一种超高温热管

1.本发明属于相变换热设备技术领域，具体涉及一种超高温热管。


背景技术：

2.热管内部处于低压环境，热管内部工质的蒸发和冷凝实现了热量的传输，由于存在相变过程，热管具有极高的导热性。热管由于其高导热性被广泛的应用于核能系统、航空航天、化工冶金等领域。但热管作为一种非能动的传热设备，其传热能力受到毛细极限、夹带极限、沸腾极限、冷凝极限、音速极限等传热极限的限制。由于传热极限的限制，热管在瞬变高功率工况和长期的高功率水平下极易发生失效，导致事故的发生。
3.为此，如何提升热管的传热能力，特别是超高温下热管的功率水平成为亟待解决的问题，但是由于热管非能动性的固有限制，这一问题长期没有得到解决。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种超高温热管，用于超高温和高功率水平下热管的高效可靠传热，具有结构简单、可靠性高、能动和非能动结合的优点，解决了热管在瞬变高功率工况和长期的高功率水平下极易发生失效，从而导致事故的发生的技术问题。
5.本发明的技术方案是：
6.一种超高温热管，包括：
7.管壳，其内设置有热管腔，所述热管腔和管壳之间设置有多个填充有载热气体的换热气道，所述换热气道的一端连通；
8.筒体，由多孔材料构成，设置在所述热管腔内，所述筒体的内部空间形成蒸气腔，所述热管腔和所述筒体之间设置有多个用于支撑所述筒体的支撑块，所述筒体的侧壁中设置有多个环腔流道，所述热管腔和所述筒体之间形成间隙流道；
9.换热器，设置在所述换热气道的另一端，所述换热器与所述换热气道连接，用于在高功率水平工况，驱动载热气体在换热气道内流动，并将热量输送至换热器。
10.优选的，所述管壳的材料是高熵合金、难熔金属或碳素管。
11.优选的，所述管壳的材料是锆-铪-铌合金、钴-铬-铜-铁-镍合金、铝-钴-铬-铁-镍合金、钒-铌-钼-钽-钨合金、铁-铬-镍-锰-锆合金、钛-锆-铪-铌-钽合金、铝-铬-铁-钼-铌系合金、铝-铬-钼-铌-锆合金、钼铼合金或者钨铼合金。
12.优选的，所述载热气体是氢气、氦气、氩气、氮气、氖气、氦氩二元混合气体、氦氙二元混合气体或者氢氮二元混合气体；
13.其中，所述氦氩二元混合气体由氦气和氩气混合而成，所述氦气和氩气的体积比为1.5～2:8.5～8，所述氦氙二元混合气体由氦气和氙气混合而成，所述氦气和氙气的体积比为3.5～4:6.5～6，所述氢氮二元混合气体由氢气和氮气混合而成，所述氢气和氮气的体积比为1～2:19～18。
14.优选的，所述氦氩二元混合气体中氦气和氩气的体积比为4:21，所述氦氙二元混
合气体中氦气和氙气的体积比为9:16，所述氢氮二元混合气体中氢气和氮气的体积比为3:37。
15.优选的，所述支撑块的材料是烧结粉末、毛细管或者难熔金属。
16.优选的，所述筒体是第一复合结构、第二复合结构或者第三复合结构；
17.其中，所述第一复合结构包括第一金属丝网，所述第一金属丝网呈圆柱筒形，其具有沿第一方向延伸的筒壁，在筒壁内部均布的设置有多个干道，所述干道贯穿所述第一金属丝网的两个端面且其长度方向与所述第一方向平行；
18.所述第二复合结构包括第二金属丝网，第二金属丝网呈圆柱筒形，在所述第二金属丝网内套装设置有呈圆柱筒形的金属毡，所述第二金属丝网和金属毡固定连接；
19.所述第三复合结构包括呈圆柱筒形的壳体，其具有沿第二方向延伸的中心轴，所述壳体的内壁上开设有多个槽道，所述槽道的长度方向与所述中心轴平行，所述壳体内套装设置有呈圆柱筒形的第三金属丝网，所述第三金属丝网和所述壳体固定连接。
