CN110645391A - 太阳能热水器恒温混水阀及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了太阳能热水器恒温混水阀及控制方法，包括：与冷水进水管连通的冷水腔、与热水进水管连通的热水腔及阀芯，所述冷水腔与热水腔之间通过波纹膜片隔开，所述波纹膜片与两端带橡胶塞的连杆连接；所述冷水腔与热水腔之间的水压不同时，通过波纹膜片带动连接橡胶塞的连杆自动平衡冷水腔、热水腔内水压力。本公开混水阀将冷、热水腔用波纹膜片隔开，配合连杆两侧的橡胶塞来控制进入冷、热水腔的水流量，自动平衡冷、热水腔内水压力，解决出水温度波动问题。

Description

太阳能热水器恒温混水阀及控制方法

技术领域

本发明属于太阳能热水器领域，尤其涉及太阳能热水器恒温混水阀及控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前市场上太阳能热水器控制系统多为固定式操作，即控制系统不能根据当时的使用情况和环境情况进行人性化控制。混水阀是决定太阳能热水器性能高低的关键部件，可分为手动调节混水阀、智能混水阀等。

发明人在研究中发现，手动调节混水阀结构简单，但进入混水阀冷水压力大、热水压力小，压差较大时出水温度调节困难，经常出现冷水通过混水阀流入热水器(串水)、出水温度不能及时调节到所需温度等情况，调节过程长浪费水力资源。

智能混水阀一般通过单片机控制步进电机带动混水阀内的摆块来控制冷、热水的进水量，自动控制出水温度。但冷、热水压力差较大出现“串水”时控制过程产生震荡，出水温度波动较大。

另外，当前上水功能也只是单纯的根据水位进行上水，没有考虑到过高的水箱温度情况下的突然上水会导致太阳能集热管的损坏。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了太阳能热水器恒温混水阀，实现水温的精确控制。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

太阳能热水器恒温混水阀，包括：与冷水进水管连通的冷水腔、与热水进水管连通的热水腔及阀芯，所述冷水腔与热水腔之间通过波纹膜片隔开，所述波纹膜片与两端带橡胶塞的连杆连接；

所述冷水腔与热水腔之间的水压不同时，通过波纹膜片带动连接橡胶塞的连杆自动平衡冷水腔、热水腔内水压力。

进一步的技术方案，所述波纹膜片的一个边界与阀芯相连，其余边界连接至冷热水腔交界处的管道壁面，能够随冷水腔与热水腔中的水的压力不同而变形。

进一步的技术方案，热水侧橡胶塞位于热水进水管与热水腔连接口左侧，且热水侧橡胶塞右侧面与热水进水管的管壁相切；冷水侧橡胶塞位于冷水进水管与冷水腔连接口右侧，且冷水侧橡胶塞左侧面与冷水进水管的管壁相切。

进一步的技术方案，所述冷水进水管压力为零时，在热水端压力下，波纹膜片会带动热水侧橡胶塞瞬间移动到极限位置，热水侧橡胶塞阻塞热水进水管，切断热水；

热水进水管压力为零时，在冷水端压力下，波纹膜片带动冷水侧橡胶塞瞬间阻塞冷水进水管，切断冷水。

进一步的技术方案，所述恒温混水阀在出水口安装一个温度传感器，用于检测混合出水口水温，温度检测信号传输至控制器，控制器通过步进电机控制阀芯，进而调节出水温度。

进一步的技术方案，所述太阳能热水器恒温混水阀还包括手动调温单元，包括轴承、钣金件、旋杆、手动旋钮，所述在阀芯和步进电机之间增设一个轴承，轴承通过板金件、旋杆与手动调节旋钮连接，通过旋转手动旋钮控制阀芯，调节混水阀出水温度。

