申文明， 馮紅旭， 閆芳， 孔維忠

（山東力諾瑞特新能源有限公司，山東 濟(jì)南250103）

1 引 言

太陽能熱水器近年來迅速普及，無論是城市還是農(nóng)村，隨處可見外觀各異的太陽能熱水器，且多數(shù)為非承壓運(yùn)行。作為太陽能熱水器的重要組成部分，熱水器水箱內(nèi)膽的質(zhì)量好壞直接影響到太陽能熱水器的使用壽命。目前市場(chǎng)上非承壓運(yùn)行的太陽能熱水器水箱內(nèi)膽大多為不銹鋼內(nèi)膽［1］，主要原因是不銹鋼材料具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，易于在不同位置設(shè)置連接管件，并易于加工成型。但是由于焊接、加工應(yīng)力等因素的影響，特殊區(qū)域水質(zhì)差不銹鋼內(nèi)膽會(huì)因腐蝕而發(fā)生漏水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了太陽能熱水器的使用壽命。塑料內(nèi)膽型太陽能熱水器［2］是解決該難題的方向之一。由于塑料具有非常穩(wěn)定的化學(xué)性能，在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿溶液中也很難發(fā)生腐蝕，塑料內(nèi)膽水箱是最優(yōu)的選擇之一，在特殊區(qū)域水質(zhì)差的環(huán)境下，其壽命可長(zhǎng)達(dá)15 年之久，而普通不銹鋼內(nèi)膽水箱的壽命往往只有3～5 年。

目前一些廠家已經(jīng)開始批量或小批量生產(chǎn)塑料內(nèi)膽型太陽能熱水器，在使用中其耐腐蝕能力達(dá)到了預(yù)期效果，但是產(chǎn)品的可靠性能與不銹鋼內(nèi)膽產(chǎn)品卻有一定的差距，主要表現(xiàn)為漏水現(xiàn)象，主要原因是塑料內(nèi)膽受熱后膨脹變形量較大，連接管件或真空管與內(nèi)膽密封失效。本文重點(diǎn)對(duì)連接管件與內(nèi)膽的幾種連接密封方式進(jìn)行闡述和分析。

塑料內(nèi)膽是通過吹塑工藝［3］加工而成。目前中空成型擠出吹塑機(jī)極為普及，吹塑工藝也較為成熟。這里以一次吹塑成型為例，其基本工藝流程為：擠出機(jī)加料→加熱→儲(chǔ)料→模具→吹脹→成型→制品取出→修正→打孔→包裝→入庫。

2 管件預(yù)埋結(jié)構(gòu)

管件預(yù)埋是在內(nèi)膽吹塑成型的過程中，將管件預(yù)置在內(nèi)膽吹塑模具上，成型時(shí)鑲嵌到內(nèi)膽的膽身上，以達(dá)到管件與塑料內(nèi)膽的連接并保證密封性的目的。管件預(yù)埋結(jié)構(gòu)主要分為兩種，不銹鋼管件預(yù)埋和塑料管件預(yù)埋。兩種結(jié)構(gòu)原理一致，因材料性能不同所表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性能相應(yīng)有所差異。

2.1 不銹鋼管件預(yù)埋［4］

市場(chǎng)上直插式太陽能熱水器水箱產(chǎn)品的管件大多為不銹鋼管件，這種管件的強(qiáng)度高，很容易實(shí)現(xiàn)通過接頭與管路連接并保持密封性。同時(shí)水箱的整體外觀顯得高檔。不銹鋼管件預(yù)埋結(jié)構(gòu)如圖1。不銹鋼管件1 的根部鑲嵌在過渡材料2 中，然后再鑲嵌在塑料內(nèi)膽的膽身3 上。

在生產(chǎn)加工中，首先通過注塑模具將不銹鋼管件1 鑲嵌到過渡材料2 上，組成預(yù)埋制件。在內(nèi)膽吹塑成型時(shí)再將1、2 組成的預(yù)埋制件通過吹塑模具預(yù)埋在塑料內(nèi)膽3 上。成型后，常溫下冷卻24h 后進(jìn)行切削加工，將管件的內(nèi)腔孔打通，在內(nèi)膽上加工出所需要的管口。加工后產(chǎn)品如圖2。

