上集管截面积变化的热管的制作方法

本发明属于热管领域，尤其涉及一种换热热管。

背景技术：

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备，其中包括核电领域，例如核电的余热利用等。

目前的热管，尤其是多管路的环路热管，在设计中上部冷凝管都是与水平面保持相同高度，如图1所示，此种设计导致上集管中部换热流体会多于两端，导致中部换热量大，两端换热量小，造成换热不均匀，大大的影响了换热的效率，影响了热管的使用寿命。

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的热管，从而解决热管换热的情况下的换热系数低及其换热不均匀的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种新的热管，从而解决前面出现的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种热管，包括下集管、上集管、上升管和回流管，所述上升管与下集管和上集管相连通，所述下集管是蒸发端，所述冷凝端包括上集管以及上升管的至少一部分，所述流体在下集管内吸热蒸发，经过上升管的至少一部分和上集管进行换热后，在上集管内冷凝，冷凝的流体通过回流管回到下集管；所述回流管连接上集管和下集管的两端，从所述的上集管的中部向上集管的两端，上集管的横截面积逐渐增加。

作为优选，上集管的上部管壁或者下部管壁为抛物线结构。

作为优选，上集管的上部壁面为水平面，上集管的下部壁面为弯曲或弯折结构。

作为优选，从上集管下部管壁的中间位置向下部管壁的两端为直线结构。

作为优选，上集管下部管壁两端与中点的连线之间形成的夹角为160－170°。

作为优选，上升管为环管，所述环管为一个或者多个，每个环管包括圆弧形的多根换热管，相邻换热管的端部连通，使多根换热管形成串联结构，并且使得换热管的端部形成换热管自由端。

作为优选，多根圆弧形的换热管的中心线为同心圆的圆弧。

作为优选，回流管连接下集管和上集管的两侧端部的位置。

作为优选，所述同心圆是以上集管的横截面的中心为圆心的圆。

作为优选，所述下集管的管径小于上集管的管径。

作为优选，下集管的内径为R1，上集管的内径为R2，则0.45<R1/R2<0.88。

作为优选，所述环管为多个，所述多个环管为并联结构。

作为优选，随着距离下集管的中心越远，相邻换热管之间的距离越来越大。

作为优选，下集管的内径为R1，上集管的内径为R2，换热管的外径为D，相邻换热管的中心线的距离是L，满足如下关系：

10*c*（R1/R2）=a-b*Ln(5*D/L)，其中Ln是对数函数，a,b是系数，c是修正系数；

f是下部管壁从端部向中间连线形成的夹角，为160－170°；

上部管壁为水平结构，下部管壁为倾斜结构，c=d/sin(f/2)，其中1.012<d<1.033; 作为优选，d随着f的增加而增加；

其中17.03<a<18.12,9.15<b<10.11；

55mm<R1<100mm；95mm<R2<145mm；

25mm<D<80mm；40mm<L<120mm；

0.45<R1/R2<0.88；

0.5<D/L<0.7。

作为优选，a=17.54,b=9.68。

与现有技术相比较，本发明的板式换热器及其换热管壁具有如下的优点：

1）本发明通过上集管从中间向两端，横截面越来越大，使得集管中部面积小，两端面积大，中部受热多，因此流体分布多，通过本发明可以将中部流体向两端分布，保证整体的上集管换热均匀，避免上集管的热量及其温度分布不均匀，从而延长热管的使用寿命。

2）本发明通过上集管下壁面从中部向两端形成倾斜结构，从而使得冷凝后的液体能够快速的流到端部，从而通过回流管流到蒸发管，能够保证冷凝后的流体快速流出，提高换热效率及其换热的均匀性。

3）本发明首次提出了环管式的热管结构，并且，通过设置环管，换热流体受热后会产生体积膨胀，诱导环管自由端产生振动。从而使得周围流体形成进一步扰流，进一步强化传热。

4）本发明对环管换热管的管径大小以及管间距距离下集管的中心线的距离变化的设置，进一步提高了热管的换热效果。

5）本发明通过大量的试验，优化了热管的参数的最佳关系，从而进一步提高换热效率。

附图说明

图1为背景技术的热管装置正面示意图。

图2为本发明优选实施例的热管装置正面示意图。

图3为本发明优选实施例热管装置正面示意图。

图4是图2或3中的A-A截面视图。

图5是图4结构的尺寸示意图。

图中：1、下集管，2、上集管，2-1、上集管下部管壁，2-2上集管上部管壁，3、上升管，4、换热管，5、回流管，6、自由端，7、自由端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

如图2所示的一种热管，包括下集管1、上集管2、上升管3和回流管5，所述上升管2与下集管1和上集管2相连通，所述下集管1是蒸发端，所述冷凝端包括上集管2以及上升管3的至少一部分，所述流体在下集管1内吸热蒸发，经过上升管3的至少一部分和上集管2进行换热后，在上集管1内冷凝，冷凝的流体通过回流管5回到下集管1；如图2所示，从所述的上集管2的中部（即点F）向上集管1的两端（即点G、Ｈ），上集管2的横截面积逐渐增加。

