熱管恒溫槽原理與應用
時間:2014-04-14 05:37:45
一. 前言
熱管（重力熱管）由封閉的管子組成，在管內下端液體吸熱蒸發后于管子上方的某一部位放熱冷凝，并返回下方繼續吸熱蒸發，如此周而復始。熱管在上述循環工作過程中，將熱量從一處快速、連續地傳送到另一處，且無需任何外加動力。熱管具有很高的導熱性能和優良的均溫性能，是人們所知的最有效的傳熱元件之一，被稱為“超熱導體”。熱管技術近年來在工程中的應用日益普及，在航天器、核電廠、化工、冶金、動力工程.甚至筆記本電腦中均有應用。
恒溫槽是熱工檢測方面必備的一種計量設備，廣泛應用在溫度計、熱電阻等計量器具的檢定領域。目前最常見的是以水或油為介質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，適用于工業熱電阻、工作用玻璃液體溫度計、高精密玻璃液體溫度計、低溫熱電偶、雙金屬溫度計、壓力式溫度計及二等標準水銀溫度計等溫度儀表、計量器具的檢定/校準工作。它是油、水恒溫槽的理想替代產品，與傳統水、油槽相比，具有溫度范圍寬、插孔深、溫場均勻性好、綠色環保、自動循環等特點。
寬溫場熱管恒溫槽的研制具有深遠的社會意義。我國國防軍工裝備（特別是飛機、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的基礎上研制專用產品。
泰安磐然測控科技有限公司經多年努力，所研制的PR600系列熱管恒溫槽具有有效工作區域寬、工作溫度范圍寬、溫差小、溫度波動小、工作壽命長等優點，在國內處于領先水平，得到了廣大客戶的認可和贊揚，并獲得了國家專利（專利號：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、對流和輻射，在氣體或液體中,熱傳導過程往往和對流同時發生。為解決科研、生產中的實際需求，人們不斷尋求著更高效的熱傳遞手段，“熱管”技術便是其中之一。
“熱管”是一種高效傳熱元件，其熱阻比相同尺寸的金屬材料小幾個數量級，可稱為熱的“超導體”。熱管極佳的導熱能力同時意味著它具有極其優良的均溫性能，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完全密閉的容器——熱管管芯（見圖1），管芯上端有許多不同孔經的插管，用于插入被校溫度計和標準溫度計，插管下端均被封堵以保證管芯的氣密性。管芯內充有一定量的液態工質。外部電源通過管芯下部的電加熱器加熱工質時，部分液態工質吸收大量熱能后產生汽化，變為蒸汽的工質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）會冷凝并釋放出潛熱，冷凝后的液態工質在重力的作用下返回管芯底部，被繼續加熱，……，如此往復循環。
上述過程中，工質作為載體，通過汽、液相變，不斷將從電源獲取的能量傳輸到熱管管芯內需要彌補能量的部位，從而保持著管芯恒溫區內極小的溫差。
三.PR600系列熱管恒溫槽的創新特點
通過改進熱管管芯冷凝區和加熱區結構以及對化學工質配方及工藝的深入研究，使以下性能指標得到極大提高。
1、提高熱管動力性能。熱管技術用于恒溫槽，需要傳輸的熱能功率很小，應通過結構改進，加強飽和蒸汽的流速，增強換熱能力，從而降低整個恒溫區的溫差。
2、向上擴展寬了均勻溫場區域。在PR600系列之前的熱管恒溫槽的有效均勻溫區基本上從距離熱管上端口150mm～ 200mm開始至450mm深度。現在經過一系列的探索、試驗、改進，可使有效均勻溫場范圍向上擴展至不大于80mm，使熱管的有效均勻溫區覆蓋80mm～450mm的區域，甚至更寬，滿足全浸式玻璃溫度計、短型傳感器、特殊傳感器的檢定/校準/測試。
3、提高了溫場均勻性。在上述有效均勻溫場范圍內，進一步改善了溫場均勻性，以保證滿足等一、二等標準玻璃溫度計的量值傳遞所需溫場指標。
