专利名称：太阳能“翅片式热管”的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能“热管”，特别是一种能明显提高太阳辐射能量利用率的翅 片式热管，属于太阳能运用领域。
背景技术：
现有技术的太阳能“水铜热管”集热管实际是一“热管式的光热转化系统”。其结 构主要包括水铜热管，塑料盖和层间涂有金属吸热涂层的双层“真空玻璃”集热管，所述热 管由直径Φ8 Φ 10mm、长度1500 2000mm的集热段和直径Φ 20mm、长度50 IOOm的 冷凝段构成(附图幻，所述塑料盖中心设有热管可穿过的孔，所述水铜热管的集热段穿过 塑料盖盖装在“真空玻璃”集热管内。所述水铜热管的冷凝段插入装有橡胶密封圈的水箱 内胆的安装孔中，或集中供热系统的加热联箱中，插入段用于对储水加热。热管式集热管由 于不会像“真空玻璃”集热管那样存在冬、夏季易爆管和管内留存热水造成能量浪费，受到 人们关注。由于，“真空玻璃”集热管内金属涂层吸收的能量需通过内层玻壳传递到管内，增 加了玻壳热阻，再通过管内空间的空气以低效的自然对流方式对水铜热管的集热段加热， 虽现技术有在玻璃管内与热管间增加一金属导热圈，分别与热管外圆和玻壳内圆相配合， 而导热圈与玻壳和热管间的圆度、同心度、直线性及加之公差要求，造成不能相互贴合紧 密，仍需靠空气传热，使传热速率大大降低，与太阳能“真空玻璃”集热管直接对水的热交换 方式比，传热速率相差巨大，是导致其热效低于“真空玻璃管”的主要原因之一。使之水铜 热管只是作为一个中间传热工具，而不是直接用于对太阳辐射能量的收集，大幅度降低了 热管的效能。现有“真空玻璃”集热管的辐射吸收比α最大可达92%，基本已达极限值。因其 内层管外圆表面金属吸热涂层厚度受到金属喷涂工艺的限制，就如同电镀层厚存在的工艺 问题一样，层厚一大就会起皮脱落，所以现金属吸热涂层目视都可看见明显透光现象却无 法解决弥补，故要将α值进一步提升的可能性已不大。由于在太阳能集中供热系统中的管道和联箱内的热水无法排出使用，也不能用冷 水替换出来使用，否则易造成冬季冻管。因联箱留存水量造成的能量损耗是不可避免的，故 需尽可能减小联箱的容积，即减小联箱的截面尺寸，此使水铜热管的冷凝段长度受到限制。 虽通过加大热管冷凝段的直径增加了与储水的热交换面积，但只有(0. 003 0. 006m2)的 热交换面积明显不足，使热管内的能量不能及时传出，热管冷凝面与储水间的温度梯度抬 高，热效率降低。有厂商宣称其太阳能水铜热管工作时的内部蒸气温度达150°C，并作为宣 传卖点，也说明了冷凝面积的不足。经计算金属吸热涂层温度150°C时太阳辐射能量对副 照面的传递速率将降低30%，且高温下的金属吸热涂层的热辐射扩散损失也将大大增加， 而冷凝表面温度越高则越易结垢，影响了热管的可靠度。现有家用太阳能热水器的热效率并不高，“真空玻璃”集热管的能效新标准为 彡38. 24%, Φ 58mm管的管间距为80mm，吸热涂层投影面积利用率为64. 459%，外管玻壳的透射比τ为93%，吸热涂层的辐射吸收比α为92%，基本都达到极限值，则理论可达的最 大集热能效为阳.15% (64. 459% X93% X92% )，市场抽检为45%左右，说明系统其它因 素造成的能量损耗为10%左右，尚没有扣除集热管内包含的无法排出使用的留存热水所占 有的能量(按标准设计的太阳能集中供热系统，100平米的辐照面积配7吨左右供热 水箱，但100平米的集热管中的热水存量则达2. 4吨，留存热水所占有的能量达25% )，各 生产商基本都一样，如以热效率为46. 