全自动太阳能重力热管真空灌装系统的设计

■ 张忠华 张建群 张波 安志良 刘群

（1.北京外国语大学信息技术中心；2.首钢工学院计算机系；3.海康创业(北京)科技有限公司）

一 引言

热管自1964年发明问世以来，近有50年的历史，但其作为一种传热技术的应用目前还处于研究阶段。由于热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力，与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。因此，热管技术被广泛应用在航空、军工、石油、化工、太阳能、冶金等诸多领域。

由于以全玻璃真空管式太阳能热水器为代表的传统太阳能热水器具有安全、节能、环保、经济等优点，但存在体积较庞大、玻璃管易碎、管中易集结水垢、不能承压运行等诸多不足。所以，近年来太阳能热管热水器开始流行。太阳能热管热水器主要是指太阳能重力热管热水器，太阳能重力热管对于太阳能热水器的各项品质有着很好的改善和提高，太阳能重力热管热水器的利用率正在逐年提高。在太阳能重力热管热水器的制造过程中，其热管真空灌注技术是关键，而目前主要是采用手动灌注技术，但手动式太阳能重力真空灌注技术的生产效率较低、工质灌注精度不够高、热管的寿命和热利用效果有待进一步提高。本文设计了一种全自动热管真空灌注系统来改善这些不足，它对太阳能产业的发展具有十分重要的现实意义。

二 重力热管工作原理

重力热管工作原理图如图1所示，在密闭的管内先抽成真空，在此状态下充入适量的工质液体，在热管的下端加热，工质液体吸收热量汽化为蒸汽，在微小的压差下上升到热管的上端，并向外界释放热量凝结成液体，冷凝液在重力的作用下沿热管内壁返回受热段并再次受热汽化，如此循环往复连续不断地将热量由一端传向另一端。其主要特点为：热管的热导系数是普通金属的100倍以上，传热效率极高；同时，热管的结构简单，并具有单向导热的特点。

太阳能重力热管热水器正是利用重力热管的原理使得热水器的热利用率等各项性能得到较大的改善。

三 全自动系统的技术难点和本设计可达到的指标

1 技术难点

设计全自动太阳能重力热管真空灌注系统的主要技术难点是在高真空环境下，将工质液精确注入热管内并将管口封严，其过程要求全自动、灌液精度高、生产效率高。

2 达到的指标

经过巧妙构思、反复试验，我们设计出独创的高真空、带千分尺精确定量的集成灌注系统，该系统集计量、抽真空、预灌、灌液、吹残液等多功能于一体，其灌液精度为±0.2mL。该全自动系统使设备操作变得更加简单、方便和可靠，生产效率得到很大提高。

该设计选用无油分子泵系统，真空度可达到8×10-4Pa，采用该设计生产的热水器重力热管，可达到用户予定指标，热管底部尾管40mm插入70℃水中3s，2m长的热管顶端温度达到60℃，传热效率高，热均温性好。

四 提高太阳能重力热管灌注精度的设计

根据近几年来对热管液体工质灌装的调研，目前热管工质主要采用沸腾法和针管注射法，这两种灌装方式的精度都较低，而且重复性较差，基本精度只能达到±1mL。

我们经过多次设计、改进，将灌液过程中的预灌、计量、灌液动作设计成一个高精度组合阀门，利用该组合阀来实现预抽真空、预灌液、灌液量精确调节、灌液、灌液后高压吹残液等功能，该组合阀具体结构的设计如图2所示。由于采用千分尺原理，因此，每旋转一圈，预灌区容积变化1mL，而每圈有50个刻度，如此可精确控制到每转动一个刻度，预灌区容积变化0.02mL，考虑到其他加工精度的影响，灌液精度可控制在±0.2mL，与传统方式相比精度提高了5倍。

