CN104776587B - 一种快速水加热装置及其控制方法 - Google Patents
一种快速水加热装置及其控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104776587B CN104776587B CN201510180993.XA CN201510180993A CN104776587B CN 104776587 B CN104776587 B CN 104776587B CN 201510180993 A CN201510180993 A CN 201510180993A CN 104776587 B CN104776587 B CN 104776587B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- water
- heating
- flow
- heating device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 392
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 285
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 42
- 210000002435 tendon Anatomy 0.000 claims description 18
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 15
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 11
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 8
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 7
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims description 7
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims description 7
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 5
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 5
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 claims description 3
- 238000012956 testing procedure Methods 0.000 claims description 3
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 claims 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims 1
- 230000036632 reaction speed Effects 0.000 abstract description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 14
- 238000013461 design Methods 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 10
- 238000005338 heat storage Methods 0.000 description 8
- 239000008236 heating water Substances 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 239000000047 product Substances 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 3
- 206010053615 Thermal burn Diseases 0.000 description 2
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 2
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- 230000036413 temperature sense Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 2
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009841 combustion method Methods 0.000 description 1
- 239000000306 component Substances 0.000 description 1
- 230000009514 concussion Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 208000002925 dental caries Diseases 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N h2o hydrate Chemical compound O.O JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 1
- 230000008676 import Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 230000005923 long-lasting effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004781 supercooling Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Bidet-Like Cleaning Device And Other Flush Toilet Accessories (AREA)
Abstract
本发明公开了一种快速水加热装置及其控制方法，所述快速水加热装置包括水箱壳体，所述水箱壳体上设有进水口和出水口，所述水箱壳体内设有加热元件，所述加热元件和加热控制板相连，所述水箱壳体上靠近出水口处设有出水温度传感器，所述水箱壳体上出水口处设有整流腔，所述出水温度传感器的头部感应点及杆体位于整流腔中，所述出水温度传感器和加热元件之间的距离为1～15mm。本发明通过在水箱壳体上靠近出水口处设置整流腔，并控制出水温度传感器的安装位置，省去进水温度传感器和流量计，简化装置结构，并可准确利用出水温度传感器估算进水温度传感器和流量计，提高温度控制精度和反应速度，性能稳定可靠，使用寿命长，且兼容性更好。
Description
技术领域
本发明涉及一种水加热装置及其控制方法，尤其涉及一种快速水加热装置及其控制方法，适用于高端智能坐便器、快速加热型小厨宝以及淋浴器等即时水加热装置。
背景技术
随着科技发展和生活水平的提高，快速加热型小厨宝、淋浴器及智能温水坐便器开始逐步进入国内普通家庭。在快速水加热装置导入应用前，传统的水加热方式为水箱储热加热方式。其典型结构一般包括：一个很大的储热水箱1(容量通常大于600ml)，一个水箱中的加热元件2，水箱底部有进水口3，水箱上方有出水口4，出水口4有水位开关5和出水温度传感器6，如图1所示。其工作原理为，先打开进水口3，将冷水注入储热水箱1，水位开关5指示水满后停止注水。然后加热元件2对水箱中的冷水加热，待水温到达设置温度后停止加热。当储热水箱1中的水冷却时，再次开启加热，水温到达设定温度时再次关闭加热，如此循环往复。当需要使用热水时，开启进水管，向水箱中注入冷水，冷水把水箱中热水向上从出水口推出，用户在短时间(10～60秒)内在出水口得到温度相对稳定的热水。
