CN110949715A - 一种高精度液态金属钠定量灌装装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度液态金属钠定量灌装装置及方法，包括氩气及真空系统、液态金属钠杂质测量及净化系统和液态金属定量灌装系统；氩气及真空系统由氩气瓶、真空隔膜阀、真空泵组成；液态金属钠杂质测量及净化系统由储钠罐、钠阀、电磁泵、阻塞计和冷阱构成；液态金属定量灌装系统由储钠罐、钠流量调节阀、钠阀、手套箱、容器、称重装置、管接头和灌装设备构成；本发明还提供了该装置的实验方法；可以对液态金属钠中的杂质进行净化和在线实时的监测，可为灌装装置提供准确的质量含量数值；可以对灌装设备内的液态金属钠进行了准确的称量。

Description

一种高精度液态金属钠定量灌装装置及方法
技术领域
本发明属于化学性质活泼的液态金属罐装技术领域，具体涉及一种高精度液态金属钠定量灌装装置及方法。
背景技术
液态金属钠的热导率高、比热容大、载热流动能力强，已经被广泛应用于快堆堆芯、太阳能热电、高温碱金属热管、计算机芯片散热、快中子谱模块小堆、空间裂变核反应堆以及航空航天高温热端部件的冷却等工程领域。由于液态金属钠化学性质非常活泼，在空气中会被迅速氧化，在水中会发生剧烈燃烧，发生剧烈爆炸，反应的危险性很大。正因为上述原因，涉及液态金属钠的应用大多在密闭空间内或者密闭容器内。因此，十分有必要设计一种密闭装置内准确地定量灌装高纯度的液态金属钠的装置。
例如，中国专利申请号201821396633.9公开了一种液态金属钠的灌装装置。包括输钠管、快速接头、盲管和手柄；在输钠管的一端设置有快速接头，另一端一体成型有盲管，在盲管的侧壁上开设有若干个喷淋口，在输钠管靠近快速接头的一侧固定设置有手柄。本实用新型结构简单，易实现；避免了将小桶内壁上的石蜡冲掉，进而有效的防止了发生金属钠粘接到小桶内壁上的情况，避免了金属钠的浪费。但是，其装置只能适用于液态钠从一个装置灌装到空间相对较大的容积内，无法对微小空间的容积进行灌装，无法对钠中的杂质(碳、氢、氧、钙、铁等)进行净化，也无法对钠中杂质进行精确的地定量分析，因此该装置不能适用于要求灌装量精度高、液态金属中杂质含量低的航空航天、空间反应堆、热管等领域。
例如，中国专利申请号201910472346.4公开了一种高温碱金属热管热态灌装回路系统及方法。包括碱金属融化罐、过滤器、碱金属储存罐、定量桶、氩气气瓶、冷阱、电磁泵、气体缓冲罐、热管管壳、电磁泵、不锈钢管道、过滤器、碱金属阀门、气体阀门、截止阀、液位探针等部件。但是，该装置没有对液态金属的灌装量进行精确的称量，也没有对液态金属中的杂质进行准确的测量，因此该装置对于液态金属的灌装量和液态金属中杂质的含量缺乏数据支撑。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的缺点，提供了一种高精度液态金属钠定量灌装装置，其能够满足航空航天、空间反应堆、热管等应用领域中液态金属灌装精准度高、杂质含量低的需求，同时还提供了该装置灌装的方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高精度液态金属钠定量灌装装置，包括氩气及真空系统、液态金属钠杂质测量及净化系统和液态金属定量灌装系统；
