一种无芯热管及热管式太阳能真空管 所属领域
本发明涉及一种传热元件及该传热元件在太阳能中的利用，具体的讲是一种无芯热管及热管式太阳能真空管。
背景技术
热管是一种常用传热元件。热管工作时一般分为蒸发段、过渡段和冷凝段三个区域。处于热管蒸发段的工作液体，通过热管壁吸收热源的热量后蒸发为蒸气，该蒸气经过过渡段到冷凝段，并在冷凝段被冷却，放出汽化潜热，该热量通过热管壁传给冷源，冷凝后的液体回到蒸发段，重复上述传热过程，从而不断将热源的热量传递给冷源，实现热量的传递。在上述热管的传热过程中，热管内的工作液体必须不断地被蒸发、冷凝，从蒸发段到冷凝段循环，才能使热管能够持续地传热。对于无芯热管，工作液体进行循环传统方法是靠重力，即冷凝段被冷凝的工作液体在重力作用下回到蒸发段，吸收热量被蒸发，蒸气上升到冷凝段被冷凝，不断循环，实现持续传热。由于重力的作用方向是向下的，因此，热管轴向方向应具有高度位差，该无芯热管的蒸发段必须低于其冷凝段，从而使传统的无芯热管在使用时必须与水平方向成角度设置。这种传统的无芯热管存在有如下缺陷：
(1)由于该无芯热管在使用时在热管地轴向方向需要具有高度位差，而无法水平传热，从而使其使用范围收到限制。
(2)由于该无芯热管在传热时，其蒸发段低于其冷凝段，使液态的工作介质在重力作用下被聚集在热管的下端部，气态的工作介质上升到热管的上端部，因此，限制了该种无芯热管的冷凝段只能设置于热管的上端部，蒸发段只能设置于该热管的下端部，从而限制了热管的设置位置，给整个采用热管传热的设备的部件分布和装配带来极大的不便。
(3)由于该种热管内呈液态的工作液体位于其蒸发段。当该热管应用在较冷或温差较大的场合时，该热管蒸发段的工作液体热胀冷缩，容易使该热管的蒸发段在径向方向被冻坏或膨胀破裂，从而影响热管的使用寿命。
(4)当该传统无芯热管应用于太阳能真空管上时，由于该热管的蒸发段插设于真空管内，为保证热管的轴向方向上具有高度位差，该真空管必须倾斜放置，才能保证热管正常工作。这样使真空管与建筑物的结合受到限制，不易与建筑物结合。并且，由于太阳在夏天和冬天的入射角不同，该倾斜放置的太阳能真空管在太阳入射角较大时，吸热量小，从而使太阳能真空管冬夏吸热不相同。
因此有必要提供一种新型的无芯热管，来克服上述现有无芯热管的缺陷。
【发明内容】
本发明的目的在于，提供一种无芯热管，该热管可在其轴向方向上没有高度位差的水平段，实现水平持续传热，克服现有无芯热管在轴向方向必须具有高度位差的技术偏见。
本发明的目的还在于，提供一种热管式太阳能真空管，其可水平放置，以方便与建筑物结合，并使冬夏吸热均衡。
本发明目的是采用如下技术方案来实现的，一种无芯热管，该热管内装设有工作介质，至少该热管的蒸发段水平放置，该热管的冷凝段不低于该蒸发段，至少该热管工作时呈液态的工作介质于水平的蒸发段形成连续的液体液面，该液面与液面上方的热管内壁之间沿热管的轴向形成气体流通通路。
所述的液态工作介质形成的液面高度为热管径向高度的1/10-1/2，该液面高度最佳为管体径向高度的1/3。
本发明的热管上可至少有一冷凝段高于水平的蒸发段。
本发明的热管的冷凝段也可与蒸发段在同一水平位置上，该热管的两端部设置成两个冷凝段，蒸发段形成于热管的中间部，或者热管的两端部设置成两个蒸发段，冷凝段设置于热管的中间部，或者在热管的轴向蒸发段和冷凝段间隔设置。
本发明还提供了一种热管式太阳能真空管，至少包括真空管和蒸发段插设于真空管内的热管，该热管内设有工作介质，所述的真空管水平放置，热管蒸发段水平插设于该真空管内，热管冷凝段不低于蒸发段，至少该热管工作时呈液态的工作介质于水平的热管蒸发段形成连续的液体液面，该液面与液面上方的热管内壁之间沿热管的轴向形成气体流通通路。
