CN204513816U - 一种孔板型太阳能空气集热器 - Google Patents

Abstract

一种孔板型太阳能空气集热器按采光玻璃窗的建筑标准设计制造成准建筑构件，外壳采用特殊结构设计的新型玻璃钢型材，强度大，安全可靠，使用寿命可达50年，从而实现了与建筑一体化设计安装和使用；产品中采用孔板型吸热板芯结构，空气流动为常压直流下的均匀泄流流态，流动阻力和传热阻力显著减小，故集热效率高；产品中大量采用建筑材料，金属材料耗量少，工艺简捷，设备投入小，适合于模具化和产业化生产；成本低，性价比高；适用于太阳能建筑采暖、降温空调、热发电、供应新鲜空气和热水多功能使用，也适合于各种物品的太阳能烘干/干燥，还可以安装到野外山脉、沙漠沙丘、海岸、岛岸等地用于山体式太阳能热发电和太阳能海水汽化制水、供水及远程调水工程。

Description

一种孔板型太阳能空气集热器

技术领域

本实用新型涉及一种低阻、高效、性价比高、多领域、多功能应用的建筑构件式孔板型太阳能空气集热器产品，属于太阳能热利用技术领域。

背景技术

目前，国内市场中的太阳能集热器产品主要是水(液体)集热器。存在的瓶颈性问题是：1、水集热介质的动力粘度很大，在由多根细金属管或真空玻璃管组成的集排管结构中流动阻力很大，加上传热阻力的影响，导致产品自身的集热效率较低；将该产品连接到包括循环水管在内的安装系统后，流动阻力就更大，消耗的太阳能量更多，因而系统的集热效率就更低；很难满足太阳能建筑采暖、降温空调、热发电、烘干/干燥等太阳能的主体应用的指标要求；2、在水集热器产品中大量使用昂贵的金属材料等非再生资源，加工工艺复杂，很难实现完全的产业化生产，设备投资大，成本高，性价比低；加上输水管道，系统的投资成本更大；3、水集热器和储热水箱形不成符合建筑标准的建筑构件，与建筑的装配常为倾斜一定角度的壁挂式安装，严重违背建筑施工规范，无法与建筑一体化设计安装，直接制约其市场应用；4、水集热器产品和安装系统存在怕冻、结水垢、易腐蚀、易漏水、影响建筑美观和安全等诸多问题；该产品产出的热水就不大理想，再用于建筑采暖效果就更差，更不能用于降温空调和热发电等；5、为了建筑采暖，我国个别厂家生产了一些渗透型和非渗透型空气集热器产品，进行了10年左右的建筑采暖示范工程，因为这些产品的结构不合理，流动阻力大，集热效率低，达不到建筑采暖指标的要求，在系统中配置风机，增大了工程投资成本和运行成本，还有噪音问题，不能用于降温空调，更不能用于发电。

现有市场中的集热器产品和应用系统存在的技术瓶颈一直困扰着太阳能事业的发展。

发明内容

本实用新型提供了一种孔板型太阳能空气集热器产品，按采光玻窗的建筑标准和建筑模数要求设计加工形成标准的建筑构件，适用于建筑一体化安装的太阳能建筑采暖、降温空调、热发电、供应新鲜空气和热水等多功能应用，适用于各种物品的太阳能烘干/干燥等多领域应用，也适用于野外山脉、沙漠沙丘、海岸、岛岸等恶劣环境条件下安装用于太阳能热发电和太阳能海水汽化制水、供水及远程调水工程。