5%系统其它因素造成的能量损耗8. 5%计，则实际 能效仅达55. 15% X (1-0. 24)-8. 5%= 33. 41%0由于热管的“等温效应”使之具有对低密度能量收集能力强热传递速率高的优势， 且无管内留存能量之弊端，特别适合运用于太阳能领域，但因现有太阳能“水铜热管”的众 多技术不足，导致实际热效反低于“真空玻璃”集热管式的太阳能热水器。因现有太阳能热 水器的热效率都较低，又因屋顶的面积是有限的，导致集中供热系统可提供的用户减少，冬 季供热水不足，阳台挂壁式热水器冬季则依靠电加热，而国家出台的楼高12层以下必需安 装太阳能热水器的规定，也只能在部分地区强制性实施。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述太阳能“水铜热管”的不足之处，设计一种能大幅度 提高“热管”的效能，特别是冬季热效高，可提供高温高压的热水或蒸气，适合各地区安装使 用，且结构合理，工艺简单，易于大批量生产的高可靠度的太阳能“翅片式热管”。本发明的太阳能“翅片式热管”，其结构主要包括与热管轴向中心对称的弧形风 帆构成的风帆型翅片式热管、单层透明保温管、橡胶密封圈、抽排气管、锁母、冷凝翅片、冷 凝铜管、双密封盖、反光膜片，所述冷凝铜管和抽排气管在注塑双密封盖时镶嵌在双密封盖 上，所述冷凝翅片安装在冷凝铜管上，所述双密封盖上镶嵌的冷凝铜管安装在风帆型翅片 式热管的冷凝段上，所述橡胶密封圈安装在双密封盖上的封气上，所述装有橡胶密封圈的 封气盖将热管的集热段封装在单层透明保温管内，用抽排气管抽真空，所述反光膜片粘贴 在透明保温管的背光面的外表面上。所述单层透明保温管外形截面结构选用圆形，或选用在圆形两边外侧设置平张 角，所述单层透明保温管或选用双层透明真空玻璃保温管，所述单层透明保温管选用塑料 Pc或PMMO合金、或选用玻璃加工。所述双密封盖上的冷凝铜管与热管的冷凝段选用压配合方式套接安装，或选用双 密封盖上的冷凝铜管与热管集热段管壳端部以对接方式焊接安装，所述选用对接方式焊接 安装的冷凝铜管和集热段管壳内安装有覆网吸液芯。所述风帆型翅片式热管的翅片结构选用双面风帆型翅片或单面风帆型翅片，所述 风帆型翅片式热管的各处仰光面和风帆的外侧仰光面上均设有与翅片为一体的轴向锯齿 形吸热槽道，所述翅片的仰光面上选用喷砂或选用化学腐蚀处理加工成亚光面，所述亚光 面选用电化处理成深色表面。所述风帆型翅片式热管选用热管与翅片为一体的整体式结构、或选用翅片与热管 为独立构件的分体组合式结构，所述整体式结构选用铝材并灌装氨加工成风帆型翅片式氨 铝热管、所述分体组合式结构的选用铝加工成风帆型翅片式氨铝热管或选用铜材并灌装水加工成风帆型翅片式水铜热管，所述风帆型翅片式热管的传热介质或选用氟利昂。所述热管与翅片的组合选用套装翅片套装在热管的圆柱面上，或选用热管置于焊 接翅片与夹紧条之间夹紧焊接固定，或选用焊接翅片直接焊接在热管上，所述套装翅片上 设有圆形安装孔，所述圆形安装孔选用整圆孔或选用开有缺口的未闭合圆孔。所述夹紧焊 接固定结构设有夹紧条，所述夹紧条与焊接翅片焊接连接，热管置于焊接翅片与夹紧条之 间夹紧固定。所述翅片式氨铝热管内设有与氨铝热管为一体的纵向槽道式吸液芯，并在槽道上 覆盖单层卷制细丝网，水铜热管内设有另加装的覆网吸液芯，所述选用分体组合式结构的 风帆型翅片选用铝制造，亦可选用铜制造。所述双密封盖上封水柱体的柱面将用于与水箱内胆安装孔的密封安装，所述封水 柱体的柱面选用圆锥形或圆柱形结构，所述圆锥形锥面安装在水箱内胆接口的圆锥形孔 中，并用锁母旋紧固定，所述圆柱形柱面安装在装有橡胶密封圈的内胆安装孔中。