熱管的真空釬焊工藝及其在真空集熱管上的應用

真空釬焊 王雷雷 中國科學院廣州能源研究所

  本文首先研究了真空釬焊條件對熱管性能的影響,進而在最優條件下制作了熱管及熱管式真空集熱管,并和市場上銷售的產品進行了性能比較。在我們的實驗條件下,最佳的熱管真空釬焊工藝為:釬料成分為BAg44CuZn 釬料,釬焊真空度為5×10-3 Pa,真空釬焊功率為7.6 kW,釬焊間隙為0.08 mm。采用此工藝制作的熱管其老化后的性能幾乎不變,遠優于市場上銷售的熱管,組裝成熱管式真空集熱系統以后,其集熱性能也比現有產品大為提高。

  熱管技術起源于20 世紀60 年代,作為一種高效的傳熱元件,自問世以來得到了迅速發展。熱管通常由冷凝段、蒸發段、工作介質三部分組成(圖1),熱管內部保持很高的真空度。當熱量自高溫熱源傳入熱管蒸發段時,管內的液體工質迅速蒸發汽化,期間吸收大量的汽化潛熱;工質蒸汽逐漸上升到熱管的冷凝段,在較冷的內表面上凝結,期間釋放大量的汽化潛熱;凝結后的液體工質依靠其自身的重力流回到熱管的蒸發段;如此循環不已,熱量就由熱管一端不斷地傳至另一端。目前常用的熱管,其金屬管殼為銅,內部的工作介質為水。

熱管實物圖及示意圖

圖1 熱管實物圖及示意圖

  近幾年,隨著民用太陽能熱水器成功的開發、推廣和應用,對太陽能熱水器的集熱效率要求越來越高,因此,熱管作為高效傳熱工具開始應用到太陽能熱水器領域,最典型的應用為熱管式真空集熱管。熱管式真空集熱管是將焊接有金屬吸熱板的熱管封接在真空玻璃管中得到的(圖2)。在熱管式真空集熱管工作時,太陽輻射穿過玻璃管后,投射在金屬吸熱板上。金屬吸熱板吸收太陽輻射并將其轉化為熱能,再傳導給熱管蒸發段,使熱管蒸發段內的液體工質迅速汽化。工質蒸汽上升到熱管冷凝段后,釋放出熱量,并將熱量傳遞給太陽能集熱器的傳熱介質。玻璃管的一端有金屬端蓋,玻璃管內抽成真空,使空氣的傳導和對流熱損失降低至可以忽略的程度。熱管式真空集熱管內一般同時放置蒸散型消氣劑和非蒸散型消氣劑,以維持玻璃管內的高真空度。由于采用了熱管技術,使熱管式真空集熱管具有啟動快,無熱倒流現象,防凍能力強,傳熱性能好,耐熱沖擊,集熱效率高等優點,是高效利用太陽能的必然選擇。

熱管式真空集熱管實物圖及示意圖

圖2 熱管式真空集熱管實物圖及示意圖

  對于熱管式真空集熱管而言,熱管的性能直接決定了其熱量傳遞和收集效率的高低,而影響熱管性能及使用壽命最關鍵的因素是熱管內的負壓能否長久的保持。因此,熱管蒸發段和冷凝段之間的焊接是尤為重要的。為了避免在焊接過程中銅管及焊料的氧化,我們采用真空釬焊技術,在本文,我們考察了釬焊真空度、焊料、真空釬焊功率及焊縫大小等參數對真空釬焊性能的影響,然后進一步采用最佳真空釬焊工藝制作了熱管和熱管式真空集熱管,對比測試了樣品的性能。

3、結論

  熱管蒸發段和冷凝段之間的真空釬焊工藝對于熱管及熱管式真空集熱管的性能都有顯著的影響。我們通過對熱管真空釬焊條件的優化,確定了最佳真空釬焊的條件為: 釬料成分為BAg44CuZn 釬料,釬焊真空度為5×10-3 Pa真空釬焊功率為7.6 kW,釬焊間隙為0.08 mm。在此基礎上制作的熱管及熱管式真空集熱管,性能都遠遠優于目前市場上銷售的產品。因此,選擇合適的真空焊接工藝是提高集熱系統集熱效率和使用壽命的最根本途徑。