太陽能熱水器水管自動“空水”裝置的教學

邢海根

(廬江第四中學 安徽 合肥 231500)

1 問題的提出

觀察事物的缺陷，尋找解決方案的一系列發明課題.

太陽能熱水器已得到普遍的應用，不論是夏天還是冬天，都能給用戶提供熱水.但太陽能熱水器有一個缺點，往往在冬天，水管內的水會結冰，使得太陽能熱水器不能應用，甚至水管會被凍爆，特別是冰熔化后，室內自來水及水箱內的水都通過破裂處流出，導致“水災”的發生，給家庭或鄰居造成一定的損失.通過視頻播放或講述，讓學生發現現行太陽能熱水器水管的缺陷.告訴學生，發現身邊使用的東西有不方便、不盡如人意的地方就是該事物的缺點.當我們發現了某個事物的缺點，就要設法改進它，讓它變為一個新產品，這樣，發明的題目就有了.此時，啟發學生對現行太陽能熱水器進行改進，尋找發明課題.學生提出了一系列的方案，師生共同對這些方案進行粗選，得出“防凍太陽能”、“防凍破太陽能水管”、“防太陽能水管凍破裝置”幾個課題.

2 課題的確定

對課題進行查新、缺點列舉，確定最終課題.

有了發明的課題，就要找解決該課題的途徑，實際上就是設計大致方案，看它能否解決問題.在發明過程中，往往具有多種設計方案，有的方案是前人已發明的，要淘汰；有的方案在理論上可行，但在實際過程中會有許多缺陷.這些都要反復查找資料，反復論證與推敲才能回避.例如，可以設計“真空式太陽能水管”、“絕熱式太陽能水管”、“零下自動加熱式水管”.當我們從網上查找時，發現后兩種已有類似的發明，對這兩種成品進行分析，發現都有缺陷，一個是絕熱材料很貴，經不起風吹雨打和日曬，每隔一段時間便要更換；而后者在冬天，特別是氣溫極低時將長時間通電，溫差越大，耗電量也就越大.這說明以上兩項發明還不十全十美，進一步研究該課題還是必要的.我們對“真空式太陽能水管”進行反復論證，發現它不是由軟管制成，因為大氣壓的作用，軟管不可能制成真空層.若由硬管制成，則只能分成一段一段的，不能隨意切割，這會給安裝帶來困難，在實際中是不能實現的.因此，在不改變課題的情況下，必須改變思維的方式，重新尋找設計方案.這時可啟發學生，水在冬天結冰，主要是結冰后體積變大，將水管脹破，所以，有的用戶聽天氣預報，在氣溫降低時，將太陽能水箱內的水全部放完，使管內無水，這樣可避免水管被凍破.若是水箱內的水被放凈了，那么也就不能隨時使用太陽能熱水器了.如果我們只將水管內的水放凈，保留水箱內的水，那么,需要用太陽能內的水時,再回復原來的功能，這樣就克服了該缺陷.從而可設計出新的方案，“自動防凍破太陽能水管‘空水’裝置”，接下來再論證它的科學性、創新性、實用性.最終確定此方案為最后的發明課題.

3 實驗的過程

設計實驗、進行實驗，在試驗中不斷發現缺陷，不斷改進，完善課題.

確定了課題，正如給出一個物理實驗課題，讓學生去設計實驗，進行實驗.這時就要明確實驗的目的、實驗的原理，才能確定實驗要用哪些器材，當然器材不是唯一的，因為解決問題的途經有多種.有了器材，可先設計出實驗的流程或實驗圖紙，然后,以此為根據完成組裝，再進行實驗.

完成發明課題的過程，與完成物理實驗相似.但不同的是前者的實驗器材不確定，往往帶有試驗性質，在不斷試驗的過程中，發現缺陷，再不斷地改進，不斷地更換器材或調整實驗方案，根據實驗的效果，反復對比，最終找出最佳的實驗器材，確定最佳的實驗方案.