进一步的技术方案，所述橡胶塞厚度大于进水管的直径。

进一步的技术方案，所述控制单元设置预定上水时间段，在该时间段内水箱内水位信息低于设定值时进行自动上水。

本发明还提供了太阳能热水器恒温混水阀的控制方法，包括：

热水进水管水压不变，当冷水进水管水压变大时，连杆随波纹膜片受压变形带动橡胶塞向热水腔侧运动，使冷水流量减小热水流量不变；

当冷水进水管水压变小时，连杆随波纹膜片受压变形带动橡胶塞向冷水腔侧运动，使热水流量减小冷水流量不变；

若冷水进水管压力为零时，在热水端压力下，波纹膜片会带动橡胶塞瞬间移动到极限位置，阻塞热水进水管，同时，将高温信号传送给控制器，步进电机根据控制器指令转动，关闭阀门，避免烫伤；

若热水突然中断，在冷水端压力下，波纹膜片会带动橡胶塞瞬间阻塞冷水进水管，切断冷水；同时，将低温信号传送给控制器，控制器发出指令控制步进电机转动，关闭阀门，避免冷激。

进一步的技术方案，设置预定上水时间段，当水箱内水位达到预置上水水位时，读取当前的时间，如果当前时间在预置的上水时间段则自动完成上水功能，如果当前时间偏离设定值，则延迟上水，起到保护集热管的作用。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本公开混水阀将冷、热水腔用波纹膜片隔开，配合连杆两侧的橡胶塞来控制进入冷、热水腔的水流量，自动平衡冷、热水腔内水压力，解决出水温度波动问题。

本公开混水阀根据实时时钟和上水水位信息控制上水时间，有效的防止高温上水对真空加热管的损坏。

本公开混水阀具有机械和电子结构分离的特点，不仅可以电子调温，而且还可以手动调温。

本公开混水阀采取MCU控制和机械控制相结合的措施，能解决太阳能热水器混水阀出水温度难以调节的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1本公开实施例子恒温混水阀的总体框架图；

图2本公开实施例子太阳能热水器恒温混水阀结构水平剖面俯视图；

图3本公开实施例子太阳能热水器恒温混水阀结构竖直剖面侧视图；

图4本公开实施例子恒温混水阀外观前视图；

图5本公开实施例子恒温混水阀前壳处剖切面前视图；

图6本公开实施例子太阳能热水器混水阀系统流程图；

图7本公开实施例子混水阀手动调节部分的左视图；

图8本公开实施例子混水阀手动调节部分的俯视图；

图9本公开实施例子混水阀手动调节部分的前视图；

图中，1-阀芯，2-温度传感器，3-轴承，4-板金件，5-电机固定板，6-旋杆，7-手动旋钮，8-步进电机，9-热水进水管，10-冷水进水管，11-波纹膜片，12-连杆，13-热水腔，14-橡胶塞，15-冷水腔，16-后壳，17-显示模块，18-控制器，19-机械按键，20-前壳，21-LED指示灯，22-混合出水管，23-密封胶垫，24-封盖。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提出的总体思路：

将橡胶塞通过连杆与波纹膜片连接构成水压平衡单元，由控制器、步进电机与温度传感器等组成温度调节单元；由轴承、钣金件、旋杆、手动旋钮构成手动调节单元；由实时时钟、水位传感器等组成上水单元。该发明控制精度高、反应速度快，能解决太阳能热水器混水阀出水温度难以调节问题，实现自动调节水温、保护集热管等功能，不仅可以电子调温，而且还可以手动调温。

水压平衡单元通过波纹膜片带动连接橡胶塞的连杆平衡冷热水腔的压力，通过控制器读取实时时钟模块的实时时间，判断该时间是否在预置上水时间段，再考虑预设上水水位值进行自动上水。

实施例一

本实施例公开了一种太阳能热水器恒温混水阀，参见图1总体框架图。该恒温混水阀以STM32F1作为主控制芯片、DS18B20作为温度传感器2、DS1302作为实时时钟模块、水位传感器作为水位采集模块(位于水箱)、12864作为显示模块17、L298N作为步进电机驱动、LED作为指示信号灯21、机械按键19作为人机交换的信息采集模块。整个装置设置在壳体内，壳体包括前壳20及后壳16。温度传感器所在管路的一侧设置有封盖24。

