CN102735084A - 需少量碱金属工质的高温热管的精确充装设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备及方法，涉及热管技术，包括主管、支路、支路密封法兰、分支管存储罐、分支管存储罐密封上法兰、加热器、第一超高真空密封阀、第二超高真空密封阀、超高真空分子本机组、主进气管、惰性气体进气管、惰性气体细管、循环水冷却水管、排气管以及用于将所要充装的固态工质安放到存储罐内的透明室。本发明提供了一种高效精确的小量碱金属的定量充装设备和方法，并将碱金属的氧化降到最低限度。

Description

需少量碱金属工质的高温热管的精确充装设备及方法

技术领域

本发明涉及传热学科的热管技术领域，特别涉及对需小量(小于2克)碱金属工质的高温热管固态碱金属工质的定量充装设备与充装方法。

背景技术

热管是20世纪60年代美国科学家G.M.Grover发明的高性能传热元件，它一般由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部充装有传热用的工质，当热管的蒸发端(与热源接触的一端)从热源吸收热量后，工质吸热汽化，并在压力差的作用下传送到热管的冷凝端(与冷源接触的一端)，工质在冷凝端与冷源进行热量交换后回流到蒸发端。如此循环往复，实现热量的快速传递。热管性能的好坏与工质的充装过程有很大关系。工质的充装过程应该保证：热管在充装前应当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，氧化物等杂质的含量很小；封口能够保证密封等。

高温热管一般指工作温度大于500℃的热管。高温热管中的工质多采用碱金属，例如锂、钠、钾或钾钠合金等。采用碱金属作为工质的热管具有许多优点，如碱金属能够工作在高温下、汽化潜热高、高温下的稳定性好、饱和蒸汽压低、导热性好等。在将碱金属充装到高温热管中时，由于碱金属在常温下多为固态，且在空气中容易快速氧化，因此在整个充装过程中应当与空气隔离，从而保证充装到高温热管中的碱金属为单质状态，而非氧化物。以碱金属中最为常见的钠为例，现有技术中将金属钠充装到高温热管中时采用蒸馏灌钠工艺，即在充装前用蒸馏的办法对钠作提纯，然后将蒸馏提纯后的钠注入高温热管内。该方法在蒸馏过程中一般采用动真空法，即在整个充钠过程中系统一直在抽真空，防止在蒸馏时钠被可能漏入的微量空气氧化，以保证钠的充装纯度。

发明人总结了多次高温热管充装实验，一般情况下，对于大于2克的碱金属，在高温热管充装时可以通过已有的过滤充装、蒸馏充装方法等来进行；对于较小量(小于2克)的碱金属工质的充装，难度增加很多，可以说用以前的方法很难实现碱金属灌装，或者说用以前的方法是不能够实现的。针对这一情况，进行了本发明：“需少量碱金属工质的高温热管的精确充装设备与充装方法”。为了保证技术方案的实施，对其它的热温控设备也进行了匹配改进，使本发明具有更大的可行性。

下面对现有的高温热管碱金属充装设备进行介绍。

在参考文献1“马同泽，侯增祺，吴文銧，《热管》，科学出版社，ISBN7-03-002011-1，1991，277-282”中对热管的蒸馏充钠设备以及相关方法做了详细说明。

图1是该文献中所采用的蒸馏充钠设备的结构图，具体操作步骤如下：

步骤1、起动真空机组110，对包括热管108在内的整个设备抽真空，使其达到10^-4Pa的真空度。

步骤2、用电加热器对热管108进行烘烤，将热管108在室温下因暴露在空气中而重新吸附的气体除去。烘烤温度为200℃，在此温度下，表面吸附的气体可以完全排净。待真空度完全回升到原来数值左右即可停止烘烤。

步骤3、加热钠罐101、蒸馏罐104以及它们之间的管路103和钠阀102。这一步可提前开始，使得热管烘烤完毕后这部分设备正好加热到所需的温度。一般加热到150℃即可，这时钠罐101内的钠应已经全部融化。

步骤4、根据所需的灌钠量调整好液面探针111的位置；在钠面上用氩气加压，注意两边压差不能太大，只需0.2大气压就可以；开启钠阀102，根据液面探计111的指示把一定数量的钠注入蒸馏罐104中。注意不要少于设计值或过量，因为蒸馏时无法再进行计量。关钠阀102后停止这部分系统的加热。为了防止钠阀102关闭不严导致过量钠漏入蒸馏罐，在钠阀102后装有U形管103，必要时可用水冷却U形管103，使里面的钠凝固。

