阅读说明：本技术 一种太阳能毛细管温度梯度箱 (Solar energy capillary temperature gradient case ) 是由 江红阳 张凤娟 苏州 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种太阳能毛细管温度梯度箱,涉及太阳能集热技术领域。包括太阳能集热器、控温水箱、低温水箱、试验箱和控制器,所述的控温水箱内设置有升温盘管和降温盘管。试验箱包括保温桶体和上盖,所述的保温桶体内由外到内依次同轴设置有环壁式毛细管换热器和金属内筒,环壁式毛细管换热器包括上环管、下环管和用于连通所述上环管和下环管的毛细管,上、下环管上分别设置有出水管和进水管。太阳能集热器与升温盘管相连形成第一循环回路；低温水箱与降温盘管形成第四循环回路,控温水箱与环壁式毛细管换热器相连形成了第三循环回路。通过利用环壁式毛细管换热器换热,具有换热面积大,换热温差小的特点,能够实现箱内的快速变温和均匀分布。(The invention discloses a solar capillary temperature gradient box, and relates to the technical field of solar heat collection. The solar water heater comprises a solar heat collector, a temperature control water tank, a low-temperature water tank, a test box and a controller, wherein a heating coil and a cooling coil are arranged in the temperature control water tank. The test box comprises a heat-insulating barrel body and an upper cover, wherein a circular wall type capillary heat exchanger and a metal inner barrel are coaxially arranged in the heat-insulating barrel body from outside to inside in sequence, the circular wall type capillary heat exchanger comprises an upper circular pipe, a lower circular pipe and a capillary pipe used for communicating the upper circular pipe and the lower circular pipe, and a water outlet pipe and a water inlet pipe are respectively arranged on the upper circular pipe and the lower circular pipe. The solar heat collector is connected with the heating coil pipe to form a first circulation loop; the low-temperature water tank and the cooling coil form a fourth circulation loop, and the temperature control water tank is connected with the annular wall type capillary heat exchanger to form a third circulation loop. Through utilizing the heat transfer of rampart formula capillary heat exchanger, have the heat transfer area big, the characteristics that the heat transfer difference in temperature is little can realize quick temperature change and evenly distributed in the case.)

一种太阳能毛细管温度梯度箱

技术领域

本发明涉及太阳能集热技术领域，具体地说是一种太阳能毛细管温度梯度箱。

背景技术

温度梯度箱是在生物、食品工程、医学研究、农林科学、水产、畜牧等领域从事科研和生产使用的理想设备。为了更正确地模拟产品在自然界所遭受的实际环境状况，在环境试验中必须保证被试产品处在同一温度环境条件下，为此，必须对试验箱内的温度梯度和温度的波动度加以限制。

试验箱内部的温度稳定性及均匀性是衡量温度梯度箱性能的一个重要指标，针对需求进行不同温度梯度的快速转换也是其性能指标之一。对于环境试验设备制造商而言，都在研究能够兼顾高的变温速率和好的温度场均匀性的产品，以满足用户的要求。

目前现有的温度梯度箱大都通过制冷或者电加热设备作为冷热源，箱内通过风机实现气流均匀分布，达到温度均匀和快速变温的效果。但是在追求高变温速率的前提下，增大风速会破坏箱体内部温度的均匀性，尤其是迎风面和背风面的温度差异，且在某些具体的培养箱实验工艺上，箱内风速值会影响实验的结果。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种太阳能毛细管温度梯度箱，通过利用环壁式毛细管换热器换热，具有换热面积大，换热温差小的特点，能够实现箱内的快速变温和均匀分布，且通过控制模式的切换，实现其温度梯度箱内变温区需求。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种太阳能毛细管温度梯度箱，包括太阳能集热器、控温水箱、低温水箱、试验箱和控制器；

所述的控温水箱内设置有升温盘管和降温盘管；

所述的试验箱包括保温桶体和上盖，所述的保温桶体内由外到内依次同轴设置有环壁式毛细管换热器和金属内筒，所述的环壁式毛细管换热器包括上环管、下环管和用于连通所述上环管和下环管的毛细管，且所述的毛细管沿圆周方向均匀布置，所述的上环管上设置有出水管，所述的下环管上设置有进水管；

