一种高温热管碱金属工质净化灌装装置及方法

技术领域

本发明属于高温热管技术领域，具体涉及一种高温热管碱金属工质净化灌装装置及方法。

背景技术

热管是一种高效的传热元件，其具有等温性高、热响应速度快等优点，高温热管运行温度在450℃以上，在航空航天、核能、电力、化工等行业被广泛用于散热、温控、热能传递与回收等方面。

高纯度工质可以提高热管的传热性能。热管的传热性能与工质的热导率密切相关，高纯度工质通常具有较高的热导率，可以提高热管的传热效率，使其更有效地将热量从热源传递到冷阱。高纯度工质可以减少热管内部的不凝性气体和其他固态杂质。热管内部的不凝性气体和其他固态杂质会对热管的传热性能产生负面影响，例如增加传热阻力、降低传热效率、缩短热管工作长度等。给热管灌装高纯度工质，可以减少这些不利因素的存在，提高热管的稳定性和可靠性。此外，高纯度工质还可以减少热管管壁材料的腐蚀损伤。

目前高温热管的高纯度工质灌装工艺常通过提升碱金属工质原料的纯度来实现，忽略了灌装过程中的净化维持手段，使得制备过程难以保证实际灌装进入热管的碱金属工质的高纯度。

发明内容

为了保证高温热管在灌装过程中工质依然维持高纯度，从而提升高温热管的实际运行性能，本发明设计了一种高温热管碱金属工质净化灌装装置及方法，创新性地结合碱金属工质净化及灌装一体化工艺，实现了高性能高温热管的制备。

为了达到上述目的，本发明一方面提供了一种高温热管碱金属工质净化灌装装置，包括：

透明密封容器1，用于提供惰性气体保护氛围与放置设备空间，利用阀门30与真空泵7相连；

惰性气体充气回路2，设置于透明密封容器1外部，利用第一减压阀31与透明密封容器1相连，用于维持透明密封容器内惰性气体氛围，利用第二减压阀32、第一耐压波纹管33与碱金属工质灌装罐4相连，用于提供碱金属工质灌装罐内惰性气体氛围与产生过滤灌装的驱动压力；

碱金属工质保护储存容器3，设置于透明密封容器1内部，用于在室温下长期存放碱金属工质；

碱金属工质灌装罐4，设置于透明密封容器1内部，用于进行碱金属工质的灌装，利用第二减压阀32、第一耐压波纹管33与惰性气体充气回路2连接，利用第一真空隔离阀34与热管管材夹持装置6连接，利用第二真空隔离阀35、第二耐压波纹管36与真空泵7连接，外部包裹加热器件11与保温材料12；

碱金属工质净化滤网桶5，设置于碱金属工质灌装罐4内部，用于进行碱金属工质的净化；

热管管材夹持装置6，设置于透明密封容器1外部，用于夹持热管管材20并接受热管工质灌装，热管管材20外部包裹加热器件11与保温材料12，热管管材20利用第三真空隔离阀21、第三耐压波纹管22与真空泵7相连；

真空泵7，设置于透明密封容器1外部，利用第二真空隔离阀35、第二耐压波纹管36与碱金属工质灌装罐4连接，用于抽取净化灌装装置内部气体杂质，利用第三真空隔离阀21、第三耐压波纹管22与热管管材20连接，用于抽取热管管内气体杂质；

加热装置8，设置于透明密封容器1内部，包括加热器件11、保温材料12与数显温控器13，加热器件11和保温材料12包裹在碱金属工质灌装罐4外表面与热管管材夹持装置6的热管管材20外表面，用于加热使碱金属工质转变为流体并维持于流体状态；

水氧含量检测报警器9，其探头设置于透明密封容器1内部，数值显示屏幕、报警设置器设置于透明密封容器1外部，用于监测透明密封容器内水氧含量，当水氧含量达到报警设置器设置限度时，触发蜂鸣器报警。

