CN105725798B - 一种健康直饮水机的换热组件、直饮水机及换热方法 - Google Patents

一种健康直饮水机的换热组件、直饮水机及换热方法 Download PDF

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Abstract

一种健康直饮水机的换热组件，包括热水管及冷水管，还包括控制器、换热箱，热水管以及冷水管设于换热箱中，换热箱中填充有导热剂，换热箱中还设有加热装置，以及温度检测装置；加热装置响应于温度检测装置的检测结果，对换热箱中的导热剂进行加热处理；一种直饮水机，包括加热胆、进水管及出水管，进水管与出水管分别与冷水管及出水龙头相连通，还包括如前的直饮水机的换热组件，热水管、冷水管分别与出水管以及进水管相连通，与现有技术相比，本发明的优点是：能够消除换热组件中的换热死区，使得换热更为充分，并且使得杀菌更为彻底，由于设置有加热装置，也使得换热后的出水温度更加的稳定，适用性强。

Description

一种健康直饮水机的换热组件、直饮水机及换热方法
技术领域
本发明涉及饮水机构件及加热技术领域，更具体地说，它涉及一种健康直饮水机的换热组件、直饮水机及换热方法。
背景技术
在学校、车站等人流密集的地方，为了满足人们的饮水需要，通常在这些地方安设有直饮水机，直饮水机与普通的自来水管相通，将自来水加热至100℃左右进行杀菌消毒，而后将高温的自来水降温后由出水管导出到直饮水机的外部供人们饮用。
现有直饮水机的冷却方法多为水冷却法，而为了节约能源并充分利用高温自来水中的热量，水冷却法的冷媒通常为待加热的自来水，一方面可以将热量传导到待加热的自来水中对其进行预热，另一方面可以对高温自来水进行降温冷却，使其能够被饮用者直接饮用。专利公告号为CN104433798A的中国专利，便提出了一种饮水机用的换热机构，从其技术方案及附图中不难看出，该换热机构存在一些弊端，首先，该换热机构存在一些换热死区，即水流不会流动的区域，如水腔两端部的水无法及时的流通，尤其在水温较低的一端极易滋生细菌，给引用水的安全品质造成不良影响；其次，现有技术中对于管路中的细菌往往是通过高温热水消毒，而对于聚集在水腔两端区域的细菌，由于存在水流死区，使得热水不易到达，降低了消毒的效果；再次，采用上述专利文件中的换热方案，受环境温度的影响很大，例如当环境温度很低时，位于水腔中的水温将会很低，这样便使得原温水出水口一端流出的热水温度偏低，相对的，环境温度高时，温水出水口流出的水温将会很高，上述情况影响了直饮水机工作的稳定性，降低了直饮水机的出水品质；最后，就工业生产而言，采用同轴心设置的换热管路机构，在生产时不易焊接，生产工艺较为复杂，并且由于冷热水管之间存在直接的冷热冲击，换热管路焊接处热胀冷缩容易产生裂缝，对直饮水机的使用安全及寿命造成一定影响。
发明内容
本发明的目的一在于提供一种杀菌彻底、出水温度稳定、结构简单的直饮水机的换热组件。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种健康直饮水机的换热组件，包括控制器、热水管及冷水管，还包括换热箱，所述热水管以及冷水管设于换热箱中，所述换热箱中填充有用于将热水管中的热量导入到冷水管中的导热剂，所述换热箱中还设有用于对导热剂进行加热的加热装置，以及用于检测换热箱中导热剂温度的温度检测装置；
所述加热装置及温度检测装置均与控制器控制连接，所述加热装置响应于温度检测装置的检测结果，对换热箱中的导热剂进行加热处理。
通过上述技术方案，冷水管中的温度较低的直饮水将冷量传递到导热剂中，同时汲取导热剂中的热量来对自身进行预热，热水管中温度较高的直饮水将热量传递到导热剂中，对直饮水进行降温处理，使其满足饮用者可以适应的温度要求。同时，当外部温度较低时，导热剂的温度降低，当导热剂温度低于某一设定值时，加热装置对导热剂进行加热处理，对应的，当外部温度较高时则停止加热，保证了直饮水出水的温度稳定。进一步的，当需要对直饮水的管路进行高温杀菌时，只需要通过加热装置对导热剂进行加热，使得冷水管中的热量上升，同时维持热水管中的温度，使得整个直饮水机的管路中均保持较高的温度，以此杀灭管路中可能滋生的细菌。由于冷水管与热水管没有用到同轴心设置，因此在生产中也十分简单方便，保证直饮水机的使用安全与寿命。
