一种液态金属高温脉动热管的充液装置的制作方法

本实用新型涉及高温脉动热管的加工领域，更具体地，涉及一种液态金属高温脉动热管的充液装置。

背景技术：

脉动热管(OHP)是Akachi在20世纪90年代初提出的一种新型、高效、可用于微小空间、高热流密度条件下的传热元件。脉动热管由弯曲的毛细管组成，管内抽真空后充入适量工质。工作时,工质在加热端吸热,膨胀和升压，流向低温放热端。在那里气柱冷却收缩，由于两端间存在压差以及相邻管子之间存在的压力不平衡，使得工质在加热端和放热端之间振荡流动，从而实现热量的传递。工作温度超过500℃的脉动热管称为高温脉动热管。高温脉动热管采用液态金属作为工质，液态金属具有良好的导热能力、热稳定性和较低的饱和蒸气压，并且在高温下具有较高的汽化潜热。由于钠钾合金具有常温下为液态的特点，因此加热过程中可以省去熔化过程，使热管启动更加简单。因此，钠钾合金是液态金属高温脉动热管的理想工质之一。

钠钾合金在常温下为液态，遇酸、二氧化碳、潮气及水发生剧烈反应,放出氢气,立即自燃,有时甚至会爆炸，在弱氧环境中也极其容易氧化，因此工艺过程中的惰性气体保护极为重要。由于脉动热管内径较小，工质在毛细管内受表面张力的影响最终离散成随机分布、间隔布置的液塞和气塞，所以充入的惰性气体难以抽出，大大增加了充装的难度，现有的脉动热管及碱金属高温热管的充装方法无法满足钠钾合金高温脉动热管的充装要求。

液态金属高温脉动热管的充装过程应该保证：充入的液态金属具有较高的纯度；充装前脉动热管具有很高的真空度；能够精准控制充入钠钾合金的量；保证在充装完成后高温脉动热管中不存在惰性气体；由于液态金属极其活泼，还需保证充装过程的安全性。液态金属高温脉动热管的充装工艺属于首创，但在充装过程中，可以借鉴碱金属高温热管以及钠钾合金热管的充装工艺，可提供参考的充装工艺有四个：

(1)需少量碱金属工质的高温热管的精确充装设备及方法(曲伟，段颜军，申请号:201110088089)，该种方法采用旁路结构，透明室中进行惰性气体置换后，将工质放入内筒后将充装管路密封并抽真空，加热将工质熔化为液体，液态工质在惰气冲击下进入高温热管，待热管恢复常温后将管内惰气抽出。此种方法采用的真空手套箱属于开式，分装过程中工质会有少量氧化，操作过程中涉及工件密封耦合过程，操作不当影响管路的密封。

(2)一种碱金属工质的无氧化分装方法及一体化设备(曲伟，艾邦成，俞继军，薛志虎，申请号:201210378002.5)，与(1)中所述方法相比，此种方法工艺罐放置在手套箱下侧，简化了操作过程。手套箱内部采用4根吸排气管，每根管对经过的两角区排吸气不够均匀；内置天平占用了手套箱内的大部分，工艺罐壁面结构较为复杂，不易拆装。

(3)一种双工艺接口热管的固态工质充装设备及充装方法(曲伟，艾邦成，俞继军，薛志虎，申请号:201410306757.3)，充装原理与(2)中基本相同，采用双工艺接口设计，主工艺口既是抽真空接口和惰性气体通路接口，又是工质的充入口，副工艺口既是抽真空接口，又是惰性气体通路接口，使排气通道增大一倍。此种方法装置较为复杂，工艺罐内壁会有工质残留，充液完成后的清洗过程也比较复杂。

(4)钠钾合金热管的充装工艺，例如，文献“王伟.钠钾合金中温热管实验研究[D].北京工业大学,2012.”中介绍的钠钾合金充液方法，将钠钾合金处理好后装入合金筒中，连接整个系统，抽真空后在惰气压力下充入热管。此种方法对钠钾合金筒安装过程要求较高。应用此种方法对钠钾合金高温脉动热管进行充液，不能保证充装完成后惰性气体能够被抽出脉动热管。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种液态金属高温脉动热管的充液装置，达到脉动热管精准充装、充装工质纯度高、充装过程安全、充装后残余工质安全处理、脉动热管性能优异等目的。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种液态金属高温脉动热管的充液装置，其特征在于，包括惰性气体气瓶、手套箱、抽真空系统、液态金属高温脉动热管、脉动热管加热器和充液管，其中，所述手套箱为密封箱体结构，所述手套箱的正前箱体上有两个密封连接的手套，所述手套箱内有气体循环系统、至少一个称量装置、至少一个液态金属存储装置、多通道连接管、抽真空管路、充液管路、至少一个液体管路、至少一个液体管路开关和真空阀，所述手套箱的箱体上有第一接口和第二接口；

