节水淋浴系统及用于其中的热致变色装置的制作方法

节水淋浴系统及用于其中的热致变色装置
1.本技术是申请号为201680078355x、申请日为2016年5月18日、发明名称为“节水淋浴系统及用于其中的热致变色装置”的专利申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求2015年11月10日提交的美国申请no.14/937,587的优先权，该美国申请的公开内容的全文以引用的方式并入本文。
4.联邦政府赞助的研究或开发
5.不适用。


背景技术：

6.在第一方面中，本公开涉及家用管道系统，特别是淋浴系统，该系统采用热致变色装置来提供水温的视觉指示，使得水可以再循环到蓄水池，直到达到预定温度，并且允许水在达到预定温度时流出淋浴头。在第二方面中，本公开还涉及一种通过在这种系统中使用热致变色装置而在家用管道系统中节水的方法。在第三方面中，本公开涉及用于上述系统和方法中的热致变色装置。在第四方面中，本公开涉及展现有用于这种装置中的热致变色性质的聚氯乙烯(pvc)配方。
7.用于移动应用(application)(休闲车辆、拖车式房车、船、舶等)的淋浴系统通常使用来自有限容量的淡水蓄水池或水箱的水。在压力下将水从水箱中引导到淋浴头，一部分水经过加热单元以提供热水，另一部分绕过加热单元以提供冷水。热水和冷水通过淋浴头上游的混合阀以可变比例混合。在许多移动应用中，加热单元采用电或丙烷供能，并且可以在使用淋浴之前很短的时间内激活。另外，根据淋浴管道的布局，加热单元与淋浴头之间可能存在相当大体积的冷水。在任何一种情况下，在足够的热水可用于为淋浴提供期望温度之前，可能有相当大体积的水流过淋浴头。这种“不热”的流直接流到下水道，从而被浪费了。因此，必须更经常地填充淡水箱(这通常是不可行的)，或者水运工具(craft)或车辆中的水消耗必须被限制到令许多使用者会觉得不方便或不舒服的水平。
8.因此需要提供一种机构，借此使“不热”的水流可以被转回到淡水箱或蓄水池中以供再利用，然后仅当水达到预定温度时才将水引导至淋浴头。


技术实现要素：

9.在一个方面中，本公开涉及一种需要加热的水的淋浴系统或其它生活用水输送或管道系统，该系统包括：未加热的水的源；加热机构，其用于对来自源的水的一部分进行加热；混合阀，其能操作为用于将未加热的水和加热的水以可变程度混合；分配设备，其构造为用于分配混合在一起的加热的水和未加热的水；热指示器，其在混合阀与分配设备之间，并且构造为提供混合水已经达到预定温度的视觉指示；以及手动致动转向阀，其能操作为将水流选择性地引导到分配设备或返回到源。
10.在示例性实施例中，热指示器是热致变色材料的配件或元件，其中，当流过热指示器的水达到预定温度时，配件或元件或者其一部分发生快速且明显的颜色变化，然后当水
流停止或水温降低到预定温度以下时，热指示器恢复其原始颜色。热致变色材料优选为掺入热致变色颜料的聚合物。在一个实施例中，聚合物是聚氯乙烯(pvc)。
11.在示例性实施例中，家用管道或输水系统是用于诸如陆地车辆(rv、拖车式房车)或水运工具(船只、船舶)等移动应用的淋浴系统。移动系统中的水源通常是车辆或水运工具上的淡水蓄水池。水加热单元可以是与蓄水池流体连通并具有内部或外部加热元件的热水箱。当想要热水时，可以选择性地使加热元件通电，或者当热水箱中的水的温度低于预定温度时，可以使加热元件恒温地通电。在这种系统中，来自热水箱的加热的水在常规设计的混合阀中以可变比例与来自的蓄水池的冷水混合，借此根据使用者的需要选择从混合阀流到分配设备(实际上为淋浴头)的混合水的温度。在到达淋浴头之前，混合水流过例如上述热致变色类型的热指示器，以在从混合阀流出的水达到所需温度时提醒使用者。在流过热指示器之后，水流到可手动操作的转向阀，该转向阀能够在第一位置与第二位置之间被选择性地移动，在第一位置中水经由返回导管返回到蓄水池，在第二位置中水被引导到淋浴头。因此，转向阀可以保持在其第一位置或者被移动到其第一位置，直到热指示器指示出流过热指示器的水的预定温度，此后转向阀可以被移动到其第二位置。
