CN110756239A - 一种高温金属微液滴的注射装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温金属微液滴的注射装置及方法，包括有吸注波纹管、指针、标尺、吸注器手柄、吸注器传动杆、连通管道、阀门、加热套管、吸注管、微孔帽、调位波纹管、法兰、调位手柄及调位传动杆。吸注波纹管为液态金属的吸注器，吸注波纹管的上安装指针及标尺；吸注器手柄及吸注器传送杆为吸注波纹管的传送部件，控制波纹管移动；连通管道连通吸注波纹管及调位波纹管，阀门安装在连通管道上；吸注管连通吸注波纹管，吸注管外包裹加热套管，吸注管尾端拧上中心激光打孔的不锈钢微孔帽；调位波纹管用来调节吸注管的高度，调位波纹管底部法兰连接到不同需求的腔室上；调位手柄安装到调位传送杆顶部，调位传送杆为不锈钢丝杆。

Description

一种高温金属微液滴的注射装置及方法

技术领域

本发明涉及液态金属在聚变装置的应用领域，主要涉及一种高温金属微液滴的注射装置及方法。

背景技术

磁约束受控核聚变是解决人类能源及环境问题的重要途径之一。随着聚变装置的不断升级，等离子体与面对等离子体的壁材料(第一壁)的相互作用逐渐变强，由此引起壁材料的损伤及腐蚀加剧，严重影响聚变装置的运行安全，第一壁材料是制约受控聚变发展的“瓶颈”之一。

流动的液态金属(锂、锡及锂锡合金)第一壁具有高热负荷的输运能力，以及抗中子辐照损伤等优点。通过应用液态金属的循环再利用技术，不仅可以解决第一壁寿命问题，还可以解决氚的循环利用问题。所以，流动液态金属可为磁约束聚变发展提供新的科学手段，非常具有应用前景，越来越被聚变界重视。

然而，通过前期的实验发现，液态金属，尤其是锂很难在不锈钢表面均匀铺展开及液态锂很难完全进入预设的不锈钢沟槽内，说明液态锂对不锈钢的表面润湿性有待改善，极大地限制了液态锂、尤其是流动的液态金属在未来聚变装置内的应用。故需要开展一系列的实验研究改善液态锂润湿性的方法。

前期已发展了液态金属的测试平台，把液态金属球滴定到测试基底表面，然后在加热过程中观察液态金属滴的形貌变化，可以实现对液态金属浸润性的测量。但是，在实验过程中也发现液态金属滴的尺寸很难控制，特别是很难实现微液滴(0.5-1mm)的滴定，实验一般使用较大尺寸(>3mm直径)液滴开展。这种大尺寸的液滴，由于自身的液滴的重力影响，使得液滴有很明显的下趴趋势，导致浸润角的测量偏小，难以准确反应液态金属液滴不同温度下的浸润性。

由于液态金属，特别是液态金属锂，具有高温、易腐蚀、易氧化的特点，很难采用市场上常规的注射器(如医用注射器)实现液滴的精确滴定，须研制高温液态金属所需的微液滴(0.5-1mm)注射方法。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种高温金属微液滴的注射装置及方法，以解决液态金属微液滴控制及液态金属浸润性精确测量的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高温金属微液滴的注射装置，包括有吸注波纹管、指针、标尺、吸注器手柄、吸注器传动杆、连通管道、阀门、加热套管、吸注管、微孔帽、调位波纹管、法兰、调位手柄及调位传动杆；

所述的吸注波纹管为液态金属的吸注器，所述的指针安装到吸注波纹管的上部法兰位置，所述的标尺安装在吸注波纹管下部法兰位置，所述的吸注器手柄安装到吸注器传送杆顶部，所述的吸注器传送杆为不锈钢丝杆，所述的连通管道连通吸注波纹管及调位波纹管，所述的阀门安装在连通管道上，所述的加热套管包裹在液态金属吸注管上，所述的吸注管连通吸注波纹管，所述的微孔帽为中心激光打孔的不锈钢帽，所述的调位波纹管用来调节吸注管的高度，所述的调位手柄安装到调位传送杆顶部；

