專利名稱：可使冷熱水循環(huán)的呼吸器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可使冷熱水循環(huán)的呼吸器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，集熱器和儲水箱一般置于便于接受 太陽能的高處，如屋頂上。集熱器中的水經(jīng)集熱器吸收太陽能加熱后(或者在 儲水箱中電輔助加熱)，內(nèi)循環(huán)至高處與之連通的儲水箱中，儲水箱通過熱水管 將熱水送到用戶家里，供用戶使用。儲水箱的進(jìn)水旦連接冷水管，則不斷向集 熱器補(bǔ)充冷水。
上述的這種太陽能熱水器存在如下的不足處于高處儲水箱中的熱水與處 于低處用戶家中熱水管內(nèi)的冷水，無法自動進(jìn)行循環(huán)。 一般情況下，尤其冬天， 一段時間不用熱水后，熱水管中的水自然冷卻，再次使用熱水需要將熱水管中 已冷卻的冷水放完才能放出熱水。也就是說，要想隨時打開熱水龍頭及時得到 熱水是不可能的。除非有電動泵專用于排空管中的冷水，這將增加使用成本和 能耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可使冷熱水循環(huán)的呼吸器，該呼吸器能使高處熱 水與低處冷水實現(xiàn)循環(huán)，它通過以下述技術(shù)方案得以實施-
與冷、熱水管連接，至少由呼吸體和置于該呼吸體內(nèi)的氣泡組成；所述呼 吸體是一剛性容器，設(shè)有進(jìn)水口和出水口，其內(nèi)置有水，在該進(jìn)水口和出水口上分別設(shè)有單向閥；所述氣泡是一其內(nèi)置有低沸點物質(zhì)的密閉柔性容器；冷、 熱水管分別通過對應(yīng)的單向閥與呼吸器的進(jìn)、出水口連接；在呼吸器內(nèi)的水溫 高于所述低沸點物質(zhì)的沸點時，該物質(zhì)呈氣相，氣泡體積變大，呼吸器內(nèi)壓增 大，出水單向閥打開，呼吸器內(nèi)的水向所述冷水管排出；在呼吸器內(nèi)的水溫低 于所述低沸點物質(zhì)的沸點溫度時，該物質(zhì)呈液相，氣泡體積變小，呼吸器內(nèi)壓 減小，進(jìn)水單向閥打開，所述熱水管的水進(jìn)入呼吸器；使熱水管中的水與冷水 管中的水通過呼吸器進(jìn)行循環(huán)。
上述設(shè)計方案中的進(jìn)一步設(shè)計在于，呼吸器還包括啟動加熱器，該啟動加 熱器由加熱電阻、儲水箱溫控開關(guān)及呼吸器溫控開關(guān)組成，三者相互串接。
上述設(shè)計方案中的進(jìn)一步設(shè)計在于，低沸點物質(zhì)采用環(huán)戊垸，還可采用異 戊烷或正戊烷。
上述設(shè)計方案中的更進(jìn)一步設(shè)計在于，呼吸器外側(cè)若置有保溫層，則該保 溫層采用比熱水管的保溫層更容易散熱的材料制成。
本發(fā)明利用一種低沸點物質(zhì)，該物質(zhì)在常壓下低于沸點溫度T4時，呈液相 (態(tài))，體積為Vp當(dāng)超過T4時，該物質(zhì)吸收熱量，由液態(tài)變?yōu)闅庀?態(tài))， 體積擴(kuò)大數(shù)百倍，即Ve-nVL(n —般為幾百，不同物質(zhì)有所不同)；當(dāng)溫度小于 T4時，該物質(zhì)釋放熱量，由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，體積回到原來的體積VL。
本發(fā)明利用上述低沸點物質(zhì)相態(tài)變化而引起的體積較大變化來產(chǎn)生水壓變 化，從而使單向閥打開或閉合，實現(xiàn)冷、熱水的循環(huán)。由此產(chǎn)生這樣的有益效 果實現(xiàn)低成本、低功耗的冷熱水循環(huán)，這樣即使在寒冷的冬季，隨時打開熱 水龍頭時，也能立即得到熱水，而不需要排出大量冷水后才可得到。,約水資 源，并提高太陽能熱水器的使用效率，促進(jìn)太陽能熱水器的更充分、廣泛地應(yīng) 用。


