CN114673825A - 冷热水调节阀、稳热阀及冷热水混合恒温调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷热水调节阀、稳热阀及冷热水混合恒温调控方法，以解决热水器冷水、热水混合后温度难以调控，使出水温度不稳定造成水资源浪费、甚至可能对人体造成烫伤或冷激的技术问题，本发明包括混合腔、阀芯、滑轨、温度传感器、预热装机构、驱动单元及控制单元；所述控制单元包括控制器，所述控制器基于温度传感器实时温度信息控制阀芯移动，以实现冷热水混合后的水温实时保持稳定，且阀芯移动时热水进水口和冷水进水口截面导通面积始终保持为总截面面积的一半；本发明通过单片机控制使得冷、热水混合后温度实时保持稳定，提高了冷、热水混合后水温的控制精度，避免出水温度不稳导致水资源浪费，甚至对使用者造成烫伤或冷激的危险。

Description

冷热水调节阀、稳热阀及冷热水混合恒温调控方法

技术领域

本发明涉及热水器技术领域，具体涉及一种冷热水调节阀、稳热阀及冷热水混合恒温调控方法。

背景技术

随着热水器在工业与民用建筑中的广泛应用，热水器技术与设备得到很大的发展，其种类繁多，基本分为电热水器、燃气热水器、太阳能热水器、热泵热水器等几大类；热水器具有制热效率高、安装空间小等优点，将其安装在浴室，既能用于淋浴，也能用于洗漱；将其安装在厨房，可用于厨房热水用；因此，现在热水器已经成为人们日常生活所必须的产品。

现有热水器为即热式热水器，能够在短时间内出高温水，然后在使用过程中，通过左右旋转出水把手，调节冷水和热水的混合比例使得出水达到相应的温度。这样的调节出水温度的方式，不仅难以把控水温，还在每次调节时水温都不一致，需要人们去不断的触摸感知及反复手动调节，从而造成水资源的浪费，调节的不便，难以达到用户高效便捷的使用需求；甚至当冷水或热水突然中断时，可能会对使用者造成烫伤或冷激的危险；且在热水器与水龙头把手在远距离供水时，当热水器启动时，热水流到水龙头把手需一定时间，需把水管中冷水完全排出后，热水才能到达，这样同样也造成了水资源浪费，同时增加了使用者等待的时间。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷热水调节阀、稳热阀及冷热水混合恒温调控方法，以解决热水器冷水、热水混合后温度难以精准调控，使出水温度不稳定而造成水资源浪费、甚至可能对人体造成烫伤或冷激的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种冷热水调节模块，包括混合腔、固定设置于该混合腔内的滑轨/槽、以及与所述滑轨/槽滑动配合的阀芯；

在所述混合腔一侧设有进水口，另一侧设有用于与外部管路连通的出水口；所述进水口包括形状、大小相同的冷水进水口和热水进水口；其中，所述阀芯与所述进水口的端面相贴合遮挡，以使所述阀芯沿滑轨/槽移动至任何位置时，所述进水口的导通截面始终为总进水口截面面积的一半。

设计一种稳热阀，包括所述冷热水调节模块，及：

控制单元，所述控制单元包括控制器、分别设置于热水进水口和冷水进水口中用以实时感应冷、热水进水口温度的第一温度传感器及设置于出水口中用以实时感应出水口处水温的第二温度传感器；

驱动单元，所述驱动单元的输出端与所述阀芯传动配合，以使所述阀芯沿所述滑轨/槽移动；

其中，所述控制器基于第一温度传感器所采集到的水温信息控制驱动单元带动阀芯移动，以改变冷、热水进水口的截面导通面积比值，实现冷热水混合后恒温输出。

优选的，所述控制器为单片机，所述控制单元还包括输入终端、输出终端。

优选的，所述输入终端包括温度调节按钮，所述输出终端包括温度显示屏，所述温度调节按钮和温度显示屏分别与所述单片机电连接。

优选的，所述稳热阀还包括预加热机构，所述预加热机构包括加热腔、设于该加热腔内/外的电热元件；所述加热腔一端与出水口连通，另一端与接水龙头连通，所述单片机基于第二温度传感器所采集到的水温信息控制该电热元件发热的启闭，以实现管道热水的即时输出。

