专利名称：聚光型热管真空管式太阳能抗冻热水器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于太阳能中低温热应用技术领域，具体涉及一种高效的太阳能热水器，且是一种可用于严寒地区的聚光型热管真空管式太阳能抗冻热水器。
背景技术：
随着生活水平的提高及环保意识的逐渐增强，清洁无污染的太阳能得到了越来越广泛的应用。太阳能热水器是目前太阳能利用领域中技术发展较成熟、经济上也很具竞争力的绿色能源产品，在生产和生活中得到了普遍推广和应用。目前市场上出售的太阳能热水器，技术水平最高、销量最多的是全玻璃真空集热管太阳能热水器。但全玻璃真空管太阳能热水器不承压，使用时不能缺水空晒，否则可能导致玻璃管爆裂；且玻璃管与水箱相通，只要有一根管子爆裂，整个热水器就不能使用，必须停止运行，泄水后才能更换玻璃真空管。因此，全玻璃真空集热管式热水器在严寒地区的应用受到诸多限制。针对全玻璃真空管热水器的局限性，研究者们提出了改善措施，提高太阳能热水器在高寒地区使用的性能。(I)双回路系统(改变传热工质)换热工质换成凝固点低的液体，水箱中加换热器，热量间接传递给水。如将U型铜管置于真空管内，真空管内置导热介质，U型铜管走热水，优点是避免了真空管内结垢，不会爆管，是发达国家太阳热水系统的主流，一般为强制循环。但集热系统价格昂贵，而且一般换热器会很大程度降低热量的传热效率，不宜大规模推广使用。(2)异形管抗冻这种集热器的排管和集管都采用椭圆管结构，当管内水冻结而体积增大时，椭圆管容易产生变形而胀大，管子不会因应力过大而破坏。(3)三防真空管以金属导热管和双玻璃真空集热管组成三防真空管，利用导热管将真空管内的热量带出，优点是防止真空管结垢和冻管，但是，导热管的热量传递效率较低低，且金属导热管导热具有双向性。(4)平板式热管太阳能集热器平板式热管太阳能集热器具有传热效率高，抗冻能力强，不会爆管，工作性能稳定，使用寿命长等优点。但其热损失较大，日平均效率只有50%或更少。(5)热管真空管集热器太阳光经真空玻璃管选择性吸收后，将热量传递至热管蒸发段，由热管蒸发段经工质相变将热量送给热水箱。与平板式热管太阳能集热器相比，热管式真空管太阳能集热器具有以下优点热损失小，平均热损系数小于1.0左右；日平均热效率高；承压能力高，解决了真空管内管结垢及爆管问题，抗冻能力强，可在-25°C条件下使用。但金属与玻璃的封接及密封是主要难题，少量的泄漏将导致集热性能迅速下降，集热效率大幅降低。[0015]如果在热管型真空管的背部加上聚光器，可增大热管式真空管的采光强度，更充分的利用其集热性能高的特点。将小型聚光器耦合热管真空管集热器可提高集热效率，且此类集热器的结构比较简单，对聚光面型加工精度要求不严格，可方便地和建筑屋面、墙面等进行组合。
发明内容本实用新型的目的是为了克服太阳能热水器在严寒地区热利用中的局限性，及传统热管真空管集热器密封要求高，少量泄漏将大大降低集热器的传热效率的缺点，提出了一种聚光型热管真空管式太阳能抗冻热水器；并且，増加了低倍聚光器，从而提高光学效率及集热效率。本实用新型的技术方案为通过聚光器聚光到真空管上，热管真空管集热器将太阳辐射能转变为热能，再经由真空管内导热介质将热量传递给热管，热管相变传热，将水箱中的水加热到预定的温度，实现严寒地区使用太阳能热水器而不爆管，同时节省电能等资源的目的。本实用新型可通过以下具体技术方案来实现一种聚光型热管真空管式太阳能抗冻热水器，由接收器、水箱及支架构成；其中接收器由聚光器及热管真空管集热器组成；热管真空管集热器置于聚光器的焦轴上；其中热管真空管集热器由内装导热介质的双层玻璃真空管、热管及密封部件组成；热管一端通过密封部件密封在双层玻璃真空管内，为蒸发段，另一端密封固定在水箱内，为冷凝段，热管的蒸发段通过密封部件在双层玻璃真空管开ロ处固定和密封，置于导热介质中，热管的冷凝段通过螺纹与水箱密封连接，热管裸露在空气中的一段为绝热段，采用保温层保温；双层真空玻璃管内管的外壁或热管的外壁涂覆吸收性涂层；接收器与水箱通过热管相连，并通过支架固定。