專利名稱：一種利用磁控等離子體技術制備低表面能換熱管的加工爐的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及到一種換熱器用管表面改性處理裝置，屬于金屬表面改性領域。
冷凝換熱過程廣泛應用于工業(yè)過程(動力、化工及冷凍行業(yè)等)。若強化該過程會產(chǎn)生極大的經(jīng)濟及社會效益。
強化該過程的關鍵是①減薄冷凝液膜以致撕裂形成所謂珠狀冷凝。
②減少污染物對換熱表面的影響。
現(xiàn)有管殼式汽～水換熱器中，其管材多數(shù)是采用H68黃銅管，它有兩個缺點第一，在凝結過程中凝液呈較厚液膜覆蓋于管表面；第二，長期使用后在換熱管表面上會沉積出相當量的污垢。其結果是使總傳熱系數(shù)較低并隨著時間而下降。目前雖有采用通過改變換熱表面幾何形狀使液膜減薄，但對污垢問題不能得到解決，且造價較高。用涂或鍍低表面能材料的方法可以使液膜減薄，但易污染凝液水質并出現(xiàn)附加熱阻，有些方法造價昂貴，故均未能在工業(yè)上付諸實現(xiàn)。
為了解決已有技術存在的上述不足，本實用新型利用現(xiàn)有的金屬物理氣相沉積技術，為將汽～水換熱管制備成價格合宜，其表面物理化學性能穩(wěn)定低表面能的合金層，而提供一種制備這種管子的加工爐的技術解決方案。
本實用新型的基本構思是，利用現(xiàn)有的磁控濺射離子鍍表面加工技術，經(jīng)改造創(chuàng)新后可將換熱管的外表面制備出具有Cu-Ni-Ti-Cr-N等元素組合成的超薄(5000～8000A)合金層的專用設備。該設備本實用新型稱之為低表面能換熱管加工爐，它可同時處理多根細長管件。爐體(殼)作為靶源件，工件作為負偏壓的陰極。爐體和工件在工作時不需要轉動。構成電磁場的激磁線圈設計成環(huán)形而布于爐體的外面，并可沿爐體軸線作往復運動。為了保證爐體的負電位，沿其中心軸線安設有起中心陽極作用的支架軸，該支架軸接地。
本實用新型所設計的一種利用磁控等離子體技術制備低表面能換熱管的加工爐，主要是由真空爐體(殼，下同)[7]、真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和與爐體絕緣的支座[9]所構成。其特征在于，其內壁作為沉積過程靶源的爐體[7]是一個穿過可調激磁線圈[5]的圓筒狀結構，環(huán)繞爐體[7]的可調激磁線圈[5]由移動機構[15]牽引沿爐體[7]軸線方向作往復勻速運動，在爐體腔內，沿其軸線方向設有一個可穿過多個管支架[10]中心孔[19]的支架軸[6]，爐體[7]的一端設有進氣孔[12]，其另一端設有與爐體直徑相同大小的真空系統(tǒng)接管[2]。
本實用新型進一步的特征在于，作為靶源的爐體[7]是由含Ni，Cr，Ti元素的金屬和合金材料制成或在爐體[7]內表面鍍或復合能降低表面能的材料，以備利用物理氣相沉積法在工件表面形成一層極薄的表面合金層；起中心陽極作用的支架軸[6]，是一個可兼作進氣管路作用并由滑車[4]支承的管狀元件，其一端由滑車[4]支承，另一端部則是通過滑車[4]或通過具有絕緣隔板的爐門[13]支承；管支架[10]是一個帶有可被支架軸[6]穿過其中心孔[19]的環(huán)形絕緣體[18]，在環(huán)形絕緣體[18]的外側，是一個金屬環(huán)[20]，同時沿其中心線輻射方向還設計有其端部帶有金屬夾環(huán)[16]的金屬支翼[17]，以備夾持和支承換熱管(工件)[8]；支承支架軸[6]是采用多個滑車[4]機構，滑車[4]一端是與支架軸[6]相緊固，另一端則是通過兩個絕緣輪[3]與爐體內壁相接觸；本實用新型所設計的爐體[7]是一個密封結構，它可設計成水平放置也可設計成豎直放置。