氩气及真空系统由氩气瓶1、第一真空隔膜阀201、第二真空隔膜阀202、第三真空隔膜阀203、第四真空隔膜阀204、第五真空隔膜阀205、第六真空隔膜阀206和真空泵3组成；氩气瓶1通过气体管线与第一真空隔膜阀201相连，第一真空隔膜阀201下游分为四个支路，其中三个支路通过气体管线以及第三真空隔膜阀203、第五真空隔膜阀205和第六真空隔膜阀206分别与储钠罐4、手套箱9和灌装设备13相连，第四路通过气体管线依次与第二真空隔膜阀202和真空泵3连接；
液态金属钠杂质测量及净化系统由储钠罐4、第一钠阀501、第二钠阀502、第三钠阀503、第四钠阀504、第五钠阀505、电磁泵6、阻塞计7和冷阱8组成；储钠罐4底部通过管道和第一钠阀501连接电磁泵6的入口，电磁泵6上游的三通垂直分支通过管道连接第二钠阀502的进口，第二钠阀502的出口通过管线连接电磁泵6的下游，电磁泵6的下游管线分为两个支路，一个支路通过管线和第四钠阀504连接冷阱8，另一支路通过管线和第三钠阀503连接阻塞计7，阻塞计7出口通过管线连接冷阱8的入口，冷阱8的出口通过管线和第五钠阀505连接储钠罐4；
液态金属定量灌装系统由储钠罐4、钠流量调节阀506、第六钠阀507、手套箱9、称重容器10、称重装置11、管接头12和灌装设备13组成；储钠罐1底部通过管道和钠流量调节阀506连接放于手套箱9内部且置于称重装置11之上的称重容器10，称重容器10底部通过管线依次连接第六钠阀507、管接头12和灌装设备13，形成液态金属定量灌装系统。
优选地，所述储钠罐4的顶部插入位于第一储钠罐4内不同深度的第一液位探针301、第二液位探针302和第三液位探针303，根据储钠罐4内三个不同深度的液位探针监测储钠罐4内的液态金属液位高度；为了防止储钠罐4内的压力过高，从储钠罐4顶部的气路管线通过气体管线连接第四真空隔膜阀204，形成了泄压管线。
优选地，所述储钠罐4、阻塞计7、冷阱8、手套箱9、称重容器10、称重装置11、管接头12、灌装设备13以及连接各设备的所有连接管道内必须利用氩气及真空系统反复的抽真空和充氩气，提供一个无氧环境，尽可能减少回路内氧化物杂质的含量。
优选地，所述利用冷阱8对液态金属钠中的杂质进行物理沉积，降低液态金属钠中的杂质含量；所述阻塞计7监测冷阱8过滤后的液态金属钠中杂质的含量是否满足设备灌装的需要，如果满足要求则进行灌装，如果不能满足要求则继续用冷阱8进行过净化处理。
优选地，所述液态金属钠的熔点为98.3℃，所有的液态金属钠管道和设备上均需缠绕电加热带，保证所有的液态金属钠管道和设备上的温度为120℃高于液态金属钠熔点。
所述称重容器10和称重装置11置于手套箱9内，一方面给准确的称重操作提供一个无氧可操作环境，另一方面能够精确称量灌装到灌装设备13内的液态金属钠，实现精确的控制液态金属钠的灌装量。
所述的一种高精度液态金属钠定量灌装装置的实验方法，装置启动前，关闭第一真空隔膜阀201和第四真空隔膜阀204，打开第二真空隔膜阀202、第三真空隔膜阀203、第五真空隔膜阀205、第六真空隔膜阀206及所有的钠阀，开启真空泵3电源，对装置抽真空；抽真空结束后，打开第一真空隔膜阀201和第四真空隔膜阀204，关闭第二真空隔膜阀202、第三真空隔膜阀203、第五真空隔膜阀205和第六真空隔膜阀206，打开氩气瓶1的出口阀门对实验回路充氩气，这个过程需要反复多次进行；完成上述操作后，关闭所有的真空隔膜阀和钠阀，对涉钠管道进行加热至120℃，打开第一钠阀501、第二钠阀502、第四钠阀504和第五钠阀505，开启电磁泵6的电源，在电磁泵6的驱动下储钠罐4内的液态金属钠依次流过第一钠阀501、电磁泵6、第二钠阀502、第四钠阀504、冷阱8和第五钠阀505，完成一个净化循环；经过一段时间的净化循环后，开启第三钠阀