CN102788414B - 电磁热水器 - Google Patents

Abstract

本发明一种电磁热水器，包含容置各个部件的壳体，壳体至少容置有加热水盘、与加热水盘对应的感应线圈、水管、电路装置，水管与加热水盘相连接，电路装置与感应线圈相连接，其特征在于，该加热水盘具有上水盖和下水盖，上下水盖之间设有加热板；该上水盖和/或下水盖设有水槽；该上水盖和下水盖为非金属材料，该加热板为导磁金属材料。本发明加热水盘用非金属材料，既满足保温性，又提高了结构强度。

Description

电磁热水器

技术领域

本发明涉及热水器，特别是一种电磁热水器。

背景技术

电磁热水器已有多项发明专利，多数为感应线圈绕着水管设置，所以水管与感应线圈同在一个很小的三维空间，水管泄漏时水很容易接触到电路而产生用电不安全的因素。中国专利200410013500.5的发热体是单边与水接触，发热体的另一边产生的热会辐射到感应线圈，增加线圈的温升且降低热效率。中国专利200810123605.4水容器为承受水压而使用金属材料时不利于保温，使用非金属材料时需要加大壁厚或增加肋条等其他原因而使线圈与加热体间距增加，使磁路的磁阻增大，不利于高频的电磁转换。另外由于没有对水流动导向，发热体与水的热交换为无序进行，出水口的水温不是容器内的最高水温，不利于能量的输出。

一般热水器功率较大，电磁灶经市场多年的经营在技术上较为成熟，器、配件供应方便、便宜，但电磁灶功率一般在2kW左右，而多个大功率变频电路同时工作时，相互不关连的振荡电路波形叠加后会随机产生瞬间高压容易损坏敏感器件(如IGBT管等)及对电网产生干扰。

发明内容

有鉴于此，本发明所解决的问题在于，提供一种新型的电磁热水器。

本发明的技术方案为：一种电磁热水器，包含容置各个部件的壳体，壳体至少容置有加热水盘、与加热水盘对应的感应线圈、水管、电路装置，水管与加热水盘相连接，电路装置与感应线圈相连接，该加热水盘具有上水盖和下水盖，上下水盖之间设有加热板；该上水盖和/或下水盖设有水槽；该上水盖和下水盖为非金属材料，该加热板为导磁金属材料。

该壳体内部分为水路室和电路室，水路室和电路室之间设置有隔板，水路室的下方设有排水孔；水路室中包含加热水盘、水管，电路室中包含感应线圈、电路装置。

该隔板为金属材料，具有水盘孔和散热铝孔，水盘孔大小和加热水盘及感应线圈匹配，加热水盘和感应线圈分别设于水盘孔两侧；水管连接散热铝水管，电路装置连接IGBT散热组件，散热铝水管和IGBT散热组件分别设于散热铝孔两侧，散热铝水管设于水路室，IGBT散热组件设于电路室。

该水盘孔和散热铝孔上贴设有耐高压薄膜。

隔板上方设有散热槽，散热槽下横向设有挡板；隔板下方设有电路板仓，电路板仓内容置电路装置。

该隔板为非金属材料，具有散热铝孔，加热水盘和感应线圈分别设于隔板两侧，水管连接散热铝水管，电路装置连接IGBT散热组件，散热铝水管和IGBT散热组件分别设于散热铝孔两侧，散热铝水管设于水路室，IGBT散热组件设于电路室。

该上水盖外侧面或底端设有进水口和出水口。

该上水盖外侧面设有若干肋条。

该加热板上设有导水孔和拉扣通孔，上水盖或下水盖设有拉扣杆，未设拉扣杆的上水盖或下水盖设有拉扣孔，拉扣杆通过拉扣通孔插入拉扣孔中，上水盖和下水盖之间通过拉扣杆相连。

