CN106017167A - 一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器 - Google Patents

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    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers

Abstract

本发明涉及一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，包括若干个冷凝管组件、圆弧形蒸汽集管和圆弧形液体集管，每个冷凝管组件包括n个冷凝管、1个直蒸汽集管和1个直液体集管，n个冷凝管长度相同且平行排列，直蒸汽集管与n个冷凝管的一端连通，直液体集管与n个冷凝管的另一端连通，若干个冷凝管组件围绕圆环腔体的水平轴线排布，使得每个冷凝管组件中的n个冷凝管的轴线均指向圆环腔体的轴线，圆弧形蒸汽集管将若干个冷凝管组件中的直蒸汽集管连通，圆弧形液体集管将若干个冷凝管组件中的直液体集管连通，该冷凝器降低了热阻，显著提升换热能力，适应水平环形腔上部空间的布置，充分利用圆环柱状腔体的空间，实现了高性能、紧凑性。

Description

一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器
技术领域
本发明属于工程热物理、热管学科中分离式热管技术领域，涉及一种分离式热管冷凝器的结构设计，特别是涉及一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器。
背景技术
热管是一种高性能的传热元件，是靠内部工作介质(工质)的蒸发、凝结和回流而将热量不断从热源传向热汇的装置。热管的应用十分广泛，随着科技的发展，热管的需求不断增长。
热管的结构多种多样，分离式热管是热管的一种。分离式热管(Separate Type Heat Pipe，STHP)一般由蒸发器、冷凝器、蒸汽管和液体管组成。冷凝器设计和加工方法是实现分离式热管预期性能的一个关键。
目前，科技发展迫切需要较适应特定空间尺度约束、较远距离传热等特殊场合的分离式热管。报道的分离式热管的冷凝器，有的结构上不符合传热热阻最小原理，有的体积过大，有的传热能力小，有的工艺复杂、成本高，现有结构不能满足一些特定空间尺度约束场合的传热要求，这些都与分离式热管的冷凝器设计不合理密切相关。
一些文献中提到的分离式热管，例如，《热管及热管换热器》，179-192，重庆大学出版社，1986.8；《热管技术及其工程应用》，99-105，化学工业出版社，2000.6，设计均针对立方体等规则几何空间，面向没有空间尺度约束的简单设计。上述文献提到的分离式热管换热器的冷凝器不足总结起来有几个方面：(1)从工质冷凝降膜的角度看，冷凝管均竖直布置，整个冷凝管内，内部蒸汽冷凝时，冷凝液膜沿内壁面流下，形成的降液膜在轴方向上的平均厚度过大，总的效果是，热量要穿过液膜到达壁面距离偏长，因此热阻偏大；(2)规则立方体的结构不能满足圆环形空间布置的需要；(3)冷凝管的液体集管横向布置，如果分离式热管的充装率较小，甚至少到不能充满冷凝管集管时，不便于液体的流出，等等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，该冷凝器通过传热原理，不但从冷凝管内部和外部强化了传热，降低了热阻，显著提升了换热能力，而且适应近水平环形腔空间的布置，充分利用了圆环柱状腔体的空间，实现了高性能、紧凑性。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，包括若干个冷凝管组件、圆弧形蒸汽集管和圆弧形液体集管，每个冷凝管组件包括直蒸汽集管、直液体集管和n个冷凝管，所述直蒸汽集管与n个冷凝管的一端连通，所述直液体集管与n个冷凝管的另一端连通，若干个冷凝管组件围绕圆环腔体的水平轴线排布，使得每个冷凝管组件中的n个冷凝管的轴线均指向圆环腔体的水平轴线，所述圆弧形蒸汽集管将若干个冷凝管组件中的直蒸汽集管连通，所述圆弧形液体集管将若干个冷凝管组件中的直液体集管连通，其中n为正整数，且n≥2。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，每个冷凝管组件中的n个冷凝管长度相同且平行排列。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，每个冷凝管组件中的直蒸汽集管和直液体集管的轴线均与圆环腔体的水平轴线平行。