專利名稱：減壓空曬保護全玻璃真空熱管太陽能集熱裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及減壓空曬保護全玻璃真空熱管太陽能集熱裝置。
背景技術(shù)：
真空集熱管在其罩玻璃管與內(nèi)玻璃管之間設置真空隔熱層，可制造冬季也能提供生活熱水的真空太陽能熱水器。用熱管真空集熱管制造的太陽能熱水器更具有管內(nèi)無水能效比高、符合衛(wèi)生飲用水標準、單管損壞照樣工作等優(yōu)點。因此。管內(nèi)無水的太陽能真空熱管熱水器將有可能占領越來越多的市場份額。米用一體式玻璃熱管具有可以與罩玻璃管融封、玻璃熱管表面可以直接制作吸收膜傳熱環(huán)節(jié)少、可采用熱物理性能極佳的水作工質(zhì)等優(yōu)點。但空曬時，集熱元件熱管內(nèi)部溫度可達230°C，這個溫度對應的飽和水蒸汽壓為28.53個大氣壓，對應的工質(zhì)充裝量與熱管容積之比即工質(zhì)容積比為1.1%，即每I升容積有11暈升水。通過減少工質(zhì)充裝量可以降低空曬時熱管內(nèi)部的壓力，以水工質(zhì)為例:當工質(zhì)充裝量/熱管容積率從5暈升/1000暈升時的0.5%降低至2暈升/1000暈升時的0.2%,相應地其最高飽和蒸汽壓從180°C的約10個大氣壓降低至140°C的約3.7個大氣壓，并且熱管內(nèi)部從140°C約3.7個大氣壓的最高蒸汽壓繼續(xù)升溫至180°C時內(nèi)部壓力僅有4個大氣壓左右。但有時工質(zhì)充裝量不能僅僅以空曬時的內(nèi)部壓力來決定。對于一支工質(zhì)充裝量/熱管容積率為0.2%、內(nèi)部容積1000毫升、長度2000毫米的熱管，如果為了使空曬230°C時內(nèi)部壓力不超過4個大氣壓，則工質(zhì)充裝量約1.8毫升。問題是所述熱管即使為光管結(jié)構(gòu)，在傾斜約45度工作時，冷端的冷凝水、熱端的流動水加上85°C水蒸汽的水量0.353毫升之和會遠超過1.8毫升。為了滿足熱管正常工作而使工質(zhì)充裝量/熱管容積率大于0.2%甚至0.3%，并確保玻璃熱管不因為空曬而炸管，必須采取空曬保護措施。中國發(fā)明專利2009101951003抗空曬全玻璃真空熱管集熱元件，披露了一種空曬保護全玻璃真空熱管集熱元件，由在真空集熱元件吸收體和罩玻管之間設置可控傳熱通道構(gòu)成，可控傳熱通道由活動傳熱件和驅(qū)動件組成，其特征在于含有與真空集熱元件吸收體低熱阻連接的熱力換能驅(qū)動件。由于這項專利不是專門針對重力熱管集熱元件的，因而針對性不強；其采用的雙金屬片熱力換能驅(qū)動件本來產(chǎn)品的一致性就不好，在多次受熱變形后恢復原狀的能力又會降低，其所承擔的控制系統(tǒng)相關(guān)的工作點設定、控制變量輸入、t匕較、換能和能量供給以及執(zhí)行功能因為精度受到影響而遠不能正常有效工作到集熱元件可能的20年設計壽命。圖4給出一支傾斜安置的光管結(jié)構(gòu)重力熱管結(jié)構(gòu)示意圖。圖4中，熱管I由管殼和內(nèi)部工質(zhì)制成。其工作原理為:熱能從下方的熱端即并排向里的箭頭標示處輸入 ，使熱管I內(nèi)部底端處的工質(zhì)受熱汽化，蒸汽在壓差的作用下，向上行進到熱管冷端即箭頭并排向外標示處放出熱能供應給負荷并冷凝成液體在重力作用下回流至下面的冷端，在熱端工質(zhì)再次受熱汽化……，由此不斷循環(huán)實現(xiàn)兩相流換熱循環(huán)。