CN102840781A - 热管 - Google Patents

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李金彪
薛英霞
胡金良
石中坤
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BEIJING SOLAR ENERGY INST Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种热管，涉及太阳能集热器元件技术领域。该热管由蒸发段、隔热段、冷凝段以及管内灌注的可相变的工作介质构成，所述蒸发段及所述隔热段的直径相同，所述冷凝段上形成有较所述蒸发段与所述隔热段的管壁突出的储液槽，所述储液槽用于储存液态介质。本发明的热管具有安装使用倾角范围宽、无管芯、制作简单、传热性能好、以及成本低的特点。

Description

热管
技术领域
本发明涉及太阳能集热器元件技术领域，尤其涉及一种全角度无芯热管。
背景技术
热管是指封闭的管壳中充有工作介质(工质)并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的高效换热元件。典型的热管，特别是水平热管由管壳、管芯和工作介质构成，管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在蒸发段和冷凝段中间可布置隔热段(绝热段)，管芯是为使冷凝液顺利回流到蒸发段而设置。重力热管是热管的一种。目前国内外热管式太阳能集热器中的热管，大都采用重力热管，重力热管的特点是热管倾斜或垂直放置，其工质的循环流动将受重力的影响，因蒸发段置于下方，在上方冷凝的液体工质借助重力而回流到蒸发段，进而实现循环往复的热的传导传递过程。工质靠重力在热管内回流，无需设置管芯，这就减小了热管的加工难度，降低了制造成本，因而重力热管被广泛应用于多个领域，包括太阳能热利用领域。
重力热管要求冷凝段要高于蒸发段，以冷凝段与蒸发段的高度差来实现介质的回流后再蒸发。这就出现了重力热管式太阳能集热器在应用中具有限制条件多、使用范围窄等不可避免的缺陷。例如：必须要使重力热管与地平面形成较大的角度来安装使用，一般优选为40到60°角。含有2米左右长的重力热管的太阳能集热器，需保持50°角左右倾斜安装放置，其需要的空间较大、且安装支撑架复杂。当要求或希望热管式太阳能集热器0角度、小角度安装或在阳台栏杆外侧安装时，重力热管式太阳能集热器则显然无能为力。再有，重力热管倾斜使用，特别是目前的太阳能重力热管，位于下部的蒸发段长度远远大于热管上顶部冷凝段的长度，热管内相变液体因重力作用，总是趋于向热管最低端积聚，不利于蒸发段及其内部的相变液体均匀受热蒸发并传导热量至冷凝段。在单只太阳能热管每日所能接受到太阳辐照能量有限的条件下，热管蒸发段底部总会有一部分相变液体始终不参与蒸发传热过程。而参与传热的介质主要是由两部分组成：一是聚集在蒸发段底部且靠上的部分液态介质受热蒸发上行；二是介质热蒸汽从冷凝段遇冷凝结受重力作用向下回流，在回流过程中再次受热蒸发，中途返回到冷凝段的那部分介质。这样的工作状况显然会降低热管本来可以实现的导热或传热能力和效率。还有，相变液体积聚于蒸发段底部，在严寒地区无太阳或夜晚时，相变液体冻结在底部且具有一定的高度，太阳好时，冻结的介质融化膨胀，致使重力热管式太阳能集热器被冻裂冻坏的现象在所难免，其根结都在于对重力热管安装使用的条件要求与限制。