步骤5、蒸馏充装，先把蒸馏罐104到热管108的设备加热到一定的温度，要求设备内各处有不同的温度，在冷凝管出口处的温度必须控制在150～200℃之间，温度太高会使钠蒸汽没有完全冷凝而被抽至真空机组内，温度太低则液体钠的流动性不好，会在热管的细排气管处堵塞；基于同一理由，三通106的接头、热管108特别是它的排气管，必须加热到200℃左右。在这几个达到预定温度后，即把蒸馏罐104加热到480～500℃，并维持在恒定温度下进行蒸馏，注意监视各处温度变化情况，直至钠全部蒸干(此时蒸馏罐温度上升)，即停上加热蒸馏罐104。

步骤6、蒸馏后设备需保温一个小时，并继续抽真空，同时敲击这部分管路使可能挂在管壁上的钠落下。

步骤7、停止热管和设备所有部分的加热，待冷却后用冷焊钳进行冷焊封接。

从上述说明可以看出，蒸馏充钠技术在热管中充装钠等碱金属时工艺复杂，耗时、耗水量大，一般一次只能实现一根热管的灌装，而且后处理工艺十分复杂，管路中的碱金属残留难以清理，因此，这种充装方法的效率很低，在充装过程中的浪费过大。

下面是对前一方法改进了的充装方法，在前述的充装设备基础上，对前述工艺做了很大改进。为了突出对比，下面对改进的充装设备及其充装方法进行介绍。

在图2中给出了改进的充装设备的一种实现方式(已申请发明专利)，下面以碱金属中常见的钠为例，对改进的充装设备的结构及其充装方法进行说明。

步骤1、按照图2的说明将定量充装设备的各个部件进行组装，将待充装工质的高温热管固定密封连接在存储罐的出口处。

步骤2、将密封法兰206的上下法兰分离，使得与存储罐连接的下法兰的底部与透明室220的透明下盖的顶部相贴合，与支路连接的上法兰位于透明上盖的法兰接孔内。当需要将钠装入存储罐时，需要通过通气孔将诸如氩气的惰性气体充入透明室220，以置换其中的空气，并通过进气管214经由主管210将诸如氩气的惰性气体充入支路，以置换定量充装设备中的空气。在经过一定时间的空气置换后，工作人员穿戴橡胶手套经由手套进出孔在透明室220内完成切割、称量、安放单质钠在内的多个操作，从而将一定量的钠安放到存储罐的内筒中。完成钠的安放后，将密封法兰206的上下法兰相耦合并密封。

步骤3、关闭第一超高真空密封阀211，打开第二超高真空密封阀212，并启动超高真空分子泵机组217，以对定量充装设备做抽真空操作，使得设备中的高温热管、存储罐等装置中的压强达到10^-3-10^-5Pa。

步骤4、加热存储罐以及高温热管到250℃，将固态的钠熔化成液体。

步骤5、关闭第二超高真空密封阀212，打开第一超高真空密封阀211，同时关闭球阀213，使得惰性气体经由主管210、支路到达存储罐，对存储罐中的液体状的工质进行冲击以进入所要充装的高温热管中。

步骤6、停止加热高温热管、接头和存储罐，待其恢复常温后，再次打开第二超高真空密封阀212和启动超高真空分子泵机组217，对定量充装设备做抽真空操作，使得高温热管中的气压达到10^-3-10^-5Pa。

步骤7、钳断高温热管，焊接封口。

此改进的定量充装设备虽然对蒸馏充钠设备进行了较大的改进，简化了操作，提高了充装效率，也使充装量更加精确，但是对于较小量(小于2克)的碱金属工质的充装，由于难度增加太多，使用这一改进的充装设备和方法在实际操作中仍然难以实现，主要表现在：

1、较小量(小于2克)充装时充装量的控制不够精确。由于高温热管越来越微型化，充装的工质越来越少，现有的充装设备也越来越不能满足对微型高温热管微量工质充装的精确控制。

2、存储罐喉部对抽真空的影响较大。存储罐放入固体碱金属后，固体碱金属块位于存储罐喉部，对后续的抽真空操作形成节流作用，严重影响抽真空的效率和效果，不仅浪费时间，下部热管内的真空度也较低；由于高温热管内真空度较低，在惰性气体加压液体碱金属充装时，工质上下压差较小，不利于工质进入高温热管。

