专利名称：热管温差空调设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及适用于需要全年不间断降温的场所的空调设备，尤其涉及在室外 温度低于室内温度的情况下，利用热管传热技术将室外冷量用于室内降温的热管温差空调 设备。
背景技术：
目前，在各类信息数据机房和大功率发射接收基站等场所，由于设备发热量高和 场所要求高度清洁，均配有专用的精密空调且需要全年不间断的工作。据统计，空调耗电量 占各类机房总耗电量的45%。全年共有8760小时，根据气象资料统计，以北京地区为例，自 然环境温度在20°C以下的时间约有5300小时。由于将外环境的冷空气引入室内无法解决 上述场所对室内空气的湿度和清洁度的要求，因此很难实现对自然冷量的直接利用。热管是一种新型高效的传热元件，在无需外加动力的情况下，热管可将大量的热 量通过很小的截面面积高效传输。热管具有很高的导热性，热管内部主要靠工作液体的汽、 液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和 蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，温降亦很 小，因而热管具有良好的等温性。目前采用热管技术的空调种类很多，且大多是将热管本体分为蒸发段和冷凝段两 部分，即所谓分离式热管，中间用管路连接，其蒸发段位于下部热端，冷凝段位于上部冷端， 之间通过导气管和回液导管连接为循环回路。通常情况下，是将分离式热管应用于机房空 调中，机房内的蒸发器为该系统的热端，机房外的冷凝器为其冷端。蒸发器中的循环工质在 机房内被加热蒸发为气体，经过气体总管进入冷凝器，并在冷凝器内冷凝为液体，然后通过 液体总管回到蒸发器，完成一个循环。冷凝器可以采用风机强迫对流方式或者自然对流方 式。然而，上述两种热管空调因其构造复杂成本较高且体积庞大，对安装现场环境和条件要 求苛刻，并且成本较高、检修困难。再者，这类空调还存在传热媒质在冰点以下不能工作，以 及液态媒质受温度变化体积改变使系统受压管道爆裂和不能与原配置空调联动等缺陷，
发明内容本实用新型的目的是针对上述问题提出一种传热结构简单、运行可靠、安装方便、 成本低的热管温差空调设备。为了实现上述目的，本实用新型提供一种热管温差空调设备，包括室内装置和室 外装置，该室内装置具有将室内热风送入风箱内的循环风机，该室外装置包括泵和具有第 一入口端和第一出口端的散热机构，其中该室内装置还包括至少一个热管和具有第二出口 端和第二入口端的冷箱，热管的热段布置在风箱内，其冷段密封地固定穿装入冷箱内，该第 二出口端和第一入口端、第一出口端和第一入口端分别通过连接管路流体连通，形成传热 媒质的闭合流路，该泵设置在该闭合流路中，该空调设备还包括用于控制运行的控制器。在上述热管温差空调设备运行过程中，室内装置通过循环风机将室内热风强制循环通过热管的热段，闭合流路中的传热媒质在泵的驱动下从散热机构的出口端经连接管路 从冷箱的入口端流入，在冷箱中吸收热管冷段传来的热量后，流出冷箱的出口，然后经连接 管路流回散热机构中。按照本实用新型的优选方案，为了尽可能多地收集室内的热量，热管被构造成其 热段和冷段的长度最佳比值为4. 5 1，这是因为，由于热管内工质的传热效率高和热容量 大的特点，与热段和冷段的长度之比为1 1的常规热管相比，在传递相同热量的情况下， 即使热管的冷段比热段短，也同样能够保持低温状态且有效地传递热量。这样一来，较大 程度地缩短了热管的总长度，从而减小了室内装置的体积。此外，为了更利于热管冷段的散 热，在该冷段上还装有散热翅片。按照本实用新型的另一个方案，为了克服现有技术中的热管空调设备采用清水为 传热媒质，而不能在0°c以下的低温状态工作的劣势。在本实用新型中，传热媒质采用冰点 低于-35°c的清洁流体，优选使用由质量百分比50%乙二醇+质量百分比35%蒸馏水+质 量百分比15%防蚀阻垢剂的混合而成的液态传热媒质，以确保空调设备在零下40°C至0°C 的低温环境下也能正常运行。此外，本领域技术人员应当明白，将热管的冷段密封地穿装入冷箱内是为了防止 冷箱内的流体渗漏入风箱。