一種快速水加熱裝置及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發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水加熱裝置。
【背景技術】
[0002]隨著科技發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始逐步進入國內普通家庭。在快速水加熱裝置導入應用前，傳統的水加熱方式為水箱儲熱加熱方式。其典型結構一般包括:一個很大的儲熱水箱I (容量通常大于600ml)，一個水箱中的加熱元件2，水箱底部有進水口 3，水箱上方有出水口 4，出水口 4有水位開關5和出水溫度傳感器6，如圖1所示。其工作原理為，先打開進水口 3，將冷水注入儲熱水箱1，水位開關5指示水滿后停止注水。然后加熱元件2對水箱中的冷水加熱，待水溫到達設置溫度后停止加熱。當儲熱水箱I中的水冷卻時，再次開啟加熱，水溫到達設定溫度時再次關閉加熱，如此循環往復。當需要使用熱水時，開啟進水管，向水箱中注入冷水，冷水把水箱中熱水向上從出水口推出，用戶在短時間(10?60秒)內在出水口得到溫度相對穩定的熱水。
[0003]市場上典型的快速水加熱裝置一般包括:一個加熱水箱殼體100 (容量通常小于30ml)，水箱有一個進水口 101和一個出水口 102 ;—個或多個加熱元件200，發熱功率通常大于1000W，一個串聯在水路中的流量計300，一個串聯在進水水路中的進水溫度傳感器400，一個安裝在加熱水箱100后的出水溫度傳感器500，一個串聯在500后的緩沖水箱600 ;一個裝在緩沖水箱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，冷水從進水口 301流經流量計300，進入加熱水箱100，水流從加熱元件表面流過，在這過程中加熱元件對水流即時加熱，加熱過的水從出水口流出。其中加熱元件的輸出功率由控制驅動電路板根據流量計、進水溫度傳感器、出水溫度傳感器的信號以及設定的目標溫度，計算得出；并隨時根據流量、溫度信號的變化調整加熱元件功率，使出水溫度快速響應流量、溫度的變化，并控制在一定的精度范圍內。
[0004]快速水加熱裝置由于只在使用時才加熱，不需要熱水時不對水箱中的水加熱保溫，因而更節能；由于沒有適合細菌滋生的儲熱水箱，因而更衛生；由于能長時間持續提供穩定的溫水，因而沖洗更舒適；由于占用體積遠小于儲熱水箱，因而終端產品的結構可以更緊湊，更小巧更美觀。鑒于這多方面的優勢，快速水加熱裝置是所有含水加熱功能的產品的發展方向和核心部件。
[0005]在現有的快速水加熱裝置控制技術中，流量計是必不可少的元件。快速水加熱裝置是對流過加熱元件的水流進行實時加熱；加熱元件的功率很大；加熱元件及加熱腔體對熱量的傳導有滯后性；溫度傳感器的溫度信號也有滯后，往往不能及時反應溫度的快速變化(坐便器中常用的快速響應溫度傳感器一般需要3?5秒后才能感知溫度變化的63% )。在應用中，流量、進水溫度，及兩個出水溫度的信號稍有變化，就必須對加熱功率作出及時的、乃至前瞻性的調整，確保出水溫度在可接受的范圍內。否則水溫會失控，過冷或過熱的水流接觸人體后，會導致用戶的不舒服，甚至引起驚嚇、燙傷事件(日本新聞曾報道某著名智能坐便器品牌發生水流燙傷用戶下體，住院治療幾周的事件)。
[0006]在這樣的快速水加熱裝置中，其進水流量還會因為水源壓力的變動而突變，如果沒有快速反應的流量計和性能可靠的控制軟件，出水溫度將失去控制。例如，當裝置的流量在700ml/min，進水溫度為5°C，出水溫度已穩定控制在40°C時；用戶的鄰居突然打開了一個大流量的水閥，導致附近管路的動壓短暫下降，從而使裝置的流量在0.5秒內從700ml/min下降到300ml/min。這時由于進水口的水溫沒有發生變化，水箱中的水溫雖已開始升高，但溫度升高的水還沒流到出水口，出水口的溫度傳感器信號也還沒有發生變化(即使出水溫度發生了微弱變化，溫度傳感器也要在數秒后才能感知63 %的溫度上升)，控制電路板不會對發熱功率做出調整，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，為了保持出水溫度的精準，一個反應及時，信號質量穩定，結構可靠的流量計在傳統的快速水加熱裝置中是一個必不可少的部件。
[0007]此外，在現有的快速水加熱裝置控制技術中，進水溫度傳感器是必不可少的元件。智能坐便器行業對水加熱的出水溫度有時間響應的要求，要求用戶進行相關操作后，8秒左右就能出水，同時水流的水溫已到達用戶的設定溫度。相應的水加熱裝置必須在8秒以內將進水溫加熱到設定溫度，并保持穩定。為了快速達到設定的水溫，必須在剛開始加熱時就選擇一個合適的加熱功率，這個功率需要由進水溫度，流量，出水溫度、目標溫度決定。因此，進水溫度傳感器是使出水溫度在短時間內到達設定值的重要保障，必不可少。
[0008]在現有的快速水加熱裝置控制技術中，加熱水箱100后的緩沖水箱600或緩沖水路是提升性能的優化選擇。由于溫度傳感器相對于加熱系統的大滯后性，出水傳感器500總是要在水溫平穩后數秒才能感知到真實的水溫，無法準確感知短時間內快速變化的出水溫度。從而導致控制滯后，出水溫度上下震蕩，超出用戶能接受的變化范圍。因此在傳統的設計中，在加熱水箱后放置一個緩沖水箱或緩沖水路，對震蕩的水溫做溫度緩沖處理也是必須的。
