专利名称：具有过热保护的自适应的自泵送太阳能热水系统的制作方法
具有过热保护的自适应的自泵送太阳能热水系统本专利申请要求2008年10月6日提交的美国临时申请No. 61/195，288的优先权， 该专利申请全文以引用的方式并入本文中。
发明内容
新系统具有直接由太阳能驱动的自泵送太阳能回路。循环不需要任何机械部件、 电机、泵、阀、电子元件、控制器、传感器或电线。这避免了常见的可靠性问题，并大大降低了材料成本和安装人力成本。新系统使用一个或多个标准平板集热器和标准热水储罐。不需要特制的集热器或储罐。
新系统可以快速简单地进行安装，或在现有的生活用热水系统中进行改进，从而节约了时间和成本。由于具有易用的接头，因此不需要进行焊接。新的免维护系统节约了采购和拥有成本，并可进行免维护运行。只需要用于使管道在相同位置定位的单个屋顶贯穿件。通过使用柔性管既节约了成本，又方便了安装。所述系统可静音运行。
所述系统具有自动限温模式，避免储罐内出现正压和灼热的高温，从而节约了昂贵的防烫阀。
所述系统具有自动过热保护系统，自动过热保护系统在极端情况下为安全目的排出集热器中的水，并保护传热流体的化学性质。所述系统可以安全运行，而不会长时间流出热水。所述系统不会在集热器内出现滞流；不会出现传热流体中的化学组分在高温下分解的危险。
用于产生真空的自动化系统可根据需要自动恢复真空，从而使安装简单、操作省心。所述系统为全封闭设计，不必担心真空或流体流失。
所述系统使用食品安全级丙二醇、水和乙醇的混合物来提供防冻保护。
所述系统根据日照量自动调整流动和温度。由于不可能出现逆向热虹吸，因此不需要使用止回阀。
使用高性能换热器产生了高温输出，并使得与储罐内的热水之间具有良好的传热性能。可以使用内部换热器盘管或侧臂换热器。为了提高性价比，可以使用侧臂换热器并在不进行焊接的情况下装配和改装到标准储罐上。这一组合提供了在热水储罐内完全分层的可立即使用的> 40°C的热水层。
可以在标准热水储罐上增加换热器，并低成本地使用储罐底部的排出端口和储罐顶部的温度与压强端口。连接使用标准的3/4英寸T型接头和具有螺母/接头连接器的标准柔性压强软管。从标准储罐上拧下温度和压强(T&P)安全阀。将顶部T型接头连接到 T&P安全阀的位置，然后将T&P安全阀重新螺纹连接到T型接头的顶部。将换热器顶部通过标准柔性热水器压强软管连接到顶部T型接头的另一个端口。从储罐底部的排出端口拆除排出阀。将底部T型接头附接到排出端口。将排出阀螺纹连接到底部T型接头的一侧。将底部T型接头的另一侧连接到换热器底部。家用的冷水和热水端口保持不变。
紧密的联接确保了太阳能回路中的交联聚乙烯PEX管件的气密性密封。通过使用标准扩口式接头，可以在无源太阳能泵单元与太阳能集热器之间提供快速方便、免焊接的气密密封连接。
提供了一种用于太阳能热水器的无源流体泵送新方法。采用标准市售太阳能集热器。可以用单个无源流体泵送单元为两个太阳能集热器提供服务，进一步节约了成本。
本发明提供了新的太阳能驱动自泵送单元。如果需要，可以采用无源方法自动恢复真空。完全封闭的系统不会由于使流体蒸发到环境中而造成流体损失。
可用接头允许在不损失真空的情况下使用安装简单的低成本柔性PEX管件。安装时无需进行焊接。新系统的安装不需要进行焊接，使用螺母与0形环接头、扩口式配件和活接头。集热器备有匹配的接头，所述匹配的接头容易在车间或现场安装到标准集热器上。
所述系统将填充正确的水/乙二醇/乙醇混合物作为传热流体。应对正确的加注液位进行观察。不需要对系统进行手动初始抽真空。
所有操作都采用基本的物理过程泵送、恢复真空、温度限制和在过热时泄放流体。仅使用一个阀。所述阀正常情况下关闭。虽然采用基本的物理原理，但本发明的新颖性和非显而易见的贡献包括对现有太阳能热水系统的改进。
一种现有系统具有专门设计的单个集热器，该集热器具有在集热器上方高高延伸的、在特殊钎焊的收集歧管内的固定上升管。相比之下，新装置可被添加到具有各种尺寸的一个或多个标准集热器上。
由于将泵送机构与集热器分离，本发明不是显而易见的。已经通过广泛的研发设计出可以在任何条件下良好工作的新的无源太阳能泵。
本发明已经产生下列新结果本发明形成高效而美观的流体泵送系统，避免在闭环系统中积聚压强，允许流体因热膨胀而膨胀，并且包括过热保护机构，过热保护机构允许正常运行并保护乙二醇的化学组分。
新系统采用间接的间歇泉(geyser)泵送方法。集热器内产生的蒸汽泡在外部装配出口管歧管内产生间歇泉泵送作用。流体和蒸汽的分离机构也是新的。另外的有益效果是泵送的流体量更大，并且不需要复杂的气泡成核装置。
