CN104395657B - 阀和根据热虹吸原理工作的太阳能收集装置 - Google Patents

Abstract

根据热虹吸原理工作的太阳能收集装置，尤其是由聚合物材料制成的太阳能收集装置，会通过过度加热损坏。因此，本发明涉及一种阀(1)，其具有一沿纵向方向(L)从流入开口(2)向流出开口(3)变细的罩(4)，在该罩内部形成第一流动空间(S1)，该第一流动空间沿纵向方向(L)延伸超出流入开口(2)，并且在罩外部形成第二流动空间(S2)，该第二流动空间沿纵向(L)延伸超出流出开口(3)，其中，第一流动空间(S1)和第二流动空间(S2)可通过具有第一旁通阀(11)的至少一个第一旁通管(10)流体连接。此外，本发明涉及一种具有这种阀(1)的根据热虹吸原理工作的太阳能收集装置。

Description

阀和根据热虹吸原理工作的太阳能收集装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于一根据热虹吸原理工作的太阳能收集装置的阀，以及根据权利要求9所述的具有这种阀的太阳能收集装置。

基于热虹吸原理的太阳能收集装置用于通过在一流体回路中的被动的自然对流从太阳能中获得热。

背景技术

这样的、也称作热虹吸收集器的太阳能收集装置典型地包括一至少部分地大地测量学地在太阳能收集器之上布置的流体储存器。后者具有一大地测量学地在下地布置的取出部位和一大地测量学地在上地布置的馈入部位。太阳能收集器具有一通流通道，该通流通道具有一入口开口和一大地测量学地高于该入口开口放置的出口开口。太阳能收集器的入口开口通过回流管道与流体储存器的取出部位液压地连接。此外，太阳能收集器的出口开口通过馈送管道与流体储存器的馈入部位液压地连接，从而形成流体回路。

为了运行不需要常规的泵。而是利用在不同温度下流体的不同相对密度来驱动流体回路。在太阳能收集器中加热的流体基于其较小的密度通过馈送管道上升到流体储存器中，而同时较冷的流体通过回流管道向下降入到太阳能收集器中。

为了将热量从流体储存器中卸载，可以要么设置换热器，要么流体本身被取出并重新填充。在后面的那种情况下，送水管道典型地通入流体储存器的下部区域或回流管道中。取出管道与流体储存器的上部区域连接。

由作用到太阳能收集器上的凉的外部影响、如凉的晚上或下雨所决定，可能出现这种情况，即处于太阳能收集器或通流通道中的流体比布置在同样高度的储存器中的流体的温度更凉。然后自然对流倒转，并且流体储存器被卸载，也就是说失去热量。为了避免这种情况的发生，在现有技术中使用止回阀，该止回阀阻止在该循环方向上的对流流动。已知的止回阀以止回活瓣或鸭嘴阀的形式实施。

鸭嘴阀通常由橡胶、弹性体或硅树脂制成，并布置在管区段内。这些鸭嘴阀具有从入口开口向出口开口变细的横截面，该横截面由布置在管区段内的弹性罩限定。从流入开口方向来，这样的鸭嘴阀具有很小的流动阻力，因为流出开口通过由内部作用到罩上的流动压力而变大。相反地，由流出开口方向来的流动阻力相对较大，因为流出开口这时通过由外部作用到罩上的流动压力而变小。

在实践中问题出现在此类的太阳能系统中，尤其在所谓停滞情况期间。在这种情况下，没有热量从流体中被卸载，并且太阳能热量不能继续加热流体，从而使得对流流动停止。在这里，温度在整个流体体积中常常明显高于70摄氏度。因为热虹吸收集器尤其是在新兴国家和发展中国家中使用，因此要求便宜地制造。然而，为此而使用的材料，尤其是塑料，如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)，在这样的高温下会很快老化和损坏。

因此在现有技术中，人们尝试，将流体温度保持在60至65摄氏度之下。已知的解决方案是例如双金属条，该双金属条调节太阳能收集器的通流通道和吸收板之间的通风。然而，为此所需的通风口可能通过错误的安装堵住，或可能通过环境影响造成其堵塞。