孔板型太阳能空气集热器是由集热器内芯、集热器外壳和集热器插条三个部件所组成。

集热器内芯是由孔板型吸热板芯、自攻螺钉、套管、复合保温背板和复合保温侧板装配而成的一个整体部件。该部件中的孔板型吸热板芯是产品中的核心，由一定数量的薄金属(或非金属)下料板条在模具下冲压成一定形状的叶片，叶片的首尾两端切角≤30°，之后，将所有的叶片均按自下而上的顺序排列、首尾搭接一定长度并在搭接段中间定位冲压出一排冲孔，在 上下两个叶片搭接部分的对应冲孔中间置入垫圈，并在保持上中下三个零件的孔中心对齐重合的条件下进行超声波焊接，从而形成由多个叶片和垫圈组成的阶梯形链接体的孔板型吸热板芯。再后，用不同规格长度的自攻螺钉，自上而下依次穿过吸热板芯上的各排冲孔和不同规格长度的套管，直接拧紧并固定在预先打好小螺孔的复合保温背板上；再将复合保温侧板铅垂向粘接在复合保温背板的侧面，形成一个矩形断面、顶面开口的集热槽：最后，将集热槽内的吸热板芯镀膜，便形成了集热器内芯的部件整体。孔板式吸热板芯中的集热叶片按纵向断面的形状分为直板型、折线型和流线型三种，折线型和流线型叶片表面上沿流线方向上所有各点的切线夹角均≤15°；在孔板式吸热板芯中，相邻两个叶片间因加装垫圈而重叠成的空间间隙构成了吸热板芯的管嘴式孔口，孔口的长度和高度之比为2～5；各集热叶片因套管的依次增高而形成一个倾斜式中空的阶梯，从而使集热器内的空气流动形成上游均匀泄流和下游均匀汇流的流动型态。

集热器外壳是由玻璃钢型材加工成的四个边框、上下插件、超白布纹钢化玻璃板、密封胶条、小角钢和自攻螺钉依次组装而成的整体部件。玻璃钢型材设有上下空腹和插条孔槽，定尺45°切割下料成四个边框，依次在边框的上下空腹中插入直角形的上下插件，套紧后用自攻螺钉拧紧固定，组成长方形的集热器框；在框内装入由超白布纹钢化玻璃板和密封胶条组成的透明盖板，再在边框内侧的小凸台上压入小角钢并用自攻螺钉锁紧，使透明盖板和集热器框、小角钢密封紧固成一体的集热器外壳。

集热器插条是一种断面形状为杠杆结构的扁条形玻璃钢型材，定尺45°切割下料成四个插条零件，当集热器内芯装入集热器外壳内之后，分别将四个集热器插条相应的插入集热器外壳中四个插条孔槽中，通过杠杆作用将集热器内芯压紧并固定封闭在集热器外壳内，从而形成集热器整体。

根据集热器产品在建筑和其它工程中实际安装位置的不同要求，集热器的进风口和出风口开设位置也不同，按空气进出口位置和流速方向的不同，集热器分为直流式、背流式和混流式三种：进出口分别设在集热器外壳底框和顶框的为直流式集热器，进出口分别设在集热器内芯背板底部和顶部的为背流式集热器，进出口分别设在集热器外壳底框和集热器内芯背板顶部的，或者进出口分别设在集热器内芯背板底部和集热器外壳顶框的为混流式集热器。背流式和混流式集热器在背板上设有矩形大孔口的空气进口和出口，在矩形大孔口中安装通风窗；在通风窗上面相应的吸热板芯部分采用导流式集热叶片，装配方法与直流式集热器相同。

有益效果： 

1、叶片采用模具下压型和定位冲孔，以及叶片间加垫圈超声波焊接，所形成的孔板式吸热板芯精度高，工艺简捷，适合于产业化生产，生产效率高，产品的一致性好；2、孔板式吸热板芯中的管嘴式孔口均匀一致，空气流动阻力和传热阻力减小、流量系数大，故集热器产品的集热效率高；3、用多个自攻螺钉将孔板式吸热板芯和复合保温背板紧固，再装配复合保温侧板，装配成的集热器内芯部件整体性好、牢固可靠，便于快速装配成集热器产品，生产率提 高，也便于使用过程中的维修；4、由集热器内芯、集热器外壳和边框插条三个部件装配成整体集热器产品，再性能检测，工艺简捷，总装生产线短；5、集热器外壳的边框采用玻璃钢型材，节省金属材料，彻底解决了热桥/冷桥问题，与建筑颜色匹配容易，而且使用寿命长(可达50年以上)，和铝合金边框相比，有多方面优点；6、将集热器产品按采光玻窗标准和建筑模数生产形成准建筑构件，便于与建筑一体化安装和多功能使用，也适合于野外山脉、沙漠沙丘、海岸等恶劣条件下安装和多领域应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明技术方案。

