[发明专利]固态碱金属工质的定量充装设备与充装方法

说明书

技术领域

本发明涉及传热领域，特别涉及对热管中固态碱金属工质的定量充装设备与充装方法。

背景技术

热管是20世纪60年代美国科学家G.M.Grover发明的高性能传热元件，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。热管性能的好坏与所述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℃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。

在参考文献1“马同泽，侯增祺，吴文銧，《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1是该文献中所采用的蒸馏充钠设备的结构图，在该设备中，安装有液面探针111的钠罐101通过钠阀102、U形管103连接到蒸馏罐104，蒸馏罐104再通过冷凝管105、三通106、排气管107与热管108相连，热管108还同时经由排气管107、三通106连接到冷阱109，冷阱109经由输液管连接到真空机组110。利用这一设备向热管中充装金属钠的过程总体上可分为两步：第一步把预定数量的钠从钠罐注入蒸馏罐，第二步把钠蒸馏并注入热管中。具体操作步骤如下：

步骤1、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10^-4Pa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℃，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℃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℃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℃左右。在这几个达到预定温度后，即把蒸馏罐104加热到480～500℃，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，现有技术在热管中充装如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。

发明内容