利用调位波纹管的上下移动实现吸注管及微孔帽水平高度的调节，通过吸注波纹管的上下移动实现液态金属的吸入及注射，通过微孔帽激光孔的尺寸及吸注波纹管移动的位移量的精确测量实现对金属液滴尺寸的控制。

所述的吸注波纹管为具有第一内径的焊接波纹管结构，吸注波纹管连接吸注管，第一内径的吸注波纹管伸缩引起其内部的气体体积变化小，导致的气体压强变化量小，易于控制吸注管端口液滴的尺寸；所述的指针及标尺，用于实时标定吸注波纹管的伸缩量，所述第一内径为16mm。

所述的调位波纹管为具有第二内径的焊接波纹管结构，通过调位移动波纹管的伸缩抬升或降低整个吸注装置，实现对吸注管尾端微孔帽水平高度的调节，满足不同高度液态金属吸入及注射的需求，所述第一内径小于第二内径。所述第二内径为35mm或50mm。

所述的吸注管为具有第三内径的不锈钢管道，内表面光滑、清洁，管道的长度根据吸注液态金属的量调整设置，使得所吸入的全部液态金属填充吸注管65-75％的长度，确保液态金属不会进入到吸注波纹管内壁；所述的加热套管包裹在吸注管外，满足不同温度液态金属运行的需求；所述第三内径为2mm。

所述的微孔帽为中心激光打孔的不锈钢帽，通过内螺纹拧到吸注管尾端，中心孔尺寸根据需要调节，用于注射出不同尺寸的金属微小液滴。

所述的连通管道用于连接吸注波纹管及调位波纹管，由于调位波纹管通过法兰与液态金属滴定所需的各种腔室连接，故通过连通管道可以直接连接到滴定腔室，通过阀门实现真空隔断。

本发明还提出一种高温金属微液滴的注射方法，包括如下步骤：

步骤一、首先通过调位波纹管底端的法兰与各种需求的腔室(如液态金属浸润性平台)相连；

步骤二、然后，打开连通管道上的阀门，保持吸注波纹管、调位波纹管及底部腔室内气压的平衡，根据液态金属化学性质的稳定性需求，通过抽气或充气置换的方式，调节***内部的杂质含量及真空度，阻止杂质对液态金属特别是强化学活性的液态锂的氧化；

步骤三、压缩吸注波纹管，然后关闭连通管道的阀门；通过调位波纹管放置微孔帽于液态金属容器内，根据液态金属熔点的高低，通过加热套管加热吸注管到合适的温度，然后拉伸吸注波纹管，将液态金属抽入到吸注管道内；

步骤四、当完成吸入液态金属的瞬间，停止拉伸吸注波纹管，防止液态金属抽入到吸注波纹管内部；

步骤五、通过调位波纹管调节微孔帽到合适的滴定平台上，通过压缩吸注波纹管，配合指针及标尺控制波纹管位移量，实现对液态金属微液滴的滴定。

上述装置在液态金属微液滴滴定过程中，利用调位波纹管的上下移动实现吸注管及微孔帽水平高度的调节，通过吸注波纹管的上下移动实现液态金属的吸入及注射，通过微孔帽激光孔的尺寸及注射波纹管移动的位移量的精确测量实现对金属液滴尺寸的控制。

有益效果

本发明利用内径较小的吸注波纹管实现类似医用注射器活塞的抽动及压缩，利用指针及标尺实现对伸缩量的精确控制，利用调位波纹管的上下移动实现吸注管及微孔帽水平高度的调节，通过微孔帽激光孔的尺寸及吸注波纹管移动的位移量的精确测量实现对金属液滴尺寸的控制，解决液态金属浸润性测量过程中高温液态金属微液滴获得的难题。

本发明提供了一种简单、经济、有效地解决液态金属微液滴控制的装置及方法，以解决液态金属微液滴获得及液态金属浸润性精确测量的问题，为液态金属在聚变装置的应用提供技术支持。