图1、图2和图3分别是薄金属(或非金属)叶片下料板条的俯视图和A-A、B-B剖面图。

图4、图5、图6、图7和图8分别是加工后叶片的俯视图和A-A、B-B剖面图，其中，图6、图7和图8分别是直板型、折线型和流线型三种叶片纵向断面的B-B剖面图。

图9、图10和图11分别是复合保温背板的俯视图和A-A、B-B剖面图。

图12、图13和图14分别是复合保温侧板的俯视图和B-B、A-A剖面图.。

图15和图16分别是自攻螺钉的俯视图和A-A剖面图。

图17和图18分别是垫圈的俯视图和A-A剖面图。

图19和图20分别是套管的俯视图和A-A剖面图。

图21、图22和图23分别是集热器内芯的俯视图和A-A、B-B剖面图。

图24、图25和图26分别是玻璃板的俯视图和A-A、B-B剖面图。

图27、图28和图29分别是密封胶条的俯视图、正视图和B-B剖面图。

图30、图31和图32分别是集热器内芯的俯视图和A-A、B-B剖面图。

图33、图34和图35分别是集热器外壳中玻璃钢边框的俯视图、正视图和B-B剖面图。

图36、图37和图38分别是上插件的俯视图、正视图和B-B剖面图。

图39、图40和图41分别是下插件的俯视图、正视图和B-B剖面图。

图42、图43和图44分别是小角钢的俯视图、正视图和B-B剖面图。

图45、图46和图47分别是集热器外壳的俯视图和A-A、B-B剖面图。

图48和图49分别是插条的俯视图和B-B剖面图。

图50、图51和图52分别是集热器的总装配示意图、俯视图和B-B剖面图。

图53、图54和图55分别是导流叶片下料板条的俯视图和A-A、B-B剖面图。

图56、图57和图58分别是直板型导流叶片的俯视图和A-A、B-B剖面图。

图59、图60和图61分别是90°弯板型导流叶片的俯视图和A-A、B-B剖面图。

图62、图63和图64分别是复合保温背板的俯视图和B-B、A-A剖面图。

图65、背流式集热器内芯的A-A剖面图。

图66、背流式集热器产品的A-A剖面图。

图67、底框流入、背板顶流出的混流式集热器产品的A-A剖面图。

图68、背板底流入、顶框流出的混流式集热器产品的A-A剖面图。

图中的零部件有：1、叶片下料板条，2、直板型叶片，3、折线型叶片，4、流线型叶片，5、叶片冲孔，6、叶片首部端头小斜面，7、叶片尾部端头小斜面，8、复合保温背板，9、背板小螺孔，10、45°斜面，11、复合保温侧板，12、自攻螺钉，13、垫圈，14、套管，15、孔板式吸热板芯，16、集热器内芯，17、管嘴式孔口，18、管嘴式孔口进口，19、管嘴式孔口出口，20、超白布纹钢化玻璃板，21、密封胶条，22、透明盖板，23、侧框，24、上插件孔，25、下插件孔，26、插条孔槽，27、小凸台，28、边框平面，29、边框螺孔，30、上插件，31、下插件，32、小角钢，33、底框，34、顶框，35、集热器外壳，36、底框进风口，37、顶框出风口，38、插条，39、直流式集热器，40、导流叶片下料板条，41、直板型导流叶片，42、90°弯板型导流叶片，43、背板底部进风口，44、背板顶部出风口，45、背板底部通风窗，46、背板顶部通风窗，47、背流式吸热板芯，48、背流式集热器内芯，49、背流式集热器，50、底框流入、背板顶流出混流式集热器，51、背板底流入、顶框流出混流式集热器。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，将金属(或非金属)薄板定尺剪切成叶片下料板条1，长度l₁、宽度b₁、厚度e₁。如图4、图5、图6、图7和图8所示，将叶片下料板条1在模具下冲压成型，沿长度方向定位冲孔成两排，两端外缘切角并磨光，在不同模具下可以加工成直板型叶片2、折线型叶片3和流线型叶片4三种，三种叶片的长度为l₂、宽度b₂和厚度e₁，两排叶片冲孔5到叶片首部和尾部两个端头外缘6和7的边距均为l₀₁，每排冲孔的首尾两个冲孔到宽度方向两个边缘的距离亦为l₀₁，冲孔直径为d₀，其中，折线型和流线型叶片上任意点的切线方向夹角θ≤15°。以上薄板开卷、定尺下料、模具冲压、定位冲孔、切角磨光各工序均在生产线上完成。

