咸陽(yáng)師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院 ■ 吳磊 孟惠 周永軍 宋曉偉

0 引言

我國(guó)的太陽(yáng)能資源極其豐富，且太陽(yáng)能具有綠色無(wú)污染的特性，是目前研究與開(kāi)發(fā)的重要目標(biāo)。太陽(yáng)能熱水器是一項(xiàng)重要的太陽(yáng)能熱利用方式，它是利用太陽(yáng)光將水加熱的裝置，目前已走進(jìn)千家萬(wàn)戶，為人類(lèi)的生活帶來(lái)了實(shí)實(shí)在在的方便。日趨成熟的市場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，但其本身仍存在著許多需要改進(jìn)的方面，本項(xiàng)目所研究的機(jī)械式半自動(dòng)太陽(yáng)能熱水器上水裝置旨在解決其上水裝置所存在的問(wèn)題。

目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能熱水器上水控制裝置主要分為機(jī)械手動(dòng)式和全自動(dòng)電動(dòng)式兩種方式。

1)機(jī)械手動(dòng)式上水裝置在上水時(shí)需要手動(dòng)打開(kāi)上水閥門(mén)，只有當(dāng)回水管有水溢出后才知道水箱已上滿水，此時(shí)需要再一次手動(dòng)操作來(lái)關(guān)閉上水閥門(mén)。此種上水裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省能源、故障率低；缺點(diǎn)是實(shí)際使用中以水溢出為水箱裝滿的信號(hào)，需要兩次手動(dòng)開(kāi)、關(guān)操作，且易受到其他因素影響而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

2)全自動(dòng)電動(dòng)式上機(jī)裝置由一系列電路系統(tǒng)組成，通過(guò)電路控制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)上水、自動(dòng)關(guān)閉、自動(dòng)熱水交換、自動(dòng)定時(shí)報(bào)警等功能，并且具有上水溢流檢測(cè)和控制等功能。此種方式的優(yōu)點(diǎn)是免去人工操作，整個(gè)上水過(guò)程全自動(dòng)進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單方便。缺點(diǎn)是該裝置是利用液位傳感器采集水位信號(hào)來(lái)判別是否需要上水，再經(jīng)過(guò)電信號(hào)處理來(lái)驅(qū)動(dòng)閥門(mén)控制上水的過(guò)程，但由于水箱常處于樓頂或其他裸露的外部環(huán)境中，因而水位傳感器、電路板和信號(hào)線等元器件要經(jīng)受暴曬、風(fēng)化、浸泡等惡劣的環(huán)境，所以系統(tǒng)易發(fā)生故障且器件壽命嚴(yán)重縮短，頻繁的維修和更換極大地增加了使用成本；同時(shí)，全自動(dòng)電動(dòng)式上水裝置整日處于工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)水箱水位及控制上水，連續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)使得能耗較大且壽命縮短。

通過(guò)分析以上兩種上水裝置的優(yōu)缺點(diǎn)之后，本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式半自動(dòng)太陽(yáng)能熱水器上水裝置，解決了上水裝置故障率高、能耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，并且適用于戶外惡劣的自然環(huán)境中。

1 裝置中回水管路的構(gòu)造

圖1為機(jī)械式半自動(dòng)太陽(yáng)能熱水器上水裝置的回水管路結(jié)構(gòu)圖?；厮苈肥窃撋纤b置的核心組成部分，其緊密銜接著上水管路、太陽(yáng)能水箱和供水水閥等。回水管路部分的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，決定了該機(jī)械式半自動(dòng)太陽(yáng)能熱水器上水裝置的整個(gè)上水過(guò)程是否正常進(jìn)行?；厮苈凡糠窒啾扔谄渌糠侄?，器件多、結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，在上水過(guò)程中只有各器件緊密配合才能完成上水工作。

圖1 機(jī)械式半自動(dòng)太陽(yáng)能熱水器上水裝置的回水管路結(jié)構(gòu)圖

回水管路部分由轉(zhuǎn)軸、定位栓、壓力圓片、卷曲彈簧、回水存儲(chǔ)腔和各種管路等組成。

轉(zhuǎn)軸連接著上水管路部分和回水管路部分，且與定位栓通過(guò)齒槽咬合固定。在上水管路部分和出水口下方鑿有開(kāi)孔，通過(guò)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)可以控制開(kāi)孔的導(dǎo)通和關(guān)閉。當(dāng)處于上水狀態(tài)時(shí)，上水管路部分開(kāi)孔轉(zhuǎn)動(dòng)到導(dǎo)通狀態(tài)，出水孔處于關(guān)閉狀態(tài)；上水完成時(shí)或未上水時(shí)，上水管路部分開(kāi)孔處于閉合狀態(tài)，出水孔導(dǎo)通。

