專利名稱：太陽能熱水器的制作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能熱水器，尤其涉及一種帶有振蕩熱管或者熱管的太陽能熱水 器。
背景技術：
太陽能熱水器是利用太陽的能量將水從低溫度加熱到高溫度的裝置，其核心部件 是集熱器，集熱器性能的好壞對熱水器性能起決定性作用。經過半個世紀的發展，太陽能熱 水器的技術已經日益成熟，其種類也逐漸增多。根據其集熱器類型的不同，目前最為常用的 太陽能熱水器是真空管型太陽能熱水器和平板型太陽能熱水器，尤其在我國，真空管型太 陽能熱水器已經得到大規模應用。近幾年，熱管作為一種高效的導熱裝置開始在太陽能熱 水器中得到應用，熱管太陽能熱水器也開始逐漸應用。以上幾種太陽能熱水器的集熱器經 過不斷的發展完善，都得到了廣泛的應用，但是隨著科學技術的發展以及環保等方面的要 求提高，它們的缺點逐漸暴露出來，為了保證水的自然循環，水箱必須置于上端的單一結構 以及固定的安裝位置和必須的傾斜角度的缺點暴露的最為顯著。這些弊端到目前為止都沒 有得到很好的解決，整個行業都處于一種低技術含量的水平上，大企業相對于小企業幾乎 無優勢可言，行業整合勢在必行。 振蕩熱管作為一種新型換熱裝置，它與普通熱管相比差異很大。它具有體積小、結 構簡單、成本低等特點；振蕩熱管的傳熱性能與普通熱管相比有較大差異，其內部不僅存在 相變傳熱，還存在由于汽液振蕩所造成的顯熱傳遞，它沒有普通熱管所有的那些極限限制， 因此其傳熱性能大大優于普通熱管；而且振蕩熱管的適應性好，可以隨意彎曲、可以存在多 個加熱端和冷卻端。當然，振蕩熱管也存在許多不足，比如其直徑不能過大和過小，否則無 法完成振蕩循環，管式振蕩熱管無法完成對平面式發熱面的有效散熱，板式振蕩熱管也由 于其與發熱面的有效接觸面積有限而限定了其性能的發揮。專利振蕩流熱管復合強化太陽 能熱水器(200510001977. 6)就是在太陽能熱水器中利用振蕩熱管強化了熱水器的傳熱效 果，減小了熱水器的換熱面積。但是該專利中，振蕩熱管只是一個簡單的復合，原來真空管 式太陽能熱水器自然對流的換熱模式還保留，熱水器本身原有的結構和部件沒有減少，原 材料消耗增加，加工及組裝難度也增大，其成本的增加是顯而易見的，而振蕩熱管超強換熱 能力沒有被充分的利用。現有熱管型太陽能熱水器其應用與上述專利中對振蕩熱管的應用 相似。眾所周知，太陽能熱水器為了吸收太陽輻射熱，太陽能熱水器的安裝必須與水平面 成一定角度，因此它只能安裝于屋頂，或者以傾斜角度置于墻壁側面(壁掛式太陽能熱水 器)，這不僅大大增加了安裝的成本與難度，而且嚴重影響了建筑外觀。
發明內容
本發明針對現有技術中的不足提出了一種能夠高效吸熱、無需傾斜安裝的帶有傾 斜翅片振蕩熱管或熱管集熱器的太陽能熱水器。
本方案是通過如下技術措施實現的一種太陽能熱水器，包括帶有進出水口的水
