快熱式電熱水龍頭的水位設(shè)計和水溫設(shè)計

孫光耀 徐杰 王旭輝

（寧波市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，中國質(zhì)量認(rèn)證中心寧波（慈溪）檢測中心 浙江寧波 315300）

1 引言

快熱式電熱水龍頭屬于快熱式電熱水器的一種，小而復(fù)雜、居高不下的返修率的產(chǎn)品特點(diǎn)，大部分企業(yè)技術(shù)能力偏差的企業(yè)特點(diǎn)，消費(fèi)者追求高水溫和出熱水快等需求特點(diǎn)，供嚴(yán)重大于求和低價競爭嚴(yán)重的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，共同導(dǎo)致了快熱式電熱水龍頭產(chǎn)業(yè)總體形勢嚴(yán)峻，質(zhì)量參差不齊，產(chǎn)品風(fēng)險較高。

該產(chǎn)品最嚴(yán)重的質(zhì)量問題包括了正常工作狀態(tài)下電熱管、熱保護(hù)器等關(guān)鍵件損壞，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測出水溫度過高，非正常工作狀態(tài)器具變形甚至爆炸，漏水，低溫狀態(tài)下開裂等問題。而其中較難整改的問題當(dāng)屬工作狀態(tài)下關(guān)鍵件損壞和水溫過高。筆者基于理論分析和眾多試驗(yàn)，提出了通過水位設(shè)計和水溫設(shè)計來解決該兩個問題的方法。

2 工作原理

快熱式電熱水龍頭現(xiàn)在普遍使用的加熱方式可分為四類：電熱管式、裸絲式、涂膜式和電磁式。其中又以電熱管式的市場占有率最高，其工作原理見圖1。

手柄帶動調(diào)節(jié)閥運(yùn)動，控制進(jìn)水水流大小，當(dāng)水流足夠大時，水壓啟動水壓開關(guān)，整個電路接通，電熱管開始加熱，同時指示燈亮，水箱內(nèi)的水經(jīng)加熱后由噴帽出水。電熱管外殼接地，防止用戶觸電。熱保護(hù)器在水龍頭發(fā)生故障造成缺水或干燒時切斷電路，防止事故發(fā)生。

3 水位設(shè)計

筆者基于對生產(chǎn)企業(yè)、流通領(lǐng)域等調(diào)研得知，正常使用中熱保護(hù)器或電熱管損壞導(dǎo)致產(chǎn)品返修的情況在全部產(chǎn)品返修原因中位列前茅。在筆者多年的產(chǎn)品檢測過程中，也出現(xiàn)了不少發(fā)熱試驗(yàn)過程中熱保護(hù)器動作的情況。該情況的發(fā)生意味著產(chǎn)品損壞，需要拆開器具，更換熱保護(hù)器或電熱管；對企業(yè)來說，也就意味著客戶返修，甚至退貨，會間接性地提高成品的成本。

目前部分企業(yè)為了解決該質(zhì)量問題所采取的方案有：

（1）提高熱保護(hù)器動作溫度。該方案致使在非常工作狀態(tài)下，熱保護(hù)器不能及時動作，外殼變形乃至爆炸。應(yīng)嚴(yán)禁使用！

（2）通過加入導(dǎo)水槽的方法提高水位，詳見圖2和圖3。但此方法一旦導(dǎo)水槽材料的耐熱溫度過低，極易因離發(fā)熱管過近變形，堵住出水口而熱保護(hù)器又沒有及時動作的情況下發(fā)生爆炸，該現(xiàn)象在筆者的檢測經(jīng)歷中也得到了驗(yàn)證。需慎用！