上述的热管可为水平热管，该热管工作时，在该热管的整个轴向方向上呈液态的工作介质形成连续的液体液面；或者所述的热管伸出真空管外的冷凝段高于真空管内水平的蒸发段。
本发明的真空管可为双层全玻璃真空管或单层玻璃-金属真空管。
所述的呈液态的工作介质形成的液面高度为热管径向高度的1/10-1/2。该液面高度最佳为热管径向高度的1/3。
本设计人经过长期潜心研究后，发现当一液滴滴入液体中后，该液滴会自动溶入液体内，液面仍保持平整，不断的滴入液滴只能使整个液面升高，而不是仅对滴入液滴的地方产生影响。基于此，本设计人克服现有必须将热管倾斜放置，才能依靠重力使冷凝的工作液体回流到蒸发段的技术偏见，使本发明的热管在轴向方向没有高度位差的水平段，热管内的工作液体形成连续的液面，形成液体流通通路，来实现冷凝段液态工作介质的回流，从而实现热管在该水平段的水平传热。
这样，热管在工作时，工作介质在蒸发段吸收热量蒸发为气态，该气态的工作介质通过液面与热管壁之间的轴向空间形成气体流通通路到达冷凝段，并在该冷凝段放出热量冷凝为液态，该液态的工作介质流入热管水平段内由液态工作介质形成的液面中，通过该连续液面形成的液体流通通路，使该段被蒸发的工作介质不断得到补充，这样，不断循环，实现热管水平段的水平持续传热，从而保证具有没有轴向高度位差的水平段的热管持续传热。
本发明的效果是显著的，其一，由于本发明采用热管水平段内液态的工作介质形成的液面来实现冷凝后液态工作介质的回流补充，克服了现有的无芯热管必须倾斜放置的技术偏见，解决了无芯热管的水平传热的问题。
其二，由于本发明的热管可为轴向没有高度位差的水平热管，通过热管内轴向液体通道和气体通道水平持续传热，其蒸发段和冷凝段可不受现有必须设置在热管的两端部的限制，可以设置在热管的任意轴向位置，如蒸发段设置在中间，冷凝段设置在两端，或冷凝段与蒸发段间隔设置等，从而适应不同传热环境的需要。
其三，由于本发明的液态的工作介质是轴向分布在热管水平段内形成连续的液面，在热管的径向具有没有被液体充满的空间形成的气体流通通道，当该热管应用在较冷或温差较大的场合时，由于工作液体具有较大的径向膨胀空间，因此，不易被冻坏或膨胀破裂，从而使本发明的水平传热热管具有防冻的效果。
另外，由于本发明的热管式太阳能真空管采用本发明的可水平传热的无芯热管，该真空管可以水平放置，这样太阳能真空管可方便地水平结合于建筑物上，且其吸热不再受太阳入射角的影响，从而克服了传统太阳能真空管在夏天吸热减少的缺陷。
【附图说明】
图1本发明无芯热管一种结构示意图；
图2本发明无芯热管的另一种结构示意图；
图3本发明无芯热管的再一种结构示意图；
图4本发明无芯热管的又一种结构示意图；
图5本发明无芯热管的又一种结构示意图；
图6本发明的热管式太阳能真空管一种结构示意图；
图7本发明的热管式太阳能真空管的另一种结构示意图。
【具体实施方式】
实施例1
如图1-5所示，本发明的无芯热管1内装设有工作介质2，至少该热管1的蒸发段水平设置，该热管1的冷凝段13不低于其蒸发段12，该热管1工作时至少于水平的蒸发段呈液态的工作介质2形成连续的液体液面21，该液面21与液面21上方的热管1内壁11之间沿热管1的轴向形成气体流通通路3。这样，热管1工作时，工作介质2在蒸发段12吸收热量蒸发为气态，该气态的工作介质2通过液面21与热管壁11之间的轴向空间形成气体流通通路3到达与蒸发段12水平或高于蒸发段12的冷凝段13，并在该冷凝段13放出热量冷凝为液态，该液态的工作介质2流入热管1水平段内由液态工作介质2形成的液面21中，通过该连续液面21形成的液体流通通路，蒸发段12被蒸发的工作介质2不断得到补充，这样，工作介质2不断循环换热，实现热管1的持续传热。
