CN211006885U - 一种电力自足型可调水温智能供水终端 - Google Patents

Abstract

一种电力自足型可调水温智能供水终端，包括冷进水管、热进水管、汇流管、出水口、温差发电模块、供电管理模块和电子功能模块，温差发电模块的冷、热端面分别与冷进水管和热进水管表面紧密接触；温差发电模块利用冷、热端面间的温差发电，并驱动电子功能模块工作；供电管理模块包括控制电路、升压电路和充放电电池组，其中控制电路能够控制充放电电池组在充电模式、休眠模式、放电模式中切换。本实用新型免维护、高安全、节能环保。

Description

一种电力自足型可调水温智能供水终端

技术领域

本实用新型涉及可调水温智能供水终端领域，尤其是一种电力自足型可调水温智能供水终端。

背景技术

现有可调水温且带电子功能模块的智能供水终端，出水口普遍与冷进水管和热进水管连接，通过调节冷热进水管水流量实现出水水温调节。电子功能模块的电源供给主要有以下几种方式：1.水管内安装小型水力发电机，利用水流带动发电机叶片转动，获得电力；2.安装内部电池；3.外接电源。

然而上述几种方式存在如下问题：小型水力发电机与水流直接接触，设备容易腐蚀、损坏，寿命较短，其维修、更换也较为麻烦；使用内部电池的智能供水终端需定期更换电池，影响使用，且累积更换成本(包括电池和人工)高；而外接电源供电易造成安全事故、且耗能较高。

近期有研究报道利用温差电池发电实现了智能供水终端的电力供应。其中，专利文献（CN 204420269 U）公开了将温差发电模块安装在数码电子水龙头的冷热进水管之间，通过热端吸热片从热进水管吸收热量，通过冷端散热片将来自热端的热量通过冷进水管散去，从而借助冷热水管间的温差在温差电模块冷热端建立温差，通过温差电模块的电力输出驱动数码电子模块工作。该装置借助温差电模块供电，可实现供电模块的长寿命、免维护、高安全性和节能环保，但这一设计存在两个明显不足：(1).该温差自发电数码电子水龙头的电力供应完全来自温差电模块，而模块输出功率直接取决于冷热水管温差，因此输出功率性能极不稳定。例如：夏季冷水管温度高，热水管温度低，温差小，相应的，温差电模块输出功率低，易造成供电不足，数码电子功能模块无法正常工作。在夏天，在某些地区，相当数量的人群习惯洗冷水澡，此时温差电模块冷热端面没有温差，模块电力输出为零，数码电子功能模块将停止工作。而冬天则情况相反，冷水管温度低，热水管温度高，温差大，输出功率大，如不适当调节，输出功率过高可能损伤数码电子功能模块。(2).根据该设计，温差电模块仅局限于水龙头内部，通常水龙头尺寸较小，且结构紧凑，这将极大限制温差电模块的尺寸和构型，考虑到目前温差电模块的发电效率普遍较低，因此这样的设计必将导致系统供电能力不足，从而极大制约数码电子功能模块的设计。

专利文献（CN 208442367 U）给出了另一种温差式节水水龙头。该设计利用温差发电片通过升压电路为蓄电池充电，然后通过蓄电池放电驱动电子功能模块工作。其中温差发电片冷端位于水龙头壳体内部(与水管管壁接触)，热端位于水龙头壳体外部。该设计所涉及水龙头不含热进水管，不具备水温调节功能，相应地，温差发电片只能利用冷水管与水龙头壳体外部空气间的温差发电。该设计的目的是通过温差发电片为蓄电池充电，通过蓄电池放电驱动电子功能模块稳定工作。但在实际应用时，上述温差式节水水龙头存在以下缺陷：(1).温差发电片的输出电力将极其微弱，蓄电池电量将很快用完，无法及时补充。这是因为，一方面，上述温差发电片冷端没有强制冷却功能，热端没有主动制热功能，因此冷热端温差非常小，甚至在相当多情况下接近零温差。考虑到单个温差发电片的输出电功率即使在较大(例如30度)温差下也普遍很低，而当温差减小时，温差发电片的输出电功率将随温差减小加速下降，因此该设计单个温差发电片的输出电功率将极其微弱；另一方面，与CN 204420269 U类似，该设计的温差发电片仅局限于水龙头附近有限空间内，因此难以通过大幅度增加温差发电片数量(事实上考虑到温差发电片的成本较高，大量增加温差发电片的数量并不可行)弥补发电量的不足。上述两个原因导致该设计温差发电片的输出电功率将极其微弱，虽然可以借助升压模块为蓄电池充电，充电速度也将极其缓慢，充电时间将极其漫长。因此即使现代电子功能模块功耗极小，在相当多的情况下，该设计的温差发电片还是难以为整个系统提供充足电力，蓄电池电量将因无法及时得到足够的补充而逐步耗尽。相应的，电子功能模块将无法工作。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种不依赖外接电源和普通电池即可为电子功能模块提供稳定充足的电量的免维护、高安全、节能环保的电力自足型可调水温智能供水终端。