熱管具有優(yōu)異的傳熱能力、熱流密度變換能力和等溫特性。如果熱管I熱端輸入100瓦，則其冷端輸出最高可以達到97瓦甚至更高。如果試圖對圖4的熱管I僅僅從下面輸入熱能，而不取走熱能，則熱管I內(nèi)部蒸汽壓會急劇上升。如果熱管I采用水作為工質(zhì)并且足夠多，則在熱管I溫度達到230°C時，內(nèi)部最高壓力可達28.53個大氣壓。如果試圖對圖4的熱管I從上到下全面加熱并從下面略高于熱管I底端的地方譬如從底端開始的占整個熱管I長度3%的一段取出熱能，即僅僅令底端往前占熱管I總長度3%的部位同時作為重疊冷端，則熱管I內(nèi)部的蒸汽壓會降到與下面冷端的溫度相對應的飽和蒸汽壓。譬如用水作為工質(zhì)時，保持熱管I下面重疊冷端的溫度100°C，則即使上面其他部分加熱到230°C，因為熱管I內(nèi)部的液態(tài)工質(zhì)都集聚于所述重疊冷端，除所述重疊冷端之外上面的熱管I熱端由于沒有工質(zhì)補充整個干涸，兩相流傳熱機制不復存在。熱管I內(nèi)部的蒸汽壓力也只有約I個大氣壓。重疊冷端的一個例子是熱管管壁帶有吸收膜，吸收太陽光作為熱能輸入，同時用傳熱器件低熱阻連接所述熱管管壁并將熱能轉(zhuǎn)移。這種令熱管I傾斜布置、熱能從熱管I上面輸入而只用下面一小段作為重疊冷端的設計在其他場合或許沒有什么意義，但用于太陽能集熱元件的空曬保護，因為只需要極小一部分散熱功率——這部分散熱功率用于確?？諘癜l(fā)生時，空曬保護裝置開始起作用的初期熱管內(nèi)部蒸汽壓的最高值不超過設定值；這部分散熱功率還要大于所述重疊冷端作為熱端的熱能輸入功率——因而具有散熱器件體積緊湊、性能可靠、散熱功率小、對真空隔熱層的放氣少、對吸收體的遮擋影響小以及可利用集熱元件尾端作為散熱界面的優(yōu)點。可以看到，重疊冷端的面積越小、所述空曬保護器件所需要的散熱功率也越小、越有利。實際的集熱元件需要尾盒之類的器件進行安置。尾盒會遮蓋集熱元件的尾端。被尾盒遮蓋的部分都不屬于重疊 冷端。之所以還會用到重疊冷端，是因為有些集熱元件空曬保護裝置比較適合安裝于真空隔熱層的筒形段或者，集熱元件罩玻璃管帶有縮頸段并且是采用在縮頸段形成后裝配內(nèi)玻璃管，然后再對罩玻璃管圓封拉尾管簡稱后拉尾管的工藝。后拉尾管工藝形成的圓封端如果不適合用于散熱，就需要利用從所述圓封端往上的罩玻璃管筒形段進行散熱。與所述筒形段相對應的熱管或者內(nèi)玻璃管尾端部分屬于重疊冷端。中國912050845實用新型電飯煲用自動磁性溫控開關(guān)，介紹了一種利用熱磁力換能元件工作原理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供減壓空曬保護全玻璃真空熱管太陽能集熱裝置。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案:用減壓空曬保護全玻璃真空熱管集熱元件、絕熱水箱、尾盒支架及輔件，組成一臺減壓空曬保護全玻璃真空熱管太陽能集熱裝置。減壓空曬保護全玻璃真空熱管集熱元件由全玻璃真空熱管集熱元件和置于所述集熱元件尾端真空隔熱層內(nèi)的空曬保護器組成。