专利名称：内聚光式金属－玻璃真空管太阳热水器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能利用技术。
背景技术：
现有全玻璃真空管太阳热水器普遍存在以下问题运行安全问题玻璃管直接与被加热流体接触，由于玻璃易碎、易裂，极易造成系统瘫痪；密封可靠问题玻璃管与金属器的硅胶密封圈寿命及密封可靠性不能满足建筑行业需要；水垢清理问题由于玻璃是盲管形式，流体在玻璃管中的加热温度又恰恰在钙、镁离子易于氧化析出的范围，水垢沉积清理问题很麻烦；承压运行问题硅胶密封及玻璃的脆性都决定了系统不能承压运行，限制了承压式热水器及大型系统的应用；集热器寿命问题玻璃管的绝热性能依赖真空夹层，真空度的保持年限无法达到建筑行业需要；全年水温不均衡问题现有的普通太阳能热水器冬天的水温太低，根本不能使用，夏天的水温却太高，影响了太阳能热水器的使用寿命。因为水温高于90℃非常容易产生水垢，这就使真空管内壁增厚，影响传热效果，直接导致太阳能热水器使用寿命的缩短。跟踪问题由于跟踪装置结构非常复杂，部件很多，造价很高，容易出故障，存在运行不稳定等不利因素；高效聚热管低效聚热器问题热水真空管热水器基本上是紧凑直插式，长1.2米的真空管内取不出来的热水，每支管子达0.9公斤，按粗略计算，每平方米(10支管子)热水器有约9公斤热水无法使用(占总容水量9％～10％)；聚热管管内和管间存在2～3.5厘米的漏光间隙，即使装上反光板也由于效果不佳，太阳光有效利用率仅60～70％；CPC安装精度问题如果在制造或安装过程中存在误差，光线入射角稍大于CPC最大入射半角就会有一部分光线不能会聚到吸收体上导致集热效率下降。热水温度问题由于全玻璃真空管是非聚光，热水温度只能达到80～90℃，而绝大数工业应用要求热水温度100～200℃。
发明内容
本发明的目的是提供一种可靠的高效中高温太阳热水器。
本发明的热水器技术方案可有效解决上述问题。本发明的热水器由内聚光式金属-玻璃真空聚热器、跟踪式支架、分离式储热水箱和其他配件组成。
本发明的内聚光式金属-玻璃真空聚热器由包括CPC玻璃聚光真空管、金属吸热管、金属-玻璃热压接头、吸气罐等内聚光式金属-玻璃真空聚热管组成。
本发明的CPC玻璃聚光真空管分圆弧形太阳光透光区和CPC太阳光反光区。圆弧形透光区和CPC太阳光反光区平滑过渡连接。CPC玻璃聚光真空管的上内表面为圆弧状太阳光透光区。根据抛物线和渐开线的特点及边缘光线原理将CPC玻璃聚光真空管的下内表面设计成CPC复合抛物面聚光器。由抛物线和渐开线构成CPC玻璃聚光真空管的下内表面，即CPC太阳光反光区。在CPC表面设有高反射镜面涂层。CPC玻璃聚光真空管设有红外线反射涂层。
本发明的金属吸热管为弓形金属吸热管，金属吸热管外表面附有太阳能中高温选择性吸收膜。由于金属和玻璃的膨胀系数不匹配，热胀冷缩将产生破坏性应力，同时也为了使金属吸热管处于CPC玻璃聚光真空管反射光线的焦点内，金属吸热管的两端各被弯成Z形。整根金属吸热管呈弓形。
金属吸热管穿过CPC玻璃聚光真空管。金属吸热管与CPC玻璃聚光真空管两端用金属-玻璃接头封接。金属吸热管与接头的金属盖焊接；CPC玻璃聚光真空管与接头的玻璃盖熔融封接。
本发明的金属-玻璃接头由环状金属盖、环状玻璃盖、铝丝、管和吸气罐组成。环状金属盖和环状玻璃盖通过铝丝热压封接。为了保证热压封接的漏气速率低于10-11mbar.L/sec，采用双重热压铝丝密封的结构。吸气罐内装有蒸散型和非蒸散型吸气剂。在吸气罐壁上刻一“O”凹痕。“O”凹痕处焊接一段短波纹管。金属-玻璃接头的一根管插入吸气罐的短波纹管内并焊接。管端面呈45°角。为了防止吸气剂在高温排气时被大量消耗，只有在高温排气达到一定真空度后才压缩波纹管使管刺穿吸气罐“O”凹痕处的罐壁，吸气罐与内聚光金属-玻璃管的真空腔贯通。为了强化密封效果，在焊缝处，涂有真空漆和密封胶。