发明内容

因此，本发明的任务在于克服现有技术的问题，并找到一解决方案，其能够避免在根据热虹吸原理工作的、具有自然对流循环的太阳能收集装置上通过过度加热导致的损坏，并且此外能够便宜、可靠地运行以及可简单安装。

根据本发明，该任务借助权利要求1和9的特征得以解决。有利的改进方案在从属权利要求中获知。

本发明涉及一种用于一根据热虹吸原理工作的太阳能收集装置的阀，其具有一沿纵向方向从流入开口向流出开口变细的罩，在该罩内部形成第一流动空间，该第一流动空间沿纵向方向延伸超出流入开口，并且在罩外部形成第二流动空间，该第二流动空间沿纵向方向延伸超出流出开口，其中，第一流动空间和第二流动空间通过具有第一旁通阀的至少一个第一旁通管可流体连接。

有利的是，这种旁通阀的便宜和牢固的设计，该旁通阀安装在太阳能收集装置中，能够实现在超过边界温度时循环方向的倒转。由此，流体温度可以保持在临界边界之下，并且避免太阳能收集装置上的热引起的损坏。例如太阳能收集装置内的流体例如在晚上被重新降温，直到在下一次日照阶段时临界温度不会被超过。错误安装的危险非常小，并且在怀疑的情况下可以通过太阳能收集装置的错误功能很快确定。此外，环境影响几乎没有干扰可能性，因为阀被封装在流体回路中。另一个优点是可以简单改装。

在本发明的一个改进方案中，罩具有弹性材料。从流入开口方向来，具有这种弹性罩的阀具有很小的流动阻力，因为流出开口通过由内部作用到罩上的流动压力而变宽。相反的，由流出开口方向来的流动阻力相对较大，因为流出开口这时通过由外部作用到罩上的流动压力而变小。优点在于，几乎没有活动部件，由此阀牢固抗堵。

在这里，优选罩的这样的设计，在该设计中流入开口是圆状的，因为流体回路的管道也典型的具有圆状的横截面。相应地，流入开口可以在管道的整个横截面上延伸，并且流动阻力很小。由此，自然对流被尽可能小地阻止。

根据本发明的一个改进方案，第一流动空间和第二流动空间通过流出开口可流体连接。相应地，阀可以允许或阻止通过流出开口的自然对流。如果在第一流动空间中的压力比在第二流动空间中的压力高出一第一压力差，那么优选流出开口打开。相反，如果在第一流动空间中的压力比在第二流动空间中的压力低出一第二压力差，那么流出开口应该关闭。其中，第一和第二压力差可以具有相同的值。然而，尤其是第二压力差也可以是很小的负值，从而使得当存在足够大的压力差时，流出开口才被开放。此外，可以通过双稳态弹簧元件避免在边界情况下阀的固定不变的来回调节。由此，只要流出开口一打开，流动阻力就特别小。只有当存在足够的反向流动时，那么阀才关闭。

另外，优选这样的罩的设计，在该设计中流出开口是矩形或狭缝形的。这时，在第一流动空间中的压力比在第二流动空间中的压力稍微大一点，就可以导致流出开口明显扩大。同样由此，阀的流动阻力很小。

本发明的一个重要改进方案设置，第一旁通阀是受温度控制的。当达到规定的边界温度时，该旁通阀被开放。以这样的方式可能的是，在超过边界温度时，开放太阳能收集装置的流体回路的反向流动。接下来，从流体向周围进行热量放出，并且流体的温度可以被降到边界值之下的一个值。

根据本发明的一个特别有利的设计，第一旁通阀是双金属器件，该双金属器件在温度处于第一边界温度之下时关闭第一旁通管，在温度处于第二边界温度之上时至少部分开放第一旁通管。该双金属器件可以直接布置在流体回路中，并且相应地准确和完全自主地切换开关温度。这是特别便宜和可靠的。