圖1現(xiàn)有熱水器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明呼吸器的一實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2所示呼吸器應(yīng)用于太陽能熱水器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明另一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是圖4所示呼吸器應(yīng)用于太陽能熱水器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6是環(huán)戊烷的溫度與蒸汽壓的關(guān)系曲線。 圖7是正戊垸的溫度與蒸汽壓的關(guān)系曲線。 圖8是異戊烷的溫度與蒸汽壓的關(guān)系曲線。
具體實施例方式
對照圖2，呼吸器B至少由容納水的呼吸體B1和置于該呼吸體B1內(nèi)的氣 泡B2組成。呼吸體B1是一不易變形的剛性密閉容器，例如用PVC材料制作。 如在呼吸器B的外側(cè)包裹保溫材料，則該保溫材料應(yīng)比熱水管外側(cè)的更加容易 散熱，保證呼吸器B內(nèi)的水比熱水管內(nèi)的水更快地冷卻。在呼吸器B的上端設(shè) 有進(jìn)水口，在該進(jìn)水口上安裝進(jìn)水單向閥U1;在呼吸器B的下端設(shè)出水口，在 該出水口上安裝出水單向閥U2。熱水管H的下端通過進(jìn)水單向閥Ul與呼吸器 B的進(jìn)水口連接，冷水管C通過進(jìn)水單向閥U2與呼吸器B的出水口連接。
將圖2所示的呼吸器用于太陽能熱水器系統(tǒng)，其在系統(tǒng)中連接的關(guān)系如圖3 所示。呼吸器B分別與冷水管C和熱水管H的一端連接，冷、熱水管上分別設(shè) 有進(jìn)水口 Pc、 Ph,冷水管C和熱水管H的另一端分別與儲水箱S的出水口和進(jìn) 水口連接。儲水箱S與集熱器D連接。
氣泡B2是用聚乙烯材料制成的密閉容器(也可以用其他類似材料制成)， 其內(nèi)置有一定量的低沸點物質(zhì)——環(huán)戊烷(其放入的質(zhì)量能保證在其全部汽化時可以漲大到B2的極限體積以內(nèi))。環(huán)戊垸的分子式是C5H10，分子量70，密 度0.75克/毫升，是低毒性的物質(zhì)，用于非飲用熱水應(yīng)對人體是安全的。它在 常壓下的沸點為T4 = 49.3°C，常溫常壓下氣泡B2內(nèi)的環(huán)戊烷呈液體，體積很小， 在溫度超過沸點溫度T4的常壓狀態(tài)下，汽化為氣體，體積約為液體的240倍左 右，其蒸汽壓和溫度關(guān)系曲線如圖6。環(huán)戊烷沸點溫度及汽化后的體積與外部壓 力有關(guān)。在外部壓力大于1個大氣壓、溫度超過沸點溫度的狀態(tài)下，汽化后的 氣泡體積與液化的氣泡體積之比小于240倍，但仍然是一個很大的膨脹系數(shù)。 低沸點物質(zhì)此外還有正戊烷和異戊烷等，它們可置于氣泡內(nèi)，使氣泡產(chǎn)生較大 的體積變化，圖7、圖8分別是正戊烷和異戊烷所對應(yīng)的蒸汽壓和溫度關(guān)系曲線。 叢圖4 6可以看出，在同一沸點溫度下環(huán)戊垸氣化時所對應(yīng)的壓力最小，而異 戊烷對應(yīng)的壓力最大。所以在選擇低沸點物質(zhì)時，主要根據(jù)儲水箱與呼吸器之 間的垂直高度差和熱水出口的水溫來確定。
氣泡可以一個，也可以多個地置于呼吸器B內(nèi)，且保證氣泡完全膨脹時， 氣泡B2最大限度充滿呼吸器B內(nèi)部，在保證呼吸器B正常工作的同時而不影 響單向出水閥的工作。采用多個氣泡則安全性更好，這樣每個氣泡內(nèi)所含低沸 點物質(zhì)就更少(一般在液化狀態(tài)下只有1 5ml)， 一旦氣泡破損，泄漏量十分有 限，對人體不會形成任何危害。
