻性的調(diào)整，確保出水溫度在可接受的范圍內(nèi)。否則水溫會(huì)失控，過(guò)冷或過(guò)熱的水流接觸人體后，會(huì)導(dǎo)致用戶(hù)的不舒服，甚至引起驚嚇、燙傷事件(日本新聞曾報(bào)道某著名智能坐便器品牌發(fā)生水流燙傷用戶(hù)下體，住院治療幾周的事件)。
[0006]在這樣的快速水加熱裝置中，其進(jìn)水流量還會(huì)因?yàn)樗磯毫Φ淖儎?dòng)而突變，如果沒(méi)有快速反應(yīng)的流量計(jì)和性能可靠的控制軟件，出水溫度將失去控制。例如，當(dāng)裝置的流量在700ml/min，進(jìn)水溫度為5°C，出水溫度已穩(wěn)定控制在40°C時(shí)；用戶(hù)的鄰居突然打開(kāi)了一個(gè)大流量的水閥，導(dǎo)致附近管路的動(dòng)壓短暫下降，從而使裝置的流量在0.5秒內(nèi)從700ml/min下降到300ml/min。這時(shí)由于進(jìn)水口的水溫沒(méi)有發(fā)生變化，水箱中的水溫雖已開(kāi)始升高，但溫度升高的水還沒(méi)流到出水口，出水口的溫度傳感器信號(hào)也還沒(méi)有發(fā)生變化(即使出水溫度發(fā)生了微弱變化，溫度傳感器也要在數(shù)秒后才能感知63 %的溫度上升)，控制電路板不會(huì)對(duì)發(fā)熱功率做出調(diào)整，因而加熱元件還在以原先的功率加熱，下一秒鐘出水口溫度將飆升到70°C以上。由此可見(jiàn)，為了保持出水溫度的精準(zhǔn)，一個(gè)反應(yīng)及時(shí)，信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)可靠的流量計(jì)在傳統(tǒng)的快速水加熱裝置中是一個(gè)必不可少的部件。
[0007]此外，在現(xiàn)有的快速水加熱裝置控制技術(shù)中，進(jìn)水溫度傳感器是必不可少的元件。智能坐便器行業(yè)對(duì)水加熱的出水溫度有時(shí)間響應(yīng)的要求，要求用戶(hù)進(jìn)行相關(guān)操作后，8秒左右就能出水，同時(shí)水流的水溫已到達(dá)用戶(hù)的設(shè)定溫度。相應(yīng)的水加熱裝置必須在8秒以?xún)?nèi)將進(jìn)水溫加熱到設(shè)定溫度，并保持穩(wěn)定。為了快速達(dá)到設(shè)定的水溫，必須在剛開(kāi)始加熱時(shí)就選擇一個(gè)合適的加熱功率，這個(gè)功率需要由進(jìn)水溫度，流量，出水溫度、目標(biāo)溫度決定。因此，進(jìn)水溫度傳感器是使出水溫度在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)設(shè)定值的重要保障，必不可少。
[0008]在現(xiàn)有的快速水加熱裝置控制技術(shù)中，加熱水箱100后的緩沖水箱600或緩沖水路是提升性能的優(yōu)化選擇。由于溫度傳感器相對(duì)于加熱系統(tǒng)的大滯后性，出水傳感器500總是要在水溫平穩(wěn)后數(shù)秒才能感知到真實(shí)的水溫，無(wú)法準(zhǔn)確感知短時(shí)間內(nèi)快速變化的出水溫度。從而導(dǎo)致控制滯后，出水溫度上下震蕩，超出用戶(hù)能接受的變化范圍。因此在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在加熱水箱后放置一個(gè)緩沖水箱或緩沖水路，對(duì)震蕩的水溫做溫度緩沖處理也是必須的。
[0009]在現(xiàn)有的快速水加熱裝置控制技術(shù)中，裝在緩沖水箱600中或之后的第二出水溫度傳感器601也是提升性能的優(yōu)化選擇。從微觀(guān)上看，一股大的水流總是由多股不同流速、不同粗細(xì)，不同溫度的細(xì)小水流和紊流組成。一般而言，安裝在水道中的溫度傳感器由于只能接觸到部分小水流，因此對(duì)應(yīng)的傳感器溫度信號(hào)只能反應(yīng)部分小水流的平均溫度，并不能真實(shí)地反應(yīng)快速流動(dòng)的整體水流的實(shí)時(shí)溫度。
