專利名稱：電腦定溫熱水器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種使用可燃氣體特別是煤氣為燃料的熱水器。
熱水器的發展與改進，至目前為止可分為三階段，初期系以火柴點火，然后因水喉開啟，煤氣大量噴出而加熱，產生熱水流出。中期改進以壓電晶體受撞擊而點火以取代火柴，后期則改進為電子高壓連續點火。
綜觀以上之演變，均系在如何點燃火種方面，而對于如何使流出之熱水溫度與流量穩定方面，則三十年來無所改善。目前熱水器煤氣進氣量僅能設定為大、中、小三種，無法使流量大小自動調整，因而產生下述兩種常見于使用中的缺點1.水少火大時，熱水管內產生蒸氣，使爐火自動熄減，熱火管在流出高熱度熱水后，直接流出冷水。
2.當水喉熱水流量調小(約為每分鐘4公升以下)時，便無熱水流出。這是因為設定有最低流量，以防熱水器因水少火大而燒毀。
本實用新型的目的是針對上述現有技術的缺點而設計一種利用電腦自動控制水溫的熱水器，使其在水多時則火大，水少時則火小，熱水完全控制在使用者所需要的一定溫度，無時冷時熱的缺點，也無最低流量的限制。
本實用新型的目的可以通過以下措施來達到；一種使用可燃氣體特別是煤氣為燃料的熱水器，其特征在于它有包括進水探知裝置，水溫測定裝置，煤氣進氣調節裝置，主控電路及操作流程硬件的水溫自動控制裝置。
本實用新型的目的還可以通過以下措施來達到，其進水探知裝置有包括活動隔膜，收縮口，本體外罩及內部承壓盤所構成的文氏管結構(即水盤)及進水開關壓指。水溫測定裝置包括溫度選定板和溫度探測器。煤氣進氣調節裝置包括進氣閥、彈簧、防漏墊圈、蝸輪及蝸桿，觸控開關和電動機。主控電路的交變電源經變壓和橋式整流后，經過開關S1、二極管D、然后分為兩路，一路經L4進入程序(Black Box)，經過L5而構成一回路，另一路供給S4、S5電源后經R1而構成另一回路。
附圖的圖面說明如下
圖1煤氣進氣與進水控制剖面圖。
圖2煤氣氣門結構及電路示意圖。
圖3水溫探測電路與主控電路圖。
圖4操作程序流程圖。
圖5操作程序硬件結構圖。
本實用新型下面將結合附圖作進一步詳細描述本實用新型分四部份(一)進水探知部份，(二)水溫測定部份，(三)煤氣進氣調節部份，(四)電路及程序部份。前二者均屬探知裝置，是將冷水流入和熱水溫度經由這兩個部份轉換為電信號，傳入微電腦。經過電腦程序判斷后，使煤氣進氣部份自動調整，增減火力大小，保持水溫為所設定之溫度。流量大則火力強，流量小則進氣減。未達設定溫度則進氣增加，超過設定溫度則進氣減少。故能不因流量變更而始終保持一定溫度。因為，火力的大小是跟隨進水量而變化，所以不必將最低流量限制為4l/min.。又當流量為零時，煤氣氣門完全封閉，進氣量亦等于零。故雖然此時若總氣門失靈未關閉，亦不至造成災害。
并將各部份詳細結構，分別說明如下(一)進水探知部份請參閱
圖1及圖2，1為進水管，冷水經此管流入，20為冷水出水管，冷水經管20上行至熱交換器。活動隔膜2，收縮口18與本體外罩17及內部承壓盤3共同構成一個文氏管(Venturi tube)結構，即俗稱之所謂水盤。由于活動隔膜2使水盤分隔為不通的上下兩室，因進水管之管徑大，收縮口的口徑小，故冷水經管1，過收縮口18，經管20流向熱交換器時，承壓盤3便因上下兩室壓力不能平衡而向上運動。上下兩室壓力差之關系，可用伯諾利定理(Bernouli’s theorem)闡明，茲略述如下設A1為管1的斷面積，A2為收縮口的斷面積，P1，P2分別表兩者之壓力。V1，V2分別表兩斷面積處之流速。Z1，Z2分別表二者的位置高度，H為以位能表示之總水頭，其關系可以下式表之為P1γ+V122g+Z1=P2γ+V122g+Z2=H---(1)]]>上式中r為水的密度等于1，Z1＝Z2，故式1可簡化為V22-V12＝2g(p1-p2)(2)設管1直徑為12.7mm。收縮口18直徑為5mm。
流量50cc/sec。
