一种加热水量可控的健康节能饮水机设计

熊律，钟睿杰

（广东交通职业技术学院，广东广州510650）

近年来随着我国各种有关食品安全问题的揭露，食品安全问题在万众瞩目的情况下被提上了政府的议事日程。食品安全与全民的身体健康息息相关，它关系到一个民族的命运和前途。可以说食品安全是全体人民和中华民族的最基本要求。水是人体所需的最基本的食品，是人类赖以生存的不可或缺的重要物质，人可一日无食不可一日无水。然而据调查，目前大多数中低收入家庭还无法喝上卫生健康的水，问题主要表现在两个方面[1-2]，一是千滚水的产生和水没有烧开就被饮用；二是普通的饮水机存在很严重的电能浪费。而这些问题主要是由饮水机热胆的设计不合理和进出水系统的设计不合理产生的。

没有被烧开的水中含有多种微生物、病原体以及大量的细菌，长期喝这种水容易感染细菌，严重时甚至会感染上肝炎。千滚水中含有大量亚硝酸盐，亚硝酸盐可使人中毒，因为亚硝酸盐与人体血液作用形成高铁血红蛋白，从而使血液失去携氧功能，使人缺氧中毒。当千滚水中的亚硝酸盐在人体达到一定的剂量时会形成致癌、致畸、致突变的物质，严重时危害人体健康。现在市面上常见的饮水机每加热一次就浪费了约0.044 kWh，每年全国因此浪费的电能惊人。

针对饮水机的设计研究，学者已经做了大量实用且有意义的工作[3-4]。市面上饮水机热水胆的容量大约为800 ml，普通饮水机在加热时，这800 ml水全部会被加热烧开，然而我们注意到，水杯的容量一般为500 ml左右，即使将水杯倒满也无法将热水胆中全部的热水倒完，这些剩余的热水在被加热的过程中消耗了大量电能，导致电能的浪费。本项目通过设计一套控水开关和浮体，使热水胆中每次只对固定容量（例如500 ml）的水进行加热，并通过在热水胆出水口加装互锁开关，实现冷水无法掺杂在热水中一同被放出。

1 问题分析

1.1 电能浪费和千滚水问题

目前，作为加热作用的饮水机，由于其内部结构设计不合理，导致了加热水出现水质问题。不仅如此，剩余大量热水不断被加热，从而导致千滚水的产生，千滚水中含有大量亚硝酸盐，亚硝酸盐可使人直接中毒，因为亚硝酸盐与人体血液作用形成高铁血红蛋白，从而使血液失去携氧功能，使人缺氧中毒。当千滚水中的亚硝酸盐在人体达到一定的剂量时会形成致癌、致畸、致突变的物质，严重时危害人体健康。

普通饮水机热水胆容积大，一次加热后产生的热水通常无法一次饮用完，这样一次加热产生的热水就会遗留在热水胆中而被再次加热，这样不仅浪费电能还容易产生千滚水影响饮用者的身体健康[5]。

一般饮水机热水胆容积为800 ml（0.8 kg），假设水被加热后温度由25℃上升至100℃，水的比热容为4 200 J/kg，由热量计算公式可知

Q=C·M·△T (1)

由此可算出水加热一次所好电能为252 000 J约为0.07 kWh。实际上人一次饮用300 ml水为宜，所以现在市面上常见的饮水机每加热一次就浪费了约0.044 kWh，试想全国每年要因此浪费多少电能。

解决思路：利用浮体的浮力，堵住热水胆进水口，从而每次加热时只对热水胆中固定容量的水进行加热，减少电能浪费，也可减少千滚水的产生。如果需要加热热水胆中所有的水，可通过按下控水开关从而推开浮体，使得更多冷水进入热水胆。

1.2 开水不开的问题

目前，作为加热作用的饮水机，由于其内部结构设计不合理，在放出热水的同时，待加热的生水容易渗透到热水胆中，生水指的是未经煮沸的水，从而导致了生水掺杂在热水中被一同放出，将导致煮沸后的热水掺杂生水，影响水质。

解决思路：通过在热水出水口加装一套机械互锁开关，实现在放热水的时候，热水胆进水（冷水）口被堵住，从而保证在放出的热水中不会掺杂生水。

2 技术路线

2.1 进水口浮体控制开关设计

在本设计中，当热水胆中的水量没有达到保有水量（如图1红框所示）时，控水槽中的水在重力的作用下流入热水胆。当热水胆中的水量达到保有水量时，空心浮体在浮力的作用下会顶住热水胆进水口而使控水槽中的水无法进入热水胆中；当需要加热更多热水时，可通过按下控水开关将浮体推开从而使控水槽中的水可以继续流入热水胆中，直到松开控水开关时，浮体再一次顶住热水胆进水口从而使控水槽中的水无法进入热水胆。

图1 保有水量示意图

2.2 出水口机械互锁开关设计

驻塞1打开时，驻塞2关闭；当驻塞2打开时，驻塞1关闭。本设计中，当按下机械互锁开关时，驻塞1上升堵住进水口，驻塞2上升放出热水，这样可以防止放热水时生水进入热水胆与热水混合而使水无法真正烧开；当机械互锁开关处于自然状态时，驻塞1不会堵住热水胆进水口，使储水桶中的生水可以进入热水胆中，驻塞2堵住热水胆出水口。

