CN110260531B - 具有自适应散热结构的相变储热太阳能热水器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有自适应散热结构的相变储热太阳能热水器，当相变储热材料过热时，真空管内产生热气体，随着温度升高真空管内部的气压升高，弹性罩碗杯结构的纵向弹性形变长度超过间隙高度，使得金属导热块的顶板上表面与所述导热平板的盲孔孔底发生接触，从而形成从金属导热块顶板向导热平板的热传导通道，所述真空管内的热气体向真空管顶部扩散，在金属导热块竖直圆柱的换热翅片进行冷凝，冷凝产生的热量由自适应导热装置金属导热块传递至导热平板，再从散热片传导至周围环境，从而降低真空管内的气体温度，维持真空管内的压力稳定，实现对相变储热太阳能热水器的过热保护。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能热水器技术领域，具体地说是一种具有自适应散热结构的相变储热太阳能热水器。
背景技术
太阳能是地球取之不尽用之不竭的能源来源。太阳能热利用是新能源和可再生能源中商业化程度最高、应用最普遍的技术之一，并带来了巨大的节能环保效益。我国是太阳能热水器生产总量最多、拥有太阳能热水器的家庭数量多、潜在市场最大的国家。相变储热太阳能热水器利用相变材料的相变潜热实现太阳能的储存和利用，具有巨大的节能环保优势。相变储热太阳能热水器能够将太阳辐射能转变为热能储存在相变储热材料内。当用户使用时，水流流过相变储热太阳能热水器，水流和相变储热材料进行热交换，热量随着水流带出相变储热太阳能热水器。但是，如果太阳辐射很强，用户未使用相变储热太阳能热水器时，相变储热材料会持续吸热过热气化，太阳能热水器内部压力升高，甚至爆裂。采用合理的散热方式对相变储热材料进行过热保护，是相变储热太阳能热水器面临的主要问题。
中国专利CN105020917B提出采用泄压阀对密封存储相变储热材料的真空管进行过热泄压，其缺点在于，泄压会持续造成相变储热材料气化喷射损失(干烧120天就会损失20克以上)，相变储热太阳能热水器的有效使用寿命会大幅减小。中国专利CN104697184A提出一种在热水出水管上并联散热管路，通过对出水管路的回流水进行降温，间接地对相变储热材料降温。其缺点在于，并非直接对相变储热材料进行降温，而是间接降温的方式。在房屋尚未交付或长期无人居住，自来水不通时，无法起到过热保护的作用。中国专利CN103912999B提出一种采用蒸发介质，对相变储热太阳能热水器进行过热防护的散热装置，将蒸发介质装在循环管路中，循环管路的蒸发端埋在相变储热材料的真空管内，冷凝端在太阳能热水器外部，通过蒸发介质在循环管路两端的固液相变进行换热，本质上也是间接降温的方式，相当于把CN 104697184A的出水管变为循环管路，其缺点在于，循环管路本身也跟相变储热材料真空管一样，会存在过热爆裂的问题；循环管路要埋入密封相变储热材料的真空管内，当循环管路发生过热爆裂时，其内部的蒸发介质会渗出，污染相变储热材料，会造成真空管失效。CN105953444B提出采用热致散射层包覆真空管，当相变储热材料的温度高于热致散射层的透光变化阈值温度时，热致散射层由透光变为散射，阻止太阳光辐射到达真空管，并将太阳光辐射散射至导热棒表面，太阳光辐射被导热棒吸收转化为热量后传递至散热体的散热片进行散热。其缺点在于，在相变储热太阳能热水器正常工作的情况下，会存在从真空管向导热棒的辐射传热，造成热水器储热效能下降，尤其是在寒冷的天气情况下，难以保证真空管的足够保温储能，严重降低整机性能。CN103912999B提出真空管包覆热致变色辐射层，当相变储热材料的温度高于热致变色辐射层的变色阈值温度时，热致变色辐射层由透明变为黑色，从而以热辐射的方式将热量传递给导热棒进行散热，其缺点与CN105953444B相同，在相变储热太阳能热水器正常工作的情况下存在热能损失途径，降低了整机性能。