專利名稱：具有泵輔助的熱管回路的制作方法
背景技術(shù)：
熱管熱交換器在熱回收和除濕領(lǐng)域是眾所周知的。熱管借助相變過程通過蒸發(fā)吸收熱量和通過冷凝釋放熱量，借助很小的溫差以傳輸大量的熱能。
熱管典型地包括冷凝器和蒸發(fā)器，所述冷凝器和蒸發(fā)器在封閉系統(tǒng)內(nèi)相互連接。典型的熱管包括密閉管道系統(tǒng)，所述密閉管道系統(tǒng)具有形成蒸發(fā)器部分的一個末端和形成冷凝器部分的另一個冷卻器和低壓端。
使用中，存在于蒸發(fā)器部分的液體制冷劑通過環(huán)境加熱、蒸發(fā)、并且上升進(jìn)入冷凝器部分。在冷凝器部分，制冷劑通過環(huán)境冷卻，并伴隨釋放熱量發(fā)生凝結(jié)，然后重新返回到蒸發(fā)器部分。該循環(huán)再次重復(fù)，導(dǎo)致連續(xù)循環(huán)，在所述循環(huán)中由蒸發(fā)器從環(huán)境中吸收熱量并且由冷凝器釋放熱量。
熱管熱交換器通常制成兩部分，所述兩部分分別插進(jìn)兩股氣流中，所述兩股氣流之間存在溫差。兩氣流優(yōu)選的彼此非常相近并且流向相反。熱管中的制冷劑通過被動技術(shù)(passive techniques)引導(dǎo)，例如自流(gravityflow)、毛細(xì)管作用、熱泵作用和熱吸水管(thermo-syphoning)作用。所述被動技術(shù)具有尺度限制，并在相對小的熱管中工作狀態(tài)良好。因此，有必要將其設(shè)計成用于大型熱管或在比冷源更高熱源或氣流之間傳遞熱量時也保持工作狀態(tài)良好的熱管。

發(fā)明內(nèi)容
一種熱管回路，包括第一熱管部分，所述第一熱管部分具有第一溫度；第二熱管部分，所述第二熱管部分具有比第一熱管部分溫度更高的第二溫度。第一熱管部分是冷凝器，第二熱管部分是蒸發(fā)器。蒸氣線路連接第一熱管部分上部和第二熱管部分上部。液體線路連接第一熱管部分的下部和第二熱管部分下部，在一個實施例中，第一熱管部分設(shè)置在第一高度，第二熱管部分設(shè)置在比第一高度更高的高度。泵通過流體線路從第一熱管部分向第二熱管部分引導(dǎo)液體。


圖1是說明現(xiàn)有技術(shù)的蜿蜒熱管的示意圖。
圖2是說明現(xiàn)有技術(shù)的3-D熱管的示意圖。
圖3是說明單向泵輔助熱管回路的側(cè)視圖。
圖4是說明利用單個泵的雙向泵輔助熱管回路的側(cè)視圖。
圖5是說明利用兩個泵的雙向泵輔助熱管回路的側(cè)視圖。
圖6是說明利用兩個泵和旁路閥的雙向泵輔助熱管回路的側(cè)視圖。
圖7是說明液體抽吸的注水方法的側(cè)視圖。
圖8是說明液體抽吸的分配方法的一個實施例的側(cè)視圖。
圖9是說明液體抽吸的分配方法的第二實施例的側(cè)視圖。
圖10是說明熱管管道可替換的實施例的側(cè)視圖。
圖11是說明熱管管道的另一實施例的側(cè)視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明利用一個或多個泵有效地抽吸熱管中的工作流體(例如制冷劑)以促進(jìn)熱傳遞。特別地，本發(fā)明應(yīng)用在大尺寸熱管和在與冷源位于同一高度或比冷源鉸高的位置的熱源或氣流間傳遞熱量的熱管中。有兩種基本結(jié)構(gòu)單向泵輔助、雙向泵輔助和在流體分配上的兩種變換蒸發(fā)器部分的注入和噴出。圖1是說明現(xiàn)有技術(shù)的蜿蜒熱管的示意圖。眾所周知，在以前的技術(shù)中，回路熱管可有效地運(yùn)作，容易制造，并有很好的成本效益，該技術(shù)中Khanh Dinh申請的美國專利NO.5,845,702中披露，所述專利美國專利NO.5,845,702的題目是“Serpentine Heat Pipe and DehumidificationApplication in Air Conditioning Systems”，在此并入作為參考。
圖2是說明現(xiàn)有技術(shù)的3-D熱管的示意圖，如Khanh Dinh在美國專利NO.5,921,315中所述，其題目為“3-D熱管”，在此并入作為參考。
熱管系統(tǒng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是“熱”部分或熱氣流中的部分必須設(shè)置得位置比“冷”部分低。所述的“熱”和“冷”是相對的；兩部分相對來說，具有較高溫度的部分稱為“熱”部分，具有較低溫度的部分稱為“冷”部分，即使這兩部分摸起來可能不熱也不冷。
