用于热管的可藉以对热管进行现场维修的充液管 本发明总的涉及热管，特别涉及一种用来充液、密封和现场维修热管的新颖且经改良的方法及装置。
大尺寸水/碳素钢热管通常具有诸充液管，工作媒质穿过这些充液管而进入诸热管，并通过它而使热管达到真空。在某些情况中，使用一管接头用来在运行了一段工作时间之后将不冷凝的气体排出诸热管。
图1示意性地示出了一种通常热管的充液管的使用情况。在制造热管10的过程中，充液管12的一端藉焊接16而焊固在一半球形或椭圆形端盖14上。随后用一种以标号18示意性示出的工作媒质(流体)充入所述热管10，并对热管进行排气并将热管抽真空至一“高”真空状态，然后藉一管凸缘20和一焊接接头22在充液管12的另一端上进行密封。图2示出了一以30总的示出的管接头或联接件，该管接头或联接件连接两根充液管，即一主充液管32和一次充液管34。在热管10的制造过程中，主充液管32的一端焊接在端盖14上，其另一端焊接在管接头30的外螺纹部分上。然后，次充液管34藉管接头30的内螺纹部分与主充液管32相连。一大体呈锥形的衬套40安装在次充液管34位于管接头或联接件30内部地部分42上以提供密封作用。再次用工作媒质18填装热管10，并进行排气以及将热管抽真空至一“高”真空状态。然后，藉一管凸缘44和次充液管34上的密封焊接接头46而密封热管10。
图1和图2的设计具有几个缺点，由于每一种设计均具有几个可能存在出现故障的地方；即，焊接接头16、22、46以及管凸缘20、44处。在图1中，管凸缘20降低了充液管12的强度，在运行了一段时间之后，热管10不能将不冷凝气体排出，并且不冷凝气体的取样和对热管10进行压力测量时都需要对充液管12的管壁进行穿孔，使它不能起压力边界的作用。在图2中，存在五处可能出现故障的地方；即，焊接接头16、46，管凸缘44，以及管接头30内部的密封封口处。此外，要在现场对热管10进行排气是不方便的，并且不冷凝气体的取样和对热管10的压力测量也都需要对主充液管32或次充液管34进行穿孔，因此使主充液管或次充液管不能起压力边界的作用。具体地说，一旦对其中任一充液管12或32进行穿孔，由于在现场修复热管10目前是不可能实现的，故必须替换整个热管10。
热管10的制造方法也影响了能放置在热管10端部上的充液管装置的类型。图2示出了一种已知的热管10的结构。应予特别注意的是，在制造这种结构的制造工艺中的一些步骤涉及到，特别是在装上了联接充液管之后，热管10的旋转。由于设在主充液管32的端部上的任一种类型的接头或闭合装置均必须相对于热管10的纵轴呈轴向对称，从而在热管10的旋转过程中不会产生太大的力矩臂，因此热管的制造工艺影响了所能使用的充液管组件的类型。这种要求阻碍了一种大体呈T形的阀的使用，这种T形阀具有一阀杆和一手柄部，该手柄部以一角度从热管10的纵向中心线凸伸出来。此外，在使用过程中，这种阀能够因振动而松弛。
此外，诸热管自身均装有一种工作流体，在环境条件下，所述工作媒质相对于大气压呈一真空状态。因此，在环境情况下任何想仅仅通过穿孔打开如图2所示的管接头30而将不冷凝气体排出的作法均不能将空气排出所述热管，相反，只会引入外界空气。因此，对于大部分的实际应用来说，均要求将热管的温度提高到超过240°F以使热管内的压力超过大气压。这样，管接头30上的穿孔才能使压力较高的不冷凝气体从热管排出至大气中。但是，虽然对一单个的热管进行加热可能是一项相对简单的工作，但这些热管均是一个在其中不可能进行这种独立加热的大型空气加热系统的一部分。而是要通过使用空间加热器使整个空气加热器的温度提高，并且要找到地方设置所述加热器通常是极其困难的。另外，诸热管本身内可能含有一种易燃气体，诸如氢气，因此手动地排出所述易燃气体将具有危险性。
