CN113727507A - 一种多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置及其优化方法 - Google Patents

Abstract

一种多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置及其优化方法。本发明涉及低温等离子体技术领域，所述装置包括：圆柱形铜片、钼环、密封圈、不锈钢管道；多个圆柱形铜片堆叠在一起形成级联铜片，钼环中间设有多通道级联电弧源的放电通道，钼环圆心距铜片圆心10mm，三个钼环互相呈120°放置，密封圈的圆心与铜片圆心重合，铜片内部存在水冷通道与外部的不锈钢管道相连接。本发明中提出的级联铜片水冷计算方法可以应用于任意结构的水冷通道，降低了级联铜片冷却效果的分析难度。本发明中提出的两种级联铜片水冷优化结构，相较于现有的水冷结构，铜片上密封圈位置的温度得到了降低，密封圈各位置的温度差异下降，冷却效率提高。

Description

一种多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置及其优化方法

技术领域

本发明涉及低温等离子体技术领域，是一种多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置及其优化方法。

背景技术

等离子体是由电子、正负离子和中性粒子组成的非束缚宏观体系，是物质三种形态固体、液体、气体之后的第四态。据不完全统计已探明的物质中99％以上均以等离子体形势存在，但由于地球上存在的天然等离子体极少，为了追求对空间等离子体的探索与研究，自上世纪60年代以来，人们开展了对实验室等离子体科学的研究工作，这成为人们了解等离子体的一个重要途径，实验室产生等离子体主要有以下几种方式：直流放电等离子体、高频放电等离子体、射频放电等离子体、微波等离子体、燃烧、激光、紫外线等等，各种方式产生的等离子体有着不同的参数范围以及不同的应用领域。

电弧等离子体源属于直流电弧放电的一种，其产生可以追溯到1956年，采用转移电弧放电的方式产生均匀稳定的高密度等离子体，在特定条件下可产生大尺度、稳定、高离子通量(有轴向磁场约束的条件下)、高洁净度的等离子体射流。级联电弧等离子体源相比于电弧等离子体源，除了具有常规的阳极和阴极外，其主要特点在于增加了中段的“中性极”——具有层叠结构、彼此绝缘特征的级联铜片，从而产生稳定的高束流密度等离子体，通过这样的技术方式，其产生的等离子体具有高密度、强碰撞、大尺度、亚波长特性。以往研究表明，单通道级联电弧等离子体源产生的等离子体束的直径通常在2cm左右，这难以满足许多应用对大直径等离子体束流的需求，如在临近空间等离子体环境模拟中，为了使等离子体对钝体的包覆效果更好，要求等离子体束流的直径较大，模拟ITER中与第一壁相互作用的高热负荷等离子体中要求等离子体束流的直径为10cm左右。因此，为了增大等离子体束流的直径，需采用多通道级联电弧等离子体源。多通道级联电弧等离子体源的主要由多个柱状阴极(通常为钨针)，多个彼此绝缘、依次叠置的级联铜板和环状阳极构成，阴极、级联铜板和阳极在放电过程中由冷却水进行冷却，多阴极分别连接多个独立电源，阳极共同接地。在阴极、阳极之间施加先高频后直流形式的电压，并在放电过程中通过进气口不断通入工作气体，使得工作气体被直流电弧加热、电离、膨胀，在电场和高压流场的作用下，形成的高稳定的等离子体束流从阳极喷口处喷出。

由于多通道级联电弧源运行所需工况要求不高，能够工作在较宽的气压(1-1000Pa)、较宽电流(5-2000A)范围内实现放电，且工作气体种类较多，可以是大部分惰性气体或氢气、氘气等，其产生的等离子体电子温度在10000K左右，具有电子密度大、电离度高、离子通量大等优点。直到现在国内外的专家学者们还将其应用于各种科研生产领域，例如对其进行结构改进，可形成等离子体窗，等离子体窗作为真空密封的一种有效手段，广泛应用于中子束焊接、等离子体快阀、气体电荷剥离器等领域；此外，由于级联电弧源在一定条件下可产生高能量密度的等离子体束流，已经应用在等离子体与材料的相互作用领域。

综上所述，多通道级联电弧源能够产生具有高密度、强碰撞、大尺度、亚波长特性的等离子体束，且直径可以达到10cm甚至更大，能够满足现有的模拟实验及应用中对于大直径等离子体束流的需求，被广泛应用于各种领域，但现有的多通道级联电弧等离子体源中的关键部件——级联铜片在放电过程中需要通入冷却水进行冷却，现有的冷却方式为在级联铜片侧壁不同的两个位置打孔，使两个孔相交，冷却水通过这两个孔流入/流出，这种冷却结构的设计使冷却水流入管道后产生的流阻较大，冷却效率较低。在冷却水入水温度和流量一定的情况下，多通道级联电弧源以较高功率运行时对级联铜片的冷却效果不佳，同时由于要保证气密性，各级联铜片之间需要放置橡胶圈，级联铜片的冷却效果差会导致橡胶圈处于较高温度，且现有的级联铜片水冷设计方式使橡胶圈各个位置的温度差异较大，长时间放电过程中易导致橡胶圈老化，使多通道级联电弧源的密封性能出现问题。

