X射线管热管的研制与工作特性

X 射线管热管的研制与工作特性
Ξ
房鸿
(西安工业学院数理系,陕西西安710032)摘　要:　X 射线管的散热问题一直是制约X 射线探伤机连续工作时间的一个重要因素.将热管技术应用于X 射线管阳极的散热之中是制作X 射线管的一次技术更新与大胆尝试,同时热管在X 射线管中的成功应用,必将引发X 射线技术在探伤技术上的革新.
关键词:　X 射线管;热管;散热
中图号:　TH87811 文献标识码:　A 文章编号:　100025714(2003)0320237204
R esearch of heat pipe in the X -ray tube and its characteristics
F AN
G Hong
(Dept of M aths &Phys ,X i ’an Inst of T ech ,X i ’an 710032,China )
Abstract :　Heat trans fer of X -ray tube is a very im portant factor which always limits the continuous w orking time of X -ray detector.I t is a bold attem pt to use the heat pipe technology to s olve the heat rans fer problem of anode within X 2ray tube.The success ful application of heat pipe technology in X -ray tube will lead to an innovation in X -ray detect technology.
K ey Words :　X -ray tube ;heat pipe ;heat trans fer
1　热管工作原理
热管是由工质(工作流体)、管芯(吸液芯)和管壳在一定条件下构成的高效传热体[1].其工作原理如下:工质在热管的高温端吸热而蒸发,蒸汽迅速流向另一端.在冷凝端蒸汽释放热量而重新凝结为液体,此液体由于液芯的毛细作用而再次流向高温端,依次循环而将热量源源不断地由高温源靶面传至低温端(风冷端).由于液体的沸点变化很小(主要由于压强的不同而有微小的变化),几乎是恒温,且可以选择汽化热较大的工质,因而热管能在很小的温
差下传输大量的热量.根据温度范围热管可以划分为:低温(0℃以下);常温(0～20℃
);中温(200℃～600℃);高温(600℃以上)热管[2].X 射线管的实际工作环境温度在-10℃～
40℃之间,管头在0～80℃,故X 射线管阳极中选用常温热管.
第23卷　第3期 西　安　工　业　学　院　学　报 V ol 123　N o 13　2003年9月 JOURNA L OF XI πAN I NSTIT UTE OF TECH NO LOGY Sept.2003
Ξ收稿日期:2002209225
作者简介:房鸿(1964-),男(汉族),西安工业学院讲师,从事物理教学与研究.
2　热管的设计
2.1　工质的选择
良好的工质应有如下性能:传热能力高;有适中的饱和蒸汽压;与管壳、管芯能长期相容,本身化学性质稳定;不分解;导热系数高;润湿性能好[3].
通常把工作温度范围选取在工质的正常沸点附近.水是常温热管最理想的工质,它具有较为理想的饱和温度与压力的对应关系[4]和较大的传输因数(如图1),所以,它对多种材料1水　
2R -113　3氨　4甲醇　5乙醇　6丙酮7庚烷　
8戊烷　9PP 4　10PP 2　11R -11 图1　常温工质传输因数的比较Fig.1　The com parision am ong the transmission factors of the actuating medium under normal tem perature
润湿性较好,化学性能稳定,价廉,易得[3].
2.2　吸液芯及管壳的选择
吸液芯的主要作用是产生毛细压差,依靠它把工
质从凝结段泵送至蒸发段,并把液体分配至蒸发段上
能吸热的任何部位.它必须具有以下性能:与工质、壳
体有良好的化学相容性;有良好的导热性能;与工质有
良好的润湿性能;有良好的可加工性,性能稳定,易于
做成与管内壁相吻合的形状;材料易得,造价低廉[5].
壳体应具有:与工质及外界环境的化学相容性;在
管壁尽量薄的情况下有足够的强度以防漏、承压;良好
的导热性;与工质有良好的润湿性;良好的可加工性.
由于热管材料组合的化学相容性,因而工质选定
后,往往也就决定了管芯及管壳的材料.因为水与铝、
钢等工程材料不相容,却与铜能长期相容,铜是唯一能与水长期相容的工程材料,所以选铜为管壳.镍与水在较低温度下(<100℃
)是相容的,根据Anders on 的研究,在一定条件下也会有不凝气体产生[6].所以,在设计热管时,选取铜为管壳,镀铜的镍网为吸液芯.2.3　管芯结构的确定
对管芯材料的分析中可以知道,管芯的毛细压力
随有效孔半径的减小而增大,为获得大的毛细压必须采用具有小孔的毛细材料.但随着孔径的缩小,渗透率也随之缩小,因而用同一毛细材料构成的各向同性管芯是无法获得高的传热能力的[3].
对于管芯厚度也有类似情况,如多层网管芯,为减小流动阻力需增大芯厚度,然而厚度增加却使热阻增大.因而对高性能热管,既要求大传热量,又要求低温差,均匀管芯是不适用的.
如果能使热管管芯毛细压与流动阻力不取决于同一孔径,流动阻力与热阻也不取决于同一尺寸,这一矛盾就可以解决了,这就是组合管芯的基本思想.
3　热管的制作工艺
热管制作的关键是钎焊、装吸液芯、真空除气以及充工质等工序.其装配图如图2.