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，每个冷凝管组件中的直蒸汽集管的轴线高于直液体集管的轴线，或者每个冷凝管组件中的直蒸汽集管的轴线与直液体集管的轴线在同一水平面内。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，若干个冷凝管组件中的冷凝管长度均相等；或者若干个冷凝管组件中位于下部的冷凝管组件中的冷凝管长度大于相邻的或不相邻的位于上部的冷凝管组件中的冷凝管长度。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，若干个冷凝管组件、圆弧形蒸汽集管和圆弧形液体集管形成的冷凝器布置于圆环腔体的上部空间，即圆环腔体水平轴线的上方。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，冷凝管的倾角β满足：0°≤β≤90°，所述冷凝管的倾角β指冷凝管的轴线与水平面的夹角。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，冷凝管外壁面设置有若干个肋片。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，肋片为横向或纵向肋片，优选横向圆形肋片；所述肋片直径R与冷凝管的直径r满足：1<R/r≤5。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，肋片之间为横向等间距排列或纵向等角圆周排列，肋片之间的距离为肋片厚度加上1～5mm。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，冷凝管为内光管、内直槽管或内螺纹管。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，圆弧形蒸汽集管的管直径大于或等于直蒸汽集管的管直径，直蒸汽集管的管直径大于或等于圆弧形液体集管和直液体集管的管直径。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，圆弧形蒸汽集管的管直径与直蒸汽集管的管直径的直径比为1～3:1；所述直蒸汽集管的管直径与圆弧形液体集管或直液体集管的管直径的直径比为1～3:1。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，若干个冷凝管组件围绕圆环腔体的水平轴线均匀排布，即任意相邻两个冷凝管组件之间的夹角相等。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，圆弧形蒸汽集管、圆弧形液体集管、冷凝管、直蒸汽集管或直液体集管的管壁厚度为2～5mm。
在上述适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器中，圆弧形蒸汽集管、圆弧形液体集管、冷凝管、直蒸汽集管、直液体集管及肋片的材质均为金属，优选铝或铜。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明对冷凝器进行了创新设计，所有冷凝管的轴线均指向圆环柱状腔体的轴线，自然形成了不同倾角的冷凝管，而传统冷凝管多竖直放置(倾角为90°)，内部蒸汽冷凝时，冷凝液膜沿内壁面流下，形成的降液膜在轴方向上的平均厚度过大，总的效果是，热量穿过液膜的距离偏长，因此热阻偏大；本发明的倾角设计从原理上强化了冷凝管内部的传热，几乎对每根冷凝管，在重力作用下，内部的凝结液膜均会集中每个横截面的底部，这会使大部分的液膜厚度保持在较薄水平，降低了热阻；另一方面，不同的径向冷凝管的倾角不同，入口的蒸汽对横截面底部液膜的冲击扰动加强(与竖管相比)，这会进一步减小底部的液膜厚度，从而也起到降低热阻的作用。
(2)、本发明采用冷凝管组件的结构设计，每个径向位置的冷凝管通过直蒸汽集管和直液体集管，形成“冷凝管组件式”设计，方便了批量生产和组装，此外轴向冷却流体均可横向冲刷不同径向位置的冷凝管，从换热原理上，换热管的布置位置最佳。
(3)、本发明采用圆弧蒸汽集管和圆弧液体集管将每个冷凝管组件的直蒸汽集管和直液体集管集中起来，顺应圆环腔的结构约束，蒸汽和凝结液的流动方向始终向下，圆弧蒸汽集管和圆弧液体集管的尺度外围设计接近圆环腔体布置空间的轮廓，即各圆弧集管和直集管均充分利用了圆环腔体布置空间，它们也同时是一定的冷凝换热面，进一步提升了换热能力。