所述的水箱由内胆、外壳及保温层构成，并在ー侧上下各设有开ロ，上面的是进水ロ，连接进水管路及冷水进水阀门，下面的是出水ロ，连接出水管路及热水出水阀门，另ー侧面设液位传感器，顶部设排气ロ，并连接泄压阀。所述的密封部件由橡胶密封圈、泄压管路及单向泄压阀组成；其中，橡胶密封圈上开有两个连接ロ，中心部位的连接ロ连接热管，边上的连接ロ连接泄压管路，泄压管路另ー端连接单向泄压阀。可有效避免真空管内因压カ过高而导致的喷油现象。所述的橡胶密封圈采用最高使用温度是100°c -300°C的硅橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶或氟橡胶密封圏。优选所述的聚光器为CPC反射镜、槽形抛物面反射镜、圆锥反射镜或球面反射镜的聚光器；朝阳面采用镀镁、镀银、镀钥或镀铝，更优选镀铝；优选聚光器的聚光比范围为1-3，更优选聚光比范围为1-2。其中，CPC反射镜型面包括抛物面、圆弧面构成的単一曲面，或其与渐开线、V形构成的复合曲面。优选涂覆在双层真空玻璃管的内管外壁或热管外壁的吸收性涂层为采用熔点极高的钛金属选择性吸收涂层、多层黑镍涂层、多层(渐变)AIN-AI/AI选择性吸收涂层、三层Al2O3-Mox-Al2O3(AMA)选择性吸收涂层、复合多层Al2O3-AlCuFe-Al2O3-Cuu选择性吸收涂层或M-IN(M-金属)金属陶瓷选择性吸收涂层。优选所述的热管材料为不锈钢、铝或铜。优选所述的导热介质的充液量为双层玻璃真空管(9)容量的1/3 1/2 ;所述的导热介质为可相变传热、蓄热、可耐低温的抗冻性导热介质，选择沸点为100°c -300°c的导热油、或石腊、或低熔点合金。容积为50-240L的热水器可采用4_18组接收器分布式排列组成。[0026]所述的双层玻璃真空管可选用外径为常用的58mm、47mm、70mm，长度为2. lm、
I.8m、I. 6m、I. 5m,优选外径为58mm、47mm的双层玻璃真空管。优选所述的热管的蒸发段底端距离双层玻璃真空管管底100-200mm。有益效果本实用新型的热水器优点包括1)热容量小，启动快，集热效率高；2)可耐低温，不爆管，抗冻能力强；3)真空管及热管的使用大大降低了热损失，聚光器的使用提高了最高集热温度，即提高了集热品位；4)避免了传统中高温集热管的玻璃与金属的焊接密封所带来的一系列难题；5)避免了传统热管真空管空气作为传热介质，微量泄漏导致的效率急剧下降问题等；6)单向泄压阀的使用解决了真空管内导热介质压力过大而产生的喷油现象。本实用新型的热水器将热管技术、真空管技术及聚光技术进行高效耦合集成，并运用了导热介质，既提高了集热效率，又提高了集热品位，可拓展作为太阳能开水器，也可以作为大面积集热系统的前端热源；同时集热器具有很好的抗冻性，可以在严寒地区使用。
结合附图，进一步说明实施例。图I为本实用新型60L的热水器结构立体图。图2为本实用新型60L的热水器结构A-A剖面图。图3为本实用新型的热水器中密封部件结构图。图4为聚光器聚光原理示意图。图5为本实用新型155L的热水器结构主视图。图6为155L的太阳能热水器结构A-A剖面图。图7为聚光器聚光原理不意图。其中，I-水箱，2-内胆，3-外壳，4-保温层，5-接收器，6-聚光器，7-热管真空管集热器，8-支架，9-双层玻璃真空管，10-导热介质，11-热管，12-密封部件，13-吸收性涂层，14-橡胶密封圈，15-泄压管路，16-单向泄压阀，Ia-进水管路，Ib-冷水进水阀门，Ic-出水管路，Id-热水出水阀门，Ie-液位传感器。
