Книги по строительству и ремонту

Тепловые трубы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Изготовление и сборка трубы

4-1-1. Материал корпуса. Материал корпуса тепловой трубы, включая материал торцовых крышек и материал трубы для заполнения, выбирается с учетам ряда свойств используемых материалов. Они приведены в гл. 3. (Если не делается специальных оговорок, то в приведенном в настоящей главе анализе принимается, что тепловая труба имеет цилиндрическую геометрию.) Однако практические последствия выбора материала весьма многообразны.

Из многих материалов, пригодных для изготовления корпуса, наиболее часто используют три, а именно медь, алюминий и нержавеющая сталь. Медь является исключительно подходящим материалом для тепловых труб, работающих в диапазоне 0—200°С и используемых в таких областях, как системы охлаждения электронного оборудования. Хотя в принципе трубы из технически чистой меди являются подходящими, предпочтительнее использовать бескислородную медь с высокой теплопроводностью. Как и в случае применения алюминия или нержавеющей стали, имеется широкий выбор типоразмеров труб из Меди как по диаметру, так и по толщине стенки.

Алюминий реже используется в тепловых трубах, изготовляемых промышленным способом. -Однако он благодаря своей малой плотности привлек пристальное внимание специалистов по космическим исследованиям. Обычно алюминий используется в виде- сплавов (преимущественно сплав 6061-Т6), причем из английских материалов к нему наиболее близок сплав НТ-80. Кроме того, он всегда имеется в наличии и может быть подобран для изготовления тепловой трубы в виде готовой заготовки или может быть отштампован -в виде заготовки с канавками для перекачки жидкости.

К сожалению, в общем случае, если рабочей, жидкостью является вода, нержавеющая сталь не может быть длительно использована в качестве материала корпуса из-за возникающего газовыделения. В то же время нержавеющая сталь вполне совместима со многими рабочими жидкостями. В ряде случаев она является единственным подходящим материалом, как, например, в случае работы с такими жидкими металлами, как ртуть, натрий и калий. Обычно используются нержавеющие стали марок 302, 316 и 321.

При сборке тепловой трубы необходимо предусмотреть оборудование для ее заполнения. Наиболее часто заполнение производится через торцевой колпак (крышку), снабженную трубой малого диаметра, как это показано на 4-1. Другой конец тепловой трубы имеет глухой колпак. Материал колпаков и заполняющей трубы в общем случае тот же, что и корпуса тепловой трубы, хотя для удобства заполняющую нержавеющую трубу можно нарастить при помощи медной трубки, чтобы обеспечить возможность холодной  сварки (см. § 4-1-9)'. Может возникнуть  потребность в установке вентиля на заполняющей трубе, например, . для проведения газового анализа после ресурсных испытаний (см. § 4-2). Материал вентиля, безусловно, должен быть совместим с рабочей жидкостью.

Если тепловая труба должна работать при высоком давлении паров, то для проверки корпуса на прочность следует проводить соответствующие гидравлические испытания.

4-1-2. Материалы и типы фитилей. Количество материалов, испытанных в качестве фитилей тепловых труб, и число видов фитилей очень велико. Некоторые из них были уже упомянуты при анализе перепада давлений по жидкостному" тракту в гл. 2 и при обсуждении критериев выбора рабочей жидкости и гл. 3.

Проволочная сетка. Наиболее часто встречающимся типом фитиля является плетеная проволочная сетка или саржевая ткань, которая может быть изготовлена из многих металлов. Нержавеющая, монелевая и медная проволоки могут быть сплетены в сетку с очень малыми размерами пор (см. табл. 3-3). Нержавеющая сетка 400 меш может быть получена от ряда фирм изготовителей, (В приложении 4 приведен перечень изготовителей и поставщиков материалов для производства тепловых труб.) Имеются также алюминиевые сетки, однако из-за трудностей производства и плетения тонкой алюминиевой проволоки изготовление мелкопористой структуры фитиля оказывается невозможным.

Нержавеющая сталь является наилучшим материалом для изготовления сеток. Она может быть прокатана и' хорошо сохраняет свою форму. Присущая крупной сетке упругость способствует хорошему прилеганию фитиля к стенке корпуса тепловой трубы, исключая в ряде случаев необходимость применения любого другого варианта фиксации расположения фитиля. В тепловых трубах с фитилем в 400 меш слой более крупной сетки в 100. меш, расположенный по внутреннему радиусу фитиля, может обеспечить сохранение формы более тонкой сетчатой структуры. Нержавеющая сталь представляет собой материал, который хорошо соединяется методом диффузионной сварки, что позволяет получать прочный сплошной фитиль, связанный со стенкой корпуса тепловдй трубы. Диффузионная сварка лучше всего осуществляется в вакуумной иечи при температуре 1150—'1 ШТ.

Точечная сварка фитиля является удобным способом сохранения его формы или присоединения фитиля к стенке корпуса тепловой трубы в тех случаях, когда ее диаметр достаточно большой для ввода во внутреннюю полость трубы электрода. При невозможности реализации этого метода для прижатия фитиля может быть использована спиральная пружина.

Важно обеспечить, чтобы независимо от типа фитиля он находился в тесном контакте со стенкой тепловой трубы, особенно в зоне испарения, иначе могут появиться горячие пятна. При наличии сетки наилучшей гарантией плотного прилегания фитиля является применение диффузионной сварки.

Спекание. Аналогичным устройством, обеспечивающим плотный контакт со стенкой тепловой трубы, является спеченный фитиль. Спекание часто используется при изготовлении металлических фильтров, и в настоящее время многие элементы машин изготовляются этим способом вместо кокильного литья.