503，利用阻塞计7对液态金属钠中的杂质进行在线监测，判断液态金属钠中的杂质含量是否满足灌装要求，如果不满足，继续进行净化，如果满足，进行灌装操作；当满足灌装要求后，切断电磁泵6的电源，关闭第一钠阀501和第五钠阀505，打开第一真空隔膜阀201和第三真空隔膜阀203，打开氩气瓶出口阀门向储钠罐4内充入一定量的氩气，保证储钠罐4和手套箱9之间形成一定的压力差，缓慢打开钠流量调节阀506，储钠罐4内的液态金属钠在压差的作用下流入称重容器10内，同时观察手套箱9内称重装置的示数，如果液态金属钠的量达到灌装要求的数值，关闭钠流量调节阀506，打开第六钠阀507，在压差和重力的作用下将称重容器10内的液态金属钠灌装到灌装设备13内，在管接头12处通过密封接头进行密封操作。
与现有技术先比，本发明具有以下优点：
1)本发明可以对液态金属钠中的杂质进行净化和在线实时的监测，可为灌装装置提供准确的质量含量数值。
2)本发明对灌装设备内的液态金属钠进行了准确的称量。
3)本发明结构简单，可操作性性，可扩张到其它液态金属的灌装领域。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种高精度液态金属钠定量灌装装置，包括氩气及真空系统、液态金属钠杂质测量及净化系统和液态金属定量灌装系统。
氩气及真空系统由氩气瓶1、第一真空隔膜阀201、第二真空隔膜阀202、第三真空隔膜阀203、第四真空隔膜阀204、第五真空隔膜阀205、第六真空隔膜阀206和真空泵3组成；氩气瓶1通过气体管线与第一真空隔膜阀201相连，第一真空隔膜阀201下游分为四个支路，其中三个支路通过气体管线以及第三真空隔膜阀203、第五真空隔膜阀205和第六真空隔膜阀206分别与储钠罐4、手套箱9和灌装设备13相连，第四路通过气体管线依次与第二真空隔膜阀202和真空泵3连接；
液态金属钠杂质测量及净化系统由储钠罐4、第一钠阀501、第二钠阀502、第三钠阀503、第四钠阀504、第五钠阀505、电磁泵6、阻塞计7和冷阱8组成；储钠罐4底部通过管道和第一钠阀501连接电磁泵6的入口，电磁泵6上游的三通垂直分支通过管道连接第二钠阀502的进口，第二钠阀502的出口通过管线连接电磁泵6的下游，电磁泵6的下游管线分为两个支路，一个支路通过管线和第四钠阀504连接冷阱8，另一支路通过管线和第三钠阀503连接阻塞计7，阻塞计7出口通过管线连接冷阱8的入口，冷阱8的出口通过管线和第五钠阀505连接储钠罐4；
液态金属定量灌装系统由储钠罐4、钠流量调节阀506、第六钠阀507、手套箱9、称重容器10、称重装置11、管接头12和灌装设备13组成；储钠罐1底部通过管道和钠流量调节阀506连接放于手套箱9内部且置于称重装置11之上的称重容器10，称重容器10底部通过管线依次连接第六钠阀507、管接头12和灌装设备13，形成液态金属定量灌装系统。
本发明高精度液态金属钠定量灌装装置的实验方法，装置启动前，关闭第一真空隔膜阀201和第四真空隔膜阀204，打开第二真空隔膜阀202、第三真空隔膜阀203、第五真空隔膜阀205、第六真空隔膜阀206及所有的钠阀，开启真空泵3电源，对装置抽真空；抽真空结束后，打开第一真空隔膜阀201和第四真空隔膜阀204，关闭第二真空隔膜阀202、第三真空隔膜阀203、第五真空隔膜阀205和第六真空隔膜阀206，打开氩气瓶1的出口阀门对实验回路充氩气，这个过程需要反复多次进行；完成上述操作后，关闭所有的真空隔膜阀和钠阀，对涉钠管道进行加热至120℃，打开第一钠阀501、第二钠阀502