CN101788202A - 黑瓷复合陶瓷管及其内联结管式太阳能集热*** - Google Patents

Abstract

本发明“黑瓷复合陶瓷管及其内联结管式太阳能集热***”涉及太阳能集热***和建筑物房顶，特别涉及管状集热体的太阳能集热***和太阳能房顶。制造以普通陶瓷管为基体，外表面均匀结合立体网状钒钛黑瓷层的黑瓷复合陶瓷管，采用内联结管接头联通黑瓷复合陶瓷管与黑瓷复合陶瓷管、使联通后的黑瓷复合陶瓷管的长度符合实用要求，内联结管接头的外径的最大部分的直径小于或等于黑瓷复合陶瓷管的外径，使内联结黑瓷复合陶瓷管实现密排安装。用于内联结黑瓷复合陶瓷管太阳能集热***和内联结黑瓷复合陶瓷管太阳能房顶。

Description

黑瓷复合陶瓷管及其内联结管式太阳能集热***

技术领域

本发明涉及太阳能集热***，特别涉及管状集热体的太阳能集热***。

背景技术

太阳能利用包括光电利用和光热利用，光电利用主要指太阳能电池，光热利用主要指聚光太阳能发电装置和太阳能集热(器)***，应用最广泛的太阳能集热(器)***是太阳能热水(器)***。

太阳能热水(器)***简称太阳能热水器，一般主要由支架、集热器、水箱构成，集热器分为玻璃真空管式和平板式两种，一般平板式集热器由金属平板集热体、金属外壳、保温材料、透明盖板构成，玻璃真空管本身是集热器也是集热体，太阳能热水器中最关键的部件是太阳能集热体，太阳能集热体主要分为真空玻璃管和金属平板式两大类，金属平板式分为管板式、翼管式、蛇管式和通孔扁盒式集热体，实质上翼管式、蛇管式与管板式一样都是铜管和金属板的结合，目前能够长期承受热水腐蚀的金属材料是铜材，所以金属平板式集热体中与水接触部位一般都是铜材，通常太阳能热水器以其集热体的种类来分类。

本发明人在近几年发明了黑瓷复合陶瓷太阳板，也是一种平板式太阳能集热体，其结构是通孔扁盒式，与金属材料制造的通孔扁盒式太阳能集热体相比，形状基本相同，只是材料不同；黑瓷复合陶瓷太阳板由普通陶瓷和钒钛黑瓷组成，其基体是普通陶瓷，表面层是对阳光具有很高吸收率的钒钛黑瓷层。没有白度要求的普通陶瓷是目前已知的成本最低、寿命最长、性能最稳定的工程材料之一，以提钒尾渣为主要原料的钒钛黑瓷是目前已知的成本最低、寿命最长、性能最稳定的太阳能吸收材料；制造一平方米陶瓷太阳板的成本是制造同面积常规太阳能集热体的几分之一到十分之一，能耗是几分之一到几十分之一，使用寿命是几倍到十几倍；经国家太阳能热水器质量监督检验中心检验，黑瓷复合陶瓷太阳板的阳光吸收比是0.93，以黑瓷复合陶瓷太阳板组成的太阳能热水器的日得热量是8.6MJ，高于国家标准规定的7.0MJ。

我国目前主要采用真空玻璃管太阳能热水器，约占90％，真空玻璃管太阳能热水器是管式太阳能热水器，其余是金属平板式太阳能热水器，欧、美、日、澳大利亚等国主要采用金属平板式太阳能热水器。

我国目前主要采用真空玻璃管太阳能热水器，其太阳能集热体采用玻璃真空管，主要缺点是：

1、真空玻璃管太阳能热水器经过几十年的发展，在我国已经形成大规模生产体系，我国真空玻璃管太阳能热水器的产量已经超过全球太阳能热水器总产量的70％，但是目前真空玻璃管仍然采用外密封、外联结，由于在玻璃管外侧采用密封圈、尾托等实现外联结，使侧面相邻的管与管之间产生很大的间隔或称作空档，使黑色阳光吸收面只占采光投影面积约60％，中午阳光最强烈，中午阳光直射时，约40％的阳光穿过黑色面之间的空档，未得到利用，在阳光最强烈的中午时段严重降低了集热效率，管式太阳能热水器的侧面相邻的管与管之间具有很大间隔，严重影响集热效率，是几十年以来在实际生产太阳能热水器中的顽症、薄弱环节和盲区，一直没有发现和找到适当的解决方法。见本发明所附光盘中的画面。

2、真空玻璃管是盲管，其中被白天阳光加热的水放不出来，无法利用，约占总水量20％，夜晚降温，能量浪费；一头封闭的盲管结构容易沉淀水碱和水中的杂质，减少热交换面积；真空玻璃管一端开口，单口循环，介质进出都依靠一个口，是热效率比较低的循环方式，单口循环方式要求开口比较大才能保持一定的热效率，这也是影响解决管间间隔或空档的重要原因之一。

3、真空玻璃管中的真空度在使用过程中不断下降，降低保温效果，降低效率。

4、玻璃管脆弱、易碎；

5、真空玻璃管的太阳能吸收涂料的阳光吸收率容易衰减，太阳能吸收涂料是由微细的颗粒在常温下用喷涂或真空溅射等方法形成太阳能吸收涂料的薄膜，薄膜中颗粒之间或颗粒与玻璃之间只是分子间的作用力，是分子键，也称作范德华引力，这是很弱的结合力，薄膜在常温形成过程中，不可能形成稳定的矿物结构，在阳光长期照射下，结构容易破坏，阳光吸收率容易衰减；这是目前所有太阳能集热器采用的太阳能吸收涂料的共同缺点；太阳能吸收涂料的使用寿命比较短，一般有效使用寿命5-10年，这也是真空玻璃管使用寿命比较短的重要原因之一。

