太阳能热水器水管自动“空水”装置的教学

邢海根

(庐江第四中学 安徽 合肥 231500)

1 问题的提出

观察事物的缺陷，寻找解决方案的一系列发明课题.

太阳能热水器已得到普遍的应用，不论是夏天还是冬天，都能给用户提供热水.但太阳能热水器有一个缺点，往往在冬天，水管内的水会结冰，使得太阳能热水器不能应用，甚至水管会被冻爆，特别是冰熔化后，室内自来水及水箱内的水都通过破裂处流出，导致“水灾”的发生，给家庭或邻居造成一定的损失.通过视频播放或讲述，让学生发现现行太阳能热水器水管的缺陷.告诉学生，发现身边使用的东西有不方便、不尽如人意的地方就是该事物的缺点.当我们发现了某个事物的缺点，就要设法改进它，让它变为一个新产品，这样，发明的题目就有了.此时，启发学生对现行太阳能热水器进行改进，寻找发明课题.学生提出了一系列的方案，师生共同对这些方案进行粗选，得出“防冻太阳能”、“防冻破太阳能水管”、“防太阳能水管冻破装置”几个课题.

2 课题的确定

对课题进行查新、缺点列举，确定最终课题.

有了发明的课题，就要找解决该课题的途径，实际上就是设计大致方案，看它能否解决问题.在发明过程中，往往具有多种设计方案，有的方案是前人已发明的，要淘汰；有的方案在理论上可行，但在实际过程中会有许多缺陷.这些都要反复查找资料，反复论证与推敲才能回避.例如，可以设计“真空式太阳能水管”、“绝热式太阳能水管”、“零下自动加热式水管”.当我们从网上查找时，发现后两种已有类似的发明，对这两种成品进行分析，发现都有缺陷，一个是绝热材料很贵，经不起风吹雨打和日晒，每隔一段时间便要更换；而后者在冬天，特别是气温极低时将长时间通电，温差越大，耗电量也就越大.这说明以上两项发明还不十全十美，进一步研究该课题还是必要的.我们对“真空式太阳能水管”进行反复论证，发现它不是由软管制成，因为大气压的作用，软管不可能制成真空层.若由硬管制成，则只能分成一段一段的，不能随意切割，这会给安装带来困难，在实际中是不能实现的.因此，在不改变课题的情况下，必须改变思维的方式，重新寻找设计方案.这时可启发学生，水在冬天结冰，主要是结冰后体积变大，将水管胀破，所以，有的用户听天气预报，在气温降低时，将太阳能水箱内的水全部放完，使管内无水，这样可避免水管被冻破.若是水箱内的水被放净了，那么也就不能随时使用太阳能热水器了.如果我们只将水管内的水放净，保留水箱内的水，那么,需要用太阳能内的水时,再回复原来的功能，这样就克服了该缺陷.从而可设计出新的方案，“自动防冻破太阳能水管‘空水’装置”，接下来再论证它的科学性、创新性、实用性.最终确定此方案为最后的发明课题.

3 实验的过程

设计实验、进行实验，在试验中不断发现缺陷，不断改进，完善课题.

确定了课题，正如给出一个物理实验课题，让学生去设计实验，进行实验.这时就要明确实验的目的、实验的原理，才能确定实验要用哪些器材，当然器材不是唯一的，因为解决问题的途经有多种.有了器材，可先设计出实验的流程或实验图纸，然后,以此为根据完成组装，再进行实验.

完成发明课题的过程，与完成物理实验相似.但不同的是前者的实验器材不确定，往往带有试验性质，在不断试验的过程中，发现缺陷，再不断地改进，不断地更换器材或调整实验方案，根据实验的效果，反复对比，最终找出最佳的实验器材，确定最佳的实验方案.

