CN210268325U - 一种蒸发段大角度近水平的热管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种蒸发段大角度近水平的热管，该热管包括冷凝段和蒸发段，两者之间夹角为90°—135°，所述热管具体包括管壁（1）、隔板（5）和工质；数块隔板在整个蒸发段的轴向形成多个半开放的隔室，有效解决了现有技术中蒸发段降温范围受限和汽塞现象的问题。热管进一步包括工质回流导管（3）和工质汇集器（4），工质回流导管设在隔板上，底部间隔开设有多个滴液孔，有效解决了现有技术中蒸发段工质回流难的问题。本实用新型的应用能够解决了重力式热管在道路工程应用中长距离、近水平角工质回流的难题，解决了热管路基次生工程病害突出问题、冻土高速公路修筑难题。

Description

一种蒸发段大角度近水平的热管

技术领域

本实用新型涉及多年冻土区热管技术领域，尤其涉及一种蒸发段大角度近水平的热管。

背景技术

热管（也称热棒）是一种利用热传导原理与制冷介质的快速热传递性质形成的高效热传导装置，该技术自1963年由美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover实用新型以来，在国内外寒区工程中得到了广泛的应用。热管的主要工作原理是：管内液体工质在蒸发段受热蒸发吸收热量，蒸发的汽态工质经由绝热段后在冷凝段遇冷凝结释放热量，然后液态工质在重力作用下回流至蒸发段。这样的循环过程将蒸发段的热量不断带到冷凝段，从而来降低冻土的温度、保护冻土。

目前，冻土工程使用的热管主要为蒸发段与冷凝段在一条直线上的直线形重力热管，少量为蒸发段与冷凝段反向延长线夹角小于或等于45°的L形重力热管；重力热管在工作状态下冷凝段的液态工质是靠自身重力作用回流到蒸发段。同时，从降温作用范围上看，这些热管属于纯粹的点式降温措施，没法适应线性、面性的降温要求的道路工程，易导致地温等值线的剧烈变化和起伏，特别是暖季冻融界面的剧烈起伏，诱发路基纵向开裂等大量次生工程病害的产生。特别是在冻土高速公路条件下，由于路基幅面更宽，路面吸热强度更大、路基下部和中心聚热更强，面临的次生病害问题会更加突出。此外，这些热管蒸发段内部管壁光滑，液态工质受重力作用全部位于热管的底部，即液态工质只占蒸发段靠后的部分，使得降温范围受到严重限制。

针对上述纯粹的点式降温措施的缺点，实用新型人提出了将蒸发段近水平铺设的应对构思，但是，当蒸发段近水平铺设时，存在冷凝段液态工质难回流的问题。现有技术中的解决手段主要利用吸液芯的毛细作用，由于毛细作用范围极为有限，主要用于小型、非重力热管中，一般长度仅为数厘米至几十厘米，对于长度达到米级长度以上的距离，吸液芯无法通过毛细吸附作用进行工质的传递和回流。而且，由于工质回流速度很慢，在回流距离较长的情况下，还很容易造成汽态工质与液态工质因运动方向相反而造成的冲突、堵塞，即汽塞现象的产生。

可以看出，现有技术中热管存在蒸发段降温范围受限，近水平长距离状态下工质回流难和汽塞现象的问题，这些问题都会影响热管的降温效能和应用效果，因此亟需一种能够解决这些问题的新型热管。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种蒸发段大角度近水平的热管，以解决现有技术中蒸发段降温范围受限和汽塞现象的问题。

为解决上述问题，本实用新型所述的蒸发段大角度近水平的热管，其特征在于，该热管的冷凝段和蒸发段之间夹角为90°—135°，其具体包括管壁以及设在所述管壁内部的隔板和工质；数块所述隔板间隔设在蒸发段底部的管内壁上，以在整个所述蒸发段的轴向方向上形成多个半开放的隔室；所述隔板的高度为热管内壁直径的1/5-2/3。

优选的，该热管还包括设在所述管壁内部的工质回流导管和工质汇集器；所述工质回流导管前后开口，设在所述隔板上，距离底部管内壁一定高度，并且其底部间隔开设有多个滴液孔；每个所述隔室均对应有所述滴液孔；所述工质汇集器的进液端设在热管内壁上，出液端与所述工质回流导管的进液端相连，所述工质汇集器用于拦截和汇集沿管内壁流下的液态工质并将其输出至所述工质回流导管。