该电路装置包含多个加热模块，多个加热模块组合时，均共用同一组电源及单片机控制电路，单片机输出的PWM脉冲分别与A组同步检测连接，及经移相电路移相后再与其他模块同步检测电路连接。PWM脉冲及移相后的PWM脉冲与相应的同步电路及反压抑制模块取得的电平信号进行脉宽调制，调制后产生脉宽调制脉冲经IGBT驱动电路放大后驱动各自的IGBT工作；各脉冲顺序相位差为2π/n，n为加热模块组数。

本发明的有益效果如下。

本发明加热水盘用非金属材料，既满足保温性，通过拉扣杆和肋条提高了整体强度。本发明的电磁热水器中加热盘的水路中水流基本上等速流动，水温在流动过程中不断加热到达出水口时温度最高，有利于能量的输出，也减少热量积累使加热水盘温度升高而影响寿命。可以设置多个加热水盘可并接或串接。水路室和电路室之间设置有隔板；利用隔板将水与电分置与二室，以防止漏水的危险。隔板在第一实施例中的另一作用是水路及电路的安装平台，各种水路、电路的器、配件分别安装在隔板二边再整体与底壳固定，这样更有利于生产及方便维修。

附图说明

图1a为本发明一种实施例加热水盘组合结构示意图。

图1b为图1a的仰视局部透视结构示意图。

图1c为图1a的加热水盘的下水盖结构示意图。

图1d为图1c的俯视局部透视结构示意图。

图1e为图1a的加热水盘的加热板结构示意图。

图1f为图1a的加热水盘的上水盖结构示意图。

图1g为图1f的仰视局部透视结构示意图。

图2a为本发明另一种实施例加热水盘组合结构示意图。

图2b为图2a的俯视局部透视结构示意图。

图2c为图2a的后视结构示意图。

图2d为图2a的加热水盘的上水盖结构示意图。

图2e为图2d 的俯视局部透视结构示意图。

图2f为图2a的加热水盘的加热板结构示意图。

图2g为图2a的加热水盘的下水盖结构示意图。

图2h为图2g的俯视局部透视结构示意图。

图3a为本发明第一实施例水路室面透视结构示意图。

图3b为图3a的侧面透视示意图。

图3c为本发明第一实施例电路室面透视结构示意图。

图3d为本发明第二实施例水路室面透视结构示意图。

图3e为图3d隔板后的电路室透视结构示意图。

图3f为图3e的侧面透视示意图。

图3g为本发明第二实施例水路图。

图3h为本发明第二实施例水路室排水孔图。

图4a为本发明第一实施例隔板结构示意图。

图4b为图4a的左视结构示意图。

图4c为图4a的俯视结构示意图。

图5为本发明第一实施例的面盖配置结构示意图。

图6a为本发明第一实施例的底板结构透视示意图。

图6b为图6a的左视结构示意图。

图7为本发明单加热盘电路方框图。

图8为本发明电磁加热的主电路图。

图9为本发明单个加热盘电路时序图。

图10为本发明二个加热电路模块方框图。

图11为本发明二个加热盘电路的时序图及电源电流叠加时序图。

图12为大功率电磁灶电磁线圈组合图。     

具体实施方式

如图所示，本发明一种电磁热水器，包含容置各个部件的壳体1，壳体1至少容置有加热水盘2、与加热水盘2对应的感应线圈3、水管4、电路装置5，水管4与加热水盘2相连接，电路装置5与感应线圈3相连接，其中，如图1a-1g及图2a-2h所示，加热水盘2具有上水盖21和下水盖22，上下水盖之间设有加热板23；该上水盖21和/或下水盖22设有水槽24，该水槽供水流过，可以依据需求设置水槽样式，图中给出两种常用实施例。