附图说明：

图1是本发明的装置示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

参见附图1，一种高温金属微液滴的注射装置，包括有吸注波纹管1、指针2、标尺3吸注器手柄4、吸注器传动杆5、连通管道6、阀门7、加热套管8、吸注管9、微孔帽10、调位波纹管11、法兰12、调位手柄13及调位传动杆14。所述的吸注波纹管1为液态金属的吸注器，所述的指针2安装到吸注波纹管1的上部法兰位置，所述的标尺3安装在吸注波纹管下部波纹管法兰位置，所述的吸注器手柄4安装到吸注器传送杆5顶部，所述的吸注器传送杆5为不锈钢丝杆，所述的连通管道6连通吸注波纹管1及调位波纹管11，所述的阀门7安装在连通管道6上，所述的加热套管8包裹在液态金属吸注管9上，所述的吸注管9连通吸注波纹管1，所述的微孔帽10为中心激光打孔的不锈钢帽，所述的调位波纹管11用来调节吸注管的高度，所述的法兰12连接到调位波纹管11底部，所述的调位手柄13安装到调位传送杆14顶部，所述的调位传送杆14为不锈钢丝杆。

作为关键部件的吸注波纹管1为内径小(16mm)的焊接波纹管结构，由此类型波纹管伸缩引起内部的气体体积变化小(ΔV＝S×Δl，ΔV为波纹管体积伸缩量，S为波纹管内表面，Δl为波纹管伸缩量；内径小则S小，对应于相同的伸缩量，ΔV更小)，导致的气体压强变化量小(ΔP×ΔV＝nRT，等式右边为波纹管内粒子量，其中n为物质的量，R为阿伏伽德罗常数，T为气体绝对温度；温度相同条件下为定值；ΔP为压强变化量，对应于体积变化量小，则压强变化量小)，易于控制液滴的尺寸；吸注波纹管1装配指针2及标尺3，可以实时标定吸注波纹管1的伸缩量。

作为关键部件的调位波纹管11为内径较大(35mm或50mm)焊接波纹管结构，调位波纹管11与吸注波纹管1通过连通管道6硬连接，同时吸注管9通过调位波纹管的上法兰并与之焊接，因此，通过调位移动波纹管11的伸缩可以实现对吸注波纹管1及其相连的吸注管9尾端微孔帽10高度的抬升和降低，满足不同高度液态金属吸入及注射的需求。调位波纹管底部法兰12，尺寸为CF35或50的标准法兰，外接各种需求的腔室，实现不同工作需要对液态金属微液滴的需求。

作为关键部件的吸注管9为内径小(2mm)的不锈钢管道；管道的长度可以根据吸注液态金属的量调整，使得所吸入的全部液态金属填充吸注管大约70％的长度，确保液态金属、特别是高温腐蚀性液态金属不会进入到吸注波纹管内壁，减小液态金属对焊接波纹管的腐蚀及损害。吸注管9外包裹加热套管8，满足不同温度液态金属运行的需求。

作为关键部件的微孔帽10为中心激光打孔的不锈钢帽，通过内螺纹拧到吸注管9尾端，中心孔尺寸根据需要可调(0.5-1mm)，用于注射出不同尺寸的金属液滴。

作为关键部件的连通管道6，为内径为10mm管道，用于连接吸注波纹管1及调位波纹管11，由于调位波纹管11通过法兰与液态金属滴定所需的各种腔室连接，故通过连通管道6可以直接连接到滴定腔室，保持气压平衡，通过阀门7可以实现隔断。

高温金属微液滴的注射装置具体的操作方法如下：

首先通过调位波纹管底端的法兰与各种需求的腔室(如液态金属浸润性平台)相连。

然后，打开连通管道上的阀门，保持吸注波纹管、调位波纹管及底部腔室内气压的平衡，根据液态金属化学性质的稳定性需求，通过抽气或充气置换的方式，调节***内部的杂质含量及真空度，阻止杂质对液态金属特别是强化学活性的液态锂的氧化。压缩吸注波纹管，然后关闭连通管道的阀门；通过调位波纹管放置微孔帽于液态金属容器内(液态金属体积小于吸注管体积的70％)。根据液态金属熔点的高低，通过加热套管加热吸注管到合适的温度，然后拉伸吸注波纹管，将液态金属抽入到吸注管道内。当完成吸入液态金属的瞬间，停止拉伸吸注波纹管，防止液态金属抽入到吸注波纹管1内部。然后，通过调位波纹管调节微孔帽到合适的滴定平台上，通过压缩吸注波纹管1，配合指针及标尺控制波纹管位移量，实现对液态金属微液滴的滴定。