本发明通过上集管２从中间向两端，横截面越来越大，使得集管中部面积小，两端面积大，中部受热多，因此流体分布多，通过本发明可以将中部流体向两端分布，保证整体的上集管换热均匀，避免上集管２的热量及其温度分布不均匀，从而延长热管的使用寿命。

通过实验发现，采取上述的技术方案，与图1的技术方案相比，能够提高10－14％的换热效率。

作为优选，上集管２的上部管壁2-1和/或者下部管壁2-2为抛物线结构（即图2中GFH这3个点构成的线是抛物线）。所述抛物线的最低点或者最高点为上部管壁2-2或下部管壁2-1的中点。

通过设置抛物线结构，能够进一步增加流体换热分布的均匀性。

作为优选，如图3所示，上集管2的上部壁面为水平面，上集管2的下部壁面2-2为弯曲或弯折结构。

作为优选，从上集管2下部管壁2-2的中间位置向下部管壁2-2的两端为直线结构。

作为优选，上集管下部管壁两端与中点的连线之间形成的夹角为160－170°。

如图2、3所示，所述的上集管2的下部管壁2-1的中间位置F高于上集管的下部管壁2－1的两端G和H。

本发明通过设置上集管从中部向两端形成倾斜结构，从而使得冷凝后的液体能够快速的流到端部，从而通过回流管流到蒸发管，能够保证冷凝后的流体快速流出，提高换热效率及其换热的均匀性。

作为优选，如图2所示，从上集管2下部管壁2－1的中间位置向下部管壁2－1的两端为直线结构。

作为优选，上集管下部管壁之间形成的夹角f为160－170度。通过实验发现，夹角f不能过大，也不能过小，过大导致下部管壁2-1倾斜度太大，冷凝后的液体没有来得及参与显热换热就流入下集管。同理，如果太小，则导致回流效果不好。

作为优选，如图3所示，所述上集管上部管壁2-2高度相同。图2中，上部管壁2-1和下部管壁2-2都是采取从中间向下倾斜的形状，而图3采取了新的结构形式，上部管壁2-2采取水平形状，不是倾斜形状，采取图3的结构，使得上集管从中间向两端，横截面越来越大，能够将换热流体向两端分布，保证整体的上集管换热均匀，避免上集管的热量及其温度分布不均匀，从而延长热管的使用寿命。

作为优选，上升管3为环管3，所述环管3为一个或者多个，每个环管3包括圆弧形的多根换热管4，相邻换热管4的端部连通，使多根换热管4形成串联结构，并且使得换热管4的端部形成换热管4自由端。

作为优选，环管3为一个或者多个，例如，图1展示了多个环管3。

如图2所示，上集管2位于下集管1的上部。

如图4所示，每个环管3包括圆弧形的多根换热管4，相邻换热管4的端部连通，使多根换热管4形成串联结构，并且使得换热管4的端部形成换热管自由端6、7。

热管在进行工作时，通过上集管2以及环管3与其他流体进行换热。其他流体可以仅仅与环管3的一部分进行换热，例如图4中的与下集管1连接的环管3的部分不参与换热。

作为优选，不参与换热的部分是绝热端。即此时热管包括蒸发端、冷凝端和绝热端，其中蒸发端是下集管1，绝热端是与下集管1连接的环管3的一部分，其余部分是冷凝端。

作为优选，仅仅将下集管1作为蒸发端，上集管2和环管作为冷凝端，没有绝热端。

本发明提供了一种新的结构的热管，通过设置环管，换热流体受热后会产生体积膨胀，从而形成蒸汽，而蒸汽的体积远远大于水，因此形成的蒸汽会在环管内进行快速冲击式的流动。因为体积膨胀以及蒸汽的流动，能够诱导环管1自由端6、7产生振动，换热管自由端6、7在振动的过程中将该振动传递至周围换热流体，流体也会相互之间产生扰动，从而使得周围的换热流体形成扰流，破坏边界层，从而实现强化传热的目的。

通过实验发现，相对于现有技术的一直处于静置状态的热管，换热效率提高25－35％。

作为优选，所述下集管1、上集管2以及环管3都是圆管结构。

作为优选，回流管5连接下集管1和上集管2的两侧端部的位置。这样保证流体在上集管2内的流动路径长，能够进一步增加换热时间，提高换热效率。

作为优选，换热管4是弹性换热管。将换热管4设置弹性换热管，可以进一步增加自由端的扰流，可以进一步提高换热系数。

作为优选，多根圆弧形的换热管4的中心线为同心圆的圆弧。

作为优选，所述同心圆是以上集管2的中心为圆心的圆。即环管3的换热管4围绕着上集管2的中心线布置。

如图4所示，换热管4不是一个完整的圆，而是留出一个口部，从而形成换热管的自由端。所述口部的圆弧所在的角度为70－120度，即图5夹角b和c之和是70－120度。

作为优选，所述下集管1的管径小于上集管2的管径。

下集管的内径为R1，上集管的内径为R2，作为优选则0.45<R1/R2<0.88。

通过上述设置，可以进一步强化传热，提高8－15％的换热效率。

作为优选，随着距离上集管2的中心越远，相邻换热管4之间的距离越来越大。例如如图2所示，沿着上集管2的中心为圆心的径向方向，换热管BC之间的距离大于AB之间的距离，换热管CD之间的距离大于BC之间的距离。

