发明内容
本发明的目的在于提供一种当家用电热水器按照MCU数字控制装置设定的控制温度完成加热程序后,可进入零功耗待机状态的控制方法,以及实现该方法的控制装置和具有该装置的家用电热水器。
本发明的目的还在于提供一种当家用电热水器按照MCU数字控制装置设定的控制温度完成加热程序后,进入零功耗待机状态的同时,避免家用电热水器反复加热维持设定温度造成能耗,而进入休眠状态的控制方法,以及实现上述方法的控制装置和具有该装置的家用电热水器。
本发明所述的零功耗待机状态是指:当家用电热水器按照MCU数字控制装置设定的控制温度完成加热程序后,切断MCU数字控制装置的供电电路,使电热水器进入自然的保温状态;当有热水输出温度降低或者水的热量散失达到设定的限定温度,MCU数字控制装置的供电电路自动接通恢复供电,家用电热水器仍按照MCU数字控制装置设定的控制温度完成加热程序后,再次重复上述过程,周而复始。
本发明所述的休眠状态是指:当家用电热水器按照MCU数字控制装置设定的控制温度完成加热程序后,切断MCU数字控制装置的供电电路,使电热水器进入自然的保温状态,中断反复加热维持设定温度的程序,进入休眠状态;当有热水输出温度降低或者水的热量散失达到设定的限定温度时,MCU数字控制装置的供电电路自动接通恢复供电结束休眠,家用电热水器仍按照MCU数字控制装置设定的控制温度完成加热程序后,再次重复上述过程,周而复始。
本发明的核心技术特征是:
设置能感受电热水器内胆温度变化的温控开关,控制MCU数字控制装置的供电电路,当内胆温度等于或低于设定值接通MCU数字控制装置的供电电路,当内胆温度高于设定值切断MCU数字控制装置的供电电路;设置与温控开关并联连接的控制继电器触点,当MCU数字控制装置处于加热控制状态时,该控制继电器触点接通,维持MCU数字控制装置的供电电路通路,当MCU数字控制装置停止加热时,控制继电器触点断开,切断MCU数字控制装置的供电电路,进入零功耗待机状态;直至感受电热水器内胆温度变化的温控开关再次接通MCU数字控制装置的供电电路。
也就是说,本发明的核心技术在于设计了至少两路不同接通条件的“或”的关系的控制开关,串接在MCU数字控制装置的供电电路中,解决了家用电热水器的正常加热和零功耗待机两种模式的自动转换问题。其构成的控制逻辑关系是:当水温等于或低于温控开关设定值(该设定值可根据家用电热水器的容量确定,选用相应温控值的温控开关,范围可在50-56摄氏度),温控开关接通MCU数字控制装置的供电电路,MCU数字控制装置根据用户预设值控制电加热元件,进入加热状态,同时将与温控开关并联连接的控制继电器触点接通,形成稳定的双通路开关供电电路;当水温高于温控开关设定值,温控开关的接点断开,MCU数字控制装置的供电电路由与温控开关接点并联的控制继电器触点继续接通,维持MCU数字控制装置的供电电路通路;当水温达到用户设定值时,MCU数字控制装置发出信号,电加热元件的控制继电器触点断开,同时维持MCU数字控制装置供电电路的与温控开关接点并联的控制继电器触点也断开,切断MCU数字控制装置的供电电路,进入零功耗待机状态;当内胆的热量散失温度下降到等于或低于温控开关设定值时,或者用户使用热水,有一定量的冷水进入内胆,处于冷热过度面附近的温控开关感受到温度下降到等于或低于温控开关设定值时,温控开关接点接通MCU数字控制装置的供电电路,MCU数字控制装置根据用户预设值控制电加热元件再次进入加热状态,同时将与温控开关并联连接的控制继电器触点接通,形成稳定的双通路开关供电电路。如此循环往复,即可正常工作,又能实现待机状态的零功耗。
由于MCU数字控制装置具有抗掉电的记忆功能,恢复供电可以根据原先设定的数据对电热水器进行控制,不会影响电热水器的正常使用。
本发明的控制思想和控制原理表现为:采用了无源的温控开关完成MCU数字控制装置的启动控制,采用了有源的与MCU数字控制装置的控制继电器同步的常开触点,完成加热后的MCU数字控制装置的断电控制,从而解决了单一控制点无法解决的自动无源启动和自动有源切换的问题。完成了零功耗待机的自动控制和转换,达到了有控制不耗电的目的。