该水槽一般如上述附图所示，其可以同时设置在上下水盖上，其设于上下水盖内侧一边，通常上水盖水槽较深，下水盖水槽较浅；该上水盖21和下水盖22为非金属材料，例如可以是加玻璃纤维的工程塑料或热固性塑料。上下盖用金属材料制作时，强度容易达到要求，但是保温性差，本发明用非金属材料，既满足保温性，又提高了结构强度。但是，由于是盘形结构，盘中心受水压后容易产生变形使得上下水盘与发热板间隙加大，部分水流不经由水槽流动影响水的热交换效率，所以上下盖上可以设置若干拉扣杆25，上水盖21和下水盖22之间通过拉扣杆25相连，该拉扣杆25可以设置于上水盖21，也可以设置于下水盖22，无论设置在那个水盖，另一水盖上相对位置都有拉扣孔26。该加热板23为导磁金属材料，其可以设有导水孔231和拉扣通孔232，拉扣杆25通过拉扣通孔232插入拉扣孔26中，使得上水盖和下水盖之间通过拉扣杆相连，拉扣杆抵消了上下水盖因为水压产生的变形，该上水盖21外侧面（如图2a的实施例）或底端（如图1a的实施例）设有进水口211和出水口212，进水口进冷水，出水口出热水，并输送到集水箱。并且，还可以在该上水盖和/或下水盖外侧面设有若干肋条27，以确保水盘的刚性与功能。另外，加热水盘的下盖尽量薄，在满足水流通过的条件下，让加热水盘与感应线圈的距离尽量缩短，降低加热水盘与感应线圈间的磁阻，有利于感应线圈的高频电磁场能量的转换效率。

另外，选用电磁加热水的方式其中一个重要原因是为了用电安全，但水路与电路混集在一起时，当水路有泄漏，容易使电路潮湿使电路耐压性能下降而影响用电安全。

如图3a-图3c及图4a-图4c所示，为本发明的一种实施例示意图，为即热式热水器，本发明壳体1内部分为水路室11和电路室12，水路室11下方设有排水孔120，请参见图6a及图3h ；水路室11和电路室12之间设置有隔板7；利用隔板将水与电分置与二室。其中，水路室11中包含加热水盘2、水管4，电路室12中包含感应线圈3、电路装置5。该隔板7具有水盘孔71和散热铝孔72，水盘孔71大小和加热水盘2及感应线圈3匹配，加热水盘2和感应线圈3分别设于水盘孔71两侧；水管4连接散热铝水管41，该散热铝水管41用铝材拉伸成形，管状二端加工螺纹。电路装置5连接IGBT散热组件8，散热铝水管41和IGBT散热组件8分别设于隔板散热铝孔72两侧，IGBT管42经绝缘垫片被压在散热铝的平面上进行散热，水管4设于水路室11，IGBT散热组件8设于电路室12。该水盘孔71和散热铝孔72上贴设有耐高压薄膜73，耐高压薄膜作为电器隔离作用的同时还起到水路室漏水时对水隔离作用。当然，隔板若用非金属绝缘材料制作时可不开水盘孔。隔板在第一实施例中的另一作用是水路及电路的安装平台，各种水路、电路的器、配件分别安装在隔板二边再整体与底壳固定，这样更有利于生产及方便维修。

如图4a-图4c所示，隔板7上方设有散热槽74，以利进一步散热，散热槽74下横向设有挡板75，以阻挡水路漏水时溅出的水花漏入电路室。隔板7下方设有电路板仓76，电路板仓76内容置电路装置5，具有很好的防水效果。

另，如图3a、图5及图6a、图6b所示，本发明还设有水流传感器100、水流调节开关101、集水箱102等，并且，其具有面盖103，面盖103上设置有数字显示屏104、电源开关105、操作键106及流量调节钮107等，其底板108上方设有单边通风散热槽109，下方设有排水孔120，以使得机外水花溅落到底壳时导向水路室，及当水路室有水时排出。上述结构都是本领域产品都有的装置，在此不再详细描述其结构和连接方式。

