專利名稱：帶中片減壓空曬保護器的真空集熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶中片減壓空曬保護器的真空集熱元件。
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(shè)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(lǐng)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(yīng)的飽和水蒸汽壓為28.53個大氣壓，對應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)計壽命。圖3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3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(yīng)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3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3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(yīng)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(shè)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保空曬發(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(shè)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(yīng)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)明的目的是要提供帶中片減壓空曬保護器的真空集熱元件。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案:在全玻璃真空集熱元件尾端的真空隔熱層內(nèi)，設(shè)置一個中片真空熱管集熱元件減壓空曬保護器，組成一支帶中片減壓空曬保護器的真空集熱元件。中片真空熱管集熱元件減壓空曬保護器，由一個以上中片真空熱管集熱元件減壓空曬保護傳熱通道組成。所述空曬保護傳熱通道由散熱貼片、熱匯、帶有與集熱元件內(nèi)玻璃管傳熱連接界面的熱力驅(qū)動器件、與熱力驅(qū)動器件傳動連接或者與熱力驅(qū)動器件一體制造的中片組成。所述空曬保護傳熱通道具有兩種穩(wěn)定狀態(tài):中片同時傳熱連接熱匯與散熱貼片時的開啟導熱狀態(tài)；中片不同時傳熱連接熱匯與散熱貼片時的關(guān)閉絕熱狀態(tài)。所述空曬保護傳熱通道的狀態(tài)根據(jù)熱力驅(qū)動器件狀態(tài)的改變而改變。所述散熱貼片帶有與罩玻璃管圓封端內(nèi)表面的低熱阻連接界面并帶有與中片的傳熱界面。還可以令所述熱匯含有與內(nèi)玻璃管或者熱管熱端底端處的低熱阻連接界面并含有若干向外翻邊沖孔；所述散熱貼片外表面的形狀與罩玻璃管圓封端內(nèi)表面的相吻合、所述散熱貼片所帶有的與中片的傳熱界面為若干向內(nèi)翻邊沖孔。還可以令所述熱匯與散熱貼片之間采用卡簧高熱阻連接；或者罩玻璃管尾端內(nèi)側(cè)與熱管熱端或者內(nèi)玻璃管尾端之間通過一個卡簧高熱阻連接。還可以令所述熱力驅(qū)動器件包括一塊熱敏永磁鋼和一塊軟鐵；熱敏永磁鋼通過熱導與內(nèi)玻璃管低熱阻連接；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中片傳動連接；中片帶有楔形傳熱界面。還可以令所述熱力驅(qū)動器件為一個與內(nèi)玻璃管或者熱管熱端低熱阻連接的雙金屬片熱力驅(qū)動器件或者記憶合金驅(qū)動器件或者膜盒驅(qū)動器件；中片的另一端通過一個彈簧與彈簧連接件連接。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)明帶中片減壓空曬保護器的真空集熱元件與插入其內(nèi)玻璃管內(nèi)腔的插入式熱管傳熱連接，構(gòu)成一支帶中片減壓空曬保護器的插入式熱管真空集熱元件。當所述插入式熱管集熱元件垂直或者傾斜布置集熱時，就可以采用對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(shè)計，空曬保護所需要的散熱功率可以大大減小。