一种热管电池装置及使用方法

1.本发明涉及电池技术领域，更具体的说是涉及一种热管电池装置及使用方法。


背景技术：

2.在全球高速发展的时代，能源是支撑各行各业的基石，能源大量消耗导致能源危机和环境污染等问题不断凸显。虽然全国的清洁能源发电装机容量比例不断提升，煤电装机容量比例逐年下降，但截止2020年，煤电装机容量比例仍占据49.1％，同时，煤电电量占据60.8％，处于基础保障地位。与清洁能源相比，煤电需要燃烧煤炭加热工质，工质膨胀做功带动汽轮机及发电机，因而会带来环境污染问题，尤其是碳排放问题，全国碳排放量有41％来源于电力行业。
3.随着人工智能、大数据、云计算等行业的发展，数据中心作为这些技术的物理载体，也呈现高速发展的趋势。对于it设备，绝大多数电力最终都会转化为热量，这些热量不但未被利用，为保证芯片正常工作还要消耗更多能源以带走这些热量，造成了能源的极大浪费。因数据中心余热的品质低，目前已有的余热利用方案都聚焦于在回收余热进行区域供暖，未能将余热转化为高品质的电能。
4.环路热管是一种高效的被动式两相散热装置，随着研究不断深入，它开始被应用于芯片散热。环路热管电子散热的原理是将平板式蒸发器与芯片贴合，芯片热量被蒸发器毛细结构内的液态工质吸收，工质汽化后沿着蒸汽管线流动至冷凝器，在冷凝区域释放热量重新冷凝为液体，并沿着液体管线回流至蒸发器。虽然环路热管可以高效地带走芯片所产生的的热量，但这部分余热仍然散失在数据中心机房环境中，未被有效回收利用。
5.中国专利cn200983545y公布了一种热管式发电机，该专利在热管内部设立了轴流转子及外部线圈，但其形状无法直接与芯片贴合进行余热发电，并且汽液流道重叠影响蒸汽流动，降低发电效率。中国专利cn201771560u 公布了一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置，其体积庞大，结构复杂，且需要阀门及调节汽室控制，不利于在狭小空间应用，且存在泄露风险。中国专利cn214464451u公布了一种环路热管发电系统，其发电机进出气管道狭长，不利于环路热管内高速蒸汽的流动。
6.有鉴于此，如何提供一种能够利用煤电烟气余热、数据中心余热等低品位热能，弥补能源利用的最后一环，或利用清洁能源，如太阳能等进行发电的装置，同时满足整个装置结构简单，严格密封，能够应用于所述场景，不需要外力辅助循环，蒸汽流动阻力小，发电效率高等要求，仍是本领域需要解决的问题之一。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供了一种热管电池装置及使用方法，以解决能源未能做到梯级利用，低品位余热难以回收利用，传统装置结构复杂，发电效率低等问题。
8.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种热管电池装置，包括：环路型热管、冷凝器和发电机；
10.所述发电机安装在所述冷凝器上，所述环路型热管由依次连接的第一管线、蒸发器和第二管线构成；所述环路型热管一端与所述发电机相配合，另一端与所述冷凝器连接，构成闭式蒸汽循环回路。
11.可选的，在上述的一种热管电池装置中，所述蒸发器两端设有第一管线接口和第二管线接口，所述第一管线与蒸汽管线接口连通，所述第二管线与液体管线接口连通。
12.可选的，在上述的一种热管电池装置中，所述发电机包括定子线圈、中间隔层、永磁体、轴承和叶轮；所述永磁体内侧正对定子线圈外侧，所述中间隔层将定子线圈与永磁体隔开，中间隔层与冷凝器紧密扣合密封，永磁体在热管内部，定子线圈在热管外部。
13.可选的，在上述的一种热管电池装置中，所述永磁体可为一磁环，磁环沿圆周相邻磁区充入不同极性，形成多极对磁区，或相邻区域不同极性的磁瓦沿圆周排列形成。
14.可选的，在上述的一种热管电池装置中，所述定子线圈通过导线将所产生的电能输出至用电器或蓄电池。
15.可选的，在上述的一种热管电池装置中，所述中间隔层上设置有所述轴承，所述叶轮通过轴与所述轴承连接。
16.可选的，在上述的一种热管电池装置中，所述第一管线从所述冷凝器侧壁接入，所述第一管线的出口正对所述叶轮外缘。
17.可选的，在上述的一种热管电池装置中，所述蒸发器包括底板、毛细芯和上盖；所述底板与所述上盖扣合，且焊接密封；所述毛细芯设置于所述底板和所述上盖之间。
18.可选的，在上述的一种热管电池装置中，所述毛细芯为一金属或非金属的丝网、粉末、泡沫烧结而成。
