专利名称：多用节能电磁热水器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种适用于家庭使用的多用节能电磁热水器，由外壳、蛇形加热管、储 水罐、隔热材料、磁化线圈、高频感应加热圈、蓄电池、充电器、逆变电路、单片机控制器 组成。 '技术背景家庭中使用的燃烧可燃气体的热水器，火焰直接加热蛇形管，冷水流过蛇形管时被加 热。燃料的热能以热辐射方式传递，热能利用率较低；可燃气体、天然气燃烧产生的二氧化 碳既污染环境，又容易产生一氧化碳使人中毒，使用不安全。由于热水器没有储水罐，短时 使用热水需要反复开启热水器，造成冷水和可燃气体的浪费。由于没有净化器件，水中的碳 酸钙、碳酸镁易结垢堵塞蛇形管。家庭中使用的以电阻热方式加热的电热水器，经绝缘隔离的电阻发热体直接放入水内加 热。电能产生的热能首先加热隔离的绝缘体，绝缘体再将热能以热传导方式传递。因绝缘体 热传导系数比较低，电能、热能转换效率低，加热时间长。因直接使用220V交流电压，"水""电"没有完全真正隔离，使用安全性差。由于没有净化器件，水中的碳酸钙、碳酸 镁易结垢堵塞水管。家庭中使用的电磁超导热水器，直接将220V工频交流电转化成超音频交变电磁场，以 感应加热方式使水筒壁发热，再由热超导将端部热能传导到整个水筒。虽然利用了电磁感应 加热，但由于电磁盘安装在不锈钢水筒的一端，加热方式是平面感应加热，没有利用超音频 电流的环状效应，电能、热能转换也比较差。因直接使用220V交流电逆变，使用安全性 差。由于水筒是整体加热，短时使用热水，预先加热时间长。使用热超导材料，价格贵。实用新型内容针对采用现有技术的可燃气体热水器，各种电阻加热的热水器在家庭中使用存在的不 足。本实用新型的目的是提供一种既具有电磁加热功能，又具有备用电源功能，节省电 能，使用安全，在电网停电时也能使用的多用节能电磁热水器，为家庭生活提供便利。本实用新型的上述目的是这样实现的由外壳、蛇形加热管、储水罐、磁化线圏、高频感应加热圈、隔热材料、蓄电池、充电器、逆变电路、单片机控制器组成多用节能电磁热水器。具体结构是在长方形外壳的中上部安装板上用嫘钉安装储水罐，蛇形加热管点焊在 储水罐上，磁化线圈、高频感应加热圈套装在蛇形加热管和储水罐上，并与蛇形加热管和储 水罐保持5毫米的间距。将隔热材料聚胺脂泡沫浇铸在蛇形加热管、储水罐和外壳之间的空间，将蛇形加热管和储水罐包裹，在蛇形加热管部分形成一个空间。蓄电池从側面安装在外 壳内的下部，充电器和单片机控制器安装在外壳内的中下部。逆变电路安装在蛇形加热管形 成的空间内，散热风扇安装在外壳的上部对逆变电路散热。逆变电路的逆变变压器次级线圈 的一路输出串接电容连接高频感应加热圈，逆变电路的逆变变压器次级线圈的另一路输出串 接电感连接插座作为220伏交流输出。充电器通过单片机控制器的一路输出固态继电器触头 与逆变电路连接，为其提供电源，充电器通过另一路固态继电器触头与磁化线圈连接，为其 提供电源。蓄电M过单片机控制器的另一路输出固态继电器触头与逆变电路连接，为其提 供电源。充电器和蓄电池经串接的启动按钮开关、定时开关与单片机控制器的控制电源连 接，为其提供电源。状态开关、转换开关、定时开关、启动开关安装在多用节能电磁热水 器外壳的前面板上。蛇形加热管内通入冷水，由高频电流向高频感应加热圈供电，依照电磁 感应原理和高频电流的环状效应，高频电流产生的磁力线"切割"蛇形加热管壁和储水罐 壁，在壁内产生"涡流"。"涡流"加热是"透入式"方式加热，电、热转换效率最高。 "涡流"剧烈加热蛇形加热管和储水罐产生大量热量，热量使水温度升高。储水罐由隔热材 料保温可随时供应热水。磁化线圈通入直流电流磁化热水，磁化水既有益健康，又消除了水 中碳酸钙、碳酸镁的结垢。