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1、10申请公布号CN104121794A43申请公布日20141029CN104121794A21申请号201410360548722申请日20140725F28D15/0220060171申请人中国科学院工程热物理研究所地址100190北京市海淀区北四环西路11号72发明人李铁桂小红刘强姜玉雁唐大伟74专利代理机构中科专利商标代理有限责任公司11021代理人宋焰琴54发明名称一种单向环路重力热管及其制造方法57摘要本发明公开了一种单向环路重力热管，包括液包、短连接管、缩口变径接头和长连接管；以及一种单向环路重力热管的制造方法。本发明通过在环路重力热管中添加缩口变径接头实现缩口结构，使环路重力热。
2、管内部的工质在工作时流动方向唯一确定，即整个热管表现出单向性，从而较普通的环路重力热管启动更为迅速，散热端的热量得到更高效的利用；此外，本发明的受热端位于热管的最低端，这使本发明具有广泛的适用性，而且结构紧凑，成本较低。51INTCL权利要求书1页说明书6页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图3页10申请公布号CN104121794ACN104121794A1/1页21一种单向环路重力热管，包括由液包和连接管构成的环路。2根据权利要求1所述的单向环路重力热管，其中所述连接管包括短连接管和长连接管，在所述短连接管和长连接管之间还连通有缩口变径接头。。
3、3根据权利要求2所述的单向环路重力热管，其中所述缩口变径接头由缩口管道及其两端的连接通道组成，在所述缩口管道处形成缩口结构，所述缩口管道两端的连接通道分别连通所述短连接管和所述长连接管。4根据权利要求3所述的单向环路重力热管，其中所述缩口变径接头的缩口管道处的内径尺寸为与其连通的所述短连接管内部管道直径的5070。5根据权利要求2所述的单向环路重力热管，其中在所述长连接管上还设置有扩口变径接头，所述扩口变径接头由扩口管道、细管连接通道和粗管连接通道组成，所述细管连接通道和粗管连接通道分别与上下两段的长连接粗管和长连接细管的一端连通，且所述扩口管道的直径大于所述长连接细管内部管道的直径而小于长连。
4、接粗管内部管道的直径。6根据权利要求2至5任一项所述的单向环路重力热管，其中所述的液包、短连接管、缩口变径接头和长连接管均采用选白不锈钢、碳钢或紫铜中的同一种金属材料制成。7根据权利要求1至5任一项所述的单向环路重力热管，其中充装于所述单向环路重力热管内部的工质为水，或者NA、K质量百分比为2278的NAK合金；以及所述工质的常温充液率为5595。8一种单向环路重力热管的制造方法，包括下列步骤分别加工液包、短连接管、缩口变径接头、长连接管以及充液口；对完成加工的上述零件进行清洗，然后依次焊接所述液包、短连接管、缩口变径接头、长连接管形成环路热管，并在所述长连接管的开孔处焊接充液口；对焊接完成的。
5、所述环路热管抽真空检漏；对所述环路热管进行真空除气，对除气完的所述环路热管再次检漏；通过充液口将所述工质充装到热管管壳内部，对完成充装的热管在充液口处封装。9根据权利要求8所述的单向环路重力热管的制造方法，其中所述的焊接液包、短连接管、缩口变径接头、长连接管形成环路热管的步骤中还包括将长连接管分为上下两段的长连接粗管和长连接细管，依次焊接液包、短连接管、缩口变径接头、长连接粗管、扩口变径接头、长连接细管形成环路热管的步骤，其中所述扩口变径接头由扩口管道、细管连接通道和粗管连接通道组成，所述细管连接通道和粗管连接通道分别与所述长连接粗管和所述长连接细管的一端连通，且所述扩口管道的直径大于所述长连。
6、接细管内部管道的直径而小于长连接粗管内部管道的直径。10根据权利要求8所述的单向环路重力热管的制造方法，其中对所述环路热管检漏的标准为判断所述环路热管中的真空度能否达到9104PA以下。权利要求书CN104121794A1/6页3一种单向环路重力热管及其制造方法技术领域0001本发明涉及热传输设备领域，更具体地涉及一种重力热管，尤其是一种环路重力热管，以及其制造方法。背景技术0002热管是依靠自身内部工作液体的相变实现传热的传热元件，具有很高的导热性、优良的等温性、广泛的环境适应性等优点。重力热管又称为热虹吸管，依靠重力差实现热管功能。重力热管是一种无吸液芯的热管，因此结构相对简单、成本低廉，。
