CN101893342B - 注浆成型具有进出接口的陶瓷太阳板 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能利用领域，特别涉及以陶瓷泥浆注浆成型方法制造的陶瓷太阳板及其生产工艺，本发明充分利用我国规模很大的陶瓷卫生洁具产业的现有生产设备和生产能力，一次成型制造带有管接口的完整的薄壁陶瓷太阳板，基体是由陶瓷泥浆注浆成型方法制造的中空陶瓷板，阳光吸收面是钒钛黑瓷、传统黑瓷或太阳能吸收涂料，生产成本低、使用寿命长、具有通孔扁盒式结构，可以实现很高的集热效率，可用于太阳能热水器、太阳能房顶、太阳能南墙面和大规模的太阳能集热场，提供热水、热风可用于洗涤、冬季取暖、夏季空调，大量廉价的高温热水还可以进行低成本发电，取代常规能源、保护资源、环境。

Description

注浆成型具有进出接口的陶瓷太阳板

本发明是“陶瓷泥浆注浆成型复合陶瓷太阳板”的分案申请，原申请的申请日2009年2月16日，申请号200910014222.8，发明创造名称“陶瓷泥浆注浆成型复合陶瓷太阳板”。分案申请的说明书、说明书附图、摘要、摘要附图与原申请内容一样。

技术领域

本发明涉及太阳能集热体，陶瓷太阳能集热体，特别涉及以陶瓷泥浆注浆成型方法制造的陶瓷制品为基体，以黑瓷或太阳能吸收涂料为阳光吸收层的复合陶瓷太阳能集热体及其生产工艺。

背景技术

太阳能利用包括光电利用和光热利用，光电利用主要指太阳能电池，光热利用主要指聚光太阳能发电装置和太阳能集热器，应用最广泛的太阳能集热器是太阳能热水器，关键部件是太阳能集热体。我国主要采用真空玻璃管太阳能集热体，见图11，欧、美、日、澳大利亚等国主要采用铜管板式太阳能集热体，见图10。

太阳能是面能源，理论和实践都已经证明效率最高的太阳能集热体是金属材料制造的通孔扁盒式太阳能集热体，见图9，在这种集热体中，阳光吸收面下面布满待加热的介质，热交换最直接、迅速，热传导距离最短，但是目前能够长期承受热水腐蚀的金属材料是铜材，这种结构需要使用大量铜材，铜材非常昂贵，焊缝很长，制造工艺复杂，制造成本很高，难以大规模生产和使用。

真空玻璃管的主要缺点是：真空玻璃管由同轴内外玻璃管组成，一端封闭，内外管之间抽真空，外管透明，内管外表面覆盖太阳能吸收涂料。由于必须采用真空层、密封圈、防尘圈、尾托，使黑色阳光吸收面只占采光投影面积约60％，中午阳光直射时，部分阳光穿过黑色面之间的空档，未得到利用，在阳光最强烈的中午时段降低了集热效率；真空度在使用中不断下降，降低保温效果；一头封闭的盲管结构容易沉淀水碱和水中的杂质，减少热交换面积；太阳能吸收涂料的阳光吸收率容易衰减，这是目前太阳能热水器太阳能吸收涂料的共同缺点；玻璃管用硼硅玻璃制造，熔制温度1650℃，制造能耗高，氧化硼价格高；这些缺点导致真空玻璃管制造成本、耗能比较高，寿命比较短，一般有效使用寿命8-15年。

铜管板式太阳能集热体的主要缺点是：太阳能吸收涂料的阳光吸收率容易衰减；铜材十分昂贵，需要电解提纯，制造成本、耗能很高；集热铜管横向间隔大，导热距离远，影响效率；焊缝容易腐蚀；一般有效使用寿命10-25年。