12.根据第二方面，本公开涉及一种在生活用水系统中节水的方法，该类型的生活用水系统具有：蓄水池；水加热单元，其与蓄水池流体联接；混合阀，其在蓄水池和水加热单元的流体流动的下游并且与蓄水池和水加热单元流体联接；以及分配单元，其与混合阀流体联接并在混合阀的下游，该方法包括：(a)提供对流出混合阀的水的温度的视觉指示；(b)将来自混合阀的水引回蓄水池直到达到预定的水温；以及(c)一旦达到预定的水温，将水从混合阀引导到分配单元。根据本公开的实施例，水温的视觉指示由混合阀下游的热致变色装置或热致变色导管提供。
13.根据第三方面，本公开涉及一种用于前述系统和方法的热致变色配件或元件，其中，配件或元件的至少一部分由热致变色材料制成，热致变色材料诸如为热致变色聚合物材料，优选地为在固化之前混入热致变色颜料的pvc，热致变色颜料被选择为：响应于通过装置的、达到预选择的或预定的最小温度的液体流而快速改变颜色。在一些实施例中，热致变色配件或元件包括导管，导管的至少一部分由热致变色材料制成，导管在系统中流体连接在混合阀与分配单元之间。在其它实施例中，热致变色配件包括：入口，其构造为与混合阀的出口流体联接；出口，其构造为与转向阀的入口流体联接；内部隔挡部，其构造为在入口与出口之间生成曲折的流体路径；以及热致变色元件，其布置在该曲折的流体路径中并且为可视的，以向使用者显示热致变色颜色的变化。
14.根据另一方面，本公开涉及热致变色聚合物及其制造方法。概括地说，聚合物包括含有热致变色颜料的pvc合成物，该热致变色颜料被选择为具有响应于与具有预定温度的流体接触而发生快速和明显的颜色变化的能力。在挤出或模塑之前，将作为干颗粒或类似物的颜料混入处于液态的pvc中，并且固化pvc以形成热致变色装置。控制添加到pvc中的颜料的量和pvc的最高加工温度以保持所需的热致变色性质。
附图说明
15.图1是根据本公开的一个方面的用于移动应用的节水淋浴系统的示例性实施例的半示意图。
16.图2是根据本公开的一个方面的用于移动应用的节水淋浴系统的示例性实施例的简化视图。
17.图3是根据本公开的一个方面的节水淋浴系统的另一示例性实施例的简化视图。
18.图4是根据本公开的一个方面的热致变色配件的示例性实施例的剖视图。
19.图5是可用于根据本发明的节水淋浴系统中的转向阀的示例性实施例的部分剖切的正视图，该正视图示出了处于第一位置的转向阀。
20.图6是图5所示的转向阀的部分剖切的正视图，该正视图示出了处于第二位置的转向阀。
21.图7是根据本公开的一个方面的用于固定或永久应用的节水淋浴系统的示例性实施例的半图解视图。
22.图8是根据本公开的一个方面的示出了用于热致变色配件或元件中的示例性pvc化合物的物理性质的表(“表1”)。
23.图9a和图9b分别是根据本公开的一个方面的热致变色配件的另一示例性实施例的剖视图和透视图。
具体实施方式
24.现在参考附图，图1示出了根据本公开的一个方面的用于移动应用的节水淋浴系统10。系统10适用于诸如rv或拖车式房车等陆地车辆或者诸如船只或船舶等水运工具中。系统10采用具有固定的体积容量、构造为充满水(通常为淡水)的蓄水池或水箱12。泵14(通常为电动的)将水从水箱12泵送到水箱出口导管，水箱出口导管具有将水引导至常规水加热单元18的第一分支16a，以及通过冷水导管22与混合阀20的第一入口19流体连接的第二分支16b。水箱12中的水通常处于环境温度，并且出于本公开的目的可以被称为“冷”水。热水导管24将来自加热单元18的加热的水引导至混合阀20的第二入口23。水在加热单元18中通常被加热到约120
