CN102072574A - 太阳能“冷凝翅片式热管” - Google Patents

Abstract

本发明的太阳能“冷凝翅片式热管”，结构主要包括内置覆网吸液芯的热管、冷凝翅片及双密封盖。因采用集热段与冷凝段等直径的热管，实现了在热管内设置“重复性”较好的覆网吸液芯，使热管集热段表面导入的能量均以“热管工作方式”传热，极大的提高了热管的效能，降低了热管集热段的表面温度。双密封盖和冷凝翅片的运用，则大大增加了热管冷凝表面与储水间的热交换面积，提高了热交换速率，降低了热管冷凝段的表面温度，且缩短了冷凝段的长度。故能充分发挥热管的“等温效应”，使储水与热管集热段表面间的温度基本相等，达到大幅度减小辐照面与储水间的温度梯度，提高能效之目的。同时降低了联箱的留存水量，减小了能量损耗，具有结构设计合理、工艺简单、成本低、可靠度高、热传递速率高等优点，且冬季低温性能好、安装使用方便、易于大批量生产。

Description

太阳能“冷凝翅片式热管” 

技术领域

本发明及一种太阳能“热管”，特别是一种能大幅度提高热管冷凝段和集热段的热交换面积、热交换速率高、“重复性”好、可靠度高的太阳能“热管”，属于太阳能运用领域。 

背景技术

现有技术的太阳能“水铜热管”集热管实际是一“热管式的光热转化系统”。其结构主要包括水铜热管，塑料盖和层间涂有金属吸热涂层的双层“真空玻璃”集热管，所述热管由直径φ8～φ10mm、长度1500～2000mm的集热段和直径φ20mm、长度50～100m的冷凝段构成(附图5)，所述塑料盖中心设有热管可穿过的孔，所述水铜热管的集热段穿过塑料盖盖装在“真空玻璃”集热管内。所述水铜热管的冷凝段插入装有橡胶密封圈的水箱内胆的安装孔中，或集中供热系统的加热联箱中，插入段用于对储水加热。 

太阳的辐射能量在“热管式光热转化系统”中的集热过程为：“真空玻璃”集热管的金属吸热涂层收集(辐照面)、传导(涂层管玻壳)、交换(热管集热段表面)、传导(热管介质)、交换(热管冷凝段表面)完成对储水加热过程，即太阳辐射→收集→传导→交换→传导→交换→储水。在其它因素不变的条件下，“太阳辐射能量的传递速率和集热器的集热效率，随集热器被照射表面温度的升高而降低”，根据传热学原理，两物体间的热量传递需存在一定的温度梯度即温差，在其它条件一定时，该差值越大热传递速率则越高。如设：太阳辐射能量、储水温度及能量的热交换和热传递速率均为定值，则从储水开始，每一次的传导或交换都将抬高一次温度，最终导致辐照表面与储水间的温度梯度大幅度增加，造成对太阳辐射能量的吸收转化效率即总体的热效率降低。而太阳能“热管”集热管中的热管作用在于利用热管的“等温效应”，减小辐照表面与储水间的温度梯度，以提高热效。 

由于在太阳能集中供热系统中的管道和联箱内的热水无法排出使用，也不能用冷水替换出来使用，否则易造成冬季冻管。因联箱留存水量造成的能量损耗是不可避免的，故需尽可能减小联箱的容积，即减小联箱的截面尺寸，此使水铜热管的冷凝段长度受到限制。虽通过加大热管冷凝段的直径增加了与储水的热交换面积，但只有(0.003～0.006m²)的热交换面积明显不足(如再增加冷凝段直径，则现 缩管工艺因缩口和缩圆头加工尺寸太大已不能采用，需改用多道拉升、切边、多道缩口的冲压工艺，中间还需多次退火处理，最后还需车边，端部还需加冲压铜盖封焊，工艺复杂，废次品率高。)，使热管内的能量不能及时传出，热管冷凝面与储水间的温度梯度抬高，热效率降低。有厂商宣称其太阳能水铜热管工作时的内部蒸气温度达150℃，并作为宣传卖点，也说明了冷凝面积的不足。经计算：金属吸热涂层温度150℃时太阳辐射能量对副照面的传递速率将降低30％，且高温下的金属吸热涂层的热辐射扩散损失也将大大增加。 

