常见问题与解答

热管恒温槽原理与应用

一. 前言 
      热管(重力热管)由封闭的管子组成,在管内下端液体吸热蒸发后于管子上方的某一部位放热冷凝,并返回下方继续吸热蒸发,如此周而复始。热管在上述循环工作过程中,将热量从一处快速、连续地传送到另一处,且无需任何外加动力。热管具有很高的导热性能和优良的均温性能,是人们所知的最有效的传热元件之一,被称为“超热导体”。热管技术近年来在工程中的应用日益普及,在航天器、核电厂、化工、冶金、动力工程.甚至笔记本电脑中均有应用。
      恒温槽是热工检测方面必备的一种冠军国际cmp88网址设备,广泛应用在温度计、热电阻等冠军国际cmp88网址器具的冠军体育网站领域。目前最常见的是以水或油为介质的水恒温槽和油恒温槽。热管恒温槽是利用“热管”原理制作的新型低、中温恒温装置,适用于工业热电阻、工作用玻璃液体温度计、高精密玻璃液体温度计、低温热电偶、双金属温度计、压力式温度计及二等标准水银温度计等温度仪表、冠军国际cmp88网址器具的冠军体育网站/校准工作。它是油、水恒温槽的理想替代产品,与传统水、油槽相比,具有温度范围宽、插孔深、温场均匀性好、绿色环保、自动循环等特点。
      宽温场热管恒温槽的研制具有深远的社会意义。我国国防军工装备(特别是飞机、坦克等)大量使用的短型温度传感器、短型温度变送器,缺乏适合的测试用恒温槽,急需在宽温场热管技术的基础上研制专用产品。
      泰安betcmp测控科技有限公司经多年努力,所研制的PR600系列热管恒温槽具有有效工作区域宽、工作温度范围宽、温差小、温度波动小、工作寿命长等优点,在国内处于领先水平,得到了广大客户的认可和赞扬,并获得了国家专利(专利号:ZL 2007 2 0028538.9)。
二. 工作原理 
      自然界中的热传递有三种自然方式:传导、对流和辐射,在气体或液体中,热传导过程往往和对流同时发生。为解决科研、生产中的实际需求,人们不断寻求着更高效的热传递手段,“热管”技术便是其中之一。
       “热管”是一种高效传热元件,其热阻比相同尺寸的金属材料小几个数量级,可称为热的“超导体”。热管极佳的导热能力同时意味着它具有极其优良的均温性能,或“温度展平”能力,原理示意图如下:
       “热管恒温槽”是基于热管原理研制的一种恒温槽。热管恒温槽的核心部分是一个完全密闭的容器——热管管芯(见图1),管芯上端有许多不同孔经的插管,用于插入被校温度计和标准温度计,插管下端均被封堵以保证管芯的气密性。管芯内充有一定量的液态工质。外部电源通过管芯下部的电加热器加热工质时,部分液态工质吸收大量热能后产生汽化,变为蒸汽的工质携带潜热充满管芯容器。蒸汽在上升过程中,遇到上端盖、插管及内壁等部位(这些部位不同程度地与外界接触,有一定的热损失,温度可能稍稍偏低)会冷凝并释放出潜热,冷凝后的液态工质在重力的作用下返回管芯底部,被继续加热,……,如此往复循环。
      上述过程中,工质作为载体,通过汽、液相变,不断将从电源获取的能量传输到热管管芯内需要弥补能量的部位,从而保持着管芯恒温区内极小的温差。
三.PR600系列热管恒温槽的创新特点 
      通过改进热管管芯冷凝区和加热区结构以及对化学工质配方及工艺的深入研究,使以下性能指标得到极大提高。
      1、提高热管动力性能。热管技术用于恒温槽,需要传输的热能功率很小,应通过结构改进,加强饱和蒸汽的流速,增强换热能力,从而降低整个恒温区的温差。
      2、向上扩展宽了均匀温场区域。在PR600系列之前的热管恒温槽的有效均匀温区基本上从距离热管上端口150mm~ 200mm开始至450mm深度。现在经过一系列的探索、试验、改进,可使有效均匀温场范围向上扩展至不大于80mm,使热管的有效均匀温区覆盖80mm~450mm的区域,甚至更宽,满足全浸式玻璃温度计、短型传感器、特殊传感器的冠军体育网站/校准/测试。
      3、提高了温场均匀性。在上述有效均匀温场范围内,进一步改善了温场均匀性,以保证满足等一、二等标准玻璃温度计的量值传递所需温场指标。