太阳能集热器可以提供热水、热风，热水、热风可用于洗涤、冬季取暖、夏季空调，另外参照地下热水发电的方式，大量廉价的高温热水还可以进行低成本发电，取代常规能源、保护环境。但是现有的太阳能集热器制造成本高、有效使用寿命短，使太阳能的使用成本远远高于常规能源，严重制约了太阳能集热器的发展，太阳能集热器必须实现与建筑一体化，才能获得更大的发展空间，现有太阳能集热器受其太阳能集热体的材料和结构的制约，难以实现与建筑一体化。太阳能集热器的核心部件是太阳能集热体，为此，必须研究和寻找一种全新的低成本、长寿命、高效率的太阳能集热体。

一吨硼硅玻璃或金属材料，成本数千元至数万元，材料成为制品还需要经过复杂的加工过程。一吨陶瓷制品如一吨陶瓷墙地砖通常成本数百元，陶瓷材料成本低廉是由于原料来源广泛，一般就地取材，运费低；蕴藏量大，价格低；不需要选矿、富集；成型后一次烧结，即为制品；烧结时有所收缩，但不改变形状，烧结后无加工过程；烧结温度低、时间短，一般薄壁陶瓷制品烧结温度约1200℃，历时几分钟至十几分钟，而玻璃的熔制或金属材料的冶炼，通常温度1500-1650℃，历时数小时，原材料须经过熔化、流动、均化、反应、澄清等过程，一般来说，温度每提高100℃，能耗增加1倍，同时设备和耐火材料的价格、消耗也成倍提高，电解的能耗更远大于冶炼。所以，陶瓷烧结与玻璃的熔制或金属材料的冶炼、电解有本质区别，能耗与成本均相差几倍至几十倍。陶瓷是目前已知的成本最低、使用寿命最长、性能最稳定的工程材料之一。

陶瓷材料强度大、硬度高、不腐蚀、不老化、理化性能非常稳定，使用寿命很长，可达数百年以上。黑色瓷质材料具有陶瓷通性，阳光吸收率高，阳光吸收率不会衰减。黑瓷包括以传统黑色陶瓷着色剂与普通陶瓷原料制造的传统黑瓷和钒钛黑瓷，钒钛黑瓷是以工业废弃物-提钒尾渣为主要原料制造的，成本更为低廉。

钒钛黑瓷是指：钒钛磁铁矿经熔炼得到铁水和钒渣，钒渣焙烧后提钒，提钒后的弃渣即为提钒尾渣，以提钒尾渣为全部原料或原料之一制造的黑色陶瓷称作钒钛黑瓷。

中国拥有世界上最庞大的传统陶瓷工业，主要采用三种成型方法：

1、陶瓷泥浆注浆成型方法，通常采用球磨或干粉加水打浆的方法制造陶瓷泥浆，泥浆含水量30-40％，一般用石膏模具注浆成型、塑料模具高压注浆成型、真空和离心注浆成型，也采用氮化硅或氧化铝模具，陶瓷泥浆注浆成型模具均采用多孔材料，称作多孔模具，陶瓷泥浆注浆成型方法的主要产品是陶瓷卫生洁具。

2、陶瓷泥料塑性成型方法，对陶瓷泥料施加挤、刮、压力使其形成一定的形状，泥料含水量16-22％，主要产品是日用陶瓷。

3、陶瓷粉料压制成型方法，通常采用喷雾造粉或料块打粉的方法制造陶瓷粉料，粉料含水量4-8％，用钢模压制成型，主要产品是陶瓷墙地砖。

上述三种成型方法中，压制成型方法主要生产平板产品，塑性成型方法主要生产形状比较简单的产品或等截面产品，而注浆成型方法的特点是：采用多孔模具对泥浆吸水形成泥坯的方法，能够制造形状复杂和大型薄壁产品，适应性强，成型技术容易掌握，生产成本低，坯体结构均匀，素坯强度大，非常适合制造陶瓷太阳板。注浆成型方法也称作浇注成型方法。

