CN105865033B - 一种开水器的水温控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开水器的水温控制方法，在首次出水时，先将发热杯装满水后再进行加热、降温，然后出水，使加热杯的加热功率和半导体制冷片的制冷功率可以精确地按照发热杯的容积进行确定，从而使首次出水的出水温度能够精确地控制在用户设定的温度范围内；在出水过程中，通过持续检测发热杯的进水流量，根据进水流量的变化来对发热杯的加热功率和半导体制冷片的制冷功率进行微调，从而使出水过程中的出水温度也能够精确地控制在用户设定的温度范围内。通过上述控制方法，可以使开水器的出水温度从始至终精确控制在用户设定的温度范围内，真正地实现恒温出水的目的。

Description

一种开水器的水温控制方法

技术领域

本发明涉及饮水设备领域，具体说是一种开水器的水温控制方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高与生活节奏的加快，以及对健康生活的追求，在饮用水方面的要求也逐渐提高。即热式开水器作为一种“即开即用，不使用不耗电”的高效节能烧水设备，发展至今不仅可以瞬时提供98℃以上的开水，而且还可以根据用户的实际用水需要提供温开水或冷开水，其内置的加热单元如发热杯和制冷单元如半导体制冷片，可以快速地将水烧开后再降温至用户设定的温度出水，从而满足用户不同的用水需求。然而现有的即热式开水器，其出水温度往往并不能精确地控制在用户设定的温度范围内或真正地达到恒温的要求，尤其是在刚出水时或出水过程中发生水流量波动时，其出水温度常常会发生较大的波动，导致用户体验下降，甚至会出现阴阳水现象，影响用水安全。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可精确控制出水温度和恒温出水的开水器的水温控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种开水器的水温控制方法，包括首次出水的水温控制方法A和出水过程中的水温控制方法B；

所述水温控制方法A为：

在首次出水前，先将发热杯中装满水，再启动发热杯和半导体制冷片，发热杯按以下公式(1)所示的加热功率P₁和预设加热时长t₁对发热杯中的水进行加热，半导体制冷片按以下公式(2)所示的制冷功率P₂和预设制冷时长t₂对与半导体制冷片的冷端连接的散热块进行预降温，然后加热后的水经过散热块降温后出水；

P₁＝C×V×ρ_密×△T₁/t₁ 公式(1)

P₂＝C×V×ρ_密×△T₂/t₂ 公式(2)

其中，C为水的比热容值，V为发热杯的容积，ρ_密为水的密度，△T₁为水的沸点与发热杯进水温度的温差值，△T₂为水的沸点与预设出水温度的温差值，t₁＝t₂；

所述水温控制方法B为：

在出水过程中，持续检测发热杯的进水流量，按以下公式(3)所示的加热功率P₁′对发热杯的加热功率进行微调，按以下公式(4)所示的制冷功率P₂′对半导体制冷片的制冷功率进行微调；

P₁′＝C×Q_流×ρ_密×△T₁′公式(3)

P₂′＝C×Q_流×ρ_密×△T₂′公式(4)

其中，C为水的比热容值，Q_流为发热杯的进水流量，ρ_密为水的密度，△T₁′为水的沸点与发热杯进水温度的温差值，△T₂′为水的沸点与预设出水温度的温差值。

本发明的有益效果在于：区别于现有技术，本发明通过改变开水器的工作单元在首次出水时的动作顺序，以及在出水过程中持续检测发热杯的进水流量，根据进水流量的变化来对发热杯的加热功率和半导体制冷片的制冷功率进行微调，从而使即热式开水器的出水温度能够从始至终精确控制在用户设定的温度范围内，真正地实现恒温出水的目的。

附图说明

图1所示为本发明实施例的开水器的结构示意图。

标号说明：

1-进水管路；2-进水阀；3-可控硅散热块；4-散热块；5-水流量传感器；6-发热杯；7-散热块；8-电磁阀；9-出水口；10-半导体制冷片；11-温度传感器；12-温度传感器；13-温度传感器；14-接水盘；15-热断路器；16-卸压阀。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：在首次出水时，先将发热杯装满水后再进行加热、降温，然后出水，使加热杯的加热功率和半导体制冷片的制冷功率可以精确地按照发热杯的容积进行确定，从而使首次出水的出水温度能够精确地控制在用户设定的温度范围内；在出水过程中，通过持续检测发热杯的进水流量，根据进水流量的变化来对发热杯的加热功率和半导体制冷片的制冷功率进行微调，从而使出水过程中的出水温度也能够精确地控制在用户设定的温度范围内。通过上述控制方法，可以使开水器的出水温度从始至终精确控制在用户设定的温度范围内，真正地实现恒温出水的目的。