本发明的“翅片式热管”，由于，采用了直接由热管翅片作为太阳辐照面的集热方 案，取消了多余低效的中间传热环节，提高了热传递速率，改变了现有技术的热管只是作为 一个中间传热工具的状态，使热管对低密度能量收集和传递能力强的优势得以充分发挥， 使翅片式热管收集的辐射能量直接传递到储水中，热管的“等温效应”得到利用，故能明显 降低翅片与储水间的温度梯度，大幅度提高了热效。由于，采用风帆型的翅片结构，在太阳照射前管产生的背影结束对后管遮挡时开 始，翅片集热面均获得太阳的正投影辐射，从而保证了正投影面积最大化。由于，在迎光面 上设有锯齿形吸热槽道，使投射到槽道一面上的辐射能量在部分被反射到另一面时在该面 被吸收，即使材质表面的辐射吸收α比仅达80%，余20%经另一面二次吸收后的总吸收比 α值仍高达96%，且铝制翅片表面易于经亚光发黑处理成所谓黑体表面，理论上黑体表面 的α值可达1，所以经该处理后的铝制翅片的吸收比α将进一步提高。由于，铝制热管可通过挤压拉升加工获得整体式结构，使得能大幅度提高对太阳 辐照能量吸收能力的轴向锯齿形吸热槽道、风帆型翅片及轴向槽道，在热管上获得运用，此 不仅大大提高了集热效能，且因铜与铝的比重相差3. 3倍，铜管的单位重量成本与带有轴 向槽道结构的铝制热管壳体比相差2. 9倍，仅材料成本将相差9. 6倍，尚未将铜管内需加装 的铜丝网吸液芯的材料和工本费用计入。故具有工艺简单、成本降低，适合大批量生产使用 之特点。由于，氨铝热管的传热介质氨的工作温度区间为-73°C 77°C，最佳工况温度在 2°C左右，具有冬季低温热效能高之特点，因无“真空玻璃”集热管内留存热水占的能量 损失，相比等于提高实际热效率13. 26%。由于，采用了反光膜片，不仅增大了有效集热面 积，且使翅片式热管背光面的热辐射扩散被反射回去，减少了辐射热扩散损失。由于，可采 用较小的联箱孔间距，以及风帆、反射等技术，可使有效集热面积利用率由“真空玻璃”集热 管的64. 5%提高到85. 6%;由于对太阳辐射的吸收比α可达96%，如玻管的透射比τ和 其它热损耗仍以现有技术的93%和8. 5%计算，则理论可达的最大热效率为75. 5%，其尚 未将其它提高热效率的相关技术措施所得计入；而实际可达的热效率为67%，相比现有技 术“真空玻璃”集热管33. 5%的实际集热效率，提高了 1倍，比现有技术的“水铜热管”集热 管提高的集熱效率则更大。
太阳能“翅片式热管”上所使用的各项技术措施都能明显提高相应的效能，产生 明显的技术效果，只需投入较少费用，就可获得实际集热能效67%的效果，相比太阳能“真 空玻璃”集热管实际集热能效的33. 5%，提高了 100%，满足了阳台挂壁式热水器冬季水温 应达45°C以上的需求，具有结构设计合理，工艺简单，成本低，安装使用方便，易于大批量 生产，且热扩散损失小，传热速率快，集热效率高，特别是冬季集热性能优良，适合各地区使 用，并可提供高温高压热水或蒸气，用于工业需要或发电，等优点。
附图1是本发明的实施例中的一种结构示意图；附图2是本发明的几种翅片截面结构示意图；附图3是本发明的翅片、热管、吸液芯的截面结构示意图；附图4是本发明的对接方式焊接安装的一种结构示意图；附图5是本发明的辐照投影面积示意图。附图1中1是风帆型翅片式热管，IA是风帆型翅片，2是单层透明保温管，3是橡 胶密封圈，4是密封盖的封气端，5是抽排气管，6锁母、7A园锥形柱面，7是密封盖的封水端， 8是冷凝翅片，9是冷凝铜管，10是热管的冷凝段，11是密封盖，12是热管的集热段，13是覆 网吸液芯，14是反光膜片，A是太阳能“风帆型翅片式热管”集热管的中心线，中心线左侧是 半剖视图。