Claims (7)

1.一种高温金属微液滴的注射装置，其特征在于：

包括有吸注波纹管、指针、标尺、吸注器手柄、吸注器传动杆、连通管道、阀门、加热套管、吸注管、微孔帽、调位波纹管、法兰、调位手柄及调位传动杆；

所述的吸注波纹管为液态金属的吸注器，所述的指针安装到吸注波纹管的上部法兰位置，所述的标尺安装在吸注波纹管下部法兰位置，所述的吸注器手柄安装到吸注器传送杆顶部，所述的吸注器传送杆为不锈钢丝杆，所述的连通管道连通吸注波纹管及调位波纹管，所述的阀门安装在连通管道上，所述的加热套管包裹在液态金属吸注管上，所述的吸注管连通吸注波纹管，所述的微孔帽为中心激光打孔的不锈钢帽，所述的调位波纹管用来调节吸注管的高度，所述的调位手柄安装到调位传送杆顶部；

利用调位波纹管的上下移动实现吸注管及微孔帽水平高度的调节，通过吸注波纹管的上下移动实现液态金属的吸入及注射，通过微孔帽激光孔的尺寸及吸注波纹管移动的位移量的精确测量实现对金属液滴尺寸的控制。

2.根据权利要求1所述的一种高温金属微液滴的注射装置，其特征在于：

所述的吸注波纹管为具有第一内径的焊接波纹管结构，吸注波纹管连接吸注管，第一内径的吸注波纹管伸缩引起其内部的气体体积变化小，导致的气体压强变化量小，易于控制吸注管端口液滴的尺寸；所述的指针及标尺，用于实时标定吸注波纹管的伸缩量。

3.根据权利要求2所述的一种高温金属微液滴的注射装置，其特征在于：

所述的调位波纹管为具有第二内径的焊接波纹管结构，通过调位移动波纹管的伸缩抬升或降低整个吸注装置，实现对吸注管尾端微孔帽水平高度的调节，满足不同高度液态金属吸入及注射的需求，所述第一内径小于第二内径。

4.根据权利要求1所述的一种高温金属微液滴的注射装置，其特征在于：

所述的吸注管为具有第三内径的不锈钢管道，内表面光滑、清洁，管道的长度根据吸注液态金属的量调整设置，使得所吸入的全部液态金属填充吸注管65-75％的长度，确保液态金属不会进入到吸注波纹管内壁；所述的加热套管包裹在吸注管外，满足不同温度液态金属运行的需求。

5.根据权利要求1所述的一种高温金属微液滴的注射装置，其特征在于：

所述的微孔帽为中心激光打孔的不锈钢帽，通过内螺纹拧到吸注管尾端，中心孔尺寸根据需要调节，用于注射出不同尺寸的金属微小液滴。

6.根据权利要求1所述的一种高温金属微液滴的注射装置，其特征在于：

所述的连通管道用于连接吸注波纹管及调位波纹管，由于调位波纹管通过法兰与液态金属滴定所需的各种腔室连接，故通过连通管道可以直接连接到滴定腔室，通过阀门实现真空隔断。

7.一种高温金属微液滴的注射方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、首先通过调位波纹管底端的法兰与各种需求的腔室相连；

步骤二、然后，打开连通管道上的阀门，保持吸注波纹管、调位波纹管及底部腔室内气压的平衡，根据液态金属化学性质的稳定性需求，通过抽气或充气置换的方式，调节***内部的杂质含量及真空度，阻止杂质对液态金属特别是强化学活性的液态锂的氧化；

步骤三、压缩吸注波纹管，然后关闭连通管道的阀门；通过调位波纹管放置微孔帽于液态金属容器内，根据液态金属熔点的高低，通过加热套管加热吸注管到合适的温度，然后拉伸吸注波纹管，将液态金属抽入到吸注管道内；

步骤四、当完成吸入液态金属的瞬间，停止拉伸吸注波纹管，防止液态金属抽入到吸注波纹管内部；

步骤五、通过调位波纹管调节微孔帽到合适的滴定平台上，通过压缩吸注波纹管，配合指针及标尺控制波纹管位移量，实现对液态金属微液滴的滴定。

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