一种双工艺接口热管的固态工质充装设备及充装方法

一种双工艺接口热管的固态工质充装设备及充装方法
【专利摘要】本发明涉及一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，包括手套箱、工质罐、上盖、惰性气源、真空分子泵机组、加热器和冷却器等，首次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，使热管和工艺罐的排气通道增大一倍，排气抽真空更顺畅，充装量程可根据需要而扩大，此外还增加了气枕、筛筒，并对冷却器和加热器进行了创新设计，同时对充装工艺过程进行了优化，实现了热管充装量程可按需扩大、充装时管路无工质残留、工艺更稳定、工质纯度更高、后处理更方便、热管性能更优异、寿命更长等目的。
【专利说明】一种双工艺接口热管的固态工质充装设备及充装方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双工艺接口热管的固态工质充装设备及充装方法，属于工程热物理学科的热管关键工艺过程【技术领域】。

【背景技术】
[0002]热管的概念已经扩展到热管板(二维)，乃至热管蒸汽腔(三维)。目前，适应特殊热控场合的需要，要求设计热管的外形和内部空间不断增大。大充装量的热管板及蒸汽腔热管的需求不断增大。
[0003]高温热管(工作温度达到或大于500°C时)和超高温热管(工作温度达到或大于1200°C时)一般采用碱金属、铅、银等作为工质，这些工质在常温下大多是固态，有的极容易氧化。通常情况下，碱金属工质在常温下是固态，弱氧环境也容易氧化，工艺过程中惰性气体保护显得十分重要；另外，不同的碱金属的熔点各不相同，对工质的充装要求不断提高。现有热管工艺技术状况下，针对热管充装的工艺稳定、无氧化、大量程、量精确、操作方便等需求，以前发明的充装方法不能满足需求。
[0004]碱金属的分装过程应该保证:充装前热管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，即达到高纯工质的要求等。对于超高温热管，例如以锂为工质，以前的钠、钾等碱金属分装方法已经不能适应，体现在充装工艺不够稳定、不能适应大量程、后处理麻烦、寿命较短等方面。钠热管方面，以前典型的充装工艺有四个:
[0005](I)、金属钠的蒸馏充装工艺，例如，文献“马同泽，侯增祺，吴文銃，《热管》，科学出版社，ISBN7-03-002011-1，1991,277-282”中介绍了蒸馏充钠方法，如图1所示。这种蒸馏工艺方法，控制碱金属的过程变化是，从固态一液态一气态一液态一固态，过程和设备复杂，耗时间长，后处理麻烦，不易精确定量。
[0006](2)、固态碱金属工质的定量充装设备与充装方法(200910091897.2，曲伟、虞斌)，如图2所示。这种方法采用过滤工艺，控制碱金属的过程变化是，从固态一液态一液态—固态。与(I)所述方法相比，过程简单，但由于所连接热管的排气要通过工质，真空阻力大，真空度不易达到。另外，真空手套筒属于开式惰性气体保护，分装过程中仍有少部分碱金属氧化，影响了热管的最终性能。
[0007](3)、小型高温热管固态碱金属工质的精确充装设备与充装方法(曲伟，段颜军，申请号:201110088089)，如图3所示。与(2)所述方法相比，采用旁路结构，加热装置采用外围加热带来加热，可拆卸。由于采用加热带外围加热，加热带的缠绕方法对控温影响很大，工艺不够稳定；而且缠绕过程比较麻烦，所用加热带的绝缘材料有挥发性，对操作员会产生不利影响；另外，开式真空手套筒的惰性气体保护，分装过程中仍有少部分碱金属氧化，也限制了热管最终性能的提升。
[0008](4)、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)，如图4所示。与(3)中所述方法相比，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空间；工艺方法和设备限定的充装量也不大；工艺罐壁面结构较为复杂，不易拆装，图4中编号说明如下:101工质罐、102手套箱上端盖(透明)、103主进气管(惰性气体)、104第一超高真空密封阀、105第二超高真空密封阀、106第三超高真空密封阀、107超高真空分子泵机组、108第四进气阀门、109第一进气管、110第五进气阀门、111第六进气阀门、112第七排气阀门、201工质罐、205冷却水进口、206冷却水出口、208加热棒军固定螺钉孔、209工质罐密封下法兰、210密封篦齿、211工质罐密封上法兰、212支路抽气旁路、213支路惰性气体进气旁路、301手套操作箱、302手套口、303排气总管。


【发明内容】

[0009]本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，实现了热管充装量程可按需扩大、充装时管路无工质残留、工艺更稳定、工质纯度更高、后处理更方便、热管性能更优异、寿命更长等目的。
[0010]本发明的另外一个目的在于提供一种双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法。
[0011]本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
[0012]一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，包括工质罐、上盖、惰性气源和真空分子泵机组，其中上盖位于工质罐上方，上盖上的工艺口分别与惰性气源和真空分子泵机组连通，待充装热管包括两个工艺口，分别为主工艺口与副工艺口，通过主工艺口将待充装热管与工质罐的底部连通，使得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，通过副工艺口将待充装热管与惰性气源和真空分子泵机组连通，使得副工艺口既是抽真空接口，又是惰性气体通路接口。