Процесс спекания состоит во взаимном соединении большого числа частиц в виде уплотненного металлического порошка. Размер пор получаемого подобным путем фитиля может регулироваться выбором порошков, каждый из которых имеет определенный размер частиц. Порошки, обычно состоящие из сферических частиц, засыпаются в сосуды, которые придают будущему фитилю требуемую форму и затем либо спекаются без дополнительного уплотнения, либо если используется временное связывающее вещество, может быть приложено небольшое давление. Спекание обычно производится при температуре на 100—200°С ниже точки плавления спекаемого материала.

Наиболее простым путем изготовления фитиля указанным методом является спекание порошка в трубе, которая будет служить корпусом. Преимущество указанного способа в том, что фитиль припекается также и к стенке трубы, что делает конструкцию более прочной. Для того чтобы в изделии остался свободный центральный паровой канал, в трубу нужно вставить временный сердечник. Порошок засыпается в зазор между сердечником и трубой. При спекании медного порошка хорошие результаты получаются при применении нержавеющего сердечника—медь не припекается к нержавеющей стали, и сердечник легко может быть вынут по завершении процесса спекания. Сердечник удерживается на оси трубы с помощью концевых нержавеющих втулок.

Ниже описывается типичный процесс спекания. В качестве материала спекаемого порошка и корпуса тепдовой трубы выбрана медь. Размер частиц порошка выбирается таким образом, чтобы в результате спекания диаметр частиц получился 50—100 мкм. 6 трубе устанавливаются сердечник и центрирующая втулка с одного конца сборки. После этого с другого конца сборки засыпается порошок. Никаких попыток уплотнить засыпку не делается, кроме обстукивания трубы, для того чтобы обеспечить отсутствие больших пустот. После наполнения трубы устанавливается и прижимается к засыпке вторая центрирующая втулка. После этого осуществляется процесс спекания путем нагрева в атмосфере водорода при температуре 850°С в течение 1/2 ч. После охлаждения трубы и выемки ее из печи сердечник удаляется из сборки. После этого сборка без сердечника подвергается повторному спеканию. (Основанием для повторения процесса спекания служит следующее соображение. В период, когда сердечник находится на месте, он препятствует свободному проходу водорода через засыпку; в итоге спекание может быть недостаточно успешным, поскольку водород необходим для удаления окисной пленки, которая тормозит процесс.) После этой операции труба готова к использованию. На 4-2 показано поперечное сечение изготовленной таким образом трубы. На 4-3 представлено увеличенное изображение структуры спеченного медного фитиля. Пористость полученного фитиля 40—50%.

Для увеличения пористости изделия спекание можно осуществить другим способом. Для этого требуется инертный наполнитель, который действует как порообра-зователь. В процессе спекания наполнитель постепенно улетучивается, оставляя после себя развитую пористую структуру. В качестве наполнителя используется пластмассовый порошок, состоящий из частиц сферической формы. Этот порошок просеивается для того, чтобы выделить частицы размером 50—100 мкм. Наполнитель смешивается с равным объемом очень мелкого (20 мкм) медного порошка. При смешении медь равномерно покрывает пластмассовые сферы. Этот «составной» порошок в дальнейшем не проявляет склонности к разделению на компоненты.

Изготовление фитиля производится тем же путем, как и в описанном ранее случае, необходимо только более сильное сжатие засыпки для того, чтобы скомпенсировать очень сильную усадку материала в процессе спеканий.   На   начальной  стадии процесса пластмасса испаряется   и   диффундирует   сквозь медные частицы, оставляя при этом своего рода скелет из тонкого мед- . ного порошка с крупными порами.  Окончательная  пористость составляет примерно 75—85%.

Очевидно, что имеется много возможных вариантов фитилей, изготовляемых спеканием. Пористость, высота капиллярного поднятия и объемный расход рабочей жидкости—все эти парйметри могут быть оптимизированы правильным выбором размеров металлического порошка и наполнителя, их пропорции в смеси, добавкой соответствующих слоев наполнителя для образования каналов в фитиле.

Канавки. Типом фитиля, который широко применяется для космических приложений, но развивает незначительный капиллярный напор в наземных условиях, является фитиль с системой канавок. Наиболее простыми способами образования продольных канавок в стенке тепловой трубы является штамповка или протяжка. Горячая штамповка наиболее эффективна при использовании алюминия, при этом канавки могут быть сравнительно узкими и достаточно глубокими. Примером может служить алюминиевая труба с канавками, показанная на 4-4. Наружной поверхности тепловой трубы может быть также придана форма, отвечающая ее конкретным применениям. Если тепловая труба должна крепиться к плите, то стенка трубы может быть выполнена плоской с тем, чтобы, обеспечить лучший термический контакт с указанной плитой.

Другим способом образования канавок является нарезка резьбы на внугреннейлстенке корпуса тепловой трубы с помощью метчиков или резца с шагом резьбы до 40 ниток/см. Пример подобного типа фитиля изображен на 4-5. Нарезка осуществлена с шагом 15 ниток/см на внутренней поверхности алюминиевой ^трубы диаметром 6 мм и длиной 1 м. Эти артерии с винтовой нарезкой привлекают возможностью эффективного распределения жидкости тго периметру трубы и могут быть использованы в сочетании с различными артериальными системами, предназначенными для аксиальной подачи жидкости.

Войлоки и пенообразные материалы. В настоящее время ряд компаний выпускает металлические и керамические войлоки и металлические пенообразные материалы, которые с успехом могут быть использованы в качестве материала фитилей тепловых труб, в частности в тех случаях, когда изделие должно иметь некруглое поперечное сечение. Свойства некоторых подобных материалов приведены в табл. 3-3. Пенообразные материалы изготовляются из никеля и меди, а войлок — из нержавеющей стали и плетеных керамических волокон (рефрасил). Названия и адреса фирм-изготовителей приведены в приложении 4. Пенообразные изделия изготовляются в виде листов и прутков с заданными размерами пор. Металлический войлок обычно выпускается в виде листов, он более пластичен, нежели пенообразные материалы. Преимущество войлока состоит также в том, что, применяя вставные стержни и осуществляя процесс спекания, можно получить внутри пористой структуры продольные артерии, обеспечивая низкое гидравлическое сопротивление фитиля.

