CN112325685A - 一种可自动调节充注量分布的分离式热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自动调节充注量分布的分离式热管，涉及热管技术领域，包括：充注量自动调节装置、下部液体管、蒸发器、蒸汽管、冷凝器、上部液体管、上部感温包、上部引压管、下部感温包、下部引压管。通过本发明的实施，利用环境温度对分离式热管冷凝器出口过冷度和蒸发器出口过热度的影响，通过过冷度与过热度分别控制冷凝器出口与蒸发器进口的大小，从而实现依据环境温度自动调节冷凝器与蒸发器中制冷剂量。

Description

一种可自动调节充注量分布的分离式热管

技术领域

本发明涉及热管领域，尤其涉及一种可自动调节充注量分布的分离式热管。

背景技术

能源化工装备、制冷空调装置、电子散热系统等诸多工业设备中均需要进行高效和低能耗的散热过程。分离式热管作为一种散热装置，仅依靠重力驱动工质在蒸发器、蒸汽管、冷凝器与液体管这四个部件间循环以散出热量，无需压缩机或泵等耗能的驱动部件，具有能耗低的优点。现有分离式热管的制冷剂充注量是固定的，其值是按照额定工况下需要的制冷剂量来确定。但是环境工况变化时，热管不再按照设计工况运行，需要的制冷剂充注量会发生改变；固定充注量将造成热管中的充注量不足或过多，导致性能大幅下降。比如当环境温度上升时，热管内工作压力将上升，导致气体密度增大，气体的质量增加；在总的质量一定的情况下，必然导致液体部分的质量下降、液体部分占的体积变小，从而使得过热区面积增加，造成具有强换热能力的两相区面积的减小，这样就会恶化换热性能。而当环境温度下降，热管内压力下降导致气体密度减小，使得气体的质量减少；在总的质量一定的情况下，必然导致液体部分的质量上升、纯液体的过冷段长度增加，这同样会导致具有强换热能力的两相区面积的减少，引起换热性能大幅下降。

要解决分离式热管在工况变化后性能下降问题，热管换热器中的制冷剂量应当按照需要量的变化进行自动调节，即需要同时做到“根据环境温度调节”和“自动调节”。现有具有“根据环境工况调节”热管充注量的方法无法做到“自动调节”；专利CN109489303A公开了一种工质充注量可调的热泵/热管复合供热装置，采用在热管中增加手动调节阀门的方式来调节制冷剂充注量，只能手动调节。现有“自动调节”热管充注量的方法无法“根据环境温度调节”；专利CN111678270A公开了一种带自力式容量调节储液器的热管与蒸气压缩复合系统，这一系统是根据热管/蒸气压缩运行模式的不同自行切换充注量；采用该方法调节获得的制冷剂充注量由系统运行模式决定，不随环境工况进行调节。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可自动调节充注量分布的分离式热管，满足分离式热管系统中的换热器内制冷剂充注量随着环境工况而变化的需求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：如何根据环境温度变化自动调节热管中制冷剂的量。

为实现上述目的，本发明提供了一种可自动调节充注量分布的分离式热管，包括：下部液体管、蒸发器、蒸汽管、冷凝器、上部液体管、上部感温包、上部引压管、下部感温包、下部引压管，还包括充注量自动调节装置；

所述充注量自动调节装置具有制冷剂进口、制冷剂出口、顶部引压口、底部引压口；

所述制冷剂出口依次与所述下部液体管、所述蒸发器的进口相连；所述蒸发器的出口通过所述蒸汽管与所述冷凝器的进口相连，所述冷凝器的出口通过所述上部液体管与所述制冷剂进口相连；

所述顶部引压口与所述上部引压管相连，所述上部引压管与所述上部感温包相连，所述上部感温包贴覆于所述上部液体管的壁面上；

所述底部引压口与所述下部引压管相连，所述下部引压管与所述下部感温包相连，所述下部感温包贴覆于所述蒸汽管的壁面上；

所述充注量自动调节装置的内部还包括上部可变体积腔体、上部固定体积腔体、缓冲腔体、下部可变体积腔体、下部固定体积腔体；所述上部固定体积腔体位于所述上部可变体积腔体的一侧，所述下部可变体积腔体位于所述下部固定体积腔体的一侧；