优选的，所述混合腔和加热腔的外表面均设有聚氨酯泡沫材质的隔热板。

优选的，所述电热元件为电加热丝，所述单片机控制该电加热丝电流的通断。

优选的，所述驱动单元为正反转电机。

设计一种冷热水混合恒温调控方法，基于上述稳热阀而实施，包括以下步骤：

1）通过所述温度调节按钮设定所需出水的温度为T₀；

2）第二温度传感器将检测到的出水口处的水温为T₃，并将温度信息转化为电信号传输给控制器，控制器对比T₀和T₃值后进一步控制电加热丝的启闭；

3）冷、热水进水口同时进水，第一温度传感器检测到的实时热水温度为T₁、冷水温度为T₂，第一温度传感器将检测到的实时温度信息转化为电信号传输至控制器，控制器根据能量守恒定律计算公式得出冷、热水出水口截面导通面积比值；

4）控制器控制驱动单元带动阀芯在所述滑轨/槽上移动到相应的位置，使冷热水混合后达到所需出水温度T₀。

优选的，所述步骤3）中，冷、热水出水口截面导通面积比值的计算公式为：S_热（T₁-T₀）=S_冷(T₀-T₂)，其中，S_热表示热水出水口截面导通面积，S_冷表示冷水出水口截面导通面积。

与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：

1.本发明基于冷、热水进水口处的阀芯在滑轨/槽上实时移动而现冷、热水进水口截面导通比例的变化，使得冷、热水混合后温度实时保持稳定，且全程通过单片机控制，实现自动化的精准调控，提高了冷、热水混合后水温的控制精度，避免出水温度不稳导致水资源浪费，甚至对使用者造成烫伤或冷激的危险。

2.本发明进一步设置有安装在热水出水管与出水把手之间的预热机构，在开启热水器前，控制电加热丝对出水管道内的存水进行预加热，待冷、热水混合后到达出水口时，关闭电加热丝，即减少了水资源浪费，又可减少使用者等待的时间。

附图说明

图1为本发明冷热水混合机构的剖面结构示意图。

图2为本发明冷热水混合恒温自动调控装置的剖面结构示意图之一。

图3为本发明冷热水混合恒温自动调控装置的剖面结构示意图之一。

图4为本发明冷热水混合恒温自动调控装置的电路控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

以下实施例中所涉及或依赖的程序均为本技术领域的常规程序或简单程序，本领域技术人员均能根据具体应用场景做出常规选择或者适应性调整。

以下实施例中所涉及的单元模块（零部件、结构、机构）或传感器等器件，如无特别说明，则均为常规市售产品。

实施例1：一种冷水热水调节阀（模块），参见图1，包括混合腔1、滑轨3及阀芯2；

所述混合腔1，用于承接热水器冷、热水输出后混合的容器，为具有一定容量的规则形状的中空腔体结构；所述混合腔1的一侧腔壁上开设有进水口，另一腔壁上开设有出水口6；所述进水口包括形状、大小相同的冷水进水口5和热水进水口4，所述进水口的形状根据管道加工工艺一般选择为矩形或圆形。

所述滑轨3固定设置在所述混合腔1内部的腔壁上，与所述进水口相对应设置，以使与滑轨3配合的阀芯2能够紧贴于冷、热水进水口，所述阀芯2沿所述滑轨3的长度方向移动，且阀芯2的一个方向上的长度至少完全覆盖于此方向上冷、热水进水口，通过改变阀芯2在滑轨3上的位置使得冷、热水进水口截面导通面积变化，进一步改变单位时间内流出的冷、热水体积，来实现控制混合后的水温稳定，且阀芯2尺寸结构与冷、热水进水口尺寸相对应设置，使得阀芯2在滑轨3上移动时，始终保持进水口的截面导通面积为总进水口截面面积的二分之一。