承壓盤3直徑為60mm。則承壓盤所受之總壓力p為P=(P1-P2)(62)2π=(254.62-39.522×980)(62)2π=912.4g]]>由上式之結果可知承壓盤是否能向上運動，開啟總氣門6，全視總氣門6所受其上方彈簧壓力之大小而定。如彈簧壓力為300g則流量可低至30cc/sec.(1.8l/min.)便有足夠之力使總氣門向上開啟。
請參閱圖2.27為進水開關壓指，推桿4被承壓盤3推動上升時，壓指27亦跟隨上升，其下方所壓制的彈片向上接通一電門開關。此開關即為圖3中的S1，故有冷水流入時，S1為ON，無水流進時為OFF。
(二)水溫測定部份請參閱圖2左半部，35為溫度選定板，供使用者作為選定所需水溫之用。自選定板之左旁開始，以順時鐘方向，即30℃起，依次至距離162°處可得溫度至75℃。換言之，即被控制之水溫下限范圍為30～75℃。在30°至70°各個直徑方向相對位置可讀得35°至75°。此即為水溫的上限范圍。由旋轉中心把手以直徑之兩端接通圓周上之兩端點，可得相差為5℃之一對數字，因知溫度下限與上限之間溫差為5℃。水溫選定板上各端點每點均有一線，連接至溫度探測器32。按溫度高低之不同，分別連結不同之電阻，在圖3中分別以下限VR11及上限VR21表示。由于本節所述之水溫選定板裝置可知，轉動中心把手便可選定不同的水溫上下限。
在圖2中，電源由變壓器31輸入，經變壓為12V后分兩路線輸出。其一輸往電路板30上的主控電路，另一線路則輸往水溫探測器32，作為供給探測器操作所需的電源。探測器內部之電路，請參閱圖3之下半部。
圖2中，26為熱水管；冷水流過熱交換器后，經熱水管26流往水喉。故探測該處管內的熱水溫度，即可表示熱水由水喉流出時之溫度(流經管線中之溫度損失不計)。探測器32有兩支探針插入熱水管內，熱水管外包一層隔熱材料，水溫經由探針分別傳至水溫下限組與上限組電路。經電路內IC判斷后，其信號分別經由S2、S3兩線傳送至電路板30上之主控電路。
請參閱圖3，探針將水溫傳送入IC1，設Rs表IC1中因水溫變化而產生的電阻，Rs與水溫t之間的關系為t∽Rs；設輸入之電壓為Vo、VA表圖3中A點之電壓，則為VA=Vo(RsVR11+R11+Rs)]]>式中VR11及R11均為定值。因溫度既經選定之后，其阻值即不變，故VR11可視為常數。但對于不同的Rs應有不同的VR11之值。故此處設計要點應使R30VR30+R11+R30=R40VR40+R11+R40······=R75VR75+R11+R75<VIC.]]>Vo為輸入電壓不變，則得Rs愈大時，VA之值亦愈大。IC2為一電壓位準偵測器(Voltage level Detector)，其功能在偵測A點之電壓。并將A點之電壓VA與IC2本身所產生的參考電壓VIC比較。若VA＞VIC時，D點便產生一個高電位電壓。經過R13、R14之調整，在C點產生一偏壓足使電晶體Q11導通，使S2由高電位變為低電位。換言之，S2可以指示出水溫變化的情況，在水溫未達設定下限溫度以前S2為ON。反之，水溫達到設定溫度時S2為OFF。
同理在圖3底部水溫上限電路中，在R25與Q21以前與上限電路R15與Q11之前完全相同。唯僅在Q21與R25之后，增加R27、R26與Q22電路。當Q21未導通之前電流經R25、R26加偏壓于Q22，使S3為低電位。但當Q21導通之后電流則通過R25與Q21，Q21則不通，使S3為高電位。換言之，當水溫未達設定上限時，S3為OFF狀態，水溫達到上限時S3則為ON。
(三)進氣調節部份請參閱
圖1與圖2，煤氣經進氣管5流入，過總氣門6，若總氣門未向上開啟，則煤氣因上部有阻塞7，而留滯于進氣管5，不能前進。若水盤內有水流動，壓力達到大于彈簧壓力時，總氣門6即向上移，煤氣由管5流入管道15，經管道13，過孔12，入管道11及管道8至噴嘴9噴出。立即與空氣混合進入燃燒器10。其火焰經在燃燒器上方出口，與空氣二次混合后向上燃燒，使熱交換器(未繪入圖中)受熱。并將熱量傳至經過之水中，冷水溫度因而得以升高。
請參閱圖2，管道22裝置于管道13內，由進氣閥23，彈簧25，防漏墊圈24，與蝸輪14及蝸桿16共同構成一個進氣調節器，進氣閥23右端有螺紋與蝸輪中心孔內之螺紋咬合。蝸輪順時鐘方向轉動使進氣閥向右移動，此時管道15，與管道11便可通過孔12接通。若進氣閥23，緊接于孔12內，如圖2所示，則管道15與11不通，煤氣便不能通過。
