专利名称：高体表面比的吸收器宏观微结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种辐射能吸收器的表面结构。
背景技术：
传统太阳能热水器的集热器，从最初的闷晒箱式到当前的真空玻管式，吸收器总体框架都是平板。虽曾出现过曲面箱体和加有凹凸、蜂窝、波纹或翅片等处理的吸收器设计。但都是针对阳光在做文章，效果也不甚明显。
发明内容本人设计的《全天候集热装置》ZL 02201579.5提出了对太阳(可见光)及环境(不可见光)两种辐射源利用率的问题。
因为阳光投射的方位角(时角)和俯仰角(高度角)均随时刻、季节、纬度不断地变化，所以吸收面积与入射角(投射方向与吸收面法线的夹角)相关，当入射角为90°时，实际吸收面积为零。因此，吸收面不跟踪太阳，必然效率不高。根据运动的相对原理，跟踪并非一定要吸收面主动，静止的纵轴旋转面已能“以静制动”保证经向一致，旋转面若为球形，进而排除了纬向的差异。即无论太阳以任何时角和高度角照射，迎光面恒为半球面。从而可由简单结构，实现最大程度地全方位。不过，光滑的球面虽然表面积大于球体的投影(正截面)面积，投射辐射的采集效率并不一定比面积等于投影面积的平板高。这是因为，视阳光为平行光(太阳立体角为32′)，球面上除了顶点O之外，任何一点(例如O′点)处，都因反射而有损失，为图1中的Ef1。众所周知，采集面积越大，吸收的辐射能越多。然而，一味增大平面或立体结构的表面积，终会受到使用环境和造价的制约。
综合考虑反射损失和扩大有效吸收面积，最合理的办法是粗糙其表面。例如喷砂、拉毛、打孔、开槽、加翅板。因为这种粗糙对于微观足够大，对于结构整体足够小，故称之为宏观微结构。
以上所述是就投射辐射的探讨，针对自然辐射能的“地球—大气系统”的环境而言，球形吸收器不仅迎光面对可见光和不可见光吸收，而且投射辐射的球面阴影区，依然是漫射能量的吸收面，白昼对投射辐射予以增强，黑夜则是赖以支持运行的重要部分。
基于此意图，设计出一种高体表面比的吸收器宏观微结构，其特征是宏观微结构由若干个单元拼装组成。
所述的高体表面比的吸收器宏观微结构，其特征是每个单元由若干个金属材质(以保证径向导热率)的联体子单元构成，其底面和顶面的曲率与集热器球面曲率一致，底面和顶面的球心角相等(以保证拼接界面吻合)。
所述的高体表面比的吸收器宏观微结构，其特征是；联体子单元上有规律地分布一定数量的柱形盲孔微元，其柱面均相互平行。
所述的高体表面比的吸收器宏观微结构，其特征是联体子单元的所有微元的表面均匀粗化、钝化发黑。
所述的高体表面比的吸收器宏观微结构，其特征是联体子单元相互焊或粘接成完整的壳体。
其旨在有效吸收面积的提高。由于表面粗糙带来表面增大(称为附加面积)，吸收器对于漫射大扩展源的能量，吸收器粗糙表面上无论是法线还是切线方向的任一个微元总有对应其法向投射的辐射源，于是，对于空间存在的漫射源的有效吸收面积便剧增为整个微结构表面积之总和。对于投射辐射(主要是太阳)，微元的侧立面将反射投向相邻或对面的侧立面，而不是投向球面以外，如图2中的Ef2，形成多次反射，多次吸收。其结果使截获面不再是立体结构迎光面的投影面积，而是表面积与附加面积之和，故宏观微结构对增大投射辐射的有效吸收也有积极贡献。
从而可得出结论本设计的采集面的形状实现了对全方位辐射(投射和漫射)的自跟踪；宏观微结构则成倍地提高了全谱辐射(可见光和不可见光)的有效吸收面积。
图1-光滑球面的反射；图2-粗糙球面的反射；图3-正三角形微元连续示意图；图4-正方形微元连续示意图；图5-正六边形微元连续示意图；图6-圆微元连续示意图；图7-实例宏观微结构分布正视示意图；图8-实例宏观微结构分布背视示意图；图9-正六边形单元示意图10-正五边形单元示意图。
