自適應抗凍太陽能平板集熱器的制造方法
【專利摘要】一種自適應抗凍太陽能平板集熱器，包括板芯組件和保溫層，保溫層部分或全部緊貼板芯組件，板芯組件主要由吸熱板、集管和排管連接而成，保溫層與排管中部相對的中部位置的保溫性能弱于其它部位的保溫性能，保溫層的中部位置占板芯組件高度的5%?20%。當集熱器排管受凍凍結時，排管中部的保溫性能低（即導熱性能強），同時受排管兩端上集管、下集管的熱庫影響和熱誘導，凍結順序是先排管中部，后排管兩端，排管中部內存的水相變結冰，體積膨脹，并將兩端還未凍結的水沿著排管軸向空間陸續擠走，而對排管徑向又不至產生大于其管壁束力的擠壓應力，從而保護排管管壁不被脹破。
【專利說明】
自適應抗凍太陽能平板集熱器
技術領域
[0001]本發明屬于太陽能低溫熱利用領域，尤其涉及一種自適應抗凍太陽能平板集熱器。
【背景技術】
[0002]目前，市售的太陽能平板集熱器，大多不具有自我主動的直接抗凍能力，而是通過其所在系統的幫助來被動的間接防凍。例如，太陽能平板集熱器在冬季結冰前，采用一次水循環系統的，需要提前采取熱水回灌保溫、低位放水排空等方法來保護平板集熱器;采用二次水循環系統的，則需要在其一次端應用防凍介質來保護平板集熱器。這樣都會導致整體系統設計復雜、可靠性差、效能下降、成本增高等問題。為克服這些缺陷，特對自適應抗凍太陽能平板集熱器進行了研發。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是要提供一種自適應抗凍太陽能平板集熱器，它能主動抗凍，簡化太陽能平板集熱器及其系統的防凍結構。
[0004]本發明解決其技術問題采用的技術方案是:它包括板芯組件和保溫層，保溫層部分或全部緊貼板芯組件，板芯組件主要由吸熱板、集管和排管連接而成，保溫層與排管中部相對的中部位置的保溫性能弱于其它部位的保溫性能，保溫層的中部位置占板芯組件高度的5%_20%。由于水的凍結順序規律，總是由低溫處向高溫處逐漸發展，當集熱器排管受凍凍結時，排管中部的保溫性能低(即導熱性能強)，同時受排管兩端上集管、下集管的熱庫影響和熱誘導，凍結順序是先排管中部，后排管兩端，排管中部內存的水相變結冰，體積膨脹，并將兩端還未凍結的水沿著排管軸向空間陸續擠走，而對排管徑向管壁又不至產生大于其管壁束力的擠壓應力，從而保護排管管壁不被脹破。通過順應水的冰凍規律而有效管控引導太陽能平板集熱器流道內部的結冰漸凍順序和膨脹應力，使太陽能平板集熱器的流道具有遇冷結冰時凍而不裂的主動抗凍性能，遇熱化冰時自我復蘇的自動恢復能力，以此來適應各種工況要求和寒冷的氣候環境。故它能主動抗凍，簡化太陽能平板集熱器及其系統的防凍結構。
[0005]本發明一個示例是，所述保溫層由同種材料制成，且保溫層中部薄，其它部位厚。
[0006]本發明一個示例是，所述保溫層的厚度自排管中部向排管兩端的集管逐漸增加，保溫層中部的厚度為l_20mm，其它部位的厚度為10-40 mm。
[0007]本發明一個示例是，所述保溫層的中部位置為使排管中部裸露的熱誘導通孔。排管中部直接裸露在保溫層以外，可進一步弱化該位置的保溫性能，提高導熱性能，促使排管中部優先凍結。
[0008]本發明一個示例是，所述熱誘導通孔安裝有導熱塊，導熱塊的保溫性能弱于保溫層。導熱塊可進一步弱化該位置的保溫性能，提高導熱性能，促使排管中部優先凍結。
[0009]本發明一個示例是，所述導熱塊為設有軸向安裝孔的半紡錘形結構，軸向安裝孔與排管緊貼配合。半紡錘形結構有助于提高導熱塊的換熱面積，提高導熱性能，導熱塊緊貼排管則利于冰凍的冰核由排管中部發起，并向排管兩端逐步蔓延式擴散。
[0010]本發明一個示例是，所述板芯組件與保溫層在排管中部圍成中空層。排管中部直接騰空并裸露在中空層里，利于排管中部優先受冷凍結。
[0011]本發明一個示例是，所述板芯組件與保溫層之間設有支撐中空層的支撐板。
