CN111473669A - 一种液态金属高温热管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液态金属高温热管，包括充液管、顶部端盖、热管管壳、底部端盖、间隙、冷凝段吸液芯、绝热段吸液芯、蒸发段吸液芯、蒸气腔、吸液芯塞和储气包。封闭的充液管、顶部端盖、热管管壳、底部端盖共同组成热管的封闭空间；充液管通过连接元件与液态金属充装回路相连，实现工质的充装；间隙的存在可以减小液体工质的回流阻力；蒸发段吸液芯、绝热段吸液芯、冷凝段吸液芯共同为液体工质的回流提供动力，绝热段吸液芯的波浪结构可以减少液滴夹带，冷凝段吸液芯采用肋片结构加速蒸气冷凝；吸液芯塞可以储存工质和调节参与循环工质的质量；储气包可以限制不凝气体，减少不凝气体对传热的影响。

Description

一种液态金属高温热管
技术领域
本发明涉及相变换热设备技术领域，具体涉及一种液态金属高温热管。
背景技术
热管是一种高效的非能动传热设备，其具有传热效率高、等温性能优良、加工制造简便、物理结构简单、安装维修方便等优势。典型的热管构造主要包括管壳、吸液芯和工质。热管通常被人为地划分为三部分：蒸发段、绝热段和冷凝段。蒸发段吸收来自热源的热量，工质吸热蒸发；冷凝段内蒸气凝结，释放的热量穿过冷凝段管壁到达热阱；绝热段连接蒸发段和冷凝段，提供工质流通通道。热管工作时，蒸发段管壁吸热并将热量传递到吸液芯。吸液芯内液体工质吸收大量的热并气化为蒸气。蒸气压差驱使蒸气穿过绝热段在冷凝段内冷凝，同时将热量传递到热阱。冷凝液体在多孔吸液芯毛细力的作用下回流到蒸发段并再次受热蒸发。上述循环实现了蒸发段到冷凝段的热量传递。热管利用工质相变进行传热，由于工质的汽化潜热往往很大，因此传热效率尤为可观，具有广泛的用途。然而，由于表面张力、蒸气夹带、液池聚集等物理现象的存在，热管的传热效率受到很大的限制，客观上限制了热管更大范围的应用。特别是工业锅炉、核反应堆、航天器等具有较高散热要求的装备，对于高传热性能热管的需求更为迫切。
发明内容
为实现在热管体积重量不明显增加的情况下，提升热管传热性能，本发明基于热管的基本原理，对热管的结构布局进行改进优化，提出一种液态金属高温热管，能够实现热管传热性能的提升。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种液态金属高温热管，包括热管管壳2，位于热管管壳2两端用于封闭热管的底部端盖1和顶部端盖4，所述顶部端盖4中部插入有与热管液态金属充装回路连接实现液态金属工质充装的充液管5，整个液态金属高温热管从上至下依次为冷凝段、绝热段和蒸发段，冷凝段、绝热段和蒸发段内分别设置有一体化连接的多孔结构的用于储存液态金属工质和提供毛细力保证液态金属工质循环的冷凝段吸液芯6、绝热段吸液芯7和蒸发段吸液芯8，所述一体化连接的冷凝段吸液芯6、绝热段吸液芯7和蒸发段吸液芯8与热管管壳2间留有为液态金属工质的回流提供通道并减少液态金属工质循环中流动阻力的间隙3，蒸发段吸液芯8内底部设置有储存多余液态金属工质，用于调节循环中液态金属工质质量的多孔结构的吸液芯塞10，蒸发段吸液芯8外底部与底部端盖1间的腔室内设置有用于储存不凝气体的储气包11，所述热管管壳2、顶部端盖4、充液管5、冷凝段吸液芯6、绝热段吸液芯7、蒸发段吸液芯8和吸液芯塞10围成的空腔为提供蒸气流通通道的蒸气腔9。
所述冷凝段吸液芯6采用肋片结构，加速蒸气的冷凝；所述绝热段吸液芯7采用波浪型结构，有利于减少吸液芯内液体工质的夹带和吸收蒸气工质中的液滴。
所述液态金属工质为钠、钾、锂或银；所述液态金属高温热管的材料需与液态金属工质具有良好的相容性，包括不锈钢、钼、钽或钨；所述液态金属高温热管运行温度在500℃以上。
