CN112908496A - 一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁约束核聚变技术，具体为一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，包括冷却套管主体、进水环形干流管和出水环形干流管；冷却套管主体筒状结构，筒壁内沿着筒壁竖直方向设有N个入水孔和N个出水孔，冷却套管主体筒体下端设有N个连通部，其将相邻的入水孔和出水孔连通，入水孔/出水孔内部壁面均排列有孔壁螺旋肋，通过螺旋肋条将靠近内壁一侧的高温水与靠近外壁一侧的低温水不断交换，相对于光滑壁面的水路，能大幅度提高冷却剂的换热效率，降低结构最高温度，平衡冷却套管内外区域的热量沉积。
Description
技术领域
本发明属于磁约束核聚变技术，具体涉及一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构。
背景技术
偏滤器作为未来聚变堆的关键部件，其直接面向等离子体的部件表面，将在强粒子流、高热负荷的环境下运行，对表面材料和冷却结构设计等均提出了极大的要求。目前的托卡马克装置的偏滤器区域的等离子体密度(～1021/m3)和离子通量(1024/m3～1025/m3)均远低于未来聚变堆的水平，无法在该环境下开展等离子体与材料相互作用的特性研究，评估其是否适用于作为未来聚变堆偏滤器部件表面材料。
直线等离子体装置由于其结构简单、易于维护，且能够产生高密度的低温等离子体，作为等离子体与材料相互作用的特性研究，日益受到了重视。近年来，我国也逐步建立了多个直线等离子体装置，如四川大学、核工业西南物理研究院、北京航空航天大学和中科院等离子体所等。目前直线装置普遍采用级联弧离子源，用于产生所需的低温等离子体；为了得到更高的等离子体密度和通量，需要进行更大的电压和电流放电，实现更高的功率输出。虽然离子源的输出功率大幅度增加了，但是送气口通道的宽度基还在毫米量级，因此，电离的低温等离子体会在这个狭小的管道空间内形成强的等离子体流和高热负荷，并随着放电功率的增加而快速增加，这将严重影响离子源的使用寿命，也限制了更高等离子体密度的放电运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其能够作为等离子体放电通道的保护壁，快速导出沉积在该表面的热负荷，延长离子源使用寿命。
本发明的技术方案如下：
一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，包括冷却套管主体、设于冷却套管主体上方且与其冷却通道连通的进水环形干流管和出水环形干流管；所述的冷却套管主体筒状结构，筒壁具有一定厚度，筒壁内沿着筒壁竖直方向设有2N个冷却通道，其包括N个入水孔，N个出水孔，且入水孔和出水孔间隔布置，所述的进水环形干流管与入水孔相通，所述的出水环形干流管与出水孔相通；所述的入水孔与相邻的出水孔在冷却套管主体筒体下端内部连通，即在冷却套管主体筒体下端设有N个连通部，其将相邻的入水孔和出水孔连通。
所述的入水孔/出水孔内部壁面均排列有孔壁螺旋肋，其且在孔内壁环向均匀排布。
所述的孔壁螺旋肋数的扭曲比为2～5，肋的径向厚度为0.1～0.4mm。
所述的冷却套管主体上方设有过渡结构，其上设有2N个安装通孔，在安装通孔处间隔的设有N个进水支管和N个出水支管；所述的进水支管与其上方的进水环形干流管连通，所述的出水支管与其上方的出水环形干流管连通；所述的进水支管与下方的冷却套管主体的入水孔相通，所述的出水支管与其下方的冷却套管主体的出水孔相通。
所述的进水支管和出水支管为向外弯折的弯管，进水支管的高度位置大于出水支管的高度位置。
所述的过渡结构上的安装通孔，其内直径阶梯渐变，形成渐变通孔，其大端直径与下方的出水孔/入水孔的孔直径相同，小端直径与进水支管/出水支管的内直径相同。
所述的进水环形干流管和出水环形干流管的外侧分别安装与其对应连通的进水管和出水管。
所述的出水管与进水管在环向上排布角度为150°～180°。
所述的出水环形干流管所在平面与进水环形干流管所在平面平行，圆心相距一定距离。