附图2中15是与轴向中心对称的弧形风帆构成的风帆型翅片，16是双面风帆型 翅片，17是单面弧形风帆型翅片，18是仰光面，19是轴向锯齿形槽道局部齿形放大图。附图3中13A是覆网，20是整体式结构的风帆型翅片式氨铝热管，21是与热管壳 体为一体的轴向槽道，22是粗丝网，23是套装翅片，24焊接是翅片，25是水铜热管，26是氨 铝热管，27是夹紧条二8是焊接缝，A是中心线，中心线左侧半侧是夹紧焊接固定结构，中心 线右侧半侧是直接焊接结构。附图4中左图是整体式结构的翅片式氨铝热管20，其中10是热管的冷凝段，12 是热管的集热段，21是与热管壳体为一体的轴向槽道；右图2是保温管，3是橡胶密封圈，4 是双密封盖的封气盖，5是抽排气管，7是双密封盖的封水柱体，7B封水柱体的圆柱形柱面， 9是冷凝铜管，11是双密封盖，12是热管的集热段，22是粗丝网，25是水铜热管，观是焊接 缝，29集热段管壳端部，A是中心线，中心线左侧是半剖视图。附图5中45°和48°均是太阳高度角，14是反光膜片，31是折光张角，45° g是 翅片的最大风帆长度夹角，hi是两管的反光膜间的距离，h2是两翅片间的距离，h3是两管 间的中心距。
具体实施例方式参见附图1，本发明的太阳能“翅片式热管”，其结构主要包括与轴向中心对称的弧 形风帆15 (附图幻构成的风帆型翅片式热管1、单层透明保温管2、橡胶密封圈3、抽排气管 5、锁母6、冷凝翅片8、冷凝铜管9、双密封盖11、反光膜片14，所述冷凝铜管9和抽排气管5 在注塑双密封盖11时即镶嵌到双密封盖11上，所述冷凝翅片8选用套装压配合方式安装 在双密封盖11上镶嵌的冷凝铜管9上，所述双密封盖11上镶嵌的冷凝铜管9安装在风帆型翅片式热管1的冷凝段10上，所述橡胶密封圈3安装在双密封盖11上的封气盖4上，所 述装有橡胶密封圈3的封气盖4(选用附图1或选用附图4结构)将热管的集热段12封装 在单层透明保温管2内，用双密封盖11上的抽排气管5抽真空，所述反光膜片14粘贴在单 层透明保温管2的背光面的外表面上。所述单层透明保温管2外形截面结构选用圆形(附图1)，或选用在圆形两边外侧 设置平张角31 (附图幻，所述单层透明保温管2或选用双层透明真空玻璃保温管，所述单层 透明保温管2选用塑料Pc或PMMO合金、或选用玻璃加工。所述单层透明保温管2的截面结构选用圆形(附图1)或选用带有折光张角型 31 (附图幻，所述单层透明保温管2选用塑料Pc或PS合金或PMMA合金、或选用玻璃加工， 所述反光膜片14选用镜面铝膜片或镜面pet (涤纶)膜片。所述双密封盖上的冷凝铜管9与热管的冷凝段10选用压配合方式套接安装(附 图1)，或选用(参见附图4)双密封盖上的冷凝铜管9与热管集热段12管壳端部四以对接 方式焊接安装，所述选用对接方式焊接安装的冷凝铜管内安装有覆网吸液芯30。参见附图2，所述风帆型翅片式热管1的翅片结构选用双面风帆型翅片16或单面 风帆型翅片17，所述风帆型翅片式热管1的各处仰光面18和风帆的外侧仰光面18上均设 有轴向锯齿形吸热槽道19。所述翅片的仰光面18上选用喷砂或选用化学腐蚀处理加工成 亚光面，所述翅片的仰光面上选用先喷砂再做化学腐蚀处理加工成亚光面(因喷砂处理的 凹点表面是光滑面)则亚光效果更好，所述亚光面选用电化处理成深色表面，最终形成所 谓黑体表面结构。