由单片机控制器控制，充电器提供的低压直流电，由逆变电路逆 变为高频电流向高频感应加热圈供电。根据温度设定，控制高频感应加热圏产生的热量；电 网停电时，蓄电池提供的低压直流电，由逆变电路逆变为高频电流向高频感应加热圈供电。 根据温度设定，控制高频感应加热圈产生的热量，并输出220V5!流电。采用上述技术的多用节能电磁热水器，由单片机控制器控制，在电网高峰期，蓄电池经 逆变电路向高频感应加热圈供电；蓄电池供电后，在电网低谷期，充电器向蓄电池充电；电 网停电时，蓄电池经逆变电路向高频感应加热圈供电，输出220V交流电作为备用电源。由 于不直接使用220V交流电压，使用安全。由上所述，多用节能电磁热水器，不向电网争电，能缓解电网供电状态，调整电网峰谷 区，降低发电厂能源消耗；在相同制热功率下，电、热转换效率高，节省电能；不产生燃烧的有害气体，符合绿色环保；体积小、使用安全，因此，非常适宜在家庭中使用。
以下结合附图对采用本实用新型的实施例进行具体描述，其中 图l是采用本实用新型的多用节能电磁热水器的剖视图。图l中标号l是热水器外壳、2是蓄电池、3是聚胺脂泡沫、4是磁化线圈、5是蛇形加 热管、6是储水罐、7是进管接头、8是散热风扇、9是散热片、IO是逆变电路板、ll是充 电器、12是磁化线圑、13是出水管接头开关、14是高频感应加热圉、15是蓄电池。
具体实施方式
下面以实施例来说明采用本实用新型的多用节能电磁热水器图l所示是由外壳、蛇形加热管、储水罐、磁化线圉、高频感应加热圈、隔热材料、蓄 电池、充电器、逆变电路、单片机控制器组成的多用节能电磁热水器。外壳采用2亳米钢板，压制成带底、带顶的六面长方形，用点焊方法在靠近底部焊接安
装板，外壳两侧面靠近底部加工凹进的方孔。蛇形加热管采用直径12毫米的不锈钢管，煨制成蛇形，再将蛇形管绕成长方形。在蛇 形管的 -端焊接三道闭合的不锈钢管。蛇形管一端安装进水管接头，另一端出水管与储水罐 焊接连接。储水罐采用2毫米厚的不锈钢板冲压成带底长方形，焊接顶盖。储水罐的底部焊接出水 管接头。磁化线圈采用直径2毫米漆包线，根据磁化需要绕成多匝空心线圈，线圈间J^2毫米， 用绝缘板固定，串联连接限流电阻。高频感应加热圈采用直径8毫米的铜管，在铜管外缠绕绝缘胶带，涂刷绝缘漆，根据 蛇形加热管、储水罐外形绕成多匝空心线圏，线圏间距8亳米，用绝缘板固定。隔热材料采用聚胺脂泡沫。逆变电路的原理和硬件制作如《开关电路技术》、《开关电源》、《新型稳压电源及 应用实例》文中所述，其具体制作方法，本专业的技术人员对此已相当熟悉，不用赘述。实 施例中，逆变电路由PWM集成芯片及外围电阻、电容、驱动放大管、逆变开关管、逆变变 压器组成。PWM集成芯片选用TL494,驱动放大管选用NPN型三极管，逆变开关管选用N沟 道MOSFET开关管。在TL494集成芯片的时基5、 6引脚外接电阻、电容组成脉宽调制电路 由不同阻值的电阻和不同容量的电容组成两组电路，由一个状态开关K3转换分别单路连 接，使一个电容连接TL494的第5脚，一个电阻连接TL494的第6脚，脉宽调制电路工作在 20000Hz;转换状态开关K3，使另一个电容连接TL494的第5脚，另一个电阻连接TL494的第 6脚，脉宽调制电路工作在50Hz。 TL494集成芯片的一路脉冲输出引脚9输出的脉宽控制信 号，连接一支驱动放大管NPN型三极管的基极；TL494集成芯片的另一路脉冲输出引脚10输 出的脉宽控制信号，连接另一支驱动放大管NPN型三极管的基极，两支驱动放大管NPN型三 极管的集电极连接成推挽连接形式连接蓄电池的负端，两支NPN型三极管的基极与发射极之 间分别正向并联二极管。 