智能型全方位保护,自动重合闸,多用途流水式电热水器

1.所属技术领域

本发明属于家用电热水器领域，同时又属于电器保护器领域，是两者巧妙结 合为一体化的新型家用电器。名称叫智能型全方位保护，自动重合闸，多用途 流水式(或称即热式)电热水器(以下行文简称流水式电热水器)。

热水，在家庭生活中是不可缺少的，无论洗衣、洗澡、泡足、洗支具…等都 需要它。供应生活用热水的装置统称为家用热水器，在现代家用电器中占有重 要的位置。

在国外，家用热水器已有数十年的历史，目前使用最普遍的类型，如果按发 热源耒分：有电热水器、燃气热水器、煤气热水器和太阳能热水器四大类。本 发明仅涉及电热水器技术。

电热水器，即利用各类电热元件通电时所产生的热能，将凉水加热至所需温 度以供使用的家用电器。它有多种多样的型式，也可采用不同的方法对其分类。 较常采用的是按凉水被加热的方式来分：有流水式和贮水式两大类。

(1).流水式：流水式又称即热式，它是使凉水流过通电发热的电热元件而被 加热的。加热迅速是其最突出的特，一般接通电源，开启自来水阀后， 仅需十几秒钟便有充足的热水，源源不断的流出。因此，最适合于淋浴、 盥洗室、洗支具及泡足等用。此种电热水器不需要水箱贮存凉水，因而 体积小、安装简便，且热效率极高。

(2).贮水式：贮水式是利用电热元件将贮水箱中的凉水加热至所需温度以供 使用的。一般都是凉水陆续由水箱底部流入，经过电热元件加热升温而 上升，在水箱里靠重力循环，使温度趋于均匀。当水箱上部的水已达到 适宜的温度，便可由上部的出水口引出使用。这类电热水器视其容积， 决定需要预加热时间的长短，用在淋浴最少要预加热10分钟已上，因水 箱体积较大，散热面积大，热效率较低，且安装空间较大，费用较高。

本发明涉及的电热水器为流水式，电热元件的工作状态为内插加热式，分 工不同的三个加热元件均浸没入水中，因此，也称为浸没加热式。由于电热 元件的四周被水浸没，它所发出地热能向水中的传递十分充分、迅速，故热 效率高达98％以上，符合世界及我国节能降耗的潮流。

2.背景技术

近半个世纪以来，由于石油、燃气资源日益沽竭，价格日日看涨，加之使用 这类能源所造成对大气的污染，人们一直在寻求能快速生产适合于淋浴、盥洗 室、泡脚及洗支具等用热水的方法，并制造了电热水器，为了提高热效率，近 几年有些厂家生产了所谓的流水式电热水器，其实不然，大多是贮水式电热水 器，其缺点前一节已表叙，另外这种热水器生产出来的热水大都使用不完，白 白浪费，庞大的水箱使安装空间过大，安装费用增加，从而使所生产的热水成 本增大，价格昂贵，性价比大大降低，得不到大多数家庭认可。近年耒，有些 产品号称是【目前世界最尖端的高科技“××”技术制造，是水龙头热水器之 换代产品】而究其原委仅是将NTC电热元件密封后，浸泡在水龙头中，没有什 么保护设施，更没有水温自动控制，因而水温有时高得烫伤人，有时低得冻坏 人，另外NTC电热元件不能干烧，当缺水或少水时，电热元件将被烧断，若进 一步恶化，产生火花放电，将绝缘烧穿，则会产生危及生命的漏电电压，整个 淋浴装置及流出的水都带有漏电电流，淋浴的人将会触电，严重时将会因触电 而死亡。总而言之，目前还没有一个真正价廉物美、安全可靠、用户放心使用 在淋浴上的流水式(或称即热式)电热水器。