(4)、本发明冷凝器优选布置于圆环状的上部空间，即轴线所在水平面的上部，所有的冷凝管和集管中，蒸汽和液体的流动方向均是向下的，冷凝器的内部各接管处无流体滞留区。
(5)、本发明冷凝管内部流动满足换热热阻最小的原理，体现在两个方面。其一，每根冷凝管倾斜布置，每个横截面的大部分均处于液膜较薄的流动状态，热阻小，传热强，而不像垂直冷凝管中大部分处于液膜较厚的状态；其二，蒸汽流通过圆弧集管进入直集管再到冷凝管，对冷凝管横截面底部的较厚液膜有吹动、扰动作用，底部液膜也会减薄，从而这一局部热阻也降低。
(6)、本发明各冷凝管的布置和外部结构设计均考虑传热原理，实现了最优化设计，取热流体从冷凝管外部横向冲刷管壁，使换热能力最强；另外，冷凝管外部还增加了肋片扩展换热面设计，使管内、外的热阻相匹配，换热增强，热通路顺畅，总热阻进一步降低。
(7)、本发明采用蒸汽集管的管径大于或至少等于液体集管设计，根据总管流、分管流的流率匹配关系，但蒸汽和液体的密度相差巨大从而流阻不同，在考虑标准化集管尺度设计选择的基础上，设计选择各集管的管径，根据流阻所发明的分离式热管冷凝器在结构上匹配所约束的空间，在性能上达到最佳，在紧凑性上达到最好。
(8)、本发明所有的冷凝管和集管均采用直径不大的圆管设计，承压能力强，因此不需要很厚的管壁厚度，厚度仅为2～5mm，使管壁导热路径进一步减小，各部分热阻均在小水平上，而且互相匹配。
附图说明
图1为本发明适于圆环腔体的环路热管的冷凝器的三面视图，其中图1a为正视图，图1b为侧视图，图1c为俯视图；
图2为本发明适于圆环腔体的环路热管的冷凝器中冷凝管组件的三面视图，其中图2a为正视图，图2b为侧视图，图2c为俯视图；
图3为本发明适于圆环腔体的环路热管的冷凝器的三维视图；
圆弧形蒸汽集管1；冷凝管2；圆弧形液体集管3；直蒸汽集管4；直液体集管5；肋片8；蒸汽流入管6；液体流出管7；圆环腔体轴线10。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明适于圆环腔体的环路热管的冷凝器的三面视图，其中图1a为正视图，图1b为侧视图，图1c为俯视图；图2所示为本发明适于圆环腔体的环路热管的冷凝器中冷凝管组件的三面视图，其中图2a为正视图，图2b为侧视图，图2c为俯视图。
本发明中圆环腔体的轴线为水平轴线，与地面平行。适于圆环腔体的环路热管的冷凝器包括若干个冷凝管组件、圆弧形蒸汽集管1和圆弧形液体集管3，如图2所示，每个冷凝管组件包括n个冷凝管2、1个直蒸汽集管4和1个直液体集管5，n个冷凝管2长度相同且平行排列，直蒸汽集管4与n个冷凝管2的一端连通，直液体集管5与n个冷凝管2的另一端连通，呈多个“Z”字重叠形状布置。
如图3所示为本发明适于圆环腔体的环路热管的冷凝器的三维视图，图3中给出了包含两个冷凝管组件的三维立体图，每个冷凝管组件包含三个冷凝管2，线的粗细示意性的代表了管径的相对大小。圆环腔体内轮廓为界线11和圆弧形液体集管3组成的弧柱面，圆环腔体外轮廓为界线12和圆弧形蒸汽集管1组成的弧柱面(为了使冷凝管组件显示更清楚，图3给出了不同视角的图示，因此图3显示出的圆环腔体轴线并没有与地面平行)。若干个冷凝管组件围绕圆环腔体的水平轴线10排布，使得每个冷凝管组件中的n个冷凝管2的轴线均指向圆环腔体的轴线10，即每个冷凝管2的轴线延长后与环腔体的轴线10相交，自然形成了不同倾角的冷凝管组件，从原理上强化了冷凝管内部的传热，本发明中每个冷凝管2倾斜或竖直布置，冷凝管2的倾角β(即冷凝管2的轴线与水平面的夹角)满足：0°≤β≤90°。首先每根冷凝管2倾斜布置，每个横截面的大部分均处于液膜较薄的流动状态，热阻小，传热强。其次，蒸汽流通过弧形蒸汽集管1进入直蒸汽集管4再到冷凝管2，对冷凝管2横截面底部的较厚液膜有吹动、扰动作用，底部液膜也会减薄，从而这一局部热阻也降低。
每个冷凝管组件中的直蒸汽集管4和直液体集管5的轴线均与圆环腔体的轴线10平行，并保证水平方向直蒸汽集管4的轴线高于直液体集管5的轴线，或者蒸汽集管4的轴线与直液体集管5的轴线在同一与地面平行的水平面内，优选直蒸汽集管4的轴线高于直液体集管5的轴线，如图1b、图1c、图3所示。
如图1a所示，圆弧形蒸汽集管1将若干个冷凝管组件中的直蒸汽集管4连通，圆弧形液体集管3将若干个冷凝管组件中的直液体集管5连通，其中n为正整数，且n≥2。