本實用新型所提供的一種用磁控等離子體技術的物理氣相沉積法制備超薄低表面能換熱管的加工爐，所使用的工作真空度為1～10-3Pa，一般操作為8×10-2Pa，所使用的氣體種類為氬、氮、甲烷及乙烷等，它們混合使用或單獨使用其分壓一般均維持在1.3Pa。激磁場強為245匝×4一最大電流為20安，線圈的移動速度最高可達1.2米/分，一般取0.5米/分。工作溫度低于250℃，爐體最高電壓為3500伏，一般取660伏，電流最大10安，一般為5安。
在實際使用中，清洗時，為加快工作的進度，縮短時間，加在工件上的電壓取較大值(約1200伏)，電流一般為5安。在沉積過程中，工件(作為負偏壓)一般取150伏，中心陽極接地，保持零電位，爐體(殼)可取660伏，為加快沉積速度，可取最大值。一般在抽真空時真空度取上限，在清洗時可取下限值。清洗時間一般5分鐘即可，而沉積時間一般20分鐘即可結束。
本實用新型的主要優(yōu)點是①產(chǎn)品換熱管在汽水換熱時具有較高的冷凝換熱系數(shù)，②設備本身結構簡單造價低，③本設備操作方便安全、無污染，④加工費用相對其它處理方法低(直徑16毫米，長3000毫米，每支管1.8元)，⑤由于外殼內壁作為靶源使靶源面積幾倍的大于工件表面積，所以沉積速度快。
在已有技術中一般普通銅管汽水換熱器其總傳熱系數(shù)約為1500～3000W/m2·K，而使用本實用新型加工的換熱管所制造的列管汽水換熱器其總傳熱系數(shù)可達6000～8000W/m2·K，幾乎比現(xiàn)有技術高一倍多。
現(xiàn)結合本實用新型的附圖，作進一步說明其結構細節(jié)。


圖1，是本實用新型爐體[7]的剖面結構示意圖。在由與爐體絕緣的底座[9]所支承的圓筒形爐體[7]的外部，設計有由傳動機構[15]所牽引的可調激磁線圈[5]，它可沿爐體軸線來回往復運動。爐體[7]的一端設有與爐體直徑相同大小的真空系統(tǒng)接管[5]，另一端設有進氣孔[12]及與爐體[7]、支架軸[6]絕緣并可支承支架軸[6]的爐門[13]。在爐體[7]的內部設有穿在支架軸[6]上的多個管支架[10]和由絕緣輪[3]與滑桿組成并可支承支架軸[6]的滑車[4]。觀察孔[1]設在爐體[7]的一端。工件(換熱管)[8]被支持在管支架[10]上。通過爐門[13]還設有與工件(換熱管)相接觸的并與爐門[13]及爐體[7]相絕緣的高壓電極[14]。爐門[13]通過絕緣隔板[11]與爐體[7]及支架軸[6]相絕緣。
圖2是本實用新型所設計的管支架[10]結構示意圖。
在可由支架軸[6]穿過的絕緣環(huán)[18]外側是一個金屬環(huán)[20]，沿其中心線向外輻射狀分布有多個金屬支翼[17]，在金屬支翼[17]的端頭設有供安放工件[8]用的金屬夾環(huán)[16]，在絕緣環(huán)[18]的中心孔[19]里可插入支架軸[6]。實施例列管式汽～水強化換熱器，所用換熱管外徑16毫米，壁厚1.5毫米，管長3000毫米，材料為黃銅，采用本實用新型制備具有低表面能的換熱管。首先將換熱管的表面采用機械方法進行表面除氧化皮操作，在放入處理爐之前采用綢布浸漬丙酮進行再次擦洗，然后放入低表面能換熱管加工爐內，進行如下步驟的操作。
1.爐內真空度維持在8×10-2Pa充入氬氣，使其分壓為1.3Pa，再在銅管與爐體間加上電壓為1200伏，電流最大為1.0安的條件進行清洗5分鐘。
2.在氬氣分在0.1Pa，爐體電壓660伏條件下，電流最大為10安，進行等離子體氣相沉積20分鐘，并加磁場(場強245匝×4，電流最大20安)，使元素注入表面一定深度，磁場移動速度為0.5米/分。
處理完后在管外表形成一層超薄銀白色的低能合金層，厚度約為1μm左右。
