需少量碱金属工质的高温热管的精确充装设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备及方法，涉及热管技术，包括主管、支路、支路密封法兰、分支管存储罐、分支管存储罐密封上法兰、加热器、第一超高真空密封阀、第二超高真空密封阀、超高真空分子本机组、主进气管、惰性气体进气管、惰性气体细管、循环水冷却水管、排气管以及用于将所要充装的固态工质安放到存储罐内的透明室。本发明专利技术提供了一种高效精确的小量碱金属的定量充装设备和方法，并将碱金属的氧化降到最低限度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传热学科的热管
，特别涉及对需小量(小于2克)碱金属工质的高温热管固态碱金属工质的定量充装设备与充装方法。
技术介绍
热管是20世纪60年代美国科学家G. M. Grover专利技术的高性能传热元件，它一般由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部充装有传热用的工质，当热管的蒸发端(与热源接触的一端)从热源吸收热量后，工质吸热汽化，并在压力差的作用下传送到热管的冷凝端(与冷源接触的一端)，工质在冷凝端与冷源进行热量交换后回流到蒸发端。如此循环往复，实现 热量的快速传递。热管性能的好坏与工质的充装过程有很大关系。工质的充装过程应该保证热管在充装前应当具有足够高的真空度；能够控制充入工质的量；充入的工质具有较高的纯度，氧化物等杂质的含量很小；封口能够保证密封等。高温热管一般指工作温度大于500°C的热管。高温热管中的工质多采用碱金属，例如锂、钠、钾或钾钠合金等。采用碱金属作为工质的热管具有许多优点，如碱金属能够工作在高温下、汽化潜热高、高温下的稳定性好、饱和蒸汽压低、导热性好等。在将碱金属充装到高温热管中时，由于碱金属在常温下多为固态，且在空气中容易快速氧化，因此在整个充装过程中应当与空气隔离，从而保证充装到高温热管中的碱金属为单质状态，而非氧化物。以碱金属中最为常见的钠为例，现有技术中将金属钠充装到高温热管中时采用蒸馏灌钠工艺，即在充装前用蒸馏的办法对钠作提纯，然后将蒸馏提纯后的钠注入高温热管内。该方法在蒸馏过程中一般采用动真空法，即在整个充钠过程中系统一直在抽真空，防止在蒸馏时钠被可能漏入的微量空气氧化，以保证钠的充装纯度。专利技术人总结了多次高温热管充装实验，一般情况下，对于大于2克的碱金属，在高温热管充装时可以通过已有的过滤充装、蒸馏充装方法等来进行；对于较小量(小于2克)的碱金属工质的充装，难度增加很多，可以说用以前的方法很难实现碱金属灌装，或者说用以前的方法是不能够实现的。针对这一情况，进行了本专利技术“需少量碱金属工质的高温热管的精确充装设备与充装方法”。为了保证技术方案的实施，对其它的热温控设备也进行了匹配改进，使本专利技术具有更大的可行性。下面对现有的高温热管碱金属充装设备进行介绍。在参考文献1“马同泽，侯增祺，吴文銃，《热管》，科学出版社，ISBN7-03-002011-1,1991,277-282”中对热管的蒸馏充钠设备以及相关方法做了详细说明。图I是该文献中所采用的蒸馏充钠设备的结构图，具体操作步骤如下步骤I、起动真空机组110，对包括热管108在内的整个设备抽真空，使其达到KT4Pa的真空度。步骤2、用电加热器对热管108进行烘烤，将热管108在室温下因暴露在空气中而重新吸附的气体除去。烘烤温度为200°C，在此温度下，表面吸附的气体可以完全排净。待真空度完全回升到原来数值左右即可停止烘烤。步骤3、加热钠罐101、蒸馏罐104以及它们之间的管路103和钠阀102。这一步可提前开始，使得热管烘烤完毕后这部分设备正好加热到所需的温度。一般加热到150°C即可，这时钠罐101内的钠应已经全部融化。步骤4、根据所需的灌钠量调整好液面探针111的位置；在钠面上用氩气加压，注意两边压差不能太大，只需0. 2大气压就可以；开启钠阀102，根据液面探计111的指示把一定数量的钠注入蒸馏罐104中。注意不要少于设计值或过量，因为蒸馏时无法再进行计量。关钠阀102后停止这部分系统的加热。为了防止钠阀102关闭不严导致过量钠漏入蒸馏罐，在钠阀102后装有U形管103，必要时可用水冷却U形管103，使里面的钠凝固。步骤5、蒸馏充装，先把蒸馏罐104到热管108的设备加热到一定的温度，要求设备内各处有不同的温度，在冷凝管出口处的温度必须控制在150 200°C之间，温度太高会使钠蒸汽没有完全冷凝而被抽至真空机组内，温度太低则液体钠的流动性不好，会在热管的细排气管处堵塞；基于同一理由，三通106的接头、热管108特别是它的排气管，必须加热到200°C左右。在这几个达到预定温度后，即把蒸馏罐104加热到480 500°C，并维持在恒定温度下进行蒸馏，注意监视各处温度变化情况，直至钠全部蒸干(此时蒸馏罐温度上升)， 即停上加热蒸馏罐104。步骤6、蒸馏后设备需保温一个小时，并继续抽真空，同时敲击这部分管路使可能挂在管壁上的钠落下。