实施例2：一种稳热阀，参见图2至图3，包括实施例1所述冷水热水调节阀及控制单元、驱动单元。

所述控制单元，包括单片机8、分别设置于热水进水口4和冷水进水口5中用以实时感应冷、热水进水口温度的第一温度传感器7及设置于出水口6中用以实时感应出水口6处水温的第二温度传感器12；所述控制单元还包括温度调节按钮14和LED电子显示屏13，所述温度调节按钮14用以根据用户需求来调节冷、热水混合后的出水温度值，所述LED电子显示屏13用以显示温度调节按钮14设定的数值，所述第一温度传感器7、第二温度传感器12、温度调节按钮14及LED电子显示屏13分别通过线路与单片机8电连接，进一步实现整个装置的自动化控制工作。

所述驱动单元包括微型正反转电机9，所述正反转电机9的动力输出端与所述阀芯2传动配合（如齿轮传动等）以带动其在滑轨3上移动；所述正反转电机9也通过线路与单片机8电性连接，通过单片机8控制正反转电机9带动阀芯2的移动。

在所述出水口6连接的外部出水管道中连通设置有预加热机构，所述预加热机构包括加热腔10、设置于加热腔10内/外的电加热元件；所述加热腔10一端与出水口6连通，另一端与接水龙头把手；所述电热元件可以选用电加热丝11，比如选用铁铬铝合金系列材质制成的电加热丝11，铁铬铝电热合金其使用温度高，最高使用温度可达1400度，（0Cr21A16Nb、0Cr27A17Mo2等)，使用寿命长、表面负荷高、抗氧化性能好、电阻率高，价格便宜；也可以在加热腔10的外部表面均匀缠绕电加热丝11，通过对加热腔10的外部表面直接加热，间接实现直接对加热腔10内部的水进行加热。

在所述出水口6连通的管路中设置有水流传感器（FM01）15，用于感应整个预热装置中水的流动信息，所述水流传感器15与所述单片机8电连接，当使用者打开水龙头使用水时，水流传感器及时感应到水流动的信息，并将此信息转化为电信号传输给单片机8，此时单片机8控制整个第二温度传感器12和电加热丝11的通电，单片机8进一步通过第二温度传感器12的信号判断是否开启或关闭电加热丝11的加热，关闭水龙头时，水流传感器15检测到水流停止，并将信号传送给单片机8，单片机8切断第二温度传感器12和电加热丝11的通电，防止长时间不使用造成反复加热带来的资源浪费；所述电加热丝11通过线路与单片机8电连接，单片机8根据第二温度传感器12实时采集的温度信息来判断对电加热丝11的通电启闭控制，当第二温度传感器12的温度小于通过温度调节按钮14预先设定的值时，单片机8控制电加热丝11通电，对出水口6连通的外部水管内的积水进行加热，以实现用水的即开即热，当第二温度传感器12的温度大于等于通过温度调节按钮14预先设定的值时，单片机8控制电加热丝11断电停止加热。

在所述加热腔10和混合腔1的外表面均覆盖一层保温材质，防止热量流失造成的使用成本增加；所述保温材质可以选用聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫材料孔隙率结构稳定，基本上是闭孔结构，不仅保温性能优良，而且抗冻融、吸声性也好；硬泡聚氨酯保温构造的平均寿命，在正常使用与维修的条件下，能达到30年以上。能够做到在结构的寿命期正常使用条件下，在干燥、潮湿或电化腐蚀，以及由于昆虫、真菌或藻类生长或者由于啮齿动物的破坏等外因影响，都不会受到破坏。

