專利名稱：全天候真空集熱管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于太陽加熱設備中的真空集熱管。
太陽加熱設備的關(guān)鍵部件是真空集熱管，它有全玻璃式、熱管式等很多種。真空集熱管的主要作用是接收太陽輻射并加熱載熱工質(zhì)。載熱工質(zhì)種類很多，其中最常見的是水，以下主要以水為例進行說明，但對于其它性質(zhì)相似的載熱工質(zhì)也同樣適用。各種真空集熱管的外部都有一個管殼，被該管殼封閉起來的空間的氣壓呈真空狀態(tài)，其作用是即能讓太陽輻射進入真空集熱管，又能形成阻止真空集熱管內(nèi)部熱量向外對流和傳導的隔熱保溫層。熱管式真空集熱管有一個單層的管殼，其內(nèi)部裝有作為換熱裝置的熱管及其肋片，熱管及其肋片的表面為吸熱面并涂覆有太陽輻射吸收涂層。該換熱裝置的作用就是負責將接收的熱量傳遞給水。當熱管及其肋片接收到太陽輻射的熱量后，熱管立即將熱量導出真空集熱管，同時傳遞給太陽熱水設備內(nèi)儲存的水。水不斷地吸收并儲存熱管導出的熱量，使真空集熱管保持熱平衡狀態(tài)，確保其能安全可靠的進行熱量接收工作。這些水儲存在太陽熱水設備的外部水箱及與其相連的管道中。全玻璃式真空集熱管的管殼為雙層玻璃結(jié)構(gòu)，中間的夾層被封閉并且抽成真空狀態(tài)。管殼的內(nèi)管里可容納部分水，內(nèi)管的外表面為吸熱面并涂覆太陽輻射吸收涂層，水在該內(nèi)管里直接被太陽輻射加熱，這部分水在被加熱的同時不停地與外部水箱及相連管道中的冷水進行對流換熱，這樣才能使真空集熱管始終保持熱平衡狀態(tài)，防止過熱?？梢娝谌Ａ秸婵占療峁苤胁粌H具有吸收熱量的作用同時還負責熱量交換，具有類似換熱裝置的作用?，F(xiàn)有的其它種類真空集熱管的工作原理及結(jié)構(gòu)基本都與上述兩種真空集熱管大同小異。由現(xiàn)有真空集熱管結(jié)構(gòu)及工作原理可知現(xiàn)有真空集熱管能夠正常工作的必要條件是，其所在的太陽熱水設備中必須始終儲存有足夠多的水來配合其工作?，F(xiàn)有真空集熱管的這一特性給太陽熱水設備帶來了嚴重的安全隱患第一、如果出現(xiàn)管道泄漏或由操作失誤引起意外失水，將導致太陽熱水設備中沒有充足的水與真空集熱管配合工作，使熱平衡被破壞，此時極易發(fā)生干燒或使殘存的水沸騰汽化。當發(fā)生干燒時太陽輻射會把真空集熱管內(nèi)的部件加熱到很高的溫度?，F(xiàn)有的真空集熱管在被干燒超過一定時間后極易導致性能退化、壽命縮短甚至報廢，還可能燒壞太陽熱水設備的其它部件。由于管道泄漏或操作失誤發(fā)生的概率非常高，特別是在家庭用戶中，所以現(xiàn)有真空集熱管的這一特點將對太陽熱水設備的使用壽命、運行安全性和可靠性構(gòu)成潛在威脅。第二、在天氣惡劣時，為配合現(xiàn)有真空集熱管工作而在太陽熱水設備中長時間儲存的水對安全運行威脅更大。這是因為太陽熱水設備需要經(jīng)常在嚴寒酷暑等惡劣天氣中長時間工作，此時其內(nèi)部儲存的用于配合真空集熱管工作的水也必然同時經(jīng)歷惡劣的天氣。如果惡劣天氣持續(xù)的時間較長，太陽熱水設備中的水被凍結(jié)或沸騰的危險性就很大，可能使太陽熱水設備受到嚴重損壞。例如嚴寒的冬季經(jīng)常發(fā)生凍裂管道的事故，原因就是由于長時間的太陽輻射不足和嚴寒使太陽熱水設備內(nèi)長時間滯留的水在局部發(fā)生凍結(jié)所致，即使太陽熱水設備外部使用較好的保溫材料也不能完全避免此類問題。目前，要保障太陽熱水設備在惡劣天氣中安全工作，只能在太陽熱水設備上加裝各種保障全天候安全運行的輔助裝置，如電熱帶等，但這樣會導致整個太陽熱水設備變得非常復雜、可靠性下降、設備初期投資和運行成本都難以承受。
