專利名稱：高體表面比的吸收器宏觀微結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種輻射能吸收器的表面結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)太陽能熱水器的集熱器，從最初的悶曬箱式到當(dāng)前的真空玻管式，吸收器總體框架都是平板。雖曾出現(xiàn)過曲面箱體和加有凹凸、蜂窩、波紋或翅片等處理的吸收器設(shè)計(jì)。但都是針對(duì)陽光在做文章，效果也不甚明顯。

發(fā)明內(nèi)容本人設(shè)計(jì)的《全天候集熱裝置》ZL 02201579.5提出了對(duì)太陽(可見光)及環(huán)境(不可見光)兩種輻射源利用率的問題。
因?yàn)殛柟馔渡涞姆轿唤?時(shí)角)和俯仰角(高度角)均隨時(shí)刻、季節(jié)、緯度不斷地變化，所以吸收面積與入射角(投射方向與吸收面法線的夾角)相關(guān)，當(dāng)入射角為90°時(shí)，實(shí)際吸收面積為零。因此，吸收面不跟蹤太陽，必然效率不高。根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)原理，跟蹤并非一定要吸收面主動(dòng)，靜止的縱軸旋轉(zhuǎn)面已能“以靜制動(dòng)”保證經(jīng)向一致，旋轉(zhuǎn)面若為球形，進(jìn)而排除了緯向的差異。即無論太陽以任何時(shí)角和高度角照射，迎光面恒為半球面。從而可由簡單結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)最大程度地全方位。不過，光滑的球面雖然表面積大于球體的投影(正截面)面積，投射輻射的采集效率并不一定比面積等于投影面積的平板高。這是因?yàn)?，視陽光為平行?太陽立體角為32′)，球面上除了頂點(diǎn)O之外，任何一點(diǎn)(例如O′點(diǎn))處，都因反射而有損失，為圖1中的Ef1。眾所周知，采集面積越大，吸收的輻射能越多。然而，一味增大平面或立體結(jié)構(gòu)的表面積，終會(huì)受到使用環(huán)境和造價(jià)的制約。
綜合考慮反射損失和擴(kuò)大有效吸收面積，最合理的辦法是粗糙其表面。例如噴砂、拉毛、打孔、開槽、加翅板。因?yàn)檫@種粗糙對(duì)于微觀足夠大，對(duì)于結(jié)構(gòu)整體足夠小，故稱之為宏觀微結(jié)構(gòu)。
以上所述是就投射輻射的探討，針對(duì)自然輻射能的“地球—大氣系統(tǒng)”的環(huán)境而言，球形吸收器不僅迎光面對(duì)可見光和不可見光吸收，而且投射輻射的球面陰影區(qū)，依然是漫射能量的吸收面，白晝對(duì)投射輻射予以增強(qiáng)，黑夜則是賴以支持運(yùn)行的重要部分。
基于此意圖，設(shè)計(jì)出一種高體表面比的吸收器宏觀微結(jié)構(gòu)，其特征是宏觀微結(jié)構(gòu)由若干個(gè)單元拼裝組成。
所述的高體表面比的吸收器宏觀微結(jié)構(gòu)，其特征是每個(gè)單元由若干個(gè)金屬材質(zhì)(以保證徑向?qū)崧?的聯(lián)體子單元構(gòu)成，其底面和頂面的曲率與集熱器球面曲率一致，底面和頂面的球心角相等(以保證拼接界面吻合)。
所述的高體表面比的吸收器宏觀微結(jié)構(gòu)，其特征是；聯(lián)體子單元上有規(guī)律地分布一定數(shù)量的柱形盲孔微元，其柱面均相互平行。
所述的高體表面比的吸收器宏觀微結(jié)構(gòu)，其特征是聯(lián)體子單元的所有微元的表面均勻粗化、鈍化發(fā)黑。
所述的高體表面比的吸收器宏觀微結(jié)構(gòu)，其特征是聯(lián)體子單元相互焊或粘接成完整的殼體。
其旨在有效吸收面積的提高。由于表面粗糙帶來表面增大(稱為附加面積)，吸收器對(duì)于漫射大擴(kuò)展源的能量，吸收器粗糙表面上無論是法線還是切線方向的任一個(gè)微元總有對(duì)應(yīng)其法向投射的輻射源，于是，對(duì)于空間存在的漫射源的有效吸收面積便劇增為整個(gè)微結(jié)構(gòu)表面積之總和。對(duì)于投射輻射(主要是太陽)，微元的側(cè)立面將反射投向相鄰或?qū)γ娴膫?cè)立面，而不是投向球面以外，如圖2中的Ef2，形成多次反射，多次吸收。其結(jié)果使截獲面不再是立體結(jié)構(gòu)迎光面的投影面積，而是表面積與附加面積之和，故宏觀微結(jié)構(gòu)對(duì)增大投射輻射的有效吸收也有積極貢獻(xiàn)。
從而可得出結(jié)論本設(shè)計(jì)的采集面的形狀實(shí)現(xiàn)了對(duì)全方位輻射(投射和漫射)的自跟蹤；宏觀微結(jié)構(gòu)則成倍地提高了全譜輻射(可見光和不可見光)的有效吸收面積。


圖1-光滑球面的反射；圖2-粗糙球面的反射；圖3-正三角形微元連續(xù)示意圖；圖4-正方形微元連續(xù)示意圖；圖5-正六邊形微元連續(xù)示意圖；圖6-圓微元連續(xù)示意圖；圖7-實(shí)例宏觀微結(jié)構(gòu)分布正視示意圖；圖8-實(shí)例宏觀微結(jié)構(gòu)分布背視示意圖；圖9-正六邊形單元示意圖10-正五邊形單元示意圖。