舉例:一支輸出70瓦的插入式玻璃熱管集熱元件，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)部溫度還有150°C以上，相應(yīng)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瓦的插入式玻璃熱管集熱元件，減壓空曬保護器只需10瓦散熱功率，就可以在空曬發(fā)生時以0.25毫升/分鐘的速率來吸收所述插入式熱管內(nèi)部的水?？諘耖_始約6分鐘后，其時雖然插入式熱管溫度升高約30°C，但插入式熱管熱端內(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插入式玻璃熱管的炸管問題。本發(fā)明采用一個小功率傳熱通道就可保證插入式熱管內(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。熱匯和散熱貼片采用翻邊沖孔作為傳熱界面，強度高、尺寸一致性好、制作方便。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、性能令人滿意。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1是一支帶中片減壓空曬保護器的真空集熱元件正視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1在散熱貼片4處的左視剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3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.熱力驅(qū)動器件；7.中片；8.向內(nèi)翻邊沖孔；9.向外翻邊沖孔；10.鋼絲卡黃；11.熱敏永磁鋼；12.軟鐵；
13.熱導；14.遮光板；15.檔板；16.傳動鋼絲；17.楔形傳熱界面；18.彈簧；19.彈簧連接件；20.連接板。
具體實施例方式圖1和圖2給出本發(fā)明一個實施例。圖1和圖2中，在一支全玻璃真空集熱管罩玻璃管2尾端與內(nèi)玻璃管3尾端之間的真空隔熱層內(nèi)，沿環(huán)形真空隔熱層圓周向均布四個中片真空熱管集熱元件減壓空曬保護傳熱通道。組成一支帶中片減壓空曬保護器的真空集熱元件。所述空曬保護傳熱通道用散熱貼片4、熱匯5、熱力驅(qū)動器件6、與熱力驅(qū)動器件6傳動連接的中片7組成。散熱貼片4外表面的形狀與罩玻璃管2圓封端內(nèi)表面的形狀相吻合并含有向內(nèi)翻邊沖孔8。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，低熱阻連接于內(nèi)玻璃管3即熱管I熱端底端處并含有向外翻邊沖孔9。熱匯5用卡簧壓貼于內(nèi)玻璃管3上。散熱貼片4、熱匯5之間用鋼絲卡簧10高熱阻連接為一體方便嵌入式裝配。熱力驅(qū)動器件6為由一塊熱敏永磁鋼11和一塊軟鐵12構(gòu)成的熱敏永磁鋼驅(qū)動器件，熱力驅(qū)動器件6的熱敏永磁鋼11通過熱導13與內(nèi)玻璃管3低熱阻連接。熱導13厚度0.22毫米、寬度20毫米、卷成筒形，用卡簧壓貼于內(nèi)玻璃管3上。熱敏永磁鋼11上面設(shè)置遮光板14，防止太陽光直射在處于真空隔熱層中的熱敏永磁鋼11使其誤動作。軟鐵12受兩側(cè)檔板15約束可沿集熱元件軸心線方向作前后移動。軟鐵12通過傳動鋼絲16與中片7左端傳動連接。中片7厚度0.22毫米、寬度2毫米約為真空隔熱層厚度的一半。中片7上制作 有楔形傳熱界面17。中片7的右端通過彈簧18與彈簧連接件19連接。彈簧連接件19固定于熱匯5上。熱導13、熱匯5兩者之間通過一片較窄的連接板20剛性高熱阻連接為一體。散熱貼片4、熱匯5、中片7、熱導13、遮光板14、檔板15的制作材料包括鋼板、鋁板和銅板。圖1和圖2實施例的工作原理:在全玻璃真空集熱管內(nèi)腔低熱阻連接一支插入式熱管構(gòu)成一支插入式熱管真空集熱元件，當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，太陽光在內(nèi)玻璃管3吸收膜上轉(zhuǎn)換為熱能，熱能通過內(nèi)玻璃管3傳遞給插入式熱管I內(nèi)部工質(zhì)使之汽化。由于插入式熱管I冷端溫度低于95°C，工質(zhì)蒸汽在壓差作用下流向冷端放熱并凝結(jié)成液體在重力作用下返回熱端并再度受熱汽化……如此周而復始實現(xiàn)兩相流換熱循環(huán)。此時，通過熱導13與內(nèi)玻璃管3低熱阻連接的熱敏永磁鋼11溫度達不到失磁溫度，熱敏永磁鋼11吸住軟鐵12將中片7往左拉，使中片7上的楔形傳熱界面17不接觸散熱貼片4和熱匯5 (如圖2中虛線三角形所示)?？諘癖Ｗo傳熱通道處于關(guān)閉絕熱狀態(tài)。集熱元件正常加熱。當集熱元件處于空曬狀態(tài)時，熱敏永磁鋼11溫度升高譬如達到100°C的臨界轉(zhuǎn)換點磁力消失，彈簧18將軟鐵12和中片7 —起往右拉，使中片7上的楔形傳熱界面17同時低熱阻連接散熱貼片4上的向內(nèi)翻邊沖孔8和熱匯5上的向外翻邊沖孔9 (如圖2中實線三角形所示)，空曬保護傳熱通道處于開啟導熱狀態(tài)，通過內(nèi)玻璃管3尾端管壁將所述插入式熱管I熱端的熱能通過空曬保護器源源不斷散失到環(huán)境。