所述间隙3的宽度小于1cm。
所述冷凝段吸液芯6采用肋片结构的金属丝网或烧结金属，有利于加快工质蒸气的冷凝。
所述吸液芯塞10采用多孔疏松结构，设置不同的有效孔隙实现对参与循环工质质量的调节，提升热管的传热能力。
所述储气包11采用波纹金属箔片排列组成，固定冷凝段吸液芯6、绝热段吸液芯7和蒸发段吸液芯8，同时储存和限制部分不凝气体，减少不凝气体的影响。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明间隙3可以减小液态工质的回流阻力；冷凝段吸液芯6采用肋片结构的金属丝网或烧结金属，可以加速冷凝段蒸气工质的冷凝；绝热段吸液芯7采用波浪形结构，有利用减少液态工质的夹带，并加强对蒸气中液滴的吸收；吸液芯塞10可以调整循环工质的质量和储存多余工质；储气包11可以限制不凝气体，降低不凝气体的影响。
本发明针对热管传热性能受限的问题，提出一种液态金属高温热管，本发明具有可调节参与循环工质的质量、减小工质回流阻力、避免蒸气夹带、加速蒸气冷凝等优势，能够极大地提升热管的传热性能。
附图说明
图1为液态金属高温热管的示意图。
图2为液态金属高温热管的运行示意图。
具体实施方式
现结合实例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明一种液态金属高温热管，包括底部端盖1、热管管壳2、间隙3、顶部端盖4、充液管5、冷凝段吸液芯6、绝热段吸液芯7、蒸发段吸液芯8、蒸气腔9、吸液芯塞10和储气包11；所述底部端盖1、热管管壳2、顶部端盖3和充液管5通过焊接等工艺而相互连接，共同组成热管封闭腔室；所述充液管5通过连接元件与热管液态金属充装回路连接实现液态金属工质的充装；所述间隙3将热管管壳2与冷凝段吸液芯6、绝热段吸液芯7、蒸发段吸液芯8分隔，用以减少液态金属工质循环中的流动阻力；所述冷凝段吸液芯6采用肋片构型，加速蒸气的冷凝；所述绝热段吸液芯7采用波纹型设计，有利于减少液滴夹带和吸收蒸气工质中的液滴；所述冷凝段吸液芯6、绝热段吸液芯7、蒸发段吸液芯8均采用多孔结构并依次连接，用于储存液态金属工质和提供毛细力保证液态金属工质的循环，通过与管壳的点焊等方式实现固定；所述蒸气腔9提供蒸气流通通道；所述吸液芯塞10采用多孔结构，用于调节循环中的液体工质的质量，储存多余工质；所述储气包11处于顶部端盖2和蒸发段吸液芯9之间，由若干圆片排列组成，用于储存不凝气体。
如图2所示为液态金属高温热管的运行示意图，所述热管工质为液态金属，根据工作温度范围的不同可选择钠、钾、锂、银等金属；所述液态金属高温热管的材料需与工质具有良好的相容性，包括不锈钢、钼、钽、钨等材料；所述液态金属高温热管运行温度在500℃以上。
所述设置间隙3将吸液芯与热管管壳2隔开，为液态金属工质的回流提供通道并减少回流阻力，作为本发明的优选实施方式，间隙3一般小于1cm，3mm～5mm为优选。
作为本发明优选实施方式，所述冷凝段吸液芯6采用多孔介质，如金属丝网、烧结金属等，采用肋片造型，有利于工质蒸气的冷凝，肋片可选择矩形、梯形、三角形等设计方案；所述绝热段吸液芯7采用多孔介质，内表面为波浪结构，减少液体工质的夹带和吸收蒸气工质中的液滴；所述吸液芯塞10采用多孔疏松结构，可以储存液态金属工质，调节有效空隙的大小可实现对参与循环工质的质量进行调节，提升热管的传热能力。
作为本发明优选实施方式，所述储气包11采用波纹金属箔片排列组成，固定吸液芯；热管充装过程中，工质蒸气可以将不凝气体压缩至储气包11，液体工质及其凝固可以封闭储气包，达到储存和限制部分不凝气体的作用，减少不凝气体的影响