可根據(jù)定位栓的位置判斷是否在上水，定位栓處于初始位置時(shí)，整個(gè)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)；上水時(shí)需要手動(dòng)打開(kāi)上水開(kāi)關(guān)，上水開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸使定位栓的位置發(fā)生改變。

壓力圓片處于回水存儲(chǔ)腔中，其左端與卷曲彈簧固定連接，右端與定位栓連接，并且壓力圓片上開(kāi)設(shè)有滑槽供定位栓滑動(dòng)，滑槽的終端鑿有一個(gè)定位孔，上水時(shí)用以穩(wěn)固定位栓的位置。

壓力圓片左端的卷曲彈簧為性能優(yōu)良的記憶彈簧，卷曲彈簧以平衡的狀態(tài)固定在轉(zhuǎn)軸上；壓力圓片可壓縮卷曲彈簧，卷曲彈簧亦可產(chǎn)生反作用力作用于壓力圓片。

圓管與整個(gè)上水裝置的殼體固定為一體并貫穿支持在整個(gè)上水裝置的中央，圓管上開(kāi)設(shè)有與壓力圓片中心開(kāi)孔相對(duì)應(yīng)的槽軌，目的是讓壓力圓片在圓管上滑動(dòng)而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

表1 各部件材質(zhì)及性能

回水存儲(chǔ)腔作為一個(gè)半密閉的容器，用來(lái)儲(chǔ)存太陽(yáng)能水箱蓄滿之后由回水管路入口溢流回來(lái)的水。出水孔與回水管路出口通過(guò)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)控制，上水時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，上水完成后導(dǎo)通，以便排出太陽(yáng)能水箱上水水滿之后溢流回來(lái)暫存在回水存儲(chǔ)腔中的水。排水孔一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，主要用于排出太陽(yáng)能水箱平時(shí)受氣溫變化影響從外部水箱溢流回來(lái)的少量的水，雖然水箱上水時(shí)會(huì)從排水孔排出部分水量，但是因排水孔孔徑較小，故對(duì)其影響不大。

2 裝置的控制原理

該機(jī)械式半自動(dòng)太陽(yáng)能熱水器上水裝置未上水時(shí)，整個(gè)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)，定位栓、壓力圓片均處于初始位置，卷曲彈簧處于穩(wěn)定的伸縮狀態(tài)。

當(dāng)需要上水時(shí)，首先需要手動(dòng)打開(kāi)上水管路部分的開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，使轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中固定在轉(zhuǎn)軸上的卷曲彈簧發(fā)生了一定的形變，并且與轉(zhuǎn)軸固定的定位栓開(kāi)始在壓力圓片上開(kāi)設(shè)的滑槽表面沿著滑槽的軌跡滑動(dòng)，直到定位栓嵌合在滑槽終端的定位孔內(nèi)。與此同時(shí)，在定位栓嵌入到定位孔的過(guò)程中，壓力圓片發(fā)生了小范圍的左移，使壓力圓片對(duì)卷曲彈簧產(chǎn)生了一定量的力，卷曲彈簧對(duì)壓力圓片的反作用力恰好使定位栓緊扣于定位孔內(nèi)，有效防止了定位栓的脫落。此時(shí)，出水口在轉(zhuǎn)軸的限制下處于關(guān)閉狀態(tài)，太陽(yáng)能熱水器上水管路部分開(kāi)口接通，并且保持穩(wěn)定的上水狀態(tài)，直到太陽(yáng)能水箱儲(chǔ)滿。水箱儲(chǔ)滿后，水箱開(kāi)始通過(guò)回水管路入口產(chǎn)生溢流，溢流的水暫儲(chǔ)于本裝置的回水存儲(chǔ)腔中。隨著回水存儲(chǔ)腔中的水量不斷積累增多，水對(duì)壓力圓片的作用力也不斷增大。壓力圓片繼續(xù)壓縮卷曲彈簧，當(dāng)壓力大于設(shè)定的彈力值時(shí)，卷曲彈簧發(fā)生一定量的形變，壓力圓片隨著卷曲彈簧的形變左移至設(shè)定的位置，定位栓被觸動(dòng)，然后脫離定位孔沿滑槽恢復(fù)至初始位置，卷曲彈簧產(chǎn)生復(fù)位作用，轉(zhuǎn)軸也回轉(zhuǎn)至未上水時(shí)的位置，這時(shí)上水管路部分開(kāi)口關(guān)閉，上水結(jié)束。出水孔與回水管路出口接通，回水存儲(chǔ)腔中儲(chǔ)存的水經(jīng)排水孔和出水孔排出，直至回水存儲(chǔ)腔中的水排盡，卷曲彈簧逐漸恢復(fù)至初始平衡狀態(tài)，壓力圓片也恢復(fù)至初始位置，排水結(jié)束。至此，太陽(yáng)能熱水器半自動(dòng)上水過(guò)程完成。