全玻璃真空熱管集熱元件用罩玻璃管封接一體式內(nèi)玻璃管熱管制成。所述集熱元件垂直或者傾斜安裝，所述熱管依靠重力工作。所述空曬保護器由一個與所述熱管熱端傳熱連接的熱力驅(qū)動器件、與熱力驅(qū)動器件傳動連接或者與熱力驅(qū)動器件一體制造的傳熱直筒組成。所述空曬保護器具有兩種穩(wěn)定狀態(tài):傳熱直筒伸出傳熱連接罩玻璃管尾端時的開啟導熱狀態(tài)；傳熱直筒縮回不傳熱連接罩玻璃管尾端時的關(guān)閉絕熱狀態(tài)。所述熱力驅(qū)動器件包括熱敏永磁鋼驅(qū)動器件、雙金屬片驅(qū)動器件、記憶合金驅(qū)動器件、膜盒驅(qū)動器件。傳熱直筒與內(nèi)玻璃管或者熱管熱端底端處采用一維移動副結(jié)構(gòu)低熱阻連接；或者傳熱直筒與一個熱匯采用一維移動副結(jié)構(gòu)低熱阻連接，所述熱匯與熱管熱端底端處低熱阻連接。傳熱直筒可沿集熱元件軸心線方向作前后移動。傳熱直筒的外端部形狀與罩玻璃管尾端內(nèi)表面相吻合。尾盒遮蓋所述集熱元件尾部與傳熱直筒的接觸處。還可以令所述罩玻璃管尾端內(nèi)表面低熱阻連接一個散熱貼片；散熱貼片與傳熱直筒的傳熱狀態(tài)根據(jù)熱力驅(qū)動器件的狀態(tài)改變而改變。還可以令散熱貼片與熱匯之間采用卡簧高熱阻連接；或者罩玻璃管尾端內(nèi)側(cè)與熱管熱端底端處通過一個卡簧高熱阻連接。還可以令所述熱力驅(qū)動器件為由一塊熱敏永磁鋼和一塊軟鐵構(gòu)成的熱敏永磁鋼驅(qū)動器件；熱敏永磁鋼通過一塊熱導與內(nèi)玻璃管或者熱管熱端低熱阻連接；軟鐵受約束可作沿集熱元件軸心線方后移動并通過傳動鋼絲與傳熱直筒傳動連接。還可以令所述集熱元件尾端為自集熱元件尾端底部外表面起往前不超過集熱元件總長度6%的部分。本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明減壓空曬保護全玻璃真空熱管太陽能集熱裝置采用在集熱元件熱管底端處散熱來收集液態(tài)工質(zhì)于熱管熱端底端處、阻斷熱管內(nèi)部兩相流換熱的空曬保護設計，散熱功率可以大大減小。舉例:一支輸出70瓦的集熱元件，工質(zhì)充裝量3毫升。采用在熱管熱端表面均布可控傳熱通道散熱來防止熱管炸管的技術(shù)方案，可控傳熱通道的散熱功率為40瓦，熱管內(nèi)部溫度最高還有150°C以上，相應的水蒸汽壓力仍可達4.8個大氣壓超出外徑58毫米、壁厚1.8毫米內(nèi)玻璃管的耐壓能力。本發(fā)明對于同樣輸出70瓦的集熱元件，減壓空曬保護傳熱通道只需10瓦散熱功率，就可以在空曬發(fā)生時以0.25毫升/分鐘的速率來吸收玻璃熱管內(nèi)部的水。空曬開始約6分鐘后，其時雖然熱管向陽表面的溫度升高約30°C，但熱管熱端內(nèi)部除底端處都已經(jīng)干涸、蒸汽壓已經(jīng)小于1.5個大氣壓。節(jié)省30瓦的散熱功率令成本有較大削減，減少傳熱通道對真空隔熱層的放氣75%、并且可靠性大幅度提高。關(guān)鍵是能有效解決大直徑熱管的炸管問題。本發(fā)明采用一個小功率空曬保護器就可保證熱管內(nèi)部水蒸汽壓力始終不超過2個大氣壓，并且完全不影響集熱元件的正常工作。傳熱直筒傳熱面積大、剛性強、利用集熱元件底端構(gòu)建傳熱通道對集熱元件的吸收資源占用少、并適合集熱元件熱管熱端離罩玻璃管直段距離較遠的金屬熱管、內(nèi)玻翅板管和偏心熱管的空曬保護。