CN103201581A - 用于制造热管的方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种制造热管的方法，包括步骤：提供具有开口端和相对的闭口端的管子；以预定量的工作流体充填该管子；将蒸汽捕集器连接到该热管的所述开口端上；以预定的时间对管子抽真空，以从该管子中去除不冷凝性气体；以及密封管子。其中，对管子抽真空的步骤包括将真空施加到该热管的所述开口端。

Description

用于制造热管的方法及设备

本发明涉及制造热管的方法及用于制造这种热管的设备。

热管是将热量从一处传递到另一处的高效的装置。

传统热管包括密封的中空管，该中空管由具有高热导率的材料制成，例如铜或铝合金，且该中空管部分地充填有工作流体。热管通过在静态空气中处于饱和点的液体和蒸汽状态的工作流体进行工作。这通过确保热管在适合的压力及温度条件下工作来实现。

将热量施加到热管的一个端部上引起液体沸腾变为蒸汽。这时，液体获得汽化潜热。形成于管子热端的蒸汽具有大于形成于管子冷端的蒸汽的压力。形成于热端的蒸汽沿着管子移动至较冷的位置，在该位置蒸汽冷凝并释放出汽化潜热。随后，冷凝液体流回到热管的热端。由此，热量从热的蒸发段传递至冷的冷凝段。

通常，冷凝的工作流体自冷端流向热端在重力的影响下发生。这要求热管大致如此取向以使冷端大大高于热端。

然而，可选的内部吸液芯结构通常因为毛细管作用而用于帮助冷凝的流体自热管冷端流回热管热端。吸液芯结构的利用使得热管可以如此取向以使冷端与热端等高或高于热端。

依靠重力回流的无芯热管能够以比有芯热管大得多的速率传递流体。无芯热管的制造明显更简单更便宜。工作流体的选择主要由热管运行所处的温度条件决定。例如，很低温度下的应用可以采用液氦，而很高温度下的应用例如可以选择水银或钠作工作流体。然而，对于大多数常见的热管的应用，工作流体会是制冷剂、氨、酒精或水。

通常优选水作为工作流体，因为水对环境无害且通常几乎不存在危险。水还具有比其它流体更引人关注的热力性质，容许每单位质量流率传递更多热量。

传统热管通过将管子塑造成理想的构型，例如直管或环形，以及密封一个端部而制成。随后，管子充填预定量的工作流体。

一旦热管已经部分地充填工作流体，就有必要清除管子内的所有不冷凝性气体。如果这些不冷凝性气体未被移除，它们就会聚集在热管的顶部并与工作流体结合共同引起腐蚀。由于不冷凝性气体封堵热管的上端，这就产生降低热管有效长度的后果，并减小冷凝段的表面积，降低蒸汽的冷凝速率。结果，热管的效力降低。

一种用于将全部不冷凝性气体从已充填的热管中除去的技术是加热总成直到工作流体沸腾。之后，产生的蒸汽将这些不冷凝性气体从热管中清除，此时将热管关闭并密封。

虽然这种技术能够容易地应用于小型或中型尺寸的热管总成，这些热管总成能够容易地单独加热，但是将该技术应用于较大的或不规则形状的热管总成是不切实际的。该技术不能将全部不冷凝性气体从管子中移除，因为永远无法实现完全的清除。

在上述技术中，热管在其被实施清除以去除不冷凝性气体之前充填工作流体。

在另一种已知技术中，首先热管由泵抽真空，该泵通过例如阀附接到热管上。由泵排出后，该泵通过阀而与热管隔离。然后，工作流体注入热管内。但是，只能通过破坏热管内形成的真空将工作流体注入到热管内以充填工作流体。

此外，由于清除步骤发生在工作流体注入进热管之前，包含在工作流体内的任何不冷凝性气体不会被去除。

这种技术，其通常被称为Faghri技术，因此不能完全去除所有的不冷凝性气体。

所以，用于制造和充填热管的传统的方法和技术不能去除所有的不冷凝性气体，尤其是对那些较大的或者具有复杂或不规则构型的热管。

对于许多工作流体而言，对于一些应用，尤其是如果工作流体在正压下工作，不冷凝性气体的存在是可接受的。然而，当水作为工作流体时，它是在低气压下工作。这意味着留存在热管内的任何不冷凝性气体比在正压下工作的工作流体时的不冷凝性气体占据明显更多热管的体积。