Вязаные керамические волокна имеют поры очень малых размеров и химически инертны по отношению к большинству рабочих жидкостей. Ввиду отсутствия жесткости изделий из керамических волокон, особенно при насыщении их жидкостью, целесообразно использовать их в сочетании с сетчатым фитилем из проволоки, который будет обеспечивать форму и требуемое местоположение войлочного фитиля. Керамические структуры могут быть получены в виде многослойных втулок, т. е. в виде, идеально- подходящем для непосредственного применения в качестве фитиля. Имеется широкий подбор этих втулок разного диаметра. В случае несовпадения диаметра втулки с требуемым размером она может быть слегка растянута с целью уменьшения диаметра.

4-1-3. Очистка корпуса и фитиля. Все используемые в тепловых трубах материалы должны быть чистыми. Очистка преследует две цели. Во-первых, она обеспечивает смачивание материалов рабочей жидкостью, а во-вторых, она гарантирует отсутствие посторонних веществ, которые могут ослабить капиллярный напор или стать причиной несовместимости используемых основных материалов.

Технология очистки зависит от применяемых материалов. Она определяется также технологией изготовления и установки фитиля и типом используемой рабочей жидкости, поскольку одни рабочие жидкости смачивают материалы более эффективно, нежели другие. В том случае, когда соединение корпуса с фитилем осуществляется путем спекания или диффузионной сварки, проводимых в атмосфере инертного газа или под вакуумом, элементы тепловой трубы очищаются в процессе сварки, и если отрезок времени между окончанием этого процесса и окончательной сборкой невелик, то дополнительная очистка может не потребоваться.

Если рабочая жидкость является хорошим растворителем, как, например, ацетон, то никаких специальных мер для обеспечения хорошей смачиваемости не требуется, достаточно травления кислотой с последующей отмывкой рабочей жидкостью. Однако технология очистки сильно усложняется с ростом рабочей температуры, т. е. при работе в диапазоне температур, связанном с использованием в качестве рабочих жидкостей жидких металлов.

Кислотное травление для нержавеющей стали включает в себя погружение элементов трубы в раствор, содержащий 50% азотной кислоты и 5% плавиковой кислоты. За этим следует отмывка обессоленной водой. Если изделия предназначены для работы с водой, то фитиль должен быть после этого помещен в электрическую печь и нагреваться в атмосфере воздуха в течение 1 ч до ^ОО^С. При этой температуре следы масла либо улетучиваются, либо разлагаются, а получающийся в итоге углерод выгорает с образованием двуокиси углерода. Поскольку на поверхности нержавеющей стали должно образоваться окисное покрытие, то в печи не нужно создавать защитную атмосферу из инертного газа.

Никель может быть подвергнут аналогичной обработке, разница состоит лишь в том, что травление производится 25%-ным раствором азотной кислоты. Травление меди нужно осуществлять, смесью фосфорной и азотной кислоты (1:1).

Степень произведенной очистки трудно оценить количественно, и лучший способ контроля — поместить каплю обессоленной воды на очищенную, поверхность. Если капля тут же растечется по поверхности или полностью поглотится фитилем, то это означает, что хорошее смачивание достигнуто и качество проведенной очистки хорошее.

При очистке фитилей из нержавеющей стали для длинных тепловых труб   иногда   возникают   проблемы, вызванные отсутствием печей требуемых размеров, в которые можно было бы сразу поместить весь фитиль. В этом случае может быть применена очистка пламенем, фитиль перед его установкой в корпус трубы пропускается через пламя бунзеновской горелки.

Хорошим дополнительным .средством ускорения процесса очистки может служить ультразвук, однако для низкотемпературных тепловых труб такая очистка не обязательна. При осуществлении указанного процесса или любого другого, связанного с погружением элементов тепловой трубы в жидкую среду для удаления загрязнений, грязь остается плавать на поверхности ванны и ее следует снять перед выемкой из ванны очищаемых элементов. Если этого не сделать, очищенные элементы при прохождении через поверхность жидкости могут вновь загрязниться. В качестве вспомогательного средства очистки, металлических элементов может использоваться электрополировка.

Керамические материалы для фитилей в общем случае поступают от изготовителя хорошо очищенными благодаря технологии их производства и поэтому не нуждаются в обработке при условии, что их хранение и сборочные операции осуществляются в условиях, обеспечивающих чистоту изделия.

Важно, особенно при использовании воды в качестве рабочей жидкости, исключить контакт элементов тепловой трубы с поверхностью кожи рук. Незначительные жировые отложения, появляющиеся при этом, могут препятствовать смачиванию, и поэтому в процессе монтажа рекомендуется пользоваться хирургическими перчатками,

Омачивание может быть облегчено добавкой в рабочую жидкость специальных агентов [4-1], однако при этом могут возникнуть трудности, связанные с совместимостью материалов, кроме того, эти добавляемые вещества могут повлиять на значения поверхностного натяжения рабочей жидкости.

4-1-4. Дегазация материала. Если фитиль или корпус поместить в вакуум, то начнут выделяться газы, особенно в том случае, когда элементы тепловой трубы изготовлены из металла. Если эти газы до герметизации тепловой трубы не удалить, то они могут собраться в паровом пространстве трубы. Процесс удаления газов известен как дегазация.

Если дегазация не является необходимой для низкотемпературных тепловых труб, предназначенных для работы не в очень жестких условиях, то высокотемпературные (более 400°С) устройства и трубы для космоса должны быть предварительно дегазированы на стенде до их заполнения рабочей жидкостью и герметизации.