我国陶瓷卫生洁具企业规模大、生产成本低、质量稳定，不仅供应国内需要还大量销往世界各地，目前产量占世界总产量30％以上。由于企业数量多，产品同质化严重，市场竞争激烈，很多企业长期以来一直在努力寻找能够适合现有设备、现有生产能力、需求量大的大宗新产品。

发明内容

本发明的目的是充分利用我国规模巨大的陶瓷卫生洁具产业的现有生产设备和生产能力制造一种陶瓷太阳能集热板，其基体是由陶瓷泥浆注浆成型具有接口的中空陶瓷板，其向阳面的表面层是钒钛黑瓷、传统黑瓷或太阳能吸收涂料。这种陶瓷太阳能集热板的生产，可以完全不改变生产企业现有的生产设备和生产工艺流程，只需要增加部分适合陶瓷太阳能集热板形状的新模具，即可投入生产。所述陶瓷太阳能集热板简称陶瓷太阳板是一种太阳能集热体，可用于太阳能集热器、太阳能热水器，可与建筑结合为一体，构成太阳能房顶、太阳能墙面，具有广泛用途。

本发明是这样实现的：

将钒钛黑瓷、传统黑瓷或太阳能吸收涂料覆盖在普通陶瓷制品的表面，制造基体是普通陶瓷，表面层是钒钛黑瓷、传统黑瓷或太阳能吸收涂料的复合陶瓷太阳能集热板。

充分利用我国规模巨大的陶瓷卫生洁具产业的现有生产设备和生产能力，制造一次成型本身具有进出接口的薄壁中空陶瓷太阳板，基体是由普通陶瓷泥浆注浆成型的中空陶瓷板，其向阳面的表面层是钒钛黑瓷、传统黑瓷或太阳能吸收涂料的复合陶瓷太阳能集热板。复合陶瓷太阳能集热板的材质是黑瓷与普通陶瓷经高温烧结复合为一体的复合陶瓷，由陶瓷泥浆注浆成型的中空陶瓷板本身具有接口和通孔扁盒式结构，可以实现很高的集热效率，并且板与板之间可以实现方便的连接。复合陶瓷太阳能集热板可简称陶瓷太阳板。

制造和准备如图1至图8所示制品形状的用于陶瓷泥浆注浆成型的多孔模具，也称作微孔吸水模型，或称作微孔吸水模具，包括石膏模具、塑料模具、氮化硅和氧化铝模具，，制品形状和结构包括管接口陶瓷太阳板、上管接口陶瓷太阳板、扁底边陶瓷太阳板、左型承插接口陶瓷太阳板、右型承插接口陶瓷太阳板、方框槽型陶瓷太阳板、双台阶槽型陶瓷太阳板的多孔模具，统称陶瓷泥浆注浆成型陶瓷太阳板模具，简称陶瓷太阳板模具。

用球磨或干粉加水打浆的方法制造普通陶瓷泥浆，泥浆含水量30-40％。将普通陶瓷泥浆注入陶瓷太阳板模具，水分被模具吸入后便形成了具有一定厚度的均匀泥层，脱水干燥过程中同时形成具有一定强度的坯体，脱模，取出陶瓷太阳板素坯。此注浆成型过程可采用石膏模注浆成型、塑料模具高压注浆成型、真空和离心注浆成型，分别采用石膏模具、塑料模具和其他多孔模具，如氮化硅、氧化铝等陶瓷质多孔模具。

在经过干燥的陶瓷太阳板素坯的向阳面的表面喷涂钒钛黑瓷或传统黑瓷泥浆，经干燥、烧结为黑瓷复合陶瓷太阳能集热板。

提钒尾渣泥浆-以提钒尾渣或提钒尾渣与其它陶瓷原料的混合物磨制的泥浆；传统黑瓷泥浆-以传统陶瓷黑色着色剂与其它陶瓷原料的混合物磨制的泥浆。

本发明的基本特点是：

1、基体是普通陶瓷，表面层是钒钛黑瓷、传统黑瓷或太阳能吸收涂料的复合陶瓷太阳能集热板。

2、将钒钛黑瓷泥浆、传统黑瓷泥浆或太阳能吸收涂料覆盖在普通陶瓷素坯的表面，经过烧结，或者将太阳能吸收涂料覆盖在经过烧结的普通陶瓷制品的表面，形成表面层是钒钛黑瓷、传统黑瓷或太阳能吸收涂料的复合陶瓷太阳能集热板。