6、玻璃管用硼硅玻璃制造，熔制温度1650℃，熔制时间数小时，制造能耗高；氧化硼价格高，硼硅玻璃中氧化硼使用量应该达到约14％，每吨氧化硼售价约2万元；这些缺点导致玻璃真空管制造成本、耗能比较高，

7、玻璃真空管单件采光面积小，不能串连，不能形成直通式结构，只能依靠单口的上下部分实现水或介质循环，形成的太阳能热水***结构复杂，***阻力大，导致热效率比较低。

8、玻璃真空管太阳能热水器采用铁、铝支架寿命短，也是导致玻璃真空管太阳能热水器整体寿命比较短的原因之一。

9、由于结构、寿命、成本等原因难以实现与建筑物一体化。

06年发布的国家标准“民用建筑太阳能热水***应用技术规范”，09年7月6日财政部、***发出的关于“可再生能源建筑应用”的两项通知；各省正在酝酿、出台的新建筑必须采用太阳能热水***的强制性规定等，都强调太阳能热水***与建筑一体化。

现在，太阳能热水***已经发展到与建筑一体化的阶段，这是太阳能发展、建筑发展的必然结果，是两者发展必然的汇合点。

但是，现有太阳能热水***由于材料、结构、成本等原因，难以实现与建筑一体化、难以实现与建筑同寿命。

发明内容

本发明的目的是使管式太阳能热水器具有高效率、低成本、长寿命，并实现与建筑物一体化、与建筑同寿命。

本发明是这样实现的：

以普通陶瓷原料采用传统成型方法成型中空陶瓷管素坯，采用传统干燥方法使中空陶瓷管素坯完全干燥后，在其表面扫描喷涂钒钛黑瓷泥浆，再次干燥后经烧制成为基体是普通陶瓷，表面层是立体网状钒钛黑瓷的复合陶瓷管，立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管简称黑瓷复合陶瓷管。

受生产工艺的限制，黑瓷的复合陶瓷管单管长度有限，难以满足实用要求，采用内联结管接头联通黑瓷复合陶瓷管与黑瓷复合陶瓷管、联通黑瓷复合陶瓷管与汇集管，内联结管接头是中间有台阶状圆盘的短管，内联结管接头的台阶状圆盘的直径小于或等于黑瓷复合陶瓷管的外径，采用内联结管接头联通黑瓷复合陶瓷管消除了并排的黑瓷复合陶瓷管之间的间隔和空档，实现了黑瓷复合陶瓷管的密集排列，大幅度提高了管式太阳能热水器的热效率，黑瓷复合陶瓷管和内联结黑瓷复合陶瓷管是通管，不是盲管，具有介质进出口，介质流动阻力小，进一步提高了管式太阳能热水器的热效率。

黑瓷复合陶瓷管由普通陶瓷和立体网状钒钛黑瓷组成，其基体是普通陶瓷，表面层是对阳光具有很高吸收率的立体网状钒钛黑瓷层。普通陶瓷是目前已知的成本最低、寿命最长、性能最稳定的工程材料之一，以提钒尾渣为主要原料的立体网状钒钛黑瓷是目前已知的成本最低、寿命最长、性能最稳定的太阳能吸收材料，内联结管接头可以采用陶瓷材料、金属材料、有机材料制造，可以采用寿命很长的结合剂或者可以方便更换的内联结管接头，从而可以构成成本很低、主体部件寿命很长的黑瓷复合陶瓷管太阳能热水***，因此，黑瓷复合陶瓷管太阳能热水***可以与普通建筑的造价相匹配，与建筑同寿命，实现与建筑一体化。

理想化太阳能集热体追求的性能目标：1、能够长期承受普通热水的腐蚀、具有较高强度2、表面纯黑色、粗糙多孔、形成阳光陷阱，表面层具有高阳光吸收率、阳光吸收率长期稳定3、表面阳光吸收层与基体牢固结合、长期稳定4、集热体与阳光的热交换面积最大化5、集热体结构使其中介质(水)流动阻力最小化。

太阳能集热体依靠表面层吸收太阳能，表面层对太阳能的吸收能力具有决定性的影响，国内外太阳能专家、材料专家为研究表面阳光吸收层绞尽脑汁，现已研制和使用的涂层至少达到上千种，基本上可以按照吸收原理、构造和制造工艺进行分类。

按原理、构造分类：

1.半导体涂层——利用电子跃迁吸收能量，多为过渡金属氧化物，如黑铬、黑镍、氧化铜黑、四氧化三铁等。

2.光干涉涂层--利用多层膜对光的干涉原理，降低光的反射率，增加吸收率，Al₂O₃-Mox-Al₂O₃(AMA)三层膜，A/N-Al/Al八层膜等。

3.米氏散射涂层——利用母体中细分散的金属粒子对光进行多次散射和内反射将其吸收，如Co-Al₂O₃、Al-Al₂O₃、Au-Al₂O₃涂层等。

4.多孔涂层——利用粗糙表面对光起到陷阱作用，使表面不连续性尺寸与可见光谱峰值相当，在短波侧以黑洞形式集光，长波侧以平面形式辐射光，如以化学腐蚀在铜表面形成的Cu-CuO涂层，钨的化学蒸镀涂层和粗糙黑铬形成蜂窝状镀层、铝阳极氧化涂层等的最大孔隙率可以达22％等。