3、液体碱金属残余对抽真空的不利影响。充装完毕后液体碱金属会有部分残余粘连在存储罐内壁上，由于喉部较细(直径6mm)，碱金属工质的残余会让喉部通道更细，对抽真空时的气体流动形成很大阻力，影响抽真空效率和高温热管内真空度。

4、存储罐的加热是通过缠绕加热带，此操作比较浪费时间，影响安装效率；加热带反复缠绕不仅易折断而且在250℃的高温下老化极快，寿命极短，需要不断更换，在一定程度上增加了工艺成本；加热带固定热电偶不稳，易脱落，测温控温不精确；加热带暴露在空气中，热量损失严重，造成能源浪费。

5、透明室空气排出不够充分。透明室排气口在上部，侧壁进气惰性气体流动方向为水平方向，不易把空气排除干净。

6、存储罐内空气不易排出。由于存储罐空间较小，透明室的惰性气体是从下部进入，所以惰性气体不易进入存储罐排出内部空气。

发明内容

本发明的目的是公开一种需少量碱金属工质的高温热管的精确充装设备及方法，以克服现有的定量充装设备充装效率低、小量充装(小于2克)时碱金属工质量控制不精确、高温热管内部真空度不足、存储罐加热工艺操作复杂且控温不精确以及工质钠氧化仍然较多的缺陷，提供一种高效精确的小量定量充装设备和方法，并将钠的氧化降到最低限度。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其包括主管210、支路310、支路密封法兰309、分支管存储罐301、分支管存储罐密封上法兰302、加热器701、第一超高真空密封阀211、第二超高真空密封阀212、超高真空分子本机组217、主进气管214、惰性气体进气管305、惰性气体细管601、循环水冷却水管、排气管107以及用于将所要充装的固态工质安放到存储罐内的透明室401；其中，

主进气管214连通到安装有调节阀的排气管107上，排气管107经由第一超高真空密封阀211连接到主管210的一端，主管210的另一端通过第二超高真空密封阀212连接到超高真空分子泵机组217；主管210侧面开孔以与支路310的一端密封连通，支路310的另一端经由支路密封法兰309连通到分支管抽气旁路307，分支管存储罐301底部通过接头202与待充装工质的高温热管201连通，顶部与分支管存储罐密封上法兰302连接，二者之间用密封O圈密封；分支管存储罐密封上法兰302上连接有惰性气体进气管305及循环冷却水管；加热器701套在分支管外部；惰性气体细管601有独立阀门，可单独控制；

透明室401包括带有法兰接孔405、分支管存储罐惰性气体进气管305、循环冷却水管和惰性气体细管601进出孔的透明上盖402，带有热管进出孔407的透明下盖403以及筒状透明室主体，上盖、下盖、透明室主体围成一密封腔体，在透明室主体的侧壁面开有手套进出孔406和通气孔409；腔体内部放置对所要充装的固态碱金属工质进行准确称量的质量称量装置及切割工具；

加热器701为两瓣开合的封闭结构，可直接扣在分支管上，内层为保温层703，内部镶嵌加热丝712，外层为绝热层702，可有效减少热损失，加热器上分布有测温井708，可妥善安放热电偶，上下端有通孔，安置各管路通过。

所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其所述小量，是充装小于2克；抽真空操作是通过分支管抽气旁路307，避免了分支管存储罐301喉部及工质形成的节流效应。

所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其所述分支管存储罐密封上法兰302带有惰性气体进气管305和循环冷却水管，惰性气体进气管305用于充入惰性气体冲压液体碱金属工质，冷却水在加热分支管存储罐301时用于冷却分支管存储罐密封法兰之间的密封O圈。

所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其所述冷却水的冷却循环系统，是分支管存储罐密封上法兰302与分支管存储罐之间有用于安放密封O圈凹槽802，为了使密封O圈在加热时温度不会太高，在其上方开有循环冷却水流动腔801，循环冷却水流动腔801两边分别通向冷却水进水口303和冷却水出水口304，冷却水进水口303和冷却水出水口304由水管连接循环水泵，并由循环水泵提供冷却水。

所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其所述惰性气体细管601，在添加工质前伸入高温热管201底部，通入惰性气体以排出高温热管毛细芯内的不凝气体，以及高温热管201和分支管存储罐301中的空气。

所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其所述加热器701对分支管存储罐301、分支管抽气旁路307和接头202加热；还包括加热带，由于高温热管201的管径和长度不定，使用缠绕加热带的方法对其进行加热。