具体的，本发明提供的开水器的水温控制方法，包括首次出水的水温控制方法A和出水过程中的水温控制方法B；

所述水温控制方法A为：

在首次出水前，先将发热杯中装满水，再启动发热杯和半导体制冷片，发热杯按以下公式(1)所示的加热功率P₁和预设加热时长t₁对发热杯中的水进行加热，半导体制冷片按以下公式(2)所示的制冷功率P₂和预设制冷时长t₂对与半导体制冷片的冷端连接的散热块进行预降温，然后加热后的水经过散热块降温后出水；

P₁＝C×V×ρ_密×△T₁/t₁ 公式(1)

P₂＝C×V×ρ_密×△T₂/t₂ 公式(2)

其中，C为水的比热容值，V为发热杯的容积，ρ_密为水的密度，△T₁为水的沸点与发热杯进水温度的温差值，△T₂为水的沸点与预设出水温度的温差值，t₁＝t₂；

所述水温控制方法B为：

在出水过程中，持续检测发热杯的进水流量，按以下公式(3)所示的加热功率P₁′对发热杯的加热功率进行微调，按以下公式(4)所示的制冷功率P₂′对半导体制冷片的制冷功率进行微调；

P₁′＝C×Q_流×ρ_密×△T₁′公式(3)

P₂′＝C×Q_流×ρ_密×△T₂′公式(4)

其中，C为水的比热容值，Q_流为发热杯的进水流量，ρ_密为水的密度，△T₁′为水的沸点与发热杯进水温度的温差值，△T₂′为水的沸点与预设出水温度的温差值。

在上述控制方法中，发热杯进水温度可以通过设置在发热杯进水口处的温度传感器检测得到；发热杯的进水流量可以由设置在发热杯的进水管上的水流量传感器检测得到；预设加热时长t₁和预设制冷时长t₂均为系统预先设定好的参数；预设出水温度可以由用户设定得到，用户可通过即热式开水器的LED显示屏和控制面板上的“+”/“-”键设置好需要的出水温度即预设出水温度；因此在公式(1)～(4)中，C、V、ρ_密、△T₁、t₁、△T₂、t₂、Q_流、△T₁′、△T₂′均可检测或计算得到，由此可以准确地确定P₁、P₂、P₁′、P₂′，进而使即热式开水器的出水温度从始至终精确控制在用户设定的温度范围内，真正地实现恒温出水的目的。

在上述控制方法中，发热杯中的水在经过预设加热时长t₁的加热后烧开(水温在98℃左右)，然后再开启发热杯的出水阀门，烧开后的水流经正好预降温完毕的散热块，与散热块发生热交换而精确降温至预设出水温度。半导体制冷片要对散热块进行预降温，而不是等到发热杯中的水流经散热块时再对散热块进行制冷降温，因为水流经散热块时是瞬时而过的，瞬时制冷既难以控制半导体制冷片的制冷功率，又无法精确地将水降温至预设出水温度，因此本发明采用预降温的方式将散热块预先按照制冷功率P₂和预设制冷时长t₂进行降温，而且半导体制冷片的预设制冷时长t₂要和预设加热时长t₁保持一致，由此才能确保烧开后的水流经散热块时能够正好与预降温完毕的散热块发生热交换，避免散热块过早预降温而与外界发生热交换影响与水的热交换效果或过晚预降温不能充分与水发生热交换的问题，从而能够瞬时准确地将水降温至预设出水温度，达到精确控制出水温度的目的。

在上述控制方法中，首次采用了在出水过程中对发热杯的加热功率和半导体制冷片的制冷功率进行微调的做法，由此可以彻底避免现有的开水器在出水过程中因进水流量发生波动而造成的出水温度不稳定的问题，而且由于出水过程中发热杯的加热功率和半导体制冷片的制冷功率是可调的，因此用户在出水过程中可以在无需停水的情况下直接对预设出水温度进行调整，调整后的出水温度仍然能够精确地控制在用户调整后的温度范围内并保持调整后的恒温出水状态。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过改变开水器的工作单元在首次出水时的动作顺序，以及在出水过程中持续检测发热杯的进水流量，根据进水流量的变化来对发热杯的加热功率和半导体制冷片的制冷功率进行微调，从而使即热式开水器的出水温度能够从始至终精确控制在用户设定的温度范围内，真正地实现恒温出水的目的。