本實施例的呼吸體B1的容積為1000ml，內(nèi)部充滿水W并置有4個氣泡B2， (參見圖2)。 4個氣泡B2完全氣化膨脹后的體積約為750 900ml， 4個氣泡B2 內(nèi)置環(huán)戊烷大約3 10ml，氣泡膨脹后會擠壓水，使呼吸器的內(nèi)壓增加，氣泡B2 向上浮起，為防止氣泡B2浮在呼吸器上部堵塞進(jìn)水單向閥，或氣泡B2收縮后 下沉堵塞出水單向閥，在進(jìn)、出水單向閥的進(jìn)、出水處置有防堵網(wǎng)N，防堵網(wǎng)N 或是半球形的過水網(wǎng)，不易變形，分別安裝在進(jìn)、出水單向閥所在的進(jìn)、出水口處，使得氣泡無論在任何狀態(tài)都不能堵住單向閥，而水可以通暢流入、流出。
對照圖4，呼吸器B還可由上述的呼吸體B1和氣泡B2，再加啟動加熱器 構(gòu)成。該啟動加熱器由加熱電阻R和與之串聯(lián)的儲水箱溫控開關(guān)SW1及呼吸器 溫控開關(guān)SW2組成。溫控開關(guān)SW1置于儲水箱中，溫控開關(guān)SW2置于呼吸器 內(nèi)部。這種呼吸器在儲水箱水溫高于Tl時，SW1閉合(低于T1時，由于儲水 箱中水溫低，沒有必要水循環(huán))；呼吸器內(nèi)的溫度低于一設(shè)定溫度T3時SW2閉 合，加熱后水溫高于一設(shè)定溫度T2時溫控開關(guān)SW2斷開(參見圖5)，便于系 統(tǒng)產(chǎn)生冷熱水循環(huán)和降低功耗。
沒有啟動加熱器的呼吸器B安裝在熱水出口 Ph垂直位置的上面如圈3所示 狀況。冷水管C和熱水管H外壁安裝保溫材料，減少熱量損失(正常工作后， 冷水管中的水也不再是冷水)。而呼吸體B1則用比冷水管和熱水管外壁更容易 散熱的保溫材料，或者不裝保溫材料，其目的是使呼吸器B的散熱比熱水管H 來得快。呼吸器B的體積與熱水管H的體積之比最好在0.1 1的范圍內(nèi)。
下面以含有啟動加熱器的太陽能熱水器為例說明本發(fā)明系統(tǒng)工作的過程
系統(tǒng)開始工作時，只要打開冷水入口和熱水出口，可以使整個系統(tǒng)內(nèi)充滿 冷水。呼吸器B中的汽包B2處于很小的體積，氣泡內(nèi)環(huán)戊烷(以環(huán)戊烷為例) 為液體。SW1由于儲水箱中的水溫低于T1，處于斷路狀態(tài)，啟動加熱器不工作。
當(dāng)集熱管吸收熱量或者儲水箱中的加熱器工作，儲水箱的水溫升高到T1(T1 一般至少70° C)后，SW1接通。此時，呼吸器B2的水溫低于設(shè)定溫度T3 (T3 一般取低于呼吸器壓力下環(huán)戊烷的沸點溫度T4約4 5。 C)， SW2接通。啟動 加熱器中的加熱電阻R開始加熱。加熱的效果除抵消呼吸器B與外部的熱交換 和環(huán)戊垸汽化需要的熱量外，還使得呼吸器B內(nèi)水溫升高。
當(dāng)水溫超過T4 (T4是在呼吸器壓力下環(huán)戊烷的沸點，T4的溫度大于常壓下環(huán)戊烷的沸點)，氣泡A內(nèi)的環(huán)戊烷汽化，體積急劇膨脹，呼吸器B內(nèi)部壓力 增加，出水單向閥U2打開，呼吸器B中的冷水持續(xù)流入冷水管C中。
當(dāng)呼吸器B的水溫大于設(shè)定溫度T2(T2 —般取高于呼吸器壓力下環(huán)戊烷的 沸點溫度T4約4 5。 C)時，SW2斷開，啟動加熱器R停止加熱，熱平衡后， 出水單向閥U2關(guān)閉。此時的狀態(tài)是氣泡B2體積最大，呼吸器B內(nèi)的水量很 少，水溫是T2，兩個單向閥關(guān)閉，啟動加熱器R停止，這種狀態(tài)保持一段時間。
