CN100335858C

CN100335858C - 热管

Info

Publication number: CN100335858C
Application number: CNB028286650A
Authority: CN
Inventors: 弗兰克·穆恰尔迪; 约翰·格鲁兹勒斯基; 郑国辉; 张春晖; 远忠森
Original assignee: McGill University
Current assignee: McGill University
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: US7115227B2; CA2477334A1; JP2005517894A; KR20040104460A; AU2002325736A1; US20050077660A1; DE10297663T5; CA2477334C; CN1623076A; WO2003071215A1

Abstract

本发明提供一种在真空下并且其中装有工作物质的热管组件(10/110)，所述热管组件包括适于蒸发工作物质的蒸发器(12/112)和冷凝器(16/116)。冷凝器(16/116)具有温度高于蒸发器(12/112)的用于将液体工作物质收集在其中的储存容器(30/130)。不连续的且不渗透的液体回流通道(36/136、20/120)使液体工作物质在重力作用下从储存容器(30/130)流到蒸发器(12/112)。液体回流通道贯穿蒸发器(12/112)并且终止于其封闭的前端附近并且装有使上升的蒸气转移到冷凝器(16/116)的排气管线(38/138)。流动调节装置(24/124)位于蒸发器(12/112)内，使工作物质在蒸发器中旋流，从而流动调节装置(24/124)确保夹带有蒸发的工作物质的未蒸发的液体在离心力的作用力作用下相对于蒸发器(12/112)的内表面(23/123)被推动以保证内表面被液体覆盖，从而延迟薄膜沸腾的产生。

Description

热管

发明背景

技术领域

本发明涉及热管，特别涉及在蒸发器中具有同向的涡流两相流以及来自于冷凝器的不渗透的回流管线的半环流热管。

现有技术的描述

热管是采用使包含在其中的工作流体蒸发和冷凝的方式将来自于吸收热量的蒸发器的能量转移到释放热量的冷凝器的装置。早在20世纪60年代热管作为超导的换热装置已为人们所知，例如在美国专利US 3,229,759和US 4,485,670中详细披露的。尽管由于它们的初始发明而已经提出了多种热管构造和应用，但是基本的热管仍然被看作一个可在较小的温度梯度范围内传送大量能量的单元。

热管是装有当热量被加到蒸发器中和从冷凝器中排出时连续蒸发和冷凝的工作物质的封闭容器。产生蒸气的速率与热量在热管中流动的速率成正比。热管有效传输能量的能力取决于在操作之前腔内的非冷凝气态物质从热管中排出的情况。同样，热管在用作换热装置之前被抽空。通过从腔中排出非冷凝气体，在蒸发器中产生的蒸气在压力梯度下流到冷凝器，与泵使流体移动通过封闭体类似。如果存在非冷凝气体，蒸发的工作物质在浓度梯度下通过分子扩散移动。对于移动蒸发的工作物质，已知压力驱动流的效率提高几个数量级，热管通常被抽空。相反，如果热管腔出现泄漏，热管将不起作用。这样，在高温环境下使用热管是有问题的，如果蒸发器经受不充分的冷却，那么可导致封闭容器被穿孔，接着热管受到破坏。

热管通常被分为两大类，即，其中蒸气与液流之间反向流动的热管和蒸气与液流之间同向流动的热管。反向流动的热管在本领域是公知的。图1示出了简单的反向流动的热管，其中蒸气流通过中心从底部的蒸发器上升，在上部冷凝并且以流体的形式向下流到蒸发器的液体池的侧面。它们的操作如在Grover的美国专利US 3,229,759中以及Camarda等的US 4,485,670中描述的。在热管内壁上的管芯内产生的重力和毛细力的组合用于使液体工作物质从冷凝器返回到蒸发器。

同向热管通常被称为环流热管，例如在美国专利US 4,515,209和US 5,911,272中披露的，分别在图2和图3中所示。同向和反向热管通常包含在内蒸发器上的管芯以利用由管芯产生的毛细力散布液体以保证均匀的覆盖。

