CN1825023A - 限流式安全电热水器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电热水器安全装置的改进，属于家用电器技术领域。本发明的电热水器包括制有进、出水口的内胆，内胆中装有电加热器件，还包括限流监控电路以及限流执行器件，所述限流监控电路的采样点设置在电热水器的地线中，其信号输出端接往安置在出水管路中的限流执行器件。一旦电热水器的地线出现异常情况，采样元件上的采样信号发生变化，从而直接或间接驱动执行器件，迅速改变电热水器的出水水流，消除安全隐患，确保使用者的安全，同时水流的突变势必引起使用者的警觉，起到可靠的报警作用。

Description

限流式安全电热水器

技术领域

本发明涉及一种电热水器，尤其是一种电热水器安全装置的改进，属于家用电器技术领域。

背景技术

众所周知，电热水器的基本结构为外壳中安置带进、出水口的内胆，内胆中装有电加热器件。使用时，电加热器件通电将内胆中的储水加热到预定温度，从而给使用者提供所需的热水。自电热水器诞生以来，其安全性能一直是制造者和使用者十分关注的问题。

早期电热水器采取的相关安全措施基本上离不开“漏电保护”概念，即在控制电路中接有漏电检测功能的保护器件，当热水器的漏电电流超过额定值后，漏电开关自动切断电源。此类安全措施只能解决相线漏电的问题，当地线环境较差时，依然存在安全隐患。

上个世纪未，自申请号为962431206的中国专利申请首先提出了利用水电阻本身作为绝缘材料的概念之后，对地线的安全有了一定的防护。“水电阻本身作为绝缘材料”的概念是，由于自来水本身具有介质电阻，因此只要电热水器进、出水管采用绝缘材料制作，并且其平均长径比达到一定比值(例如管长大于14倍的管径平方)，则即使电热水器使用的地线出现异常时，由于水电阻的阻隔作用，出水口能降低到安全电压。其后出现的诸如012620629、011353007、02114552、032312644、2003201938037等诸多专利都是依据上述概念，对电热水器内胆进、出水结构进行的各种方式的局部改进。

然而有心人发现，事实上，单纯利用“水电阻”采取的安全措施也存在一些弊端：

1)、实现“水电阻隔离”采用的加长进、出水管势必增加水流阻力，牺牲了电热水器原有的排放性能(检测发现，在同等水压情况下，采用“水电阻隔离”电热水器的流量将损失20％以上)。

发明内容

本发明的要解决的技术问题是：针对以上现有技术存在的问题，提出一种利用水电阻绝缘原理，却不影响热水器原有功效的限流式安全电热水器，从而从根本上消除安全隐患。

为了解决以上技术问题，申请人经过深入研究、反复探索，提出了如下的限流式安全电热水器技术解决方案：本发明包括具有进、出水口的内胆和电加热器件，还包括限流监控电路以及限流执行器件，所述限流监控电路的采样端连接到地线和/或与水接触的金属部件，其信号输出端通过逻辑分析电路输出到限流执行器件的控制信号输入端，所述限流执行器件安装在水流通道处，其限流时的绝缘水流通道出水端漏电流小于安全电流。

在正常情况下，限流执行器件不动作，水流通道处于畅通状态。一旦电热水器的地线出现异常情况，采样元件上的采样信号发生变化，从而通过逻辑分析后驱动执行器件，迅速减小电热水器的出水水流。由于此时水流经过比正常通道狭窄的限流通道，只要合理设置了限流通道的结构参数，即可将出水端的漏电流限制在小于安全电流。

其理论依据如下：如自来水的电阻率为ρ(Ω·cm)，通道的绝缘管长度为L(cm)，管径为2r(cm)，则此管中自来水的介质电阻

$R=\frac{L\×\mathrm{\ρ}}{r^2\mathrm{\π}}$

由此可得

L＝r²πR/ρ

同时，根据欧姆定律

R＝V/I

当要将漏电电流I限制在小于安全电流I_A时，只要保证限流时绝缘水流通道的长度L_A与半径r满足以下关系即可

L_A＞L＝r²πR/ρ＝r²πV/I_Aρ                      (cm)

式中：I_A：限流时绝缘水流通道长度         (cm)

r：限流时绝缘水流通道半径                 (cm)

R：自来水的介质电阻                       (Ω)

ρ：自来水的电阻率，可以测定              (Ω·cm)