[0013]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，还包括手套箱和加热器，其中工质罐的顶端从手套箱底面的通孔中深入手套箱内，并与手套箱紧密配合，罐体和罐体底端位于手套箱外部，加热器对工质罐的罐体和罐体底端、待充装热管、工质罐与待充装热管之间的连接管路进行加热。
[0014]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，待充装热管的主工艺口与副工艺口位于待充装热管的同一端，或者主工艺口与副工艺口分别位于待充装热管的两端。
[0015]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，当主工艺口与副工艺口均位于待充装热管的同一端时，与主工艺口连接的主工艺接口管垂直伸入待充装热管一端壳体的长度为O-lOmm，与副工艺口连接的副工艺接口管垂直伸入待充装热管内并距离待充装热管另一端壳体的长度为l-10mm。
[0016]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，当主工艺口与副工艺口分别位于待充装热管的两端时，与主工艺口连接的主工艺接口管垂直伸入待充装热管一端壳体的长度为O-lOmm，与副工艺口连接的副工艺接口管垂直伸入待充装热管另一端壳体的长度为O-1Omm0
[0017]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，当待充装热管为板状结构时，主工艺接口管的中心线与副工艺接口管的中心线之间的垂直距离为与待充装热管连接处的板状结构边长的1/2?9/10。
[0018]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，还包括冷却器，冷却器在加热器加热时对工质罐的法兰垫圈进行冷却。
[0019]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，冷却器为两个冷却半环形成的冷却环，套装在工质罐外壁面，每个冷却半环分别通过冷却水进口和冷却水出口通入冷却水，在冷却半环内形成冷却水半环通道。
[0020]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，手套箱底部开有两个冷却半环的支撑接口，支撑接口上耦合两个冷却半环，两个冷却半环上再耦合工艺罐法兰。
[0021]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，工艺罐与手套箱底面之间、工艺罐法兰与两个冷却半环之间、两个冷却半环与支撑接口之间均采用易拆装的卡口搭接方式连接。
[0022]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，还包括筛筒和称量天平，所述称量天平置于手套箱的外部，即置于手套箱顶盖的上部，通过天平吊钩穿过手套箱上盖的小孔与置于手套箱内部的筛筒连接，用于工质的称量，其中筛筒的侧壁面及底面开设若干通孔。
[0023]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，筛筒下端还设有翻底，翻底与置于筛筒内侧壁的触动机关相接，触发翻底打开或关闭；所述触动机关包括翻底驱动杆和翻底驱动杆控制副。
[0024]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，筛筒上端设置吊梁，与手套箱内的筛筒吊钩连接，筛筒吊钩与称量天平的天平吊钩连接，且所述吊梁为半环形或倒V字形。
[0025]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，还包括气枕，气枕上开有偏心孔，且气枕一侧端面上开有一系列的孔，孔与气枕中部的集气腔连通，且集气腔与惰性气源连通，通过的惰性气体从孔流出，对分割的工质进行防氧化保护；偏心孔用于吊钩从气枕的中心轴线位置穿过，还能使分割的工质落入筛筒，同时是来自待充装热管惰性气体向上流出的通路。
[0026]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，加热器包括第一加热器、第二加热器组件和第三加热器，其中第一加热器为位于手套箱外部的工质罐的柱状部分加热，第二加热器组件为工质罐的锥状部分及工质罐与待充装热管之间的连接管路进行加热，第三加热器为待充装热管加热。
[0027]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，第一加热器包于工质罐的柱状部分外壁进行加热，第三加热器包于待充装热管的外壁进行加热，第二加热组件包括耦合块和第二加热器，耦合块采用两半结构，扣合锁紧后外形为圆柱，内部中间掏空，让开锥状外壁、连接管路的结构空间，第二加热器包于耦合块的外壁进行加热。
[0028]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，第一加热器、第二加热器和第三加热器采用热电偶或热电阻监测温度并反馈控制加热；分别控温按所述三个加热器的热容大小进行PID调节，使工质罐的柱状部分、锥状部分、待充装热管以及工质罐与待充装热管之间的连接管路的温度同时达到设定值。
[0029]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备中，手套箱的每个角采用相互独立的吸排气管，共采用8根吸排气管，8根吸排气管汇集于排气管集箱，通过排气管集箱串接的风机和串接的排气总管向手套箱外排气。
[0030]一种双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法，包括如下步骤:
[0031]步骤(一)、通过副工艺口将待充装热管与惰性气源连通，通过上盖上的工艺口将工艺罐与惰性气源连通，置换出待充装热管以及工艺罐中的空气，同时置换出手套箱中的空气；
[0032]步骤(二)、在手套箱中对工质进行切割和称量，并将称量后的工质装入工艺罐；