°
f
‑
160
°
f(49℃
‑
71℃)的温度，尽管有时达到更高的温度。出于本公开的目的，加热的水由此可以被称为“热”水。因此，混合阀20(其具有常用于淋浴中的任何常规设计)在压力下分别接收来自水箱12和加热单元18的冷水流和热水流，并且以适当的比例使冷水流和热水流混合以在出口25处提供期望温度的混合水流。
25.如在传统淋浴系统中那样，出口导管26构造为将来自混合阀出口25的混合水流运送到水分配设备30。在图1至图3以及图7所示的实施例中，分配设备30是淋浴头，并且也将被如此称呼。然而，应理解的是，在本公开的其它方面中，分配设备可以是构造为分配热水和冷水的能调节混合物的水槽龙头，或者是热水浴缸或水疗池中的进水口。在根据本公开的系统10中，在混合阀20下游的出口导管26内布置有热指示器32(下文详细描述)。如下文所讨论的，热指示器32是构造为“t”型配件的装置，并且当出口导管26中的水的温度已经达到预定温度时热指示器32向淋浴使用者(未示出)提供视觉指示。
26.如图1所示，转向阀34在热指示器34与淋浴头30之间布置在出口导管26中；即，布置在热指示器32的下游。(如将在下文讨论的，转向阀的可选位置在热指示器的上游。)如下文所讨论的，转向阀34具有在水到达淋浴头30之前使出口导管26中的水通过返回导管36转回到水箱12的“返回”位置。使用者可以在热指示器32指示出口导管26中有期望水温时，将转向阀34移动到允许水从出口导管26流到淋浴头30的“淋浴”位置。
27.如图1所示，除了淋浴头30和热指示器32之外，系统10的所有上文所述的构件都位于壁w的后面，壁w可以是承重壁、隔离部或隔板。混合阀20由布置在壁w前面的控制手柄38或类似物致动并且能操作地连接至该控制手柄38或类似物。类似地，转向阀34能操作地连接至布置在壁w前面的转向阀致动器40。
28.在操作中，在转向阀34处于“返回”位置的情况下，使用者通过将混合阀20从“关闭”位置(在常规混合阀中典型的位置)移动到提供出口导管26中的来自蓄水池或水箱12的冷水和来自加热单元14的热水的混合流的位置，以实现使用者所需的淋浴水温度。该混合流通过转向阀34和返回导管36返回到蓄水池或水箱12。当热指示器32指示(例如，通过颜色变化，如下文所讨论的)出口导管26中的水已经达到预定温度时，使用者将转向阀34移动到其“淋浴”位置，从而将水从出口导管26引导到淋浴头30。当然，使用者随后可以操作混合阀20以通过改变引导到出口导管26中的混合物中的热水和冷水的比例来进一步调节淋浴水温度。
29.在图2中示出了淋浴系统10的具体实施例。本实施例非常适合于在安装之前根据本公开来构造淋浴系统的“原始装备”应用，尽管本实施例也可以适用于根据本公开对先前安装的淋浴系统进行修改的改造应用。如图2所示，位于壁w后面的所有上述构件以虚影示出。在该图中，混合阀具有第一(冷水)入口21、第二(热水)入口23和出口25。在本实施例中，淋浴头30通过柔性软管42与出口导管26流体连接。热指示器32位于转向阀34上游的出口导管26中；即，如在图1中那样，转向阀34在热指示器32与淋浴头30之间。如图2所示，转向阀34是本领域公知的旋转式阀，其由致动器40致动，致动器40构造为可由使用者旋转的拨盘，以使转向阀在上述第一位置与第二位置之间移动。