Продолжительность дегазации сильно зависит от температуры, резко возрастая с увеличением последней. Дегазацию элементов после их очистки целесообразно производить под вакуумом при температуре сушки примерно 400°С. После сушки система должна быть провентилирована сухим азотом. Продолжительность дегазации зависит от рабочего давления паров в тепловой трубе.

Если тепловая труба перед дегазацией была частично собрана и торцевые колпаки установлены, то необходимо убедиться в отсутствии течей в сварных швах и т. п. элементах, поскольку в противном случае дегазация не может быть осуществлена. В общем случае анализ откачиваемых газов при наличии течи покажет очень большое содержание воздуха, тогда как при нормальной дегазации должно обнаруживаться значительное количество водяных паров. Для анализа этих газов может быть использован масс-спектрометр. Обнаружение утечки описано в § 4-1-6.

Дегазационные характеристики металлов 1могут существенно отличаться. Например, удаление водорода из нержавеющей стали осуществляется значительно проще, чем из алюминия. Алюминий особенно трудно дега-. зировать, и он может содержать сравнительно большое количество неконденсирующихся газов. В одном из экспериментов [4-2] было установлено, что газ быстро улетучился из алюминия при нагреве его до температуры красного свечения под вакуумом. В 200 г металла содержалось 89,5 см3 газа, причем 88 см3 составлял водород, а остаток приходился на двуокись углерода. Полагают, что алюминиевая поверхность может удерживать водяные пары даже при нагреве до 500°С или при сушке в атмосфере пятиокиси фосфора. Последнее обстоятельство особенно важно потому, что несовместимость воды с алюминием общеизвестна (см. § 4-1-12 ДЛЯ высокотемпературных тепловых труб).

4-1-5. Установка фитиля и торцевых колпаков. Очистку элементов тепловой трубы лучше всего производить до установки фитиля в корпус, поскольку в этом случае фитиль легче испытать на смачиваемость. Дегазацию можно осуществить перед сборкой или в момент нахождения тепловой трубы на стенде для заполнения (ом. §4-1-8).

В тех случаях, когда фитиль выполнен заодно с корпусом тепловой трубы, как это имеет место в случае применения канавок, спеченных порошков и сеток, соединенных с корпусом диффузионной сваркой, удобно осуществлять очистку тепловой трубы промывкой ее соответствующей жидкостью до приварки торцевых колпаков.

Если применяется сетчатый фитиль и слои сетки не соединены между собой или со стенкой тепловой трубы, в частности, если используется только мелкая сетка, то для прижатия фитиля к стенке должна быть вставлена спиральная пружина. Это легко осуществить, плотно навив пружину" на сердечник, вставляемый в трубу с надлежащим зазором. После этого пружина высвобождается, а сердечник удаляется, в результате пружина будет обеспечивать прижатие фитиля к стенке. Характерный шаг навивки пружин составляет примерно 1 см. (В тех случаях, когда могут использоваться сетки двух типоразмеров, например два слоя сетки 400 меш и один слой сетки 100 меш, поверхность [раздела жидкость-пар всегда должна приходиться на тонкую сетку, т. е. на сетку 400 меш, чтобы обеспечить максимальное значение капиллярного поднятия. Поэтому рекомендуется обмотать сетку 400 меш вокруг концов сетки 100 меш, как это показано на 4-6.)

Соединение торцевых колпаков с корпусом обычно осуществляется аргонодуговой сваркой. Эта операция не требует специальной камеры. Могут свариваться медь, нержавеющая сталь и алюминий. Преимущество сварки перед пайкой мягким или твердым припоем состоит в том, что она не требует применения флюсов, поэтому внутренняя поверхность очищенных труб ие подвергается возможному загрязнению. Однако защита аргоном при наличии высоких температур, характерных для процесса сварки, может оказаться недостаточной и привести к местному окислению материала, а образовавшиеся на внутренней стенке трубы окислы могут оказаться трудноудаляемы-ми. Сборка в камере, заполненной аргоном, позволит избежать этих трудностей, но она будет более дорогостоящей. Применение теплопоглощающей обмазки, такой как Rocol HS,< наносимой на поверхность тепловой трубы по соседству с местом сварки, может существенно снизить количество образующихся окислов.

При сборке тепловой трубы может также использоваться электроннолучевая сварка, однако в большинстве случаев подобное удорожание технологии неоправда-но.

4-1-6. Определение утечек. Все имеющиеся в тепловой трубе сварные швы должны быть проверены на герметичность. При необходимости контроля качества выполненных работ необходимо тщательно исследовать плотность швов, поскольку небольшие течи, которые сначала могут не сказаться на характеристиках тепловой трубы, в последующем, через месяцы работы устройства, дадут о себе знать.

Лучшим способом проверки тепловой трубы на плотность является масспектрометрия. Масс-спектрометр может быть использован для откачки тепловой трубы с помощью диффузионного . насоса до глубокого вакуума, превосходящего 10~5 мм рт. ст. (10~3 Па). Сварной шов после этого испытывается на плотность путем обдува его небольшой струей гелия. Если течь имеется, то датчик масс-спектрометра почувствует присутствие гелия, как только тот проникнет в тепловую трубу. После испытания сварных швов и приблизительного определения места неплотности, если оно имеется, для тщательного обследования подозреваемой зоны может быть использована игла для инъекций, подсоединенная к гелиевой магистрали. Таким образом область течи может быть определена очень точно и может потребоваться лишь незначительная повторная проварка шва в целях его уплотнения.

Естественно, при наличии очень большой неплотности насос масспектрометра не сможет обеспечить получение вакуума глубже 10~2 или Ю-3 мм рт. ст. (1-0,1 Па). Подобная неплотность может возникнуть при значительной пористости шва, обусловленной   применением   загрязненного аргона или неподходящей присадочной проволоки.

Если течь очень мала, то присасываемые водяные пары' могут сконденсироваться и закупорить, хотя бы временно, течь. Поэтому важно во время проверки на плотность держать тепловую трубу сухой.