3 結(jié)果分析

在 陜西 省咸 陽(yáng)市 (107°38′E～109°10′E，34°11′N(xiāo)～35°32N)對(duì)安裝一段時(shí)間后的機(jī)械式半自動(dòng)上水裝置進(jìn)行了狀況測(cè)試。表2～表5中的數(shù)據(jù)是在Q-B-J-1-170/2.32/0.05-2、容量265 L的太陽(yáng)能熱水器支持下測(cè)得，測(cè)量時(shí)間避開(kāi)夏季高溫空曬的時(shí)間段和用水高峰期，統(tǒng)一在19:00進(jìn)行測(cè)試；每?jī)纱螠y(cè)試的時(shí)間間隔為24 h，即第1次測(cè)試和第2次測(cè)試之間的時(shí)間間隔為24 h。

表2 上水裝置安裝完成后的測(cè)試狀況（1月）

表3 上水裝置運(yùn)行3個(gè)月后的測(cè)試狀況（4月）

表4 上水裝置運(yùn)行6個(gè)月后的測(cè)試狀況（7月）

表5 上水裝置運(yùn)行1年后的測(cè)試狀況（1月）

本機(jī)械式半自動(dòng)太陽(yáng)能熱水器上水裝置上水時(shí)需手動(dòng)操作，從開(kāi)始上水到上水結(jié)束自動(dòng)關(guān)閉這一過(guò)程中，由于太陽(yáng)能水箱大小不同、太陽(yáng)能熱水器容積不同，以及樓層高度不同，所以上水至水箱水滿狀態(tài)所需要的時(shí)間也不同。經(jīng)過(guò)安裝測(cè)試，通過(guò)本裝置向水箱高度10 m、容量約265 L的太陽(yáng)能熱水器上水，完成整個(gè)上水周期所需要的時(shí)間為8～10 min，上水完成后由回水管路出口流出的水量在2 L左右，這2 L左右的排水完全可以回收再利用。在日常使用中，相較于其他方式的上水裝置，該裝置適用于狹小的空間，且省去了電子器件的使用，極大地節(jié)約了電能，解決了電動(dòng)式上水裝置難以在有限的環(huán)境下完成電路布局的問(wèn)題，具有體積小、便于安裝的特點(diǎn)。尤其是在一些溫度、濕度變化較大的地方，本裝置的穩(wěn)定性比其他方式的上水裝置高，比如在工廠、工地等，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

4 結(jié)論

本文所研究的機(jī)械式半自動(dòng)太陽(yáng)能熱器上水裝置完全免除了電力電源驅(qū)動(dòng)控制，巧妙地運(yùn)用了物理學(xué)知識(shí)；太陽(yáng)能水箱水滿后溢流至上水控制裝置，對(duì)該裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力，由卷曲彈簧通過(guò)機(jī)械復(fù)位的方式實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)控制。該上水裝置免去了復(fù)雜的電路系統(tǒng)，如水位監(jiān)測(cè)、驅(qū)動(dòng)上水等電路；且極大地減少了電子元器件的使用和電子電路的分布，大幅提高了可靠性和穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)安裝方便、易于操作、控制穩(wěn)定、成本低廉，適用于各種環(huán)境，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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