图3d-g为本发明第二实施例示意图，为储水式热水器，壳体1内部分为水箱102、水路室11和电路室12，水路室11和电路室12之间设置有隔板7；利用隔板将水与电分置于二室。其中，水路室11中包含加热水盘2、水管4、水泵110、流量传感器100、散热铝水管41、冷水止回阀111、热水止回阀112，电路室12中包含感应线圈3、电路装置5、IGBT散热组件8。

另外，本发明的隔板可以采用金属材质或非金属材质，该隔板为金属材料时具有水盘孔和散热铝孔，若隔板为非金属材料时可以不设水盘孔。

本发明的电磁热水器中加热盘的水路中水流基本上等速流动，水温在流动过程中不断加热到达出水口时温度最高，有利于能量的输出，也减少热量积累使加热水盘温度升高而影响寿命。可以设置多个加热水盘可并接或串接（本案实施例为两个），串接时最终出水温度相对较高但水流量相对减少，且热效率会有所降低。

即热式热水器工作过程：冷水从进水口进入后推动水流传感器单片机取得信号后经过延时触发电路工作对加热盘发热体加热，冷水通过散热铝水管时对IGBT管降温后流入加热水盘，水流流入加热水盘后分二路从发热板二边回旋流过，把电磁线圈产生的高频电磁场对发热板产生涡流转换的热能带走，热水经集水箱使水温稍均匀后再流出出水口，出水口有一水流调节器可进行水流量的调整。通过操作面盖上的操作键及显示，可对功率大小、水温高低及工作时间长短进行设定。在水盘出口加装温度传感器，通过单片机控制可以做到智能水温、流量的控制。

储水式热水器的工作过程：工作时，冷水从进水口进入后经过冷水止回阀111、流量传感器到加热水盘2加热后进入水箱102（最初使用时水箱中的气体由安装人员通过出水管排放，直到热水从出水管流出为止）。若水箱内的热水达不到设定的水温，控制电路使水泵110工作，这时水箱内的水经热水止回阀112、水泵110、流量传感器100压入加热水盘2加热再流入水箱102，这样不断循环，直到温度达到设定温度后，才停止泵水加温。当使用热水时，冷水通过冷水管流入，经加热水盘加热后再补充到水箱中。流量传感器是让控制电路感知水流动才让加热盘加电工作，确保加热安全。冷、热水止回阀是保证水流的方向。

本发明的电路分析如下。

电磁热水器电路框图如图7所示，市电经压敏电阻及熔断器保护、平衡滤波、电流取样互感器及整流滤波模块后向电磁线圈及电容谐振回路提供一个310的直流电源；MCU发出的PWM脉冲与同步检测及反压抑制模块取得的电平信号进行脉宽调制，输出脉宽调制方波经驱动回路后驱动IGBT的导通与关断，从而在电磁线圈及电容谐振回路中产生20～35kHz的高频电磁场，使加热水盘内的发热板发热。

为保护IGBT管，电路内还设置了电源的浪涌检测、欠压检测、电源电流检测及IGBT温度检测电路，检测到的信号送MCU判断，若电源条件或IGBT工作环境不合适则通过延缓或暂停输出PWM脉冲控制IGBT管的导通与否，从而达到保护IGBT管及电路的安全。同步检测及调整与反压抑制电路通过振荡回路对PWM脉冲进行脉宽调制后送IGBT驱动电路驱动IGBT工作。人为设定的功率、温度、时间条件也是由MUC通过PWM脉冲来控制IGBT管工作状态达到的。水温的检测为控制水温提供了反馈信息。蜂呜器通过声报警达到提醒使用者的作用；低压电源为MCU提供5V的电源同时也为驱动电路提供20V的电源。

主电路分析。

电磁热水器加热的主电路如图8所示。市电经整流及C1、L2滤波后得到310V的直流电源，IGBT与电磁线圈L1及谐振电容C2组成电压谐振回路，通过IGBT管的通断把310的直流电变换成频率为20～35kHz的交流电，在电磁线圈中产生交变电磁场使加热盘内的加热板产生涡流而发热，产生的热能被连续流过的水带走成为热水器的热水流出。