所述的试验箱和控温水箱上分别设置有温度计；

所述的太阳能集热器通过第一管道和第二管道与升温盘管相连，并形成了第一循环回路，且所述的第一循环回路上设置有第一阀门和第一循环泵；

所述的低温水箱通过第七管道和第八管道与降温盘管相连，并形成了第四循环回路，且所述的第四循环回路上设置有第七阀门和第三循环泵；

所述的控温水箱通过第五管道和第六管道与环壁式毛细管换热器相连，并形成了第三循环回路，且所述的第三循环回路上设置有第五阀门和第二循环泵。

进一步地，所述的太阳能集热器通过第三管道和第四管道与环壁式毛细管换热器相连，并形成了第二循环回路，所述的第三管道和第四管道上分别设置有第三阀门和第四阀门，且所述的第三阀门和第四阀门仅能够控制第二循环回路的通断；

所述的第一阀门设置于第一管道上，所述的第二管道上设置有第二阀门，且所述的第一阀门和第二阀门仅能够控制第一循环回路的通断，第一循环泵仅能够为第一循环回路提供动力；

所述的第五阀门设置于第五管道上，所述的第六管道上设置有第六阀门，且所述的第五阀门和第六阀门仅能够控制第三循环回路的通断；

所述的第二循环泵设置于所述第二循环回路和第三循环回路的公共部分上。

进一步地，所述的保温桶体内固定设置有由保温材料制作而成的隔板，所述的环壁式毛细管换热器和金属内筒均设置于所述隔板的上方，所述保温桶体的底面上固定设置有一风机，所述的隔板上位于所述保温桶体和金属内筒之间的环形区域内均布设置有进气孔，所述保温桶体的侧壁上设置有排气孔，所述保温桶体的外侧套设有用于封堵所述排气孔的密封环。

进一步地，所述保温桶体的外侧壁上位于所述密封环的下方设置有托板。

进一步地，所述的隔板和上盖上分别设置有呈圆环状的第一限位板和第二限位板，所述金属内筒的下端***到第一限位板内，所述金属内筒的上端***到第二限位板内。

进一步地，所述的毛细管、上环管和下环管均为塑料材质，所述毛细管的外部套设有金属套管，所述金属套管的外部设置有呈放射状布置的翅片。

进一步地，所述的上环管和下环管分别通过固定组件与所述的金属内筒固定连接，所述的固定组件包括U型螺栓和滑动设置于所述U型螺栓上的推板，所述U型螺栓的开口端与所述的金属内筒固定连接，所述上环管和下环管被限制在所述U型螺栓和推板所形成的封闭区域内，所述的金属内筒上设置有用于顶紧推板的顶紧螺栓。

进一步地，所述U型螺栓的弯曲部的内侧设置有第一缓冲垫，所述的推板上固定设置有第二缓冲垫。

进一步地，所述的第二缓冲垫上设置有弧形槽。

进一步地，所述毛细管的内径为2-5mm。

本发明的有益效果是：

1、利用环壁式毛细管换热器，实现小温差、大面积辐射散热，散热器密集均匀的分布在桶体的四周，不仅能够保证试验箱内温度的均匀性，而且能够实现快速的升温和降温，提高变温速率。

2、充分利用太阳能集热过程中的热虹吸效应和毛细管内的流固表面的毛细现象，能够在部分工况下实现零能耗运行，即使在部分工况下需要水泵的辅助运行，也能够大大减少了水泵的功率，节能环保。

