咸陽師范學院 物理與電子工程學院 ■ 吳磊 孟惠 周永軍 宋曉偉

0 引言

我國的太陽能資源極其豐富，且太陽能具有綠色無污染的特性，是目前研究與開發(fā)的重要目標。太陽能熱水器是一項重要的太陽能熱利用方式，它是利用太陽光將水加熱的裝置，目前已走進千家萬戶，為人類的生活帶來了實實在在的方便。日趨成熟的市場對太陽能熱水器產(chǎn)品的要求越來越高，但其本身仍存在著許多需要改進的方面，本項目所研究的機械式半自動太陽能熱水器上水裝置旨在解決其上水裝置所存在的問題。

目前市場上的太陽能熱水器上水控制裝置主要分為機械手動式和全自動電動式兩種方式。

1)機械手動式上水裝置在上水時需要手動打開上水閥門，只有當回水管有水溢出后才知道水箱已上滿水，此時需要再一次手動操作來關(guān)閉上水閥門。此種上水裝置的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省能源、故障率低；缺點是實際使用中以水溢出為水箱裝滿的信號，需要兩次手動開、關(guān)操作，且易受到其他因素影響而產(chǎn)生嚴重后果。

2)全自動電動式上機裝置由一系列電路系統(tǒng)組成，通過電路控制實現(xiàn)了自動上水、自動關(guān)閉、自動熱水交換、自動定時報警等功能，并且具有上水溢流檢測和控制等功能。此種方式的優(yōu)點是免去人工操作，整個上水過程全自動進行，操作簡單方便。缺點是該裝置是利用液位傳感器采集水位信號來判別是否需要上水，再經(jīng)過電信號處理來驅(qū)動閥門控制上水的過程，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、電路板和信號線等元器件要經(jīng)受暴曬、風化、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重縮短，頻繁的維修和更換極大地增加了使用成本；同時，全自動電動式上水裝置整日處于工作狀態(tài)監(jiān)測水箱水位及控制上水，連續(xù)的運行狀態(tài)使得能耗較大且壽命縮短。

通過分析以上兩種上水裝置的優(yōu)缺點之后，本文設(shè)計了一種機械式半自動太陽能熱水器上水裝置，解決了上水裝置故障率高、能耗大、結(jié)構(gòu)復雜等問題，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為機械式半自動太陽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、太陽能水箱和供水水閥等?；厮苈凡糠值恼＿\轉(zhuǎn)，決定了該機械式半自動太陽能熱水器上水裝置的整個上水過程是否正常進行?；厮苈凡糠窒啾扔谄渌糠侄?，器件多、結(jié)構(gòu)嚴密，在上水過程中只有各器件緊密配合才能完成上水工作。

圖1 機械式半自動太陽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，且與定位栓通過齒槽咬合固定。在上水管路部分和出水口下方鑿有開孔，通過轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動可以控制開孔的導通和關(guān)閉。當處于上水狀態(tài)時，上水管路部分開孔轉(zhuǎn)動到導通狀態(tài)，出水孔處于關(guān)閉狀態(tài)；上水完成時或未上水時，上水管路部分開孔處于閉合狀態(tài)，出水孔導通。

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，整個裝置處于靜止狀態(tài)；上水時需要手動打開上水開關(guān)，上水開關(guān)驅(qū)動轉(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，并且壓力圓片上開設(shè)有滑槽供定位栓滑動，滑槽的終端鑿有一個定位孔，上水時用以穩(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。

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

表1 各部件材質(zhì)及性能

回水存儲腔作為一個半密閉的容器，用來儲存太陽能水箱蓄滿之后由回水管路入口溢流回來的水。出水孔與回水管路出口通過轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動控制，上水時處于關(guān)閉狀態(tài)，上水完成后導通，以便排出太陽能水箱上水水滿之后溢流回來暫存在回水存儲腔中的水。排水孔一直處于導通狀態(tài)，主要用于排出太陽能水箱平時受氣溫變化影響從外部水箱溢流回來的少量的水，雖然水箱上水時會從排水孔排出部分水量，但是因排水孔孔徑較小，故對其影響不大。