20.优选的，所述第三金属丝网能用金属毡层、烧结粉末层、泡沫镍层替代。
21.优选的，所述筒体的总厚度为1～1.2毫米，所述干道的直径为0.01～0.1毫米，所述槽道的深度为0.08～0.1毫米，所述金属毡层、烧结粉末层和泡沫镍层的厚度为9～10微米。
22.优选的，所述环腔流道采用毛细管、金属丝网或者烧结粉末形成侧壁。
23.与现有技术相比，本发明提供的一种超高温热管，低功率水平下发挥热管的固有优势，实现非能动高效的传热，高功率水平下通过热管传热和载热气体强制对流换热实现稳定可靠的热传输，可满足不同功率水平下安全可靠传热的需求；在热管腔内部设置有间隙流道和环腔流道，可以减小热管液相工质回流阻力，提升热管传热能力，结构简单、能动和非能动结合，能够极大地提升热管的工作效率、提升运行的可靠性，实用性强，值得推广。
附图说明
24.图1是本发明的结构示意图1；
25.图2是本发明的结构示意图2；
26.图3是本发明的流场示意图3；
27.图4是本发明的局部结构示意图1；
28.图5是本发明的局部结构示意图2；
29.图6是本发明的局部结构示意图3。
具体实施方式
30.本发明提供了一种超高温热管，下面结合图1到图6的结构示意图，对本发明进行说明。
31.实施例1
32.如图1和图2所示，本发明提供的一种超高温热管，主体的结构包括管壳1、换热气道2、间隙流道3、支撑块4、筒体5、环腔流道6、蒸气腔7和换热器8。
33.其中，管壳1内部包含若干换热气道2和一个热管腔，热管腔置于管壳1中心位置，热管腔和管壳1之间设置有多个填充有载热气体的换热气道2，若干换热气道2环绕于热管
腔周围，换热气道2的一端连通。
34.热管腔内有筒体5，筒体5由多孔材料构成，筒体5的内部空间形成蒸气腔7，热管腔和筒体5之间设置有多个用于支撑筒体5的支撑块4，筒体5的侧壁中设置有多个环腔流道6，环腔流道6采用毛细管、金属丝网或者烧结粉末构成侧壁。热管腔和筒体5之间形成间隙流道3，上述结构能够减少热管工质流动阻力，促进热管工质的循环。
35.换热气道2的另一端设置换热器8，换热器8与换热气道2连接，用于在高功率水平工况，驱动载热气体在换热气道2内流动，并将热量输送至换热器8。载热气体能够实现高效热量传输，适应超高温环境。
36.进一步的，管壳1的材料是高熵合金、难熔金属或碳素管，上述材料具有极高的熔点，保证超高温热管在高温环境中结构的完整性。
37.进一步的，管壳1的材料是锆-铪-铌合金、钴-铬-铜-铁-镍合金、铝-钴-铬-铁-镍合金、钒-铌-钼-钽-钨合金、铁-铬-镍-锰-锆合金、钛-锆-铪-铌-钽合金、铝-铬-铁-钼-铌系合金、铝-铬-钼-铌-锆合金、钼铼合金、钨铼合金。
38.进一步的，载热气体包括氢气、氦气、氩气、氮气、氖气、氦氩二元混合气体、氦氙二元混合气体和氢氮二元混合气体。上述气体的具有较高的载热能力，能够满足超高温环境下传热的要求。
39.具体的，氦氩二元混合气体由氦气和氩气混合而成，氦气和氩气的体积比为1.5～2:8.5～8。氦氙二元混合气体由氦气和氙气混合而成，氦气和氙气的体积比为3.5～4:6.5～6。氢氮二元混合气体由氢气和氮气混合而成，氢气和氮气的体积比为1～2:19～18。
40.较为优选的，氦氩二元混合气体中氦气和氩气的体积比为4:21，氦氙二元混合气体中氦气和氙气的体积比为9:16，氢氮二元混合气体中氢气和氮气的体积比为3:37。
41.进一步的，支撑块4的材料是烧结粉末、毛细管、或难熔金属，上述材料能够在满足高温稳定性的同时提供一定的毛细力，促进工质循环。