所述的冷却套管主体环向均匀设有六个入水孔和六个出水孔，共构成六个并联双孔回路。
本发明的显著效果如下：
通过螺旋肋条将靠近内壁一侧的高温水与靠近外壁一侧的低温水不断交换，相对于光滑壁面的水路，能大幅度提高冷却剂的换热效率，降低结构最高温度，平衡冷却套管内外区域的热量沉积；
采用入水孔与出水孔相间排布，平衡冷却套管主体环向分布的热量沉积，降低结构热应力及形变，同时还具有很小的压力损失。
采用过渡结构安装进水支管和出水支管，而没有直接将进水/出水通道直接连接到冷却套管主体上，进水支管和出水支管中间通过过渡结构连接到冷却套管主体，是主要考虑到：1)冷却套管主体结构是本申请的核心(冷却套管结构设计空间要求极窄，仅一个圆环区域的空间，内部是等离子体空间，外部是更大直径的用于超导线圈布置的圆环形区域，这也就是为什么进水/出水支管必须从端部延伸出去一定长度)；若直接将支管焊接在冷却套管主体上，对于主体的变形控制及圆管型焊缝的质量也是一种考验，为了避免这样的风险，故而采用过渡结构来实现；冷却套管主体的壁厚最薄处≤1.5mm，对于焊接来说，具有很大的难度。2)采用过渡结构，一方面可以将进水支管/出水支管与过渡结构整体成型的方式制作，再将过渡结构与冷却套管主体通过焊接连接在一起。更加简单的组装成一体。另一方面，也可以通过过渡结构的渐变直径孔，增加支管与过渡结构边缘焊接的厚度，使得其焊接面径向厚度达到约2mm，降低焊接难度，同时也能更方便的对支管进行维护和更换；3)同时，采用过渡结构与冷却套管主体的焊接接触面积更大，焊接的界面更稳固。4)将水管直接焊接在冷却套管主体也可，不过焊接难度会有所提高，对焊接的控制也要更高的要求。
设计过渡结构，为了将进水支管/出水支管与冷却套管主体的进水孔/出水孔连通，采用的安装孔为直径渐变的渐变通孔，优选例中，冷却套管主体孔直径为4mm，径向总厚度为7mm(内外径分别为8mm～15mm)，则最薄处仅1.5mm，通过直径渐变的过渡结构后，孔直径变小至3mm，过渡结构变化后一端的最薄处厚度为2mm，增加这个厚度是为了给予水管更好的焊接质量增加可能性和提供更大的焊接空间。
进水管和出水管通过进/出水环形干流管的结构设计，在环形上形成150°～180°的角度。进水管和出水管在环形上形成角度越接近180°，冷却结构的整体冷却效果越均匀(即整个结构环向的最高温度与最低温度差越小)。冷却效果越均匀，则冷却套管主体内壁所能承受的最高热流也就会提高，相对于其他角度有更好的冷却能力(水从干流分流后，会趋向于找最短的路程到汇流处汇集，这样最短路径上相对于最远的路径会有更多的水流过，这就导致了最短路径线上的结构冷却效果较最远路径线上的结构更好一点，为了避免这个效果，就尽量将分流口至汇流口的每一条路径的路程调整均匀，即从分流后，到出口汇流处，每一个路径上的水走过的路程尽量保持相等即可)，对结构稳定性的保护越好(因为，更小的温度梯度，就意味着更小的热应力，结构承受损害也就降低了)。但不是一定能够构成180°的角，这个角度的设计还要避开出水支管和进水支管，且放置在相邻两个进水支管和出水支管之间，选择150°～180°。
双孔回路下部的连通部，与主体的近端面距离为2～4mm(这个数值是保证结构主体的结构强度下，尽量选取最小值，此值越小，冷却水在轴向上能到达的深度就越深，就能有更多的对结构主体的冷却作用，提高冷却效果)，其连通的高度选为3～5mm(优选为冷却套管主体孔洞的直径，较优选例中此值为4mm)。连通部让冷却水通过进水支管，流入入水孔，再流经连通处，进入出水孔，再由出水支管流入出口环形干流管，最后导出。其中，在流经入水孔、连通处、出水孔时均能从冷却套管主体吸收热流，将热量从冷却套管主体带出，达到冷却水对冷却套管主体的冷却作用。
连通部之所没有现有技术中技术人员采用的通孔直接穿透孔作为设计，是由于从入口孔进入的水，经过入水孔之后，到达连通处时，其平均温度升高程度较小(在10MW/m2的稳态热流下，温升约为7℃)，如果设计连通部，通过连通处的缓冲混合，再返回通过出水孔时，随有较小温升，但其冷却效果与入水孔的冷却效果相差不大，这样设计不仅没有明显的冷却能力的下降，还带来的两个优点是，a、入水和出水管系统均在冷却套管主体的一端，可以集合进行总体设计，方便另一端进行设计各种实验需求；b、冷却水的供给之间降低一半需求，提高经济效益，降低水泵功耗及能力需求。