4-1-7. Подготовка рабочей жидкости. Используемая в тепловой трубе рабочая жидкость должна обрабатываться с той же тщательностью, что.и фитиль, и корпус тепловой трубы.

Получаемая рабочая жидкость должна быть максимально чистой, при этом может потребоваться ее дополнительная очистка. Подобная очистка достигается дистилляцией. В случае низкотемпературных рабочих жидкостей, таких как ацетон, метиловый спирт и аммиак, присутствие воды может вызвать химическую несовместимость материалов, поэтому содержание воды следует свести к минимуму.

Некоторые небольшие выдержки из работ по органическим растворителям [4-3] позволят пролить свет на проблему содержания воды в ацетоне: «Ацетон значительно более химически активен, чем это обычно предполагается. Такие умеренно реакционноспособные материалы, как алюминиевый гель, могут вызвать альдольную конденсацию до диацетонового спирта, заметное количество которого образуется за короткий промежуток времени, если ацетон подогрет. Небольшое количество кислого вещества, даже столь слабо реакционноспособпого, как безводный сульфат магния, может вызвать конденсацию ацетона».

«Кремниевые и алюминиевые гели увеличивали содержание воды в ацетоне преимущественно из-за аль-дольной конденсации с последующей дегидратацией. При однократном пропускании ацетона над алюминиевым порошком содержание воды в нем возрастало с 0,24 до 0,46%. Все другие опробованные обезвоживающие агенты вызывали некоторую конденсацию».

Аммиак обладает большим химическим сродством с водой. Было установлено, что для получения удовлетворительных характеристик необходимо, чтобы содержание воды было меньше десяти частиц на миллион. Фирма ICI может поставить аммиак высокой чистоты, причем его контакт с воздухом во время заполнения трубы должен быть исключен

Описанные выше примеры являют собой крайние ситуации, однако они служат хорошей, иллюстрацией проблем, которые могут возникнуть при ослаблении требований к операциям, сопровождающим заправку жидкости в тепловую трубу.

Методика, которая рекомендуется для всех рабочих жидкостей, используемых при температурах до 200°С, представляет собой вымораживание — дегазацию. В результате этой операции из рабочей жидкости удаляются все растворенные газы. Если же газы не будут удалены, они смогут выделиться во время эксплуатации тепловой трубы и скопиться :в зоне конденсации. Операция вымораживания — дегазация, которая может быть осуществлена в контуре для заполнения тепловой трубы, весьма проста (см. § 4-1-8). Жидкость подается в сосуд, являющейся элементом контура и непосредственно соединяющийся с вакуумной системой, и замораживается в нем в результате охлаждающего действия жидкого азота, заливаемого в окружающий этот сосуд кожух. После того как рабочая жидкость полностью замерзнет, сосуд ва-куумируется, затем отключается от остального контура, а жидкий азот сливается из кожуха. После этого рабочая жидкость плавится, а растворенные газы выделяются в виде пузырьков из жидкости. Затем рабочая жидкость снова замораживается и процесс повторяется. После трех или четырех циклов замораживания все газы будут удалены. После этого жидкость будет достаточно чистой для заполнения тепловой трубы.

4-1-8. Заполнение тепловой трубы. На 4-7 приведена схема контура, который может быть использован для заполнения тепловой трубы. Одновременно этот контур может быть использован для осуществления следующих операций:

1)         дегазации рабочей жидкости;

2)         измерения количества рабочей жидкости;

3)         дегазации тепловой трубы;

4)         заполнения тепловой трубы инертным газом.

Перед тем как перейти к описанию контура и его работы, целесообразно привести общие требования, предъявляемые к проектируемым вакуумным контурам. Материалами, используемыми для сооружения контура, в общем случае являются либо стекло, либо нержавеющая сталь. Преимущество стекла в том, что капли рабочей жидкости, остающиеся в тех или иных местах контура, могут быть визуально обнаружены и их испарение под вакуумом может также контролироваться. Нержавеющая сталь обладает несомненным преимуществом в прочностных характеристиках, и должна использоваться во всех, высокотемпературных контурах наряду с высокотемпературными вентилями, типа снльфонных вентилей Ноке, не имеющими «карманов», в которых может остаться жидкость. Описанный ниже контур предназначен для операций с низкотемпературными тепловыми трубами.

Предпочтительно, чтобы вентили, установленные в вакуумной системе, имели уплотнения в виде кольцевых прокладок. Также важно, чтобы вакуумные линии не были слишком протяженными и слишком малого диаметра, поскольку оба указанных фактора могут существенно увеличить длительность откачки.

Вакуумные насосы могут быть диффузионного или же сорбцион-ного типов; в последнем содержится вещество, поглощающее молекулы отсасываемого газа. Этот насос может создать вакуум до 10 мм рт. ст. (Ю-2 Па). При проектировании системы заполнения, безусловно, целесообразно обратиться за консультацией к специалистам "в области глубокого вакуума.

Описание системы заполнения. Вописаиной ниже системе заполнения тепловой трубы большая часть линий выполнена из стекла. Обход контура начнем с правой стороны. Установленный насос — сорбциониого типа. Он помещен в полистироловый кожух, заливаемый жидким азотом при необходимости получения глубокого вакуума. Над иасосом установлены два вентиля, причем нижний предназначен для отключения насоса по достижении насыщения поглотителя. (Насос может быть регенерирован прокалкой сорбента в печи в течение нескольких часов.) Над вентилем Vz находится переходник металл — стекло, остальные линии изготовлены из стекла. От этой точки отходят две линии, в каждую из которых вреза-иа холодная ловушка в виде небольшой стеклянной колбы. Эти ловушки используются для улавливания «проскоков» жидкости и любых загрязнений, которые могут отрицательно повлиять на работу других частей контура или привести к «загрязнению», иасоса. Холодные ловушки получаются размещением каждой колбы внутри сосуда с жидким азотом.

