專利名稱：低置短筒吸液芯玻璃熱管真空太陽能集熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低置短筒吸液芯玻璃熱管真空太陽能集熱元件。
背景技術(shù)：
熱管真空集熱管制造的太陽能熱水器具有管內(nèi)無水能效比高、符合衛(wèi)生飲用水標(biāo)準(zhǔn)、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水器將有可能占領(lǐng)越來越多的市場份額?，F(xiàn)有一種工作量充裝很少的全玻璃熱管真空集熱管太陽能熱水器，熱管內(nèi)壁采用光管結(jié)構(gòu)、熱管真空集熱管傾斜約45度安裝。在非換熱狀態(tài)下，可以觀察到熱管底部有液態(tài)工質(zhì)集聚。對其進行與管內(nèi)存水的全玻璃真空集熱管太陽能熱水器對照試驗，發(fā)現(xiàn)熱管太陽能熱水器的升溫情況先慢后快。判斷是熱管啟動過程過長，在熱管啟動階段，熱管集熱元件不能滿功率運行因而升溫慢，熱管啟動之后熱管集熱元件滿功率運行因而升溫快?？疾烊Ａ峁苷婵占療峁艿臒峁軉?由于集聚于熱管底部的工質(zhì)通常因為被吸氣劑形成的鏡面遮光其溫度上升緩慢，使得這些液態(tài)工質(zhì)不能迅速參與兩相流換熱循環(huán)。同時，由于熱管熱端內(nèi)部其他部位的溫度雖高但在很長一段時間內(nèi)處于干涸狀態(tài)而不能對集熱做貢獻。以后依靠靠近底部的玻璃熱管管壁傳熱逐漸使液態(tài)工質(zhì)汽化并循環(huán)參與兩相流換熱，熱管完成啟動過程進入正常工作狀態(tài)。問題是在冬季，熱管的啟動過程可能持續(xù)兩小時以上，這使得某些玻璃熱管集熱管的表現(xiàn)不能明顯比管內(nèi)存水的全玻璃真空集熱管好，熱管的優(yōu)勢沒能充分發(fā)揮。玻璃表面不適合加工細(xì)槽以 形成更大的毛細(xì)升力。采用在玻璃熱管內(nèi)表面布置具有足夠大面積的芯網(wǎng)，雖然可利用毛細(xì)作用解決熱管啟動過程過長的問題，但會使成本較大增加，更嚴(yán)重的是還會因內(nèi)部充裝工質(zhì)較多、使空曬時蒸汽壓過高而造成炸管事故的風(fēng)險大大增加。譬如工質(zhì)充裝量/熱管容積率從2毫升/1000毫升時的0.2%提高到5毫升/1000毫升時的0.5%，最高飽和蒸汽壓從140°C的約3.7個大氣壓增加至180°C的約10個大氣壓，但熱管內(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。由于玻璃耐壓能力有限，所以，既要設(shè)法抬高熱管啟動時的液態(tài)工質(zhì)位置高度加快啟動，又要在熱管工作時盡可能少的截留液態(tài)工質(zhì)以減少工質(zhì)充裝量。中國發(fā)明專利200410012193.9防爆太陽能全玻璃真空集熱管，披露了一種防爆太陽能全玻璃真空集熱管，其熱管中液態(tài)工質(zhì)充裝量為0.1 0.5% V，其中V為熱管內(nèi)的容積。使其達(dá)到某一臨界溫度時全部轉(zhuǎn)化為汽相，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，壓力按照汽相的規(guī)律升高，從而大幅度的降低了高溫狀態(tài)下熱管內(nèi)的工作壓力……。同時，在熱管中增設(shè)吸附材料，以保證熱管再次快速起動。