优选的，该热管还包括设在所述隔室内所述工质回流导管下方的吸液芯；所述工质回流导管由所述吸液芯支撑或者由所述隔板支撑。

优选的，所述工质汇集器具体为沿轴向具有开口的圆锥台结构，其大口径端为进液端、半径与热管内壁半径相适应，小口径端为出液端、半径与所述回流导管的半径相适应。

优选的，所述工质汇集器具体为引流条，其包括绕热管内壁圆周设置的弧形段以及与所述弧形段相连向下延伸至所述工质回流导管进液端的斜向段；所述弧形段作为进液端，所述斜向段的末端作为出液端。

优选的，所述工质汇集器的进液端和出液端均设在所述冷凝段的中上部，工质回流导管的进液端沿着冷凝段向上延伸并与所述工质汇集器的出液端相连。

优选的，所述隔板为弧状结构，其外弧边与热管内壁密闭连接，内弧边用于支撑所述工质回流导管。

优选的，所述工质回流导管底部的滴液孔的直径为1mm—8mm，开孔间距为10mm—500mm。

优选的，所述冷凝段的长度为2m—5m，所述蒸发段的长度为5m—20m。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、解决了蒸发段降温范围受限和汽塞现象的问题

本实用新型中，热管的蒸发段为大角度近水平设计，管内隔板的设置，（1）使得液态工质均布于整个蒸发段，让蒸发段全段整体工作，形成线性的降温作用，大幅增加了热棒在水平方向的作用范围，（2）针对蒸发段地温分布存在差异情况，通过地温高的部分蒸发量大降温多、地温低的部分蒸发量少降温少，实现自动平衡蒸发作用，形成整体降温的均匀性，（3）实现了液态工质回流、汽态工质外出各自通道的建立，有效防止汽塞现象的产生。

、进一步解决了工质回流难的问题

本实用新型中，在隔板的基础上，工质回流导管和工质汇集器的设置有效解决了近水平热管工质回流难的问题，进而使得本实用新型热管的蒸发段能够实现长距离、近水平向的线性均匀降温效能。在具体实施时，蒸发段的长度可达5—20m，有效解决了重力式热管在道路工程应用中长距离、近水平角工质回流的难题。

、解决了热管路基次生工程病害突出问题、冻土高速公路修筑难题

在应用时，将蒸发段近水平插入路基，通过热管间隔一定距离的平行排放，能够形成近水平的线性、面性降温过程，有效消除以往措施效能不足、暖季0℃等值线剧烈起伏、地温场对称性差等所导致路基次生病害产生的根源，实现冻土宽幅路基对地温场降温效能、地温场对称均衡性、平整性的特殊要求。

以往热管路基最大的问题在于暖季冻融界面，即0℃面的剧烈起伏，由此造成路基内部冻融过程不同部位的巨大差异，并导致路基纵向开裂大量的产生。而通过本实用新型热管的实际应用，能够有效形成冻结、融化过程冻融界面的平整性，地温场的均衡性。

冻土高速公路突出难题在于路基的宽度很大条件下，路基的不均匀吸热、中心聚热，由此导致路基下部冻土冻融过程、地温场差异性的不断加剧，由此路基应力场差异性的加大。而高速宽幅路基条件下，如何进行地温场的均衡有效调控、平整降温是其中最为关键的技术难点。而本实用新型为该问题的解决找到了有效的解决途径。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本实用新型热管的一种总体结构示意图。

图2为本实用新型热管的另一种总体结构示意图。

图3为本实用新型热管的再一种总体结构示意图。

图4为本实用新型热管的外形结构示意图。

图5为工质汇集器为半圆锥台结构情况下的侧视结构示意图。

图6为工质汇集器为半圆锥台结构情况下的正视结构示意图。

图7为工质汇集器为引流条情况下的侧视视结构示意图。

图8为工质汇集器为引流条情况下的正视结构示意图。

图9为工质汇集器为引流条情况下的俯视结构示意图。

图10为工质汇集器设在冷凝段中上部情况下的侧视结构示意图。

图中：1—管壁，2—吸液芯，3—工质回流导管，4—工质汇集器，5—隔板，6—滴液孔。

具体实施方式

实施例1 隔板式大角度近水平热管

参考图1和图4，从总体上看，本实用新型蒸发段大角度近水平的热管包括上部的冷凝段和下部的蒸发段，整体外形为L型，冷凝段垂直水平面，蒸发段斜向下与水平面的夹角α为0°—45°（对应“近水平”），即冷凝段与蒸发段之间夹角为90°—135°，也就是蒸发段与冷凝段反向延长线之间夹角为45°—90°（对应“大角度”，因为现有技术中蒸发段与冷凝段反向延长线之间夹角多为0°—45°）。

