太阳能热水器塑料内胆与管件结合方式的探讨

申文明， 冯红旭， 闫芳， 孔维忠

（山东力诺瑞特新能源有限公司，山东 济南250103）

1 引 言

太阳能热水器近年来迅速普及，无论是城市还是农村，随处可见外观各异的太阳能热水器，且多数为非承压运行。作为太阳能热水器的重要组成部分，热水器水箱内胆的质量好坏直接影响到太阳能热水器的使用寿命。目前市场上非承压运行的太阳能热水器水箱内胆大多为不锈钢内胆［1］，主要原因是不锈钢材料具有优良的耐腐蚀性能，易于在不同位置设置连接管件，并易于加工成型。但是由于焊接、加工应力等因素的影响，特殊区域水质差不锈钢内胆会因腐蚀而发生漏水现象，严重影响了太阳能热水器的使用寿命。塑料内胆型太阳能热水器［2］是解决该难题的方向之一。由于塑料具有非常稳定的化学性能，在强酸、强碱溶液中也很难发生腐蚀，塑料内胆水箱是最优的选择之一，在特殊区域水质差的环境下，其寿命可长达15 年之久，而普通不锈钢内胆水箱的寿命往往只有3～5 年。

目前一些厂家已经开始批量或小批量生产塑料内胆型太阳能热水器，在使用中其耐腐蚀能力达到了预期效果，但是产品的可靠性能与不锈钢内胆产品却有一定的差距，主要表现为漏水现象，主要原因是塑料内胆受热后膨胀变形量较大，连接管件或真空管与内胆密封失效。本文重点对连接管件与内胆的几种连接密封方式进行阐述和分析。

塑料内胆是通过吹塑工艺［3］加工而成。目前中空成型挤出吹塑机极为普及，吹塑工艺也较为成熟。这里以一次吹塑成型为例，其基本工艺流程为：挤出机加料→加热→储料→模具→吹胀→成型→制品取出→修正→打孔→包装→入库。

2 管件预埋结构

管件预埋是在内胆吹塑成型的过程中，将管件预置在内胆吹塑模具上，成型时镶嵌到内胆的胆身上，以达到管件与塑料内胆的连接并保证密封性的目的。管件预埋结构主要分为两种，不锈钢管件预埋和塑料管件预埋。两种结构原理一致，因材料性能不同所表现的结构性能相应有所差异。

2.1 不锈钢管件预埋［4］

市场上直插式太阳能热水器水箱产品的管件大多为不锈钢管件，这种管件的强度高，很容易实现通过接头与管路连接并保持密封性。同时水箱的整体外观显得高档。不锈钢管件预埋结构如图1。不锈钢管件1 的根部镶嵌在过渡材料2 中，然后再镶嵌在塑料内胆的胆身3 上。

在生产加工中，首先通过注塑模具将不锈钢管件1 镶嵌到过渡材料2 上，组成预埋制件。在内胆吹塑成型时再将1、2 组成的预埋制件通过吹塑模具预埋在塑料内胆3 上。成型后，常温下冷却24h 后进行切削加工，将管件的内腔孔打通，在内胆上加工出所需要的管口。加工后产品如图2。

不锈钢（SUS304）管件的膨胀系数较小，在0℃～100℃范围内约为16×10-6K-1。内胆用改性聚丙烯的热膨胀系数相对较大，在0℃～100℃范围内约为1.6×10-4K-1。过渡材料（另一种改性聚丙烯）的膨胀系数略小于内胆材料。因此当水箱内水的温度在0℃～100℃间变化时，不锈钢与内胆的热胀冷缩量相差较大，若两者直接结合则容易在结合部位裂开，造成密封失效导致水箱漏水。而过渡材料的膨胀量相对适中，在两者之间起到一定的缓冲过渡作用，从而保证了该处结构在这个温度区间内的有效密封。该结构为不锈钢管件与塑料内胆结合提供了一种较好的解决方案。经过长期试验、实践使用，内胆水温在0℃～100℃温度区间内变化、压力最大为0.0625MPa 时该结构密封良好、性能可靠，满足国标［5］要求。

在使用中发现该结构存在以下缺点：（1）因不锈钢与改性聚丙烯的硬度差距太大，该预埋结构可承受的扭矩非常小，且一旦管件被拧转，该结构在微压环境下的密封性即被破坏，造成密封失效。（2）管件的加工工艺较为繁琐，加工成本较高。（3）管件的位置随模具结构而定，不可根据使用需要改动。

图1 不锈钢管件预埋结构

图2 不锈钢管件预埋产品

2.2 塑料管件预埋［6］

图3 塑料管件预埋结构

塑料管件预埋是我们对不锈钢管件预埋的一种升级方案而提出的。该结构的原理与不锈钢管件预埋结构一样，结构类似，如图3。在加工的过程中首先用注塑模具将塑料管件1 加工好，待其尺寸稳定后，在内胆吹塑成型时再将塑料管件1通过吹塑模具预埋在塑料内胆2 上。成型后，常温下冷却24h 后进行切削加工，将管件的内腔孔打通，在内胆上加工出所需要的管口。加工后产品如图4。