例如，“自動防凍破太陽能水管‘空水’裝置”的課題.在論證時，我們確定它的工作原理如下，在室內與太陽能水箱連接處分別安裝一個電磁閥，正常使用太陽能熱水器時，室內電磁閥是常閉的，而與太陽能水箱連接處的電磁閥是常開的.當氣溫下降到零攝氏度以下時，電磁繼電器接通，使兩個電磁閥工作狀態對調，關閉太陽能水管與水箱連接處的水管，打開衛生間內的水管.根據這一原理，進行模擬實驗，選擇了以下器材：1 m長的水管，220 V的電磁閥2個，12 V電磁繼電器1個,三通閥1個,小水桶1個，用作模擬水箱,開關1個，用來代替溫控開關.先畫出草圖，根據草圖從上到下的順序進行組裝.再通電進行實驗.實驗時發現該裝置可以實現正常太陽能的上水或放水，但當氣溫為零攝氏度以下，用手動開關控制，只將水管內的水放掉時，管內的水流不下來.這時對照實物進行分析，發現是大氣壓的作用所致.隨后，我們對該裝置進行改進，在水箱下的電磁閥下方安裝一個三通管，在三通管的上方接一段水管用來通空氣.這時再模擬實驗，能夠將管內的水放凈了.接下來將開關復原，將下端水管與自來水管相連，給“太陽能水箱”上水，又出現了一部分水從通氣管內溢出的問題，怎樣實現上水時水不溢出，而“空水”時又能通空氣呢？此時，可以在通氣管上方加一個“止回閥”，當給太陽能水箱上水時，在水壓作用下，閥門自動關閉，在給水管“空水”時，在閥身自重的作用下閥門自動打開，實現了通空氣的目的.但在一次停電時，學生發現該裝置無法進行實驗，因為220 V電磁閥無法工作，因此，不得不對該裝置再次進行改進.將220 V電磁閥改成12 V電磁閥，用12 V蓄電池作為所需電源.但蓄電池用久了，忘記充電怎么辦呢？隨后想到了太陽能路燈，于是加了一塊太陽能電池板及充電系統，將它與蓄電池相連，并在衛生間安裝12 V手控照明燈.最終確定了實驗的方案.

4 成品的安裝

將替代器材改為實際器材，進行實際安裝，重新審視新成品的缺陷及優點.

將實驗用到的器材，拿到家用太陽能水管上安裝，進行上水實驗、放水實驗、氣溫達到0℃以下的水管內“空水”實驗.發現空水時，水管內的水流到地面，不便于用容器回收，于是設法進行改進，在排水電磁閥出口處接一根軟管，接到馬桶水箱內.由于市場上的溫控開關需要接220 V市電，為防止停電，直接用水銀溫度計改成的在0℃上下兩點通斷電的溫控開關.由于“空水”后太陽能仍然具有加熱的功能，用溫控開關自動控制電磁繼電器后，就不能在氣溫為零攝氏度以下使用太陽能箱內的水，這又是該發明的一大缺陷，必須進行改進.這時，我們想到了增加手動控制開關，需要用水時，將手動開關閉合，給電磁鐵通電，驅動兩個電磁閥反轉，實現太陽能水箱內的水放出，克服了以往太陽能冬天放熱水前，須將水管內存有的冷水放凈的缺點，幾乎剛出水時就是熱水.

5 裝置說明

對發明作品進行整體提煉，完善發明作品說明書.

(1)工作原理.由溫控開關對電磁繼電器進行控制，當氣溫在0℃以上，電磁鐵通電，電磁閥1通電，處于常開狀態，電磁閥2斷電，處于常閉狀態，該太陽能熱水器與常規的太陽能熱水器完全一樣.當氣溫達到0℃以下時，電磁鐵斷電，兩電磁閥工作狀態反轉，水管上端關閉，在大氣壓與水的重力作用下，管內的水從電磁閥2處流入馬桶水箱(或副水箱).當需要用水時，按下手動開關S，電磁鐵通電，兩電磁閥工作狀態反轉，實現可放熱水的狀態.但在不用水時應斷開開關，以便空水.其電路如圖1所示.

圖1 裝置電路圖

(2)安裝與維護.將太陽能水箱接口處的螺母旋下，串接電磁閥1，在電磁閥的下端接一三通，三通余下的兩端分別接進水管、止回閥.將衛生間的噴頭與上水閥相連處的螺母旋下，接一三通，余下的兩通再接電磁閥2和噴頭.電磁閥2的另一端接水管到馬桶水箱.對于溫控開關的校正可在冰水混合物中進行，看冰水混合物中溫度計水銀面的位置，調節金屬絲的位置.兩個電磁閥的接線柱上并接了指示燈，根據指示燈的發光與否可判斷其工作狀態.安裝圖如圖2所示.

圖2 裝置安裝圖