所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其所述加热器701为筒状，是两弧面形绝热层702以铰链相连构成圆筒，并以加热器密封上下端盖710、711围成腔体，以固定销706、707定位，腔体内设有保温层703；保温层703中有槽，分别为分支管存储罐安放处704、分支管抽气旁路安放处705；保温层703内盘设加热丝712；绝热层702壁面设有接线柱709，接线柱709内端接加热丝712，外端接电源；加热器701侧壁测温井708贯穿绝热层702和保温层703，其内的温度传感器-热电偶接触到分支管存储罐301，加热器701上下密封端盖710、711防止保温材料泄露。

所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其所述透明室，其上盖402为对称的两瓣，可方便的开合以进行安装和拆卸；称量装置及切割工具，是在其下盖403上表面固连有精密天平、碱金属罐，并备有镊子、切割刀，其工质的称量、切割和安放都在充满惰性气体的透明室内进行。

一种所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备的充装方法，其包括：

步骤1、除加热器701外，按照设计将定量充装设备的其他各个组件进行组装，并将待充装工质的高温热管固定密封连接在分支管存储罐301下端的接头202处；

步骤2、将步骤1组装好的透明室401内充满惰性气体；

步骤3、在透明室401的惰性气体保护环境下将一定量的碱金属工质加入分支管存储罐301，并实现与系统设备的密封连接；

步骤4、关闭第一超高真空密封阀211，打开第二超高真空密封阀212，并启动超高真空分子泵机组217，做抽真空操作；

步骤5、待真空度达到要求，停止抽真空并关闭第二超高真空密封阀212；

步骤6、卸下透明室401，将加热器701安装在分支管上，将加热带包裹于高温热管201上，加热分支管存储罐301以及高温热管201，将固态的待充装工质熔化成液体，同时打开循环冷却水泵；

步骤7、待加热到所需温度，打开分支管存储罐301惰性气体进气管阀门306，使惰性气体进入分支管存储罐301，对分支管存储罐301中的液体的工质进行冲击，同时打开第二超高真空密封阀212和超高真空分子泵机组217，对高温热管进行抽吸，以加快液体工质进入所要充装的高温热管中；

步骤8、充装完毕后停止加热，关闭惰性气体进气管阀门306，停止抽真空，待恢复常温后再次做抽真空操作；

步骤9、钳断高温热管，焊接封口。

所述的充装方法，其所述步骤2、步骤3中，工作人员在透明室401中利用定量称量装置对工质的质量进行精确称量、切割和安放，具体操作包括：

步骤2、是将透明室401套在分支管上，将惰性气体通过通气孔409充入透明室401以置换其中的空气；

步骤3-1、将分支管存储罐301和分支管存储罐密封上法兰302分离，并将惰性气体细管601伸入高温热管底部，通入惰性气体以排出高温热管毛细芯内的不凝性气体以及置换高温热管和分支管存储罐301内的空气；

步骤3-2、待一段时间充分置换后，取出惰性气体细管601，工作人员经由手套进出口406在透明室内将满足要求的工质安放到分支管存储罐301内；

步骤3-3、将分支管存储罐301与分支管存储罐密封上法兰302相耦合并密封。

所述的充装方法，其所述步骤3-2，由于精密天平的精确度非常高，不需要考虑天平称量误差，只需考虑工质液化时在分支管存储罐301上的残余物，这个余量在小量充装(小于2克)时一般取10％，可保证充装入高温热管201的工质量符合要求；碱金属工质较软，用普通小刀切割即可。

所述的充装方法，其还包括：将快装装置308和分支管存储罐密封上法兰302打开，卸下分支管，以喷雾的方式对分支管存储罐301中的残余物质加以清除。

为实现小型高温热管小量(小于2克)碱金属工质的灌装对设备进行如下改进：

1.大幅度缩小分支管存储罐尺寸。通过优化缩小分支管存储罐尺寸，使其更适合小量碱金属工质的充装，并配置能够精确称量和切割固体碱金属的工具，所以能够精确控制充入高温热管的工质量；小尺寸存储罐容积小，更利于抽真空操作，使得真空度更高。

2.待充装高温热管排出空气的通路不通过罐中工质。分支管抽气旁路结构的独特设计，实现了抽真空管路和惰性气体加压充装管路的分离，消除了工质对待充装高温热管抽真空的节流效应，提高操作效率和高温热管内真空度；而且在惰性气体加压充装的同时从分支管旁路抽真空使得液体碱金属工质上下压差增大，便于工质进入高温热管。