中国专利CN105758023B提出采用一端开口的换热管直接对相变储热太阳能热水器真空管内的过热气体进行冷却，开口端在真空管内，冷凝封闭端连接散热器，其缺点在于，换热管和真空管内部的总体积是恒定的，根据普适气体方程PV＝nRT，随着内部气体温度的升高，压力会不断增加，如果散热通道无法将气体有效降温，依然会出现真空管爆裂现象。鉴于此，有必要提供一种更优的相变储热太阳能热水器技术方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种自适应散热结构的相变储热太阳能热水器，用以解决现有技术中难以有效提供过热保护的问题，其技术方案如下：
一种具有自适应散热结构的相变储热太阳能热水器，包括相变储热太阳能热水器本体、散热体和自适应导热装置，相变储热太阳能热水器本体内设有绝热包层和若干个并列的真空管，相变储热材料设置于真空管内，散热体包含导热平板和位于相变储热太阳能热水器本体外部的散热片，所述导热平板的底面设置有内凹的盲孔，所述盲孔与所述真空管一一对应，所述真空管的顶部与所述盲孔之间的局部区域没有设置绝热包层，所述真空管的顶部设置有顶部开口，所述顶部开口朝向所述盲孔，所述自适应导热装置包含金属导热块、弹性罩和密封紧固圈，所述弹性罩的底部设置于真空管的顶部开口上方，所述金属导热块包含顶板和竖直圆柱，所述顶板设置于竖直圆柱的顶部，所述顶板的底面与竖直圆柱的顶部相连接，所述竖直圆柱的底部设置有换热翅片，所述顶板置入导热平板底面的盲孔内，所述弹性罩包含套筒结构、碗杯结构和水平粘合结构，所述碗杯结构的顶端与套筒结构的外侧壁相连接，所述水平粘合结构设置于碗杯结构的底部边缘，所述套筒结构内部设置有中心通孔，所述竖直圆柱穿过套筒结构的中心通孔，所述竖直圆柱的外侧壁与套筒结构中心通孔的内侧壁紧密贴合，所述密封紧固圈设置于套筒结构的外壁将套筒结构与竖直圆柱之间进行密封固定，所述弹性罩碗杯结构能够发生弹性形变，所述金属导热块的顶板上表面与所述导热平板的盲孔孔底之间留有间隙，所述间隙的高度小于所述弹性罩碗杯结构的弹性形变长度。
当相变储热材料过热时，真空管内产生热气体，随着温度升高真空管内部的气压升高，弹性罩碗杯结构在内部压力作用下发生向外侧的弹性膨胀形变，当真空管内部的气压足够高时，弹性罩碗杯结构的纵向弹性形变长度超过间隙高度，使得金属导热块的顶板上表面与所述导热平板的盲孔孔底发生接触，从而形成从金属导热块顶板向导热平板的热传导通道，所述真空管内的热气体向真空管顶部扩散，在金属导热块竖直圆柱的换热翅片进行冷凝，冷凝产生的热量由自适应导热装置金属导热块传递至导热平板，再从散热片传导至周围环境，从而降低真空管内的气体温度，维持真空管内的压力稳定，实现对相变储热太阳能热水器的过热保护。
所述金属导热块顶板的对称中心线与竖直圆柱的对称中心线重合，所述金属导热块顶板的对称中心线与所述盲孔的对称中心线重合。
所述金属导热块顶板的宽度小于所述盲孔的宽度，所述金属导热块的材质为铜、铝、铝合金、铜合金中的任一种。
所述弹性罩采用具有弹性的橡胶材质，该材料的热导率小于1W/m.K。
所述竖直圆柱的外径不小于套筒结构的中心通孔内径。
所述弹性罩的水平粘合结构与真空管的顶部开口边缘通过粘结实现密封。
所述散热体由热导率大于20W/m.K的金属、塑料或陶瓷一体成型。
所述金属导热块顶板的厚度小于所述盲孔的深度。
所述金属导热块顶板上表面的表面粗糙度不大于3.2微米。
上述技术方案具有如下有益效果：