在Grover的美国专利No.4,020,898和小Hoke的美国专利No.4,799,537中揭示了一种热管装置，所述热管装置具有传统的有凸缘的、用软焊或焊接的端接头。
在Murphy等人的美国专利Nos.4,881,580和4,776,389中揭示了一种用来在相似的封闭容器内抽真空和对诸热管充液的方法和装置。在Murphy等人的’580专利中，在一工作台14上对一热管16进行加工，其一端由导向件18、20和一具有止推杆26和止推指状件28的夹子24固定。一块体22在一六角形体(hexshank)68处设有一加工管54，所述六角形体能移动一具有O形环64、66的柱塞60。与热管16形成一体的是一具有一轴孔44和一横孔46的螺纹阀40。所述加工管54用来提供真空并将所述工作媒质充进所述热管16中。转动所述六角形体68以旋松阀40使之与热管16脱开并为加工管54提供一开放的通道。位于柱塞60上的O形环将所述装置密封和大气隔开。
从本质上说，在Mahdjuri-Sabet的美国专利No.5,241,950中揭示了一种用于热管的安全装置以避免由于过度的冷凝温度而对热管产生损伤。请参阅该专利的图1和图2，热管1设有一透明套管，该套管中设置有所述工作媒质和蒸发器，并由一导管4而与一冷凝器2相连。位于冷凝器2的膨胀部分内部的是一环形塞13围绕着一溢流管10，在该两者之间形成一储液槽12。盘簧14和15在所述环形塞上维持轴向作用力，但是在吸收热量的过程中，当越来越多的工作媒质充入所述冷凝器2时，所述盘簧能允许所述环形塞移动。
在Stockman的美国专利No.4,341,000中揭示了一种对热管充液的方法，由此可以将预定量的流体充入热管内，该方法包括一种能根据需要变换流体的方法。在热管12的上端设有一T形接头24，通过该接头可以进入工作媒质并也可以用来排出空气。一联接件26被用来可拆卸地将T形接头24与热管12连接。设在热管12内部的是一立管38，该立管具有预定的高度从而使一连接在其底端的抽吸泵32只能抽去超过立管38的末端以上的那部分液体。立管38的高度可以根据需要而改变以在热管12内提供一段具有预定高度的液体。
在Hartle等人的美国专利No.5,226,580中揭示了一种自动热管加工系统，其中将一热管壳体和一端盖制成一热管，然后通过辉光放电等离子体进行清洁，充入一种工作媒质，并通过惯性焊接将所述端盖焊固在所述热管上。
在Franco等人的美国专利No.4,586,561中揭示了一种采用氢气吸气剂的低温热管。在Franco等人的专利中使用的术语“低温”是指所述热管在该温度时可进行工作的低于0℃(32°F)的温度。该专利叙述了热管目前最大应用之一的、在横跨阿拉斯加的管路中起永冻层稳定作用的热管。在这些条件下的这种热管均容纳在诸垂直支承件内，诸垂直支承件设计成当中等深度(20ft.)处的永冻层温度超过空气温度时能在较寒冷的季节里运行。安装以氨作为热传送媒质的诸热管，每一垂直支承件使用两个热管。在冬季，当空气温度低于地面温度时，所述热管起作用以将热量从永冻地层中除去由此能在随之而来的有可能融化冰雪的夏季期间保持它的整体性。这种热管运行中所产生的问题是会出现少量不冷凝氢气，这些氢气通过例如管道碳素钢和水进行的腐蚀反应而产生和汇集，而水则可能是氨中的杂质。氢气主要汇集在冷凝段内并能阻止氨蒸汽在冷凝段的顶部的冷凝。这导致了“冷凝的阻塞”并降低了除热性能。因此，该专利旨在提供一种能除去这种产生坏作用的氢气以使所述热管能继续运转并能继续防止永冻地层冰冻降低的装置或方法。因此，该专利揭示了一种氢气吸收剂材料，该材料是一种锆金属间合金，它即使在有空气和/或水存在的情况下也仍然有效。更具体地说，Franco等人揭示了一种用来将氢气气体从一种氨热管中除去的氢气吸收剂组件，所述吸收剂组件能安装在热管的顶部或侧部，或设置在热管内部的冷凝壁或冷凝段上。