在本发明的进一步改进方案中，边界温度通过双金属器件的设计来限定。由此，边界温度可以适配环境因素和太阳能收集装置，尤其适配太阳能收集装置的材料。其中，第一和第二边界温度可以符合这种情况。替换地，双金属器件还可以双稳态地构造，从而在经过边界温度时，进行比较大的运动。

此外，本发明的一个替换方案设置，第一旁通管通过罩中的开口构造。由此，阀的结构特别简单和紧凑。然后，该开口优选布置在罩的非柔韧区域，以便可以便宜和简单地设计第一旁通阀。替换地，该开口还可以在第一和第二流动空间之间的另一个、尤其是独立于罩构造的分离元件中构造。可选的是，第一旁通管通过一管道区段构造。这里的优点在于，可以将这样的旁通管后续集成到一具有止回阀的已有的太阳能收集装置中。这时，止回阀被后续与旁通管跨接。

本发明不局限于一个单个的旁通管的构造。而是根据一个改进方案，第一流动空间和第二流动空间还可以通过二至十个旁通管流体连接，其中，在这些旁通管中的每个旁通管中布置一个旁通阀。在这里，这些旁通管和旁通阀的特征可以和第一旁通管和第一旁通阀的特征完全一样地设计。不过还可以考虑的是，单独选择和由此协调一致的特征。旁通阀的数量的提高的优点在于，在阀的尽可能紧凑的构造方式的情况下可以实现更大的累积旁通管横截面。例如，罩的几何设计允许例如仅有限较大的开口，但是这种情况可以通过开口的数量的提高来补偿。

这样的根据本发明的阀可以直接应用到管区段中。但是优选，阀具有一自身的管形阀体。在这里特别优选，阀体径向于纵向方向包围罩。由此，可以特别简单和无误地执行安装，因为只需要将管区段相互连接。另外，第二流动空间应该被阀体限定。由此，罩尤其在运输和操作过程中被保护，免于损坏。第一流动空间也应该被阀体限定。由此尤其可以保护罩的流入开口。

另外，本发明涉及一种具有流体回路的太阳能收集装置，其包括一具有一通流通道的太阳能收集器，该通流通道具有一入口开口和和一在大地测量学上高于该入口开口放置的出口开口；一具有取出部位和一大量测量地高于该取出点布置的馈入点的流体储存器，其中该流体储存器至少部分地大量测量地布置在太阳能收集器之上；一回流管道，该回流管道将通流通道的入口开口与流体储存器的取出点液压地连接；一馈送管道，该馈送管道将通流通道的出口开口与流体储存器的馈入部位液压地连接；和一阀，其具有一沿纵向方向从流入开口向流出开口变细的罩，在该罩内部形成一第一流动空间，该第一流动空间沿纵向方向延伸超出流入开口，并且在罩外部形成一第二流动空间，该第二流动空间沿纵向方向延伸超出流出开口，其中，第一流动空间和第二流动空间通过具有第一旁通阀的至少一个第一旁通管可流体连接，并且该阀的流入开口指向取出部位的流动方向，并且该阀的流出开口指向馈入部位的流动方向。

因此，能够开放流体在流体回路中朝馈入点方向自然对流，并且朝相反方向的对流要么阻止，要么在超过边界温度时开放。具有这种旁通阀的太阳能收集装置的便宜和牢固的设计是有利的。由此，流体温度可以保持在临界边界之下，并且避免热引起的损坏。例如太阳能收集装置内的流体例如在晚上被重新降温，直到在下一次日照阶段时临界温度不会被超过。错误安装的危险非常小，并且在怀疑的情况下可以通过太阳能收集装置的错误功能很快确定。此外，环境影响几乎没有干扰可能性，因为阀被封装在流体回路中。另一个优点是可以简单改装。在这里，该旁通管和旁通阀可以根据之前描述的设计可能方案细化。

在太阳能收集装置的进一步改进方案中，阀布置在流量管道或馈送管道中。前者允许例如具有已经集成的阀的太阳能收集器的交货。相反，在布置在馈送管道中的情况下，将阀集成和改装进已有太阳能收集装置中是特别容易的。