本发明同现有技术相比，采用自适应导热装置对想变储热太阳能热水器真空管内部的压力进行自适应调节，当真空管内部的气压足够高时，弹性罩碗杯结构的纵向弹性形变长度超过间隙高度，使得金属导热块的顶板上表面与所述导热平板的盲孔孔底发生接触，从而形成从金属导热块顶板向导热平板的热传导通道；当温度逐步降低，压力恢复正常范围时，弹性罩碗杯结构的形变变小，金属导热块的顶板上表面与所述导热平板的盲孔孔底不再接触，热传导通道切断。散热的热传导通道的开/关取决于真空管内的压力大小，从而能够维持真空管内的压力稳定，既能够实现对相变储热太阳能热水器的过热保护，又能够确保相变储热太阳能热水器储热良好，不会由于散热通道持续存在发生浪费热量的负面问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的相变储热太阳能热水器的横截面示意图；
图2为图1中区域B的放大图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1和图2，一种具有自适应散热结构的相变储热太阳能热水器，包括相变储热太阳能热水器本体3、散热体1和自适应导热装置2，相变储热太阳能热水器本体3内设有绝热包层32和若干个并列的真空管31，相变储热材料311设置于真空管31内，散热体1包含导热平板12和位于相变储热太阳能热水器本体外部的散热片11，所述导热平板12的底面设置有内凹的盲孔13，所述盲孔13与所述真空管31一一对应，所述真空管31的顶部与所述盲孔13之间的局部区域没有设置绝热包层32，所述真空管31的顶部设置有顶部开口，所述顶部开口朝向所述盲孔13，所述自适应导热装置2包含金属导热块20、弹性罩21和密封紧固圈22，所述弹性罩21的底部设置于真空管31的顶部开口上方，所述金属导热块20包含顶板26和竖直圆柱27，所述顶板26设置于竖直圆柱27的顶部，所述顶板26的底面与竖直圆柱27的顶部相连接，所述竖直圆柱27的底部设置有换热翅片28，所述顶板26置入导热平板12底面的盲孔13内，所述弹性罩21包含套筒结构23、碗杯结构24和水平粘合结构25，所述碗杯结构24的顶端与套筒结构24的外侧壁相连接，所述水平粘合结构25设置于碗杯结构24的底部边缘，所述套筒结构23内部设置有中心通孔，所述竖直圆柱27穿过套筒结构23的中心通孔，所述竖直圆柱27的外侧壁与套筒结构23中心通孔的内侧壁紧密贴合，所述密封紧固圈22设置于套筒结构23的外壁将套筒结构23与竖直圆柱27之间进行密封固定，所述弹性罩21碗杯结构24能够发生弹性形变，所述金属导热块20的顶板26上表面与所述导热平板12的盲孔13孔底之间留有间隙，所述间隙的高度小于所述弹性罩21碗杯结构24的弹性形变长度。
当相变储热材料311过热时，真空管31内产生热气体，随着温度升高真空管31内部的气压升高，弹性罩21碗杯结构24在内部压力作用下发生向外侧的弹性膨胀形变，当真空管31内部的气压足够高时，弹性罩21碗杯结构24的纵向弹性形变长度超过间隙高度，使得金属导热块20的顶板26上表面与所述导热平板12的盲孔13孔底发生接触，从而形成从金属导热块顶板26向导热平板12的热传导通道，所述真空管31内的热气体向真空管顶部扩散，在金属导热块竖直圆柱27的换热翅片28进行冷凝，冷凝产生的热量由自适应导热装置金属导热块20传递至导热平板12，再从散热片11传导至周围环境，从而降低真空管31内的气体温度，维持真空管31内的压力稳定，实现对相变储热太阳能热水器的过热保护。
所述金属导热块顶板26的对称中心线与竖直圆柱27的对称中心线重合，所述金属导热块顶板26的对称中心线与所述盲孔13的对称中心线重合。
所述金属导热块顶板26的宽度小于所述盲孔13的宽度，所述金属导热块的材质为铜。
所述弹性罩21采用具有弹性的橡胶材质，该材料的热导率小于1W/m.K。
所述竖直圆柱27的外径不小于套筒结构23的中心通孔内径。