图11-联体子单元顶视示意图。
图符数码1～12正五边形单元序号；数码①～ 正六边形单元序号；a-边长R-外接圆半径；F-法线方向；Er-投射辐射强度；11-球面；21-盲孔底面；Ef1、Ef2-分别为球面和盲孔侧面的反射辐射；51-正六边形单元； 52-正六边形联体子单元；53-正五边形单元； 54-正五边形联体予单元；6-等腰三角形联体子单元；61-微元。
具体实施方式
数学推导出相同外接圆的多边形(即微元类型，见图3～图6)的周长不同，因此，相同深度的盲孔的立向附加表面积也就不同，见附表。从附表看出三角形微元结构最理想，其盲孔边围附加的面积达到原球表面积的八倍以上，正方形也只增大五倍，其它形状均不超过四倍。
球形吸收器壳体的所有微元61的边围立面(或形心轴)理想的方向应该是与吸收器球面的法线F一致，作成整体结构是不可能的。故采取组拼模式，将微结构层分割为若干片，以形心轴局部平行保证脱模工艺，整体放射以求全方位仿真。经理论推导微结构球形整体可由12个正五边形单元53和20个正六边形单元51组成，如图7、图8。
为最大限度地提高微元形心轴全球放射状仿真度，正多边形单元再分割为若干等腰三角形联体子单元6。正六边形单元51由6个等腰三角形联体子单元52构成，如图9；正五边形单元53，则采取5个等腰三角形联体子单元54构成，如图10。为保证正五边形与正六边形的衔接，两种联体子单元的腰虽然不等长(r1≠r2)，底却必须相等(均为a)。
为进一步提高体表面比，等腰三角形联体子单元6再划分出若干个小等腰三角形微元61，微元61数越多，体表面比也就越大。限于加工难度，三角形联体子单元6的底边折中确定为6个微元61，高度方向划为6层，每个三角形联体子单元6包含36个微元61，见图11。整个微结构层共有微元(6×20+5×12)×36＝6480个。
正五边形和正六边形的等腰三角形联体子单元的几何参量可以由下列联立方程组逐一求出。
注意，前面所述的正多边形及等腰三角形均不是平面几何形体，而全部是立体球形曲面。下列公式中的α(＝ω＝γ)、β、δ、ε、θ分别为各相关多边形的边、腰之弧线所对应的球心角。
[附表] 单位面积50×50(mm2)盲孔深度10(mm)
权利要求1.一种高体表面比的吸收器宏观微结构，其特征是宏观微结构由若干个单元拼装组成。
2.根据权利要求1所述的高体表面比的吸收器宏观微结构，其特征是每个单元由若干个金属材质联体子单元构成，其底面和顶面的曲率与集热器球面曲率一致，底面和顶面的球心角相等。
3.根据权利要求1所述的高体表面比的吸收器宏观微结构，其特征是联体子单元上有规律地分布一定数量的柱形盲孔微元，其柱面均相互平行。
4.根据权利要求1所述的高体表面比的吸收器宏观微结构，其特征是联体子单元的所有盲孔微元的表面均匀粗化、钝化发黑。
5.根据权利要求1所述的高体表面比的吸收器宏观微结构，其特征是联体子单元相互焊或粘接成完整的壳体。
专利摘要本实用新型是一种高体表面比的吸收器宏观微结构。采取组拼模式，形成球形吸收器壳体，将其分割为若干片，以微元形心轴局部平行保证脱模工艺，整体放射“以静制动”获得全方位仿真。对于漫射大扩展源的能量，无论是法线还是切线方向的任一个微元总有对应其法向投射的辐射源；无论太阳以任何时角和高度角照射，迎光面恒为半球面；特别是微元的立面的将反射投向相邻或对面的侧立面，而不是投向球面以外，结果使截获面不再是迎光面的投影面积，故对增大投射辐射的有效吸收也有积极贡献。
文档编号F24J2/48GK2643248SQ0326558
公开日2004年9月22日 申请日期2003年6月10日 优先权日2003年6月10日
发明者徐卫河 申请人:徐卫河