但該發(fā)明專利在熱管中包括熱管蒸發(fā)段中部設(shè)置的吸附材料吸持工質(zhì)加速熱管啟動這一方式仍會帶來增加工質(zhì)充裝量和空曬時內(nèi)部壓力或者啟動仍然較慢的問題。假定:原來設(shè)定內(nèi)玻璃管內(nèi)徑4.4毫米、罩玻璃管外徑58毫米、長2米的全玻璃真空熱管集熱管的內(nèi)部壓力上限為4個大氣壓、空曬最高溫度230°C、水作工質(zhì)，計算可得內(nèi)玻璃管容積約3升。查水蒸汽的飽和蒸汽壓表可知:135°C時剛好全部工質(zhì)汽化的工質(zhì)充裝量，其飽和蒸汽壓為3.2個大氣壓且在最高空曬溫度230°C時，內(nèi)部壓力達(dá)到4個大氣壓即等于內(nèi)玻璃管內(nèi)部壓力極限。并可查得135°C時蒸汽的質(zhì)量容積比為1.7毫升/升。該集熱管的工質(zhì)充裝量為3升*1.7暈升/升=5.1暈升。(5.1暈升工質(zhì)對于現(xiàn)有的集熱管來說偏少，在熱端下部會出現(xiàn)干涸，但這個問題這里不做展開)。此時，為了加速熱管啟動而在熱管內(nèi)部中部設(shè)置吸液材料。假定所增加的吸液材料在熱管正常工作時提吸持有了總共1.5毫升工質(zhì)，并且因此加劇熱管內(nèi)部熱端干涸現(xiàn)象，干涸的熱端不參與換熱使集熱管的效率大打折扣。為了避免因熱端干涸帶來的集熱量損失。必須增加工質(zhì)充裝量來彌補熱管工作時被吸液材料提吸持有的那部分工質(zhì)。假設(shè)增加的工質(zhì)充裝量也是1.5毫升，則工質(zhì)剛好全部汽化時的蒸汽的質(zhì)量容積比從1.7毫升/升上升至2.2毫升/升，這時的最高飽和蒸汽壓對應(yīng)的臨界溫度從135°C上升至145°C ;相應(yīng)地，在最高空曬溫度230°C時，熱管內(nèi)部壓力從4個大氣壓增加到5個大氣壓。結(jié)論是:為了加速啟動在熱管熱端中部增加吸液材料并增加工質(zhì)充裝量，在最高空曬溫度·下，集熱管內(nèi)部的壓力會超過原先設(shè)定的壓力從4個大氣壓增加至5個大氣壓超出25% ;而不用吸液材料熱管啟動過程要延長兩小時相當(dāng)于冬季減少日集熱量35%。還有，吸附材料僅僅吸持1.5毫升工質(zhì)仍然很不夠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供低置短筒吸液芯玻璃熱管真空太陽能集熱元件。本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案之一:用罩玻璃管和內(nèi)玻璃管同心嵌套布置封接，制成一支低置短筒吸液芯一體式玻璃熱管真空太陽能集熱元件。內(nèi)玻璃管自封接處向前伸出并且內(nèi)部抽真空灌裝工質(zhì)后封離制成一支熱管。內(nèi)玻璃管即玻璃熱管的外表面制作吸收膜。所述一體式玻璃熱管太陽能集熱元件垂直或者傾斜安裝。玻璃熱管依靠重力工作。玻璃熱管熱端內(nèi)部設(shè)置短筒吸液芯，短筒吸液芯用彈性卡簧壓貼于熱管熱端內(nèi)壁或者短筒吸液芯依靠自身彈性壓貼于熱管熱端內(nèi)壁。短筒吸液芯沿?zé)峁軆?nèi)壁圓周向布置；短筒吸液芯離熱管底端的間隔距離小于熱管熱端總長度的20%。還可以令全玻璃真空集熱管的內(nèi)玻璃管相對罩玻璃管偏心布置并且內(nèi)玻璃管與制作于罩玻璃管上的半圓鏡面聚光連接或者，內(nèi)玻璃管與一個配合連接于罩玻璃管上的附加半圓鏡面聚光連接。