余热长效回收淋浴器 技术领域：
本发明涉及一种热水器，具体涉及一种余热长效回收淋浴器，特别适合家庭及宾馆用淋浴器。
背景技术：
热水器是人们必不可少的日常生活用品，使用普遍，能耗高，如燃气热水器，一个家庭一年就消耗天然气几百个立方，直流式电热水器每小时耗电10KW以上，太阳能热水器在阴冷的冬天仍然需要大量电能进行辅热。在当前全球能源危机日益严重的时代，节能降耗已成为全人类的共同任务，也是各国国民经济可持续发展的重要方略。对于热水器的节能降耗，人们曾经进行过浴后废水余热回收利用的尝试，但终因下述几个根本性的技术难题没有得到解决而失败：
1、浴后余热废水的软结垢和污堵，由于浴后废水比较脏，废水管道、热交换器内产生污物软结垢，热交换器效率逐渐降低直至失效，最终因堵塞而失败；
2、洗浴中的毛发及一些固体杂质不能过滤，堵塞过滤孔，以至余热废水滞留，不能及时进入热交换器进行余热回收，而且这些毛发等阻塞物不能自行清理冲走，影响了淋浴废水余热回收系统的长期有效运行；
3、浴后废水余热回收的关键部件热交换器不仅没有解决结垢污堵的问题，而且冷媒和热媒不能平衡对流，换热温差波动大，效率低，温度控制困难，应用效果差。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：解决上述现有技术存在的问题，而提供一种无结垢污堵、自动清洗毛发等固态杂质、热交换器热效率高、节能降耗显著的余热长效回收淋浴器。
本发明采用的技术方案是：这种余热长效回收淋浴器，包括加热器、淋浴柜，加热器输出端通过管道连接连通淋浴柜内的喷淋器，或者加热器与淋浴柜为连接组合整体，淋浴柜底座上安装有自洁式毛发滤除器，自洁式毛发滤除器底端的滤后水存水槽通过管道连接连通双体平衡泵其中一个泵的进水端，该泵出水端连接连通螺旋式防垢换热器的余热水进水端，余热水在螺旋式防垢换热器的循环通道换热后，由排水口排出，与此同时，双体平衡泵的另一个泵进水端连接自来水进水端，该另一个泵的出水端连接连通螺旋式防垢换热器的另一个循环通道进水端，自来水在螺旋式防垢换热器的另一个循环通道逆向对流吸热后，其出水端连接连通加热器输入端，加热器输出端通过管道连接连通淋浴柜内的喷淋器，整个淋浴器由单片机控制器智能控制。
上述技术方案中，自洁式毛发滤除器结构为：顶盖板及顶盖板下方的下漏管面板均与淋浴柜底座连接固定，下漏管面板上具有与过滤墙的迂回式墙齿相对应的通透凹槽，凹槽内套装过滤墙的迂回式墙齿，两者滑动配合，下漏管面板与下漏管为连接整体，过滤墙底座中心由套筒套装在下漏管外周，套筒上套有复位弹簧一端，复位弹簧另一端连接在下漏管卡簧上，过滤墙底座具有水力活塞缸体，缸体内套液压活塞，液压活塞顶端顶在下漏管面板下面，水力活塞缸体底端与水力活塞进水口连接固定，下漏管面板上还安装有朝向中心的清洗喷嘴，清洗喷嘴的进水口和水力活塞进水口通过清洗阀与自来水进水口连接，下漏管下方安装滤后水存水槽和冲洗排水管，两者中间安装有一转换板，过滤墙底座通过连杆与转换板联动，滤后水存水槽与双体平衡泵其中一个泵的进水端相连通，冲洗排水管与排水口连通。
上述技术方案中，螺旋式防垢换热器由多片波纹状金属换热板环绕叠装连接固定成两个螺旋式换热通道构成，每片波纹状金属换热板两侧及中间都冲有多个塑料粘接孔，并在波纹状金属换热板双面的两侧及中间装塑料条，多片波纹状金属换热板叠装热焊接后，塑料条透过粘接孔粘连在一起，多片波纹状金属换热板环绕后形成螺旋式环绕通道，并且两个螺旋式环绕通道的首端分别接进水口和出水口，通道末端反过来分别接出水口和进水口，逆向对流换热。
上述技术方案中，螺旋式防垢换热器的冷媒和热媒通道横切面积在0.5～2.0cm2之间，冷媒和热媒通道横切面长宽比在10∶8～10∶2之间。