在本实用新型中，热管的冷段与冷箱的连接处设有气液隔离组 件，该密封组件优选包括穿心套管和橡胶密封，这种密封手段既解决了热管本身随温度变 化的微胀缩，又便于热管的装配和检修。根据本实用新型的另一方案，散热机构配设有冷却机构如冷却风机，控制器包括 用于检测室内温度的第一温度传感器和用于检测室外温度的第二温度传感器，控制器被配 置成在室外温度比室内温度低至少3°C的情况下启动所述循环泵，从而启动热管温差空调 设备，通过热管和传热媒质向室外传热，将室内温度维持在设定温度，该设定温度为工作场 所需要保持的温度，例如在机房中，设定温度一般为约25°c。有利的是，当温度传感器检测 室内温度比设定温度低0. 5°C时，控制器将关闭冷却风机，当温度传感器检测到室内温度比 设定温度低rc时，控制器将关闭所述泵，从而关闭热管温差空调设备。有利的是，在根据本实用新型的空调设备运行时，传热媒质在该冷箱中的流动方 向与热风在风箱中的流动方向相反，这样，可以确保传热媒质在离开冷箱处的热风温度最 高，以最大限度地带走热量。另外，冷箱的顶部处还设有用于灌注传热媒质的第一注入口，在本实用新型中，室外装置的散热机构有利地为散热盘管形式，该散热盘管的顶 端设有压力平衡容器和用于传热媒质的第二注入口，压力平衡容器的设置解决了传热媒质 尤其在温度变化时体积会发生改变而使闭合流路中的压力升高的问题。当传热媒质从冷 箱出来后，温度升高且体积膨胀，这时会有部分传热媒质流入压力平衡容器中，当传热媒质 经散热盘管散热后，温度降低且体积减小，这时，压力平衡容器中的传热媒质将补充入流路 中。对于根据本实用新型的热管温差空调设备来说，可以在室内装置中装设多根独立 的热管，可以将室内装置构造成模块，根据不同场所的特定需要，可以将多个这样的模块联 合起来工作。本领域技术人员应当理解，根据现场空间的实际情况，这些模块既可并联，也 可以串联，方便了空调的安装，并且根据需要，可以组合成不同功率的空调设备。在本实用新型中，在整个热管温差空调设备系统中，只有闭合流路中的传热媒质
4在无压状态下循环运行，使得设备的运行可靠性高且不易出现故障，对室内装置和室外装 置的安装也没有高度差的要求。在安装设备时，只需要用管连接室内装置和室内装置，并且 室内外装置均不需要保温处理。综上，根据本实用新型的热管温差空调设备与现有技术中的热管空调相比，具有 结构简单、便于装配、总体积小、适用温度范围大，因此更适用于各类信息数据机房、移动通 讯基站、UPS应急电源机房等设备发热量大、空调全年不停机的场所。并且根据室内恒温的 需要，能在-40°C至+80°C温度范围内，室外温度低于室内温度差值3°C以上的任意温段，根 据室温情况自动控制原配置空调机制冷部分的起停和热管温差空调器室外机散热工作状 态。
以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施例，其中图1为根据本实用新型的一个实施例的热管温差空调设备的结构示意图；图2为图1中空调设备所用的热管侧面示意图；图3为图1中热管的冷段与冷箱连接处的气液隔离组件结构剖视图；图4为根据本实用新型的热管温差空调设备中的多个热管的排列示意图；图5为图1中的热管温差空调设备的压力平衡容器的结构示意图。
具体实施方式
首先参看图1，示出了根据本实用新型的一个实施例的热管温差空调的结构示意 图。在该实施例中，热管温差空调设备包括室内装置1和室外装置8，该室内装置包括充满 液态传热媒质11的、具有入口端7b和出口端7a的冷箱5，布置在该冷箱下方的风箱3，以 及至少一个热管2 (在图1中仅示意性地画出一个)，这些热管如此安装，即，热管2的热段 2a位于风箱3中的风道内，热管的冷段2b通过气液密封组件4密封地固定穿装入冷箱5 中，热管的示例性配置方式可参见图4。如图3所示，气液密封组件4包括穿心套管和橡胶 密封垫4d，穿心套管由管芯4a、锁紧螺帽4b和密封螺套如构成。在安装热管2时，将热管 的冷段2b经管芯如穿过冷箱5的底板，在冷段2b和管芯如之间设有橡胶密封垫4d，用锁 紧螺帽4b旋紧，然后再通过密封螺套如压紧橡胶密封垫4d使之膨胀，即将热管密封地固 定安装在冷箱5的底板上，由此将冷箱5与风道密封隔开。此外，该室内装置还包括布置在 风道一侧的循环风机14，用于将室内热风送入风箱3的风道内。