圖11-聯(lián)體子單元頂視示意圖。
圖符數(shù)碼1～12正五邊形單元序號(hào)；數(shù)碼①～ 正六邊形單元序號(hào)；a-邊長R-外接圓半徑；F-法線方向；Er-投射輻射強(qiáng)度；11-球面；21-盲孔底面；Ef1、Ef2-分別為球面和盲孔側(cè)面的反射輻射；51-正六邊形單元； 52-正六邊形聯(lián)體子單元；53-正五邊形單元； 54-正五邊形聯(lián)體予單元；6-等腰三角形聯(lián)體子單元；61-微元。
具體實(shí)施方式
數(shù)學(xué)推導(dǎo)出相同外接圓的多邊形(即微元類型，見圖3～圖6)的周長不同，因此，相同深度的盲孔的立向附加表面積也就不同，見附表。從附表看出三角形微元結(jié)構(gòu)最理想，其盲孔邊圍附加的面積達(dá)到原球表面積的八倍以上，正方形也只增大五倍，其它形狀均不超過四倍。
球形吸收器殼體的所有微元61的邊圍立面(或形心軸)理想的方向應(yīng)該是與吸收器球面的法線F一致，作成整體結(jié)構(gòu)是不可能的。故采取組拼模式，將微結(jié)構(gòu)層分割為若干片，以形心軸局部平行保證脫模工藝，整體放射以求全方位仿真。經(jīng)理論推導(dǎo)微結(jié)構(gòu)球形整體可由12個(gè)正五邊形單元53和20個(gè)正六邊形單元51組成，如圖7、圖8。
為最大限度地提高微元形心軸全球放射狀仿真度，正多邊形單元再分割為若干等腰三角形聯(lián)體子單元6。正六邊形單元51由6個(gè)等腰三角形聯(lián)體子單元52構(gòu)成，如圖9；正五邊形單元53，則采取5個(gè)等腰三角形聯(lián)體子單元54構(gòu)成，如圖10。為保證正五邊形與正六邊形的銜接，兩種聯(lián)體子單元的腰雖然不等長(r1≠r2)，底卻必須相等(均為a)。
為進(jìn)一步提高體表面比，等腰三角形聯(lián)體子單元6再劃分出若干個(gè)小等腰三角形微元61，微元61數(shù)越多，體表面比也就越大。限于加工難度，三角形聯(lián)體子單元6的底邊折中確定為6個(gè)微元61，高度方向劃為6層，每個(gè)三角形聯(lián)體子單元6包含36個(gè)微元61，見圖11。整個(gè)微結(jié)構(gòu)層共有微元(6×20+5×12)×36＝6480個(gè)。
正五邊形和正六邊形的等腰三角形聯(lián)體子單元的幾何參量可以由下列聯(lián)立方程組逐一求出。
注意，前面所述的正多邊形及等腰三角形均不是平面幾何形體，而全部是立體球形曲面。下列公式中的α(＝ω＝γ)、β、δ、ε、θ分別為各相關(guān)多邊形的邊、腰之弧線所對(duì)應(yīng)的球心角。
[附表] 單位面積50×50(mm2)盲孔深度10(mm)
權(quán)利要求1.一種高體表面比的吸收器宏觀微結(jié)構(gòu)，其特征是宏觀微結(jié)構(gòu)由若干個(gè)單元拼裝組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高體表面比的吸收器宏觀微結(jié)構(gòu)，其特征是每個(gè)單元由若干個(gè)金屬材質(zhì)聯(lián)體子單元構(gòu)成，其底面和頂面的曲率與集熱器球面曲率一致，底面和頂面的球心角相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高體表面比的吸收器宏觀微結(jié)構(gòu)，其特征是聯(lián)體子單元上有規(guī)律地分布一定數(shù)量的柱形盲孔微元，其柱面均相互平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高體表面比的吸收器宏觀微結(jié)構(gòu)，其特征是聯(lián)體子單元的所有盲孔微元的表面均勻粗化、鈍化發(fā)黑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高體表面比的吸收器宏觀微結(jié)構(gòu)，其特征是聯(lián)體子單元相互焊或粘接成完整的殼體。
專利摘要本實(shí)用新型是一種高體表面比的吸收器宏觀微結(jié)構(gòu)。采取組拼模式，形成球形吸收器殼體，將其分割為若干片，以微元形心軸局部平行保證脫模工藝，整體放射“以靜制動(dòng)”獲得全方位仿真。對(duì)于漫射大擴(kuò)展源的能量，無論是法線還是切線方向的任一個(gè)微元總有對(duì)應(yīng)其法向投射的輻射源；無論太陽以任何時(shí)角和高度角照射，迎光面恒為半球面；特別是微元的立面的將反射投向相鄰或?qū)γ娴膫?cè)立面，而不是投向球面以外，結(jié)果使截獲面不再是迎光面的投影面積，故對(duì)增大投射輻射的有效吸收也有積極貢獻(xiàn)。
文檔編號(hào)F24J2/48GK2643248SQ0326558
公開日2004年9月22日 申請(qǐng)日期2003年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月10日
發(fā)明者徐衛(wèi)河 申請(qǐng)人:徐衛(wèi)河