另外，随着热管灌注量的增多，在强度允许的条件下，热管可以传导的热能潜力也会增多。但是，对于太阳能热水系统热管的灌注量若占热管总容积过多，将会影响热管启动速度等传热性能，且在夏日如不能及时使用已加热后的热水或不能保证将已传导的热能及时释放时，会产生高压过热问题，这样不仅会加速和造成热水系统零部件的损害，还会增加安全隐患。此类问题在封闭可承压的太阳能热水系统中会尤为突出。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种安装使用倾角范围宽、即具有重力热管无管芯加工简单、用料少、成本低、热性能好等优点又可以水平(倾角为0)工作、安全、可靠的全角度无芯热管。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了热管，该热管由蒸发段、隔热段、冷凝段以及管内灌注的可相变的工作介质构成，其特征在于，所述蒸发段及所述隔热段的直径相同，所述冷凝段上形成有较所述蒸发段与所述隔热段的管壁突出的储液槽，所述储液槽用于储存液态介质。
其中，所述冷凝段的直径大于所述蒸发段及所述隔热段的直径，所述冷凝段较所述蒸发段及所述隔热段的管壁突出的部分形成所述储液槽。
其中，所述隔热段的管壁延伸至所述冷凝段内。
其中，所述冷凝段局部径向尺寸大于所述蒸发段及所述隔热段的直径，所述冷凝段上较所述蒸发段及所述隔热段的管壁突出的部分形成所述储液槽。
其中，所述冷凝段的轴线与所述蒸发段及所述隔热段的轴线不在一条直线上，所述冷凝段上较所述蒸发段及所述隔热段的管壁突出的部分形成所述储液槽。
其中，所述冷凝段与所述蒸发段的长度比在1∶30-1∶10之间。
其中，所述蒸发段及隔热段的外径小于9毫米。
其中，当热管轴线与地平面呈0°或小于5°倾角工作时，所述可相变的工作介质占所述热管总容积的比例在12％-25％之间且最佳比例为15％；当在40°-90°倾角工作时，所述可相变的工作介质占所述热管总容积的比例在4％-8％且最佳比例为6％。
(三)有益效果
本发明的热管，适用范围广，可以在与地平面呈0-90°倾角范围内工作；无管芯，管径小，结构简单、制作成本低，蒸发段和隔热段的外径可以小于9毫米，且冷凝段可以局部低于蒸发段或隔热段工作，冷凝段与蒸发段长度比在1∶30-1∶10之间；视应用情况可以不设有隔热段，热管中介质最佳灌充量可随不同的使用倾角变化而有所不同。启动温度低于30°C，在0或小角度使用时，无需采取特殊防冻措施即具有良好的抗冻能力，且具有和保留了重力热管热能不回流的“单向二极管”的功效。
此外，在冷凝段的储液槽内适当保留一定量的液态介质，有利于热管冷凝液持续不断的“回流”；促进了热管内壁有湿润液膜的形成和存在；增强了避免干涸和避免达到传热恶化点或传热极限状态的功效；提高和保持了热管在宽泛角度工况下的良好传热性能等。
附图说明
图1为实施例1的热管结构示意图；
图2为实施例2的热管结构示意图；
图3为实施例3的热管结构示意图；
图4为依照本发明一种实施方式的热管在小角度工况下的状态示意图；
图5为依照本发明一种实施方式的热管在大角度工况下的状态示意图。
具体实施方式
本发明提出的热管，结合附图及实施例详细说明如下。
实施例1
如图1所示，本实施例的热管由蒸发段1、隔热段2、冷凝段3以及管内灌注的可相变的工作介质构成，蒸发段1及隔热段2的直径相同，冷凝段3上形成有较蒸发段1与隔热段2的管壁突出的储液槽4，储液槽4用于储存液态介质。
在本实施例中，冷凝段3的直径大于蒸发段1及隔热段2的直径，这样，冷凝段3较蒸发段1及隔热段2的管壁突出的部分便形成储液槽4，储液槽4为冷凝段3整体形状的一部分。
优选地，隔热段2的管壁延伸至冷凝段1内，以在热管大角度倾斜时仍能在储液槽4中留存液态介质，如图5所示。
实施例2
在本实施例的热管中，冷凝段3局部的径向尺寸大于蒸发段1及隔热段2的直径，即如图2中所示，冷凝段3具有较蒸发段1及隔热段2的管壁突出的部分，该冷凝段3非突出部分的直径等于蒸发段1及隔热段2的直径，且冷凝段3上较蒸发段1及隔热段2的管壁突出的局部部分形成储液槽4。该“局部”可为一处(如图2所示)或多处，以形成一个或多个储液槽4。
实施例3