19.一种热管电池装置的使用方法，包括以下步骤：
20.步骤1，所述装置抽真空并灌装适量工作流体，使用热源加热蒸发器，蒸发器存储工作流体；
21.步骤2，步骤1中所得的工作流体在蒸发器内形成过热蒸汽，由第一管线进入冷凝器蒸汽出口冲击叶轮，与其紧密结合的永磁体随之转动，定子线圈上的铜线切割旋转永磁体的磁感线而产生电；
22.步骤3，做功后的蒸汽在冷凝器中液化；
23.步骤4，液化后的工作流体在重力和毛细力的驱动下，经第二管线流回所述蒸发器，完成一次循环。
24.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种热管电池装置及使用方法，可以实现能源梯级利用，弥补余热利用的最后一环，将煤电烟气余热、数据中心余热或太阳能等清洁能源作为发电热源，获取余热方式简便，用于数据中心余热收集时，可同时满足散热和发电的需要，减少数据中心用于散热的耗电量；发电过程蒸汽流动阻力小，发电效率高，环路热管将蒸汽通道和液体回流通道分开，避免了蒸汽和液体的相互影响，冷凝器采用大管径设计，既有利于蒸汽膨胀做功，又可以适量储存液体，使得蒸汽更多的能量转化为叶轮动能，提高发电效率，同时扩展了装置的工作温度范围；整个装置结构简单，成本低，安全可靠，寿命长，适用场景广，环路热管各部件焊接相连，发电机与冷凝器扣合固定为一体，发电机的隔板将转子和定子隔开，蒸汽不接触定子，制造成本低，连接安全可靠，不需要控制阀门和外部动力驱动，使用寿命长，适用场景广。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
26.图1为本发明一种热管电池装置的结构示意图；
27.图2为本发明一种热管电池装置的蒸发器的结构示意图；
28.图3为本发明一种热管电池装置的结构剖视图
29.图1-3中：1、环路型热管；11、蒸发器；111、底板；112、毛细芯；113、上盖；12、第一管线；13、冷凝器；131、冷凝腔；132、翅片；14、第二管线；2、发电机；21、定子线圈；22、中间隔层；23、永磁体；24、轴承；25、叶轮。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.本发明实施例公开了一种热管电池装置及使用方法，能够利用煤电烟气余热、数据中心余热等低品位热能，弥补能源利用的最后一环，或利用清洁能源，如太阳能等进行发电的装置，同时满足整个装置结构简单，严格密封，能够应用于所述场景，不需要外力辅助循环，蒸汽流动阻力小，发电效率高等要求。
32.本发明的实施例公开了一种热管电池装置，如图1-3所示，包括：环路型热管1、冷凝器13和发电机2；
33.发电机2安装在冷凝器13上，环路型热管1由依次连接的第一管线12、蒸发器11和第二管线14构成；环路型热管1一端与发电机2相配合，另一端与冷凝器13连接，构成闭式蒸汽循环回路。
34.进一步，第一管线12为蒸汽管线；
35.更进一步，第二管线14为液体管线；
36.为了进一步优化上述技术方案，蒸发器11两端设有第一管线接口和第二管线接口，第一管线12与蒸汽管线接口连通，第二管线14与第二管线接口连通。
37.为了进一步优化上述技术方案，发电机2包括定子线圈21、中间隔层22、永磁体23、轴承24和叶轮25；永磁体23内侧正对定子线圈21外侧，中间隔层22将定子线圈21与永磁体23隔开，中间隔层22与冷凝器13紧密扣合密封，永磁体23在热管内部，定子线圈21在热管外部。
38.为了进一步优化上述技术方案，永磁体23可为一磁环，磁环沿圆周相邻磁区充入不同极性，形成多极对磁区，或相邻区域不同极性的磁瓦沿圆周排列形成。
39.为了进一步优化上述技术方案，定子线圈21通过导线将所产生的电能输出至用电器或蓄电池。
40.为了进一步优化上述技术方案，中间隔层22上设置有轴承24，叶轮25 通过轴与轴
承24连接。
41.为了进一步优化上述技术方案，第一管线从冷凝器13侧壁接入，第一管线12的出口正对叶轮25外缘。
42.为了进一步优化上述技术方案，蒸发器11包括底板111、毛细芯112和上盖113；底板111与上盖113扣合，且焊接密封；毛细芯112设置于底板 111和上盖113之间。
43.为了进一步优化上述技术方案，毛细芯112为一金属或非金属的丝网、粉末、泡沫烧结而成。