从结构细节上看，本实用新型热管主要包括管壁1以及设在管壁1内部的隔板5和工质。数块隔板5间隔设在蒸发段底部的管内壁上，阻止液态工质水平方向的流动，通过相邻隔板5在整个蒸发段的轴向方向上形成多个半开放的小的隔室。隔板5的高度为热管内壁直径的1/5-2/3，在管内留出足够的上部空间供汽态工质流出。在实际应用中，隔板5可以采用弧状结构，外弧边与热管内壁密闭连接，内弧边用于支撑工质回流导管3。

在实际应用中，热管管径为80mm—120mm，根据路基调控的需要，热管蒸发段的长度可达5—20m，冷凝段长度2—5m。

工作原理：在外界相对低温，热管处于工作环境条件下，蒸发段开始工作。蒸发段位于半开放隔室内的液态工质处于不断的汽化相变过程，由液态不断蒸腾转化为汽态，脱离隔室上升进入上部空间，汽态工质在压力作用下，不断通过上部的空间和通道进入垂直的冷凝段。

冷凝段受外界影响，管壁温度相对较低，汽态工质在管壁开始凝结，由汽态转变为液态，在重力作用下，液态工质顺垂直管壁不断下流，可以理解的是，随着液态工质的增多，其会依次漫过第一块隔板、第二块隔板，依次类推，分布于各个隔室内，然后又进入汽化、冷凝、下流、分布于各个隔室内的循环。

本实用新型热管的均衡降温作用不仅在于蒸发段的整体工作，也在于适应蒸发段不同部位工作强度的不同。对于蒸发段不同部位存在地温差异条件下，本实用新型热管在蒸发段具有自动平衡蒸发作用，即地温相对较高的部位蒸发量相对较大，其它部位相对较小，由此造成蒸发量大的部位降温多，其它部位降温相对较少，由此形成整体降温的均匀性。

本实用新型中，在隔板5作用下，从热管蒸发段液态工质停留部位的横截面来看，现有技术中液态工质全部充填整个横截面，而本实用新型液态工质只位于热管底部约1/2的部位，为液态工质回流、汽态工质外出各自通道的建立提供的基础。

本实用新型利用隔板5将蒸发段内的工质分割在不同的隔室内。在实际应用中，可以根据蒸发段不同部位的温度调控需要，设置隔室5的高度大小，使导入该隔室内的工质回流量刚好满足调控的需要，达到对该部位精确控温的目的。

实施例2 加工质回流导管和工质汇集器

参考图1和图4，在实施例1的基础上，本实用新型热管还包括设在管壁1内部的工质回流导管3和工质汇集器4，以解决近水平热管工质回流难的问题。

具体地，工质回流导管3前后开口，长度与蒸发段长度相适应，设在隔板5上，距离底部管内壁一定高度（为回流的液态工质提供容纳空间），并且其底部间隔开设有多个滴液孔6（有的图中未示出），回流工质可以通过滴液孔6间隔、均布进入各个隔室内部；可以理解的是，每个隔室均对应有滴液孔6。

根据蒸发段夹角α的角度大小以及回流顺利度需求，可以将所有隔板5设置为等高或者不等高，比如当夹角α较大时设置为等高，当夹角α较小时，比如0°，可以将所有隔板5按从高到矮设置，使得在水平的蒸发段内工质回流导管3的进液口和出液口之间形成高度差，便于工质回流。

工质汇集器4的进液端设在热管内壁上，出液端与工质回流导管3的进液端相连，工质汇集器4用于拦截和汇集沿管内壁流下的液态工质并将其输出至工质回流导管3。

在实际应用中，在材质方面，管壁1可以采用不锈钢、铜、铸铁等导热性能良好的金属；工质回流导管3可以采用塑料、橡胶、PVC、陶瓷等非金属，也可以是不锈钢、铜、铝等金属材质；工质汇集器4采用耐腐蚀塑料或不锈钢等材质，为提高集液效果，表面可进行亲水性处理。在尺寸方面工质回流导管3与蒸发段长度相同，管径为10mm—60mm，滴液孔6的开孔直径1mm—8mm，沿程开孔间距10mm—500mm。

