一种热媒超导管板一体集热器板芯及其制作方法
【专利摘要】本发明属太阳能集热器板芯领域，尤其涉及一种采用热媒作为热传导媒介的新型集热器板芯。一种热媒超导管板一体集热器板芯，其特征在于：所述的板芯为一带有通孔的平板，且平板表面下方设置有与该平板融合为一体且相互平行的一条以上装有热媒的导热管，该导热管两端密封，且至少平板状部分的表面镀制有太阳能吸热涂层。本发明可以提供一种新型的平板式太阳能热水器板芯，该板芯通过采用热媒作为导热媒介，巧妙的解决了平板式太阳能热水器无法耐受低温的技术难题，同时还使平板式太阳能热水器的热效率得到了大幅度的提升。
【专利说明】一种热媒超导管板一体集热器板芯及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属太阳能集热器板芯领域，尤其涉及一种采用热媒作为热传导媒介的新型集热器板芯。
【背景技术】
[0002]太阳能热水器是指以太阳能作为能源进行加热的热水器。是与燃气热水器、电热水器相并列的三大热水器之一。太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，目前真空管式太阳能热水器为主，占据国内95%的市场份额。真空管式太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管。集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。玻璃真空管太阳能热水器可细分为全玻璃真空管式、热管真空管式、U型管真空管式。常用的为全玻璃真空管式，其优点:安全、节能、环保、经济。尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主，电能为辅的能源利用方式使太阳能热水器全年全天候正常运行，环境温度低时效率仍然比较高。其缺点在于体积比较庞大、玻璃管易碎、管中容易集结水垢、不能承压运行。但是清华阳光研究出的一种热管式真空集热玻璃管，它是以导热介质为导热媒进行热能传递，它就充分解决了玻璃管易碎、管中容易集结水垢、管中结冰等诸多不利因素并且它的集热效果比其它集热管还高。平板式太阳能热水器可分为管板式、翼管式、蛇管式、扁盒式、圆管式和热管式。其优点:具有整体性好、寿命长、故障少、安全隐患低、能承压运行，安全可靠，吸热体面积大，易于与建筑相结合，耐无水空晒性强等优点，其热性能也很稳定。其缺点由于盖板内为非真空，保温性能差，故环境温度较低时集热性能较差，采用辅助加热时相对耗电。环境温度低或要求出水温度高时热效率较低。如冻坏需更换整个集热板，适合冬天不结冰的南方地区选用。从上面的内容可以看出，真空管太阳能热水器和平板式太阳能热水器二者各有优缺点。而平板式太阳能热水器的主要缺点就是不耐低温环境和热效率稍逊于真空热水器，但是平板热水器的优点也同样是真空管式太阳能热水器所无法具备的。平板式太阳能热水器不能耐受低温的问题，长期存在于太阳能热水器行业中，至今一直没有任何技术方案来解决这个行业难题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种新型的平板式太阳能热水器板芯，该板芯通过采用热媒作为导热媒介，巧妙的解决了平板式太阳能热水器无法耐受低温的技术难题，同时还使平板式太阳能热水器的热效率得到了大幅度的提升。
[0004]本发明的技术方案是这样实现的:一种热媒超导管板一体集热器板芯，其特征在于:所述的板芯为一带有通孔的平板，且平板表面下方设置有与该平板融合为一体且相互平行的一条以上装有热媒的导热管，该导热管两端密封，且至少平板状部分的表面镀制有太阳能吸热涂层。[0005]所述的平板状板芯表面还设置有锯齿状截面或者波浪状截面的平行凸棱。
[0006]所述的板芯的另外一侧及通孔下方为平面状。
[0007]所述的导热管中设置有与轴线平行的散热凸棱。
[0008]所述的导热管截面形状为方形、圆形、椭圆形、三角形、梯形、菱形及不规则形状。
[0009]所述的导热管即可排列成整体结构，也可间隔一定间距排列。
[0010]所述的吸热涂层为复合太阳能吸热涂层。
[0011]所述的热媒为乙二醇、氟利昂、甲醇、丙酮和水。
[0012]一种热媒超导管板一体集热器板芯的加工方法，主要包括以下技术内容:所述的集热器板芯包括以下几个加工步骤，