这里需要着重指出的是:本发明的方法和装置,并不会对现有家用电热水器产生不利影响,而是增加了新的可供选择的运行程序和节电运行模式。理由是现有家用电热水器运行时,即使不用水,其MCU数字控制装置也会根据规定值如1-4摄氏度的温差,每2-3小时重新启动电加热元件进入加热状态,对水进行加热以维持在预设温度值范围内。其目的显然是满足“随时备用”的使用功能,但是就是这种随时备用造成了大量的电能浪费。工程技术人员也企图找出家用电热水器的使用规律,记录用户的使用数据,检测和判定用水峰谷时间,调整水温以降低电能消耗,这方面的技术方案不少,但效果并不理想。其主要原因是家用电热水器不可能像每日三餐那样具有规律性。正因为如此,就更突显出了本发明的实用性。它表现在:不用水时,由于温控开关设置在靠近电加热元件所覆盖的热水层下部的区域,用户预设水温值要高于温控开关的设定值,所以要经过一个相当长的待机时间,温控开关才能接通MCU数字控制装置的工作电源,减少了反复加热次数,有利于降低加热电力消耗,但维持了基本的水体温度,满足了使用时的温度要求,降低了电热水器水温与环境温度的温差,减少了电热水器热量散失,从而大幅度降低了待机状态的总耗电量,实现了“有所储备、即用即烧”的节电休眠状态,看似没有进入工作状态,实则处于无源控制的待用休眠状态。克服了上述所说“随时备用”造成了大量的电能浪费;一旦用户使用,由于温控开关设置在电加热元件所覆盖的热水层下部的区域,冷水进入这一区域,引起温度迅速变化,即刻就会接通MCU数字控制装置的供电电路,启动进入加热程序,保证足够的热水供应。只要持续处于用水状态,一切如同正常的家用电热水器一样工作。当然,本发明提供的这种控制状态只是为家用电热水器增加了一种可供选择的使用节能功能和运行模式,如果不想选用,可以采用手动或电控的方式短路温控开关两端,则可以完全恢复其原有的控制状态,恢复其各项技术指标标准。因为处于节电休眠状态的家用电热水器,其平均水温要低于非节电休眠状态,这也是节电休眠状态节电的道理所在,对用户使用不会产生明显的影响,却能够为用户节省大量费用。
实际生活中这方面的例子不胜枚举:小汽车在经济运行模式的状态下,不可能满足加速性的技术指标;在运动模式的状态下的汽车,其油耗指标会大幅度超出标准值;变频空调节电的道理是可以调节出力,匹配某种工况下的实际需要,并不会产生额外的能量,这些都不可能改变能量守恒的规律。这也从另一个侧面反映出本发明的特点,即结构简单实用,控制简便可靠。仅仅设置了一个1-2元钱的小零件就实现了零功耗待机运行和节电休眠,改变了家用电热水器能源浪费的无奈状况,开创了家用电热水器节能的新途径。这也正是本发明的“巧妙”所在。基于上述情况,建议实施本发明时,适当增加电加热元件的功率,以期在由节电休眠状态转入用水状态时,尤其是在长时间待机而转入用水状态时,会有较快速的温度提升和足够的热水输出。还有,现实生活中的家用电热水器与空调冰箱等电器还有一个显著的不同,就是无论显示屏控制面板多么吸引用户的眼球,一旦调整设置好,见面的机会和关注度都十分有限。家用电热水器平时究竟是处于何种状态,一般很少有用户留意,其节电经济实用是主要需求。这正是本发明致力于解决的主要课题,哪怕休眠状态只有一个氖泡指示灯点亮,显示屏控制面板不那么鲜亮夺目,节省的真金白银也会使用户心满意足。
综上所述,一种家用电热水器零功耗待机的控制方法,其特征是:设置能感受电热水器内胆温度变化的温控开关,控制MCU数字控制装置的供电电路的通断,当内胆温度等于或低于温控开关设定值时,温控开关接通MCU数字控制装置的供电电路,当内胆温度高于温控开关设定值切断MCU数字控制装置的供电电路;设置与温控开关并联连接的控制继电器触点,当MCU数字控制装置处于加热状态时,该控制继电器触点与电加热元件同步接通,维持MCU数字控制装置的供电电路通路,当加热温度满足MCU数字控制装置的预设值时,MCU数字控制装置停止加热时,控制继电器切断加热元件电源的同时,与温控开关并联连接的控制继电器触点断开,(这时内胆的温度高于温控开关设定值,温控开关已经切断了MCU数字控制装置的供电电路,维系MCU数字控制装置的供电电路的只是控制继电器的触点)切断MCU数字控制装置的供电电路,电热水器进入零功耗待机状态;当感受电热水器内胆温度变化的温控开关再次接通MCU数字控制装置的供电电路,MCU数字控制装置进入下一个控制循环,如此循环往复。