尽管环流或者非环流(即，反向)热管已经用于多种产品和应用中，但它们没有用于在高工作温度下遭遇高热通量的单元中并且它们通常不用于大型单元中。这主要是因为这样的系统受到形成热管的封闭材料的破坏的影响。为了保证封闭容器具有耐久性和长的使用寿命，需要使热管的整个蒸发器被单元中的工作物质适当地冷却。这些在现有技术中还不可能实现。

因此，即使较小区域(例如10平方毫米)的不充分冷却可导致热管单元的穿孔接着毁坏热管单元。现有技术的热管基本上没有用于包括高工作温度等的应用中，由于暴露在高温下而使热管腔毁坏从来没有得到适当的解决。

在美国专利US 5,159,972中描述的一种可控的热管包括用于液体的储存容器和通到蒸发器顶部的独立的回流管线，如图4中所示。但是，这种热管不能解决关于所有用于高热通量应用中的反向热管的主要困难。

使现有技术的热管能够用于高温应用中而必须克服的三个主要限制为：蒸发器壁上的薄膜沸腾、回流到蒸发器的液体的悬浮和对于某些应用的回路热管的结构复杂性。

来自于蒸发器前端的液体悬浮将降低热交换效率，如果温度足够高，使得热管由于干燥而被破坏。液体悬浮在蒸发器的长度可能很大的大型单元中是最关心的。在这样的单元中，液体向下回流到蒸发器的底部可能是一个主要问题，这是由于在单元上的总热负载可能很大，即使热通量适中。由于热负载自身表现为蒸气流，但在大型单元的蒸发器顶部处的蒸气速度可能足以产生一定程度的流体流化。

热管用于高热通量应用中所遇到的其他主要问题是在蒸发器壁上出现薄膜沸腾。本领域技术人员公知的是，这可使热量吸取速率降低一个数量级。这大大降低了热交换效率，并且在一些情况下可能导致蒸发器封闭壁的毁坏。

热管的一种可能的应用是在反应物输送单元中，诸如喷管。美国专利US 5,310,966描述了一种热管喷管或者风口。但是，美国专利US5,310,966的热管喷管没有教导如何消除来自于蒸发器的前端的液体悬浮或者如何消除稳定的蒸气薄膜形成在蒸发器的内壁上。

环流热管可克服夹带的问题，但环流热管通常对于许多实际应用是不可行的，这是由于它们的结构复杂性，其中回流环流管在主热管主体外部延伸，这大大提高了对热管的空间要求。但是，对于反向热管，蒸发器表面上的薄膜沸腾的问题仍然存在。

用于蒸发器的机构在热管，特别是高热通量应用中存在一个重要的限制因素。如果工作物质具有低导热性，并且热通量较高，工作物质将在液体和热源之间的界面处经受沸腾。如果蒸气的产生足够强烈，稳定的蒸气薄膜最终形成在工作流体的液相和蒸发器壁之间。该蒸气薄膜将大大影响热交换。于是，蒸发器达到其沸腾限度，持续暴露在热通量中的后果可使蒸发器壁过热以及热管可能被破坏。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种改进的热管。

本发明的另一个目的是提供一种能够从高温系统吸取热量的热管。

本发明的另一个目的是提供一种具有蒸发器流动调节装置的热管。

本发明的另一个目的是提供一种具有从冷凝器到蒸发器的固体壁回流管的热管。

因此，根据本发明，提供一种在真空下并且其中装有工作物质的热管组件，所述热管组件包括：适于蒸发工作物质并且具有封闭前端的蒸发器；与蒸发器流体连通的热交换冷凝器，所述冷凝器适于使从蒸发器接收的蒸发的工作物质冷凝并且具有温度高于蒸发器的用于将液体工作物质收集在其中的储存容器；使液体工作物质在重力作用下从储存容器流到蒸发器的不连续的且不渗透的液体回流通道，所述液体回流通道贯穿蒸发器并且终止于其封闭的前端附近；以及位于蒸发器部分内的流动调节装置，使工作物质在蒸发器中旋流，从而流动调节装置确保夹带有蒸发的工作物质的未蒸发的液体在离心力的作用下相对于蒸发器内表面被推动以保证内表面被液体覆盖，从而延迟薄膜沸腾的产生。