V：漏电电压，通常以使用电压计             (V)

I_A：安全漏电流，根据安全标准确定         (mA)

(当限流时为变径绝缘水流通道时，以上半径以平均半径计)。

由此可见，采用本发明后，限流通道绝缘管水流自身的电阻即可确保使用者的安全，同时水流的突变势必引起使用者的警觉，从而起到可靠的报警作用。

本发明的另一种解决方案是，限流式安全电热水器包括具有进、出水口的内胆和电加热器件，还包括限流执行器件，所述限流执行器件的控制信号输入端连接到地线和/或与水接触的金属部件，所述限流执行器件安装在水流通道处，其限流时的绝缘水流通道出水端漏电流小于安全电流。这样，一旦电热水器的地线出现异常，将直接由地线上的异常电能执行器件，显著减小出水水流，利用水流自身的电阻，确保使用者的安全。此方案理论上也是可行的。

需要说明的是，以上方案中“连接到地线和/或与水接触的金属部件”中，“连接”的含义包括直接电连接以及耦合连接，“和/或”的含义包括单独连接到地线、单独连接到与水接触的金属部件，以及同时连接到地线和与水接触的金属部件的各种情况。

由于本发明在发生异常时，通过限制水流而利用水电阻隔离了漏电路径，因此从根本上消除了安全隐患。与单纯利用“水电阻隔离”的安全措施相比，本发明可以附加在电热水器上，仅在地线出现异常情况时起作用，因此不影响电热水器原有功能的发挥。

并且，与各种现有技术相比，本发明在由于显著减小水流保证安全的同时，自然起到报警作用，从而使安全防护与安全报警有机结合在一起，无需另设报警装置。尤为值得一提的是，与各种报警设施相比，本发明的报警不受安装位置、使用者关注力等各种因素影响，最为可靠。此外，限流水流的举措可以避免完全关闭后引起内胆无法泄压问题，因此更为科学合理。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为图1实施例的限流监控电路原理图。

图3为本发明实施例二的限流监控电路原理图。

图4为本发明实施例三的限流监控电路原理图。

图5为图1实施例一的限流执行器件局部放大图。

图6为图3实施例二的限流执行器件局部放大图。

图7为图4实施例三的限流执行器件局部放大图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的限流式安全电热水器如图1所示，外壳5中装有内胆1，内胆1的进水口和出水口分别装有绝缘接头4和3，内胆1中装有电加热器件。其中的出水绝缘接头3上装有作为限流执行器件的限流电磁阀2。该限流电磁阀内部均用绝缘材料制作，当处于限流位置时，由于两处小孔6的限流作用，因此控制限流时的绝缘水流通道长度L_A与其平均半径r满足L_A＞53.2r²(参见图5)，从而利用水流自身的电阻，隔离漏电电流，确保使用者的安全。

具体设计计算如下：根据有关标准将安全漏电流I_A定为10mA，通常热水器漏电的电压为220V(热水器漏电可能的最高电压)。这时如果自来水的介质电阻R大于计算值R＝220V÷10mA＝22000Ω＝22kΩ，即可以保证安全。试验得出自来水的电阻率ρ＝1300Ω.·cm，则只要满足限流时绝缘水流通道的长度 $L_A>L=\frac{R\×r^2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ρ}}=\frac{22000\×r^2\mathrm{\π}}{1300}=53.2r^2\left(\mathrm{cm}\right),$ 即可隔离漏电电流，保证使用安全。

如需要进一步控制漏电流，例如减小到5mA，则通过计算，R必须大于44kΩ，L_A＞L＝106.4r²(cm)。

如当漏电电压达到36V安全电压时就可以切断电源或其她路径，以保证安全，这时的漏电流仍为10mA，水的介质电阻：

            R＝36V÷10mA＝＝3600Ω

$L_A>L=\frac{3600\×r^2\mathrm{\π}}{1300}=8.7r^2\left(\mathrm{cm}\right)$

驱动限流电磁阀2的限流监控电路如图2所示，由作为异常电压信号采样元件的分压电阻R2和R3、作为逻辑分析电路的比较器A构成。其中，限流监控电路的采样端连接到地线GND(显然，根据具体情况，也可以单独或同时连接到与水接触的金属部件)，两分压电阻R2和R3的中点信号输出端引接到比较器A的反相输入端，与接零线N的另两分压电阻R1和R4中点引接到比较器A正相输入端的信号进行比较。正常情况下，通过设定电阻阻值使同相输入端电位低于反相输入端，比较器A输出低电平。当地线漏电时，反相输入端电位降低到低于正相输入端，比较器A输出高电平至安装在出水管路处的限流电磁阀控制信号输入端，从而驱动限流阀门执行器件关小电热水器的出水水流，使绝缘水流通道得到控制。这样，利用自来水自身的电阻即可隔离漏电电流，确保使用者的安全，同时引起使用者的警觉，起到报警作用。