3箱，集熱器，其特征是所述集熱器包括箱體和布置在箱體中的至少一列集熱管，所述箱體包 括上部箱體和下部箱體兩部分，所述集熱管貫穿于箱體上下兩部分之中，箱體上部圍繞集 熱管冷凝端充滿熱媒形成密閉的集熱器換熱腔并居中設置檔流隔板，擋流隔板上下分別設 置有熱媒進口和熱媒出口 ；在所述水箱中設置有換熱器，所述換熱器的進口和出口自然延 伸至水箱外分別與所述集熱器上部的熱媒進口和熱媒出口連通；所述集熱管為熱管和/或 振蕩熱管。 本方案的具體特點還有，所述水箱和集熱器分體設置，換熱器的進出口分別與集 熱器熱媒進口和熱媒出口通過管路連通，有效減少外掛部分的體積和重量，降低成本，解決 防凍問題。 所述熱媒是乙二醇水溶液，其冷凝溫度可以達到_35°C ，有效解決室外設置的集熱 器的防凍問題。 在所述位于下部箱體中的集熱管表面層疊設置有導熱翅片，所述導熱翅片所在的
面與集熱管軸線相交并與入射太陽光垂直；有效增大吸熱面積。所述導熱翅片呈傘狀套裝
在集熱管表面，最大限度地吸收太陽能。所述導熱翅片為片狀。 在所述位于上部箱體中的集熱管表面設置有換熱翅片，增大換熱面積。 在所述下部箱體的上表面覆蓋玻璃鋼蓋板。 翅片表面涂以選擇性吸收涂層，翅片與集熱管間釬焊連接，幾乎沒有熱阻，這樣熱 量會迅速由翅片導給振蕩熱管或者熱管加熱端。 所述熱管、振蕩熱管以及導熱翅片和換熱翅片的材料為紫銅或者鋁合金，本換熱 器在其材料選擇上主要考慮的是高導熱系數的金屬，金屬的導熱系數主要取決于材料的種 類和溫度，可根據需要選擇不同的金屬，一般散熱模塊的核心選擇有色金屬材料中導熱系 數較高的紫銅，其導熱系數高達388W/K. m，而為了降低整個集熱器的重量，翅片也可選用鋁
A會 所述振蕩熱管或者熱管的管徑為2-5毫米，為了易于加工通常采用5毫米管；管 內進行抽真空操作，壓力為1 X 10—1 1 X 10—2Pa ;管內封裝工質，工質為超純水、乙醇或者丙 酮。 所述導熱翅片是布置在振蕩熱管或者熱管加熱端外的傾斜翅片，其傾斜角度根據 熱水器使用地的太陽光入射角進行預先的設計，導熱翅片可以是傘狀或者錯層等傾斜翅 片，上下兩層導熱翅片間做到陽光入射時不遮擋，導熱翅片可順排布置也可交叉布置。
所述集熱器包括由下部箱體形成的保溫腔和由上部箱體形成的換熱腔，兩個腔體 相連。保溫腔為頂端開口的方腔，方腔材料可為金屬或者非金屬，方腔內敷設保溫棉，方腔 頂端開口由光電玻璃板密封，振蕩熱管或者熱管加熱端置于保溫腔內以吸收太陽光輻射 熱。換熱腔同為頂端開口方腔，方腔材料為金屬或者非金屬，換熱腔與保溫腔連接處以及 方腔頂端水密封并作保溫處理，振蕩熱管或者熱管冷凝端置于保溫腔內以與熱媒進行熱交 換，振蕩熱管或者熱管外表面敷設換熱翅片以增強換熱效果，方腔內充注乙二醇水溶液，方 腔設置熱媒出入口并通過管道與儲水箱相連。 所述儲水箱為金屬箱體，材料為不銹鋼或者其它適當的金屬材料，箱體內置鎂棒 和換熱管路，換熱管路兩端分別與集熱器換熱腔熱媒進出口相連，箱體帶有進出水口 ，箱體 外包保溫層。
所述進出水管道為金屬或非金屬軟管，管道室外部分外包保溫層。