[0033]步骤(三)、通过上盖对工艺罐进行密封，通过副工艺口将待充装热管与真空分子泵机组连通，通过上盖上的工艺口将工艺罐与真空分子泵机组连通，使得通过主工艺口与副工艺口同时对待充装热管抽真空，真空度达到10_3~10_2Pa ；
[0034]步骤(四)、打开加热器，加热器对工质罐、待充装热管、工质罐与待充装热管之间的连接管路进行加热，使工质罐内的工质熔化；
[0035]步骤(五)、关断工质罐和待充装热管与真空分子泵机组的连通，通过上盖上的工艺口将工艺罐与惰性气源连通，使工艺罐中的液态工质通过主工艺口进入待充装热管；
[0036]步骤(六)、通过副工艺口将待充装热管与真空分子泵机组连通，通过上盖上的工艺口将工艺罐与真空分子泵机组连通，使得通过主工艺口与副工艺口同时对待充装热管抽真空，使真空度达到10_5~1-3Pa时，保持1-2小时；
[0037]步骤(七)、将待充装热管与工艺罐分离，并使待充装热管中的真空度保持10_5~10?,并对待充装热管的主工艺口与副工艺口进行焊接封口。
[0038]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法中，还包括冷却器，所述步骤(四)中打开冷却器 ，冷却器在加热器加热时对工质罐的法兰垫圈进行冷却。
[0039]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法中，冷却器为两个冷却半环形成的冷却环，套装在工质罐外表面，每个冷却半环分别通过冷却水进口和冷却水出口通入冷却水，在冷却半环内形成冷却水半环通道。
[0040]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法中，步骤(四)中加热器对工质罐、待充装热管、工质罐与待充装热管之间的连接管路加热的温度设定为超出工质的熔点50。。~100C0
[0041]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法中，步骤(一)中通过在手套箱的每个角采用相互独立的吸排气管，共采用8根吸排气管向外排气，置换出手套箱中的空气，8根吸排气管汇集于排气管集箱，通过排气管集箱串接的风机和串接的排气总管向手套箱外排气。
[0042]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法中，步骤(二)中在手套箱中对工质进行切割和称量，并将称量后的工质装入工艺罐具体过程如下:
[0043]在惰性气体保护下，在放置在工艺罐上方的气枕上对工质进行切割，去掉氧化皮，将切割好的工质通过气枕的偏心孔放入工质罐中的筛筒内，重复切割，通过手套箱顶部的称量天平进行称量，所述称量天平与筛筒连接，显示达到设计量时停止切割，取下气枕，并将筛筒中的工质装入工艺罐中。
[0044]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法中，筛筒的侧壁面及底面开设若干通孔，从主工艺接口流出的惰性气体通过孔向上流过筛筒，保护分装过程中落入筛筒的工质，且筛筒下端设有翻底，翻底与筛筒内的触动机关相接，触发翻底打开，将切割好的工质装入工质罐中，其中触动机关包括翻底驱动杆和翻底驱动杆控制副。
[0045]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法中，气枕一侧端面开有一系列的孔，孔与气枕中部的集气腔连通，且集气腔与惰性气源连通，通过的惰性气体从孔流出，对分割的工质进行防氧化保护。
[0046]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法中，步骤(四)中加热器包括第一加热器、第二加热器组件和第三加热器，其中第一加热器对位于手套箱外部的工质罐的柱状部分加热，第二加热器组件对工质罐的锥状部分及工质罐与待充装热管之间的连接管路进行加热，第三加热器对待充装热管加热。
[0047]在上述双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法中，第一加热器包于工质罐的柱状部分外壁进行加热，第三加热器包于待充装热管的外壁进行加热，第二加热组件包括耦合块和第二加热器，耦合块采用两半结构，扣合锁紧后外形为圆柱，内部中间掏空，让开锥状外壁、连接管路的结构空间，第二加热器包于耦合块的外壁进行加热。
[0048]本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
[0049](I)、本发明对热管的固态工质充装设备进行了创新设计，首次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，一方面使热管和工艺罐的排气通道增大一倍，排气抽真空更顺畅，另一方面充装时除少量挂壁外工质会全部进入热管，充装量程可根据需要而扩大，充装工艺更加稳定，工艺更简单适用，并节省了专门的惰性气体管路；
[0050](2)、本发明手套箱底部与左右冷却水环及工艺罐的上盖采用搭接耦合方式，无固定螺栓的搭接既保证了工艺，又拆装方便；半环水套设计使其方便拆拿，从而能让开两半环水套冷却环的空间，使工艺罐方便地从手套箱取下，容易实现工艺罐的方便清洗、烘干和再装；
[0051](3)、本发明对分装工质的过程进行两种方式保护，分装工质前，副工艺孔通入惰性气体从工艺罐中向上流动，对工质进行了一次防氧化保护；在手套箱内部分割工质时，新设计的偏心孔气枕增加了易氧化工质分装时的进一步保护，气枕上面开N个阵列小孔，通过的惰性气体从这些小孔流出，对分割的工质进行了防氧化保护，保证了工质的纯度；
[0052](4)、本发明增加了底部带翻板的筛筒，下端设翻底，翻底与筛筒内的触动机关相接，可以触发打开，能使分割的工质落入筛筒；此外筛筒侧壁面，以及底面的翻板开设沿壁面均匀密布的小孔，从副工艺接口流来的惰性气体通过小孔向上流过筛筒，保护分装过程中落入筛筒的工质；
[0053](5)、本发明将称量天平置于手套箱的外部，即手套箱顶盖的上面，称量天平通过吊钩与筛筒连接，不但节省了手套箱内的空间，而且使大量工质的称量变得更加容易；