进一步的，在首次出水和出水过程中，将散热块与加热后的水热交换产生的热量通过半导体制冷片传导给发热杯的进水进行预加热。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：将热交换产生的热量用于发热杯进水的预加热，可以进一步提高能量的利用率，达到节能降耗的目的。

进一步的，所述发热杯进水温度由设置在发热杯进水口处的温度传感器检测得到。

进一步的，所述发热杯的进水流量由设置在发热杯的进水管上的水流量传感器检测得到。

进一步的，在出水过程中，当检测到发热杯的进水流量小于或等于预设的危险流量值时，立即自动切断发热杯和半导体制冷片的电源。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过对发热杯的进水流量进行检测以决定是否自动切断发热杯和半导体制冷片的电源，可以有效避免加热杯干烧或半导体制冷片结冰，提高设备的使用安全系数和寿命。

进一步的，在开水器的控制系统中，预先建立好△T₁与P₁的对应表格以及△T₂与P₂的对应表格，然后在启动发热杯和半导体制冷片时，将实际测得的△T₁和△T₂直接代入相应的对应表格中以确定发热杯的加热功率P₁和半导体制冷片的制冷功率P₂。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：在实际操作使用过程中，可以根据产品机型的实际功率设计参数，对温差范围及工作功率、工作时间进行预设，建立温差与工作功率对应表格，机器在使用过程中不再进行公式计算，直接查表代入工作功率，以节省设备工作资源。

进一步的，在建立△T₁与P₁的对应表格以及△T₂与P₂的对应表格时，按照3～5℃的温差区间进行△T₁和△T₂的档位设置。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：使用查表方式进行确认功率的方法，与温差范围的限定有较大影响，范围区间大，对应的查表数据就少，但控制的精度不高；温差范围区间小，对应的查表数据较多，但控制精度较高。在本发明中，温差范围的区间设定在3～5℃的范围，会有较好的控制精度以及资源利用率。

以下，将结合图1所示的开水器，对本发明技术方案进行更直观和详细的说明：

如图1所示，该开水器由加热系统、制冷系统及电控系统三部分组成，其结构连接如下：进水管路1依次与进水阀2、可控硅散热块3、散热块4(与半导体制冷片10的热端相连)、水流量传感器5、发热杯6的进水管相连；发热杯6的出水管经过散热块7(与半导体制冷片10的冷端相连)后接入电磁阀8的一个端口；电磁阀8的另一端口与出水口9相连；可控硅散热块3上可根据需要设有一个到多个可控硅。

进水管上的进水阀2可根据需要进行安装或取消。

发热杯6的进水管上设有温度传感器11，发热杯6的出水口处设有温度传感器12，发热杯6的出水管路上设有温度传感器13。

散热块7下方设有接水盘14与排水管。

系统中，管路可采用不锈钢、紫铜、PPR塑料材质的硬管，也可采用食品级耐高温的硅胶软管，为保证系统承压能力与安全，优选使用不锈钢管。

发热杯6优选使用食品级的不锈钢材质，其顶部设置有热断路器15与卸压阀16，在发热杯6出现故障时热断路器15切断整机电源，当发热杯6内压过高时，卸压阀16打开降低发热杯6内部压力，保证设备安全。

散热块4和散热块7可选用黄铜、铝、不锈钢等金属材质，优选对人无害且导热性好的无铅黄铜材质。

使用时，将接水容器放置于出水口9处，通过LED显示屏与“+”/“-”键设置好需要的出水温度及预设出水温度，按下执行键，控制系统开始工作。首先读取温度传感器11的数值，减去发热杯6出水口处开水温度(水的沸点，98℃左右)，计算出升温温差△T₁，根据公式P₁＝C×V×ρ_密×△T₁/t₁，计算出发热杯6的加热功率P₁值，由此可以计算出不同温差值△T₁下需要使用的发热杯6的加热功率。

与此同时，系统再读取设定的出水温度即预设出水温度，并将其与发热杯6出水口处的开水温度进行对比，计算出降温温差△T₂。根据公式P₂＝C×V×ρ_密×△T₂/t₂，计算出半导体制冷片10的制冷功率P₂，由此可以计算出不同温差值△T₂下需要使用的半导体制冷片10的制冷功率。

通过计算确认了加热功率P₁与制冷功率P₂后，加热杯6即以加热功率P₁进行加热，加热t₁后，发热杯6中的水即被加热到98℃～100℃左右(可由温度传感器12检测)。在加热过程的同时间内，半导体制冷片10也以制冷功率P₂对散热块7进行预降温，预降温时长为t₂，然后电磁阀8被打开，发热杯6中的开水在进水压力的作用下，向上流过散热块7，其与设定温度(预设出水温度)相差的那部分的热量，被与散热块7相连的半导体制冷片10，从冷端移动到热端，再由与热端相连的散热块4，传导给进水管路1内的冷水进行预加热。而通过散热块7的开水，就是所需要的设定温度的开水，经过电磁阀8，从出水口9输出到接水容器中。