在所述手套箱内，所述抽真空管路、所述充液管路以及所述至少一个液体管路通过所述多通道连接管连接在一起，所述抽真空管路还连接到所述第一接口，所述充液管路还连接到所述第二接口，每个所述液体管路连接每个所述液态金属存储装置，所述液态金属存储装置用来盛装待充入液态金属高温脉动热管的液态金属，所述称量装置置于每个液态金属存储装置的下方，用来称量充装进所述液态金属高温脉动热管内的每种液态金属的质量，所述真空阀安装在所述抽真空管路上，所述液体管路开关安装在每个液体管路上；

所述惰性气体气瓶与所述手套箱密封连接；

所述手套箱通过所述第一接口与所述抽真空系统密封相连；

所述手套箱通过所述第二接口与所述充液管密封相连；

所述充液管与所述液态金属高温脉动热管相连；

所述液态金属高温脉动热管由所述脉动热管加热器加热。

进一步地，所述抽真空系统与所述液态金属高温脉动热管之间在手套箱外还具有至少一条抽真空管路。

进一步地，所述液态金属高温脉动热管中充入的工质为钠钾合金(钾的质量分数为46％-89％)，或金属钠，或金属锂，或金属铯，或金属铷。

进一步地，所述抽真空系统包括真空计、冷阱、分子泵机组和冷却水浴，所述真空计、冷阱、分子泵机组顺次相连，所述冷却水浴连接于所述分子泵机组上，所述真空计与所述第一接口密封相连。

进一步地，所述抽真空管路通过真空法兰与所述第一接口密封相连；所述抽真空系统通过真空法兰与所述第一接口密封相连；所述充液管路通过真空法兰与所述第二接口密封相连；所述充液管通过真空法兰与所述第二接口密封相连。

进一步地，所述脉动热管加热器是沟槽式加热板或高频线圈。

进一步地，所述液态金属高温脉动热管为管式脉动热管或板式脉动热管。

从上述技术方案可以看出，本实用新型通过设置封闭性的手套箱，在惰性气体保护下配置液态金属工质，确保液态金属不被污染，通过保证手套箱内的惰气环境,使短时间内多次充装不必频繁拆卸手套箱内管路系统,通过使用称量装置，尽可能消除了充装过程中工质质量的误差，通过采用真空法兰进行管路与设备连接，使整体装置易拆卸、密封性好，通过在充液前对脉动热管、液体管路及充液管路进行抽真空，保证了充液前及充液后脉动热管中均无气体杂质，解决了当前技术无法保证充液后脉动热管内的气体无法抽出的问题,使充液过程更安全以及液态金属高温脉动热管的性能更优异。因此，本实用新型具有显著特点。

附图说明

图1是本实用新型的一种液态金属高温脉动热管的充液装置的结构示意图；

图2是本实用新型的一种液态金属高温脉动热管的充液方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本实用新型的实施方式时，为了清楚地表示本实用新型的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本实用新型的限定来加以理解。

在以下本实用新型的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本实用新型的一种液态金属高温脉动热管的充液装置的结构示意图。如图1所示，一种液态金属高温脉动热管的充液装置，包括惰性气体气瓶1、手套箱2、抽真空系统4、液态金属高温脉动热管5、脉动热管加热器6和充液管3，其中，手套箱2为密封箱体结构，手套箱2的正前箱体上有两个密封连接的手套21，手套箱2内有气体循环系统、至少一个称量装置、至少一个液态金属存储装置、多通道连接管、抽真空管路、充液管路、至少一个液体管路、至少一个液体管路开关和真空阀，所述手套箱的箱体上有第一接口30和第二接口31。