实施例二

本实施例的基本结构与实施例一相同，不同之处在于限流监控电路如图3所示，作为异常电流信号采样元件的互感线圈a采样端与地线GND以及相线L和零线N耦合连接，其信号输出端引接到比较器A的反相输入端，与耦合连接到相线L和零线N的另一互感线圈b引接到比较器A正相输入端的信号进行比较。

此外，其限流执行器件如图6所示，出水绝缘接头3上安装的限流电磁阀2中，整体为绝缘材料制成的限流阀芯上制有弯曲的限流通孔6，当其处于打开位置时，如图6的状态A所示，出水通道完全敞开；当其处于限流位置时，如图6的状态B所示，出水通道被阀芯阻隔，只留出限流通孔6起限流作用。其作用原理和监控过程与实施例一相同，不另赘述。

实施例三

本实施例的基本结构也与实施例一相同。其中的限流监控电路如图4所示，由电压采样电路、比较电路、输出控制电路以及电源电路组成。

电压采样电路共有两路，第一路由电源零线与电源相线之间的串联二级管D1以及作为漏电采样元件的电阻R2、R3组成；第二路由串联在电源地线与电源相线之间作为漏电采样元件的二级管D2以及作为参照信号采样元件的电阻R4、R5、R6组成。

比较电路由LM393双比较器组成，第一路采样电路的采样电阻中点V1接第一比较器A的反相输入端，同时(V4与V1等电位)接第二比较器B的同相输入端；第二路采样电路的采样电阻上中点V2接第一比较器A的同相输入端，下中点V3接第二比较器B的反相输入端；两比较器A、B的输出端并联输出，接输出控制电路U1。

该输出控制电路U1接限流电磁阀的控制信号输入端，根据比较器A和B的比较结果输出相应的控制信号，实现对采样电压比较判断结果的执行，逻辑关系见表1：

A	B	输出
			1	1	1
0	1	0
			1	0	0
0	0	0

控制电源电路用于提供比较电路的工作电源，可由串联二极管D1、电阻R1接并联电容C1、稳压管D2组成的简单并联稳压电路实现，也可以由其他方式的工作电源电路构成。

工作时，通过采集电源相线L对电源零线N和电源相线L对电源地线GND的电压U12(U12＝V1-V2)和U34(U34＝V3-V4)，并将U12输入到比较器A，将U34输入到比较器B，根据比较器A和比较器B的逻辑“与”的输出结果来控制输出控制执行元件U1的输出状态达到输出控制的目的。采样电路的参数选择在正常工作状态下使V2电位高于V1的电位，即比较器A的同相输入端的电位高于反相输入端，反相器A输出高电平，置逻辑“1”；V4电位高于V3，即比较器B的同相输入端的电位高于反相输入端，反相器B输出高电平，置逻辑“1”；反相器A与反相器B逻辑相与的结果为高电平逻辑“1”；

如果电源地线GND电位因为某种原因发生变化，导致电源相线L与电源地线GND的电压低于电源相线L与电源零线N的电压，即反相器A的同相输入端V2电位降低到小于反相器A的反相输入端V1电位，反相器A输出低电平，逻辑“0”，输出控制为逻辑“0”状态；反之，电源地线GND电位因为某种原因发生变化，导致电源相线L与电源地线GND的电压高于电源相线L与电源零线N的电压，即反相器B的反相输入端V3电位升高到大于反相器B的同相输入端V4的电位，反相器B输出低电平，逻辑“0”，输出控制为逻辑“0”状态；同理，电源零线的电位发生变化后同样使比较器发生逻辑翻转，导致输出控制电路输出状态发生变化，从而实现监控电源地线GND与电源零线N的电位变化，并在达到设定的阈值后输出控制信号的功能。结果，驱使限流电磁阀动作，显著减少电热水器水流，起到安全保护作用，与此同时，水流的突然变化对使用者自然起到警醒作用。