塑料管件预埋结构中，在管件材料中添加了抗老化和抗紫外线的添加剂，以提高管件的抗老化和抗紫外线等性能。塑料管件基体材料为改性聚丙烯，故管件和胆身的膨胀系数基本一致，从而保证了产品随温变化时的密封性能。经过长期试验、实践使用，内胆水温在0℃～100℃温度区间内变化、压力最大为0.0625MPa 时，该结构密封良好、性能可靠，满足国标要求。

该结构与不锈钢预埋相比有以下优点：（1）密封性能较优。（2）抗扭矩能力远大于不锈钢预埋结构。（3）管件易于加工，成本低廉。但该结构也存在以下缺点：一是因塑料材质较软，管件螺纹强度差，螺纹承受的扭矩较小。二是暴露在外部的丝管易老化。

图4 塑料管件预埋产品

3 管件卡接结构

3.1 不锈钢管件卡接

不锈钢管件卡接结构目前市场上应用较多。其结构如图5，主要原理是用不锈钢管件与内胆挤压硅胶圈使其变形，通过硅胶圈的变形来达到该结合处的密封效果。

图5 不锈钢管件卡接结构

使用卡簧2 将管件1 固定以限制了管件的轴向自由度。因硅胶圈5材质较软，为了防止卡簧陷入其中，在卡簧2 和硅胶圈5之间增加垫片3 以保证其结构的可靠性。安装后不锈钢管件的周向自由度无法限制，故管件可以转动。在安装时，首先在内胆上开出相应的孔，将硅胶圈5 放入该孔，再将润滑后的不锈钢管件1 插入硅胶圈5，从不锈钢管件1 外侧自由端放入垫片3 并装上卡簧2。为了方便安装，将不锈钢管件1 设计成头部细根部粗的形状，如图6。在加工时，往往将粗的根部和细的头部分开来做，细的头部为不锈钢管，粗的根部为薄不锈钢板冲压拉伸成型制件，两部分焊接在一起。这样在保证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。

该结构的优点是：（1）可靠性好。（2）可根据水箱结构自由确定管件的位置，加工柔性好。（3）后期维修方便，管件可拆卸更换。缺点是：（1）焊接处易腐蚀。（2）管件转动，容易造成密封失效，对外接头安装也有一定的影响。

图6 不锈钢管件

3.2 塑料管件卡接

塑料管件卡接结构作为解决不锈钢管件卡接结构管件腐蚀的解决方案而提出，其原理与不锈钢管件卡接结构相同，而管件及固定管件结构均采用塑料制件，这一方案既解决了腐蚀的问题，又降低了材料和制造成本。结构如图7。该结构无金属材料，不存在腐蚀的现象。

安装时，首先将硅胶圈放入相应的孔中，塑料管件1插入硅胶圈3，固定卡套2 从塑料管件1 的自由端套入，塑料管件1 安装后被固定卡套2 轴向固定。安装后的工作状态如图9。

图7 塑料管件卡接结构

图8 固定卡套

图9 塑料管件卡接三维模拟图

该结构在继承了不锈钢卡接结构优点的基础上很好地解决了腐蚀的难题，同时大大降低了制造成本。该结构的缺点是：（1）管件转动，容易造成密封失效，对外接头安装也有一定的影响。（2）暴露在外部的丝管易老化。

4 结 论

综上所述，本文探讨了目前塑料内胆产品内胆与管件结合方式的以上四种形式，在可靠性、寿命、加工难易程度及制造成本等方面各有千秋。该处结构的性能对塑料内胆产品的性能起着决定性的影响。但是无论采用哪种结构形式，其密封性能及可靠性是关键因素。随着相关技术的不断成熟，塑料内胆材料性能不断地适应太阳能热水器的要求，太阳能热水器塑料内胆水箱将成为行业主力军。下一步将在此基础上解决塑料内胆的尺寸稳定性、老化、寿命、成本等问题。

［1］ 肖江蓉，张晓黎.太阳能热水器内胆焊缝晶间腐蚀的形成、检测及防护［J］.中国建设动态，2008，15（1）：52-54.

［2］ 闫成奎，王少鹏，贾素梅.太阳能热水器水箱塑料内胆的研发［J］.家电科技，2011，3I（8）：70-72.

［3］ 刘军强，王锐红.太阳能热水器塑料内胆的吹塑成型技术［J］.塑料机械，2010（1）：2-4.

［4］ 冯红旭.牟俊东.太阳能热水器塑料水箱与金属管件连接结构：中国，201120357880X［P］.2012-06-06.

［5］ GB/T 19141-2011，家用太阳能热水系统技术条件［S］.

［6］ 闫芳，冯红旭.太阳能热水器纯塑料内胆：中国，CN202267256U［P］.2012-06-06.