图2 机械互锁开关示意图

2.3 本设计相对于现有技术具有如下的优点及效果

①由于采用浮体控制开关，具有结构简单的优点，可有效减少千滚水的产生和降低电能的浪费。②由于采用机械互锁开关，具有操作简单、动作可靠的优点，可有效避免在放热水的时候生水流入热水胆，从而保证放出的热水中不会掺杂有生水，防止生水被饮用。

3 技术实施方案

3.1 进水口浮体控制开关设计

阿基米德原理：浸入液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体受到的重力。

公式：F浮=G排=ρ水·g·V排。单位：F浮—N，ρ水—kg/m3，g—N/kg，V排—m3。浮力的有关因素：浮力只与ρ水，V排有关，与ρ物（G物），h深无关，与V物无直接关系。适用范围：液体，气体。

如图3所示，本设计旨在通过浮体控制开关实现对固定容量（500 ml）的冷水进行加热，目的是避免每次加热都对热水胆全部容量（800 ml）的热水进行加热导致的电能浪费问题。

如图4所示，进水口浮体控制开关的设计，其特征在于：热水胆（11）上方的控水槽（21），其底部通过进水管（22）连接热水胆（11）中部；以及位于热水胆（11）内的浮体（31），其顶部具有用于密封进水管（22）出口的密封面，浮体（31）连接有一按压组件（40），该按压组件（40）具有控制所述浮体（31）向下移动的按压杆（41）。按压杆（41）一端连接在所述浮体（31），按压杆（41）另一端伸出所述热水胆（11）后设置有按压帽。

图3 浮体控制开关a

浮体（31）为空心构件，热水胆（11）具有供按压杆（41）穿过的密封孔。按压组件（40）还包括套设在按压杆（41）上的弹性件，弹性件一端抵压在按压帽上，另一端抵压在所述热水胆（11）外部。

弹性件为弹簧（42），浮体（31）设置有限位器，进水管（22）具有竖直布置的垂直段，限位器包括伸入所述进水管（22）内的限位杆（32），限位杆（32）底端连接于所述浮体（31）顶部。热水胆（11）顶部设置有气孔（14），热水胆（11）下部连接有出水管（13），出水管（13）设置有热水开关。

图4 浮体控制开关结构图

3.2 出水口机械互锁开关设计

如图5所示，当驻塞1放开进水口时，驻塞2堵住出水口，从而保证储水桶中的生水进入热水胆时，热水不会往外放；当驻塞2放开出水口时，驻塞1堵住进水口，从而保证热水在被饮用者放出时，储水桶中的生水无法流入热水胆，从而保证饮用者放出的热水中不会掺杂生水。本设计中，当按下机械互锁开关时，驻塞1上升堵住进水口，驻塞2上升，出水口打开从而放出热水，这样可以防止放热水时生水进入热水胆与热水混合而使水无法真正烧开；当机械互锁开关处于自然状态时，驻塞1不会堵住热水胆进水口，使储水桶中的生水可以进入热水胆中，驻塞2堵住热水胆出水口使热水无法放出。

图5 机械互锁开关

综上利用控水开关来控制热水胆中被加热水量，从而减少千滚水的产生和减少电能的浪费。利用机械互锁开关实现在放热水的时候，储水桶中的生水无法进入热水胆，从而实现放出的热水中不会掺杂任何生水，防止生水被饮用。

如图6和图7所示，出水口机械互锁开关的设计，其特征在于：热水胆（11）上方的储水桶（21），其底部通过进水管连接热水胆（11），进水管包括与储水桶（21）连接的进水段（22）以及与热水胆（11）连接的水平段（23），水平段（23）位于出水管（13）上方。

互锁开关组件（50），其包括第一柱塞（51）、第二柱塞（52）以及连接杆（53），第一柱塞（51）设置在水平段（23）内，第一柱塞（51）具有用于密封进水段（22）出口的密封端面，第二柱塞（52）设置在所述出水管（13）内，第二柱塞（52）具有用于密封出水管（13）的密封侧面，连接杆（53）上端连接第一柱塞（51），连接杆（53）下端连接第二柱塞（52）。

密封端面设置在第一柱塞（51）顶部，密封端面与进水段（22）之间具有间隙，上移连接杆（53）后，密封端面抵压进水段（22）出口。

出水管（13）水平布置，上移连接杆（53）后，第二柱塞（52）底部远离出水管（13）底部内侧。

连接杆（53）连接有挡块（54），挡块（54）设置有提手部（55），互锁开关组件（50）还包括挡块（54）置放的定位板（56）。热水胆（11）顶部设置有气孔（14）。

图6 机械互锁开关结构图

图7 机械互锁开关结构详图

4 结语

通过浮体控制开关可以控制热水胆中被加热水量，克服了普通饮水机每次加热时都将热水胆中所有容量的水都加热的问题，从而有效解决电能浪费的问题和减少千滚水的产生。机械互锁开关可以有效防止放出热水中掺杂生水，有效克服了开水不开的问题。通过解决以上两个问题，可为饮水机生产企业制造健康节能饮水机提供技术解决方案。