嵌入式直筒真空熱管集熱元件減壓空曬保護器采用兩個熱敏永磁鋼驅(qū)動器件均布，最少可以用一個鋼絲卡簧代替原有的四爪卡簧，再增加兩塊熱敏永磁鋼、兩塊軟鐵、兩個彈簧、兩根傳動鋼絲、一個帶遮光的熱敏永磁鋼熱導、一個傳熱直筒10個零部件，并且用鋼絲卡簧高熱阻連接所述零部件。結(jié)構(gòu)簡潔、裝配方便。熱敏永磁鋼驅(qū)動器件一致性好、重復性好、控制精 度高、使用壽命長、性能令人滿
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下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1是一臺減壓空曬保護全玻璃真空熱管太陽能集熱裝置正視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是一臺減壓空曬保護全玻璃真空熱管太陽能集熱裝置上視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖1在傳熱直筒7處的左視剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是一支傾斜安置的光管結(jié)構(gòu)重力熱管結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是一片傳熱直筒的展開圖。圖6是一支全玻璃真空熱管集熱管結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.熱管；2.罩玻璃管；3.內(nèi)玻璃管；4.散熱貼片；5.熱匯；6.熱敏永磁鋼驅(qū)動器件；7.傳熱直筒；8.熱敏永磁鋼；9.軟鐵；10.熱導；11.遮光板；12.檔板；13.傳動鋼絲；14.彈簧；15.連接板；16.四爪卡簧；17.方孔；18.缺口 ；19.絕熱水箱；20.尾盒。
具體實施例方式圖1、圖2和圖3給出本發(fā)明一個實施例。圖1至3中，用減壓空曬保護全玻璃真空熱管集熱元件、絕熱水箱19、尾盒20組成一臺減壓空曬保護全玻 璃真空熱管太陽能集熱裝置。減壓空曬保護全玻璃真空熱管集熱元件通過在全玻璃真空熱管集熱管罩玻璃管2尾端與熱管I尾端之間的真空隔熱層內(nèi)，設置一個嵌入式直筒真空熱管集熱元件減壓空曬保護器組成?？諘癖Ｗo器由散熱貼片4、熱匯
5、熱敏永磁鋼驅(qū)動器件6和傳熱直筒7組成。散熱貼片4外表面的形狀與罩玻璃管2尾端內(nèi)表面的形狀相吻合。散熱貼片4厚度0.22毫米、寬度40毫米。散熱貼片4用卡簧壓貼于罩玻璃管2內(nèi)壁。熱匯5厚度0.22毫米、寬度40毫米。熱敏永磁鋼驅(qū)動器件6包括一塊熱敏永磁鋼8和一塊軟鐵9 ;熱敏永磁鋼8通過熱導10與內(nèi)玻璃管3低熱阻連接；熱敏永磁鋼8上面設置有遮光板11，防止太陽光直射在處于真空隔熱層中的熱敏永磁鋼8使其誤動作。軟鐵9受兩側(cè)檔板12約束可作沿集熱元件軸心線方向作前后移動并通過傳動鋼絲13與傳熱直筒7傳動連接，軟鐵9受彈簧14推力作用被推離永磁鋼8或者具有被推離永磁鋼8的趨勢。傳熱直筒7厚度0.22毫米、寬度40毫米。傳熱直筒7與熱匯5之間采用一維移動副結(jié)構(gòu)低熱阻連接，傳熱直筒7可以沿集熱元件軸心線方向作伸出縮回前后移動。