此外，其限流执行器件如图7所示，出水绝缘接头3上安装的限流电磁阀2中，整体为绝缘材料制成的限流阀芯为锥形，当其处于打开位置时，如图7的状态A所示，出水通道完全敞开；当其处于限流位置时，如图7的状态B所示，出水通道被锥形阀芯阻隔，只留出锥形阀芯与阀体形成的弯曲限流通孔6起限流作用。其作用原理和监控过程与实施例一相同，不另赘述。

实施例四

本实施例将图2中限流电磁阀的控制信号输入端直接接地线，省略其它电路元件(图略)。连接的方式可以是直接电连接，也可以是耦合连接。这样，对限流执行器件的控制更为直接，当地线漏电时，限流电磁阀将被驱动，显著减少水流，理论上也可以起到安全保护以及警示作用。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。例如，电加热器件可以内置，也可以外置；再如，限流执行器件除先导式、直动式、旋转式等各种限流电磁阀外，还包括各种其它通过电信号控制机械运动转换的电触发机械脱扣装置；又如，由于电热水器的出水水流受制与进水水流，因此限流执行器件既可以安装在出水管路中，也可以安装在进水管路中，或安装在其它制约出水水流的水流通道中；等等。此外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (13)

1、一种限流式安全电热水器，包括具有进、出水口的内胆和电加热器件，其特征在于：还包括限流监控电路以及限流执行器件，所述限流监控电路的采样端连接地线和/或与水接触的金属部件，其信号输出端通过逻辑分析电路输出到限流执行器件的控制信号输入端，所述限流执行器件安装在水流通道处，其限流时的绝缘水流通道出水端漏电流小于安全电流。

2、根据权利要求1所述限流式安全电热水器，其特征在于：所述限流时的绝缘水流通道长度L_A与其平均半径r满足L_A＞r²πV/I_Aρ，式中：

L_A：限流时绝缘水流通道长度                  (cm)

r：限流时绝缘水流通道平均半径               (cm)

ρ：自来水的电阻率                          (Ω·cm)

V：漏电电压                                 (V)

I_A：安全漏电流                              (mA)。

3、根据权利要求1所述限流式安全电热水器，其特征在于：所述限流监控电路为与地线和/或与水接触的金属部件电连接的电压信号监控电路。

4、根据权利要求1所述限流式安全电热水器，其特征在于：所述限流监控电路为与地线和/或与水接触的金属部件耦合连接的电流信号监控电路。

5、根据权利要求3所述限流式安全电热水器，其特征在于：所述电压信号监控电路由电压采样电路、比较电路、输出控制电路组成，所述电压采样电路的输入端接地线与参考点，所述电压采样电路的输出端接比较电路的输入端，所述比较电路的输出端经输出控制电路接限流执行器件的控制信号输入端。

6、根据权利要求4所述限流式安全电热水器，其特征在于：所述电流信号监控电路由电流采样电路、比较电路、输出控制电路组成，所述电流采样电路的输入端耦合连接到地线与参考点，所述电流采样电路的输出端接比较电路的输入端，所述比较电路的输出端经输出控制电路接限流执行器件的控制信号输入端。

7、根据权利要求5或6所述限流式安全电热水器，其特征在于：所述限流执行器件为电信号驱动元件。

8、根据权利要求7所述限流式安全电热水器，其特征在于：所述电信号驱动元件为电磁阀或电触发机械脱扣装置。

9、一种限流式安全电热水器，包括具有进、出水口的内胆和电加热器件，其特征在于：还包括限流执行器件，所述限流执行器件的控制信号输入端连接到地线和/或与水接触的金属部件，所述限流执行器件安装在水流通道处，其限流时的绝缘水流通道出水端漏电流小于安全电流。

10、根据权利要求9所述限流式安全电热水器，其特征在于：所述限流执行器件的控制信号输入端电连接到地线和/或与水接触的金属部件。

11、根据权利要求10所述限流式安全电热水器，其特征在于：所述限流执行器件的控制信号输入端耦合连接到地线和/或与水接触的金属部件。

12、根据权利要求10或11所述限流式安全电热水器，其特征在于：所述限流执行器件为电信号驱动元件。

13、根据权利要求12所述限流式安全电热水器，其特征在于：所述电信号驱动元件为电磁阀或电触发机械脱扣装置。

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