[0054](6)、本发明在抽真空工艺过程对工艺罐体、中间接管和热管采用三段分别加热和控温的方式，第一段和第二段加热器采用柱加热筒，以便装拆方便，第二段加热器包于过渡耦合体的外壁，第三段加热器随热管外形而耦合，可能是圆桶式、双板式、加热棒嵌入式；分段加热的方式保证了不同热容的被加热部分按相同速度升温，保证充装工质的质量和可靠性；
[0055](7)、本发明首次在手套箱内部采用8根相互独立的八角吸排气管和集箱，内置固定，使得手套箱内排气的流场更均匀，排气效果更佳；改进了现有手套箱每两个角区共用一根排气管，其中一个排气口在排气管中间，排气流场在这两个角区很难均衡的缺点；
[0056](8)、本发明通过对热管的固态工质充装设备进行了全面优化设计，实现了热管充装量程可按需扩大、工艺更稳定、工质纯度更高、后处理更方便、热管性能更优异、寿命更长等目的。

【专利附图】

【附图说明】
[0057]图1为金属钠的蒸馏充装工艺设备图；
[0058]图2为固态碱金属工质的定量充装设备图；
[0059]图3为小型高温热管固态碱金属工质的精确充装设备；
[0060]图4为碱金属工质的无氧化分装方法及一体化设备图；
[0061]图5为本发明双工艺接口热管的固态工质充装设备结构示意图；
[0062]图6为本发明的主、副双工艺口热管示意图；其中图6a为本发明主、副工艺口位于热管同一端示意图；图6b为本发明主、副工艺口分别位于热管两端示意图；图6c为本发明主、副工艺口分别位于热管两端(热管直径较小)示意图；
[0063]图7为本发明的手套箱及内置8根吸排气管的剖视图；其中图7a为本发明手套箱内吸气管的主视图，图7b为本发明手套箱内吸气管的侧视图；图7c为本发明手套箱内吸气管的俯视图；
[0064]图8为本发明的气枕结构及接口剖视图；其中图8a为本发明气枕结构的主视图；图8b为本发明气枕结构的侧视图；图8c为本发明气枕结构的俯视图；
[0065]图9为本发明的翻底筛筒及翻底触发示意图；其中图9a为本发明翻底筛筒外观图；图％为本发明翻底筛筒的翻底触发装置示意图；图9c为本发明翻底筛筒的筒底示意图；
[0066]图10为本发明的半环冷却水套及水进出接口示意图；其中图1Oa为本发明半环冷却水套侧剖视图；图1Ob为本发明半环冷却水套冷却水进口出口示意图；图1Oc为本发明半环冷却水套主剖视图；
[0067]图11为本发明的手套箱操作的部件位置及工艺说明图；
[0068]图12为本发明的三段加热器及中间耦合结构示意图。

【具体实施方式】
[0069]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
[0070]如图5所示为本发明双工艺接口热管的固态工质充装设备结构示意图，由图可知本发明热管的固态工质充装设备包括手套箱7、工质罐4、上盖8、惰性气源31、真空分子泵机组、加热器和冷却器、称量天平17、带偏心孔气枕12、筛筒13、上盖顶紧机构10、两个冷却水半环5、密封圈9、筛筒吊钩14、手套箱盖15、称量天平吊钩16、气枕阀18、第一上充气阀
19、微调阀20、第二上充气阀21、上排气阀22、下排气阀23、高真空阀24和低真空阀25，其中真空分子泵组包括高总阀26、前级隔断阀27、缓冲室28、分子泵29和前级泵30，上盖8与工质罐4上法兰配合，上盖8上的工艺口分别与惰性气源31和真空分子泵机组连通，待充装热管I上开有主工艺孔和副工艺孔，工艺管路通过主工艺接头2与工艺罐4底端连接，使得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，工艺管路通过副工艺接头3与惰性起源31和真空分子泵机组连接，使得副工艺口既是抽真空接口，又是惰性气体通路接口，其中连接副工艺接头3的管路依次通过下排气阀23、低真空阀25和前级隔断阀27与分子泵29和前级泵30连接，通过高真空阀24与缓冲室28连接，通过第二上充气阀21与惰性起源31连接。
[0071]工质罐4的顶端从手套箱7底面的通孔中深入手套箱7内，并通过冷却环与手套箱7紧密配合，罐体和底端位于手套箱7外部，上盖8位于工质罐4上方，上盖8上的工艺口分别与惰性气源31和真空分子泵机组连通，其中与惰性气源31之间连接有第一上充气阀19和微调阀20，与缓冲室28之间连接有上排气阀22和高真空阀24，与分子泵29和前级泵30之间连接有低真空阀25和前级隔断阀27。偏心气枕12与惰性起源31之间连接有气枕阀18。冷却环在加热时对工质罐(4)的法兰垫圈9进行冷却，加热器对工质罐4的罐体和底端、待充装热管1、工质罐4与待充装热管I之间的连接管路进行加热。此外手套箱7上开有方便操作的手套孔11。
[0072]如图6所示为本发明的主、副双工艺口热管示意图，其中图6a为本发明主、副工艺口位于热管同一端示意图；图6b为本发明主、副工艺口分别位于热管两端示意图；图6c为本发明主、副工艺口分别位于热管两端(热管直径较小)示意图；主工艺口与副工艺口可以位于待充装热管I的同一端，或者主工艺口与副工艺口分别位于待充装热管I的两端。如图6a所示为主、副工艺口位于待充装热管I的同一端的图示，与主工艺口连接的主工艺接口管54垂直伸入待充装热管I 一端壳体的长度为O-lOmm，与副工艺口连接的副工艺接口管55垂直伸入待充装热管I内并距离待充装热管I另一端壳体的长度为l-10mm。如图6b、6c所示为主、副工艺口分别位于待充装热管I的两端的图示，当主工艺口与副工艺口分别位于待充装热管I的两端时，与主工艺口连接的主工艺接口管57垂直伸入待充装热管I 一端壳体的长度为0-lOmm，与副工艺口连接的副工艺接口管58垂直伸入待充装热管I另一端壳体的长度为O-lOmm，且主工艺接口管57与副工艺接口管58之间的距离尽可能大。
[0073]待充装热管I可以为管状结构或板状结构，当待充装热管I为板状结构时，主工艺接口管57的轴线与副工艺接口管58的轴线之间的垂直距离为板状结构边长(连接待充装热管I处的边长)的1/2?9/10。对于直径较小的热管I可以采取主、副工艺口分别位于热管I的两端，如图6c所示。