本实用新型提供的一种电力自足型可调水温智能供水终端，

包括冷进水管、热进水管、汇流管、出水口、温差发电模块、供电管理模块和电子功能模块，

所述温差发电模块的冷、热端面分别与冷进水管和热进水管表面紧密接触；所述温差发电模块利用冷、热端面间的温差发电，并驱动电子功能模块工作；

所述供电管理模块包括控制电路、升压电路和充放电电池组，其中所述控制电路能够控制所述充放电电池组在充电模式、休眠模式、放电模式中切换。

采用上述技术方案的本实用新型，与现有技术相比，有益效果是：

通过将温差发电模块冷、热端面与冷进水管和热进水管管壁紧密接触，大幅提高了冷热端面的温差，从而实现了单个温差发电模块较高的电功率输出；同时通过将温差发电模块设置于一定长度的冷进水管和热进水管之间，大幅拓展了温差发电模块的安装空间，实现了温差发电模块数量的自由调节，从而确保了充足的总电功率输出；同时通过安装供电管理模块，确保充放电电池组始终保持充足的剩余电量，从而实现了在不同温差下始终有充足的电功率驱动电子功能模块正常工作。通过上述改进，本实用新型温差发电模块不仅有充足的输出功率驱动电子功能模块正常工作，同时还有足够的输出功率为充放电电池组充电，从而确保了随时有充足的电力驱动电子功能模块稳定工作。

较佳为，所述冷进水管和所述热进水管分别为一路或多路独立水管。

其有益效果是，无需另行改造输水管路。

优选为，所述冷进水管和热进水管平行排列，水流在水管中同向或反向流动，并在所述汇流管处汇流。

优选为，所述温差发电模块在所述冷进水管和热进水管外壁之间排列，且温差发电模块冷、热端面通过机械紧固或焊接方式分别与冷进水管和热进水管表面紧密接触。

其有益效果是，减少界面热阻，有利于避免温差损失。

优选为，沿所述冷进水管、热进水管延伸方向排列的所述温差发电模块的数量根据智能供水终端所需电量增加或减少。

其有益效果是，能以确保满足所需电量为宜。

较佳为，所述温差发电模块的数量至少为一个。

优选为，所述电子功能模块包括：用以照明或装饰的灯具，用以驱动温度、流量或红外感应传感器工作的电子模块，以及用以显示温度、流量信息的电子显示屏中的一种或多种。

所述出水口可以是水龙头或淋浴喷头。

所述温差发电模块所用热电材料为下列材料系列之一：Bi-Te，Cu-S，Ag-S，Cu-Se，Cu-Te。上述材料在室温附近热电性能相对较好。

附图说明

图1是本实用新型一实施形态的电力自足型可调水温智能供水终端结构示意图，

图2是图1所示智能供水终端中的温差发电模块、供电管理模块和电子功能模块电路连接示意图。

附图标记：

1冷进水管

2热进水管

3冷进水管流量调节阀

4热进水管流量调节阀

5汇流管

6出水口

7-1，……，7-n温差发电模块，（其中n≥1）

8供电管理模块

9电子功能模块。

具体实施方式

以下通过具体实施方式说明本实用新型。应理解：以下实施方式并不用以限制本实用新型，凡是依据本实用新型的技术实质对以下实施方式所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本实用新型技术方案的保护范围之内。

为实现该技术目的，本实用新型一实施形态的电力自足型可调水温智能供水终端包括冷进水管1、热进水管2、汇流管5、出水口6、温差发电模块7-1，……，7-n、供电管理模块8和电子功能模块9。本实施形态中，温差发电模块至少为一个。冷进水管和热进水管平行排列。

一实施例中，温差发电模块的冷、热端面分别与冷进水管和热进水管表面紧密接触，利用冷热端面间的温差发电；温差发电模块通过供电管理模块为电子功能模块提供电力。供电管理模块包括升压电路、充放电电池组和控制电路。电子功能模块工作时，供电管理模块可根据需要将充放电电池组切换到放电状态，此时电子功能模块由充放电电池组和温差发电模块共同驱动；也可将充放电电池组切换到休眠状态，此时电子功能模块由温差发电模块单独驱动；还可将充放电电池组切换到充电状态，此时电子功能模块由温差发电模块单独驱动，温差发电模块同时为充放电电池组充电。通过以上设计，本实用新型电力自足型可调水温智能供水终端无需外部电力供给，即可常年为电子功能模块提供充足稳定的电力供给。