按制造工艺分类：

1.电镀涂层——如黑镍、黑铬、黑钴、黑色镍一锡合金镀层等。

2.电化学转化涂层——如铝阳极氧化涂层、CuO转化涂层、Mo黑化学转化涂层等。

3.真空镀膜涂层——利用真空蒸发和磁控溅射技术制取，如pbs/Al/Al、AlCN、Ni-Cr，多层渐变铝氮铝Al-N/Al涂层等。

4.涂料涂层——如以MnO₂、Fe₃O₄、Cr₂O₃、PbS、Fe₃CuO₅等为黑色颜料，以有机硅改性丙稀酸树脂、乙丙橡胶、氟树脂等有机材料为粘结剂的各种涂层。

但是，这些太阳能吸收涂料都是由微细的颗粒在常温下用喷涂或溅射等方法形成太阳能吸收涂料的薄膜，薄膜中颗粒之间或颗粒与玻璃之间只是分子间的作用力，是分子键，也称作范德华引力，这是很弱的结合力，薄膜在常温过程中形成，不可能形成稳定的矿物结构，在阳光长期照射下，结构容易破坏，阳光吸收率容易衰减；这是目前所有太阳能集热器采用的太阳能吸收涂料的共同缺点；太阳能吸收涂料的使用寿命比较短，一般有效使用寿命5-10年，只要这个问题不解决，太阳能的使用成本不可能低于常规能源，太阳能就不可能成为大规模替代能源，太阳能装置就不可能成为一种经济的能源装置。

上述太阳能吸收涂料不但容易衰减、使用寿命短，而且制造成本高。

本发明的特点之一是在陶瓷中空管基体上覆盖以提钒尾渣(工业废弃物)为主要原料的钒钛黑瓷泥浆层与陶瓷中空板一起经高温烧结成为立体网状钒钛黑瓷阳光吸收层，此阳光吸收层整体黑色、不腐蚀、不老化、不退色、无毒、无害、无放射性、生产成本低廉，阳光吸收率高而且稳定，不随时间衰减，使用寿命长。

在陶瓷中空管基体上覆盖立体网状钒钛黑瓷阳光吸收层是这样实现的：

以普通陶瓷原料采用传统成型方法成型中空陶瓷管素坯，采用传统干燥方法使中空陶瓷管素坯达到完全干燥，只有彻底干燥的陶瓷管素坯才能具有最大的吸水能力，才能形成最完整的立体网状钒钛黑瓷阳光吸收层，将提钒尾渣和普通陶瓷原料磨制成泥浆，其中提钒尾渣重量比超过50％，使陶瓷管素坯绕中心轴旋转，以压缩空气将所述泥浆用普通喷枪沿轴向来回扫描喷涂，控制压缩空气的压力、流量和泥浆的比例使初期与干燥的陶瓷太阳管素坯表面相接触的雾滴由于干燥素坯的快速吸水和雾滴的表面张力形成具有一定强度、相对干燥、粘附于素坯管表面的泥粒，喷枪在陶瓷管素坯上来回扫描喷涂，当喷枪回到初始喷涂位置时，后续喷落的雾滴首先遇到这些具有一定吸湿能力的突出于表面的泥粒，粘附在泥粒上，依次堆积成柱状、尖塔状、立壁状、蜂窝状、多孔状的非均匀、不连续、被吸湿而具有一定强度的雾滴泥料堆积体，当这些立体堆积体达到一定高度失去吸湿能力前停止喷雾，这时在陶瓷管素坯表面不仅仅有柱状、尖塔状、立壁状、蜂窝状、多孔状的非均匀、不连续的立体堆积体，而且随着这些立体堆积体的进一步干燥，在这些立体堆积体上出现大量的、不仅布满表面而且深入立体堆积体内部的由于水分子运动而产生的毛细孔，这样的立体堆积体构成的表面层，我们称作立体网状钒钛黑瓷表面层，从而在中空陶瓷太阳素坯管表面得到立体网状黑瓷素坯层，将此具有立体网状黑瓷素坯层的中空陶瓷素坯管经干燥后进行高温烧制，控制烧成温度和时间使立体网状黑瓷素坯层与陶瓷管素坯同时烧结为立体网状黑瓷层和瓷质陶瓷管基体，高温烧结使立体网状黑瓷层与瓷质陶瓷管基体烧结复合为一体，所以称作立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管，其立体网状黑瓷层内部及立体网状黑瓷层与陶瓷基体之间的结合力是离子键或原子键的结合，其结合键能是分子键键能的数百倍以上，立体网状黑瓷层构成阳光陷阱，其阳光吸收原理相当于黑洞。

调整泥浆配方和水分决定泥浆中颗粒之间的内聚力，控制压缩空气的压力、流量和泥浆的比例决定喷出雾滴的速度和大小，雾滴是泥浆与空气的混合物是中空的泥浆球，粘附在堆积物上时，失去部分水分而硬化成中空硬壳，部分球体破碎，形成立体网状多孔的堆积体，泥浆的配方、内聚力、失去水分的速度决定堆积体的平均直径和高度，堆积体高度可以达到0.1毫米，堆积体中充满的毛细孔是干燥素坯吸收水分时造成的水分运动通道，烧成时形成微细孔穴，烧成后堆积体的每一个立柱、尖塔、立壁、蜂窝壁上布满孔穴，孔径为0.1～50微米。