液态金属高温脉动热管中充入的工质可以为钠钾合金(钾的质量分数为 46％-89％)，或金属钠，或金属钾，或金属铯，或金属铷。

以钠钾合金工质为例，钠钾合金在常温为液态，不需要将固体熔化为液态的过程，因此，使充液过程更加简单。请参阅图1，手套箱内还具有液氮喷枪、精密天平24、钠钾合金罐23、三通27、液体管路26、液体管路开关25、抽真空管路28、充液管路22和真空阀29，手套箱2的箱体上有第一接口30和第二接口31；三通27具有三个端口，分别为端口一32、端口二33和端口三34。钠钾合金罐23中盛装配置好的钠钾合金液体置于精密天平24上，液体管路26的一端伸入钠钾合金罐23中的钠钾合金液体液面下，另一端通过卡套管与三通27 的端口一32相连，液体管路开关25设置在液体管路26上；抽真空管路28的一端与真空阀29相连,真空阀29通过卡套管与三通27的端口二33密封相连，另一端通过真空法兰与第一接口30密封相连，三通27的端口三34通过卡套管与充液管路22相连，充液管路22通过真空法兰与第二接口31密封相连；惰性气体气瓶1与手套箱2密封连接；手套箱2通过第一接口30与抽真空系统4密封相连；手套箱2通过第二接口31与充液管3相连；充液管3与钠钾合金高温脉动热管5相连；钠钾合金高温脉动热管5嵌装于脉动热管加热器6内。

在本实施例中，抽真空系统4包括真空计41、冷阱42、分子泵机组43和冷却水浴44，冷却水浴44连接在分子泵机组43上,对分子泵机组进行冷却，真空计41、冷阱42、分子泵机组43依次相连，真空计41通过真空法兰与第一接口30相连通。将足量液氮倒入冷阱42中，打开分子泵机组43，同时打开手套箱内的真空阀29，即可通过第二连接管28、三通27、第三连接管22及充液管 3将钠钾合金高温脉动热管5抽真空，可通过真空计41观察抽真空情况，冷却水浴44用来为分子泵机组43提供循环降温。其它功能为抽真空的系统皆应属于本实用新型的保护范围。

为了进一步提高高温脉动热管内的真空度，可以在抽真空系统与液态金属高温脉动热管之间在手套箱外增加至少一条抽真空管路。在本实施例中，在液态金属脉动热管的下部或侧部增加开口，使分子泵机组43在手套箱外通过多条抽真空管路分别直接连接高温脉动热管的下部或侧部的开口，直接对高温脉动热管抽真空。

由于碱金属为活泼金属，在氧气中极易氧化，并且易于与水发生反应，快速放热，因此，手套箱2应为密封结构，并确保充液操作在无氧和无水的情况下进行。为了增加密封效果，抽真空管路28与第一接口30之间、抽真空管路 28与真空阀29之间、真空阀29与三通27之间、充液管路22与第二接口31之间、充液管3与第二接口31之间、充液管路22与三通27之间、抽真空系统3 与第一接口30之间均应密封相连，优选地，可以通过真空法兰连接，以防止外界气体进入手套箱内。只要密封效果能够满足要求，其它具有密封作用的结构也可以代替真空法兰，皆应属于本实用新型的保护范围。在本实施例中，液体管路26可以为软管，液体管路开关25可以为压力式软管开关，通过调节压力实现软管的连通和阻断。

优选地，抽真空管路28可以为波纹管。

用脉动热管加热器6为钠钾合金高温脉动热管加热，在本实施例中，脉动热管加热器可以是沟槽式加热板或者高频线圈。

优选地，液态金属高温脉动热管可以为管式脉动热管或板式脉动热管等任何现有技术中已有的热管形式。

由于钠钾合金高温脉动热管具有大小不等的型号，因此，可以在其下方增加安装升降机7，调节钠钾合金高温脉动热管5的高度。

当要充装的碱金属工质为金属钠、金属铯、金属铷时，它们在常温下皆为固体，需采用加热装置将其熔化为液态进行充液。

当需要轮流充入两种不同的工质时，可以将三通27改为四通或其余多通道连接管，该多通道连接管连接多个液体管路，每个液体管路上都设有液体管路开关，以便于独立控制每条液体管路。为了精确充装每种工质，可以在每种工质的下方都安装称量装置。