筆者分析了市面上眾多產(chǎn)品出水口位置、熱保護(hù)器、電熱管的位置細(xì)節(jié)，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象和理論分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生該問題的關(guān)鍵原因在于產(chǎn)品水位設(shè)計的不合理。從而解決該問題最根本方法是產(chǎn)品定型前進(jìn)行水位設(shè)計。此處的水位指的是正常工作狀態(tài)下容器中的水面高低，而水位設(shè)計的關(guān)鍵點(diǎn)在于設(shè)計水面、熱保護(hù)器、電熱管三者之間的相互位置。

熱保護(hù)器一般都是安裝于金屬鞘內(nèi)部，金屬鞘通過焊接方式與電熱管連接。金屬鞘與電熱管的位置如圖4中所示，不同企業(yè)的電熱管稍有差異。目前市面上的熱保護(hù)器的明示動作溫度一般介于104～120℃之間。

水位1時，電熱管頂端和熱保護(hù)器處于水面上方，該種情況下電熱管頂部處于干燒狀態(tài)，內(nèi)部的水蒸氣溫度上升，超過熱保護(hù)器動作溫度，熱保護(hù)器容易動作，同時電熱管干燒部分容易損壞。

水位2時，電熱管處于水中，熱保護(hù)器離開水面或處于水面上，此時器具受內(nèi)部水蒸氣和電熱管的熱影響，導(dǎo)致熱保護(hù)器動作；而電熱管相對不容易出現(xiàn)損壞。

水位3時，熱保護(hù)器和電熱管處于水中，敞開式熱水器的特點(diǎn)是內(nèi)部無壓力，即水溫理論最高溫度為100℃，可以保證質(zhì)量合格的熱保護(hù)器和電熱管均不容易損壞。

很明顯，要減少正常使用過程中關(guān)鍵件的損壞情況，水位3是最合理的。而決定容器中水位的位置的主要是出水口的高度，詳見圖5。

筆者對此方案進(jìn)行了驗(yàn)證，證明可以有效解決目前返修率很高的正常工作中熱保護(hù)器動作和電熱管損壞問題，且不增加任何成本。因此企業(yè)在器具容器注塑過程中對于出水口的位置需置于盡可能高的位置。

4 水溫設(shè)計

快熱式電熱水龍頭產(chǎn)品的主要功能是加熱水，目前該產(chǎn)品的主要的賣點(diǎn)就在于出熱水快。水溫過低會導(dǎo)致客戶因加熱效果不理想而投訴甚至退貨；但水溫一旦過高，就存在著燙傷的風(fēng)險，從筆者檢測經(jīng)驗(yàn)看，至少25%的產(chǎn)品存在著該質(zhì)量問題。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.11-2008中對于水溫的要求通過下述檢驗(yàn)來確定是否合格：器具在額定輸入功率下工作，任何調(diào)節(jié)閥應(yīng)完全打開，把水流調(diào)至使水流開關(guān)或壓力開關(guān)處于動作的臨界狀態(tài)。出水口的水溫不應(yīng)超過95℃，出水口與進(jìn)水口的水溫差不應(yīng)超過75K。試驗(yàn)水溫為15℃±5℃。

快熱式電熱水龍頭的壓力開關(guān)是通過帶有推動桿的硅膠薄膜推動壓力開關(guān)的簧片實(shí)現(xiàn)工作的。硅膠薄膜用于感知水壓情況。如果壓力開關(guān)的簧片間距較小，也就是說啟動壓力低，那么在很小的水流情況下，壓力開關(guān)仍然會被接通，導(dǎo)致出水溫度過高。

為此，筆者采集了全國80個不同生產(chǎn)企業(yè)的樣品進(jìn)行水壓開關(guān)的啟動壓力測試，發(fā)現(xiàn)各個不同企業(yè)水壓開關(guān)的啟動壓力差異較大，分布在0.03 MPa～0.10 MPa之間。為對該范圍內(nèi)的影響進(jìn)行評估，筆者建立測試平臺，進(jìn)行了相關(guān)測試，其中出水溫度測試位置為出水噴帽處，詳見表1所示。

