TW201508231A

TW201508231A - 以操作水閥遙控加熱器之方法與裝置

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Publication number: TW201508231A
Application number: TW102131187A
Authority: TW
Inventors: Lien-Fu Lu
Original assignee: Lien-Fu Lu
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-03-01
Also published as: TWI577948B

Abstract

本發明為適用於燃氣與電能及其它熱水器之一種節能控制方法與裝置，乃藉操作熱水閥所造成的水流斷續現象，做為遙控熱水器之控制指令，使控制裝置依指令而運作，如應用在燃氣熱水器時，關閉水閥再馬上打開，可稱為節能操作，其指令為使熱水器暫停加熱功能，並可讓殘留在熱水器及管路內熱水流出受用，以節省能源，如關閉水閥後，未立即再打開，即不符合節能操作，熱水器不會暫停加熱功能，而且本發明可防止水垢於熱水器與管路內生成，且可透過無線電傳輸，發出聲光以回報使用者做確認。

Description

以操作水閥遙控加熱器之方法與裝置

本發明為可適用於燃氣與電能及其它熱水器之一種節能控制方法與裝置，乃藉著操作熱水閥使水流呈現斷續現象，使熱水器端之控制裝置因而得到控制指令，並依指令而動作，如應用於燃氣熱水器時，關閉熱水閥再馬上打開，即符合節能操作，其指令為使熱水器暫停加熱功能，且讓殘留在熱水器內部及管路內熱水流出而受用，以節省能源，相對的，如果關閉水閥後，沒有馬上再打開，則為保持加熱功能，當打開水閥時，熱水器即正常點火燃燒加熱。

如上所述，熱水器之控制裝置收到熱水閥「關-開」之指令，其意思即，熱水閥關了之後約在3秒內馬上再打開，水流即呈現「斷-續」之現象，使在熱水器內部的水盤微動開關受到水流「斷-續」的影響，其電位訊號呈現「high-low」，且傳至控制裝置，使控制裝置的輸出接點切斷熱水器的供應能源，而暫停加熱之功能，如果上述控制裝置收到的是水流「斷---續」的指令，其意思水閥遮斷水流，且超過10秒後再出現水流，如此已不是暫停加熱之指令了。

當熱水器之加熱功能被暫時停止時，打開水閥即可讓殘留熱水流出受用，以節省能源，即使熱水流出之時間比上述加熱功能暫停的時間還長，也因熱水器之電子控制器能在水流動時，不允許開啟熱水器，所以在不加熱的情形下讓殘留熱水流出受用。

在熱水器暫停加熱之情形下，讓內部熱水完全流出，是一種節能的做法，並可由熱水器端之控制裝置透過無線傳輸系統，發出聲光訊號讓使用者得到確認，意即使用者操作水閥，讓水流產生斷續現象，使位於熱水器端之控制裝置收到指令而有所動作，讓熱水器暫停加熱，且殘留熱水流出受用，可節省相當可觀的能源，也明顯減少碳排放量，而且在熱水流出的同時，也讓冷水注入熱水器，使水溫驟降，可防止水垢在熱水器內部與管路生成。

無論是燃氣或電能熱水器，均是以關閉熱水閥來結束使用熱水，但如此卻讓不少的熱水殘留在熱水器內及管路中，而逐漸冷卻，在學術上稱為無效熱水，一般人在使用熱水時，當打開熱水閥時，水溫須等一小段時間後再逐漸提升的，總要花掉一兩分鐘，才使水溫到達高點，而通常即將結束使用熱水的時候，熱水器內部的水溫也是最高的，在此時關閉水閥，卻把高溫的熱水留在管路與熱水器中不能受用，殊為可惜，尤其以燃氣熱水器而言，當關熱水閥後，還會延燒3到5秒的時間才關掉瓦斯，此時熱水器內部的熱水已達高溫且又沒有流動，卻還接受這額外的加熱，水溫將竄升更高，不僅浪費能源也使熱水器更易積存水垢，因而造成熱交換效率越來越差，且影響熱水器的使用壽命與安全。