3、通过控制器切换不同的供热模式，以满足不同的温度需求，扩大了温度调节的区间，能够适应医药、卫生、食品等不同领域的温度要求。

4、试验箱安装拆卸方便，方便了后期的维护保养。

5、此发明为某些户外温度梯度试验提供了可能，一是通过可再生能源太阳能作为热源，二是由于设备所需功率较小，可采用太阳能光伏板实现电力驱动。

附图说明

图1为温度梯度箱的循环原理示意图；

图2为试验箱的立体结构示意图；

图3为试验箱的主视图；

图4为图3中的A-A剖视图；

图5为图4中A部分的放大结构示意图；

图6为图4中B部分的放大结构示意图；

图7为图2的***视图；

图8为图7中C部分的放大结构示意图；

图9为环壁式毛细管换热器的立体结构示意图；

图10为上盖的立体结构示意图；

图11为固定组件的结构示意图；

图12为U型螺栓的立体结构示意图；

图13为图12中D部分的放大结构示意图；

图14为推板的立体结构示意图；

图15为第一缓冲垫的立体结构示意图；

图16为毛细管的截面图；

图17为实施例二中上环管的结构示意图。

图中：1-太阳能集热器，2-控温水箱，21-升温盘管，22-降温盘管，3-低温水箱，4-试验箱，41-保温桶体，411-排气孔，412-托板，42-上盖，421-第二限位板，422-控制器，43-金属内筒，44-环壁式毛细管换热器，441-上环管，442-下环管，443-毛细管，444-金属套管，4441-翅片，45-固定组件，451-U型螺栓，4511-安装槽，452-第一缓冲垫，453-推板，4531-导向孔，454-第二缓冲垫，455-顶紧螺栓，46-风机，47-密封条，48-隔板，481-第一限位板，482-进气孔，51-第一阀门，52-第二阀门，53-第三阀门，54-第四阀门，55-第五阀门，56-第六阀门，57-第七阀门，61-第一循环泵，62-第二循环泵，63-第三循环泵。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，一种太阳能毛细管443温度梯度箱包括太阳能集热器1、控温水箱2、低温水箱3、试验箱4和控制器422。

如图1所示，所述的控温水箱2包括箱体，所述控温水箱2的箱体内分别设置有升温盘管21和降温盘管22，且所述的升温盘管21和降温盘管22的进水口和出水口均位于所述控温水箱2的外部。

如图2所示，所述的试验箱4包括保温桶体41，所述保温桶体41的上端设置有用于封闭所述保温桶体41的上盖42，且所述的上盖42由保温材料制作而成。作为一种具体实施方式，本实施例中所述的保温桶体41和上盖42均由聚氨酯板制作而成，聚氨酯板结构为两面彩钢板中间填充发泡的聚氨酯，且所述的上盖42通过扣锁(图中未视出)与所述的保温桶体41固定连接，所述的保温桶体41和上盖42之间设置有密封圈(图中未视出)。如图2、图4和图7所示，所述的保温桶体41内设置有环壁式毛细管换热器44，且所述的环壁式毛细管换热器44与所述的桶体同轴布置。所述的环壁式毛细管换热器44内设置有金属内筒43，且所述的金属内筒43与所述的环壁式毛细管换热器44同轴布置。所述金属内筒43与所述的桶体固定连接，所述的环壁式毛细管换热器44通过固定组件45与所述的金属内筒43固定连接。

如图9所示，所述的环壁式毛细管换热器44包括上环管441和下环管442，所述的上环管441和下环管442直径相同且同轴布置。所述的上环管441和下环管442之间设置有多根用于连通所述上环管441和下环管442的毛细管443，且多根所述的毛细管443沿圆周方向均匀布置。所述的上环管441上设置有出水管，所述的下环管442上设置有进水管，且所述的出水管和进水管均穿过所述的保温桶体41延伸至所述保温桶体41的外部。

所述试验箱4的上盖42和控温水箱2上分别设置有压力表(图中未视出)和温度计(图中未视出)。

优选的，所述的控制器422为液晶控制器422，且所述的液晶控制器422能够直接显示所述的压力表和温度计反馈的试验箱4和控温水箱2内的温度值和压力值。液晶控制器422的应用对于本领域的技术人员来说属于现有技术，在此不再做过多赘述。作为一种具体实施方式，如图2所示，所述的控制器422固定设置于所述的上盖42上。

如图1所示，所述太阳能集热器1的进水口通过第一管道与所述升温盘管21的出水口相连，所述太阳能集热器1的出水口通过第二管道与所述升温盘管21的进水口相连，所述的太阳能集热器1、升温盘管21、第一管道和第二管道共同形成了第一循环回路。

所述太阳能集热器1的进水口通过第三管道与试验箱4中环壁式毛细管换热器44的出水管相连，所述太阳能集热器1的出水口通过第四管道与所述试验箱4中环壁式毛细管换热器44的进水管相连，所述的太阳能集热器1、试验箱4、第三管道和第四管道共同形成了第二循环回路。

所述控温水箱2的进水口通过第五管道与所述试验箱4中环壁式毛细管换热器44的出水管相连，所述控温水箱2的出水口通过第六管道与所述试验箱4中环壁式毛细管换热器44的进水管相连，所述的控温水箱2、试验箱4、第五管道和第六管道共同形成了第三循环回路。

所述低温水箱3的进水口通过第七管道与所述控温水箱2中降温盘管22的出水口相连，所述低温水箱3的出水口通过第八管道与所述控温水箱2中降温盘管22的进水口相连，所述的低温水箱3、降温盘管22、第七管道和第八管道共同形成了第四循环回路。