本申请中的冷却套管结构即能冷却10MW/m2以上的稳态高热流负载。
附图说明
图1为适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构示意图；
图2为适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构冷却管道剖面图；
图3为基本重复单元—双孔回路示意图；
图中：1.冷却套管主体；2.过渡结构；3.进水支管；4.进水环形干流管；5.进水管；6.出水支管；7.出水环形干流管；8.出水管；9.出水孔；10.孔壁螺旋肋；11.入水孔；12.双孔回路。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，冷却套管主体1为具有一定壁厚的筒状结构，其上端开口，安装有过渡结构2，过渡结构2上间隔的安装加工若干个数量相等的进水支管3和出水支管6。进水支管3和出水支管6分别与安装在过渡结构2上方的进水环形干流管4和出水环形干流管7连通。进水环形干流管4和出水环形干流管7的外侧分别安装与其对应连通的进水管5和出水管8。
冷却套管主体1为具有一定壁厚的筒状结构，其截面为圆环，过渡结构2为壁厚相同的较短圆筒结构，其截面圆环与冷却套管主体1截面圆环大小一致。
冷却套管主体1的环向均匀加工直径一致的偶数2N个孔洞(N为进水支管3/出水支管6数目)，孔洞直径小于冷却套管主体1的内外径差(冷却套管主体1壁厚)。孔洞分为入水孔洞和出水孔洞，并相间排布，也就是说有N个如水孔洞、N个出水孔洞，间隔排布。入水孔洞沿冷却套管主体1向下的延伸为入水孔11，出水孔洞沿冷却套管主体1向下的延伸为出水孔10。
过渡结构2上同样在环向均匀加工直径一致的偶数2N个安装通孔，用于对应的进水支管3和出水支管6的安装，进水支管3和出水支管6穿过过渡结构2与下方对应的冷却套管主体1上的入水孔11和出水孔10连通。
如图3所示，入水孔11与一个相邻的出水孔10在冷却套管主体1筒体下端内部连通，自入水孔洞沿着入水孔11，经过筒体下端内部连通部分，再由出水孔10，构成局部冷却水一入一出的双孔回路12，由于入水孔洞/出水孔洞数量为N，这样在冷却套管主体1上共有N个并联的双孔回路12。
入水孔11/出水孔10内部壁面均排列有孔壁螺旋肋10，孔壁螺旋肋10数的扭曲比(导程与直径之比)范围2～5，优选为3，肋的径向厚度范围为0.1～0.4mm，优选为0.2mm，且在孔内壁环向均匀排布。
上述过渡结构2上的安装通孔，其直径可以加工成渐变，形成渐变通孔，其大端直径与下方的孔洞直径相同，小端直径与进水支管3/出水支管6直径相同。
通过进水管5进水的进水环形干流管4环向均匀排布N个进水支管3，分别与冷却套管主体1的入水孔洞对应相连，所述进水支管3与进水环形干流管4连通，进水环形干流管4的进水管5与外部水管系统相连，构成一个完整进水管道，进水管5的径向位置为相邻两个进水支管3的中间。
出水管道与进水管道排布一致，进水支管3和出水支管6间隔布置。出水环形干流管7所在平面与进水环形干流管4所在平面平行，圆心相距一定距离，环形直径不同。出水管8与进水管5在环向上排布角度为180°。
冷却套管主体1材料选为低活性高强度不锈钢；冷却套管主体1选择环向均匀排布十二个孔道，即入水孔11和出水孔9之和，共构成六个并联双孔回路，每个双孔回路中的入水孔11和出水孔9通过孔洞末端的连通域相连形成双孔回路12，其中每个孔洞内壁均有四条环向均匀分布的孔壁螺旋肋10；
冷却套管主体1上端的孔洞与过渡结构2安装通孔下端(大孔径端)通过高温真空钎焊相连；将进\出水支管3\6、进\出水环形干流管4\7、进\出水管5\8通过高温真空钎焊构成整体进\出水管道，然后分别将六个进水支管3和六个出水支管6通过高温真空钎焊连接到过渡结构2的上端(小孔径开口端)，进水管5与出水管8中心线夹角为150°。即构成一个完整的适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构。