本发明的跟踪式支架由聚热管架、铰链、倾角调节支撑杆、支撑杆、底座、水平转轴、轮子、防风钩、防风导轨等组成。聚热管架上部铰接于支撑杆上端，下部通过与倾角调节支撑杆相连。在底座于支撑杆相连那一边中间设置水平转轴。水平转轴一端固定在基础上，另一端固定在底座上。底座的四角安装有轮子。底座可以绕水平转轴在水平面上转动。为了防止大风刮倒聚热器，在底座四角安装有防风钩。防风钩钩在与基础相连的防风导轨上。防风导轨是以水平转轴为圆心的圆弧。对全方位跟踪方式，聚热器的倾角随日出-正午-日落由最大-最小-最大匀速或断续变化。聚热器在水平方向由东向西匀速或间隙转动。由于CPC复合抛物面聚光器能汇集相当大入射角范围内太阳光，所以其对跟踪性要求不高。为了方便控制和提高系统可靠性，聚热器一般只需左右转动角度45°。聚热器转动角度由时间控制。由于转动角度幅度小，多个聚热器并排时只需留少许间隙节省聚热器占地面积。
本发明的储热水箱为分离式储热水箱。由于在箱体上开孔少，泄漏点少，方便聚热器承压运行。分离式储热水箱位置布置灵活，可以布置在室内，尤其适合严寒地区使用。热水器便于与建筑一体化。
普通CPC采用金属反射板，放气量大。普通真空管用的硅硼3.3玻璃不能阻隔氦气，而且真空管内的弹簧支架上吸气剂容量小，真空不能长期保持。本发明CPC采用反射膜放气量极小，并且反射膜涂在玻璃上加强了玻璃的阻隔能力。本发明的消气剂优化后可以保证真空度在使用寿命内不衰退。由于采用金属吸热管能承承压能力强，可达10Kg/cm2，耐冷热冲击，聚热管连接可靠不易泄漏。可长期安全可靠运行。直通式结构可以方便的将水垢从管中排除。可以方便的增加吸气剂用量，使聚热管真空度的保持年限达到建筑行业需要。冬天通过跟踪太阳，提高水温，夏天通过改变聚热器倾角和停用跟踪功能避免水温高于90℃实现全年水温均衡。跟踪装置结构简单，部件少，造价低。由于金属吸热管管径仅1.2cm，管内取不出来的热水量少，仅占总容水量1％左右。聚热管管内和管间漏光间隙极小，单位面积太阳光利用率高达90％。红外线反射涂层和CPC反光层使得聚热管的热辐射损失大大低于普通真空管。CPC聚光后，热水温度能达到100～150℃，能满足大多数工业应用要求。分离式储热水箱位置布置灵活，可以布置在室内，尤其适合严寒地区使用。分离式热水器便于与建筑一体化。本发明的热水器具有可靠性高、效率高、温度高、成本低和易维护的特点。本发明的热水器可广泛使用于生活及服务业热水、工业用热水、太阳能空调、太阳能采暖、太阳能冰箱、太阳能热发电、太阳能海水淡化、太阳能温室等领域。可以节约大量石油、天然气、煤等不可再生资源，减少环境污染。
图1为本发明的内聚光式金属-玻璃真空聚热管结构示意图；图2为图1的侧剖面图；图3为图2-A-A处放大结构示意图；图4为跟踪式支架结构示意图；图5为图4的俯视图；图6为图4的侧视图；图7为分离式储热水箱结构示意图；图8为内聚光式金属-玻璃真空管太阳热水器示意图。
具体实施例方式
由图可看处本发明的聚热器包括包括内聚光式金属-玻璃真空聚热器(I)、跟踪式支架(II)、分离式储热水箱(III)和其他配件组成。