所述上部可变体积腔体与所述缓冲腔体的顶部进口相接；所述下部可变体积腔体的顶部与所述缓冲腔体的底部出口相接。

进一步地，所述充注量自动调节装置还包括：上部滑块、上部连杆、上部可形变薄膜、上部弹簧、下部连杆、下部可形变薄膜、下部弹簧、下部滑块；

所述上部滑块、上部连杆和上部可形变薄膜位于所述上部可变体积腔体中；所述上部弹簧位于所述上部固定体积腔体中；所述上部滑块的一端通过所述上部连杆与所述上部可形变薄膜连接，所述上部滑块的另一端与所述上部弹簧连接；所述上部滑块能够在所述上部可变体积腔体中自由滑动；

所述的下部连杆和下部可形变薄膜位于所述下部固定体积腔体中；所述下部弹簧和下部滑块位于所述下部可变体积腔体中；所述下部滑块的一端通过所述下部连杆与所述下部可形变薄膜连接，所述下部滑块的另一端与所述下部弹簧连接；所述下部滑块能够在所述下部可变体积腔体中自由滑动。

进一步地，所述蒸发器和冷凝器可采用翅片管式换热器、微通道换热器或板式换热器。

进一步地，所述上部引压管和下部引压管内可选用与所述分离式热管内制冷剂相同或不同的制冷剂。

进一步地，所述上部引压管和下部引压管的材质为金属材质，如铜、铝或不锈钢。

进一步地，所述上部可变体积腔体、上部固定体积腔体、缓冲腔体、下部可变体积腔体、下部固定体积腔体的材质为金属材料，如铜、铝或不锈钢。

进一步地，所述上部可形变薄膜和下部可形变薄膜的材质为具有形变可恢复性的非金属材料，如聚丙烯。

进一步地，所述制冷剂出口、下部液体管、蒸发器、蒸汽管、冷凝器、上部液体管、制冷剂进口之间依次通过焊接连接。

进一步地，所述上部感温包通过导热胶水贴覆于所述上部液体管的壁面上；所述下部感温包通过导热胶水贴覆于所述蒸汽管的壁面上。

进一步地，所述上部滑块的一端与所述上部连杆铰接，所述上部连杆与所述上部可形变薄膜通过胶水粘接，所述上部滑块的另一端与所述上部弹簧铰接；所述下部滑块的一端与所述下部连杆铰接，所述下部连杆与所述下部可形变薄膜通过胶水粘接，所述下部滑块的另一端与所述下部弹簧铰接。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益技术效果：

本发明利用环境温度对分离式热管冷凝器出口过冷度和蒸发器出口过热度的影响，通过过冷度与过热度分别控制引压管中制冷剂的压力，调节充注量自动调节装置制冷剂进口与出口的大小，实现制冷剂在充注量自动调节装置中的存储与放出；并且本发明的调节机构利用弹簧预紧力与引压管给可变形膜片施加的压力推动滑块来自行调节，满足了依据环境温度自动调节分离式热管内制冷剂量的要求。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的可自动调节充注量分布的分离式热管示意图；

图2a是现有技术的分离式热管在正常温度运行状态下的运行示意图；

图2b是现有技术的分离式热管在环境温度过高时运行示意图；

图2c是现有技术的分离式热管在环境温度过低时运行示意图；

图3a是本发明的分离式热管在环境温度过高时调节动作发生前的运行示意图；

图3b是本发明的分离式热管在环境温度过高时调节动作发生后的运行示意图；

图4a是本发明的分离式热管在环境温度过低时调节动作发生前的运行示意图；

图4b是本发明的分离式热管在环境温度过低时调节动作发生后的运行示意图；

其中：1-充注量自动调节装置；1(a)-制冷剂进口；1(b)-制冷剂出口；1(c)-顶部引压口；1(d)-底部引压口；1(e)-上部可变体积腔体；1(f)-上部固定体积腔体；1(g)-缓冲腔体；1(h)-下部可变体积腔体；1(i)-下部固定体积腔体；1(j)-上部滑块；1(k)-上部连杆；1(l)-上部可形变薄膜；1(m)-上部弹簧；1(n)-下部连杆；1(o)-下部可形变薄膜；1(p)-下部弹簧；1(q)-下部滑块；2-下部液体管；3-蒸发器；4-蒸汽管；5-冷凝器；6-上部液体管；7-上部感温包；8-上部引压管；9-下部感温包；10-下部引压管。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

