在具有可调恒温控制的热水管中回收和节约冷却水的装置

摘要

与非循环的贮槽加热器类型的家用热水系统一起使用的节水装置使用一台液压马达来驱动一水泵,将水从热水管抽入冷水管。当与该装置连接的热水龙头被拧开而热水管中的水是冷的时抽吸开始。抽吸继续直至温度探测元件测得热水已到达该节水装置并促动一阀。当该装置中是热水时,该阀允许热水直接流向龙头而不是驱动液压马达。

说明书

本发明涉及水保存的领域，如用于非循环贮存槽的加热器类型的住宅热水管道系统。

事实上所有在美国使用的家用热水系统都采用一中央贮存槽式水加热器。每个这样的加热器包括一用于将热的供给水的装置和一已加热的水的绝热贮存槽。典型的家庭配备有一单一的贮存槽加热器，其具有15至60加仑的容积。热水从该加热器用管道输送至可能要用热水的不同地方。

如果热水不被从中央贮存槽式热水器中抽出，引自该热水器的其中具有水的管道将冷却至环境温度即室温。当消费者打开热水龙头时，在室温接受水。所需温度的热水只有在冷却水从管路中去除并有足够的热水流过管路以加热管道后到这水龙头。

最初从热水龙头中放出的水、室温冷水通常被浪费了。浪费经常发生在消费者淋浴时。消费者拧开热水龙头，让放出的水流入排水道。当室温水被从管道中去除而热水达到水龙头时，消费者要调节水温并进入沐浴。其它的消费者可能拧开热水龙头让水流下排水道，同时进行某些无关的工作。一段时间之后，在热水到达龙头后，消费者将转入淋浴，调节水温并开始淋浴。这不仅浪费水而且增加所使用的下水道系统的负荷，因为增加了待处理的污水体积。

发明人住宅处的实验显示，发明人的两人家庭的家用水消费的约4.3％或每天大约4.5加仑可能以这种方式被浪费了。更大的家庭将有更大的浪费。因此，如果能防止这种水的一定损失是有利的。

在去除热水管中冷水时所浪费的水量可以通过使用位于邻近龙头的所需类型的热水器加以减少。如果要消除水的浪费，则常常需多种类型的加热器，因为各种龙头不总是相互紧邻。此外，所需类型的热水器通常是电热水器并且效率远远低于贮存槽式天然气热水器。

用于去除管道中冷水时减少所消费的水量的另一方法是使热水系统连续循环。采用这种系统，引自热水器的管道被设置成一环路，从每一龙头附近通过，具有通向热水器的返回管。在环路中插装有一台泵，以保持热水流过环路，从而使管道和其中的水保持很高的温度。这一系统的能量利用率由于管道的热辐射而比传统的系统低，而且很难对现有的建筑进行改造。这一系统在具有许多盥洗室的大型建筑物如医院内仍然是普通的。

1994年1月11日授予Lund的美国专利US 5277219展示了一种节约水的热水系统，其中的一台电气泵被用来将室温的冷水从热水管中泵入冷水管中。当需要热水时，一开关受压打开泵。当温度传感器检测到冷水已从热水管中去除时泵被关闭。在1992年4月21授予Britt的美国专利US 5,105,846中描述了类似的系统，其中一定时器关闭该电气泵。在1991年4月23日授予Imhoff的美国专利US5009572中描述了另一个这样的系统。因为典型的住宅热水系统是从冷水系统那样的饮用水源供水，而且热水和冷水通常有大致相同的静压力，因此，将冷水从热水管中泵入冷水管中是一条节约冷水的合理的方式。然而，使用电气泵的系统需要电能来驱动泵，该泵抵消了因节约水而实现的任何节约。此外，这样的系统的安装、维护和运行有些复杂。

根据本发明提供一以液压为动力的泵，将冷水从热水管中泵至冷水管中，直至热水管中的水达到所需的温度。通过让一些水通过热水龙头从热水管中流出来驱动泵。所流出的水通常大约为从龙头中流出的正常流量的四分之一，就足以将余下的约正常流量的四分之三的水从热水管泵入冷水管中。这样大约节约了通常被浪费的水的75％。从龙头中流出的25％的水用来驱动泵，一般是作为要比电气泵所用的电更低廉的资源使用，来节约所有的水。此外，本发明的装置是独立的，因此要比需要电能源的系统容易安装和使用。