有鑑於上述之問題，以及迎合大眾使用熱水的習慣，本發明藉由操作熱水閥的關開動作，使熱水器可以得到遙控的方式，成為一種可節省能源及防止水垢生成的新裝置，可由熱水使用者決定，熱水器要不要繼續加熱，如不繼續加熱時，可就地操作熱水閥，做節能操作，則殘留的熱水可以流出受用，則上述所謂的無效熱水，就變成有效熱水了。

據了解，目前國人總共有2328萬人口，共有736萬戶，平均每戶有3.16人，而燃氣熱水器用戶佔69.8%，共計有513.7萬戶，其中有38%，計有195.2萬戶使用天然氣，且每度天然氣熱值為9000kcal，又以每度天然氣排碳量為2.09kg；而使用液化瓦斯佔燃氣熱水器用戶的62%，也就是318.5萬戶，且每公斤瓦斯熱值為12062kcal，又以每公斤瓦斯碳排量為3.19kg，據調查，國人用熱水習慣來說，有淋浴習慣佔83.4%，且幾乎所有的淋浴者，皆採用熱水調和冷水的習慣，其二，有86%的沐浴者，會中斷熱水而抹肥皂、沐浴乳、洗頭、洗臉或刮鬍、洗衣物…，等做完雜務又重開熱水閥，其間熱水留在熱水器與管路內而慢慢冷卻又重開熱水器供應熱水，其所浪費在熱水器與管路內、牆壁內的熱能，還比一次洗到底的還多出許多，應用本發明後，即可明顯改善，只要把握一個原則，即使多次開關熱水閥，每當關熱水，3秒內再打開，能讓熱水器沒有加熱的情況下，讓熱水流出，可以達節能的效益。

據資料顯示，台灣一般家庭的熱水管管徑大部份為二分之一英吋，且平均長度為6.5公尺，再加上台灣氣候四季的環境條件，以及考量國人用熱水習慣之後，再加上熱水器效率為83.5%，演算得知，本發明可為燃氣與電能熱水器帶來效益為每年減少碳排量68.4萬噸，相當於1771座大安公園吸碳量，且每年可節省能源費用達82億元以上。

本發明具有節能與防垢之功效外，尚有減免發生瓦斯中毒意外的作用，主要是可以明顯減少瓦斯之用量外，也把使用瓦斯的週期拉開，再也不為未用完的熱水，而急著連續使用熱水器，所以可以有效減輕室內瓦斯與二氧化碳的濃度，有部份家庭或學生宿舍或員工宿舍，為了能使用熱用完的熱水，而一個接著一個連續使用熱水器，以期節省能源之消耗，但實際上，換手的動作須要花個幾分鐘，又加上熱水器內部與管路上並沒有完善保溫措施，尤其熱交換器具有良好的導熱特性，當然也會是良好的散熱元件，其內部的熱水很快的散熱成為溫水，再加上管路上的熱水容易散熱，因此所得到的效益難如預期，再者，對於通風不良的環境且沒有強制排風的燃氣熱水器使用戶而言，是非常危險的，以致於發生中毒事件時有所聞，故可以藉著本發明來減輕上述之安全疑慮。

而本發明以操作熱水閥使水流呈現斷續現象，亦可以靈活應用於各種與流體相關設備之遙控方式，包括各種輸送液體、氣體或其它流體管路之控制需求時，均可延用本發明之創新技術做控制。