市场上典型的快速水加热装置一般包括：一个加热水箱壳体100(容量通常小于30ml)，水箱有一个进水口101和一个出水口102；一个或多个加热元件200，发热功率通常大于1000W，一个串联在水路中的流量计300，一个串联在进水水路中的进水温度传感器400，一个安装在加热水箱100后的出水温度传感器500，一个串联在500后的缓冲水箱600；一个装在缓冲水箱600上或后面的第二出水温度传感器601，一套单回路加热的控制板，如图2所示。其工作原理为：需要热水时，冷水从进水口301流经流量计300，进入加热水箱100，水流从加热元件表面流过，在这过程中加热元件对水流即时加热，加热过的水从出水口流出。其中加热元件的输出功率由控制驱动电路板根据流量计、进水温度传感器、出水温度传感器的信号以及设定的目标温度，计算得出；并随时根据流量、温度信号的变化调整加热元件功率，使出水温度快速响应流量、温度的变化，并控制在一定的精度范围内。
快速水加热装置由于只在使用时才加热，不需要热水时不对水箱中的水加热保温，因而更节能；由于没有适合细菌滋生的储热水箱，因而更卫生；由于能长时间持续提供稳定的温水，因而冲洗更舒适；由于占用体积远小于储热水箱，因而终端产品的结构可以更紧凑，更小巧更美观。鉴于这多方面的优势，快速水加热装置是所有含水加热功能的产品的发展方向和核心部件。
在现有的快速水加热装置控制技术中，流量计是必不可少的元件。快速水加热装置是对流过加热元件的水流进行实时加热；加热元件的功率很大；加热元件及加热腔体对热量的传导有滞后性；温度传感器的温度信号也有滞后，往往不能及时反应温度的快速变化(坐便器中常用的快速响应温度传感器一般需要3～5秒后才能感知温度变化的63％)。在应用中，流量、进水温度，及两个出水温度的信号稍有变化，就必须对加热功率作出及时的、乃至前瞻性的调整，确保出水温度在可接受的范围内。否则水温会失控，过冷或过热的水流接触人体后，会导致用户的不舒服，甚至引起惊吓、烫伤事件(日本新闻曾报道某著名智能坐便器品牌发生水流烫伤用户下体，住院治疗几周的事件)。
在这样的快速水加热装置中，其进水流量还会因为水源压力的变动而突变，如果没有快速反应的流量计和性能可靠的控制软件，出水温度将失去控制。例如，当装置的流量在700ml/min，进水温度为5℃，出水温度已稳定控制在40℃时；用户的邻居突然打开了一个大流量的水阀，导致附近管路的动压短暂下降，从而使装置的流量在0.5秒内从700ml/min下降到300ml/min。这时由于进水口的水温没有发生变化，水箱中的水温虽已开始升高，但温度升高的水还没流到出水口，出水口的温度传感器信号也还没有发生变化(即使出水温度发生了微弱变化，温度传感器也要在数秒后才能感知63％的温度上升)，控制电路板不会对发热功率做出调整，因而加热元件还在以原先的功率加热，下一秒钟出水口温度将飙升到70℃以上。由此可见，为了保持出水温度的精准，一个反应及时，信号质量稳定，结构可靠的流量计在传统的快速水加热装置中是一个必不可少的部件。
此外，在现有的快速水加热装置控制技术中，进水温度传感器是必不可少的元件。智能坐便器行业对水加热的出水温度有时间响应的要求，要求用户进行相关操作后，8秒左右就能出温水，同时水流的水温已到达用户的设定温度。相应的水加热装置必须在8秒以内将进水温加热到设定温度，并保持稳定。为了快速达到设定的水温，必须在刚开始加热时就选择一个合适的加热功率，这个功率需要由进水温度，流量，出水温度、目标温度决定。因此，进水温度传感器是使出水温度在短时间内到达设定值的重要保障，必不可少。
在现有的快速水加热装置控制技术中，加热水箱100后的缓冲水箱600或缓冲水路是提升性能的优化选择。由于温度传感器相对于加热系统的大滞后性，出水传感器500总是要在水温平稳后数秒才能感知到真实的水温，无法准确感知短时间内快速变化的出水温度。从而导致控制滞后，出水温度上下震荡，超出用户能接受的变化范围。因此在传统的设计中，在加热水箱后放置一个缓冲水箱或缓冲水路，对震荡的水温做温度缓冲处理也是必须的。
在现有的快速水加热装置控制技术中，装在缓冲水箱600中或之后的第二出水温度传感器601也是提升性能的优化选择。从微观上看，一股大的水流总是由多股不同流速、不同粗细，不同温度的细小水流和紊流组成。一般而言，安装在水道中的温度传感器由于只能接触到部分小水流，因此对应的传感器温度信号只能反应部分小水流的平均温度，并不能真实地反应快速流动的整体水流的实时温度。
在传统的设计中，由于温度传感器本身有尺寸公差，在安装时还有安装误差，不同的温度传感器个体之间不可避免地存在信号误差；同时，由于传统设计中，温度传感器感应点周围的空间结构不是对称设计的，感应点周围各个方向的水流粗细、速度都是不同的，温度信号反应的是传感器杆体传递的外部环境温度和内部水流温度的总和，因而在不同的流速、水温、环境温度下，感应到的水温度可能会比实际水温偏高或偏低。相对而言，加热器后的缓冲水箱600有比较大的容量，水在其中的流速较慢，温度传感器的感应点周围上下左右前后各个方向的水温是基本相同的，周围水温不会快速变化；传感器的杆体也可充分浸泡在水箱中，减小了外界温度的影响；从而感应到的温度比较真实。因此，在典型的设计中，常在缓冲水箱中或缓冲水路中增加一个温度传感器，用来校正出水温度的偏差。
综上所述，传统的快速水加热装置是一个传感器众多，结构复杂，温度控制精度高，反应快速的装置。它对零部件的质量要求高，尺寸公差要求高，生产过程中对安装的工艺要求高，对软件的算法要求高；装置的可靠性，一致性比较难控制，任何零件、安装的误差都可能导致整个装置的质量问题。
由于国内厂商起步较晚，对技术不够重视，研发投入有限，目前都没能完全掌握此核心技术。国内大部分产品还是水箱储热式加热方式，高端的快速水加热装置的技术主要垄断在在以松下、东陶为代表的少数外资高端品牌手中，少数国产高端产品直接采用了韩国厂商提供的快速水加热装置。这种状况严重阻碍了国产高端水加热产品的技术升级和市场普及。
现有快速水加热装置及其控制方法的缺点如下：
1、装置上的传感器多，装置整体的可靠性差
由于使用了1个流量计和3个温度传感器，每一个零件都有其自身的信号误差，安装误差，尺寸公差，导致装置的累计公差大，信号的不确定因素多，软件控制算法复杂，从而影响装置的整体可靠性。同时从使用行业使用经验看，频繁地因为流量计堵转、破损，温度传感器偏差失效等器件问题导致快速水加热装置无法正常工作。从某外资高端智能坐便器品牌的售后投诉看，因水加热装置故障产生的用户投诉占到了总投诉的30％以上。
2、出水温度精度差
由于温度传感器本身有±1℃左右的信号误差，传统设计还有安装误差、流量变化、外界环境热传递等因素带来的误差影响；因此，虽然某些高端品牌的产品能在流量平稳时，将一段时间内的出水温度的波动控制在±0.5℃以内，但其出水的绝对温度值还是很难控制在设定值的±2℃内。即在设置了同样设定温度，工作在不同流量、环境温度下的两个产品，最终的出水温度差异可能达到4℃甚至以上。为了消除这种温度不准的不良影响，现有智能坐便器产品一般不告知用户当前的出水温度是多少，而是设计了一个可以调节温度的人机界面，让用户在对水温不满意时，可以自主地选择低档温度、中档温度、高档温度，从而避免用户质疑与投诉。
3、结构复杂，难以进一步缩小体积
由于使用了4个传感器，及其相关的各种密封、固定结构，导致结构复杂，电源线、信号线、通信线布线错综复杂，装置外形不规则，快速水加热装置的体积难以进一步缩小，不利于终端产品的结构布局。
4、目前传统的水加热装置普遍存在加热水箱内及加热元件上容易结水垢，因而缩短使用寿命的缺点。水垢在加热元件上堆积后会影响热量的传递效率，使得加热元件内部温度升高，加热元件内外温差升高。加热元件上的部分水垢在加热开启、停止的切换过程中，受到冷热温度冲击，会从加热元件上一块块地剥落，加剧了加热器表面的散热不均，表面不同区域温差大。加热元件在升高的内外温差，表面不同区域的温差及冷水冲击下，容易因热应力而引起加热元件断裂，从而缩短装置的使用寿命。另一方面，从加热元件表面剥落的较大块的水垢也容易堵塞流路，同样造成装置的快速失效。
5、目前市场上的部分快速水加热装置不能有效地排除水中的气泡，气泡往往吸附在加热元件表面，或在加热元件表面不规则移动，因而造成加热元件表面温度不均匀，造成水流温度的忽高忽低；同时还产生热应力，加速加热元件的失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种快速水加热装置及其控制方法，能够大大简化快速水加热装置结构，并提高温度控制精度和反应速度，性能稳定可靠，使用寿命长，且兼容性更好。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种快速水加热装置，包括水箱壳体，所述水箱壳体上设有进水口和出水口，所述水箱壳体内设有加热元件，所述加热元件和加热控制板相连，所述水箱壳体上靠近出水口处设有出水温度传感器，其中，所述水箱壳体上出水口处设有整流腔，所述出水温度传感器的头部感应点及杆体位于整流腔中，所述出水温度传感器和加热元件之间的距离为1～15mm。