所述的提钒尾渣是钒钛磁铁矿经熔炼得到含钒铁水，含钒铁水经吹炼得到钒渣，钒渣加入辅料进行焙烧，将焙烧料提钒，提取钒后所剩余的作为废弃物的残渣即为提钒尾渣。

以提钒尾渣为全部原料或原料之一的陶瓷我们称作钒钛黑瓷，上述钒钛黑瓷泥浆中提钒尾渣重量比超过50％，可以得到外观纯黑色的钒钛黑瓷，一般采用65％，得到的立体网状钒钛黑瓷层的阳光吸收率为0.93，组成的太阳能热水***经国家检测部门检测，其日得热量为0.86MJ，远高于国家标准规定的0.70MJ。

综上所述，本发明采用极其廉价的原料，非常简单的工艺，得到阳光吸收率、热效率很高的阳光吸收层，这不是上述本身及与基体依靠机械结合或分子键结合的传统的太阳能吸收涂料，而是表面层与基体共同、同时经过1200℃高温煅烧的产物，是依靠离子键或原子键结合的非常稳定的硅酸盐矿物，其基本结构与自然界的火成岩一样，在常温或100-200℃的温度下至少可以保持数百年、上千年的稳定性。

内联结黑瓷复合陶瓷管由黑瓷复合陶瓷管和内联结管接头组成，有3种方式。

方式1：黑瓷复合陶瓷管不加工，内联结管接头是中间有台阶状圆盘的短管，短管的外径小于黑瓷复合陶瓷管的内径，台阶状圆盘的直径小于黑瓷复合陶瓷管的外径，将结合剂涂在短管一头的外侧和台阶状圆盘的侧面上，***黑瓷复合陶瓷管内，结合剂将短管外壁、短管的台阶状圆盘、黑瓷复合陶瓷管内壁、黑瓷复合陶瓷管端面结合为一体，采用同样方法将短管另一头与另一根黑瓷复合陶瓷管结合，则形成内联结黑瓷复合陶瓷管。上述内联结管接头称作胶结型内联结管接头。

方式二：将黑瓷复合陶瓷管两端部分内表面加工成圆面，内联结管接头是中间有台阶状圆盘的短管，短管的外径小于黑瓷复合陶瓷管的内径，台阶状圆盘的直径小于黑瓷复合陶瓷管的外径，台阶状圆盘两侧短管上有半圆槽，槽上有“O”型圈，“O”型圈的直径略大于黑瓷复合陶瓷管两端加工后的内圆直径，将内联结管接头的两头***两根黑瓷复合陶瓷管，将两根黑瓷复合陶瓷管内联结为一体。上述内联结管接头称作“O”型圈型内联结管接头，“O”型圈采用弹性材料。

方式三：将黑瓷复合陶瓷管两端部分内表面加工成圆面，内联结管接头采用弹性材料，内联结管接头是中间有台阶状圆盘的短管，短管的外径略大于黑瓷复合陶瓷管两端加工后的内圆直径，短管的前端直径略小于黑瓷复合陶瓷管两端加工后的内圆直径，将内联结管接头的两头***两根黑瓷复合陶瓷管，将两根黑瓷复合陶瓷管内联结为一体。上述内联结管接头称作弹性内联结管接头。

采用内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管组成太阳能热水(器)***：

太阳能热水(器)***主要由太阳能集热器、上下循环管、水箱组成；太阳能集热器由太阳能集热体、透明盖板、保温材料、底板、边框、太阳能集热体和透明盖板的支撑结构组成；本发明中采用内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管作为太阳能集热体，组成的太阳能热水(器)***称作内联结管接头黑瓷复合陶瓷管太阳能热水(器)***。

采用内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管组成太阳能房顶：

一般房顶至少由结构层、保温层、防水层构成，大多数房顶由混凝土结构层、保温层、水泥层、防水层构成；房顶的主要功能是隔热、保温，抵御风、雨、雪、日晒等对室内环境的影响；通常房顶包括平房顶、人字形的斜房顶和一面坡的斜房顶。

房顶是离人类最近、使人类最容易获得阳光的场所。所以一般人们将太阳能热水器安装在房顶上，以取得太阳能。如上所述，太阳能热水器主要由支架、集热器、水箱构成，经过多年使用，人们发现在房顶上大量安装太阳能热水器会严重影响建筑物的整齐和美观，安装过程和支架的压力容易损坏房顶防水层，支架腐蚀等原因会造成安全问题。

长期以来人们一直希望实现太阳能热水器与建筑一体化。

06年生效的国家标准“民用建筑太阳能热水***应用技术规范”，09年7月6日财政部、***发出的关于“可再生能源建筑应用”的两项通知；各省正在酝酿、出台的新建筑必须采用太阳能热水***的强制性规定等，都强调太阳能热水***与建筑一体化。

尽管06年生效的国家标准“民用建筑太阳能热水***应用技术规范”明确提出“太阳能热水***与建筑结合，就是把太阳能热水***产品作为建筑构件安装，使其与建筑有机结合”“使太阳能热水***与建筑有机结合，成为建筑的一部分”，已经过去4年了，但是，到目前为至，房顶仍然只是包括结构层、保温层、水泥层、防水层，自成体系；太阳能热水器仍然只是由支架、集热器、水箱构成，自成体系。

至今，太阳能热水器仍然是架设在房顶上的自成体系的后置设备，个别的变化是将加固的集热器外壳紧贴斜房顶的防水层固定，从远处看似乎与房顶实现了一体化，本质上没有实现太阳能热水器与建筑一体化。