上述技术方案中，自来水进水口与双体平衡泵的其中一个泵进水端之间串接有缓冲水箱，缓冲水箱为普通水箱，内装控制水位的限位阀。
上述技术方案中，自来水进水口与自洁式毛发滤除器的清洗喷嘴、水力活塞进水口之间串连清洗阀。
上述技术方案中，加热器输出端与双体平衡泵其中一个泵的余热水进水端之间连接有循环阀。
上述技术方案中，双体平衡泵结构为：电机转轴加长，从电机两端伸出，分别连接驱动两端的变速箱，两端的变速箱再分别连接驱动隔膜泵体，两泵同轴同速同步运转，平衡等流工作。
和现有技术相比，本发明彻底解决了淋浴器浴后废水在管道、热交换器作业面软结垢污堵的技术难题，还解决了浴后废水过滤中毛发杂质堵塞、不能自动清理、冲洗的技术难题，特别是解决了浴后废水余热回收热交换器热效率低的技术难题，从而为热水器浴后废水余热回收利用的实际应用铺平了道路，为实现工业化产业化和商业化奠定了基础。
本发明的余热长效回收淋浴器是一种节能系统，与现有的热水器有着本质的区别。本发明经多次试验，具有以下突出的特点：
①在冬季寒冷的环境下使用，额定输入电功率3000瓦左右，就可达到12000W洗浴维持功率，无须另设专用电源线路。
如：以电加热初始水温5℃，流量为4.3L/min，输出温度45℃的维持电功率，已就是回收后水温提升了40℃。水的比热容＝4200J/kg·℃，电热丝热效率设为100％
计算：P1＝4.3kg÷60s×4200J/kg·℃×40℃＝12040W(1W＝1焦/秒)通过计算，我们知道了4.3L/min加热40℃需要12040W来维持才能淋浴，而本发明通过螺旋式防垢换热器后(其对数平均温差在5℃以内，那么减去淋浴损失5℃)，此时进加热器的水温为35℃，加热器只需加热10℃即可达到45℃淋浴水温
计算：P2＝4.3kg÷60s×4200J/kg·℃×10℃＝3010W(1W＝1焦/秒)
②传统的电热水器其能效比在100％以下，而本发明的余热长效回收淋浴器，其能效比可达400％，节电率75％，不仅运行成本低，而且还比机械热泵热水器、太阳能热水器有着更为广泛的使用范围，例如，在冬季或阴雨天对其热效率就无影响。
下面以浙江金华市天气情况为例，对比使用太阳能热水器和本发明余热长效回收淋浴器的节能情况：
据报道：“金华市气象台信息中心汪建华提供的数字显示，近30年，市年平均晴天数为206.5天；近50年，年平均日照时间为1954.2小时。从日照条件来看，非常适合推广使用太阳能。”(信息来源：金华日报http://www.cheaa.com/News/Chanpin/ChuWei/2008/8/67231140201.html)
和太阳能热水器在同等时长和水流量条件下做一比较：本发明的余热长效回收淋浴器在最严酷寒冷的环境条件下(进水温5℃)年运行365天，15分钟/天，即：
3KW÷1/4小时×365天＝273.75KW/h
太阳能热水器的耗能：
365天-206.5天＝158.5天
12KW÷1/4小时×158.5天＝475.5KW/h
本发明的余热长效回收淋浴器年节能为：
475.5KW/h-273.75KW/h＝201.75KW/h
也就是说，本发明的余热长效回收淋浴器比太阳能热水器年节电201.75度
经过上述比对，证实本发明的余热长效回收淋浴器有着比传统地节能型热水器(如太阳能换热器)更节能的优点。
③本发明的余热长效回收淋浴器全部由单片机自动控制，使用方便，无需调兑水温，出水温按预设温度出水，恒温恒流安全而方便。