[0010]在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于溫度傳感器本身有尺寸公差，在安裝時(shí)還有安裝誤差，不同的溫度傳感器個(gè)體之間不可避免地存在信號(hào)誤差；同時(shí)，由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，溫度傳感器感應(yīng)點(diǎn)周?chē)目臻g結(jié)構(gòu)不是對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)的，感應(yīng)點(diǎn)周?chē)鱾€(gè)方向的水流粗細(xì)、速度都是不同的，溫度信號(hào)反應(yīng)的是傳感器桿體傳遞的外部環(huán)境溫度和內(nèi)部水流溫度的總和，因而在不同的流速、水溫、環(huán)境溫度下，感應(yīng)到的水溫度可能會(huì)比實(shí)際水溫偏高或偏低。相對(duì)而言，加熱器后的緩沖水箱600有比較大的容量，水在其中的流速較慢，溫度傳感器的感應(yīng)點(diǎn)周?chē)舷伦笥仪昂蟾鱾€(gè)方向的水溫是基本相同的，周?chē)疁夭粫?huì)快速變化；傳感器的桿體也可充分浸泡在水箱中，減小了外界溫度的影響；從而感應(yīng)到的溫度比較真實(shí)。因此，在典型的設(shè)計(jì)中，常在緩沖水箱中或緩沖水路中增加一個(gè)溫度傳感器，用來(lái)校正出水溫度的偏差。
[0011]綜上所述，傳統(tǒng)的快速水加熱裝置是一個(gè)傳感器眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度控制精度高，反應(yīng)快速的裝置。它對(duì)零部件的質(zhì)量要求高，尺寸公差要求高，生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)安裝的工藝要求高，對(duì)軟件的算法要求高；裝置的可靠性，一致性比較難控制，任何零件、安裝的誤差都可能導(dǎo)致整個(gè)裝置的質(zhì)量問(wèn)題。
[0012]由于國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商起步較晚，對(duì)技術(shù)不夠重視，研發(fā)投入有限，目前都沒(méi)能完全掌握此核心技術(shù)。國(guó)內(nèi)大部分產(chǎn)品還是水箱儲(chǔ)熱式加熱方式，高端的快速水加熱裝置的技術(shù)主要壟斷在在以松下、東陶為代表的少數(shù)外資高端品牌手中，少數(shù)國(guó)產(chǎn)高端產(chǎn)品直接采用了韓國(guó)廠(chǎng)商提供的快速水加熱裝置。這種狀況嚴(yán)重阻礙了國(guó)產(chǎn)高端水加熱產(chǎn)品的技術(shù)升級(jí)和市場(chǎng)普及。
[0013]現(xiàn)有快速水加熱裝置及其控制方法的缺點(diǎn)如下:
[0014]1、裝置上的傳感器多，裝置整體的可靠性差
[0015]由于使用了 I個(gè)流量計(jì)和3個(gè)溫度傳感器，每一個(gè)零件都有其自身的信號(hào)誤差，安裝誤差，尺寸公差，導(dǎo)致裝置的累計(jì)公差大，信號(hào)的不確定因素多，軟件控制算法復(fù)雜，從而影響裝置的整體可靠性。同時(shí)從使用行業(yè)使用經(jīng)驗(yàn)看，頻繁地因?yàn)榱髁坑?jì)堵轉(zhuǎn)、破損，溫度傳感器偏差失效等器件問(wèn)題導(dǎo)致快速水加熱裝置無(wú)法正常工作。從某外資高端智能坐便器品牌的售后投訴看，因水加熱裝置故障產(chǎn)生的用戶(hù)投訴占到了總投訴的30%以上。
