徐蓬章, 馬素霞, 尹建國,2, 錢 海, 胡 洲, 吳華振

(1.太原理工大學(xué), 山西 太原 030024; 2.太原鍋爐集團(tuán)有限公司, 山西 太原 030008)

熱管[1]是由美國國家實(shí)驗(yàn)室的GROVER G于1963年發(fā)明,是一種高效傳熱元件。傳統(tǒng)熱管結(jié)構(gòu)是圓柱狀殼體,內(nèi)部工質(zhì)液的傳熱過程可分為蒸發(fā)段吸熱汽化、蒸汽向冷凝段流動(dòng)、蒸汽在冷凝段液化、冷凝液回流到蒸發(fā)段4個(gè)階段[2]。由于熱管主要靠工質(zhì)的氣、液相變傳熱,熱阻非常小,其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力[3-4]。因此,熱管技術(shù)被廣泛用于航空、石油、軍工、化工、太陽能、冶金等領(lǐng)域[5]。

文獻(xiàn)[6]研究發(fā)現(xiàn),熱管在工作時(shí),不凝性氣體在熱管的冷凝段聚集會(huì)對(duì)凝結(jié)傳熱產(chǎn)生十分有害的影響。例如,水蒸氣中質(zhì)量占1%的空氣可以使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低60%。因此,在熱管制造過程中,提高熱管真空度成為保證熱管傳熱能力的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的熱管除氣技術(shù)主要是沸騰排氣法[7],即利用液態(tài)工質(zhì)沸騰過程將熱管不凝性氣體排出,但在實(shí)際生產(chǎn)過程中無法精確控制工質(zhì)質(zhì)量。文獻(xiàn)[8]通過添加工質(zhì)余量和控制排氣時(shí)間,解決了沸騰排氣法工質(zhì)質(zhì)量精確控制的問題,但仍存在難以完全排出不凝性氣體、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。

關(guān)于熱管封口,常見的為冷焊技術(shù)[9]。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)程勒設(shè)計(jì)了一種帶臺(tái)階刀口的冷焊鉗[10],可在一次動(dòng)作中完成熱管封口和切割定長的工序,但存在封口過程中漏氣的問題,無法保證熱管的真空狀態(tài)。

針對(duì)上述問題,本文研制了一種熱管真空灌裝封裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用真空泵實(shí)現(xiàn)熱管高真空,利用液壓裝置對(duì)熱管實(shí)施封裝,可以使灌裝和封裝的兩個(gè)過程中保持熱管高真空,滿足熱管封裝工藝的要求。

1 熱管真空灌裝封裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

熱管真空灌裝封裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意

圖1中,V1～V9為電磁閥。

系統(tǒng)由充灌單元、測(cè)量單元及其控制系統(tǒng)、抽真空機(jī)組、封裝單元組成。充灌單元中的儲(chǔ)液罐容積為10 L,材質(zhì)為316L不銹鋼。儲(chǔ)液罐下端出口與內(nèi)徑6 mm的不銹鋼管路相連。

加熱控制裝置包括纏繞在管路上的電加熱絲、溫度計(jì)和控制器。預(yù)先設(shè)定好電加熱絲的啟動(dòng)時(shí)間和加熱時(shí)長:當(dāng)達(dá)到啟動(dòng)溫度時(shí),電加熱絲開始加熱;達(dá)到加熱要求時(shí)長后,停止加熱。

測(cè)量單元包括壓力表和真空計(jì),用于真空度和壓力的監(jiān)控。抽真空機(jī)組由冷阱、工質(zhì)回收罐、干燥管、真空泵組成。封裝單元由氣囊夾緊裝置、熱管封裝裝置組成。為了方便熱管的封裝,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所涉及的熱管前端連接了一段縮頸段細(xì)管,細(xì)管外徑為6 mm,厚度為1.2 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為更直觀地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),有助于實(shí)際中系統(tǒng)的搭建,采用了UG(Unigraphics NX)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了三維建模設(shè)計(jì)。選用了“Top-Down”設(shè)計(jì),即自上而下的設(shè)計(jì)思路[11]。

自上而下的設(shè)計(jì),是指設(shè)計(jì)前先根據(jù)需求,計(jì)算好每部分系統(tǒng)和零件的尺寸,然后將它們裝配起來。在這個(gè)過程中檢查和修改各個(gè)零件,使其滿足裝配要求。先確定好整個(gè)構(gòu)架,然后在相應(yīng)位置上設(shè)計(jì)好對(duì)應(yīng)的零件。具體流程為:首先,對(duì)系統(tǒng)支架進(jìn)行建模,系統(tǒng)支架包括擋板、操作板、長立柱和短立柱;其次,根據(jù)圖1確定各部件的位置,建立各部件模型;最后,以合適的尺寸和角度裝配到系統(tǒng)支架上。熱管灌裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就是此裝配中的“Top”,而下面的相關(guān)部分系統(tǒng)和零件,屬于“Down”。綜上,得到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體三維設(shè)計(jì)圖。