传统热管遭遇的另一个问题是“漏气”。漏气是这样一种现象，即被溶液及管子材料捕获的气体经过一段时间慢慢地扩散进工作流体中。这导致热管内不冷凝性气体聚集，并由于上述原因而降低热管的效力。

本发明的第一方案提供一种构造热管的方法，包括以下步骤：提供具有开口端和相对的闭合端的管子；向管子充填预定量的工作流体；将蒸汽捕集器连接到管子的开口端；以预定时间对管子抽真空以从管子中去除不冷凝性气体；以及密封管子。其中，对管子抽真空的步骤包括向管子的开口端施以真空的步骤。

应理解对管子抽真空以从管子中去除不冷凝性气体的步骤包括去除管子内的工作流体中的不冷凝性气体和制成管子的材料中的不冷凝性气体。

正如上述原因，去除热管中的不冷凝性气体提升了热管的效力和寿命。

可选地，工作流体是水。

水可以作为本发明一些实施例的工作流体是由于以下原因。首先，万一热管泄漏，水对环境无害且通常不会造成危害。其次，充装工序期间不存在与水的使用有关的安全风险。最后，使用水代替例如氨或商用制冷剂具有显著的成本优势。

具有与水类似性能的流体也可以作为本发明一些实施例中的工作流体。如果流体作为热管内的工作流体使用期间暴露于低于它们处在大气压下的沸点的温度，本说明书中就认为这些流体具有与水类似的性能。本文中将这类流体作为水的类似流体加以描述。

因为热管内不包含空气而只有处于液相和蒸汽相的工作流体的混合物，所以热管内不是大气压而是等同于工作流体暴露于其中的温度下的工作流体的蒸汽压力。如果充填热管的水遇到的外部温度低于100°，那么饱和蒸汽压力将会低于大气压力，因此热管内的气压将是低气压。