4、改善溫度下限的技術指標。目前的熱管恒溫槽在工作溫度下限附近，由于工質蒸汽壓不足導致熱交換能力不足，直接影響溫場均勻性指標和溫度波動度指標，應予以改善，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，通過在熱管散熱器外部增設冷凝管等措施，在保證各指標的前提下，大幅度提高降溫速率，提高上、下行程（循環）測試的效率。
四、質量保證手段
1.對關鍵工藝、工裝的研究、改進和試驗
熱管生產過程主要包括：備料、焊接、清洗、烘干、檢漏、抽空、充液、封口、電氣儀表安裝、檢驗與測試等一系列工序，各工序要求十分嚴格，項目研制過程中，通過反復試驗、摸索，總結了大量關于熱管制作的經驗，編制出詳細、嚴格的工藝文件，作為指導今后生產的依據。研制階段重點解決的工藝問題有：
（1）防止傳感器插管焊接過程縮孔；
（2）引進氦質普檢漏儀替代氣泡法檢漏，漏率的檢測靈敏度提高了3～4個數量級，保證了熱管的氣密性、從而保證了熱管產品的使用壽命；
（3）抽空過程的質量控制；
（4）特殊工藝保證封口的嚴密性。
2.對化學工質配方及工藝的深入研究
計量/校準用熱管恒溫槽對工質純度要求既嚴格又特殊。通過進一步研究各溫度段熱管的工質配方，以理論數據及現有實驗數據為基礎，采用正交試驗、回歸分析等科學方法，找出工質的最佳配比及制備流程，使熱管工作溫度范圍達到更寬，溫場指標更高。
五、熱管恒溫槽與常規液體恒溫槽的性能比較
1. 恒溫油槽工作時，介質會揮發、冒煙，污染環境，影響工作人員身體健康。熱管恒溫槽工作介質全密封，能夠避免上述污染，屬于綠色環保產品，因此具有廣闊的市場前景。
2. 恒溫油槽受加熱介質和自身材料、結構的限制，最高工作溫度一般不超過300℃。熱管恒溫槽的工作溫度可達300℃～500℃甚至更高，溫度場均勻性優于0.05℃,是目前其它恒溫設備無法達到的，填補了這一溫區的一項空白。
六、熱管恒溫槽與干體校驗槽的性能比較
需要特別提醒的是，請不要將熱管恒溫槽與“干體校驗槽”混淆。干體槽主要是靠金屬“恒溫塊”的熱傳導均勻溫度，最大的優點是便攜，多用于現場溫度校驗。受工作原理和體積所限，干體槽一般不太強調溫場均勻性，通常從插孔下部向上的40mm范圍內垂直溫差在3℃～4℃；而對于熱管恒溫槽來說，溫場均勻性是最重要的指標。由于熱管中汽化工質的運動速度是同材料金屬塊導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，更適合實驗室檢定/校準工作。兩者的共同優點，僅僅在于沒有污染。
七、國內同類產品比較
由我公司采用新技術、新材料、新工藝所生產的PR600系列熱管恒溫槽與其它熱管恒溫槽的主要性能、參數對照見下表：
|
序 |
項 目 |
技 術 指 標 |
|
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 |
溫度波動度 |
（0.05℃~0.3℃）/10min |
（0.01℃~0.05℃）/10min |
|
4 |
工作溫度下限特點 |
溫度波動度變大，溫場均勻性差 |
下限溫度普遍下移，工作溫度范圍加寬，溫度波動度減小，工作區溫差減小 |
|
5 |
使用壽命 |
長短不一 |
10年以上 |
|
6 |
升、降溫速度 |
較慢 |
快 |
|
7 |
產品標準 |
無 |
有 |
|
8 |
外觀 |
較簡陋 |
較美觀 |
總結
PR600系列熱管恒溫槽采用了多項新技術，具有設計先進、結構合理、溫場均勻性好、綠色環保、量值傳遞準確可靠等一系列優點，完全滿足各類溫度一次儀表檢定/校準的需要，具有國內先進水平。適用于對各類溫度計和熱電阻進行檢定的企業和計量檢定/校準實驗室。