、第四钠阀504和第五钠阀505，开启电磁泵6的电源，在电磁泵6的驱动下储钠罐4内的液态金属钠依次流过第一钠阀501、电磁泵6、第二钠阀502、第四钠阀504、冷阱8和第五钠阀505，完成一个净化循环；经过一段时间的净化循环后，开启第三钠阀503，利用阻塞计7对液态金属钠中的杂质进行在线监测，判断液态金属钠中的杂质含量是否满足灌装要求，如果不满足，继续进行净化，如果满足，进行灌装操作；当满足灌装要求后，切断电磁泵6的电源，关闭第一钠阀501和第五钠阀505，打开第一真空隔膜阀201和第三真空隔膜阀203，打开氩气瓶出口阀门向储钠罐4内充入一定量的氩气，保证储钠罐4和手套箱9之间形成一定的压力差，缓慢打开钠流量调节阀506，储钠罐4内的液态金属钠在压差的作用下流入称重容器10内，同时观察手套箱9内称重装置的示数，如果液态金属钠的量达到灌装要求的数值，关闭钠流量调节阀506，打开第六钠阀507，在压差和重力的作用下将称重容器10内的液态金属钠灌装到灌装设备13内，在管接头12处通过密封接头进行密封操作。
以上内容仅用来说明本发明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种高精度液态金属钠定量灌装装置，其特征在于：包括氩气及真空系统、液态金属钠杂质测量及净化系统和液态金属定量灌装系统；
氩气及真空系统由氩气瓶(1)、第一真空隔膜阀(201)、第二真空隔膜阀(202)、第三真空隔膜阀(203)、第四真空隔膜阀(204)、第五真空隔膜阀(205)、第六真空隔膜阀(206)和真空泵(3)组成；氩气瓶(1)通过气体管线与第一真空隔膜阀(201)相连，第一真空隔膜阀(201)下游分为四个支路，其中三个支路通过气体管线以及第三真空隔膜阀(203)、第五真空隔膜阀(205)和第六真空隔膜阀(206)分别与储钠罐(4)、手套箱(9)和灌装设备(13)相连，第四路通过气体管线依次与第二真空隔膜阀(202)和真空泵(3)连接；
液态金属钠杂质测量及净化系统由储钠罐(4)、第一钠阀(501)、第二钠阀(502)、第三钠阀(503)、第四钠阀(504)、第五钠阀(505)、电磁泵(6)、阻塞计(7)和冷阱(8)组成；储钠罐(4)底部通过管道和第一钠阀(501)连接电磁泵(6)的入口，电磁泵(6)上游的三通垂直分支通过管道连接第二钠阀(502)的进口，第二钠阀(502)的出口通过管线连接电磁泵(6)的下游，电磁泵(6)的下游管线分为两个支路，一个支路通过管线和第四钠阀(504)连接冷阱(8)，另一支路通过管线和第三钠阀(503)连接阻塞计(7)，阻塞计(7)出口通过管线连接冷阱(8)的入口，冷阱(8)的出口通过管线和第五钠阀(505)连接储钠罐(4)；
液态金属定量灌装系统由储钠罐(4)、钠流量调节阀(506)、第六钠阀(507)、手套箱(9)、称重容器(10)、称重装置(11)、管接头(12)和灌装设备(13)组成；储钠罐(1)底部通过管道和钠流量调节阀(506)连接放于手套箱(9)内部且置于称重装置(11)之上的称重容器(10)，称重容器(10)底部通过管线依次连接第六钠阀(507)、管接头(12)和灌装设备(13)，形成液态金属定量灌装系统。
2.根据权利要求1所述的一种高精度液态金属钠定量灌装装置，其特征在于：所述储钠罐(4)的顶部插入位于第一储钠罐(4)内不同深度的液位探针(301)、第二液位探针(302)和第三液位探针(303)，根据储钠罐(4)内三个不同深度的液位探针监测储钠罐(4)内的液态金属液位高度；为了防止储钠罐(4)内的压力过高，从储钠罐(4)顶部的气路管线通过气体管线连接第四真空隔膜阀(204)，形成了泄压管线。