44.本实施例中，毛细芯112与底板111壁面和上盖113紧密烧结为一体，将蒸发器11内部分隔为蒸汽区和液体区。
45.本实施例中，冷凝器13轴线方向竖直；蒸发器呈水平或近似水平放置的方式安放装置。
46.本实施例中，永磁体23为一径向相邻磁区不同极性，多极充磁的磁环。
47.在一些实施例中，冷凝器13可采用翅片、翅片加风扇等方式。
48.本发明的另一实施例公开了一种热管电池装置的使用方法，包括以下步骤：
49.1)装置抽真空并灌装适量工作流体，使用热源加热蒸发器11，蒸发器 11存储工作流体；
50.2)步骤1中所得的工作流体在蒸发器11内形成过热蒸汽，由第一管线12进入冷凝器13蒸汽出口冲击叶轮25，与其紧密结合的永磁体23随之转动，定子线圈21上的铜线切割旋转永磁体23的磁感线而产生电；
51.3)做功后的蒸汽在冷凝器13中液化；
52.4)液化后的工作流体在重力和毛细力的驱动下，经第二管线14流回蒸发器11，完成一次循环。
53.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
54.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种热管电池装置，其特征在于，包括：环路型热管、冷凝器和发电机；所述发电机安装在所述冷凝器上，所述环路型热管由依次连接的第一管线、蒸发器和第二管线构成；所述环路型热管一端与所述发电机相配合，另一端与所述冷凝器连接，构成闭式蒸汽循环回路。2.根据权利要求1所述的一种热管电池装置，其特征在于，所述蒸发器两端设有第一管线接口和第二管线接口，所述第一管线与蒸汽管线接口连通，所述第二管线与所述液体管线接口连通。3.根据权利要求1所述的一种热管电池装置，其特征在于，所述发电机包括定子线圈、中间隔层、永磁体、轴承和叶轮；所述永磁体内侧正对定子线圈外侧，所述中间隔层将定子线圈与永磁体隔开，中间隔层与冷凝器紧密扣合密封，永磁体在热管内部，定子线圈在热管外部。4.根据权利要求3所述的一种热管电池装置，其特征在于，所述永磁体可为一磁环，磁环沿圆周相邻磁区充入不同极性，形成多极对磁区，或相邻区域不同极性的磁瓦沿圆周排列形成。5.根据权利要求3所述的一种热管电池装置，其特征在于，所述定子线圈通过导线将所产生的电能输出至用电器或蓄电池。6.根据权利要求3所述的一种热管电池装置，其特征在于，所述中间隔层上设置有所述轴承，所述叶轮通过轴与所述轴承连接。7.根据权利要求3-6任一项所述的一种热管电池装置，其特征在于，所述第一管线从所述冷凝器侧壁接入，所述第一管线的出口正对所述叶轮外缘。8.根据权利要求1所述的一种热管电池装置，其特征在于，所述蒸发器包括底板、毛细芯和上盖；所述底板与所述上盖扣合，且焊接密封；所述毛细芯设置于所述底板和所述上盖之间。9.根据权利要求8所述的一种热管电池装置，其特征在于，所述毛细芯为一金属或非金属的丝网、粉末、泡沫烧结而成。10.一种如权利要求1-6或8-9任一项中所述的热管电池装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：1)装置抽真空并灌装适量工作流体，使用热源加热蒸发器，蒸发器存储工作流体；2)步骤1)中所得的工作流体在蒸发器内形成过热蒸汽，由第一管线进入冷凝器蒸汽出口冲击叶轮，与其紧密结合的永磁体随之转动，定子线圈上的铜线切割旋转永磁体的磁感线而产生电；3)做功后的蒸汽在冷凝器中液化；4)液化后的工作流体在重力和毛细力的驱动下，经第二管线(14)流回所述蒸发器，完成一次循环。

技术总结
本发明公开了一种热管电池装置及使用方法，应用于电池技术领域，包括：环路型热管、冷凝器和发电机；所述发电机安装在所述冷凝器上，所述环路型热管由依次连接的第一管线、蒸发器和第二管线构成；所述环路型热管一端与所述发电机相配合，另一端与所述冷凝器连接，构成闭式蒸汽循环回路。本发明公开了一种热管电池装置及使用方法，能够利用煤电烟气余热、数据中心余热等低品位热能，弥补能源利用的最后一环，或利用清洁能源，如太阳能等进行发电的装置，同时满足整个装置结构简单，严格密封，能够应用于所述场景，不需要外力辅助循环，蒸汽流动阻力小，发电效率高等要求。发电效率高等要求。发电效率高等要求。


技术研发人员：李骥 田彤
受保护的技术使用者：中国科学院大学
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2023/9/23