一支逆变开关管N沟道MOSFET开关管的栅极，连接一支驱动放大 管NPN型三极管的发射极，另一支逆变开关管N沟道MOSFET开关管的栅极，连接另一支驱 动放大管NPN型三极管的发射极，两支逆变开关管N沟道MOSFET开关管的源极连接后接蓄 电池的负端，两支逆变开关管N沟道MOSFET开关管的漏极，分别与逆变变压器初级线圈连 接成推挽形式组成逆变主电路，初级线圏的中心抽头与蓄电池的正^接。逆变变压器选用 铁氧体磁芯绕制，容量600VA,磁芯攀面50X70平方毫米。初级绕组用直径1.2毫米漆包 线，两根并绕2X20匝。逆变变压器次级线圈有两个绕组，其中一个绕组用直径4毫米铜管 绕5匝，经串接电容器后连接高频感应加热圈； 一个绕组用直径0.8毫米漆包线绕400匝， 串接电感连接插座作为220V^流输出，作为备用电源。N沟JIMOSFET开关管安装在散热片 上，散热片安装在蛇形加热管形成的空间里，由散热风扇散热。单片机控制器由单片机系统、输入接口电路、输出驱动电路组成。实施例中，单片机芯 片选用AT89C51,输入输出接口芯片选用82C55，输入接口电路八组，输出功率驱动电路八 组。将单片机系统，输入接口电路，以及两组双列二十脚插座制作在主电路板上。 一组直流 电动机，七组开关控制的输出驱动电路，都分别单独制作单元电路板。两电路板以上下重叠 的形式放置，两电路板之间通过两组双列二十脚插座，并行电缆插头连接。单片机控制器硬件的制作如《MC&51/96系列单片微型计算机及其应用》、《单片机原 理及制作》、《单片机应用系统设计与实践》、《微型计算机控制基础》文中所述。在选定 单片机芯片、输入输出接口芯片后，地址总线、数据总线、控制总线、片选信号可按规定连 接，其具体方法，本专业的技术人员对此已相当熟悉，不用赘述。仅对输入输出接口82C55 的端口分配，输入接口电路和输出驱动单元电路板作说明。82C55的PA0、 PA1、 PA2、 PA3、 PA4、 PA5、 PA6、 PA7口作为开关量输入端，PBO、 PB1、 PB2、 PB3、 PB4、 PB5、 PB6、 PB7作为开关量输出端，PCO、 PC1、 PC2、 PC3作为输入端，PC4、 PC5、 PC6、 PC7 作为输出端。输入接口电路具有相同的结构82C55的PA0、 PA1、 PA2、 PA3、 PA4、 PA5、 PA6、 PA7口分别接上拉电阻后再接开关的一端，以一路为例光电藕合隔离选用 4N25，输入插口选用单列三脚插座，采集的输入信号经4N25隔离后，连接到82C55的一路 输入端口。输出功率驱动电路八组，以一组为例，光电隔离选用4N25,集成驱动选用 74LS06,开关控制管选用TIP127,继电器选用固态继电器，输出插口选用单列四脚插座。 82C55的一路输出信号接光电藕合4N25,经隔离后的信号接集成驱动74LS06的一个单元， 集成驱动74LS06的一个单元输出信号推动功率放大管TIP127，功率放大管T1P127的开关回 路串接固态继电器，控制固态继电器JK J2的通、断。在单片机控制器的控制电源正极与负 极之间经串接的四个电阻分压获得三个基准电压，三个基准电压经三位转换开关G1，连接 到TL494集成芯片输出控制1端。低基准电压控制高频感应加热圉较高制热量，中值基准电 压控制高频感应加热圈较低制热量，髙基准电压控制备用电源的输出电压为220V。充电器由电源变压器、大功率二极管、大容量电容器、稳压管组成，电源变压器、二极 管、电容器、稳压管均采用符合电气标准的元件。电源变压器有两个次级绕组， 一个次级绕 组输出连接大功率二极管全桥整流，整流后经大容量电容器滤波，由三端稳压电路稳压后经 固态继电器J1向蓄电池充电，经固态继电器J2向逆变主电路供电。 