上述的快速水加热装置，其中，所述整流腔包括三段腔体，两段相互大致垂直的第二腔体流道管路和第三腔体流道管路，所述出水温度传感器的头部感应点及杆体沿第二腔体流道管路的延伸方向设置且大致位于第二腔体流道管路的中央位置。
上述的快速水加热装置，其中，所述第一腔体流道管路的内径为杆体外径的0.8～3倍，第二腔体流道管路的内径为杆体外径的1.3～3倍，所述第一腔体流道管路的长度至少为0.2mm。
上述的快速水加热装置，其中，所述加热元件为加热管，所述加热管和水箱壳体之间设有圆筒形的导流体，所述导流体上设有沿水流方向螺旋向前的两条凸筋，所述两条螺旋向前的凸筋之间形成导流槽。
上述的快速水加热装置，其中，所述导流体由上半导流体和下半导流体拼接而成，所述凸筋与加热管外表面之间的间隙为0.1～0.8mm；所述导流体内壁与凸筋顶端的距离为1.0～4mm；所述凸筋顶端剖面大致呈梯形状。
上述的快速水加热装置，其中，所述加热控制板为至少具有两个可控硅的多回路加热控制板，所述可控硅固定在散热铜板的受热端，所述散热铜板的散热端伸入到水流中。
上述的快速水加热装置，其中，所述加热元件为双组加热丝陶瓷加热管，所述加热控制板为双回路加热控制板，所述加热管有A、B、C三个电极，其中C为公共端接控制板零线，A和B分别接加热控制板的两个控制回路。
上述的快速水加热装置，其中，所述散热铜板上靠近散热端处还设有温度熔断器和/或温控器。
上述的快速水加热装置，其中，所述温度熔断器外包裹有绝缘套管，所述绝缘套管外包裹有导热的金属箔，所述金属箔外设有外盖，所述金属箔和外盖之间设有防止散热的绝热填充物。
上述的快速水加热装置，其中，所述散热铜板中间设有用于安装温控器的圆形凹坑，所述圆形凹坑底部开设有散热凹槽，所述上半导流体上设有与散热凹槽相匹配的散热窗口。
上述的快速水加热装置，其中，所述进水口和加热管的进水端之间设有密封管密封，所述密封管的外壁上至少设有一条径向封闭的凸筋，所述密封管的进水部还设有向内翻折的包边。
本发明为解决上述技术问题还提供一种快速水加热装置的控制方法，包括如下步骤：a)获取出水温度和进水温度；b)根据出水温度和进水温度估算流量；c)利用进水温度、流量和出水温度调节加热元件的加热功率。
上述的快速水加热装置的控制方法，其中，所述步骤a)中的进水温度根据出水温度估算得到，估算过程如下：关闭加热元件，让冷水流过所述快速水加热装置；经过一段时间后，所述出水温度传感器测量到的温度即为进水温度，并在整个加热过程中不再检测进水温度，默认进水温度维持不变。
上述的快速水加热装置的控制方法，其中，所述进水温度和出水温度可以根据温度信号变化率的不同分段进行修正；温度修正过程如下：Tt’＝Tt+k*(Tt-Tt-1)，Tt、Tt-1为t时刻、t-1时刻的实测水温，Tt’为t时刻的修正水温，k为温度修正系数；当温度信号变化率小于预设阈值时,采用t-2时刻的温度值对t时刻的温度进行修正，Tt’＝Tt+k/2*(Tt-Tt-2)。
上述的快速水加热装置的控制方法，其中，所述温度修正系数k的取值范围通过如下方式获得：将初始温度为T0的温度传感器快速投入到温度为Ttarget的水中；采样获得实际温度变化曲线T；在曲线T上的每个采样点,计算温度信号变化率ΔT＝Tt-Tt-1：当温度信号变化率ΔT的绝对值在25～3.2℃/秒时:Tt’＝Tt+6*(Tt-Tt-1)；当温度信号变化率ΔT的绝对值在1.6℃/秒～3.2℃/秒范围内时：Tt’＝Tt+5*(Tt-Tt-1)；当温度信号变化率ΔT的绝对值<＝1.6℃/秒时：Tt’＝Tt+1.5*(Tt-Tt-2)。
上述的快速水加热装置的控制方法，其中，所述步骤b)中的平均流量V＝P/(4.2*(Tout’-Tin’))，即时流量Vt＝(Kv*Pt-1+Wt)/((Kv+1)*4.2*(Tout’-Tin’))；P为加热元件(200)的平均功率，Tout’为修正后的出水温度，Tin’为修正后的进水温度，Kv为系统热传递常数，Pt-1表示t-1时刻的名义功率，Wt表示t时刻的发热功率。
上述的快速水加热装置的控制方法，其中，所述水箱壳体的容量为6～30ml，所述出水口的流量为200ml～1000ml，所述加热元件的加热功率为600W～2200W，加热元件的有效加热表面积为16～30平方厘米，Kv取值范围为2～200。
上述的快速水加热装置的控制方法，其中，所述步骤c)中的t时刻的加热功率Wt计算如下：Wt＝Wt-1+Kw*Vt*(目标温度-出水温度Tout’)；
刚开始加热时的功率W0＝K0*V0*(目标温度-进水温度Tin’)；
系数Kw＝4.2焦耳/(毫升*℃)，Wt-1为t-1时刻的加热输出功率，单位为焦耳/秒，Vt为t时刻的流量，单位为毫升/秒，Tout’为修正后的出水温度，Tin’为修正后的进水温度，单位为℃。
上述的快速水加热装置的控制方法，其中，刚开始加热时的功率W0由以下方法计算得到：W0＝K0*V0*(目标温度-进水温度Tin’)；其中系数K0的范围为0.6～3。
上述的快速水加热装置的控制方法，其中，刚开始加热时的流量V0由以下方法查询得到：先不开启加热，让水流经装置，等出水温度传感器上的信号稳定后，此时检测到的水温即为进水温度Tin，将进水温度Tin修正为Tin’；再开启加热，加热元件发出固定热量Q；经过一段时间后，在t1时刻测量温升ΔT，根据已有的时刻-温升-流量三维表获取此时的流量。
上述的快速水加热装置的控制方法，其中，所述时刻-温升-流量三维表由以下实验方法得到：在加热前，先将流入装置的水流调节在一个固定的流量值V1，待出水温度传感器上的信号稳定后，记录此时水温T0；然后开启加热，加热元件发出固定热量Q后停止加热；每隔一段时间检测一次水温T1、T2、T3、T4、…，计算不同时刻的温升ΔT1＝T1-T0，ΔT2＝T2-T0，…，得到流速为V1时的时间-温升表；
再将水流调节到另一个固定的流量值V2，重复以上方法，得到流速为V2时的时间-温升表；重复以上测试步骤，可得到在不同流量下的时刻-温升表。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的快速水加热装置及其控制方法，通过在水箱壳体上靠近出水口处设置整流腔，并控制出水温度传感器的安装位置，从而省去进水温度传感器和流量计，大大简化快速水加热装置结构，并可准确地利用出水温度传感器估算进水温度传感器和流量计，提高温度控制精度和反应速度，性能稳定可靠，使用寿命长，且兼容性更好。本发明增加了导流装置，避免了水垢的快速形成，避免了气泡在加热装置中的吸附，延长了装置的使用寿命。此外，本发明还通过改进了温度保护装置的反应速度，使装置具有更高的安全性能。
附图说明
图1为现有储热水箱结构示意图；
图2为现有快速水加热装置结构示意图；
图3为本发明快速水加热装置结构示意图；
图4为本发明快速水加热装置的分解结构示意图；
图5为温度传感器的头部感应点处于水路中央时的水流示意图；
图6为温度传感器的头部感应点处于靠近管路下方水路内壁时的水流示意图；
图7为本发明快速水加热装置的一种整流腔结构示意图；
图8为本发明快速水加热装置的其他形式的整流腔结构示意图；
图9为本发明快速水加热装置内的导流体结构及水流动方向示意图；
图10为本发明快速水加热装置的水路管道剖面结构示意图；
图11为本发明快速水加热装置的出水后剖面结构示意图；
图12为本发明快速水加热装置的管状加热元件及导流筒剖面结构示意图；
图13为本发明快速水加热装置的散热铜板结构示意图；
图14为本发明快速水加热装置的散热效果示意图；
图15为本发明快速水加热装置的导流体结构示意图；
图16为本发明快速水加热装置的可控硅和散热板的连接示意图；
图17本发明快速水加热装置的热熔断器的安装结构；
图18为本发明的简化温度变化曲线拟合示意图；
图19为本发明得到的在不同流量下的时刻-温升曲线；
图20为现有的带流量计的快速水加热装置的出水温度响应曲线；
图21为本发明的快速水加热装置的出水温度响应曲线。
图中：
1储热水箱 2加热元件 3进水口
4出水口 5水位开关 6出水温度传感器
100水箱壳体 101进水口 102出水口
105凸起 120端盖 130导流体
131上半导流体 132下半导流体 133凸筋
134、135散热窗口 136水流出口 137水垢
138导流槽 200加热元件 201密封管
202密封圈 203加热管进水口 204法兰
205加热管出水口 300流量计 400进水温度传感器
500出水温度传感器 501头部感应点 502紊流
503杆体 600缓冲水箱 601第二出水温度传感器
700加热控制板 701、702可控硅 703、704螺钉
800整流腔 801第一腔体流道管路