根据太阳能收集装置的一个改进方案，取出部位布置在流体储存器的大地测量的下部区域中。相应地，在加载流体储存器时，尽可能冷的流体被引入太阳能收集器中，并且热量获取是特别高的。

另外，优选将馈入部位布置在流体储存器的大量测量地的上部区域中。以这样的方式，卸载通过反向循环得到支撑，因为正好最热的、在上方分层的流体被抽走并冷却。此外，在加载流体储存器时，不会导致流体储存器中流体的充分混合，从而使得太阳能收集器被供给尽可能冷的流体。另外，流体回路中的自然对流被尽可能小地阻止。基于同样的原因，馈入部位优选在大地测量学上布置在太阳能收集器的通流通道的流出开口之上。

本发明的一个重要变型方案涉及流体从流体储存器中的直接取出，这在生活用水中是有利的。为此，送水管道应该通入流体储存器的下部区域中或回流管中。相应地，凉的、新馈入的流体要么在流体储存器的下部区域被分层，要么就直接向太阳能收集器输送。用户管道特别优选与流体储存器的上部区域流体连接。由此出发，可以以简单的方式、方法放出热流体。

附图说明

附图示出本发明的实施例，其中：

图1示出一示意性示出的太阳能收集装置，

图2示出通过一打开的、具有关闭的旁通阀的阀的纵切面，

图3示出通过一关闭的、具有关闭的旁通阀的阀的纵切面，

图4示出通过一关闭的、具有打开的旁通阀的阀的纵切面，以及

图5示出通过一具有4个旁通阀的阀的横截面。

具体实施方式

图1示出了一种示意性示出的太阳能收集装置100。该太阳能收集装置具有一流体回路K，其包括一具有一通流通道111的太阳能收集器110，该通流通道111具有一入口开口112和一大量测量地高于该入口开口112放置的出口开口113。此外，流体回路K包括一具有取出部位121和一在大地测量学上高于该取出部位121布置的馈入部位122的流体储存器120。尤其是，取出部位121布置在流体储存器120的大地测量的下部区域B1中。相反，馈入部位122位于流体储存器120的大地测量的上部区域B2中。在这里，馈入部位122在大地测量学上布置在太阳能收集器110的通流通道111的出口开口113之上。同时，流体储存器120部分地、尤其是大约三分之二地、在大地测量学上布置在太阳能收集器110之上。

流体回路K的回流管道130将通流通道111的入口开口112与流体储存器120的取出部位121液压地连接。通流通道111的出口开口113又借助一馈送管道140与流体储存器120的馈入点122液压地连接。在该馈送管道140中布置一阀1，该阀的具体设计例如在附图2至5中进一步说明。阀1的取向如此选择，即该阀的流入开口2指向取出部位121的流动方向，并且该阀的流出开口3指向馈入部位122的流动方向。

最后，送水管道150通入回流管道130中。同时，用户管道151与流体储存器120的上部区域B2流体连接。通过打开用户管道151中的用户阀152，流体F就可以从流体储存器120中被取出。被取出的流体量通过来自送水管道150的流体F补充。

图2至4分别示出了一穿过阀1的纵切面，该阀包括一具有第一旁通阀11的第一旁通管10。这些阀1尤其适用于根据热虹吸原理工作的太阳能收集装置，例如图1所示的太阳能收集装置。

阀1中的每个阀具有一沿纵向方向L从流入开口2向流出开口3变细的罩4。在该罩4内部形成一第一流动空间S1，该第一流动空间沿纵向方向L延伸超出流入开口2。在罩4外部形成一第二流动空间S2，该第二流动空间沿纵向方向L延伸超出流出开口3。罩4具有弹性材料，从而使得尤其是流出开口3可弹性变形。以这样的方式，第一流动空间S1和第二流动空间S2通过流出开口3可流体连接。

另外，阀1具有一管形的阀体19。该阀体径向于纵向方向L包围罩4，并且既限定第一流动空间S1又限定第二流动空间S2。

除了通过流出开口3连接之外，第一流动空间S1和第二流动空间S2还通过具有一第一旁通阀11的第一旁通管10可流体连接。如看到的，第一旁通管10通过开口18构造，尤其是通过在罩4中的开口18构造。

