专利名称：智能恒温混水装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种智能恒温混水装置。
背景技术：
混水装置是将热水和冷水进行混合，从而输出所需温度的温水。输出的温水可提供给水龙头或是淋浴花洒。目前市场上的混水装置主要是机械式，有机械式非恒温型和机械式恒温型两种。机械式非恒温型，需要用户手动进行调节以达到需要的水温，而且在热水或冷水进水条件发生变化的时候，比如进水压力或进水水温发生变化，出水水温也会发生变化，用户需要再次进行手动调节来达到需要的出水水温。在某些极端的进水条件变化下，比如当冷水水压突然下降的很低或消失，这时出水水温接近热水温度，这样就有可能造成烫伤的危险。机械式恒温型，用户可以设定需要的出水温度，而且能够对热水或冷水进水条件发生变化的时候能够使出水温度保持或接近原来的设定温度。但这种混水装置对水温控制的精确度不是很高，而且对热水或冷水进水条件发生变化的时候的反应不是很快。特别是在水压突然变化时，出水温度会出现波动。用户会感到不舒适。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能自动控制出水温度、并且在不同的进水条件，以及进水条件发生变化时，对出水温度和流量控制的精确度较高的智能恒温混水
直ο为解决上述问题，本发明采用的技术方案是智能恒温混水装置，包括中空的阀体和控制器，阀体上设置有冷水进口、热水进口和出水口，所述阀体内在冷水进口处设置有冷水流量控制机构和冷水温度传感器，阀体内在热水进口处设置有热水流量控制机构和热水温度传感器，阀体内在出水口处设置有出水温度传感器、出水流量传感器和电磁阀，冷水温度传感器、热水温度传感器、出水温度传感器和出水流量传感器均与控制器通讯连接，冷水流量控制机构、热水流量控制机构和电磁阀均由控制器控制。所述的冷水流量控制机构和热水流量控制机构的结构相同，包括设置在阀体中的冷水进口或热水进口处的阀芯座，阀芯座中部设置有通孔，并在两侧分别设有两个环形凸台，凸台上有密封圈槽，每个槽中卡有密封圈，阀芯座的通孔中设置有阀芯，阀芯与阀芯座之间以密封圈相连接，阀芯包括与密封圈内径相配合的圆柱体关闭段及沿轴线截面积逐渐减小的控制段，阀芯与可驱动阀芯沿通孔轴向移动的驱动装置相连接，驱动装置由控制器控制。所述阀芯包括一个关闭段和一个控制段，关闭段的长度大于阀芯座左右两端密封圈之间的距离，在阀芯的移动范围内，阀芯座一侧的密封圈永远和关闭段接触形成对进水的密封，阀芯座另一侧的密封圈可处于阀芯关闭段和控制段，该侧为单出口流量控制机构出水口。所述阀芯包括两个关闭段和两个控制段，阀芯的组成形式为一个关闭段一端与一个控制段的最大截面端相连，该控制段的最小截面端与另一关闭段的一端相连，该关闭段的另一端与另一控制段的最大截面端相连，两个控制段的结构相同，控制段的最大截面和关闭段截面大小一样，阀芯中间的控制段和关闭段的长度之和等于阀芯座左右两端密封圈之间的距离，当阀芯座左右两端密封圈处于控制段，进水将分别从阀芯座两侧流出形成两个出口，这两个出口有通道相连。所述的阀芯座的两个环形凸台之间设置有通道，通道与冷水进口或热水进口相连
ο所述密封圈是一种弹性件，在水压下会产生变形；密封圈所在的密封圈槽的内径稍大于密封圈的外径，使得密封圈在水压下产生向着阀芯方向变形，水压越大，变形越大。所述阀芯控制段截面与密封圈形成的流通面积在不同的水压下会产生变化，随水压增加而减少，随水压减少而增加。所述的驱动装置为线性驱动装置，可为线性步进电机或线性电机。本发明的有益效果是上述的智能恒温混水装置，其结构简单、使用方便。其能自动并且准确地控制出水温度及流量控制，对出水温度控制的精确度较高，出水温度可控制在设定温度的正/负1度以内，并且当进水条件发生变化时，出水水温波动小或没有波动；准确的流量控制可以达到节能节水的功能。在一段时间未使用后可以自动冲洗以保持清洁，而且可以自动热水消毒、自动故障诊断、自动过温保护、自动预热，而且还可以联网进行远程控制等。