如图1所示，所述的第一管道和第二管道上分别设置有第一阀门51和第二阀门52，且所述的第一管道上设置有为第一循环回路提供动力的第一循环泵61。当所述的第一循环回路和第二循环回路存在公共部分时，所述的第一阀门51、第二阀门52和第一循环泵61均设置于第一循环回路非公共部分上，即所述的第一阀门51和第二阀门52仅能够控制第一循环回路的通断，第一循环泵61仅能够为第一循环回路提供动力。

所述的第三管道和第四管道上分别设置有第三阀门53和第四阀门54，且所述的第三阀门53、第四阀门54均设置于第二循环回路的非公共部分上。同理，当所述的第二循环回路和第三循环回路存在公共部分时，所述的第三阀门53、第四阀门54也设置于所述第二循环回路和第三循环回路的非公共部分上，即所述的第三阀门53和第四阀门54仅能够控制第二循环回路的通断。

所述的第五管道和第六管道上分别设置有第五阀门55和第六阀门56，且所述的第五阀门55、第六阀门56均设置于第三循环回路的非公共部分上，即所述的第五阀门55和第六阀门56仅能够控制第三循环回路的通断。

所述第二循环回路和第三循环回路的公共部分上设置有用于为第二循环回路和第三循环回路提供动力的第二循环泵62。

所述的第四循环回路上分别设置有第七阀门57和第三循环泵63。

本装置存在两种供热模式：

第一，当需要的温度在90℃以上时，比如实现高温蒸箱作用，选择太阳能集热器1直接向试验箱4供热的方式，即开启第二循环回路，第一循环回路、第三循环回路和第四循环回路均处于关闭状态。

第二，当需要的温度在90℃以下时，选择控温水箱2向试验箱4供热的方式，即关闭第二循环回路，通过控制器422控制第一循环回路和第四循环回路的开启和关闭，从而控制控温水箱2内的温度，并通过第三循环回路对试验箱4进行供热。工作时，首先根据控温水箱2上的温度计反馈的温度信号控制第一循环回路或第四循环回路的开启或关闭，

初始状态下，水箱内的水为常温水，温度接近于环境温度，假设温度值为25℃，当试验箱4内需要的温度大于25℃时，设置控温水箱与试验箱内设定温度温差为4℃，此时通过控制器422启动第一循环回路开始供热模式，直到控温水箱达到29℃时开始启动第三循环回路对试验箱4进行供热，供热过程中，通过调节水泵的流速或启停实现控温水箱的内温度的稳定控制，使得控温水箱在升温盘管内的吸热量和对试验箱的供热量处于动态平衡中。当试验箱内的温度小于25℃时，同样设置控温水箱与试验箱内设定温度温差为4℃，此时通过控制器422启动第四循环回路开始制冷降温模式，低温水箱内填充冰水混合物，通过蓄冰实现低温水箱冷源温度的恒定，后续操作过程同升温模式类似，直至控温水箱2上的温度计反馈信号达到预设的温度值，然后开启第三循环回路，对试验箱4进行温度控制，以此为循环进行反复调节。

作为一种具体实施方式，本实施例中所述的上环管441和下环管442均呈弧形结构，且所述弧形结构所对应的圆心角大于340°，即所述的上环管441和下环管442为一开口的圆环状。所述上环管441的一端封闭，所述上环管441的另一端设置有出水管，且所述的出水管沿径向布置。所述下环管442的一端封闭，所述下环管442的另一端设置有进水管，且所述的进水管沿径向布置。

优选的，所述毛细管443的内径为2-5mm。

在这里环壁式毛细管换热器44的设置主要有以下两方面的有点：

第一，由于毛细管443均匀密集的分布在试验箱4的四周，其中毛细管443内的水迅速和箱内实现热量交换，具有换热面积大，换热温差小特点，可快速实现箱内温度的均匀分布。

第二，水在毛细管443内由于毛细作用(毛细作用是在一些线度小到足以与液体弯月面的曲率半径相比较的毛细管443中发生的现象，毛细作用是液体表面对固体表面的吸引力，毛细管443***浸润液体中，管内液面上升，高于管外。)自然上升，通过控制毛细管443内表面的材质和管径可以得到自然上升的高度，这样，在部分工况下能够实现零能耗运行，即仅靠毛细作用便可以使毛细管443内的水进入到上环管441内；即使在部分工况下无法达到零能耗运行，需要水泵的辅助运行，也能够大大减少了水泵的功率，节能环保。