本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案之二:用一支全玻璃真空集熱管與插入其內(nèi)玻璃管內(nèi)腔的插入式玻璃熱管配合或者低熱阻連接，制成一支低置短筒吸液芯插入式玻璃熱管真空太陽能集熱元件。所述插入式玻璃熱管太陽能集熱元件垂直或者傾斜安裝。所述熱管依靠重力工作。所述熱管熱端內(nèi)部設(shè)置短筒吸液芯，短筒吸液芯用彈性卡簧壓貼于熱管熱端內(nèi)壁或者短筒吸液芯依靠自身彈性壓貼于熱管熱端內(nèi)壁。短筒吸液芯沿所述熱管內(nèi)壁圓周向布置；短筒吸液芯離所述熱管底端的間隔距離小于所述熱管熱端總長度的20%。還可以令短筒吸液芯的長度不超過60毫米；短筒吸液芯的材料包括玻璃纖維、碳纖維和銅絲。還可以令:在太陽光曝射量700±50瓦/平方米、熱管冷端外側(cè)水溫40±5°C、集熱元件軸心線呈南北向傾斜布置并且其軸心線與入射陽光的夾角在90±20°范圍內(nèi)條件下:短筒吸液芯持有液態(tài)工質(zhì)的質(zhì)量<其最大液態(tài)工質(zhì)持有量的25%。還可以令:短筒吸液芯最大液態(tài)工質(zhì)持有量> 4暈升；在太陽光曝射量700±50瓦/平方米、熱管冷端外側(cè)水溫40±5°C、集熱元件軸心線呈南北向傾斜布置并且其軸心線與入射陽光的夾角在90±20°范圍內(nèi)條件下，短筒吸液芯持有液態(tài)工質(zhì)的質(zhì)量< 0.9暈升。本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明低置短筒吸液芯一體式玻璃熱管真空太陽能集熱元件和低置短筒吸液芯玻璃熱管真空太陽能集熱元件，在玻璃熱管內(nèi)部設(shè)置短筒吸液芯，當(dāng)太陽落山時，玻璃熱管逆向工作:與加熱負(fù)荷低熱阻連接的原熱管冷端內(nèi)表面的液態(tài)工質(zhì)蒸發(fā)并在原熱管熱端內(nèi)表面凝結(jié)，當(dāng)原熱管熱端內(nèi)表面液態(tài)工質(zhì)集聚較多而向下流淌到達(dá)短筒吸液芯時被截留從而抬高了工質(zhì)的位置并使工質(zhì)均布于熱管熱端底端內(nèi)壁。第二天太陽出來時，熱管熱端一旦受熱，被短筒吸液芯吸持的液態(tài)工質(zhì)迅速蒸發(fā)并參與兩相流換熱。進一步分析可知:離熱管底端30至60毫米布置的短筒吸液芯，其所處的內(nèi)玻璃管直接吸收太陽能，同時其上方和下方吸收膜吸收的熱能也會傳熱過來。冬季，一個短筒吸液芯在典型集熱條件下其受熱功率相當(dāng)于原光管熱管處于吸氣劑鏡面包圍之中僅通過其上方較遠(yuǎn)處吸收膜通過玻璃管傳熱產(chǎn)生的受熱功率7倍左右。原來光管熱管啟動過程需要140多分鐘，現(xiàn)在用低置短筒吸液芯后縮短至20多分鐘，相當(dāng)于冬季每天多集熱一個多小時。白天集熱元件正常工作時，全部工質(zhì)參與兩相流換熱循環(huán)，短筒吸液芯可以不持有或者很少持有液態(tài)工質(zhì)。由于短筒吸液芯里熱管熱端底端距離短，即使干涸相關(guān)的吸收膜吸收的太陽熱能也可以通過玻璃管的傳熱來有效參與換熱。這樣就不存在因為使用短筒吸液芯而增加工質(zhì)充裝量的問題，從而既最大限度加快熱管啟動；又使空曬時玻璃熱管內(nèi)部的壓力保持低位。