由于，热管具有极高的热传递速率，故能形成所谓“等温效应”，即热管的冷凝段和集热段的温度几乎相等，但冷凝面积的不足造成热管的特性优势完全丧失，大幅度抬高了热管冷凝段的温度，而冷凝表面温度越高则越易结垢，影响了热管的可靠度。 

由于，采用“重力运行”方式工作的太阳能水铜热管，传热介质水聚集于热管底部形成的液池中，如按标准设计，约占热管总长的1/3，冬季仍存在冻爆的问题，故实际长度要小得多(≤30mm)。由于，热管成几何级数高于铜的热传递速率是在于热管内的传热介质在真空状态下的汽化吸热和冷凝散热，所以只有热管底部的液池段才能实现以高效的“热管工作方式”传热。而表面积最大只有0.0009(m²)的热管液池段造成了其热交换面积的严重不足〔如设：该处温差为k(℃)，热交系数为h(W/m².℃)，则热管以“热管工作方式”传热的液池段所能获得的能量仅有0.0009(m²)k(℃)h(W/m².℃)＝0.0009kh(W或J/s)。〕，其余达95％以上的热管集热段表面获得的能量仅能以对管内介质蒸汽加热的方式传热，而蒸汽吸收携带能量的能力仅达2J/g.℃左右，与水(40℃)的汽化吸热2400J/g无法相比，热管并不完全以“热管工作方式”传热，使热管所具有的热传递速率优势被丧失。 

因在太阳能水铜热管内的丝网式吸液芯的网孔密度须不小于50目，且因热管集热段的管内径小(φ6.5～φ8.5mm)，长度大(1500～2000mm)，导致热管冷凝段凝结的传热介质在吸液芯中的轴向流动阻力大，易造成吸液芯因失液而失效；而选用小于50目的丝网，则吸液芯的毛细唧送压力小，自吸液能力低，仍将造成吸液芯失效。且普通丝网式吸液芯失液后难以自己恢复，即所谓的热管重复性差。 

而加装吸液芯的水铜热管因冷凝段的直径曾大(附图5)，导致热管集热段和冷凝段内的丝网吸液芯不能相互良好对接，其无论轴向网孔错位堵塞或对接局部缝隙大于孔隙，均会导致吸液芯失效，且冷凝段多层丝网吸液芯结构难以卷制成型，生产难以实施，故产生了只在热管集热段内装有丝网吸液芯的太阳能水铜热 管，而这样的热管在工作时，吸液芯的自吸液运行将完全伤失，只能起到迟缓介质回流速度的作用，热管仍是以液池段的“重力运行”和其余集热段以加热介质蒸汽的混合方式工作，热管的工作方式未能得到有效改善。且水铜热管成本高，而装有吸液芯的热管成本要比不装的高的多。 

由于，自来水冬季水温为7℃夏季为25℃，冬季洗浴水温需45℃，夏季则不大于40℃，所需能量相差一倍多，而太阳日平均辐照能量冬夏季间相差近倍，造成太阳能热水器冬季热水供应不足夏季水温过高之弊端。而“热管”传热介质的特性是在介质沸点附近的工况最佳，水的工作温度区间为77℃～227℃左右，最佳使用温度在152℃左右，故水铜热管的工况效能夏季反比冬季高，使矛盾更突出。 

发明内容

本发明的目的是为了克服上述太阳能“水铜热管”的不足之处，设计一种热管的冷凝段热交换面积足够大，且热管集热段收集的能量均能以“热管工作方式”传热，吸液芯结构合理，介质轴向流动阻力小，“重复性”好，热交换速率高，可靠度高，以及冬季低温热效高，工艺简单，成本低，安装使用方便，易于大批量生产的高效能、高可靠度的太阳能“冷凝翅片式热管”。 

本发明的太阳能“冷凝翅片式热管”，其结构主要包括由集热管壳、冷凝铜管、覆网吸液芯、传热介质氨构成的热管和冷凝翅片及双密封盖，所述集热管壳与冷凝铜管对接焊接成热管壳体，所述双密封盖和冷凝翅片均安装在冷凝铜管上，所述热管壳体内置覆网吸液芯，并在灌装足够覆网吸液芯吸入量的传热介质氨后抽真空封装。 

所述冷凝铜管和冷凝翅片均选用铜制造，所述集热管壳选用铝或铜制造。 

所述热管壳体的铝制集热管壳内设有与管壳为一体的轴向槽道，冷凝铜管内安装与槽道对接的不大于50目的多层卷制粗丝网，所述对接的槽道和粗丝网内覆盖一根不小于80目的单层卷制细丝网，构成热管壳体内的覆网吸液芯。 