根据本发明，还提供一种从材料吸取热量的方法，所述方法包括下列步骤：提供一种热管组件，所述热管组件具有蒸发器和与其流体连通的吸取热量冷凝器，所述蒸发器中包括适于在蒸发器中产生工作物质旋流的流动调节装置，并且所述冷凝器被冷却以使从蒸发器接收的蒸发的工作物质冷凝；在冷凝器和蒸发器前端之间提供不连续的且不渗透的液体回流通道；选择性地使液体工作物质在重力作用下从冷凝器通过所述液体回流通道流到蒸发器；以及使蒸发器与需要冷却的材料保持热交换连通。

根据本发明，还提供一种将反应物注入到高温材料中的方法，所述方法包括下列步骤：提供一种热管组件，所述热管组件具有蒸发器和与其流体连通的吸取热量冷凝器，所述蒸发器中包括适于在蒸发器中产生工作物质旋流的流动调节装置，并且所述冷凝器被冷却以使从蒸发器接收的蒸发的工作物质冷凝；在冷凝器和蒸发器前端之间提供不连续的且不渗透的液体回流通道；使液体工作物质在重力作用下从冷凝器通过所述液体回流通道流到蒸发器；提供贯穿蒸发器并且显露在其前端处的反应物输送导管；以及通过反应物输送导管输送反应物并且将反应物注入到高温材料中。

附图说明

从下面结合附图对本发明的详细描述中可以明显地看出本发明的其他特征和优点，在附图中：

图1示出了现有技术的简单反向热管的截面图。

图2和图3示出了现有技术的环流热管的部分截面图。

图4示出了现有技术的非环流热管的示意性截面图。

图5示出了本发明的热管的垂直截面图。

图6示出了本发明的热管的第二实施例的垂直截面图。

图7示出了沿着图5和图6的线7-7得到的水平截面图。

图8a至图8c示出了可用于本发明中的流动调节装置的各个结构示意图。

图9示出了本发明的热管的另一个实施例的垂直截面图。

图10示出了本发明所用的冷凝器的另一个实施例的垂直截面图。

具体实施方式

本发明的热管主要包括蒸发器、连接件和冷凝器，并且通常包括两个基本的实施例，其主要应用类型为作为如图5中所示的能量吸取装置和如图6中所示的注入单元。在后者中，热管具有一个或者多个贯穿所述单元以运载反应物的导管。这样一种热管的应用实施例是注入喷管、风口和燃烧器。在前面一种类型的应用中，热管中没有用于运载反应物的导管，并且用于输送能量，例如用作一种热量吸取装置。因此，这两个实施例的区别在于，是否通过热管单元输送反应物。

参见图5，其中示出了本发明的第一实施例，能量吸取热管单元10包括蒸发器12、连接件14和冷凝器16。

蒸发器部分12位于热的，有时恶劣的环境下。当热管单元用作注入装置时它可包括一个或者多个用于输送反应物的导管，如图6中所示。连接件14与蒸发器相连，以在蒸发器12和冷凝器16之间形成流体连通。连接件14可是刚性或者挠性的，并且其形状和构造可根据需要从一种应用变为另一种应用。它用于维持冷凝器的垂直取向，而与蒸发器的位置和取向无关。连接件的壁的上延伸部分伸入到冷凝器中并有助于形成液体储存容器。

温度高于蒸发器12的冷凝器16是热管中使工作物质的蒸气相被冷凝的部分。通过将冷凝器构成为热交换器来实现蒸气的冷凝。利用内冷却通道以及利用在冷凝器的外壁上的冷却套来实现冷凝器的外部冷凝，下面将进一步描述。冷凝器是这样选择的，即，使其横截面积远大于蒸发器的。这样，冷凝器内的液体悬浮被完全消除。