本发明的一个优选实施例使用一压液齿轮马达和齿轮泵，来回收大约75％的本来要被废弃的冷水。来自热水管的大约四分之一的水流量流过齿轮马达并绕过一双金属恒温元件，该恒温元件控制一流量控制阀并打开龙头。该流量驱动齿轮泵，将余下的大约75％的流量从热水管泵入冷水管中。当冷水被从热水管中去除，热水到达双金属恒温元件时，双金属恒温元件操作阀来使热水管中的所有水从龙头流出。一控制装置可以来调节双金属恒温元件开关阀时的温度。

目前实施本发明的最佳方式示于附图中。其中：

图1本发明节水装置的透视图；

图2本发明的前视图，表示热水和冷水的进口和出口和控制钮以及用虚线表示该装置的内部；

图3沿图2中的剖线3-3的竖直剖面，表示该装置在抽吸位置的阀；

图3a如图3所示的该装置的阀的局部竖直剖面，但表示阀在正常的流动位置；

图4沿图2的剖线4-4的纵向剖面，表示阀处于抽吸位置；

图4a如图4所示的装置的阀的局部纵向剖面，但表示阀在正常的流动位置；

图5沿图2的剖线5-5的纵向剖面，表示齿轮泵和马达；

图6沿图3的剖线6-6的竖直剖面，表示双金属恒温元件和该恒温元件与温度调节钮的接合；

图7沿图3的剖线7-7线的竖直剖面，表示本发明的抽吸齿轮；

图8沿图3的剖线8-8线的竖直剖面，表示本发明的马达齿轮和处于抽吸位置的阀；

图8a如图8所示的该装置的阀的局部竖直剖面，但表示阀处于正常的流动位置；

图9本发明的马达和泵的分解后的组件；

图10示意图，表示处于低温的双金属恒温元件和处于抽吸位置的阀以及设定在标准值的温度；

图11类似于图10的示意图，但表示处于高温的双金属恒温元件和处于正常流动位置的位置的阀，以及设定在标准值的温度；

图12示意图，表示处于低温的双金属恒温元件和处于抽吸位置的阀，以及设定在低值的温度；

图13类似于图12的示意图，但表示处于高温的双金属恒温元件和处于正常流动位置的阀，以及设定在低值的温度；

图14示意图，表示处于低温的双金属恒温元件和处于抽吸位置的阀，以及设定在高值的温度；

图15类似于图14的示意图，表示处于高温的双金属恒温元件和处于正常流动位置的阀，以及设定在高值的温度；

图16示意分解后的组件示图，表示恒温元件、阀、马达齿轮和抽吸齿轮，并表示当阀处于抽吸位置时流过该装置的水流；和

图17类似于图16的示意分解后的组件示图，表示当阀处于正常流动位置时流过该装置的水流。

本发明的节水装置与引向冷热水龙头的冷热水管相连。当热水龙头被拧开，该装置旁的热水管中的水已被冷却而不是处于所需的高温时，通常从龙头中流出的热水管中的一小部分水流过液压马达并流出龙头。该液压马达驱动一台泵，将通常从龙头流出的大部分水泵入冷水管中。这一过程一直进行，直至该装置旁热水管中的水达到目前的温度，在这一温度全部来自热水龙头的水流被恢复原状。

所示实施例的节水装置包括由两个半壳19a和19b形成的壳体18(图1)，其具有一热水进口20(图2,3,16和17)、一热水出口21、一冷水进口22和一冷水出口23。一对安装凸耳24从壳体18的每一侧伸出，因此该装置可以被安装在壁上或其它表面上。一温度调节钮25伸出壳体，以便使用者触及。在运作中本发明的装置被安装在靠近厨房的洗涤槽、面盆、浴盆、莲蓬头或其它正常使用冷热水的地方。该装置与冷热水管相连。例如该装置可以安装在建筑物壁上或在厨房的洗涤槽或浴室面盆下方的小室的后壁上。热水进口20与从贮槽式热水管(未示出)的热水出口导出的热水供应管(未示出)相连，热水出口21与热水龙头(未示出)相连，冷水进口22与冷水供应管(未示出)相连，该冷水供应管通常还与热水器(未示出)的冷水进口相连。冷水出口23与冷水龙头(未示出)相连。