30.图3中示出了根据本公开的淋浴系统的另一实施例并且淋浴系统以数字10’表示。本实施例非常适合于对先前安装的淋浴系统进行修改以结合本公开的特征的改造应用。除了热指示器、转向阀和转向阀致动器的位置和构造之外，图3的实施例与图2的实施例基本相同。具体地说，本实施例包括转向阀34’，转向阀34’具有：入口44，其与出口导管26’的下游端流体连接；第一出口46，其与淋浴头软管42’流体连接；以及第二出口48，其与管状热指示器32’的上游端流体连接。热指示器32’的下游端通过返回导管36’与水箱12流体连接。因此，在本实施例中，出口导管26’具有终止于转向阀34’的入口44的下游端，同时位于转向阀34’下游的热指示器32’构造为将转向阀34’的第二出口48连接到返回导管36’的短的导管。如下文将更详细描述的那样，转向阀34’有利地是线性致动的“推拉”阀，该阀具有第一轴向位置和第二轴向位置，在第一轴向位置中水从入口44通过第一出口46流到淋浴头软管42’，在第二轴向位置中水从入口44通过第二出口48流到返回导管36’。转向阀34’能操作地连接至推拉旋钮50，推拉旋钮50可由使用者操作以使转向阀34’在其第一位置与第二位置之间移动。
31.图4示出了图1和图2中所示类型的热指示器32。如上所述，热指示器32是构造为“t”型配件的装置，“t”型配件具有主要部分52，主要部分52限定有入口54和出口56，入口54和出口56实质上共线布置，从而限定了轴线a。“t”型配件包括与由入口54和出口56限定的轴线a垂直的、并且与入口54和出口56两者流体连通的中空的分支或干部(stem)58。如图4所示，分支或干部58具有被热致变色元件62封闭的开口端60，热致变色元件62在一些实施例中可以有利地构造为圆顶帽。热致变色元件62可永久地固定到分支58的开口端60，或者
如图所示，通过螺纹连接64可移除地安装于开口端60。隔挡部或隔离部66从限定了入口54和出口56的共同壁68起沿轴向穿过分支或干部58的中央而延伸到在分支或干部58的开口端60处或附近终止的自由端70，借此在隔挡部66的自由端70与热致变色元件62的内表面之间限定了间隙。因此，在“t”型配件内限定出从入口54起、沿着隔挡部66的第一侧、穿过隔挡部66的自由端70与热致变色元件62的内表面之间的间隙、随后沿隔挡部66的第二侧、到达出口56的用于流体(例如，水)的流动路径，如图4中的箭头所示。该流动路径引导来自入口54的流体与热致变色元件62的内表面接触，在接触处由于流体的方向变化的缘故流体的流动速率略微减小，借此热致变色元件62的热致变色材料可以对流体的温度作出反应，如下所述。
32.上述热指示器32的“t”型配件有利地由诸如聚氯乙烯(pvc)等适当的塑料制成，或者除了热致变色元件62之外，热指示器32的“t”型配件可以由铜、钢或铝管制成。如下文更充分讨论的那样，在每种情况下，热致变色元件62均由pvc制成，该pvc在pvc仍处于未固化的液体状态时通过将热致变色颜料混入pvc中而提供有热致变色性质。热致变色pvc被设计成在与具有至少预定转变温度的流体介质接触时发生显著且相对快速的颜色变化。换言之，由热致变色pvc制成的流体接触构件或元件保持第一颜色，直到接触流体达到预定转变温度为止，此时热致变色构件或元件(诸如图4中所示的圆顶帽62等)变成与第一颜色明显不同的第二颜色。如果接触流体冷却到预定转变温度以下，则热致变色元件恢复到原始(第一)温度。发生颜色变化时的预定转变温度由许多因素决定，包括pvc的密度、所使用的热致变色颜料的类型以及pvc中颜料的浓度。
33.图9a和图9b中示出了图3中所示的系统10’的管状热致变色元件或配件32’的示例性实施例。在本实施例中，具有热致变色性质的pvc形成(如通过挤出)为适当长度的导管80。导管80具有入口(上游)端81a和出口(下游)端81b。尽管管状配件或元件可以制成具有光滑、连续的内壁表面，但已经发现，形成如图9a和图9b所示具有多个肋或凸台82的内壁表面是特别有利的。这是因为肋状构造允许在肋或凸台82之间形成较薄的管状壁，从而由于从流过导管80的流体(例如水)到管道材料更加有效的传热而导致在肋或凸台82之间的相对薄壁区域或凹槽84中热致变色反应加速。此外，凸台82与凹槽84之间不同的颜色变化速率至少暂时地提供了对于许多人(包括那些具有一定程度的色盲的人)来说在视觉上更引人注目的清楚的条纹86的图案(图9b)。凸台或肋82可以如图所示那样是轴向的(纵向的)，或者它们可以是螺旋状的并具有相应形状的凹槽84，以在达到转变温度时提供螺旋图案。在示例性实施例中，管状元件80可以具有0.840英寸(2.13cm)的外径，在肋或凸台82处的0.602英寸(15.3mm)的壁厚以及在凹槽84处的0.060英寸(1.5mm)的壁厚。