进一步的，所述加热装置包括电加热管及其驱动电路，所述驱动电路受控于所述控制器并驱动电加热管工作。
进一步的，所述温度检测装置包括多个温度传感器，多个所述温度传感器均匀排布于换热箱的内壁上且与控制器信号连接，输出温度检测信号。
进一步的，所述热水管与冷水管均呈螺旋形且相互交错排布或上下排布，所述加热装置设于换热箱的底部或侧部位置。
通过上述技术方案，增大了冷水管与热水管的换热面积，提高了换热效率。
进一步的，所述热水管与冷水管均呈直线形且均由多根毛细管组成，所述热水管与冷水管相互靠近呈并列排布，所述加热装置设于换热箱的底部或侧部位置。
通过上述技术方案，增大了冷水管与热水管的换热面积，提高了换热效率，并且简化了冷水管与热水管的管路结构，在生产上易于实现。
进一步的，所述热水管、冷水管均由铜或食品级不锈钢或石英玻璃制成，所述电加热管为铜管或不锈钢管。
通过上述技术方案，增大了冷水管与热水管的换热面积，提高了换热效率，并且通过采用石英玻璃等非合金类材料制造冷水管与热水管，避免了重金属污染直饮水。保证了直饮水的安全健康。
进一步的，所述导热剂为水或导热油或液态金属。
本发明的另一目的在于提供一种直饮水机，包括加热胆、进水管以及出水管，所述进水管与出水管分别与冷水管及出水龙头相连通，还包括如前所述的直饮水机的换热组件，所述热水管、冷水管分别与所述出水管以及进水管相连通。
进一步的，所述控制器包括：
计时器模块，响应于直饮水机的供电情况，当直饮水机断电停运时开始计时，直饮水机上电复位时停止计时，输出一计时信号；
定时输出模块，接收上述计时信号，根据计时信号中记录的时间长短，控制加热装置的加热时间长短，加热完成后输出一检定信号；
温控模块，响应于上述检定信号开始工作，根据换热箱中导热剂的温度控制加热装置动作。
通过上述技术方案，当直饮水机长久搁置不用时，可以预先对直饮水机的管路进行高温杀菌处理，当杀菌处理完成后再进行正常的供水操作，提升了直饮水的安全性。
基于上述直饮水机，本发明还提出了一种直饮水机的换热方法，基于如前所述的直饮水机，具体步骤如下：
S1：启动直饮水机，加热胆对直饮水进行加热；
S2：计时器停止计时，输出计时信号T1，定时输出模块启动，控制加热装置开始对换热箱中的导热剂加热；
S3：当换热箱中的导热剂温度达到95～100℃时，根据温度检测装置的输出，调整加热装置的加热功率及频率，使导热剂温度维持在95～100℃并持续一段时间T2，所述持续时间T2=n*2（T1/t）/η；
其中，T1为步骤S2中的计时器模块的计时时间；n为细菌的数量基数，特定环境下该基数在一定值范围内浮动；t为细菌的繁殖周期；η为细菌在高温下的消减速度，其中，T1、T2、t的单位为分钟；幂指数基数2代表细菌二分裂繁殖方式；
S4：T2截止，加热完成，开启出水龙头将出水管中的热水排出，开启时间T3=S1*L/S2*V，其中S1为出水管的横截面积，S2为出水龙头开口的横截面积，L为出水管的长度，V为出水龙头的出水流速。
S5：T3截止，直饮水加热完成，可供饮用。
由于直饮水中可能滋生的细菌种类及其特性比较确定，因此，只需要根据细菌的特性确定加热装置的加热持续时间即可，使得杀菌操作更为精确有效，也可以节约电能以及水资源。
本发明的有益效果在于：
（1），通过采用非同轴心的方式设置热水管与冷水管，减少了换热路中的换热死区，管路中所有位置的直饮水均处于流通状态，避免了细菌的滋生；
（2），通过设置加热装置，实现对换热组件中的温度控制，能够方便地实现管路组件中高温杀菌操作；
（3），通过设置加热装置，使得导热剂的温度能够得到补偿调节，使得热水管中的出水温度不受环境温度的影响能够保持相对稳定，提升出水的品质；