太阳能吸收涂料基本上可分为两大类，一类是依靠成分具有阳光吸收能力，如过渡金属氧化物，其高温性能非常稳定，与陶瓷基体共同经历上千度高温，基本保持原阳光吸收性能，另一类是依靠结构具有阳光吸收能力，如铝/氮/铝等太阳能吸收涂料，此类涂料不能承受高温，否则会失去阳光吸收能力。

3、基体是用普通陶瓷泥浆在多孔模具中注浆成型制造的普通陶瓷中空板，表面层是钒钛黑瓷、传统黑瓷或太阳能吸收涂料的复合陶瓷太阳能集热板。

4、用普通陶瓷泥浆在多孔模具中注浆成型为陶瓷中空板素坯，将钒钛黑瓷泥浆、传统黑瓷泥浆或太阳能吸收涂料喷涂在素坯的表面，经过烧结，或者将太阳能吸收涂料覆盖在经过烧结的陶瓷中空板的表面，制造基体是普通陶瓷中空板，表面层是钒钛黑瓷、传统黑瓷或太阳能吸收涂料的复合陶瓷太阳能集热板。

本发明所述的以陶瓷泥浆注浆成型方法制造黑瓷复合陶瓷太阳板的方法，包括以下步骤：

1)备料：普通陶瓷泥浆；提钒尾渣泥浆；传统黑瓷泥浆；太阳能吸收涂料。

2)制备管接口陶瓷太阳板、上管接口陶瓷太阳板、扁底边陶瓷太阳板、左型承插接口陶瓷太阳板、右型承插接口陶瓷太阳板、方框槽型陶瓷太阳板、双台阶槽型陶瓷太阳板的多孔模具，模具采用石膏、塑料、氮化硅或氧化铝多孔材料制造，上下接口在对角线或中轴线上。

3)采用常压注浆成型、高压注浆成型、真空注浆成型或离心注浆成型方法将普通陶瓷泥浆注入陶瓷太阳板多孔模具内，经过水分被模具吸收，脱水干燥过程形成具有一定强度的坯体，放出多余的泥浆，脱模，取出陶瓷太阳板素坯。

4)修整陶瓷太阳板素坯的管接口和承插接口，陶瓷太阳板素坯经过干燥后，再用砂纸或内置砂纸的修整器对接口的内外表面进行打磨加工，使接口的内外表面圆整、光滑。

5)在经过干燥的陶瓷太阳板素坯的向阳面的表面喷涂钒钛黑瓷泥浆、传统黑瓷泥浆或太阳能吸收涂料，经干燥、烧结为复合陶瓷太阳能集热板，或者将太阳能吸收涂料覆盖在经过烧结的普通陶瓷中空板的表面，成为复合陶瓷太阳能集热板。

6)在干燥的陶瓷太阳板素坯的向阳面的表面喷涂钒钛黑瓷泥浆、传统黑瓷泥浆或太阳能吸收涂料时，可以采用喷枪在表面进行依序周期性扫描喷涂的方法，附着在干燥素坯表面的首批泥浆雾滴被迅速吸干成为中空泥粒，喷枪再次扫描此区域时第二批泥浆雾滴被干燥的泥粒吸干成为中空泥粒，直至达到所需厚度，吸干过程形成毛细孔，中空泥粒和泥粒中的毛细孔使表面层成为立体多孔状，称作立体网状表面层，烧结后称作立体网状黑瓷层，当阳光进入立体网状黑瓷层的孔洞时，在复杂曲折的孔洞中无法逃逸，立体网状黑瓷层成为阳光陷阱，使绝大部分阳光能量被陶瓷太阳板吸收，加热太阳板中的流体。