在本发明的上述传热过程中，由于是通过液态的工作介质2形成的液面21来实现水平段被蒸发的工作介质2的补充，克服了现有的无芯热管必须倾斜放置使其在轴向方向具有高度位差，以依靠重力实现液态工作介质2的回流补充的技术偏见，解决了无芯热管的水平传热的问题。
另外在本发明中，由于热管1内的液态工作介质2轴向分布在热管1水平段内形成连续的液面21，在该液面21的上方与热管1内壁11之间具有没有被液体充满的气体流通通道3，从而使本发明的热管1在应用到较冷或温差较大的场合时，由于工作液体2具有较大的径向膨胀空间，因此，不易被冻坏或膨胀破裂，从而使本发明的无芯热管1具有防冻的效果。
在本发明中，为保证热管1工作时，冷凝段13被冷凝的液态的工作介质2能够补充整个水平段被蒸发工作介质，该液态工作介质2形成的液面21应具有一定的高度，但对于液面21上方的气体流通通道3而言，液面21越高，该气体流通通道3的空间越小，单位时间内从蒸发段12传递到冷凝段13的热量也越少，传热效率越低，因此，该液面21的高度应根据使用环境适当选择，既不能太高，也不能太低。经多次试验证明，比较好地，该液面21高度可为热管1径向高度的1/10-1/2。该液面21的高度最佳为热管1径向高度的1/3。
如图1-4所示，在本发明中，该热管1可为在轴向没有高度位差的水平热管，其蒸发段12与冷凝段13为于同一水平位置上。这样，由于在该热管1整个轴向形成有连续液面21构成的液体通路和液面21上方的空间构成的气体流通通路3，因此，在整个热管1的轴向方向上，均可进行工作介质2的气液相变循环，其蒸发段12和冷凝段13不受现有必须设置在热管1的两端部的限制，可以设置在热管1的任意轴向位置。
如图1所示，其可如传统设置方式一样，蒸发段12设置在热管1的一端部，冷凝段13设置热管1的另一端部。工作时，液态的工作介质2在热管1一端部的蒸发段12吸热蒸发为气态，由于热虹吸作用通过气体流通通路3到达热管1另一端部的冷凝段13，放出热量被冷凝成液态，该液态的工作介质流入热管1内形成的液面21中，蒸发段12损失的工作介质通过该连续的液面21得到补充，实现热管1的水平持续传热。
如图2所示，根据传热环境的需要，该热管1的两端部可设置成两个冷凝段13，蒸发段12形成于热管1的中间部。工作时，液态的工作介质2在热管1中间部吸热蒸发为气态，由于热虹吸作用通过气体流通通路3到达热管1分别两端端部的冷凝段13，在该两端部放出热量被冷凝成液态，该液态的工作介质2从热管1的两端部流入液面21中，从而使中间部的蒸发段12损失的工作介质通过该连续的液面21得到补充，实现热管1的水平持续传热。
如图3所示，根据传热环境的需要，热管1的两端部也可设置成两个蒸发段12，冷凝段13设置于热管1的中间部。工作时，液态的工作介质2在热管1两端部吸热蒸发为气态，由于热虹吸作用通过气体流通通路3分别从两端部到达中间部的冷凝段13，在该中间部放出热量被冷凝成液态，该液态的工作介质2从该中间部流入液面21中，从而使两端部的蒸发段12损失的工作介质通过该连续的液面21得到补充，实现热管1的水平持续传热。
如图4所示，根据传热环境的需要，也可在热管1的轴向蒸发段12和冷凝段13间隔设置，蒸发段12和冷凝段13的个数可根据实际的热源和冷源的情况设置。工作时，液态的工作介质2在热管1每一个蒸发段吸热蒸发为气态，由于热虹吸作用通过气体流通通路3分别从蒸发段到达相邻的冷凝段13，在每一个冷凝段13放出热量被冷凝成液态，该液态的工作介质2从每一个冷凝段处流入液面21中，从而使每一蒸发段12损失的工作介质通过该连续的液面21得到补充，实现热管1的水平持续传热。