由图1、图2、图3可以看出，本发明的内聚光式金属-玻璃真空聚热管I包括CPC玻璃聚光真空管1、金属吸热管2、金属-玻璃热压接头3、吸气罐4等组成。CPC玻璃聚光真空管1的上内表面为圆弧状太阳光透光区①，下内表面为CPC太阳光反光区②。CPC玻璃聚光真空管1的下内表面根据抛物线和渐开线的特点及边缘光线原理将设计成CPC复合抛物面聚光器。在CPC下表面设有高反射镜面涂层。涂层材料为银或铝。银涂层是在把圆弧段表面用覆盖住后将CPC部分表面活化后用银镜反应法镀在CPC玻璃聚光真空管上。铝涂层是在把圆弧段表面用覆盖住后用真空镀铝法将铝层镀在CPC部分CPC玻璃聚光真空管上。在镀反光层前先镀一层红外线反射涂层。红外线反射涂层为金属氧化物如氧化锡。从圆弧段入射的太阳光经CPC段反射到金属吸热管被转换成热能。CPC玻璃聚光真空管1的玻璃采用硅硼3.3玻璃或低铁玻璃制成。CPC玻璃聚光真空管1采用熔融模具拉伸成型法或高温软化模具挤压成型法或者高温软化吹制法制造。由于为了方便封接，CPC玻璃聚光真空管1端部制成圆形。
由图1、图2可以看出本发明的金属吸热管2为弓形金属吸热管，金属吸热管2外表面附有太阳能中高温选择性吸收膜。金属吸热管2采用电镀黑铬、磁控溅射镀铝-氮化铝、阳极氧化着色等方法选择性吸收膜镀上。弓形金属吸热管2可以吸收金属和玻璃的膨胀系数不匹配产生的应力，同时也使金属吸热管处于CPC玻璃聚光真空管反射光线的焦点内。金属吸热管2采用不锈钢、铜、铜合金、铝、铝合金制造材料制造，承压能力强。由图2可以看出本发明的内聚光式金属-玻璃真空聚热管I为直通式结构，便于多根内聚光式金属-玻璃真空聚热管I的连接组装，排除管内水垢，和在严寒环境下排空管内水防止结冰胀坏吸热管。为了制造方便也可以一端封闭采用非直通式结构。金属吸热管(2)并联。聚热管可无间隙密排布置，聚热管管内和管间漏光间隙极小，单位面积太阳光利用率高达90％。聚热器上下循环管由中间处引向支架转动圆心处。为了防止金属吸热管在严寒环境下结冰被胀坏，金属吸热管中设硅胶弹性体(图中未画出)，通过硅胶弹性体的弹性形变，起到抗结冰功能。
由图3可以看出本发明的金属-玻璃接头3由环状金属盖5、环状玻璃盖6、铝丝7、管8组成。环状玻璃盖6外径CPC玻璃聚光真空管1相同，内径比金属吸热管2大1.6cm。环状金属盖5外径比CPC玻璃聚光真空管1小1cm，内径于金属吸热管2相同。环状金属盖5和环状玻璃盖6通过铝丝7热压封接。环状金属盖5上焊有1～3根管8。一根管用于两根铝丝7间抽真空，一根用于CPC玻璃聚光真空管1和金属吸热管2之间抽真空，一根用于接吸气罐4。吸气罐4内装有蒸散型和非蒸散型吸气剂。吸气罐内装有蒸散型吸气剂钡钛或钡铝镍吸气剂和非蒸散型吸气剂锆石墨st171或锆铝16吸气剂或分子筛。在吸气罐4罐壁上刻一“O”凹痕。“O”凹痕处焊接一段短波纹管9。金属-玻璃接头3的一根管8插入吸气罐4的短波纹管9内并焊接。管8端面呈45°角。在高温排气达到一定真空度后才压缩波纹管9使管8刺穿吸气罐“O”凹痕处的罐壁，使吸气罐4与内聚光金属-玻璃管I的真空腔贯通。
由图1、图2、图3可以看出本发明的CPC玻璃聚光真空管1与金属吸热管2通过金属-玻璃热压接头3实现气密封接。CPC玻璃聚光真空管1与接头的玻璃盖6熔融封接；金属吸热管与接头的金属盖5焊接。玻璃盖6材料与CPC玻璃聚光真空管1相同。金属盖5材料为不锈钢或铜合金或铝合金。
在排气好的内聚光式金属-玻璃真空聚热管I的外面焊缝上漆上真空漆10，最后打上密封胶11。本发明的内聚光式金属-玻璃真空聚热管I密封性能好，吸气剂吸气量大，能够长期保持高真空度，保温效果好。并且可以方便的再接上吸气罐，扩展吸气剂。