在熱部，熱管內(nèi)的工作流體蒸發(fā)，蒸汽上升進(jìn)入冷部，然后所述蒸汽凝結(jié)并在重力作用下重新回到下部。只要下部溫度高于上部，所述循環(huán)就會重復(fù)。工作流體是任意能夠蒸發(fā)和凝結(jié)的液體，并且典型的液體例如是水、丙酮、酒精、乙二醇或諸如氟里昂的制冷劑。
然而，在某些情況下，下部的溫度低于上部的溫度。這樣，液體在上部蒸發(fā)、凝結(jié)并落至下部。因為下部較冷，所以其中的液體不能蒸發(fā)，反而會聚集在溫度較低的下部，由此，反復(fù)進(jìn)行的循環(huán)傳熱過程停止。此外，所述設(shè)計的效率隨熱管變大而減少。借助新的抽吸熱管回路，可以建立更大尺寸的熱管而沒有效率損失。
圖3是說明單向泵輔助熱管回路的側(cè)視圖。熱管回路10典型地包括兩部分31和32，該兩部分31和32通過蒸汽線路33和液體線路34連接，所述蒸汽線路33連接31和32的上部，所述液體線路34連接31和32的下部。所述熱管回路的典型應(yīng)用是用于大建筑的通風(fēng)系統(tǒng)，諸如需要大量的新鮮空氣的醫(yī)院。該實施例中，流出的氣流比流進(jìn)的氣流位置高。在夏季，當(dāng)室內(nèi)氣體比室外氣體溫度低時，下部31將會更熱并且上部32將會更冷。熱氣體使下部31內(nèi)的液體蒸發(fā)，該下部31充當(dāng)蒸發(fā)器；蒸汽將升至上部32，凝結(jié)成液體，在重力作用下進(jìn)入下部31，該上部32充當(dāng)冷凝器。只要存在溫差，該循環(huán)將不斷的重復(fù)。
然而，在冬季時，溫度梯度顛倒。流出的空氣溫度高于流入的空氣溫度。因此，下部31將會更冷而上部32將會更熱。蒸汽凝結(jié)成液體并聚集在下部31，所述下部31此時充當(dāng)冷凝器，并且所有熱傳遞將停止，除非液體重新回到上部。泵35將液體抽回至更熱的上部32，該上部32此時充當(dāng)蒸發(fā)器，其中液體蒸發(fā)，使熱管循環(huán)得到繼續(xù)并且傳遞熱量。泵35可以是眾所周知的用于抽取液體的設(shè)備或機(jī)器。熱管回路10的結(jié)構(gòu)通過本領(lǐng)域公知的產(chǎn)品或方法來實現(xiàn)，例如通過焊接件連接熱管回路的各個部件。
隨著熱管用于傳遞熱量的相變過程，即使“熱”部分和“冷”部分之間存在非常小的溫差，液體也會蒸發(fā)并再次凝結(jié)。借助熱管，甚至當(dāng)熱部和冷部之間的溫差為5°F時，熱量傳遞也會發(fā)生。當(dāng)熱管被設(shè)計具有非常低的壓降時，甚至在大約3°F或1°F的溫差時，熱量傳遞也會發(fā)生。如沒有所述的相變，需要更大的溫差以用于傳遞熱量。此外，相變過程的應(yīng)用也考慮到熱量傳遞只需非常少的工作液體。沒有相變過程，需要許多倍的工作液體才能實現(xiàn)相同數(shù)量的熱量傳遞。
單向泵輔助設(shè)備用于將液體抽回至較高的熱部，在其中，所述液體可蒸發(fā)并繼續(xù)傳遞熱量。只有當(dāng)熱傳遞顛倒時，即當(dāng)上部溫度變的比下部溫度高時，泵將打開。例如，所述情況在夏和冬季空對空通風(fēng)熱回收操作中會出現(xiàn)，其中，隨著季節(jié)的變換，熱部和冷部會顛倒。作為一個例子，如果氟里昂-22在熱管回路10中用作工作液體，1磅的氟里昂-22在熱部蒸發(fā)并在“冷”部分凝結(jié)傳輸?shù)臒崃渴?0BTU。
圖4是說明利用單個泵的雙向泵輔助熱管回路的側(cè)視圖。當(dāng)兩部分位于同一水平或大約同一水平或離開很遠(yuǎn)時，利用雙向泵輔助結(jié)構(gòu)。當(dāng)熱管的熱部和冷部被分開很大距離時，利用泵通過克服管道系統(tǒng)的阻力以協(xié)助液體循環(huán)。所述液體和蒸汽循環(huán)的阻力是由諸如摩擦力或阻擋造成的，所述摩擦力是由于管道的長度導(dǎo)致，所述阻擋是由于管道的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，例如管道上下運(yùn)轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向。泵的應(yīng)用在管的設(shè)計中具有更大的靈活性，而不用擔(dān)心降低效率。
