CN103225890B - 助推减压空晒保护全玻璃真空热管太阳能集热装置 - Google Patents

Abstract

助推减压空晒保护全玻璃真空热管太阳能集热装置，由工质高位助推减压空晒保护全玻璃真空热管集热元件、绝热水箱和尾盒组成，工质高位助推减压空晒保护全玻璃真空热管集热元件在集热元件真空隔热层内设置助推空晒保护器，助推空晒保护器由助推热力驱动器件传动连接传热直筒组成，其特征是传热直筒与热管热端底端处用一维移动副结构低热阻连接，助推热力驱动器件包括双金属片助推部件、热敏永磁钢和软铁；双金属片助推部件在热敏永磁钢从失磁向有磁转变时推动热敏永磁钢软铁驱动对吸合；热管含有稀疏芯网。本发明用小功率空晒保护器保证热管内部不超过2个大气压。稀疏芯网使热管启动时间从140多分钟缩短至10多分钟，冬季每天多集热1小时。

Description

助推减压空晒保护全玻璃真空热管太阳能集热装置

技术领域

本发明涉及助推减压空晒保护全玻璃真空热管太阳能集热装置。

背景技术

真空集热管在其罩玻璃管与内玻璃管之间设置真空隔热层，可制造冬季也能提供生活热水的真空太阳能热水器。用热管真空集热管制造的太阳能热水器更具有管内无水能效比高、符合卫生饮用水标准、单管损坏照样工作等优点。因此。管内无水的太阳能真空热管热水器将有可能占领越来越多的市场份额。

采用一体式玻璃热管具有可以与罩玻璃管融封、玻璃热管表面可以直接制作吸收膜传热环节少、可采用热物理性能极佳的水作工质等优点。

但空晒时，集热元件热管内部温度可达230℃，这个温度对应的饱和水蒸汽压为28.53个大气压，对应的工质充装量与热管容积之比即工质容积比为1.1%，即每1升容积有11毫升水。

通过减少工质充装量可以降低空晒时热管内部的压力，以水工质为例：当工质充装量/热管容积率从5毫升/1000毫升时的0.5%降低至2毫升/1000毫升时的0.2%，相应地其最高饱和蒸汽压从180℃的约10个大气压降低至140℃的约3.7个大气压，并且热管内部从140℃约3.7个大气压的最高蒸汽压继续升温至180℃时内部压力仅有4个大气压左右。但有时工质充装量不能仅仅以空晒时的内部压力来决定。对于一支工质充装量/热管容积率为0.2%、内部容积1000毫升、长度2000毫米的热管，如果为了使空晒230℃时内部压力不超过4个大气压，则工质充装量约1.8毫升。问题是所述热管即使为光管结构，在倾斜约45度工作时，冷端的冷凝水、热端的流动水加上85℃水蒸汽的水量0.353毫升之和会远超过1.8毫升。

为了满足热管正常工作而使工质充装量/热管容积率大于0.2%甚至0.3%，并确保玻璃热管不因为空晒而炸管，必须采取空晒保护措施。

中国发明专利2009101951003抗空晒全玻璃真空热管集热元件，披露了一种空晒保护全玻璃真空热管集热元件，由在真空集热元件吸收体和罩玻管之间设置可控传热通道构成，可控传热通道由活动传热件和驱动件组成，其特征在于含有与真空集热元件吸收体低热阻连接的热力换能驱动件。由于这项专利不是专门针对重力热管集热元件的，因而针对性不强；其采用的双金属片热力换能驱动件本来产品的一致性就不好，在多次受热变形后恢复原状的能力又会降低，其所承担的控制系统相关的工作点设定、控制变量输入、比较、换能和能量供给以及执行功能因为精度受到影响而远不能正常有效工作到集热元件可能的20年设计寿命。