由于暴露在热环境下而在蒸发器12中产生的工作流体的两相流通过连接件14向上移动到带有外主体壁28的冷凝器16中。冷凝器限制和冷却蒸气/液体工作物质，使两相流体冷凝成液体并且留在形成于冷凝器外壁28和连接件14的上部的延伸壁32之间的储存部分30中。接着被收集在冷凝器16中的液体在重力作用下流过排出孔34并且进入到上部回流管线36中，上部回流管线36可是挠性管线。回流管线36在“T”接合处与排气管线38接合。可是挠性管线的排气管线38使上部回流管线与冷凝器顶部相连。这样，渗透到回流管线中的任何蒸气被转移到排气管线中并且在冷凝器的下压力区域中被释放。上部回流管线36接着接合在不渗透的下部回流管线20中、以与上升流隔离从而不受其影响的独立流的形式将液体工作物质送回到蒸发器12的前端21。回流管线20终止于蒸发器12的前端21附近。预选的终止距离是回流管线20的内径的两倍。在热管的回流管线的排出端处的不连续性出现在本发明中，被称为“半回流”热管。

通过将固体壁回流管线结合在蒸发器的限制内，能够在不采用常规的回流构造的情况下使液体返回到前端。在回流管线和储存容器中保持适合的液头，并且与在回流管线的排出端处的足够高的液体速度结合可以使得进入回流管线的蒸气量达到最小。另外，装有排气管线的回流管线足以为蒸发器提供稳定的液流。

流动调节装置24沿着蒸发器壁22的内表面23位于蒸发器12内。流动调节装置24的形状最好为螺旋形，并且最好包括螺旋旋流器、扭曲带和螺旋弹簧之一，分别如图8a至图8c中所示。当蒸发器壁22暴露在热通量下并且工作流体经受蒸发，流动调节装置24在蒸发器壁上产生旋流并且任何未蒸发的多余液体在离心力的作用下被卷到整个蒸发器内壁表面23上以有效地冷却壁，因此防止薄膜沸腾的出现。因此，两相流在蒸发器中上升，液体覆盖在蒸发器壁上，并且仅在上升过程中未被蒸发的任何液体被收集在位于冷凝器16中的储存容器30中。

用于已知热管中的旋流调节装置24的类型和尺寸是由给定应用的几个参数确定的，诸如单位时间产生被蒸发的工作物质的速率和热管的横截面积。

为了保证使液体接触所有的蒸发器壁，需要使液体返回到蒸发器的底部，从压力最低的旋流的观点出发最好通过蒸发器的芯部。返回的多余液体量最好是蒸发所需的10倍或者更多。这将确保旋流所产生的离心力保持蒸发器壁完全覆盖有液体。例如，吸取4kW的水基热管将使约2g/s水被蒸发。这样一个单元的回流管线因此必须以最小2g/s返回，足够高的返回速率(10-20g/s)是优选的。

为了使由蒸气分子从蒸发器输送到冷凝器的热量消散，使用外部冷却剂，例如空气、水或者油。参见图5、图6和图7，外部冷却剂通过入口42被供给到位于储存容器30下面的集管44中。冷却剂接着通过一系列通道或者冷却管46向上流动。这些管中的每一个在内壁表面47上装有扭曲带插件48以通过使冷却剂旋流来增强热交换。这样，离心力的作用使得较密且较冷的冷却剂相对于管中使冷却剂可从冷凝工作物质吸收热量的壁向上流动。

离开冷却管46的冷却剂进入排出集管50，从而使得冷却剂被转移到由外部元件52和冷凝器壁28形成的套中。冷却剂通过端口54离开套。外部套也装有弹簧类型的旋流装置56以增强湍流，从而增强热交换。在冷凝器的另一个备选的实施例中，冷却管46与输入集管44和外部集管50一起被取消。在这种情况下，冷却可通过冷却剂在由冷凝器壁28和周围的外部元件52形成的套中流动来实现。在另一个备选的实施例中，套也可被取消并且来自于冷凝器壁28的自然冷却或者强制冷却将提供所有需要的散热。本领域技术人员能够确定适合给定系统的构造。

冷凝器还包括充填和抽空管58。如名称代表的含义，这用于使热管装有工作流体和抽空任何非冷凝的气体。另外，冷凝器可装有热电偶井道60，热电偶井道60可容纳一个或者多个用于监测热管工作的热电偶。抽空管58和热电偶井道60以这样一种方式形成，即补偿热膨胀效应。