802第二腔体流道管路 900散热铜板 901温度熔断器
902绝缘套管 903金属箔 904外盖
905绝缘填充物 907自攻螺钉 908散热端
909受热端 910温控器 911圆形凹坑
912、913散热凹槽
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图3为本发明快速水加热装置结构示意图。
请参见图3，本发明提供的快速水加热装置，包括水箱壳体100，所述水箱壳体100上设有进水口101和出水口102，所述水箱壳体100内设有加热元件200，所述加热元件200和加热控制板700相连，所述水箱壳体100上靠近出水口102处设有出水温度传感器500，其中，所述水箱壳体100上靠近出水口102处设有整流腔800，所述出水温度传感器500的头部位于整流腔800中，所述出水温度传感器500和加热元件200之间的距离为1～15mm。进水口101可位于端盖120上，根据需要，进水口101可以朝左、朝上或朝右安装，方便用户选择进水方向。
本发明提供的快速水加热装置，通过在水箱壳体100上靠近出水口处102设置整流腔800，并控制出水温度传感器500的安装位置，从而省去进水温度传感器和流量计，大大简化快速水加热装置结构，即使在水流很小的情况下，加热元件200上的温度波动也能通过水体的膨胀效应及热传导效应部分地被温度传感器感应到，增加了温度的反应速。
温度传感器的头部感应点501的温度不仅受到杆体传递的外界温度的影响，还直接受到紊流502以及水路内壁传递的外界温度干扰。如图5所示，温度传感器的头部感应点501在水路的中部，其下方水流最快，其上方水流较慢；其误差主要来自于感应点上方杆体和外界温度的热传递。而在图6中，由于头部感应点501下方靠近水路内壁，间隙小阻力大，因此水流速度小，相比于图5，温度信号上更增加了外界温度通过管壁的热传递干扰。本发明的整流腔800包括若干段相互大致垂直的流道管路，所述出水温度传感器500的杆体沿中间段流道管路的延伸方向设置且大致位于中间段流道管路的中央位置。该整形结构使水流从温度传感器杆体中后部流入，然后水流沿杆体流向传感器头部，最后沿水路流出，如图7所示；或者该整形结构使水流从传感器头部流入，水流沿杆体流向杆体中后部，最后沿水路流出。具体来说，所述整流腔800包括第一腔体流道管路801及两段相互大致垂直的第二腔体流道管路802和第三腔体流道管路803，所述出水温度传感器500的头部感应点501及杆体503沿第二腔体流道管路802的延伸方向设置且大致位于第二腔体流道管路802的中央位置，除了图7外，整流腔800还可以选用图8中的三种不同形式的整流腔。所述第一腔体流道管路801的内径为杆体503外径的0.8～3倍，第二腔体流道管路802的内径为杆体503外径的1.3～3倍，所述第一腔体流道管路801的长度至少为0.2mm，如图8所示。所述出水温度传感器500和加热元件200之间的距离D为1～15mm,杆体及感应点处于流道中央，热容量大的水流从杆体周围快速流过时，及时消除了通过流道管壁和杆体热传递带来的外界温度影响，因此能够快速而准确地反映实时变化的水温。
本发明提供的快速水加热装置，进水端盖120与加热管200的进水口203之间，用一个密封橡胶管201密封。加热管200的方形法兰204与水箱的之间用密封圈202密封。用四颗螺钉将进水端盖120、法兰204和水箱固定在一起。加热管和水箱之间有导流体130，导流体130由上半导流体131和下半导流体132上下两半合成，水流的流动方向如图9所示。导流体130内部还有引导水流的螺旋凸筋133，螺旋凸筋之间形成导流槽，使水流能够在加热管表面螺旋向前流动。导流体最后一圈的导流槽顶部有出水口136，水流从此处流向整流结构800。
请继续参见图10和图11，本发明的水流由进水口101流入到达进水端盖120，经过密封橡胶管201后，进入加热管进水口203内部，流到加热管出水口205后，从加热管内部出来转到加热管外表面，经导流体130(由131、132合成)的引导后，在加热管外表面螺旋旋转流向出水口。水流经过整流腔800的整理，水流从温度传感器500头部流入，沿杆部向上流动，最后从出水口102流出。
图12示出了水箱内部加热管出水口205的内部结构。加热管法兰204处的螺钉不但固定加热管在水箱中的轴向位置，同时也固定了法兰204处的径向位置；加热管出水口205处的径向位置由水箱内部的凸起105固定。导流体130在水箱中的径向位置由其外径与水箱内部腔体的内径配合确定。设计时保证导流体的凸筋与加热管外表面之间的间隙d在0.1～0.8mm之间，优选0.3mm左右；导流体内壁与凸筋顶端的距离在1.0～4mm之间；凸筋顶端剖面大致呈梯形状，梯形上部正对加热元件，减小可能的有效接触面。这样凸筋133既不会碰到发热体表面而受热变形，从凸筋与发热体之间间隙中的泄漏的流量也不会占据流量的主要部分，保证大部分水量是沿导流槽流动的，降低泄漏流量中的紊流对出水温度的影响。
本发明在使用管状加热元件时，由于在加热元件200与水箱壳体100间增加了圆筒形的导流体130，导流体130上有沿水流方向螺旋向前的凸筋133；两条螺旋凸筋之间形成导流槽，能使水流顺导流槽，沿着管状加热元件外表面向出口处旋转流动。在一定的流量下，由于水流由直线流动变为螺旋流动，水路变长，增加了水流速度，降低了发热体表面的温度，减少了水垢137和气泡的生成。同时，在加热元件表面快速流动的旋转水流还能及时将已生成的水垢微粒和气泡冲走，避免加热元件200因散热不良而表面温度上升，提高了元件的寿命。水流沿加热元件200表面螺旋流动后，迫使水温在流道中呈稳定的梯度分布，进水口的水温最低，沿水流方向温度逐步提高，在出水口达到最高。这种水温梯度分布的特性，有效地降低了装置在加热过程中的热惯性，使装置对流量、功率变化反应更快速；另一方面又提升了装置的抗干扰能力，减小了紊流、功率的扰动对出水温度的影响。
图13为本发明快速水加热装置的散热铜板结构示意图；图14为本发明快速水加热装置的散热效果示意图。
请参见图13和图14，本发明的散热铜板900可以一体冲压成型。909为连接可控硅的受热端，908是散热铜板的散热端。散热端908的数目可以为多个，保证与水流充分接触，中间有一圆形凹坑911，用来安装温控器910。911底部还有冲压的凹槽912和913，用来延伸到导流体内部，与水流充分接触，提高散热效率。散热板的散热端908可根据需要单独固定在进水流路中、加热流路中、出水流路中，或者同时固定在以上2个或2个以上流路中。当散热板的散热端908固定在加热流路或出水流路中时，可将温控器910固定在散热板上，利用散热器良好的导热性来快速地监控异常温度。当加热回路故障并持续加热时，散热片能及时地将装置内部热量及可控硅处来不及散发的热量都传递到温控器上，使温控器及时动作，从而达到快速限制装置内部温度及出口处最高水温的目的。
图15为本发明快速水加热装置的导流体结构示意图。
请参见图15，本发明的导流体130由131和132两半组成，131上还有散热窗口134和135，用来安装散热片900的散热凹槽912和913。散热窗口位于最后第三和第二条导流流道中，散热槽912、913与水流充分接触，且离加热管的距离很近，约3mm。正常加热时，散热端908的温度略低于出水温度。内部水温过高时，过热的水温能快速地传递到散热端908；加热管无水干烧时，热量也能快速的辐射或通过水汽传导到散热端908上；因此安装在铜板上的温控器910及热熔断器901都能够及时动作，起到双重安全切断加热回路的作用。
图16为本发明快速水加热装置的可控硅和散热板的连接示意图。
请参见图16，本发明的可控硅701和702并排安装在控制板上，散热面朝上；其散热面与散热板的受热端909用螺钉703和704固定。温度熔断器901外包裹绝缘套管902，绝缘套管902外包裹导热的金属箔903，金属箔903直接与散热板900紧密接触，外盖904盖在金属箔903外面，金属箔903与外盖904之间还增加了防止散热的绝热填充物905。自攻螺钉907将外盖904、填充物905、绝缘套管902、熔断器901紧密地固定在散热铜板900上，如图17所示。
本发明提供的快速水加热装置，通过在水箱壳体100上靠近出水口处设置整流腔800，并控制出水温度传感器500的安装位置，从而省去进水温度传感器和流量计，大大简化快速水加热装置结构。
目前在水加热器中使用的实体流量计有两种，红外信号流量计和磁信号流量计，两种流量计都有一个外壳，一个进水口、一个出水口，壳体内部都有叶轮，壳体外部有感应器。当水流过流量计内部时，水流能推动叶轮旋转，旋转的叶轮使感应元件上的红外信号或磁信号发生改变，信号变化的快慢反应了叶轮转速的快慢。