图1是本发明的轴剖结构示意图；图2是本发明的另一种结构的轴剖结构示意图；图3是图1中密封圈和阀芯部分的剖视图；图4是出水温度传感器的结构示意图；图中1、阀体，2、冷水进口，3、热水进口，4、出水口，5、冷水温度传感器，6、热水温度传感器，7、出水温度传感器，71、端口，8、阀芯座，81、环形凸台，82、通道，83、密封圈槽，84、阀内通道，10、阀芯，101、关闭段，102、控制段，11、线性步进电机，12、密封圈。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明智能恒温混水装置作进一步的详细描述。如图1所示，智能恒温混水装置，包括中空的阀体1和控制器(图中未示出)，阀体1上设置有冷水进口 2、热水进口 3和出水口 4，所述阀体1内在冷水进口 2处设置有冷水流量控制机构和冷水温度传感器5，阀体1内在热水进口 3处设置有热水流量控制机构和热水温度传感器6，冷水流量控制机构的出口和热水流量控制机构的出口相连通，并且和阀体1的出水口 4相连通，阀体1内在出水口 4处设置有出水温度传感器7、出水流量传感器(图中未示出)和电磁阀(图中未示出)，冷水温度传感器5、热水温度传感器6、出水温度传感器7和出水流量传感器均与控制器通讯连接，冷水流量控制机构、热水流量控制机构和电磁阀均由控制器控制。作为优选方案，所述的冷水流量控制机构和热水流量控制机构的结构相同，所以此处以冷水侧流量控制机构为例解释。该流量控制机构包括设置在阀体1中的冷水进口 2处的阀芯座8，阀芯座8中部设置有通道82，阀芯座8的通道82中活动设置有阀芯10，阀芯座8的两侧分别设有两个环形凸台81，每个环形凸台81的内圈壁中设置密封圈槽83，每个密封圈槽83中卡有密封圈12，阀芯10包括与密封圈12相配合的圆柱体关闭段101及沿轴线方向截面积逐渐减小的控制段102，在阀芯10的移动范围内，左侧密封圈始终处于关闭段101，所以无进水从阀芯座8的左侧流出，当阀芯10移动到最右侧，右侧密封圈处于关闭段101，则进水被关闭，当阀芯10移动到右侧密封圈处于控制段102，进水从右侧密封圈与阀芯10之间的流通面流出，通过移动阀芯10可改变流通面积，从而改变流量。其中冷水流量控制机构和热水流量控制机构可以分为单出口流量控制机构和双出口流量控制机构。其中单出口流量控制机构的结构为阀芯10上有一个关闭段101和一个控制段102，关闭段101的长度大于阀芯座8左右两端密封圈12之间的距，在阀芯10的移动范围内，阀芯座8 一侧的密封圈12永远和关闭段101接触形成对进水的密封，阀芯座8另一侧的密封圈12可移动于阀芯关闭段101和控制段102，该侧为单出口流量控制机构出水口。其中双出口流量控制机构的结构如图2所示阀芯10是由两个关闭段101和两个控制段102组成，阀芯10的组成形式为一个关闭段101 —端与一个控制段102的最大截面端相连，该控制段102的最小截面端与另一关闭段101的一端相连，该关闭段101的另一端与另一控制段102的最大截面端相连，两个控制段102的结构相同，阀芯10中间的控制段102和关闭段101的长度之和等于阀芯座8左右两端密封圈12之间的距离，这样可以保证阀芯座8左右两端密封圈12同时处于关闭段101或控制段102，当阀芯座8左右两端密封圈12处于控制段102，进水将分别从阀芯座8两侧流出形成两个出口，这两个出口有阀内通道(84)相连，以达到水压平衡。此设计得好处为1.阀芯10始终处于压力平衡状态，这样对于驱动装置驱动力的要求就会降低，从而降低驱动装置的功耗和节省成本。2.可以在阀体大小不变的情况下，使流量增加一倍。阀芯10与可驱动阀芯10沿通孔轴向移动的驱动装置相连接，该驱动装置可以为线性步进电机11或线性电机，线性步进电机11由控制器控制，阀芯10与阀芯10座8之间的连接处设置有密封圈12，所述的密封圈可以为橡胶圈12之类的弹性部件，在水压下会产生变形；密封圈所在的密封圈槽的内径稍大于密封圈的外径，使得密封圈在水压下变形向着阀芯方向，水压越大，变形越大。作为优选方案，所述的阀芯座8与阀体1为一体结构，每个阀芯座8的两个环形凸台81之间设置有通道82，通道82与冷水进口 2或热水进口 3相连通，当然，所述的阀芯座8与阀体1也可以为分体结构，均属于本发明的保护范畴。所述阀芯10控制段102截面与密封圈12形成的流通面积在不同的水压下会产生变化，随水压增加而减少，随水压减少而增加，其效果是无论水压如何变化，流量几乎保持不变。