Верхняя линия содержит элементы, необходимые для подачи рабочей жидкости в контур, и две колбы DG1 и DG2, предназначенные для дегазации жидкости. Участок контура, используемый для подачи дополнительной рабочей жидкости, может быть отключен, после того как достаточное количество жидкости поступило в колбу DG2 и, следовательно, в мерительную бюретку между вентилями V9 и V10.

Ннжяяя ветвь включает вакуумметр Пирани, используемый для измерения вакуума в контуре. Подлежащая заполнению тепловая труба подсоединяется к контуру ниже бюретки. Предусматривается возможность электрического обогрева тепловой трубы с целью обеспечения дегазации устройства непосредственно в контуре (см. также § 4-1-4). Вентиль V15 обеспечивает дополнительное подсоединение к контуру, которое используется для подачи инертного газа в трубы переменной проводимости.

Подлежащая заполнению тепловая труба теперь должна быть подсоединена к контуру. В том случае, если тепловая труба не имеет своего собственного вентиля, ее трубка для-заполнения может быть подсоединена к контуру ниже вентиля V14 с помощью толстостенного резинового шланга. Есля же этот шланг подвержен воздействию рабочей - жидкости, можно использовать гибкое трубчатое соединение из другого материала или же применить обжатне металла либо осуществить соединение с кольцевой прокладкой. Если используются мягкие трубные материалы, то соединения в целях их герметизации должны быть покрыты" вакуумной замазкой на кремниевой основе.

Откачка тепловой трубы может быть осуществлена в результате открытия вентиля V14. После откачки, которая должна занять всего несколько минут в зависимости от диаметра заполняющей трубы, может быть осуществлена дегазация тепловой трубы нагревом. Для этой цели вокруг трубы намотан электрический нагреватель. Теплота подводится до тех пор, пока показания вакуумметра Пнрани не возвратятся к своим исходным максимальным значениям до начала обогрева. (Следует подчеркнуть, что давление, фиксируемое датчиком Пнрани, будет меньше, чем в тепловой трубе. Разница зависит от диаметров тепловой и заполняющей трубы. С этой точки зрения желательно иметь заполняющую трубу большого диаметра.)

Для подготовки тепловой трубы к заполнению ее ннж-ннй конец погружается в жид-кнй азот, так что рабочая жидкость, которая перетекает в наиболее холодную зону, легко переместится к основанию тепловой трубы. Затем открывается вентиль V10 н точно требуемое для заполнения трубы количество жидкости (в большинстве случаев необходимое для насыщения фитиля количество жидкости плюс небольшой избыток) стекает в тепловую трубу. Если жидкость будет застревать в корпусах вентилей или в других элементах контура, то, применяя местный обогрев этих зон вентилятором, можно испарить эту жидкость, которая затем сконденсируется и замерзнет в тепловой трубе. Дальнейший процесс дегазации вымораживанием можно производить в тепловой трубе. Газ из жидкости выделяется в процессе ее таяния при закрытом вентиле V14, затем жидкость вновь замораживается, и после открытия V14 выделившийся газ откачявается. После этого тепловая труба может быть герметизирована.

- 4-1-9. Герметизация тепловой трубы. Если только тепловая труба не будет использоваться в качестве демонстрационного устройства или для проведения ресурсных испытаний (в этих случаях с одного конца трубы может быть оставлен вентиль), заполняющая труба -должна быть окончательно герметизирована. Если заполняющая труба медная, то герметизация обычно осуществляется обжимным устройством, который сминает трубу и обеспечивает ее холодную сварку. Типичный пережим, полученный подобным путем, показан на 4-8. Необходимое сжатие осуществляется вручную.

Если в качестве материала заполняющей трубы используется  нержавеющая  сталь  или   алюминий,  более совершенной технологией является обжатие с последующей аргоиодуговой сваркой. После достижения желаемого вакуума и ввода рабочей жидкости два прижима шириной 12,7 мм прикладываются к трубе для откачки, и последняя сплющивается. После этого тепловая труба помещается между другими двумя прижимами шириной 6,35 мм, устанавливаемыми в нижней части 12,7 мм сплющенной секции. К трубе откачки прикладывается усилие, достаточное для образования временного вакуумного уплотнения, а оставшаяся 6,35 мм верхняя часть отрезается, и одновременно срез оплавляется аргонодуговой горелкой. Прижимы шириной 6,35 мм, устанавливаемые в стандартные тиски, приведены на 4-9.

После герметизации заполняющая труба может быть защищена колпачком, имеющим тот же наружный диаметр, что и корпус тепловой трубы. Колпак может быть заполнен мягким припоем, смолой с металлическим наполнителем или любым другим подходящим материалом.

4-1-10. Сводка операций по сборке трубы. Ниже дается перечень описанных выше операций, которые должны быть выполнены в процессе сборки тепловой трубы:

1)         выбор материала корпуса;

2)         выбор материала и формы фитиля;

3)         изготовление фитиля, торцевых колпаков и т. п.;

4)         очистка  фитиля, корпуса и торцевых колпаков;

5)         дегазация металлических элементов;

6)         установка фитиля в корпус и его крепление;

7)         приварка торцевых колпаков;

8)         контроль герметичности сварочных швов;

9)         выбор рабочей жидкости;

10)       очистка рабочей жидкости (в случае необходимости) ;

11)       дегазация рабочей жидкости;

12)       откачка и заполнение тепловой трубы;

13)       герметизация тепловой трубы.

Может оказаться удобным приваривать свободный торцевой колпак до установки фитиля. В случае использования спеченного с корпусом или сваренного диффузионной сваркой фитилей дегазация может производиться после установки фитиля в корпус.

4-1-11. Тепловые трубы, содержащие инертный газ. Тепловые трубы переменной проводимости (см. гл. 6) в дополнение к обычной рабочей жидкости содержат . инертный газ, поэтому процесс заполнения должен включать в себя дополнительные операции. Дополнительные элементы заполняющего контура обеспечивающие измерение подаваемого в трубу газа показаны на 4-7.