因呼吸體B1的熱傳導(dǎo)效果較好，使呼吸器B內(nèi)的水溫較快下降，當(dāng)水溫低 于T4時，氣泡B2氣態(tài)的環(huán)戊垸液化，釋放熱量(由于環(huán)戊烷的質(zhì)量很小，釋 放和吸收的熱量都非常有限)，氣泡B2的體積逐步減小，呼吸器B中的壓力減 小，熱水管H中的冷水通過進(jìn)水單向閥U1向呼吸器B內(nèi)持續(xù)注水，氣泡B2體 積持續(xù)減小、環(huán)戊垸持續(xù)液化，直到進(jìn)水單向閥U1兩側(cè)的壓力相等，進(jìn)水單向 閥U1關(guān)閉。
如果熱水管H的容積vh與呼吸器B的容積vb相當(dāng)，即Vh: Vb"1，經(jīng)過 一個循環(huán)過程，熱水管H中已經(jīng)充滿熱水。建議熱水管H的容積與呼吸器B的 容積在一個數(shù)量級，即VB: Vh《10，這是考慮到VB的體積不能太大，要便
于安裝，而vh的體積依賴于熱水管的長度和截面積。
如果熱水管H的體積大于呼吸器B的體積，則需要兩個或多個循壞進(jìn)水 單向閥U1附近的水溫為T5，低于儲水箱溫度T6 (T6>T1)但高于環(huán)戊烷沸點 溫度T4。此時呼吸器B內(nèi)的水是從原來熱水管H中流入的冷水，如低于設(shè)定溫 度T3，啟動加熱器中的加熱電阻R再次工作，氣泡B2再次膨脹，把呼吸器B 內(nèi)的冷水通過出水單向閥U2注入冷水管C。在水溫達(dá)到T2時，加熱電阻R停 止加熱。此時氣泡B2保持膨脹狀態(tài)，兩個單向閥U1、 U2關(guān)閉，加熱電阻R停 止加熱，呼吸器B內(nèi)部的水溫為T2，而且水的數(shù)量很少。整個系統(tǒng)處于靜態(tài)，熱水管中的水溫在T5與T6之間。
處于靜態(tài)下的呼吸器B向外界散熱，其散熱速度比熱水管快，即溫度下降 得較快。 一旦呼吸器B的水溫小于T4，汽包A內(nèi)的環(huán)戊烷液化，呼吸器B內(nèi)的 壓力減小，進(jìn)水單向閥U1打開，熱水管H中的水溫為略低于T5的熱水(有保 溫材料，溫度下降有限)注入呼吸器B，呼吸器B內(nèi)的水溫上升，汽包內(nèi)的環(huán) 戊烷汽化，體積膨脹，壓力增加，出水單向閥U2打開，呼吸器B底部的水注入 冷水管C，直到汽包A膨脹到該環(huán)境下的最大值，系統(tǒng)再次進(jìn)入靜態(tài)，單向閥 Ul、 U2關(guān)閉。這個過程中，啟動加熱器不工作。
只要儲水箱中有溫度大于T1的熱水，啟動一次(或數(shù)次)啟動加熱器，使 得熱水管H內(nèi)充滿熱水，以后這種間歇性的冷熱水循環(huán)可以自動進(jìn)行，啟動加 熱器將不再作用。如果長期沒有陽光，儲水箱中的水溫低于T1，啟動加熱器不 工作，系統(tǒng)不能進(jìn)行循環(huán)。也就是說，只有儲水箱中有高溫?zé)崴畷r，冷熱水循 環(huán)才可進(jìn)行，啟動加熱器才工作，可節(jié)約能源。由于呼吸器B間歇性地從熱水 管輸入溫度為T5的熱水、向冷水管輸出溫度T4左右的熱水，就像呼吸一樣不 斷地吸入、排出。
如要降低成本，本發(fā)明可采用無啟動加熱器的呼吸器B。那么，在儲水箱 中有熱水而熱水管中是冷水時，需要在第一次開啟熱水開關(guān)時，放掉熱水管中 的冷水，此后只要儲水箱中有高于一定溫度的熱水，水循環(huán)會自動進(jìn)行。但是 一旦儲水箱中水溫低于T4時，也必須打開熱水開關(guān)放冷水后，才能實現(xiàn)高處熱 水和低處冷水的自動循環(huán)。
呼吸器B可以安裝在熱水出口的垂直位置上面，也可以安裝在熱水出口的 垂直位置下面。--般來說，如果熱水管中有多個熱水出口，呼吸器放在最下面 的熱水出口的垂直位置之下較好。如果不安裝啟動加熱器，則呼吸器必須安裝在最低的熱水出口的上面(圖3)。
呼吸器B的體積可以根據(jù)熱水管的體積，做成不同的尺寸，在安裝便利的
情況下盡量接近熱水管的體積，可以減少功耗損失。
如果呼吸器不裝保溫材料，散熱較快，整個系統(tǒng)的熱效率會下降，如果呼 吸器體積較小，則不裝問題不大，如果體積較大，建議使用比熱水管保溫效果