如图9、图10和图11所示，从市场中购买的复合保温背板原料长度L₂、宽度B₂、厚度e₂，在其上表面上，按叶片的冲孔距离，定位布置并冲出多排小螺孔9，孔径小于d₀，沿宽度方向将背板的两个侧面加工成45°斜面10。加工后的成品零件复合保温背板8的表面宽度为B₁。如图12、图13和图14所示，从市场中配套购买的复合保温侧板11的长度L₂、高度H₁、厚度e₂，将侧板的底平面也切成45°斜面。背板和侧板的加工均在生产线上进行。

如图15和图16所示，自攻螺钉12的直径d一定，但长度h不同，形成多种规格。如图17和图18所示，垫圈13为圆形或椭圆形，高度和内径d₀固定。如图19和图20所示，薄壁套管14的内径d₀固定不变，高度不同，有多种规格。三个小零件均从市场购买。

如图21、图22和图23所示，是集热器内芯部件的俯视图和A-A、B-B剖面图，核心件是吸热板芯，由多个叶片组成，制作方法是：在生产线上，在第一个叶片尾部一排冲孔的上面放置并固定第一批垫圈，再将第二个叶片首部的一排冲孔放置在第一排垫圈的上面，使垫圈的内孔和上下两个叶片的冲孔严格对齐，之后，进入超声波焊机内将垫圈和上下叶片牢固焊接成一体，其后，重复上面的工序过程，依次放置固定第二排垫圈、第三个叶片和超声波焊接，直到一台集热器产品所需的叶片全部焊接完成而形成一个组合链式的孔板型吸热板芯15整体；再后，用自攻螺钉穿过吸热板芯上的冲孔和相应的套管直接拧紧并固定在背板的小螺孔上；再将复合保温侧板粘结中间层和焊接外表层，固定在复合保温背板的斜面上，形成一个上开口的矩形断面槽的组合体；最后，将该组合体进入镀膜生产线进行叶片的镀膜，镀膜后的叶片称为集热叶片，镀膜后的组合体称为集热器内芯16，集热器内芯的外轮廓长度L₂、宽度B₂、高度H₁，集热器内芯中间的吸热板芯长度L₁、宽度B₁，高度从进口到出口依次增大到h₁，呈阶梯状，相邻两个集热叶片之间因垫圈的厚度而形成的空间称为管嘴式孔口17，管嘴式孔口进口18到管嘴式孔口出口19之间的长度是孔口高度的2～5倍。

如图24、图25和图26所示，是太阳能超白布纹钢化玻璃板20的俯视图和A-A、B-B两个剖面图。长度L₃、宽度B₃、厚度e₃。如图27、图28和图29所示的密封胶条21，断面为n形，内槽的厚度为e₃。如图30、图31和图32所示的透明盖板22，是将超白布纹钢化玻璃板的四边嵌入密封胶条的密封槽内并粘接固定的一个部件，长度L₄、宽度B₄、厚度h₄，中间透光部分的长度L₁、宽度B₁。如图33、图34和图35所示，是玻璃钢型材的边框亦称之为侧框23的俯视图、正视图和B-B剖面图，宽度b₀、高度H，侧框的中间为边框平面28，其上下两个部分中的空腹分别是上插件孔24和下插件孔25，下插件内孔的下面还设有开口朝向内侧的插条孔槽26，中间平面内侧的上面有一个小凸台27，上下插件孔的内侧预先打出边框螺孔29。图36、图37和图38分别是上插件30的俯视图、正视图和B-B剖面图，宽度b₅、长度l₅、厚度h₅。图39、图40和图41分别是下插件31的俯视图、正视图和B-B剖面图，宽度b₆、长度l₆、厚度h₆。图42、图43和图44分别是不等边小角钢32的俯视图、正视图和B-B剖面图，宽边的宽度b₇、窄边高度h₇。图45、图46和图47分别是集热器外壳35的俯视图和A-A、B-B剖面图，由集热器边框、透明盖板、小角钢和自攻螺钉装配而成，先将玻璃钢型材按集热器尺寸要求下料，45°切成四个边框，四个边框分别为底框33、顶框34，和两个侧框23，分别在两个侧框的上下插件孔内装入上下插件，在上下插件的另一端分别套入顶边框和底边框，套紧后的四对45°切面对齐，自攻螺钉拧紧，形成四个边框装配的集热器框，装入透明盖板、压入小角钢，再用自攻螺钉锁紧透明盖板形成集热器外壳，长度L、宽度B和高度H，将集热器底框和顶框中两个边框平面的中间部分切割出面积尺寸相同的通风孔口，分别形成如图中箭号所示的集热器底框进风口36和顶框出风口37，进出风口的宽度为B₁，高度为H₀。