插入式熱管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，鉗制插入式熱管I內(nèi)部壓力始終處于低位，保證插入式熱管集熱元件不會炸管實現(xiàn)集熱元件的空曬保護。以后當集熱元件脫離空曬狀態(tài)后，熱敏永磁鋼11溫度降低磁力恢復并吸引軟鐵12使中片7上的楔形傳熱界面17與散熱貼片4上的向內(nèi)翻邊沖孔8和熱匯5上的向外翻邊沖孔9脫離接觸(如圖2中虛線三角形所示)，空曬保護傳熱通道處于關(guān)閉絕熱狀態(tài)，集熱元件又可正常工作。圖1和圖2實施例對于罩玻璃管直徑70、內(nèi)玻璃管直徑58的插入式熱管全玻璃真空集熱元件，不采用散熱貼片4和熱匯5，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實施例中的熱力驅(qū)動器件6改為雙金屬片熱力驅(qū)動片、或者改為記憶合金驅(qū)動片、或者改為膜盒驅(qū)動片也可以實現(xiàn)空曬時通過改變減壓空曬保護傳熱通道的狀態(tài)，使中片7上的楔形傳熱界面17同時低熱阻連接散熱貼片4上的向內(nèi)翻邊沖孔8和熱匯5上的向外翻邊沖孔9,來將工質(zhì)鎖定在插入式熱管I熱端底端處實現(xiàn)插入式熱管I內(nèi)部減壓的空曬保 護機制。
權(quán)利要求
1.帶中片減壓空曬保護器的真空集熱元件，在全玻璃真空集熱元件尾端的真空隔熱層內(nèi)，設(shè)置一個中片真空熱管集熱元件減壓空曬保護器組成；中片真空熱管集熱元件減壓空曬保護器，由一個以上中片真空熱管集熱元件減壓空曬保護傳熱通道組成；所述空曬保護傳熱通道由散熱貼片、熱匯、帶有與集熱元件內(nèi)玻璃管傳熱連接界面的熱力驅(qū)動器件、與熱力驅(qū)動器件傳動連接或者與熱力驅(qū)動器件一體制造的中片組成；所述空曬保護傳熱通道具有兩種穩(wěn)定狀態(tài):中片同時傳熱連接熱匯與散熱貼片時的開啟導熱狀態(tài)；中片不同時傳熱連接熱匯與散熱貼片時的關(guān)閉絕熱狀態(tài)；所述空曬保護傳熱通道的狀態(tài)根據(jù)熱力驅(qū)動器件狀態(tài)的改變而改變，其特征是所述散熱貼片帶有與罩玻璃管圓封端內(nèi)表面的低熱阻連接界面并帶有與中片的傳熱界面。
2.按照權(quán)利要求1所述的集熱元件，其特征是所述熱匯含有與內(nèi)玻璃管或者熱管熱端底端處的低熱阻連接界面并含有若干向外翻邊沖孔；所述散熱貼片外表面的形狀與罩玻璃管圓封端內(nèi)表面的相吻合、所述散熱貼片所帶有的與中片的傳熱界面為若干向內(nèi)翻邊沖孔。
3.按照權(quán)利要求1所述的集熱元件，其特征是所述熱匯與散熱貼片之間采用卡簧高熱阻連接；或者罩玻璃管尾端內(nèi)側(cè)與熱管熱端或者內(nèi)玻璃管尾端之間通過一個卡簧高熱阻連接。
4.按照權(quán)利要求1所述的集熱元件，其特征是所述熱力驅(qū)動器件包括一塊熱敏永磁鋼和一塊軟鐵；熱敏永磁鋼通過熱導與內(nèi)玻璃管低熱阻連接；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中片傳動連接；中片帶有楔形傳熱界面。
5.按照權(quán)利要求1所述的集熱元件，其特征是所述熱力驅(qū)動器件為一個與內(nèi)玻璃管或者熱管熱端低熱阻連接的雙金屬片熱力驅(qū)動器件或者記憶合金驅(qū)動器件或者膜盒驅(qū)動器件；中片的另一端通過一個彈簧與彈簧連接件連接。
6.按照權(quán)利要求1所述的集熱元件，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
帶中片減壓空曬保護器的真空集熱元件，在全玻璃真空集熱管的罩玻璃管尾端與內(nèi)玻璃管尾端之間的真空隔熱層內(nèi)，設(shè)置中片減壓空曬保護器組成；中片減壓空曬保護器由一個以上空曬保護傳熱通道組成，空曬保護傳熱通道由散熱貼片、熱匯、帶有與內(nèi)玻璃管傳熱連接界面的熱力驅(qū)動器件、與熱力驅(qū)動器件傳動連接或一體制造的中片組成；空曬保護傳熱通道有兩種穩(wěn)定狀態(tài)中片同時傳熱連接熱匯與散熱貼片時的開啟導熱狀態(tài)；中片不同時傳熱連接熱匯與散熱貼片時的關(guān)閉絕熱狀態(tài)，其特征是散熱貼片含有與罩玻璃管圓封端內(nèi)表面的低熱阻連接界面和與中片的傳熱界面。本發(fā)明用10瓦散熱功率就可保證70瓦集熱元件熱管壓力不超過2個大氣壓、可靠性高。
文檔編號F24J2/32GK103225897SQ20131014204
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:海寧伊滿閣太陽能科技有限公司