本方案的有益效果可根據對上述方案的敘述得知，本發明所設計太陽能熱水器的核心吸熱部件是帶有導熱翅片的集熱器，以振蕩熱管或者熱管作為主要的換熱核心部件。集熱器加熱端外表面的傾斜翅片涂以選擇性吸收涂層，并與振蕩熱管釬焊連接。導熱翅片的傾斜角度根據當地太陽光入射角確定(基本相當于當地緯度)，整個集熱器無需傾斜放置。導熱翅片最大限度的吸收太陽輻射熱并將熱量導給振蕩熱管加熱端。振蕩熱管或者熱管內工質在低壓下蒸發溫度不超過30攝氏度(溫度可根據壓力不同而改變)，因此太陽光輻射熱很容易使工質蒸發，工質蒸發吸收熱量，同時迅速將熱量傳導至集熱器冷凝端，并在冷凝端與熱媒發生熱交換，熱媒在管路內通過自然對流循環，也可根據實際情況采用泵驅動熱媒循環以增強換熱效率。通過對本發明所述帶有傾斜翅片的熱管進行測量，熱管豎直放置，7月份正午日照正常情況下其冷凝端峰值溫度可達111. 5攝氏度；振蕩熱管冷凝端峰值溫度112攝氏度且其達到峰值速度要快于熱管。同時，對本發明所述熱管或振蕩熱管型集熱器進行測試，7月份正常日照，測得其日有用得熱量都在11MJ/m2以上，平均熱損因數小于10W/(m3 *K)。綜上所述，本發明中帶有導熱翅片的振蕩熱管或者熱管集熱器的優點是顯而易見的，如下(l)振蕩熱管或者熱管加熱端布置帶有選擇性吸收涂層的傾斜翅片，該設計方式可以使集熱器水平或者豎直放置時保證入射太陽光與導熱翅片表面垂直，同時該設計具有增大吸熱面積、降低安裝成本及要求、與建筑物外形相符等特點。(2)以振蕩熱管或者熱管作為換熱核心部件，可以在最短的時間內高效的將熱量帶給冷水，它具有結構簡單、啟動溫度低、傳熱快、熱效率高、成本低、耐壓抗凍等特點；這使得集熱其不僅可以高效的吸收太陽光輻射熱，而且在光照不足時，可以最大限度的快速吸收環境中的熱量。綜合上述兩點，所發明的熱水器無需傾斜放置而可以快速高效的吸收太陽輻射熱。因此本發明與現有技術相比，實現了技術目的。
下面結合附圖對本發明作進一步詳細地描述。 圖1為普通太陽能熱水器集熱原理示意圖；圖2為傾斜翅片式太陽能熱水器集熱原理示意圖(集熱器豎直放置，傘狀傾斜翅片)；圖3為傾斜翅片式太陽能熱水器集熱原理示意圖(集熱器豎直放置，錯層傾斜翅片)；圖4為傾斜翅片式太陽能熱水器三維效果圖；圖5為集熱器水平放置(傘狀傾斜翅片)光照示意圖；圖6為集熱器水平放置(錯層傾斜翅片)光照示意圖。 圖中，1、水箱，2、真空集熱管，3、冷水下行，4、太陽光入射方向，5、熱水上行，6、水，7、鎂棒，8、換熱器，9、進水口， 10、出水口， 11、熱媒冷側下行管路，12、熱媒熱側上行管路，13、熱媒，14、擋流隔板，15、熱媒出口 ， 16、熱媒進口 ， 17、傘狀翅片，18、換熱翅片(熱管或振蕩熱管冷凝端)，19、片狀翅片，20、換熱腔，21、保溫腔，22、集熱管，23、集熱器。
具體實施例方式
如圖1所示，該模式是現有真空管太陽能熱水器的工作原理示意圖。其主要工作原理就是利用真空集熱管吸收太陽輻射熱并與集熱管內的水進行熱交換，集熱管內的水與儲水箱內的水通過自然對流循環。該熱水器結構簡單，但是這種熱水器卻存在很多缺陷，首先，在該方案中，集熱管中的水依靠自然對流吸收太陽光輻射熱，這種結構的熱水器要求啟動溫度較高，水循環速度慢導致其對太陽輻射熱的吸收速度也慢。尤其當光照條件較差時，該熱水器幾乎無法使用。其次，以玻璃為主要材質的真空集熱管的可靠性較低，單根集熱管的泄漏都能造成整臺熱水器無法使用，尤其遇到冰雹天氣，其損壞會更加嚴重。第三，該結構熱水器為了能夠有效吸收太陽光輻射熱，要求集熱器必須傾斜放置，以保證集熱器表面與太陽光入射方向垂直，這種安裝方式對安裝環境要求較高，必須安裝在房頂，不能適應現有的建筑結構，其可靠性較差，安裝成本較高。