不銹鋼（SUS304）管件的膨脹系數(shù)較小，在0℃～100℃范圍內(nèi)約為16×10-6K-1。內(nèi)膽用改性聚丙烯的熱膨脹系數(shù)相對(duì)較大，在0℃～100℃范圍內(nèi)約為1.6×10-4K-1。過渡材料（另一種改性聚丙烯）的膨脹系數(shù)略小于內(nèi)膽材料。因此當(dāng)水箱內(nèi)水的溫度在0℃～100℃間變化時(shí)，不銹鋼與內(nèi)膽的熱脹冷縮量相差較大，若兩者直接結(jié)合則容易在結(jié)合部位裂開，造成密封失效導(dǎo)致水箱漏水。而過渡材料的膨脹量相對(duì)適中，在兩者之間起到一定的緩沖過渡作用，從而保證了該處結(jié)構(gòu)在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)的有效密封。該結(jié)構(gòu)為不銹鋼管件與塑料內(nèi)膽結(jié)合提供了一種較好的解決方案。經(jīng)過長(zhǎng)期試驗(yàn)、實(shí)踐使用，內(nèi)膽水溫在0℃～100℃溫度區(qū)間內(nèi)變化、壓力最大為0.0625MPa 時(shí)該結(jié)構(gòu)密封良好、性能可靠，滿足國標(biāo)［5］要求。

在使用中發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)存在以下缺點(diǎn)：（1）因不銹鋼與改性聚丙烯的硬度差距太大，該預(yù)埋結(jié)構(gòu)可承受的扭矩非常小，且一旦管件被擰轉(zhuǎn)，該結(jié)構(gòu)在微壓環(huán)境下的密封性即被破壞，造成密封失效。（2）管件的加工工藝較為繁瑣，加工成本較高。（3）管件的位置隨模具結(jié)構(gòu)而定，不可根據(jù)使用需要改動(dòng)。

圖1 不銹鋼管件預(yù)埋結(jié)構(gòu)

圖2 不銹鋼管件預(yù)埋產(chǎn)品

2.2 塑料管件預(yù)埋［6］

圖3 塑料管件預(yù)埋結(jié)構(gòu)

塑料管件預(yù)埋是我們對(duì)不銹鋼管件預(yù)埋的一種升級(jí)方案而提出的。該結(jié)構(gòu)的原理與不銹鋼管件預(yù)埋結(jié)構(gòu)一樣，結(jié)構(gòu)類似，如圖3。在加工的過程中首先用注塑模具將塑料管件1 加工好，待其尺寸穩(wěn)定后，在內(nèi)膽吹塑成型時(shí)再將塑料管件1通過吹塑模具預(yù)埋在塑料內(nèi)膽2 上。成型后，常溫下冷卻24h 后進(jìn)行切削加工，將管件的內(nèi)腔孔打通，在內(nèi)膽上加工出所需要的管口。加工后產(chǎn)品如圖4。

塑料管件預(yù)埋結(jié)構(gòu)中，在管件材料中添加了抗老化和抗紫外線的添加劑，以提高管件的抗老化和抗紫外線等性能。塑料管件基體材料為改性聚丙烯，故管件和膽身的膨脹系數(shù)基本一致，從而保證了產(chǎn)品隨溫變化時(shí)的密封性能。經(jīng)過長(zhǎng)期試驗(yàn)、實(shí)踐使用，內(nèi)膽水溫在0℃～100℃溫度區(qū)間內(nèi)變化、壓力最大為0.0625MPa 時(shí)，該結(jié)構(gòu)密封良好、性能可靠，滿足國標(biāo)要求。

該結(jié)構(gòu)與不銹鋼預(yù)埋相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）密封性能較優(yōu)。（2）抗扭矩能力遠(yuǎn)大于不銹鋼預(yù)埋結(jié)構(gòu)。（3）管件易于加工，成本低廉。但該結(jié)構(gòu)也存在以下缺點(diǎn)：一是因塑料材質(zhì)較軟，管件螺紋強(qiáng)度差，螺紋承受的扭矩較小。二是暴露在外部的絲管易老化。

圖4 塑料管件預(yù)埋產(chǎn)品

3 管件卡接結(jié)構(gòu)

3.1 不銹鋼管件卡接

不銹鋼管件卡接結(jié)構(gòu)目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多。其結(jié)構(gòu)如圖5，主要原理是用不銹鋼管件與內(nèi)膽擠壓硅膠圈使其變形，通過硅膠圈的變形來達(dá)到該結(jié)合處的密封效果。

圖5 不銹鋼管件卡接結(jié)構(gòu)