半壳19a和19b可由固体材料如塑料制成，具有各种流体通道和在其内模制或铣削和钻成的小室。当用塑料模制时，每个半壳19a和19b将具有模制入半壳的配对表面的一半配对通道，这样对两个半壳结合在一起时，它们形成一热水通道26、一下热水旁路通道27，该旁路通道27从热水通道26延伸出来并具有通入小室30的出口分路28和29。小室30适于安装液压马达和泵组件。一上热水旁路31从小室30延伸至小室32，孔33将小室32与热水通道26相连，一连接通道34从支路29对面的小室30延伸出一段短距离。另外半壳19b中例如通过钻孔形成有冷水通道35，通道36(尤其请参见图4和7)从连接通道34延伸至将连接通道34与冷水通道35连接在一起的通道37的接头处。通道36和37可以从外侧钻入半壳19b中而具有孔36a和37a，如图4所示，孔36a和37a在钻孔后被填满或被塞住。

所示的液压马达和泵组件包括齿轮形式的马达和齿轮形式的泵。齿轮形马达要求配对的齿轮的齿形成密封。压力水被引入齿轮之间的间隙内，当它们移开时，充满齿间的间隙。而当齿移向一起时，水从上述间隙释放入低压出口。

如从图9清楚可见，液压马达和泵组件包括一支承件45、一马达齿轮小室47和一泵齿轮小室48。该支承体45具有一对在支承体相对侧的轴安装孔46。马达齿轮50安装在马达齿轮小室47中，并用键52固定在各轴51上。用键54将一对泵齿轮53固定在同一轴51上，这样马达齿轮的旋转将引起泵齿轮的旋转。一保险片56固定在轴的端部以使轴相互保持正确的距离并形成端轴承。马达和泵组件被装入适当形状的半壳19a和19b的小室30中，半壳和保险片56位于正确的位置，请见图3和5。

应当注意的是，支承体45包括一马达进口60，图3和8，当支承体45装入小室30时，该马达进口60与半壳19a和19b中的旁路通道28对准并流体连通。同样，支承体45具有一与旁路通道31对准的马达出口61(图3、8和9)、一与旁路分支29对准的泵进口62(图3、7和9)以及一与连接通道34对准的泵出口63。

如图所示，泵齿轮53要比马达齿轮50宽。齿轮的相对宽度一般决定了通过每个齿轮的水流量的比例。如果泵齿轮和马达齿轮宽度相等，则相同量的水将流过泵和马达。如目前优选的，泵齿轮的宽度为马达齿轮宽度的三倍，则大约有三分之一通过泵的水通过马达。其结果是流过马达的流量大约为流过马达和泵的总的流量的四分之一。齿轮宽度和流量比例可以按需调节。

半壳19a和19b在它们配对的表面上包括形成接收通道64的槽，见图8和8a，用于可旋转地接收圆柱形的阀槽件65，该阀槽件延伸通过小室32并通入小室32一例的热水通道26和小室32相反一侧的上旁路通道31。阀槽件65包括一穿过部分阀槽件并与热水通道26对准的通道66和延伸通过部分阀槽件并与上旁路通道31对准的通道67。阀槽件通道66和67在平行的平面内沿不同的方向延伸。如图所示，通道66沿通道67的方向旋转90°的方向延伸。这样，当阀槽件65旋转而使通道67与上旁路通道31对准(如图3所示)，从而使通道31打开并允许流过通道31时，通道66与热水通道26不对准，从而该通道26被堵塞或被封闭。同样，当阀槽件65旋转90°而使通道66与热水通道26对准以打开并允许流过通道26时(图3)，通道67与上旁路通道31不对准，因此该通道31被堵塞或被封闭。