适合的工作流体的例子，例如是乙醇、甲醇、丙酮、氨以及在零度以下的操作温度下使用的所有水基的传热流体。

常见制冷剂例如制冷剂R134a不太适合用作本发明要求保护的工作流体，主要因为它们最好用在超过大气压的气压下。

因此根据本发明第一方案的方法由于上述原因尤其适合用于工作流体是水或类似流体的热管的结构，因为水在低气压下工作，热管内存在不冷凝性气体是不可接受的。

将不冷凝性气体从管子中排出的步骤通过排除或减少聚集的不冷凝性气体而使热管的效力最大化，该不冷凝性气体会限制热管的有效长度。

此外，根据本发明制造的热管不会遭遇“漏气”问题，因为这些气体在制造工序期间已从溶液中抽出。

本发明可用于任何尺寸和/或构型的热管并能够可靠地去除基本上全部的不冷凝性气体。

或选地，对管子抽真空以将不冷凝性气体从管子中去除的步骤包括将真空施加到热管开口端的步骤。

对管子抽真空的预定时间足够从热管去除基本上全部的不冷凝性气体，且该预定时间根据热管的内部容积和几何构型以及环境温度和抽真空方法而变化。

任何给定的热管都能确定预定时间，要考虑充填热管的环境和要使用的工作流体。

由此，预定时间可以由通过涉及流体的实验获得的实验均值确定，这些流体作为工作流体的适用性被检验。从而可以制成气压与时间图辨别抽真空工序中的各阶段。

可以测量热管内本身的压力，进而反映出由工作流体蒸汽和留存在热管内的任何不冷凝性气体引起的部分压力的总和。这样，就可以确定让泵去除全部不冷凝性气体的必要时间。

热管内逐渐变得恒定的压力表明不冷凝性气体的去除情况。这发生在热管被液态和蒸汽态的工作流体基本充填时。恒定压力等于热管其时温度下工作流体的蒸汽压力。

因此本发明可以包括在对管子抽真空步骤之前确定预定时间的步骤。

这个步骤可以在任何方便的时间实施，可以例如在制造热管之前作为单独的阶段执行。例如，确定预定时间的步骤可以在不同于实施本发明的地点执行，比如实验室。

可以使用任何方便的方法确定预定时间，确定预定时间可以包括测量管内工作流体压力以及确定工作流体压力何时变得恒定的步骤。

达到恒定压力需要的时间随着所研究的工作流体、工作温度、热管的尺寸，比如长度，以及所用的工作流体的量而变化。

对于充有水的1米长的热管，达到恒定压力需要的时间约30分钟。在或朝向热管顶部测量的最终恒定压力接近5托。

对于充有水的2米长的热管，达到恒定压力需要的时间大约为35分钟。

在恒定运行温度下达到的最终恒定压力对于特定的工作流体是不变的，但是该恒定压力会随着热管长度及工作流体质量而增加。

可以使用任何适合的测压表测量压力，例如电子皮拉尼型（Pirani）测压表，用以足够准确地测量压力以能够识别最终恒定压力状态的开始。

因此通过本发明的实施例能够优化将真空施加到热管上的时长。这克服了可能与施以真空的时间过长或过短有关的问题。

例如，如果施加真空到热管上的时间过短，一些不冷凝性气体可能会留存在热管内。

相反地，如果施加真空的时间过长，不仅全部的不冷凝性气体会被抽出热管，而且还会额外地排出汽化的工作流体。

因为当抽真空工序进行时工作流体已经在热管内，一些工作流体在抽真空阶段可能汽化并被排出热管。

对于充有水的1米的热管，在30分钟的抽真空工序期间水的减少是工作流体初始质量的大约10%。

除去的工作流体的质量必须针对热管进行计算，以使热管适当地充填，且该除去的工作流体的质量可以通过对抽真空工序之前及之后的热管进行称重推断得出，并记录质量损失。

根据本发明实施例的方法还可以包括以下步骤：在管子充填预定量的工作流体以后并在对热管抽真空步骤之前称重管子的步骤；管子排空以后重新称重管子的步骤；以及记录在对管子抽真空步骤期间损失了的汽化工作流体的量的步骤。

或选地，施加真空到热管开口端的步骤包括将真空泵连接到热管上，而使蒸汽捕集器放置于真空泵和管子的开口端之间的步骤。

尽管已知在密封之前使用真空泵将不冷凝性气体从热管的内部空间抽出，但是由于水蒸气会被抽进真空泵，早先针对充填水或类似流体的热管的这种技术并不可行。这降低了真空泵密封的效力，妨碍在热管中的真空。反过来，这又导致热管的性能变差。

由于借助蒸汽捕集器将真空泵连接到热管的内部空间，能够在气体经真空泵被抽吸之前去除该气体中的残留水蒸气。这防止了水蒸气对热管中形成真空度不利的影响。

如果本发明使用除水之外的工作流体，那么设蒸汽捕集器将不仅确保达到要求的真空，而且还会捕集可能灾难性地破坏真空泵的流体蒸汽。

所述方法还可以包括清洗热管内表面的起始步骤。

这个步骤意味着将在热管充填工作流体之前清除碎屑和污染物。这是有利的，因为这类碎屑和污染物能够导致生成不冷凝性气体。另外，碎屑覆盖管子的内表面会降低蒸发和冷凝的效率，由此降低热管的效能。

密封管子的步骤包括封闭开口端以形成密封的热管的步骤。

可以通过对管子开口端实施机械卷边、堵塞开口端或任何其它机械密封技术密封热管。

密封工序可以形成气密密封的热管。气密密封的热管的优点是防止可冷凝气体重新进入热管而降低热管的效力。

在本发明的一个实施例中，热管包括几行结合起来构成环的直管。在这种构型中，管子的一端密封，另一端打开以提供通向热管内部空间的入口。这将采用由几行管子例如弯曲180°结合起来而构成由多条环状的独立通路构成的单根热管的形式。

在本发明的另一个实施例中，热管可以包括多个管状部件，这些管状部件的相应端部彼此连接形成集合管。这样，该集合管提供有通向热管内部空间的单一开口。

根据本发明的第二个实施例提供一种用于制造热管的设备，该设备包括具有开口端和对置的闭合端的管子、与管子的开口端连接的真空泵和放置在真空泵与管子的开口端之间的蒸汽捕集器。其中，热管充填预定量的工作流体。