如Franco等人的专利中图2所示，一插入永冻地层11的热管17具有一氢气吸气剂组件23，该组件垂直地安装在穿过盖板31的的顶部上。所述吸气剂组件23内部具有一容纳在吸气剂容器25内的吸气剂材料24并由保持件26固定在位，所述固定件具有足够多的气孔从而能让气体NH3和H2穿过以接触吸气剂材料。Fanco等人专利中的图3示出了所述热管的另一个实施例，所述热管具有一吸气剂组件23，该组件安装在热管17的侧边上而不是安装在顶部。据称该实施例能将所述吸气剂组件更方便地安装到所述热管上，因为它避免使用了如图2所示的、在实践中热管组装时通常使用的双密封穿透工艺。利用传统的热钻孔方法或非焊穿孔方法，可以将所述吸气剂组件与经装配且经充液的热管(所述充液作业通常是在真空状态下完成以避免湿气和/或空气进入)相联接。该专利的图4示出了所述氢气吸气剂组件23的较佳实施例，其中容器壳体25插置在所述热管壁17内。氢气和氨藉连通的入口27进入所述容器25内部，并且所形成的初始压力足以使隔膜29破裂。所述吸气剂材料由保持件26保持在位，所述保持件具有诸气孔能让氢气和氨渗透但所述保持件却是惰性的并具有足够的强度以便为所述吸气剂移动进入热管的运动提供一阻挡作用。此外，该专利指出还可以设置一阀(未示)，该阀设置在所述容器25和冷凝壁之间并与连通入口27一同工作。该阀28设计成能防止氨在低温时的向外泄漏，并且在藉非焊穿孔而制备所述热管的过程中，所述阀的使用是可加选择使用，但当使用例如热钻孔方法时还是最好使用所述阀。除了设在所述连通入口27内的阀之外，该专利还指出可以由诸接头，诸如快速联接件，构成较佳的连接件，这些接头能封闭容器并在使用后将所述容器拆卸下来，保护容器避免容器内进入空气，并且能在拆卸过程中防止热管气体逸散。
虽然Franco等人的专利中揭示了氢气吸气剂组件能够藉快速联接件而可拆卸地与诸热管相联接，但是该专利没有任何有关在充液、密封或现场维修这种热管的过程中使用这样一种组件的教导或建议。正如先前面已指出的那样，在将诸热管安装在现场后，往往需要对诸热管进行种种维修作业。这些维修作业包括以下一些工作：测量热管内压以了解管由产生多少不冷凝气体；对这种不冷凝气体进行取样以进行分析；将不冷凝气体排出所述热管；从所述热管中取出所述工作媒质的试样以便进行分析；对热管进行内部直观检查。
Franco等人的专利也并未具体涉及到热管的制造工艺。很多热管被设计成在蒸发段和冷凝段上具有螺旋缠绕的铝翅片。在翅片加工过程中，所述热管以较高的转动速度作转动。在这种翅片加工过程中不允许出现不平衡现象。此外，在诸热管上增设诸翅片时、特别是碳素钢翅片时，使得热管的重量得到明显增加，因此从制造的角度上看，在制成翅片之后才进行热管的充液和密封热管是不实际的。另外，由于诸热管均要求具有一特定的内表面清洁度，因此，由于快速生锈(flash rust)的关系在焊接端盖等之前对热管进行的翅片加工增加了不能达到这种清洁要求的机率。另外，如果确定热管要进行清洁，在没有翅片之前无疑进行清洁要方便得多。最后，在诸热管的某些部分上的翅片，特别是诸热管的冷凝段上的翅片，有可能采用比碳素钢翅片柔软的铝翅片。如果热管的制造是在将诸翅片联接于热管本身之后结束的，则这些翅片无疑将受到损伤而无法修理。
因此，很显然，一种能充液、密封和现场维修各个热管的改良方法和装置是人们所希望的。
本发明提供了一种能解决这些问题的方法，即在制造热管的过程中以及该过程之后，使用一高温、高压断流阀装置以替代管接头。在制造热管的过程中，充液管的一端焊接在端盖上而充液管的另一端与断流阀装置的压缩式接头相连。从这时起，所述热管就可以充入工作媒质，排气并抽真空成一“高度真空”。断流阀装置装有一保护塞以使断流阀装置能在比仅仅将断流阀装置设在充液管的端部时更高的工作温度和压力下工作。所述保护塞还防止了在工作过程中灰尘对断流阀内部结构的损伤。