同样道理,一种家用电热水器零功耗待机休眠状态的控制方法,其特征是:设置能感受电热水器内胆温度变化的温控开关,控制MCU数字控制装置的供电电路的通断,当内胆温度等于或低于温控开关设定值时,温控开关接通MCU数字控制装置的供电电路,当内胆温度高于温控开关设定值切断MCU数字控制装置的供电电路;设置与温控开关并联连接的控制继电器触点,当MCU数字控制装置处于加热状态时,该控制继电器触点与电加热元件同步接通,维持MCU数字控制装置的供电电路通路,当加热温度满足MCU数字控制装置的预设值时,MCU数字控制装置停止加热时,控制继电器切断加热元件电源的同时,与温控开关并联连接的控制继电器触点断开,(这时内胆的温度高于温控开关设定值,温控开关已经切断了MCU数字控制装置的供电电路,维系MCU数字控制装置的供电电路的只是控制继电器的触点)切断MCU数字控制装置的供电电路,电热水器进入零功耗待机休眠状态,电热水器不再受控于MCU数字控制装置的温度设置而对水体进行反复加热,而是处于自然保温备用状态;当电热水器内胆温度等于和低于温控开关设定值时,温控开关再次接通MCU数字控制装置的供电电路,电热水器结束休眠,MCU数字控制装置进入下一个控制循环,如此循环往复。
所述温控开关设定值根据家用电热水器的容量优选范围在50-56摄氏度。可随容量增加而降低,原因是容量大的热惯性大,可以设置较低的温控开关设定值。温控开关设定值还与温控开关安装的部位相关联,一般温控开关设置在靠近电加热元件所覆盖的热水层下部的区域,该区域接近冷热水交界面,易于感知冷水进入也就是用水引起的温度变化,设定值相对要低;越接近热水的出水口的位置,其设定值相对会高一些,这时控制灵敏度会降低,反应速度下降。
一种家用电热水器零功耗待机的控制装置,其特征是:包括感受电热水器内胆温度变化、控制MCU数字控制装置的供电电路的通断的温控开关,与温控开关并联连接的由MCU数字控制装置驱动的控制继电器触点:
当内胆温度等于或低于温控开关设定值时,温控开关接通MCU数字控制装置的供电电路;
当内胆温度高于温控开关设定值切断MCU数字控制装置的供电电路;
当MCU数字控制装置处于加热状态时,该控制继电器触点与电加热元件同步接通,维持MCU数字控制装置的供电电路通路;
当加热温度满足MCU数字控制装置的预设值时,MCU数字控制装置停止加热时,控制继电器切断加热元件电源的同时,与温控开关并联连接的控制继电器触点断开;
当电热水器内胆温度等于或低于温控开关设定值时,温控开关再次接通MCU数字控制装置的供电电路,MCU数字控制装置进入下一个控制循环,如此循环往复。
一种零功耗待机的家用电热水器,包括内胆、进出水管、电加热元件以及MCU数字控制装置,其特征是:在MCU数字控制装置的供电回路串联了包括感受电热水器内胆温度变化、控制MCU数字控制装置的供电电路的通断的温控开关,与温控开关并联连接的由MCU数字控制装置驱动的控制继电器触点:
当内胆温度等于或低于温控开关设定值时,温控开关接通MCU数字控制装置的供电电路;
当内胆温度高于温控开关设定值,温控开关切断MCU数字控制装置的供电电路;
当MCU数字控制装置处于加热状态时,该控制继电器触点与电加热元件同步接通,维持MCU数字控制装置的供电电路通路;
当加热温度满足MCU数字控制装置的预设值时,MCU数字控制装置停止加热时,控制继电器切断加热元件电源的同时,与温控开关并联连接的控制继电器触点断开;
当电热水器内胆温度等于或低于温控开关设定值时,温控开关再次接通MCU数字控制装置的供电电路,MCU数字控制装置进入下一个控制循环,如此循环往复。
一种家用电热水器零功耗待机休眠的控制装置,其特征是:包括感受电热水器内胆温度变化、控制MCU数字控制装置的供电电路的通断的温控开关,与温控开关并联连接的由MCU数字控制装置驱动的控制继电器触点:
当内胆温度等于或低于温控开关设定值时,温控开关接通MCU数字控制装置的供电电路;
当内胆温度高于温控开关设定值切断MCU数字控制装置的供电电路;
当MCU数字控制装置处于加热状态时,该控制继电器触点与电加热元件同步接通,维持MCU数字控制装置的供电电路通路;
当加热温度满足MCU数字控制装置的预设值时,MCU数字控制装置停止加热时,控制继电器切断加热元件电源的同时,与温控开关并联连接的控制继电器触点断开,电热水器进入休眠状态,不再对水体进行反复加热维持预设值温度;