在一些实施例中，所述设备可以充填预定量的流体，该流体可以是水或性质类似的流体。

所述设备可以包括有效地连接到该设备上的测压表，该测压表适用于测量管子内的压力。

测压表可以是任何适合的测压表，例如电子皮拉尼型（Pirani）测压表。

下面结合附图及附图标记，通过非限制性的例子对本发明的实施例进行描述，其中：

图1是根据本发明实施例的用于制造热管的设备的示意图；以及

参见图1，根据本发明实施例的用于制造热管20的设备总体以附图标记10表示。

热管可以制造成任何尺寸和/或构型。典型构型是如图1示意性示出的环形结构。热管20的环形结构，如图1所示，通常为0.2米宽、长度为2米。

在其它实施例中，热管可以例如是线型管、环状多通路管、由集合管相互连接的多个平行管或其它构型。

热管20具有唯一的填充头30，该填充头提供通入热管20的内部空间的入口。

初始制造完成以后，冲洗热管20以去除制造工序中的任何碎屑残留物，并彻底清洗管子的内表面。

清洗之后，热管20充填预定量的水。预定量取决于热管20的内部容积和构型。这确保运行期间热管的蒸发端在内表面上具有连续的液体薄膜。

然后，通过填充头30将热管20连接到蒸汽捕集器40上，进而与真空泵50连接。

蒸汽捕集器40用于去除从热管20抽出的气体中的任何残留水蒸气。蒸汽捕集器40在气体被抽进真空泵50之前利用液氮60使水蒸气结冰。或者，蒸汽捕集器40内也可以使用干冰或市场上可以购得的机械制冷捕集器，以阻止任何残留水蒸气到达真空泵50。

然后，真空泵运行预定时间。预定时间由如上所述的实验性分析确定。

预定时间结束时，关闭真空泵50，密封热管20。

前面是针对包含水作为其工作流体的热管进行描述的。然而，应理解本发明的方法同样适用于使用其它液体作为工作流体的热管20。

为避免疑义，还应理解根据本发明各个方案的对热管抽真空的工序涉及去除包含在制造热管的热管材料中的不冷凝性气体以及包含在管内工作流体中的不冷凝性气体。

Claims (14)

1.一种制造热管的方法，包括步骤：

提供具有开口端和相对的闭口端的管子；

以预定量的工作流体充填该管子；

将蒸汽捕集器连接到该热管的所述开口端上；

以预定的时间对管子抽真空，以从该管子中去除不冷凝性气体；以及

密封管子；

其特征在于，管子抽真空的步骤包括将真空施加到该热管的所述开口端。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管子抽真空的步骤包括将真空施加到该热管的所述开口端。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括管子抽真空以前确定关于所述抽真空步骤的所述预定时间的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所述预定时间的方法包括测量所述管子内的工作流体的压力以及确定该工作流体的压力何时恒定的步骤。

5.根据上述权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述将真空施加到该热管的所述开口端的步骤包括：

将真空泵如此连接到所述开口端以使所述蒸汽捕集器放置在该真空泵和管子的该开口端之间。

6.根据上述权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括在所述以预定量的工作流体充填该管子的步骤以后且在所述管子抽真空的步骤以前称重该管子的步骤；在该管子抽真空的步骤以后重新称重该管子的步骤；以及记录在该管子抽真空步骤期间汽化了的工作流体损失质量的步骤。

7.根据上述权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述工作流体是水。

8.根据上述权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括清洗所述管子的内表面的初始步骤。

9.根据上述权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述密封管子的步骤还包括封闭所述开口端以形成密封热管的步骤。

10.一种用于制造热管的设备，包括具有开口端和相对的闭口端的管子、连接到管子的该开口端上的真空泵以及放置在该真空泵和管子的该开口端之间的蒸汽捕集器，其中，该热管充填预定量的工作流体。

11.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述工作流体是水。

12.根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，该设备还包括有效地连接到该设备上的测压表，该测压表适用于测量该热管内的压力。

13.一种基本如前文结合附图所述的用于制造热管的设备。

14.一种基本如前文结合附图所述的方法。