参见附图3，所述风帆型翅片式热管1选用热管与翅片为一体的整体式结构20、或 选用翅片23/M与热管25/ 为独立构件的分体组合式结构，所述整体式结构20选用铝材 灌装氨加工成风帆型翅片式氨铝热管、所述分体组合式结构选用铝加工成风帆型翅片式氨 铝热管沈或选用铜材灌装水加工成风帆型翅片式水铜热管25，所述风帆型翅片式热管1的 传热介质或选用氟利昂。所述分体组合式结构的热管25或沈与翅片23或M的安装选用套装翅片23套 装在热管25或热管沈的圆柱面上，或选用热管25或热管沈置于焊接翅片M与夹紧条27 之间夹紧焊接固定，或选用焊接翅片M直接焊接在热管25或沈上，所述套装翅片23上设 有圆形安装孔，所述圆形安装孔选用整圆孔或选用开有缺口的未闭合圆孔。所述夹紧焊接 固定结构设有夹紧条27，所述夹紧条27与焊接翅片M焊接连接，热管25或沈置于焊接翅 片M与夹紧条27之间夹紧固定。所述风帆型翅片式氨铝热管20或沈内设有与氨铝热管为一体的轴向槽道21，并 在槽道21上覆盖单层卷制细丝网，水铜热管25内设有另加装的覆网吸液芯，所述选用分体 组合式结构的风帆型翅片23或M选用铝制造，亦可选用铜制造。所述风帆型翅片式氨铝热管20的翅片、纵向锯齿形吸热槽道19、管壳及轴向槽道 21选用铝挤压拉制成型为一体的整体式结构20。所述单层透明保温管2内选用安装双面风帆型翅片16时，单层透明保温管2的背 光面的外表面上亦可不用粘贴反光膜片14，所述透明保温管2选用双层透明真空玻璃保温 管时亦可不用抽真空封装。所述套装翅片23与热管25或热管26的安装，选用套装翅片23选用滑动配合套装在热管25或沈的圆柱面上，再通过模具在压机上挤压收小套装翅片23的配合缺口，缩 紧套装翅片23与热管25或沈相配的管径；套装翅片23的安装孔亦可选用不开缺口的整 圆孔，选用滑动配合套装在热管25或沈的圆柱面上，同样选用模具缩圆工艺，使内外园结 合面获得良好的贴合，开缺口结构可允许较小的装配间隙。所述双密封盖上封水柱体7的柱面将用于与水箱内胆安装孔的密封安装，所述封 水柱体7的柱面选用圆锥形7A或圆柱形7B结构，所述圆锥形锥面7A安装在水箱内胆接口 的圆锥形孔中，并用锁母6旋紧固定(附图1)，所述圆柱形柱面7B安装在装有橡胶密封圈 的内胆安装孔中(附图4)。安装在装有橡胶密封圈的水箱内胆安装孔中的圆柱形柱面7B结构的双密封盖 11，仍具有较高的耐压密封性，主要配装氨铝热管，用于一般民用太阳能集中供热系统中的 联箱式集热器，或用于家用太阳能热水器。封水柱体7采用圆锥形7A锥面密封和锁母6锁紧安装的双密封盖11，因选用 10° 12°圆锥角的锥度密封，无橡胶密封件，具有更高的耐温和压耐性能，主要配装水铜 热管，其组装成的联箱式集热器，可产150°C以上高温高压热水或蒸汽，用于工业需要或发 H1^ ο参见附图5，45°是翅片的风帆长度较短的太阳高度角α，48°是翅片的风帆长 度增加后的太阳高度角α，45° β是翅片的最大风帆长度夹角β。以太阳照射前管产生 的背影结束对后管遮挡时开始计，只要风帆翅片夹角β >90° -α，风帆型翅片在遮挡结 束后均获得太阳辐射的正投影。太阳辐射经单层透明保温管2的折光张角31折射、反光膜 片14的反射和聚光作用，聚焦到集热翅片上，其翅片风帆的弧形与保温管成同心圆，R半径 随管径变化，相当于“真空玻璃”集热管内的吸热涂层管径，当双面风帆相互延伸连接即构 成整圆形翅片；单面风帆相互延伸即构成半圆形翅片，且在管外径相同的条件下基本相等。 h3是两管间的中心距，hi是两玻璃管的反光膜片间的距离，h2是两翅片间的距离，等同于 两真空玻璃集热管的吸热涂层间的空间距离，图中显示了风帆翅片、保温管及反光膜片对 提高有效集热面积的作用。最后应说明的是显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并 非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做 出其它不同形式的变化或变动。故这里也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸 出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