7、目前已经得到广泛的应用。热管内部必须具备一条完整的回路供工质循环流动，是重力热管能够正常工作运行的必要条件。环路重力热管通过环管结构，其内部构成工质工作循环必须的一条完整回路。然而，受热端位于最低端的普通环路重力热管在工作时，其内部的工质往往会同时沿两根管向高处流动，大充液率常温下的充液率55的热管在工作中这种现象尤为明显。这种现象产生后会出现以下弊端首先，管内工质由热管最低的受热端同时沿两根管道向高处流动，出现“两头顶”现象，使得驱动热管内部工质循环流动的动力压头被削弱，从而热管启动变慢，甚至热管不能正常启动工作；其次，热管内部工质的循环流动方向呈随机性或顺时针或逆时针方向流动，不便于热管散。
8、热端热量的传输和利用。发明内容0003鉴于此，本发明的目的在于提供一种可以使热管内部的工质在工作中具有单向流动性以下简称“单向性”的单向环路重力热管及其制造方法，以克服“两头顶”、启动慢，以及流动方向不确定导致的传热效率低下的问题。0004作为本发明的一个方面，本发明提供了一种单向环路重力热管，包括由液包和连接管构成的环路。0005其中，所述连接管包括短连接管和长连接管，在所述短连接管和长连接管之间还连通有缩口变径接头。0006其中，所述缩口变径接头由缩口管道及具两端的连接通道组成，在所述缩口管道处形成缩口结构，所述缩口管道两端的连接通道分别连通所述短连接管和所述长连接管。0007优选地，所述。
9、缩口变径接头的缩口管道处的内径尺寸为与其连通的短连接管内部管道直径的5070。0008其中，在所述长连接管上还设置有扩口变径接头，所述扩口变径接头由扩口管道、细管连接通道和粗管连接通道组成，所述细管连接通道和粗管连接通道分别与上下两段的长连接粗管和长连接细管的一端连通，且所述扩口管道的直径大于所述长连接细管内部管道的直径而小于长连接粗管内部管道的直径。0009其中，所述的液包、短连接管、缩口变径接头和长连接管均采用选白不锈钢、碳钢或紫铜中的同一种金属材料制成。0010其中，充装于所述单向环路重力热管内部的工质为水，或者NA、K质量百分比为说明书CN104121794A2/6页42278的NAK。
10、合金；以及所述工质的常温充液率为5595。0011作为本发明的另一个方面，本发明还提供一种单向环路重力热管的制造方法，包括下列步骤0012分别加工液包、短连接管、缩口变径接头、长连接管以及充液口；0013对完成加工的上述零件进行清洗，然后依次焊接所述液包、短连接管、缩口变径接头、长连接管形成环路热管，并在所述长连接管的开孔处焊接充液口；0014对焊接完成的所述环路热管抽真空检漏；0015对所述环路热管进行真空除气，对除气完的所述环路热管再次检漏；0016通过充液口将所述工质充装到热管管壳内部，对完成充装的热管在充液口处封装。0017其中，所述的焊接液包、短连接管、缩口变径接头、长连接管形成环路。
11、热管的步骤中还包括将长连接管分为上下两段的长连接粗管和长连接细管，依次焊接液包、短连接管、缩口变径接头、长连接粗管、扩口变径接头、长连接细管形成环路热管的步骤，其中所述扩口变径接头由扩口管道、细管连接通道和粗管连接通道组成，所述细管连接通道和粗管连接通道分别与所述长连接粗管和所述长连接细管的一端连通，且所述扩口管道的直径大于所述长连接细管内部管道的直径而小于长连接粗管内部管道的直径。0018其中，对所述环路热管检漏的标准为判断所述环路热管中的真空度能否达到9104PA以下。0019通过上述技术方案可知，本发明具有以下优点通过在环路重力热管中添加缩口变径接头实现缩口结构，使环路重力热管内部的工质。
12、在工作时流动方向唯一确定，即整个热管表现出单向性；由于单向性，本发明较普通的环路重力热管启动更为迅速；由于单向性，本发明所述的热管的散热端的热量便于得到更高效的利用；受热端位于热管的最低端，这种受热结构决定了本发明具有广泛的适用性，而且结构紧凑，成本较低。附图说明0020图1为本发明实施例1的单向环路重力热管的结构图；0021图2为本发明实施例1的单向环路重力热管中缩口变径接头的结构图；0022图3为本发明实施例2的单向环路重力热管的结构图；0023图4为本发明实施例2的单向环路重力热管的扩口变径接头的结构图；0024图5为本发明实施例2的单向环路重力热管的缩口变径接头的结构图；0025图6为。