所述热管壳体或选用加工成一根整体带有轴向槽道内覆不小于80目的单层卷制细丝网，构成热管壳体内的覆网吸液芯，所述整体结构的铝热管选用冷凝铜管以压配合方式套装在铝热管的冷凝段上。所述轴向槽道选用轴向矩形槽道或选用轴向锯齿形槽道。 

所述集热管壳为铜制的热管，选用安装与热管壳体等长的不大于50目的多层卷制粗丝网内覆盖不小于80目的单层卷制细丝网，构成热管内的覆网吸液芯。所 述铜热管壳体或选用冷凝铜管与集热管壳为一体的单根铜管制造。 

所述集热管壳选用铝制的热管壳体内灌装氨作为传热介质组装成氨铝热管，集热管壳选用铜制的热管壳体内或选用灌装水作为传热介质，组装成水铜热管，所述热管壳体内或选用灌装氟利昂作为传热介质。 

所述双密封盖为一端为封气盖另一端为封水柱体的注塑结构件，所述双密封盖的封气盖将用于将热管集热段封装在保温管内，所述保温管选用“真空玻璃”集热管，所述“真空玻璃”集热管为双层结构，内层玻管外圆喷涂有金属吸热涂层的“真空玻璃”集热管。 

所述保温管或选用单层透明保温管，抽真空保温安装，所述选用单层透明保温管，抽真空保温安装的热管集热段上安装有直接用于吸收太阳辐照能量的风帆型翅片。 

所述双密封盖上的封水柱体将用于与水箱内胆上的安装孔密封安装。 

本发明的太阳能“冷凝翅片式热管”，由于设计成等直径热管壳体和双密封盖的相结合结构，满足了在热管冷凝段上设计安装冷凝翅片的条件，冷凝翅片的运用大幅度增加了热管冷凝段与储水的热交换面积，大大提高了热交换速率，故使热管的“等温效应”得到充分发挥，使热管的集热段内的介质液体温度基本与水箱储水温度相等。且因冷凝翅片结构的尺寸设计相比更具灵活性，冷凝段的长度得以减小，集中供热系统中的联箱截面结构尺寸也更紧凑。故能减少联箱中的存水量，即留存能量损耗，提高了实际能效。 

同时等直径的热管壳体提供了设计安装高可靠度覆网吸液芯的条件，使传热介质储存于覆网吸液芯中，与介质储存于液池段的热交换面积比，以“热管工作方式”传热的热管集热段的热交换面积增加了45倍以上，使热管的整个集热段导入的能量都将以高效的“热管工作方式”传递到冷凝段，大幅度降低了热管集热段的表面温度，集热辐照面与储水间的温度梯度得以降低，提高了熱效。 

由于，选用与热管等长的细丝网下覆盖粗丝网与轴向槽式对接构成的覆网吸液芯，克服了丝网对接的工艺难度，其不小于80目的细丝网保证了吸液芯的毛细唧送压力，而小于50目的粗丝网和较宽的轴向槽道大大减小了介质的轴向流动阻力，且因覆网吸液芯自吸液即所谓“重复性”较好，故能提高吸液芯运行的可靠度。 

由于，冷凝铜管隔断了水与铝制热管冷凝段的接触，杜绝了水箱水对铝的腐蚀作用，解决了即使做防腐蚀处理，也难以满足太阳能领域使用年限不低于15年 的要求，使氨铝热管在太阳能领域得到运用。 

由于，氨铝热管内的氨的冰点低，不存在冻结的问题。作为传热介质氨的工作温度区间为-73℃～77℃，最佳工况温度在2℃左右，冬季基本处于最佳工作状态，即使在零下40℃时的工况也高于夏季伏天，正好符合冬高夏低的需求，具有冬季低温热管工况效能高之特点。 

由于，铝制热管可通过挤压拉升加工获得与热管管壳为一体的轴向槽道，且铜与铝的比重相差3.3倍，铜管的单位重量成本与带有轴向槽道结构的铝制热管壳体比相差2.9倍，仅材料成本将相差9.6倍，尚未将铜管内需加装的铜丝网吸液芯的材料和工本费用计入。故能较大幅度的降低热管成本，具有工艺简单成本降低，适合大批量生产使用之特点。 