本发明采用圆弧蒸汽集管1和圆弧液体集管3将每个冷凝管组件的直蒸汽集管4和直液体集管集5中起来，顺应圆环腔的结构约束，蒸汽和凝结液的流动方向始终向下或最极端的水平情况(β＝0°)，圆弧蒸汽集管1和圆弧液体集管3的尺度外围设计接近圆环腔体布置空间的轮廓，即各圆弧集管和直集管均充分利用了圆环腔体布置空间，它们也同时是一定的冷凝换热面，进一步提升了换热能力。
如图1所示，本发明若干个冷凝管组件、圆弧形蒸汽集管1和圆弧形液体集管3形成的冷凝器布置于圆环腔体的上部空间，即圆环腔体水平轴线的上方(轴线所在水平面的上方)，所有的冷凝管和集管中，蒸汽和液体的流动方向均是向下的，冷凝器的内部角接各处无流体滞留区。
如图2所示，冷凝管2上设置有若干个肋片8，即冷凝管2采用肋片管，可以为横向外肋片管、纵向外肋片管，优选前者，管内可以设计成光管、内直槽管或内螺纹管，优选光管，液体易沿管壁向下流动。肋片8之间为横向等间距排列或纵向等角圆周排列，优选肋片8为横向圆形肋片，肋片8之间为等间距排列，肋片之间的距离为肋片厚度加上1～5mm，本实施例中为肋片厚度加上2mm。肋片直径R与冷凝管2的直径r满足：1<R/r≤5，本实施例中为R/r＝2。本发明通过冷凝管采用肋片管，外部扩展了换热面，使换热增强，外部的热阻进一步降低。
本发明中若干个冷凝管组件围绕圆环腔体的水平轴线10均匀排布，优选任意相邻两个冷凝管组件之间的夹角相等。本发明通过各冷凝管2的布置和外部结构设计均考虑传热原理，实现了最优化设计。取热流体从冷凝管外部横向冲刷管壁，使换热能力最强。另外，冷凝管外部还增加了肋片扩展换热面设计，使管内、外的热阻相匹配，热通路顺畅。
本发明中圆弧形蒸汽集管1的直径大于或等于直蒸汽集管4的管直径，直蒸汽集管4的管直径大于或等于圆弧形液体集管3和直液体集管5的管直径，且圆弧形蒸汽集管1的管直径与直蒸汽集管4的管直径的直径比为1～3:1；直蒸汽集管4的管直径与圆弧形液体集管3或直液体集管5的管直径的直径比为1～3:1。根据总管流、分管流的流率匹配关系，但蒸汽和液体的密度相差巨大从而流阻不同，在考虑标准化集管尺度设计选择的基础上，设计选择各集管的管径。根据流阻所发明的分离式热管冷凝器在结构上匹配所约束的空间，在性能上达到最佳，在紧凑性上达到最好。本发明中圆弧形蒸汽集管1、圆弧形液体集管3，冷凝管2、直蒸汽集管4和直液体集管5的管径分别为20-40mm、10-20mm、10-20mm、20-40mm、10-20mm，本实施例中分别为30mm、15mm、20mm、20mm、15mm。
本发明中优选若干个冷凝管组件中的冷凝管2的径向长度均相等；或者若干个冷凝管组件中水平方向上，下部的冷凝管组件中的冷凝管2的径向长度大于相邻的或不相邻的位于上部的冷凝管组件中的冷凝管2的径向长度，但每个冷凝管组件中各个冷凝管2的长度均相等。
本发明中所有的冷凝管和集管均采用直径不大的圆管设计，承压能力强，因此不需要很厚的管壁厚度，使管壁导热路径进一步减小，各部分热阻均在小水平上，而且互相匹配。本发明中圆弧形蒸汽集管1、圆弧形液体集管3，冷凝管2、直蒸汽集管4或直液体集管5的管壁厚度为2～5mm。且圆弧形蒸汽集管1、圆弧形液体集管3，冷凝管2、直蒸汽集管4、直液体集管5及肋片8的材质均为金属，优选铝或铜。
本发明中冷凝器2采用适当位置加固定副于圆环状腔体布置空间的内筒外壁面。
本发明适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器的工作过程如下：
(1)、环路热管工作时，蒸汽沿方向6从圆弧形蒸汽集管1进入冷凝器，蒸汽首先分配到各直蒸汽集管4，再分配到各冷凝管2；
(2)、由于冷凝器外部流体的温度低于冷凝器内部的蒸汽温度，蒸汽在各弧形蒸汽集管和直蒸汽集管和各冷凝管内凝结成液体，液体沿管壁面流下；
(3)、凝结液体在各冷凝管2中流下时汇集到直液体集管5，再从直液体集管5流出汇集到弧形液体集管3；
(4)、液体沿方向7流出环路热管冷凝器；
(5)、如此过程不断，冷凝器不断将蒸汽的热量传给冷凝器外部的流体。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (16)

1.一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：包括若干个冷凝管组件、圆弧形蒸汽集管(1)和圆弧形液体集管(3)，每个冷凝管组件包括直蒸汽集管(4)、直液体集管(5)和n个冷凝管(2)，所述直蒸汽集管(4)与n个冷凝管(2)的一端连通，所述直液体集管(5)与n个冷凝管(2)的另一端连通，若干个冷凝管组件围绕圆环腔体的水平轴线(10)排布，使得每个冷凝管组件中的n个冷凝管(2)的轴线均指向圆环腔体的水平轴线(10)，所述圆弧形蒸汽集管(1)将若干个冷凝管组件中的直蒸汽集管(4)连通，所述圆弧形液体集管(3)将若干个冷凝管组件中的直液体集管(5)连通，其中n为正整数，且n≥2。