在现有技术系统中，每个上升管都具有伸出到集热器上方的自有的出口管，高出集热器会形成视觉上突出的设计。这样不能使用标准的集热器，而且不适合多个集热器连接到单个泵和共享换热器回路的设计。此外，蒸汽泡在较冷的空上升管内迅速冷凝和收缩， 从而进一步降低有效性。
新发明性能更佳，大大地改善了外观效果，同时更灵活、更简单、成本更低。新系统自动产生和保持真空，这使得系统安装更加方便，并且避免了随时间推移失去真空引发的维护问题。失去真空已经成为现有技术系统的一个问题。
新发明中的泵送动作分四个阶段。太阳加热与集热器内的吸热器相连的上升管中的流体。由于热虹吸作用，最热的水上升到上升管顶部。由于系统内的压强降低，流体会在较低温度下达到沸点。这样产生蒸汽泡，并产生1600的体积膨胀系数。气泡将热流体的液柱(slug)驱动和提升到高处的热流体贮存器内。流体平衡原理使得太阳能回路内产生循环，即经换热器输送热流体，从而将热量传递至储罐。冷却后的流体从换热器返回至太阳能系统的较冷流体贮存器。来自上升管的蒸汽与热流体分离，并且返回至较冷流体贮存器并在其中冷凝。蒸汽冷凝释放的热量对返回集热器的流体进行预热。
传热流体应具有低沸点。传热流体不应结冻，以免集热器和管件破裂。使用水、乙二醇和乙醇的混合物作为传热流体。这一混合物具有低的防冻温度。系统在适度真空下工作，并且在35°C的温度下开始泵送。通过选择混合物的配比可以选择最低工作温度。传热流体具有良好的传热能力。系统限制了高滞流温度，并且流体在化学上保持稳定。水、乙醇和丙二醇是安全无毒的流体混合物。这允许使用单壁式换热器。
膨胀的蒸汽猛烈地推挤太阳能集热器顶部歧管内的热的流体。流体和蒸汽泡只能通过连接到集热器顶部歧管外部端口的出口管逸出。最后，蒸汽泡将随着泵出的热流体从出口管逸出。由于贮存器R2内的冷流体液位被设置成略高于顶部歧管，所以顶部歧管将重新填充利用流体重力平衡原理而从集热器的底部向上供送的传热液体。
出口管的所选数量和直径足够大，以允许在不过分限制的情况下有足够的流体逸出；但又要足够小，以免蒸汽穿过流体。蒸汽泡会将沿管向上推动所有流体液柱。
蒸汽泡还会提供向下的力，但由于顶部歧管和出口管内的水量远小于下面集热器内的水量，从而最大限度地减少了逆流。专门设计的单向阀在集热器底部具有较少流动限制，可以略微提高泵送效率，但该阀不是严格要求的。为此目的开发了一种非常简单的单向阀。该系统可以在不使用这种阀的情况下工作，即使阀出现故障，也不会严重影响系统性能。
出口管内的热流体被推至更高液位并部分地填充贮存器Rl。贮存器Rl的流体液位会变得高于贮存器R2内的流体液位。这两个贮存器通过两条线路连通一条用于蒸汽， 一条用于流体。这两个贮存器将始终具有高于流体的相同气体压强。两个贮存器通过充满流体的长U形管连通，并且换热器是U形管的最低部分。系统的循环基于流体重力平衡原理。因此，流体会努力达到平衡液位。贮存器Rl内的流体将在系统内向下流动，直到与贮存器R2内的流体达到相同的液位。由于贮存器R2相比贮存器Rl具有非常大的容积，贮存器R2内的流体事实上保持相同的液位。
贮存器Rl的设计和直径经过选择，使其足够宽，以便在不直接溢流到贮存器R2的情况下容纳从出口管推出的所有流体，但又足够小，以实现快速增加流体液位。液位越高， 压强越大，并且换热器回路内的流速也越大。
贮存器Rl和贮存器R2之间几英寸的液位差足以在换热器回路内提供足够的流动。然而，换热器回路热流体下段内的流体的温度远高于换热器回路返回段内冷却后的流体的温度。热流体具有较低的密度，因而具有较低的重量。结果导致热流体在静止时位于不同的液位。通过增加贮存器Rl的高度补偿液位差。储罐和集热器之间的竖直距离决定了贮存器Rl所需高度补偿的最小偏移量。为了实用目的，集热器顶部至热水储罐的竖直距离最好限制在三个楼层的高度或30英尺。贮存器Rl的最低高度与换热器回路的竖直距离直接相关。
由于从贮存器Rl至换热器的管内的流体温度高于环境温度，因此该管需要是绝热的，以免损失热量。返回管虽然相对较冷，但如果该返回管也是绝热的，可以让系统的效率更高。
通常，在封闭系统内会快速积聚压强，这样会导致压强和沸点不断升高。但随着热量在换热器内传递给储罐，返回到贮存器R2的返回流体被冷却。比起太阳能集热器顶部歧管内的温度，贮存器R2内的流体温度相对较低。相对较低的温度也提高了集热器的效率。
集热器内形成的热蒸汽泡被传输至贮存器R2内，并在贮存器R2内与低温流体和贮存器R2的壁接触后冷凝。通过保持贮存器R2内的蒸汽压强或露点来控制系统内的总压强。这使得系统内的压强或真空降低值相对不变。从而保持系统内的真空，以允许流体继续在低温下沸腾。冷的返回流体将由于冷凝过程产生的热量而变暖。这样将基本预热返回集热器底部的流体，这样能量不损失，因而是期望的。