太阳能“冷凝翅片式热管”上所使用的各项技术措施都能明显提高相应的效能，产生明显的技术效果。因本热管集热段表面导入的能量均以“热管工作方式”传递到冷凝段，极大的提高了热管的效能，降低了集热段的表面温度；而冷凝翅片则大大增加了热管冷凝段与储水的热交换面积，提高了热交换速率，降低了热交换面温度，且缩短了冷凝段的长度。故能充分发挥热管的“等温效应”，使储水与热管集热段表面间的温度基本相等，达到大幅度减小辐照面与储水间的温度梯度，提高能效之目的。同时降低了联箱的留存水量，减小了能量损耗。具有热传递速率高，热效率高，可靠度高，冬季低温热效高，以及工艺简单，成本低，安装使用方便，易于大批量生产等优点。 

附图说明

附图1是本发明的实施例中的一种结构示意图； 

附图2是本发明的覆网吸液芯几种截面结构放大示意图； 

附图3是本发明的压配合方式套装结构示意图； 

附图4是本发明的对接焊接安装的一种结构示意图； 

附图5是现有技术的“水铜热管”结构示意图。 

附图1中：1是集热管壳，2是与集热管壳为一体的轴向槽道，3是热管壳体，4是双密封盖的封气盖，5是粗丝网，6是覆盖的细丝网，7是密封盖的封水柱体，8是冷凝翅片，9是冷凝铜管，10是热管的冷凝段，11是双密封盖，12是热管的集热段，13是对接缝，14是焊缝，A是太阳能“冷凝翅片式热管”的中心线，中心线左侧是半剖视图。 

附图2中：5是粗丝网，6是覆盖的细丝网，2A是与管壳为一体的轴向矩形槽道，2B是与管壳为一体的轴向锯齿形槽道式。 

附图3中：1是集热管壳，2是与集热管壳为一体的轴向槽道，3是热管壳体，4是双密封盖的封气盖，6是覆盖的细丝网，7是密封盖的封水柱体，9是冷凝铜管，10是热管的冷凝段，11是双密封盖，12是热管的集热段，15是抽排气管，16是隔断线，隔断线以下显露出被覆盖的轴向槽道，A是中心线，中心线左侧是半剖视图。 

附图4中：1是集热管壳，5是粗丝网，6是覆盖的细丝网，9是冷凝铜管，10是热管的冷凝段，11是双密封盖，12是热管的集热段，13虚线处是对接缝，14是焊缝，图中双点划线为假想线，C指向圈圆对接处，C放大为对接处的局部放大，A是中心线，中心线左侧是半剖视图。 

附图5中：1是集热段，2是冷凝段，3是液池，4虚线是集热段的多层丝网卷制吸液芯，5双点划线是冷凝段的多层丝网卷制吸液芯，6是塑料盖，A是中心线，中心线左侧是半剖视图。 

具体实施方式

参见附图1和2，本发明的太阳能“冷凝翅片式热管”，其结构主要包括由集热管壳1、冷凝铜管9、覆网吸液芯(图2)、传热介质氨构成的热管和冷凝翅片8及双密封盖11，所述集热管壳1与冷凝铜管9对接焊接成热管壳体3，所述双密封盖11和冷凝翅片8均安装在冷凝铜管9上，所述热管壳体3内置覆网吸液芯(图2)，并在灌装足够覆网吸液芯吸入量的传热介质氨后抽真空封装。 

所述冷凝铜管9和冷凝翅片8均选用铜制造，所述集热管壳1选用铝或铜制造，所述双密封盖11选用酚醛(胶木)、或增强尼龙、或增强PP注塑加工。所述双密封盖上的封水柱体7将用于与水箱内胆上的安装孔密封安装。 

所述热管壳体3的铝制集热管壳1内设有与管壳1为一体的轴向槽道2，冷凝铜管9内安装与槽道2对接的不大于50目的多层卷制粗丝网5，所述对接的槽道2和粗丝网5内覆盖一根不小于80目的单层卷制细丝网6，构成热管壳体3内的覆网吸液芯(图2)。所述轴向槽道2选用轴向矩形槽道2A或选用轴向锯齿形槽道2B。 

参见附图3，所述热管壳体3或选用加工成一根整体带有轴向槽道2内覆不小于80目的单层卷制细丝网6，构成热管壳体内的覆网吸液芯(图2)。所述整体 结构的铝热管选用冷凝铜管9以压配合方式套装在铝热管壳体3的冷凝段10上。 