例如，“自动防冻破太阳能水管‘空水’装置”的课题.在论证时，我们确定它的工作原理如下，在室内与太阳能水箱连接处分别安装一个电磁阀，正常使用太阳能热水器时，室内电磁阀是常闭的，而与太阳能水箱连接处的电磁阀是常开的.当气温下降到零摄氏度以下时，电磁继电器接通，使两个电磁阀工作状态对调，关闭太阳能水管与水箱连接处的水管，打开卫生间内的水管.根据这一原理，进行模拟实验，选择了以下器材：1 m长的水管，220 V的电磁阀2个，12 V电磁继电器1个,三通阀1个,小水桶1个，用作模拟水箱,开关1个，用来代替温控开关.先画出草图，根据草图从上到下的顺序进行组装.再通电进行实验.实验时发现该装置可以实现正常太阳能的上水或放水，但当气温为零摄氏度以下，用手动开关控制，只将水管内的水放掉时，管内的水流不下来.这时对照实物进行分析，发现是大气压的作用所致.随后，我们对该装置进行改进，在水箱下的电磁阀下方安装一个三通管，在三通管的上方接一段水管用来通空气.这时再模拟实验，能够将管内的水放净了.接下来将开关复原，将下端水管与自来水管相连，给“太阳能水箱”上水，又出现了一部分水从通气管内溢出的问题，怎样实现上水时水不溢出，而“空水”时又能通空气呢？此时，可以在通气管上方加一个“止回阀”，当给太阳能水箱上水时，在水压作用下，阀门自动关闭，在给水管“空水”时，在阀身自重的作用下阀门自动打开，实现了通空气的目的.但在一次停电时，学生发现该装置无法进行实验，因为220 V电磁阀无法工作，因此，不得不对该装置再次进行改进.将220 V电磁阀改成12 V电磁阀，用12 V蓄电池作为所需电源.但蓄电池用久了，忘记充电怎么办呢？随后想到了太阳能路灯，于是加了一块太阳能电池板及充电系统，将它与蓄电池相连，并在卫生间安装12 V手控照明灯.最终确定了实验的方案.

4 成品的安装

将替代器材改为实际器材，进行实际安装，重新审视新成品的缺陷及优点.

将实验用到的器材，拿到家用太阳能水管上安装，进行上水实验、放水实验、气温达到0℃以下的水管内“空水”实验.发现空水时，水管内的水流到地面，不便于用容器回收，于是设法进行改进，在排水电磁阀出口处接一根软管，接到马桶水箱内.由于市场上的温控开关需要接220 V市电，为防止停电，直接用水银温度计改成的在0℃上下两点通断电的温控开关.由于“空水”后太阳能仍然具有加热的功能，用温控开关自动控制电磁继电器后，就不能在气温为零摄氏度以下使用太阳能箱内的水，这又是该发明的一大缺陷，必须进行改进.这时，我们想到了增加手动控制开关，需要用水时，将手动开关闭合，给电磁铁通电，驱动两个电磁阀反转，实现太阳能水箱内的水放出，克服了以往太阳能冬天放热水前，须将水管内存有的冷水放净的缺点，几乎刚出水时就是热水.

5 装置说明

对发明作品进行整体提炼，完善发明作品说明书.

(1)工作原理.由温控开关对电磁继电器进行控制，当气温在0℃以上，电磁铁通电，电磁阀1通电，处于常开状态，电磁阀2断电，处于常闭状态，该太阳能热水器与常规的太阳能热水器完全一样.当气温达到0℃以下时，电磁铁断电，两电磁阀工作状态反转，水管上端关闭，在大气压与水的重力作用下，管内的水从电磁阀2处流入马桶水箱(或副水箱).当需要用水时，按下手动开关S，电磁铁通电，两电磁阀工作状态反转，实现可放热水的状态.但在不用水时应断开开关，以便空水.其电路如图1所示.

图1 装置电路图

(2)安装与维护.将太阳能水箱接口处的螺母旋下，串接电磁阀1，在电磁阀的下端接一三通，三通余下的两端分别接进水管、止回阀.将卫生间的喷头与上水阀相连处的螺母旋下，接一三通，余下的两通再接电磁阀2和喷头.电磁阀2的另一端接水管到马桶水箱.对于温控开关的校正可在冰水混合物中进行，看冰水混合物中温度计水银面的位置，调节金属丝的位置.两个电磁阀的接线柱上并接了指示灯，根据指示灯的发光与否可判断其工作状态.安装图如图2所示.

图2 装置安装图