42.进一步的，筒体5是第一复合结构、第二复合结构或者第三复合结构，以便于产生较大的毛细力以维持工质的循环。
43.其中，如图4所示，第一复合结构包括第一金属丝网51，第一金属丝网51呈圆柱筒形，其具有沿第一方向延伸的筒壁，在筒壁内部均布的设置有多个干道52，干道52贯穿所述第一金属丝网51的两个端面且其长度方向与的第一方向平行。
44.如图5所示，第二复合结构包括第二金属丝网511，第二金属丝网511呈圆柱筒形，在第二金属丝网511内套装设置有呈圆柱筒形的金属毡53，第二金属丝网511和金属毡53通过扩散焊或点焊的方式连接。
45.如图6所示，第三复合结构包括呈圆柱筒形的壳体，其具有沿第二方向延伸的中心轴，壳体的内壁上开设有多个槽道54，槽道54的长度方向与中心轴平行，壳体内套装设置有呈圆柱筒形的第三金属丝网512，第三金属丝网512和壳体通过扩散焊或点焊的方式连接。
46.作为替换方案，上述的第三金属丝网512能用金属毡层、烧结粉末层、泡沫镍层替代。
47.较佳的，筒体5的总厚度为1～1.2毫米，干道52的直径为0.01～0.1毫米，槽道54的深度为0.08～0.1毫米，金属毡层、烧结粉末层和泡沫镍层的厚度为9～10微米。
48.本发明的工作原理为：
49.如图3所示，在低功率水平工况，换热器8处于关闭状态，热量由热管蒸发段吸收，间隙流道3、筒体5和环腔流道6内的热管液相工质吸热蒸发为气相工质，气相工质在蒸气腔7内在蒸气压差的驱动下流至热管冷凝段释热；气相工质转变为液相工质，液相工质在筒体5内产生的毛细力的驱动下回流至蒸发段继续上述循环，间隙流道3和环腔流道6的存在减小了液相工质回流的阻力实现高效传热，换热气道2内部载热气体通过自然对流传热。
50.在高功率水平工况，热管腔内部的热管工质的流动传热同低功率水平一致，但换热器8处于开启状态，换热器8驱动载热气体在换热气道2内流动，并将热量输送至换热器8，保证热管的完整和有效传热。
51.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
52.本发明设置有换热气道，低功率水平下发挥热管的固有优势，实现非能动高效的传热，高功率水平下通过热管传热和载热气体强制对流换热实现稳定可靠的热传输，可满足不同功率水平安全可靠传热的需求；在热管腔内部设置有间隙流道和环腔流道，可以减小热管液相工质回流阻力，提升热管传热能力，结构简单、能动和非能动结合，能够极大地提升热管的工作效率、提升运行的可靠性。
53.以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种超高温热管，其特征在于，包括：管壳(1)，其内设置有热管腔，所述热管腔和管壳(1)之间设置有多个填充有载热气体的换热气道(2)，所述换热气道(2)的一端连通；筒体(5)，由多孔材料构成，设置在所述热管腔内，所述筒体(5)的内部空间形成蒸气腔(7)，所述热管腔和所述筒体(5)之间设置有多个用于支撑所述筒体(5)的支撑块(4)，所述筒体(5)的侧壁中设置有多个环腔流道(6)，所述热管腔和所述筒体(5)之间形成间隙流道(3)；换热器(8)，设置在所述换热气道(2)的另一端，所述换热器(8)与所述换热气道(2)连接，用于在高功率水平工况，驱动载热气体在换热气道(2)内流动，并将热量输送至换热器(8)。2.根据权利要求1所述的一种超高温热管，其特征在于，所述管壳(1)的材料是高熵合金、难熔金属或碳素管。3.根据权利要求2所述的一种超高温热管，其特征在于，所述管壳(1)的材料是锆-铪-铌合金、钴-铬-铜-铁-镍合金、铝-钴-铬-铁-镍合金、钒-铌-钼-钽-钨合金、铁-铬-镍-锰-锆合金、钛-锆-铪-铌-钽合金、铝-铬-铁-钼-铌系合金、铝-铬-钼-铌-锆合金、钼铼合金或者钨铼合金。