④本发明的余热长效回收淋浴器，针对浴后废水污物杂质多的恶劣条件，精心设计，巧妙构思，保证了系统的高效而长期可靠运行，完美体现了科学创新的设计理念，有着比现有技术不可等同的技术创新和应用特征，此技术开发成产品，将对目前传统型热水器形成强大的竞争优势，市场前景非常广阔。
⑤本发明在安防保障方面，设有漏电保护器、防电墙和等电位(法拉第笼原理)保护装置等安防措施，加热是以设置温度方式加热，无需调兑，不会超温，因此也不会发生烫伤事故，更加完善了安全保障。
附图说明：
图1为本发明结构示意图
图2为自洁式毛发滤除器结构剖视图
图3为过滤墙的迂回式墙齿实施例1平面示意图
图4为过滤墙的迂回式墙齿实施例2平面示意图
图5为螺旋式防垢换热器立体示意图
图6为螺旋式防垢换热器局部剖视图
图7为图6中A放大图
图8为图6中金属换热板结构示意图
图9为双体平衡泵结构示意图
图10为双体平衡泵结构分体示意图
图11为单片机控制器系统功能模块图
图12为单片机和LCD显示电路图
图13为单片机外部控制接口电路图
图14为触摸按键和遥控按键接收模块图
附图标注说明：
1——喷淋器 2——循环阀 3——限温器 4——防电墙
5——加热器 6——排水口 7——螺旋式防垢换热器 8——双体平衡泵
9——缓冲水箱 10——自来水进水口 11——限位阀 12——清洗阀
13——浴柜底座 14——自洁式毛发滤除器15——淋浴柜
16——单片机控制器 17——过滤墙 18——顶盖板 19——液压活塞
20——复位弹簧 21——转换板 22——滤后水存水槽 23——清洗喷嘴
24——下漏管 25——冲洗排水管 26——密封圈 27——卡簧
28——废水过滤通道 29——水力活塞进水口 30——下漏管面板
31——活塞缸盖 32——水力活塞缸体 33——迂回式墙齿
34——滤水出口 35——清洗喷嘴进水口 36——金属换热板
37——金属换热板波纹38——粘结孔 39——塑料条
40——换热器进水口 41——换热器出口 42——外保护加强层
43——加长轴 44——水泵电机 45——变速箱 46——隔膜泵体
47——水泵进水口 48——水泵出水口 49——电源接线柱
50——电机密封环 51——水泵限压装置 52——水泵固定螺栓
53——压簧 54——环形永磁铁 55——电机轴
56——电机电刷 57——电机线圈 58——换向器
具体实施方式：
参见附图，这种余热长效回收淋浴器，包括加热器5、淋浴柜15，加热器5输出端通过管道连接连通淋浴柜内的喷淋器1，或者加热器5与淋浴柜15为连接组合整体，淋浴柜15底座上安装有自洁式毛发滤除器14，自洁式毛发滤尘器14底端的滤后水存水槽22通过管道连接连通双体平衡泵8其中一个泵的进水端，该泵出水端连接连通螺旋式防垢换热器7的余热水进水端，余热水在螺旋式防垢换热器7的循环通道换热后，由排水口6排出，与此同时，双体平衡泵8的另一个泵进水端连接自来水进水端10，该另一个泵的出水端连接连通螺旋式防垢换热器7的另一个循环通道进水端，自来水在螺旋式防垢换热器7的另一个循环通道逆向对流吸热后，其出水端连接连通加热器5输入端，加热器5输出端通过管道连接连通淋浴柜15内的喷淋器1，整个淋浴器由单片机控制器14智能控制。
上述自洁式毛发滤除器14结构为：顶盖板18及顶盖板下方的下漏管面板30均与淋浴柜底座13连接固定，下漏管面板30上具有与过滤墙的迂回式墙齿33相对应的通透凹槽，凹槽内套装过滤墙的迂回式墙齿33，两者滑动配合，下漏管面板30与下漏管24为连接整体，过滤墙17底座中心由套筒套装在下漏管24外周，套筒上套有复位弹簧20一端，复位弹簧20另一端连接在下漏管卡簧27上，过滤墙17底座具有水力活塞缸体32，缸体内套液压活塞19，液压活塞19顶端顶在下漏管面板30下面，水力活塞缸体32底端与水力活塞进水口29连接固定，下漏管面板30上还安装有朝向中心的清洗喷嘴23，清洗喷嘴23的进水口35和水力活塞进水口29通过清洗阀12与自来水进水口10连接，下漏管24下方安装滤后水存水槽22和冲洗排水管25，两者中间安装有一转换板21，过滤墙17底座通过连杆与转换板21联动，滤后水存水槽22与双体平衡泵8其中一个泵的进水端相连通，冲洗排水管25与排水口6连通。