步骤7、停止热管和设备所有部分的加热，待冷却后用冷焊钳进行冷焊封接。从上述说明可以看出，蒸馏充钠技术在热管中充装钠等碱金属时工艺复杂，耗时、耗水量大，一般一次只能实现一根热管的灌装，而且后处理工艺十分复杂，管路中的碱金属残留难以清理，因此，这种充装方法的效率很低，在充装过程中的浪费过大。下面是对前一方法改进了的充装方法，在前述的充装设备基础上，对前述工艺做了很大改进。为了突出对比，下面对改进的充装设备及其充装方法进行介绍。在图2中给出了改进的充装设备的一种实现方式(已申请专利技术专利)，下面以碱金属中常见的钠为例，对改进的充装设备的结构及其充装方法进行说明。步骤I、按照图2的说明将定量充装设备的各个部件进行组装，将待充装工质的高温热管固定密封连接在存储罐的出口处。步骤2、将密封法兰206的上下法兰分离，使得与存储罐连接的下法兰的底部与透明室220的透明下盖的顶部相贴合，与支路连接的上法兰位于透明上盖的法兰接孔内。当需要将钠装入存储罐时，需要通过通气孔将诸如氩气的惰性气体充入透明室220，以置换其中的空气，并通过进气管214经由主管210将诸如氩气的惰性气体充入支路，以置换定量充装设备中的空气。在经过一定时间的空气置换后，工作人员穿戴橡胶手套经由手套进出孔在透明室220内完成切割、称量、安放单质钠在内的多个操作，从而将一定量的钠安放到存储罐的内筒中。完成钠的安放后，将密封法兰206的上下法兰相耦合并密封。步骤3、关闭第一超高真空密封阀211，打开第二超高真空密封阀212，并启动超高真空分子泵机组217，以对定量充装设备做抽真空操作，使得设备中的高温热管、存储罐等装置中的压强达到10-3-10_5Pa。步骤4、加热存储罐以及高温热管到250°C，将固态的钠熔化成液体。步骤5、关闭第二超高真空密封阀212，打开第一超高真空密封阀211，同时关闭球阀213，使得惰性气体经由主管210、支路到达存储罐，对存储罐中的液体状的工质进行冲击以进入所要充装的高温热管中。步骤6、停止加热高温热管、接头和存储罐，待其恢复常温后，再次打开第二超高真空密封阀212和启动超高真空分子泵机组217，对定量充装设备做抽真空操作，使得高温热管中的气压达到l(T3-l(T5Pa。步骤7、钳断高温热管，焊接封口。此改进的定量充装设备虽然对蒸馏充钠设备进行了较大的改进，简化了操作，提高了充装效率，也使充装量更加精确，但是对于较小量(小于2克)的碱金属工质的充装，由于难度增加太多，使用这一改进的充装设备和方法在实际操作中仍然难以实现，主要表现在 I、较小量(小于2克)充装时充装量的控制不够精确。由于高温热管越来越微型化，充装的工质越来越少，现有的充装设备也越来越不能满足对微型高温热管微量工质充装的精确控制。2、存储罐喉部对抽真空的影响较大。存储罐放入固体碱金属后，固体碱金属块位于存储罐喉部，对后续的抽真空操作形成节流作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，包括主管(210)、支路(310)、支路密封法兰(309)、分支管存储罐(301)、分支管存储罐密封上法兰(302)、加热器(701)、第一超高真空密封阀(211)、第二超高真空密封阀(212)、超高真空分子本机组(217)、主进气管(214)、惰性气体进气管(305)、惰性气体细管(601)、循环水冷却水管、排气管(107)以及用于将所要充装的固态工质安放到存储罐内的透明室(401)；其中，主进气管(214)连通到安装有调节阀的排气管(107)上，排气管(107)经由第一超高真空密封阀(211)连接到主管(210)的一端，主管(210)的另一端通过第二超高真空密封阀(212)连接到超高真空分子泵机组(217)；主管(210)侧面开孔以与支路(310)的一端密封连通，支路(310)的另一端经由支路密封法兰(309)连通到分支管抽气旁路(307)，分支管存储罐(301)底部通过接头(202)与待充装工质的高温热管(201)连通，顶部与分支管存储罐密封上法兰(302)连接，二者之间用密封O圈密封；分支管存储罐密封上法兰(302)上连接有惰性气体进气管(305)及循环冷却水管；加热器(701)套在分支管外部；惰性气体细管(601)有独立阀门，可单独控制；透明室(401)包括带有法兰接孔(405)、分支管存储罐惰性气体进气管(305)、循环冷却水管和惰性气体细管(601)进出孔的透明上盖(402)，带有热管进出孔(407)的透明下盖(403)以及筒状透明室主体，上盖、下盖、透明室主体围成一密封腔体，在透明室主体的侧壁面开有手套进出孔(406)和通气孔(409)；腔体内部放置对所要充装的固态碱金属工质进行准确称量的质量称量装置及切割工具；加热器(701)为两瓣开合的封闭结构，可直接扣在分支管上，内层为保温层(703)，内部镶嵌加热丝(801)，外层为绝热层(702)，可有效减少热损失，加热器(701)上分布有测温井(708)，测温井(708)内安放温度传感器，加热器(701)上下端有通孔，安置各管路通过。...