水压平衡单元，通过波纹膜片带动连接橡胶塞的连杆平衡冷热水腔的压力；通过控制器读取实时时钟模块的实时时间，判断该时间是否在预置上水时间段，再考虑预设上水水位值进行自动上水，当然也可以根据用户手动上水，防止高温上水对真空加热管的损坏；该混水阀还预留了相关智能家居接口，方便系统升级和整个家居管理系统的维护与管理。

就冷热水压力而言，一般冷水压力较大且经常波动，针对这个问题，通过设计混水阀腔室结构，平衡水压，解决水压变动带来的温度影响。参考图2、3、4、5所示的结构，该发明用波纹膜片11把混水阀冷水腔15、热水腔13隔开，并且波纹膜片11与带橡胶塞14的连杆12连接，构成水压平衡单元：热水侧橡胶塞位于热水进水管9与热水腔13连接口左侧，且橡胶塞14右侧面与热水进水管9的管壁相切；冷水侧橡胶塞位于冷水进水管10与冷水腔15连接口右侧，且橡胶塞14左侧面与冷水进水管10的管壁相切；为了确保橡胶塞当冷水或热水突然断的时完全阻塞水管，橡胶塞厚度需要稍稍大于进水管的直径，考虑到橡胶塞随波纹膜片11运动的灵敏度问题，将橡胶塞14厚度设置为1.2倍的进水管直径。热水进水管9水压不变，当冷水进水管10水压变大时，连杆12随波纹膜片11受压变形带动橡胶塞14向热水腔13侧运动，使冷水流量减小热水流量不变；当冷水进水管10水压变小时，连杆12随波纹膜片11受压变形带动橡胶塞14向冷水腔15侧运动，使热水流量减小冷水流量不变。若冷水进水管10压力为零时，在热水端压力下，波纹膜片11会带动橡胶塞14瞬间移动到极限位置，阻塞热水进水管9；同时，位于混合出水管22的DS18B20将高温信号传送给STM32F1控制器18，通过STM32F1对测得的温度与设定值作比较，发出指令控制步进电机8动作来调节出水温度，步进电机8根据控制器指令转动，关闭阀芯1，避免烫伤，并且发红光的LED指示灯21亮；若热水突然中断，在冷水端压力下，波纹膜片11会带动橡胶塞14瞬间阻塞冷水进水管10，切断冷水；同时，DS18B20将低温信号传送给STM32F1控制器18，控制器18发出指令控制步进电机8转动，关闭阀芯1，避免冷激。该恒温混水阀在出水口安装一个温度传感器2，用于检测混合出水口水温；安装一个步进电机8，用于控制阀芯1，进而调节出水温度。

针对波纹膜片的选择，考虑如下：波纹膜片的刚度随厚度的变化而变化，厚度越大的波纹膜片硬度越高，硬度过高的波纹膜片易疲劳损伤；厚度过小的波纹膜片机械强度小，满足不了恒温混水阀耐压强度要求。在满足机械强度要求的前提下，纹波膜片越薄，随着冷、热水压差的变化反应越灵敏，更有利于拉动连杆、带动橡胶塞随波纹膜片的形变而移动，阻塞压力大一侧的进水口，减少该侧的进水流量，又因为压力小侧的进水流量不变，所以平衡冷、热水水压。因此波纹膜片型面制作成跨距大、高度小的正弦波。

波纹膜片11的一个边界与阀芯1的接触面用密封胶垫23密封，波纹膜片11的其余边界与阀体接触的部分也用密封胶垫23密封，即在冷热水腔交界的管壁处，用密封胶垫23把波纹膜片11和阀体密封，参见附图3所示。

热水侧橡胶塞14右侧面与热水进水管9的管壁相切及冷水侧橡胶塞14左侧面与冷水进水管10的管壁相切考虑的因素是：当冷水或者热水压力变化时，能及时改变冷热水进水口，进而改变冷热水的进水流量，即冷水(热水)压力变大的瞬间，波纹膜片及时带动连杆，连杆带动橡胶塞向热水(冷水)侧运动，橡胶塞与冷水(热水)进水管的管壁“相切”能及时缩小冷水(热水)进水口，进而减少冷水(热水)的流量。因为热水(冷水)侧的橡胶塞与热水(冷水)进水管壁相切，当波纹膜片及时带动连杆，连杆带动橡胶塞向热水(冷水)侧运动时，因为热水侧橡胶塞在热水进水管口的左侧(冷水侧橡胶塞在冷水进水管右侧)，并没有改变热水(冷水)侧的进水流量，进而平衡因冷水压力变大(变小)所带来的水温变化。当冷水压力变大时，冷水流量变大，而热水流量不变，通过此结构可以减少冷水流量，与冷水水压变化之前流量相比，流量几乎不变。