进一步，如上所述一种高温热管碱金属工质净化灌装装置，所述碱金属工质灌装罐4气密性良好，耐压10

进一步，如上所述一种高温热管碱金属工质净化灌装装置，所述碱金属工质净化滤网桶5，由过滤器滤芯41和滤芯定位装置42组成，其中过滤器滤芯41对碱金属工质内杂质进行过滤与滞留，滤芯定位装置42对过滤器滤芯41进行支撑定位。

进一步，如上所述一种高温热管碱金属工质净化灌装装置，所述过滤器滤芯41的材料采用烧结不锈钢陶瓷材料、烧结镍陶瓷材料、不锈钢丝网材料中的一种或多种，上述材料具有耐高温性能好、结构强度高、过滤精度高，适用于液态碱金属过滤需求，且可进行多次重复使用，将有效降低滤芯使用成本；其中烧结不锈钢陶瓷材料与烧结镍陶瓷材料的滤孔孔径在1μm至50μm之间，该种滤芯具有较高的过滤精度，可以有效过滤微小颗粒，确保净化处理后的纯度；不锈钢丝网材料的网孔目数在50目至800目之间，不同目数的使用可以兼顾液态碱金属装填时的过滤效率及装填速度，且易于分类清洗和维护，能够重复使用，降低了成本和维护工作量。

进一步，如上所述一种高温热管碱金属工质净化灌装装置，加热器件11材料可为电加热丝、玻璃纤维加热带、电加热板或电磁加热线圈，保温材料12可为保温棉、硅藻土、膨胀珍珠岩、发泡陶瓷保温板或硅酸铝保温材料。

进一步，如上所述一种高温热管碱金属工质净化灌装装置，所述热管管材20材料为不锈钢、钛合金或铜合金，采用这些材料优点在于，结构强度大，管壁传热热阻小，可满足高温热管的运行需求。

本发明第二方面提供了采用上述装置的高温热管碱金属工质净化灌装方法，包括如下步骤：

S1、构建透明密封容器1、碱金属工质灌装罐4内的惰性气体氛围；

S2、从碱金属工质保护储存容器3取出碱金属工质，填装进入碱金属工质灌装罐4内，关闭碱金属工质灌装罐4；

S3、对热管管材20进行粗抽真空与净化；

S4、连通加热装置8与碱金属工质灌装罐4，开启加热并监控数显温控器13温度为碱金属工质熔点以上20至40℃，维持15至25分钟，加热使碱金属工质转变为流体并维持于流体状态；

S5、打开第一真空隔离阀34，为流体态的碱金属工质构成流动通道，实现对热管的灌装，等待15分钟后，开启第二减压阀32，产生过滤灌装的驱动压力，等待5分钟后，关闭第一真空隔离阀34与第二减压阀32，断开加热装置8与碱金属工质灌装罐4的连接；