本发明的工作原理是用户根据需求设定好出水口 4所需出水温度。工作时，由冷水温度传感器5和热水温度传感器6实时监控冷水进口 2和热水进口 3的温度，出水温度传感器7实时监控出水口 4的出水温度，当出水温度与设定温度出现偏差时，控制器得到信号，并且控制冷水流量控制机构或热水流量控制机构对冷水进口 2或热水进口 3的流量比例进行调节，以使出水温度等于用户设定温度。温度的控制基于下面的公式T0 =TcXA+ThXB⑴
A =a Qtotal( )
B =Qh Qtotal(iii)
Qtotal=Qc+Qh(iv)
τ --- 1 O—出水测量温度
Tc -—冷水测量温度
Th -—热水测量温度
Qc -—冷水流量
Qh -■ 热水流量
Qtotal——总出水流量，为冷水流量和热水流量之和
A――----冷水流量占总出水流量的比例
B――----冷水流量占总出水流量的比例
从公式(i)可以看出，出水的温度取决于冷/热水水温以及冷
量中比例。其控制方法有两种方法1 冷水流量控制机构和热水流量控制机构同时工作当出水测量温度高于用户设定温度时，冷水流量控制机构驱动冷水侧的阀芯10来增加冷水的流量，同时热水流量控制机构驱动热水侧的阀芯10来减少热水流量。这样冷水比例上升和热水比例下降，从而使出水水温下降。当测量温度低于用户设定温度时，冷水流量控制机构驱动冷水侧的阀芯10来减少冷水的流量，同时热水流量控制机构驱动热水侧的阀芯10来增加热水流量。这样冷水比例下降和热水比例上升，从而使出水水温上升。这种控制方法的特征在于对冷/热水的流量同时进行控制调整，控制调整的速度快和效率很高。这种控制方法适用于储热式热水系统(即有加热好的热水储存在容器里)。这种热水系统的特征在于热水水温不会随着热水流量的突然变化而变化。这样Th在控制中保持恒定，使得控制反应速度快而且稳定。方法2 以冷水流量控制机构工作来调节水温为主，热水流量控制机构基本不参与出口水温的调节以保持热水流量的稳定。这种控制方法适用于用即热式热水装置来提供热水的系统，如燃气热水器或电加热即热式热水器。这种装置的特征在于热水的温度取决于热水的流量。因为装置的功率是一定的，热水流量大，则热水水温就低；热水流量小，则热水水温就高。如果采用方法1来控制，在调节热水流量时，热水水温也会发生变化。这样就会增加控制的难度，而且很容易出现出水水温不稳。而方法2在控制中保持热水流量的恒定，这样热水水温就会保持恒定，控制的效果就会很好。温度控制是通过流量控制机构来实现的。流量控制机构的驱动快慢和驱动幅度是由控制器决定。控制器是一套程序算法，它是通过测量的出水温度和设定温度的差值来计算出最佳的驱动信号。控制方法1和2有各自的一套控制算法。为了能让测量得出水水温更准确，出水温度测量点离冷热开始混合处会有一些距离，这样可以让冷热水充分混合，但是，这样又会造成测量的延时。同时，温度传感器本身有反应延时，流量控制机构也有延时。如果控制器让流量控制机构的反应速度过快，由于这些延时的存在，温度控制会出现不稳定。如果控制器让流量控制机构的反应速度过慢，出水温度达到设定温度的时间需要很长。所以控制器需要平衡反应速度和稳定性。温度控制包括温度主控制和温度补偿控制。温度主控制是根据出水温度传感器7感测到温度和设定温度的差值，通过一套控制算法来控制冷水和热水的比例，已达到温度控制。温度补偿控制是在进水条件突然变化时进行补偿控制使得出水温度不偏离设定温度。温度补偿控制分为对进水温度变化的补偿和对进水水压变化的补偿。在温度主控制中，当冷水或热水水温发生变化时，控制器只有在出水温度传感器7感测到温度变化才会驱动流量控制机构对温度进行修正。这样出口水温就会先偏离设定温度，然后再回到设定温度。偏离的大小取决于进水水温的变化速度和大小。进水温度的补偿可以减小甚至消除这种偏离。这种补偿是通过装在冷水进口 2和热水进口 3处的冷水温度传感器5和热水温度传感器6对进水水温进行感测，当进水水温发生变化时，进水温度的补偿控制器发出驱动信号使流量控制机构在出水温度传感器7感测到温度变化之前提前移动来修正冷水和热水比例，从而使出水水温保持稳定，不偏离设定温度。