3.对分支管存储罐及相关管路特别设计一加热器。根据加热部位形状设计的加热器拆卸方便，能够大大简化存储罐加热工艺，避免加热器的不当操作，测温点的布置更加方便，能够精确控制加热温度，提高操作效率，延长使用寿命，节约操作成本；加热器外有隔热层，减少热量损失，节约能源。

4.改进透明室供气结构。通过改进透明室进气方式，使惰性气体通过铺在透明室底部的软管上的开孔向上喷，能够较充分的排出空气，同时由于气流流动方向向上，能够有效阻止空气通过顶部的开口向内扩散。

5.增加一根可伸入高温热管内部的惰性气体细管。通过将通惰性气体细管伸入高温热管底部，可将毛细芯中的不凝性气体最大程度的排出，同时也可将高温热管和分支管存储罐内空气排出，不仅能提高高温热管性能，也使工质的氧化降到了最低限度，惰性气体细管有独立阀门，可自由控制。

附图说明

图1教科书上的蒸馏充钠设备；

图2现有技术的充装设备；

图3本发明需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备结构示意图；

图4本发明所用透明室结构示意图；

图5本发明的分支管结构示意图；

图6本发明的定量充装设备和透明室耦合示意图；

图7本发明加热器平面图；其中：

图7a是本发明加热器的剖视图；

图7b是本发明加热器的俯视图；

图7c是本发明加热器的另一角度的剖视图；

图7d是本发明加热器的另一角度的剖视图；

图8本发明分支管存储罐密封上法兰内部结构图。

标号说明：

101  钠罐                102  钠阀            103  U形管

104  蒸馏罐              105  冷凝管          106  三通

107  排气管              108  热管            109  冷阱

110  真空机组            111  液面探针

201  待充装高温热管      202  接头            203  第一存储罐

204  第二存储罐          205  第三存储罐      206  密封法兰

207  第一支路            208  第一工位阀      209  第二工位阀

210  主管                211  第一超高真空密封阀

212  第二超高真空密封阀  213  球阀            214  主进气管

215  排气管              216  固定卡

217  超高真空分子本机组  218  第二支路        219  第三支路

220  透明室(旧)          301  分支管存储罐

302  分支管存储罐密封上法兰                   303  冷却水进水口

304  冷却水出水口        305  惰性气体进气管

306  惰性气体进气管阀门  307  分支管抽气旁路  308  快装装置

309  支路密封法兰        310  支路            401  透明室(新)

402  透明室上盖          403  透明室下盖

404  上盖惰性气体进气管出入口405上盖支路密封法兰出入口

406  手套进出口          407  热管进出口      408  惰性气体管道

409  通气孔              410  螺栓            411  惰性气体出口

412  惰性气体细管进出孔  601  惰性气体细管

701  加热器              702  绝热层

703  保温层              704  分支管存储罐安放处

705  分支管抽气旁路安放处706  固定销1

707  固定销2             708  测温井            709  接线柱

710  加热器密封上端盖    711  加热器密封下端盖  712  加热丝

801  循环冷却水流动腔    802  密封O圈凹槽

具体实施方式

参阅图3至图8。在图3中给出了本发明的定量充装设备的一种实现方式，利用该设备可将常温下的固态碱金属工质充装到高温热管中。下面以碱金属中常见的钠为例，对定量充装设备的结构以及如何利用该定量充装设备充装工质的过程进行说明。

在将钠装入存储罐的过程中，单质形态的钠很容易被氧化，影响工质的纯度。为了克服这一问题，本发明的定量充装设备还需要透明室401。采用透明室将钠装入分支管存储罐301时，首先需要按照图3的说明将定量充装设备的各个部件进行组装，然后将透明室401套在整个分支管上，如图6给出的图3与图4透明室的耦合示意图所示。支路密封法兰309的外径略小于透明室401上盖403上的法兰接孔405的内径，在将钠装入分支管存储罐301之前，支路密封法兰309位于透明室顶部的法兰接孔内，以避免下文中所提到的要充入透明室401的惰性气体从法兰接孔405大量漏出。在一种优选实现方式中，为了增加支路密封法兰309与法兰接孔405之间的密闭性，还可以在法兰接孔405的内径边缘处安装胶圈。在透明室401内可安放包括诸如精密天平的质量称量装置、密封盛钠的容器、镊子、切割刀在内的多种器械。当需要将钠装入存储罐时，需要通过通气孔409将诸如氩气的惰性气体充入透明室401，以置换其中的空气。在经过一段时间的空气置换后，工作人员穿戴橡胶手套经由手套进出孔406在透明室401内打开分支管存储罐301，将惰性气体细管601伸入高温热管底部以排除高温热管毛细芯中的不凝性气体，以及高温热管和分支管存储罐301内的空气，经过一段时间的置换后完成切割、称量、安放单质钠在内的多个操作，从而将一定量的钠安放到分支管存储罐301中。完成钠的安放后，将分支管存储罐301与分支管存储罐密封上法兰302耦合并密封。在透明室401的帮助下，分支管存储罐301内外都充满惰性气体，单质钠可以在不受氧化或极少氧化的前提下安放到分支管存储罐301中，保证了将要充装到高温热管中的钠的纯度。