[0009]在現有的快速水加熱裝置控制技術中，裝在緩沖水箱600中或之后的第二出水溫度傳感器601也是提升性能的優化選擇。從微觀上看，一股大的水流總是由多股不同流速、不同粗細，不同溫度的細小水流和紊流組成。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，因此對應的傳感器溫度信號只能反應部分小水流的平均溫度，并不能真實地反應快速流動的整體水流的實時溫度。
[0010]在傳統的設計中，由于溫度傳感器本身有尺寸公差，在安裝時還有安裝誤差，不同的溫度傳感器個體之間不可避免地存在信號誤差；同時，由于傳統設計中，溫度傳感器感應點周圍的空間結構不是對稱設計的，感應點周圍各個方向的水流粗細、速度都是不同的，溫度信號反應的是傳感器桿體傳遞的外部環境溫度和內部水流溫度的總和，因而在不同的流速、水溫、環境溫度下，感應到的水溫度可能會比實際水溫偏高或偏低。相對而言，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，溫度傳感器的感應點周圍上下左右前后各個方向的水溫是基本相同的，周圍水溫不會快速變化；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；從而感應到的溫度比較真實。因此，在典型的設計中，常在緩沖水箱中或緩沖水路中增加一個溫度傳感器，用來校正出水溫度的偏差。
[0011]綜上所述，傳統的快速水加熱裝置是一個傳感器眾多，結構復雜，溫度控制精度高，反應快速的裝置。它對零部件的質量要求高，尺寸公差要求高，生產過程中對安裝的工藝要求高，對軟件的算法要求高；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致整個裝置的質量問題。
[0012]由于國內廠商起步較晚，對技術不夠重視，研發投入有限，目前都沒能完全掌握此核心技術。國內大部分產品還是水箱儲熱式加熱方式，高端的快速水加熱裝置的技術主要壟斷在在以松下、東陶為代表的少數外資高端品牌手中，少數國產高端產品直接采用了韓國廠商提供的快速水加熱裝置。這種狀況嚴重阻礙了國產高端水加熱產品的技術升級和市場普及。
[0013]現有快速水加熱裝置及其控制方法的缺點如下:
[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個流量計和3個溫度傳感器，每一個零件都有其自身的信號誤差，安裝誤差，尺寸公差，導致裝置的累計公差大，信號的不確定因素多，軟件控制算法復雜，從而影響裝置的整體可靠性。同時從使用行業使用經驗看，頻繁地因為流量計堵轉、破損，溫度傳感器偏差失效等器件問題導致快速水加熱裝置無法正常工作。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生的用戶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左右的信號誤差，傳統設計還有安裝誤差、流量變化、外界環境熱傳遞等因素帶來的誤差影響；因此，雖然某些高端品牌的產品能在流量平穩時，將一段時間內的出水溫度的波動控制在±0.5°C以內，但其出水的絕對溫度值還是很難控制在設定值的±2°C內。即在設置了同樣設定溫度，工作在不同流量、環境溫度下的兩個產品，最終的出水溫度差異可能達到4°C甚至以上。為了消除這種溫度不準的不良影響，現有智能坐便器產品一般不告知用戶當前的出水溫度是多少，而是設計了一個可以調節溫度的人機界面，讓用戶在對水溫不滿意時，可以自主地選擇低檔溫度、中檔溫度、高檔溫度，從而避免用戶質疑與投訴。
[0018]3、結構復雜，難以進一步縮小體積
[0019]由于使用了 4個傳感器，及其相關的各種密封、固定結構，導致結構復雜，電源線、信號線、通信線布線錯綜復雜，裝置外形不規則，快速水加熱裝置的體積難以進一步縮小，不利于終端產品的結構布局。
[0020]4、目前傳統的水加熱裝置普遍存在加熱水箱內及加熱元件上容易結水垢，因而縮短使用壽命的缺點。水垢在加熱元件上堆積后會影響熱量的傳遞效率，使得加熱元件內部溫度升高，加熱元件內外溫差升高。加熱元件上的部分水垢在加熱開啟、停止的切換過程中，受到冷熱溫度沖擊，會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，表面不同區域溫差大。加熱元件在升高的內外溫差，表面不同區域的溫差及冷水沖擊下，容易因熱應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則移動，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；同時還產生熱應力，加速加熱元件的失效。
【發明內容】
[0022]本發明所要解決的技術問題是提供一種快速水加熱裝置及其控制方法，能夠大大簡化快速水加熱裝置結構，并提高溫度控制精度和反應速度，性能穩定可靠，使用壽命長，且兼容性更好。
[0023]本發明為解決上述技術問題而采用的技術方案是提供一種快速水加熱裝置，包括水箱殼體，所述水箱殼體上設有進水口和出水口，所述水箱殼體內設有加熱元件，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有出水溫度傳感器，其中，所述水箱殼體上出水口處設有整流腔，所述出水溫