熱匯5包裹低熱阻連接熱管I熱端底端處并用卡簧壓貼于內(nèi)玻璃管3上。傳熱直筒7的外端部形狀與散熱貼片4內(nèi)表面的相吻合。熱導10厚度0.22毫米、寬度20毫米、卷成筒形。熱導10和熱匯5通過一片連接板15剛性高熱阻連接。罩玻璃管2尾端內(nèi)側(cè)與內(nèi)玻璃管3尾端之間通過四爪卡簧16高熱阻連接實現(xiàn)罩玻璃管2與內(nèi)玻璃管3之間的定位(四爪卡簧為簡潔起見，未在圖1、2中畫出，但專門用圖6說明)。尾盒20遮蓋集熱元件與傳熱直筒7的接觸處。散熱貼片4、熱匯5、傳熱直筒7的制作材料包括鋼板、鋁板和銅板。圖1至3實施例的工作原理:當嵌入安裝有所述減壓空曬保護器的集熱元件正常傾斜布置且不處于空曬狀態(tài)時，通過熱導10與內(nèi)玻璃管3低熱阻連接的熱敏永磁鋼8溫度達不到失磁溫度，熱敏永磁鋼8吸住軟鐵9將傳熱直筒7往左拉，使傳熱直筒不接觸散熱貼片，空曬保護器處于關(guān)閉絕熱狀態(tài)。集熱元件正常集熱。圖中虛線表示傳熱直筒7縮回時的邊緣位置。
當集熱元件處于空曬狀態(tài)時，熱敏永磁鋼8溫度升高磁力消失，彈簧14將軟鐵9和傳熱直筒7推向右面，使傳熱直筒7伸出傳熱連接散熱貼片4，空曬保護器處于開啟導熱狀態(tài)。內(nèi)玻璃管3即熱管I熱端的熱能通過空曬保護器源源不斷散失到環(huán)境。熱管I內(nèi)部的蒸汽在壓差作用下流向底端處凝結(jié)并集聚于底端處，鉗制熱管I內(nèi)部壓力始終處于低位，保證集熱元件不會炸管實現(xiàn)集熱元件的空曬保護。由于檔板12的約束，軟鐵9向右移動的距離最多2毫米，這樣可以保證以后熱敏永磁鋼8磁力恢復時能夠?qū)④涜F9再度吸引回來。以后集熱元件脫離空曬狀態(tài)，熱敏永磁鋼8溫度降低磁力恢復并吸引軟鐵9使傳熱直筒7縮回不傳熱連接散熱貼片4，空曬保護器處于關(guān)閉絕熱狀態(tài)，集熱元件又可正常工作。圖1至3實施例對于罩玻璃管直徑70、內(nèi)玻璃管直徑58的全玻璃真空熱管集熱元件，不采用散熱貼片和熱匯，所述空曬保護器的散熱功率也可以達到10瓦以上。

將圖1和圖2中的熱敏永磁鋼驅(qū)動器件6改為雙金屬片熱力驅(qū)動器件、或者改為記憶合金驅(qū)動器件、或者改為膜盒驅(qū)動器件也可以實現(xiàn)空曬時使傳熱直筒7伸出傳熱連接，將工質(zhì)鎖定在熱管I熱端底端處實現(xiàn)熱管I內(nèi)部減壓的空曬保護機制。圖5給出傳熱直筒7的展開圖。圖5中，傳熱直筒7被展開。其方孔17為避開四爪卡簧而設。缺口 18為加工成與罩玻璃管尾端內(nèi)側(cè)面相吻合的形狀而設。圖6給出一支全玻璃真空集熱管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6中，用罩玻璃管2和內(nèi)玻璃管3同心嵌套布置封接，制成一支全玻璃真空熱管集熱元件。內(nèi)玻璃管3自封接處向前伸出并且內(nèi)部抽真空灌裝工質(zhì)后封離制成一支熱管1，熱管I熱端的長度為1.8米。內(nèi)玻璃管3的外表面制作吸收膜。四爪卡簧16設置于罩玻璃管2尾端與內(nèi)玻璃管3尾端之間。
權(quán)利要求