在實(shí)際系統(tǒng)搭建中,為了提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度,選用了重慶盾銘電磁閥,型號(hào)為ZCF01-2B-4,閥體材質(zhì)為304不銹鋼,防爆等級(jí)為ExdIICT5。真空泵選用了RV8型雙級(jí)旋片式真空泵(北京中科科儀股份有限公司),抽氣速率最高可達(dá)9.6 L/s。真空計(jì)選用了ZDF-11A1/ZDF-12A1型復(fù)合真空計(jì)(北京中科科儀股份有限公司),測(cè)量路數(shù)為兩路(電阻規(guī)、電離規(guī)各一路),其型號(hào)分別為ZJ-52T電阻規(guī)和ZJ-27電離規(guī),測(cè)量范圍為(1.0×10-5～1.0×105)Pa,測(cè)量精度±1%。壓力表選用了PX409型壓力表(OMEGA公司)。壓力測(cè)量范圍為0～5 MPa。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中兩個(gè)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

一是氣囊夾緊裝置。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作前,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)熱管靈活的夾緊密封,采用上述Top-Down設(shè)計(jì)思路,基于UG對(duì)氣囊夾緊裝置進(jìn)行建模設(shè)計(jì),氣囊夾緊裝置如圖3所示。

圖3 氣囊夾緊裝置示意

該裝置主要由帶螺紋的蓋子、特制氣囊和裝置外殼3部分組成。將氣囊裝在殼內(nèi),擰緊蓋子使特制氣囊固定在裝置外殼內(nèi),即完成氣囊夾緊裝置的安裝。該裝置尺寸根據(jù)熱管相關(guān)尺寸定制,熱管前段不銹鋼鋼管外徑為6 mm,蓋子開孔直徑為7 mm,氣囊內(nèi)徑為6.5 mm。

通過壓縮空氣罐給氣囊充氣,充氣后的氣囊擠壓熱管使其靈活密封。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,0.2 MPa的充氣壓力可實(shí)現(xiàn)熱管的可靠密封。

二是液壓封裝切斷裝置。在熱管完成灌裝后,熱管需在保證真空的情況下實(shí)現(xiàn)封裝,因此設(shè)計(jì)了液壓封裝裝置。該裝置主要包括液壓系統(tǒng)和封口機(jī)構(gòu),可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)密封和切斷兩種功能。實(shí)際生產(chǎn)中,裝置密封和切斷處損耗較大。為方便更換損耗零件,將封口機(jī)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)密封和切斷的部件制作成了通用模具,密封模具和切斷模具的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 液壓封裝切斷裝置中密封和切斷模具設(shè)計(jì)示意

切斷模具前端是帶傾斜角的斜面;密封模具R前端為圓弧面;密封模具L前端上方為長方形定位槽,下方為圓弧面。切斷模具位于密封模具R的上方13 mm處;密封模具L與R前端圓弧面相對(duì);切斷模具最前端與密封模具R最前端水平距離為1 mm。由于上述模具具有特殊形狀的設(shè)計(jì)和位置搭配,因而液壓封裝切斷裝置運(yùn)行過程中密封模具R先接觸到熱管,熱管產(chǎn)生形變進(jìn)而與切斷模具接觸,先后實(shí)現(xiàn)夾緊和切斷兩個(gè)過程,并使熱管在這兩個(gè)過程中保持真空,滿足了熱管的真空要求。

1.4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

為使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作更加簡便并提高自動(dòng)化程度,基于微軟基礎(chǔ)類庫(Microsoft Foundation Classes,MFC)[12-13],開發(fā)了超低溫?zé)峁苷婵斩抗嘌b封裝自動(dòng)控制系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制程序操作界面如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制程序操作界面

通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)程序可以控制各個(gè)閥門開關(guān)、真空系統(tǒng)開啟關(guān)閉和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)真空度。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作前連接調(diào)試好系統(tǒng)各部件,做好遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)備。點(diǎn)擊界面中“開啟真空系統(tǒng)”,此時(shí)真空泵啟動(dòng),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程正式開始。

(1) 打開“抽真空開”和“熱管開”,實(shí)現(xiàn)真空泵對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和熱管進(jìn)行抽真空。當(dāng)熱管達(dá)到指定真空度后,通過“抽真空關(guān)”關(guān)閉抽真空。