本发明的目的之一是使内联结管接头黑瓷复合陶瓷管太阳能热水(器)***与建筑物房顶真正实现一体化。

本发明是以合并内联结管接头黑瓷复合陶瓷管太阳能热水(器)***与普通建筑物房顶功能相同的部分的方法实现太阳能热水器与建筑一体化：

上述内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管组成太阳能热水(器)***：主要由太阳能集热器、上下循环管、水箱组成；太阳能集热器由作为集热体的内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管、透明盖板、保温材料、底板、边框、太阳能集热体和透明盖板的支撑结构组成。

其中保温材料一般是聚氨酯泡沫塑料、玻璃棉或岩棉等，可以看作是保温层；透明盖板一般采用玻璃板、钢化玻璃板或透明的聚脂板，起到透过阳光、阻挡风和雨水的作用，可以看作是防水层；底板、边框可以看作是结构层。

大多数建筑物房顶由混凝土结构层、保温层、水泥层、防水层构成；通常混凝土结构层是现浇或预制的混凝土平板，一般与建筑的柱、梁等承重结构结合为一体，房顶的混凝土结构层一般厚度100毫米左右，房顶保温层通常采用轻质珍珠岩水泥、加气混凝土、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、玻璃棉，岩棉等，根据地域和采用材料的不同，一般保温层的厚度为100-200毫米，为了使房顶表面有一定硬度，一般在保温层上面有一层水泥层，水泥层上面覆盖并牢固结合防水层，防水层可以采用普通油毛毡及各种改性、高分子、耐老化、加强型等的防水材料或防水卷材。

向阳的普通斜房顶的混凝土平板结构层相当于上述内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管组成太阳能热水(器)***的底板，在作为混凝土结构层的混凝土平板上增加混凝土附件，混凝土附件包括混凝土边框、混凝土条和混凝土柱，混凝土边框相当于上述太阳能热水(器)***的边框，混凝土条用来支撑内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管，混凝土柱和边框共同支持透明盖板，透明盖板通常采用钢化玻璃，其作用相当于防水层；房顶的混凝土平板结构层上的保温材料相当于太阳能热水(器)***的保温层，保温层处于黑瓷复合陶瓷管和混凝土平板结构层之间，取消原房顶的水泥层，将内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管的上口与上汇集管联结，并通过上汇集管、上循环管与水箱的上循环口相通，内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管的下口与下汇集管联结，并通过下汇集管、下循环管与水箱的下循环口相通，经过上述改造，向阳的普通斜房顶即成为内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管太阳能房顶。

综上所述：

本发明的黑瓷复合陶瓷管是以普通陶瓷管为基体，外表面均匀结合立体网状钒钛黑瓷层的黑瓷复合陶瓷管。

一般从理论上和实际使用角度理解，容易认为黑瓷复合陶瓷管可以和黑瓷复合陶瓷板一样，只要单面覆盖黑瓷层，就可以充分吸收阳光，通过反复实践发现单面覆盖黑瓷层无法实现在表面均匀覆盖黑瓷层的目的，过厚或过薄的黑瓷层都会严重影响热效率；另外，安装试验也表明，黑瓷复合陶瓷管在制造过程中难免产生少量弯曲，单面覆盖黑瓷层的黑瓷复合陶瓷管在密排安装过程中产生难以克服的困难，为此采用下述方法在陶瓷管的全圆周、全部外表面均匀结合立体网状钒钛黑瓷层。

上述黑瓷复合陶瓷管是以普通陶瓷原料采用传统成型方法成型陶瓷管素坯，采用传统干燥方法使陶瓷管素坯至完全干燥，在陶瓷管素坯外表面均匀扫描喷涂钒钛黑瓷泥浆，在陶瓷管素坯表面产生柱状、尖塔状、立壁状、蜂窝状、多孔状的非均匀、不连续的立体堆积体，在这些立体堆积体表面和内部有大量毛细孔，再次干燥后经烧制成为基体是普通陶瓷，表面层是立体网状钒钛黑瓷的黑瓷复合陶瓷管。

所述的在陶瓷管素坯表面均匀扫描喷涂钒钛黑瓷泥浆的方法，是将提钒尾渣和普通陶瓷原料混合后磨制成泥浆，使陶瓷管素坯绕中心轴等速旋转，以压缩空气将所述泥浆用喷枪以扫描喷涂的方式喷涂在干燥的陶瓷管素坯表面上，喷枪沿陶瓷管素坯的轴向来回等速运动，逐区扫描喷涂，当喷枪再次喷涂某一区域时，这一区域表面的立体网状钒钛黑瓷泥浆立体堆积体中的水分已经被基体吸收，又可以接受一批新的钒钛黑瓷泥浆雾滴而不会使立体堆积体因含水量过多而导致立体堆积体流淌、塌落、使表面变平坦，所述扫描喷涂的方式是使喷枪沿轴向以使立体堆积物不会流淌、塌落的速度来回扫描喷涂。

采用内联结管接头联通黑瓷复合陶瓷管与黑瓷复合陶瓷管、使联通后的黑瓷复合陶瓷管的长度符合实用要求，内联结管接头的外径的最大部分的直径小于或等于黑瓷复合陶瓷管的外径，使内联结黑瓷复合陶瓷管实现密排安装。