实施例3：一种冷热水混合恒温调控方法，参见图4，基于实施例2所述稳热阀而实施，包括以下具体步骤：

S1，使用者首先通过温度调节按钮14设定所需出水口6的温度为T₀，冷热水的管道是相通的，因此设定冷热水管道水压相同为F；

S2，在热水器供水启动前，第二温度传感器12首先将出水口6连通的外接管路中的积水温度T₃传输至单片机8中，单片机8根据进行T₀和T₃大小判断，当T₀大于T₃时，单片机8控制电机热丝通电制热，达到T₀温度值；当T₀小于等于T₃时或者冷热水混合后流入出水口6时，单片机8都会控制电加热丝11关闭，使用燃气热水器持续供热水，节省用电费用；

S3，启动燃气热水器冷、热水分别通过管路连接冷水进水口5和热水进水口4同时输出至混合腔1中，此时第一温度传感器7分别采集到的实时冷、热水温度值记为T₂、T₁；第一温度传感器7将采集到的信息转化为电信号传输至单片机8中：

以矩形进水口形状来计算，设进水口的宽为a，高为b，阀芯2左侧距离热水进水口4最左侧距离为L，则阀芯2右侧距离冷水进水口5最右侧距离为a-L，（可在阀芯2左右两侧和进水口最边缘侧安装测距传感器，以实时感应L和a-L的数值，并传输给单片机8，以便单片机8控制正反转电机9移动阀芯2到具体位置）；

当T₁和T₂均小于T₀时，也即T₁<T0，而且T₂<T0时，L=a，也即阀芯2移至最右侧，冷水口被封挡，热水口全部放开出水。此时温度会低于T₀；

当T₁和T₂均大于T₀时，也即T₁>t0，而且T₂>t0时，L=0，也即阀芯2移至最左侧，热水口被封挡，冷水口全部放开出水。此时温度会高于T0；

当T₁大于T₀，T₂小于T₀时，也即T₁>T₀，而且T₂<T₀时，L的值计算方法如下：根据：Q=cmΔT，c是比热容，m 是质量，ΔT 是温差，可知：

热水管释放的热量为: Q_放=cm_热（T₁-T₀）；

冷水管吸收的热量为:Q_吸=cm_冷（T0-T2）；

根据能量守恒定律：Q_放=Q_吸，也即：cm_热（T₁-T₀）=cm_冷（T₀-T₂），可得：m_热（T₁-T₀）=m_冷（T₀-T₂）；式子（1）

根据质量、密度、体积的关系：

m=ρV； m表示质量，ρ表示密度，V表示体积；

m=ρV可化为：

m=ρsl=ρsvΔt，式子（2）

ρ表示密度，s表示横截面积（也即进水口截面导通面积），l表示流水柱长度，v表示流水速度，Δt表示流水时间。

根据式子（1）和式子（2），可得：

ρ_热s_热v_热Δt_热（T1-T0）=ρ_冷s_冷v_冷Δt_冷（T0-T2）式子（3）

因冷、热水温度相差较少，我们这里可忽略冷热水密度的差异，即设定ρ_热=ρ_冷；因冷热水在同一应用场景下压力相等，即可假定v_热=v_冷;因出水时间相等，因此Δt_热=Δt_冷；

因此式子（3）可推出：s_热（T₁-T₀）=s_冷（T₀-T₂）式子（4）；

s_热=Lb， s_冷=（a-L）b，式子（5）；

由式子（4）和（5）得出：L/a=（T_0-T₂）/（T₁-T₂），式子（6）；

以圆形进水口形状计算，设圆形进水口的半径为r，由式子（4）可得：

当L＜r时，

；

当L＞r时，

；

判断L与r的值时，可以在热进水口圆心位置设置一红外传感器，并与单片机8电性连接，当阀芯2遮挡红外传感器时，L＜r；未遮挡时，L＞r；从而选择合适的计算公式计算L的值；