13、本发明实施例2的单向环路重力热管的强制冷却区域的分布示意图；0026图7为本发明实施例2的单向环路重力热管单向性实际测试的实际热管照片；0027图8为充液率为94的热管实验数据；0028图9为充液率为81的热管实验数据。0029图中的附图标记的含义为0030A1、液包，A2、短连接管，A3、缩口变径接头，A4、长连接管，A5、充液口，A21、短连接管内部管道，A31、缩口管道，A32、连接通道，A41、长连接管内部管道，B1、液包，B2、短连接管，B3、缩口变径接头，B4、长连接粗管，B5、充液口，B6、扩口变径接头，B7、长连接细管，B21、短连接管内部管道，B31、缩口管道，B41、长连接。
14、粗管内部管道，B61、扩口管道，B62、细管连说明书CN104121794A3/6页5接通道，B63、粗管连接通道，B71、长连接细管内部管道，C1、受热区域，C2、可安排强制冷却区域。具体实施方式0031为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。0032本发明所述的单向环路重力热管的工作原理是本发明所述的单向环路重力热管工作时，竖直放置在工作环境中，液包位于整个热管的最低端，作为热管的受热端。液包上端包括短连接管、缩口变径接头、长连接管在内所形成的环管均可作为热管的散热端。液包开始受热之后，液包内的液态工质会逐渐气化，在受热膨胀。
15、效应及浮力的作用下，内部的工质开始具有沿与液包上端两个开孔相连的短连接管和长连接管同时上升流动的趋势，因此液包中的工质将分为两路上升流动。其中一路工质通过短连接管上升流动到与短连接管相连接的缩口变径接头内部的缩口位置时，会遇到较大的阻力，从而大幅削弱从短连接管上升流动的工质的动力压头，缩口起到阻止该路工质冲过缩口变径接头继续向上流动的作用；同时，液包中的另一路工质在沿长连接管向上流动的过程中没有遇到突然增大的阻力，因此液包中越来越多的工质会沿长连接管上升。短连接管中一开始具有上升流动趋势的工质遇到缩口变径接头的缩口之后，在重力作用下流回液包内，将从长连接管一侧上升流动。由于工质沿长连接管流经热。
16、管环路时会被冷却，其中的气态工质在流过长连接管的顶端后遇冷液化，形成液态工质下降流动到缩口变径接头的上端与长连接管相连的位置，在缩口变径接头的缩口位置的上端形成较长的液态工质柱，在较大的重力作用下，液态工质会继续下降流过缩口位置，经短连接管流回液包中。至此热管完全启动进入正常工作状态，其内部的工质沿液包长连接管缩口变径接头短连接管液包的特定方向循环流动，形成具有单向性的环路重力热管。0033进一步地，本发明的单向环路重力热管在长连接管上还可以设置扩口变径接头，扩口变径接头能够根据需要实现两种不同管径的管道连接，使它们共同组成长连接管；并且由于扩口变径接头能够使得长连接管的内部管道截面积增加，这。
17、会使工质通过扩口变径接头之后更加顺畅的流动。0034更具体地，本发明所述的单向环路重力热管，由管壳和充装于管壳内部的工质制作而成。管壳的所有零件用同一种金属材料制成，该金属材料的选用要满足与管内工质的相容性原则，具体可以使用不锈钢、碳钢或者紫铜等，视充装工质和需要的工作状况而定。管壳具体包括液包、短连接管、缩口变径接头、长连接管以及充液口等部分。其中，液包是用金属加工成的腔体，它的上端面上有两个孔，分别与短连接管和长连接管连接；短连接管和长连接管之间通过缩口变径接头连通，它们与液包一起形成完整的环路。缩口变径接头由缩口管道及其两端的连接通道组成，在缩口管道处形成缩口结构，缩口管道的内径最小，为。
18、连接短连接管的连接通道内径的5070，缩口管道两端的连接通道分别连通短连接管和长连接管，连接通道的内径与长连接管和短连接管的外径分别相等。在长连接管的顶端某个位置的管壁上开孔，该孔与充液口连接；充液口为一根细的金属短管。此外，在长连接管上还可以设置扩口变径接头。扩口变径接头由扩口管道、细管连接通道、粗管连接通道组成，细管连接通道与长连接细管连接，粗管连接通道与长连接粗管连接，扩口管道的直径大说明书CN104121794A4/6页6于长连接细管内部管道的直径而小于长连接粗管内部管道的直径，由此在扩口变径接头的内部形成了扩口管道。充装于热管管壳内部的工质要满足与管壳材料的相容性要求，可以是水、NA。
