恒溫槽是熱工檢測方面的一種計量設(shè)備,廣泛應(yīng)用在溫度計、熱電阻等計量器具的檢定領(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、高精密玻璃液體溫度計、低溫?zé)犭娕?、雙金屬溫度計、壓力式溫度計及二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計等溫度儀表、計量器具的檢定/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、自動循環(huán)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)上研制專用產(chǎn)品。
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發(fā)生。為解決科研、生產(chǎn)中的實際需求,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數(shù)量級,可稱為熱的“超導(dǎo)體"。熱管的導(dǎo)熱能力同時意味著它具有極其優(yōu)良的均溫性能,或“溫度展平"能力。
“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*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和標(biāo)準(zhǔn)溫度計,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,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)需要彌補能量的部位,從而保持著管芯恒溫區(qū)內(nèi)極小的溫差。
三.恒溫槽的創(chuàng)新特點
通過改進熱管管芯冷凝區(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、提高熱管動力性能。熱管技術(shù)用于恒溫槽,需要傳輸?shù)臒崮芄β屎苄。瑧?yīng)通過結(jié)構(gòu)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(qū)的溫差。
2、向上擴展寬了均勻溫場區(qū)域。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、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(qū)覆蓋80mm~450mm的區(qū)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(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,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、改進和試驗
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、檢驗與測試等一系列工序,各工序要求十分嚴(yán)格,項目研制過程中,通過反復(fù)試驗、摸索,總結(jié)了大量關(guān)于熱管制作的經(jīng)驗,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(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個數(shù)量級,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)有實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用正交試驗、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,介質(zhì)會揮發(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)備無法達到的,這一溫區(qū)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(dǎo)均勻溫度,zui大的優(yōu)點是便攜,多用于現(xiàn)場溫度校驗。受工作原理和體積所限,干體槽一般不太強調(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)的運動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,更適合實驗室檢定/校準(zhǔn)工作。兩者的共同優(yōu)點,僅僅在于沒有污染。