其他管道形状时，可按照微积分面积计算公式，从而得到L的精确值；

S4，根据不同形状的进水口形状，选择不同的计算公式计算L的值；单片机8根据L的值可精确控制阀芯2移动的实时位置，使得冷、热水截面导通面积实时变化，以适应混合后水温保持预设温度T₀的输出水温；

S5，用户可随时打开水龙头开关即可释放出温度恒定的水。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关部件、结构及材料进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.一种冷热水调节模块，其特征在于，包括混合腔、固定设于该混合腔内的滑轨/槽、以及与所述滑轨/槽滑动配合的阀芯；

在所述混合腔一侧设有进水口，另一侧设有用于与外部管路连通的出水口；所述进水口包括形状、大小相同的冷水进水口和热水进水口；其中，所述阀芯与所述进水口的端面相贴合遮挡，以使所述阀芯沿滑轨/槽移动至任何位置时，所述进水口的导通截面面积始终为总进水口截面面积的一半。

2.一种稳热阀，其特征在于，包括权利要求1所述的冷热水调节模块，还包括：

控制单元，所述控制单元包括控制器、分别设置于热水进水口和冷水进水口中用以实时感应冷、热水进水口温度的第一温度传感器及设置于出水口中用以实时感应出水口处水温的第二温度传感器；

驱动单元，所述驱动单元的输出端与所述阀芯传动配合，以使所述阀芯沿所述滑轨/槽移动；

其中，所述控制器基于第一温度传感器所采集到的水温信息控制驱动单元带动阀芯移动，以改变冷、热水进水口的截面导通面积比值，实现冷热水混合后恒温输出。

3.根据权利要求2所述的稳热阀，其特征在于，所述控制器为单片机，所述控制单元还包括输入终端、输出终端。

4.根据权利要求3所述的稳热阀，其特征在于，所述输入终端包括温度调节按钮，所述输出终端包括温度显示屏，所述温度调节按钮和温度显示屏分别与所述单片机电连接。

5.根据权利要求4所述的稳热阀，其特征在于，还包括预加热机构，所述预加热机构包括加热腔、设于该加热腔内/外的电热元件；所述加热腔一端与出水口连通，另一端与接水龙头连通，所述单片机基于第二温度传感器所采集到的水温信息控制该电热元件发热的启闭，以实现管道热水的即时输出。

6.根据权利要求5所述的稳热阀，其特征在于，所述混合腔和加热腔的外表面均设有聚氨酯泡沫材质的隔热层。

7.根据权利要求5所述的稳热阀，其特征在于，所述电热元件为电加热丝，所述单片机控制该电加热丝加热的启停。

8.根据权利要求2所述的稳热阀，其特征在于，所述驱动单元为正反转电机。

9.一种冷热水混合恒温调控方法，其特征在于，基于权利要求2所述的稳热阀而实施，包括以下步骤：

1）通过所述温度调节按钮设定所需出水的温度为T₀；

2）第二温度传感器将检测到的出水口处的水温为T₃，并将温度信息转化为电信号传输给控制器，控制器对比T₀和T₃值后进一步控制电加热丝的启闭；

3）冷、热水进水口同时进水，第一温度传感器检测到的实时热水温度为T₁、冷水温度为T₂，第一温度传感器将检测到的实时温度信息转化为电信号传输至控制器，控制器根据能量守恒定律计算公式得出冷、热水出水口截面导通面积比值；

4）控制器控制驱动单元带动阀芯在所述滑轨/槽上移动到相应的位置，使冷热水混合后达到所需出水温度T₀。

10.根据权利要求9所述的冷热水混合恒温调控方法，其特征在于，所述步骤3）中，冷、热水出水口截面导通面积比值的计算公式为：S_热（T₁-T₀）=S_冷(T₀-T₂)，其中，S_热表示热水出水口截面导通面积，S_冷表示冷水出水口截面导通面积。

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