进水水压的变化会使出口水温偏离设定温度。这是因为进水水压的变化使得进水流量产生变化，从而使冷水和热水的比例产生变化。在温度主控制中，这种变化会有控制器来修正使得出水温度回归设定温度。同样是因为控制器只有在出水温度传感器感(7)测到温度变化才会驱动流量控制机构对温度进行修正，这样出口水温就会先偏离设定温度，然后再回到设定温度。偏离的大小取决于进水水压的变化速度和大小。进水水压变化补偿可以减小甚至消除水压变化对出口水温的影响。这种补偿是本发明最重要的特征之一。这是一种机械式补偿，所以能达到快速及时补偿。其工作原理可以通过图1中冷水流量控制机构来解释。图3为流量控制机构中密封圈12和阀芯10控制段部分的剖视图，流量的大小取决于进水口与出水口 4的压差和流通面积大小。在发明中，由于其本身可对流量进行控制，出水口 4 一般不需要节流装置，出口压力近似于大气压力，所以流量大小直接和进水压力有关。在流通面积一定时，流量随着进水压力的增加而增加，随着进水压力的减少而减少。当进水压力一定时，流量随着流通面积的增加而增加，随着流通面积的减少而减少。在本发明中，当密封圈12处于阀芯10控制段的某一位置，进水水压对流通面积有决定性作用。图3a所示为有一定进水压力时的流通面积。密封圈12受到进水压力的挤压而变形，流通面积为变形后的密封圈12与移动阀芯10之间的面积。当进水压力突然减少，流量会随之减少。但是，如图北所示，密封圈12受到进水压力变小，使得挤压变形变小，这样流通面积就会增加，从而对进水水压减少而产生的流量减少进行补偿。这样的效果就是保持流量变化很小或不变。当进水压力突然增加，流量会随之增加。但是，如图3c所示，密封圈12受到进水压力变大，使得挤压变形变大，这样流通面积就会减少，从而对进水水压增加而产生的流量增加进行限制。这样的效果就是保持流量变化很小或不变。这种密封圈12随水压变化而相应变形的特性使得，当密封圈12处在任何一个阀芯10控制段位置，在水压变化时，阀芯10不需要移动就可以流量保持稳定，这样出水温度也会保持稳定，从而达到对进水水压变化而产生的温度变化进行补偿。流量控制是通过将出水流量传感器测得的流量与设定流量进行比较，利用它们之间的差值，由流量控制器来产生控制驱动信号来驱动冷水和热水侧的移动阀芯10使得出水流量达到设定流量。流量控制器使用的控制算法能够在控制流量的同时，出水水温不会受到影响。预热功能—般混水装置在开启后要经过一段时间出水温度才能达到设定温度。这是因为当混水装置在一段时间不用之后，热水进水管中的热水已经冷却，当开启后，这些冷却的水要先排出之后，热水才能流入并和冷水混合出设定温度的出水。本发明中的混水装置具有预热的概念功能。预热功能启动时，混水装置开启，由于热水管中水的水温低于设定温度，冷水流量控制机构将冷水关闭，热水流量控制机构将热水打开至最大流量使热水管中的冷水尽快排出。当热水管中的冷水排出后，高温热水流入混水装置。冷水和热水进行混合，当出水水温达到设定温度时，混水装置关闭出水口 4，进入等待状。同时发出声音或灯光信号来提示用户混水装置预热结束，这时，当用户开启混水装置可立刻得到设定温度的出水。等待状态是有时间限制的，当处在等待状态超过一段时间后仍然没有开启，混水装置会回到停止状态。过温保护本发明中的混水装置具有双重过温安全保护功能。如图4所示，出水温度传感器7可以使用两端口温度传感器。其中一个端口 71用于温度控制，同时该端口 71还用于过温保护。另一个端口 71则是专门用于过温保护。当任何一个端口 71测量温度高于设定的警戒值时，电磁阀关闭，切断出水以防止烫伤。同时，设有最大设定温度以防止用户误操作，使得出水温度过高而造成烫伤。智能冲洗和高温消毒功能混水装置在一段时间没有使用后，积在里面以及出口的水中很容易繁殖出细菌。智能冲洗功能能够在混水装置没有使用一段时间后将其开启。这样就可以把里面的积水排出，从而保持混水装置的清洁。智能冲洗的间隔时间以及冲洗时间可以由用户根据具体的情况进行设定。高温消毒功能混水装置可以关闭冷水进水，只让高温热水流进，这样就可以利用这水的高温对混水专职进行高温消毒。