作为现有技术的热管用于高热通量应用中的一个主要的限制是薄膜沸腾过早地出现在蒸发器中，基本解决该问题的本发明的流动调节旋流器是本发明的热管的一个重要的优选的特征，经过试验测试可以确保其提供所需的结果。

为了说明简单的扭曲带流动调节装置的效果，以下列方式测试具有作为工作物质的水的两个相同的热管。热管的蒸发器被浸在熔融锌中，接着使锌凝固和冷却。接着锌被重新加热并且被测量的每一个热管吸取热量的速率作为锌温度的一个函数。该测试的结果如下面的图表1中所示。当锌被加热时，两个管吸取相应的大量热。但是，当锌达到其熔点(419℃)并且锌和热管之间的界面间接触电阻消失时，具有流动调节装置的热管的吸取热量的速率快速增大，而没有流动调节装置的热管的吸取热量的速率则大大降低。因此，这些结果表明流动调节装置抑制薄膜沸腾的效果。测试表明，利用流动调节装置可使吸取的热量增加一个数量级或者更多。

图表1

尽管如图9中所示本发明的热管如同现有技术的热管可具有位于在蒸发器的内壁表面上的管芯163，但在本发明的优选实施例中，蒸发器12的内壁23不装有管芯，而是其中形成有多个沟槽。沟槽最好具有与流动调节装置相同的间距。例如，沟槽的脊部的高度可为1毫米或者更小，并且宽度也可为1毫米或者更小。这样一种构造表面的结合可有益于促进上升的流体流在壁上的均匀覆盖，因此如果工作物质在工作条件下易于薄膜沸腾和/或液体工作物质的导热率较低，诸如对于水、联苯与苯醚的低共熔混合物和氨尤其有用。测试已经表明，管芯可物理俘获蒸气薄膜并且大大降低热交换，即使利用旋流。这样，最好通过向上旋流和离心力的结合而不是在蒸发器的内壁上带有管芯使过多液体返回以确保完全覆盖。

上部回流管线36可装有阀41，如图5中所示。在热管可能需要被接通和断开的情况下，这是特别优越的。这样，通过关闭阀41可使热管被断开，确保所有冷凝液体保留在储存容器30中。当需要吸取热量时，阀41打开，使液体向下流到蒸发器中并吸取热量。当需要终止热量吸取时，简单地关闭阀。这种构造在铸型冷却时是特别优越的。另外，如果需要的话，人们也可通过调节阀的开启来控制热量吸取的速率。

为了说明热管的该接通/断开的特征，利用本发明的水基热管来测试工具钢铸型的冷却。铸型是这样的，即，使其由两个对称的半模制成，一个半模具有直径为25毫米的垂直热管。另一个半模没有热管。熔融铝被注入到铸型中。结果如下面的图表2所示。示出了在铸型的分型线附近的两个对称位置的两个瞬变温度曲线。可以看出，当通过打开阀41接通热管时，从该铸型半模开始吸取热量。还可以看出，当断开该热管时，部分铸型被重新加热。图中还示出的是在注入铝的腔的芯部处的对应的温度。

在本发明的优选实施例的略微变型中，可通过在固体材料中钻孔接着使连接件14与孔直接相连来形成蒸发器壁22。因此，该孔构成了热管的蒸发器。在热管插入到腔中并且能够产生很大的接触电阻的情况下，这样一种构造是具有优势的。通过使被钻的腔成为热管的蒸发器，可消除该接触电阻。该构造的可能应用包括对诸如铸型、炉壁、出铁口、引擎、热交换器等的实体的冷却。

如最初所述的，对于本发明具有两大类应用：作为能量吸取装置和作为如图6中所示的注入单元。该热管不仅如上所述可用作能量吸取装置，而且还可作为注入单元用于输送反应物，现将对其进行详细描述。对于这样的热管注入器单元应用，热管仅具有一个或者多个贯穿单元的导管以运载反应物，并且可用作冶金领域中的注入喷管、风口和燃烧器。