[0074]本发明副工艺接口与设备通过波纹管的自由端相接，采用双工艺接口设计带来三大好处:一是使热管和工艺罐的排气通道增大一倍，排气抽真空更顺畅，所需时间少；二是充装时除少量挂壁外工质会全部进入热管，充装量程可根据需要而扩大，充装工艺更加稳定，工艺更简单适用；三是不需要以前发明的三通结构中单一工艺口充装前，要有一根惰性气体细管穿过手套箱和工艺罐伸向热管底部来置换热管中的空气。
[0075]如图10所示为本发明的半环冷却水套及水进出接口示意图，其中图1Oa为本发明半环冷却水套侧剖视图；图1Ob为本发明半环冷却水套冷却水进口出口示意图；图1Oc为本发明半环冷却水套主剖视图；本发明冷却器为两个冷却半环5形成的冷却环，套装在工质罐4外壁面，每个冷却半环5分别通过冷却水进口 52和冷却水出口 53通入冷却水，在冷却半环5内形成冷却水半环通道51，即两个冷却半环内的水道均为半环形。
[0076]手套箱7底部开有两个冷却半环5的支撑接口 39，支撑接口 39上耦合较大直径的两个冷却半环5，两个冷却半环5上再耦合直径小的工艺罐法兰6，工艺罐4法兰直径小于手套箱7底面开孔的内径。在对工艺罐4加热时，对工艺罐法兰垫圈9进行冷却。工艺罐4与手套箱7底面之间、工艺罐法兰6与两个冷却半环5之间、两个冷却半环5与支撑接口 39之间均采用易拆装的卡口搭接方式连接。搭接后，通过工艺罐4的向上移动，两个冷却半环5先向上再向相反的径向移动，即可向下取出工艺罐。本发明半环水套设计使其方便拆装，从而能让开两半环水套冷却环5的空间，使工艺罐4方便地从手套箱7取下，这就容易实现了工艺罐4的方便清洗、烘干和再装的目标。
[0077]如图9所示为本发明的翻底筛筒及翻底触发示意图，其中图9a为本发明翻底筛筒外观图；图9b为本发明翻底筛筒的翻底触发装置示意图；图9c为本发明翻底筛筒的筒底示意图；本发明中增加了底部带翻板的筛筒13，即在工艺罐4内设一与壁面间隙和大小合适的筛筒13。筛筒下端设有翻底47，翻底47与置于筛筒13内侧壁的触动机关相接，触发翻底47打开或关闭；触动机关包括翻底驱动杆48和翻底驱动杆控制副50，翻底驱动杆控制副50为固定在筛筒13壁面上的圆环，翻底驱动杆48穿过翻底驱动杆控制副50与翻底47的边缘连接。筛筒13上端设置吊梁46，与手套箱7内的筛筒吊钩14连接，筛筒吊钩14与称量天平17的天平吊钩16连接，用于工质称量，吊梁46为半环形或倒V字形。如图1所示，称量天平17置于手套箱7的外部，即置于手套箱7顶盖的上部，称量天平17的底孔伸出吊钩16，吊钩16穿过手套箱7的顶面，与筛筒吊钩14连接，筛筒吊钩14钩住置于工艺罐4内的筛筒13，筛筒13在工艺罐4中悬空。称量天平17可显示出筛筒13及内部不断加入工质的总质量。这一耦合设计不但节省了手套箱7内的空间，而且使大量工质的称量变得更加容易。
[0078]此外筛筒13的侧壁面及底面开设均匀密布的孔49，从主工艺接口流出的惰性气体通过孔49向上流过筛筒13，保护分装过程中落入筛筒13的工质。
[0079]如图8所示为本发明的气枕结构及接口剖视图，其中图8a为本发明气枕结构的主视图；图8b为本发明气枕结构的侧视图；图8c为本发明气枕结构的俯视图；气枕12上开有偏心孔45，偏心孔45过气枕12的中心。气枕12 —侧的端面上有一系列的孔41，孔41与气枕12中部的集气腔42连通，且集气腔42与惰性气源31连通，通过的惰性气体从孔41流过，对分割的工质进行防氧化保护。偏心孔45用于筛筒13的吊钩14穿过(吊钩14穿过偏心孔45并过气枕12的中心)，还能使分割的工质落入筛筒13，同时是来自待充装热管I惰性气体向上流出的通路。吊钩14位于气枕12的中心线，贴孔边缘穿过偏心孔45，便于较大尺寸的工质块通过。与集气腔42连通的气管接头43通过气枕阀18与惰性气源31连通，不进行工质切割时，气枕12通过挂钩44挂在手套箱4的侧壁上。
[0080]如图12所示为本发明的三段加热器及中间耦合结构示意图，由图可知本发明在抽真空工艺过程对工艺罐7罐体、中间接管和待充装热管I采用三段分别加热和控温的方式。第一加热器61包于工艺罐4法兰下一定距离的柱腔壁外。第二加热器62轴向从位于工艺罐4下部的锥腔壁外开始，一直到热管I主充装管根部区间。第二加热器62包于过渡耦合体63的外壁。耦合体63采用两半结构，扣合锁紧后外形为圆柱；内部中间掏空，让开锥壁、接管及接头的结构空间。第一加热器61和第二加热器62采用柱加热筒，以便装拆方便。第三加热器64包于热管I的管体壁外，热管I外壁的加热器64也要随外形而耦合，可能是圆筒式、双板式、加热棒嵌入式。第一、二和三加热器对相应部位加热时，对工艺罐4壁面、主工艺接口管、及热管壁面分别采用热电偶或热电阻监测温度并反馈控制加热，分别控温按三个加热器的热容大小进行PID调节，使工质罐4的柱状部分、锥状部分、待充装热管I以及工质罐4与待充装热管I之间的连接管路的温度同时达到设定值。
[0081]如图7所示为本发明的手套箱及内置8根吸排气管的剖视图，其中图7a为本发明手套箱内吸气管的主视图，图7b为本发明手套箱内吸气管的侧视图；图7c为本发明手套箱内吸气管的俯视图；由图可知手套箱7的每个角采用相互独立的吸排气管33，共采用8根吸排气管33，8根吸排气管33汇集于排气管集箱34，通过排气管集箱34串接的风机和串接的排气总管35向手套箱7外排气。吸排气管33置于手套箱7的内部角区或外部角区，通过吸排气管固定卡32固定在手套箱7的壁面上，当置于外部角区时需在手套箱7的8个角区开孔。本设计使得手套箱内排气的流场更均匀，排气效果更佳。
[0082]本发明中各气动阀门、三段加热器等采用程序在线控制(PLC)来实现。充气阀、排气阀等采用超高真空气动阀，主工艺接口的充气阀需要流量调节，所以串接了微调阀。采用PLC进行阀门和温度控制，工艺罐中通过上法兰封好一定量的工质后，可采用一键控制，减少人为因素影响，使热管的充装这一关键的制备工艺过程具有好的稳定性。
[0083]本发明双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法，具体包括如下步骤:
[0084]步骤(一)、前处理。清洁工作空间和相关部件，检查各管路和阀门、电路保证正常；将充装设备与待充装热管I (管状结构或板状结构)通过主工艺接头2和副工艺接头3密封连接；将装有工质原料的瓶子、切割刀等通过手套孔11放入手套箱7 ;将筛筒13放入工艺罐4，放置好气枕12，连接好筛筒13和称量天平17间的筛筒吊钩14和电子天平底钩16，连好手套接口达到密封，如图11所示为本发明的手套箱操作的部件位置及工艺说明图，称量空筛筒13的质量并记录。
