专利名称：热水分储式太阳能热水器的制作方法
技术领域：
本发明与太阳能利用有关，它在短时光照下即能获得热水，在较长光照下可晒得高温水。
太阳能热水器种类繁多，性能各异，但普遍存在升温速度慢，绝对温升低，很难晒出接近沸点的饮用水，这些不足是由它们的结构限定的。一般来说，一定光照面积的太阳能热水器配备一定容积的储水箱，并将整箱水同时加热，一整箱水的升温自然很慢，因此热水器往往需晒上一天水温才能升高，使它的服务时间推迟到傍晚，在上午乃至中午是无力提供热水的，至于想把整箱水晒成可供饮用接近沸点的高温就更难了。因为不论是闷晒式的还是自然循环的平板型或真空玻璃管型，它们同一大箱水相配时达到热平衡的极限温升都不可能太高。当然集热器本身经一定时间光照后达到100度以上并不难，把封装在内的水闷晒至沸点也容易，但带上一大箱水后，再想把热平衡温度提高到沸点，这对保温的要求显然过高了，关键在于它们不论是平板型的还是真空管型的，其内的含水都与水箱内的水沟通，通过冷热水的对流或环流形成自然循环进行集热器与水箱间的热交换，因此即使集热器能晒制出接近沸点的高温水，它们一流进水箱与较冷的水接触很快就降温失去饮用价值了，再说热水器中水的自然循环只要有温差就在进行，它送出的热水只是比进去的冷水温度高一点而已，因此整台热水器保温再好也改变不了水温只能渐升的特征。水的温升缓慢和温度不高是现有太阳能热水器普遍存在的不足之处。
本发明所提供的太阳能热水器却能靠自身的特殊构造克服上述的不足之处。
本发明主要靠以下两部分的配合来达到目的一是能产生高温热水的集热器；二是能储存高温水的储水箱。一般而言，集热器不管是金属管平板式的还是真空玻璃管式的，当内含水不流动时都能闷晒出接近或达到沸点的高温水来，关键在于控制自然循环的流速和方式，比如关断水流后闷晒使内存的少量水很快升温达标后再开启让高温水流入水箱，热水器中补入冷水后再关闭闷晒，如此反复循环就可使流向水箱的水都经过高温处理，另外也可在管道中增装个阀门，用调节阀门的开启度来制造管道阻力控制自然循环的流量，自然这时采用的自然循环形式不能用在同一真空玻璃盲管内产生的那种上下水层间的对流循环，而应利用金属管或真空直通玻璃管内单方向流动的自然环流方式，集热器的结构形式不论是单管回环式的还是多管并列式的，只要不水平放置，在冷水进口和热水出口间形成高度差，管内水的升温必然会引起热水上流冷水补入的循环流动，当水位高差和冷热水温度限定时，管内自然循环的水流速度取决于管道阻力，阻力越大流量越小，无限大时则水停止流动，调节管道阻力使冷水缓慢流过集热器的时间刚好能让水被阳光晒至需达到的温度，流量调得越小，水接受光照的时间也越长，温升就越高，这种调节方式只要装个开关手调即可，十分简便，但精度不高受外界影响也大，特别受天气阴晴光照强度的变化会使温升较大幅度地摆动。闷晒可以晒出较高温度的热水，又很容易用温控开关来控制管道的启闭，当然热水器一般作为民用，因此造价以低为好，温控开关也尽量简单便宜，可采用双金属片的伸屈或空气囊的胀缩来开关管道，采取这些控制措施后，流过集热器的冷水就可一次性地获取足够的热量使水温升到预定的温度。
集热器把冷水晒成高温水后送入水箱，这些热水如仍去和一大箱水混在一起就会前功尽弃，难改升温缓慢，最终温度不高的毛病，因此原有大水箱不能再用，与之相配的新水箱应有保存高温水的能力并尽力制止与大量冷水相混甚至接触，这时的水箱已是顺序串接在一起的装水量与大水箱相等的几个小水箱，小水箱的冷水进口处于箱底部，热水管的出口应接近水面且能随水面升降而浮动，这样就能直接把热水排在一箱水的上层，避免与中下层的冷水接触，又能顺利地把冷水从箱底处的冷水进口压出去排入下一小水箱，而且第一小水箱的冷水进口与第二小水箱的热水管出口相通，以此类推使上一小水箱排出的冷水都视为下一小水箱的热水排放在上层水面。反之冷水从箱底冷水进口进入也不会与上层的热水相混，会让热水从水面处的热水管出口排向上一小水箱的底部。