由图4、图5、图6可看出本发明的跟踪式支架II由聚热管架12、铰链13、倾角调节支撑杆14、支撑杆15、底座16、水平转轴17、轮子18、防风钩19、防风导轨20等组成。聚热管架12上部铰接于支撑杆15上端，下部与倾角调节支撑杆14相连。通过倾角调节支撑杆14调整聚热管架12的倾角。聚热管架12或者通过钢丝绳与倾角调节支撑杆14相连。在底座16于支撑杆相连那一边中间设置水平转轴17。水平转轴17一端固定在基础上，另一端固定在底座16上。底座16的四角安装有轮子18。底座16可以绕水平转轴17在水平面上转动。为了防止大风刮起聚热器，在底座16四角安装有防风钩19。防风钩19钩在与基础相连的防风导轨20上。防风导轨20是以水平转轴17为圆心的圆弧。为了方便控制、提高系统可靠性和减小占地面积，一般不采用全方位跟踪太阳，只需左右转动角度45°，倾角固定。聚热器转动角度由时间控制。在日出至10:00聚热器朝向东南方向。10:00聚热器转动45°朝向为正南方向，14:00聚热器转动45°朝向变为西南方向。18:00后聚热器转动90°朝向复位为东南方向。聚热器倾角只需在每月或季度调整一下即可。为了兼顾上午、中午、下午聚热器相对于太阳的倾角不同，聚热器倾角固定在比正午最小倾角大5～15°位置。对于高温热水用途，聚热器采用跟踪太阳运行方式。对于生活热水用途，聚热器冬天采用跟踪太阳运行方式，夏天采用大倾角和不跟踪太阳运行方式实现水温全年均衡。跟踪太阳动力来自电动机(图中未画出)。
由图7、图8看出本发明的分离式储热水箱III为分离式储热水箱。分离式储热水箱III设有进水管(21)、上循环管(22)、下循环管(23)、取水管(24)、排污管(25)、放空管(26)(承压式为安全阀)、内保温层(27)和外保温层(28)等。由于在箱体上开孔少，泄漏点少，方便热水器承压运行。分离式储热水箱III位置布置灵活，可以布置在室内，尤其适合严寒地区使用。分离式储热水箱III与聚热管I分离利于聚热器与建筑一体化设计。为降低成本，保温层有低成本内保温层(27)和防潮外保温层(28)组成。内保温层(27)的材料为火上岩棉或膨胀珍珠岩。外保温层(28)的材料为致密聚氨酯泡沫或致密酚醛泡沫。
太阳热水器聚热采用强迫循环或自然循环或直排方式。聚热器可承压或非承压运行。
上述所述的实施例仅对本发明的优选实施方式进行描叙，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
权利要求
1.内聚光式金属-玻璃真空管太阳热水器，包括内聚光式金属-玻璃真空聚热器(I)、跟踪式支架(II)、分离式储热水箱(III)和其他配件组成。其特征在于所述的内聚光式金属-玻璃真空聚热器(I)的玻璃真空管(1)与CPC聚光反射面二合一；金属吸热管(2)外表面设有选择性吸收涂层；跟踪式支架(II)分别在水平和垂直两个方向跟踪太阳；分离式储热水箱(III)与内聚光式金属-玻璃真空聚热器(I)分离。
2.根据权利要求1所述的聚热器，包括CPC玻璃聚光真空管(1)、金属吸热管(2)、金属-玻璃热压接头(3)、吸气罐(4)等组成，构成内聚光式金属-玻璃真空聚热管。其特征在于所述的CPC玻璃聚光真空管(1)的上内表面为圆弧状太阳光透光区①，下内表面为CPC复合抛物面太阳光反光区②。反光材料为银或铝膜。
3.根据权利要求2所述的内聚光式金属-玻璃真空聚热管，其特征在于为弓形金属吸热管，金属吸热管(2)外表面附有太阳能中高温选择性吸收膜。吸收膜为黑铬或A1-A1N或阳极氧化染色膜。所述的金属吸热管(2)为直通式或一端封闭式。所述的金属吸热管(2)内设有硅胶弹性体。