红外信号的流量计外壳是透明的，在外壳的一边持续输出红外光，穿过壳体，被另一边的接收器收到；叶轮旋转时，旋转的叶轮会不停地阻挡红外线，红外线接收器就收到了不停通断的红外信号。根据红外信号通断的频率，可知叶轮的转速。
磁信号流量计外壳一般是不透明的，叶轮上会安装至少一对磁铁，每对磁铁的磁极安装方向相反。在壳外有一个磁极感应元件。叶轮旋转时，感应元件上能感应到磁极N、S极的变化，测量变化的频率也就可知叶轮的转速。
由于叶轮的转速与流量在一定范围内有大致线性的正比对应关系，因此知道了信号变化的频率也就大致获得了流量。由于信号变化频率和流量之间的关系不是完全线性的，因此这种流量计的误差比较大，在使用范围内一般有10～30％的测量误差。当水流较小时，水流对叶轮的推力很小，叶轮不容易转起来；转起来后，转速也容易受到紊流的影响，波动很大。当水流中杂质较多，或叶轮上附着了水垢、微生物薄膜时，叶轮转动的阻力会增加，流量信号会变小或没有；当水流中含有空气时，叶轮转动时在水气混合流体中的阻力变小，会使叶轮加速旋转，流量信号会变大；气泡还能使红外光线产生不正常的折射、散射，影响红外线的接收，造成流量信号错误。
在使用一段时间后，由于流量计壳体内会不可避免地沉淀杂质和微生物，红外信号流量计的壳体会逐渐变得不透明，影响红外光线的通过，造成流量计失效。磁信号流量计内部由于含有磁铁，容易吸附水流中带磁性的金属氧化物杂质，加速杂质在叶轮上的沉淀速度，从而造成叶轮转速变慢或者堵转，加速流量计的失效。
目前的实体流量计的以上缺点，在本行业中尚无有效可靠的解决方案，是本行业中公知的技术难题。本发明提供的快速水加热装置，通过在水箱壳体100上靠近出水口处设置整流腔800，并控制出水温度传感器500的安装位置，使得杆体503及头部感应点501处于整流腔800流道中央，保证热容量大的水流沿着杆体周围快速流过，及时消除了通过流道管壁和杆体热传递带来的外界温度影响，因此能够快速而准确地反映实时变化的水温，并可准确地利用出水温度传感器估算进水温度和流量。
本发明省略实体流量计后，流量Vt和加热功率Wt可通过估算获取，并且在运算过程中互相循环修正，第一次的流量V0由加热开启时，根据温升变化，查询时刻-流量-温升曲线确定，第一次的功率W0由第一次的流量V0确定。本发明的快速水加热装置的控制方法，包括如下步骤：
a)获取出水温度和进水温度；所述进水温度根据出水温度估算得到，估算过程如下：关闭加热元件，让冷水流过所述快速水加热装置；经过一段时间后，所述出水温度传感器测量到的温度即为进水温度，由于在整个加热的过程中，实际的进水温度变化很小，微小的变化不会对系统的温度控制造成不良影响，因此可以在整个加热过程中不再检测进水温度，默认进水温度维持不变。
b)根据出水温度和进水温度估算流量；
所述进水温度和出水温度可以根据温度信号变化率的不同分段进行修正。温度修正过程如下：Tt’＝Tt+k*(Tt-Tt-1)，Tt、Tt-1为t时刻、t-1时刻的实测水温，Tt’为t时刻的修正水温，k为温度修正系数；当温度信号变化率小于预设阈值时,采用t-2时刻的温度值对t时刻的温度进行修正，Tt’＝Tt+k/2*(Tt-Tt-2)。所述温度修正系数k的取值范围通过如下方式获得：
将初始温度为T0的温度传感器快速投入到温度为Ttarget的水中；
采样获得实际温度变化曲线T；
在曲线T上的每个采样点,计算ΔT＝Tt-Tt-1,再计算修正值k*ΔT；发现适当选择k的值，在ΔT的绝对值较大时,k取较大的值ka,在ΔT的绝对值中等时,k取中等的值kb,在ΔT的绝对值较小时,k取较小值kc,可得到另一条曲线T’,如图18所示。这条曲线基本介于实际温度线Ttarget和温度信号曲线T之间，比温度信号曲线能更快地、更真实地反映实际的温度Ttarget，从而成为一条有效的修正曲线。经过实验发现k的取值在1～8之间时，既能够较好地消除温度信号的干扰，也能快速地满足温度控制地要求。其中：Tt是某一时刻的水温,Tt-1是上一个时刻的水温，Tt-2是Tt-1之前一个时刻的水温。Tt与Tt-1之间，Tt-1与Tt-2之间都间隔时间tc。通过实验测试,选择tc＝τ/8～τ/40时,能使装置既能满足温度快速响应的要求,又能满足温度准确性的要求。τ是温度传感器的响应时间。
实际应用中,tc可在τ/8～τ/40的范围内自由选择；τ、tc确定后，用T＝T0+ΔT*(1-e(-t/τ))的推算法，或实验测试的方法，画出温度信号曲线和实际温度曲线。在信号曲线和温度曲线之间及温度的变化率确定，用可实验方法测定。再根据需要，画出合适的修正曲线；然后根据斜率的不同范围，用两种或多种不同系数的简化公式来简化修正曲线。优选地，当选用τ＝3秒的温度传感器，同时选择tc＝0.12秒时，可将温度响应曲线修正为以下三段：
温度信号变化率的绝对值在25～3.2℃/秒时:Tt’＝Tt+6*(Tt-Tt-1)；
温度信号变化率的绝对值在1.6℃/秒～3.2℃/秒范围内时：Tt’＝Tt+5*(Tt-Tt-1)；
温度信号变化率的绝对值<＝1.6℃/秒时：Tt’＝Tt+1.5*(Tt-Tt-2)；即当根温度信号变化率小于预设阈值时,采用t-2时刻的温度值对t时刻的温度进行修正，Tt’＝Tt+k/2*(Tt-Tt-2)。
c)利用进水温度、流量和出水温度调节加热元件的加热功率。
t时刻的加热功率Wt计算如下：
Wt＝Wt-1+Kw*Vt*(目标温度-出水温度Tout’)；
刚开始加热时的功率W0＝K0*V0*(目标温度-进水温度Tin’)；
系数Kw＝4.2焦耳/(毫升*℃)，Wt-1为t-1时刻的加热输出功率，单位为焦耳/秒，Vt为t时刻的流量，单位为毫升/秒，Tout’为修正后的出水温度，Tin’为修正后的进水温度,单位为℃。刚开始加热时的功率W0由以下方法计算得到：
W0＝K0*V0*(目标温度-进水温度Tin’)；
其中系数K0的取值范围为0.6～3，为了加快水温的上升速度，K0应大于1，，但一般不超过3，否则会有水温过热，来不及控制的风险。
刚开始加热时的流量V0由以下方法查询得到：
先不开启加热，让水流经装置，等出水温度传感器上的信号稳定后，此时检测到的水温即为进水温度Tin，并用权利要求14的方法修正为Tin’；再开启加热，加热元件发出固定热量Q；经过一段时间后，在t1时刻测量温升ΔT，根据已有的时刻-温升-流量三维表，可大致地辨别此时的流量。
为了比较准确地推算流量，优选地，可在t1，t2，t3三个时刻测量水温，并计算ΔT1＝T1-T0，ΔT2＝T2-T0，ΔT3＝T3-T0。根据已有的时刻-温升-流量三维表，采用比对辨识的算法，可以推算出比较可靠准确的初始流量。t1，t2，t3可分别选择实际流量范围的最大流量、中等流量、最小流量的温升拐点时刻。
本发明控制温度所需的流量信号由出水温度的变化推算得出，方法如下：
1)加热开始前初始流量的测定：当加热元件在短时间内发出热量Q并随后停止加热后，部分热量Q1将使加热元件温度上升，另一部分热量Q2将会传递到水流中，导致水流温度上升。
由于水是在加热元件表面流动的，水流P1靠近出口，它流过加热元件表面时，加热元件内部的温度还没传递出来，它被加热的时间最短，因此P1流到出水口时，温度上升少；水流在加热元件表面流动的距离较长，它流到出水口后有更高的水温；如果加热元件的热量大部分已被水流带走，温度已经下降，则水流到达出水口时的温度反而低。由此可见，在加热元件开始加热后，在不同的流量下，经过相同的时间，水流到达传感器位置不同，则水流温度不同。根据测量到的水温，可以反推此时的流量。
1.1测定装置在各种流量下的时刻-温升曲线
在加热前，将流入装置的水流调节在一个固定的值V1，待出水温度传感器上的信号稳定后，记录此时水温T0；然后短时间开启加热，加热元件发出固定热量Q后停止加热；每隔一段时间检测一次水温T1、T2、T3、T4、…等，计算不同时刻的温升ΔT1＝T1-T0，ΔT2＝T2-T0，…，得到流速为V1时的时间-温升表。再将调节水流在一个固定的值V2，重复以上方法，得到流速为V2时的时间-温升表。重复以上测试步骤，可得到在不同流量下的时刻-温升曲线，如图19所示，横轴为采样时刻，纵轴为温升，流量V6＞V5＞V4＞V3＞V2＞V1。
1.2推算装置的流量
计算流量时，先不开启加热，让水流经装置，等出水温度传感器上的信号稳定后，记录此时水温T0；再开启加热，加热元件发出固定热量Q；经过一段时间后，在t1时刻测量温升，根据已有的时刻-温升-流量三维表，可大致地辨别此时的流量。
为了比较准确地推算流量，优选地，可在t1，t2，t3三个时刻测量水温，并计算ΔT1＝T1-T0，ΔT2＝T2-T0，ΔT3＝T3-T0。根据已有的时刻-温升-流量三维表，采用比对辨识的算法，可以推算出比较可靠准确的初始流量。t1，t2，t3可分别选择实际流量范围的最大流量、中等流量、最小流量的温升拐点时刻。