使用卡簧2 將管件1 固定以限制了管件的軸向自由度。因硅膠圈5材質(zhì)較軟，為了防止卡簧陷入其中，在卡簧2 和硅膠圈5之間增加墊片3 以保證其結(jié)構(gòu)的可靠性。安裝后不銹鋼管件的周向自由度無法限制，故管件可以轉(zhuǎn)動(dòng)。在安裝時(shí)，首先在內(nèi)膽上開出相應(yīng)的孔，將硅膠圈5 放入該孔，再將潤(rùn)滑后的不銹鋼管件1 插入硅膠圈5，從不銹鋼管件1 外側(cè)自由端放入墊片3 并裝上卡簧2。為了方便安裝，將不銹鋼管件1 設(shè)計(jì)成頭部細(xì)根部粗的形狀，如圖6。在加工時(shí)，往往將粗的根部和細(xì)的頭部分開來做，細(xì)的頭部為不銹鋼管，粗的根部為薄不銹鋼板沖壓拉伸成型制件，兩部分焊接在一起。這樣在保證了良好使用性能的前提下既提高了加工效率又降低了成本。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）可靠性好。（2）可根據(jù)水箱結(jié)構(gòu)自由確定管件的位置，加工柔性好。（3）后期維修方便，管件可拆卸更換。缺點(diǎn)是：（1）焊接處易腐蝕。（2）管件轉(zhuǎn)動(dòng)，容易造成密封失效，對(duì)外接頭安裝也有一定的影響。

圖6 不銹鋼管件

3.2 塑料管件卡接

塑料管件卡接結(jié)構(gòu)作為解決不銹鋼管件卡接結(jié)構(gòu)管件腐蝕的解決方案而提出，其原理與不銹鋼管件卡接結(jié)構(gòu)相同，而管件及固定管件結(jié)構(gòu)均采用塑料制件，這一方案既解決了腐蝕的問題，又降低了材料和制造成本。結(jié)構(gòu)如圖7。該結(jié)構(gòu)無金屬材料，不存在腐蝕的現(xiàn)象。

安裝時(shí)，首先將硅膠圈放入相應(yīng)的孔中，塑料管件1插入硅膠圈3，固定卡套2 從塑料管件1 的自由端套入，塑料管件1 安裝后被固定卡套2 軸向固定。安裝后的工作狀態(tài)如圖9。

圖7 塑料管件卡接結(jié)構(gòu)

圖8 固定卡套

圖9 塑料管件卡接三維模擬圖

該結(jié)構(gòu)在繼承了不銹鋼卡接結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上很好地解決了腐蝕的難題，同時(shí)大大降低了制造成本。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：（1）管件轉(zhuǎn)動(dòng)，容易造成密封失效，對(duì)外接頭安裝也有一定的影響。（2）暴露在外部的絲管易老化。

4 結(jié) 論

綜上所述，本文探討了目前塑料內(nèi)膽產(chǎn)品內(nèi)膽與管件結(jié)合方式的以上四種形式，在可靠性、壽命、加工難易程度及制造成本等方面各有千秋。該處結(jié)構(gòu)的性能對(duì)塑料內(nèi)膽產(chǎn)品的性能起著決定性的影響。但是無論采用哪種結(jié)構(gòu)形式，其密封性能及可靠性是關(guān)鍵因素。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，塑料內(nèi)膽材料性能不斷地適應(yīng)太陽能熱水器的要求，太陽能熱水器塑料內(nèi)膽水箱將成為行業(yè)主力軍。下一步將在此基礎(chǔ)上解決塑料內(nèi)膽的尺寸穩(wěn)定性、老化、壽命、成本等問題。

［1］ 肖江蓉，張曉黎.太陽能熱水器內(nèi)膽焊縫晶間腐蝕的形成、檢測(cè)及防護(hù)［J］.中國建設(shè)動(dòng)態(tài)，2008，15（1）：52-54.

［2］ 閆成奎，王少鵬，賈素梅.太陽能熱水器水箱塑料內(nèi)膽的研發(fā)［J］.家電科技，2011，3I（8）：70-72.

［3］ 劉軍強(qiáng)，王銳紅.太陽能熱水器塑料內(nèi)膽的吹塑成型技術(shù)［J］.塑料機(jī)械，2010（1）：2-4.

［4］ 馮紅旭.牟俊東.太陽能熱水器塑料水箱與金屬管件連接結(jié)構(gòu)：中國，201120357880X［P］.2012-06-06.

［5］ GB/T 19141-2011，家用太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件［S］.

［6］ 閆芳，馮紅旭.太陽能熱水器純塑料內(nèi)膽：中國，CN202267256U［P］.2012-06-06.