电热水壶烧开水自动断电的原理是什么?

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我是一名家电产品研发工程师,我来谈谈电热水壶的工作原理。



简单点说,其工作原理就是通过蒸汽开关来实现水沸腾后跳掣的,并不是靠温度计来控制。



其具体实现步骤是,当水烧开沸腾时,水壶内就会产生大量的蒸汽体,水壶内设计有蒸汽通道,该蒸汽通道通往水壶内部的蒸汽开关,当壶内的蒸汽越来越多,并产生一定气压时,蒸汽就会经由蒸汽通道涌向蒸汽开关,此时便会触发蒸汽开关动作,从而切断加热电源。这就是整个控制过程,而从水烧开至跳掣是有一段时间的,不会沸腾后就立即断电,一般在沸腾后约10秒时间左右才跳掣,这是因为只有壶内产生足够多的蒸汽,并且蒸汽经由蒸汽通道涌向蒸汽开关后才会触发其动作的,而这个过程一般在10秒左右。



再来聊聊蒸汽开关的工作原理,此开关并不是一个温度计,也不是NTC(热敏电阻),其感应温度的地方是一块双金属片,它由两种不同热膨胀系数的金属材料焊接在一起,表面看起来就像只有一片金属,就是这块金属起作用,当受热时,热膨胀系数大的那一块金属片受热后热胀冷缩非常明显,而热膨胀系数小的那块金属片则热胀冷缩不明显,这样就会导致这块双金属片向热膨胀系数小的一侧发生翘曲变形,从而触发这个开关动作而切断电源。

以上就是传统机械式电热水壶的工作原理,而电子式电热水壶其控温方式则有很大不同,也比传统机械式电热水壶控温更灵敏,其感应温度的元件就是NTC,也叫热敏电阻,热敏电阻的电阻值,随着温度的变化而变化,正是利用这一特点制成热敏元件,然后通过信号线反馈给电路板MCU,就可以精确地控制电热水壶的通断电。


设计制造迷

首先,我之前试过自己的电热水壶,发现如果电热水壶烧开了水之后立马把水壶的盖子打开,那么这个电热水壶是不会断电的,所以我当时就推测可能是利用蒸汽来控制电路的开闭的,比如说用蒸汽的温度还有气压,达到某一个数值之后就断开电路。

后来知道这种电热水壶很多用的是双金属片的方式来控制温度的。

↑双金属片控温装置↑

这种结构用的是金属的热障冷缩的性质。用两种不同材料的金属片贴在一起,然后固定在一个地方,当两片金属受热膨胀的时候,由于上下两片金属的热膨胀系数不一样,也就是受热之后膨胀的程度不一样,所以这个薄片片就会发生弯曲,温度高到一定程度的时候,电路就自动断开来了。

那么有人要问了,那么等到温度冷却下来,岂不是电路又合上了?其实这个也是非常好解决的,那就是在电热水壶开关的地方设计一个电磁继电器之类的机构,当你按下开关之后电磁继电器还有金属片都是通路,并且由于开关受到电磁继电器的吸引,所以不会跳闸。而当双金属片断路之后,电磁继电器断开,开关复位,即便双金属片再次复位,因为开关已经断开了,所以电热水壶依然不会打开【这段开关的设计是我自己想的,如果让我设计电热水壶我就这么设计】。

实际上这种结构非常简易,很廉价,但是可靠性还比较高。不过按理来说还是有很多不确定的因素,比如说我一开始说的,如果把壶盖打开了,那么即便是水开了也会继续干烧——这样就会产生潜在的危险了。还有一个就是这个结构实际上对温度不是那么敏感,水温有可能达不到100℃就自动断开了。所以先进一点儿的电热水壶会有更加精密和复杂的结构,比如说用热敏电阻和半导体结构之类的,这个我也没有具体查过。


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一般的电热水壶都是利用蒸汽开关来进行自动断电的,高端点的是利用热敏电阻来检测温度停止加热的。下面我分别说下这这两种的原理。