当电磁阀8开启后，水流量传感器5即可开始工作，检测水流量数值，控制板读取水流量数据、温度传感器11、12、13的数据，依据公式P₁′＝C×Q_流×ρ_密×△T₁′与公式P₂′＝C×Q_流×ρ_密×△T₂′，计算出发热杯6的加热功率P₁′和半导体制冷片10的制冷功率P₂′，按照计算出的P₁′和P₂′通过可控硅对半导体制冷片10和发热杯6的工作功率进行微调，保证出水温度恒定在设定温度。

在实际操作使用过程中，可以根据产品机型的实际功率设计参数，对温差范围及工作功率、工作时间进行预设，建立温差与工作功率对应表格，机器在使用过程中不再进行公式计算，直接查表代入工作工率，以节省设备工作资源。如下实例所示：

第一组，半导体制冷片10降温，程序内设置温差档位与工作功率对应表如下：

温差0～5，对应PTC工作功率为P1；

温差6～10，对应PTC工作功率为P2；

温差11～15，对应PTC工作功率为P3；

温差16～20，对应PTC工作功率为P4；

温差21～25，对应PTC工作功率为P5；

温差26～30，对应PTC工作功率为P6；

温差31～35，对应PTC工作功率为P7；

温差36～40，对应PTC工作功率为P8；

温差41～45，对应PTC工作功率为P9；

温差46～50，对应PTC工作功率为P10；

温差51～55，对应PTC工作功率为P11；

温差56～60，对应PTC工作功率为P12；

温差61～65，对应PTC工作功率为P13；

温差66～70，对应PTC工作功率为P14；

温差71～75，对应PTC工作功率为P15；

温差76～80，对应PTC工作功率为P16；

温差81～85，对应PTC工作功率为P17；

温差86～90，对应PTC工作功率为P18；

温差91～95，对应PTC工作功率为P19；

系统根据不同温差范围直接采用对应预设的工作功率对水进行工作降温。

第二组，发热杯6加热，加热程序内设置温差档位与工作功率对应表如下：

温差0～5，对应发热杯工作功率为P1；

温差6～10，对应发热杯工作功率为P2；

温差11～15，对应发热杯工作功率为P3；

温差16～20，对应发热杯工作功率为P4；

温差21～25，对应发热杯工作功率为P5；

温差26～30，对应发热杯工作功率为P6；

温差31～35，对应发热杯工作功率为P7；

温差36～40，对应发热杯工作功率为P8；

温差41～45，对应发热杯工作功率为P9；

温差46～50，对应发热杯工作功率为P10；

温差51～55，对应发热杯工作功率为P11；

温差56～60，对应发热杯工作功率为P12；

温差61～65，对应发热杯工作功率为P13；

温差66～70，对应发热杯工作功率为P14；

温差71～75，对应发热杯工作功率为P15；

温差76～80，对应发热杯工作功率为P16；

温差81～85，对应发热杯工作功率为P17；

温差86～90，对应发热杯工作功率为P18；

温差91～95，对应发热杯工作功率为P19；

其中发热杯6的工作功率及工作时间根据不同机型的实际情况进行设定。此时，用于控制半导体制冷片10的第一可控硅与用于控制发热杯6的第二可控硅被接通，半导体制冷片10与发热杯6即以查表预设的工作功率进行工作。当工作时间t₁达到时，发热杯6中的水就被加热到98℃左右，此时，电磁阀8被打开，发热杯6中的开水在进水压力的作用下，向上流过散热块7，其与设定温度相差的那部分的热量，被与散热块7相连的半导体制冷片10，从冷端移动到热端，再由与热端相连的散热块4，传导给进水管路1内的冷水进行预加热。而通过散热块7的开水，就是所需要的设定温度的开水，经过电磁阀8，从出水口9输出到接水容器中。此时，控制板通过检测水流量传感器5、温度传感器11、12、13的数据，通过第一可控硅和第二可控硅对半导体制冷片10、发热杯6的工作功率进行微调，保证出水温度恒定在设定温度。

使用查表方式进行确认功率的方法，与温差范围的限定有较大影响，范围区间大，对应的查表数据就少，但控制的精度不高；温差范围区间小，对应的查表数据较多，但控制精度较高。在本发明中，温差范围的区间设定在3～5℃的范围，会有较好的控制精度以及资源利用率。