一个次级输出连接二极管 全桥整流，整流后经电容器滤波，正极连接到由电阻、稳压值为5V的稳压管、电阻串联组 成的分压电路，稳压管负极与电阻连接处连接到单片机控制器中输入输出接口芯片82C55的 一个输入端口。单片机控制器通过输入输出接口芯片82C55输入端口采集分压电压值，当分 压电压高于5V时，单片机控制器的固态继电器J2得电动作，触头J2连接充电器向逆变电路供 电；当分压电压为零时，单片机控制器的固态继电器触头J11连接蓄电池向逆变电路供电。蓄电池选用两组免维护12V蓄电池，两组髙性能蓄电池由双联开关转换轮流供电。蓄电 池正极连接到由电阻、稳压值为5V的稳压管、电阻串联组成的分压电路，稳压管负极与电
阻连接处连接到单片机控制器中输入输出接口芯片82C55的一个输入端口 。单片机控制器通 过输入输出接口芯片82C55输入端口采集分压电压值，当分压电压低于5V时，单片机控制 器的固态继电器J1、 J2得电动作，互锁触头J12断开，蓄电池停止向逆变电路供电，触头Jll 连接充电器向蓄电池充电，触头J2连接充电器向逆变电路供电；当分压电压高于5V时，单 片机控制器的固态继电器J1、 J2失电，触头J11断开，充电器停止向蓄电池充电，互锁触头 J12恢复，蓄电池向逆变电路供电，触头J2断开，充电器停止向逆变电路供电。单片机控制器的控制电源经串接的启动按钮开关K4、定时开关S1连接12V蓄电池或充 电器，由12V蓄电池或充电器提供。多用节能电磁热水器的装配如图1所示蛇形加热管点焊在储水罐上，磁化线圈、高 频感应加热圈套装在蛇形加热管和储水罐上，并与蛇形加热管和储水罐保持5毫米的间距。 蛇形加热管和储水罐放入外壳的中上部，用嫘钉固定在外壳的安装板上，将隔热材料聚胺脂 泡沫浇铸在蛇形加热管、储水罐和外壳之间的空间，将蛇形加热管和储水瞎包裹，在蛇形加 热管部分形成一个空间。蓄电池从侧面安装在外壳内的下部，充电器和单片机控制器安装在 外壳内的中下部。逆变电路是工作核心，安装在蛇形加热管形成的空间内，散热风扇安装在 外壳的上部对逆变电路散热。逆变电路的逆变变压器次级线圈的一路输出串接电容连接高频 感应加热圈，逆变电路的逆变变压器次级线圈的另一路输出串接电感连接插座作为220伏交 流输出。单片机控制器是控制核心，单片机控制器的两路输出的固态继电器触头分别连接充 电器和蓄电池。充电器和蓄电池是电源，充电器ilii单片机控制器的一路输出固态继电器触 头与逆变电路连接，为其提供电源，充电器通过另一路固态继电器触头与磁化线圈连接，为 其提供电源。蓄电池通过单片机控制器的另一路输出固态继电器触头与逆变电路连接，为其 提供电源。充电器和蓄电池经串接的启动按钮开关K4、定时开关S1与单片机控制器的控制 电源连接，为其提供电源。状态开关、转换开关、定时开关、启动开关安装在多用节能电 磁热水器外壳的前面板上。多用节能电磁热水器的软件编程，在PC微型计算机上，根据单片机控制器的控制功能 要求1、 编写实现控制功能的源程序；2、 交叉汇编控制源程序3、 将调试正确的控制程序代码，固化在AT89C51芯片内。多用节能电磁热水器使用时，由AT89C51芯片内固化的控制软件控制实现各项功能。 在多用节能电磁热水器的面板上，通过旋钮开关G1选择制热量，通过开关S1选择时 间。
1、白天使用多用节能电磁热水器时，不插A220V交流输入插头。启动按钮开关K4 后，单片机控制器开始工作。由固化的控制程序控制，单片机控制器检測220VH入电压不 存在，单片机控制器的固态继电器触头H2连接蓄电池向逆变电i^电。2、 ah使用多用节能电磁热水器时，插A220V^流输入插头。启动按钮开关K4后，单