图4给出一支倾斜安置的光管结构重力热管结构示意图。

图4中，热管1由管壳和内部工质制成。其工作原理为：热能从下方的热端即并排向里的箭头标示处输入，使热管1内部底端处的工质受热汽化，蒸汽在压差的作用下，向上行进到热管冷端即箭头并排向外标示处放出热能供应给负荷并冷凝成液体在重力作用下回流至下面的冷端，在热端工质再次受热汽化……，由此不断循环实现两相流换热循环。热管具有优异的传热能力、热流密度变换能力和等温特性。如果热管1热端输入100瓦，则其冷端输出最高可以达到97瓦甚至更高。

如果试图对图4的热管1仅仅从下面输入热能，而不取走热能，则热管1内部蒸汽压会急剧上升。如果热管1采用水作为工质并且足够多，则在热管1温度达到230℃时，内部最高压力可达28.53个大气压。

如果试图对图4的热管1从上到下全面加热并从下面略高于热管1底端的地方譬如从底端开始的占整个热管1长度3%的一段取出热能，即仅仅令底端往前占热管1总长度3%的部位同时作为重叠冷端，则热管1内部的蒸汽压会降到与下面冷端的温度相对应的饱和蒸汽压。譬如用水作为工质时，保持热管1下面重叠冷端的温度100℃，则即使上面其他部分加热到230℃，因为热管1内部的液态工质都集聚于所述重叠冷端，除所述重叠冷端之外上面的热管1热端由于没有工质补充整个干涸，两相流传热机制不复存在。热管1内部的蒸汽压力也只有约1个大气压。

重叠冷端的一个例子是热管管壁带有吸收膜，吸收太阳光作为热能输入，同时用传热器件低热阻连接所述热管管壁并将热能转移。

这种令热管1倾斜布置、热能从热管1上面输入而只用下面一小段作为重叠冷端的设计在其他场合或许没有什么意义，但用于太阳能集热元件的空晒保护，因为只需要极小一部分散热功率——这部分散热功率用于确保空晒发生时，空晒保护装置开始起作用的初期热管内部蒸汽压的最高值不超过设定值；这部分散热功率还要大于所述重叠冷端作为热端的热能输入功率——因而具有散热器件体积紧凑、性能可靠、散热功率小、对真空隔热层的放气少、对吸收体的遮挡影响小以及可利用集热元件尾端作为散热界面的优点。

可以看到，重叠冷端的面积越小、所述空晒保护器件所需要的散热功率也越小、越有利。实际的集热元件需要尾盒之类的器件进行安置。尾盒会遮盖集热元件的尾端。被尾盒遮盖的部分都不属于重叠冷端。之所以还会用到重叠冷端，是因为有些集热元件空晒保护装置比较适合安装于真空隔热层的筒形段或者，集热元件罩玻璃管带有缩颈段并且是采用在缩颈段形成后装配内玻璃管，然后再对罩玻璃管圆封拉尾管简称后拉尾管的工艺。后拉尾管工艺形成的圆封端如果不适合用于散热，就需要利用从所述圆封端往上的罩玻璃管筒形段进行散热。与所述筒形段相对应的热管或者内玻璃管尾端部分属于重叠冷端。

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发明内容

本发明的目的是要提供助推减压空晒保护全玻璃真空热管太阳能集热装置。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案：用工质高位助推减压空晒保护全玻璃真空热管集热元件、绝热水箱、尾盒支架及辅件，组成一台助推减压空晒保护全玻璃真空热管太阳能集热装置。工质高位助推减压空晒保护全玻璃真空热管集热元件通过在全玻璃真空热管集热元件尾端真空隔热层内设置助推空晒保护器组成。全玻璃真空热管集热元件用罩玻璃管封接一体式内玻璃管热管制成。所述集热元件竖直或者倾斜安装，所述热管依靠重力工作。助推空晒保护器由一个与所述热管热端传热连接的助推热力驱动器件、与助推热力驱动器件传动连接或者与助推热力驱动器件一体制造的传热直筒组成。助推空晒保护器具有两种稳定状态：传热直筒伸出传热连接罩玻璃管尾端时的开启导热状态；传热直筒缩回不传热连接罩玻璃管尾端时的关闭绝热状态。传热直筒与热管热端底端处采用一维移动副结构低热阻连接；或者传热直筒与一个热汇采用一维移动副结构低热阻连接，所述热汇与热管热端底端处低热阻连接。传热直筒可沿集热元件轴心线方向作前后移动。传热直筒的外端部形状与罩玻璃管尾端内表面的相吻合。所述助推热力驱动器件包括一个热敏永磁钢软铁驱动对和一个双金属片助推部件；热敏永磁钢软铁驱动对包括一块热敏永磁钢和一块软铁；热敏永磁钢通过一块热导与热管热端低热阻连接；软铁受约束可作沿集热元件轴心线方向的前后移动并通过传动钢丝与传热直筒传动连接；所述热敏永磁钢软铁驱动对含有与双金属片助推部件的连接界面；所述双金属片助推部件在热敏永磁钢从失磁状态向有磁状态转变的降温过程中，产生形变帮助推动热敏永磁钢软铁驱动对吸合；尾盒遮盖所述集热元件尾部与传热直筒的接触处；在热管热端内部含有一个由若干条宽度2至10毫米的细条毛细吸液芯组成的稀疏芯网，稀疏芯网采用弹性卡簧压贴于热管热端内壁；稀疏芯网的面积小于所述热管热端内壁面积的5%。

还可以令所所述罩玻璃管尾端内表面低热阻连接一个散热贴片；散热贴片与传热直筒的传热状态根据热力驱动器件的状态改变而改变。

还可以令所述稀疏芯网由若干个按照圆周向布置的环形窄条毛细芯形成。

还可以令散热贴片与热汇之间采用卡簧高热阻连接；或者罩玻璃管尾端内侧与热管热端底端处通过一个卡簧高热阻连接。

还可以令在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、所述热管冷端外侧水温40±5℃、集热元件轴心线呈南北向倾斜布置并且其轴心线与入射阳光的夹角在90±20°范围内条件下，稀疏芯网持有液态工质的质量≤其最大液态工质持有量的25%。

还可以令：所述稀疏芯网最大液态工质持有量≥4毫升；在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、所述热管冷端外侧水温40±5℃、集热元件轴心线呈南北向倾斜布置并且其轴心线与入射阳光的夹角在90±20°范围内条件下，所述稀疏芯网持有液态工质的质量≤0.9毫升。

还可以令所述集热元件尾端为自集热元件尾端底部外表面起往前不超过集热元件总长度6%的部分。

本发明的有益效果：本发明助推减压空晒保护全玻璃真空热管太阳能集热装置采用在集热元件热管底端处散热来收集液态工质于热管热端底端处、阻断热管内部两相流换热的空晒保护设计，散热功率可以大大减小。举例：一支输出70瓦的集热元件，工质充装量3毫升。采用在热管热端表面均布可控传热通道散热来防止热管炸管的技术方案，可控传热通道的散热功率为40瓦，热管内部温度还有150℃以上，相应的水蒸汽压力仍可达4.8个大气压超出外径58毫米、壁厚1.8毫米内玻璃管的耐压能力。本发明对于同样输出70瓦的集热元件，减压空晒保护传热通道只需10瓦散热功率，就可以在空晒发生时以0.25毫升/分钟的速率来吸收玻璃热管内部的水。空晒开始约6分钟后，其时虽然热管向阳表面的温度升高约30℃，但热管热端内部除底端处都已经干涸、蒸汽压已经小于1.5个大气压。节省30瓦的散热功率令成本有较大削减，减少传热通道对真空隔热层的放气75%、并且可靠性大幅度提高。关键是能有效解决大直径热管的炸管问题。本发明采用一个小功率空晒保护器就可保证热管内部水蒸汽压力始终不超过2个大气压，并且完全不影响集热元件的正常工作。

传热直筒传热面积大、刚性强、利用集热元件底端构建传热通道对集热元件的吸收资源占用少、并适合集热元件热管热端离罩玻璃管直段距离较远的金属热管、内玻翅板管和偏心热管的空晒保护。

嵌入式直筒真空热管集热元件减压空晒保护器采用两个热敏永磁钢驱动器件均布，最少可以用一个钢丝卡簧代替原有的四爪卡簧，再增加两块热敏永磁钢、两块软铁、两个弹簧、两根传动钢丝、一个带遮光的热敏永磁钢热导、一个传热直筒10个零部件，并且用钢丝卡簧高热阻连接所述零部件。结构简洁、装配方便。

热敏永磁钢驱动器件一致性好、重复性好、控制精度高、使用寿命长、性能令人满意。

在集热元件玻璃热管内部采用由若干个按照圆周向布置的环形窄条毛细芯形成的稀疏芯网，使热管启动时间从原来光管的140多分钟，缩短至10多分钟，相当于冬季每天多集热一个多小时。从而既最大限度加快热管启动；又几乎不增加工质充装量使空晒时玻璃热管内部的压力保持低位。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是一台助推减压空晒保护全玻璃真空热管太阳能集热装置正视结构示意图。

图2是一台助推减压空晒保护全玻璃真空热管太阳能集热装置上视结构示意图。

图3是图1在传热直筒7处的左视剖视结构示意图。

图4是一支倾斜安置的光管结构重力热管结构示意图。

图5是一片传热直筒的展开图。

图6是一支全玻璃真空热管集热管结构示意图。

图中1.热管；2.罩玻璃管；3.内玻璃管；4.散热贴片；5.热汇；6.热敏永磁钢驱动器件；7.传热直筒；8.热敏永磁钢；9.软铁；10.双金属片助推部件；11.热导；12.遮光板；13.档板；14.传动钢丝；15.弹簧；16.连接板；17.四爪卡簧；18.方孔；19.缺口；20.绝热水箱；21.尾盒；22.环形窄条毛细芯；23.环形卡簧。

具体实施方式

图1、图2和图3给出本发明一个实施例。

图1至3中，用工质高位助推减压空晒保护全玻璃真空热管集热元件、绝热水箱20、尾盒21组成一台减压空晒保护全玻璃真空热管太阳能集热装置。工质高位助推减压空晒保护全玻璃真空热管集热元件通过在全玻璃真空热管集热管罩玻璃管2尾端与热管1尾端之间的真空隔热层内，设置一个嵌入式直筒真空热管集热元件助推减压空晒保护器组成。助推空晒保护器由散热贴片4、热汇5、热敏永磁钢驱动器件6和传热直筒7组成。散热贴片4外表面的形状与罩玻璃管2尾端内表面的相吻合。散热贴片4厚度0.22毫米、宽度40毫米。散热贴片4用卡簧压贴于罩玻璃管2内壁。热汇5厚度0.22毫米、宽度40毫米。热敏永磁钢驱动器件6包括一块热敏永磁钢8、一块软铁9和一个双金属片助推部件10；热敏永磁钢8通过热导11与内玻璃管3低热阻连接；热敏永磁钢8上面设置有遮光板12，防止太阳光直射在处于真空隔热层中的热敏永磁钢8使其误动作。软铁9受两侧档板13约束可沿集热元件轴心线方向作前后移动并通过传动钢丝14与传热直筒7传动连接。软铁9受弹簧15推力作用被推离永磁钢8或者具有被推离永磁钢8的趋势。软铁9外侧中间作为与双金属片助推部件10自由端的连接界面。双金属片助推部件10的固定端与档板13连接。传热直筒7厚度0.22毫米、宽度40毫米。传热直筒7与热汇5之间采用一维移动副结构低热阻连接，传热直筒7可以沿集热元件轴心线方向作伸出缩回前后移动。热汇5包裹低热阻连接热管1热端底端处并用卡簧压贴于内玻璃管3上。传热直筒7的外端部形状与散热贴片4内表面的相吻合。热导11厚度0.22毫米、宽度20毫米、卷成筒形。热导11和热汇5通过一片连接板16刚性高热阻连接。罩玻璃管2尾端内侧与内玻璃管3尾端之间通过四爪卡簧17高热阻连接实现罩玻璃管2与内玻璃管3之间的定位（四爪卡簧为简洁起见，未在图1、2中画出，但专门用图6说明）。尾盒21遮盖集热元件与传热直筒7的接触处。

散热贴片4、热汇5、传热直筒7的制作材料包括钢板、铝板和铜板。

图1至3实施例的工作原理：当嵌入安装有所述减压空晒保护器的集热元件正常倾斜布置且不处于空晒状态时，太阳光在内玻璃管吸收膜上转换为热能，热能通过内玻璃管传递给热管内部工质使之汽化。由于热管1冷端温度低于95℃，工质蒸汽在压差作用下流向冷端放热并凝结成液体在重力作用下返回热端并再度受热汽化……如此周而复始实现两相流换热循环。

此时，通过热导11与内玻璃管3低热阻连接的热敏永磁钢8温度达不到失磁温度，热敏永磁钢8吸住软铁9将传热直筒7往左拉，使传热直筒7不接触散热贴片4，空晒保护器处于关闭绝热状态。集热元件正常集热。图1中盆状虚线表示传热直筒7缩回时的边缘位置。

当集热元件处于空晒状态时，热敏永磁钢8温度升高磁力消失，弹簧14将软铁9和传热直筒7推向右面，使传热直筒7伸出传热连接散热贴片4，空晒保护器处于开启导热状态。内玻璃管3即热管1热端的热能通过空晒保护器源源不断散失到环境。热管1内部的蒸汽在压差作用下流向底端处凝结并集聚于底端处，钳制热管1内部压力始终处于低位，保证集热元件不会炸管实现集热元件的空晒保护。由于双金属片助推部件10的约束，软铁9向右移动的距离最多2毫米，这样可以保证以后热敏永磁钢8磁力恢复时能够将软铁9再度吸引回来。

集热元件处于空晒状态时，双金属片助推部件10的温度高其形状不向左弯，保证软铁9受拉右移。

以后集热元件脱离空晒状态，热敏永磁钢8温度降低磁力恢复并吸引软铁9使传热直筒7缩回不传热连接散热贴片4，空晒保护器处于关闭绝热状态，集热元件又可正常工作。

双金属片助推部件10在热敏永磁钢8从失磁状态向有磁状态转变的降温过程中，产生形变其中间部分向左突起推动软铁9向左移动（如图2中弧线所示）。由于双金属片助推部件10的存在，克服了线膨胀系数比内玻璃管3大得多的金属制造的传热通道及热敏永磁钢驱动器件6等相关部件因为不同季节热胀冷缩使软铁9离热敏永磁钢8过远，热敏永磁钢8吸力不够空晒保护器不能正常工作的问题，使热敏永磁钢驱动器件6工作更为迅速可靠。

在热管1热端内部设置若干个按照圆周向布置的环形窄条毛细芯22形成一个稀疏芯网。环形窄条毛细芯22用环形卡簧23压贴于热管1热端内壁。热管1的热端长度1米8；环形窄条毛细芯22的宽度5毫米。环形窄条毛细芯23的面积之和小于所述热管1热端内壁面积的2.8%。

散热贴片4、热汇5、传热直筒7的制作材料包括钢板、铝板和铜板。

热管1正常工作时允许环形窄条毛细芯22干涸或者部分干涸，所以环形窄条毛细芯22在热管1工作时常常不持有工质。热管1正常工作结束时，热管1冷端内表面的凝结水蒸发，包括这部分工质在内的所有工质全部或者绝大部分工质被环形窄条毛细芯20吸持，提高原光管热管集聚于热管1底部的工质位置。均布于整个热管1热端的环形窄条毛细芯22有利于热管1启动时环形窄条毛细芯22处吸收尽可能多的太阳热能加速启动。

图1至3实施例对于罩玻璃管直径70、内玻璃管直径58的全玻璃真空热管集热元件，不采用散热贴片和热汇，所述空晒保护器的散热功率也可以达到10瓦以上。

图5给出传热直筒7的展开图。

图5中，传热直筒7被展开。其方孔17为避开四爪卡簧而设。缺口19为加工成与罩玻璃管尾端内侧面相吻合的形状而设。

图6给出一支全玻璃真空集热管的结构示意图。

图6中，用罩玻璃管2和内玻璃管3同心嵌套布置封接，制成一支全玻璃真空热管集热元件。内玻璃管3自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管1，热管1热端的长度为1.8米。内玻璃管3的外表面制作吸收膜。四爪卡簧17设置于罩玻璃管2尾端与内玻璃管3尾端之间。

Claims (7)

1.助推减压空晒保护全玻璃真空热管太阳能集热装置，由工质高位助推减压空晒保护全玻璃真空热管集热元件、绝热水箱、尾盒支架及辅件组成，工质高位助推减压空晒保护全玻璃真空热管集热元件通过在全玻璃真空热管集热元件尾端真空隔热层内设置助推空晒保护器组成，全玻璃真空热管集热元件用罩玻璃管封接一体式内玻璃管热管制成，所述集热元件竖直或者倾斜安装，所述热管依靠重力工作，助推空晒保护器由一个与所述热管热端传热连接的助推热力驱动器件、与助推热力驱动器件传动连接或者与助推热力驱动器件一体制造的传热直筒组成，助推空晒保护器具有两种稳定状态：传热直筒伸出传热连接罩玻璃管尾端时的开启导热状态；传热直筒缩回不传热连接罩玻璃管尾端时的关闭绝热状态，其特征是传热直筒与热管热端底端处采用一维移动副结构低热阻连接；或者传热直筒与一个热汇采用一维移动副结构低热阻连接，所述热汇与热管热端底端处低热阻连接；传热直筒可沿集热元件轴心线方向作前后移动；传热直筒的外端部形状与罩玻璃管尾端内表面的相吻合；所述助推热力驱动器件包括一个热敏永磁钢软铁驱动对和一个双金属片助推部件；热敏永磁钢软铁驱动对包括一块热敏永磁钢和一块软铁；热敏永磁钢通过一块热导与热管热端低热阻连接；软铁受约束可作沿集热元件轴心线方向的前后移动并通过传动钢丝与传热直筒传动连接；所述热敏永磁钢软铁驱动对含有与双金属片助推部件的连接界面；所述双金属片助推部件在热敏永磁钢从失磁状态向有磁状态转变的降温过程中，产生形变帮助推动热敏永磁钢软铁驱动对吸合；尾盒遮盖所述集热元件尾部与传热直筒的接触处；在热管热端内部含有一个由若干条宽度2至10毫米的细条毛细吸液芯组成的稀疏芯网，稀疏芯网采用弹性卡簧压贴于热管热端内壁；稀疏芯网的面积小于所述热管热端内壁面积的5%。

2.按照权利要求1所述的集热装置，其特征是所述罩玻璃管尾端内表面低热阻连接一个散热贴片；散热贴片与传热直筒的传热状态根据热力驱动器件的状态改变而改变。

3.按照权利要求1所述的集热装置，其特征是所述稀疏芯网由若干个按照圆周向布置的环形窄条毛细芯形成。

4.按照权利要求1所述的集热装置，其特征是散热贴片与热汇之间采用卡簧高热阻连接；或者罩玻璃管尾端内侧与热管热端底端处通过一个卡簧高热阻连接。

5.按照权利要求1或者2所述的集热装置，其特征是在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、所述热管冷端外侧水温40±5℃、集热元件轴心线呈南北向倾斜布置并且其轴心线与入射阳光的夹角在90±20°范围内条件下，稀疏芯网持有液态工质的质量≤其最大液态工质持有量的25%。

6.按照权利要求1或者2所述的集热装置，其特征是：所述稀疏芯网最大液态工质持有量≥4毫升；在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、所述热管冷端外侧水温40±5℃、集热元件轴心线呈南北向倾斜布置并且其轴心线与入射阳光的夹角在90±20°范围内条件下，所述稀疏芯网持有液态工质的质量≤0.9毫升。

7.按照权利要求1或者2所述的集热装置，其特征是所述集热元件尾端为自集热元件尾端底部外表面起往前不超过集热元件总长度6%的部分。