室外装置包括具有入口端9a和出口端9b散热机构17，通过各自的连接管路，冷箱 5出口端7a与散热机构17的入口端9a流体连通，散热机构17的出口端9b与冷箱5的入 口端7b流体连通，从而形成液态传热媒质的闭合流路，在闭合流路中的传热媒质11在常压 下运行。此外，室外装置8还包括布置在闭合流路中的泵12，并且包括用于空气空调设备运 行的控制器15。有利的是，如图2所示，本实用新型的热管2被构造成其热段加的长度和其冷段 2b的长度的比值在2 1 5 1的范围内，最佳比值为4. 5 1。这样的设计使得在传递 相同热量的情况下，即使热管冷段比热段短，也同样能够保持低温状态且有效地传递热量。 因此，较大程度地缩短了热管2的总长度，从而减小室内装置的高度和体积。此外，为了更利于热管2的冷段2b的散热，在冷段2b上装有散热翅片6。为了克服现有技术中的热管空调设备采用清水为传热媒质而不能在0°C以下的低 温状态工作的劣势，在该实施例中，优选使用由质量百分比50%乙二醇+质量百分比35% 蒸馏水+质量百分比15%防蚀阻垢剂的混合而成的液态传热媒质11，从而以确保空调设备 在零下40°C至0°C的低温环境下也能正常运行。但本领域技术人员应该明白，可以采用冰 点低于_35°C的任何清洁流体作为传热媒质。本文中提到的传热媒质均是市场上可以买到 的。在如图1所示的实施例中，散热机构17还配设有冷却风机16并且散热机构为散 热盘管形式，该散热盘管的顶端设有压力平衡容器13和传热媒质的注入口 10a，在冷箱5的 顶部也设有用于传热媒质11的注入口 10b。两隔注入口 IOa和IOb均为向闭合流路中注入 液态传热媒质11的操作位置。当室内装置1与室外装置8安装在一个水平面上或室外装 置8略高于室内装置1时，液态传热媒质11从室外装置8上的媒质注入口 IOa处注入；当 室内装置1高于室外装置8时，液态传热媒质11从室内装置1上的媒质注入口 IOb注入。 无论从哪个注入口注入媒质，均至加满为止。在第一次加满后，旋紧注入口密封帽，启动循 环泵12运行五分钟左右，再打开密封帽补充传热媒质至满。在该实施例中，图5所示的压力平衡容器13为倒置的密封空罐，里面原有的空气 在充注媒质时被封在罐里。当液态媒质11受到温度影响体积膨胀时，增多部分压缩密封空 罐内的空气进入罐内，当媒质体积受温度影响收缩时，在压缩空气的膨胀下将媒质压回管 路中。本领域技术人员应该明白，可以采用任何合适的机构作为压力平衡容器13，例如可变 体积的容器。在图1示出的实施例中，控制器15布置在室内，其包括用于检测室内温度的传感 器16a和用于检测室外温度的传感器16b，在运行过程中，控制器15将由传感器16a和传感 器16b测得的温度进行比较，如果室外自然环境温度比室内温度低至少；TC时，控制器就会 启动热管温差空调设备，室内配置的降温空调机制冷部分自动停止工作，循环风和加湿器 依然继续工作。室内装置1的侧端装有循环风机14，循环风机14的布置要使热风在风箱 3的风道中的流动方向与传热媒质11在冷箱5中的流动方向相反。在启动设备后，循环风 机14将室内热风送入风箱内，穿过热管热段加时，其热量被热管2的热段加吸收并迅速 通过热管冷段2b被传递给液态传热媒质11，传热媒质的温度升高，然后热量被液态传热媒 质11带到室外装置的散热盘管17a散发，传热媒质在经过室外机的散热盘管17a时，由于 自然耗散和冷却风机16强制对流散热而温度降低，传热媒质的温度降低，通过管路流入冷 箱5，开始吸热过程。同时，从风道出口送出的经热管2降温后的风被送回室内。如此循环 往复，室内的热量便被源源不断散发到室外。可以规定，例如在控制器检测到当室温达到比设定温度(例如25°C)低0.5°C时， 控制器15将停止冷却风机14的工作，循环泵12继续工作来维持媒质的循环自然散热。当 检测到室温达到比设定温度(例如25°C)低1°C时，控制器15停止循环泵12工作。当室 外温度升高至与设定温度(例如25°C )之差小于3°C时，控制器15使热管温差空调设备 停机并或许启动原配置的空调机制冷系统。有利的是，控制器15可以根据室内恒温需要， 在-40°C至+80°C温度范围内，室外温度低于室内温度差值3°C以上的任意温段，根据室温 情况自动控制原配置空调机制冷部分的起停和热管温差空调设备室外机散热的工作状态。