现有的固定充注量的常规分离式热管的工作原理如图2a所示。然而在环境温度过高时，热管内压力上升导致气体密度增大，液体密度下降，从而使得液体总体积下降；冷凝器中因过多的部分被气体占据而出口不过冷，使得液体管中出现液体与气体工质并存的气液间歇流动，热管运行状态从图2a所示正常温度运行状态转变为图2b所示环境温度过高运行状态，这会导致热管发生运行振荡而性能衰减。而在环境温度过低时，热管内压力下降导致气体密度减小，液体密度增大，从而使得液体质量增多；蒸发器中因过多的部分被液体占据而出口不过热，使得蒸汽管中出现液体与气体工质并存的气液间歇流动，热管运行状态从图2a所示正常温度运行状态转变为图2c所示环境温度过低运行状态；这同样也会导致热管发生运行振荡而性能衰减。

本发明实施例提供的一种可自动调节充注量分布的分离式热管，如图1所示，包括：下部液体管2、蒸发器3、蒸汽管4、冷凝器5、上部液体管6、上部感温包7、上部引压管8、下部感温包9、下部引压管10，还包括充注量自动调节装置1，包括制冷剂进口1(a)、制冷剂出口1(b)、顶部引压口1(c)、底部引压口1(d)、上部可变体积腔体1(e)、上部固定体积腔体1(f)、缓冲腔体1(g)、下部可变体积腔体1(h)、下部固定体积腔体1(i)、上部滑块1(j)、上部连杆1(k)、上部可形变薄膜1(l)、上部弹簧1(m)、下部连杆1(n)、下部可形变薄膜1(o)、下部弹簧1(p)、下部滑块1(q)。

充注量自动调节装置1的制冷剂出口1(b)依次与下部液体管2、蒸发器3的进口焊接在一起；蒸发器3的出口依次与蒸汽管4、冷凝器5的进口焊接在一起；冷凝器5的出口依次与上部液体管6、充注量自动调节装置1的制冷剂进口1(a)焊接在一起。下部液体管2、蒸汽管4和上部液体管6的材质为金属材料，如铜、铝或不锈钢等。蒸发器3和冷凝器5可采用多种换热器形式，如翅片管式换热器、微通道换热器、板式换热器等。

充注量自动调节装置1的顶部引压口1(c)依次与上部引压管8、上部感温包7焊接在一起，上部感温包7通过导热胶水贴覆于上部液体管6的壁面上。充注量自动调节装置1的底部引压口1(d)依次与下部引压管10、下部感温包9焊接在一起，下部感温包9通过导热胶水贴覆于蒸汽管4的壁面上。上部引压管8和下部引压管10的材质为金属材质，如铜、铝或不锈钢等；上部引压管8和下部引压管10的内部预先充满气、液两相并存的制冷剂，可选用与分离式热管内制冷剂相同或不同的制冷剂类型。

在充注量自动调节装置1的内部，上部可变体积腔体1(e)与缓冲腔体1(g)的顶部进口相接；下部可变体积腔体1(h)的顶部与缓冲腔体1(g)的底部出口相接。上部可变体积腔体1(e)、上部固定体积腔体1(f)、缓冲腔体1(g)、下部可变体积腔体1(h)、下部固定体积腔体1(i)的材质均为金属材料，如铜、铝或不锈钢等。缓冲腔体1(g)中预先充注一定的液体制冷剂，需选用与分离式热管内制冷剂相同的制冷剂类型。

上部滑块1(j)、上部连杆1(k)和上部可形变薄膜1(l)位于上部可变体积腔体1(e)中；上部弹簧1(m)位于上部固定体积腔体1(f)中。上部滑块1(j)的一端与上部连杆1(k)铰接，上部连杆1(k)与上部可形变薄膜1(l)通过胶水粘接，上部滑块1(j)的另一端与上部弹簧1(m)铰接。上部滑块1(j)、上部连杆1(k)和上部弹簧1(m)的材质为金属材料。上部可形变薄膜1(l)的材质为具有形变可恢复性的非金属材料，如聚丙烯等。