在将分支管存储罐301密封后，关闭第一超高真空密封阀211，打开第二超高真空密封阀212，并启动超高真空分子泵机组217，对定量充装设备做抽真空操作，使得设备中的高温热管、分支管存储罐301等装置中的压强达到10^-3-10^-5Pa。在设备中的空气压强达到标准后，加热高温热管201、接头202与分支管存储罐301，同时打开冷却水循环泵。加热到250℃后，打开分支管存储罐惰性气体进气管阀门306，用惰性气体对分支管存储罐301中的液体钠进行冲击，同时打开第二超高真空密封阀和超高真空分子泵，通过分支管抽气旁路307进行抽吸，使得呈液体状态的钠更加容易进入所要充装的高温热管中。在钠进入高温热管201后，停止加热高温热管201、接头202和分支管存储罐301，并关闭分支管存储罐惰性气体进气管阀门306和第二超高真空密封阀212及超高真空分子泵机组217，待其恢复常温后，再次打开第二超高真空密封阀212和启动超高真空分子泵机组217，对定量充装设备做抽真空操作，使得高温热管中的气压达到10^-3-10^-5Pa后，钳断高温热管，焊接封口，从而得到所要的高温热管201。为了准确确定充装入高温热管201中的工质钠的质量，在一个实例中，在将高温热管201连接到系统前对其质量进行称量，然后在充装后再称量高温热管201的质量，通过求两者的质量差得到充装入高温热管201的工质钠的质量。

在得到高温热管201后，还要将定量充装设备中的快装装置308及分支管存储罐密封上法兰302打开，卸下分支管存储罐301，以喷雾的方式对分支管存储罐301中的残余物质加以清除。这些后续清理工作在现有技术中已经有详细说明，因此不在这里重复描述。

本发明的定量充装设备在完成上述的固态碱金属工质的定量充装后，一般需要将定量充装设备的内部与外部空气隔绝。为了使得设备在下次工作时能够较快地达到设备工作所要求的真空度，在一种优选实现方式中还可以在整个设备中充入诸如氩气的惰性气体以形成一定的正压。采用该保存方法的定量充装设备需要在使用前先通过排气管排出保存于其中的惰性气体，再进行后续的抽真空等操作。

在上述实现方式中，以钠为例，对如何利用本发明的定量充装设备将作为工质的钠充装到高温热管中进行了说明。本领域的技术人员应当了解，本发明的定量充装设备同样可以将诸如锂、钾在内的常温下为固态的碱金属充装到高温热管中，只需根据相应工质的熔点调整熔化工质时所需加热的温度，保证工质完全熔化时温度略高，即可实现整个加热过程。

如图7a、图7b、图7c和图7d所示，是本发明的加热器701为筒状，是两弧面形绝热层702以铰链相连构成圆筒，并以加热器密封上下端盖710、711围成腔体，以固定销706、707定位，腔体内设有保温层703。保温层703中有槽，分别为分支管存储罐安放处704、分支管抽气旁路安放处705。保温层703内盘设加热丝712。绝热层702壁面设有接线柱709，接线柱709内端接加热丝712，外端接电源。加热器701上布置有测温井708，其内可安放热电偶等温度传感器，测温井708贯穿绝热层702和保温层703，温度传感器需要接触到分支管存储罐301。

如图8，分支管存储罐密封上法兰302中设有冷却水循环系统。分支管存储罐密封上法兰302下表面与分支管存储罐上端之间有用于安放密封O圈的凹槽802，为了使密封O圈在加热时温度不会太高，在其上方开有循环冷却水流动腔801，循环冷却水流动腔801两边分别通向冷却水进水口303和冷却水出水口304，冷却水进水口303和冷却水出水口304由水管连接循环水泵，并由循环水泵提供冷却水。