4.根据权利要求2所述的内聚光式金属-玻璃真空聚热管，其特征在于所述的CPC玻璃聚光真空管(1)与金属吸热管(2)通过金属-玻璃热压接头(3)封接。金属-玻璃热压接头(3)由环状金属盖(5)、环状玻璃盖(6)、铝丝(7)、管(8)组成。环状金属盖(5)和环状玻璃盖(6)通过铝丝(7)热压封接。环状金属盖(5)上焊有1～3根管(8)。一根管用于两根铝丝(7)间抽真空，一根用于CPC玻璃聚光真空管(1)和金属吸热管(2)之间夹层抽真空，一根用于接吸气罐(4)或用于CPC玻璃聚光真空管(1)间的连接。
5.根据权利要求2所述的吸气罐，其特征在于在吸气罐(4)罐壁上刻一“O”凹痕。“O”凹痕处焊接一段短波纹管(9)。金属-玻璃接头(3)的一根管(8)插入吸气罐(4)的短波纹管(9)内并焊接。管(8)端面呈45°角。在高温排气达到一定真空度后才压缩波纹管(9)使管(8)刺穿吸气罐“O”凹痕处的罐壁，使吸气罐(4)与CPC玻璃聚光真空管(1)的真空腔贯通。吸气罐内装有蒸散型吸气剂钡钛或钡铝镍吸气剂和非蒸散型吸气剂锆石墨st171或锆铝16或分子筛吸气剂。
6.根据权利要求2所述的内聚光式金属-玻璃真空聚热管，其特征在于3～5根内聚光式金属-玻璃真空聚热管的真空腔通过金属-玻璃热压接头的管(8)连在一起共用一个吸气罐(4)。金属吸热管(2)并联。聚热器上下循环管由中间处引向支架转动圆心处。
7.根据权利要求2所述的内聚光式金属-玻璃真空聚热管，其特征在于在焊缝处，涂有由真空漆(10)和密封胶(11)。
8.根据权利要求1所述的跟踪式支架(II)，包括聚热管架(12)、铰链(13)、倾角调节支撑杆(14)、支撑杆(15)、底座(16)、水平转轴(17)、轮子(18)、防风钩(19)、防风导轨(20)等组成，其特征在于所述的聚热管架(12)上部铰接于支撑杆(15)上端，下部通过与倾角调节支撑杆(14)相连。所述的底座(16)于支撑杆(15)相连那一边中间设置水平转轴(17)。水平转轴(17)一端固定在基础上，另一端固定在底座(16)上。所述的底座(16)的四角安装有轮子(18)。底座(16)可以绕水平转轴(17)在水平面上转动。所述的底座(16)四角安装有防风钩(19)。防风钩(19)钩在与基础相连的防风导轨(20)上。防风导轨(20)是以水平转轴(17)为圆心的圆弧。
9.根据权利要求8所述的跟踪式支架，其特征在于所述的跟踪式支架在水平和垂直两个方向跟踪太阳。垂直方向每月或每季根据太阳方位角为零时的高度角调整。水平方向在随太阳自东相西跟踪太阳。
10.根据权利要求1所述的分离式储热水箱，其特征在于所述的分离式储热水箱(III)与聚热器分离。所述分离式储热水箱(III)设有进水管(21)、上循环管(22)、下循环管(23)、取水管(24)、排污管(25)、放空管(26)(承压式为安全阀)、内保温层(27)和外保温层(28)等。内保温层(27)的材料为火上岩棉或膨胀珍珠岩。外保温层(28)的材料为致密聚氨酯泡沫或致密酚醛泡沫。
全文摘要
一种内聚光式金属－玻璃真空管太阳热水器，包括内聚光式金属－玻璃真空聚热器、跟踪式支架、分离式储热水箱和其他配件组成。其特征在于所述内聚光式金属－玻璃真空聚热管的玻璃聚光真空管与CPC反射面二合一；金属吸热管表面设有选择性吸收涂层。所述跟踪式支架在水平和垂直两个方向跟踪太阳。所述分离式储热水箱与聚热器分离。本发明的太阳热水器具有可靠性高、效率高、温度高、成本低和易维护的特点。本发明的太阳热水器可广泛使用于太阳能生活热水、工业加热、空调、冰箱、热发电、海水淡化、温室等领域，节约大量石油等不可再生资源，减少环境污染。
文档编号F24J2/46GK101082450SQ20071006898
公开日2007年12月5日 申请日期2007年5月29日 优先权日2007年5月29日
发明者施跃江 申请人:施跃江