CN115381292B - 一种出水温度精确可调的速热模块及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种出水温度精确可调的速热模块及其控制方法。该速热模块,包括外壳、通水管道、加热组件和可调隔热组件。外壳内设置有安装通道。加热组件设置在安装通道内,并与穿过安装通道的通水管道间隔设置。可调隔热组件包括隔热板和驱动模组。隔热板位于通水管道之间。隔热板与外壳滑动连接。隔热板上设置有隔热段;通过控制隔热板滑动,能够调节加热组件与通水管道之间的区域被隔热段分隔的程度。本发明通过改变加热组件与通水管道之间被隔热段阻隔的比例,调节加热组件与通水管道之间的换热效率;从而通过降低加热组件与通水管道之间换热效率的方式避免加热组件制备热水后的余热导致速热模块无法立刻制备温水的问题。
Description
技术领域
本发明属于速热式出水设备领域,尤其涉及一种出水温度精确可调的速热式饮水机。
背景技术
饮水机从传统的恒温(热胆式)、反复干烧的饮水机到当下速热式即热饮水机的快速过渡,既避免了干烧“千滚水”模式,又节省了能源。速热式饮水机抛弃了传统的热胆循环加热方式,通过速热模块的加热器对水源快速加热,达到饮水的需求温度。目前围绕着速热式饮水机的广泛研究主要集中在温控系统的稳定性的改善以及寻找新的加热方式。
虽然智能速热式饮水机的出现进一步改善了温控系统的可靠性,亦解决了上述传统饮水机“千滚水”问题。但其依然存在固有的问题无法得到改善,使得速热式饮水机在温控系统的设计上很难显得完美。
由于传统速热式饮水机的速热模结构简单,从进水口进入的水源经过加热器内壁受热后温度迅速升高,达到速热的目的,从出水口取出。但由于加热器的是整体变化且温度连续的,当加热器功率增大使得温度迅速升高后,若此时降低加热器功率,则往往无法迅速使得加热器温度与功率相匹配,通常在控制过程中温度变化表现滞后于功率变化,这也是温控系统调节的难点,大大地延长了温控系统的稳定时间。
假设在传统的速热式饮水机的实际使用场景中,用户欲制取目标温度为90℃的热水,系统开始满功率加热5s,而后进入功率调节阶段,出水温度逐渐稳定在目标温度误差范围内。但若热水制取结束后,用户欲继续制取30℃温水,传统的速热式饮水机往往达不到理想效果。当目标温度降低,功率控制迅速降低,但初始一段时间内的出水温度往往高于30℃,只有当水继续流入带走部分过剩热量后,系统温度变化才和功率变化相匹配。这种极端情况是传统速热模块控固有的弊端,影响着温控系统的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种出水温度精确可调的速热模块及其控制方法,用以满足制备热水后立刻需要制备温水的使用需求。
一种出水温度精确可调的速热模块,包括外壳、通水管道、加热组件和可调隔热组件。外壳内设置有安装通道。所述的加热组件设置在安装通道内,并与穿过安装通道的通水管道间隔设置。可调隔热组件包括隔热板和驱动模组。隔热板位于通水管道之间。隔热板与外壳滑动连接。隔热板上设置有隔热段;隔热板由驱动模组驱动进行滑动。通过控制隔热板滑动,能够调节加热组件与通水管道之间的区域被隔热段分隔的程度。当通水管道的出水温度高于所需目标出水温度范围时,通过驱动模组调节隔热板的位置,增大隔热段在加热组件与通水管道之间的部分的长度,降低加热组件与通水管道之间的热交换效率。
作为优选,所述的隔热板上还设置有导热段。隔热段与导热段的排列方向平行于隔热板的滑动方向;加热组件与隔热段错开的部分,与导热段对齐。
作为优选,当通水管道的出水温度低于所需目标出水温度范围时,通过驱动模组调节隔热板的位置,减小隔热段在加热组件与通水管道之间的部分的长度,提高加热组件与通水管道之间的热交换效率;在隔热段与加热组件完全错开的情况下,若通水管道的出水温度依然低于所需目标出水温度范围,则提高加热组件的加热功率。
作为优选,所述隔热段的长度大于或等于加热组件的长度
作为优选,所述的驱动模组包括舵机和传动组件。舵机安装在外壳上,且输出轴与隔热板通过传动组件传动连接;