所述的所述的内联结管接头包括胶结型内联结管接头、“O”型圈内联结管接头、弹性内联结管接头；三种内联结管接头构成内联结黑瓷复合陶瓷管的方法如下：

1、黑瓷复合陶瓷管不加工，内联结管接头是中间有台阶状圆盘的短管，短管的外径小于黑瓷复合陶瓷管的内径，台阶状圆盘的直径小于或等于黑瓷复合陶瓷管的外径，将结合剂涂在短管两头的外侧和台阶状圆盘的侧面上，两头分别***两根黑瓷复合陶瓷管内，结合剂将短管外壁、短管的台阶状圆盘、黑瓷复合陶瓷管内壁、两根黑瓷复合陶瓷管端面结合为一体，逐根联结达到实用长度。

2、将黑瓷复合陶瓷管两端部分内表面加工成圆面，内联结管接头是中间有台阶状圆盘的短管，短管的外径小于黑瓷复合陶瓷管加工后的内径，台阶状圆盘的直径小于或等于黑瓷复合陶瓷管的外径，台阶状圆盘两侧短管上有半圆槽，槽上有弹性“O”型圈，“O”型圈的直径略大于黑瓷复合陶瓷管两端加工后的内圆直径，将内联结管接头的两头***两根黑瓷复合陶瓷管，将两根黑瓷复合陶瓷管内联结为一体，逐根联结达到实用长度。

3、将黑瓷复合陶瓷管两端部分内表面加工成圆面，内联结管接头采用弹性材料，内联结管接头是中间有台阶状圆盘的短管，短管的外径略大于黑瓷复合陶瓷管两端加工后的内圆直径，短管的前端直径略小于黑瓷复合陶瓷管两端加工后的内圆直径，台阶状圆盘的直径小于或等于黑瓷复合陶瓷管的外径，将内联结管接头的两头***两根黑瓷复合陶瓷管，将两根黑瓷复合陶瓷管内联结为一体，逐根联结达到实用长度。

内联结黑瓷复合陶瓷管太阳能集热***的基本结构与普通金属平板型太阳能集热***相同，可以看作是将普通金属平板型太阳能集热***的金属太阳能集热体换成内联结黑瓷复合陶瓷管，即成为内联结黑瓷复合陶瓷管太阳能集热***

通常将太阳能集热***作为后置设备放在房顶上，成本高、寿命短、对建筑的外观、防水层等造成损害，同时产生安全问题；本发明是将内联结黑瓷复合陶瓷管太阳能集热***实现与建筑一体化、与建筑有机结合、成为建筑的一部分，具体方法是：将向阳的普通斜房顶的混凝土平板结构层上增加混凝土边框、混凝土条和混凝土柱；混凝土条支撑内联结黑瓷复合陶瓷管，内联结黑瓷复合陶瓷管是太阳能集热***的集热体，也是新房顶的太阳能集热体；混凝土柱和边框共同支撑透明盖板，透明盖板是太阳能集热***的透光、防水层也是新房顶的防水层；原房顶的混凝土平板结构层上的保温材料是太阳能集热***的保温层也是新房顶的保温层，保温层处于内联结黑瓷复合陶瓷管和混凝土平板结构层之间；原房顶的混凝土平板结构层是太阳能集热***的结构层也是新房顶的结构层；取消原房顶的水泥层，将内联结黑瓷复合陶瓷管的上口与上汇集管联结，并通过上汇集管、上循环管与水箱的上循环口相通，将内联结黑瓷复合陶瓷管的下口与下汇集管联结，并通过下汇集管、下循环管与水箱的下循环口相通；经过上述改造，向阳的普通斜房顶成为既具有原房顶的各种功能又具有太阳能集热***集热功能的内联结黑瓷复合陶瓷管太阳能房顶。

与普通黑瓷复合陶瓷管相比，立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管具有更高的阳光吸收比(阳光吸收率)，普通黑瓷复合陶瓷管的阳光吸收比是0.88-0.91，立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管的阳光吸收比是0.93。

阳光能量主要集中在波长0.3～2.1微米范围内，红外能量主要集中在2.5～25微米范围内，太阳能吸收涂料利用各种原理增加短波吸收，减少长波辐射，称为选择性吸收涂层，选择性吸收比非选择性吸收具有更高的阳光利用效率，立体网状黑瓷阳光吸收层利用其立体网状结构和微米孔洞可以实现短波侧以黑洞、陷阱的形式集光，长波侧以平面的形式辐射光，从而实现选择性吸收，立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管比普通黑瓷复合陶瓷管具有更高的阳光利用效率。

太阳能集热体的效率与其结构有关，黑瓷复合陶瓷板与传统太阳能集热体相比，由于黑瓷复合陶瓷板具有大通道、直通式的结构，其热效率可以比传统太阳能集热体高20-40％，而内联结立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管与钒钛黑瓷复合陶瓷板相比，由于具有更大的通道和更直的通道，内联结立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管可以具有更高的效率。

受生产条件限制，生产的黑瓷复合陶瓷管单管长度有限，必须通过联结才能加大长度，提高热水器效能，降低生产成本；传统管式太阳能热水器并排管之间空隙太大，效率太低，采用内联结黑瓷复合陶瓷管才能消除并排管之间的空隙，大幅度提高管式太阳能热水器的效率，才能提高黑瓷复合陶瓷管式太阳能热水器的效率。

内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管太阳能房顶与原普通房顶共用结构层、保温层、防水层，取消原普通房顶的水泥层，在面积相同的前提下，内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管太阳能房顶的造价远低于普通房顶加上传统太阳能热水器的造价，也远低于单独传统太阳能热水器的造价；实现大规模生产和安装后，只要在普通房顶造价的基础上每平方米增加200-300元，就可以建造黑瓷复合陶瓷管太阳能房顶，而每平方米普通房顶的造价是数百元，根据2008年全国常规太阳能热水器的销售量和销售额，每平方米常规太阳能热水器的售价是1357元。