[0012]本發明一個示例是，所述保溫層至少由兩種不同材料制成，導熱系數高的材料靠近排管中部，導熱系數低的材料靠近排管兩端的集管，且保溫層厚度均勻。厚度均勻的保溫層工藝相對簡單，有助于提高生產效率和降低生產成本。
[0013]本發明一個示例是，所述保溫層為整體成型或分體組合成型的氈被或包囊，保溫層通過依附、粘貼、涂刷或卡夾與板芯組件相互固定，且保溫層完全包裹集管和排管毗連集管的端部。保溫層內含纖維狀、泡沫狀、塊狀、粉狀等形態的固體物。在集管的外圍包裹保溫層，可對集管保溫，使集管內的水熱含量盡量減少損失，進而使集管內的水遲凍、少凍甚至是不凍，而成為排管的干涉熱庫熱源，有利于保持集管對排管兩端的熱庫影響和熱誘導，切實改善集熱芯板的抗凍能力和凍結順序。
[0014]本發明一個示例是，所述分體組合成型的保溫層包括上下疊置的保溫內層與保溫外層，保溫內層位于板芯組件兩端并包裹集管和排管毗連集管的端部，保溫外層覆蓋在兩保溫內層上。
[0015]本發明一個示例是，所述兩保溫內層均由第一保溫內層和第二保溫內層兩部分組成，第一保溫內層用于包裹集管和排管毗連集管的端部，第二保溫內層置于第一保溫內層與排管中部之間，且第一保溫內層比第二保溫內層的厚度厚20%_60%。
[0016]以上各種示例，既可以單獨作為一個實施例，也可以在保證不矛盾的前提下，各示例任意組合構成組合式實施例。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明實施例一的結構不意圖；
圖2為本發明實施例二的結構示意圖；
圖3為本發明實施例三的結構示意圖；
圖4為本發明實施例四的結構示意圖；
圖5為本發明實施例五的結構示意圖；
圖6為本發明實施例六的結構示意圖；
圖7為本發明實施例七的結構示意圖；
圖8為本發明實施例八的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制，相反，本發明的實施例包括落入所附加權利要求書的精神和內涵范圍內的所有變化、修改和等同物。
[0019]各附圖中，排管11內的箭頭代表結冰方向。即板芯組件I內存的水從排管11中部向兩端逐漸蔓延式凍結的相變結冰順序。
[0020]排管11中部是指以排管11的水平中線(與排管11軸線相垂直)為基準，上下分別偏移板芯組件I高度的2.5%-10%所形成的區域，即排管11中部的高度占板芯組件I高度的5%-20%，保溫層2中部位置是指保溫層2與排管11中部相對的區域。
[0021 ] 實施例一
如圖1所示，本實施例包括板芯組件I和保溫層2，保溫層2全部緊貼板芯組件I。板芯組件I主要由吸熱板、排管11和集管12連接而成。吸熱板和排管由金屬材料制成并焊接為一體，集管12由非金屬柔性材料制成。保溫層2為內含纖維狀、泡沫狀、塊狀、粉狀等形態的固體物所集成的氈被或包囊，并通過依附、粘貼、涂刷或卡夾與板芯組件相互銜接與固定。保溫層2完全包裹集管12和排管11毗連集管12的端部。保溫層2與排管11中部相對的中部位置的保溫性能弱于其它部位的保溫性能，保溫層2的中部位置占板芯組件I高度的5%-20%(優選值是 8%、10%、12%、15% 或 18%)。
[0022]本實施例中，保溫層2由同種材料整體成型，且中部薄(厚度為l_20mm)，其它部位厚(厚度為10-40 mm)，保溫層2的厚度自排管11中部向排管11兩端的集管12逐漸增加。通過改變保溫層2各部位的保溫性能，使排管11中部的保溫性能最弱作為先凍誘導區，集管12保溫性能最強作為冰凍陳納區，排管11中部與集管12之間的區域作為漸凍引導區，從而有效控制板芯組件I內的結冰順序，最大限度的避免板芯組件I的水管因水結冰而脹裂。
[0023]實施例二
如圖2所示，本實施例是在實施例一的基礎上，在保溫層2與排管11中部相對的中部位置(即先凍誘導區)設有使排管11中部裸露的熱誘導通孔。
[0024]實施例三
如圖3所示，本實施例是在實施例二的基礎上，在保溫層2的熱誘導通孔安裝有保溫性能弱于保溫層2的導熱塊3，導熱塊3為設有軸向安裝孔的半紡錘形結構，軸向安裝孔與排管11緊貼配合。保溫層2采用分體組合成型。
