熱管恒溫槽原理與應(yīng)用

時(shí)間：2014/8/5閱讀：5902

一. 前言
      熱管（重力熱管）由封閉的管子組成，在管內(nèi)下端液體吸熱蒸發(fā)后于管子上方的某一部位放熱冷凝，并返回下方繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此周而復(fù)始。熱管在上述循環(huán)工作過程中，將熱量從一處快速、連續(xù)地傳送到另一處，且無需任何外加動(dòng)力。熱管具有很高的導(dǎo)熱性能和優(yōu)良的均溫性能，是人們所知的zui有效的傳熱元件之一，被稱為“超熱導(dǎo)體”。熱管技術(shù)近年來在工程中的應(yīng)用日益普及，在航天器、核電廠、化工、冶金、動(dòng)力工程.甚至筆記本電腦中均有應(yīng)用。
      恒溫槽是熱工檢測方面*的一種計(jì)量設(shè)備，廣泛應(yīng)用在溫度計(jì)、熱電阻等計(jì)量器具的檢定領(lǐng)域。目前zui常見的是以水或油為介質(zhì)的水恒溫槽和油恒溫槽。熱管恒溫槽是利用“熱管”原理制作的新型低、中溫恒溫裝置，適用于工業(yè)熱電阻、工作用玻璃液體溫度計(jì)、高精密玻璃液體溫度計(jì)、低溫?zé)犭娕肌㈦p金屬溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)及二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)等溫度儀表、計(jì)量器具的檢定/校準(zhǔn)工作。它是油、水恒溫槽的理想替代產(chǎn)品，與傳統(tǒng)水、油槽相比，具有溫度范圍寬、插孔深、溫場均勻性好、綠色環(huán)保、自動(dòng)循環(huán)等特點(diǎn)。
      寬溫場熱管恒溫槽的研制具有深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。我國國防裝備（特別是飛機(jī)、坦克等）大量使用的短型溫度傳感器、短型溫度變送器，缺乏適合的測試用恒溫槽，急需在寬溫場熱管技術(shù)的基礎(chǔ)上研制產(chǎn)品。
      泰安磐然測控科技有限公司經(jīng)多年努力，所研制的PR600系列熱管恒溫槽具有有效工作區(qū)域?qū)?、工作溫度范圍寬、溫差小、溫度波?dòng)小、工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)處于水平，得到了廣大客戶的認(rèn)可和贊揚(yáng)，并獲得了國家（號(hào)：ZL 2007 2 0028538.9）。
二. 工作原理
      自然界中的熱傳遞有三種自然方式:傳導(dǎo)、對流和輻射，在氣體或液體中,熱傳導(dǎo)過程往往和對流同時(shí)發(fā)生。為解決科研、生產(chǎn)中的實(shí)際需求，人們不斷尋求著更的熱傳遞手段，“熱管”技術(shù)便是其中之一。
       “熱管”是一種傳熱元件，其熱阻比相同尺寸的金屬材料小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可稱為熱的“超導(dǎo)體”。熱管的導(dǎo)熱能力同時(shí)意味著它具有極其優(yōu)良的均溫性能，或“溫度展平”能力，原理示意圖如下：

“熱管恒溫槽”是基于熱管原理研制的一種恒溫槽。熱管恒溫槽的核心部分是一個(gè)*密閉的容器——熱管管芯（見圖1），管芯上端有許多不同孔經(jīng)的插管，用于插入被校溫度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，插管下端均被封堵以保證管芯的氣密性。管芯內(nèi)充有一定量的液態(tài)工質(zhì)。外部電源通過管芯下部的電加熱器加熱工質(zhì)時(shí)，部分液態(tài)工質(zhì)吸收大量熱能后產(chǎn)生汽化，變?yōu)檎羝墓べ|(zhì)攜帶潛熱充滿管芯容器。蒸汽在上升過程中，遇到上端蓋、插管及內(nèi)壁等部位（這些部位不同程度地與外界接觸，有一定的熱損失，溫度可能稍稍偏低）會(huì)冷凝并釋放出潛熱，冷凝后的液態(tài)工質(zhì)在重力的作用下返回管芯底部，被繼續(xù)加熱，……，如此往復(fù)循環(huán)。
上述過程中，工質(zhì)作為載體，通過汽、液相變，不斷將從電源獲取的能量傳輸?shù)綗峁芄苄緝?nèi)需要彌補(bǔ)能量的部位，從而保持著管芯恒溫區(qū)內(nèi)極小的溫差。