由于進氣間23的左端為錐形，進氣閥每向右移2mm，其開啟之面積為孔12全部面積的1/6，向右移動的距離愈大，其開啟的面積亦愈大。單位時間煤氣通過量則愈多。故使小電動機21反轉與順轉便可令進氣閥左右移動，以達到控制煤氣噴出量之大小，從而控制火力之強弱。
進氣閥23右端裝有觸控開關28與29。當進氣閥位在極左端位置時(如圖示位置)，接通一電流，此開關即為圖3中的S4。反之，若在極右端所接通之開關在圖3中即為S5。因此，氣閥關閉S4為ON，氣閥開啟S4為OFF。另就S5而言，氣閥關閉與開啟均為OFF，但當氣閥開啟至極限時則S5為ON。因知S5是一種保護裝置。
圖1與圖2中，19與24均為防漏墊圈，目的在防止煤氣逃漏，以確保安全。
(四)電路與程序部份(A)主電路部份請參閱圖3上半部110V或220V電源經變壓為12V，再經一橋式整流，而成為12V直流電。經開關S1，二極管D，然后分兩路，一路以L4進入程式(即圖中之Black Box)，過L5而構成一回路，另一路供給S4、S5電源后經R1，而構成另一回路。
在Black Box之程序會在需要的時候，供給L1、L2及L3電壓，當L2為高電位時Q1、Q3的道林頓結構(Duxlinton Conbination)及Q5均導通使電流經L6、R4、D2進入電動機，電動機即順轉。使瓦斯氣門開啟。(參閱圖2及第三節)。同時，電流另一路過R3導通Q8與Q9，電流即可通過線圈CL及感應線圈T2圖2中34，感應線圈T2的作用是使通過線圈的低電壓(12V)變成2000V以上的高壓輸出。由尖端放電產生火花，以點燃煤氣。線圈CL為一電磁鐵圖2中33，電流通過時將產生火花的部份吸引至煤氣的噴出口，以便有效地點燃煤氣。因這兩個部份僅跟隨電動機順轉需要加溫時，才會有動作。電動機反轉或電動機停止時，該二部份則無動作，僅停止于火焰區的范圍之外。使尖端放電裝置不至燒壞。
當L3為高電位時，Q2、Q4及Q6導道，電動機反轉，使瓦斯氣門收縮或關閉。以使火焰減小或熄減。是故，程序適時使L2或L3變成高電位或低電位，便能控制火焰之大小。從而使水溫保持在上限與下限之間。
(B)程序部份在未開始說明程序的操作之前，請讓我們重溫一下前述五個信號來源的情況。茲簡明羅列于后S1指示冷水進入的情況，有水流入時為ON，水停止時為OFF。
S2熱水溫度達到設定下限時為OFF，未達為ON。
S3熱水溫度未達設定上限時為OFF，已達為ON。
S4煤氣氣門封閉時為ON，開啟時為OFF。
S5煤氣氣門封閉或開啟未達極限為OFF，已達極限為ON。
請綜合參閱圖4之程序及與程序配合之圖5硬件設計。START表示熱水水喉開啟，冷水開始流入熱水器，S1-1。接下去L1-1，請參閱圖3主電路，L1為高電位時Q7導通，電路L6與L9構成一個超越S1的By-Pass。因為在本程序中當S1由ON變為OFF時，程序的操作并沒有完成。故必須有此一傍路繼續供給電源，以完成S1變為OFF之后的工作。L2＝L3＝0表示此時電動機M在停止狀態。并立即檢驗S1的狀態若S1＝1為「真」(YES)，則進一步便應檢驗S2，當水喉初啟的時候，水的溫度當然未達設定下限，S2＝1，故此時檢驗S2＝1為「真」(YES)。再進一步檢驗S5＝1，依上述S5的性質可知其檢查結果必為「否」(NO)。于是可進一步使L2＝1，即是令電動機M順轉，開啟煤氣氣門，并同時點燃煤氣，讓水溫漸次上升。當水溫未達設定溫度下限之前，程序操作僅在
之間周而復始地循環。火焰則繼續不斷增強，水溫則快速升高，直至達到設定溫度下限時，則S2＝0，便立即改變路徑，逕往L2＝0操作，讓電動機停止順轉。此時應予注意的是水溫會否繼續上升至超過上限。故應接著檢驗S3＝1之真偽。若S3＝0則表示水溫既已達到下限亦未超過上限。符合使用者的要求，故循NO線折返L2＝L3＝0，令電動機既不順轉也不反轉，保持現有火焰的大小不變即可。但程序中電流仍在此一循環中繼續不停地監視，若現有火焰過大，或此時水喉關小，使進水量減少，水溫必超過上限，檢驗S3＝1時必為「真」。故程序必循YES線進一步檢驗S4，此時S4必等于1，程序即循YES線操作，使L3＝1，令電動機反轉將火焰減小而降低水溫。如此反覆操作即可將水溫控制在設定溫度的上下限之內。而不至逾越。