具体地，其中温差发电模块位于冷进水管和热进水管之间，利用冷热端面间的温差发电，并通过供电管理模块8为电子功能模块9提供电力。供电管理模块8位于温差发电模块和电子功能模块9之间，包括升压电路、充放电电池组和控制电路。电子功能模块9工作时，控制电路可根据需要（当温差发电模块输出电功率低于驱动电子功能模块正常工作所需电功率时）将充放电电池组切换到放电模式，此时电子功能模块由充放电电池组和温差发电模块共同驱动；也可根据需要（当充放电电池组剩余电量低于设定值且温差发电模块输出电功率高于驱动电子功能模块正常工作所需电功率时）将充放电电池组切换到充电模式，此时电子功能模块由温差发电模块单独驱动，温差发电模块同时为充放电电池组充电；还可根据需要（当充放电电池组剩余电量高于设定值且温差发电模块输出电功率高于驱动电子功能模块正常工作所需电功率时）将充放电电池组切换到休眠模式，此时电子功能模块由温差发电模块单独驱动。由此，本实用新型的供电管理模块可根据需要自动调节到放电、充电或休眠模式。

采用上述技术方案的本实用新型，与现有技术相比，有益效果是：

相比于CN 204420269 U，通过预留一定长度平行排列的冷进水管和热进水管，大幅拓展了温差发电模块的安装空间，实现了温差发电模块数量的自由调节，从而确保了充足的总电功率输出；同时通过安装供电管理模块，确保充放电电池组始终保持充足的剩余电量，从而实现了在不同温差下始终有充足的电功率驱动电子功能模块正常工作。相比于CN 208442367 U，通过将温差发电模块冷热端面与冷进水管和热进水管管壁紧密接触，大幅提高了冷热端面的温差，从而实现了单个温差发电模块较高的电功率输出；同时通过预留一定长度平行排列的冷进水管和热进水管，大幅拓展了温差发电模块的安装空间，实现了温差发电模块数量的自由调节。通过上述多方面的改进，本实用新型温差发电模块不仅有充足的输出功率驱动电子功能模块正常工作，同时还有足够的输出功率为充放电电池组快速充电，从而确保了随时有充足的电力驱动电子功能模块稳定工作。

如图1所示，通过冷进流量调节阀3和热进流量调节阀4分别调整冷进水管1和热进水管2的水流量，并通过汇流管5，可调节出水口6的水温到合适温度。

冷进水管1和热进水管2可以是一路或多路独立水管，根据需要，可以让一定长度的冷进水管和热进水管平行且交替排列，也可以让水流在水管中同向或反向流动，最终在汇流管5前端汇流。通过调整平行交替排列的冷进水管和热进水管的长度或数量，可预留足够空间用于安装所需数量的温差发电模块，满足系统所需电量。

一实施形态中，温差发电模块7-1，……，7-n(n≥1)位于冷进水管和热进水管外壁之间，沿冷进水管和热进水管延伸方向排列。温差发电模块冷热端面可以分别与冷进水管和热进水管外壁通过机械紧固或焊接等方式紧密接触，以实现低的接触热阻，减少温差损失。

一实施形态中，如图2所示，本实用新型温差发电模块通过供电管理模块为电子功能模块供电。供电管理模块，包括升压电路、第一控制电路、充放电电池组和第二控制电路。温差发电模块输出电压经升压电路升压后，其电力输出由第一控制电路根据具体情况决定，可用于驱动电子功能模块工作，也可用于为充放电电池组充电。充放电电池组的工作模式由第一控制电路和第二控制电路共同决定，根据需要可在放电、充电和休眠三种模式之间切换。例如：当温差发电模块输出电功率足够，而充放电电池组剩余电量低于设定值(如20%~60%)时，充放电电池组切换到充电模式，温差发电模块在确保智能供水终端的电子功能模块正常工作的同时为充放电电池组充电；当温差发电模块输出电功率足够，而充放电电池组剩余电量高于设定值时，充放电电池组切换到休眠模式，温差发电模块仅用于确保智能供水终端的电子功能模块正常工作；当温差发电模块输出电功率不足时，充放电电池组切换到放电模式。综上所述，温差发电模块和供电管理模块共同作用，可确保系统始终有充足电力驱动智能供水终端的电子功能模块正常工作。