这样，在图6中所示的本发明的实施例中，热管110装有反应物输送导管170。尽管仅示出了一个导管，但本领域技术人员应该理解的是，运载多种反应物的多个导管也可被使用。在下面的关于反应物输送热管单元的描述中，为了简单起见，假设仅一种反应物需要被输送。

蒸发器112包括中心反应物导管170，中心反应物导管170被工作流体回流管线120包围。尽管回流管线120不一定必须被安装在反应物导管170上方并且可是如图9中所示的邻近导管设置的独立的管，但最好使回流管线120在外部并且与反应物导管170同心，反应物导管170位于热管蒸发器的中心以使旋流保持对称。蒸发器主体的外壁122可具有一定构造的内表面123，如果认为其适合一种特定的应用。另一方面，可利用管芯代替具有一定构造的表面。一般地，如果液体工作物质具有高导热性，诸如钠的碱金属，可使用管芯，但是如果热管包含低导热性的工作物质，诸如水或者联苯与苯醚的低共熔混合物，管芯最好应该不被使用。接着流动调节装置124被插入到蒸发器芯部中。如上所述，流动调节装置可是弹簧、扭曲带或者螺旋的叶片状旋流装置。图6中所示的流动调节装置124为弹簧。

管芯和流动调节装置的选择取决于所用的热管/工作物质组合。对于工作物质的高速流动，弹簧是优选的，而对于低速系统，螺旋形状是较好的。在两种情况下，回流管线组件穿过流动调节装置的中心。管芯可由筛网或者烧结材料制成，本领域技术人员可根据需要选择孔的尺寸和孔隙率。

在图6中，回流管线120位于中心反应物导管170上方。回流管线的作用如同在图5的能量吸取实施例中相同用于将液体输送到热管的前端。为此，需要使进入回流管线前端的蒸气量达到最小。其具有几种方式来实现。一种是使回流管线120在反应物导管170上延伸。这样，回流管线中的液体被冷却并且任何试图在回流管线向上移动的蒸气被冷凝。

当回流管线是独立管线，诸如在图9中，在反应物输送导管172独立延伸的情况下，液体没有被反应物冷却。这样，蒸气很可能在回流管线中向上移动。如果使蒸气流本身经过回流管线并且进入冷凝器，液体可能将不返回。为了克服该可能出现的问题，回流管线120装有排气管线138，排气管线138排走上升的蒸气并且将其输送到压力最低的冷凝器的顶部。当储存容器130和排出管136中的液体头部足够大时，液体开始在回流管线向下流动。在液体的回流获得足够的速度时，防止蒸气进入回流管线的前端。排出管136和排气管线138在“T”接头140处连接在一起。

尽管与不连续的反应物输送导管172分离的回流管线明显存在液体没有被反应物冷却的缺点，但具有当壁的阻力对于给定的横截面是很小时液体可更容易地流过该构造的优点。因此，较小尺寸的热管应该使用如图9中所示的分离的回流管线和反应物输送管线，而较大的单元可使用图6中所示的同心的回流管线设计。

冷凝器116是热交换器，并且基本上与上述的冷凝器16类似。尽管可使用多种构造，但是图6中所示的是优选的构造。冷凝器116的外主体128限制蒸气/液体工作物质。储存容器130形成在外壁128和连接件114的延伸壁132之间。被收集在冷凝器中的液体通过排出孔134被排出到上部回流管线136中，上部回流管线136可是挠性管线。上部回流管线136在“T”接合140处与排气管线138接合。接着该组件通过风箱式膨胀连接129接合在环形回流管120中。膨胀连接129补偿蒸发器主体112、反应物导管170和贯穿蒸发器112的回流管线120之间的热膨胀差。

反应物的分配集管144位于冷却器腔的下方。它通过供给端口142供给反应物。接着，反应物流过冷却集管146。这些管中的每一个装有扭曲带插件148以通过使冷却剂旋流来增强热交换。这样，离心力的作用使得较密且较冷的冷却剂相对于管中使冷却剂可从冷凝工作物质吸收热量的壁向上流动。