参见附图4，所述集热管壳1为铜制的热管，选用安装与热管壳体3等长的不大于50目的多层卷制粗丝网5内覆盖不小于80目的单层卷制细丝网6，构成热管内的覆网吸液芯(图2)。所述铜热管壳体3或选用冷凝铜管9与集热管壳1为一体的单根铜管制造。 

所述集热管壳1选用铝制的热管壳体3内灌装氨作为传热介质组装成氨铝热管，集热管壳1选用铜制的热管壳体3内或选用灌装水作为传热介质，组装成水铜热管，所述热管壳体3内或选用灌装氟利昂作为传热介质。 

所述双密封盖11为一端为封气盖4另一端为封水柱体7的注塑结构件，所述双密封盖上的封气盖4将热管集热段12封装在保温管内，所述保温管选用“真空玻璃”集热管(选用图1中的封气盖4结构配装)，所述“真空玻璃”集热管为双层结构，内层玻管外圆喷涂有金属吸热涂层的“真空玻璃”集热管。 

所述保温管或选用单层透明保温管，抽真空保温安装，所述选用单层透明保温管，抽真空保温安装的热管集热段12上安装有直接用于吸收太阳辐照能量的风帆型翅片，并需在双密封盖上的封气盖4上加装橡胶密封圈，用封气盖4上镶嵌的抽排气管15抽真空保温安装(选用图3中的封气盖4结构配装)。 

所述集热管壳1与冷凝铜管9的对接选用超声波或激光焊接(附图1)，附图4为集热管壳1插入冷凝铜管9一定长度的另一种对接焊接结构，该结构亦可选用高温热压套接过盈配合安装。 

太阳能“冷凝翅片式热管”的加工组装工艺是：先通过注塑镶嵌工艺以冷凝铜管9为型芯完成双密封盖11的加工，冷凝翅片8选用压配合方式套装在冷凝铜管9上，共同构成一组合部件，再进行焊接或热压铆合等余下的加工。因双密封盖11与冷凝铜管9间的安装密封度要求高，且热管壳体3的长度大，加工和安装不便，本结构和工艺具有工艺简单、安装可靠、适合大批量生产等特点。对于铜制热管，亦可选用整根铜管加工，在双密封盖内添加橡胶密封圈，采用压配合方式安装在热管上，再压配安装冷凝翅片。 

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。故这里也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。 

Claims (8)

1.一种太阳能“冷凝翅片式热管”，结构主要包括双密封盖，其特征还在于包括由集热管壳、冷凝铜管、覆网吸液芯、传热介质氨构成的热管和冷凝翅片，所述集热管壳与冷凝铜管对接焊接成热管壳体，所述冷凝翅片和双密封盖均安装在冷凝铜管上。

2.如权利要求1所述的太阳能“冷凝翅片式热管”，其特征还在于，所述热管壳体的铝制集热管壳内设有与管壳为一体的轴向槽道，冷凝铜管内安装与槽道对接的不大于50目的多层卷制粗丝网，所述对接的槽道和粗丝网内覆盖一根不小于80目的单层卷制细丝网，构成热管壳体内的覆网吸液芯。

3.如权利要求2所述的太阳能“冷凝翅片式热管”，其特征还在于，所述热管壳体或选用加工成一根整体带有轴向槽道内覆不小于80目的单层卷制细丝网，构成热管壳体内的覆网吸液芯。

4.如权利要求2或3所述的太阳能“冷凝翅片式热管”，其特征还在于，所述轴向槽道选用轴向矩形槽道或选用轴向锯齿形槽道。

5.如权利要求1所述的太阳能“冷凝翅片式热管”，其特征还在于，所述集热管壳为铜制的热管，选用安装与热管壳体等长的不大于50目的多层卷制粗丝网内覆盖不小于80目的单层卷制细丝网，构成管内的覆网吸液芯。

6.如权利要求1或5所述的太阳能“冷凝翅片式热管”，其特征还在于，所述集热管壳选用铜制的热管壳体内或选用灌装水作为传热介质，组装成水铜热管。

7.如权利要求1所述的太阳能“冷凝翅片式热管”，其特征还在于，所述热管壳体内或选用灌装氟利昂作为传热介质。

8.如权利要求1所述的太阳能“冷凝翅片式热管”，其特征还在于，所述冷凝铜管和冷凝翅片均选用铜制造。

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