3.发明内容：

本发明的目的，在于避免现有技术的不足，而提供一种价廉、物美、多用途、 全方位保护、能自动调节出水口温度、能防止发热元件烧断、能自动重合闸、 安全可靠的流水式(或称为即热式)电热水器。本发明不仅可用作淋浴、而且 可快速提供用于盥洗室、洗支具、洗衣、泡脚所用的热水。本发明由两部分组 成，包括：一为带有PTC(或NTC)电热元件的电热水器水龙头及其附件(例 如：淋浴用莲蓬头及支架、精制水龙头等)，另一为在本人已申请发明专利的、 初审合格的“智能型家用电器、电源自动重合闸保护断路器”(以下行文简称 之为保护断路器)的基础上研发而成的全方位保护断路器(专利申请号： 2007101467514)。该保护断路器又由两部分组成：一为有灭弧装置的小型塑壳 空气断路器、另一部分为多功能保护器，它能同时直接对供电电源电压、负载 电流、漏电电流、雷电感应过电压、涌流，电热水器的电热元件温升、出水口 温度、供电电线的温升等数个物理量进行同步监测，从而使流水式电热水器， 输电线及供电电源处于严密的监控下进行运作。当故障消除后，经延时1～3分 钟后，自动重合闸进行供电。同时，保温电热元件自动启动，对热水保温。本 发明对出水口的热水温度可进行微调，无论是春天、夏天、秋天还是冬天，无 论是南方还是北方，无论是城市还是乡村，无论是供给的凉水水压高还是水压 低，本发明都能同时供给用户用于淋浴、盥洗室、洗支具、洗衣、泡脚等满意 的热水，从而使原有的技术更加完善，本创意在国内外没有先例，是首次出现 如此先进的理念和技术，实属创举。

6.本发明相比现有技术具有如下优点：

1.微电子集成电路化，保护功能齐全，结构紧凑，容易安装调试，成本低廉， 动作准确，安全可靠。

2.集现有的对人身、用电器具、供电、输电网络等的保护方法于一体，能对 各种电热水器，供电、输电网络，供电电源等实施全方位保护。特别能对 电热元件、输电电线的温升进行监测、控制，对电热水器龙头的出水口水 温进行监控微调；另外，还设有市电电源指示灯，六只事故报警兼事故性 质指示灯、安全运转指示灯，这些装置便于用户即时了解电热水器，供电、 输电网络等的运作情况及故障性质。

3.本发明有预防性保护功能——静态保护功能，当运行条件不具备时，本保 护断路器不会自动供电，也拒绝执行供电的指令，从而确保了流水式电热 水器在额定条件下安全运行。

4.本发明中的保护断路器具有过热保护功能(设有三个温度传感器)，独创 的漏电保护方法，前者可确保流水式电热水器的电热元件不会因干烧而烧 毁，更不会因电热水器龙头用作淋浴时，其出水口的水温过热而烫伤人， 供电电源线的温升不会超过国家标准，消除了火灾隐患；后者可确保流水 式电热水器的外壳、流出的热水及输电网络永不带有能危及人身安全的漏 电电压或漏电电流，从而消除了人们可能触电的前提，是现有技术所无法 匹敌的，其采样的方法更是现有保护技术领域的重大突破。

5.本发明中的保护断路器可迅速出流水式电热水器及输电线的漏电点，并 加以除，避免了事故进一步扩大，提高了供电质量，消除了火灾及触电隐 患，是现有漏电断路器所望尘莫及的。

6.本发明中的保护断路器有自动重合闸功能，当故障消除恢复原状后，延迟 1～3分钟后能自动合闸送电。若不需要延迟，可按下快速起动按钮AK1， 则本发明中的保护断路器马上合闸送电，是现代低压电器、家用电器保护 器技术的创举，用其作为流水式电热水器的保护神则更是天衣无缝的妙 举，大大提高了水流式电热水器作为淋浴用温水的挡次，确保了淋浴者的 舒畅和安全。

7.本发明中的流水式电热水器使用了三件PTC或NTC电热元件，作为热源， 通过功率变换开关TK的变换，因而能适应春、夏、秋、冬四季，[无论是 南方还是北方，凉水(自来水)水压高或低]淋浴用热水的供给，且有自 动保温功能。安装本发明的附件后，本发明能同时供给盥洗室、洗支具、 洗衣、泡脚等用热水，本发明适应性之广，快速燃气热水器也会自叹不如。