断流阀装置结合充液管的使用提供了通向热管内部的更为方便的通道，并简化了目前现有的制造方法并同时提高了热管产品的质量和可靠性。在本发明中，断流阀装置本身可以是一种快速联接型的断流阀，它和设在普通空气软管管路上的诸接头或诸联接件的工作方式相似。一半断流阀装置保持在热管10上，另一半断流阀装置将在制造过程中根据需要而“夹上去”，或者在现场与一软管和一适当设备(储存箱、真空泵等)相连以进行充液、排气或维修。
因此，本发明一方面是提供一种具有螺旋翅的热管装置，该热管装置具有一对称纵轴，采用一种以水为基质的工作媒质，并工作在一从近似环境温度和压力直至最高为近似100psig和400°F的内部压力/温度范围内，并能重复且方便地在现场进行维修，所述热管装置包括一其上焊接有端盖的圆筒形热管。所述热管装置还包括一以其第一端焊接并流体地连接在一个端盖上的充液管，所述充液管具有一与热管装置的对称纵轴同轴的对称纵轴。所述热管还包括一流体地连接在充液管的第二端的断流阀装置，以提供可反复通向热管内部的通路并重新密封热管内部，所述断流阀装置还具有一与热管装置的对称纵轴同轴的对称纵轴以及一不超过圆筒形热管外径95％的外径，以便能穿过一形成在一管板上的孔而安装所述热管装置。
本发明的另一方面在于提供一种制造一现场可维修的、具有螺旋翅并具有一对称纵轴的圆筒形热管装置的方法。所述方法包括几个步骤。将诸端盖焊接在一圆筒形热管的每一端上。将一充液管的第一端焊接在一个端盖上以提供一通道，该通道提供了一通入圆筒形热管内部的通路。将断流阀装置与所述充液管的第二端流体联接以提供方便且可反复地通向圆筒形热管内部的通路并重新密封住所述所述圆筒形热管内部。使用所述断流阀装置对所述圆筒形热管进行排空并充液。所述方法还包括围绕其对称纵轴旋转所述圆筒形热管并在所述圆筒形热管旋转时将诸螺旋翅施加在其上。
本发明的再一方面在于提供一种现场维修热管的方法，其中热管装置具有一设在一与热管连接的充液管上的断流阀装置，所述断流阀装置具有一与所述充液管可拆卸并流体连接的第一端，以及一具有一可拆卸的保护塞的第二端。将所述保护塞从所述断流阀装置的第二端上拆下就可以以提供一通向热管装置内部的通路。然后将一阀杆部与所述断流阀装置的第二端可拆卸地连接以提供穿过所述充液管而通向所述热管装置内部的流体通道。
在所附的、构成本发明一部分的权利要求书中指出了构成本发明的各种新颖特征。为了更好地理解本发明，其工作优点以及使用上的好处，以下将结合附图对本发明几个较佳实施例进行描述。
在附图中：
图1示出了一个已有技术热管充液管的结构；
图2示出了另一已有技术热管充液管的结构，所述充液管具有主充液管和次充液管以及一将该两者连接起来的管接头；
图3示出了一改进型热管结构，所述热管采用本发明现场可维修的充液管并具有一插入断流阀后部的保护塞；
图3A示出了一改进型热管结构，所述热管具有一插入断流阀后部以能进行充液、排放或维修的软管和接头；
图4是一在制造本发明的热管的过程中使用的排气/抽真空步骤的示意图；
图5是一对根据本发明制造和使用的热管进行现场维修时使用的设备的示意图；
图6A-6D分别是在使用本发明的过程中几种可能的不同现场维修操作的示意图。