当取水完成后，再次按下执行键，电磁阀8关断，出水停止，水流量传感器5停止脉冲信号，控制板通过第一可控硅和第二可控硅关断半导体制冷片10与发热杯6的电源，停止工作，等待下次执行操作。

本系统在首次上电使用时(如新机首次安装使用、停电后再次通电使用、电源开关关断后再打开时，机器在按下执行键时)，系统会提示进水中，此时不会先接通第一可控硅与第二可控硅，会先接通电磁阀8，让水流先进入发热杯6中，待水流量传感器5检测到脉冲信号后，再延时一定的时间后，保证发热杯6中处于满水状态，系统提示可以使用，此时再进行温度设定与执行操作。

如果在使用过程中，进水管路1没有水流进入发热杯6(如停水、进水阀2被关断)，在电磁阀8打开后，水流量传感器5没有检测到脉冲信号，控制板自动切断发热杯6与半导体制冷片10的电源，避免出现干烧、结冰等现象。当系统出现更严重故障，无法切断电源时，发热杯6顶部的热断路器15，会因发热杯6干烧温度超过100℃，自动切断整机电源，保障设备安全。

散热块4与散热块7下方设有接水盘14与排水管，当半导体制冷片10工作时，可能会产生冷凝水，落入接水盘14中，通过排水管排除，避免造成电路损坏。

从上述描述可知，本发明所提供的开水器的水温控制方法，可以使开水器的出水温度从始至终精确控制在用户设定的温度范围内，真正地实现恒温出水的目的。本发明方法同样可以适用于其他即热式用水设备中，比如即热式水龙头、即热式热水器等。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种开水器的水温控制方法，其特征在于：包括首次出水的水温控制方法A和出水过程中的水温控制方法B；

所述水温控制方法A为：

在首次出水前，先将发热杯中装满水，再启动发热杯和半导体制冷片，发热杯按以下公式(1)所示的加热功率P₁和预设加热时长t₁对发热杯中的水进行加热，半导体制冷片按以下公式(2)所示的制冷功率P₂和预设制冷时长t₂对与半导体制冷片的冷端连接的散热块进行预降温，然后加热后的水经过散热块降温后出水；

P₁＝C×V×ρ_密×△T₁/t₁ 公式(1)

P₂＝C×V×ρ_密×△T₂/t₂ 公式(2)

其中，C为水的比热容值，V为发热杯的容积，ρ_密为水的密度，△T₁为水的沸点与发热杯进水温度的温差值，△T₂为水的沸点与预设出水温度的温差值，t₁＝t₂；

所述水温控制方法B为：

在出水过程中，持续检测发热杯的进水流量，按以下公式(3)所示的加热功率P₁′对发热杯的加热功率进行微调，按以下公式(4)所示的制冷功率P₂′对半导体制冷片的制冷功率进行微调；

P₁′＝C×Q_流×ρ_密×△T₁′ 公式(3)

P₂′＝C×Q_流×ρ_密×△T₂′ 公式(4)

其中，C为水的比热容值，Q_流为发热杯的进水流量，ρ_密为水的密度，△T₁′为水的沸点与发热杯进水温度的温差值，△T₂′为水的沸点与预设出水温度的温差值。

2.根据权利要求1所述的开水器的水温控制方法，其特征在于：在首次出水和出水过程中，将散热块与加热后的水热交换产生的热量通过半导体制冷片传导给发热杯的进水进行预加热。

3.根据权利要求1所述的开水器的水温控制方法，其特征在于：所述发热杯进水温度由设置在发热杯进水口处的温度传感器检测得到。

4.根据权利要求1所述的开水器的水温控制方法，其特征在于：所述发热杯的进水流量由设置在发热杯的进水管上的水流量传感器检测得到。

5.根据权利要求1所述的开水器的水温控制方法，其特征在于：在出水过程中，当检测到发热杯的进水流量小于或等于预设的危险流量值时，立即自动切断发热杯和半导体制冷片的电源。

6.根据权利要求1所述的开水器的水温控制方法，其特征在于：在开水器的控制系统中，预先建立好△T₁与P₁的对应表格以及△T₂与P₂的对应表格，然后在启动发热杯和半导体制冷片时，将实际测得的△T₁和△T₂直接代入相应的对应表格中以确定发热杯的加热功率P₁和半导体制冷片的制冷功率P₂。

7.根据权利要求6所述的开水器的水温控制方法，其特征在于：在建立△T₁与P₁的对应表格以及△T₂与P₂的对应表格时，按照3～5℃的温差区间进行△T₁和△T₂的档位设置。