如图3所示，在本实施例中，冷凝段3的轴线与蒸发段1及隔热段2的轴线不在一条直线上(冷凝段3与蒸发段1及隔热段2的直径可以相同也可以不同)，这样，冷凝段3便具有较蒸发段1及隔热段2管壁突出的一部分，该突出部分形成储液槽4。
如上实施例1-3的描述可知，本发明的热管的蒸发段1、隔热段2及冷凝段3可以在与地平面呈0到90°角状态下工作。如图4所示，当在0°或小角度(如0-5°)工作时，冷凝段3的局部可以低于蒸发段1和隔热段2，且此时，在冷凝段3处有低于蒸发段1及隔热段2的可以存有液态介质的储液槽4，在储液槽4中的液态介质与蒸发段1和隔热段2中处于液态的介质一同形成热管内连续的液态液面。如图5所示，当热管在与地平面呈较大倾角工作时，该储液槽4中的液态介质与蒸发段1或隔热段2处的液态介质可以形成间断不连续的液态液面，无论何种情况，在液面的上方留有可供介质相变蒸汽流动的空间或通道。该储液槽4可以由冷凝段3整体形状的一部分构成，或为在冷凝段3上特意加工的一个或多个可以存留液体介质的局部凹状面或凹槽，或由冷凝段3直径大于蒸发段1和隔热段2的直径形成，或由冷凝段3与蒸发段1和隔热段2轴向偏心形成。热管蒸发段1及隔热段2的外径小于9毫米，冷凝段3与蒸发段1长度比在1∶30-1∶10之间。当该热管在与地平面保持0(水平)或小角度(如0-5°)状态工作时，热管内可相变介质的灌注量占热管总容积的12％-25％，介质最佳灌注量为热管总容积的15％。在约40°-90°倾角工作时，介质灌充量为4％-8％，最佳灌充量为占热管总容积的6％。且该热管的介质最佳灌充量随不同的使用倾角变化而有所不同。
综上，由于本发明的热管具有无管芯、直径小、结构简单、制造方便，传热性能好、可以0-90°使用，且成本低等特点，可以应用于适合热管传热的热管制作技术中，更可以作为太阳能集热器中的热管元件，如用做目前市场中常见的太阳能热管式真空管的热管或太阳能全玻璃真空管中的热管等；也可以用于替代制作工艺复杂、用料多、成本高的U型管或直通管等现有太阳能集热器传热产品的零部件，特别是它可以使热管式太阳能集热器在设计安装上与建筑物形成一体化设计与安装，即实用又美观。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种热管，该热管由蒸发段、隔热段、冷凝段以及管内灌注的可相变的工作介质构成，其特征在于，所述蒸发段及所述隔热段的直径相同，所述冷凝段上形成有较所述蒸发段与所述隔热段的管壁突出的储液槽，所述储液槽用于储存液态介质。
2.如权利要求1所述的热管，其特征在于，所述冷凝段的直径大于所述蒸发段及所述隔热段的直径，所述冷凝段较所述蒸发段及所述隔热段的管壁突出的部分形成所述储液槽。
3.如权利要求2所述的热管，其特征在于，所述隔热段的管壁延伸至所述冷凝段内。
4.如权利要求1所述的热管，其特征在于，所述冷凝段局部径向尺寸大于所述蒸发段及所述隔热段的直径，所述冷凝段上较所述蒸发段及所述隔热段的管壁突出的部分形成所述储液槽。
5.如权利要求1所述的热管，其特征在于，所述冷凝段的轴线与所述蒸发段及所述隔热段的轴线不在一条直线上，所述冷凝段上较所述蒸发段及所述隔热段的管壁突出的部分形成所述储液槽。
6.如权利要求1-5任一项所述的热管，其特征在于，所述冷凝段与所述蒸发段的长度比在1∶30-1∶10之间。
7.如权利要求1-5任一项所述的热管，其特征在于，所述蒸发段及隔热段的外径小于9毫米。
8.如权利要求1-5任一项所述的热管，其特征在于，当热管轴线与地平面呈0°或小于5°倾角工作时，所述可相变的工作介质占所述热管总容积的比例在12％-25％之间且最佳比例为15％；当在40°-90°倾角工作时，所述可相变的工作介质占所述热管总容积的比例在4％-8％且最佳比例为6％。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
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