再次参见附图4所示，该实施例中恒温混水阀设置四个机械按键19，第一个设计为“加”按键，第二个设计为“减”按键，第三个设置为“确定”，第四个设置为手动上水。当“加”按键按下后，12864显示设定的温度值加1；当“减”按键按下后，12864显示设定的温度值减1。当按下“确定”按键后，说明用户已经设定好温度，控温程序开始运行。按键模块作为人机交互的信息采集模块，可以实时将用户的需求反映给控制器，以便控制器做出相关动作。

太阳能热水控制器具有自动上水功能，但目前太阳能控制器只能根据水箱内水位来决定是否进行上水操作，未考虑当太阳能集热管温度过高时，突然的上水操作可能会影响集热管的寿命，甚至严重时可能会导致集热管的直接损坏。本发明通过设置预定上水时间段，结合水箱内水位信息综合考虑进行上水操作：当水箱内水位达到预置上水水位时，同时STM32F1读取DS1302当前的时间，如果当前时间在预置的上水时间段(黑夜或者凌晨)则自动完成上水功能，如果当前时间偏离设定值(例如中午)，则延迟上水，起到保护集热管的作用。具体的系统操作流程图参见图6所示。当然，如果用户自主判断出当前环境可以进行上水操作，则可手动进行上水操作。

参考图7、8、9，该发明具有机械和电子结构分离的特点，在突然断电或者控制器18坏掉的情况下，可以通过手动调节旋钮7进行手动调温。当需要改变出水温度时，可通过旋转手动旋钮7控制阀芯1，调节混水阀出水温度，即在阀芯1和步进电机8之间加一个轴承3，并通过板金件4、旋杆6与手动调节旋钮7连接。其中步进电机固定在电机固定板5上，电机固定板5固定在壳体上，手动调节旋钮通过旋杆6与钣金件4相连，板金件4通过轴承与阀芯1连接。调节手动旋钮7带动旋杆6转动，旋杆6通过钣金件4带动轴承3转动，轴承3带动阀芯1动作。

控制器18连接HC_05模块。HC_05是目前工程中运用比较广泛的一体式蓝牙模块，该模块将蓝牙协议整体的封装起来，只向用户提供标准的串口接口。而对于内部的蓝牙协议等不需要模块的使用者深入的了解，使用者只需要对该模块的串口参数进行设置就可以简单的驱动模块。同时该模块的命令使用标准的AT指令，方便程序的移植与调用。通过蓝牙发出指令，STM32F1通过相应的解码程序可以准确的读取用户的命令，进而执行相关的动作。

本公开实施例子以STM32F1为主控制芯片构建混水阀出水温度自动控制系统，实现水温精确控制、自动调节水温、自动上水、防止高温时向热水箱上水，不仅解决了水温波动问题，而且还可实现电子自动调温的功能，减少水温调节时间，进而节约水资源，当突然断电或者控制器坏掉时，还可进行手动调温。

实施例二

本实施例的目的是提供本发明还提供了太阳能热水器恒温混水阀的控制方法，包括：

热水进水管水压不变，当冷水进水管水压变大时，连杆随波纹膜片受压变形带动橡胶塞向热水腔侧运动，使冷水流量减小热水流量不变；

当冷水进水管水压变小时，连杆随波纹膜片受压变形带动橡胶塞向冷水腔侧运动，使热水流量减小冷水流量不变；

若冷水进水管压力为零时，在热水端压力下，波纹膜片会带动橡胶塞瞬间移动到极限位置，阻塞热水进水管，同时，将高温信号传送给控制器，步进电机根据控制器指令转动，关闭阀门，避免烫伤；