當(dāng)熱和冷部位于同一水平或大約同一水平時，靜止的液體時在兩部分內(nèi)趨于同一水平。大體上，差不多熱管的熱部充滿液體而冷部充滿蒸汽。這將使熱部具有最大蒸汽量，在冷部具有最大的蒸汽凝結(jié)量。泵的作用是使液體循環(huán)，并推動液面使其盡可能地升至充滿熱部和當(dāng)液體倒空時流出冷部?？梢岳镁哂锌刂崎y或不具有控制閥的多個泵，并可以利用多個熱管回路用于獲得逆流熱傳遞效果。
圖4是說明帶有單個泵的雙向泵輔助熱管回路。熱管回路包括兩部分41和42，所述兩部分41和42通過蒸汽線路43和液體線路44相互連接。所述部分41和42位于相同或幾乎相同的高度。理論上，液體應(yīng)該在兩個部分中平均分配。但是實際上，由于管道摩擦、距離和其他因素，液體具有向冷部聚集的趨勢，并且循環(huán)將是最小化，因此降低熱傳遞。本實施例中，單向泵45協(xié)助控制閥將液體輸送到熱部，液體在這里蒸發(fā)。由于蒸汽壓的差異蒸汽移向冷部，然后在這里凝結(jié)。
本實施例中，泵45沿單方向抽吸液體。為了實現(xiàn)雙向抽液體，設(shè)置兩個流入線。如果42是液體聚集的冷部，閥46和47將關(guān)閉，泵將通過開啟閥49和閥48從冷部42抽取液體至熱部41。當(dāng)溫度顛倒時，諸如隨著季節(jié)變換，部分41變成冷部，通過關(guān)閉閥48和閥49并開啟閥46與閥47，泵的液體流動方向顛倒，以使液體冷部41抽吸至熱部42。因此，閥系統(tǒng)使抽吸一次只通過兩個流入線之一。
圖5是說明利用兩個泵51和52的雙向泵輔助熱管回路。該結(jié)構(gòu)中，根據(jù)季節(jié)和其他因素，在任意時間只有一個泵運(yùn)作。所述泵是離心類型或其他類型，當(dāng)泵沒有工作時，能使泵內(nèi)產(chǎn)生自由回流。
圖6是說明利用兩個泵和旁路閥的雙向泵輔助熱管回路的側(cè)視圖。如選中的泵在非工作狀態(tài)下不能產(chǎn)生回流，所述結(jié)構(gòu)是有用的。這樣，關(guān)閉任意閥61或閥62可以繞過非工作泵產(chǎn)生的障礙物。因此，閥系統(tǒng)使抽吸一次只通過兩個流入線之一。
在相變熱管回路中，熱部的整個內(nèi)表面被工作液體潤濕是非常重要的。通過將液體注入或噴射至管道的內(nèi)表面來潤濕其內(nèi)表面。
圖7是說明流體泵的注入方法的插圖。熱管回路的兩部分可以在同一水平也可以不在同一水平。圖7-9是說明由多個管道70組成每個熱管71和72的示意圖。沒有抽吸，兩部分的液體74面趨于同一位置，在兩部分內(nèi)部留下較小的空間用于蒸發(fā)或凝結(jié)，使回路的傳輸能力降低。對于在最大效率條件下工作的回路，必須存在一個熱部71和一個冷部72，所述熱部71差不多充滿蒸發(fā)的液體74，所述冷部差不多充滿用于凝結(jié)的蒸汽，因此，整個部分將會蒸發(fā)或凝結(jié)。為了達(dá)到液體74充滿一部分、而另一部分倒空以用于蒸汽75凝結(jié)的效果，泵73用來從冷部72推動液體74以升高熱部71內(nèi)的液面。注入技術(shù)的優(yōu)點是不需要分配設(shè)備。然而，注入需要大量的液體。
圖8是說明流體泵的分配方法的一個實施例的示意圖。除了注入法外，另一個保證最大蒸發(fā)量的方法是通過抽取和噴射或其它利用工作液體74潤濕每一個管道70的內(nèi)表面的方式完全潤濕“熱”部分71的內(nèi)表面。這種方法需要在泵82和第二熱管部分71之間設(shè)置分配器81；分配器81將液體74的總體流動分配到熱部71的不同管道70中。適當(dāng)?shù)姆峙淦靼ㄒ韵略O(shè)備，例如總管、分配器頭和多孔管。這種方法利用非常少量的工作液體74。如圖8中所闡述的實施例，分配器81從熱部71的下部抽取或噴射工作液體74。
圖9是說明流體泵的分配方法的第二實施例的示意圖，其中，分配器90是從熱部71的頂部抽取或噴射液體74。這樣，液體回流線91連接到泵92入口前的冷部。
圖8和圖9是說明利用分配器81或90通過多個管從熱管部分71的外部將液體注入熱部71，每個管放入熱部的多個管70之一。期望在某個實施例中，分配器81或90包括分別同軸緊靠液體線路76或蒸汽線路77的管道，所述管道帶有孔洞，通過孔洞從液體線路76或蒸汽線路77的內(nèi)部將工作液體74噴射或分配到“熱”部分71的多個管70內(nèi)。該實施例大大降低了系統(tǒng)的加工難度。