【技术特征摘要】
1.一种需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，包括主管(210)、支路(310)、支路密封法兰(309)、分支管存储罐(301)、分支管存储罐密封上法兰(302)、力口热器(701)、第一超高真空密封阀(211)、第二超高真空密封阀(212)、超高真空分子本机组(217)、主进气管(214)、惰性气体进气管(305)、惰性气体细管￠01)、循环水冷却水管、排气管(107)以及用于将所要充装的固态工质安放到存储罐内的透明室(401);其中， 主进气管(214)连通到安装有调节阀的排气管(107)上，排气管(107)经由第一超高真空密封阀(211)连接到主管(210)的一端，主管(210)的另一端通过第二超高真空密封阀(212)连接到超高真空分子泵机组(217);主管(210)侧面开孔以与支路(310)的一端密封连通，支路(310)的另一端经由支路密 封法兰(309)连通到分支管抽气旁路(307)，分支管存储罐(301)底部通过接头(202)与待充装工质的高温热管(201)连通，顶部与分支管存储罐密封上法兰(302)连接，二者之间用密封O圈密封；分支管存储罐密封上法兰(302)上连接有惰性气体进气管(305)及循环冷却水管；加热器(701)套在分支管外部；惰性气体细管￠01)有独立阀门，可单独控制； 透明室(401)包括带有法兰接孔(405)、分支管存储罐惰性气体进气管(305)、循环冷却水管和惰性气体细管(601)进出孔的透明上盖(402)，带有热管进出孔(407)的透明下盖(403)以及筒状透明室主体，上盖、下盖、透明室主体围成一密封腔体，在透明室主体的侧壁面开有手套进出孔(406)和通气孔(409);腔体内部放置对所要充装的固态碱金属工质进行准确称量的质量称量装置及切割工具； 加热器(701)为两瓣开合的封闭结构，可直接扣在分支管上，内层为保温层(703)，内部镶嵌加热丝(801)，外层为绝热层(702)，可有效减少热损失，加热器(701)上分布有测温井(708)，测温井(708)内安放温度传感器，加热器(701)上下端有通孔，安置各管路通过。2.根据权利要求I所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，所述小量，是充装小于2克；抽真空操作是通过分支管抽气旁路(307)，避免了分支管存储罐(301)喉部及工质形成的节流效应。3.根据权利要求I所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，所述分支管存储罐密封上法兰(302)带有惰性气体进气管(305)和循环冷却水管，惰性气体进气管(305)用于充入惰性气体冲压液体碱金属工质，冷却水在加热分支管存储罐(301)时用于冷却分支管存储罐密封法兰之间的密封O圈。4.根据权利要求3所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，所述冷却水的冷却循环系统，是分支管存储罐密封上法兰(302)下表面与分支管存储罐上端之间有用于安放密封O圈的凹槽(802)，为了使密封O圈在加热时温度不会太高，在密封O圈上方开有循环冷却水流动腔(801)，循环冷却水流动腔(801)两边分别通向冷却水进水口(303)和冷却水出水口(304)，冷却水进水口(303)和冷却水出水口(304)由水管连接循环水泵，并由循环水泵提供冷却水。5.根据权利要求I所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，所述惰性气体细管(601)，在添加工质前伸入高温热管(201)底部，通入惰性气体以排出高温热管毛细芯内的不凝气体，以及高温热管(201)和分支管存储罐(301)中的空气。6.根据权利要求I所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，所述加热器(701)对分支管存储罐(301)、分支管抽气旁路(307)和接头(202)加热；还包括加热带，由于高温热管(201)的管径和长度不定，使用缠绕加热带的方法对其进行加热。7.根据权利要求I或6所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，所述加热器(701)为筒状，是两弧面形绝热层(7...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲伟，段彦军，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：