利用上述装置对液态金属高温脉动热管进行充液的方法，请参考图1和图2，主要包括以下步骤：

S1：用手套箱封闭液态金属存储装置23、称量装置24、抽真空管路28、充液管路22及液体管路26。

S2：关闭手套箱内的液体管路26与抽真空管路28，对手套箱2进行循环去除氧气和水，使手套箱2内的水、氧含量小于等于0.1ppm，保证手套箱内的操作为无氧无水操作，避免液态金属被氧化。

S3：加热液态金属高温脉动热管5至所需温度,烘烤吸附于表面的不凝性气体。

S4：在手套箱内提纯并配置所需的液态金属，并将配置好的液态金属放置于液态金属存储装置23中。

在该过程中，提纯及配置过程均应在手套箱的保护下进行，避免和空气接触引入杂质。配置高纯度的液态金属的方法为：用镊子从装碱金属的碱金属工质罐中分别夹出所需的固体碱金属并擦干，用刀子将金属表面的表面氧化皮切割掉，将切割后的金属投入烧杯中，将烧杯放于加热器上，控温使碱金属熔化 (根据不同工质的熔点加热使其熔化)，静置后，将液态的金属表面析出的杂质膜用镊子挑出，重复静置一次，再将液态的金属表面析出的杂质膜用镊子挑出，得到高纯度的液态金属。由于在该过程中，始终与外界隔绝，并经过两次静置析出杂质，所以，得到的液态金属具有高纯度。

S5：使液体管路26连接液态金属存储装置23，并将液体管路伸入到液态金属存储装置23的液体以下。

S6：凝固步骤S5的连接有液体管路26的液态金属存储装置23中的液态金属。

在该步骤中，将提纯后的液态金属凝固，使液态金属变为整个的固态块体，封闭液体管路26的末端。当工质为钠钾合金时，由于钠钾合金在常温下为液态，需要使用液氮喷枪喷液态金属液面，使液态金属凝固。当工质为金属钠、金属钾，其在常温下固态，将提纯后的液态金属常温放置即可凝固为块体。

S7：对液态金属高温脉动热管5、充液管路22及液体管路26进行抽真空，使高温脉动热管5内的真空度达到10^-3Pa，并持续两个小时，完成后关闭抽真空管路28和液体管路26。

在该过程中，液体管路26的末端被凝固的液态金属封闭，此时抽真空，可以保证脉动热管5、充液管路22、多通道连接管及所有液体管路26中都被完全抽真空，以致在充液后不必再对脉动热管5进行杂质去除，将充液过程简单化，并且也保证了充液过程的安全。具体做法为：向冷阱42中倒入足够液氮，打开分子泵机组43，打开真空阀29，关闭液体管路开关，抽真空系统通过抽真空管路28、三通27、充液管路22和充液管3对液态金属高温脉动热管5抽真空,使热管内部真空度达到10^-3Pa并持续两个小时，完成后关闭真空阀29。之后用加热器加热碱金属使熔化为液态，此时，在压差的作用下，液态碱金属会在真空的状态下被吸入液态金属高温脉动热管中，并且保证无杂质。

S8：熔化液态金属存储装置中的液态金属，并将液态金属存储装置23置于称量装置24上，打开液体管路26，液态金属由于压差被吸入液态金属高温脉动热管5中，当称量装置显示达到所需液态金属的质量时，关闭液体管路26，保证充入的液态金属量精确。

S9：将完成充液的液态金属高温脉动热管5上端的充液管3钳断，用带有惰性气体保护的冷焊对热管进行封口。

S10：对液态金属高温脉动热管的充液装置进行安全处理。

该步骤可以包括清洗和处理手套箱内部、将剩余的液态金属倒入煤油中密封保存、对液体管路26、充液管路22、三通27、真空阀29、液体管路开关25 分别拆卸并用煤油进行清理，用盲板法兰将手套箱内部与外部隔开等等。若短时间内再次进行试验，则真空阀29可以不必拆卸，用堵头堵住即可。内部处理完后，用保温棉包裹手套箱下方的充液管3，倒入液氮，管路温度为-30℃至-40℃之间时，管内液体金属全部为固态，将充液管3拆卸，置于煤油中清洗。若在拆装过程中有液态金属熔化，应让它流入盛有足量膨胀石墨灭火剂的盘内。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。