附图说明

图1表示胶结型内联结管接头将立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管、上下汇集管联结为一体的结构的纵向剖面图。

图2表示由水箱、上下循环管、上下汇集管、内联结立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管、外框、底板、内联结黑瓷复合陶瓷管的支撑条、透明盖板的支撑柱等构成的内联结黑瓷复合陶瓷管太阳能热水器或者内联结黑瓷复合陶瓷管太阳能房顶。

图3表示两端部分内表面加工成圆面的立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管的纵向剖面图。

图4表示“O”型圈内联结管接头将立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管联结为一体的方法和“O”型圈内联结管接头联结立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管的纵向剖面图。

图5表示弹性内联结管接头将立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管联结为一体的方法和弹性内联结立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管的纵向剖面图。

图中标记的说明：

1、立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管简称黑瓷复合陶瓷管  2、胶结型内联结管接头  3、结合剂  4、与汇集管联结的内联结管接头  5、上汇集管  6、下汇集管  7、下循环管8、上循环管  9、水箱  10、外框  11、底板  12、内联结黑瓷复合陶瓷管的支撑条13、透明盖板的支撑柱  14、两端部分内表面加工成圆面的立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管15、“O”型圈内联结管接头  16、“O”型圈  17、弹性内联结管接头

具体实施方式

1、以普通陶瓷原料采用三轴螺旋真空挤制机挤出成型方法成型外径50毫米，壁厚3毫米的陶瓷管素坯，采用连续干燥方法使陶瓷管素坯至完全干燥；将提钒尾渣、中塑性粘土、高塑性粘土按60％、30％、10％的重量比混合后用球磨机磨制成钒钛黑瓷泥浆；将可以旋转的中心轴穿入完全干燥的陶瓷管素坯中，使两者固定为一体，中心轴转速每分钟2转，钒钛黑瓷泥浆喷枪固定在水平轴的轴套上，轴套在水平轴上作定速往复运动，压缩空气将泥浆雾化，通过喷枪以等速扫描喷涂的方式喷涂在旋转的、干燥的陶瓷管素坯表面上，在陶瓷管素坯表面逐步形成柱状、尖塔状、立壁状、蜂窝状、多孔状的非均匀、不连续的立体堆积体，形成立体网状钒钛黑瓷素坯层，将此具有立体网状黑瓷素坯层的陶瓷素坯管经干燥后进行高温烧制，控制烧成温度和时间使立体网状黑瓷素坯层与陶瓷管素坯同时烧结为立体网状黑瓷层和瓷质陶瓷管基体，高温烧结使立体网状黑瓷层与瓷质陶瓷管基体烧结复合为一体，即成为立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管，长度1.5米。

采用胶结型内联结管接头，黑瓷复合陶瓷管不加工，烧成后的黑瓷复合陶瓷管外径44毫米，内径38毫米，内联结管接头是陶瓷质的中间有台阶状圆盘的短管，两头的短管各长25毫米，外径为36毫米，台阶状圆盘的直径43毫米，将结合剂涂在短管两头的外侧和台阶状圆盘的侧面上，两头分别***两根黑瓷复合陶瓷管内，结合剂将短管外壁、短管的台阶状圆盘、黑瓷复合陶瓷管内壁、黑瓷复合陶瓷管端面结合为一体，成为内联结立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管，联结黑瓷复合陶瓷管与汇集管的是金属材料制造的内联结管接头，尺寸与上述内联结管接头相同，一头采用上述胶结方法与黑瓷复合陶瓷管联结，另一头可以采用多种方法如焊接方法与汇集管联结。

将普通平板型太阳能热水器的金属太阳能集热体换成内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管，即成为内联结管接头黑瓷复合陶瓷管太阳能热水器。

将向阳的普通斜房顶的混凝土平板结构层上增加混凝土边框、混凝土条和混凝土柱，混凝土条用来支撑内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管，混凝土柱和边框共同支持作为透明盖板的钢化玻璃板，钢化玻璃板同时起到原房顶防水层的作用，原房顶的混凝土平板结构层上的保温材料用作新太阳能房顶的保温层，保温层采用玻璃棉放在黑瓷复合陶瓷管和混凝土平板结构层之间，取消原房顶的水泥层，将内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管的上口与上汇集管联结，并通过上汇集管、上循环管与水箱的上循环口相通，内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管的下口与下汇集管联结，并通过下汇集管、下循环管与水箱的下循环口相通，经过上述改造，向阳的普通斜房顶即成为内联结管接头的黑瓷复合陶瓷管太阳能房顶。

2、采用“O”型圈内联结管接头将立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管联结为一体，成为太阳能集热体，其余与实施例1相同。

3、采用弹性内联结管接头将立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷管联结为一体，成为太阳能集热体，其余与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种黑瓷复合陶瓷管，其特征在于，以普通陶瓷管为基体，外表面均匀结合立体网状钒钛黑瓷层的黑瓷复合陶瓷管。

2.根据权利要求1所述的一种黑瓷复合陶瓷管，其特征在于以普通陶瓷原料采用传统成型方法成型陶瓷管素坯，采用传统干燥方法使陶瓷管素坯至完全干燥，在陶瓷管素坯外表面均匀扫描喷涂钒钛黑瓷泥浆，在陶瓷管素坯表面产生柱状、尖塔状、立壁状、蜂窝状、多孔状的非均匀、不连续的立体堆积体，在这些立体堆积体表面和内部有大量毛细孔，再次干燥后经烧制成为基体是普通陶瓷，表面层是立体网状钒钛黑瓷的黑瓷复合陶瓷管。