2)加热过程中，流量及温升稳定不变时，流量的计算公式推导：
平均流量V＝平均功率P/(4.2*(出水温度Tout’-进水温度Tin’))
3)加热过程中流量变化时的流量计算：
由于加热元件和温度传感器的大滞后性，即时流量无法依据即时功率与温升简单计算得出。通过实验测定发现，在一个特定的加热系统中，某一时刻的流量与温升的关系可近似简化为：
流量Vt＝名义功率Pt/(4.2*温升ΔT)
＝〉其中名义功率Pt＝(Kv*Pt-1+Wt)/(Kv+1)
＝〉Vt＝(Kv*Pt-1+Wt)/((Kv+1)*4.2*ΔT)
＝〉Vt＝(Kv*Pt-1+Wt)/((Kv+1)*4.2*(Tout’-Tin’))
Pt表示现在的名义功率，Pt-1表示上一个时刻的名义功率，Tout’推算到的现在的出水温度，Tin’是进水温度；Kv是一个与系统相关的常数，主要与加热水箱的容量、温度传感器的响应时间以及发热体的热传递系数有关，取值范围在2～200之间，需要根据实验测定。
优选地，当装置的容量在10毫升左右，加热功率在1600W左右，采用氧化铝陶瓷加热元件，并且加热元件的有效加热表面积为16～30平方厘米时，取Kv为4～6时，计算得到的流量Vt的响应速度比较好，装置的控温效果较好。
Wt表示现在的发热功率,与上一个时刻的发热功率、现在的流量、实际温度与目标温度的差值相关,其算法可用传统的PID算法、模糊算法构建,也可用简易公式计算得出：
Wt＝Wt-1+系数Kw*流量Vt*(目标温度-出水温度Tout’)；
流量单位为毫升/秒，温度单位为℃，系数Kw＝4.2焦耳/(毫升*℃)，功率单位为瓦特(焦耳/秒)；Wt为现在的加热输出功率，Wt-1为上一个周期的加热输出功率，Vt为现在的流量，Tout’为根据现在的温度信号Toutt推算到的现在的出水温度。
通过以上的方法可以推算出加热装置中加热前初始的流量、工作稳定时的流量、流量变化时的流量。即在任意工作状态下，流量都是根据出水温度的变化而可推知的；从而使得在没有实体流量计的情况下，也能达到稳定控制出水温度的目的。
由上可见，温度传感器的温度信号的误差在1％左右，功率的误差一般小于5％，因此推算的平均流量的精度很容易做到小于8％。在此基础上，在温度传感器上增加整流腔，提升温度的抗干扰性能和对温度变化的敏感度后，再依据温度信号变化率，根据本发明的控制方法，可以快速地感应出流量的变化量，反应速度不比实体流量计差，能满足快速水加热器的控制要求。图20为实测某外资品牌智能坐便器在较严酷的工作状态(5℃进水温度,流量300毫升/分钟)时，设定温度在39、37、35℃之间变化时的出水温度响应曲线。图21为在同样的工作状态下，使用同一个温度传感器，换用本发明的快速水加热装置后，测到的出水温度响应曲线。比较两图可知，本发明在少用了流量计及两个温度传感器的情况下，响应时间、温度波动、温度准确性等指标反而都比传统设计有了很大的改善。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (16)
1.一种快速水加热装置，包括水箱壳体(100)，所述水箱壳体(100)上设有进水口(101)和出水口(102)，所述水箱壳体(100)内设有加热元件(200)，所述加热元件(200)和加热控制板(700)相连，所述水箱壳体(100)上靠近出水口(102)处设有出水温度传感器(500)，其特征在于，所述水箱壳体(100)上出水口(102)处设有整流腔(800)，所述出水温度传感器(500)的头部感应点(501)及杆体(503)位于整流腔(800)中，所述出水温度传感器(500)和加热元件(200)之间的距离为1～15mm；
所述整流腔(800)包括第一腔体流道管路(801)及两段相互大致垂直的第二腔体流道管路(802)和第三腔体流道管路(803)，所述出水温度传感器(500)的头部感应点(501)及杆体(503)沿第二腔体流道管路(802)的延伸方向设置且大致位于第二腔体流道管路(802)的中央位置；所述第一腔体流道管路(801)的内径为杆体(503)外径的0.8～3倍，所述第二腔体流道管路(802)的内径为杆体(503)外径的1.3～3倍，所述第一腔体流道管路(801)的长度至少为0.2mm；
所述加热元件(200)为加热管，所述加热管和水箱壳体(100)之间设有圆筒形的导流体(130)，所述导流体(130)上设有沿水流方向螺旋向前的两条凸筋(133)，所述两条螺旋向前的凸筋(133)之间形成导流槽。
2.如权利要求1所述的快速水加热装置，其特征在于，所述导流体(130)由上半导流体(131)和下半导流体(132)拼接而成，所述凸筋(133)与加热管外表面之间的间隙为0.1～0.8mm；所述导流体内壁与凸筋(133)顶端的距离为1.0～4mm；所述凸筋(133)顶端剖面大致呈梯形状。
3.如权利要求2所述的快速水加热装置，其特征在于，所述加热控制板(700)为至少具有两个可控硅的多回路加热控制板，所述可控硅固定在散热铜板(900)的受热端(909)，所述散热铜板(900)的散热端(908)伸入到水流中。
4.如权利要求3所述的快速水加热装置，其特征在于，所述加热元件(200)为双组加热丝陶瓷加热管，所述加热控制板(700)为双回路加热控制板，所述加热管有A、B、C三个电极，其中C为公共端接控制板零线，A和B分别接加热控制板(700)的两个控制回路。
5.如权利要求3所述的快速水加热装置，其特征在于，所述散热铜板(900)上靠近散热端(908)处还设有温度熔断器(901)和/或温控器(910)。
6.如权利要求5所述的快速水加热装置，其特征在于，所述温度熔断器(901)外包裹有绝缘套管(902)，所述绝缘套管(902)外包裹有导热的金属箔(903)，所述金属箔(903)外设有外盖(904)，所述金属箔(903)和外盖(904)之间设有防止散热的绝热填充物(905)。
7.如权利要求5所述的快速水加热装置，其特征在于，所述散热铜板(900)中间设有用于安装温控器(910)的圆形凹坑(911)，所述圆形凹坑(911)底部开设有散热凹槽(912，913)，所述上半导流体(131)上设有与散热凹槽相匹配的散热窗口(134)。
8.如权利要求1所述的快速水加热装置，其特征在于，所述进水口(101)和加热管的进水端之间设有密封管(201)密封，所述密封管(201)的外壁上至少设有一条径向封闭的凸筋，所述密封管(201)的进水部还设有向内翻折的包边。
9.一种快速水加热装置的控制方法，采用如权利要求1～8任一项所述的快速水加热装置，其特征在于，包括如下步骤：
a)获取出水温度和进水温度；
b)根据出水温度和进水温度估算流量；
c)利用进水温度、流量和出水温度调节加热元件的加热功率。
10.如权利要求9所述的快速水加热装置的控制方法，其特征在于，所述步骤a)中的进水温度根据出水温度估算得到，估算过程如下：关闭加热元件(200)，让冷水流过所述快速水加热装置；经过一段时间后，所述出水温度传感器(500)测量到的温度即为进水温度，并在整个加热过程中不再检测进水温度，默认进水温度维持不变。
11.如权利要求9所述的快速水加热装置的控制方法，其特征在于，所述进水温度和出水温度可以根据温度信号变化率的不同分段进行修正；温度修正过程如下：Tt’＝Tt+k*(Tt-Tt-1)，Tt、Tt-1为t时刻、t-1时刻的实测水温，Tt’为t时刻的修正水温，k为温度修正系数；当温度信号变化率小于预设阈值时,采用t-2时刻的温度值对t时刻的温度进行修正，Tt’＝Tt+k/2*(Tt-Tt-2)。
12.如权利要求11所述的快速水加热装置的控制方法，其特征在于，所述温度修正系数k的取值范围通过如下方式获得：
将初始温度为T0的温度传感器快速投入到温度为Ttarget的水中；
采样获得实际温度变化曲线T；
在曲线T上的每个采样点,计算温度信号变化率ΔT＝Tt-Tt-1：
当温度信号变化率ΔT的绝对值在25～3.2℃/秒时:Tt’＝Tt+6*(Tt-Tt-1)；
当温度信号变化率ΔT的绝对值在1.6℃/秒～3.2℃/秒范围内时：Tt’＝Tt+5*(Tt-Tt-1)；
当温度信号变化率ΔT的绝对值<＝1.6℃/秒时：Tt’＝Tt+1.5*(Tt-Tt-2)。
13.如权利要求9所述的快速水加热装置的控制方法，其特征在于，所述步骤b)中的平均流量V＝P/(4.2*(Tout’-Tin’))，即时流量Vt＝(Kv*Pt-1+Wt)/((Kv+1)*4.2*(Tout’-Tin’))；P为加热元件(200)的平均功率，Tout’为修正后的出水温度，Tin’为修正后的进水温度，Kv为系统热传递常数，Pt-1表示t-1时刻的名义功率，Wt表示t时刻的发热功率。