1.減壓空曬保護全玻璃真空熱管太陽能集熱裝置，由減壓空曬保護全玻璃真空熱管集熱元件、絕熱水箱、尾盒支架及輔件組成，減壓空曬保護全玻璃真空熱管集熱元件由全玻璃真空熱管集熱元件和置于所述集熱元件尾端真空隔熱層內(nèi)的空曬保護器組成，全玻璃真空熱管集熱元件用罩玻璃管封接一體式內(nèi)玻璃管熱管制成，所述集熱元件垂直或者傾斜安裝，所述熱管依靠重力工作，所述空曬保護器由一個與所述熱管熱端傳熱連接的熱力驅(qū)動器件、與熱力驅(qū)動器件傳動連接或者與熱力驅(qū)動器件一體制造的傳熱直筒組成，所述空曬保護器具有兩種穩(wěn)定狀態(tài):傳熱直筒伸出傳熱連接罩玻璃管尾端時的開啟導熱狀態(tài)；傳熱直筒縮回不傳熱連接罩玻璃管尾端時的關(guān)閉絕熱狀態(tài)；所述熱力驅(qū)動器件包括熱敏永磁鋼驅(qū)動器件、雙金屬片驅(qū)動器件、記憶合金驅(qū)動器件、膜盒驅(qū)動器件，其特征是傳熱直筒與內(nèi)玻璃管或者熱管熱端底端處采用一維移動副結(jié)構(gòu)低熱阻連接；或者傳熱直筒與一個熱匯采用一維移動副結(jié)構(gòu)低熱阻連接，所述熱匯與熱管熱端底端處低熱阻連接；傳熱直筒可沿集熱元件軸心線方向作前后移動；傳熱直筒的外端部形狀與罩玻璃管尾端內(nèi)表面相吻合；尾盒遮蓋所述集熱元件尾部與傳熱直筒的接觸處。
2.按照權(quán)利要求1所述的減壓空曬保護全玻璃真空熱管太陽能集熱裝置，其特征是所述罩玻璃管尾端內(nèi)表面低熱阻連接一個散熱貼片；散熱貼片與傳熱直筒的傳熱狀態(tài)根據(jù)熱力驅(qū)動器件的狀態(tài)改變而改變。
3.按照權(quán)利要求1所述的減壓空曬保護全玻璃真空熱管太陽能集熱裝置，其特征是散熱貼片與熱匯之間采用卡簧高熱阻連接；或者罩玻璃管尾端內(nèi)側(cè)與熱管熱端底端處通過一個卡簧高熱阻連接。
4.按照權(quán)利要求1所述的減壓空曬保護全玻璃真空熱管太陽能集熱裝置，其特征是所述熱力驅(qū)動器件為由一塊熱敏永磁鋼和一塊軟鐵構(gòu)成的熱敏永磁鋼驅(qū)動器件；熱敏永磁鋼通過一塊熱導與內(nèi)玻璃管或者熱管熱端低熱阻連接；軟鐵受約束可沿集熱元件軸心線方向作前后移動并通過傳動鋼絲與傳熱直筒傳動連接。
5.按照權(quán)利要求1所述的減壓空曬保護全玻璃真空熱管太陽能集熱裝置，其特征是所述集熱元件尾端為自集熱元件 尾端底部外表面起往前不超過集熱元件總長度6%的部分。
全文摘要
減壓空曬保護全玻璃真空熱管太陽能集熱裝置，由減壓空曬保護全玻璃真空熱管集熱元件、絕熱水箱和尾盒組成，減壓空曬保護全玻璃真空熱管集熱元件通過在集熱元件尾端真空隔熱層內(nèi)設置空曬保護器組成，空曬保護器由與熱管熱端傳熱連接的熱力驅(qū)動器件、與熱力驅(qū)動器件傳動連接或一體制造的傳熱直筒組成；熱力驅(qū)動器件包括熱敏永磁鋼、雙金屬片、記憶合金和膜盒驅(qū)動器件，其特征是傳熱直筒直接或通過一個熱匯與熱管熱端底端處采用一維移動副低熱阻連接，傳熱直筒的外端部形狀與罩玻璃管尾端內(nèi)表面相吻合。本發(fā)明采用一個小功率空曬保護器就可保證熱管內(nèi)部不超過2個大氣壓，并且不影響集熱元件正常工作。
文檔編號F24J2/05GK103225892SQ20131014086
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者施國樑 申請人:施侃超