CN112074072A - 一种环路热管式光子吸收器及其换热方法 - Google Patents

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李琦
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Abstract

本发明公开了一种环路热管式光子吸收器及其换热方法。本发明包括同步光热沉、冷凝器和储液器，同步光热沉内设有热管毛细芯；同步光热沉一端通过法兰与真空外的储液器连接，其中热管毛细芯一端穿过法兰与储液器连接，用于从储液器中吸取换热工质；热管毛细芯另一端延伸到同步光热沉接收同步光照射位置的内部，用于利用吸取的换热工质对同步光热沉进行冷却；同步光热沉位于真空外的一端侧壁上设有一延伸到热管毛细芯的孔；第一管路一端经该孔与热管毛细芯连接，该第一管路另一端与冷凝器连接，用于将经热管毛细芯输出的气态换热工质传输至冷凝器；冷凝器通过第二管路与储液器连接，用于将气态换热工质冷凝后所得的液体换热工质传输到储液器中。

Description

一种环路热管式光子吸收器及其换热方法
技术领域
本发明属于粒子加速器领域、传热领域，涉及一种采用环路热管作为换热元件的光子吸收器及其换热方法，用于在环形粒子加速器真空盒中吸收同步光功率。
背景技术
光子吸收器是环形加速器的必要部件，当被加速的粒子束流受二级弯转铁作用发生弯转时，会沿切线方向产生能量很高的同步辐射光，为了避免这种高能同步光直接照射到真空盒上而对其造成破坏，需要使用光子吸收器对同步辐射光进行遮挡并吸收其能量。
因此，光子吸收器是工作在加速器超高真空环境中、承受高热流密度的换热组件。对于这种特殊的应用需求，光子吸收器的设计需要满足以下要求：第一，光子吸收器暴露在真空环境中的部分避免采用焊接方式封装换热介质，减少真空漏率；第二，避免冷却水流动产生较大的机械振动对加速器运行造成影响；第三，保证热沉厚度大于同步光穿透深度，防止同步光穿过热沉后对换热介质边界产生辐射腐蚀损伤。
传统的光子吸收器一般采用铜热沉吸收同步光热负载，中间通有一定流量的冷却水对其进行降温。但随着环形加速器技术的发展，真空盒越来越小型化、束流能量越来越高。(例如目前建设的高能同步辐射光源，束流管道内径仅为22mm，而束流参数为200GeV6mA；而未来CEPC储存环真空管道短轴设计尺寸内径仅为56mm，而束流参数为120GeV17.4mA。)所以，对于光子吸收器的设计需求也越来越苛刻，需要尺寸更小、冷却功率更大，同时还不能产生大的振动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环路热管式光子吸收器，通过环路热管代替传统水冷，实现小尺寸、大功率光子吸收器的换热要求。
本发明的技术方案为：
一种环路热管式光子吸收器，其特征在于，包括同步光热沉、冷凝器和储液器，所述同步光热沉内设有热管毛细芯；
所述同步光热沉一端通过法兰与真空外的储液器连接，其中所述热管毛细芯一端穿过所述法兰与所述储液器连接，用于从所述储液器中吸取换热工质；所述热管毛细芯另一端延伸到所述同步光热沉接收同步光照射位置的内部，用于利用吸取的换热工质对所述同步光热沉进行冷却；
所述同步光热沉位于真空外的一端侧壁上设有一延伸到所述热管毛细芯的孔；
第一管路一端经该孔与所述热管毛细芯连接，该第一管路另一端与所述冷凝器连接，用于将经所述热管毛细芯输出的气态换热工质传输至所述冷凝器；
所述冷凝器通过第二管路与所述储液器连接，用于将气态换热工质冷凝后所得的液体换热工质传输到所述储液器中。
进一步的，所述同步光热沉内设一深孔用于容纳所述热管毛细芯，所述同步光热沉采用铬锆铜材料一体加工而成。