作为优选,所述的传动组件包括曲柄和连杆;曲柄的内端与舵机的输出轴固定。曲柄的外端与连杆的一端转动连接。连杆的另一端与隔热板转动连接。
作为优选,所述的加热组件包括第一加热器和第二加热器。第一加热器、第二加热器分别设置在安装通道内部的两侧;用于输水的通水管道穿过安装通道,且位于第一加热器与第二加热器之间。第一加热器及第二加热器均与通水管道间隔设置。第一加热器与通水管道之间,以及第二加热器与通水管道之间,均设置有隔热板。
作为优选,第一加热器和第二加热器远离通水管道的一侧设置有半导体制冷片;半导体制冷片的冷端与对应的第一加热器或第二加热器贴合。
该出水温度精确可调的速热模块的控制方法,具体过程如下:
根据设定的目标出水温度调整加热组件的加热功率;目标出水温度越高则加热功率越高;当出现降温工况时,驱动模组驱动隔热板正向移动,增大隔热段在加热组件与通水管道之间的部分的长度,降低加热组件与通水管道之间的热交换效率,避免加热组件的余热使得通水管道的出水温度过高;随着加热组件的温度降低,驱动模组驱动隔热板逐渐反向移动,减小隔热段在加热组件与通水管道之间的部分的长度,使得隔热板逐步复位,且通水管道的出水温度维持在目标出水温度。
相对于现有技术,本发明的有益效果在于:
本发明通过改变加热组件与通水管道之间被隔热段阻隔的比例,调节加热组件与通水管道之间的换热效率;从而通过降低加热组件与通水管道之间换热效率的方式避免加热组件制备热水后的余热导致速热模块无法立刻制备温水的问题。
附图说明
图1是实施例1提供的速热模块的结构示意图;
图2是实施例1提供的速热模块的安装位置示意图;
图3是实施例1提供的速热模块调节热交换效率的过程示意图;
图4是实施例1中隔热板移动的控制示意图;
图5是对比例1的示意图。
图中:1-水箱,2-水泵,3-通水管道,4-传动组件,5-隔热板,6-第一加热器,7-第二加热器,8-舵机,9-出水咀。
具体实施方式
以下由具体的实施例并结合附图说明本发明的实施方式,对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并不限于这些实施例。熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。应理解,这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实例中所采用的实施条件可以根据不同实际环境的具体条件做进一步调整。
实施例1
如图1和2所示,一种出水温度精确可调的速热模块,主要应用于克服热水制取结束后难以立即进行温水制取的问题,以提高速热模块的温控快速响应性。该出水温度精确可调的速热模块包括外壳、通水管道3、加热组件和可调隔热组件。外壳内设置有安装通道。加热组件包括第一加热器6和第二加热器7。第一加热器6、第二加热器7分别设置在安装通道内部的两侧;用于输水的通水管道3穿过安装通道,且位于第一加热器6与第二加热器7之间。第一加热器6及第二加热器7均与通水管道3间隔设置。通水管道3的进水口A与水箱1通过水泵连接。通水管道3的输出口B与水咀连接;水咀用于输出加热至目标出水温度的水流。
如图3和4所示,可调隔热组件包括隔热板5和驱动模组。第一加热器6与通水管道3之间,以及第二加热器7与通水管道3之间,均设置有隔热板5。隔热板5与外壳构成沿安装通道的长度方向滑动的滑动副。隔热板5上设置有隔热段;隔热段采用隔热材料,用于减小第一加热器6、第二加热器7与通水管道3内的水流之间的热传递。隔热段的长度大于或等于第一加热器6和第二加热器7的长度,从而使得能够通过滑动调节隔热板的位置,使得隔热段完全隔断或部分隔断在第一加热器6、第二加热器7与通水管道3之间,改变第一加热器6、第二加热器7与通水管道3之间的热传递效率。
隔热板5在驱动模组的驱动下进行直线驱动。驱动模组包括舵机8和传动组件4。舵机8安装在外壳上,且输出轴与隔热板5通过传动组件4传动连接;通过舵机8的输出轴转动,带动隔热板5进行滑动,实现第一加热器6、第二加热器7与通水管道3之间热传递效率的自动改变。传动组件4包括转轴、曲柄和连杆;转轴转动连接在外壳上,且一端与舵机8的输出轴同轴固定。两根曲柄的内端均与转轴固定。两根曲柄的外端与两根连杆的一端分别转动连接。两根连杆的另一端与隔热板5上的铰接部转动连接;从而利用曲柄滑块机构实现舵机8旋转到两块隔热板5同步滑动的运动转换。