[0085]步骤(二)、气体置换。打开吸排风机，通过8根吸排气管33和排气总管35，将手套箱7中的气体不断外排；惰性气体罐31通过第二上充气阀21和副工艺接头3对待充装热管I中的气体进行置换；通过气枕阀18对气枕12通入惰性气体，同时通过上盖8上的工艺口连接第一上充气阀19、微调阀20，将工艺罐4与惰性气源31连接通入惰性气体，经过短暂时间(例如3?5分钟)后热管I及手套箱7中空气排净，热管1、工艺罐4、手套箱7及相应管路中充满惰性气体。
[0086]步骤(三)、切割称量工质。在惰性气体保护下，在放置在工艺罐4上方的气枕12上对工质进行切割，去掉氧化皮，将切割好的工质通过气枕12的偏心孔45放入工质罐4中的筛筒13内，重复切割，通过手套箱7顶部的称量天平17进行称量，称量天平17与筛筒13连接，显示达到设计量时停止切割，关闭气枕阀18，取下气枕12通过挂钩44挂于手套箱侧壁；取出筛筒13，同时通过翻底驱动杆48控制翻底47，使工质落入工艺罐4 ;将筛筒13挂于手套箱侧壁的另外挂钩。
[0087]步骤(四)、抽真空排气加热。调整好密封圈9的位置，通过上盖顶紧机构10顶住上盖8，实现工艺罐4的密封。关闭第一上充气阀19和第二上充气阀21 ;通过副工艺口将待充装热管I与真空分子泵机组连通，通过上盖8上的工艺口将工艺罐4与真空分子泵机组连通，使得通过主工艺口与副工艺口同时对待充装热管I抽真空，真空度达到10_3?KT2Pa ；
[0088]打开两个冷却水半环5的冷却水泵电源；打开第一加热器61、第二加热器62和第三加热器64的加热电源，使工艺罐4、待充装热管1、工质罐4与待充装热管I之间的连接管路加热到设定温度值，并保持足够时间使工艺罐4内的工质全部熔化。加热器对工质罐
4、待充装热管1、工质罐4与待充装热管I之间的连接管路加热的温度一般设定为超出工质的熔点50°C?100°C。不同的工质温度水平不同，例如，对于钠来说，熔点为98 V，加热温度设定为150°C。加热启动后将所达到的真空度保持一定时间，例如I?2小时。
[0089]步骤(五)、给气充入工质。关断工质罐4和待充装热管I与真空分子泵机组的连通，微调阀20调好开度后一直是开启的，打开第一上充气阀19，将工艺罐4与惰性气源31连通，将工艺罐4中的液态工质从工艺罐4压出全部进入待充装热管I。
[0090]步骤(六)、再抽真空排气。关闭第一上充气阀19，打开上排气阀22和下排气阀23，打开高真空阀24，关闭低真空阀25，通过副工艺口将待充装热管I与真空分子泵机组连通，通过上盖8上的工艺口将工艺罐4与真空分子泵机组连通，使得通过主工艺口与副工艺口同时对待充装热管I抽真空，使真空度达到10_5?10_3Pa时，保持1-2小时。
[0091]步骤(七)、钳断焊接。使用液压钳对热管I的主工艺接头2和副工艺接头3下的工艺管分别进行钳断，将待充装热管I与工艺罐4分离，并对待充装热管I的主工艺口与副工艺口进行焊接封口，过程使待充装热管I中的真空度保持10_5?10_3Pa。
[0092]步骤(八)、后处理。关闭设备的阀门和真空分子泵机组；分别取下主工艺接头2和副工艺接头3下的工艺管头；将两个工艺管头和热管I进行共同称量，确定最终充装工质的量；对工艺罐等进行拆卸清洁，再安装完成一个工艺流程。
[0093]以上所述，仅为本发明最佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0094]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【权利要求】
1.一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:包括工质罐(4)、上盖(8)、惰性气源(31)和真空分子泵机组，其中上盖(8)位于工质罐(4)上方，上盖(8)上的工艺口分别与惰性气源(31)和真空分子泵机组连通，待充装热管(I)包括两个工艺口，分别为主工艺口与副工艺口，通过主工艺口将待充装热管(I)与工质罐(4)的底部连通，使得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，通过副工艺口将待充装热管(I)与惰性气源(31)和真空分子泵机组连通，使得副工艺口既是抽真空接口，又是惰性气体通路接口。
2.根据权利要求1所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:还包括手套箱(7)和加热器，其中工质罐(4)的顶端从手套箱(7)底面的通孔中深入手套箱(7)内，并与手套箱(7)紧密配合，罐体和罐体底端位于手套箱(7)外部，加热器对工质罐(4)的罐体和罐体底端、待充装热管(I)、工质罐(4)与待充装热管(I)之间的连接管路进行加热。
3.根据权利要求1或2所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:所述待充装热管(I)的主工艺口与副工艺口位于待充装热管(I)的同一端，或者主工艺口与副工艺口分别位于待充装热管(I)的两端。
4.根据权利要求3所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:当主工艺口与副工艺口均位于待充装热管(I)的同一端时，与主工艺口连接的主工艺接口管垂直伸入待充装热管(I) 一端壳体的长度为0-10_，与副工艺口连接的副工艺接口管垂直伸入待充装热管(I)内并距离待充装热管(I)另一端壳体的长度为l-10mm。
5.根据权利要求3所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:当主工艺口与副工艺口分别位于待充装热管(I)的两端时，与主工艺口连接的主工艺接口管垂直伸入待充装热管(I) 一端壳体的长度为0-10_，与副工艺口连接的副工艺接口管垂直伸入待充装热管(I)另一端壳体的长度为O-1Omm.