进一步地，由于太阳能集热器1受环境因素的影响较大，当阳光充足时太阳能集热器1内的水温会达到100℃，而当采用第一种供热模式时，即太阳能集热器1直接向试验箱4供热的方式时，只有太阳能集热器1进行供热，无法对供热温度进行调节，最终的供热温度直接由环境因素决定。

为此，如图4所示，所述的保温桶体41内固定设置有由保温材料制作而成的隔板48，所述的隔板48将所述保温桶体41的内部空间分割成上下两部分。所述的环壁式毛细管换热器44和金属内筒43均设置于所述隔板48的上方，且如图5所示，所述隔板48的上侧面上设置有一呈圆环状的第一限位板481，所述金属内筒43的下端***到所述的第一限位板481内。如图6和图10所示，所述上盖42的下侧面上设置有一呈圆环状的第二限位板421，所述金属内筒43的上端***到所述的第二限位板421内。

如图4所示，所述保温桶体41的底面上固定设置有一风机46，作为一种具体实施方式，本实施例中所述的风机46为轴流风机46。如图5所示，所述的隔板48上位于所述保温桶体41和金属内筒43之间的环形区域内均布设置有进气孔482。如图6和图7所示，所述保温桶体41的侧壁上沿圆周方向均布设置有排气孔411。所述保温桶体41的外侧套设有用于封堵所述排气孔411的密封环。作为一种具体实施方式，如图7和图8所示，所述的密封环由两根呈半圆形的密封条47组成，且两个所述密封条47的两端分别通过螺钉固定连接。所述的螺钉拧紧后，所述的密封环箍紧在所述保温桶体41的外侧壁上。

这样，当采用太阳能集热器1直接供热的模式时，就可以拆下密封环，此时，控制器422根据试验箱4上的温度计反馈的温度信号控制风机46的开启和关闭，从而控制试验箱4内的温度。

在控温水箱2供热的模式下，排气孔411在密封环的作用下处于封堵状态，且所述的风机46始终处于关闭状态，此时仅靠控温水箱2来控制试验箱4内的温度。

进一步地，如图7所示，所述保温桶体41的外侧壁上位于所述密封环的下方设置有托板412。设置托板412一方面可以对密封环起到承托的作用，另一方面方便了定位，便于密封环的安装。

进一步地，为了提高毛细作用的效果，所述的毛细管443宜采用塑料材质，但是塑料材质导热性不好。为此，所述的毛细管443、上环管441和下环管442均为塑料材质，且如图16所示，所述毛细管443的外部套设有金属套管444，所述金属套管444的外部设置有呈放射状布置的翅片4441。

作为一种具体实施方式，本实施例中所述的毛细管443、上环管441和下环管442均采用PPB塑料制作而成，此种材质比PPR热性能要好，且有这良好的毛细现象。所述的金属套管444和翅片4441采用铝制作而成，且所述翅片4441的数量为四片。

如图6和图11所示，所述的固定组件45设置于所述上环管441和金属内筒43之间所述的固定组件45包括U型螺栓451，所述U型螺栓451的开口端通过锁紧螺母与所述的金属内筒43固定连接。所述的U型螺栓451上位于所述金属内筒43的外侧滑动设置有推板453，如图14所示，所述推板453的上、下两端分别设置有用于容纳所述U型螺栓451直线部分的导向孔4531，所述的推板453可沿所述U型螺栓451的直线部分滑动。所述环壁式毛细管443集热器的上环管441被限制在所述U型螺栓451和推板453所形成的封闭区域内。所述的金属内筒43上设置有顶紧螺栓455，所述的推板453在顶紧螺栓455的作用下压紧在所述的上环管441上。

进一步地，所述的下环管442和金属内筒43之间设置有固定组件45。

进一步地，如图11所示，所述U型螺栓451的弯曲部的内侧设置有第一缓冲垫452，所述的U型螺栓451上设置有用于容纳所述第一缓冲垫452的安装槽4511。

优选的，如图12、图13和图15所示，所述安装槽4511的截面呈T型，相应的，所述第一缓冲垫452的截面呈T型，这样可以防止在安装和拆卸的过程中第一缓冲垫452掉落。

进一步地，如图11所示，所述的推板453上固定设置有第二缓冲垫454，且所述的第二缓冲垫454上设置有用于容纳所述上环管441的弧形槽。

实施例二

如图17所示，所述的上环管441和下环管442均呈一完整的圆弧状，所述的上环管441上设置有出水管，所述的下环管442上设置有进水管，且所述的进水管和出水管均沿径向布置，其余结构同实施例一。