第一旁通阀11是受温度控制的。这种温度控制通过以下方式实现，即第一旁通阀11是双金属器件，该双金属器件在温度处于第一边界温度之下时关闭第一旁通管10，在温度处于第二边界温度之上时至少部分开放第一旁通管10。这些边界温度通过双金属器件的设计限定。

在阀1的第一流动空间S1中相应地产生压力P1，并且在第二流动空间S2中产生压力P2。由此在流出开口3的区域中得出压力差dP。

根据图2，流体F，例如通过自然对流，从流入开口2向流出开口3的方向流动。基于流动压力和一温度引起的重量差，在第一流动空间S1中的压力P1比在第二流动空间S2中的压力P2高出一压力差dP。由此从内部作用到罩4上的力将流出开口3扩大，从而流体F可以顺利流过阀1。在这里，旁通阀11的位置对于功能具有次要意义。不过，这里示出的是关闭位置，因为打开的旁通阀11表示流体F温度过高，尽管该流体正继续被加热。正是这样的过度加热应该借助阀1被避免。

相反，在图3中，在第一流动空间S1中的压力P1比在第二流动空间S2中的压力P2低出一压力差dP。通过此时由外部作用到罩4上的力，流出开口3被变细，尤其是关闭。因此，没有流体F可以通过流出开口3向流入开口2的方向流动。由于低于边界温度，第一旁通阀11也关闭。因此，丝毫不存在第一流动空间S1和第二流动空间S2之间通过阀1的流体连接。太阳能收集装置100的通过不希望的对流引起的反向循环导致的卸载就这样被阻止。

与图3不同，图4示出了超过流体F的边界温度的情况。由此，受温度控制的旁通阀11被带入一打开位置。尽管在第二流动空间S2中的压力P2在这里大于在第一流动空间S1中的压力P1，由此主要是流出开口3关闭，但是在这里有意识地通过第一旁通管10允许太阳能收集装置100的通过被允许的对流引起的反向循环导致的卸载。

图5示出了通过一阀1的横截面，其包括具有四个旁通阀11、15、16、17的四个旁通管10、12、13、14。这个阀1也尤其适用于根据热虹吸原理工作的太阳能收集装置，例如图1所示的太阳能收集装置。

阀1具有一沿纵向方向从圆状的流入开口2到矩形或狭缝形的流出开口3变细的罩4。在该罩4内部形成一第一流动空间，该第一流动空间沿纵向方向延伸超出流入开口2。在罩4外部形成一第二流动空间，该第二流动空间沿纵向方向延伸超出流出开口3。罩4具有弹性材料，从而使得尤其是流出开口3可弹性变形。以这样的方式，第一流动空间和第二流动空间通过流出开口3可流体连接。

另外，阀1具有一管形的阀体19。该阀体径向于纵向方向包围罩4，并且既限定第一流动空间又限定第二流动空间。

除了通过流出开口3的连接之外，第一流动空间和第二流动空间还通过具有相应的旁通阀11、15、16、17的四个旁通管10、12、13、14可流体连接。如看到的，旁通管10、12、13、14通过开口18构造，尤其是通过在罩4中的四个开口18构造，这些开口在圆周方向上分布布置。

旁通阀11、15、16、17是受温度控制的，尤其是通过以下方式，即这些阀分别由一双金属器件构造成，在温度处于第一边界温度之下时旁通阀11、15、16、17关闭，在温度处于第二边界温度之上时旁通阀至少部分开放旁通管10、12、13、14。这些边界温度通过双金属器件的设计限定。在这里，为了调节可能有利的是，旁通阀11、15、16、17的边界温度相互区别，从而旁通管10、12、13、14可以有分级地单个地或以组的形式被开放。