雖然所述例子闡述的熱部分的管道70是完全垂直安置的，可以預(yù)料管道70也能傾斜或完全水平安置。此外，當(dāng)每一個管道70呈豎直時，也預(yù)料每一個管道70能具有蜿蜒結(jié)構(gòu)，如圖10和11所示。圖10和圖11是只說明了熱管回路一部分一個管道；因此，圖10和圖11描述的僅是以前披露的熱管回路的局部視圖。綜上所述，可以理解泵連接在液體線路上的情況。
圖10是說明熱管管道可替換的實施例的圖示，所述管道完全水平安置并具有一個或多個“U”型彎曲的蜿蜒結(jié)構(gòu)。借助管道70或78的水平定位，冷部和熱部一般是一個在上而另一個在下，而不是如圖3-9所示的并排安置。水平結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是操作員很容易通過設(shè)備側(cè)面的入口的對管道70或78進(jìn)行維修。另一個優(yōu)點是當(dāng)使用帶肋片的熱管的熱交換器時，管道70和管道78的水平方向使凝結(jié)的水更容易從助片中排出。所述的帶肋片的管熱交換器如Khanh Dinh在美國申請的專利NO.5,582,246中的闡述，其題目是“Finned Tube Heat Exchanger with Secondary Star Fins and Method for itsProduction”，在此并入作為參考。
當(dāng)說明一個蜿蜒管78時，可以預(yù)料利用更多的管道78并且每個管78能包括更多的“U”型彎曲。此外，雖然所示的蜿蜒管78通常呈水平，而管78也能傾斜或完全垂直安置。
熱傳遞通常和管道70或78的表面積以及長度和直徑成比例。在不增加管道78和液體線路76或蒸汽線路77之間的接點數(shù)目情況下，通過使每一個管道78彎曲，對于在液體線路76和蒸汽線路77之間的固定距離，可增加管道的長度。這增加了制造熱管回路的容易程度。
圖11是說明熱管管道78的另一實施例的示意圖。該實施例中，液體線路76和蒸汽線路77設(shè)置在熱管回路的同一末端。通過在方便側(cè)提供兩線的入口，使維修熱管回路更容易。
雖然參考優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了闡述，只要所作的改變不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，能夠?qū)@些實施例進(jìn)行變化。例如如果利用可逆泵，可以預(yù)料雙向泵輔助熱管回路將只需要一個與泵相連接的液體線路。此外，任意熱管部分可應(yīng)用帶肋片的熱交換器結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種熱管回路，其包括第一熱管部分，其具有第一溫度；第二熱管部分，其具有比所述第一溫度更高的第二溫度；蒸氣線路，其連接第一熱管部分的上部和第二熱管部分的上部；液體線路，其連接第一熱管部分的下部和第二熱管的下部；和泵，其通過液體線路從第一熱管部分向第二熱管部分抽取液體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱管回路，其中第一熱管部分是冷凝器，第二熱管部分是蒸發(fā)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱管回路，其中第一熱管部分設(shè)置在第一高度，第二熱管部分設(shè)置在比第一高度更高的第二高度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱管回路，還包括第一熱管部分的第一多個管；和第二熱管部分的第二多個管，其中泵提高第二多個管內(nèi)的液體高度使其注滿第二熱管部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱管回路，還包括第一熱管部分的第一多個管；第二熱管部分的第二多個管；和液體分配器，其位于泵和第二熱管部分中間，所述分配器噴射液體潤濕每一個第二多個管的內(nèi)表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱管回路，其中液體分配器從第二多個管的上部噴射液體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱管回路，還包括液體返回線路，其位于第二多個管道的下部和泵的入口中間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱管回路，其中液體分配器包括多孔管道，所述多孔管在蒸汽線路內(nèi)同軸設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱管回路，其中液體分配器從第二多個管的下部噴射液體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱管回路，其中液體分配器包括多孔管道，所述多孔管道在液體線路內(nèi)同軸設(shè)置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱管回路，還包括第一熱管部分的第一多個管，所述第一多個管大體垂直地設(shè)置；和第二熱管部分的第二多個管，上述第二多個管道大體垂直地設(shè)置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱管回路，還包括第一熱管部分的第一多個管，所述第一多個管大體水平地設(shè)置；和第二熱管部分的第二多個管，所述第二多個管大體水平地設(shè)置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱管回路，其中第二溫度比第一溫度高小于5°F。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱管回路，還包括第一熱管部分中的蜿蜒管道；和第二熱管部分中的蜿蜒管道。
15.一種熱管回路，其包括第一熱管部分；第二熱管部分；蒸氣線路，其連接第一熱管部分的上部和第二熱管部分的上部；液體線路，其連接第一熱管部分的下部和第二熱管的下部；和第一泵，其通過液體線路從第一熱管部分向第二熱管部分抽取液體。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱管回路，其中液體線路還包括第一注入線路，泵通過所述第一注入線路從第一熱管部分向第二熱管部分抽取液體；第二注入線路，泵通過所述第二注入線路從第二熱管部分向第一熱管部分抽取液體；和閥系統(tǒng)，其使抽吸過程一次只通過所述第一和第二注入線路其中之一。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱管回路，還包括第二泵，其中第一泵從第一熱管部分向第二熱管部分抽取液體，并且所述第二泵從第二熱管部分向第一熱管部分抽取液體。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的熱管回路，其中第一泵和第二泵在非運(yùn)轉(zhuǎn)期間都允許自由回流液體。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱管回路，其中的液體線路還包括第一注入線路，第一泵通過所述第一注入線路從第一熱管部分向第二熱管部分抽取液體；第二注入線路，第二泵通過所述第二注入線路從第二熱管部分向第一熱管部分抽取液體；和閥系統(tǒng)，其使抽吸過程一次只通過所述第一和第二注入線路其中之一。
20.一種熱管回路，其包括第一熱管部分，其具有第一溫度；第二熱管部分，其具有比所述第一溫度更高的第二溫度；蒸氣線路，其連接第一熱管部分的上部和第二熱管部分的上部；液體線路，其連接第一熱管部分的下部和第二熱管的下部；和通過液體線路將液體從第一熱管部分向第二熱管部分抽取的裝置。
全文摘要
一種熱管回路，包括第一熱管部分，具有第一溫度；第二熱管部分，具有比第一溫度更高的第二溫度。第一熱管部分是冷凝器，第二熱管部分是蒸發(fā)器。蒸氣線路連接第一熱管部分上部和第二熱管部分上部。液體線路連接第一熱管部分的下部和第二熱管部分下部。在一個實施例中，第一熱管部分設(shè)置在第一高度，第二熱管部分設(shè)置在比第一高度更高的第二高度。泵通過液體線路從第一熱管部分向第二熱管部分抽取液體。
文檔編號F28D15/02GK1643327SQ03806651
公開日2005年7月20日 申請日期2003年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月22日
發(fā)明者漢尼·迪那 申請人:漢尼·迪那