（4），通过采用分离式的方式设置热水管与冷水管，也使得管路结构更为简单，生产安装更加方便；
（5），通过自动精确设定加热装置的加热时间，在直饮水机长期搁置后再次启用时，精准地控制加热装置的加热时间，使得管路中的高温状态持续时间足以杀灭所有病菌，将可能被污染的水排出，而后才开始正常供水，提升了直饮水的品质。
附图说明
图1为本发明换热组件（实施例一）的结构示意图；
图2为本发明换热组件（实施例二）的结构示意图；
图3为本发明换热组件（实施例三）的结构示意图；
图4为本发明直饮水机的结构示意图；
图5为本发明直饮水机换热方法的流程示意图。
附图标记：1、控制器；2、热水管；3、冷水管；4、换热箱；5、导热剂；6、加热装置；7、温度检测装置；8、电加热管；9、驱动电路；10、温度传感器；11、加热胆；12、进水管；13、出水管；14、出水龙头；15、毛细管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
参照图1，一种健康直饮水机的换热组件，包括控制器1、热水管2及冷水管3，还包括换热箱4，热水管2以及冷水管3设于换热箱4中，换热箱4中填充有用于将热水管2中的热量导入到冷水管3中的导热剂5，换热箱4中还设有用于对导热剂5进行加热的加热装置6，以及用于检测换热箱4中导热剂5温度的温度检测装置7；上述加热装置6及温度检测装置7均与控制器1控制连接，加热装置6响应于温度检测装置7的检测结果，对换热箱4中的导热剂5进行加热处理。
上述技术方案，冷水管3中的温度较低的直饮水将冷量传递到导热剂5中，同时汲取导热剂5中的热量来对自身进行预热，热水管2中温度较高的直饮水将热量传递到导热剂5中，对自身进行降温处理，使其能够被饮用者直接饮用，既节约了能源，又保证了直饮水的饮用温度。
同时，现有技术中，当外部温度较低时，例如冬天，导热剂5的温度降低，直接导致出水管13的出水温度降低（热水管2中的热量过多的散失掉了）。而在本发明中，当导热剂5温度低于某一设定值时，加热装置6对导热剂5进行加热处理，对应的，当外部温度较高时则不加热，保证了直饮水出水的温度稳定，这使得配制该换热组件的直饮水机无论地域也无论时节，都能提供稳定温度的直饮水，具有广泛的适用性。
其中，当需要对直饮水的管路进行高温杀菌时，只需要通过加热装置6对导热剂5进行加热，使得冷水管3中的温度上升，同时维持热水管2中的温度，使得整个直饮水机的管路中均保持较高的温度，以此杀灭管路中可能滋生的细菌。
上述方案由于冷水管3与热水管2没有采用传统的同轴心设置，因此在生产中也十分简单方便，保证了直饮水机的使用安全与寿命。
详述的，加热装置6包括电加热管8及其驱动电路9，驱动电路9受控于控制器1并驱动电加热管8工作。电加热管8为铜管或不锈钢管。电加热管8及其驱动装置可以采用现有技术中的饮水机的加热管组件，由于现有技术中已经有许多公开在此不再赘述，需要进一步说明的在于本发明中的电加热管8及其对应的驱动组件，均受控制器1的控制而动作。
对于温度检测装置7，温度检测装置7包括多个温度传感器10，多个温度传感器10均匀排布于换热箱4的内壁上且与控制器1信号连接，输出温度检测信号。由于换热箱4中的导热剂5温度分布不均匀，通过采用多个温度传感器10，也使得温度检测更为准确。
对于热水管2与冷水管3的排布位置：
实施例一，如图1所示，热水管2与冷水管3均呈螺旋形且相互交错排布或上下排布，加热装置6设于换热箱4的底部或侧部位置。
通过上述技术方案，增大了冷水管3与热水管2的换热面积，提高了换热效率。
优选的，热水管2设置于换热箱4的底部，冷水管3设于换热箱4的顶部位置，由于热导热剂5的密度比冷导热剂5的低，位于换热箱4中上层的温度较低的导热剂5将会向下运动，同时温度较高的导热剂5向上运动，实现换热操作。由于换热箱4顶部位置的导热剂5温度较低，也避免了导热剂5大量蒸发。
实施例二，如图2所示，热水管2与冷水管3均呈直线形且均由多根毛细管15组成，热水管2与冷水管3相互靠近呈并列排布，加热装置6设于换热箱4的底部或侧部位置。