[0025]本實施例中的保溫層2可以采用同種材料或不同材料制成。保溫性能較高的用于包裹集管12和排管11毗連集管12的端部。
[0026]實施例四
如圖4所示，本實施例與實施例一的區別是，本實施例的保溫層2采用分體組合成型，以降低保溫層2的制造難度。
[0027]本實施例的保溫層2包括上下疊置的保溫內層21與保溫外層22，保溫內層21位于板芯組件I兩端并包裹集管12，保溫外層22覆蓋在兩保溫內層21上，以增大保溫層2在集管12的厚度。保溫內層21、保溫外層22的各自厚度整體基本均勻等厚，保溫內層21整體厚度5-20mm(優選值是8mm、10mm、12mm、15mm或18mm)，保溫外層22整體厚度10-30mm(優選值是12mm、15mm、18mm、22mm、25mm或28mm)。即保溫層2的總厚度 10-50mm(優選值是 12mm、25mm、36mm、43mm或48mm)ο
[0028]保溫內層21完全包裹集管12并連續包裹覆蓋排管11毗連集管12的端部，任一端的保溫內層21沿排管11的軸向連續包裹覆蓋的高度不小于板芯組件I高度的20%，且不大于板芯組件I高度的40%。兩保溫內層21的總包裹覆蓋高度不小于板芯組件I高度的40%，且不大于板芯組件I高度的80%。保溫外層22則完全包裹覆蓋整體板芯組件I的高度。
[0029]實施例五
如圖5所示，本實施例與實施例四的區別在于，保溫內層21與保溫外層22的結構。
[0030]本實施例中，兩保溫內層21均由第一保溫內層211和第二保溫內層212兩部分組成，且第一保溫內層211比第二保溫內層212的厚度厚20%-60%(優選值是30%、40%或50%)，第一保溫內層211用于包裹集管12和排管11毗連集管12的端部，第二保溫內層212作為漸凍引導區的保溫層。
[0031]保溫外層22的厚度基本均勻，而且呈階梯狀結構。
[0032]實施例六
如圖6所示，本實施例與實施例五的區別在于，本實施例的保溫層2并非全部緊貼板芯組件I，而只有部分與板芯組件I緊貼。具體是，保溫外層22與排管11中部相對的位置沒有緊貼板芯組件1，即板芯組件1、保溫內層21、保溫外層22在排管11中部(即先凍誘導區)圍成中空層23，使排管11中部直接裸露騰空在中空層23內。
[0033]實施例七
如圖7所示，本實施例是在實施例六的基礎上，在板芯組件I與保溫外層22之間增加支撐板24，以支撐中空層23，避免保溫外層22塌陷。
[0034]實施例八
如圖8所示，本實施例的保溫層2厚度均勻平直，且由三種不同材料整體成型，導熱系數高的材料靠近排管11中部(即先凍誘導區)，導熱系數低的材料靠近排管11兩端的集管12(即冰凍陳納區)。
[0035]結合上述七個實施例可知，本發明的抗凍思路是利用太陽能平板集熱器的保溫層結構、材質與流道結構特性的配合，有效管控排管11內存的水先內后外地漸凍順序，以形成從排管11中部向兩端逐漸蔓延式凍結的相變結冰過程，這樣，在排管11中部的水先凍結成冰而膨脹，并將兩端還未凍結的水沿著排管11軸向空間被陸續擠走，而對排管11徑向又不至產生大于其管壁束力的擠壓應力，從而保護排管11管壁不被脹破，使太陽能平板集熱器具有遇冷結冰時凍而不裂的主動抗凍性能，遇熱化冰時自我復蘇的自動恢復能力，以此來適應各種工況要求和寒冷的氣候環境。具體措施是，將板芯組件I背面的排管11中部(占板芯組件I高度的5%-20%)設立為先凍誘導區，采用減少該位置保溫材料的厚度、將該位置的保溫材料替換為高導熱性能材料、直接裸露該位置或在該位置附加導熱塊3等方式將先凍誘導區設為保溫性能最弱的位置，利用板芯組件I的良好導熱性能，創造一個相對的易凍環境，在寒冷的氣候里誘導排管11中部內的水優先受凍和相變結冰。從先凍誘導區的兩側外緣，沿排管11軸向至兩端集管12插接處為漸凍引導區，且采用加厚保溫材料等方式逐漸提高保溫性能，以此來有效管控理想的漸凍結冰順序，形成從排管11中部向兩端逐漸蔓延式凍結的結冰效果。