在工作下，随着热水储罐内的温度慢慢升高，返回流体的温度将慢慢升高。该较高的温度会导致压强略微升高，进而导致沸点升高。这使得系统具有自适应性。沸点温度和流速与储罐温度有关，这是期望的。传统的系统只能开关。系统冷却之后，低压恢复，使得系统较早达到初始温度。新系统不使用控制器、传感器、电动泵、滴水阀、止回阀、膨胀罐等。
新系统在低温度下开始泵送，并且在水储罐温度升高时增加泵送量。应当注意，在整个储罐被加热之前，将从热水储罐底部向换热器供送冷水。如果储罐底部温度最终变得相对较高，系统进行调节并在较高温度下工作，并且仍然提供比热水储罐温度更热的流体。
一个需要考虑的重要问题是避免系统内滞流。当泵已关闭，集热器内的流体变得过热时，传统系统可能会被损坏。一旦常规系统内的乙二醇超过特定温度，该化学组合物会分解并变成易导致泄漏的腐蚀性物质，并且该组合物会失去其防冻特性。
新系统自动防止过热。当系统接受日常日晒而不消耗热水时，例如在假期时，储罐会最终达到高温度。新系统可以解决这类问题。所述系统减少因热水储罐温度升高和压强升高产生的循环。当系统压强达到1巴时，沸点将为100°C。标准的平板集热器在该温度下会将大百分比的所收集的热量辐射掉。因此，平板集热器在较高温度效率较低。虽然会越来越慢，但循环会继续。当沸点为100°C时，从顶部歧管泵送的流体始终处于略低的温度下。该流体将通过换热器与储罐换热。
当储罐达到最高温度时，换热器内将不会进行换热。高温流体将排出换热器。由于环境温度远低于流体温度，热量将散失到空气中。一旦热流体到达贮存器R2，热量将继续辐射到环境空气中。即使气温为40°C，仍然有显著温差(ΔΤ)使热量从贮存器R2散失到环境空气中。在高温的地方，可以在贮存器R2的整个长度上都带有鳍片，以增加向环境空气中的辐射。由于体积更大，流体将相对缓慢地经过贮存器R2。这使得流体有足够的时间进行冷却。返回到集热器的返回管是流体冷却的最后一级。
系统内的最大压强被限定至1巴，从而使沸点为100°C。溢流贮存器R3内的阀将释放过压。蒸汽在到R3的真空管线内冷凝为液体，并且在R3内积聚的较冷液体中进一步冷凝。该机制使得系统具有压强和温度限制功能。这样还限制提供给换热器的最高温度。
系统继续在温度限制模式下工作，直到从换热器返回的流体的温度超过某个温度，这种情况只发生在储罐被充分加热时。这种蒸汽排出也会将空气全部排到系统外，这确保系统在冷却后内部自动形成强真空。这种机制还将确保系统始终形成最佳运行所需的理想真空。首次使用过程中也会自动形成真空。
系统通过强制所有流体从集热器流到溢流贮存器R3来切换至过热保护模式。一旦从换热器返回的流体温度变得过高，强日照下产生的蒸汽量会变得过多，以致无法经过蒸汽释放管线内的限流进行排出。在日照强且没有冷却流体从换热器返回的情况下，温度限制系统内的这种限制使得系统内略微过压。这导致流体排出管线内产生压头(head pressure)，这种压头将流体直接排出至溢流贮存器。流体排出管线的高度和管尺寸经过认真选择，以使系统可以立即开始排出。在短时间内，所有流体都将从集热器排至溢流贮存器R3，随后压强得到平衡。由于集热器内没有留下流体，不会产生循环，从而使系统在充分加热的热水储罐过度曝晒期内停止工作，以确保安全。乙二醇混合物储存在贮存器R3内，并且不会因较高的滞止温度而发生化学分解。有效地，系统自动充当排出系统。
一旦集热器冷却下来，真空形成，所有流体会被回抽到集热器内。出现这种可能是因为阀具有浮子，并且阀在贮存器R3内的所有流体均已被回抽之前保持开启。一旦流体被全部抽回，浮阀将关闭，所产生的真空和环境空气压强将紧紧关闭阀。阀在正常工作时保持关闭，因为系统通常在低于环境压强的压强下工作。
贮存器R3将只接收流体，无论是冷凝蒸汽还是所排的流体。因此，可以使用柔性水密封盖来密封贮存器R3，该密封盖能够通过升高R3内的流体液位进行调节。这样可以防止因蒸发而导致的流体损耗。整个系统完全封闭。
在系统运行过程中，传热流体会被加热，从而体积膨胀。为了避免使用外部膨胀罐，贮存器R2被设计为充当膨胀贮存器。在冷却状态下，应将贮存器填充至1/3。贮存器 R2的体积被设计成使得其在热流体温度下被填充至2/3。这样可以避免管道因流体体积膨胀而破裂。重要的是，系统在冷却状态下不应过满。填充口的形状和位置确保达到期望的填充液位。