本實用新型的目的是提供一種全天候真空集熱管，該全天候真空集熱管工作時，其所在的太陽熱水設備中不需要儲存水來配合其工作，從而使太陽熱水設備工作更加安全可靠，并且它能夠使太陽熱水設備簡化結(jié)構(gòu)降低成本。
本實用新型的技術(shù)內(nèi)容是這樣的該全天候真空集熱管包括管殼，被該管殼封閉的空間的氣壓呈真空狀態(tài)，管殼內(nèi)有換熱裝置，吸熱面上涂覆太陽輻射吸收涂層，其特征是管殼里面裝有專用蓄熱體，該專用蓄熱體至少在其內(nèi)部有蓄熱工質(zhì)，換熱裝置與專用蓄熱體相匹配。
本實用新型的效果是這樣的，第一、該全天候真空集熱管工作時不需要在太陽熱水設備中儲存水來維持自身的熱平衡，消除了因意外失水所致的太陽熱水設備干燒或殘存的水沸騰汽化等隱患。這是因為在全天候真空集熱管的管殼內(nèi)裝有專用蓄熱體，太陽輻射的熱量經(jīng)過管殼、真空層等以后被太陽輻射吸收涂層吸收，太陽輻射吸收涂層吸收的熱量使專用蓄熱體被加熱，被加熱的專用蓄熱體能夠利用其自身的蓄熱工質(zhì)連續(xù)吸收并儲存這些熱量，從而使這些熱量只能在該專用蓄熱體中逐漸蓄積不會燒壞其它部件?？梢娫撊旌蛘婵占療峁苁怯米陨淼男顭峁べ|(zhì)來維持自身的熱平衡，所以不會再發(fā)生因意外失水所致的干燒或使殘存的水沸騰汽化等事故。而現(xiàn)有真空集熱管是把載熱工質(zhì)水同時又作為蓄熱工質(zhì)來使用，一旦意外失水后用于吸收熱量的蓄熱工質(zhì)會大量減少或消失，所以必然導致熱平衡被破壞，對安全構(gòu)成威脅。第二、本全天候真空集熱管工作時不需要在太陽熱水設備中同時儲存水來充當蓄熱工質(zhì)，水僅作為載熱工質(zhì)在需要時迅速流過太陽熱水設備帶走熱量即可，所以水在太陽熱水設備中存在的時間很短，遇到惡劣天氣時會更安全。這是因為管殼封閉后抽成的真空使管殼里面的專用蓄熱體、換熱裝置等都處于極好的隔熱保溫狀態(tài)，所以全天候真空集熱管接收太陽輻射后，能夠直接由專用蓄熱體自身的蓄熱工質(zhì)進行熱量蓄積和儲存，而現(xiàn)有技術(shù)則需要在具有保溫作用的外部水箱中利用儲存的水來完成該過程。又由于全天候真空集熱管自身具有與專用蓄熱體匹配的換熱裝置，能按用戶需要立即加熱并輸出熱水。也就是說全天候真空集熱管經(jīng)過充分日照后儲存了很多熱量，只要用戶需要，立即就能通過換熱裝置加熱并輸出熱水；如果暫時不需輸出熱水，可以讓熱量儲存在專用蓄熱體中備用?？梢姳救旌蛘婵占療峁芘c現(xiàn)有技術(shù)的差別是把儲存熱水變?yōu)橹苯觾Υ鏌崃?，并且熱量的接收、蓄積、儲存等過程都能由全天候真空集熱管自主完成，不需要在太陽熱水設備中儲存水充當蓄熱工質(zhì)。所以使用本全天候真空集熱管的太陽熱水設備可以不設外部水箱及相關(guān)設備，使結(jié)構(gòu)得以簡化、可靠性提高、成本下降；更重要的是它能夠使太陽熱水設備在絕大部分工作時間內(nèi)都處于內(nèi)部無水的狀態(tài)，在此期間再也不會因水遭遇惡劣天氣而影響太陽熱水設備的安全運行。只有當用戶需要輸出熱水的短暫時刻，外界的水才會進入太陽熱水設備并流經(jīng)全天候真空集熱管的換熱裝置后被加熱，然后迅速流出太陽熱水設備直接供應用戶，水幾乎不在其中滯留?？梢娡饨绲乃鬟^使用本全天候真空集熱管的太陽熱水設備的時間，比使用現(xiàn)有真空集熱管制造的太陽熱水設備工作時儲存水的時間短很多，所以當其它條件相同時，本全天候真空集熱管能使太陽熱水設備受惡劣天氣影響導致故障的可能性最小，安全性更好。