(2) 打開“充液開”,實(shí)現(xiàn)對(duì)熱管的灌裝。當(dāng)熱管灌裝至指定充灌量后,通過“充液關(guān)”結(jié)束對(duì)熱管灌裝。

(3) 打開“封裝開”,對(duì)熱管進(jìn)行封裝,此時(shí)液壓封裝切斷裝置開始工作。當(dāng)熱管切斷密封完畢后,通過“封裝關(guān)”關(guān)閉液壓封裝切換裝置。此時(shí)熱管封裝完成。

(4) 通過“關(guān)閉真空系統(tǒng)”和“熱管關(guān)”關(guān)閉遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),系統(tǒng)工作結(jié)束。

2 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.1 壓力封裝實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果分析

在封裝過程中,封裝壓力對(duì)封裝效果有重要影響。為了確定合適的液壓封裝壓力,設(shè)計(jì)了壓力封裝實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟如下。

(1) 封裝壓力范圍取為1～10 MPa,壓力步長為1 MPa。每個(gè)壓力封裝3根熱管,共封裝30根熱管。

(2) 測(cè)量密封后熱管的密封處厚度,測(cè)量3次并取平均值。

(3) 對(duì)密封后的熱管進(jìn)行氣密性實(shí)驗(yàn),測(cè)試壓力為0.2 MPa。

壓力封裝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 壓力封裝實(shí)驗(yàn)記錄

由表1可知:7 MPa及以上的液壓封裝壓力可以保證熱管的氣密性,此時(shí)密封處厚度在0.5 mm左右;其中最長氣密性持續(xù)檢測(cè)時(shí)間為325 h,可為熱管后續(xù)進(jìn)一步焊接處理提供保證。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的封裝壓力p與熱管密封處厚度d的關(guān)系如圖6所示。

圖6 封裝壓力p與封裝厚度d的關(guān)系

由圖6可知,在同樣條件下,當(dāng)液壓封裝壓力從1 MPa升至7 MPa時(shí),熱管密封處厚度有較大降低;繼續(xù)提升液壓封裝壓力,熱管密封厚度降低幅度變小。綜合考慮模具損耗等因素,最終確定本系統(tǒng)的液壓封裝壓力為7.5 MPa。

2.2 熱管灌裝實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在熱管灌裝前,需要先對(duì)熱管進(jìn)行抽真空。在抽真空過程中,熱管可能出現(xiàn)不同的真空度。為探究熱管在不同真空度情況下對(duì)本系統(tǒng)灌裝的影響,為系統(tǒng)后續(xù)灌裝熱管提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。為此設(shè)計(jì)了在不同真空度情況下的熱管灌裝實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)選擇充灌的工質(zhì)液為蒸餾水。實(shí)驗(yàn)方案如下:熱管分別在9.1 Pa,500 Pa,1 000 Pa 3組真空度下進(jìn)行灌裝(實(shí)驗(yàn)組),同時(shí)設(shè)置熱管在一個(gè)大氣壓(100 kPa)進(jìn)行灌裝(對(duì)照組)。綜上4組實(shí)驗(yàn),計(jì)算得出灌裝速率的變化情況,并得到熱管灌裝速率v和充灌量L的關(guān)系,如圖7所示。

圖7 熱管充灌速率v與充灌量L在不同真空情況下的關(guān)系

由圖7可知:在灌裝初期,實(shí)驗(yàn)組上下壓差較穩(wěn)定,充灌速率均維持在7.14 mL/s左右;在充灌中期,充灌速率略有下降;在充灌后期,上下壓差趨于零,充灌速率快速下降至零。對(duì)照組灌裝速率緩慢,且灌裝速率快速下降為零。綜上所述,該封裝系統(tǒng)能夠在一定真空度的情況下對(duì)熱管進(jìn)行灌裝,密封性能夠滿足熱管真空灌裝的工程要求,可以為系統(tǒng)在后續(xù)熱管灌裝實(shí)驗(yàn)中提供參考。

3 結(jié) 語

熱管灌裝封裝技術(shù)和真空度的維持是制作熱管的關(guān)鍵技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的真空灌裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括封裝密封系統(tǒng)和真空灌裝系統(tǒng),其中封裝密封系統(tǒng)主要包括氣囊夾緊裝置和液壓封裝裝置。通過封裝實(shí)驗(yàn)確定最佳液壓封裝裝置壓力為7.5 MPa,此時(shí)密封處厚度約為0.5 mm,具有良好的密封性。基于MFC編制了整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制程序。通過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)熱管真空狀態(tài)下的灌裝、密封和切斷,完成熱管制作的關(guān)鍵步驟,可以為熱管的推廣應(yīng)用提供相關(guān)參考。