下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1是一支低置短筒吸液芯一體式玻璃熱管真空太陽能集熱元件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是一支低置短筒吸液芯插入式玻璃熱管真空太陽能集熱元件結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是一支低置短筒吸液芯插入式玻璃熱管真空太陽能偏心集熱元件結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.罩玻璃管；2.內(nèi)玻璃管；3.熱管；4.環(huán)形貯液槽狀物；5.彈性卡簧；6.全玻璃真空集熱管；7.傳熱器件；8.偏心全玻璃真空集熱管；9.半圓鏡面。
具體實施例方式圖1給出本發(fā)明第一個實施例。圖1中，用罩玻璃管I和內(nèi)玻璃管2同心嵌套布置封接，制成一支低置短筒吸液芯一體式玻璃熱管真空太陽能集熱元件。內(nèi)玻璃管2自封接處向前伸出并且內(nèi)部抽真空灌裝工質(zhì)后封離制成一支熱管3，熱管3熱端的長度為1.8米。內(nèi)玻璃管2即熱管3的外表面制作吸收膜。所述一體式玻璃熱管太陽能集熱元件垂直或者傾斜安裝。熱管3依靠重力工作。熱管3熱端內(nèi)部設(shè)置短筒吸液芯4，短筒吸液芯4長度60毫米；短筒吸液芯4用彈性卡簧5壓貼于熱管3熱端內(nèi)壁。短筒吸液芯4沿?zé)峁?內(nèi)壁圓周向布置；短筒吸液芯4離熱管3底端的間隔距離為30至60毫米。圖1中并排的向外箭頭表示熱管3的冷端位置。
當(dāng)圖1實施例的集熱元件作順時針旋轉(zhuǎn)約45度傾斜安裝時，熱管3能夠依靠重力實現(xiàn)兩相流循環(huán)換熱，將太陽熱能源源不斷地通過冷端傳遞給加熱負(fù)荷。熱管3工作時，因為短筒吸液芯4可以不持有工質(zhì)，所以，工質(zhì)充裝量不增加，有利于限制空曬時熱管3內(nèi)部飽和蒸汽壓處于低水平。當(dāng)圖1實施例的集熱元件作順時針旋轉(zhuǎn)約45度傾斜安裝時，短筒吸液芯4能夠在熱管3不工作時大量吸持液態(tài)工質(zhì)，提高原光管熱管集聚于熱管3底部的工質(zhì)的位置。短筒吸液芯4離熱管3底端間隔距離40毫米以利熱管3啟動時從上面和下面同時吸收太陽熱能加速啟動。圖1實施例中，熱管3正常工作時允許其下面數(shù)十毫米段干涸或者部分干涸所以短筒吸液芯4在熱管3工作時常常不持有工質(zhì)。太陽落山時，熱管3冷端內(nèi)表面的凝結(jié)水蒸發(fā)，包括這部分工質(zhì)在內(nèi)的所有工質(zhì)全部或者絕大部分工質(zhì)被短筒吸液芯4吸持。圖2給出本發(fā)明第二個實施例。圖2中，用一支全玻璃真空集熱管6與插入其內(nèi)玻璃管2內(nèi)腔的插入式玻璃殼體熱管3通過兩片傳熱器件7低熱阻連接，制成一支插入式全玻璃真空熱管集熱元件。熱管3熱端內(nèi)部底部設(shè)置有短筒吸液芯4。圖2實施例中熱管3內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理與圖1實施例的相似。圖3給出本發(fā)明第三個實施例。圖3中,在一支偏心全玻璃真空集熱管8內(nèi)玻璃管2內(nèi)腔中插入一支插入式玻璃殼體熱管3，制成一支插入式偏心全玻璃真空熱管集熱元件。熱管3熱端內(nèi)部底部設(shè)置有短筒吸液芯4。偏心全玻璃真空集熱管8的內(nèi)玻璃管2相對罩玻璃管I偏心布置并且內(nèi)玻璃管2與制作于罩玻璃管I內(nèi)壁的半 圓鏡面9聚光連接。圖3實施例中熱管3內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理與圖1實施例的相似。