以下結(jié)合附圖對本全天候真空集熱管作進一步詳細描述。


圖1是本全天候真空集熱管的第一實施方式的剖視圖；圖2是本全天候真空集熱管的第二實施方式的剖視圖；圖3是本全天候真空集熱管的第三實施方式的剖視圖；圖4是本全天候真空集熱管的第四實施方式的剖視圖；
圖1示出了本全天候真空集熱管的第一實施方式，本全天候真空集熱管的管殼1為一個單層的由高強度硼硅玻璃制成的管狀件。該管殼1的一端為球面狀的封閉端，管殼1的另一端用一個金屬端蓋2封閉，被管殼1封閉起來的空間就是該管殼1的整個內(nèi)腔，該內(nèi)腔中的氣壓被抽成高度真空狀態(tài)并裝有消氣劑，良好的真空環(huán)境使管殼1內(nèi)安裝的專用蓄熱體3處于極好的隔熱保溫狀態(tài)。該專用蓄熱體3是一個圓柱體，用支架4固定在管殼1內(nèi)，并且與管殼1內(nèi)壁保持相同間隙，使專用蓄熱體3四周形成的真空隔熱保溫層均勻且連續(xù)。當然，管殼1內(nèi)安裝的專用蓄熱體3的數(shù)量和形狀也可按具體條件選擇其它方案。該專用蓄熱體3由一個封閉的金屬外殼5及內(nèi)部充填的蓄熱工質(zhì)6構(gòu)成。金屬外殼5的作用是封裝蓄熱工質(zhì)6并防止蓄熱工質(zhì)6中吸附的氣體破壞管殼1內(nèi)的真空度；該金屬外殼5的表面作為全天候真空集熱管的吸熱面，在該吸熱面上涂覆有太陽輻射吸收涂層7，太陽輻射吸收涂層7的種類很多，具有光譜選擇特性的性能較好。蓄熱工質(zhì)6的作用是蓄積和儲存太陽輻射的熱量，蓄熱工質(zhì)6種類很多，可以根據(jù)設計要求進行選擇，固-液相變蓄熱材料較適合用于這種具有金屬外殼5的專用蓄熱體3中。專用蓄熱體3中儲存的熱量向外輸出需要通過與專用蓄熱體3相匹配的換熱裝置8來實現(xiàn)。該換熱裝置8是安裝在專用蓄熱體3的金屬外殼5內(nèi)的一個螺旋型盤管換熱器，換熱裝置8被浸在金屬外殼5內(nèi)的蓄熱工質(zhì)6中，與蓄熱工質(zhì)6能夠充分接觸熱阻很小。換熱裝置8的入口導管9和出口導管10均穿過金屬外殼5及管殼1的金屬端蓋2，穿孔處均要進行焊接處理以保持金屬外殼5和管殼1的封閉性。實際上每支全天候真空集熱管都像一個能獨立工作的微型太陽熱水設備，用若干支全天候真空集熱管進行簡單的串并聯(lián)再配上適當?shù)姆瓷淦?，能夠很容易的組合成各種規(guī)模的太陽熱水設備，不需要配置外部水箱及與外部水箱相連的循環(huán)系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)得到大幅簡化成本下降。用該全天候真空集熱管制成的太陽熱水設備的標準工作方式是太陽熱水設備中的全天候真空集熱管經(jīng)過充分日照后，全天候真空集熱管的專用蓄熱體3內(nèi)蓄積了很多熱量，隨時可輸出給用戶使用。當用戶需要熱水時，打開太陽熱水設備進水閥門，冷水經(jīng)連接管道進入太陽熱水設備的全天候真空集熱管，由入口導管9流經(jīng)換熱裝置8，冷水在換熱裝置8中流動的過程中吸收熱量成為熱水，然后由出口導管10流出全天候真空集熱管，進入用戶的熱水管網(wǎng)，用戶就可以立即使用了。專用蓄熱體3中的熱量釋放完以后，上述過程又重新開始。