单个加热盘主回路。

如图9，当电源接上，IGBT管未加上触发脉冲时，IGBT管不导通，L1没有电流。

t1时触发脉冲加到IGBT的G极时，IGBT饱和导通，电流i1从电源流经电感L1、IGBT管形成回路 (L2是滤波电感，电感量小小于L1，在分析时不考虑)，由于L1的感抗不允许电流突变， 所以在t1到t2阶段i1缓慢上升；

当到达t2时，触发脉冲结束，IGBT截止，但由于L1的电抗作用，i不能立即降到为0，L1的电流只能向电容C3充电；到t3时，C3电荷充满，电流为0，这时L1的磁能全部转化为C3的电能，形成了t2到t3阶段充电电流i2。t3时电容两端的电压达到最大值，电容两端电压极性是右＋左－，此时加于IGBT管CE极的电压是电源电压与电容上的电压叠加，达到峰值电压。

在t3到t4阶段，电容通过L1进行放电，电流方向与充电方向相反，而由于L1电抗的作用下，放电电流从0缓慢反向上升，到t4时电容的电能全部转换成电感的磁能，此时虽然电容两端电压消失，但电感电抗的作用下，L1上的磁能转换成电能经L1左端流出，经C2形成D11的正向电流i4；到达t4时，第二个触发脉冲的到来，但由于电感的磁能释放，流经D11的阻尼管电流使IGBT管的Ue为＋，Uc为－，IGBT处于反偏状态，IGBT仍然处于截止。直到t5电感磁能释放完毕，t4到t5阶段的电流为i4。

到达t5时，i4降到0，IGBT恢复到正偏状态，且仍在触发的作用下，IGBT管再度导通，形成了电流i5，进入第二个周期。

IGBT导通时间越长，从电源取得的电量转换成电磁能越大，所以MCU就是通过PWM脉冲的宽度控制IGBT的导通时间来控制电磁加热功率。

多个加热盘主回路。

当多个加热盘同时接入电路时，PWM脉冲经移相模块后分别加到各加热盘电路的振荡回路，受同步检测及反压抑制控制后送到IGBT驱动电路，根据脉冲宽度控制IGBT进行导通的时刻与长短，改变对电磁线圈的电流来改变输出功率。移相电路是确保各加热模块的导通角顺序相差一个2π/n的角度，即二个加热水盘时相差π（180°），三个加热水盘时相差2π/3（120°），它们的电路方框图如图10，时序图如图11。

二个加热盘电路是在单个电路增加一组的模块，对A盘加热水盘的TWM触发脉冲经移相后加到B盘加热水盘的振荡回路，经调整后再驱动IGBT工作。从时序图中可以看出二个发热水盘的IGBT电流由于移相的作用，在电源的叠加电流错开一个固定的角度。不会出现无序时可能产生二个电流叠加而产生双倍的最大电流。这样使电源的负荷输出平稳，同时由于两电感产生的高频交变磁场也由于稳定错开一个角度，交变电磁波也是时序稳定错开的叠加波形，有利于进行高频滤波，使电路产生的电磁干扰降到最低。同理，多个加热模块组合时，让它们的触发时间顺序错开一个2π/n的角度，确保电源不会遇到无序时可能产生的大电流现象，叠加的交变电磁场也形成与n模数相关的波形，有利于滤波及屏蔽。这里特别指出的是，虽然不能用触发脉冲上升沿来同步各加热模块的电磁振荡，但各IGBT是由触发脉冲来关断的，而关断到导通的时间就是振荡的周期，而振荡周期是由电感、电容参数决定的（                                                ），由于电感圈数不变，影响参数的就是磁路耦合情况，而发热盘中的发热板是固定的，发热盘与感应线圈上的磁条及安装位置都是固定的，所以电感量、电容量相对是稳定（考虑温度对参数的影响不大），所以振荡周期的也相对稳定。这样TWM的周期也就控制在稍大于振荡周期，保证触发导通的有效。