具体实施方式
实施例I如图I至图2所示，聚光型热管真空管式太阳能抗冻热水器，由接收器5、水箱I及支架8构成。其中接收器5由聚光器6及热管真空管集热器7组成；热管真空管集热器7置于聚光器6的焦轴上；其中热管真空管集热器由装有导热介质10并涂有吸收性涂层13的双层玻璃真空管9、热管11及密封部件12组成；热管11 一端通过密封部件12密封在双层玻璃真空管内，为蒸发段，另一段为冷凝段，热管11的蒸发段通过密封部件在双层玻璃真空管9开ロ处固定和密封，置于导热介质10中，热管11的冷凝段通过螺纹与水箱I密封连接，热管11裸露在空气中的一段采用保温层4保温；接收器5与水箱I通过热管11相连，并通过支架8固定。密封部件12由橡胶密封圈14、泄压管路15及单向泄压阀16组成。其中，橡胶密封圈14上开有两个连接ロ，中心部位的连接ロ连接热管11，边上的连接ロ连接泄压管路15，泄压管路15另一端连接单向泄压阀16。水箱I由内胆2、外壳3及保温层4构成，并在右侧开有两ロ，上面的是进水口，连接进水管路Ia及冷水进水阀门lb，下面的是出水ロ，连接出水管路Ic及热水出水阀门ld，左侧面设液位传感器le，顶部设排气ロ，并连接泄压阀16。密封部件结构图如图3所示。密封部件12用于真空管9及热管11的密封固定；同时也用于当真空管9内压カ过大时，及时泄压，避免导热介质10喷出。米用5组接收器分布式排列。选用外径Φ47mm,长I. 6m的双层真空玻璃管9 ;水箱I容积为60L ;导热介质10采用320#导热油，充夜量为双层玻璃真空管9容量的1/3 ；吸收性涂层13使用钛金属选择性吸收涂层，涂覆在双层真空玻璃管9的内管外壁；热管11采用重力热管，管壳材料采用碳钢，蒸发段底端距离双层玻璃真空管9管底200mm ;保温层4 材料采用岩棉；橡胶密封圈14采用硅橡胶密封圈；聚光器6的聚光面朝阳面采用镀镁的复合聚光镜，采用外聚光型CPC聚光器，聚光比为1，横截面的形状为渐开线与抛物线连接的对称凹槽形，聚光原理示意图如图4所示。该装置5个半小时可将水从20°C加热到50°C。在每天的晚上打开冷水进水阀门lb，通过进水管路Ia给水箱I上水，利用液位传感器Ie控制其液位高度为水箱I高度的95% 98%。第二天利用聚光器6将阳光汇聚到双层真空玻璃管9内管，内管外壁选择性吸收涂层13吸热升温，通过热传导将热量传递给导热介质10 ;导热介质10再通过对流和传导，将热量传递给热管11蒸发端；热管11内エ质经过高效相变将热量分别传递到冷凝端；经过热管11换热，加热水箱I内的水。实施方案2 :如图5至图6所示，本实用新型的热水器本实用新型的热水器包括水箱I、保温层4、聚光器6、支架8、双层玻璃真空管9、导热介质10、热管11、密封部件12及吸收性涂层13。米用12组接收器分布式排列。选用外径Φ58mm,长I. 8m的双层真空玻璃管9 ;水箱容积为155L ;导热介质10采用低熔点合金，填充量为双层玻璃真空管9容量的1/2 ;吸收性涂层13使用多层黑镍涂层，涂覆在双层真空玻璃管9的内管外壁；热管11采用表面加翅片的重力热管，管壳材料采用铜，蒸发段底端距离双层玻璃真空管9管底IOOmm ;保温层4材料采用玻璃棉；橡胶密封圈14采用丁腈橡胶密封圈；聚光器6的聚光面朝阳面采用镀银的复合聚光镜，采用外聚光型CPC聚光器，聚光比为2，横截面的形状为V型槽与抛物线连接的对称凹槽形，聚光原理示意图如图7所示。该装置I个半小时可将水从20°C加热到50。。。除上述实施方案外，还可以有其他实施方案，凡采取等同替换或等效变换形成的技术方案，均在本实用新型要求的保护范围内。