三.PR600系列熱管恒溫槽的創(chuàng)新特點(diǎn)
      通過改進(jìn)熱管管芯冷凝區(qū)和加熱區(qū)結(jié)構(gòu)以及對化學(xué)工質(zhì)配方及工藝的深入研究，使以下性能指標(biāo)得到極大提高。
      1、提高熱管動(dòng)力性能。熱管技術(shù)用于恒溫槽，需要傳輸?shù)臒崮芄β屎苄?，?yīng)通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，加強(qiáng)飽和蒸汽的流速，增強(qiáng)換熱能力，從而降低整個(gè)恒溫區(qū)的溫差。
      2、向上擴(kuò)展寬了均勻溫場區(qū)域。在PR600系列之前的熱管恒溫槽的有效均勻溫區(qū)基本上從距離熱管上端口150mm～ 200mm開始至450mm深度?，F(xiàn)在經(jīng)過一系列的探索、試驗(yàn)、改進(jìn)，可使有效均勻溫場范圍向上擴(kuò)展至不大于80mm，使熱管的有效均勻溫區(qū)覆蓋80mm～450mm的區(qū)域，甚至更寬，滿足全浸式玻璃溫度計(jì)、短型傳感器、特殊傳感器的檢定/校準(zhǔn)/測試。
      3、提高了溫場均勻性。在上述有效均勻溫場范圍內(nèi)，進(jìn)一步改善了溫場均勻性，以保證滿足等一、二等標(biāo)準(zhǔn)玻璃溫度計(jì)的量值傳遞所需溫場指標(biāo)。
      4、改善溫度下限的技術(shù)指標(biāo)。目前的熱管恒溫槽在工作溫度下限附近，由于工質(zhì)蒸汽壓不足導(dǎo)致熱交換能力不足，直接影響溫場均勻性指標(biāo)和溫度波動(dòng)度指標(biāo)，應(yīng)予以改善，這與降低熱管恒溫槽的工作溫度下限具有同等意義。
      5、增加快速降溫功能。必要時(shí)，通過在熱管散熱器外部增設(shè)冷凝管等措施，在保證各指標(biāo)的前提下，大幅度提高降溫速率，提高上、下行程（循環(huán)）測試的效率。
四、質(zhì)量保證手段
      1.對關(guān)鍵工藝、工裝的研究、改進(jìn)和試驗(yàn)
      熱管生產(chǎn)過程主要包括：備料、焊接、清洗、烘干、檢漏、抽空、充液、封口、電氣儀表安裝、檢驗(yàn)與測試等一系列工序，各工序要求十分嚴(yán)格，項(xiàng)目研制過程中，通過反復(fù)試驗(yàn)、摸索，總結(jié)了大量關(guān)于熱管制作的經(jīng)驗(yàn)，編制出詳細(xì)、嚴(yán)格的工藝文件，作為指導(dǎo)今后生產(chǎn)的依據(jù)。研制階段重點(diǎn)解決的工藝問題有：
        （1）防止傳感器插管焊接過程縮孔；
        （2）引進(jìn)氦質(zhì)普檢漏儀替代氣泡法檢漏，漏率的檢測靈敏度提高了3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，保證了熱管的氣密性、從而保證了熱管產(chǎn)品的使用壽命；
        （3）抽空過程的質(zhì)量控制；
        （4）特殊工藝保證封口的嚴(yán)密性。
      2.對化學(xué)工質(zhì)配方及工藝的深入研究
      計(jì)量/校準(zhǔn)用熱管恒溫槽對工質(zhì)純度要求既嚴(yán)格又特殊。通過進(jìn)一步研究各溫度段熱管的工質(zhì)配方，以理論數(shù)據(jù)及現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用正交試驗(yàn)、回歸分析等科學(xué)方法，找出工質(zhì)的*配比及制備流程，使熱管工作溫度范圍達(dá)到更寬，溫場指標(biāo)更高。
五、熱管恒溫槽與常規(guī)液體恒溫槽的性能比較
      1. 恒溫油槽工作時(shí)，介質(zhì)會(huì)揮發(fā)、冒煙，污染環(huán)境，影響工作人員身體健康。熱管恒溫槽工作介質(zhì)全密封，能夠避免上述污染，屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品，因此具有廣闊的市場前景。
      2. 恒溫油槽受加熱介質(zhì)和自身材料、結(jié)構(gòu)的限制，zui高工作溫度一般不超過300℃。熱管恒溫槽的工作溫度可達(dá)300℃～500℃甚至更高，溫度場均勻性優(yōu)于0.05℃,是目前其它恒溫設(shè)備無法達(dá)到的，*了這一溫區(qū)的一項(xiàng)空白。
六、熱管恒溫槽與干體校驗(yàn)槽的性能比較
      需要特別提醒的是，請不要將熱管恒溫槽與“干體校驗(yàn)槽”混淆。干體槽主要是靠金屬“恒溫塊”的熱傳導(dǎo)均勻溫度，zui大的優(yōu)點(diǎn)是便攜，多用于現(xiàn)場溫度校驗(yàn)。受工作原理和體積所限，干體槽一般不太強(qiáng)調(diào)溫場均勻性，通常從插孔下部向上的40mm范圍內(nèi)垂直溫差在3℃～4℃；而對于熱管恒溫槽來說，溫場均勻性是zui重要的指標(biāo)。由于熱管中汽化工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度是同材料金屬塊導(dǎo)熱速度的成百上千倍，所以熱管恒溫槽有著比“干體”更好的溫場均勻性，更適合實(shí)驗(yàn)室檢定/校準(zhǔn)工作。兩者的共同優(yōu)點(diǎn)，僅僅在于沒有污染。
七、國內(nèi)同類產(chǎn)品比較
      由我公司采用新技術(shù)、新材料、新工藝所生產(chǎn)的PR600系列熱管恒溫槽與其它熱管恒溫槽的主要性能、參數(shù)對照見下表：