3.檢查。當完成上述工藝操作后，停止供電、供氣，停止抽真空，打開爐門，取出工件。進行表觀檢查，抽查管外鍍層金相組織，合格后，即為成品待用。
權利要求1.一種利用磁控等離子體技術制備低表面能換熱管的加工爐，主要是由真空爐體(殼，下同)[7]、真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供電系統(tǒng)及與爐體絕緣的支座[9]所構成。其特征在于(a)其內壁作為沉積靶源的爐體[7]，是一個穿過可調激磁線圈[5]的圓筒狀結構，(b)環(huán)繞爐體[7]的可調激磁線圈[5]，由移動機構[15]牽引沿爐體[7]軸線方向作往復勻速運動，(c)在爐體[7]腔內，沿其軸線設計有一個可穿過多個管支架[10]中心孔[19]的支架軸[6]，(d)爐體[7]的一端設有進氣孔[12]，其另一端則設計有與爐體[7]直徑相同的真空系統(tǒng)接管[2]。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種利用磁控等離子體技術制備低表面能換熱管的加工爐，其特征在于，作為靶源的爐體[7]是由含Ni、Cr、Ti元素的金屬和合金材料制作或在爐體[7]的內表面鍍或復合有能降低表面能的材料制成，以構成該爐的靶源。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種利用磁控等離子體技術制備低表面能換熱管的加工爐，其特征在于，起中心陽極作用的支架軸[6]，是一個可兼有進氣管路作用并由滑車[4]支承的管狀元件。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種利用磁控等離子體技術制備低表面能換熱管加工爐，其特征在于，管支架[10]是一個帶有可被支架軸[6]穿過其中心孔[19]的環(huán)形絕緣體[18]結構，在該環(huán)形絕緣體[18]結構的外側，是金屬環(huán)[20]，同時，沿其中心線輻射方向還設計有其端部帶有金屬夾環(huán)[15]的金屬支翼[16]。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種利用磁控等離子體技術制備低表面能換熱管的加工爐，其特征在于，支承支架軸[6]的滑車[4]，其一端與支架軸[6]相緊固，另一端則是通過兩個絕緣輪[3]與爐體[7]內壁相接觸。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種利用磁控等離子體技術制備低表面能換熱管的加工爐，其特征在于，爐體[7]是一個密封結構，它可制作成水平放置的臥式結構或豎直放置的立式結構。
專利摘要屬于金屬表面改性領域的一種利用物理氣相沉積法制備改性換熱管的加工爐。主要是由爐體[7]、真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和支座[9]所構成。特點是其內壁作為沉積過程靶源的爐體是由一個穿過可調激磁線圈[5]的圓筒狀結構?？烧{激磁線圈[5]可沿爐體中心軸線進行往復運動。爐體內設有由滑車[4]支承的并穿過管支架[10]中心孔[19]的支架軸[6]。工件[8]安置在管支架[10]的夾環(huán)[16]中。爐體的一端設計有進氣孔[12]，另一端則設計有與爐體直徑相同大小的真空系統(tǒng)接管[2]。
文檔編號C23C14/34GK2220477SQ95230859
公開日1996年2月21日 申請日期1995年4月14日 優(yōu)先權日1995年4月14日
發(fā)明者徐敦頎, 朱曉波, 白濤 申請人:大連理工大學