14.如权利要求13所述的快速水加热装置的控制方法，其特征在于，所述水箱壳体(100)的容量为6～30ml，所述出水口(102)的流量为200ml～1000ml，所述加热元件(200)的加热功率为600W～2200W，加热元件的有效加热表面积为16～30平方厘米，Kv取值范围为2～200。
15.如权利要求9所述的快速水加热装置的控制方法，其特征在于，所述步骤c)中的t时刻的加热功率Wt计算如下：
Wt＝Wt-1+Kw*Vt*(目标温度-出水温度Tout’)；
刚开始加热时的功率W0＝K0*V0*(目标温度-进水温度Tin’)；
系数Kw＝4.2焦耳/(毫升*℃)，Wt-1为t-1时刻的加热输出功率，单位为焦耳/秒，Vt为t时刻的流量，单位为毫升/秒，Tout’为修正后的出水温度，Tin’为修正后的进水温度，单位为℃；
刚开始加热时的功率W0由以下方法计算得到：
W0＝K0*V0*(目标温度-进水温度Tin’)；其中系数K0的范围为0.6～3；
刚开始加热时的流量V0由以下方法查询得到：
先不开启加热，让水流经装置，等出水温度传感器上的信号稳定后，此时检测到的水温即为进水温度Tin，将进水温度Tin修正为Tin’；再开启加热，加热元件发出固定热量Q；经过一段时间后，在t1时刻测量温升ΔT，根据已有的时刻-温升-流量三维表获取此时的流量。
16.如权利要求15所述的快速水加热装置的控制方法，其特征在于，所述时刻-温升-流量三维表由以下实验方法得到：
在加热前，先将流入装置的水流调节在一个固定的流量值V1，待出水温度传感器上的信号稳定后，记录此时水温T0；然后开启加热，加热元件发出固定热量Q后停止加热；每隔一段时间检测一次水温T1、T2、T3、T4、…，计算不同时刻的温升ΔT1＝T1-T0，ΔT2＝T2-T0，…，得到流速为V1时的时间-温升表；
再将水流调节到另一个固定的流量值V2，重复以上方法，得到流速为V2时的时间-温升表；
重复以上测试步骤，可得到在不同流量下的时刻-温升表。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510180993.XA CN104776587B (zh) | 2015-04-16 | 2015-04-16 | 一种快速水加热装置及其控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510180993.XA CN104776587B (zh) | 2015-04-16 | 2015-04-16 | 一种快速水加热装置及其控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104776587A CN104776587A (zh) | 2015-07-15 |
| CN104776587B true CN104776587B (zh) | 2017-11-24 |
Family
ID=53618208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510180993.XA Active CN104776587B (zh) | 2015-04-16 | 2015-04-16 | 一种快速水加热装置及其控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104776587B (zh) |
Families Citing this family (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9140466B2 (en) * | 2012-07-17 | 2015-09-22 | Eemax, Inc. | Fluid heating system and instant fluid heating device |
| CN106403257A (zh) * | 2016-11-09 | 2017-02-15 | 昆山泰瑞克智能科技有限公司 | 一种智能坐便器用s型水路即热式加热器 |
| CN106766215B (zh) * | 2016-11-14 | 2019-09-17 | 广东美的暖通设备有限公司 | 水箱的温度传感器监测方法和装置、热水系统 |
| CN107101384A (zh) * | 2017-06-30 | 2017-08-29 | 温州和正电子科技有限公司 | 一种智能马桶水温速热器 |
| US11093554B2 (en) | 2017-09-15 | 2021-08-17 | Kohler Co. | Feedback for water consuming appliance |
| US11314214B2 (en) | 2017-09-15 | 2022-04-26 | Kohler Co. | Geographic analysis of water conditions |
| US10448762B2 (en) | 2017-09-15 | 2019-10-22 | Kohler Co. | Mirror |
| US11099540B2 (en) | 2017-09-15 | 2021-08-24 | Kohler Co. | User identity in household appliances |
| US10887125B2 (en) | 2017-09-15 | 2021-01-05 | Kohler Co. | Bathroom speaker |
| CN107477963A (zh) * | 2017-09-30 | 2017-12-15 | 合肥美的电冰箱有限公司 | 冰箱及其控制方法 |
| CN107495843B (zh) * | 2017-10-13 | 2023-10-03 | 广东百胜图科技有限公司 | 滴漏式咖啡机 |
| CN108826658B (zh) * | 2018-07-02 | 2023-11-07 | 嘉兴志嘉智能电器有限公司 | 全水体安全接地的即热式加热器及其加热方法 |
| CN110158730A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-08-23 | 宁波爱贝电子科技有限公司 | 一种清洗更佳的智能马桶 |
| CN110285585A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-09-27 | 青岛海尔空调器有限总公司 | 用于控制热水器的方法、装置及热水器 |
| CN112460807B (zh) * | 2019-09-07 | 2023-08-22 | 浙江润诚智控科技有限公司 | 一种加热装置的控制方法、加热装置以及智能马桶 |
| CN112471953B (zh) * | 2019-09-12 | 2022-06-17 | 松下家电(中国)有限公司 | 一种便圈 |
| CN111351228A (zh) * | 2020-02-21 | 2020-06-30 | 华帝股份有限公司 | 一种壁挂炉快速升温的控制方法及壁挂炉 |
| CN114246472B (zh) * | 2020-09-23 | 2024-06-04 | 杭州九阳净水系统有限公司 | 一种即热机及其制水控制法 |
| CN114322294A (zh) * | 2020-09-24 | 2022-04-12 | 骊住建材(苏州)有限公司 | 即热单元、坐便器及即热方法 |
| WO2023026871A1 (ja) * | 2021-08-24 | 2023-03-02 | 株式会社ヴァレオジャパン | 暖房制御装置及び制御プログラム、流体加熱ユニット、暖房サイクル装置及びそれを備える車両用空調装置 |
| CN114349313A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-15 | 安徽科技学院 | 一种通过对流换热确定冷却水进水速度的方法 |
| CN115218486B (zh) * | 2022-07-19 | 2023-12-08 | 成都清渟科技有限公司 | 一种饮用水设备的多级加热系统及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201037690Y (zh) * | 2007-03-12 | 2008-03-19 | 广东万和集团有限公司 | 燃气热水器联机装置 |
| CN202002288U (zh) * | 2011-02-24 | 2011-10-05 | 夏时军 | 一种即热式电热开水器 |