进一步的，通过对同步光热沉本体进行深钻孔，并在其内部烧结热芯结构，形成所述热管毛细芯；烧结工艺完成后，再将同步光热沉本体机加工成光子吸收器热沉结构，得到所述所述同步光热沉。
进一步的，通过对同步光热沉本体进行深钻孔，得到一深孔；加工制备一热芯，该热芯与该深孔成负公差；然后将该热芯放入该深孔后用膨胀销将热芯固定并贴紧处理后的同步光热沉本体，得到所述所述同步光热沉。
进一步的，选取标准型号的热管，并对同步光热沉本体打对应的正公差深孔；然后在该深孔内放入焊料，通过钎焊方式将该热管焊接在该深孔内部，得到所述所述同步光热沉。
进一步的，所述同步光热沉的同步光照射位置设计为锯齿倾斜面。
进一步的，所述储液器上设有一注液口，用于注入换热工质。
一种环路热管式光子吸收器的换热方法，其步骤包括：
1)同步光打到同步光热沉上以后，同步光热沉温度上升并扩散到同步光热沉内的热管毛细芯；
2)热管毛细芯上的液态换热工质受热蒸发形成气态换热工质；所述气态换热工质沿第一管路流到冷凝器内凝结；
3)凝结后的液态换热工质沿第二管路流回储液器，所述热管毛细芯从所述储液器中吸取液体换热工质对所述同步光热沉降温。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
采用环路热管代替传统水冷的换热方式，其原理是利用液体的蒸发和凝结两个相变过程进行换热，通过冷却介质在光子吸收器端蒸发并传输到冷凝器端冷凝后再回到光子吸收器端，形成热量从光子吸收器到冷凝器的定向传输。传统的水冷换热是利用液体温升的热容变化，与其相比，环路热管换热是利用液体蒸发潜热能，因此具有更大的换热效率，而且相变换热过程不会产生振动，非常适合小尺寸、大功率的光子吸收器进行换热。
附图说明
图1为热管式光子吸收器热回路示意图。
图2为同步光热沉结构示意图。
图3为同步光热沉直接烧结热芯的制造方法流程图。
图4为同步光热沉安装成型热芯的制造方法流程图。
图5为同步光热沉安装成型热管的制造方法流程图。
图6为光子吸收器热沉外部其他环路热管设备的连接方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。
本项发明的热管式光子吸收器主要包括同步光热沉(内含热管毛细芯)和相关的热管部件(包括冷凝器、储液器、管路等)。其整体结构如图1所示，其工作过程如下：
1)当同步光打到热沉上以后，热沉温度上升并扩散到热沉内表面；
2)布置在热沉内表面的热管毛细芯上的液态换热工质受热蒸发；
3)蒸发后的气态换热工质沿管路流到冷凝器内凝结；
4)凝结后的液态换热工质沿管路流回储液器，继而被热管毛细芯吸附并对热沉降温。
下面介绍这种热管式光子吸收器的具体制造方法。
1，同步光热沉(内含热管毛细芯)
内含热管毛细芯的同步光热沉是本发明的核心部分。具体发明如下：
同步光热沉本体(除热管毛细芯以外)采用铬锆铜材料(或者其他热导率高、机械性能好的材料)一体加工而成。如图2所示，法兰密封面以下为超高真空环境，该侧没有任何焊缝或接口，同步光照射位置设计为锯齿倾斜面增大照射面积，降低单位面积承受的热流密度。法兰密封面以上为大气环境，从该侧深钻孔至同步光照射位置深度，孔内用于布置热管毛细芯。
根据热沉上的钻孔尺寸以及同步光能量大小，热管毛细芯可能采用(但不限于)以下几种方式，直接烧结热芯、成型热芯安装、成型热管安装等方式：
Figure BDA0002625459770000031
直接烧结热芯，如图3所示。
对同步光热沉本体进行机加工之前，先在原始块材上进行深钻孔，并在其内部烧结热芯结构，烧结工艺完成后，再将块材机加工成光子吸收器热沉结构。
Figure BDA0002625459770000041
成型热芯安装，如图4所示。