A、首先采用铝型材工艺拉伸制作出集热器板芯型材；
B、将上述的集热器板芯按需截取统一长度后备用；
C、将上述的长度相等的集热器板芯型材一端采用强力压合封口工艺压合封闭；
D、使用针状热媒添加注射装置向每一个导热管中添加一定剂量热媒；
E、将集热器板芯另外一端采用强力压合封口工艺压合封口，即完成上述集热器板芯制作。
[0013]所述的热媒添加量为导热管内容积的55%至85%。
[0014]通过采用上述的技术解决方案，本发明获得了一下积极的技术效果和有点:本发明通过采用简单的铝型材加工工艺用于太阳能板芯的制作中，大幅度的降低了板芯的生产制作成本，从而为板式太阳能的推广提供了必要的价格优势；另外本实用新型通过采用一体结构拉伸制作集热器板芯，真正实现了集热板和导热管结构的一体化，彻底避免了原有复合板型由于必然存在的压合缝隙导致的热传导效率低的问题，通过采用这种一体结构的板芯，是普通的铝材板芯的热传导效率接近甚至超过铜铜复合的集热器板芯，达到了在保证热传导效率的前提下，大幅度的降低了生产成本，提高了生产效率。针对这个传导效率问题，本发明还采用了在导热管内壁设置凸棱的结构，增加与热媒的接触面积，进一步提高热交换效率；通过采用将导热管密封并加入热媒作为传导媒介的方式，改变了原有依靠金属导热进行热交换的方式，利用热媒的气化到液化的循环方式进行传导，不但大大提高了热交换的速度和效率，同时也有效的避免了太阳能集热器板芯表面的温度，防止了太阳能集热器板芯复合涂层的老化，显著的提高了板芯涂层的使用寿命；另外在本发明中的关键技术改进在是由于采用了原有导热管中需要走循环水直接进行加热的传统板芯传导方式，而是采用以热媒为中介直接对主换热管进行热交换。由于过去导热管尺寸较细小，故在北方寒冷地区使用的时候，夜间低温则是上述导热管中的水在逆向热交换过程非常迅速，导致北方无法使用板式太阳能热水器的行业难题。因为通过采用本发明中的热媒传导方式，属于单向换热循环方式，在低温寒冷气候下热媒始终处于液态，不会像加温过程一样实现气态到液态的换热传导方式，加之热媒采用耐低温物质，具有耐受零下百度低温的能力，因此本发明彻底解决了板式太阳能在北方无法使用推广的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的板芯截面示意图；
图2为表面带有凸棱的板芯截面示意图； 图3为导热管带有散热凸棱的板芯截面示意图；
图4-7为另外几种结构的板芯截面意图；
图8-16为本发明导热管截面形状示意图；
图17为本发明的板芯的结构立体示意图。
[0016]
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
[0018]本发明主要是针对现有板式太阳能集热器板芯的技术改进，该技术可以解决现有太阳能集热器板芯生产工艺复杂、热传导和热交换效率低的问题，同时彻底解决了板式太阳能板芯无法耐受低温环境的关键技术难题。如图1所示，具体技术改进涉及一种热媒超导管板一体集热器板芯，主要改进为:所述的板芯2为一带有通孔的平板，且平板表面下方设置有与该平板融合为一体且相互平行的一条以上装有热媒的导热管21，该导热管两端密封，导热管21—般采用压合的方式来实现密封，当然也可以采用焊接、熔接，安装堵头等等方式来实现导热管21的密封。板芯2上的平板状部分的表面镀制有太阳能吸热涂层。涂层自然选用综合性能比较好的复合太阳能吸热涂层。上述集热器板芯表面的平板状部分主要作为太阳能板芯的吸热表面，其上镀制有太阳能吸热涂层，而且该平板状部分也可以根据使用的需要采用波浪形或者锯齿状平行凸棱等结构，来进一步增加对阳光的吸热面积和与太阳的照射角度。
[0019]该板芯的截面形状如图4-7所示，可以为平板形、阶梯型、菱形等等。但是通常情况下所述的板芯2为平板状的板芯表面，且板芯2表面下设置有与该平板融合为一体且相互平行的一条以上装有热媒的导热管21，该导热管21两端压合密封，且至少平板状部分的表面镀制有太阳能吸热涂层。板芯2实际上是通过类似铝合金型材的工艺加工而成的。考虑加工成本和加工工艺问题，优选使用铝材制作板芯型材，然后将其截取成标准尺寸，灌装热媒之后，将两端压合密封，制作出独立的模块化板芯2。