| EP2489954A2 (fr) * | 2011-02-21 | 2012-08-22 | Atlantic Industrie | Procédé et dispositif de gestion de réserve d'eau chauffée |
| CN104180059A (zh) * | 2014-08-08 | 2014-12-03 | 陈非 | 一种调节装置以及具有该调节装置的快速电热水器 |
| CN204268683U (zh) * | 2014-11-10 | 2015-04-15 | 深圳麦格米特电气股份有限公司 | 一种智能坐便器的即热式加热器 |
| CN204665632U (zh) * | 2015-04-16 | 2015-09-23 | 秦伟君 | 一种快速水加热装置 |
-
2015
- 2015-04-16 CN CN201510180993.XA patent/CN104776587B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201037690Y (zh) * | 2007-03-12 | 2008-03-19 | 广东万和集团有限公司 | 燃气热水器联机装置 |
| EP2489954A2 (fr) * | 2011-02-21 | 2012-08-22 | Atlantic Industrie | Procédé et dispositif de gestion de réserve d'eau chauffée |
| CN202002288U (zh) * | 2011-02-24 | 2011-10-05 | 夏时军 | 一种即热式电热开水器 |
| CN104180059A (zh) * | 2014-08-08 | 2014-12-03 | 陈非 | 一种调节装置以及具有该调节装置的快速电热水器 |
| CN204268683U (zh) * | 2014-11-10 | 2015-04-15 | 深圳麦格米特电气股份有限公司 | 一种智能坐便器的即热式加热器 |
| CN204665632U (zh) * | 2015-04-16 | 2015-09-23 | 秦伟君 | 一种快速水加热装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104776587A (zh) | 2015-07-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104776587B (zh) | 一种快速水加热装置及其控制方法 | |
| CN204665632U (zh) | 一种快速水加热装置 | |
| CN105011774B (zh) | 沸腾饮水机出水温度和流量控制装置的准确控制方法 | |
| CN205018857U (zh) | 沸腾饮水机出水温度和流量控制装置 | |
| CN103836800B (zh) | 电热水器及其控制方法 | |
| CN104112065A (zh) | 热水器和热水器剩余洗浴时间的计算方法 | |
| CN105466001B (zh) | 一种恒温热水器 | |
| CN206540297U (zh) | 以陶瓷为发热元件的紧凑型液体即热模组 | |
| AU2012324650A1 (en) | Flow heaters | |
| US10527297B2 (en) | Domestic hot water installation | |
| CN204187834U (zh) | 一种水箱及热泵热水器 | |
| CN206261444U (zh) | 电热水杯 | |
| CN208475295U (zh) | 蒸汽发生装置 | |
| CN209047881U (zh) | 一种智能加热厨具 | |
| CN108224750A (zh) | 一种饮水设备加热系统 | |
| CN211145557U (zh) | 一种横式电热水龙头 | |
| CN209341565U (zh) | 一种基于智能家居用加热速度快的即热式水加热器 | |
| CN208382545U (zh) | 一种水的加热装置 | |
| CN109442734A (zh) | 一种基于智能家居用加热速度快的即热式水加热器 | |
| CN207963127U (zh) | 液体加热器 | |
| TWI754574B (zh) | 能根據水流資訊以調整液體溫度的方法 | |
| CN104197515A (zh) | 一种水箱、热泵热水器及控制方法 | |
| WO2010088852A1 (zh) | 可指示温度的管接头 | |
| JP2954284B2 (ja) | 給湯器におけるガス使用量またはガス・水使用量表示方法およびその装置 | |
| CN108591988A (zh) | 蒸汽发生装置及其控制方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20171023 Address after: 314032, No. 4, building 9, building 321, Shanghai Jiaotong University (Jiaxing) Science Park, Jiaxing Road, Xiuzhou District, Zhejiang Applicant after: Jiaxing Chi Smart Electrical Appliance Co., Ltd. Address before: 214194 Jiangsu Province, Wuxi city Xishan District Xi Beizhen Xin Ming Cun ditch No. 55 Applicant before: Qin Weijun |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Rapid water heating device and control method thereof Effective date of registration: 20180305 Granted publication date: 20171124 Pledgee: China Co truction Bank Corp Jiaxing branch Pledgor: Jiaxing Chi Smart Electrical Appliance Co., Ltd. Registration number: 2018330000053 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20190715 Granted publication date: 20171124 Pledgee: China Co truction Bank Corp Jiaxing branch Pledgor: Jiaxing Chi Smart Electrical Appliance Co., Ltd. Registration number: 2018330000053 |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201030 Address after: East, 4th floor, building 9, science and Technology Park, Shanghai Jiaotong University (Jiaxing), No.321 Jiachuang Road, Gaozhao street, Xiuzhou District, Jiaxing City, Zhejiang Province Patentee after: Changhe smart home (Jiaxing) Co.,Ltd. Address before: 314032, No. 4, building 9, building 321, Shanghai Jiaotong University (Jiaxing) Science Park, Jiaxing Road, Xiuzhou District, Zhejiang Patentee before: JIAXING ZHIJIA INTELLIGENT ELECTRIC APPLIANCE Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |