CN103245113B - 嵌入式助推中片真空热管集热元件减压空晒保护器 - Google Patents

Abstract

嵌入式助推中片真空热管集热元件减压空晒保护器，由空晒保护传热通道组成，置于集热元件温度真空隔热层内；所述传热通道由散热贴片、吸热件、热敏永磁钢驱动器件和中片组成；空晒保护传热通道具有两种稳定状态：中片同时/不同时传热连接吸热件与散热贴片时的开启导热/关闭绝热状态，其特征是散热贴片带有与罩玻璃管圆封端内表面及中片的传热界面；热敏永磁钢驱动器件包括热敏永磁钢软铁驱动对和双金属片助推部件；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，产生形变帮助推动永磁钢软铁驱动对吸合。本发明用一个小功率传热通道就可保证空晒时热管内部水蒸汽压力不超过2个大气压、可靠性高。

Description

嵌入式助推中片真空热管集热元件减压空晒保护器

技术领域

本发明涉及嵌入式助推中片真空热管集热元件减压空晒保护器。

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3给出一支倾斜安置的光管结构重力热管结构示意图。

图3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3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3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。

重叠冷端是基于阻断热管两相流换热循环的减压空晒保护设计，这是与上述中国发明专利2009101951003抗空晒全玻璃真空热管集热元件的非减压空晒保护设计可控散热通道本质区别。

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发明内容

本发明的目的是要提供助嵌入式助推中片真空热管集热元件减压空晒保护器。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案：用一个以上助推中片真空热管集热元件减压空晒保护传热通道，组成一个嵌入式助推中片真空热管集热元件减压空晒保护器，布置于真空热管集热元件的罩玻璃管圆封端与内玻璃管尾端或者热管尾端之间的真空隔热层内。所述空晒保护传热通道由散热贴片、吸热件、带有与集热元件热管传热连接界面的热敏永磁钢驱动器件、与热敏永磁钢驱动器件传动连接的中片组成。所述空晒保护传热通道具有两种稳定状态：中片同时传热连接吸热件与散热贴片时的开启导热状态；中片不同时传热连接吸热件与散热贴片时的关闭绝热状态。所述空晒保护传热通道的状态根据热敏永磁钢驱动器件状态的改变而改变。所述散热贴片带有与罩玻璃管圆封端内表面的低热阻连接界面并带有与中片的传热界面。所述热敏永磁钢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。所述热敏永磁钢软铁驱动对包括一块热敏永磁钢和一块软铁。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。

还可以令所述吸热件含有与热管热端底端处的低热阻连接界面并含有若干向外翻边冲孔。令所述散热贴片外表面的形状与罩玻璃管圆封端内表面的形状相吻合、令所述散热贴片所带有的与中片的传热界面为若干向内翻边冲孔。

还可以令所述吸热件与散热贴片之间采用卡簧高热阻连接。

还可以令所述热敏永磁钢与热管热端低热阻连接。所述软铁受两侧档板约束可作沿集热元件轴心线方向前后移动。软铁通过传动钢丝与中片传动连接。中片带有楔形传热界面。中片的另一端通过弹簧与弹簧连接件连接。

本发明的有益效果：本发明嵌入式助推中片真空热管集热元件减压空晒保护器采用在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，热管内部温度最高还有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，减压空晒保护器只需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。

吸热件和散热贴片采用翻边冲孔作为传热界面，强度高、尺寸一致性好、制作方便。令吸热件与散热贴片之间采用卡簧高热阻连接成为一体，方便嵌入式安装并可兼具用于内玻璃管与罩玻璃管配合的不锈钢卡簧的定位功能。

铜热管可用热物理性能极佳的水作工质，但在空晒时，热管会因为铜会发生蠕变而失效，这个问题一直没有办法解决。本发明也为目前广泛使用的铜热管集热元件提供了一个有效的空晒应对措施。

热敏磁性驱动器件一致性好、重复性好、控制精度高、使用寿命长、性能令人满意。

采用双金属片助推部件，使热敏永磁钢软铁驱动对吸力大、一致性好和双金属片推力作用距离长的优点得以充分发挥，增加了产品设计自由度。

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是真空隔热层内设置嵌入式助推中片真空热管集热元件减压空晒保护器的正视结构示意图。

图2是图1在散热贴片4处的左视剖视结构示意图。

图3是一支倾斜安置的光管结构重力热管结构示意图。

图中1.热管；2.罩玻璃管；3.内玻璃管；4.散热贴片；5.吸热件；6.热导；7.热敏永磁钢驱动器件；8.中片；9.向内翻边冲孔；10.向外翻边冲孔；11.钢丝卡簧；12.双金属片助推部件；13.热敏永磁钢；14.软铁；15.遮光板；16.档板；17.传动钢丝；18.楔形传热界面；19.弹簧；20.弹簧连接件；21.连接板。

具体实施方式

图1和图2给出本发明一个实施例。

图1和图2中，在真空热管集热元件的罩玻璃管2圆封端与内玻璃管3即热管1尾端之间的真空隔热层内，沿环形真空隔热层圆周向均布四个助推中片真空热管集热元件减压空晒保护传热通道，组成一个嵌入式助推中片真空热管集热元件减压空晒保护器。空晒保护传热通道由散热贴片4、吸热件5、带有热导6的热敏永磁钢驱动器件7、与热敏永磁钢驱动器件7传动连接的中片8组成。散热贴片4厚度0.22毫米、宽度40毫米。散热贴片4外表面的形状与罩玻璃管2圆封端内表面的相吻合并带有若干向内翻边冲孔9作为与中片8的传热界面。吸热件5厚度0.22毫米、宽度40毫米。吸热件5内表面的形状与热管1热端底端处的相吻合并含有若干向外翻边冲孔10作为与中片8的传热界面。吸热件5与散热贴片4之间采用钢丝卡簧11高热阻连接。热导6的内表面形状与热管1热端外表面的相吻合并包裹热管1的热端。热敏永磁钢驱动器件7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12。热敏永磁钢软铁驱动对包括一块热敏永磁钢13和一块软铁14。软铁14外侧中间作为与双金属片助推部件12的连接界面。热敏永磁钢13上面设置遮光板15，防止太阳光直射在处于真空隔热层中的热敏永磁钢13使其误动作。软铁14受两侧档板16约束可沿集热元件轴心线方向作前后移动。软铁14通过传动钢丝17与中片8传动连接。中片8厚度0.22毫米、宽度2毫米约为真空隔热层厚度的一半。中片8带有楔形传热界面18。中片8的另一端通过弹簧19与弹簧连接件20连接。弹簧连接件20固定于吸热件5上。热导6厚度0.22毫米、宽度20毫米。热导6、吸热件5两者之间通过一片较窄的连接板21刚性高热阻连接为一体。

散热贴片4、吸热件5、热导6、中片8、遮光板15、档板16的制作材料包括钢板、铝板和铜板。

图1和图2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6与内玻璃管3低热阻连接的热敏永磁钢13温度达不到失磁温度，热敏永磁钢13吸住软铁14将中片8往左拉，使中片8上的楔形传热界面18不接触散热贴片4和吸热件5（如图2中虚线三角形所示）。空晒保护传热通道处于关闭绝热状态。

当集热元件处于空晒状态时，热敏永磁钢13温度升高譬如达到100℃的临界转换点磁力消失，弹簧19将软铁13和中片8一起往右拉，使中片8上的楔形传热界面18同时低热阻连接散热贴片4上的向内翻边冲孔9和吸热件5上的向外翻边冲孔10（如图2中实线三角形所示），空晒保护传热通道处于开启导热状态。内玻璃管3即热管1热端底端处的热能通过空晒保护传热通道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。由于档板16和双金属片助推部件12的约束，软铁14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13磁力恢复时能够将软铁14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12的温度高其形状不向左弯，保证软铁14受拉右移。

以后集热元件脱离空晒状态，热敏永磁钢13温度降低磁力恢复并吸引软铁14向左移动，使中片8上的楔形传热界面18与散热贴片4上的向内翻边冲孔9和吸热件5上的向外翻边冲孔10脱离接触（如图2中虚线三角形所示），空晒保护传热通道处于关闭绝热状态，集热元件又可正常工作。双金属片助推部件12在热敏永磁钢13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14向左移动（如图2中虚形弧线所示）。由于双金属片助推部件12的存在，克服了线膨胀系数比内玻璃管大得多的金属制造的传热通道及热敏永磁钢驱动器件7等相关部件因为不同季节热胀冷缩使软铁14离热敏永磁钢13过远，热敏永磁钢13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7工作更为迅速可靠。

图1和图2实施例同样适用于插入式热管集热元件，这时，内玻璃管3本身不是热管，而是与一支插入式热管配合连接或者低热阻连接。其空晒保护的工作原理相似，也是通过热敏永磁钢13在空晒时/非空晒时的温度升高/降低、磁力消失/恢复来改变减压空晒保护传热通道的状态，达到使集热元件获得空晒保护的目的。

Claims (4)

1.嵌入式助推中片真空热管集热元件减压空晒保护器，由一个以上助推中片真空热管集热元件减压空晒保护传热通道组成，布置于真空热管集热元件的罩玻璃管圆封端与热管尾端之间的真空隔热层内；所述空晒保护传热通道由散热贴片、吸热件、带有与集热元件热管传热连接界面的热敏永磁钢驱动器件、与热敏永磁钢驱动器件传动连接的中片组成；所述空晒保护传热通道具有两种稳定状态：中片同时传热连接吸热件与散热贴片时的开启导热状态；中片不同时传热连接吸热件与散热贴片时的关闭绝热状态；所述空晒保护传热通道的状态根据热敏永磁钢驱动器件状态的改变而改变，其特征是所述散热贴片带有与罩玻璃管圆封端内表面的低热阻连接界面并带有与中片的传热界面；所述热敏永磁钢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；所述热敏永磁钢软铁驱动对包括一块热敏永磁钢和一块软铁；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。

2.按照权利要求1所述的嵌入式助推中片真空热管集热元件减压空晒保护器，其特征是所述吸热件含有与热管热端底端处的低热阻连接界面并含有若干向外翻边冲孔；所述散热贴片外表面的形状与罩玻璃管圆封端内表面的相吻合、所述散热贴片所带有的与中片的传热界面为若干向内翻边冲孔。

3.按照权利要求1所述的嵌入式助推中片真空热管集热元件减压空晒保护器，其特征是所述吸热件与散热贴片之间采用卡簧高热阻连接。

4.按照权利要求1所述的嵌入式助推中片真空热管集热元件减压空晒保护器，其特征是所述热敏永磁钢与热管热端低热阻连接；所述软铁受两侧档板约束可作沿集热元件轴心线方向前后移动；软铁通过传动钢丝与中片传动连接；中片带有楔形传热界面；中片的另一端通过弹簧与弹簧连接件连接。