所述的黑瓷复合陶瓷太阳板用于加热水、空气或其他流体，提供夏季空调、冬季取暖，建造太阳能房顶。另外参照地下热水发电的方式，大量廉价的高温热水还可以进行低成本发电，取代常规能源、保护地球环境。

本发明所述的传统黑瓷泥浆是指陶瓷工业长期使用的传统黑色陶瓷着色剂与其它陶瓷原料的混合物磨制的泥浆，传统黑色陶瓷着色剂是以Co、Cr、Mn、Fe等化合物为主要原料制造的、经过高温烧结仍能使陶瓷呈现黑色的陶瓷添加剂。所述的向阳面是指太阳能集热体使用时朝向阳光的一面。

本发明的主要优点在于：

1、充分利用规模很大的陶瓷卫生洁具产业的现有生产设备和生产能力，制造薄壁中空陶瓷太阳能集热板，在上述三种成型方法中，采用多孔模具陶瓷泥浆注浆成型方法可以直接得到完整的具有进出口的中空陶瓷板。而陶瓷泥料塑性成型方法和陶瓷粉料压制成型方法，都是先制造通孔陶瓷板素坯后再用普通陶瓷泥浆黏结陶瓷接口素坯，经过干燥、烧结成为中空陶瓷板，或者先分别烧结通孔陶瓷板素坯、陶瓷接口素坯、陶瓷承插接口素坯、陶瓷汇集端口素坯，然后再用结合剂将经过烧结的通孔陶瓷板、陶瓷管接口、陶瓷承插接口、陶瓷汇集端口结合为中空陶瓷板。

2、采用多孔模具陶瓷泥浆注浆成型方法制造黑瓷复合陶瓷太阳板，生产工序少、生产周期短、生产设备简单、操作简单可靠性高。

3、太阳能吸收涂料长期覆盖在玻璃或金属表面容易剥落、失效，是太阳能吸收涂料性能衰减的重要原因之一，陶瓷制品表面粗糙、多孔，可与太阳能吸收涂料形成牢固结合，太阳能吸收涂料不易剥落、失效。