S6、断开加热装置8与热管管材20的连接，待热管管材20恢复至室温，开启第三真空隔离阀21、真空泵7，继续抽取热管管材20内杂质气体并建立负压至10

进一步，上述高温热管碱金属工质净化灌装方法，所述步骤S1中构建透明密封容器1、碱金属工质灌装罐4内的惰性气体氛围包括以下操作：

S11、关闭所有阀门，设置水氧含量检测报警器9报警阈值；

S12、开启碱金属工质灌装罐4，使碱金属工质灌装罐4与透明密封容器1处于同一气体环境中；

S13、打开阀门30、第二真空隔离阀35、真空泵7，为透明密封容器1、碱金属工质灌装罐4构建负压环境；

S14、关闭阀门30、第二真空隔离阀35，打开第一减压阀31、减压阀32向透明密封容器1、碱金属工质灌装罐4内通入惰性气体；

S15、重复S13-S14步骤，直至水氧含量检测报警器9停止报警；

S16、关闭阀门30、第一减压阀31、第二减压阀32、第二真空隔离阀35、真空泵7，维持透明密封容器1、碱金属工质灌装罐4内的惰性气体氛围。

进一步，上述高温热管碱金属工质净化灌装方法，所述步骤S3中对热管管材20进行粗抽真空与净化包括以下操作：

S31、开启第三真空隔离阀21、真空泵7，抽取热管管材20内杂质气体并建立负压至10

S32、连通加热装置8与热管管材20，开启加热并监控数显温控器13温度为碱金属工质熔点以上20至40℃，持续1小时，随后保持加热装置8开启；

S33、重新开启第三真空隔离阀21、真空泵7，继续抽取热管管材20内杂质气体并建立负压至10

S34、关闭第三真空隔离阀21、真空泵7。

有益效果：

本发明提供的一种高温热管碱金属工质净化灌装装置及方法，实现了碱金属工质净化灌装一体化，可以保证高温热管在灌装过程中碱金属工质依然维持高纯度，从而提升高温热管的实际运行性能。

本发明去除高温热管碱金属工质中的气体和杂质。高温热管中的气体和杂质会对热管的传热性能产生负面影响，例如增加传热阻力、降低传热效率等。通过使用本发明装置和方法，可以有效地去除这些不利因素，提高热管的传热效率和稳定性。

本发明降低了高温热管碱金属工质的被污染的程度。碱金属工质性质活泼，易被污染，会对热管内部的材料和结构造成损害。通过使用本发明装置和方法，可以减少这些风险，延长热管的使用寿命。本发明提高了所制备热管的传热性能和稳定性，增强了其在高温热管理领域的应用价值。

本发明提高了灌装进入高温热管碱金属工质的纯度。高纯度的碱金属工质通常具有较高的热导率，可以提高热管的传热效率，使其更有效地将热量从热源传递到热载体。相比之单纯提升碱金属原料纯度以保证工质纯度的方法，本发明的方法减少了在储存、运输等环节为了避免碱金属工质被氧化的开销，降低了高温热管进行高纯度工质灌装制造的成本。

附图说明

图1为本发明高温热管碱金属工质净化灌装装置示意图。

具体实施方式

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。

在一种实施例中，请参阅图1，图1绘示了本发明一具体实施例中高温热管碱金属工质净化灌装装置示意图。包括透明密封容器1，用于提供惰性气体保护氛围与放置设备空间，利用阀门30与真空泵7相连；惰性气体充气回路2，设置于透明密封容器1外部，利用第一减压阀31与透明密封容器1相连，用于维持透明密封容器内惰性气体氛围，利用第二减压阀32、第一耐压波纹管33与碱金属工质灌装罐4相连，用于提供碱金属工质灌装罐内惰性气体氛围与产生过滤灌装的驱动压力；碱金属工质保护储存容器3，设置于透明密封容器1内部，用于在室温下长期存放碱金属工质；碱金属工质灌装罐4，设置于透明密封容器1内部，用于进行碱金属工质的灌装，利用第二减压阀32、第一耐压波纹管33与惰性气体充气回路2连接，利用第一真空隔离阀34与热管管材夹持装置6连接，利用第二真空隔离阀35、第二耐压波纹管36与真空泵7连接，外部包裹加热器件11与保温材料12；碱金属工质净化滤网桶5，设置于碱金属工质灌装罐4内部，用于进行碱金属工质的净化；热管管材夹持装置6，设置于透明密封容器1外部，用于夹持热管管材20并接受热管工质灌装，热管管材20外部包裹加热器件11与保温材料12，热管管材20利用第三真空隔离阀21、第三耐压波纹管22与真空泵7相连；真空泵7，设置于透明密封容器1外部，利用第二真空隔离阀35、第二耐压波纹管36与碱金属工质灌装罐4连接，用于抽取净化灌装装置内部其他气体杂质，利用第三真空隔离阀21、第三耐压波纹管22与热管管材20连接，用于抽取热管管内其他气体杂质；加热装置8，设置于透明密封容器1内部，包括加热器件11、保温材料12与数显温控器13，加热器件11和保温材料12包裹在碱金属工质灌装罐4外表面与热管管材夹持装置6的热管管材20外表面，用于加热使碱金属工质转变为流体并维持于流体状态；水氧含量检测报警器9，其探头设置于透明密封容器1内部，数值显示屏幕、报警设置器设置于透明密封容器1外部，用于监测透明密封容器内水氧含量，当水氧含量达到报警设置器设置限度时，触发蜂鸣器报警。