[0020]另外为了进一步提高板芯2的自身强度，在所述的板芯2的另外一侧及通孔下方为平面状。采用这样结构的集热器板芯，类似于蜂巢结构的集热器板芯，即可以提高板芯的自身强度，同时由于其两个表面都为比较规则的表面，可以使安装固定更加方便。
[0021]如图1所示，该板芯2为金属材料制成，为一个中间设置有密封孔洞的平板状金属型材，密封的孔洞即导热管21中填充有热媒。如图2所示，所述的平板状板芯2表面还设置有锯齿状截面或者波浪状截面的平行凸棱23。设置上述的这些平行的凸棱23，主要是两个作用，其一可以适当的增加板芯2的面积，提高对太阳能的吸收能力；其二就是利用将凸棱23表面设置一定的倾斜角度，改变板芯表面与太阳光之间的倾斜角度。为了便于镀制太阳能吸热膜层。一般情况下，上述的板芯2至少具有一个平面形状的表面，这里所提到的平面是指具有相对规则和平整的表面，绝非通常理解的表面光滑平整的表面。例如:表面具有相互平行且规则凸棱的表面同样为本发明中提到的平整表面。另外为了配合与热交换管I之间的紧密连接，使上述二者之间可以进行良好的热传导，所述的板芯2的两个侧面均为平面。因为这样的加工表面更加容易紧密贴合。板芯2的表面上镀制有吸热膜层，所述的吸热涂层为复合太阳能吸热涂层。当表面吸收到太阳能之后，需要通过热传导传给设置在板芯导热管21中的热媒，所述的热媒为乙二醇，也可使用其他热媒材料。如图3所示，为了提高热媒与板芯2的接触面积，提高热效率。所述的导热管21中设置有与轴线平行的散热凸棱22。通过采用这样的结构，可以显著地提高热媒与板芯2之间的热交换速度和效率。如图8-16所示，从上面的描述可知，本发明的板芯2是通过金属型材加工工艺制作的，因此板芯上的导热管21可以方便的制作成各种不同截面形状，导热管21截面形状为方形、圆形、椭圆形、三角形、梯形、菱形及不规则形状。这些不同的导热管截面形状都可以用于制作板芯2。由于本发明采用的制作工艺，为现有成熟的铝型材拉伸制作工艺，则使无论制作任何形状的导热管截面均没有任何制作难度，因此所述的导热管21截面形状不限于方形、圆形、椭圆形、三角形、梯形、菱形等形状，甚至可以根据使用的需要制作出8字型、六角形和其他不规则形状的导热管截面。而导热管21的布置也非常灵活，所述的导热管即可排列成整体结构，也就是每个导热管均紧密相邻，类似于田字格本的截面形状，也可间隔一定间距排列方式来布置导热管。具体布置方式可以灵活的根据使用和设计需要来变化。
[0022]所述的导热管21即可排列成整体结构，也可间隔一定间距排列。如图2所示，这里提到的排列成整体结构是指导热管21 —个紧贴着另外一个排布导热管21，两个相邻的导热管21使用一个共用的侧壁，这种结构的板芯2中部密布一列导热管。如图3所示，设置一定间距排列，是指每一个导热管21之间间隔一定距离，具有独立的导热管侧壁。导热管21在每一个板芯2上至少具有一个，为了提高整体的强度，一般都采用多个导热管21的结构，这样可以避免由于某一个导热管21泄漏导致集热器板芯整体失效的问题，同时也可以显著地提高板芯2的机械强度，防止热媒工作时变成气态时，使导热管21由于内部压力上升而导致的鼓胀问题。
[0023]考虑到板芯加工的特点，本发明中所描述的板芯一般为细长的型材，如果需要制作太阳能集热器的时候，可以使用多个标准的模块化板芯，排列搭接成一个整体结构的太阳能集热器。如图17所示，即为使用本发明板芯制作的太阳能集热器，包括集热器外壳和设置在该外壳上部的透明盖板，该外壳中设置有集热器本体。该集热器由热交换管I和热媒超导一体化板芯2及将上述两个部件固定为一体的夹紧装置3构成，热交换管I与板芯2 一端紧密连接并通过上述的夹紧装置3固定，热交换管I截面为不完整的圆形，也就是将普通的圆形水管，挤压出一个用于与板芯2进行热交换的平面部分，为了进一步提高板芯2和热交换管I之间的导热性能，该可以在上述二者之间涂抹导热硅胶、导热垫等方式。
[0024]作为太阳能集热器板芯，其表面必然需要镀制太阳能吸热涂层，所述的热媒为乙二醇。
[0025]下面本发明详细描述一下本发明的制作工艺:
所述的集热器板芯包括以下几个加工步骤，
A、首先采用铝合金型材加工工艺拉伸制作出集热器板芯型材；这个步骤主要是制作出规定尺寸的型材备用，其制作拉伸长度则可以更加为了需要截取长度的整倍数进行制作。
[0026]B、将上述的集热器板芯按需截取统一长度后备用，这个工艺步骤主要是根据使用时的需要，截取尺寸统一的集热器板芯毛坯待用。