34.尽管已知各种热致变色材料(参见例如，https://en.wikipedia.org/wiki/thermochromism)，但申请人相信，迄今为止还没有开发出如在本公开中那样、适用于家用管道应用的实用热致变色pvc。根据本公开的示例性热致变色pvc材料用具有表1(图8)中描述的物理性质的pvc化合物制成。当这种pvc化合物处于未固化的液态时，将热致变色颜料混入pvc中。在一个示例性实施例中，此颜料的类型为：由俄亥俄州avon lake的polyone公司以商品名“oncolor fx thermochromic blue to nat(cc10221081)”销售的颜料或适当等同物的类型；基本在http：//www.hali
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pigment.com/html_products/thermochromic
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pigment
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21.html(其主题内容通过引用并入本文)中描述的类型；并且颜料还可从佛罗里
达州fort st.lucie的qcr solutions公司和加利福尼亚州的gardena的matsui international co.,inc.(后者以商品名“chromicolor”出售)购买。颜料优选以干颗粒形式提供，并且优选地在以3％
‑
5％的冲淡率(let down ratio)(ldr)生成20％
‑
25％颜料母料后，以每145千克pvc约1千克颜料的浓度混入液体pvc中。然后将pvc形成(例如通过模塑或挤出)为合适的热致变色构件或元件的构造(例如，如图2的系统10中使用的图4所示的“t”型配件的圆顶帽62，或者如以上结合图9所述的图3的实施例的系统10’的管状热指示器32’)，并且随后通过已知的固化方法进行固化。
35.为了在pvc形成热致变色构件或元件后保持pvc的热致变色性质，确保pvc在包括固化的制造过程中不超过约320
°
f(160℃)的温度是重要的，尽管如果在低压下加工，温度高达约400
°
f(204℃)也是可以接受的。所得合成物将在约91
°
f(大致32.5℃)的转变温度下从第一颜色(蓝色)变为第二颜色(白色)。通过使用其它适当的热致变色颜料、改变pvc中颜料的浓度或改变pvc的物理性质，可以提供不同的转变温度、颜色或颜色强度。
36.图5和图6示出了上述结合图3的实施例描述的推拉转向阀34’的示例性实施例。如上所述，转向阀34’包括：入口44，其构造为与出口导管26’的下游端流体连接；第一出口46，其构造为与淋浴头软管42’流体连接；以及第二出口48，其构造为与管状热指示器32’的上游端流体连接。转向阀34’还包括内腔室72，内腔室72通过第一内部通道74与入口44连通，通过第二内部通道76与第一出口46连通，并且通过第三内部通道78与第二出口48连通。环形阀座80有利地设置在第一出口46到内腔室72的入口处。通过阀轴84连接到推拉致动器旋钮50的盘形阀元件82构造为与限定内腔室72的内壁具有可滑动密封接合。为此，在一些实施例中，可以有利地围绕阀元件82的周边设置密封o形环86等。