雖然壁掛式太陽能熱水器在高層建筑中開始應用，但始終無法擺脫傾斜放置的弊端，這就必須在為其設置傾斜安裝空間。因此這種結構形式的熱水器都不能很好的與建筑的頂部或者壁面結合，或者說無法將熱水器作為建筑的頂部或者壁面的一部分來使用，沒有實現完全意義上的建筑一體化。 如圖2所示， 一種太陽能熱水器，包括帶有進出水口的水箱1 ，集熱器23，所述集熱器23包括箱體和布置在箱體中的至少一列集熱管22，所述箱體包括上部箱體和下部箱體兩部分，所述集熱器包括由下部箱體形成的保溫腔21和由上部箱體形成的換熱腔20，兩個腔體相連。所述集熱管22貫穿于箱體上下兩部分之中，箱體上部圍繞集熱管冷凝端充滿熱媒形成密閉的集熱器23換熱腔20并居中設置檔流隔板14，擋流隔板14上下分別設置有熱媒進口 16和熱媒出口 15 ;在所述水箱1中設置有換熱器8，所述換熱器8的進口和出口自然延伸至水箱1外分別與所述集熱器23上部的熱媒進口 16和熱媒出口 15連通；所述集熱管22為熱管或振蕩熱管。所述水箱1和集熱器23分體設置，換熱器8的進出口分別與集熱器熱媒進口 16和熱媒出口 15通過管路連通，有效減少外掛部分的體積和重量，降低成本，解決防凍問題。所述熱媒是乙二醇水溶液，其冷凝溫度可以達到_35°C ，有效解決室外設置的集熱器的防凍問題。 在所述位于下部箱體中的集熱管22表面層疊設置有導熱翅片，有效增大吸熱面積。所述導熱翅片為傘狀翅片17套裝在集熱管22表面，最大限度地吸收太陽能。所述導熱翅片為片狀翅片19，片狀翅片19所在平面與集熱管22軸線相交。在所述位于上部箱體中的集熱管22表面設置有換熱翅片18，增大換熱面積。在所述下部箱體的上表面覆蓋玻璃鋼蓋板。 導熱翅片表面涂以選擇性吸收涂層，導熱翅片與集熱管22間釬焊連接。
這是本發明的工作模式，這一模式從根本上改變了太陽能熱水器傾斜放置的弊端，解決了由此產生的諸多矛盾，采用將傾斜面分散布置的方法，實現水平(圖5-6)或者豎直(圖2-3)放置時與傾斜面產生同樣吸收效果。同時該方案中引入振蕩熱管或者熱管作為其核心的導熱部件，實現了低溫啟動，快速導熱，防冰防壓等高可靠性的優點。在該方案中，在振蕩熱管或熱管加熱端外表面的傾斜翅片，當集熱器豎直或者水平放置時都能保證導熱翅片表面與太陽光入射方向垂直，導熱翅片表面涂選擇性吸收涂層以對入射光高效吸收，導熱翅片與振蕩熱管或者熱管之間采用釬焊連接，幾乎沒有熱阻，這樣熱量會迅速由導熱翅片傳導給振蕩熱管或者熱管加熱端。在振蕩熱管中，工質在低壓下受熱蒸發并吸收熱量，蒸汽推動振蕩熱管內的液柱，汽液混合物到達振蕩熱管冷凝端(集熱器換熱箱部分)，在冷凝端，蒸汽將熱量通過冷凝端管路以及管路上的換熱翅片將熱量導給低溫熱媒并冷凝，冷凝的液體受后面汽液混合物的推動繼續前進回到加熱端，這樣振蕩熱管內的循環就完成了 。熱媒受熱后向上流動，低溫熱媒繼續受熱，這樣通過自然對流熱媒就將熱量通過管路帶到儲水箱，在儲水箱高溫熱媒將熱量導給冷水，熱媒降溫回到集熱器，這樣熱媒也完成 循環，冷水被加熱。當然也可以根據需要添加一個泵驅動熱媒加速循環，增強換熱效率。在 熱管中，只有熱管內的傳熱機理與振蕩熱管有所區別，其它部分的熱量傳遞過程相同。