工作原理：

冷凝段液态工质在回流过程中被工质汇集器4拦截和汇集，然后疏导进入工质回流导管3内。在重力作用下液态工质沿工质回流导管3继续回流至底部。由于工质回流导管3底部间隔开有连续的滴液孔6，液态工质在回流过程中通过开孔就会布于各个隔室内。

本实用新型中，工质的回流不仅有重力的驱动作用，同时工质回流导管3进液端、出液端的高度差的构建也形成液态工质压力的驱动作用，由此保证液态工质的顺利回流。

由于工质回流导管3距离蒸发段管壁有一定的距离，而且其在工作状态下周围主要为汽态的工质，不会对工质回流导管3内的液态工质造成更多的热影响。进一步地，工质回流导管3优选采用导热性相对较差的材料（比如塑料、橡胶、PVC、陶瓷等非金属材料），对回流的工质也起到一定的保温作用，当然，也可以采用金属等材料，只不过效果稍差一点。通过以上两者的综合作用，有效确保工质在回流过程中不会发生蒸腾相变过程，由此保证工质的顺利回流。

实施例3 加吸液芯

参考图2、图3以及图4，在实施例2的基础上，本实用新型热管还包括设在隔室内工质回流导管3下方的吸液芯2，吸液芯2根据需要可以是整段铺设，也可以部分铺设或间断铺设。工质回流导管3位于吸液芯2的上部或者中心部位；为提高工质工作状况下的蒸腾速度，吸液芯2不宜太厚。吸液芯2为亲水性材质或表面做了亲水处理，材质可以选用海绵、玻璃丝、金属丝等。

利用吸液芯材质对液态工质的毛细吸附作用，使得经滴液孔6流出的工质很快下渗至蒸发段底部，均布于吸液芯2内部。工质受热形成气体，脱离吸液芯2进入上部空间，从而达到工质蒸汽与工质液体通路的严格分离，通过减少液态工质的飞溅限度，能够提高输送限度。

对于隔室内设置吸液芯2的情况，工质回流导管3可以由吸液芯2进行支撑，当然也可以同实施例2一样由隔板5支撑。

为进一步确保工质的回流，针对热管蒸发段不同倾斜状况，工质汇集器4可以设在不同位置。

当蒸发段倾斜角较大情况下，即蒸发段与水平面夹角约为25°~40°的时候，工质汇集器4位于较低位置，比如冷凝段和蒸发段交汇处附近，汇集和流入工质回流管3的工质可以在重力作用下顺畅流经整个工质回流管3和滴液孔6，并将工质均布于整个蒸发段内。参见实施例4和实施例5。

当蒸发段倾斜角较小情况下，即蒸发段与水平面夹角α约为0°~25°的时候，工质汇集器4位于较高位置，汇集和流入工质回流管3内的工质由于高度的存在，会在工质回流管3内产生一定的压力，由此在重力和压力的双重作用下，迫使工质快速回流。参见实施例6。

实施例4 工质汇集器为半圆锥台结构

参考图5、图6以及图4，工质汇集器4具体为薄壁半圆锥台结构，沿轴向具有开口，大口径端作为进液端，半径与热管内壁半径相适应并与热管内壁紧密连接，以阻挡和拦截回流的工质，小口径端作为出液端，半径与工质回流导管3的半径相适应并与回流导管3的进液端紧密连接，以疏导拦截的工质进入工质回流导管3。

上述工质汇集器4的进液端可以设在冷凝段和蒸发段交汇处偏下的位置，沿冷凝段内壁顺流而下的液态工质在偏下位置汇集，然后由进液端阻挡和拦截。

实施例5 工质汇集器为引流条

参考图7、图8、图9以及图4（图中未示出隔板5），工质汇集器4具体为引流条，其包括绕热管内壁一周设置的弧形段以及与弧形段相连向下延伸至工质回流导管3进液端的斜向段；弧形段作为进液端，斜向段的末端作为出液端。为加快回流速度，弧形段在绕热管内壁圆周设置的同时具有向下的斜度，在最低点形成汇集然后通过斜向段引流至工质回流导管3的进液端。