当电热水器内胆温度等于或低于温控开关设定值时,温控开关再次接通MCU数字控制装置的供电电路,MCU数字控制装置进入下一个控制循环,如此循环往复。
一种零功耗待机休眠的家用电热水器,包括内胆、进出水管、电加热元件以及MCU数字控制装置,其特征是:在MCU数字控制装置的供电回路串联了包括感受电热水器内胆温度变化、控制MCU数字控制装置的供电电路的通断的温控开关,与温控开关并联连接的由MCU数字控制装置驱动的控制继电器触点:
当内胆温度等于或低于温控开关设定值时,温控开关接通MCU数字控制装置的供电电路;
当内胆温度高于温控开关设定值切断MCU数字控制装置的供电电路;
当MCU数字控制装置处于加热状态时,该控制继电器触点与电加热元件同步接通,维持MCU数字控制装置的供电电路通路;
当加热温度满足MCU数字控制装置的预设值时,MCU数字控制装置停止加热时,控制继电器切断加热元件电源的同时,与温控开关并联连接的控制继电器触点断开,电热水器进入休眠状态,不再对水体进行反复加热维持预设值温度;
当电热水器内胆温度等于或低于温控开关设定值时,温控开关再次接通MCU数字控制装置的供电电路,MCU数字控制装置进入下一个控制循环,如此循环往复。
温控开关(也称热控开关)技术和产品已经成熟,广泛用于各种电气设备中,无论进口或国产的,其控制精度、负荷、绝缘、寿命等已经近乎完美,使用在本发明中没有技术问题。本发明使用的温控开关是当温度高于标称值时接点断开的温控开关,标称值及以下是接通的,俗称自动复位的常闭接点的温控开关。工程技术人员熟知其应用,不再赘述。主要的技术要求是应当与电热水器内胆的外壁有良好的热传递,以便对内胆温度变化作出迅速反应,提高控制灵敏度。另外,还应当具有良好的绝缘性能。
这里主要对控制继电器做一个说明;所述控制继电器指家用电热水器MCU数字控制装置用于接通电加热元件电源的小型低压直流继电器,一般由MCU驱动,其触点连接交流市电电路,控制电加热元件的启动和停止。一般为多联动、静触点结构,可直接借用,无需另设置。如原设计仅一联触点,可改换多联的即可,无需另设置。以简化控制线路,提高可靠性。
所述的“在MCU数字控制装置的供电回路串联了包括感受电热水器内胆温度变化、控制MCU数字控制装置的供电电路的通断的温控开关”究竟应当串联在何处,不是一个简单的回答能说清的,但目的很清楚,只要“控制了MCU数字控制装置的供电电路的通断”目的就达到了。原因是随着低压电源技术的发展,原先传统的变压器加整流器和滤波稳压器的结构已被直流开关供电电源取代,因此,存在多种选择:至少包括交流电的输入端、低压直流的输出端、电源变换器的内部控制单元电路的连接处。其优劣分析如下:
串联在交流电的输入端具有电路简单、完全切断电路做到零功耗的优点。还可以提供高电压供状态指示灯如氖管点燃,为优选方案。不足是与市电相连接,存在绝缘问题。
串联在低压直流的输出端具有安全的优点。不足是不能完全切断电路做到零功耗,还会对直流开关供电电源的工作产生影响,为备选方案。
串联在电源变换器的内部控制单元电路的连接处,其优点是可以做到零功耗和低电压线路控制。涉及改变电源变换器内部线路及工况,虽然可以实现,不建议选用。
本发明采用了无源的温控开关完成MCU数字控制装置的启动控制,采用了有源的与MCU数字控制装置的控制继电器同步的常开触点完成加热后的MCU数字控制装置的断电控制,从而解决了单一控制点无法解决的自动无源启动和自动有源切换的问题。解决了一个本领域内多年没有解决的技术课题。不仅做到了零功耗待机,节省了待机电力消耗,而且还提出了新的运行理念,将反复加热的“随时备用”模式变为“有所储备、即用即烧”的节电休眠模式。看似没有进入工作状态,实则处于无源控制的待用休眠状态,克服了上述所说“随时备用”造成了大量的电能浪费。仅这两项计算,每台100升的家用电热水器年可节省待机耗电约12度,节电休眠模式运行节电150度以上,两项共计160度以上。仅按照我国2011、2012年两年家用电热水器的总产量三千四百多万台的一半1700万台为储热式电热水器计算,每年就可以节电27.2亿度以上。考虑到目前我国储热式家用电热水器的保有量约8000万台,本发明的经济效益和社会效益真是难以估量,可谓小改动产生大效益。