3.根据权利要求1所述的一种高精度液态金属钠定量灌装装置，其特征在于：所述储钠罐(4)、阻塞计(7)、冷阱(8)、手套箱(9)、称重容器(10)、称重装置(11)、管接头(12)、灌装设备(13)以及连接各设备的所有连接管道内必须利用氩气及真空系统反复的抽真空和充氩气，提供一个无氧环境，尽可能减少回路内氧化物杂质的含量。
4.根据权利要求1所述的一种高精度液态金属钠定量灌装装置，其特征在于：所述利用冷阱(8)对液态金属钠中的杂质进行物理沉积，降低液态金属钠中的杂质含量；所述阻塞计(7)监测冷阱(8)过滤后的液态金属钠中杂质的含量是否满足设备灌装的需要，如果满足要求则进行灌装，如果不能满足要求则继续用冷阱(8)进行过净化处理。
5.根据权利要求1所述的一种高精度液态金属钠定量灌装装置，其特征在于：所述液态金属钠的熔点为98.3℃，所有的液态金属钠管道和设备上均需缠绕电加热带，保证所有的液态金属钠管道和设备上的温度为120℃高于液态金属钠熔点。
6.根据权利要求1所述的一种高精度液态金属钠定量灌装装置，其特征在于：所述称重容器(10)和称重装置(11)置于手套箱(9)内，一方面给准确的称重操作提供一个无氧可操作环境，另一方面能够精确称量灌装到灌装设备(13)内的液态金属钠，实现精确的控制液态金属钠的灌装量。
7.权利要求1至6任一项所述的一种高精度液态金属钠定量灌装装置的实验方法，其特征在于：装置启动前，关闭第一真空隔膜阀(201)和第四真空隔膜阀(204)，打开第二真空隔膜阀(202)、第三真空隔膜阀(203)、第五真空隔膜阀(205)、第六真空隔膜阀(206)及所有的钠阀，开启真空泵(3)电源，对装置抽真空；抽真空结束后，打开第一真空隔膜阀(201)和第四真空隔膜阀(204)，关闭第二真空隔膜阀(202)、第三真空隔膜阀(203)、第五真空隔膜阀(205)和第六真空隔膜阀(206)，打开氩气瓶(1)的出口阀门对实验回路充氩气，这个过程需要反复多次进行；完成上述操作后，关闭所有的真空隔膜阀和钠阀，对涉钠管道进行加热至120℃，打开第一钠阀(501)、第二钠阀(502)、第四钠阀(504)和第五钠阀(505)，开启电磁泵(6)的电源，在电磁泵(6)的驱动下储钠罐(4)内的液态金属钠依次流过第一钠阀(501)、电磁泵(6)、第二钠阀(502)、第四钠阀(504)、冷阱(8)和第五钠阀(505)，完成一个净化循环；经过一段时间的净化循环后，开启第三钠阀(503)，利用阻塞计(7)对液态金属钠中的杂质进行在线监测，判断液态金属钠中的杂质含量是否满足灌装要求，如果不满足，继续进行净化，如果满足，进行灌装操作；当满足灌装要求后，切断电磁泵(6)的电源，关闭第一钠阀(501)和第五钠阀(505)，打开第一真空隔膜阀(201)和第三真空隔膜阀(203)，打开氩气瓶出口阀门向储钠罐(4)内充入一定量的氩气，保证储钠罐(4)和手套箱(9)之间形成一定的压力差，缓慢打开钠流量调节阀(506)，储钠罐(4)内的液态金属钠在压差的作用下流入称重容器(10)内，同时观察手套箱(9)内称重装置的示数，如果液态金属钠的量达到灌装要求的数值，关闭钠流量调节阀(506)，打开第六钠阀(507)，在压差和重力的作用下将称重容器(10)内的液态金属钠灌装到灌装设备(13)内，在管接头(12)处通过密封接头进行密封操作。
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