在熱 管內部，工質在低壓下蒸發并吸收熱量，蒸汽上升在熱管冷凝端(集熱器換熱腔)冷凝變為 液體并放出熱量，將熱量導給低溫熱媒，冷凝后的工質通過細液芯回到加熱端完成循環。因 此本發明的復合型散熱系統可以高效進行散熱。 本發明中振蕩熱管或者熱管與傾斜翅片的連接要求非常緊湊，不能有空隙，否則 影響換熱，因此本發明擬采用釬焊技術對振蕩熱管或者熱管和翅片進行焊接。本發明選用 紫銅作為振蕩熱管或者熱管的材料，翅片采用銅片或者鋁片，其布置形式有傘狀或者錯層 布置，如圖2所示。 導熱翅片布置角度和排列形式可以根據實際需要設計，以保證集熱器能夠不低于 傳統傾斜放置太陽能熱水器的吸熱能力。
權利要求
一種太陽能熱水器，包括帶有進出水口的水箱，集熱器，其特征是所述集熱器包括箱體和至少一列集熱管布置在箱體中的，所述箱體包括上部箱體和下部箱體兩部分，所述集熱管貫穿于箱體上下兩部分之中，箱體上部圍繞集熱管冷凝端充滿熱媒形成密閉的集熱器換熱腔并居中設置檔流隔板，擋流隔板上下分別設置有熱媒進口和熱媒出口；在所述水箱中設置有換熱器，所述換熱器的進口和出口自然延伸至水箱外分別與所述集熱器上部的熱媒進口和熱媒出口連通；所述集熱管為熱管和/或振蕩熱管。
2. 根據權利要求1所述的太陽能熱水器，其特征是所述水箱和集熱器分體設置，換熱 器的進出口分別與集熱器熱媒進口和熱媒出口通過管路連通。
3. 根據權利要求1所述的太陽能熱水器，其特征是所述熱媒是乙二醇水溶液。
4. 根據權利要求1所述的太陽能熱水器，其特征是在所述位于下部箱體中的集熱管表 面層疊設置有導熱翅片，所述導熱翅片所在的面與集熱管軸線相交并與入射太陽光垂直。
5. 根據權利要求4所述的太陽能熱水器，其特征是所述導熱翅片表面涂以選擇性吸收 涂層。
6. 根據權利要求4所述的太陽能熱水器，其特征是所述導熱翅片與集熱管間釬焊連接。
7. 根據權利要求4所述的太陽能熱水器，其特征是所述導熱翅片呈傘狀套裝在集熱管 表面。
8. 根據權利要求4所述的太陽能熱水器，其特征是所述導熱翅片為片狀。
9. 根據權利要求1所述的太陽能熱水器，其特征是在所述位于上部箱體中的集熱管表 面設置有換熱翅片。
10. 根據權利要求1所述的太陽能熱水器，其特征是在所述下部箱體的上表面覆蓋玻 璃鋼蓋板。
全文摘要
一種太陽能熱水器，包括帶有進出水口的水箱，集熱器，其特征是所述集熱器包括箱體和至少一列集熱管布置在箱體中，所述箱體包括上部箱體和下部箱體兩部分，所述集熱管貫穿于箱體上下兩部分之中，箱體上部圍繞集熱管冷凝端充滿熱媒形成密閉的集熱器換熱腔并居中設置擋流隔板，擋流隔板上下分別設置有熱媒進口和熱媒出口；在所述水箱中設置有換熱器，所述換熱器的進口和出口自然延伸至水箱外分別與所述集熱器上部的熱媒進口和熱媒出口連通；所述集熱管為熱管和/或振蕩熱管。本發明主要用于制造太陽能熱水器。
文檔編號F24J2/32GK101769641SQ201010107959
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月10日 優先權日2010年2月10日
發明者劉志剛, 張承武, 管寧 申請人:山東省科學院能源研究所