19、K合金NA、K的质量百分比分别为22、78，以下简记为2278等常温下为液态、适合用于充装热管的工质，常温下的体积充装量为管壳内部容积的5595，即工质的常温充液率为5595。0035本发明提供的单向环路重力热管，具有以下特点1、受热端在工作时位于整个热管的最低端；2、环路由多个管道段以及连接这些管道段的接头构成，接头内部为变径结构；3、工质可以是水，NAK2278等常温下为液态、适合用于充装热管的工质；4、充液率在5595；5、热管的管壳是与充装其内部的工质相容的金属材料。具有上述特点的环路重力热管将会达到以下目的工作时，热管内部工质的流动方向将唯一确定，即每次启动后都将沿同一顺时针或逆时针。
20、方向流动，具有单向性；这种单向性将有效避免工质由热管最低的受热端同时沿两根管道向高处流动现象的出现，从而有效避免动力压头被大幅削弱；热管的启动时间将缩短；便于更好的安排热管散热端热量的利用方法。0036本发明所述的一种单向环路重力热管的主要制作过程如下首先根据用途需求选定工质以及与其相容的用于制作热管管壳的金属材料；然后根据各个零件的特点分别加工液包、短连接管、缩口变径接头、长连接管以及充液口；对完成加工的上述零件进行清洗，然后依次焊接液包、短连接管、缩口变径接头、长连接管形成环路热管，并在长连接管的开孔处焊接充液口。对焊接完成的热管管壳抽真空检漏，若真空度能达到9104PA则标志着管壳的真空。
21、度达到热管的充装及工作要求。之后对管壳进行真空除气，对除气完的管壳再次检漏，若真空度仍然能达到9104PA，则可以对热管充装工质。工质通过充液口进入热管管壳内部，其充液率在5595范围内均可。对完成充装的热管在充液口处封装。在工质的整个充装过程中，热管管壳内应严格保证高真空环境，直至完成封装。至此，本发明所述的一种单向环路重力热管制作完成。0037进一步地，当在长连接管上设置扩口变径接头时，同样执行上述步骤，只是在清洗和焊接步骤中增加了由扩口管道、细管连接通道、粗管连接通道组成的扩口变径接头部件。0038下面结合具体实施例对本发明的单向环路重力热管作进一步的阐述。0039实施例10040如图1。
22、所示，本发明所述的一种单向环路重力热管管壳的基本结构包括液包A1、短连接管A2、缩口变径接头A3、长连接管A4以及充液口A5。其中，液包A1、短连接管A2、缩口变径接头A3、长连接管A4均使用同一种金属材料，依次焊接形成环路；其中，缩口变径接头A3内部的结构如图2所示，其内部的缩口管道A31的上端连接通道A32连接长连接管A4，缩口管道A31的下端连接通道A32连接短连接管A2；缩口管道A31的直径均小于长连接管内部管道A41和短连接管内部管道A21的直径，因此在缩口管道A31处形成缩口，对从短连接管A2流向长连接管A4的工质起到阻碍作用。缩口结构的存在即可起到阻碍工质流动的作用，但优选地，缩。
23、口变径接头的缩口管道处的内径尺寸为与其连通的短连接管内部管道直径的5070时效果最佳。长连接管A4的顶端开口，与充液口A5焊接，至此完成了热管管壳的加工。对加工完成的热管管壳进行抽真空检漏，若真空度能达到9104PA则标志着管壳的真空度达到热管的充装及工作要求。之后对管壳进行真空除气，对除气完的管壳再次检漏，若真空度仍然能达到9104PA，则对热管充装工质。工质可以是水或者NAK说明书CN104121794A5/6页7合金2278等常温下为液态、适合用于充装热管的工质，通过充液口A5进入热管管壳内部，其充液率在5595范围内均可。对完成充装的热管在充液口处封装。在工质的整个充装过程中，热管管壳。
24、内应严格保证高真空环境，直至完成封装。至此，本发明所述的一种单向环路重力热管制作完成。0041工作时，本发明所述的一种单向环路重力热管需要竖直放置，其中液包A1位于最低端。液包A1作为热管的受热端被热源直接加热，其内部的工质由于受热具有上升流动趋势；短连接管A2、缩口变径接头A3、长连接管A4形成热管的散热端；由于缩口变径接头A3内部的缩口管道A31对从短连接管A2内部的短连接管内部通道A21中上升流动到此处的工质产生较大的阻力，使其无法快速通过此处；与此同时，液包A1中的一部分受热工质从长连接管A4中的长连接管内部管道A41持续上升流动，经过长连接管A4的顶端流动到缩口变径接头A3的上端，在。