特殊的换热系统可以满足新系统的剩余部分的要求，并提供低成本。新系统在热水储罐内形成良好的温度分层，并且即时提供约40°C或以上的可用热水。离开换热器的热水流到储罐顶部并保留在顶部内，然后在更多热水流入储罐时再向下移动。使用时，从储罐顶部抽出热水。
系统内的流速根据日照量和储罐温度自动调节。流动相对较慢，以允许最大限度地在换热器内进行传热，而且还可以将相对来说非常冷的流体返回至集热器。这样可以提高集热器的工作效率，这是因为与环境温度的温度差较小。
换热器几乎将太阳能集热器提供的所有热量都传递给来自储罐并随冷却流体返回贮存器R2的循环水，以保持较低的工作压强，从而使沸点低。
在系统内增加了一个用来产生和保持真空的装置，以确保低沸点和有效的工作温度。单向阀允许蒸汽在系统压强高于环境压强(1巴)时逸出。在首次运行过程中，系统将处于环境压强，并且传热流体将在100°c下沸腾。集热器和泵内的流体会受热膨胀，并且贮存器R2内的蒸汽会排出系统内的所有空气，并将空气经贮存器R3内的浮阀排出。一旦开始进行泵送，冷却流体流出换热器贮存器、集热器和泵。这样会快速降低流体的总体积和露点。这样会导致压强迅速降低，关闭单向阀。低压会降低沸点、增加流速和降低系统温度。 由于冷凝作用和流体体积减小，系统会抽出强真空。如果闭环系统的真空随时间降低，每当系统内的压强超出1巴时，系统会自动恢复真空。
为了防止系统损失流体，阀使可膨胀的贮存器R3排放。贮存器的压强将因膨胀而始终保持在1巴。为了避免因蒸汽冷凝而积聚液体，单向浮阀将设置在贮存器R3的最下面部分。如果贮存器R3内存在液体，单向浮阀会浮在流体上，并且在系统内的所有流体都被抽回之前不会关闭。一旦所有流体都被抽出可膨胀贮存器，在强真空的作用下，单向浮阀将关闭并保持关闭状态。在极热条件下，可膨胀贮存器也可充当溢流贮存器。然而，整个系统始终保持全封闭，因此不可能因蒸发而向环境空气散失流体。
本发明的这些和其他目标与特征在结合附图的公开中显而易见，该公开包括上述说明书和下文将要描述的说明书。
图1示意性示出具有带冷水入口和热水出口的标准热水储罐的新系统。图中示意性示出缠绕在热水罐周围的换热器。
图2为采用对热水储罐改装的侧臂换热器的新系统的一个实施例的示意性侧视图。
图3为新系统的示意性详图，示出了与热水储罐连接的标准冷热水连接、排出端口处的T、可膨胀贮存器和将可膨胀贮存器连接到贮存器R2的压强平衡管以及用来使传热流体从可膨胀贮存器返回至贮存器R2的浮阀。
图4为与图3所示的系统类似的系统的示意性详图，该系统在贮存器R2与自动真空阀和可膨胀贮存器之间增加了第三真空贮存器R3。
图5为与图4所示的系统类似的系统的示意性详图，该系统具有冷水Y形入口，用于在用冷水重新填充罐时冲洗侧臂换热器的外夹套。
图6为具有温度限制过热保护子系统的新系统的示意图，该系统将水蒸气经孔板传输，并且使来自集热器管和歧管的换热流体经返回管线和U形管传输至溢流贮存器R3。 所示罐具有内换热器盘管。
图7为膨胀罐、浮阀和蒸气保留与传热流体返回可膨胀溢流贮存器的示意性详图。
图8、9和10为具有最小流量限制的单向阀的侧视图、顶视图和端视图。
具体实施例方式参见图1，新自动热水系统10具有标准热水储罐12、屋顶安装的平面板集热器14、 连接管件16和换热器18。当使用来自储罐的热水时，冷水经标准入口 22流入，然后向下流动并被释放到储罐12的底部M内，以维持储罐的分层。根据需要，水经标准热水出口沈流出热水储罐12的顶部观。
连接管件16包括冷却液体返回上升管32，冷却液体返回上升管32使来自换热器 18的冷却后液体返回并部分地填充贮存器R2。冷水从贮存器R2经管34流至集热器14中的水平的下歧管36。液体在集热器14中的平行的倾斜上升管37中被加热。加热后液体向上流至集热器较热的上部，在集热器较热的上部形成蒸汽泡38。蒸汽泡强制加热后液柱进入上歧管39，并向上经出口管40到达贮存器R1。蒸汽泡将蒸汽泡之间的热液体上推穿过出口管40。贮存器Rl将热蒸汽经管42释放至贮存器R2进行冷凝。热液体在管44中向下流至换热器18的上热端46。
在该换热器18构造中的热液体依次以逆流将热水储罐12中的水加热，首先加热在储罐12的顶部观中的水，最后，当向下流动的传热液体到达换热器18的底部时，加热在储罐12的底部M中最冷的水。
为清楚起见示意性示出的贮存器R2沿集热器14的顶部延伸。
在图1中显示管34在贮存器R2右侧。然而，实验表明，将该连接件设置在贮存器 R2左侧更好。由于位于左侧的流体因冷凝热而更热，所以使系统具有更高的效率。还使得贮存器R2右侧更冷，产生更低的露点和更好的蒸汽冷凝，从而产生低工作真空。此外，还形成一个单元，在该单元处，贮存器R2上的所有连接件均定位在一起。