圖2示出了本全天候真空集熱管的第二實施方式。本實施方式的全天候真空集熱管的管殼1是由一端開口、另一端呈球面狀封閉的內(nèi)管11與套在其外面的形狀相同、直徑稍大的外管12構(gòu)成。內(nèi)管11與外管12的軸線重合，且內(nèi)管11與外管12的開口端相互熔封在一起形成一個環(huán)狀開口端。內(nèi)管11呈球面狀封閉的一端被一個裝在外管12與內(nèi)管11間的滑動件支撐，其作用是既能防止在環(huán)狀開口端發(fā)生應力集中，又能使內(nèi)管11受熱時可以自由伸長。內(nèi)管11與外管12之間的空腔是一個被完全封閉的空間，其氣壓呈高度真空狀態(tài)并裝有消氣劑。該內(nèi)管11的外表面作為吸熱面涂覆有太陽輻射吸收涂層7。安裝在管殼1中的專用蓄熱體3是完全由蓄熱工質(zhì)6直接加工成型的一對半圓柱體，該蓄熱工質(zhì)6使用的材料是定形相變蓄熱材料或其它定型蓄熱材料。因為該專用蓄熱體3由內(nèi)到外均由蓄熱工質(zhì)6直接構(gòu)成，省略了類似第一實施方式中所述的金屬外殼5，所以本實施方式的專用蓄熱體3的熱容量更大。專用蓄熱體3利用設在其兩端的支架4與內(nèi)管11同軸安裝，并且與內(nèi)管11內(nèi)壁間的間隙用導熱硅脂充填，使吸熱面接收的熱量能夠充分傳遞給專用蓄熱體3。在專用蓄熱體3的一對半圓柱體的兩個相對應的平面上有與換熱裝置8形狀相匹配的凹槽；該換熱裝置8是一個鑲嵌在凹槽中的U型盤管換熱器，在換熱裝置8與專用蓄熱體3之間的接觸面也充填導熱硅脂，使熱阻減小換熱效率提高。在管殼1的環(huán)狀開口端有一個金屬端蓋2，該金屬端蓋2的一側(cè)表面有與管殼1的環(huán)狀開口端形狀相對應的環(huán)形槽，環(huán)形槽的中央是一個充填了保溫材料13的柱狀凹槽，在柱狀凹槽的底部及保溫材料13上預留有供換熱裝置8的入口導管9和出口導管10穿過的通道。本實施方式所述的全天候真空集熱管具有易維護的特點，能夠單獨對每個部件進行檢查或更換，適合用在對可靠性、安全性要求很高的場合。當蓄熱工質(zhì)6使用定型相變蓄熱材料時，全天候真空集熱管將具有一種全新的工作方式當?shù)谝淮握Ｊ褂们耙冉?jīng)過一段時間日照預熱，使全天候真空集熱管的蓄熱工質(zhì)6達到相變溫度，然后就可以使全天候真空集熱管轉(zhuǎn)入正常的儲熱、放熱循環(huán)，此時必須對每個儲熱、放熱過程進行控制，使每個儲熱、放熱過程都是蓄熱工質(zhì)6的相變過程，也就是說在每個儲熱、放熱的過程中只讓蓄熱工質(zhì)6的潛熱發(fā)生變化。該工作方式的特點是第一、由于相變放熱是等溫過程，所以全天候真空集熱管的輸出水溫會很穩(wěn)定。第二、當日照不足使全天候真空集熱管只能接收到較少的太陽輻射時，較少的熱量仍然會使蓄熱工質(zhì)6發(fā)生相變儲熱，所以此時的輸出水溫仍然與日照充足時相同，只不過此時的輸出水量比正常情況少，但能夠保障部分生產(chǎn)生活正常進行。第三、由于全天候真空集熱管在連續(xù)接收太陽輻射時蓄熱工質(zhì)6的溫度不會連續(xù)升高，所以其熱損失比現(xiàn)有真空集熱管小?？梢?，該工作方式適于對輸出水溫和工作效率都要求較高的場合。當然全天候真空集熱管也可以按照標準方式工作。
圖3示出的本全天候真空集熱管第三實施方式是第二實施方式的簡化設計，降低了加工及裝配成本，但其部件不可更換或維護。該全天候真空集熱管的管殼1及金屬端蓋2與第二實施方式中完全相同。棒狀的專用蓄熱體3直接插在管殼1的內(nèi)管11中。該棒狀的專用蓄熱體3是完全由使用固-液相變材料的蓄熱工質(zhì)6澆鑄制成；同時被固化在專用蓄熱體3中的換熱裝置8是一個U型盤管換熱器。換熱裝置8的入口導管9和出口導管10穿過金屬端蓋2。在裝配好的全天候真空集熱管中，專用蓄熱體3與內(nèi)管11間會存在影響傳熱效率的微小間隙，當?shù)谝淮问褂煤笮顭峁べ|(zhì)6經(jīng)過熔化、凝固的過程，專用蓄熱體3與內(nèi)管11就能夠充分接觸了。