用于商用电磁灶。

多个电磁加热电路组合用于大型的商用电磁灶中，通过多个小功率电磁电路的组合来增大总功率，每组由二个感应线圈组成，空间对称分布（如下图分别是1、2、3对），成对线圈对应的IGBT触发脉冲时序相同而线圈的头尾接法相反，锅具作为磁路把二个电磁线圈连成磁极对，在高频交流电流的作用下形成交变的磁极。各组对应的触发脉冲同样顺序相差2π/n的角度。锅底可以是平面也可以是曲面。具体的布局如图12所示。

同理，n个电磁加热顺序移相2π/n组合电路还可以用于挤塑机塑料加热筒的电磁加热电路。以达到使电源输出平衡，降低高频电场对电网的干扰。

Claims (9)

1.一种电磁热水器，包含容置各个部件的壳体，壳体至少容置有加热水盘、与加热水盘对应的感应线圈、水管、电路装置，水管与加热水盘相连接，电路装置与感应线圈相连接，其特征在于，该加热水盘具有上水盖和下水盖，上下水盖之间设有加热板；该上水盖和/或下水盖设有水槽；该上水盖和下水盖为非金属材料，该加热板为导磁金属材料；该壳体内部分为水路室和电路室，水路室和电路室之间设置有隔板，水路室的下方设有排水孔；

水路室中包含加热水盘、水管，电路室中包含感应线圈、电路装置。

2.如权利要求1所述的电磁热水器，其特征在于，该隔板为金属材料，具有水盘孔和散热铝孔，水盘孔大小和加热水盘及感应线圈匹配，加热水盘和感应线圈分别设于水盘孔两侧；

水管连接散热铝水管，电路装置连接IGBT散热组件，散热铝水管和IGBT散热组件分别设于散热铝孔两侧，散热铝水管设于水路室，IGBT散热组件设于电路室。

3.如权利要求2所述的电磁热水器，其特征在于，该水盘孔和散热铝孔上贴设有耐高压薄膜。

4.如权利要求1所述的电磁热水器，其特征在于，隔板上方设有散热槽，散热槽下横向设有挡板；隔板下方设有电路板仓，电路板仓内容置电路装置。

5.如权利要求1所述的电磁热水器，其特征在于，该隔板为非金属材料，具有散热铝孔，加热水盘和感应线圈分别设于隔板两侧，水管连接散热铝水管，电路装置连接IGBT散热组件，散热铝水管和IGBT散热组件分别设于散热铝孔两侧，散热铝水管设于水路室，IGBT散热组件设于电路室。

6.如权利要求1所述的电磁热水器，其特征在于，该上水盖外侧面或底端设有进水口和出水口。

7.如权利要求1所述的电磁热水器，其特征在于，该上水盖外侧面设有若干肋条。

8.如权利要求1所述的电磁热水器，其特征在于，该加热板上设有导水孔和拉扣通孔，上水盖或下水盖设有拉扣杆，未设拉扣杆的上水盖或下水盖设有拉扣孔，拉扣杆通过拉扣通孔插入拉扣孔中，上水盖和下水盖之间通过拉扣杆相连。

9.如权利要求1所述的电磁热水器，其特征在于，该电路装置包含多个加热模块，多个加热模块组合时，均共用同一组电源及单片机控制电路，单片机输出的PWM脉冲与一组同步检测电路连接，经移相电路移相后再与其他同步检测电路连接，PWM脉冲及移相后的PWM脉冲与相应的同步检测电路及反压抑制模块取得的电平信号进行脉宽调制，调制后产生脉宽调制脉冲经IGBT驱动电路放大后驱动各自的IGBT工作；各脉冲顺序相位差为2π/n，n为加热模块组数。