8.本发明有PE保护端子，可作为地线使用，当与流水式电热水器外壳相接， 则能确保流水式电热水器及流出的热水或凉水不带有危及人身安全的漏电 电压或漏电电流。因而，使用本发明的流水式电热水器，安装时外壳不必 接地线，这一创举扩大了本发明的使用面，杜绝了电热水器因地线接触不 良而引发的漏电，造成触电事故。

9.本发明由两大部分组成，两大部分组合非常简便，只要将已连接好了的流 水式电热水器引出的四位插头，插入保护断路器面板上的四位插座中，两 者就结合为一体，成为新型的家用电器，称之为智能型全方位保护，自动 重合闸，多用途流水式(即热式)电热水器。

注：PTC电热元件——具有正的温度系数的半导体功能陶瓷。

NTC电热元件——具有负的温度系数的半导体功能陶瓷。

5.附图说明：

图1为本发明的方框图、

图2为本发明的外型结构图、

图3为本发明的电气原理图、

图4为本发明的电热元件功率变换图。

4.具体实施方式：

本发明可通过下面的措施达到，本发明由两大部分组成，一为带有PTC或 NTC电热元件的电热水器水龙头及其附件，另一为全方位保护断路器。三块PTC (或NTC)电热元件及温度传感器Rt1插入一铜制支架，对电热元件的温升进 行监控，支架埋入进水管中，支架上有接线端子，与电热元件相连接，其引出 线通过四位插头与保护器上的四位插座相连，支架中钻有孔，便于凉水通过， 支架安放电热元件及温度传感器的槽用防水、耐高温的怀氧树脂密封。温度传 感器Rt2则紧贴在流水式电热水器水龙头的出水管上，对水温进行监控。温度 传感器Rt3则捆绑在输电电线上，对输电线温升进行监测；另一部分为全方位 保护断路器，保护断路器又由两部分组成：一为有灭弧装置的小型塑壳空气断 路器，另一部分为多功能保护器，其外壳(称为机箱)由塑料注成。内部机芯 是印刷电路板，其上装有电源电路、电压采样电路、基准电压电路、电位比较 电路、延时电路、快速起动电路、执行机构等，其特征在于：

A.还有温度采样及转换电路、漏电采样及转换电路、故障性质报警及发光二 极管显示电路、驱动及保持电路、检测按钮、功率变换开关、水温微调旋 钮、四位输出电源插座及PE端子；电源相线经由空气断路器的输入端子 接入，中线经由二位接线端子接入，并将输入220V的电源与功率降压变 压器原绕组相连、副绕组经整流滤波后作为主控板的电源、再经稳压电路 稳压、经整定，分别送给电位比较器的七个运算放大器[F1、F2、F3、F4、 F5、F6、F7]，作为基准电位，另一路经由电压采样电路采样送入电位比 较器F3、F4的比较端。

三个温度传感器从流水式电热水器的电热元件、热水出口及供电线输入端检 测到的信号，经由温度采样及转换电路转换后，分别送至电位比较器F7、F6、 F2的比较端。

B.漏电传感器从流水式电热水器的外壳检测到的漏电电流信号，经由漏电电 流采样及转换电路转换后，送至电位比较器F5的比较端，F5的输出用来 触发保持电路。

C.三个温度传感器的感温元件已埋置在铝套壳内，温度传感器Rt1埋置在铜 支架的槽中，温度传感器Rt2紧贴在流水式电热水器水龙头的出水管上， 温度传感器Rt3则捆绑在输电电线的输入端。

D.漏电传感器的感应元件已安装在机芯上，其引出线的一端通过分压、整流 后，与比较器F5的比较端相连接，另一端与四位插座中的一个端子相接， 作为PE端子，在没有地线的场所、可用电线从PE端子引出当作地线。 用户使用时，只须将已经连接好电线的四位插头，插入电箱面板上的四位 插座中，本保护器便能对漏电电流、漏电电压进行监控。