Рабочая жидкость подается в тепловую трубу обычным путем, после этого система отключается, а линия, соединяющая тепловую трубу с баллоном с инертным газом, открывается, и инертный газ подается в тепловую трубу. По мере увеличения количества инертного газа в трубе давление в ней растет, что фиксируется датчиком давления на газовой линии. Значение давления, соответствующее требуемому количеству газа в трубе, может быть рассчитано с учетом парциального давления паров рабочей жидкости в тепловой трубе (расчет массы см. в гл. 6). По достижении этого давления тепловая труба герметизируется обычным способом.

4-1-12. Жидкометаллические тепловые трубы. Ранние работы по тепловым трубам были связаны с их применением в термоионных генераторах; они описываются в гл. 7. Применительно к этой сфере приложений имеются два представляющих интерес температурных интервала: область рабочих температур эмиттера 1400—2000°С и рабочих температур коллектора 500—900°С. В обоих температурных диапазонах в качестве рабочей жидкости требуется применять жидкий металл. В настоящее время имеется значительный объем информации по технологии изготовления и характеристикам таких тепловых труб. Позднее тепловые трубы, работающие в более низком температурном диапазоне, были использованы для подвода теплоты от источника к батарее цилиндров в двигателе Стирлинга и в промышленных печах. Было установлено, что в этом диапазоне температур может быть использован широкий набор сочетаний материалов, была исследована их совместимость и детально проанализирован ряд других проблем. Щелочные металлы используются в сочетании с такими конструкционными материалами, как нержавеющая сталь, никель, ниобийцир-кониевые сплавы и другие тугоплавкие материалы. В работе [4-4] приводятся данные о более чем 20 000 ч ресурсе таких труб. Гровер [4-5] описывает тепловую трубу малой массы, изготовленную из бериллия с калием в качестве рабочей жидкости. Бериллий вставлялся между фитилем и стенкой трубы, оба указанных элемента были выполнены из сплава ниобийцирконий (1% Zr). Данная труба работала при 750°С в течение 1200 ч без каких-либо признаков коррозии, образования сплавов или переноса массы.

Создание тепловых труб для высокотемпературного диапазона оказалось более сложной задачей, однако определенный успех в этом направлении был достигнут, и полученный опыт описывается ниже.

В настоящее время жидкометаллические тепловые трубы, обладающие очень хорошими характеристиками и большим ресурсом, могут создаваться достаточно уверенно, однако они дороги. Следовательно, прежде чем начинать проектирование жидкометаллической тепловой трубы, важно решить, для каких задач требуется тепловая труба. Зачастую случается, что нет необходимости в работе трубы против силы тяжести, т. е. вполне можно обойтись термосифоном. Это сильно снижает требования к чистоте рабочей жидкости. С другой стороны, если требуется небольшой срок работы с малой нагрузкой, можно применить более дешевую технологию с меньшими затратами времени. Если можно использовать газовое регулирование, то это позволит применить более простые способы герметизации, например пережим.

Жидкометаллические

тепловые трубы для диапазона температур 500—1100°С. Для этого диапазона температур наиболее подходящими рабочими жидкостями являются калий и натрий, а в качестве материала корпуса выбирается нержавеющая сталь.

На 4-11 показана типичная тепловая труба натрий — нержавеющая сталь, работающая в университете «Ридинг» и описанная Райсом и Дженнингсом [4-6]. Конструкция и изготовление этой трубы будут описаны для того, чтобы проиллюстрировать используемые технологические процессы.

Корпус тепловой трубы изготовляется в виде трубы из нержавеющей стали типа 321 (EN 58 В) диаметром 25 и толщиной стенки 0,9 мм. Капиллярная структура образована двумя слоями нержавеющей сетки с ячейками 100 меш. Диаметр проволоки составляет 0,1016 мм, а размер отверстия — 0,152 мм: Труба имеет длину 0,9 м. Фитиль приваривался точечной сваркой с помощью специально созданного для этих целей приспособления.

Очистка и заполнение. Использовалась   следующая технология очистки:

1)         промывка  водой и моющими растворами;

2)         отмывка обессоленной водой;

3)         погружение  на  30   мин з 50-процентный водный

раствор соляной кислоты;

4)         отмывка обессоленной водой;

5)         погружение на 20 мин в ультразвуковую ванну,

наполненную ацетоном, и повторение операции с чистой

жидкостью. После завершения сварки и пайки указан

ная процедура повторялась. Повсеместно использовалась

аргонодуговая сварка. После проверки качества сварных

швов труба дегазировалась при температуре 900°С и дав

лении 10~5 мм рт. ст. (примерно 10-3 Па) в течение не

скольких часов для того, чтобы удалить газы и пары.

Для.заполнения трубы жидким металлом могут   использоваться различные методы:

1.         Дистилляция, иногда с  использованием губчатого геттера для удаления кислорода.

2.         Раздавливание ампулы, находящейся в заполняющей трубе, путем сжатия последней.

Дистилляция необходима при обеспечении длительного ресурса тепловой трубы.

Метод, который был применен для описываемой трубы, следующий:

Технический натрий с чистотой 99,9% помещался в трубу со стеклянным фильтром, подсоединенную к заполняющей трубе. Наличие байпаса на фильтре позволяло осуществить предварительное вакуумирование и дегазацию трубы. Трубка для заполнения и тепловая труба погружались в ванну с подогретым жидким парафином для того, чтобы поднять температуру натрия выше его точки плавления. Схема установки показана на 4-12.

После этого вентиль байпаса закрывается и расплавленный натрий под давлением газообразного гелия передавливался через фильтр в тепловую трубу.