贮存器Rl内的热液体与贮存器R2内的冷液体之间的高度差使液体流经连接管件 16、换热器18、太阳能集热器14、上升管37和顶部歧管39。
图2示出了本发明的一个实施例，其中系统50使用标准热水储罐52、标准的平面板太阳能集热器M、连接管件56和热水储罐52外部的侧臂换热器58。换热器58的外管 62通过管64连接到T 66，T 66将压强和温度(P&T)安全阀68连接到热水储罐。来自换热器的进入热水分层，以根据需要从储罐52的顶部提供热水。换热器58容易改装在排出端口 76和P&T安全阀68处的T 66之间。
在热水储罐52上的管62的底部74具有正常排出端口 76，正常排出端口 76连接到换热器58的外管62的底部78。内管82内的热液体向下流动并加热外壳62内的水。由于热虹吸，向上的逆流产生经外壳62和储罐的循环。来自换热器58的最热的水流入储罐 52，这在区域88中迅速达到40°C，并且可以根据需要随时供家庭使用。
已在换热器内被去除热量的冷却后的循环传热液体在返回管92中向上流至贮存器R2。冷液体在中央管94(图1中也显示为管34)中向下流动，经过平面板太阳能集热器 54流至底部歧管96，然后向上流经内部加热上升管98。当液体到达沸点温度时，形成气泡 100。气泡将液柱102推入加热器歧管104，并以较快速度向上流过出口管106。热液柱向上加速流过出口管106，并在离心力作用下围绕U形上端108。热液柱落入在下降管112的上端110处的贮存器R1。上贮存器Rl具有比贮存器R2中的液位高的液位。不平衡的液体质量使得液体向下经绝热的热液体管112和换热器58，且向上经绝热或非绝热的冷却液体返回管92流至贮存器R2。
通过内部连接到出口管106的U形上端108的蒸汽管114，使贮存器Rl和R2中的内部蒸汽压强保持相等。为3巴设置的安全的过压安全阀或塞子116连接到蒸气管114。 通过延伸下歧管96和上歧管104以及横跨两个集热器的贮存器R2，或者通过在中央互连两个贮存器Rl和R2，可以将两个标准平面板太阳能集热器M连接到贮存器Rl和R2。可以将两个顶部歧管中央连接到单个出口管106、108和管道回路56。
图3为新系统的示意性详图，示出了与热水储罐、排出端口处的T和膨胀罐之间的标准热水和冷水连接，以及使膨胀罐与压强平衡管连接的连接管。
在图3中，家用热水出口 122和冷水入口 IM显示在热水储罐52的顶部处。根据需要，通过打开建筑物各处的阀可以从出口 122抽热水。
家用冷水源连接到冷水入口 124，内管道1 将填充的冷水引至储罐52底部。
排出端口 76处的T 128将排出阀132连接到储罐5的底部，并且还从储罐向改装的侧臂换热器58的底部供应冷水。
来自储罐的水通过热虹吸流经换热器58逆流上升。加热后的水经管64和连接到标准T&P安全阀端口 134的T 66返回储罐52的顶部。
自动的、正常下压缩的膨胀罐140在室144内具有浮阀142，膨胀罐140经管146 连接到两个贮存器Rl和R2之间的压强平衡蒸汽释放管114。膨胀室补偿在新系统中过大的压强和/或过大的液体膨胀。
在贮存器R2中的1/3高度处的加注口需要被加注至流体流出为止。这样提供了所需的1/3加注液位。
为了允许易于加注和允许空气逸出，在加注的同时，最好使至R3的真空管或至阀 142和贮存器140的真空管146断开连接。
另外一个选择是使橡胶加注塞充当过压保护器。
可以在换热器水平处使用压强表和(数字)温度计监测系统。也可以存在流位监视器/报警器。
图4为类似于图3所示的系统的示意性详图，其中在贮存器R2和自动真空阀142 之间增加了第三真空贮存器R3。
贮存器R3为贮存器R2提供了增加的容积。该容积越大，真空保持得越好，并且改善性能的流速也越好。
制造较大的贮存器R2会需要直径较大的铜管，所述铜管应尽可能长。这样不但体积笨重、显眼而且造价高昂，尤其是在目前铜价的情况下。由于较大的容积仅含有真空，屋顶下的贮存器R3连接到贮存器R2。
贮存器R2的容积可通过第三贮存器R3扩大，贮存器R3可位于比贮存器R2低的位置处。将贮存器R2和R3的容积合并避免系统加热过程中真空突然降低。较低的真空确保沸点低并使流速高，从而使性能更佳。贮存器R3可通过小管148连接到贮存器R2。由于冷凝后的流体会经管148被吸回到主系统中，所以贮存器R3不会充满流体。这样允许将贮存器R3置于屋顶下方。这样还允许贮存器R2相对较小，使系统更加经济，看上去更不引人注意。管146将来自贮存器R3的顶部的蒸汽引入自动浮阀142和自动膨胀真空贮存器 140。