3.根据权利要求2所述的在陶瓷管素坯表面均匀扫描喷涂钒钛黑瓷泥浆的方法，其特征在于将提钒尾渣和普通陶瓷原料混合后磨制成泥浆，使陶瓷管素坯绕中心轴等速旋转，以压缩空气将所述泥浆用喷枪以扫描喷涂的方式喷涂在干燥的陶瓷管素坯表面上，喷枪沿陶瓷管素坯的轴向来回等速运动，逐区扫描喷涂，当喷枪再次喷涂某一区域时，这一区域表面的立体网状钒钛黑瓷泥浆立体堆积体中的水分已经被基体吸收，又可以接受一批新的钒钛黑瓷泥浆雾滴而不会使立体堆积体因含水量过多而导致立体堆积体流淌、塌落、使表面变平坦，所述扫描喷涂的方式是使喷枪沿轴向以使立体堆积物不会流淌、塌落的速度来回扫描喷涂。

4.一种内联结黑瓷复合陶瓷管，其特征在于，采用内联结管接头联通黑瓷复合陶瓷管与黑瓷复合陶瓷管、使联通后的黑瓷复合陶瓷管的长度符合实用要求，内联结管接头的外径的最大部分的直径小于或等于黑瓷复合陶瓷管的外径，使内联结黑瓷复合陶瓷管实现密排安装。

5.根据权利要求4所述的所述的内联结管接头，其特征在于，所述的内联结管接头是胶结型内联结管接头、“O”型圈内联结管接头、弹性内联结管接头。

6.根据权利要求4所述的内联结黑瓷复合陶瓷管，其特征在于，黑瓷复合陶瓷管不加工，内联结管接头是中间有台阶状圆盘的短管，短管的外径小于黑瓷复合陶瓷管的内径，台阶状圆盘的直径小于或等于黑瓷复合陶瓷管的外径，将结合剂涂在短管两头的外侧和台阶状圆盘的侧面上，两头分别***两根黑瓷复合陶瓷管内，结合剂将短管外壁、短管的台阶状圆盘、黑瓷复合陶瓷管内壁、两根黑瓷复合陶瓷管端面结合为一体，逐根联结达到实用长度。

7.根据权利要求4所述的内联结黑瓷复合陶瓷管，其特征在于，将黑瓷复合陶瓷管两端部分内表面加工成圆面，内联结管接头是中间有台阶状圆盘的短管，短管的外径小于黑瓷复合陶瓷管加工后的内径，台阶状圆盘的直径小于或等于黑瓷复合陶瓷管的外径，台阶状圆盘两侧短管上有半圆槽，槽上有弹性“O”型圈，“O”型圈的直径略大于黑瓷复合陶瓷管两端加工后的内圆直径，将内联结管接头的两头***两根黑瓷复合陶瓷管，将两根黑瓷复合陶瓷管内联结为一体，逐根联结达到实用长度。

8.根据权利要求4所述的内联结黑瓷复合陶瓷管，其特征在于，将黑瓷复合陶瓷管两端部分内表面加工成圆面，内联结管接头采用弹性材料，内联结管接头是中间有台阶状圆盘的短管，短管的外径略大于黑瓷复合陶瓷管两端加工后的内圆直径，短管的前端直径略小于黑瓷复合陶瓷管两端加工后的内圆直径，台阶状圆盘的直径小于或等于黑瓷复合陶瓷管的外径，将内联结管接头的两头***两根黑瓷复合陶瓷管，将两根黑瓷复合陶瓷管内联结为一体，逐根联结达到实用长度。

9.一种内联结黑瓷复合陶瓷管太阳能集热***，其特征在于，将普通金属平板型太阳能集热***的金属太阳能集热体换成内联结黑瓷复合陶瓷管，即成为内联结黑瓷复合陶瓷管太阳能集热***

10.根据权利要求9所述的一种内联结黑瓷复合陶瓷管太阳能集热***，其特征在于将内联结黑瓷复合陶瓷管太阳能集热***与建筑一体化、与建筑有机结合、成为建筑的一部分：将向阳的普通斜房顶的混凝土平板结构层上增加混凝土边框、混凝土条和混凝土柱；混凝土条支撑内联结黑瓷复合陶瓷管，内联结黑瓷复合陶瓷管是太阳能集热***的集热体，也是新房顶的太阳能集热体；混凝土柱和边框共同支撑透明盖板，透明盖板是太阳能集热***的透光、防水层也是新房顶的防水层；原房顶的混凝土平板结构层上的保温材料是太阳能集热***的保温层也是新房顶的保温层，保温层处于内联结黑瓷复合陶瓷管和混凝土平板结构层之间；原房顶的混凝土平板结构层是太阳能集热***的结构层也是新房顶的结构层；取消原房顶的水泥层，将内联结黑瓷复合陶瓷管的上口与上汇集管联结，并通过上汇集管、上循环管与水箱的上循环口相通，将内联结黑瓷复合陶瓷管的下口与下汇集管联结，并通过下汇集管、下循环管与水箱的下循环口相通；经过上述改造，向阳的普通斜房顶成为既具有原房顶的各种功能又具有太阳能集热***集热功能的内联结黑瓷复合陶瓷管太阳能房顶。

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