权利要求
1.一种太阳能“翅片式热管”，结构包括单层透明保温管、橡胶密封圈、抽排气管、锁母、 冷凝翅片、冷凝铜管、双密封盖、反光膜片，其特征还在于包括与热管轴向中心对称的弧形 风帆构成的风帆型翅片式热管，所述双密封盖上镶嵌的冷凝铜管选用压配合方式套装在风 帆型翅片式热管的冷凝段上。
2.如权利要求1所述的太阳能“翅片式热管”，其特征还在于，所述风帆型翅片式热管 的各处仰光面和风帆的外侧仰光面上均设有与翅片为一体的轴向锯齿形吸热槽道。
3.如权利要求1所述的太阳能“翅片式热管”，其特征还在于，所述风帆型翅片式热管 选用热管壳体与翅片为一体的整体式结构的风帆型翅片式氨铝热管，或选用翅片与热管为 独立构件的分体组合式结构的风帆型翅片式热管。
4.如权利要求3所述的太阳能“翅片式热管”，其特征还在于，所述整体式结构的风帆 型翅片式氨铝热管内设有与管壳为一体的轴向槽道。
5.如权利要求3所述的太阳能“翅片式热管”，其特征还在于，所述分体组合式结构的 翅片与热管的安装选用套装翅片套装在热管的圆柱面上，或选用焊接翅片直接焊接在热管 上，或选用焊接翅片夹紧焊接固定。
6.如权利要求5所述的太阳能“翅片式热管”，其特征还在于，所述套装翅片上设有圆 形安装孔，所述圆形安装孔选用整圆孔或选用开有缺口的未闭合圆孔。
7.如权利要求5所述的太阳能“翅片式热管”，其特征还在于，所述夹紧焊接固定结构 设有夹紧条，所述夹紧条与焊接翅片焊接连接，热管置于焊接翅片与夹紧条之间夹紧固定。
8.如权利要求1所述的太阳能“翅片式热管”，其特征还在于，所述风帆型翅片式热管 的翅片结构选用双面风帆型翅片或单面风帆型翅片。
9.如权利要求1或2或8所述的太阳能“翅片式热管”，其特征还在于，所述翅片的仰光 面上选用喷砂或选用化学腐蚀处理加工成亚光面，所述亚光面选用电化处理成深色表面。
10.如权利要求5所述的太阳能“翅片式热管”，其特征还在于，所述选用分体组合式结 构的风帆型翅片选用铝或铜制造。
全文摘要
本发明的太阳能“翅片式热管”，其热管翅片被作为辐照面直接用于收集太阳能量，改变了现有技术的热管只是作为一个中间传热工具的状态，故能充分利用热管对低密度能量收集和传递能力强的优势，使热管翅片收集的辐射能量能直接传递到储水中，翅片与储水间的温度梯度得以降低到≤5℃，热管的“等温效应”得到发挥。并通过风帆型翅片、吸热槽道、反射聚热、亚光黑体等十多项能明显提高集热效能的技术措施，增加了有效集热面积，使辐射吸收比α高达96％以上，从而获得实际集热能效67％的效果，相比“真空玻璃”集热管33.5％的实际集热能效，提高了1倍，满足了阳台挂壁式热水器冬季水温应达45℃以上的需求。具有结构设计合理、工艺简单、成本低、可靠度高、集热效率高、冬季集热性能优良等优点，以及安装使用方便、适合各地区使用、并可提供高温高压热水用于工业需要或发电。
文档编号F24J2/46GK102135335SQ20111002305
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者李光华, 谢河 申请人:南京绿盾电气设备有限公司