附图说明：

图1表示管接口陶瓷太阳板

图2表示上管接口陶瓷太阳板，管接口的位置比较高，使管间连接比较方便

图3表示扁底边陶瓷太阳板，可以将板中的水放光

图4表示左型承插接口陶瓷太阳板，承插接口可采用有机、无机填充密封剂，有的无机材料如水泥可具有与陶瓷相同的使用寿命

图5表示左型承插接口陶瓷太阳板和右型承插接口陶瓷太阳板经承插连接成为陶瓷太阳板纵列，采用纵列使安装更方便

图6表示方框槽型陶瓷太阳板，槽帮用来支撑透明盖板，简化结构、降低成本、延长寿命

图7表示双台阶槽型陶瓷太阳板，双台阶用来支撑双层透明盖板，增强保温效果

图8表示已经完成多孔模具陶瓷泥浆注浆成型而尚未脱模的陶瓷太阳板素坯和陶瓷太阳板泥浆注浆成型的多孔模具，表示上述各种陶瓷太阳板素坯和相应的多孔模具

图9表示采用金属材料制造的通孔扁盒式太阳能集热体的太阳能集热器。

图10表示采用铜管板式太阳能集热体的太阳能集热器。

图11表示采用真空玻璃管太阳能集热体的太阳能集热器。

太阳能集热器可加热各种流体介质，采用水为介质时，太阳能集热器可称作太阳能热水器。

图中标记的说明：

1、管接口  2、管接口陶瓷太阳板  3、结合槽  4、水道  5、黑瓷素坯层、黑瓷层或太阳能吸收涂料  6、上管接口  7、上管接口陶瓷太阳板  8、结合锥台  9、扁底边陶瓷太阳板  10、实心扁底边  11、承插接口的承口  12、左型承插接口陶瓷太阳板  13、承插接口的插口  14、接口材料  15、橡胶圈或麻筋  16、右型承插接口陶瓷太阳板  17、方框槽型陶瓷太阳板  18、槽帮  19、双台阶槽型陶瓷太阳板  20、双台阶槽帮  21、透明盖板  22、多孔模具  23、陶瓷太阳板  24、阳光；25、上循环管；26、上汇集管；27、水箱；28、下循环管；29、金属材料制造的通孔扁盒式太阳能集热体；30、下汇集管；31、集热器外壳；32、透明盖板；33、保温材料；34、太阳能吸收涂料；35、铜集热管；36、铜管板式太阳能集热体；37、密封圈；38、防尘圈；39、真空玻璃管；40、尾托；41、尾托定位板；

具体实施例：

1、采用石膏模具常压注浆成型方法，用普通陶瓷泥浆注浆成型管接口陶瓷太阳板素坯，表面喷涂钒钛黑瓷泥浆，经干燥、烧结为管接口黑瓷复合陶瓷太阳板，烧结温度1220℃，陶瓷太阳板壁厚3毫米，总厚20毫米，宽500毫米，长800毫米。

2、采用多孔塑料模具高压注浆成型方法，用普通陶瓷泥浆注浆成型承插接口陶瓷太阳板素坯，表面喷涂传统黑瓷泥浆，经干燥、烧结为承插接口黑瓷复合陶瓷太阳板，烧结温度1200℃，陶瓷太阳板壁厚2.5毫米，总厚25毫米，宽600毫米，长1200毫米。

3、采用多孔氮化硅模具真空注浆成型方法，用普通陶瓷泥浆注浆成型扁底边陶瓷太阳板素坯，经干燥、烧结为扁底边陶瓷中空太阳板，烧结温度1230℃，陶瓷太阳板壁厚2毫米，总厚25毫米，宽800毫米，长1200毫米。

4、采用石膏模具离心注浆成型方法，用普通陶瓷泥浆注浆成型方框槽型陶瓷太阳板素坯，表面喷涂钒钛黑瓷泥浆，经干燥、烧结为方框槽型黑瓷复合陶瓷太阳板，烧结温度1230℃，陶瓷太阳板壁厚2毫米，总厚28毫米，宽1000毫米，长1500毫米，向阳面喷涂太阳能吸收涂料。

5、采用多孔塑料模具高压注浆成型方法，用普通陶瓷泥浆注浆成型双台阶槽型陶瓷太阳板素坯，经干燥、烧结为双台阶槽型陶瓷中空太阳板，烧结温度1230℃，陶瓷太阳板壁厚3毫米，总厚30毫米，宽1000毫米，长2000毫米，台阶高度25毫米，向阳面真空喷涂太阳能吸收涂料。

Claims (1)

1.一种陶瓷太阳能集热板，其特征在于，基体是采用石膏模具用普通陶瓷泥浆一次注浆成型具有进出接口的薄壁中空陶瓷板，在经过干燥的薄壁中空陶瓷板即陶瓷太阳板素坯的向阳面的表面喷涂钒钛黑瓷泥浆、传统黑瓷泥浆或太阳能吸收涂料，经干燥、烧结为复合陶瓷太阳能集热板，其向阳面的表面层是钒钛黑瓷或传统黑瓷或经过烧结的太阳能吸收涂料的陶瓷太阳能集热板，向阳面是指太阳能集热体使用时朝向阳光的一面，薄壁中空陶瓷板的壁厚是2毫米、2.5毫米、3毫米，总厚是20毫米、25毫米、28毫米、30毫米，宽度是500毫米、600毫米、800毫米、1000毫米，长度是800毫米、1200毫米、1500毫米、2000毫米，烧结温度是1200℃、1220℃、1230℃。

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