權(quán)利要求
1.低置短筒吸液芯一體式玻璃熱管真空太陽能集熱元件，由罩玻璃管和內(nèi)玻璃管同心嵌套布置封接制成，內(nèi)玻璃管自封接處向前伸出并且內(nèi)部抽真空灌裝工質(zhì)后封離制成一支熱管，內(nèi)玻璃管即玻璃熱管的外表面制作吸收膜，玻璃熱管依靠重力工作，其特征是玻璃熱管熱端內(nèi)部底端含有短筒吸液芯，短筒吸液芯沿?zé)峁軆?nèi)壁圓周向布置；短筒吸液芯離熱管底端的間隔距離小于熱管熱端總長度的20%。
2.按照權(quán)利要求1所述的太陽能集熱元件，其特征是全玻璃真空集熱管的內(nèi)玻璃管相對罩玻璃管偏心布置并且內(nèi)玻璃管與制作于罩玻璃管上的半圓鏡面聚光連接或者，內(nèi)玻璃管與一個配合連接于罩玻璃管上的附加半圓鏡面聚光連接。
3.低置短筒吸液芯插入式玻璃熱管真空太陽能集熱元件，由一支全玻璃真空集熱管與插入其內(nèi)玻璃管內(nèi)腔的插入式玻璃熱管配合或者低熱阻連接制成，所述熱管依靠重力工作，其特征是所述熱管熱端內(nèi)部含有短筒吸液芯，短筒吸液芯沿所述熱管內(nèi)壁圓周向布置；短筒吸液芯離所述熱管底端的間隔距離小于所述熱管熱端總長度的20%。
4.按照權(quán)利要求1或者3所述的太陽能集熱元件，其特征是短筒吸液芯的長度不超過60毫米；短筒吸液芯的材料包括玻璃纖維、碳纖維和銅絲。
5.按照權(quán)利要求1或者3所述的太陽能集熱元件，其特征是在太陽光曝射量700±50瓦/平方米、熱管冷端外側(cè)水溫40±5°C、集熱元件軸心線呈南北向傾斜布置并且其軸心線與入射陽光的夾角在90±20°范圍內(nèi)條件下:短筒吸液芯持有液態(tài)工質(zhì)的質(zhì)量<其最大液態(tài)工質(zhì)持有量的25%。
6.按照權(quán)利要求1或者3所述的太陽能集熱元件，其特征是:短筒吸液芯最大液態(tài)工質(zhì)持有量>4毫升；在太陽光曝射量700±50瓦/平方米、熱管冷端外側(cè)水溫40±5°C、集熱元件軸心線呈南北向傾斜布置并且其軸心線與入射陽光的夾角在90±20°范圍內(nèi)條件下，短筒吸液芯持有液態(tài)工質(zhì)的 質(zhì)量< 0.9暈升。
全文摘要
低置短筒吸液芯一體式玻璃熱管真空太陽能集熱元件，由罩玻璃管和內(nèi)玻璃管同心嵌套布置封接制成，內(nèi)玻璃管自封接處向前伸出并且內(nèi)部抽真空灌裝工質(zhì)后封離制成一支熱管，其特征是玻璃熱管熱端內(nèi)部底端含有短筒吸液芯。低置短筒吸液芯插入式玻璃熱管真空太陽能集熱元件，由一支全玻璃真空集熱管與插入其內(nèi)玻璃管內(nèi)腔的插入式玻璃熱管配合或者低熱阻連接制成，其特征是所述熱管熱端內(nèi)部含有短筒吸液芯。短筒吸液芯的長度通常為60毫米。本發(fā)明使真空熱管集熱管冬季的熱管啟動時間從原來光管熱管的140多分鐘縮短到20多分鐘，并基本維持原有工質(zhì)充裝量確?？諘駮r熱管的安全。
文檔編號F24J2/05GK103245099SQ20131014212
公開日2013年8月14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