下部连杆1(n)和下部可形变薄膜1(o)位于下部固定体积腔体1(i)中；下部弹簧1(p)和下部滑块1(q)位于下部可变体积腔体1(h)中。下部滑块1(q)的一端与下部连杆1(n)铰接，下部连杆1(n)与下部可形变薄膜1(o)通过胶水粘接，下部滑块1(q)的另一端与下部弹簧1(p)铰接。下部连杆1(n)、下部弹簧1(p)和下部滑块1(q)的材质为金属材料。下部可形变薄膜1(o)的材质为具有形变可恢复性的非金属材料，如聚丙烯等。

本发明在工作时，需要与制冷剂的种类、分离式热管的能力需求匹配，从而设计相应装置的结构参数。对于目前通讯机柜中常用的能力需求为3600W、制冷剂为R134a的分离式热管，将充注量自动调节装置1的长宽高设定为100mm×100mm×300mm，材质选用不锈钢。上部引压管8与下部引压管10的直径设定为3mm，其材质选用紫铜。上部引压管8与下部引压管10内部预先充注两相的R134a制冷剂。上部感温包7和下部感温包9为长度10mm、直径2mm的圆柱形，其外壳的材质选用紫铜。在充注量自动调节装置1内部，上部可变体积腔体1(e)、上部固定体积腔体1(f)、下部可变体积腔体1(h)、下部固定体积腔体1(i)的长宽高均设定为40mm×50mm×50mm；缓冲腔体1(g)的长宽高设定为100mm×100mm×200mm。缓冲腔体1(g)中预先充注R134a制冷剂，充注液位高度为100mm。

本发明的工作原理如下：

如图3所示为本发明的装置在环境温度过高时运行方式，当本实施例的调节动作尚未发生时，冷凝器5中因过多的部分被气体占据而出口不过冷，冷凝器5出口和上部液体管6中出现两相流体，如图3a所示。当调节动作发生后，由于冷凝器5的出口制冷剂的温度较高，贴覆于上部液体管6上的上部感温包7将该较高的温度传递到上部引压管8中的两相制冷剂；利用两相制冷剂压力随温度增加而增加的特性，使得上部可形变膜片1(l)受到上部引压管8中两相制冷剂的压力发生形变，并通过上部连杆1(k)推动上部滑块1(j)向左移动，从而减小充注量自动调节装置1的制冷剂进口的流通面积。由于充注量自动调节装置1的制冷剂进口减小、制冷剂出口不变，缓冲腔体1(g)中的制冷剂会释放到分离式热管中，达到补充热管所需制冷剂的效果，如图3b所示，如此能够自动增加热管中制冷剂的量。

如图4所示为本发明的装置在环境温度过低时运行方式，当本实施例的调节动作尚未发生时，蒸发器3中因过多的部分被液体占据而出口不过热，蒸发器3出口和蒸汽管4中出现两相流体，如图4a所示。当本实施例的调节动作发生后，蒸发器3的出口制冷剂温度较低，贴覆于蒸汽管4上的下部感温包9将该较低的温度传递到下部引压管10中的两相制冷剂；利用两相制冷剂压力随温度减小而减小的特性，使得下部可形变膜片1(o)形变量变小、下部弹簧1(p)推动下部滑块1(q)向左移动，从而减小充注量自动调节装置1的制冷剂出口的流通面积。由于充注量自动调节装置1的制冷剂进口不变、制冷剂出口减小，分离式热管中的制冷剂会储存到缓冲腔体1(g)中，达到减少热管内制冷剂量的效果，如图4b所示，如此能够自动减少热管中制冷剂的量。

本发明的设计的自动调节充注量分布的分离式热管，利用环境温度对分离式热管冷凝器出口过冷度和蒸发器出口过热度的影响，通过过冷度与过热度分别控制冷凝器出口与蒸发器进口的大小，从而实现依据环境温度自动调节冷凝器与蒸发器中制冷剂量的要求。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可自动调节充注量分布的分离式热管，包括：下部液体管、蒸发器、蒸汽管、冷凝器、上部液体管、上部感温包、上部引压管、下部感温包、下部引压管，其特征在于，还包括充注量自动调节装置；