首先完成同步光热沉本体加工并打好深孔，然后加工热芯成图4所示形状，与深孔成负公差。将热芯放入深孔后，再用膨胀销将热芯固定并贴紧热沉本体。
Figure BDA0002625459770000042
成型热管安装，如图5所示。
完成同步光热沉本体加工后，选取标准型号的热管，并对同步光热沉打对应的正公差深孔，然后在孔内放入焊料，通过钎焊方式将成型热管焊接在同步光热沉深孔内部。
2，其他热管元件(管路、储液器、工质等)
同步光热沉(含热管毛细泵)制作完成后，最后再与热管气相管路、液相管路、冷凝器、储液盒、注液管等部件焊接，形成封闭的热管回路，如图6所示。
至此，热管式光子吸收器加工完成。
综上所述，以上为本发明的部分实施方案而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在涉及通过热管作为光子吸收器的直接传热方式的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环路热管式光子吸收器，其特征在于，包括同步光热沉、冷凝器和储液器，所述同步光热沉内设有热管毛细芯；
所述同步光热沉一端通过法兰与真空外的储液器连接，其中所述热管毛细芯一端穿过所述法兰与所述储液器连接，用于从所述储液器中吸取换热工质；所述热管毛细芯另一端延伸到所述同步光热沉接收同步光照射位置的内部，用于利用吸取的换热工质对所述同步光热沉进行冷却；
所述同步光热沉位于真空外的一端侧壁上设有一延伸到所述热管毛细芯的孔；
第一管路一端经该孔与所述热管毛细芯连接，该第一管路另一端与所述冷凝器连接，用于将经所述热管毛细芯输出的气态换热工质传输至所述冷凝器；
所述冷凝器通过第二管路与所述储液器连接，用于将气态换热工质冷凝后所得的液体换热工质传输到所述储液器中。
2.如权利要求1所述的环路热管式光子吸收器，其特征在于，所述同步光热沉内设一深孔用于容纳所述热管毛细芯，所述同步光热沉采用铬锆铜材料一体加工而成。
3.如权利要求1所述的环路热管式光子吸收器，其特征在于，通过对同步光热沉本体进行深钻孔，并在其内部烧结热芯结构，形成所述热管毛细芯；烧结工艺完成后，再将同步光热沉本体机加工成光子吸收器热沉结构，得到所述所述同步光热沉。
4.如权利要求1所述的环路热管式光子吸收器，其特征在于，通过对同步光热沉本体进行深钻孔，得到一深孔；加工制备一热芯，该热芯与该深孔成负公差；然后将该热芯放入该深孔后用膨胀销将热芯固定并贴紧处理后的同步光热沉本体，得到所述所述同步光热沉。
5.如权利要求1所述的环路热管式光子吸收器，其特征在于，选取标准型号的热管，并对同步光热沉本体打对应的正公差深孔；然后在该深孔内放入焊料，通过钎焊方式将该热管焊接在该深孔内部，得到所述所述同步光热沉。
6.如权利要求1～5任一所述的环路热管式光子吸收器，其特征在于，所述同步光热沉的同步光照射位置设计为锯齿倾斜面。
7.如权利要求1所述的环路热管式光子吸收器，其特征在于，所述储液器上设有一注液口，用于注入换热工质。
8.一种环路热管式光子吸收器的换热方法，其步骤包括：
1)同步光打到同步光热沉上以后，同步光热沉温度上升并扩散到同步光热沉内的热管毛细芯；
2)热管毛细芯上的液态换热工质受热蒸发形成气态换热工质；所述气态换热工质沿第一管路流到冷凝器内凝结；
3)凝结后的液态换热工质沿第二管路流回储液器，所述热管毛细芯从所述储液器中吸取液体换热工质对所述同步光热沉降温。
9.如权权利要求8所述的方法，其特征在于，所述同步光热沉采用铬锆铜材料。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述同步光热沉的同步光照射位置设计为锯齿倾斜面。
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