在诸如换热器58的侧臂换热器中，外部水加热室62会缓慢积聚碳酸钙，这样会降低流动和减少热传递。积聚的钙不会结块。它仅仅是松散的柔软皂质材料。大部分碳酸钙实际上会由储罐52中的沉淀物送入换热器58。
图5太阳能泵送流体热水加热器的示意图，该加热器具有独特的冷水连接，解决了换热器中碳酸钙积聚的问题。
图5中的结构与图4中的结构类似，区别在于罐52上的新冷水填充接头150。冷水填充件通常为储罐底部附近的管道开口。相反，冷水填充件150连接到新管线154，该管线将侧臂换热器58中的外腔室62连接到罐52的顶部。换热器58在其正常的逆流热虹吸方向152上工作。然而，从罐中经热水出口 122抽热水时，冷水填充件150使冷水向下加速经过新Y连接管线154，进入和经过换热器58的外腔室60。Y形的新连接管线154引导填充水主要经外部腔室62和T 128流至储罐52的底部。这一周期性的逆流可以清洁腔室62 内部并防止结垢。
为了自动清洁和冲洗侧臂换热器58，将家用冷水源150连接到外腔室62的顶部和侧臂换热器58的顶部。每当从罐52中抽热水供家庭使用时，都用新鲜清洁的高流速冷水冲洗换热器外腔室62。这会产生巨大的经济效益，尤其是因为使用外换热器更加便宜，并且可以在不增加内换热器盘管的情况下对罐进行改进。
图6示出了系统160，该系统具有连接到热水罐52的热水和冷水管道、太阳能集热器14和以及连接到内换热器168的管道16。来自贮存器Rl的热传热流体在管道44中向下流动，以加热换热器168的上部。较冷的流体经管道32返回贮存器R2。管道34使冷传热流体经通向下集热器歧管36的回水管道34中的单向阀210(如图8-10所示)返回。 流体填充集热器14中的平行加热管37。流体到达顶部时沸腾并形成蒸汽泡38，蒸汽泡38 驱动传热流体的液柱102向上经过上集热器歧管39，并向上经过泵或出口管40。流体液柱 102喷泉般流到较大的贮存器Rl的玻璃顶部182上。热流体在贮存器Rl的底部183聚集并在管32中向下流动。蒸汽在贮存器Rl中聚集并从贮存器R2的顶部附近移至贮存器R2。 开口管道184使蒸汽返回至贮存器R2，在这里蒸汽和水蒸气冷凝为冷液体从管道44返回。 玻璃顶部182示出了工作系统的活动的喷泉般流动。
利用大顶部的贮存器Rl容纳所泵送的更大容积的流体，尤其是在连接两个集热器时。贮存器Rl中的流体的高位在换热器回路16中产生高压强，以确保良好的流动。本实施例的机械构造容易制造。
贮存器Rl的顶部182由玻璃制成。玻璃具有良好的绝热性，并且可以清楚显示泵送作用。这种“类似喷泉”作用允许对系统进行快速检查。
为使两个集热器使用一个或多个泵单元出口管，可以将泵设置在两个集热器之间。这需要双出口管上歧管子系统。该系统难以安装到两个集热器之间，并且在两个集热器之间形成相当大的间距。可以将泵简单地安装到两个集热器的一侧上，以使系统良好运行。所产生的泵单元可用于单集热器和双集热器所有构型，并且集热器可以具有各种面积尺寸。
各种装配方法避免通过焊接连接所有部件，从而为自己动手的安装者降低了门槛。可以在集热器上使用标准的1英寸活接头，以形成真空密封连接。
如图6所示，温度限制和过热保护系统190连接到贮存器R2和平衡管194。蒸汽管线194连接到贮存器R2的远端，以使蒸汽会将空气全部推出系统，以确保获得强真空。蒸汽管线194中的特别的限流孔板200允许排出多余的系统压强。T型构造198确保将蒸汽在传热流体之前排出，如图6所示。过度加热使R2中的液体上升至2/3液位，并且使蒸汽经孔板200排至T 198和管线202，并且经浮阀204排至贮存器R3。蒸汽和传热流体可从上U形管206流至管线202。如图7所示，传热流体和蒸汽经管线202和浮阀204流入贮存器R3，并且在系统过热时使贮存器膨胀。当系统冷却时，例如在夜晚或当从罐中抽热水时， 系统中的压强降低。当传热流体在罐中时，浮阀204保持打开，使传热流体经管线202、管 206和孔板200返回至系统。
可以在下集热器歧管处增加如图8、9和10所示的单向阀210。这样可使系统内的流速略微增加，从而改善性能。为此目的对阀210进行设计和测试。阀210实际上在不限制流动的情况下打开，如果流向相反，该阀会容易关闭。阀极其简单，只有三个部分。可以将该阀置于与集热器连接的下部连接处的1英寸活接头中(并在需要时进行拆卸/检查)。 阀210的部件为偏压管212、椭圆形盖214、其一体式支承件216和铰链销218。
浮阀204被组合到低成本溢流贮存器R3中。利用简单的浮阀和简单的塑料袋密封流体并避免流体从系统中蒸发。