所述充注量自动调节装置具有制冷剂进口、制冷剂出口、顶部引压口、底部引压口；

所述制冷剂出口依次与所述下部液体管、所述蒸发器的进口相连；所述蒸发器的出口通过所述蒸汽管与所述冷凝器的进口相连，所述冷凝器的出口通过所述上部液体管与所述制冷剂进口相连；

所述顶部引压口与所述上部引压管相连，所述上部引压管与所述上部感温包相连，所述上部感温包贴覆于所述上部液体管的壁面上；

所述底部引压口与所述下部引压管相连，所述下部引压管与所述下部感温包相连，所述下部感温包贴覆于所述蒸汽管的壁面上；

所述充注量自动调节装置的内部还包括上部可变体积腔体、上部固定体积腔体、缓冲腔体、下部可变体积腔体、下部固定体积腔体；所述上部固定体积腔体位于所述上部可变体积腔体的一侧，所述下部可变体积腔体位于所述下部固定体积腔体的一侧；

所述上部可变体积腔体与所述缓冲腔体的顶部进口相接；所述下部可变体积腔体的顶部与所述缓冲腔体的底部出口相接。

2.如权利要求1所述的分离式热管，其特征在于，所述充注量自动调节装置还包括：上部滑块、上部连杆、上部可形变薄膜、上部弹簧、下部连杆、下部可形变薄膜、下部弹簧、下部滑块；

所述上部滑块、上部连杆和上部可形变薄膜位于所述上部可变体积腔体中；所述上部弹簧位于所述上部固定体积腔体中；所述上部滑块的一端通过所述上部连杆与所述上部可形变薄膜连接，所述上部滑块的另一端与所述上部弹簧连接；所述上部滑块能够在所述上部可变体积腔体中自由滑动；

所述的下部连杆和下部可形变薄膜位于所述下部固定体积腔体中；所述下部弹簧和下部滑块位于所述下部可变体积腔体中；所述下部滑块的一端通过所述下部连杆与所述下部可形变薄膜连接，所述下部滑块的另一端与所述下部弹簧连接；所述下部滑块能够在所述下部可变体积腔体中自由滑动。

3.如权利要求1所述的分离式热管，其特征在于，所述蒸发器和冷凝器可采用翅片管式换热器、微通道换热器或板式换热器。

4.如权利要求1所述的分离式热管，其特征在于，所述上部引压管和下部引压管内可选用与所述分离式热管内制冷剂相同或不同的制冷剂。

5.如权利要求1所述的分离式热管，其特征在于，所述上部引压管和下部引压管的材质为金属材质，如铜、铝或不锈钢。

6.如权利要求1所述的分离式热管，其特征在于，所述上部可变体积腔体、上部固定体积腔体、缓冲腔体、下部可变体积腔体、下部固定体积腔体的材质为金属材料，如铜、铝或不锈钢。

7.如权利要求2所述的分离式热管，其特征在于，所述上部可形变薄膜和下部可形变薄膜的材质为具有形变可恢复性的非金属材料，如聚丙烯。

8.如权利要求1所述的分离式热管，其特征在于，所述制冷剂出口、下部液体管、蒸发器、蒸汽管、冷凝器、上部液体管、制冷剂进口之间依次通过焊接连接。

9.如权利要求1所述的分离式热管，其特征在于，所述上部感温包通过导热胶水贴覆于所述上部液体管的壁面上；所述下部感温包通过导热胶水贴覆于所述蒸汽管的壁面上。

10.如权利要求2所述的分离式热管，其特征在于，所述上部滑块的一端与所述上部连杆铰接，所述上部连杆与所述上部可形变薄膜通过胶水粘接，所述上部滑块的另一端与所述上部弹簧铰接；所述下部滑块的一端与所述下部连杆铰接，所述下部连杆与所述下部可形变薄膜通过胶水粘接，所述下部滑块的另一端与所述下部弹簧铰接。

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