      4、改善温度下限的技术指标。目前的热管恒温槽在工作温度下限附近,由于工质蒸汽压不足导致热交换能力不足,直接影响温场均匀性指标和温度波动度指标,应予以改善,这与降低热管恒温槽的工作温度下限具有同等意义。
      5、增加快速降温功能。必要时,通过在热管散热器外部增设冷凝管等措施,在保证各指标的前提下,大幅度提高降温速率,提高上、下行程(循环)测试的效率。
四、质量保证手段 
      1.对关键工艺、工装的研究、改进和试验   
      热管生产过程主要包括:备料、焊接、清洗、烘干、检漏、抽空、充液、封口、电气仪表安装、检验与测试等一系列工序,各工序要求十分严格,项目研制过程中,通过反复试验、摸索,总结了大量关于热管制作的经验,编制出详细、严格的工艺文件,作为指导今后生产的依据。研制阶段重点解决的工艺问题有:
        (1)防止传感器插管焊接过程缩孔;
        (2)引进氦质普检漏仪替代气泡法检漏,漏率的检测灵敏度提高了3~4个数量级,保证了热管的气密性、从而保证了热管产品的使用寿命;
        (3)抽空过程的质量控制;
        (4)特殊工艺保证封口的严密性。
      2.对化学工质配方及工艺的深入研究
      冠军国际cmp88网址/校准用热管恒温槽对工质纯度要求既严格又特殊。通过进一步研究各温度段热管的工质配方,以理论数据及现有实验数据为基础,采用正交试验、回归分析等科学方法,找出工质的最佳配比及制备流程,使热管工作温度范围达到更宽,温场指标更高。
五、热管恒温槽与常规液体恒温槽的性能比较 
      1. 恒温油槽工作时,介质会挥发、冒烟,污染环境,影响工作人员身体健康。热管恒温槽工作介质全密封,能够避免上述污染,属于绿色环保产品,因此具有广阔的市场前景。
      2. 恒温油槽受加热介质和自身材料、结构的限制,最高工作温度一般不超过300℃。热管恒温槽的工作温度可达300℃~500℃甚至更高,温度场均匀性优于0.05℃,是目前其它恒温设备无法达到的,填补了这一温区的一项空白。
六、热管恒温槽与干体校验槽的性能比较 
      需要特别提醒的是,请不要将热管恒温槽与“干体校验槽”混淆。干体槽主要是靠金属“恒温块”的热传导均匀温度,最大的优点是便携,多用于现场温度校验。受工作原理和体积所限,干体槽一般不太强调温场均匀性,通常从插孔下部向上的40mm范围内垂直温差在3℃~4℃;而对于热管恒温槽来说,温场均匀性是最重要的指标。由于热管中汽化工质的运动速度是同材料金属块导热速度的成百上千倍,所以热管恒温槽有着比“干体”更好的温场均匀性,更适合实验室冠军体育网站/校准工作。两者的共同优点,仅仅在于没有污染。
七、国内同类产品比较 
      由我公司采用新技术、新材料、新工艺所生产的PR600系列热管恒温槽与其它热管恒温槽的主要性能、参数对照见下表:
项 目 技 术 指 标
普通热管恒温槽 PR600系列热管恒温槽
1 均匀温场宽度 距离热管上端口150mm200mm开始,至450mm深度 距离热管上端口80mm~100mm开始,至450mm深度
2 温场均匀性 0.03℃~0.12℃ 0.01℃~0.06℃
3 温度波动度 (0.05℃~0.3℃)/10min (0.01℃~0.05℃)/10min
4 工作温度下限特点 温度波动度变大,温场均匀性差 下限温度普遍下移,工作温度范围加宽,温度波动度减小,工作区温差减小
5 使用寿命 长短不一 10年以上
6 升、降温速度 较慢
7 产品标准
8 外观 较简陋 较美观
总结
      PR600系列热管恒温槽采用了多项新技术,具有设计先进、结构合理、温场均匀性好、绿色环保、量值传递准确可靠等一系列优点,完全满足各类温度一次仪表冠军体育网站/校准的需要,具有国内先进水平。适用于对各类温度计和热电阻进行冠军体育网站的企业和冠军国际cmp88网址冠军体育网站/校准实验室。