使用标准波纹水管使安装容易，并且提供了非常好的真空密封。可以在一端装配标准PEX接头，因此不需要通过特殊加工形成PEX接头。使用波纹管的另一个有益效果是， 可以避免必须在贮存器R2上使用长管道，并且波纹管可以形成紧密的半径，从而避免在 PEX管上产生应力。这样允许直接紧贴屋顶下方敷设PEX管。也可以在罐侧使用波纹管。
新系统成本低廉、易于安装并且可以在不必维护或照看的情况下运行几十年。
新的太阳能热水系统没有机械部件、电气部件和阀，易于安装，没有或有最少的管件，并且没有乙二醇，可以在极端环境下工作。
新系统提供了高性能、免监管、免维护运行，并且不会出现滞流或过热。新系统具有非常低的成本，可以大大缩短投资回收期，并且具有改善的外观。
虽然已经结合具体实施例描述了本发明，但可以在不脱离本发明范围的情况下设想出本发明的修改形式和变形形式。
权利要求
1.一种自泵送太阳能热水系统，包括太阳能集热器，所述太阳能集热器具有向上倾斜或竖直的面板，所述面板具有上升管， 下集热器歧管，所述下集热器歧管连接到所述上升管的下端， 上集热器歧管，所述上集热器歧管连接到所述上升管的上端， 出口管，所述出口管连接到所述上集热器歧管，用于提升热的传热流体， 第一贮存器，所述第一贮存器连接到所述出口管，用于从所述出口管接收所述热的传热流体，第一管道，所述第一管道连接到所述第一贮存器，换热器，所述换热器连接到所述第一管道，用于从所述第一贮存器接收热的传热流体， 热水储罐，所述热水储罐连接到所述换热器， 第二管道，所述第二管连接到所述换热器，用于使冷却后的流体返回， 第二贮存器，所述第二贮存器定位在所述第一贮存器下方并连接到所述第二管道， 返回管，所述返回管连接到所述第二贮存器和所述下集热器歧管，以及蒸汽管道，所述蒸汽管道自所述第一贮存器的上部连接，用于从所述第一贮存器释放蒸汽，以使所述蒸汽在所述第二贮存器中冷凝。
2.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，还包括传热流体，所述传热流体位于所述上升管、所述下歧管、所述第一管道和第二管道以及所述换热器内，并且部分地填充所述第二贮存器。
3.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述传热流体将所述第二贮存器部分地填充至充满的约1/3至2/3。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述传热流体为丙二醇、水和乙醇的混合物。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，还包括连接到所述第二贮存器的顶部的第三贮存器和连接到所述第三贮存器底部的浮阀，所述浮阀用于打开以允许蒸汽和传热流体进入所述第三贮存器，并允许所述传热流体从所述第三贮存器返回至所述第二贮存器。
6.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述第三贮存器是封闭的且可膨胀的。
7.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，还包括连接到所述下歧管和所述第三贮存器的传热流体流动管线，所述流动管线具有在所述第二贮存器上方延伸的倒U形管，所述倒U形管允许所述传热流体从所述下歧管经所述流动管线而流至所述第三贮存器，并且当所述上升管中的压强增加时，所述倒U形管用于使所述传热流体从所述集热器流至所述第三贮存器。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，还包括连接于所述第二贮存器的顶部与所述流动管线之间的限压孔板，用于允许蒸汽从所述第二贮存器经所述孔板和所述流动管线而流至所述第三贮存器。
9.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述换热器为位于所述储水罐中的盘管。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述换热器为连接到所述水储罐的盘管。
11.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述换热器为在所述储水罐的底部处连接到所述储水罐的现有排出端口的侧臂换热器，水经热虹吸产生的逆流通过所述侧臂换热器并进入在所述储水罐的顶部上的现有端口。