[0016]2、出水溫度精度差
[0017]由于溫度傳感器本身有土1°C左右的信號(hào)誤差，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)還有安裝誤差、流量變化、外界環(huán)境熱傳遞等因素帶來(lái)的誤差影響；因此，雖然某些高端品牌的產(chǎn)品能在流量平穩(wěn)時(shí)，將一段時(shí)間內(nèi)的出水溫度的波動(dòng)控制在±0.5°C以?xún)?nèi)，但其出水的絕對(duì)溫度值還是很難控制在設(shè)定值的±2°C內(nèi)。即在設(shè)置了同樣設(shè)定溫度，工作在不同流量、環(huán)境溫度下的兩個(gè)產(chǎn)品，最終的出水溫度差異可能達(dá)到4°C甚至以上。為了消除這種溫度不準(zhǔn)的不良影響，現(xiàn)有智能坐便器產(chǎn)品一般不告知用戶(hù)當(dāng)前的出水溫度是多少，而是設(shè)計(jì)了一個(gè)可以調(diào)節(jié)溫度的人機(jī)界面，讓用戶(hù)在對(duì)水溫不滿(mǎn)意時(shí)，可以自主地選擇低檔溫度、中檔溫度、高檔溫度，從而避免用戶(hù)質(zhì)疑與投訴。
[0018]3、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以進(jìn)一步縮小體積
[0019]由于使用了 4個(gè)傳感器，及其相關(guān)的各種密封、固定結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)、通信線(xiàn)布線(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜，裝置外形不規(guī)則，快速水加熱裝置的體積難以進(jìn)一步縮小，不利于終端產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)布局。
[0020]4、目前傳統(tǒng)的水加熱裝置普遍存在加熱水箱內(nèi)及加熱元件上容易結(jié)水垢，因而縮短使用壽命的缺點(diǎn)。水垢在加熱元件上堆積后會(huì)影響熱量的傳遞效率，使得加熱元件內(nèi)部溫度升高，加熱元件內(nèi)外溫差升高。加熱元件上的部分水垢在加熱開(kāi)啟、停止的切換過(guò)程中，受到冷熱溫度沖擊，會(huì)從加熱元件上一塊塊地剝落，加劇了加熱器表面的散熱不均，表面不同區(qū)域溫差大。加熱元件在升高的內(nèi)外溫差，表面不同區(qū)域的溫差及冷水沖擊下，容易因熱應(yīng)力而引起加熱元件斷裂，從而縮短裝置的使用壽命。另一方面，從加熱元件表面剝落的較大塊的水垢也容易堵塞流路，同樣造成裝置的快速失效。
[0021]5、目前市場(chǎng)上的部分快速水加熱裝置不能有效地排除水中的氣泡，氣泡往往吸附在加熱元件表面，或在加熱元件表面不規(guī)則移動(dòng)，因而造成加熱元件表面溫度不均勻，造成水流溫度的忽高忽低；同時(shí)還產(chǎn)生熱應(yīng)力，加速加熱元件的失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種快速水加熱裝置及其控制方法，能夠大大簡(jiǎn)化快速水加熱裝置結(jié)構(gòu)，并提高溫度控制精度和反應(yīng)速度，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)，且兼容性更好。
[0023]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是提供一種快速水加熱裝置，包括水箱殼體，所述水箱殼體上設(shè)有進(jìn)水口和出水口，所述水箱殼體內(nèi)設(shè)有加熱元件，所述加熱元件和加熱控制板相連，所述水箱殼體上靠近出水口處設(shè)有出水溫度傳感器，其中，所述水箱殼體上出水口處設(shè)有整流腔，所述出水溫