冷水进口只需在管出口箱底处钻个洞焊根管即可，而热水管出口需设在近水面处又能随水面的涨落而升降，不能固定安装，而且上一小水箱的冷水进口又同下一小水箱的热水管出口相连，因此热水管一样需在箱底钻孔焊管，又用软管联接焊管，软管的另一头装着一个浮球，让浮球把热水管出口带至水面处并能随水面高低升降。为了排放热水，在第一小水箱上还多装一根焊管和浮球、软管，由此管放出上层的高温热水，有时只需温水或有意保留一箱高温水，在第二或第三小水箱上也设置同样的放水焊管及软管浮球以由此管放出温水，这对需要保留高温饮用水的热水器来说是必需分档用水的。每个小水箱都有排气孔且全部相通并由最后的小水箱接通箱外，在最后的一只小水箱上，除热水管与前一小水箱的冷水进口相接外，冷水进口外接自来水或蓄水箱，且装配一浮阀式自动供水装置来长保众小水箱维持恒定的水位，还有一个冷水出口通向集热器，它的一个排气孔与前一小水箱的排气孔相通，另一排气孔直通外界，同时在限定的水面上方还设有一个溢流孔，以供自动供水装置失灵时排水之用。这样由几个小水箱组成的储水系统就具备了较好的热水蓄积能力。从集热器中送来的高温水进入第一小水箱的上层水面就把箱底的冷水从冷水进口压送到第二小水箱的上层水面，以此类推最后一个小水箱就让冷水流进集热器中，热水不断流进第一小水箱，直到把冷水全部顶进第二小水箱后才开始向第二小水箱注入热水，以此类推直至最后的小水箱也被热水灌满，其后进入集热器的就是已被晒过一次的热水了。由于小水箱内水量不大，水深和水面积之比又较大，热水排在水面很易铺展开来，上层热水和下层冷水的混乱不会剧烈，热水可以较全面地排斥冷水占据水箱，当第二小水箱的水也变热时第一小水箱的水可视作纯净的高温水了，以后就能一直保持这种状态。 控制热水器中水的自然循环，让集热器一次性把水加热到所需温度，再分成小水箱存放热水，就为少数水先热起来创造了条件，提供热水的时间就可大大提前了。例如把原来一大箱水分装5小箱，如用10小时可把一大箱水晒到60度，则平均用2小时就可使1小箱水晒到60度了，也即只晒2小时就有热水供应了，分成小水箱储水时相邻两水箱间仅靠细管相通，两箱水间不会产生对流来传递热量，因此前一水箱的热量不易自动向下一水箱扩散，能保持较高的水温。在温控下小水箱储积的热水温度不再受制于阳光的强弱，冬天也可晒得同夏季接近的水温，差别仅仅在于夏天晒热的箱数比冬天多而已。以前的各种太阳能热水器把一大箱水晒到可供饮用的高温确是件为难的事，但用闷晒方式配以冷热水分层进出的小水箱储水后，晒出和储积高温热水就不难了，特别是在夏季。只要用水恰当就能常留一、二个小水箱当作开水使用的。在某些场合，热水器需要水平放置，无高度差冷热水的自然循环就不易形成，这时可在管道中增设一个微型水泵并由温控开关控制它的运转，由于没有扬程，流量又很小，管道阻力也不大，微型水泵所需动力极微，用于电池即可驱动，如用交流电源配上一个干电池充电器就可解决微型水泵的用电，当然也可配以太阳能电池，可惜此物造价偏高尚不适于民用。
本发明能把太阳热能集中到有限量的水上一次性将之晒到较高温度，并用多水箱递级储存热水，可以尽量快地供应较高温度的热水，还使晒出高温饮用水变得容易。这种集中太阳能使少量水快速升温以尽快产出热水，在冬季阳光较弱时也一样能晒制出高温热水的能力和优势是其他形式的太阳能热水器所不具备的。
本发明的几种具体形式将举例说明，请参见附图，其中附
图1、热水分储式太阳能热水器的工作原理示意图。
附图2、热水分储式太阳能热水器的主体结构示意图。
附图3、小水箱组的结构示意图。
附图4、温度控制开关的结构示意图。
附图5、几种集热器的结构示意图。