根据供水终端使用情况，通过调节发电模块数量，可确保输出电功率足够。前述“充放电电池组的工作模式由第一控制电路和第二控制电路共同决定”，即充放电电池组剩余电量的高低等切换条件由第一控制电路和第二控制电路共同决定。升压电路可采用现有的能够实现升压功能的任意电路/芯片，可以是成熟的商用产品，从而确保相关功能极易实现。

第一控制电路包括判断、信号发送和切换部件，第二控制电路包括信号接收、判断和切换部件。第一控制电路判断热电模块输出功率，电子功能模块所需功率和电池组剩余电量。如热电模块输出功率大于电子功能模块所需功率，且电池组剩余电量大于设定值，则切换电路，使热电模块为电子功能模块供电，并通过第二控制电路使电池组处于休眠状态；如热电模块输出功率大于电子功能模块所需功率，但电池组剩余电量小于设定值，则切换电路，使热电模块为电子功能模块供电，并通过第二控制电路使电池组处于充电状态；如热电模块输出功率小于电子功能模块所需功率，则切换电路，使热电模块为电子功能模块供电，并通过第二控制电路使电池组处于放电状态。

电子功能模块可以是照明或装饰灯具，如LED灯等，也可以是驱动温度、流量或红外感应传感器工作的电子模块，还可以是用于显示温度、流量等信息的电子显示模块，如LED显示屏等。

出水口结构可以是普通可调水温水龙头，也可以是淋浴喷头等。

一实施形态中，如图1所示，供水终端冷进水管1外壁下边缘和热进水管2外壁上边缘相距3cm，冷进水管1和热进水管2在进入汇流管5之前，在5~30cm长度范围内、优选20cm长度范围内平行排列。4个温差发电模块(7-1，7-2，7-3，7-4)为Bi-Te基温差发电模块，位于冷进水管和热进水管外壁之间，沿冷进水管和热进水管延伸方向等距排列，且温差发电模块冷、热端面分别与冷进水管1外壁下边缘和热进水管2外壁上边缘通过锡焊一体连接。所述温差发电模块所用热电材料可以为下列材料系列或其组合：Bi-Te，Cu-S，Ag-S，Cu-Se，Cu-Te。在此，以A-B代表热电材料系列，采用热电材料领域通用表示方法，指由主元素A和主元素B组成的合金，可能还会添加其他元素，但主元素为A和B。

冷进水管1和热进水管2在长度1~5cm 、优选5 cm的汇流管5前端汇流，通过汇流管后从出水口6流出。供电管理模块8和电子功能模块9沿汇流管5依次分布。各温差发电模块间电串联，然后通过供电管理模块与电子功能模块连接。

电子功能模块可包括冷进水管水温传感器、冷进水管流量传感器、热进水管水温传感器、热进水管流量传感器、出水口水温传感器、出水口流量传感器，还可包括液晶显示屏或LED照明灯。相关信息可显示于在液晶显示屏上。

一实施形态中例如电子功能模块正常工作所需电功率为0.3 W，该模块为常闭状态。上述功能由控制电路实现。通过适当的电路连接，目前成熟的商用电子电路产品可方便地实现所需功能。设置控制电路参数以实现下述功能：当电子功能模块开始工作时，1.当温差发电模块输出电功率大于0.3W，且充放电电池组剩余电量低于50%时，充放电电池组切换到充电模式，由温差发电模块为其充电，温差发电模块同时驱动电子功能模块正常工作。在充放电电池组剩余电量由低于50%不间断充电至高于80%后，充放电电池组切换到休眠模式；2.当温差发电模块输出电功率大于0.3W，且充放电电池组电量高于50%时，充放电电池组切换到休眠模式，温差发电模块仅用于驱动电子功能模块正常工作；3.当温差发电模块输出电功率小于0.3W时，充放电电池组切换到放电模式，充放电电池组和温差发电模块共同驱动电子功能模块工作。

具体的，本实施方式中充放电电池组初始电量为47%，当冷进水管水温为15℃，流量为1000 sccm，热进水管水温为65℃，流量为1000 sccm时，出水口水温为40℃，流量为2000 sccm。此时单个温差发电模块输出电功率约0.15 W（借助热电模块输出性能测试平台，模拟相同工况条件下测得），四个温差发电模块总输出电功率为0.6 W。电子功能模块完全由温差发电模块驱动，同时充放电电池组切换到充电模式，温差发电模块同时为充放电电池组充电。