E.由于雷电感应所引发的过电压和涌流，在本保护器所保护的范围内，当其 值超过了本保护器的过电压保护值的上限，或漏电电流的允许值，本保护 器均会发出跳闸的指令，切断与供电电源的联接点，确保了人身安全，也 保护了流水式电热水器、输电线路不受损坏。

本发明将结合实施例的附图1～4作进一步详述：参照图1、图2，本发明由 空气断路器1、电源电路2、电压采样电路3、温度采样及转换电路4、漏电 流采样及转换电路5、电位比较电路6、故障指示报警电路7、驱动及保持电 路8、快速起动电路9、自动(延时)起动电路10、给定电压电路11、运转 指示发光二极管电路12、驱动电路13、执行机构14、四位输出插座15、四 位接线插头16、流水式(即热式)热水器水龙头及其配件17、温度传感器18、 漏电传感器19、检测按钮20、快速起动按钮21、功率变换开关22、热水器 龙头出水温度微调旋纽23、机箱24等组成。机箱24的面板上安装有市电电 源指示发光二极管LED1、低电压故障指示发光二极管LED2、过电压故障指示 发光二极管LED3、输电线过热故障指示发光二极管LED4、运转指示发光二极 管LED5、漏电或短路或雷电感应故障指示发光二极管LED6、电热元件干烧故 障指示发光二极管LED7、流水式电热水器水温过热故障指示发光二极管 LED8、四位输出插座15、检测按钮20、快速起动按钮21、功率变换开关22、 水温微调旋纽23、空气断路器的操作手柄露出机箱24的面板上。参照图3， 图4，电源电路2由功率降压电源变压器B、整流桥D1～D4、电容C1等组成， 电压采样电路3由V1、R2、R3、C2等组成，温度采样及转换电路4由Rt1、 Rt2、Rt3、RP4、RP7、RP9、R9、R15、R17等组成、漏电流采样及转换电路5 由R11、R12、R13、R14、VD7等组成，电位比较电路6由七个运算放大器[F1、 F2、F3、F4、F5、F6、F7]组成，故障指示报警电路7由R5、发光二极管LED2、 LED3、LED4、LED5、LED6、LED7、LED8等组成，驱动及保持电路8由R5、VT、 R10、F5等组成，快速起动电路9由R6、AK1、F1、C4等组成，自动(延时) 起动电路由RP5、R7、F1、C4等组成，给定电压电路11由V1、V2、、RP1、RP2、 RP3、RP6、RP8、R2、R4、C3等组成，运转指示发光二极管电路12由C5、R8、 LED5等组成，驱动电路13由BG、VD6、C6等组成，执行机构14由两个继电 器J1、J2担当，检测按钮20由AK2组成，快速起动按钮21由AK1组成。 电热元件由RT1、RT2、RT3组成、是三块PTC(或NTC))薄板，由功率变换 开关22控制。

本发明具有下述保护功能

(1)静态保护功能(或称预防性保护功能)：

A.当电源电压为额定值，流水式电热水器、电线等设备没有漏电故障，合上 开关DK，保护器面板上的电源指示灯LED1(绿)亮，电位比较器F2、 F3、F4、F6、F7的“+”端电位都高于“-”端的基准电位，经比较器 比较后它们都有高电位输出，LED2、LED3、LED4、LED7、LED8都不亮，VD5 截止。同时，整流电源经RP5、R7向C4充电，而C4正极又与F1的“+” 端相接，当C4两端的电压超过F1的“-”端电位时，则F1输出端有高 电位输出→经R8、LED5触发BG→BG导通→旋动功率变换开关、调节其档 位可控制继电器J1、J2同时得电吸合→常开触头J11、J21闭合→电热元 件RT1、RT2被接通：同时LED5亮，若合上空气断路器ZK，并开启自来 水龙头后，则输出端有被保护的电源输出，电热元件RT1、RT2得电，经 十几秒钟后就有源源不断的热水流出，此热水可供冬季使用；若在其它季 节仅使继电器J21闭合，电热元件RT2得电，便可得到相同温度的热水， 若在南方炎热的夏天，不需要将凉水加热，则只需断开空气断路器，不向 电热元件供电，则电热水器有源源不断的凉水流出。电热元件RT3用作保 温。若流水式电热水器有漏电故障未排除，且有危及人身安全的可能时， 当合上空气断路器ZK后，漏电流传感器马上便会检测到这一漏电电流， 经漏电电流采样及转换电路的转换、VD7整流后，送入F5的“+”端， 使“+”端的电位高于“-”端的基准电位，则F5输出高电位→经R10 触发VT→VT导通→LED6亮→A点被钳制在低电位；F1无高电位输出→LED5 不亮→BG不导通→继电器J1、J2失电释放→触头J11、J21开断→切断 供电电源。流水式电热水器的电热元件故障不会再恶化，其外壳永远不会 带危害人身安全的电在，确保了人身安全，开断过程能在0.1～0.2秒内 完成。