序	項(xiàng) 目	技術(shù) 指標(biāo)
序	項(xiàng) 目	普通熱管恒溫槽	PR600系列熱管恒溫槽
1	均勻溫場寬度	距離熱管上端口150mm200mm開始，至450mm深度	距離熱管上端口80mm~100mm開始，至450mm深度
2	溫場均勻性	0.03℃~0.12℃	0.01℃~0.06℃
3	溫度波動(dòng)度	（0.05℃~0.3℃）/10min	（0.01℃~0.05℃）/10min
4	工作溫度下限特點(diǎn)	溫度波動(dòng)度變大，溫場均勻性差	下限溫度普遍下移，工作溫度范圍加寬，溫度波動(dòng)度減小，工作區(qū)溫差減小
5	使用壽命	長短不一	10年以上
6	升、降溫速度	較慢	快
7	產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)	無	有
8	外觀	較簡陋	較美觀

總結(jié)
PR600系列熱管恒溫槽采用了多項(xiàng)新技術(shù)，具有設(shè)計(jì)*、結(jié)構(gòu)合理、溫場均勻性好、綠色環(huán)保、量值傳遞準(zhǔn)確可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，*各類溫度一次儀表檢定/校準(zhǔn)的需要，具有*水平。適用于對各類溫度計(jì)和熱電阻進(jìn)行檢定的企業(yè)和計(jì)量檢定/校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。

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