图1所示即为热水分储式太阳能热水器的工作原理，它主要由几个串联在一起的小水箱组(1)和集热器(2)组成，小水箱组四周围着保温材料(3)，集热器(2)如不使用真空玻璃管式时其上下左右及背面都包着保温材料，正面面对太阳镶着一层或二层玻璃(4)，使集热器(2)置于温室(5)内，由于集热器(2)需追随太阳的入射角四季进行角度调整，而小水箱里的水面却一直要保持水平，因此两者的联接水管采用软管(6)，软管处的保温也采用柔软富弹性的保温材料，如泡沫塑料等。集热器中的热水通过软管(8)直送到小水箱内的水面处，不让其同箱内冷水相混，冷水管(9)埋设在保温层(3)内，使冷水从小水箱(1)送到集热器(2)的下部时不受到光照及集热器的影响而升温来维持冷热水的自然循环，为使进入集热器(2)的冷水能一次性晒到预定的高温度。必须限制水的自然循环速度或常关住后闷晒，故在冷水管(9)上设有一个节流阀(10)用来调节流量，也可在集热器(2)上装一个温控开关(11)，让集热器内的水停流闷晒到预定温度后才自动开启让冷热水自然循环，送走热水，放进冷水后再关闭闷晒。
图2所示即为热水分储式太阳能热水器的主体结构示意图，图中所示的单管圆环式集热器(12)外包绝热材料(3)后装在框架(13)内，框架(13)和小水箱组合件(14)都由支架(15)支承着，支架(15)可使集热器(12)调整向阳角度时仍让小水箱组合件(14)保持原有的水平位置，图示集热器(12)装在由二层玻璃板(16)复盖形成的温室内，自然当集热器采用真空玻璃管时可不用温室，但框架(13)、支架(15)及小水箱组合件(14)等是一样需要的。
图3所示为小水箱组合的结构示意图，图中由5个小水箱(17)组成，小水箱之间夹装着保温板(18)以阻止相互间的热传导，5个小水箱由长螺杆(19)，压板(20)排齐压紧成一体，再在四周包裹保温材料(3)，小水箱之间用软管(21)、(22)相联接使其下部水互通，上部气也相通，使各小水箱中的水一直处于同一水平面，各小水箱内的管道设置有所不同，左边第一小水箱直接接受集热器送来的热水，经热水管(23)直接把热水送到上层水面，热水管(23)是一根软管，由浮球(24)把出水口(25)吊浮到接近水面，出水口(25)的方向是朝上的，不宜朝下，以免水流扰动箱水使冷热水产生对流相混。在近箱底处还有两个出水孔，一个孔(26)通到第二小水箱，可视为第一小水箱的冷水进口和第二小水箱的热水进口，第一小水箱接受热水后就把箱底的冷水压送到第二小水箱的上部，当热水占领第一小水箱后继续压送到第二小水箱上部的也变成热水了。第一小水箱底还有一个出水口(27)向外供应热水，但取水口也用浮球接根软管到近水面处，以放出上层温度较高的热水，第二小水箱的结构与第一小水箱基本相同，但它的热水管接通的是第一小水箱箱底处的冷水进口，另一个冷水进口向第三小水箱的水面处放水，另一出水口向外排放水面处的温水，这箱放出的热水总是比第一小水箱放出的热水温度要低些，第三、第四小水箱一般无需向外放水了，因此不设放水孔，但仍设有与上边和下边水箱联接的热水和冷水进口。最后一个小水箱的结构又有不同，多了一个溢流孔(28)和一个接通外部自来水或高位水箱的浮阀式自动供水装置(29)，出水口(30)直接与集热器的冷 水管联接，在不向外供水时，集热器中晒热的高温水进入第一小水箱的上层并把底部的冷水压送到第二小水箱中，同样把第二小水箱底部的水压送到第三小水箱，以此类推直到第五小水箱中的冷水流到集热器中，当第一小水箱被热水充满后，不断进入的热水就使箱底的热水转移到第二小水箱上部，第二水箱也被热水占领后，再流向第三小水箱，以此类推直到占据最后一只小水箱后只好让热水再进集热器中去晒第二次。相反从第一小水箱向外供应热水时，总是先送出上层最热些的水，排出多少就由第二小水箱上层的水回流补足多少，第二小水箱的输出由第三小水箱补，第三小水箱由第四小水箱补，第五小水箱流失的水则浮阀式供水装置(29)开启补充外部来水了。当放取第二小水箱的水时它的缺水也由后面的小水箱补足，最终自然也靠外部来水补足，第一小水箱的工作基本不受影响，仍在接受集热器的来水和向第二小水箱压送箱底部的水。不难看出，小水箱组严格遵守着这一规律前面小水箱向后面小水箱转移的总是该箱底部较冷些的水，反之后面小水箱向前面小水箱回流的总是箱内上层水面较热的水，而且总是流到前一水箱的底部不会去直接冲冷前面小水箱中上层较热些的水。除了向外供水及冷热水的自然循环外，静止时相邻两箱的水是不会经连通两箱的细水管对流传热的，亦难通过箱壁及保温板(18)传导热量小水箱组的这些特点加上集热器产出的热水温度较高，就能较快晒出第一小水箱热水向外供应，而且水温受季节影响也小得多，冬夏间相差不太大，差别仅是夏天晒得的热水箱数比冬天多而已。当然小水箱也可由一只大水箱分隔而成，但这样易使小水体之间产生热传导，不利于热水保温，由于其内部管道系统是一样的，因此不再赘述。