B.当电源电压偏高，其值超过255V时，合上开关DK，保护器面板上的市电 电源指示灯LED1亮，经由电压采样电路采样送至C点，此时，F4“-” 端的电位会高于其“+”端的基准电位，F4输出低电位，电流经R5、LED4 流入F4→LED4亮→A点电位被钳制在低电位→VD5导通→C4放电，从而 使F1的“+”端电位也处于低电位，且其电位值低于“-”端的基准电 位，F1无输出→→BG不导通→继电器J1、J2不吸合→LED5不亮→常开 触头J11、J21不闭合，此时即使合上空气断路器ZK，输出端也不会有被 保护的电源输出，发热元件无电不能运转，达到了过电压保护电热元件的 目的。

C.当电源电压偏低，其值低于150V时，合上开关DK，外电电源指示灯LED1 亮，经由电压采样电路采样送至C点，此时，F3“+”端电位会低于“-” 端的基准电位，F3输出低电位，电流经R5、LED3流入F3→LED3亮→A点 电位被钳制在低电位→VD5导通→C4放电，从而使F1的“+”端电位也 处于低电位且其值低于“-”端的基准电位，F1无输出→BG不导通→继 电器J1、J2不闭合。此时，即使合上空气断路器ZK，输出端也没有被保 护的电源输出，电热元件无电不能运转，达到了低电压保护的目的。

以上三项称之为静态保护或称之为预防性保护功能，即当运行条件不具 备时，本保护断路器不会自动供电，也拒绝执行供电的指令，这些保护功能 是现有任何一种保护装置都不具备的，本发明开创了先河。

(3).动态保护功能：

A.自动重合闸

a.当正常运行的流水式电热水器，因某种原因，例如：电网供电电压升高(或降 低)且其值超过255v(或低于150v)时，或临时切断供电电源，则电压采样电 路采得的瞬时电压值，将经过R3送至C点，再分别送入F4、F3的比较端，当 C点的电位超过了上限基准电位(或低于下限基准电位)，则F4(或F3)有低 电位输出→LED4(或LED3)亮→A点电位被钳制在低电位→VD5导通→C4放电， 从而使F1的”+”端电位也处于低电位，且其电位值低于“-”端的基准电位， F1无高电位输出→BG不导通→继电器J1、J2失电释放→常开触头J11、J21断 开→切断供电电源，同时，运行指示灯LED5熄灭。如果电网电压电恢复正常， 则F4、F3均无低电位输出，LED4(或LED3)熄灭，电源经RP5、R7对C4充电， 经1～3分钟后，C4两端的电压高于F1的“-”端基准电位时，F1输出高电位 (若不需要延时供电，只须按下快速起动按钮AK1，则整流电源经过R6对C4 充电，C4两端的电压瞬间便会高于“-”端的基准电位→F1输出高电位)→LED5 亮这→BG导通→继电器J1、J2得电吸合→常开触头J11、J21闭合→保护器恢 复正常供电，流水式电热水器又开始运作。