作为优选，相邻换热管4之间的距离越来越大的幅度不断的增加。

通过上述的优选设置，可以进一步提高换热效率，增加换热的热量分布的均匀性。通过实验发现，通过上述设置可以提高8－12％的换热效率。

作为优选，随着距离上集管2的中心越远，换热管4的直径越来越大。

作为优选，换热管4的直径越来越大的幅度不断的增加。

通过上述的优选设置，可以进一步提高换热效率，增加换热的均匀性。通过实验发现，通过上述设置可以提高10％左右的换热效率。

作为优选，如图2、3所示，所述环管4为多个，所述多个环管4为并联结构。

在试验中发现，下集管1、上集管2以及换热管4之间的距离关系可以对换热效率以及均匀性产生影响。如果换热管4之间距离过大，则换热效率太差，换热管4之间的距离太小，则换热管4分布太密，也会影响换热效率，集管以及换热管的管径大小影响容纳的液体或者蒸汽的体积，则对于自由端6、7的振动会产生影响，从而影响换热。因此下集管1、上集管2的管径的大小与换热管4之间的距离具有一定的关系。

本发明是通过多个不同尺寸的热管的试验数据总结出的最佳的尺寸关系。从换热效果中的换热量最大出发，计算了近200种形式。所述的尺寸关系如下：

下集管的内径为R1，上集管的平均内径为R2，换热管的外径为D，相邻换热管的中心线的距离是L，满足如下关系：

10*c*（R1/R2）=a-b*Ln(5*D/L)，其中Ln是对数函数，a,b是系数，c是修正系数，根据不同的实施例取值不同；

f是下部管壁从端部向中间连线形成的夹角，即图2、3中直线FG和FH之间形成的夹角，为160－170°；

针对图3的实施例，上部管壁2-2为水平结构，下部管壁为倾斜结构，c=d/sin(f/2)，其中1.012<d<1.033; 作为优选，d随着f的增加而增加；

其中17.03<a<18.12,9.15<b<10.11；

55mm<R1<100mm；95mm<R2<145mm；

25mm<D<80mm；40mm<L<120mm；

0.45<R1/R2<0.88；优选为0.5-0.8，进一步优选为0.59<R1/R2<0.71；

0.5<D/L<0.7；优选0.58<D/L<0.66。

作为优选，17.32<a<17.72,9.45<b<9.91；

进一步优选，a=17.54,b=9.68。

作为优选，换热管的数量为3－5根，优选为3或4根。

作为优选，随着R1/R2的增加，a的数值不断的增加，b的数值不断的减小。通过这种变化，使得热管的结构参数更加优化合理，计算的数据更加准确。

下集管1和上集管2中心线的距离为320－380mm；优选为340－360mm。

作为优选，换热管的半径优选为10－40mm；优选为15－35mm，进一步优选为20－30mm。

如果相邻的换热管的直径不同，换热管的直径D取值为相邻的换热管直径的平均值。

上集管的内径R2采取平均值，即上集管不同位置内径的加权平均值。

进一步优选，同一环管换热管4的中心线位于同一平面上。作为优选，所述平面垂至于下集管1和上集管2的中心线形成的平面。作为优选，不同环管换热管4的中心线形成的平面互相平行。

进一步优选，相邻环管3之间的距离为环管换热管4外部直径的2.8-3.6倍。相邻环管3之间的距离是以环管换热管4的中心线所在的平面之间的距离来计算的。

进一步优选，如果环管换热管直径不同，则取同一环管的换热管的直径的平均值来作为环管的平均直径。例如图2所示取换热管A－D的平均值。然后相邻的两个环管3的直径平均值来计算相邻环管的距离。

作为优选，换热管在同一侧的自由端6、7的端部对齐，在同一个平面上，端部的延长线（或者端部所在的平面）经过下集管1的中线，如图3所示。

作为优选，如图4所示，环管3的内侧换热管的第一端与上集管2连接，第二端与相邻的外侧换热管一端连接，环管3的最外侧换热管的一端与下集管1连接，相邻的换热管的端部连通，从而形成一个串联的结构。

作为优选，下集管1和上集管2的中心的连线所在的平面为竖直方向。

如图5所示，第一端6所在的平面与下集管1和上集管2中心线所在的平面形成的夹角c为40－65度。

第二端7所在的平面与下集管1和上集管2中心线所在的平面形成的夹角b为55－65度。

通过上述优选的夹角的设计，使得自由端的振动达到最佳，从而使得换热效率达到最优。

如图4所示，环管的换热管4为4个，换热管A、B、C、D联通。当然，不局限于四个，可以根据需要设置多个，具体连接结构与图2相同。

所述环管3为多个，多个浮动环管1分别独立连接下集管1和上集管2，即多个浮动环管1为并联结构。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。