在冷却套管工作时，在外部磁场作用下管内会通入强的等离子体流，届时冷却套管主体1内壁将承受很高的热负荷，这些能量会通过热量传递的方式转移给冷却套管主体1的入水孔11中不断通入的冷却水，然后再由冷却水经由出水孔9带走这部分热量，如此就对冷却套管主体1进行冷却，以保证级联弧离子源运行在其正常的工作环境下。
Claims (10)
1.一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，包括冷却套管主体(1)、设于冷却套管主体(1)上方且与其冷却通道连通的进水环形干流管(4)和出水环形干流管(7)；其特征在于：所述的冷却套管主体(1)筒状结构，筒壁具有一定厚度，筒壁内沿着筒壁竖直方向设有2N个冷却通道，其包括N个入水孔(11)，N个出水孔(10)，且入水孔(11)和出水孔(10)间隔布置，所述的进水环形干流管(4)与入水孔(11)相通，所述的出水环形干流管(7)与出水孔(10)相通；所述的入水孔(11)与相邻的出水孔(10)在冷却套管主体(1)筒体下端内部连通，即在冷却套管主体(10)筒体下端设有N个连通部，其将相邻的入水孔(11)和出水孔(10)连通。
2.如权利要求1所述的一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其特征在于：所述的入水孔(11)/出水孔(10)内部壁面均排列有孔壁螺旋肋(10)，其且在孔内壁环向均匀排布。
3.如权利要求2所述的一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其特征在于：所述的孔壁螺旋肋(10)数的扭曲比为2～5，肋的径向厚度为0.1～0.4mm。
4.如权利要求1所述的一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其特征在于：所述的冷却套管主体(1)上方设有过渡结构(2)，其上设有2N个安装通孔，在安装通孔处间隔的设有N个进水支管(3)和N个出水支管(6)；所述的进水支管(3)与其上方的进水环形干流管(4)连通，所述的出水支管(6)与其上方的出水环形干流管(7)连通；所述的进水支管(3)与下方的冷却套管主体(1)的入水孔(11)相通，所述的出水支管(6)与其下方的冷却套管主体(1)的出水孔(10)相通。
5.如权利要求4所述的一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其特征在于：所述的进水支管(3)和出水支管(6)为向外弯折的弯管，进水支管(3)的高度位置大于出水支管(6)的高度位置。
6.如权利要求4所述的一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其特征在于：所述的过渡结构(2)上的安装通孔，其内直径阶梯渐变，形成渐变通孔，其大端直径与下方的出水孔(10)/入水孔(11)的孔直径相同，小端直径与进水支管(3)/出水支管(6)的内直径相同。
7.如权利要求1所述的一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其特征在于：所述的进水环形干流管(4)和出水环形干流管(7)的外侧分别安装与其对应连通的进水管(5)和出水管(8)。
8.如权利要求7所述的一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其特征在于：所述的出水管(8)与进水管(5)在环向上排布角度为150°～180°。
9.如权利要求1所述的一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其特征在于：所述的出水环形干流管(7)所在平面与进水环形干流管(4)所在平面平行，圆心相距一定距离。
10.如权利要求1所述的一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其特征在于：所述的冷却套管主体(1)环向均匀设有六个入水孔(11)和六个出水孔(9)，共构成六个并联双孔回路。
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