本發明之應用之電路與元件

1‧‧‧控制裝置

10‧‧‧水流偵測電路

11‧‧‧控制電路

12‧‧‧輸出電路

13‧‧‧繼電器

14‧‧‧常開(a)接點

15‧‧‧常閉(b)接點

2‧‧‧無線發射器

21‧‧‧閃光電路

22‧‧‧閃光二極體

23‧‧‧限流電阻

24‧‧‧編碼電路

25‧‧‧發射電路

26‧‧‧發射天線

3‧‧‧無線接收器

30‧‧‧接收天線

31‧‧‧接收電路

32‧‧‧解碼電路

33‧‧‧放大電路

34‧‧‧輸出電路

35‧‧‧發光二極體

36‧‧‧限流電阻

37‧‧‧喇叭

習知熱水器相關元件：

16‧‧‧直流電源

27‧‧‧直流電源

38‧‧‧直流電源

40‧‧‧熱水閥

5‧‧‧燃氣熱水器

51‧‧‧水盤微動開關

52‧‧‧乾電池

53‧‧‧電子控制器

54‧‧‧主火電磁閥

55‧‧‧爐嘴

56‧‧‧熱交換器

6‧‧‧電能熱水器

61‧‧‧水流開關

圖一為本發明應用於燃氣熱水器之控制流程圖。

圖二為本發明補助單元發射器與接收器之流程圖。

圖三為本發明應用於電能熱水器之控制流程圖。

現將本發明之控制方法、流程與功能、裝置做介紹：請參考圖一，本發明主要由一熱水偵測電路10，控制電路11，及輸出電路12，組成控制裝置1，為主要單元，其中熱水偵測電路10，從燃氣熱水器5，之內部的水流開關元件，也就是水盤微動開關51，取得水流之流動或停止訊息，再傳給控制電路11，當使用者操作熱水閥40時，關閉水閥，於3秒內又打開，也就是「關-開」的動作，即符合上述所稱的節能操作，則於熱水器5，內之水盤微動開關51，可以感測得到水流受熱水閥的開關動作而形成「斷-續」的現象，該微動開關的電位即顯現成「high-low」之電位變化，我們可以將該電位變化當做是一種操作碼(operation code)，也可說是一種電子指令(instruction)，而使控制電路11，內部的微控制器(Microcontroller Unit簡稱MCU)認知此電子指令後，比對MCU內部之指令集，找出並且做出該指令所應做的動作，然後通知輸出電路12，以配合該指令而完成適當動作，以該指令用於燃氣熱水器而言，將使繼電器13，激磁而動作，且保持8秒鐘後恢復原狀，更清楚的說，該繼電器13，的a接點14，由開路變成閉合，等8秒鐘，又變回開路，相對的，其b接點15，由閉合變成開路，等8秒鐘後，又變回閉合，該b接點與電子控制器53，之直流供應電源，即乾電池52，成為串聯連接，所以該b接點的閉合與開路可以決定熱水器可加熱與否，換言之，當b接點開路時，電子控制器之電源供應中斷，則主火電磁閥54，即無電力維持而自動關閉，加熱功能即暫停。

當使用者每次在使用熱水器的初期，採用熱水閥混合冷熱水做調節水溫的階段，有可能使熱水的水流量調得過低，而造成水流開關元件誤以為是關閉水閥，或者在水量調得稍多時，又誤以為是打開熱水閥，而造控制裝置的判斷錯誤，也就是在調水溫過程當中，讓控制裝置誤以為使用者下達關閉熱水器加熱功能的指令，而造成誤動作，為了避免此現象的發生，可以在上述MCU的程式規劃中，令熱水器在使用後的前一小段時間(例如前70秒)，以操作熱水閥來停止加熱功能是不允許的，也就是說，熱水器供應熱水的前70秒內，不允許節能操作，實際上，在啟用熱水器超過70秒後，再來做節能操作以停止加熱而回收熱值，意義比較明顯。

請參考圖二，如前所述，當關閉熱水閥後3秒內馬上再打開，稱為節能操作，繼電器13，的a接點14，由開路變成閉合時，則補助單元之無線發射器2，即因而通電，即直流電源27，透過接點14，對降壓閃光電路21，通電，便產生間歇性的閃光動作，該降壓閃光電路主要是採用一只閃光二極體22，串聯一只降壓電阻23，所組成，因此形成間歇性通電動作，也因此閃光電路成為編碼電路24，與發射電路25，的間歇性供電電源，其中編碼電路之輸出訊號成為發射電路之輸入訊號，而發射電路之輸出訊號由天線26，轉成發射至空中，成為高頻的電波。

由於發射器之發射動作，是由a接點14，所觸動，而a接點屬於控制裝置1，之元件，所以發射器與控制裝置，可以合成一包裝體，並按置於熱水器內部或週邊，於新品熱水器，亦可規劃合併於電子控制器。