现参阅附图，其中相同的标号均表示相同或功能相似的部件，并请特别参阅图3，该图中示出了本发明的一个实施例。热管10具有一对称纵轴11和一半球形或椭圆形端盖14。一充液管52的一端藉焊接头16而焊接于半球形或椭圆形端盖14上，所述充液管具有一与热管10同轴的对称纵轴。根据本发明，充液管52的另一端连接于以50总体地表示的断流阀装置上。热管10、充液管52以及断流阀装置50流体地相互连接从而能在制造以及接着在现场中藉断流阀装置50而利于热管10的充液、密封和抽真空。断流阀装置50有利地包括一快速联接型断流阀，诸如一Swagelok快速联接件(该公司也制造图2所示的已有技术的管接头)。(Swagelok是俄亥俄州Hudson市的Swagelok Quick-ConnectCo.的注册商标)。断流阀装置50还具有一与热管装置的对称纵轴11同轴的对称纵轴以及一外径D1，该外径最好不超过圆筒形热管10的外径D的95％以便能安装热管装置通过一形成在热管空气加热器(未示)的管板(tubesheet)上的孔而安装热管装置。在任何一种情况中，断流阀装置50的外径D1必须小于圆筒形热管10的外径D从而能在制造过程中方便地将断流阀装置50穿插通过形成在管板上的孔。
如图3所示，断流阀装置具有一前部53，该前部藉一容纳在其内的压缩式接头而连接在充液管52上，所述压缩式接头包括一与如图2所示设计相同的锥形轴衬40和螺纹部38，断流阀装置50还设有一可拆卸联接的保护塞54以便使断流阀装置和与之相连的热管10以及充液管52能在一通常为高的工作温度和压力下工作。保护塞54藉内部的锁定机构55而固定于断流阀装置50，同时还防止了灰尘聚积在断流阀装置50内。将保护塞54从断流阀装置50上拆下能使断流阀装置的O形环56密封热管10和充液管52。
请参阅图3A。断流阀装置50的阀杆部57可拆卸并可密封地与所述前部53啮合以在制造和在现场进行的后来作业中进行热管10的充液、密封和维修。柔性软管58通过另一个压缩式接头59而流体地连接于所述阀杆部57。在制造过程中，所述热管10可以通过柔性软管58充入工作媒质，将空气排出并抽真空成一高度真空。
当阀杆部57与断流阀装置50断开联接时，一双端关闭(DESO)O形环60密封住阀杆部57和柔性软管58。当阀杆部57与一个热管10断开并连接于另一热管10时，DESO O环60能保持柔性软管58内的压力。构件57、58、59和60合在一起通称为联接器72，或者在以下的描述中称它们是能在72处可拆卸地联接的。因此，热管10能在现场得到维修，而不需要将热管10加热至240°F以排出不冷凝的气体。
因此，断流阀装置结合充液管52的使用提供了通向热管10内部的更为方便的通路，并简化了目前现有的制造方法并且同时提高了热管成品的质量和可靠性。在本发明中，断流阀装置50本身可以是一种能以与设在普通通气软管线上的诸接头或诸联接件相似的方式工作的快速联接型断流阀装置。一半断流阀装置50保持在热管10上，另一半断流阀装置将在制造过程中根据需要夹上去，或者在现场连接于一软管以及一适当设备(储存箱、真空泵等)以进行充液、排气或维修。
Swagelok型快速联接件已为人们所熟知，这种联接件能适于在100psig和400°F温度和压力下使用。如果在其它的热管应用中要求超过该范围的维修压力和温度，则必须进一步发展密封材料即O形环。
本发明在所述热管10上，根据温度和压力的范围的规定，有利地采用了“现成的”Swagelok型快速联接件。例如，1993年4月出版的No.QC-590-1Swagelok仪器手册中揭示了一种特殊类型的联接件，这种联接件能在压力高达3,000psig，但温度为70°F的温度的情况下使用。同样，各种不同类型的O形环可以把温度延伸到高达400°F，但压力只能在100psig的范围。断流阀装置50的具体类型和其结构材料的选择将取决于热管10工作在什么样的温度和压力。