阀槽件65旋转并受螺旋形双金属恒温弹簧件70的控制，尤其请见图3和6。弹簧件70的内端连接在阀槽件65的直径减小的中心部71上并具有固定在其外端例如通过铆钉73固定的齿条扇形件72。齿条扇形件72包括在其相反侧的弧形槽75，半壳19a和19b包括凹口76，其内安装的定位销77从半径19a和19b伸入槽75中，将齿条扇形件72以距阀槽件65的中心轴线固定的半径保持就位。可以通过温度调节钮25来调节齿条扇形件72的位置和双金属恒温元件的固定端。钮25具有伸出的轴80并可旋转地延伸通过半壳19a和19b中的接收通道81。一扇形齿轮83安装在小室32的上部并固定在轴80上，因此它与温度控制钮25一起转动。温度控制钮25的转动引起扇形齿轮83的转动。扇形齿轮83与齿条扇形件72啮合，因此扇形齿轮83的转动引起齿条扇形件72通过销77在槽75中的引导而沿一弧线移动。这样，钮25的转动引起齿条扇形件72和固定在其上的双金属恒温弹簧元件70的端部在如图6、10和11的中心位置和如图12和13所示的逆时针旋转位置和如图14和15所示的顺时针旋转位置之间移动。一弹簧加载的保持件85(图3)安装在孔86中并用弹簧87朝扇形齿轮83偏压，并与扇形齿轮83正面的凹处88(图6)配合，将齿轮保持在旋转位置或中心位置。可以设置附加的凹处，以便将扇形齿轮83保持在所示的极限之间调节的位置。如图6和10～15所示，止动销90从半壳19a伸入阀件65的槽91中，以限制阀件65旋转90°，并当通道67与上旁路通道31对准时，如图3所示，阻止以一个方向转动，而当通道66与热水通道26对准时，如图3a所示，阻止沿相反方向转动。虽然恒温弹簧元件70的可调性目前是优选的，但不是必需的。弹簧元件70的外端的位置可以固定在工厂设定的位置，以便操作阀，在工厂设定的温度范围打开热水通道26。

虽然齿条扇形件72如图所示为滑动定位并通过槽75中的销77保持距阀槽件65的中心轴线恒定的半径，但齿条扇形件可通过从其两侧伸向双金属恒温元件70两侧上的阀槽件65的侧面支撑件而定位。恒温元件的两侧可旋转地安装在阀槽件65上。

在装置组装时，马达和泵组件、阀组件、调节钮和各种销安放在一个半壳19a或19b中。然后，另一半壳朝该半壳移动就位，使各部分装配到另一半壳的接收槽中，这两半壳形成相邻的位置关系。如图3所示，一密封垫片94围绕半壳的边缘放置，有头螺钉95通过接纳孔96插入半壳19a中并拧入模制的螺纹套97中，或者固定在半壳19b中。通过拧紧有头螺钉95而将半壳19a和19b按水密方式固定在一起。不用围绕半壳边缘延伸的封密垫片94也可采用大体盖住半壳的所有相邻表面的密封垫片或将密封垫片的材料涂在相邻表面上。热水通道26的端部内制有螺纹并拧入螺纹接头98和99和通过螺母100固定就位，以形成热水进口20和热水出口21。同样，冷水通道35的端部内制有螺纹并拧入螺纹接头101和102和通过螺母100固定就位，以形成冷水进口22和冷水出口23。螺纹接头允许将该装置容易地连接到水管上。

该装置有两种运作模式，即如图16所示的抽吸模式和如图17所示的正常流动模式。

当没有热水流过该装置即在不使用热水一段时期后，该装置中的热水管中的水冷却至室温时就进入抽吸模式。抽吸模式的特征是阀槽件的通道67与上旁路通道31对准，见图8和16。流过通道26的热水被阻塞或封闭。