通过上述技术方案，增大了冷水管3与热水管2的换热面积，提高了换热效率，并且简化了冷水管3与热水管2的管路结构，在生产上易于实现。
实施例三，如图3所示，基于实施例二，多根毛细管呈片状设置，进一步增大热水管2与冷水管3的换热面积，提升换热效率。
进一步详述的，本发明中的热水管2、冷水管3均由铜或食品级不锈钢或石英玻璃制成。
上述技术方案，通过采用石英玻璃等非合金类材料制造冷水管3与热水管2，避免了重金属污染直饮水。保证了直饮水的安全健康。
对于导热剂5的选择，本发明中，导热剂5为水或导热油或液态金属。在实际运用中根据不同的需要可以选择不同的导热剂5，在本发明中优选为水。
优化的，在所述换热箱4的外壁上还设有一层隔热层，用以减少环境温度对换热箱4内部温度的影响。
本发明的另一目的在于提供一种直饮水机，如图4所示，包括加热胆11、进水管12以及出水管13，进水管12与出水管13分别与冷水管3及出水龙头14相连通，还包括如前的直饮水机的换热组件，热水管2、冷水管3分别与出水管13以及进水管12相连通。
进一步详述的，控制器1包括：
计时器模块，响应于直饮水机的供电情况，当直饮水机断电停运时开始计时，直饮水机上电复位时停止计时，输出一计时信号；
定时输出模块，接收上述计时信号，根据计时信号中记录的时间长短，控制加热装置6的加热时间长短，加热完成后输出一检定信号；
温控模块，响应于上述检定信号开始工作，根据换热箱4中导热剂5的温度控制加热装置6动作。
上述技术方案，当直饮水机长久搁置不用时，可以预先对直饮水机的管路进行高温杀菌处理，当杀菌处理完成后再进行正常的供水操作，提升了直饮水的安全性。由于需要在直饮水机断电的情况下记录断电的持续时间，因此，控制器的供电采用独立供电电源，如干电池或充电电池等，当直饮水机工作时对独立电源充电，当直饮水机搁置时由独立电源向控制器供电。
定时输出模块包括一计算模块，将上述计时信号输入到定时输出模块中，而后根据预先设定的计算公式，输出检定信号，检定信号实质上为一时间信号。温控模块主要包括一反馈比较电路与一计时电路，当期接收到检定信号后，控制加热装置6开始工作，当换热箱4中的导热剂5的温度达到设定温度（一般为95℃～100℃）时，计时电路开始执行倒计时操作，在程序上表现为二进制代码的递减，倒计时的总时间为检定信号中所含的时间信号，倒计时完成后停止加热。
基于上述直饮水机，本发明还提出了一种直饮水机的换热方法，如图5所示，包括如前的直饮水机，其具体步骤如下：
S1：启动直饮水机，加热胆11对直饮水进行加热；
S2：计时器停止计时，输出计时信号T1，定时输出模块启动，控制加热装置6开始对换热箱4中的导热剂5加热；
上述步骤中由于加热胆11的容积远大于换热箱4的容积，使得经进水管12进入到加热胆11中的直饮水能够很快地被预热。
S3：当换热箱4中的导热剂5温度达到95℃～100℃时，根据温度检测装置7的输出，调整加热装置6的加热功率及频率，使导热剂5温度维持在95～100℃并持续一段时间T2，持续时间T2=n*2（T1/t）/η；
其中，T1为步骤S2中的计时器模块的计时时间；n为细菌的数量基数，特定环境下该基数在一定值范围内浮动；t为细菌的繁殖周期；η为细菌在高温下的消减速度（由于细菌在高温下的消减速度是非线性的，这里取平均值计算），其中，T1、T2、t的单位为分钟；幂指数基数2代表细菌二分裂繁殖方式；
上述步骤S2中，饮用水管中的细菌数量基数以及细菌的种类及其耐高温特征均可以通过事先的实验检测获得，因此，上述计算公式中的各个参数均可确认，以此实现对消毒操作的精确控制。
S4：T2截止，加热完成，开启出水龙头14将出水管13中的热水排出，开启时间T3=S1*L/S2*V，其中S1为出水管13的横截面积，S2为出水龙头14开口的横截面积，L为出水管13的长度，V为出水龙头14的出水流速。
S5：T3截止，直饮水加热、换热完成，可供饮用。
上述计算过程均由控制器完成，其中，控制器的核心为单片机或ARM或FPGA芯片。