有很多使用本发明的热管可以在气体-空气传热装置中用于“冷端”部分，即热管空气加热器(未示)装置中的冷端部分。这种空气加热器的“冷端”部分是冷却的气体从空气加热器中排出的出口处，以及冷的输入空气进入的地方。同样，这种空气加热器的“热端”是位于热的气体进入以及经加热的空气排出的地方。通常，由于所述热管10的工作温度和压力，本发明一般不应用于空气加热器的“热端”部分。有时，在热管10内能产生氢气或其它不冷凝气体。在空气加热器的“热端”部分，任何所产生的氢气均处于一足够的压力下，从而能压缩该气体并且只使热管的一小部分失效。在这些高压力下，氢气实际上穿过热管10的诸管壁而排出，因此仅仅只会损失一小部分的热管有效长度。而工作在空气加热器的“冷端”上的诸热管不在这样一种高压力下工作，因而氢气只能在热管10的一局部端部处被压缩，或者穿过诸管壁而送出。因此，当聚积了一定量的氢气时，热管10的大部分长度失效。由于在空气加热器的“冷端”处的热管只能在近似320°F的范围内运行，并且在该温度时的饱和压力为89.6psig，因此就特别适于使用本发明的热管10。
请参阅图4。图4示出了在制造利用本发明的热管的过程中使用的排气/抽真空步骤的示意图。热管10的一端以及与之相连的断流阀装置50部分地浸入一除气箱61内，热量如图所示的那样施加于所述除气箱以提高热管10中物质的温度。水从一水源62藉管路64穿过一具有结构已知的容积测量装置66而供给。设有一阀68和一管路70以及可拆卸地在72处联接于断流阀装置50。一能产生近似一30″Hg那样低的真空的真空泵74藉管路76而连接于一三通连接件78从而能在热管10上抽真空。一旦完成热管10的充液和除气，抽真空设备和供给水的设备将与断流阀装置50脱开。随后即可对热管10进行进一步的加工。热管10本身具有一近似1.25英寸至近似2英寸的外径，在热管外表面加上螺旋翅后的外径从近似2英寸至近似3.5英寸。由于较佳断流阀装置的外径D1近似为1英寸，因此这种组合结构能在断流阀装置50和热管10的外径之间获得所期望的差值。
图5示出了一行将被用于现场维修根据本发明制造和使用的热管的设备的示意图。图5示出了一单个热管10以及一与之相连的充液管52和断流阀装置50。一可移动的现场维修装置80以及一具有与前述相同真空生产能力的真空泵，行将被用来完成某些前述现场维修作业。装置80藉一具有所需长度的柔性管路或软管82与热管10相连，并可拆卸地在72处连接。装置80最好包括诸阀84、86和88从而能在热管10(藉管路82)和真空泵74、气体采样容器90以及一气压计92之间提供流体连通，如图所示。一旦完成了现场维修作业，所述可移动的现场维修装置80将与所述断流阀装置50脱开联接。
图6A-6D示出了通过使用本发明可以进行的几种其它的现场维修作业。图6A示出了在进行维修之前的热管10。图6B和6C分别示出了工作媒质18的取样或对热管10的内部进行从外部的直观检查是如何进行的情况。为了进行这些现场维修作业，将拆下保护塞54和断流阀装置50以提供一穿过充液管52而通向热管10的敞开的通道。压缩式接头53能完成此项作业。行将使用一管路94和流体泵装置96以获得一容纳在热管10内部的流体18的试样并藉管路100将该试样送至一液体试样容器98。为此，一长而细的探测器或试样线102行将被伸入热管10内，如图6B所示。或者，如图6C所示，利用已知的纤维管道内孔探测镜104能方便对热管10的内部进行从外部的直观检查，所述探测镜藉管路106而与提供视频和光的设备108相连，所述设备108藉管路110以已知方式与一视频监控器112相连。在完成这种检查和/或取样，且热管10恢复至它的工作状态之后，断流阀装置50和保护塞54行将被重新装上，如图6D所示。
虽然以图示并具体描述了本发明的几个特定实施例以说明本发明的应用原理，但是，对于那些本技术领域的熟练人员来说，应予理解的是，还可以在由所附的权利要求书覆盖的本发明形式之外、在不背离本发明的原理的情况下作出种种变化。在本发明的一些实施例中，有时，可以有利地使用本发明的某些特征而不一定需要同时使用其它特征。因此，所有这些变化和实施例都理应落在所附权利要求书的保护范围之内。