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3.1　焊接
真空钎焊的焊缝光滑,对焊短而粗的热管很适用[8].本文设计的热管直径25mm ,而且比平常用热管短100mm ,正好适合这一特点焊接时将钎焊端盖与壳体,排气管与氩弧焊端在真空钎焊中一次焊成.
1充液管(排气)　2钎焊处　3氩弧焊处4吸液芯　5管壳　6钎焊端盖7氩弧焊端盖　8放焊料处图2　热管装配图
Fig.2　The assembly drawing of heat pipe
在装配入吸液芯后,排气管端与壳体的焊
接用氩弧焊一次完成.如这一步用真空钎焊,毛
细作用会将焊料吸走,从而使焊接质量变差或
者根本无法焊接.
3.2　吸液芯的装配
将镀铜镍网紧紧缠绕在芯棒上,用力积压
紧密后,用点焊机均匀地点焊三处,把头固定.
装配时将缠绕网的芯棒一起推压入管内,使网
与管内壁紧贴在一起,再将芯棒抽出.
3.3　真空除气热管除气可以与抽真空一起进行,将热管
在400℃进行加热不少于2h 以排除热管材料中的不凝结气体.当真空度达到10-4Pa 时充液,充液后再抽真空,当真空度再次到达10-3Pa 时可以封口.
3.4　充液
由文献[3]中不同装入量的传递量和总热阻的关系知,当装入量为容积的1/4时最合适,值得注意的是,由于管液在管路中的损失是不确定的,刻度表只能读出粗略的质量数,液体注入的精确值还需用充液前后称重来确定.
3.5　冷焊封口
热管充液管是软质而又塑性大的铜封口管,故用冷焊封口法较好,封口液冷压冷焊钳如图3　封口液压冷焊钳
Fig.3　Hydraulic pressure cold wedding tongs for seal 图3所示.
3.6　高效导热质的应用
热管与X 射线管阳极配合使用时,由于机
械加工精度的影响,不能达到完全接触,尤其阳
极和热管的底部的接触,因此热量的传输必然
不好.解决的办法是运用高性能导热硅脂,使热
管与阳极接触更充分,以提高管子的传热性.4　热管的工作特性
热管是一种高效的传热元件,与其他一般
换热器不同,它能在很小的温差下传输大量的热,但每一根热管所能传输的热量也不能无限制地增大,这是由热管的工作特性决定的.它主要包括:内部热流极限,工作液流动,换热过程及相容性.这里主要讨论热管的内部工作极限.
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热管的内部工作极限,主要有粘性限、音速限、携带限、毛细限及沸腾限.如图4所示,只有热管在由这几种线所包围的有效工作区运行时才能有效地工作.
图4　热管有效工作区
Fig.4　E ffective w orking area for heat pipe 粘性限是粘性蒸汽流的界限.它出现在温度较低的
范围内.由于管内凝结液的流动阻力较大,使凝结液返
回到蒸发段的数量减少,因而蒸发段的蒸汽量也减少,
从而使热管的传热减少.
声速限是因为蒸汽有压缩性,所以在加热端如果增
加的热量超过一定值时,蒸汽流在加热端的出口处达到
音速,便会出现热流的阻塞现象.由此现象产生的传热
量的界限称为声速限.携带限是指冷凝端回流到蒸发段时,由于蒸汽流的
流动;将液体携带到冷凝段使回液量减少,从而造成蒸发段干枯,引起蒸发段过热.
由下列经验式计算携带限
Q ent =C 2K A V r ρ-14L +ρV -2×g σρL -ρV
14式中:C K =3.2tan h (0.5B 140);B 0=d v g (ρL -ρV )/σ
12;D V 为蒸汽流道直径,取管内径;
A V 为蒸汽流道横截面积.毛细限随着输入量的增加,由于吸液芯干燥、过热而产生的流量界限,称为毛细限.沸腾限在达到毛细限后,在增大输入热量,在加热段的吸液芯内部就会发生工作液沸腾,产生气泡堵塞毛孔,减弱或破坏毛细抽吸作用,致使凝结液回流量不能满足蒸发要求,蒸发段受热面的不到充分冷却而出现管壁温度升高乃至烧毁.
热管的这几种最大热流限制发生在不同的流量和温度范围内,X 射线管所用的热管属于常温管(以水为工质),从理论计算结果知,该热管X 光管功率为1.5kW ,运行是在有效工作区内.
五　结束语
该热管被实际应用于X 射线管后,使得X 射线管的寿命和工作效率得到了极大的提高.探伤机由过去的工作五分钟休息五分钟,提高为工作十分钟休息五分钟.耐压也由原来的220kV 提高为300kV.所以在X 射线管中应用热管散热是非常有效的.
参考文献:
[1]　郝奎,乔重复,尚国森.热管技术及应用[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1984
[2]　WI NTER E R F ,BARSCH W O.The Heat pipe[M].1971
[3]　靳明聪,陈国正.热管及热管换热器[M].重庆:重庆大学出版社,1986
[4]　DUNN ,P D.Heat pipe[M].Reay Pergam on Press ,ltd ,1978
[5]　李亭寒,华诚生.热管技术及应用[M].北京:化学工业出版社,1987
[6]　KE LSEY T.A study of pre -breakdown condution and X -ray emission in vacuum ,1970
[7]　黄运添,郑德修.电子材料与工艺学[M].西安:西安交通大学出版社,19900
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