集管12附加保溫材料設為冰凍陳納區，集熱器受凍時，利用集管12柔性收納存儲排管11擠壓過來的和集管12自身的結冰膨脹體積，同時調和與消化因膨脹而產生的各方應力；當集熱器受熱化冰時，集管12柔性使其恢復自身的正常體積，進而恢復正常的貫通和流暢工作。在實際使用中，排管11先凍結將水擠至集管12，集管12內的水逐漸凍結膨脹并將水擠到太陽能熱水器的蓄水箱內，最后集管12內的水完全凍結，而由于集管12采用柔性材料制成，具有彈性，即使集管12內余下的一部分水凍結膨脹也不會導致集管12被脹裂。
【主權項】
1.一種自適應抗凍太陽能平板集熱器，包括板芯組件(I)和保溫層(2)，保溫層(2)部分或全部緊貼板芯組件(1)，板芯組件(I)主要由吸熱板、集管(12)和排管(11)連接而成，其特征在于:所述保溫層(2)與排管(11)中部相對的中部位置的保溫性能弱于其它部位的保溫性能，保溫層(2)的中部位置占板芯組件(I)高度的5%-20%。2.根據權利要求1所述的自適應抗凍太陽能平板集熱器，其特征在于:所述保溫層(2)由同種材料制成，且保溫層(2 )中部薄，其它部位厚。3.根據權利要求2所述的自適應抗凍太陽能平板集熱器，其特征在于:所述保溫層(2)的厚度自排管(11)中部向排管(11)兩端的集管(12)逐漸增加，保溫層(2)中部的厚度為1-20mm，其它部位的厚度為10-40 mm。4.根據權利要求1所述的自適應抗凍太陽能平板集熱器，其特征在于:所述保溫層(2)的中部位置為使排管(11)中部裸露的熱誘導通孔。5.根據權利要求4所述的自適應抗凍太陽能平板集熱器，其特征在于:所述熱誘導通孔安裝有導熱塊(3)，導熱塊(3)的保溫性能弱于保溫層(2)。6.根據權利要求5所述的自適應抗凍太陽能平板集熱器，其特征在于:所述導熱塊(3)為設有軸向安裝孔的半紡錘形結構，軸向安裝孔與排管(11)緊貼配合。7.根據權利要求1所述的自適應抗凍太陽能平板集熱器，其特征在于:所述板芯組件(I)與保溫層(2)在排管(11)中部圍成中空層(23)。8.根據權利要求7所述的自適應抗凍太陽能平板集熱器，其特征在于:所述板芯組件(I)與保溫層(2)之間設有支撐中空層(23)的支撐板(24)。9.根據權利要求1所述的自適應抗凍太陽能平板集熱器，其特征在于:所述保溫層(2)至少由兩種不同材料制成，導熱系數高的材料靠近排管(11)中部，導熱系數低的材料靠近排管(11)兩端的集管(12)，且保溫層(2)厚度均勻。10.根據權利要求1一9任一項所述的自適應抗凍太陽能平板集熱器，其特征在于:所述保溫層(2)為整體成型或分體組合成型的氈被或包囊，保溫層(2)通過依附、粘貼、涂刷或卡夾與板芯組件(I)相互固定，且保溫層(2)完全包裹集管(12)和排管(11)毗連集管(12)的端部。11.根據權利要求10所述的自適應抗凍太陽能平板集熱器，其特征在于:所述分體組合成型的保溫層(2)包括上下疊置的保溫內層(21)與保溫外層(22)，保溫內層(21)位于板芯組件(I)兩端并包裹集管(12)和排管(11)毗連集管(12)的端部，保溫外層(22)覆蓋在兩保溫內層(21)上。12.根據權利要求11所述的自適應抗凍太陽能平板集熱器，其特征在于:所述兩保溫內層(21)均由第一保溫內層(211)和第二保溫內層(212)兩部分組成，第一保溫內層(211)用于包裹集管(12)和排管(11)毗連集管(12)的端部，第二保溫內層(212)置于第一保溫內層(211)與排管(11)中部之間，且第一保溫內層(211)比第二保溫內層(212)的厚度厚20%-60%。
【文檔編號】F24J2/24GK106016785SQ201610556745
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月15日
【發明人】葉遠璋, 李恒旺
【申請人】廣東萬和電氣有限公司