 4-13. Метод герметизации жидкометаллических    тепловых

труб с помощью пробки. 1— отверстие; 2 — Коническая пробкам 3—переламываемый участок: 4 — заполнение натрием (вакуумная труба); 5 — конечный сварочный шов.

Герметизация. В университете «Ридинг» использовался изображенный на 4-13 метод герметизации тепловых труб с помощью пробок. Был смонтирован специальный контур, позволявший осуществить дегазацию тепловой трубы с открытым концом и ее заполнение натрием через описанную выше схему фильтрации. По завершении процесса заполнения торцевая уплотняющая пробка, перемещаемая в камере заполнения с помощью манипулятора, вставлялась в предназначенное ей место в тепловой трубе. Пробка затем нагревалась индукционными токами, образуя проваренное вакуумное уплотнение. Установка и последовательность операции иллюстрируются 4-12. Торцевая уплотняющая пробка окончательно проваривается аргоиодуговой сваркой после выемки трубы из установки для заполнения.

Работа трубы. Обнаружилось, что смачивание фитиля не наступает немедленно, для этого необходимо было прогревать тепловую трубу подобно термосифону в течение нескольких часов при температуре 650сС. Нагрев осуществлялся индукционным нагревателем на  участке.

Запуск тепловой трубы после ее выдерживания при заданном уровне температур выявил интересные моменты. При работе тепловой трубы в режиме термосифона, т. е. когда она была установлена вертикально и обогревалась в нижней своей части, наблюдались сильные колебания температуры, связанные с кипением в зоне испарения. Подобная картина отсутствовала при расположении зоны обогрева в верхней части тепловой трубы. Опыт создания жндкометаллических труб описывается также в работах других авторов. Винцем с соавторами [4-7] описан интересный способ "создания жестких тонкостенных тепловых труб с фитилями. В предыдущих работах, в которых использовались сетчатые фитили, соединение  фитиля с  корпусом осуществлялось точечной сваркой, вдавливанием в стенку при щротяжке оуансона, а также вдавливанием с последующим спеканием. Первый способ  не обеспечивает равномерного соединения фитиля со стенкой; методы, связанные с протяжкой, не могут     быть    применены    для    очень    тонких   сеток (тоньше 200—400 меш) из-за их повреждения в процессе протяжки. Метод Винца состоит в спиральной навивке проволочной ленты на оправку и спекании ее после установки в корпус «ввинчиванием», т. е. протяжкой с одновременным вращением. Металлическая ткань 508Х Х3600 меш была успешно применена для изготовления фитиля  с  хорошо  воспроизводимым  диаметром  пор   в 10  мкм±10%;  доля свободной для испарения поверхности составила 15—20%.

Изготовленные протяжкой канавки могут быть использованы как сами по себе, так и в сочетании с фитилями из металлической ткани.

Особо высокотемпературные (температура более 1200"С) жидкометаллические тепловые трубы. Вблизи нижней границы данного температурного диапазона предпочтительной рабочей жидкостью является литий, а в качестве материала стенки может служить сплав ниобий-цирконий или тантал. При более высоких температурах рабочей жидкостью иожет быть серебро с корпусом из вольфрама или рения. Данные по совместимости этих веществ и по результатам ресурсных испытаний тепловых труб, выполненных из этих материалов, приведены в гл. 3. Подобного рода тугоплавкие материалы обладают высокой степенью сродства к кислороду, поэтому они должны работать в вакууме или в атмосфере инертного газа.

Буссе и его сотрудники выполнили большую программу работ по тепловым трубам на литии и серебре. Методы их очистки, заполнения, изготовления и герметиза- ' ции описаны в [4-8] и [4-9].

Очистка с помощью геттеров. Окислы представляют большую опасность для жидкометаллических тепловых труб, поскольку они будут откладываться в зоне испарения. Растворенный кислород особо опасен для литиевых тепловых труб, так как он обусловливает коррозию материала корпуса трубы. Кислород может появиться как в результате недостаточной очистки рабочей жидкости тепловой трубы, так и выделиться из материала корпуса и фитиля. Ряд авторов описывают опыт 'применения геттеров. Например, Буссе [4-9] использовал циркониевую губку, через которую он проводил подачу лития в тепловую трубу. В качестве геттера может также использоваться кальций.

4-1-13. Вопросы безопасности. Хотя применение той или иной конкретной конструкции тепловой трубы и условия ее эксплуатации не таят в себе специфических опасностей, имеется ряд-аспектов, которые следует иметь в виду.

При использовании жидких металлов должны соблюдаться известные меры по безопасному обращению с ними. Высокая степень химического сродства щелочных металлов с водой выдвигает ряд проблем. В одной лаборатории возник пожар при утечке натрия из поврежденной нержавеющей трубы и одновременном разрыве водяного трубопровода.

Ртуть является высокотоксичным веществом, причем плотность ее насыщенных паров при атмосферном давлении во много раз превышает максимально допустимые нормы.

Одной из опасностей, на которую временами не об-рашдют внимания, является возможность существенного повышения давления в тепловой трубе, если ее температура случайно поднимется выше расчетного значения. В этом плане осо£ю опасна вода. Критическое давление' воды 22 МЩ при температуре 374°С. Так, в одном случае тепловая труба из меди с водой в качестве рабочей жидкости была герметизирована пробкой с последующей ее пропайкой мягким припоем, и эта труба была случайно перегрета. В результате 30-еантиметровая тепловая труба и пробка вырвались из тисков, развив очень большую скорость, что едва не привело к довольно печальным последствиям. Крайне необходимо, чтобы в подобного рода трубах имелось предохранительное устройство типа уплотнения пережимом.

Криогенные тепловые трубы, использующие такие рабочие жидкости, как жидкий воздух, должны иметь специальные предохранительные устройства для стравливания давления или должны выполняться достаточно прочными, поскольку их температура в период простоя часто поднимается до комнатной. Критическое давление азота равно 3,4 МПа.