由表1，對于同一臺快熱式電熱水龍頭產(chǎn)品來說，不同的進(jìn)水壓力對出水水溫的影響是非常大的。對于此樣品來說，要保證符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其啟動壓力要到0.06MPa。事實(shí)上，最終影響水溫的是水流量。要使產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)要求，需保證在水壓開關(guān)接通的臨界狀態(tài)，每分鐘水流量足夠大從而加熱所產(chǎn)生的能量不會讓水溫增加超過75K。比熱容計算公式:

表1 不同進(jìn)水壓力下的出水溫度比較

式中：Q—吸收（釋放）的熱量，單位J；

C—比熱容，單位J/(kg·K)，其中水的比熱容為4200 J/(kg·K)；

m—質(zhì)量，單位kg；

焦耳定律：

式中:P—功率，單位W；

t—時間，單位s。

由式1和式2，電熱管式的加熱效率在95%左右，得：

而企業(yè)在設(shè)計時還需考慮電熱管的功率偏差（-10%～+5%）、流量接近下偏差過小容易讓機(jī)器沸騰發(fā)出噪音和保證冬天出水溫度的情況等多種因素。

以目前最常見的3000W的電熱水龍頭為例，考慮標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)公式3，此時對應(yīng)電熱管額定功率+5%的上限值，每分鐘大約可以把0.57kg（即570mL）的水水溫提高75K，因此要保證水溫符合標(biāo)準(zhǔn)要求，要保證啟動壓力時水流量至少達(dá)到570mL/min。

考慮到冬天實(shí)際使用情況：冬天最冷時，在北方自來水溫度為4℃，要達(dá)到人體舒適的溫度，溫度要超過40℃，此時對應(yīng)電熱管額定功率-10%的下限值，根據(jù)公式3，計算理論流量應(yīng)不大于1018mL/min。

綜合考慮，流量接近下偏差過小容易讓機(jī)器沸騰并發(fā)出噪音，故建議3kW時最小流量可以選擇700mL/min～1000mL/min左右。

簡而概之，水溫設(shè)計需綜合考慮電熱管功率、水壓開關(guān)的啟動壓力、水流量、不同進(jìn)水水溫，以及避免流量接近下偏差機(jī)器沸騰并發(fā)出噪音的現(xiàn)象。確定好流量，進(jìn)而通過控制流量的方式，調(diào)節(jié)簧片的間距來設(shè)定合適的啟動水壓，同時需注意簧片的間距還需要考慮標(biāo)準(zhǔn)中爬電距離和電氣間隙的要求。

實(shí)際生產(chǎn)時，企業(yè)為了對水溫進(jìn)行有效監(jiān)控，建議在生產(chǎn)過程中增加質(zhì)控點(diǎn)，根據(jù)確定的流量值調(diào)整簧片間距，即啟動水壓。同時在水壓合理設(shè)計的基礎(chǔ)上，簧片位置的固定也需要進(jìn)行裝配工藝設(shè)計，如采用704硅膠，以保證安裝位置的可靠性，避免運(yùn)輸過程或使用過程發(fā)生變化。

5 結(jié)論

基于上述的分析，電熱管式電熱水龍頭產(chǎn)品雖然工作原理很簡單，但其體積小，功率大，決定了其產(chǎn)品存在著較高的風(fēng)險和返修率，各生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)在產(chǎn)品投入正式生產(chǎn)前，對產(chǎn)品各個關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，以降低產(chǎn)品的返修率和風(fēng)險性。

[1] 韓作樑，馬德軍等，GB 4706.1-2005 家用和類似用途家用電器的安全 第1部分：通用要求 ，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社

[2] 馬德軍，李一等，GB 4706.11-2008家用和類似用途電器的安全 快熱式熱水器的特殊要求，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社

[3] 童朱玨，快熱式電熱水龍頭安全與發(fā)展趨勢評估，安全與電磁兼容2013年第5期