本发明的定量充装设备可以同时为多根高温热管同时充装工质，与现有的定量充装设备相比在效率上有很大的提高。在图3所示的实现方式中，定量充装设备需要为1根高温热管充装工质，因此的支路有1根。但本领域技术人员应当了解，主管上所能连接的支路的数量并不局限于1根，可根据实际需要予以增减。

本发明的定量充装设备在将易氧化的固体碱金属工质安放到分支管存储罐301内的过程中，不仅有透明室401形成的外在惰性气体保护环境，还通过一根惰性气体细管601将惰性气体持续充入高温热管及分支管存储罐301使高温热管及分支管存储罐301内惰性气体保护环境更加纯净，将工质的氧化降到最低限度，从而保证了被充装到高温热管中的工质的纯度。

本发明的定量充装设备能够很方便地实现对残余物质的清洗。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围中。

Claims (12)

1.一种需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，包括主管(210)、支路(310)、支路密封法兰(309)、分支管存储罐(301)、分支管存储罐密封上法兰(302)、加热器(701)、第一超高真空密封阀(211)、第二超高真空密封阀(212)、超高真空分子本机组(217)、主进气管(214)、惰性气体进气管(305)、惰性气体细管(601)、循环水冷却水管、排气管(107)以及用于将所要充装的固态工质安放到存储罐内的透明室(401)；其中，

主进气管(214)连通到安装有调节阀的排气管(107)上，排气管(107)经由第一超高真空密封阀(211)连接到主管(210)的一端，主管(210)的另一端通过第二超高真空密封阀(212)连接到超高真空分子泵机组(217)；主管(210)侧面开孔以与支路(310)的一端密封连通，支路(310)的另一端经由支路密封法兰(309)连通到分支管抽气旁路(307)，分支管存储罐(301)底部通过接头(202)与待充装工质的高温热管(201)连通，顶部与分支管存储罐密封上法兰(302)连接，二者之间用密封O圈密封；分支管存储罐密封上法兰(302)上连接有惰性气体进气管(305)及循环冷却水管；加热器(701)套在分支管外部；惰性气体细管(601)有独立阀门，可单独控制；

透明室(401)包括带有法兰接孔(405)、分支管存储罐惰性气体进气管(305)、循环冷却水管和惰性气体细管(601)进出孔的透明上盖(402)，带有热管进出孔(407)的透明下盖(403)以及筒状透明室主体，上盖、下盖、透明室主体围成一密封腔体，在透明室主体的侧壁面开有手套进出孔(406)和通气孔(409)；腔体内部放置对所要充装的固态碱金属工质进行准确称量的质量称量装置及切割工具；

加热器(701)为两瓣开合的封闭结构，可直接扣在分支管上，内层为保温层(703)，内部镶嵌加热丝(801)，外层为绝热层(702)，可有效减少热损失，加热器(701)上分布有测温井(708)，测温井(708)内安放温度传感器，加热器(701)上下端有通孔，安置各管路通过。

2.根据权利要求1所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，所述小量，是充装小于2克；抽真空操作是通过分支管抽气旁路(307)，避免了分支管存储罐(301)喉部及工质形成的节流效应。

3.根据权利要求1所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，所述分支管存储罐密封上法兰(302)带有惰性气体进气管(305)和循环冷却水管，惰性气体进气管(305)用于充入惰性气体冲压液体碱金属工质，冷却水在加热分支管存储罐(301)时用于冷却分支管存储罐密封法兰之间的密封O圈。

4.根据权利要求3所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，所述冷却水的冷却循环系统，是分支管存储罐密封上法兰(302)下表面与分支管存储罐上端之间有用于安放密封O圈的凹槽(802)，为了使密封O圈在加热时温度不会太高，在密封O圈上方开有循环冷却水流动腔(801)，循环冷却水流动腔(801)两边分别通向冷却水进水口(303)和冷却水出水口(304)，冷却水进水口(303)和冷却水出水口(304)由水管连接循环水泵，并由循环水泵提供冷却水。

5.根据权利要求1所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，所述惰性气体细管(601)，在添加工质前伸入高温热管(201)底部，通入惰性气体以排出高温热管毛细芯内的不凝气体，以及高温热管(201)和分支管存储罐(301)中的空气。