2.根据权利要求1所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述每个冷凝管组件中的n个冷凝管(2)长度相同且平行排列。
3.根据权利要求1所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述每个冷凝管组件中的直蒸汽集管(4)和直液体集管(5)的轴线均与圆环腔体的水平轴线(10)平行。
4.根据权利要求1所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述每个冷凝管组件中的直蒸汽集管(4)的轴线高于直液体集管(5)的轴线，或者每个冷凝管组件中的直蒸汽集管(4)的轴线与直液体集管(5)的轴线在同一水平面内。
5.根据权利要求1～4之一所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述若干个冷凝管组件中的冷凝管(2)长度均相等；或者若干个冷凝管组件中位于下部的冷凝管组件中的冷凝管(2)长度大于相邻的或不相邻的位于上部的冷凝管组件中的冷凝管(2)长度。
6.根据权利要求1所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述若干个冷凝管组件、圆弧形蒸汽集管(1)和圆弧形液体集管(3)形成的冷凝器布置于圆环腔体的上部空间，即圆环腔体水平轴线的上方。
7.根据权利要求1所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述冷凝管(2)的倾角β满足：0°≤β≤90°，所述冷凝管(2)的倾角β指冷凝管(2)的轴线与水平面的夹角。
8.根据权利要求1所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述冷凝管(2)外壁面设置有若干个肋片(8)。
9.根据权利要求8所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述肋片(8)为横向或纵向肋片，优选横向圆形肋片；所述肋片直径R与冷凝管(2)的直径r满足：1<R/r≤5。
10.根据权利要求8或9所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述肋片(8)之间为横向等间距排列或纵向等角圆周排列，肋片(8)之间的距离为肋片厚度加上1～5mm。
11.根据权利要求8或9所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述冷凝管(2)为内光管、内直槽管或内螺纹管。
12.根据权利要求1所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述圆弧形蒸汽集管(1)的管直径大于或等于直蒸汽集管(4)的管直径，直蒸汽集管(4)的管直径大于或等于圆弧形液体集管(3)和直液体集管(5)的管直径。
13.根据权利要求12所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述圆弧形蒸汽集管(1)的管直径与直蒸汽集管(4)的管直径的直径比为1～3:1；所述直蒸汽集管(4)的管直径与圆弧形液体集管(3)或直液体集管(5)的管直径的直径比为1～3:1。
14.根据权利要求1所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述若干个冷凝管组件围绕圆环腔体的水平轴线(10)均匀排布，即任意相邻两个冷凝管组件之间的夹角相等。
15.根据权利要求1所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述圆弧形蒸汽集管(1)、圆弧形液体集管(3)、冷凝管(2)、直蒸汽集管(4)或直液体集管(5)的管壁厚度为2～5mm。
16.根据权利要求1所述的一种适用于圆环腔体布置的环路热管的冷凝器，其特征在于：所述圆弧形蒸汽集管(1)、圆弧形液体集管(3)、冷凝管(2)、直蒸汽集管(4)、直液体集管(5)及肋片(8)的材质均为金属，优选铝或铜。
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