12.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，还包括连接到所述返回管和所述下歧管的单向阀，用于允许从所述返回管至所述下歧管的流动，而同时阻止在相反方向上的流动。
13.一种根据上述权利要求中的任一项所述的系统，包括一个、两个或更多个太阳能集热器，所述一个、两个或更多个太阳能集热器具有竖直的或向上倾斜的上升管，用于加热传热流体并在所述上升管中形成蒸汽泡，蒸汽管道，所述蒸汽管道自所述第一贮存器的上部连接，用于使热蒸汽从所述第一贮存器流至所述第二贮存器，以使所述蒸汽在所述第一贮存器中冷凝，以及浮阀和封闭的且可膨胀的第三贮存器，所述封闭的且可膨胀的第三贮存器用于将来自所述第二贮存器的顶部的蒸汽接收在所述封闭的且可膨胀的第三贮存器中，所述浮阀连接到所述第三贮存器的底部，用于打开以允许蒸汽和传热流体进入所述第三贮存器，并允许传热流体从所述第三贮存器返回至所述第二贮存器。
14.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，还包括固有的过热保护系统，所述过热保护系统具有连接到所述下歧管和所述第三贮存器的流动管线，并且具有在所述第二贮存器上方延伸的倒U形管，用于在所述上升管中的热量和压强积聚时将所述传热流体从所述上升管传输至所述第三贮存器。
15.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述第一管道和第二管道为柔性、 低成本、易于安装的PEX管。
16.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述系统为不需要电泵、控制器、 电线或调节阀的简单的太阳能加热自泵送系统。
17.根据上述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述系统免维护、不具有机械部件，并且在过热时自排空。
18.一种加热方法，所述方法包括提供具有太阳能集热器的系统，所述太阳能集热器具有竖直的或向上倾斜的上升管， 将上歧管和下歧管连接到所述上升管， 在所述下歧管和所述上升管内提供传热流体，在所述上升管中形成热蒸汽的气泡，并将热传热流体的液柱向上经过所述上升管、所述上歧管和出口管驱动至第一、上贮存器，在所述上贮存器中将所述热蒸汽和热流体分离， 使所述热传热流体流经第一管道和换热器，用于加热第二流体， 使冷却后的传热流体从所述换热器经第二管道返回至第二、下贮存器， 在所述第二贮存器中接收来自所述第一贮存器的所述热蒸汽，并利用所述第二贮存器中的冷却后的传热流体使所述蒸汽冷凝，以及使冷却后的流体流动至所述下歧管，并继续所述方法。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括在无需电力的情况下以低于大气压的内部压强操作系统。
20.根据权利要求18至19中的任一项所述的方法，还包括提供一种自适应系统，其中，通过增加所述系统中的压强、使流体和热蒸汽从所述第二贮存器经浮阀流至第三、可膨胀的贮存器、以及在所述系统的压强下降时使所述传热流体从所述第三贮存器返回所述系统，自动地调节流动和温度。
21.根据权利要求18至20中的任一项所述的方法，还包括使流体从所述第二贮存器流动至所述下歧管；以及使热传热流体从所述集热器管和所述下歧管经倒U形管流动至所述第三贮存器。
22.根据权利要求18至21中的任一项所述的方法，还包括使所述热蒸汽经孔板流动至所述第三贮存器。
23.根据权利要求18至22中的任一项所述的方法，其中所述第二流体为水，所述水位于储罐中，所述换热器为连接到所述储罐的底部并经Y接头而连接到所述储罐的顶部的侧臂换热器，并且所述方法还包括将水经所述换热器的顶部的Y接头和所述换热器而供送至所述储罐的底部中。
全文摘要
太阳能集热器加热并以减小的压强自己泵送传热流体，而不会对与储罐内的热水之间的热交换产生机械干涉。热流体的液柱被太阳能集热器管内形成的蒸汽泡经上歧管和出口管而泵送至上热流体贮存器内。热流体向下流过储罐处的换热器。冷流体返回至下贮存器。蒸汽流出上贮存器并被更冷的水和下贮存器的壁冷凝。冷却流体从下贮存器返回至为集热器管供水的下歧管。上述系统内自动形成低于环境压强的压强。当热量的积聚增加所述系统内的压强时，流体流动至封闭的第三可变容积贮存器。所述第三贮存器底部内的浮阀允许液体在冷却时返回所述系统。
文档编号F24J2/04GK102187160SQ200980139626
公开日2011年9月14日 申请日期2009年10月6日 优先权日2008年10月6日
发明者豪滕 阿尔努·万 申请人:桑诺维辛斯公司