本发明的工作原理为：根据热管的工作温度范围确定填充工质的种类和与之相容的管壳材料。底部端盖1、热管管壳2、顶部端盖4和充液管5连接，组成热管腔室。充液管5通过连接元件与液态金属填充回路相连，进行工质的充装。充装过程中，管内不凝气体被蒸气工质压缩于储气包11内，随后液体工质到达储气包11并冷凝，将不凝气体封锁在储气包11内。工质充装完成后，将充液管5进行封闭，形成可用的热管。热管工作时，蒸发段置于热源内，冷凝段置于热阱。蒸发段从热源吸收热量，热量通过热管管壳2到达蒸发段吸液芯8，蒸发段吸液芯8内的工质吸收热量蒸发气化进入蒸气腔9，在蒸气压差的作用下，蒸气沿着蒸气腔9进行流动，最终达到冷凝段。在冷凝段内，蒸气冷凝为液体工质并进入冷凝段吸液芯6。冷凝工质在吸液芯中毛细力的作用下通过绝热段吸液芯7回到蒸发段吸液芯8，在吸液芯和管壁之间的间隙3有利于减小回流阻力，加速液体的回流。吸液芯塞10采用多孔结构来储存液体工质和调节参与循环工质的质量。一般情况下，热管内填充工质的质量应是过量的。传热功率较大时，保证足够的工质参与循环；传热功率较小时，循环只需要少量的工质，多余工质储存于吸液芯塞10内。

Claims (7)

1.一种液态金属高温热管，其特征在于：包括热管管壳(2)，位于热管管壳(2)两端用于封闭热管的底部端盖(1)和顶部端盖(4)，所述顶部端盖(4)中部插入有与热管液态金属充装回路连接实现液态金属工质充装的充液管(5)，整个液态金属高温热管从上至下依次为冷凝段、绝热段和蒸发段，冷凝段、绝热段和蒸发段内分别设置有一体化连接的多孔结构的用于储存液态金属工质和提供毛细力保证液态金属工质循环的冷凝段吸液芯(6)、绝热段吸液芯(7)和蒸发段吸液芯(8)，所述一体化连接的冷凝段吸液芯(6)、绝热段吸液芯(7)和蒸发段吸液芯(8)与热管管壳(2)间留有为液态金属工质的回流提供通道并减少液态金属工质循环中流动阻力的间隙(3)，蒸发段吸液芯(8)内底部设置有储存多余液态金属工质，用于调节循环中液态金属工质质量的多孔结构的吸液芯塞(10)，蒸发段吸液芯(8)外底部与底部端盖(1)间的腔室内设置有用于储存不凝气体的储气包(11)，所述热管管壳(2)、顶部端盖(4)、充液管(5)、冷凝段吸液芯(6)、绝热段吸液芯(7)、蒸发段吸液芯(8)和吸液芯塞(10)围成的空腔为提供蒸气流通通道的蒸气腔(9)。
2.根据权利要求1所述一种液态金属高温热管，其特征在于：所述冷凝段吸液芯(6)采用肋片结构，加速蒸气的冷凝；所述绝热段吸液芯(7)采用波浪型结构，有利于减少吸液芯内液体工质的夹带和吸收蒸气工质中的液滴。
3.根据权利要求1所述一种液态金属高温热管，其特征在于：所述液态金属工质为钠、钾、锂或银；所述液态金属高温热管的材料需与液态金属工质具有良好的相容性，包括不锈钢、钼、钽或钨；所述液态金属高温热管运行温度在500℃以上。
4.根据权利要求1所述一种液态金属高温热管，其特征在于：所述间隙(3)的宽度小于1cm。
5.根据权利要求1所述一种液态金属高温热管，其特征在于：所述冷凝段吸液芯(6)采用肋片结构的金属丝网或烧结金属，有利于加快工质蒸气的冷凝。
6.根据权利要求1所述一种液态金属高温热管，其特征在于：所述吸液芯塞(10)采用多孔疏松结构，设置不同的有效孔隙实现对参与循环工质质量的调节，提升热管的传热能力。
7.根据权利要求1所述一种液态金属高温热管，其特征在于：所述储气包(11)采用波纹金属箔片排列组成，固定冷凝段吸液芯(6)、绝热段吸液芯(7)和蒸发段吸液芯(8)，同时储存和限制部分不凝气体，减少不凝气体的影响。
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