請繼續參考圖二，該空中的高頻電波可以穿透數道牆壁，並由接收器3，之接收天線30，將空中的高頻電波由無線接收電路31，接收後再經解碼電路32，確認是來自對碼的發射訊號，再由放大電路33，將解碼後的電路放大並且送至輸出電路34，再透過輸出電路的發光二極體35，與限流電阻36，所形成的發光電路，展現出間歇性的發光效果，也同時由喇叭37，發出聲響，如此可以讓熱水使用者能得到確認。

當發光二極體35，呈現一閃一閃的現象時，表示熱水器之節能操作發生效果，也就是每當使用者採用熱水閥做節能操作後，熱水器的加熱功能一旦暫停，就可以看到發光二極體35，呈現維持8秒的閃光現象，乃是對使用者的通報，其它時候都是保持常亮的，而喇叭37，則是通報幾聲，就自動停止，也是讓使用者得到確認之用。

如熱水器供應熱水的場所為不只一處時，其無線接收器可以分布到每一處，使每一個使用熱水的場所，均有無線接收器，如此，則每一場所的使用者皆能操作該處之熱水閥做節能操作，且藉由無線接收器之聲光回報而得到確認。

本發明亦可利用燃氣熱水器內部之主火電磁閥54，取代水流開關元件，也就是取代水盤微動開關51，做為水流偵測之信號源，主要是關閉熱水閥時，燃氣熱水器會自動關閉主火電磁閥，所以該電磁閥之訊號會憂變化，如同關閉熱水閥時，水盤微動開關也會有訊號變化。

本發明除了應用於燃氣熱水器之外，亦應用於電能熱水器，請參閱圖三，其中所有的電路，包括控制裝置1，無線發射器2與接收器3，等所有硬體部份都與燃氣熱水器的電路都相同，其差別只在於控制裝置1，內之控制電路11，的軟體部份，也就是MCU之程式稍有不同，而電能熱水器雖沒有燃氣熱水器的水盤微動開關51，或主火電磁閥54，但可以在電能熱水器之入水口裝置一只水流開關61，其口徑與管路相同，其用途可以檢測水流是停止還是流動，當然，本發明應用於儲熱式的電能熱水器與應用於燃氣電熱水器的控制模式不盡相同，而針對不同的控制模式，只要改變軟體規劃即可達成，也就是改變控制電路11，裏面的指令集即可。

對一般家庭而言，使用者與儲熱式電能熱水器的位置通常不相近，欲開關熱水器時，不甚方便，有的家庭甚至長年保持熱水器可加熱狀態，因而浪費不少電能，如何改善呢？其實，熱水器的水箱內，水溫越低越不會引起水垢的生成，保溫的電費也越節省，因此，每天全家人口在使用熱水到某一階段，可以先概略衡量一下，看熱水餘裕量是否足夠，再看是否讓熱水器不必再加熱，或許是在倒數第二位，或許是在倒數第三位的使用者在使用熱水時，就先藉熱水閥做節能操作，讓電能熱水器之加熱功能暫停，等所有的人用完熱水時，熱水箱內的溫度越接近冷水越省電，所以本發明可以讓使用者透過開關熱水閥，就能遙控電能熱水器的暫停加熱功能，可以有效節省能源，其操作熱水閥方式可參考如下：如打算要停止電能熱水器加熱，且要讓殘留的熱水流出受用，其節能操作與燃氣熱水器的節能操作不盡相同，必須先關掉熱水閥，3秒內再打開，3秒內又關掉熱水閥，3秒內又打開，也就是連續兩循環的關開動作，而此操作熱水閥的動作將由水流偵測電路10，得知後，傳至控制電路11，由控制電路內部的MCU，得到認知與對照指令集後，發出熱水器6，之暫停模式，通知輸出電路12，則輸出電路12，之繼電器13，受到激磁，常閉(b)接點15，因而開路，使得熱水器電力供應中斷，熱水器6，暫停加熱，而熱水器內部與管路之殘留熱水，可以流出受用，即可達到節能效果，如不打算暫停加熱功能，只是要關閉熱水的供應而已，也就是將熱水閥關閉即可，原來的加熱功能維持不變。