[0027]C、将上述的长度相等的集热器板芯型材一端采用直接采用压合封口工艺压合封闭；这个步骤主要为以后的热媒灌装做生产准备，也就是将两端开口的板芯型材的一段进行封闭。
[0028]D、使用针状热媒添加注射装置向每一个导热管中添加一定剂量热媒；这里主要是灌装耐低温的热媒，且该热媒还需要具有良好的液态到气态，气态到液态的循环转化性能。一般可以采用乙二醇、氟利昂、甲醇、丙酮和水几种物质作为热媒。另外需要说明的一点就是关于热媒的添加量一般在占导热管体积的55%-85%范围内，这个调整范围主要是适应使用不同的热媒种类，其气态到液态变化的特点决定的。
[0029]E、将集热器板芯另外一端采用强力压合工艺压合封口，即完成上述集热器板芯制作。这个最后的步骤是密封灌装的热媒，采用这种灌装热媒的板芯，彻底改变了现有板式集热器板芯的热交换方式。传统的板式太阳能需要通过与每个集热板芯紧密连接的比较细小的热交换支管实现热交换过程，然后再注入到较粗的主换热管中进行热水收集。这种热交换方式是可逆的，因此在低温环境下同样会导致换热支管中的水迅速冻结，导致集热器损坏。而本发明采用的则是通过每个板芯中的若干导热管中的热媒作为板芯热能交换媒介，而所采用的热媒则采用气态到液态的循环转化直接与主换热管进行热交换的方式，而这种热交换凡是是单向循环，因此在低温下其传导效率非常低，加之热媒具有良好的耐低温性能，使其具备了良好的耐低温性能。因此只要保证主换热管中的水处于低速循环，并同时配合简单的保温处理，即可实现上述板式太阳能热水器在低温地区的使用问题。通过上述的方式可以彻底解决板式太阳能热水器无法使用在低温地区的这个长期存在的行业技术难题。
[0030]以上所描述的仅为本发明的较佳实施例，上述具体实施例不是对本发明的限制。在本发明的技术思想范畴内，可以出现各种变形及修改，凡本领域的普通技术人员根据以上描述所做的润饰、修改或等同替换，均属于本发明所保护的范围。
【权利要求】
1.一种热媒超导管板一体集热器板芯，其特征在于:所述的板芯为一带有通孔的平板，且平板表面下方设置有与该平板融合为一体且相互平行的一条以上装有热媒的导热管，该导热管两端密封，且至少平板状部分的表面镀制有太阳能吸热涂层。
2.根据权利要求1所述的一种热媒超导管板一体集热器板芯，其特征在于:所述的平板状板芯表面还设置有锯齿状截面或者波浪状截面的平行凸棱。
3.根据权利要求1所述的一种热媒超导管板一体集热器板芯，其特征在于:所述的板芯的另外一侧及通孔下方为平面状。
4.根据权利要求1或者4任意一个所述的一种热媒超导管板一体集热器板芯,其特征在于:所述的导热管中设置有与轴线平行的散热凸棱。
5.根据权利要求1所述的一种热媒超导管板一体集热器板芯，其特征在于:所述的导热管截面形状为方形、圆形、椭圆形、三角形、梯形、菱形及不规则形状。
6.根据权利要求1所述的一种热媒超导管板一体集热器板芯，其特征在于:所述的导热管即可排列成整体结构，也可间隔一定间距排列。
7.根据权利要求1所述的一种热媒超导管板一体集热器板芯，其特征在于:所述的吸热涂层为复合太阳能吸热涂层。
8.根据权利要求1所述的一种热媒超导管板一体集热器板芯，其特征在于:所述的热媒为乙二醇、氟利昂、甲醇、丙酮和水。
9.一种根据权利要求1所述的一种热媒超导管板一体集热器板芯的加工方法，其特征在于:所述的集热器板芯包括以下几个加工步骤， A、首先采用铝型材工艺拉伸制作出集热器板芯型材； B、将上述的集热器板芯按需截取统一长度后备用； C、将上述的长度相等的集热器板芯型材一端采用强力压合封口工艺压合封闭； D、使用针状热媒添加注射装置向每一个导热管中添加一定剂量热媒； E、将集热器板芯另外一端采用强力压合封口工艺压合封口，即完成上述集热器板芯制作。
10.根据权利要求7所述的一种热媒超导管板一体集热器板芯的加工方法，其特征在于:所述的热媒添加量为导热管内容积的55%至85%。
【文档编号】F24J2/32GK103574938SQ201210254983
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月23日 优先权日:2012年7月23日
【发明者】唐云铠, 杨建
申请人:深圳市鹏桑普太阳能股份有限公司