片机控制器开始工作。由固化的控制程序控制，单片机控制器检测220V输入电压存在，单片机控制器的固态继电器J2、 Jl得电动作，触头J2连接充电器向逆变主电路供电；触头J11连接充电器向蓄电池充电。单片机控制器检测蓄电池储存电能的状态，蓄电池充电充足后，单 片机控制器的固态继电器J1失电，停止向蓄电池充电。3、电网停电时，在多用节能电磁热水器的面板上，通过旋钮开关K1先选择交流输出 220V,通过开关S1选择时间。启动按钮开关K4后，单片机控制器开始工作，由固化的控制 程序控制输出220V交流电压。以上所述的仅是采用本实用新型原理，制作节省电能，缓解电网供电状态，调整电网峰 谷区，结构紧凑，体积小，使用安全，适宜在家庭中使用的多用节能电磁热水器的优化实施 例。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作 出若干变型和改进，以至开发出其它的产品，也应视为属于本实用新型的保护范围。
权利要求1、一种多用节能电磁热水器，所述的多用节能电磁热水器包括外壳、蛇形加热管、储水罐，其特征是还具有磁化线圈、高频感应加热圈、隔热材料、蓄电池、充电器、逆变电路、单片机控制器；具体结构是在长方形外壳的中上部安装板上用螺钉安装储水罐，蛇形加热管点焊在储水罐上，磁化线圈、高频感应加热圈套装在蛇形加热管和储水罐上，隔热材料聚胺脂泡沫浇铸在蛇形加热管、储水罐和外壳之间的空间，在蛇形加热管部分形成一个空间；蓄电池从侧面安装在外壳内的下部，充电器和单片机控制器安装在外壳内的中下部，逆变电路安装在蛇形加热管形成的空间内，散热风扇安装在外壳的上部；状态开关、定时开关、启动开关安装在外壳前面板上；逆变变压器次级线圈的一路输出串接电容连接高频感应加热圈，逆变变压器次级线圈的另一路交流输出串接电感连接插座；单片机控制器的一路输出固态继电器触头将充电器与逆变电路连接，单片机控制器的另一路输出固态继电器触头将蓄电池与逆变电路连接，充电器通过另一路固态继电器触头与磁化线圈连接；充电器和蓄电池经串接的启动开关、定时开关与单片机控制器的控制电源连接。
2、 如权利要求l所述的多用节能电磁热水器，其特征是外壳采用钢板压制成带底、带 顶的六面长方形，在靠近底部焊接安装板，外壳两側面靠近底部加工凹进的方孔。
3、 如权利要求l所述的多用节能电磁热水器，其特征是蛇形加热管采用直径12亳米的 不锈钢管，煨制成蛇形，再将蛇形管绕成长方形，在蛇形管的一端焊接三道闭合的不锈钢 管，蛇形管一端安装进水管接头，另一端出水管与储水罐焊接连接。
4、 如权利要求l所述的多用节能电磁热水器，其特征是储水罐采用不锈钢板冲压成带 底长方形，焊接顶盖，储水罐的底部焊接出水管接头。
5、 如权利要求l所述的多用节能电磁热水器，其特征是磁化线圈采用直径2毫米漆包 线，根据磁化需要绕成多匝空心线圈，用绝缘板固定，串联连接限流电阻。
6、 如权利要求l所述的多用节能电磁热水器，其特征是高频感应加热圈使用直径8毫 米的铜管，在铜管外缠绕绝缘胶带，涂刷绝缘漆，根据蛇形加热管、储水罐外形绕成多匝空 心线圈，线圈间距8亳米，用绝缘板固定。
7、 如权利要求l所述的多用节能电磁热水器，其特征是充电器由电源变压器、大功率 二极管、大容量电容器、稳压管组成；电源变压器有两个次级绕组， 一个次级绕组输出连接 大功率二极管全桥整流，整流后经大容量电容器滤波，由三端稳压电路稳压后经固态继电器'的触头连接向蓄电池充电，经另一个固态继电器的触头连接向逆变电路供电；一个次级输出 连接二极管全桥整流，整流后经电容器滤波，正极连接到由电阻、稳压管、电阻串联组成的 分压电路，稳压管负极与电阻连接处连接到单片机控制器中输入输出接口芯片82C55的一个输入端口。