6.根据权利要求1所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，所述加热器(701)对分支管存储罐(301)、分支管抽气旁路(307)和接头(202)加热；还包括加热带，由于高温热管(201)的管径和长度不定，使用缠绕加热带的方法对其进行加热。

7.根据权利要求1或6所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，所述加热器(701)为筒状，是两弧面形绝热层(702)以铰链相连构成圆筒，并以加热器密封上下端盖(710、711)围成腔体，以固定销(706、707)定位，腔体内设有保温层(703)；保温层(703)中有凹槽，分别为分支管存储罐安放处(704)、分支管抽气旁路安放处(705)；保温层(703)内盘设加热丝(712)；绝热层(702)壁面设接线柱(709)，接线柱(709)内端接加热丝(712)，外端接电源；加热器(701)侧壁测温井(708)贯穿绝热层(702)和保温层(703)，其内的温度传感器-热电偶接触到分支管存储罐(301)，加热器(701)上下密封端盖(710、711)防止保温材料泄露。

8.根据权利要求1所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备，其特征在于，所述透明室(401)，其上盖(402)为对称的两瓣，可方便的开合以进行安装和拆卸；称量装置及切割工具，是在其下盖(403)上表面固连有精密天平、碱金属罐，并备有镊子、切割刀，其工质的称量、切割和安放都在充满惰性气体的透明室内进行。

9.一种根据权利要求1所述的需小量碱金属工质的高温热管的精确充装设备的充装方法，其特征在于，包括：

步骤1、除加热器(701)外，按照设计将定量充装设备的其他各个组件进行组装，并将待充装工质的高温热管固定密封连接在分支管存储罐(301)下端的接头(202)处；

步骤2、将步骤1组装好的透明室(401)内充满惰性气体；

步骤3、在透明室(401)的惰性气体保护环境下将一定量的碱金属工质加入分支管存储罐(301)，并实现与系统设备的密封连接；

步骤4、关闭第一超高真空密封阀(211)，打开第二超高真空密封阀(212)，并启动超高真空分子泵机组(217)，做抽真空操作；

步骤5、待真空度达到要求，停止抽真空并关闭第二超高真空密封阀(212)；

步骤6、卸下透明室(401)，将加热器(701)安装在分支管上，将加热带包裹于高温热管(201)上，加热分支管存储罐(301)以及高温热管(201)，将固态的待充装工质熔化成液体，同时打开冷却水循环泵；

步骤7、待加热到所需温度，打开分支管存储罐(301)惰性气体进气管阀门(306)，使惰性气体进入分支管存储罐(301)，对分支管存储罐(301)中的液体的工质进行冲击，同时打开第二超高真空密封阀(212)和超高真空分子泵机组(217)，对高温热管进行抽吸，以加快液体工质进入所要充装的高温热管中；

步骤8、充装完毕后停止加热，关闭惰性气体进气管阀门(306)，停止抽真空，待恢复常温后关闭冷却水循环泵，并再次做抽真空操作；

步骤9、钳断高温热管，焊接封口。

10.根据权利要求9所述的充装方法，其特征在于，所述步骤2、步骤3中，工作人员在透明室(401)中利用定量称量装置对工质的质量进行精确称量、切割和安放，具体操作包括：

步骤2、将透明室(401)套在分支管上，将惰性气体通过通气孔(409)充入透明室(401)以置换其中的空气；

步骤3-1、将分支管存储罐(301)和分支管存储罐密封上法兰(302)分离，并将惰性气体细管(601)伸入高温热管底部，通入惰性气体以排出高温热管毛细芯内的不凝性气体以及置换高温热管和分支管存储罐(301)内的空气；

步骤3-2、待一段时间充分置换后，取出惰性气体细管(601)，工作人员经由手套进出口(406)在透明室内将满足要求的工质安放到分支管存储罐(301)内；

步骤3-3、将分支管存储罐(301)与分支管存储罐密封上法兰(302)相耦合并密封。

11.根据权利要求10所述的充装方法，其特征在于，所述步骤3-2，由于精密天平的精确度非常高，不需要考虑天平称量误差，只需考虑工质液化时在分支管存储罐(301)上的残余物，这个余量在小量充装时一般取10％，可保证充装入高温热管(201)的工质量符合要求；碱金属工质较软，用普通小刀切割即可。

12.根据权利要求9所述的充装方法，其特征在于，还包括：将快装装置(308)和分支管存储罐密封上法兰(302)打开，卸下分支管，以喷雾的方式对分支管存储罐(301)中的残余物质加以清除。

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