就阀1的其他功能而言，参加图2至4的实施方式。安装到太阳能收集循环100中的方法可以由图1的描述中得到。

附图标记列表

1 阀

2 流入开口

3 流出开口

4 罩

10 第一旁通管

11 第一旁通阀

12 第二旁通管

13 第三旁通管

14 第四旁通管

15 第二旁通阀

16 第三旁通阀

17 第四旁通阀

18 在罩中的开口

19 阀体

100 太阳能收集装置

110 太阳能收集器

111 通流通道

112 入口开口

113 出口开口

120 流体储存器

121 取出部位

122 馈入部位

130 回流管道

140 馈送管道

150 送水管道

151 用户管道

152 用户阀

B1 大地测量的下部区域

B2 大地测量的上部区域

dP 压力差

F 流体

K 流体回路

L 纵向方向

P1 在第一流动空间中的压力

P2 在第二流动空间中的压力

S1 第一流动空间

S2 第二流动空间

Claims (9)

1.太阳能收集装置(100)，其根据热虹吸原理工作，该太阳能收集装置具有流体回路(K)，所述太阳能收集装置包括：

·一太阳能收集器(110)，其具有一通流通道(111)，所述通流通道具有一入口开口(112)和一在大地测量学上高于所述入口开口(112)的出口开口(113)，

·一流体储存器(120)，其具有一取出部位(121)和一在大地测量学上高于所述取出部位(121)布置的馈入部位(122)，其中，所述流体储存器(120)至少部分地在大地测量学上布置在所述太阳能收集器(110)之上，

·一回流管道(130)，所述回流管道将所述通流通道(111)的入口开口(112)与所述流体储存器(120)的取出部位(121)液压地连接，

·一馈送管道(140)，所述馈送管道将所述通流通道(111)的出口开口(113)与所述流体储存器(120)的馈入部位(122)液压地连接，以及

阀(1)，其具有一沿纵向方向(L)从流入开口(2)向流出开口(3)变细的罩(4)，在所述罩内部形成一第一流动空间(S1)，所述第一流动空间沿纵向方向(L)延伸超出所述流入开口(2)，并且在所述罩外部形成一第二流动空间(S2)，所述第二流动空间沿纵向方向(L)延伸超出所述流出开口(3)，其中，所述第一流动空间(S1)和所述第二流动空间(S2)能通过具有第一旁通阀(11)的至少一个第一旁通管(10)流体连接，并且其中，所述阀(1)的流入开口(2)指向所述取出部位(121)的流动方向并且所述阀(1)的流出开口(3)指向所述馈入部位(122)的流动方向。

2.根据权利要求1所述的太阳能收集装置(100)，其特征在于，所述阀(1)布置在所述通流通道(111)、所述馈送管道(140)或所述回流管道(130)中。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能收集装置(100)，其中，所述阀(1)的特征在于，所述罩(4)具有弹性材料。

4.根据权利要求1或2所述的太阳能收集装置(100)，其中，所述阀(1)的特征在于，所述第一流动空间(S1)和所述第二流动空间(S2)能通过所述流出开口(3)流体连接。

5.根据权利要求1或2所述的太阳能收集装置(100)，其中，所述阀(1)的特征在于，所述第一旁通阀(11)是受温度控制的。

6.根据权利要求1或2所述的太阳能收集装置(100)，其中，所述阀(1)的特征在于，所述第一旁通阀(11)是双金属器件，所述双金属器件在温度处于第一边界温度之下时关闭所述第一旁通管(10)，在温度处于第二边界温度之上时至少部分开放所述第一旁通管(10)。

7.根据权利要求6所述的太阳能收集装置(100)，其中，所述阀(1)的特征在于，所述边界温度通过所述双金属器件的设计来限定。

8.根据权利要求1或2所述的太阳能收集装置(100)，其中，所述阀(1)的特征在于，所述第一旁通管(10)通过所述罩(4)中的开口(18)形成。

9.根据权利要求1或2所述的太阳能收集装置(100)，其中，所述阀(1)的特征在于，所述第一流动空间(S1)和所述第二流动空间(S2)通过二至十个旁通管(10、12、13、14)流体连接，其中，在这些旁通管(10、12、13、14)中的每个旁通管中布置一个旁通阀(11、15、16、17)。