图4所示的是一种简易的水温控制开关的构造示意图，它以双金属片(31)为执行件，双金属片(31)装于定位座(32)上，固定在开关座(33)的空腔内，把空腔分为互不相通的两部分，切断了管(34)、(35)的连通，但当水温升高双金属片受热弯曲，弯到一定角度就可使隔开的两腔重新连通，使管(34)、(35)相通管中水流动，当水温降低时双金属片伸直又关断了水流，该温控开关结构简单，制造容易，造价也不高，适于民用，尽管温控的办法和器具很多，但因太阳能热水器主要为民用，面向农村，价需低廉，因此价格较高的器具不宜采用。双金属片的调温只需在双金属片(31)与定位座(32)之间增厚垫片(36)使双金属片后移，迫使其感受更高水温增大弯曲度才能导通水流。
图5所示为几种集热器的结构示意图，上面是一种平板式的集热器，它由冷管(37)、热管(38)、多根集热管(39)和集热板(40)为主组成。冷管(37)经冷水管(9)与小水箱组的最后一个小水箱接通，热管(38)上接出一热水管(41)通到小水箱组的第一只小水箱上，集热管(39)与集热板(40)紧密接触组合成一体，上涂吸热涂层，由于不允许集热管(39)内的水产生低温差下的自然循环以免送出温升不高的水，因此在冷水管(9)上装有一个水喉充当节流阀(42)，由它来调节流量使水流调小到进入集热管后能被晒热到预定温度。
中间所示是一种单管式的集热器，它由一根盘曲的集热管(43)和集热板(40)密切结合组成，管子一头与冷水管相接通向小水箱组的最后一只小水箱，另一头接热水管通到第一只小水箱，为让管内不产生低温差的自然循环，在管道的某一部位接入一个温控开关(44)来控制管中水晒的温度，达到预定温度才打开开关让冷水自然循环流动，送走热水接纳冷水，当冷水充满管道温控开关感知后又关闭管路将冷水闷晒加热，集热管和集热板上也涂上吸热涂层。
下面表示一种真空玻璃管式的集热器，其真空玻璃管(45)不是瓶式的盲孔管，而是内管两头贯通，外管封包在内管上，夹层抽成真空，它们也镶装在冷管(37)和热管(38)之间，同样也可在冷水管(9)上接入节流阀(42)或在热管(38)之上装上温控 开关(44)来限制低温差的自然循环以晒出温度高的热水。为了排放热水器内的存水和杂质以及请除水垢等的方便，在集热器的冷管或最低水位处还设有放水阀或水堵(46)，平时关闭，需要时打开即可排净热水器内的存水及清洗管道。
权利要求
1.一种能让少数水先热起来并单独储积的太阳能热水器，其特征在于其集热器上装有节流阀或温控开关，储水箱由多个小水箱串联组成。
2.根据权利要求1所述的太阳能热水器，其特征是其温控开关由一双金属片为主组成。
3.根据权利要求1所述的太阳能热水器，其特征是其多个小水箱上部的通气孔和下部的进水孔用软管串联形成各小水箱内水平面一致的小水箱组合。
4.根据权利要求1、3所述的太阳能热水器，其特征是其小水箱内的热水管是根软管靠浮球吊升到近水面处、出水口朝上。
5.根据权利要求1、3所述的太阳能热水器，其特征是其向外供应热水的水管出水口装在箱下部软管 进水口由浮球吊至近水面。
6.根据权利要求1所述的太阳能热水器，其特征是其各小水箱之间有保温板相隔离。
7.根据权利要求1所述的太阳能热水器，其特征是其集热器和小水箱组之间由软管联接。
全文摘要
热水分储式太阳能热水器能使冷水一次晒热并单独储积起来不同冷水相混,它采用控制水在集热器内自然循环的流速或时流时停让少数水延长光照晒出较高的水温,热水由几个串联的小水桶逐个分储并不让热水与冷水广泛接触相混,使热水在小水桶内能很快储积起来向外供给。
文档编号F24J2/05GK1202603SQ9711281
公开日1998年12月23日 申请日期1997年6月17日 优先权日1997年6月17日
发明者朱学良 申请人:朱学良