上述螺旋式防垢换热器7由多片波纹状金属换热板36环绕叠装连接固定成两个螺旋式换热通道构成，每片波纹状金属换热板36两侧及中间都冲有多个塑料粘接孔38，并在波纹状金属换热板36双面的两侧及中间装塑料条39，多片波纹状金属换热板36叠装超声波热焊接后，塑料条39透过粘接孔38粘连在一起，多环波纹状金属换热板环绕后形成螺旋式环绕通道，并且两个螺旋式环绕通道的首端分别接进水口40和出水口41，则通道末端反过来分别接出水口41和进水口40，进行逆向对流换热。
上述双体平衡泵结构为：电机44，转轴加长为加长轴43，从电机两端伸出，分别连接驱动两端的变速箱45，两端的变速箱45再分别连接驱动隔膜泵体46，实现两泵同轴同速同步运转，平衡等流工作。
上述螺旋式防垢换热器的冷媒和热媒通道横切面积在0.5～2.0cm2之间，冷媒和热媒通道横切面长宽比在10∶8～10∶2之间。
上述自来水进水端10与双体平衡泵8的其中一个泵进水端之间串接有缓冲水箱9，缓冲水箱9为普通水箱，内装控制水位的限位阀11。
上述自来水进水口10与自洁式毛发滤除器14的清洗喷嘴23、水力活塞进水口29之间串连清洗阀12。
上述加热器5输出端与双体平衡泵8其中一个泵的余热水进水端之间连接有循环阀2。
下面对本发明的几个关键技术作进一步详细说明：
一.自洁式毛发滤除器：
本发明针对淋浴系统特殊要求，精心设计了自洁式毛发滤除器，此装置由“迷宫”式过滤墙17、顶盖板18、液压活塞19、复位弹簧20、转换板21、滤后水存水槽22、清洗喷嘴23、下漏管24及排水管25、密封圈26、卡簧27、废水过滤28等构成。
其工作过程是：淋浴完毕后，按停机键，单片机延时开启清洗电磁阀12，水压推动液压活塞19上行，带动过滤墙1向下收起，滤除物剔出，同时清洗喷嘴23进行冲洗滤除物至下漏管24下排，转换板21转换，排出滤除物，延时完毕清洗阀关闭，水压推动液压活塞杆19通过清洗喷嘴7泄压，以弹簧20压力复位，过程结束。
其特点如下：
我们知道人们洗浴时产生的体毛及使用中产生的其他固态物质，极易堵塞换热器、水泵、过滤系统等器件，而本发明中特别设计了自洁式毛发滤除器。该滤除器能及时滤除洗浴中产生的体毛等固态物质，保证余热废水流畅不滞留，待洗浴完毕停机后，通过单片机自动控制清洗阀，利用自来水的压力，驱使水压推动液压活塞顶杆上升，促使“迷宫”式过滤墙下沉现有技术一般采用滤网滤棉等形式，而本发明是通过狭窄迂回的水通道，以迷宫形式引导废水流，同时滞留滤除物，而不让废水滞留)，打开清洗喷嘴，同时联动翻板式转换板，自动完成毛发等杂物的清除并自动复位。该滤除器滤除体毛彻底，不阻挡和滞留余热废水，制作成本低，自动方便，无需人工清洗，能保证热水器长期有效的运行，其材质用塑料和不锈钢弹簧制作不会发生锈蚀。
二.螺旋式防垢换热器：
本发明中螺旋式防垢换热器是一个非常关键的部件，采用两条长8m，宽8cm，厚0.2-0.3mm的镜面不锈钢材，平行两排冲压成波纹状，不锈钢条边沿及中间部分冲压出直径2-3mm的粘结孔(像电影胶片状)，再用等长的厚1mm、宽10mm的塑料条包边，同时中间部分也填加同样塑料条作为支撑筋，以螺旋形式缠绕后超声波焊热压使塑料条焊接密封，再配接冷热侧进出水接头而成，此制作可通过超声波工艺实现焊接。