b.因某种原因输电线温升不断升高，(或电热元件产生干烧、或水龙头输出的热水 过热)、当其达到极限允许值附近时，本保护断路器的温度传感器Rt3、(或Rt1、 或Rt2)将监测到这一变化，并经本保护断路器的温度采样及转换电路转换后， 输入F2(或F7、或F6)“+”端的电位将会比作为基准电位的“-”端低→F2 (或F7、或F6)输出负电位→LED2(或LED7、或LED6)亮→A点被钳制在低 电位→VD5导通→C4放电→F1无电位输出→BG不导通→继电器J1、J2失电释 放→常开触头J11、J21断开→电源仃止供电，过热的输电线(或电热元件，) 得到了保护。同时，运行指示灯LED5熄灭。当输电线温度(或电热元件)慢慢 冷却，经本保护断路器的温度采样及转换电路转换后，“+”端的电位会逐渐增 高，当这个电位高于“-”端电位后，F2(或F7、或F6)的输出变为高电位→ LED2(或LED7、或LED6)不亮→VD5截止，整流电源经过RP5、、R7向C4充电， 当C4两端电位高于F1的“-”端电位时，F1输出高电位→LED5导通→继电器 J1、J2得电吸合→常开触头J11、J21闭合，电源自动恢复供电，流水式电热 水器又开始运作，源源不断地供应热水。

B.漏电、短路、雷电感应保护

a.当电热水器的电热元件、输电线路因绝缘老化、损坏等原因而引发漏电，本保 护断路器的漏电流传感器会即时发觉并马上采样，将采取到的瞬时漏电电流经 转换电路转换、VD7整流后送至F5的“+”端，一旦漏电电流达到足以危及人 身安全的数值时，F5的“+”端电位将会高于“-”端电位→F5输出高电位→ VT触发导通→LED6亮→A点被钳制在低电位→VD5导通→C4放电→F1无高电位 输出→LED5熄灭→BG不导通→继电器J1、J2失电释放→触头J11、J21断开→ 供电电源被切除，既保护了人身安全，流水式电热水器的电热元件的故障又不 会进一种步扩大。

b.当流水式电热水器、输电网络在运作过程中发生短路故障时，则电压将会降低、 电流会增大，造成如前所述的电压过低的故障状态，(同时，也会造成与漏电故 障相似的效果)，比较器F3有低电位输出→LED3亮→A点被钳制在低电位→VD5 导通→C4放电→F1无高电位输出→LED5熄灭→BG不导通→继电器J1、J2失电 释放→触头J11、J12断开→供电电源被切除→流水式电热水器退出运作，故障 点不会进一步扩大，保护了流水式电热水器及输电网络、供电电源，同时也保 护了人身安全，整个过程能在0.1～0.2秒内完成。另外，小型塑壳空气断路器 自身也具有短路保护功能。

c.当雷电直击靠近本保护断路器所保护的范围内时，输电网络将会产生感应过电 压、冲击涌流，入侵本本保护断路器的输电线路，此时，本发明的多功能保护 断路器的过电压保护、漏电流保护等有关的保护功能，会发出跳闸指令，切断 与供电电源的联系点，使本保护断路器所保护范围内的全部用电器具得到有效 保护。

以上各项为动态保护功能，计有：①自动重合闸保护，②过电压保护，③低 电压保护，④过热保护，⑤电热元件防干烧保护，⑥短路保护，⑦雷电感应保护， ⑧漏电保护，⑨合闸延时保护。

D.如何寻漏电点：

当要寻漏电点时，只须将DK开断(小型塑壳空气断路器ZK不必断开)，

将四位插头拔出后，再合上开关DK，按下快速起动按钮AK1，此时，LED5应 亮，(若它不亮而是漏电事故指示灯LED6亮，则说明输电线绝缘损坏漏电， 应将开关DK开断，逐段寻漏电点加以排除)，再将流水式电热水器的四位 插头插入面板上的四位插座中，一旦出现了事故指示灯LED6亮，LED5熄灭， 则表明该电热水器具有漏电故障，只有将漏电故障消除了，本保护断路器才 允许供电，不然，故障指示灯LED6总会发亮，告诫用户该电热水器有漏电故 障未消除，不能再强行使用。这一保护特性确保了流水式电热水器的外壳永 远不会带有危及人身安全的漏电电压或漏电电流。这是现有各种漏电保护断 路器所不具备的，是保护器技术的重大突破。