差的材料。
根據(jù)不同的安裝高度差，可以選用環(huán)戊烷、異戊垸和正戊烷，也可以選擇 其他類似的物質(zhì)。
本發(fā)明中的呼吸器B，單向閥U1、 U2、溫度開關(guān)SW1、 SW2和加熱電阻R 的價格都低廉，汽包B2制作簡單、成本低。所以，通過冷熱水循環(huán)，實現(xiàn)隨時 打開熱水龍頭即能得到T4左右的熱水所附加的裝置價格十分低廉，而且是低功 耗，同時達(dá)到節(jié)約水的目的，提高了太陽能熱水器的使用效率，促進(jìn)太陽能熱 水器更充分、更廣泛地應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.可使冷熱水循環(huán)的呼吸器，與冷、熱水管連接，至少由呼吸體和置于該呼吸體內(nèi)的氣泡組成；所述呼吸體是一剛性容器，設(shè)有進(jìn)水口和出水口，其內(nèi)置有水，在該進(jìn)水口和出水口上分別設(shè)有單向閥；所述氣泡是一其內(nèi)置有低沸點物質(zhì)的密閉柔性容器；冷、熱水管分別通過對應(yīng)的單向閥與呼吸器的進(jìn)、出水口連接；在呼吸器內(nèi)的水溫高于所述低沸點物質(zhì)的沸點時，該物質(zhì)呈氣相，氣泡體積變大，呼吸器內(nèi)壓增大，出水單向閥打開，呼吸器內(nèi)的水向所述冷水管排出；在呼吸器內(nèi)的水溫低于所述低沸點物質(zhì)的沸點溫度時，該物質(zhì)呈液相，氣泡體積變小，呼吸器內(nèi)壓減小，進(jìn)水單向閥打開，所述熱水管的水進(jìn)入呼吸器；使熱水管中的水與冷水管中的水通過呼吸器進(jìn)行循環(huán)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述可使冷熱水循環(huán)的呼吸器，其特征在于所述呼吸器 還包括啟動加熱器，該啟動加熱器由加熱電阻、儲水箱溫控開關(guān)及呼吸器溫控 開關(guān)組成，三者相互串接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述可使冷熱水循環(huán)的呼吸器，其特征在于所述低 沸點物質(zhì)采用環(huán)戊垸或異戊烷或正戊垸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述可使冷熱水循環(huán)的呼吸器，其特征在于所述呼 吸器外側(cè)的保溫層采用比所述熱水管外側(cè)保溫層更易于散熱的材料，或呼吸器 外側(cè)不置保溫層，使得呼吸器內(nèi)的水比熱水管內(nèi)的水更快降溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及可使冷熱水循環(huán)的呼吸器。該呼吸器與冷、熱水管連接，至少由呼吸體和置于該呼吸體內(nèi)的氣泡組成；所述呼吸體是一剛性容器，設(shè)有進(jìn)水口和出水口，其內(nèi)置有水，在該進(jìn)水口和出水口上分別設(shè)有單向閥；所述氣泡是一其內(nèi)置有低沸點物質(zhì)的密閉柔性容器；冷、熱水管分別通過對應(yīng)的單向閥與呼吸器的進(jìn)、出水口連接；本發(fā)明利用上述低沸點物質(zhì)相態(tài)變化而引起的體積較大變化來產(chǎn)生水壓變化從而使單向閥打開或閉合，實現(xiàn)冷、熱水的循環(huán)，應(yīng)用于象太陽能這樣的冷熱水系統(tǒng)，在這樣打開熱水龍頭時，能立即得到熱水，而不需要排出大量冷水后才可得到，節(jié)約水資源，并提高這類冷熱水系統(tǒng)的熱水使用效率。
文檔編號F24J2/46GK101629765SQ200910184270
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者邵文遠(yuǎn) 申請人:邵文遠(yuǎn)