37.如上所述，转向阀34’可以在第一位置与第二位置之间操作。在第一位置(图5)中，水被从入口44引导至第一出口46。在第一位置中，旋钮50被向外线性拉动，借此阀元件82经由轴84被拉动到阀元件82与阀座80偏离的第一位置，从而提供从入口44起，穿过第一内部通道74、内腔室72和第二内部通道，到达第一出口46的流体路径。同时，阀元件82被定位在内腔室72内，以堵住从内腔室72到第二出口48的第三内部通道78。因此，水被引导到淋浴头软管42’(图3)，并且因被堵住而没有进入返回导管36’。
38.在转向阀34’的第二位置(图6)中，水被从入口44引导到第二出口48。在第二位置中，旋钮50被向内线性推动，借此阀元件经由轴84被推到阀座80上，从而使从内腔室72到第一出口46的第二内部通道76闭合，同时使从入口44起，穿过第一内部通道44、内腔室72和第三内部通道78到达第二出口48的流体路径打开。因此，水被引导至返回导管36’(经由管状热指示器32’)，并且因被堵住而没有进入淋浴头软管42’。
39.图7示出了根据本公开的一个方面的淋浴系统100的示例性实施例的简化的半示意性视图，该淋浴系统100用于非移动应用中，诸如在接收来自市政供水源的水的建筑物中。在系统100中，水由连接到市政供水管线(未示出)的生活用水管102供应。以常规方式将一些水引导至热水箱104。冷水进水导管106接收来自生活用水管线102的水并将水引导至常规混合阀108的冷水入口(未示出)。来自水箱104的热水在压力下(例如，通过电动泵110)被引导至热水导管112，热水导管112将热水引导至混合阀108的热水入口(未示出)。
40.如上所述，混合阀108能操作为调节热水和冷水的混合物以达到使用所需的温度。然后混合水被引导至出口导管114，随后被引导至转向阀116。在混合阀108与转向阀116之
间的出口导管114中布置有热致变色热指示器118，有利地，热致变色热指示器118可以是上文所述且在图4中示出的“t”型配件类型，或者热致变色热指示器118可以是图3所示的管状类型。转向阀116可以是旋转式的(如上文所述在图2中示出的)，或者可以是线性致动的“推拉”式(如上文所述且在图3、图5和图6中示出的)。在任一情况下，转向阀116能被选择性地操作为将水引导至淋浴头120(经由淋浴头导管122)或引导至将水引回至热水箱104的返回导管124。如在上述移动应用的实施例中那样，热指示器118热致变色地操作以提供出口导管114中的水混合物的温度已经达到预定转变温度的视觉指示(通过颜色的显著变化)，借此使用者可以将转向阀保持在将水转向到返回导管124的位置，直到水达到预定转变温度，此时可以操作转向阀116以将水引导至淋浴头120。
41.图7的系统100包括可选的“闭环”热水回路，该类型的热水回路越来越多地用于许多现代家庭和其它建筑物中。在这种闭环回路中，没有被引导至混合阀108的任何热水通过与返回导管124连通的旁路管道126从热水导管112再循环回热水箱104。闭环热水回路的优势在于，容易在混合阀处得到热水，很少或没有等待，因此很少或没有浪费水。由于需要或多或少连续地运行热水泵110，从而使用更多的电力，因此至少在某种程度上抵消了该优势。然而，通过使用热致变色热指示器118，泵110可以被修改为仅“按需”运行，从而减少了电能消耗。以这种方式，使用者可以仅在需要使用淋浴时才打开泵110。尽管从水箱104向混合阀输送热水可能需要一些时间，但是可以操作转向阀116以经由返回导管124将水再循环至水箱，直到热指示器显示已经达到期望的水温。只有在此时使用者才会操作转向阀116以将水引导到淋浴头120，从而节约了水和电能。