蒸汽开关原理

上图中就是一个普通电热水壶的蒸汽开关,注意看上面有一个金属弹片,这个弹片在温度升高的时候会向内变形,从而触动弹片下面的顶杆,使开关断开,切断热水壶的电源停止加热。只要你注意观察就可以看到水壶内的上方有一个小孔,如下图中间的那个孔就是蒸汽孔,当水开沸腾的时候,会产生大量的水蒸气,蒸汽会通过蒸汽孔的通道喷到金属弹片上,由于蒸汽温度高,使金属片变形,从而断开开关,停止加热。


电热水壶中的温度传感器原理



种就是电热水壶中的温度传感器,就是一个热敏电阻,将此物件紧贴底部发热盘,水壶中的温度变化会造成热敏电阻的阻值变化,单片机通过采集这上面的变化信号来实现对发热盘是否加热的控制,一般用于高端智能型电热水壶中,不过水壶中的水垢需要经常清理,要不然水垢会引起壶底干烧,造成检测的温度偏高,烧不开水就会停止加热。


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热水壶自动断电有很多种,你可以看看您家的是下面哪种原理。

  1、铜片的热涨冷缩原理

用铜的金属片制作成触点.因为铜对热涨冷缩比较敏感所以在温度没有到达设定值的时候,铜金属片是弯曲的形状,这时它的触点是闭合接通的.在水加热到设定的温度时水的热量会传导到温控器中的铜片上面铜片因为受热伸直就将触点弹开成断电状态.在温度下降的时候铜片又恢复到原来的状态使触点接通成通电加热状态.双金片的两面是不同物质的导体,在变化的温度下由于涨缩程度不一样而使双金片弯曲,碰到设定的触点或开关,使设定的电路开始工作。这样更直接更及时,可以准确的感应水温情况。

  2、自动温度控制电路

  3、水发出的蒸汽温度

  自动断电功能一般是由位于水杯上部、手柄内部(或杯底,这时候需要一根较长的导气管了)的双金属片形式的温度控制器实现的,并没有继电器、热敏电阻在里边,它感受的是水发出的蒸汽的温度,所以比较间接,一般都是在水沸以后蒸汽温度才能达到温度控制器的断开点。所以,如果你打开盖子烧水的话,它就不会自动断开了。


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现在电热水壶很普及,也很方便。有些求知欲强的朋友,很想知道它的温控原理,下面我给大家讲一讲,

一般的电热水壶,在最上面都有一个通往握把里的孔。水烧开后,灼热的蒸气就通过小孔进入握把,加热握把中,与加热原件串联的温控开关,使之动作、切断电源。

温控开关通常都是使用[双金属片控温器]。是一种工业上应用非常广泛的,简单、可靠的温控装置。结构、原理是这样的:温控开关有动、静两个触点,动触点是一条尖端铆有触点的舌形金属片。请大家注意:它不是单纯的铜片,更不是什么“记忆金属”。是一块由两种热澎涨系数差别很大的金属叠合而成的“双金属片”。一旦受热,双金属片因为两面澎涨系数不同,而向澎涨系数小的金属一面挠曲。经整定,于100摄氏度时,挠曲程度使触点分离,切断电源。触点断开时会产生火花,使触点烧蚀,高挡的开关触点都使用银钨合金。

从这里可以看出:水开后灼热蒸气能不能准时、准确地通过小孔,到达温控开关处,也是控制是否准确的重要因素。因此,烧水时一定要盖好水壶的盖子,不要让蒸气从缝隙中“逃掉”!


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大部分电热水壶是用水蒸气的温度来控制。

水的沸点与大气压力有关,地区,季节和天气都能影响水的沸点。如果以水温为标准,在沸点低的时候水沸腾了也不断电,在沸点高的时候水没烧开就会断电。


以蒸汽温度则可以很好的解决这个问题,水在沸腾的时候才会产生大量水蒸气,只要把水蒸气的控制温度稍微设置得低一点,都能检测到水是否沸腾。


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最原始最可靠的方法是使用澎胀系数差别大的双金属片铆贴在一起,水开后壶温升高,澎胀系数大的伸長,把通电的触点推开断电。温度降低后又被变冷的金属片拉回原位而使触点闭合,电就接通。


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双金属,两种不同的金属热膨胀系数不一样就能控制自动断电。




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