其特点如下：
①换热效率高。本发明的换热器冷热媒侧通道横截面长宽比值大(50mm/2mm)，所形成的换热面大(0.8m2)，导热材质薄(0.2-0.3mm不锈钢)，对数平均温差在5℃以内。
如以电加热初始水温5℃，流量为4.3L/min，输出温度45℃的维持电功率，已就是回收后水温提升了40℃。水的比热容＝4200J/kg·℃，电热丝热效率设为100％
计算：P1＝4.3kg÷60s×4200J/kg·℃×40℃＝12040W(1W＝1焦/秒)
通过计算，我们知道了4.3L/min加热40℃需要12040W来维持才能淋浴，而本发明通过螺旋式防垢换热器后(其对数平均温差在5℃以内，那么减去淋浴损失5℃)，此时进加热器的水温为35℃，加热器只需加热10℃即可达到45℃淋浴水温
计算：P2＝4.3kg÷60s×4200J/kg·℃×10℃＝3010W(1W＝1焦/秒)
P1-P2＝12040W-3010W＝9030W
通过计算得知螺旋式防垢换热器可从废水中回收利用9030W的余热，而该系统仅需输入3010W电功率即可维持洗浴，比一般直热式热水器(需12040W)节电75％，其节能效果非常显著。
②不结垢、可长期保持高效状态。在一般淋浴流量条件下(4.3L/min)，其冷热媒侧通道横截面积小(2mm×50mm)，而换热面大，因此其冷热媒流速高(71.7cm/s)。加上表面光滑(镜面不锈钢材质)，热媒温度仅40℃以下(大大低于水的硬结垢临界温度60℃)。常识告诉我们，形成结垢主要的原因是：表面粗糙、流速低、超临界结垢温度等。因此本发明的螺旋式防垢换热器由于其独特的设计和结构，很好地解决了结垢问题，不会发生堵塞失效，可保证长期高效地运行。
由上述工艺制作的换热器，不仅具有显著的换热效率，而且很好地解决了因废水水质差极易形成软结垢的致命弊端。因此本发明从根本上解决了现有技术结垢问题，可保证长期有效的可靠运行，完全能工业化水产产品，技术性能优良，实现其应用价值。
三.单片机控制器：
本发明所有操作都是由单片机完成控制，具体操控件有：温感器、加热调功电源、水流指示器、双体平衡泵、自洁式毛发滤除器、电磁阀、照明、换气扇及感应式键面等器件，其电路说明如下：
1.电路系统组成概述
系统各个功能模块如图11，单片机和LCD显示电路如图12，单片机外部控制接口电路如图13，触摸按键和遥控按键接收模块如图14，电源接口电路如图15。
2.电路组成：
包括单片机和LCD显示电路(图12所示)，单片机外部控制接口电路(图13所示，按键和遥控按键接收模块(图14所示)，电源接口电路(图15所示)。
(1).单片机和LCD显示电路，单片机外部控制接口电路：完成温度检测和控制外部继电器实现设计的功能。控制电路是通过控制单片机工/O口的高低电平来实现控制外部继电器通断，从而实现对照明、换气、电磁阀、水泵和加热器的控制，继电器通过光耦器件与单片机I/O口连接。如图12和图13所示。温度传感IC通过单片机的I/O口连接，单片机通过控制I/O来控制温度传感IC的温度采集和读取温度值。LCD采用240*128点阵式LCD，由单片机控制显示，数据接口与单片机的P0口相连接，显示温度和一些错误代码。
(2).触摸按键和遥控按键接收模块：如图14，采集按键编码并将按键数据送单片机，单片机根据按键值执行相应操作。其中遥控按键接收模块(可增加)触摸按键IC通过三位数据口与单片机的P2口的低三位数据口连接，实现按键数据的传输。遥控按键接收模块连接方式与触摸按键一致。
(3).电源接口电路：主要提供交流电输入和进行AC/DC变换，电源输入为220VAC，提供给照明，换气和开关电源，开关电源输出24VDC，单片机5V电源由24VDC经过5V稳压取得。