所述弹性罩21的水平粘合结构25与真空管31的顶部开口边缘通过粘结实现密封。
所述散热体1由热导率大于20W/m.K的金属一体成型。
所述金属导热块顶板26的厚度小于所述盲孔13的深度。
所述金属导热块顶板26上表面的表面粗糙度不大于3.2微米。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种具有自适应散热结构的相变储热太阳能热水器，包括相变储热太阳能热水器本体、散热体和自适应导热装置，相变储热太阳能热水器本体内设有绝热包层和若干个并列的真空管，相变储热材料设置于真空管内，散热体包含导热平板和位于相变储热太阳能热水器本体外部的散热片，所述导热平板的底面设置有内凹的盲孔，所述盲孔与所述真空管一一对应，所述真空管的顶部与所述盲孔之间的局部区域没有设置绝热包层，所述真空管的顶部设置有顶部开口，所述顶部开口朝向所述盲孔，其特征在于，所述自适应导热装置包含金属导热块、弹性罩和密封紧固圈，所述弹性罩的底部设置于真空管的顶部开口上方，所述金属导热块包含顶板和竖直圆柱，所述顶板设置于竖直圆柱的顶部，所述顶板的底面与竖直圆柱的顶部相连接，所述竖直圆柱的底部设置有换热翅片，所述顶板置入导热平板底面的盲孔内，所述弹性罩包含套筒结构、碗杯结构和水平粘合结构，所述碗杯结构的顶端与套筒结构的外侧壁相连接，所述水平粘合结构设置于碗杯结构的底部边缘，所述套筒结构内部设置有中心通孔，所述竖直圆柱穿过套筒结构的中心通孔，所述竖直圆柱的外侧壁与套筒结构中心通孔的内侧壁紧密贴合，所述密封紧固圈设置于套筒结构的外壁将套筒结构与竖直圆柱之间进行密封固定，所述弹性罩碗杯结构能够发生弹性形变，所述金属导热块的顶板上表面与所述导热平板的盲孔孔底之间留有间隙，所述间隙的高度小于所述弹性罩碗杯结构的弹性形变长度；所述金属导热块顶板的对称中心线与竖直圆柱的对称中心线重合，所述金属导热块顶板的对称中心线与所述盲孔的对称中心线重合；所述金属导热块顶板的宽度小于所述盲孔的宽度；所述竖直圆柱的外径不小于套筒结构的中心通孔内径；所述金属导热块顶板的厚度小于所述盲孔的深度。
2.根据权利要求1所述的具有自适应散热结构的相变储热太阳能热水器，其特征在于，当相变储热材料过热时，真空管内产生热气体，随着温度升高真空管内部的气压升高，弹性罩碗杯结构在内部压力作用下发生向外侧的弹性膨胀形变，当真空管内部的气压足够高时，弹性罩碗杯结构的纵向弹性形变长度超过间隙高度，使得金属导热块的顶板上表面与所述导热平板的盲孔孔底发生接触，从而形成从金属导热块顶板向导热平板的热传导通道，所述真空管内的热气体向真空管顶部扩散，在金属导热块竖直圆柱的换热翅片进行冷凝，冷凝产生的热量由自适应导热装置金属导热块传递至导热平板，再从散热片传导至周围环境，从而降低真空管内的气体温度，维持真空管内的压力稳定，实现对相变储热太阳能热水器的过热保护。
3.根据权利要求1所述的具有自适应散热结构的相变储热太阳能热水器，其特征在于，所述金属导热块的材质为铜、铝、铝合金、铜合金中的任一种。
4.根据权利要求1所述的具有自适应散热结构的相变储热太阳能热水器，其特征在于，所述弹性罩采用具有弹性的橡胶材质，该材料的热导率小于1W/m.K。
5.根据权利要求1所述的具有自适应散热结构的相变储热太阳能热水器，其特征在于，所述弹性罩的水平粘合结构与真空管的顶部开口边缘通过粘结实现密封。
6.根据权利要求1所述的具有自适应散热结构的相变储热太阳能热水器，其特征在于，所述散热体由热导率大于20W/m.K的金属、塑料或陶瓷一体成型。
7.根据权利要求1所述的具有自适应散热结构的相变储热太阳能热水器，其特征在于，所述金属导热块顶板上表面的表面粗糙度不大于3.2微米。
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