权利要求1.一种聚光型热管真空管式太阳能抗冻热水器，由接收器(5)、水箱(I)及支架(8)构成；其中接收器(5)由聚光器(6)及热管真空管集热器(7)组成；热管真空管集热器(7)置于聚光器(6)的焦轴上；其中热管真空管集热器(7)由内装导热介质(10)的双层玻璃真空管(9)、热管(11)及密封部件(12)组成；热管(11) 一端通过密封部件(12)密封在双层玻璃真空管内，为蒸发段，另一端密封固定在水箱内，为冷凝段，热管(11)的蒸发段通过密封部件(12)在双层玻璃真空管(9)开口处固定和密封，置于导热介质(10)中，热管(11)的冷凝段通过螺纹与水箱(I)密封连接，热管(11)裸露在空气中的一段为绝热段，采用保温层(4)保温；双层真空玻璃管(9)内管的外壁或热管(11)的外壁涂覆吸收性涂层(13);接收器(5)与水箱(I)通过热管(11)相连，并通过支架(8)固定。
2.根据权利要求I所述的聚光型热管真空管式太阳能抗冻热水器，其特征在于所述的水箱(I)由内胆(2)、外壳(3)及保温层(4)构成，并在一侧上下各设有开口，上面的是进水口，连接进水管路(Ia)及冷水进水阀门(Ib)，下面的是出水口，连接出水管路(Ic)及热水出水阀门(Id)，另一侧面设液位传感器(Ie)，顶部设排气口，并连接泄压阀(16)。
3.根据权利要求I所述的聚光型热管真空管式太阳能抗冻热水器，其特征在于所述的密封部件(12)由橡胶密封圈(14)、泄压管路(15)及单向泄压阀(16)组成；其中，橡胶密封圈(14)上开有两个连接口，中心部位的连接口连接热管(11)，边上的连接口连接泄压管路(15)，泄压管路(15)另一端连接单向泄压阀(16)。
4.根据权利要求I所述的聚光型热管真空管式太阳能抗冻热水器，其特征在于所述的聚光器(6)为CPC反射镜、槽形抛物面反射镜、圆锥反射镜或球面反射镜的聚光器；朝阳面采用镀镁、镀银、镀钥或镀铝；聚光器(6)的聚光比范围为1-3。
5.根据权利要求I所述的聚光型热管真空管式太阳能抗冻热水器，其特征在于涂覆在双层真空玻璃管(9)的内管外壁或热管(11)外壁的吸收性涂层(13)为采用钛金属选择性吸收涂层、多层黑镍涂层、多层AIN-AI/AI选择性吸收涂层、三层Al2O3-Mox-Al2O3选择性吸收涂层、复合多层Al2O3-AlCuFe-Al2O3-Cuu选择性吸收涂层或M-IN金属陶瓷选择性吸收涂层。
6.根据权利要求I所述的聚光型热管真空管式太阳能抗冻热水器，其特征在于所述的热管(11)材料为不锈钢、铝或铜。
7.根据权利要求I所述的聚光型热管真空管式太阳能抗冻热水器，其特征在于所述的导热介质(10)的充液量为双层玻璃真空管(9)容量的1/3 1/2。
专利摘要本实用新型是一种聚光型热管真空管式太阳能抗冻热水器，由水箱1、接收器5及支架8构成。其中，接收器5由聚光器6及热管真空管集热器7组成；热管真空管集热器7包括双层玻璃真空管9、导热介质10、热管11、密封部件12、吸收性涂层13。通过聚光器6将太阳光聚焦，加热真空管9内导热介质10，通过热管11导热同水箱1进行热交换，加热水箱1中的水。本实用新型的优点在于将热管技术、真空管技术、导热介质及聚光技术高效耦合集成，可耐-50℃低温，不爆管，抗冻能力强；热容量小，启动快，集热效率高；可产生蒸汽，用于提供洗澡及生活洗涤用热水、饮用开水，或者用于高效热制冷等。
文档编号F24J2/24GK202361658SQ20112037974
公开日2012年8月1日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月27日
发明者宁静娟, 廖传华, 朱跃钊, 王银峰, 蒋金柱, 郭丹丹, 陈海军 申请人:南京工业大学