五 提高太阳能重力热管导热效率和使用寿命的设计

降低热管灌装时的真空度是提高热管导热效率和延长热管使用寿命的关键。通过降低热管灌装时的真空度，不但可有效提高热管导热效率，还可延长其使用寿命。液体工质灌装时如果真空度低，对热管的寿命及传热效果影响较大。真空度低直接影响液体工质中的不可凝气体不能很好排除，若排除不好，不可凝气体会凝聚在热管的顶部，形成一段不能产生热效应的死区，不可凝气体越多该死区越长，传热效果就越差。

要解决降低热管灌装时真空度的问题，一方面要配置抽速足够的真空泵，更重要的是保证在第一次灌液后在管路上不能留有残液。因此，本设计配置的真空泵是2台1600L/S的分子泵和2台机械泵，这样可保证合适的抽速；同时还首创在灌液结束后用一个特制阀门通入高压气体(高纯氮气)，经过3～5次的高压气体的吹洗，粘接在管路内壁上的残液能全部吹出系统，保证下一次抽真空能顺利高效地进行。因此，本设计可使每次真空度都低于8×10-4Pa。

六 提高太阳能重力热管生产效率的设计

1 设计快速真空密封气囊

为了提高生产效率，设计一个快速真空密封气囊装置(见图3)，这样可方便装卸热管，从而能提高效率。

采取图3所示的装置，可使热管顶端密封部位插入气囊内，气囊内部充入3～6个大气压的高压气体，使气囊内壁受力紧贴热管起到隔绝大气与真空系统作用；需要卸热管时，只需轻按泄压开关，高压气体自动泄压，气囊不受力后热管自动脱落。

2 设计全自动热管真空系统消除残液

目前热管灌装设备，真空度一般只能达到10-2Pa，有的只能达到10-1Pa甚至几十Pa，因为未能很好地解决热管灌液后工质残存在管路内表面的问题，抽真空时间很长，要达到10-4Pa的真空度需要10h甚至更多，严重制约生产效率。目前很多企业为了提高效率，必然降低抽真空时间，这会影响热管的传热效率和寿命。设计全自动重力热管真空灌装系统，可解决残液的影响，真空度达到10-4Pa只需要2h，大大提高了生产效率，是传统设备的5倍效率。

七 全自动太阳能重力热管真空灌装系统的整机设计

本设计为全自动控制模式，即整机采用全自动控制，完全不同于传统的手工操作。采用PLC控制严格控制工艺流程；采用触摸屏做为用户输入输出界面，这样可便于工艺参数的修改和维护。此外，还可实现自动排气和灌液功能，对工艺参数的修改可通过人机界面或上位机来实现。整机设计详情如图4所示。

全自动太阳能重力热管真空灌装的控制整机的设计不但可用于太阳能热水器，还可用于太阳能真空集热管、太阳能集热器和各类电器元件的散热器上重力热管工质的真空灌装及其密封，它集成了物理、材料、机电和计算机等多领域、多学科先进技术，解决了手工操作精度差、效率低等制约高效太阳能等与热管相关产业快速发展的一大难题。因此，采用重力热管技术的太阳能热水器等相关产品的推广对于推动太阳能等相关产业的发展，以及国家低碳、节能产品的广泛应用具有重要的现实意义。

八 结束语

由于重力热管被应用在太阳能热水器上，是一件具有开拓性的创新技术，直到2010年后，国内少数企业和科研机构才着手研发全自动太阳能重力热管真空灌注技术及相应设备，但是目前都处于研究阶段，还没有出现成熟的产品。因此，研究科学的全自动太阳能重力热管真空灌注系统势在必行。虽然本设计目前处于研发阶段，但国内太阳能企业已经在尝试使用本项技术，如常州市斯普朗特太阳能热水器有限公司和德州皇明太阳能真空管有限公司正在使用，且使用效果良好。由于该项技术也可给大型半导体器件提供重力热管散热器，株洲时代散热器有限公司正在考虑使用该项技术来开发半导体散热器。

总之，太阳能重力热管热水器的研究与应用符合我国集约型经济发展模式和可持续发展战略目标，是时代的呼唤。

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