6.根据权利要求3所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:当待充装热管(I)为板状结构时，主工艺接口管的中心线与副工艺接口管的中心线之间的垂直距离为与待充装热管(I)连接处的板状结构边长的1/2~9/10。
7.根据权利要求1或2所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:还包括冷却器，冷却器在加热器加热时对工质罐(4)的法兰垫圈(9)进行冷却。
8.根据权利要求7所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:所述冷却器为两个冷却半环(5)形成的冷却环，套装在工质罐(4)外壁面，每个冷却半环(5)分别通过冷却水进口(52)和冷却水出口(53)通入冷却水，在冷却半环(5)内形成冷却水半环通道。
9.根据权利要求8所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:所述手套箱(7)底部开有两个冷却半环(5)的支撑接口(39)，支撑接口(39)上耦合两个冷却半环(5)，两个冷却半环(5)上再耦合工艺罐法兰(6)。
10.根据权利要求9所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:所述工艺罐(4)与手套箱(7)底面之间、工艺罐法兰(6)与两个冷却半环(5)之间、两个冷却半环(5)与支撑接口(39)之间均采用易拆装的卡口搭接方式连接。
11.根据权利要求2所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:还包括筛筒(13)和称量天平(17)，所述称量天平(17)置于手套箱(7)的外部，即置于手套箱(7)顶盖的上部，通过天平吊钩(16)穿过手套箱(7)上盖的小孔与置于手套箱(7)内部的筛筒(13)连接，用于工质的称量，其中筛筒(13)的侧壁面及底面开设若干通孔(49)。
12.根据权利要求11所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:所述筛筒(13)下端还设有翻底(47)，翻底(47)与置于筛筒(13)内侧壁的触动机关相接，触发翻底(47)打开或关闭；所述触动机关包括翻底驱动杆(48)和翻底驱动杆控制副(50)。
13.根据权利要求12所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:所述筛筒(13)上端设置吊梁(46)，与手套箱(7)内的筛筒吊钩(14)连接，筛筒吊钩(14)与称量天平(17)的天平吊钩(16)连接，且所述吊梁(46)为半环形或倒V字形。
14.根据权利要求1、2、11、12或13任一权利要求所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:还包括气枕(12)，气枕(12)上开有偏心孔(45)，且气枕(12)一侧端面上开有一系列的孔(41)，孔(41)与气枕(12)中部的集气腔(42)连通，且集气腔(42)与惰性气源(31)连通，通过的惰性气体从孔(41)流出，对分割的工质进行防氧化保护；偏心孔(45)用于吊钩(14)从气枕(12)的中心轴线位置穿过，还能使分割的工质落入筛筒(13)，同时是来自待充装热管(I)惰性气体向上流出的通路。
15.根据权利要求2所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:所述加热器包括第一加 热器(61)、第二加热器组件和第三加热器(64),其中第一加热器(61)为位于手套箱(7)外部的工质罐(4)的柱状部分加热，第二加热器组件为工质罐(4)的锥状部分及工质罐(4)与待充装热管(I)之间的连接管路进行加热，第三加热器(64)为待充装热管⑴加热。
16.根据权利要求15所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:所述第一加热器(61)包于工质罐(4)的柱状部分外壁进行加热,第三加热器(64)包于待充装热管(I)的外壁进行加热，第二加热组件包括耦合块(63)和第二加热器(62)，耦合块(63)采用两半结构，扣合锁紧后外形为圆柱，内部中间掏空，让开锥状外壁、连接管路的结构空间，第二加热器(62)包于耦合块(63)的外壁进行加热。
17.根据权利要求16所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:所述第一加热器(61)、第二加热器(62)和第三加热器(64)采用热电偶或热电阻监测温度并反馈控制加热；分别控温按所述三个加热器的热容大小进行PID调节，使工质罐(4)的柱状部分、锥状部分、待充装热管(I)以及工质罐(4)与待充装热管(I)之间的连接管路的温度同时达到设定值。
18.根据权利要求2所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备，其特征在于:所述手套箱(7)的每个角采用相互独立的吸排气管(33)，共采用8根吸排气管(33)，8根吸排气管(33)汇集于排气管集箱(34)，通过排气管集箱(34)串接的风机和串接的排气总管(35)向手套箱(7)外排气。