若欲遙控已暫停加熱的電能熱水器恢復加熱，可由操作熱水閥使熱水器又恢復加熱，其操作方式亦可參考如下：可以先打開熱水閥，3秒內再關閉，3秒內再打開，3秒內再關閉，也就是連續兩循環的開關動作，將由水流偵測電路10，得知後，傳至控制電路11，內部的MCU，由MCU得到認知與比對指令集後，發出啟動熱水器之加熱模式，使輸出電路12獲知指令內容，而停止對繼電器13，激磁，繼電器的常閉接點由開路變回閉合，則電能熱水器的電源即接通電源，加熱功能因而被啟動。

上述連續操作熱水閥，如某一段的時間超過3秒的上限值，則將不合乎指令需求，也就不會改變熱水器原本的工作模式，當然在管路比較長的場合可將設定的值3秒延長至5秒或6秒，要用多少秒都只是軟體設定，可應需求而更動，而在操作熱水閥所形成之指令設定方面，可以儘量合乎使用者之習慣動作，避免讓指令太過複雜化，好讓使用者下達操作指令能十分有效。

本發明可適用於同一台熱水器供應超過一處以上的場合，只要增加無線接收器3，讓每一處所均具有接收器即可，則每一處的熱水使用者，皆可藉該處之熱水閥做節能操作，且可藉由該處之無線接收器做聲光回報，讓任該處所的使用者得到確認。

本發明亦可取用燃氣熱水器之主火電磁閥之訊號，來取代水盤開關訊號，主要是兩者之訊號變化，均與熱水閥之動作有直接相關，當水流停止時，主火電磁閥會由開啟變關閉，而水盤微動開關由閉合變成開啟，當水流流動時，主火電磁閥由關閉變成開啟，而水盤微動開關由開啟變成閉合，所以兩者之訊號變化均與熱水閥之操作直接相關，唯兩種訊號彼此正負反向，可透過電子電路或在軟體部份做轉換即可完成替代。

本發明應用操作水閥去遙控設備的方法，可應用於熱水器之各種附加功能，可模彷節能操作之模式，設定一組可調整設定溫度調升與調降之指令，使該組指令成為遙控熱水器之調整設定溫度之用，我們可應用水閥之開與關，以及每一次開與關之時間間隔快慢，可形成不同指令，而令控制裝置做不同功能之工作。

本發明除了讓新熱水器免於生成水垢之外，亦可適用於舊熱水器，能清理其內部水垢，使水垢從管壁上自動慢慢的龜裂而脫落，其原理為每當熱交換器被加熱後，水溫提高到近攝氏60度，等使用者以節能操作而關閉瓦斯後，冷水又持續進入水箱，管壁溫度驟降，直到使用者感受到水溫下降而關閉熱水，此時，水箱內已被冷水充滿，由於水垢與管壁的膨脹係數不同，再加上水箱內管壁溫度的驟降，水垢與管壁的接合面自然形成應力，此後一次次使用熱水器，管壁溫度的升高與驟降，使得應力逐漸發生作用，水垢便逐漸地自行龜裂、碎裂而從管壁上脫落，並隨著熱水流到出水口，再經過後續幾次的使用熱水後，水垢便會完全消失，而水垢脫落時，已是龜裂碎化，其尺寸很小，不足以阻塞水管，故而本發明能為舊熱水器清理水垢，因而能延長其使用壽命，而且不論是新舊熱水器，均可省下水垢之定期清理費。

綜合以上所述，本發明所能發揮的功用既能適用於燃氣熱水器，也能適用於電能熱水器，既可節能減碳，又能兼顧安全，既能適用新品熱水器，又適用於舊品，既能防患水垢的生成，又能清除舊品中的水垢並能延長熱水器的使用期限，還可以省下定期清除熱交換器的費用。

從前面的諸多數據取用得知，本發明以偏保守的態度在計算碳排量與經濟效益，就有機會降低二氧化碳年排放量達68萬噸，相當於1771座大安森林公園的年吸碳量，以如此良好的效益，對於溫室效應已顯然惡化且許多國家與城市的溫度已濱臨甚至超過40度的現今，實在不宜輕忽，而且每年可節省82億元以上的能源費用，也不是小數目，況且本發明在成本的規劃方面，是相當廉價的，有利於日後之推廣，故特此誠擎盼望審查委員鈞鑑，准于本發明之專利申請。