圖4示出了全天候真空集熱管的第四實施方式。這種全天候真空集熱管的管殼1與第二實施方式所述全天候真空集熱管的管殼1相似，不同之處在于本實施方式的內(nèi)管11的外表面不作為吸熱面也沒有涂覆太陽輻射吸收涂層7或其它涂層。本實施方式的全天候真空集熱管的專用蓄熱體3為一根四棱柱狀體，通過一對安裝在該專用蓄熱體3兩端的支架4支撐在具有隔熱保溫作用的管殼1內(nèi)。專用蓄熱體3是由一個封閉的金屬外殼5及其內(nèi)部充填的蓄熱工質(zhì)6構(gòu)成。金屬外殼5的表面為吸熱面涂覆有太陽輻射吸收涂層7。與專用蓄熱體3相匹配的換熱裝置8為一根熱管，最好是能夠受熱源溫度控制的可變導熱管。該換熱裝置8的熱管蒸發(fā)段穿過專用蓄熱體3的金屬外殼5插入蓄熱工質(zhì)6中，直插到專用蓄熱體3的底部；換熱裝置8的熱管冷凝段穿過一個與第二實施方式中相似的金屬端蓋2后被引出全天候真空集熱管。在該專用蓄熱體3上還安裝有一個用于檢測蓄熱工質(zhì)6溫度變化的溫度傳感器14，該溫度傳感器14的接線端也穿過該金屬端蓋2后被引出全天候真空集熱管。本全天候真空集熱管工作時太陽輻射直接穿過管殼1照射在專用蓄熱體3的吸熱面上，被太陽輻射吸收涂層7接收到的熱量傳遞給專用蓄熱體3中的蓄熱工質(zhì)6，熱量在蓄熱工質(zhì)6中逐漸蓄積并儲存起來，當熱量蓄積到一定程度使溫度傳感器14發(fā)出信號，這時冷水就可以流過換熱裝置8的熱管冷凝段并且被加熱。
顯而易見，本全天候真空集熱管應用在不同領(lǐng)域時，管殼1、專用蓄熱體3、換熱裝置8等部件的設計也會不同，所以本全天候真空集熱管的實施方式很多。
權(quán)利要求1.全天候真空集熱管，包括管殼1，被管殼1封閉的空間的氣壓呈真空狀態(tài)，管殼1內(nèi)有換熱裝置8，吸熱面上涂覆太陽輻射吸收涂層7，其特征是在管殼1里面裝有專用蓄熱體3，該專用蓄熱體3至少在其內(nèi)部有蓄熱工質(zhì)6，換熱裝置8與專用蓄熱體3相匹配。
2.由權(quán)利要求1所述的全天候真空集熱管，其特征是該專用蓄熱體3由一個封閉的金屬外殼5及內(nèi)部充填的蓄熱工質(zhì)6構(gòu)成，該蓄熱工質(zhì)6使用相變蓄熱材料，金屬外殼5的表面為吸熱面。
3.由權(quán)利要求1所述的全天候真空集熱管，其特征是換熱裝置8是安裝在專用蓄熱體3的金屬外殼5內(nèi)的盤管換熱器，其入口導管9和出口導管10由金屬外殼5上穿過。
4.由權(quán)利要求1所述的全天候真空集熱管，其特征是換熱裝置8為熱管，其熱管蒸發(fā)段穿過專用蓄熱體3的金屬外殼5插入蓄熱工質(zhì)6中。
5.由權(quán)利要求1所述的全天候真空集熱管，其特征是在專用蓄熱體3上裝有溫度傳感器14。
專利摘要本實用新型公開了一種全天候真空集熱管，包括管殼1及內(nèi)部的換熱裝置8、專用蓄熱體3等，該專用蓄熱體3至少在其內(nèi)部有蓄熱工質(zhì)6，專用蓄熱體3與換熱裝置8相匹配。本全天候真空集熱管工作時，其所在的太陽熱水設備中不需要同時儲存水來配合其工作，從而使采用本全天候真空集熱管制造的太陽熱水設備在惡劣天氣中工作或發(fā)生管道泄漏等失水事故時具有更高的安全性，并且不必再設置外部水箱等部件，使結(jié)構(gòu)簡化成本降低。
文檔編號F24J2/46GK2559935SQ02246990
公開日2003年7月9日 申請日期2002年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月5日
發(fā)明者陳明 申請人:陳明