作为本发明的优选实施方式，所述碱金属工质灌装罐4气密性良好，耐压10

作为本发明的优选实施方式，所述碱金属工质净化滤网桶5，由过滤器滤芯41和滤芯定位装置42组成，其中过滤器滤芯41对碱金属工质内杂质进行过滤与滞留，滤芯定位装置42对过滤器滤芯41进行支撑定位，滤芯定位装置42为在碱金属工质灌装罐4内部留有的凸槽。

作为本发明的优选实施方式，所述过滤器滤芯41的材料为不锈钢丝网材料，不锈钢丝网材料的网孔目数为200目，由三层不锈钢丝网密压而成。

作为本发明的优选实施方式，所述加热器件11材料玻璃纤维加热带，保温材料为保温棉。

作为本发明的优选实施方式，所述热管管材20材料为310S不锈钢。

另一方面，本发明针对上述装置，进一步提供了高温热管碱金属工质净化灌装方法，采用前述装置进行的高温热管碱金属工质净化灌装方法，结合图1，包括如下步骤：

S1、构建透明密封容器1、碱金属工质灌装罐4内的惰性气体氛围；

S2、从碱金属工质保护储存容器3取出钠工质，填装进入碱金属工质灌装罐4内，关闭碱金属工质灌装罐4；

S3、对热管管材20进行粗抽真空与净化；

S4、连通加热装置8与碱金属工质灌装罐4，开启加热并监控数显温控器13温度为170℃，维持20分钟，加热使钠工质转变为流体并维持于流体状态；

S5、打开第一真空隔离阀34，为流体态的钠工质构成流动通道，实现对热管的灌装，等待15分钟后，开启第二减压阀32，产生过滤灌装的驱动压力，等待5分钟后，关闭第一真空隔离阀34与第二减压阀32，断开加热装置8与碱金属工质灌装罐4的连接；

S6、断开加热装置8与热管管材20的连接，待热管管材20恢复至室温25℃，开启第三真空隔离阀21、真空泵7，继续抽取热管管材20内杂质气体并建立负压至10

步骤S1为构建透明密封容器1、碱金属工质灌装罐4内的惰性气体氛围，结合图1，具体实施例中包括以下操作：

S11、关闭所有阀门，设置水氧含量检测报警器9报警阈值，水氧含量报警值皆为为2ppm；

S12、开启碱金属工质灌装罐4，使碱金属工质灌装罐4与透明密封容器1处于同一气体环境中；

S13、打开阀门30、第二真空隔离阀35、真空泵7，为透明密封容器1、碱金属工质灌装罐4构建负压环境；

S14、关闭阀门30、第二真空隔离阀35，打开第一减压阀31、第二减压阀32向透明密封容器1、碱金属工质灌装罐4内通入惰性气体；

S15、重复S13-S14步骤，直至水氧含量检测报警器9停止报警；

S16、关闭阀门30、第一减压阀31、第二减压阀32、第二真空隔离阀35、真空泵7，维持透明密封容器1、碱金属工质灌装罐4内的惰性气体氛围。

步骤S3为对热管管材20进行粗抽真空与净化，结合图1，包括以下操作：

S31、开启第三真空隔离阀21、真空泵7，抽取热管管材20内杂质气体并建立负压至10

S32、连通加热装置8与热管管材20，开启加热并监控数显温控器13温度为170℃，持续1小时，随后保持加热装置8开启；

S33、重新开启第三真空隔离阀21、真空泵7，继续抽取热管管材20内杂质气体并建立负压至10

S34、关闭第三真空隔离阀21、真空泵7。

作为本发明的优选实施方式，所述惰性气体为氩气。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。