19.权利要求2所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法，其特征在于:包括如下步骤:步骤(一)、通过副工艺口将待充装热管(I)与惰性气源(31)连通，通过上盖(8)上的工艺口将工艺罐(4)与惰性气源(31)连通，置换出待充装热管(I)以及工艺罐(4)中的空气，同时置换出手套箱(7)中的空气；步骤(二)、在手套箱(7)中对工质进行切割和称量，并将称量后的工质装入工艺罐(4)；步骤(三)、通过上盖(8)对工艺罐(4)进行密封，通过副工艺口将待充装热管(I)与真空分子泵机组连通，通过上盖(8)上的工艺口将工艺罐(4)与真空分子泵机组连通，使得通过主工艺口与副工艺口同时对待充装热管⑴抽真空，真空度达到10_3~10_2Pa ；步骤(四)、打开加热器，加热器对工质罐(4)、待充装热管(I)、工质罐(4)与待充装热管(I)之间的连接管路进行加热,使工质罐(4)内的工质熔化；步骤(五)、关断工质罐(4)和待充装热管(I)与真空分子泵机组的连通，通过上盖(8)上的工艺口将工艺罐(4)与惰性气源(31)连通，使工艺罐(4)中的液态工质通过主工艺口进入待充装热管(I);步骤(六)、通过副工艺口将待充装热管(I)与真空分子泵机组连通，通过上盖(8)上的工艺口将工艺罐(4)与真空分子泵机组连通，使得通过主工艺口与副工艺口同时对待充装热管⑴抽真空，使真空度达到10_5~10_3Pa时，保持1-2小时；步骤(七)、将待 充装热管(I)与工艺罐(4)分离，并使待充装热管(I)中的真空度保持10_5~10_3Pa，并对待充装热管(I)的主工艺口与副工艺口进行焊接封口。
20.权利要求19所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法，其特征在于:还包括冷却器，所述步骤(四)中打开冷却器，冷却器在加热器加热时对工质罐(4)的法兰垫圈(9)进行冷却。
21.根据权利要求20所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法，其特征在于:所述冷却器为两个冷却半环(5)形成的冷却环，套装在工质罐(4)外表面，每个冷却半环(5)分别通过冷却水进口(52)和冷却水出口(53)通入冷却水，在冷却半环(5)内形成冷却水半环通道。
22.权利要求19所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法，其特征在于:所述步骤(四)中加热器对工质罐(4)、待充装热管(I)、工质罐(4)与待充装热管(I)之间的连接管路加热的温度设定为超出工质的熔点50°C~100°C。
23.根据权利要求19所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法，其特征在于:所述步骤(一)中通过在手套箱(7)的每个角采用相互独立的吸排气管(33)，共采用8根吸排气管(33)向外排气，置换出手套箱(7)中的空气，8根吸排气管(33)汇集于排气管集箱(34)，通过排气管集箱(34)串接的风机和串接的排气总管(35)向手套箱(7)外排气。
24.根据权利要求19所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法，其特征在于:所述步骤(二)中在手套箱(7)中对工质进行切割和称量，并将称量后的工质装入工艺罐(4)具体过程如下:在惰性气体保护下，在放置在工艺罐(4)上方的气枕(12)上对工质进行切割，去掉氧化皮，将切割好的工质通过气枕(12)的偏心孔(45)放入工质罐(4)中的筛筒(13)内，重复切割，通过手套箱(7)顶部的称量天平(17)进行称量，所述称量天平(17)与筛筒(13)连接，显示达到设计量时停止切割，取下气枕(12)，并将筛筒(13)中的工质装入工艺罐(4)中。
25.根据权利要求24所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法，其特征在于:所述筛筒(13)的侧壁面及底面开设若干通孔(49)，从主工艺接口流出的惰性气体通过孔(49)向上流过筛筒(13)，保护分装过程中落入筛筒(13)的工质，且筛筒(13)下端设有翻底(47)，翻底(47)与筛筒(13)内的触动机关相接，触发翻底(47)打开，将切割好的工质装入工质罐(4)中，其中触动机关包括翻底驱动杆(48)和翻底驱动杆控制副(50)。
26.根据权利要求24所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法，其特征在于:所述气枕(12) —侧端面开有一系列的孔(41)，孔(41)与气枕(12)中部的集气腔(42)连通，且集气腔(42)与惰性气源(31)连通，通过的惰性气体从孔(41)流出，对分割的工质进行防氧化保护。
27.根据权利要求19所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法，其特征在于:所述步骤(四)中加热器包括第一加热器(61)、第二加热器组件和第三加热器(64)，其中第一加热器(61)对位于手套箱(7)外部的工质罐(4)的柱状部分加热，第二加热器组件对工质罐(4)的锥状部分及工质罐(4)与待充装热管(I)之间的连接管路进行加热，第三加热器出4)对待充装热管(I)加热。
28.根据权利要求27所述的一种双工艺接口热管的固态工质充装设备的充装方法，其特征在于:所述第一加热器(61)包于工质罐(4)的柱状部分外壁进行加热，第三加热器(64)包于待充装热管(I)的外壁进行加热，第二加热组件包括耦合块(63)和第二加热器(62)，耦合块(63)采用两半结构，扣合锁紧后外形为圆柱，内部中间掏空，让开锥状外壁、连接管路的结构空 间，第二加热器(62)包于耦合块(63)的外壁进行加热。
【文档编号】F28D15/02GK104075600SQ201410306757
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】曲伟, 艾邦成, 俞继军, 薛志虎 申请人:中国航天空气动力技术研究院