图48和图49分别是集热器插条38的俯视图和B-B剖面图，插条的宽度b₈、厚度e₈，45°角切割成四个插条零件。

图50、图51和图52分别是直流式集热器产品39的装配示意图、俯视图和B-B剖面图，装配方法是先将集热器内芯装入集热器外壳内，压紧并将四个插条插入插条孔槽内，便形成了牢固可靠的集热器产品整体，长度L、宽度B和高度H，因为从集热器进口、经集热器内腔到集热器出口的空气流动方向不变，故称为直流式集热器。

图53、图54和图55分别是导流叶片下料板条40的俯视图和A-A、B-B剖面图，长度l₉、宽度B₁、厚度e₁。图56、图57和图58分别是直板型导流叶片41的俯视图和A-A、B-B剖面图，长度l₉、宽度B₁、厚度e₁。图59、图60和图61分别是90°弯板型导流叶片42的俯视图和A-A、B-B剖面图，长度l₁₀、宽度B₁、厚度e₁。

图62、图63和图64分别是在背流式集热器中使用的复合保温背板的俯视图和B-B、A-A剖面图，长L₂、宽B₂、厚e₂，与直流式集热器中的背板不同点是：四个边均切成45°斜面，上表面长L₁、宽B₁，沿长度方向在背板的底部和顶部各开设一个矩形的背板底部进风口43和背板顶部出风口44，同时在两个通风孔口内安装背板底部通风窗45和背板顶部通风窗46。另外，沿背板的四个边的45°斜面上装配尺寸相对应的四个复合保温侧板，其加工方法与图12、图13和图14完全相同。

图65所示的是背流式集热器内芯48的A-A剖面图，由背流式吸热板芯47、安装通风窗的复合保温背板、复合保温侧板和自攻螺钉共同装配而成，其中，背流式吸热板芯是在直流式吸热板芯的基础上，前端加装直板型和弯板型导流叶片，位置在背板底部通风窗的正上方，作用是将进风流速90°平顺拐弯，减小流动阻力，同时集收太阳辐射，后端加装了一个直板型导流叶片，前后两端的两个直流式导流叶片的首部和尾部均置于复合保温侧板的顶面，以便于在背流式集热器产品总装配时压紧牢靠固定，背流式吸热板芯和背流式集热器内芯的结构和装配方法与直流式基本相同。

图66所示的是背流式集热器49的A-A剖面图，背流式集热器是由背流式集热器内芯、集热器外壳和插条共同装配而成的，装配方法与直流式集热器基本相同。

图67所示的是底框进口、背板顶部出口的混流式集热器50的A-A剖面图，产品顶部的装配方法与背流式集热器相同，其它部分的装配方法与直流式集热器相同。

图68所示的是背板底部进口、顶框出口的混流式集热器51的A-A剖面图，产品底部的装配方法与背流式集热器相同，其它部分的装配方法与直流式集热器相同。

Claims (6)