速热模块在工作过程中具有升温工况和降温工况,具体如下:
升温工况为从未取水变换为特定温度取水,以及先后两次取水的温度不同且在先的取水温度低于在后的取水温度;该工况下只需要根据目标出水温度,调节加热器的功率,使得通水管道3输出的水流温度与目标出水温度一致。
降温工况为先后两次取水的温度不同且在先的取水温度高于在后的取水温度;该工况下,在需要调节加热器功率的同时,还需要隔绝第一加热器6、第二加热器7与通水管道3之间的部分传热,避免具有较高余热温度的加热器使通水管道3输出的水流温度高于目标出水温度的情况出现。
加热组件的最大工作功率为2300W;为保证安全,设定使用中的功率变化范围为100W~2000W,分别对应使用功率上限(2000W)的5%~100%;加热组件由外接220V交流电进行供电。第一加热器6或者第二加热器7的最小功率对应10%功率,之后可任意组合形成11%功率、30%功率……等若干梯度功率控制点,其划分梯度以及间隔可以随着控制精度而减小。
舵机4输出可变占空比的PWM带动传动组件4改变隔热板5的隔热段在加热区的有效长度,其驱动方向由入水口指向出水口方向。当存在过剩热量时,通过改变隔热段阻隔第一加热器6、第二加热器7的长度,减少第一加热器6、第二加热器7传递到通水管道3的热量,从而实现迅速“降温”的效果。
该出水温度精确可调的速热模块的工作原理具体如下
水源通过微型水泵2进水后流入通水管道3,并经过第一加热器6与第二加热器7之间的加热区;第一加热器6与第二加热器7通过算法计算得到相应的控制功率作用于水源,假设制取目标出水温度为90℃的热水时加热功率为80%功率;此时只需通过控制第一加热器6与第二加热器7达到80%功率即可;同时通过控制舵机8的输出PWM波使得隔热板5与第一加热器6和第二加热器7完全错开,水流经过第一加热器6与第二加热器7之间的加热区时自然被加热至目标出水温度,并从水咀9流出。
若90℃热水制取结束后,需立即制取目标出水温度为50℃的温水,则加热组件的加热功率降低至40%功率。同时,舵机8驱动隔热板5的隔热段遮挡住加热组件的60%,即第一加热器6与第二加热器7只暴露出40%以下的部分,从而减少加热组件传递至通水管道3的热量,使得通水管道3能够输出50℃温水;随着加热组件的温度逐渐降低,舵机8驱动隔热板5逐渐减少对加热组件的遮挡,使得加热组件对通水管道3的热量传递速度保持不变,使得通水管道3稳定输出50℃温水,直到加热组件上相对于50℃过高的余热耗尽时,隔热板5的隔热段与加热组件完全错开,仅通过调节加热组件的功率控制出水的温度保持在目标温度范围内。
对比例1
如图5所示,一种速热模块,本对比例与实施例1的区别在于:不设可调隔热组件;两个加热器直接设置在通水管道3的两侧。水箱1中的水源通过微型水泵2进入两个加热器之间的加热区进行加热后温度迅速升高,因而在出水口获得热水。但由于加热器的温度变化是非线性的,冷却至室温需要一定时间。若在取90℃水后需要立刻制取温水(<50℃)或者常温水,则会出现短时间内的出水温度过高的现象,达不到理想的控温效果,即系统达到稳定时间延长。
实施例2
一种出水温度精确可调的速热模块,本实施例与实施例1的区别在于:隔热板上除了隔热段,还包括导热段。导热段的材质为导热性能优良的金属,本实施例中优选铜;隔热段与导热段的排列方向平行于隔热板的滑动方向;第一加热器和第二加热器与隔热段错开的部分,与导热段对齐。通过控制隔热板进行滑动,能够调节加热器与通水管道3之间的隔热段占比和导热段占比。隔热段占比与导热段占比之和等于1。导热段用于提高加热器与通水管道3之间的热交换效率,避免加热器与通水管道3之间存在的间隙过大导致加热速度过慢的问题。
实施例3