优化的，在直饮水机的壳体上设置有指示灯，该指示灯由控制器控制亮灭，当原管路中的直饮水被排空后指示灯亮起，提醒饮用者可以开始饮用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种直饮水机，包括加热胆(11)、进水管(12)以及出水管(13)，所述进水管(12)与出水管(13)分别与冷水管(3)及出水龙头(14)相连通，其特征在于，还包括健康直饮水机的换热组件；其中，
包括热水管(2)及冷水管(3)，其特征在于，还包括控制器(1)、换热箱(4)，所述热水管(2)以及冷水管(3)设于换热箱(4)中，所述换热箱(4)中填充有用于将热水管(2)中的热量导入到冷水管(3)中的导热剂(5)，所述换热箱(4)中还设有用于对导热剂(5)进行加热的加热装置(6)，以及用于检测换热箱(4)中导热剂(5)温度的温度检测装置(7)；
所述加热装置(6)及温度检测装置(7)均与控制器(1)控制连接，所述加热装置(6)响应于温度检测装置(7)的检测结果，对换热箱(4)中的导热剂(5)进行加热处理；
所述热水管(2)、冷水管(3)分别与所述出水管(13)以及进水管(12)相连通；
所述控制器(1)包括：
计时器模块，响应于直饮水机的供电情况，当直饮水机断电停运时开始计时，直饮水机上电复位时停止计时，输出一计时信号；
定时输出模块，接收上述计时信号，根据计时信号中记录的时间长短，控制加热装置(6)的加热时间长短，加热完成后输出一检定信号；
温控模块，响应于上述检定信号开始工作，根据换热箱(4)中导热剂(5)的温度控制加热装置(6)动作。
2.根据权利要求1所述的直饮水机，其特征在于，所述加热装置(6)包括电加热管(8)及其驱动电路(9)，所述驱动电路(9)受控于所述控制器(1)并驱动电加热管(8)工作。
3.根据权利要求1所述的直饮水机，其特征在于，所述温度检测装置(7)包括多个温度传感器(10)，多个所述温度传感器(10)均匀排布于换热箱(4)的内壁上且与控制器(1)信号连接，输出温度检测信号。
4.根据权利要求1所述的直饮水机，其特征在于，所述热水管(2)与冷水管(3)均呈螺旋形且相互交错排布或上下排布，所述加热装置(6)设于换热箱(4)的底部或侧部位置。
5.根据权利要求1所述的直饮水机，其特征在于，所述热水管(2)与冷水管(3)均呈直线形且均由多根毛细管组成，所述热水管(2)与冷水管(3)相互靠近呈并列排布，所述加热装置(6)设于换热箱(4)的底部或侧部位置。
6.根据权利要求2所述的直饮水机，其特征在于，所述热水管(2)、冷水管(3)均由铜或食品级不锈钢或石英玻璃制成，所述电加热管(8)为铜管或不锈钢管。
7.根据权利要求1所述的直饮水机，其特征在于，所述导热剂(5)为水或导热油或液态金属。
8.一种直饮水机的换热方法，其特征在于，基于如权利要求7所述的直饮水机，具体步骤如下：
S1：启动直饮水机，加热胆(11)对直饮水进行加热；
S2：计时器停止计时，输出计时信号T1，定时输出模块启动，控制加热装置(6)开始对换热箱(4)中的导热剂(5)加热；
S3：当换热箱(4)中的导热剂(5)温度达到95～100℃时，根据温度检测装置(7)的输出，调整加热装置(6)的加热功率及频率，使导热剂(5)温度维持在95～100℃并持续一段时间T2，持续时间T2=n*2（T1/t）/η；
其中，T1为步骤S2中的计时器模块的计时时间；n为细菌的数量基数，特定环境下该基数在一定值范围内浮动；t为细菌的繁殖周期；η为细菌在高温下的消减速度，其中，T1、T2、t的单位为分钟；幂指数基数2代表细菌二分裂繁殖方式；
S4：T2截止，加热完成，开启出水龙头(14)将出水管(13)中的热水排出，开启时间T3=S1*L/S2*V，其中S1为出水管(13)的横截面积，S2为出水龙头(14)开口的横截面积，L为出水管(13)的长度，V为出水龙头(14)的出水流速；
S5：T3截止，直饮水加热完成，可供饮用。
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