1.一种孔板型太阳能空气集热器，所述的孔板型太阳能空气集热器产品是由集热器内芯、集热器外壳和集热器插条三个部件所组成，其特征是：

集热器内芯是由孔板型吸热板芯、自攻螺钉、套管、复合保温背板和复合保温侧板装配组成的：

孔板型吸热板芯是由一定数量冲压成型的叶片、按自下而上的排列顺序、首尾搭接一定长度、在搭接段中间定位冲压一排冲孔、在上下冲孔之间置入垫圈、保持上中下三孔的中心重合焊接成一体，形成阶梯形链接体的孔板型吸热板芯；

用不同规格长度的自攻螺钉，自上而下依次穿过吸热板芯上的各排冲孔和不同规格长度的套管，直接拧紧并固定在预先打好小螺孔的复合保温背板上，再将复合保温侧板铅垂向粘接在复合保温背板的侧面形成一个矩形断面、顶面开口的集热槽体，将集热槽内的吸热板芯镀膜，便形成了集热器内芯的部件整体；

集热器外壳是由玻璃钢型材加工成的四个边框、上下内插件、超白布纹钢化玻璃板、密封胶条、小角钢和自攻螺钉依次组装而成的部件；

设有上下空腹和插条孔槽的玻璃钢型材定尺45°切割下料成四个边框，依次在边框的上下空腹中插入直角形的上下插件，套紧后用自攻螺钉拧紧固定，组成长方形的集热器框，在框内装入由超白布纹钢化玻璃板和密封胶条组成的透明盖板，再在边框内侧的小凸台上压入小角钢并用自攻螺钉锁紧，使透明盖板和集热器框、小角钢密封紧固成一体的集热器外壳；

集热器插条是一种扁条形的玻璃钢型材，定尺45°切割下料成四个插条零件，当集热器内芯装入集热器外壳内之后，分别将四个集热器插条相应的插入集热器外壳中四个插条孔槽中，使集热器内芯压紧固定而形成集热器整体；

根据空气进出口位置和流速方向的不同，集热器分为直流式、背流式和混流式三种，进出口分别设在集热器外壳底框和顶框的为直流式，进出口分别设在集热器内芯背板底部和顶部的为背流式，进出口分别设在集热器外壳底框和集热器内芯背板顶部的，或者进出口分别设在集热器内芯背板底部和集热器外壳顶框的为混流式，背流式和混流式集热器在背板上设置的空气进口或出口中装配通风窗，通风窗上面相应的吸热板芯部分采用导流式集热叶片。

2.根据权利要求1所述的一种孔板型太阳能空气集热器，其特征是：吸热板芯中的叶片是采用金属或非金属薄板经过剪切下料、模具压型、首部尾部冲孔而形成的集热叶片，沿长度方向叶片的断面形状有直板型、折线型和流线型三种，折线型和流线型叶片上沿流线方向上所有点的切线间夹角θ≤15°，叶片首尾两端切削的角度≤30°。

3.根据权利要求1所述的一种孔板型太阳能空气集热器，其特征是：吸热板芯的结构组成方法是在前一个叶片尾部的一排冲孔和垫圈的中孔以及后一个叶片首部的一排冲孔自下而上的对应叠加并保持三孔同心焊接成一体的阶梯形链接体，因为垫圈的厚度使上下两个叶片相互搭接段之间形成了一个空间，该空间构成了集热过程中空气流通的孔板型管嘴式孔口出流， 该孔口的长度和孔口高度之比为2～5。

4.根据权利要求1所述的一种孔板型太阳能空气集热器，其特征是：集热器内芯由吸热板芯、套管、自攻螺钉、复合保温背板和复合保温侧板依次装配并镀膜后，形成一个矩形断面、顶面开口的集热槽；槽中吸热板芯的各集热叶片因套管的依次增高而形成一个倾斜式中空的阶梯，从而使其中的空气流动形成上游均匀泄流和下游均匀汇流的流动型态。

5.根据权利要求1所述的一种孔板型太阳能空气集热器，其特征是：集热器外壳中边框内侧底部设有插条孔槽，插条断面形状为杠杆结构的扁条，当插条的头部插入插条孔槽后，集热器内芯便紧固在集热器外壳内，从而装配成牢靠封闭紧固的集热器整体。

6.根据权利要求1所述的一种孔板型太阳能空气集热器，其特征是：根据空气进出口位置和流速方向的不同，集热器分为直流式、背流式和混流式三种。