3.电路原理说明
(1)单片机和LCD显示电路说明
a.说明：U15为单片机；电感L1、电容C1、电解电容C2构成单片机电源的滤波电路，净化单片机电源。
U19为无源晶振和电容C15，C16构成单片机的时钟电路，振荡频率为12MHz。
C17和R25构成单片机的复位电路，采用上电复位的形式。
电容C74，电阻R710和三脚插针J6构成单片机可编程状态的复位电路，当上电时并且J6的2、3短接时，单片机进入编程状态。
三极管Q1、直流扬声器LS2构成声音报警电路，当Q1的B极为低电平时扬声器发出声音。
U13、U14为温度传感器，采用单总线和外部电源供电的连接方式，采样数据设置为16位，采样精度为
0.0625℃，温度转换和采集由单片机控制。J1为LCD显示接口插座，其八位数字接口跟单片机的P0口相连接，主要传输显示指令和显示数据。
J7为按键接口插座，J16为水流指示器的插座。
b.电路工作原理
上电时单片机由复位电路进行复位，检测水流指示器的连接状态，当为断开时单片机显示错误代码并停止执行；当为连通时单片机控制U13、U14开始采集进水温度和出水温度并将出水温度数值转换为显示数据通过P0口送给LCD显示，如果按键模块申请中断时单片机执行中断。
(2).外部控制接口电路
a.器件说明：U20为固态继电器，Q2为NPN型三极管，当Q2的B极为高电平时，三极管导通，固态继电器开始工作，当三极管B极为低电平时，三极管截至，固态继电器不工作。
J4，J5，J14，J15为继电器，D3，D6，D7，D8为保护光耦器件的二极管。U12，U16，U17，U18为光耦器件，主要起隔离作用。
b.工作原理：当单片发加热指令时，Q2基极为低电平，三极管导通，固态继电器导通加热丝得电，开始加热。当U17的p15端为低电平时候，光耦器件导通，继电器J14线圈加电，继电器动作，触电吸合。
(1)触摸按键电路遥控接收电模块
a.器件说明：F4为触摸按键IC，采用电容耦合感应原理。
b.工作原理：当手指接近触摸按键时，按键电容量发生变化，触摸按键检测到变化后将按键值取出，转换成BCD码送DATA口，同时第九脚拉低到低到低电平向单片机申请中断。
(3)电源接口电路
a.器件说明：U10为防干烧保护器，正常温度下2、4相通，1、3连通，当感应温度超过设定值的时候2、4和1、3断开。J3为外部控制接口插座；J12、J13为电源插座。D1为稳压管，为三端稳压管分担压降，减少稳压管发热量，U11为三端稳压管。
b.工作原理：通电时候220VAC通过防干烧保护器送到J12、J13、J3。加电后开关电源将输出24VDC，三端稳压同时输出5VDC。
4.双体平衡泵：及时废水余热回收，是淋浴的一般要求，而废水回收就需要维持循环的水泵，但是现有技术没有解决废水与自来水的平衡对流问题，即冷热媒水平衡对流，因此本发明针对此问题而特殊设计了“双体平衡泵”。双体平衡泵是由直流电机，变速箱，隔膜泵体，进水口，出水口，电源线，固定脚和限压装置等组成。
本发明从系统要求出发，设计了一个双体平衡泵。双体平衡泵的特性是：一个电机驱使两个泵体，实现平衡等流工作，其很好的解决了因冷热媒流量不平衡带来的换热温差波动大，淋浴系统工作不稳定，人体感受差等缺点。
因此综上所述，由于现有技术方案的缺陷(单泵或无泵、结垢污堵、换热效率低甚至失效等)，简单地余热回收制作成淋浴器，是不可能做到可靠、长效、稳定运行的，不能形成家用型余热回收热水器产品。现有技术开发成热水器，也不会得到消费者接受，因此现有技术没有实用价值。这些都是现有技术的致命缺陷。