离开冷却管146的反应物进入排出集管150，从而使得反应物被转移到由外部元件152和冷凝器壁128形成的套中。冷却剂通过端口154离开套并且流过使其与反应物输送导管170的顶端相连的管155。外部套也装有弹簧类型的旋流装置156以增强湍流，从而增强热交换。

冷凝器还包括充填和抽空管158。另外，冷凝器可装有热电偶井道160，热电偶井道160可容纳一个或者多个用于监测热管工作的热电偶。

尽管针对图6中所示的具有角度的单元描述了用于输送反应物的注入热管单元，但它也适用于图9中所示的垂直单元。两个单元之间的差别在于，蒸发器的取向和连接段的形状。前面所述的另一个差别是，回流管线的构造，但是这对于冷凝器的结构没有影响。

在一些情况下，可能希望具有更多的反应物来冷却冷凝器。如果蒸发器上的热负载大到仅利用一种反应物进行冷却是不充分的情况下，可出现这样的情况。为了克服这样的情况，冷凝器可被分成多个冷却回路。图10中示出了这样一种冷凝器的一个示例。在这种情况下，反应物通过入口242进入供给集管244。反应物通过冷却管246向上流到顶部集管248中并且通过端口251排出，接着可被管道输送到反应物导管170并且被供给到其中。另一种冷却剂，例如空气被供给到入口253中并且流过由外部元件252和冷凝器壁228形成的外套，并且在出口255处排出。这样，对于固定的反应物供给，热管的吸取热量的能力可被控制。另外，阀241位于用于使返回的工作物质从冷凝器返回到蒸发器的上部回流管线236中，阀241可用于控制热管组件的热量吸取。自然地，可使用其他构造的冷凝器。图10中所示的构造用于简单地说明该概念。

用于热管中的工作物质的选择与该单元是否用于运载反应物无关，将取决于包括热通量和操作温度的几个因素。尽管工作物质具有多种选择，但是高热通量的优选工作物质是钠或者其他诸如钾的碱金属。对于钠，热管将处理高热通量，同时在600℃的温度下工作。如果工作温度很低，可使用诸如水或者联苯与苯醚的低共熔混合物的有机物质用作工作物质。

在准备阶段热管必须被抽空，以使单元内多种非冷凝惰性气体在其被密封之前被从热管吸取。当单元中没有惰性气体时，可使用最大的冷凝面积。另外，通过由于正在进行的蒸发和冷凝过程导致的保证压力差使得蒸发的工作物质分子可被迫进入到冷凝器中。

装在热管中的工作物质量可改变。尽管现有技术通常提倡装载较小的量，但本发明允许大量装载。被装载的工作物质的最小量是这样的，即，确保在工作过程中存在足够的蒸发器覆盖。使用的最大量是由储存容器的尺寸设定的。工作物质的所有量应该装在储存容器内。装载的优选量为储存容器体积的50-90％，基本上等于蒸发器的体积的量。

冷凝器所用的冷却剂的选择将取决于几种基本的热交换补偿。尽管空气是优选的，但它也取决于使用水或者油用作冷却剂。最终，选择将由诸如可用性和经济性的因素来确定。一般地，如果热管在高温下工作，接着诸如空气的气体是一种可用的冷却剂。但是如果热管在低温下工作，那么水可是一种更希望的冷却剂。

Claims

1.一种在真空下并且其中装有工作物质的热管组件，所述热管组件包括：

适于蒸发工作物质并且具有封闭前端的蒸发器；

与蒸发器流体连通的热交换冷凝器，所述冷凝器适于使从蒸发器接收的蒸发的工作物质冷凝并且具有位于高于蒸发器的高度处用于将液体工作物质收集在其中的储存容器；

使液体工作物质在重力作用下从储存容器流到蒸发器的不连续的且不渗透的液体回流通道；

所述液体回流通道延伸穿过蒸发器并且终止于其封闭的前端附近；以及

位于蒸发器内的流动调节装置，使工作物质流在蒸发器中旋流；

从而流动调节装置确保夹带有蒸发的工作物质的未蒸发的液体在离心力的作用力被推向蒸发器内表面以保证内表面被液体覆盖，从而延迟薄膜沸腾的产生。

2.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，利用在其外表面上的辐射和对流使冷凝器冷却。

3.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，利用贯穿所述冷凝器芯的至少一个冷却管使得冷凝器被强制冷却，所述冷却管中具有流过的冷却剂流体。