25、重力作用下，下降流过缩口管道A31，经由短连接管A2内部的短连接管内部管道A21流回液包A1，完成吸热放热再吸热的循环。综上，本发明实现环路重力热管的单向工作特性，即本发明所述的一种单向环路重力热管内部的工质在工作时始终会沿液包A1长连接管A4缩口变径接头A3短连接管A2液包A1的方向持续循环流动。0042实施例20043本发明所述的一种单向环路重力热管也可以用直径不同的金属管制作完成。如图3所示，某些场合下，由于空间和受热端的限制，与液包相连的短连接管B2以及长连接细管B7必须使用相同规格、直径较细的金属管。为了强化散热、减小工质在散热管路中的流动阻力，往往需要在起到散热作用的热管环路中引入。
26、一段较粗的长连接粗管B4，形成具有扩口变径接头B6以及缩口变径接头B3的粗、细管散热环路。由此，本发明所述的一种单向环路重力热管的管壳可以由液包B1、短连接管B2、缩口变径接头B3、长连接粗管B4、扩口变径接头B6、长连接细管B7依次焊接而成，充液口B5焊接在长连接粗管B4的顶端。其中，长连接粗管B4的外径和内径均分别大于长连接细管B7的外径和内径，长连接细管B7的外径和内径分别等于短连接管B2的外径和内径。扩口变径接头B6的结构如图4所示，扩口变径接头B6内部的扩口管道B61的下端是细管连接通道B62，它与长连接细管B7相连，扩口变径接头B6内部的扩口管道B61的上端是粗管连接通道B63，它。
27、与长连接粗管B4相连；扩口管道B61的直径介于长连接细管内部管道B71的直径和长连接粗管内部管道B41之间，因此，扩口管道B61对于从长连接细管内部管道B71向长连接粗管内部管道B41流动的工质形成渐扩管道结构；缩口变径接头B3的结构如图5所示，其内部的缩口管道B31的下端与短连接管B2内部的短连接管内部管道B21连通，缩口变径接头B3内部的缩口管道B31的上端与长连接粗管B4内部的长连接粗管内部管道B41连通，缩口管道B31的直径均小于长连接粗管内部管道B41和短连接管内部管道B21的直径。其余制作过程与实施例1中所述的完全相同，在此不再赘述。0044工作时，热管内部的工质会始终沿液包B1长。
28、连接细管B7扩口变径接头B6长连接粗管B4缩口变径接头B3短连接管B2液包B1的方向持续循环流动。其余工作要求和工作情形与实施例1中所述的相似。0045如图6所示，也可以在热管的可安排强制冷却区域C2处对热管的长连接粗管B4进行强制冷却，使其更快的散掉来自受热区域C1处的高强度热量。0046单向性实际效果的检测说明书CN104121794A6/6页80047对本发明实施例2所述的单相环路重力热管的单向性进行了实际检测，检测的情形如图7所示，其中底部的液包B1处为加热区域，用火焰直接加热，环管放置于室内环境中，依靠空气的自然对流对其中的工质散热。沿环管依次布置了5个测点，其中测点1位于离液包B1。
29、较近的长连接细管B7的壁面上，测点2位于扩口变径接头B6的下端长连接细管B7的壁面上，测点3位于扩口变径接头B6的上端长连接粗管B4的壁面上，测点4位于长连接粗管B4另一端的壁面上，测点5位于缩口变径接头B3的上端长连接粗管B4的壁面上，各测点的温度通过热电偶测量。热管工作时，底部液包B1中的工质由于受热上升流动，因此通过5个测点位置温度大幅陡升的先后顺序，可以检验按照本发明制作出的单向环路重力热管在工作中是否具有单向性。0048图8、图9为以水为工质，充液率分别是94、81的热管工作的实验数据，加热区域为液包B1。两支热管的实验数据均表明，热管启动工作时，测点1、测点2、测点3、测点4、测点。
30、5的温度随加热时间的推移顺次大幅提升，表明热管中的工质在工作中按照图7中测点1测点2测点3测点4测点5的方向流动，即按照实施例2中所述的液包B1长连接细管B7扩口变径接头B6长连接粗管B4缩口变径接头B3短连接管B2液包B1的方向持续循环流动，从而证明本发明所述的一种单向环路重力热管工作时具有单向性。0049以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。说明书CN104121794A1/3页9图1图2图3图4图5说明书附图CN104121794A2/3页10图6图7说明书附图CN104121794A103/3页11图8图9说明书附图CN104121794A11。