8、 如权利要求l所述的多用节能电磁热水器，其特征是逆变电路由PWM集成芯片及外 围电阻、电容、驱动放大管、逆变开关管、逆变变压器组成；PWM集成芯片选用TL494, 驱动放大管选用NPN型三极管，逆变开关管选用N沟道MOSFET开关管；TL494集成芯片的 时基引脚接一个状态转换开关，状态转换开关分别连接两组由电容、电阻组成的脉宽调制电 路；TL494集成芯片的一路脉冲输出引脚输出的脉宽控制信号，连接一支驱动放大管NPN型 三极管的基极，TL494集成芯片的另一路脉冲输出引脚输出的脉宽控制信号，连接另一支驱 动放大管NPN型三极管的基极，两支驱动放大WNPN型三极管的集电极连接成推挽连接形式 连接蓄电池的负端，两支NPN型三极管的基极与发射极之间分别正向并联二极管； 一支逆变 开关管N沟道MOSFET开关管的栅极，连接一支驱动放大管NPN型三极管的发射极，另一支 逆变开关管N沟道MOSFET开关管的栅极，连接另一支驱动放大管NPN型三极管的发射极， 两支逆变开关管N沟道MOSFET开关管的源极连接后接蓄电池的负端，两支逆变开关管N沟 道MOSFET开关管的漏极，分别与逆变变压器初级线圈连接成推挽形式组成逆变主电路，初 级线圈的中心抽头与蓄电池的正端连接；逆变变压器选用铁氧体磁芯绕制，容量600VA,磁 芯截面50X70平方毫米，初级绕组用直径1.2毫米漆包线，两根并绕2X20匝。逆变变压器 次级线圈有两个绕组， 一个绕组用直径4亳米铜管绕5匝，经串接电容器后连接高频感应 加热圈，一个绕组用直径0.8亳米,线绕400匝，串接电感连接插座。
9、 如权利要求l所述的多用节能电磁热水器，其特征是单片机控制器由单片机系统、 输入接口电路、输出驱动电路组成；单片机系统芯片选用AT89C51,输入输出接口芯片选用 82C55,输入接口电路八组，输出功率驱动电路八组；单片机系统、输入接口电路、两组双 列二十脚插座制作在主电路板上， 一组直流电动机，七组开关控制的输出驱动电路，分别单 独制作单元电路板，两电路板之间通过两组双列二十脚插座，并行电缆插头连接；输入接口 电路具有相同的结构82C55的PA0、 PA1、 PA2、 PA3、 PA4、 PA5、 PA6、 PA7口分别接上 拉电阻后再接输入接口的一端，光电藕合隔离选用4N25,采集的输入信号经4N25隔离后， 连接到82C55的一路输入端口；输出功率驱动电路八路，光电隔离选用4N25,集成驱动选用 74LS06,开关控制管选用TIP127，继电器选用固态继电器，82C55的一路输出信号接光电藕 合4N25，经隔离后的信号接集成驱动74LS06的一个单元，集成驱动74LS06的一个单元输出 信号推动功率放大管TIP127，功率放大管TIP127的开关回路串接固态继电器；在单片机控 制器的控制电源正极与负极之间经串接的四个电阻分压获得三个基准电压，三个基准电压经 三位转换开关，连接到TL494集成芯片输出控制端。
10、 如权利要求l所述的多用节能电磁热水器，其特征是两个高性能蓄电池由双联开关 转换；蓄电池正极连接到由电阻、稳压管、电阻串联组成的分压电路，稳压管负极与电阻连 接处连接到单片机控制器中输入输出接口芯片82C55的一个输入端口。
专利摘要本实用新型涉及一种家庭使用的多用节能电磁热水器，由外壳、蛇形加热管、储水罐、隔热材料、磁化线圈、高频感应加热圈、蓄电池、充电器、逆变电路、单片机控制器组成。由于采用新型电力电子器件，改变了现有的电加热热水器的电气和机械结构，在电网高峰期或电网停电时，由蓄电池供电；在电网低谷期，由220V交流电源供电使用，并对蓄电池充电。节省电能，使用安全，因此，非常适宜在家庭中使用。
文档编号F24H9/20GK201028799SQ200620034979
公开日2008年2月27日 申请日期2006年7月20日 优先权日2006年7月20日
发明者炯 陈 申请人:炯 陈