4.根据权利要求1所述的一种超高温热管，其特征在于，所述载热气体是氢气、氦气、氩气、氮气、氖气、氦氩二元混合气体、氦氙二元混合气体或者氢氮二元混合气体；其中，所述氦氩二元混合气体由氦气和氩气混合而成，所述氦气和氩气的体积比为1.5～2:8.5～8，所述氦氙二元混合气体由氦气和氙气混合而成，所述氦气和氙气的体积比为3.5～4:6.5～6，所述氢氮二元混合气体由氢气和氮气混合而成，所述氢气和氮气的体积比为1～2:19～18。5.根据权利要求4所述的一种超高温热管，其特征在于，所述氦氩二元混合气体中氦气和氩气的体积比为4:21，所述氦氙二元混合气体中氦气和氙气的体积比为9:16，所述氢氮二元混合气体中氢气和氮气的体积比为3:37。6.根据权利要求1所述的一种超高温热管，其特征在于，所述支撑块(4)的材料是烧结粉末、毛细管或者难熔金属。7.根据权利要求1所述的一种超高温热管，其特征在于，所述筒体(5)是第一复合结构、第二复合结构或者第三复合结构；其中，所述第一复合结构包括第一金属丝网(51)，所述第一金属丝网(51)呈圆柱筒形，其具有沿第一方向延伸的筒壁，在筒壁内部均布的设置有多个干道(52)，所述干道(52)贯穿所述第一金属丝网(51)的两个端面且其长度方向与所述第一方向平行；所述第二复合结构包括第二金属丝网(511)，第二金属丝网(511)呈圆柱筒形，在所述第二金属丝网(511)内套装设置有呈圆柱筒形的金属毡(53)，所述第二金属丝网(511)和金属毡(53)固定连接；所述第三复合结构包括呈圆柱筒形的壳体，其具有沿第二方向延伸的中心轴，所述壳体的内壁上开设有多个槽道(54)，所述槽道(54)的长度方向与所述中心轴平行，所述壳体内套装设置有呈圆柱筒形的第三金属丝网(512)，所述第三金属丝网(512)和所述壳体固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种超高温热管，其特征在于，所述第三金属丝网(512)能用金属毡层、烧结粉末层、泡沫镍层替代。9.根据权利要求8所述的一种超高温热管，其特征在于，所述筒体(5)的总厚度为1～1.2毫米，所述干道(52)的直径为0.01～0.1毫米，所述槽道(54)的深度为0.08～0.1毫米，所述金属毡层、烧结粉末层和泡沫镍层的厚度为9～10微米。10.根据权利要求1所述的一种超高温热管，其特征在于，所述环腔流道(6)采用毛细管、金属丝网或者烧结粉末形成侧壁。

技术总结
本发明属于相变换热设备技术领域，涉及一种超高温热管，包括管壳，其内设置有热管腔，所述热管腔和管壳之间设置有多个填充有载热气体的换热气道，所述换热气道的一端连通；筒体，由多孔材料构成，设置在所述热管腔内，所述筒体的内部空间形成蒸气腔，所述热管腔和所述筒体之间设置有多个用于支撑所述筒体的支撑块，所述筒体的侧壁中设置有多个环腔流道，所述热管腔和所述筒体之间形成间隙流道；换热器，设置在所述换热气道的另一端，所述换热器与所述换热气道连接，用于在高功率水平工况，驱动载热气体在换热气道内流动，并将热量输送至换热器。本发明结构简单、能动和非能动结合，能够极大地提升热管的工作效率、提升运行的可靠性。提升运行的可靠性。提升运行的可靠性。


技术研发人员：苏光辉 田智星 张智鹏 王成龙 田文喜 郭凯伦 张大林 秋穗正
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/23