在上節的敘述中，有一處必須提出來予以特別說明；即是檢驗S5的操作步驟，看似毫無必要，但它在上述的循環中為一種安全裝置。當熱水器裝用過大的進水管，或過大管徑的水喉時，流出的水量超大或在特別寒冷的環境中，或煤氣氣壓不足，縱使氣門開大至極限亦不足使流出的熱水溫度達到設定下限。若繼續任由馬達順轉，必然會使氣門損壞。故當S5＝1為「真」時，即使未達下限溫度，程序亦將循YES線將馬達停止，以保證煤氣進氣裝置，此時氣門仍保持停留在極限，而水溫則停滯不再上升，如遇這種情況，可知是熱水器本身設計的容量不夠，應換用容量較大的熱水器。
當使用完畢時將水喉關閉S1-0，程序即循NO線操作，先使L2＝0，令電動機停止順轉，然后檢驗S4＝0表示氣門未關閉，應操作L3＝1，令電動機反轉將煤氣氣門漸次關閉，直到S4＝1時，再進至L1＝0，即關閉L1線電路，切斷經過前述傍路供給之電流。在圖4流程圖中，可以清楚看出，當進水開關OFF之后，經S1供給的電流中斷，但其后尚有使電動機反轉的工作要做，故以L1構成傍路供電實有必要。
操作至此，程序已完成一次完全操作，煤氣氣門亦已恢復開始前的關閉狀態。第二次再啟動時，火焰仍是由最小漸次增大。由此即可保證點火時安全，不至因熱水器內積存煤氣太多而引起「氣爆」聲。
由于本實用新型采取了上述的設計，使得它對比現有技術有如下優點1.有水溫探測裝置，輸出信號以供微電腦程序判斷。
2.可跟隨進水量之多寡自動調整火焰大小，保持熱水恒溫。
3.進水量可適應很小的流量，可免除熱水管常出冷水之弊。
4.溫度可以事先設定，不因流量之大小而變更。
權利要求1.一種使用可燃氣體特別是煤氣為燃料的熱水器，包括冷水進水管1、冷水出水管20、熱水管26、煤氣進氣管5、煤氣管8，其特征在于它還有包括進水探知裝置、水溫測定裝置、煤氣進氣調節裝置，主控電路及操作流程硬件的水溫自動控制裝置、所述的進水探知裝置置于熱水器的冷水進水管1與冷水出水管20之間，所述的水溫測定裝置通過其溫度探測器32置于熱水器的熱水管26中，所述的煤氣進氣調節裝置置于熱水器的煤氣進氣管5與煤氣管8之間，所述的主控電路及操作流程硬件聯接進水探知裝置，水溫測定裝置和煤氣進氣調節裝置，組成水溫自動控制裝置。
2.根據權利要求1所述的熱水器，其特征在于進水探知裝置有包括活動隔膜2，收縮口18，本體外罩17及內部承壓盤3所構成的文氏管結構(即水盤)與進水開關壓指27指示冷水流動，并在電腦流程圖中檢驗電信號。
3.根據權利要求1所述的熱水器，其特征在于水溫測定裝置包括溫度選定板35和溫度探測器32，溫度探測器以兩線輸出信號，一線為水溫下限，另一線為水溫上限，上、下限間的溫差可自由選定。
4.根據權利要求1所述的熱水器，其特征在于煤氣進氣調節裝置包括進氣閥23，彈簧25，防漏墊圈19、24，蝸輪14及蝸桿16，觸控開關28、29和小電動機21，小電動機控制蝸輪與蝸桿順、反轉動，并有信號反映氣門開閉情況。
5.根據權利要求1所述的熱水器，其特征在于主控電路交變電源經變壓和轎式整流后，經過開關S1，二極管D，然后分為兩路。一路經L4進入程序(Black Box)，過L5而構成一回路，另一路供給S4、S5電源后經R1而構成另一回路，控制電動機21順轉、反轉，或靜止。
專利摘要本實用新型公開了一種使用可燃氣體尤其是煤氣為燃料的熱水器，其特征是它有包括進水探知裝置、水溫測定裝置、煤氣進氣調節裝置、主控電路及操作流程硬件的水溫自動控制裝置。利用電腦的自動控制，可使熱水保持在設定的溫度下，不受進水量變化的影響。
文檔編號F24H9/20GK2057736SQ8920613
公開日1990年5月30日 申請日期1989年4月7日 優先權日1989年4月7日
發明者彭堉紳 申請人:羅新瑜, 彭堉坤