若热水突然中断，在冷水端压力下，波纹膜片会带动橡胶塞瞬间阻塞冷水进水管，切断冷水；同时，将低温信号传送给控制器，控制器发出指令控制步进电机转动，关闭阀门，避免冷激。

设置预定上水时间段，当水箱内水位达到预置上水水位时，读取当前的时间，如果当前时间在预置的上水时间段则自动完成自动上水功能，如果当前时间偏离设定值，则延迟上水，起到保护集热管的作用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.太阳能热水器恒温混水阀，其特征是，包括：与冷水进水管连通的冷水腔、与热水进水管连通的热水腔及阀芯，所述冷水腔与热水腔之间通过波纹膜片隔开，所述波纹膜片与两端带橡胶塞的连杆连接；

所述冷水腔与热水腔之间的水压不同时，通过波纹膜片带动连接橡胶塞的连杆自动平衡冷热水腔内的水压力。

2.如权利要求1所述的太阳能热水器恒温混水阀，其特征是，所述波纹膜片的一个边界与阀芯相连，其余边界连接至冷热水腔交界处的管道壁面，能够随冷水腔与热水腔中水的压力不同而变形。

3.如权利要求1所述的太阳能热水器恒温混水阀，其特征是，热水侧橡胶塞位于热水进水管与热水腔连接口左侧，且热水侧橡胶塞右侧面与热水进水管的管壁相切；冷水侧橡胶塞位于冷水进水管与冷水腔连接口右侧，且冷水侧橡胶塞左侧面与冷水进水管的管壁相切。

4.如权利要求1所述的太阳能热水器恒温混水阀，其特征是，所述冷水进水管压力为零时，在热水端压力下，波纹膜片会带动热水侧橡胶塞瞬间移动到极限位置，热水侧橡胶塞阻塞热水进水管，切断热水；

热水进水管压力为零时，在冷水端压力下，波纹膜片带动冷水侧橡胶塞瞬间阻塞冷水进水管，切断冷水。

5.如权利要求1所述的太阳能热水器恒温混水阀，其特征是，所述恒温混水阀在出水口安装一个温度传感器，用于检测混合出水口水温，温度检测信号传输至控制器，控制器通过步进电机控制阀芯，进而调节出水温度。

6.如权利要求1所述的太阳能热水器恒温混水阀，其特征是，所述太阳能热水器恒温混水阀还包括手动调温单元，包括轴承、钣金件、旋杆、手动旋钮，所述在阀芯和步进电机之间增设一个轴承，轴承通过板金件、旋杆与手动调节旋钮连接，通过旋转手动旋钮控制阀芯，调节混水阀出水温度。

7.如权利要求1所述的太阳能热水器恒温混水阀，其特征是，所述橡胶塞厚度大于进水管的直径。

8.如权利要求1所述的太阳能热水器恒温混水阀，其特征是，所述控制单元设置预定上水时间段，在该时间段内水箱内水位信息低于设定值时进行自动上水。

9.太阳能热水器恒温混水阀的控制方法，其特征是，包括：

热水进水管水压不变，当冷水进水管水压变大时，连杆随波纹膜片受压变形带动橡胶塞向热水腔侧运动，使冷水流量减小热水流量不变；

当冷水进水管水压变小时，连杆随波纹膜片受压变形带动橡胶塞向冷水腔侧运动，使热水流量减小冷水流量不变；

若冷水进水管压力为零时，在热水端压力下，波纹膜片会带动橡胶塞瞬间移动到极限位置，阻塞热水进水管，同时，将高温信号传送给控制器，步进电机根据控制器指令转动，关闭阀门，避免烫伤；

若热水突然中断，在冷水端压力下，波纹膜片会带动橡胶塞瞬间阻塞冷水进水管，切断冷水；同时，将低温信号传送给控制器，控制器发出指令控制步进电机转动，关闭阀门，避免冷激。

10.如权利要求9所述的太阳能热水器恒温混水阀的控制方法，其特征是，设置预定上水时间段，当水箱内水位达到预置上水水位时，读取当前的时间，如果当前时间在预置的上水时间段则自动完成上水功能，如果当前时间偏离设定值，则延迟上水，起到保护集热管的作用。

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