由于消毒只需要高温，所以在高温消毒时，用最小的流量。这样可以达到节能节水的目的。网络功能网络功能是指一个混水装置和另外一个或多个混水装置可以进行互联，再联到计算机或服务器上。通过服务器可以连接到互联网上，可实现在任何一个连接到互联网的计算机上对多个混水装置高效管理。管理员可以对每一个混水装置的运行情况进行监控，修改设置，故障诊断及修复，以及记录其运行数据。这一功能对于安装了比较多混水装置的场所非常有利，比如宾馆、医院以及洗浴中心等等，因为这一功能可以节省很多人力和时间。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
权利要求
1.智能恒温混水装置，包括中空的阀体和控制器，阀体上设置有冷水进口、热水进口和出水口，其特征在于所述阀体内在冷水进口处设置有冷水流量控制机构和冷水温度传感器，阀体内在热水进口处设置有热水流量控制机构和热水温度传感器，阀体内在出水口处设置有出水温度传感器、出水流量传感器和电磁阀，冷水温度传感器、热水温度传感器、出水温度传感器和出水流量传感器均与控制器通讯连接，冷水流量控制机构、热水流量控制机构和电磁阀均由控制器控制。
2.根据权利要求1所述的智能恒温混水装置，其特征在于所述的冷水流量控制机构和热水流量控制机构的结构相同，包括设置在阀体中的冷水进口或热水进口处的阀芯座， 阀芯座中部设置有通孔，并在两侧分别设有两个环形凸台，凸台上有密封圈槽，每个槽中卡有密封圈，阀芯座的通孔中设置有阀芯，阀芯与阀芯座之间以密封圈相连接，阀芯包括与密封圈内径相配合的圆柱体关闭段及沿轴线截面积逐渐减小的控制段，阀芯与可驱动阀芯沿通孔轴向移动的驱动装置相连接，驱动装置由控制器控制。
3.根据权利要求2所述的智能恒温混水装置，其特征在于所述阀芯包括一个关闭段和一个控制段，关闭段的长度大于阀芯座左右两端密封圈之间的距离，在阀芯的移动范围内，阀芯座一侧的密封圈永远和关闭段接触形成对进水的密封，阀芯座另一侧的密封圈可处于阀芯关闭段和控制段，该侧为单出口流量控制机构出水口。
4.根据权利要求2所述的智能恒温混水装置，其特征在于所述阀芯包括两个关闭段和两个控制段，阀芯的组成形式为一个关闭段一端与一个控制段的最大截面端相连，该控制段的最小截面端与另一关闭段的一端相连，该关闭段的另一端与另一控制段的最大截面端相连，两个控制段的结构相同，控制段的最大截面和关闭段截面大小一样，阀芯中间的控制段和关闭段的长度之和等于阀芯座左右两端密封圈之间的距离，当阀芯座左右两端密封圈处于控制段，进水将分别从阀芯座两侧流出形成两个出口，这两个出口有通道相连。
5.根据权利要求2所述的智能恒温混水装置，其特征在于所述的阀芯座的两个环形凸台之间设置有通道，通道与冷水进口或热水进口相连通。
6.根据权利要求2所述的智能恒温混水装置，其特征在于所述密封圈是一种弹性件， 在水压下会产生变形；密封圈所在的密封圈槽的内径稍大于密封圈的外径，使得密封圈在水压下产生向着阀芯方向变形，水压越大，变形越大。
7.根据权利要求2所述的智能恒温混水装置，其特征在于所述阀芯控制段截面与密封圈形成的流通面积在不同的水压下会产生变化，随水压增加而减少，随水压减少而增加。
8.根据权利要求2所述的智能恒温混水装置，其特征在于所述的驱动装置为线性驱动装置，可为线性步进电机或线性电机。
全文摘要
本发明涉及一种智能恒温混水装置，包括中空的阀体和控制器，阀体上设置有冷水进口、热水进口和出水口，所述阀体内在冷水进口处设置有冷水流量控制机构和冷水温度传感器，阀体内在热水进口处设置有热水流量控制机构和热水温度传感器，阀体内在出水口处设置有出水温度传感器、出水流量传感器和电磁阀，冷水温度传感器、热水温度传感器、出水温度传感器和出水流量传感器均与控制器通讯连接，冷水流量控制机构、热水流量控制机构和电磁阀均由控制器控制。本发明为一种混水装置。
文档编号F16K11/22GK102563128SQ20121003829
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月20日 优先权日2012年2月20日
发明者朱祥桢 申请人:朱祥桢