6[0031]此外，在本实用新型中，室内装置和室外装置均可以根据所传热量的多少和安装 现场的条件，以模块方式进行任意组合连接。这样可以整机工程装配，不必现场加工制作热管。由此，在本实用新型的热管温差空调设备中，由于热管的热段长度大于冷段的长 度，并且选用耐低温的清洁流体作为传热媒质，并且使用了能消除液态媒质温度胀缩的压 力平衡容器，以及能够实现模块化组合，与现有的热管直接散热的空调相比，这种热管温差 空调设备具有明显的结构简单体积小巧、启动灵敏传热量大、造价低廉投资回收期短、运行 安全可靠操作维修方便和易于普及推广等优点。最后应该理解，以上描述是示范性而非限制性的，对于阅读了以上说明的本领域 技术人员而言，除了所给出的实施例外，在不超出本实用新型范围的前提下，许多的改变和 等同替代将是显而易见的。
权利要求1.一种热管温差空调设备，包括室内装置(1)和室外装置(8)，该室内装置(1)包括将 室内热风送入风箱(3)内的循环风机(14)，该室外装置(8)包括泵(1 和具有第一入口 端(9a)和第一出口端(9b)的散热机构(17)，其特征是，该室内装置(1)包括至少一个热管 (2)和具有第二出口端(7a)和第二入口端(7b)的冷箱(5)，所述热管O)的热段Qa)布 置在该风箱(3)内，所述热管的冷段Ob)密封地固定穿装入该冷箱(5)内，其中该第二出 口端(7a)和该第一入口端(9a)、该第一出口端(9b)和该第一入口端(7b)分别通过连接管 路流体连通，形成传热媒质的闭合流路，该泵(1 设置在该闭合流路中，该空调设备还包 括用于控制其运行的控制器(15)。
2.根据权利要求1所述的热管温差空调设备，其特征是，所述热管( 被构造成其热段 (2a)长度和其冷段Ob)长度的比值为4. 5 1。
3.根据权利要求2所述的热管温差空调设备，其特征是，所述热管的冷段Qb)上 装有散热翅片(6)。
4.根据权利要求1所述的热管温差空调设备，其特征是，所述传热媒质为冰点低 于-35 °C的清洁流体。
5.根据权利要求1所述的热管温差空调设备，其特征是，所述控制器(1 包括检测室 内温度的第一温度传感器(16a)和检测室外温度的第二温度传感器(16b)，该控制器(15) 被配置成在室外温度比室内温度低至少3°C的情况下启动所述泵(12)，由此启动该热管温 差空调设备。
6.根据权利要求5所述的热管温差空调设备，其特征是，该散热机构(17)配设有冷却 风机(16)，该控制器(15)被配置成当室内温度比设定温度低0. 5°C时关闭该冷却风机(16) 并且当室内温度比设定温度低1°C时关闭所述泵(12)。
7.根据权利要求1所述的热管温差空调设备，其特征是，所述传热媒质在该冷箱(5)中 的流动方向与热风在该风箱(3)中的流动方向相反。
8.根据权利要求3所述的热管温差空调设备，其特征是，所述热管的冷段Qb)与 该冷箱(5)的连接处设有气液密封组件G)，该密封组件包括穿心套管和橡胶密封，在该冷 箱(5)的顶部设有传热媒质的第一注入口(10b)。
9.根据权利要求1所述的热管温差空调设备，其特征在于，所述室外装置的散热机构 (17)为散热盘管(17a)，该散热盘管的顶端设有压力平衡容器(1 和传热媒质的第二注入 口 (IOa) ο
专利摘要为解决现有技术中热管空调设备结构复杂、体积较大、成本高的问题，提供一种热管温差空调设备，包括室内装置(1)和室外装置(8)，室内装置包括将室内热风送入风箱的循环风机，室外装置包括泵和具有第一入口端(9a)和第一出口端(9b)的散热机构(17)，室内装置还包括至少一个热管(2)和有第二出口端(7a)和第二入口端(7b)且充有传热媒质的冷箱(5)，热管的热段(2a)布置在风箱内，冷段(2b)密封固定穿装入冷箱内，第二出口端和第一入口端、第一出口端和第一入口端分别通过连接管路流体连通，形成传热媒质的闭合流路，泵布置在该流路中，空调设备还包括用于控制运行的控制器(15)。这种热管温差空调设备利用室外低于室内3℃以上的温差，由热管将室内热风温度传递给传热媒质，再循环到室外散热降温返回。
文档编号F24F5/00GK201852228SQ201020152570
公开日2011年6月1日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者张捷岩, 迟国涛 申请人:张捷岩