该蒸发段12和冷凝段13在热管1上的位置设置，还可根据不同使用环境中冷源、热源的情况设置为其他形式，在此不再一一列举。上述本发明的热管的冷凝段13和蒸发段12的位置自由设置，使本发明的热管可以适应多种传热环境的需要，从而拓宽了热管的使用范围。
在本发明中，该热管1也可根据需要仅具有部分在轴向没有高度位差的水平段，该水平段内的液态工作介质2在工作时形成连续的液体液面21，液面21上方与热管1内壁11之间形成气体流通通道3，该水平段上至少形成有蒸发段12。如图5所示，该热管1的水平段上可仅形成有蒸发段12，冷凝段13可高于该水平的蒸发段12。工作时，该水平的蒸发段12的液态工作介质吸热蒸发为气态，该气态的工作介质2通过气体流通通道3到达较高的冷凝段13被冷凝为液态，该液态的工作介质首先在重力作用下流回到水平段内液态工作介质形成的液面21内，通过该液面21使蒸发段12被蒸发的工作介质得到补充。该水平段也可根据传热环境的需要如图1-4所示同时具有一个或一个以上的冷凝段13和蒸发段12，其水平传热过程基本与上述传热过程相同，在此不再一一详细描述。
实施例2
如图6-7所示，本发明还提供了一种热管式太阳能真空管，至少包括真空管4和蒸发段12插设于真空管4内的热管1，该热管1内设有工作介质2，该真空管4水平放置，热管1蒸发段12水平插设于该真空管4内，热管1的冷凝段13不低于其蒸发段12，至少热管1工作时呈液态的工作介质2于该水平的蒸发段12形成连续的液体液面21，该液面21与液面21上方的热管1内壁11之间沿热管1的轴向形成气体流通通路3。这样，真空管4内的水平蒸发段12中被蒸发的工作介质2通过气体流通通道3到达冷凝段13被冷凝为液态，流回液体液面21内，通过给液体液面2使水平蒸发段12内被蒸发的工作介质得到补充，实现了真空管4水平放置时热管1内没有轴向高度差的水平传热。这样，本发明的热管式太阳能真空管可方便地水平结合于建筑物上，其吸热不再受太阳入射角的影响，从而克服了传统太阳能真空管在夏天吸热减少的缺陷。
如图6所示，所述的热管1可为在整个轴向方向上均没有高度位差的水平热管，其蒸发段12与冷凝段13为于同一水平位置上。该热管1工作时，在该热管1的整个轴向方向上呈液态的工作介质2形成连续的液体液面21，液面21与其上方的热管1内壁11之间形成气体流通通道3，通过该连续的液面21和气体流通通道3，实现热管1的水平持续传热，将真空管4内的蒸发段12吸收的热量不断传递给真空管4外的与冷凝段12接触的冷源中。
如图7所示，在本发明中，所述的热管1伸出真空管4外的冷凝段13也可高于真空管4内水平的蒸发段12。工作时，该水平的蒸发段12的液态工作介质吸热蒸发为气态，该气态的工作介质2通过气体流通通道3到达较高的冷凝段13被冷凝为液态，该液态的工作介质首先在重力作用下流回到蒸发段内液态工作介质形成的液面21内，通过该液面21使整个蒸发段12内被蒸发的工作介质得到补充，实现该热管式太阳能真空管的持续换热循环。
本发明中的真空管4可为双层全玻璃真空管，也可为单层玻璃-金属真空管。
如实施例1所述，为保证热管1的正常传热循环和传热效率，该水平的连续液面21的高度最好为热管径向高度的1/10-1/2。其最佳选择为液面21的高度为热管1径向高度的1/3。
上述实施例为本发明的几种具体实施方式，仅用于说明本发明，而非用于限制本发明。