在实际应用中，引流条为狭窄条形，不影响汽态工质的流动过程；引流条为亲水性材质或者或表面做了亲水处理，可以选用海绵、玻璃丝、金属丝等。

上述工质汇集器4的进液端可以设在冷凝段和蒸发段交汇处偏上的位置，沿冷凝段内壁整个圆周上顺流而下的液态工质在到达交汇处拐角之前或者刚到拐角处时就被进液端阻挡和拦截。

实施例6 工质汇集器设在冷凝段中上部

参考图10和图4，工质汇集器4的进液端和出液端均设在冷凝段的中上部，工质回流导管3的进液端沿着冷凝段向上延伸并与工质汇集器4的出液端相连。工质汇集器4的具体结构参照实施例5中引流条的情况。

工质汇集器4将冷凝段中上部冷凝的工质收集，通过工质回流导管3并在高势能作用下输送至水平蒸发段的远端；冷凝段下部的冷凝工质在重力作用下自行流入蒸发段的近端，其中，可以理解的是，随着冷凝工质的增多，其会依次漫过第一块隔板、第二块隔板，依次类推。

实施例7 蒸发段大角度近水平的热管的施工方法

上述各实施例公开的热管的施工方法，参见如下步骤：

（1）根据热管蒸发段的管径尺寸和长度，利用钻机沿设计角度钻取相应孔径、相应长度、相应方向的钻孔；

（2）保持热管的冷凝段呈竖直状态，将蒸发段呈近水平状态放入钻孔并固定即可。

以上对本实用新型所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种蒸发段大角度近水平的热管，其特征在于，该热管的冷凝段和蒸发段之间夹角为90°—135°，其具体包括管壁（1）以及设在所述管壁（1）内部的隔板（5）和工质；

数块所述隔板（5）间隔设在蒸发段底部的管内壁上，以在整个所述蒸发段的轴向方向上形成多个半开放的隔室；所述隔板（5）的高度为热管内壁直径的1/5-2/3。

2.如权利要求1所述的热管，其特征在于，该热管还包括设在所述管壁（1）内部的工质回流导管（3）和工质汇集器（4）；

所述工质回流导管（3）前后开口，设在所述隔板（5）上，距离底部管内壁一定高度，并且其底部间隔开设有多个滴液孔（6）；每个所述隔室均对应有所述滴液孔（6）；

所述工质汇集器（4）的进液端设在热管内壁上，出液端与所述工质回流导管（3）的进液端相连，所述工质汇集器（4）用于拦截和汇集沿管内壁流下的液态工质并将其输出至所述工质回流导管（3）。

3.如权利要求2所述的热管，其特征在于，该热管还包括设在所述隔室内所述工质回流导管（3）下方的吸液芯（2）；所述工质回流导管（3）由所述吸液芯（2）支撑或者由所述隔板（5）支撑。

4.如权利要求2所述的热管，其特征在于，所述工质汇集器（4）具体为沿轴向具有开口的圆锥台结构，其大口径端为进液端、半径与热管内壁半径相适应，小口径端为出液端、半径与所述回流导管（3）的半径相适应。

5.如权利要求2所述的热管，其特征在于，所述工质汇集器（4）具体为引流条，其包括绕热管内壁圆周设置的弧形段以及与所述弧形段相连向下延伸至所述工质回流导管（3）进液端的斜向段；所述弧形段作为进液端，所述斜向段的末端作为出液端。

6.如权利要求2所述的热管，其特征在于，所述工质汇集器（4）的进液端和出液端均设在所述冷凝段的中上部，工质回流导管（3）的进液端沿着冷凝段向上延伸并与所述工质汇集器（4）的出液端相连。

7.如权利要求2所述的热管，其特征在于，所述隔板（5）为弧状结构，其外弧边与热管内壁密闭连接，内弧边用于支撑所述工质回流导管（3）。

8.如权利要求2所述的热管，其特征在于，所述工质回流导管（3）底部的滴液孔（6）的直径为1mm—8mm，开孔间距为10mm—500mm。

9.如权利要求1或2所述的热管，其特征在于，所述冷凝段的长度为2m—5m，所述蒸发段的长度为5m—20m。

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