2小时后充放电电池组电量达到80%，充放电电池组停止充电，切换到休眠模式。

1小时后冷进水管水温升高到30℃，流量不变，热进水管水温降低到40℃，流量不变。此时单个温差发电模块输出电功率约0.02 W，四个温差发电模块总输出电功率为0.08W。温差发电模块不足以维持电子功能模块的正常工作，控制电路将充放电电池组切换到放电模式，电子功能模块在温差发电模块和供电管理模块共同驱动下正常工作。

2小时后充放电电池组电量降为60%。此时冷进水管水温降低到15℃，流量不变，热进水管水温升高到65℃，流量不变。相应的，单个温差发电模块输出电功率约0.15 W，四个温差发电模块总输出电功率为0.6 W。电子功能模块完全由温差发电模块驱动，充放电电池组切换到休眠模式。

1小时后冷进水管水温再次升高到30℃，流量不变，热进水管水温降低到40℃，流量不变。此时单个温差发电模块输出电功率约0.02 W，四个温差发电模块总输出电功率为0.08 W。温差发电模块不足以维持电子功能模块正常工作，控制电路再次将充放电电池组切换到放电模式，电子功能模块在温差发电模块和供电管理模块共同驱动下正常工作。

2小时后充放电电池组电量降为40%。此时冷进水管水温再次降低到15℃，流量不变，热进水管水温升高到65℃，流量不变。相应的，单个温差发电模块输出电功率约0.15 W，四个温差发电模块总输出电功率为0.6 W。电子功能模块完全由温差发电模块驱动，同时充放电电池组再次切换到充电模式，温差发电模块同时为充放电电池组充电。

2.5小时后充放电电池组电量达到80%，充放电电池组停止充电，切换到休眠状态。此时冷进水管水温仍保持15℃，流量不变，热进水管水温保持65℃，流量不变。四个温差发电模块总输出电功率保持0.6 W。电子功能模块继续由温差发电模块单独驱动。

在不脱离本实用新型的基本特征的宗旨下，本实用新型可体现为多种形式，因此本实用新型中的实施形态是用于说明而非限制，由于本实用新型的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (11)

1.一种电力自足型可调水温智能供水终端，其特征在于，

包括冷进水管、热进水管、汇流管、出水口、温差发电模块、供电管理模块和电子功能模块，

所述温差发电模块的冷、热端面分别与冷进水管和热进水管表面紧密接触；所述温差发电模块利用冷、热端面间的温差发电，并驱动电子功能模块工作；

所述供电管理模块包括控制电路、升压电路和充放电电池组，其中所述控制电路能够控制所述充放电电池组在充电模式、休眠模式、放电模式中切换。

2.根据权利要求1所述的电力自足型可调水温智能供水终端，其特征在于，所述冷进水管和所述热进水管分别为一路或多路独立水管。

3.根据权利要求1所述的电力自足型可调水温智能供水终端，其特征在于，所述冷进水管和热进水管平行排列，水流在水管中同向或反向流动，并在所述汇流管处汇流。

4.根据权利要求2所述的电力自足型可调水温智能供水终端，其特征在于，所述冷进水管和热进水管平行排列，水流在水管中同向或反向流动，并在所述汇流管处汇流。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的电力自足型可调水温智能供水终端，其特征在于，所述温差发电模块在所述冷进水管和热进水管外壁之间排列，且温差发电模块冷、热端面通过机械紧固或焊接方式分别与冷进水管和热进水管表面紧密接触。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的电力自足型可调水温智能供水终端，其特征在于，沿所述冷进水管、热进水管延伸方向排列的所述温差发电模块的数量根据智能供水终端所需电量增加或减少。

7.根据权利要求5所述的电力自足型可调水温智能供水终端，其特征在于，沿所述冷进水管、热进水管延伸方向排列的所述温差发电模块的数量根据智能供水终端所需电量增加或减少。

8.根据权利要求1所述的电力自足型可调水温智能供水终端，其特征在于，所述温差发电模块的数量至少为一个。

9.根据权利要求1所述的电力自足型可调水温智能供水终端，其特征在于，所述电子功能模块包括：用以照明或装饰的灯具，用以驱动温度、流量或红外感应传感器工作的电子模块，以及用以显示温度、流量信息的电子显示屏中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的电力自足型可调水温智能供水终端，其特征在于，所述出水口是水龙头或淋浴喷头。

11.根据权利要求1所述的电力自足型可调水温智能供水终端，其特征在于，所述温差发电模块所用热电材料为下列材料系列之一：Bi-Te、Cu-S、Ag-S、Cu-Se、Cu-Te。

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