当消费者拧开热水龙头(未示出)时，热水出口21处的水压降低。水流过该装置，如用图16中的箭头所示。正常流量的一小部分，大约为从热水龙头中流出的正常流量的四分之一将流过马达齿轮50，通过上旁路通道31进入小室32并环绕小室中的双金属弹簧恒温元件70，通过孔33流入通道26的上部并从热水出口21流出。流过马达齿轮50的流量使马达齿轮转动，从而使泵齿轮53转动。大约为热水龙头正常流量的四分之三由泵齿轮53通过连接通道34、通道36和37泵入冷水通道35。这些水将流出具有较低压力的冷水进口22或冷水出口23。这样，如果冷水龙头是拧开的，则水从出口和龙头流出。如果冷水龙头是关着的，如正常情况那样，将迫使来自泵的水通过冷水进口22流入冷水供应管。

在抽吸模式，机械能由马达齿轮50通过热水进口20处的一般为50至100磅/英寸²的高的管压力的水流量流入热水出口21处的大体较低的压力而提取。机械能用于将水从热水进口20抽入冷水管中，其中冷水管的压力大体与热水进口20处的压力相等(典型地在10磅/英寸²之内)。

当从热水管中驱除冷水后，热水到达该装置，在小室32中围绕恒温弹簧元件70循环的水的已增加的温度被恒温弹簧元件70测得。恒温弹簧元件70在热水影响下延伸而转动阀槽件65，使得阀槽件的通道67不再与上旁路通道31对准，该通道被阻塞或封闭，而阀槽件的通道66与热水通道26对准。该阀转入这一位置而将该装置置于正常的流动位置。为了提高装置的响应，通道105可以从上旁路通道31延伸入小室32的下部，该小室罩住双金属恒温弹簧元件70，保证了在围绕弹簧元件70的小室的这一下部没有冷水。

在正常流动模式，如图17所示，热水流过热水进口20、热水通道26和与通道26对准的阀槽件通道66而流出热水出口21。通过阀槽件通道67与上旁路通道31不对准关闭了通道31而基本防止了水流过马达齿轮26，从而防止沿任一方向流过泵齿轮27。流过马达齿轮50的少量流量可以继续流过保持敞开的通道105，但是由于孔33处的通道26内现在是全压，所以流量很小。热水龙头增加的流量将提醒用水的消费者即可从龙头获得热水。

当热水流动停止一段时间，小室32中围绕着弹簧70的水冷却时(该冷却与热水供应管中的水的冷却相似)，弹簧70将缩短，使阀槽件65转动靠近热水通道26，打开上旁路通道31，从而使该装置处于抽吸模式。

抽吸模式和正常流动模式之间转换的热水温度可通过转动调节钮25调节。调节钮25的转动改变了恒温弹簧70的压力，如上所述。压力的这一改变改变了操作(转动)阀槽件65所需的弹簧缩短的延伸量。控制钮25从如图10的中间位置沿图12所示的逆时针方向的转动减少了弹簧70的压力，从而转动阀来打开通道26(图13)所需的弹簧元件70的延伸量减小。这意味着这一转动将在热水温度较低时发生。控制钮25沿如图14所示的顺时针方向的转动增加了弹簧元件70的压力，该压力需要弹簧元件70更大的延伸量来转动阀而打开通道26(图15)。这意味着直到达到水的高温才发生阀的转动。

在本发明的变型实施例中，热水可在流过泵和阀之前从热水进口流过双金属恒温元件。同样，也可以将装置制成在水流过马达齿轮之前从热水进口20流过阀。

此外不必在该装置中设置冷水通道，只需要冷水出口用于从热水管抽吸冷水。在这种情况下，必须在任一附近的冷水管(未示出)中安装一外接头T，这样可将水从冷水出口泵入冷水管中。

本发明还包括通过使用一部分通常从热水龙头中流出的水来操作液压马达而保存水的方法。液压马达又操作泵，以将不被马达使用的水抽入冷水管中。所述水通常将从龙头流走而被浪费。

虽然参照被认为是目前实施本发明的最佳模式的实施例图示和描述了本发明，但应当理解，通过将本发明改成不同的实施例可作出各种改变而不脱离由后附权利要求所公开的宽的发明范围。