2 裝置的控制原理

該機械式半自動太陽能熱水器上水裝置未上水時，整個裝置處于靜止狀態(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)。

當需要上水時，首先需要手動打開上水管路部分的開關(guān)，開關(guān)驅(qū)動轉(zhuǎn)軸，使轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的過程中固定在轉(zhuǎn)軸上的卷曲彈簧發(fā)生了一定的形變，并且與轉(zhuǎn)軸固定的定位栓開始在壓力圓片上開設(shè)的滑槽表面沿著滑槽的軌跡滑動，直到定位栓嵌合在滑槽終端的定位孔內(nèi)。與此同時，在定位栓嵌入到定位孔的過程中，壓力圓片發(fā)生了小范圍的左移，使壓力圓片對卷曲彈簧產(chǎn)生了一定量的力，卷曲彈簧對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，出水口在轉(zhuǎn)軸的限制下處于關(guān)閉狀態(tài)，太陽能熱水器上水管路部分開口接通，并且保持穩(wěn)定的上水狀態(tài)，直到太陽能水箱儲滿。水箱儲滿后，水箱開始通過回水管路入口產(chǎn)生溢流，溢流的水暫儲于本裝置的回水存儲腔中。隨著回水存儲腔中的水量不斷積累增多，水對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，當壓力大于設(shè)定的彈力值時，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，然后脫離定位孔沿滑槽恢復至初始位置，卷曲彈簧產(chǎn)生復位作用，轉(zhuǎn)軸也回轉(zhuǎn)至未上水時的位置，這時上水管路部分開口關(guān)閉，上水結(jié)束。出水孔與回水管路出口接通，回水存儲腔中儲存的水經(jīng)排水孔和出水孔排出，直至回水存儲腔中的水排盡，卷曲彈簧逐漸恢復至初始平衡狀態(tài)，壓力圓片也恢復至初始位置，排水結(jié)束。至此，太陽能熱水器半自動上水過程完成。

3 結(jié)果分析

在 陜西 省咸 陽市 (107°38′E～109°10′E，34°11′N～35°32N)對安裝一段時間后的機械式半自動上水裝置進行了狀況測試。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的太陽能熱水器支持下測得，測量時間避開夏季高溫空曬的時間段和用水高峰期，統(tǒng)一在19:00進行測試；每兩次測試的時間間隔為24 h，即第1次測試和第2次測試之間的時間間隔為24 h。

表2 上水裝置安裝完成后的測試狀況（1月）

表3 上水裝置運行3個月后的測試狀況（4月）

表4 上水裝置運行6個月后的測試狀況（7月）

表5 上水裝置運行1年后的測試狀況（1月）

本機械式半自動太陽能熱水器上水裝置上水時需手動操作，從開始上水到上水結(jié)束自動關(guān)閉這一過程中，由于太陽能水箱大小不同、太陽能熱水器容積不同，以及樓層高度不同，所以上水至水箱水滿狀態(tài)所需要的時間也不同。經(jīng)過安裝測試，通過本裝置向水箱高度10 m、容量約265 L的太陽能熱水器上水，完成整個上水周期所需要的時間為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，解決了電動式上水裝置難以在有限的環(huán)境下完成電路布局的問題，具有體積小、便于安裝的特點。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，具有很強的實用性。

4 結(jié)論

本文所研究的機械式半自動太陽能熱器上水裝置完全免除了電力電源驅(qū)動控制，巧妙地運用了物理學知識；太陽能水箱水滿后溢流至上水控制裝置，對該裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力，由卷曲彈簧通過機械復位的方式實現(xiàn)半自動控制。該上水裝置免去了復雜的電路系統(tǒng)，如水位監(jiān)測、驅(qū)動上水等電路；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，具有很高的應用價值。

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