4.如权利要求3所述的热管组件，其特征在于，冷却管与至少一个冷却剂集管流体连通。

5.如权利要求4所述的热管组件，其特征在于，冷却管在底部的冷却剂集管和在其顶部的冷却剂集管之间纵向贯穿冷凝器的芯部。

6.如权利要求5所述的热管组件，其特征在于，所述冷却剂集管是强制冷却的。

7.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，所述蒸发器和冷凝器是圆柱形的。

8.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，所述蒸发器的内表面上具有沟槽。

9.如权利要求8所述的热管组件，其特征在于，所述沟槽具有与流动调节装置对应的间距。

10.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，连接件使蒸发器和冷凝器相连，并且在它们之间提供流体连通。

11.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，排气管线在液体回流通道和冷凝器上部之间提供流体连通，从而从蒸发器的前端沿液体回流管线向上移动的蒸气被转移到冷凝器的上部。

12.如权利要求10所述的热管组件，其特征在于，连接件和液体回流管线中至少一个是挠性的。

13.如权利要求11所述的热管组件，其特征在于，所述排气管线是挠性的。

14.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，冷凝器包括适于接收至少一个热电偶的热电偶井道，热电偶用于监测性能和检测热管组件的破坏情况。

15.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，冷凝器的内横截面积为蒸发器横截面积的1至50倍。

16.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，液体回流通道具有足以为蒸发器内的工作物质的蒸发速率的1至100倍的速率输送液体的尺寸。

17.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，所述流动调节装置是螺旋旋流器、扭曲带和螺旋弹簧中的一种。

18.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，所述工作物质是一种用于高温应用的碱金属。

19.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，用于低温应用的工作物质是水、联苯与苯醚的低共熔混合物和甲醇中的一种。

20.如权利要求3所述的热管组件，其特征在于，冷却剂流体是空气、水和油中的一种。

21.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，所述热管组件是一种能量吸取装置。

22.如权利要求21所述的热管组件，其特征在于，所述液体回流通道包括适于分别通过使液体流到蒸发器和阻止液体流到蒸发器来接通热管组件和断开热管组件的阀。

23.如权利要求22所述的热管组件，其特征在于，所述阀可部分限制液体流到蒸发器以控制热量吸取速率。

24.如权利要求21所述的热管组件，其特征在于，所述能量吸取装置适于冷却热金属液、热炉废气和热炉壁和导管中的至少一种。

25.如权利要求21所述的热管组件，其特征在于，所述蒸发器是由形成在不渗透实体中的孔限定的，并且热管组件适于冷却所述实体。

26.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于，所述热管组件是具有至少一个贯穿蒸发器芯部并且显露在其前端处的反应物输送导管的反应物注入装置，每一个所述反应物输送导管适于输送其中的反应物。

27.如权利要求26所述的热管组件，其特征在于，所述反应物注入装置用作喷管和风口中的一个，以从改变排放高度直至还包括已浸入的注入元件将气态反应物注入到熔体中。

28.如权利要求26所述的热管组件，其特征在于，所述反应物注入装置用作燃烧器以注入可燃烧物和氧化剂来产生热量。

29.如权利要求26所述的热管组件，其特征在于，反应物用于冷却冷凝器，从而利用从蒸发器吸取的能量使反应物预热。

30.如权利要求26所述的热管组件，其特征在于，冷凝器包括多个冷却回路，每一个冷却回路适于接收反应物和补充冷却剂中的一种。

31.如权利要求30所述的热管组件，其特征在于，所述补充冷却剂可包括水、空气和油中的一种。

32.如权利要求26所述的热管组件，其特征在于，膨胀接头位于反应物输送导管上以补偿其不同的膨胀和收缩。