快熱式電熱水龍頭的水位設計和水溫設計

孫光耀 徐杰 王旭輝

（寧波市產品質量監督檢驗研究院，中國質量認證中心寧波（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，小而復雜、居高不下的返修率的產品特點，大部分企業技術能力偏差的企業特點，消費者追求高水溫和出熱水快等需求特點，供嚴重大于求和低價競爭嚴重的產業特點，共同導致了快熱式電熱水龍頭產業總體形勢嚴峻，質量參差不齊，產品風險較高。

該產品最嚴重的質量問題包括了正常工作狀態下電熱管、熱保護器等關鍵件損壞，按標準進行檢測出水溫度過高，非正常工作狀態器具變形甚至爆炸，漏水，低溫狀態下開裂等問題。而其中較難整改的問題當屬工作狀態下關鍵件損壞和水溫過高。筆者基于理論分析和眾多試驗，提出了通過水位設計和水溫設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。

手柄帶動調節閥運動，控制進水水流大小，當水流足夠大時，水壓啟動水壓開關，整個電路接通，電熱管開始加熱，同時指示燈亮，水箱內的水經加熱后由噴帽出水。電熱管外殼接地，防止用戶觸電。熱保護器在水龍頭發生故障造成缺水或干燒時切斷電路，防止事故發生。

3 水位設計

筆者基于對生產企業、流通領域等調研得知，正常使用中熱保護器或電熱管損壞導致產品返修的情況在全部產品返修原因中位列前茅。在筆者多年的產品檢測過程中，也出現了不少發熱試驗過程中熱保護器動作的情況。該情況的發生意味著產品損壞，需要拆開器具，更換熱保護器或電熱管；對企業來說，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。

目前部分企業為了解決該質量問題所采取的方案有：

（1）提高熱保護器動作溫度。該方案致使在非常工作狀態下，熱保護器不能及時動作，外殼變形乃至爆炸。應嚴禁使用！

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

筆者分析了市面上眾多產品出水口位置、熱保護器、電熱管的位置細節，結合試驗現象和理論分析，發現產生該問題的關鍵原因在于產品水位設計的不合理。從而解決該問題最根本方法是產品定型前進行水位設計。此處的水位指的是正常工作狀態下容器中的水面高低，而水位設計的關鍵點在于設計水面、熱保護器、電熱管三者之間的相互位置。

熱保護器一般都是安裝于金屬鞘內部，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，不同企業的電熱管稍有差異。目前市面上的熱保護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器處于水面上方，該種情況下電熱管頂部處于干燒狀態，內部的水蒸氣溫度上升，超過熱保護器動作溫度，熱保護器容易動作，同時電熱管干燒部分容易損壞。

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

水位3時，熱保護器和電熱管處于水中，敞開式熱水器的特點是內部無壓力，即水溫理論最高溫度為100℃，可以保證質量合格的熱保護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。

筆者對此方案進行了驗證，證明可以有效解決目前返修率很高的正常工作中熱保護器動作和電熱管損壞問題，且不增加任何成本。因此企業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 水溫設計

快熱式電熱水龍頭產品的主要功能是加熱水，目前該產品的主要的賣點就在于出熱水快。水溫過低會導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，就存在著燙傷的風險，從筆者檢測經驗看，至少25%的產品存在著該質量問題。

國家標準GB 4706.11-2008中對于水溫的要求通過下述檢驗來確定是否合格：器具在額定輸入功率下工作，任何調節閥應完全打開，把水流調至使水流開關或壓力開關處于動作的臨界狀態。出水口的水溫不應超過95℃，出水口與進水口的水溫差不應超過75K。試驗水溫為15℃±5℃。

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

為此，筆者采集了全國80個不同生產企業的樣品進行水壓開關的啟動壓力測試，發現各個不同企業水壓開關的啟動壓力差異較大，分布在0.03 MPa～0.10 MPa之間。為對該范圍內的影響進行評估，筆者建立測試平臺，進行了相關測試，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品來說，不同的進水壓力對出水水溫的影響是非常大的。對于此樣品來說，要保證符合標準要求，其啟動壓力要到0.06MPa。事實上，最終影響水溫的是水流量。要使產品符合標準要求，需保證在水壓開關接通的臨界狀態，每分鐘水流量足夠大從而加熱所產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：

而企業在設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器沸騰發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，考慮標準要求，根據公式3，此時對應電熱管額定功率+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準要求，要保證啟動壓力時水流量至少達到570mL/min。

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

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

簡而概之，水溫設計需綜合考慮電熱管功率、水壓開關的啟動壓力、水流量、不同進水水溫，以及避免流量接近下偏差機器沸騰并發出噪音的現象。確定好流量，進而通過控制流量的方式，調節簧片的間距來設定合適的啟動水壓，同時需注意簧片的間距還需要考慮標準中爬電距離和電氣間隙的要求。

實際生產時，企業為了對水溫進行有效監控，建議在生產過程中增加質控點，根據確定的流量值調整簧片間距，即啟動水壓。同時在水壓合理設計的基礎上，簧片位置的固定也需要進行裝配工藝設計，如采用704硅膠，以保證安裝位置的可靠性，避免運輸過程或使用過程發生變化。

5 結論

基于上述的分析，電熱管式電熱水龍頭產品雖然工作原理很簡單，但其體積小，功率大，決定了其產品存在著較高的風險和返修率，各生產企業應在產品投入正式生產前，對產品各個關鍵點進行科學設計，以降低產品的返修率和風險性。

[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 ，中國標準出版社

[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，中國標準出版社

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