一种出水温度精确可调的速热模块,本实施例与实施例1的区别在于:第一加热器和第二加热器远离通水管道3的一侧设置有半导体制冷片;半导体制冷片的冷端与对应的第一加热器或第二加热器贴合;在出现降温工况时,半导体制冷片通电,快速耗散第一加热器和第二加热器上过高的余热,进一步提高温度控制的精准性。
以上所述,以上提供一个具体实施例仅是本发明的常用实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的,本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。
Claims (9)
1.一种出水温度精确可调的速热模块,包括外壳、通水管道(3)和加热组件;其特征在于:还包括可调隔热组件;外壳内设置有安装通道;所述的加热组件设置在安装通道内,并与穿过安装通道的通水管道(3)间隔设置;可调隔热组件包括隔热板(5)和驱动模组;隔热板(5)位于加热组件与通水管道(3)之间;隔热板(5)与外壳滑动连接;隔热板(5)上设置有隔热段;隔热板(5)由驱动模组驱动进行滑动;通过控制隔热板(5)滑动,能够调节加热组件与通水管道(3)之间的区域被隔热段分隔的程度;当通水管道(3)的出水温度高于所需目标出水温度范围时,通过驱动模组调节隔热板(5)的位置,增大隔热段在加热组件与通水管道(3)之间的部分的长度,降低加热组件与通水管道(3)之间的热交换效率。
2.根据权利要求1所述的一种出水温度精确可调的速热模块,其特征在于:所述的隔热板上还设置有导热段;隔热段与导热段的排列方向平行于隔热板的滑动方向;加热组件与隔热段错开的部分,与导热段对齐。
3.根据权利要求1所述的一种出水温度精确可调的速热模块,其特征在于:当通水管道(3)的出水温度低于所需目标出水温度范围时,通过驱动模组调节隔热板(5)的位置,减小隔热段在加热组件与通水管道(3)之间的部分的长度,提高加热组件与通水管道(3)之间的热交换效率;在隔热段与加热组件完全错开的情况下,若通水管道(3)的出水温度依然低于所需目标出水温度范围,则提高加热组件的加热功率。
4.根据权利要求1所述的一种出水温度精确可调的速热模块,其特征在于:所述隔热段的长度大于或等于加热组件的长度。
5.根据权利要求1所述的一种出水温度精确可调的速热模块,其特征在于:所述的驱动模组包括舵机(8)和传动组件(4);舵机(8)安装在外壳上,且输出轴与隔热板(5)通过传动组件(4)传动连接。
6.根据权利要求5所述的一种出水温度精确可调的速热模块,其特征在于:所述的传动组件(4)包括曲柄和连杆;曲柄的内端与舵机(8)的输出轴固定;曲柄的外端与连杆的一端转动连接;连杆的另一端与隔热板(5)转动连接。
7.根据权利要求1所述的一种出水温度精确可调的速热模块,其特征在于:所述的加热组件包括第一加热器(6)和第二加热器(7);第一加热器(6)、第二加热器(7)分别设置在安装通道内部的两侧;用于输水的通水管道(3)穿过安装通道,且位于第一加热器(6)与第二加热器(7)之间;第一加热器(6)及第二加热器(7)均与通水管道(3)间隔设置;第一加热器(6)与通水管道(3)之间,以及第二加热器(7)与通水管道(3)之间,均设置有隔热板(5)。
8.根据权利要求1所述的一种出水温度精确可调的速热模块,其特征在于:第一加热器和第二加热器远离通水管道(3)的一侧设置有半导体制冷片;半导体制冷片的冷端与对应的第一加热器或第二加热器贴合。
9.如权利要求1所述的一种出水温度精确可调的速热模块的控制方法,其特征在于:根据设定的目标出水温度调整加热组件的加热功率;目标出水温度越高则加热功率越高;
当出现降温工况时,驱动模组驱动隔热板(5)正向移动,增大隔热段在加热组件与通水管道(3)之间的部分的长度,降低加热组件与通水管道(3)之间的热交换效率,避免加热组件的余热使得通水管道的出水温度过高;随着加热组件的温度降低,驱动模组驱动隔热板(5)逐渐反向移动,减小隔热段在加热组件与通水管道(3)之间的部分的长度,使得隔热板(5)逐步复位,且通水管道的出水温度维持在目标出水温度。
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