发明内容

本发明为了解决现有的多通道级联电弧源中级联铜片冷却效率不高，易导致密封用橡胶圈老化的问题，技术方案具体为：

一种多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置，所述装置包括：圆柱形铜片、钼环、密封圈、不锈钢管道；

多个圆柱形铜片堆叠在一起形成级联铜片，钼环中间设有多通道级联电弧源的放电通道，钼环圆心距铜片圆心10mm，三个钼环互相呈120°放置，密封圈的圆心与铜片圆心重合，铜片内部存在水冷通道与外部的不锈钢管道相连接。

优选的，圆柱形铜片的直径为60mm，厚度7mm，三个钼环的内径为2mm，外径为3mm。

优选的，钼环中间设有多通道级联电弧源的放电通道直径为2mm。

优选的，不锈钢管道包括入水不锈钢管道和出水不锈钢管道，通过银焊的方式将两个不锈钢管道与圆柱形铜片在水冷通道位置焊接在一起，两个不锈钢管道在与圆柱形铜片相接的位置直径为4mm，其余位置为5mm。

一种多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置优化方法，采用的方法为耦合固体传热和非等温管道流对铜片的冷却过程建模，通过下式表示建模过程：

其中，u为管道中心线切线方向的横截面平均流体速度，A为管道的横截面积，ρ为密度，p为压力，fD为摩擦因子，Re为雷诺数，e为管道粗糙度，d为管道直径，μ为粘性系数；Cp为恒压热容，T为冷却水温度，k为导热系数，Qwall为水与铜片热交换的源项T2为铜电极温度；Z为管道周长，h为传热系数，Text为管道外部温度。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用将扩散焊和银焊相结合的方式，使多通道级联电弧等离子体源中及联铜片的水冷通道设计不需受限于级联铜片结构，并利用有限元仿真设计了一种级联铜片冷却计算方法，可以对任意结构的水冷通道的冷却进行计算，同时根据该计算方法设计了两种水冷结构，使级联铜片的冷却效果相较于现有的方式得到了提升。

本发明中提出利用扩散焊将两个带有水冷槽的铜片焊接在一起形成内部具有水冷通道的级联铜片，该方法使水冷通道结构的设计不受限于级联铜片结构，且该方法不仅可以应用于本发明中所使用的三通道级联电弧等离子源中的级联铜片，也可以应用于其余通道数量的级联电弧等离子体源。

本发明中提出的级联铜片水冷计算方法可以应用于任意结构的水冷通道，降低了级联铜片冷却效果的分析难度。

本发明中提出的两种级联铜片水冷优化结构，相较于现有的水冷结构，铜片上密封圈位置的温度得到了降低，密封圈各位置的温度差异下降，冷却效率提高。

附图说明

图1是级联铜片的外部结构图；

图2是级联铜片的内部剖面图和冷却水流动方向；

图3是优化后的水冷结构；

图4是优化后的水冷结构；

图5是三种初始值设定方法得到的温度随时间变化曲线；

图6是钼环内壁温度设置为不同数值时级联铜片三个不同的位置的温度变化曲线；

图7是冷却水流量设置为不同数值时级联铜片三个不同的位置的温度变化曲线；

图8是初始冷却水温度设置为不同数值时级联铜片两个不同的位置的温度变化曲线；

图9是两种水冷结构和现有水冷结构冷却效果对比。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1至9所示，本发明提供了一种结合扩散焊和银焊的焊接方式应用于级联铜片的水冷结构设计，并对现有的水冷结构进行优化，相较于现有的在级联铜片侧壁打孔通冷却水的方式，优化后级联铜片的冷却效果得到了提高。

本发明所述多通道级联电弧源中的级联铜片，以三通道为例，其级联铜片的外部结构如图1所示，包括圆柱型铜片1，钼环2、3、4，密封圈5，铜片外部连接两个不锈钢管道6、7作为入水、出水管道，铜片直径60mm，厚度7mm，三个钼环的内径为2mm，外径为3mm，钼环中间直径2mm的孔为多通道级联电弧源的放电通道，钼环圆心距铜片圆心10mm，三个钼环互相呈120°放置，密封圈直径为40mm，其圆心与铜片圆心重合，在多个级联铜片堆叠在一起时起密封和绝缘作用。铜片内部存在水冷通道与外部的两个不锈钢管道6、7相连接。现有的级联铜片内部水冷结构如图2所示，首先在铜片外壁上打孔但未完全贯穿得到两个相交的水冷通道8、9，水冷通道8、9的直径均为4mm，相交角度为60°，同时在两条水冷通道的下方打孔至与水冷通道9相交为水冷通道10，水冷通道10与水冷通道8、9的相交角度均为60°，直径为2mm。通过银焊的方式将两个不锈钢管道6、7与铜片1在水冷通道8、9位置焊接在一起，不锈钢管道6、7在与铜片1相接的位置直径为4mm，其余位置为5mm，采用银焊的方式将水冷管道10与管道8在铜片1外侧的区域使用堵头焊死，使其在通入冷却水后不漏水。本发明所采用的的方法为首先制作之前级联铜片厚度一半3.5mm，分别在两个铜片的对侧挖出预先设计好的通冷却水的槽，再采用扩散焊的方式将两个厚度为3.5mm的铜片焊在一起得到7mm的铜片，再采用与上述方法相同的银焊将两个不锈钢水冷管道与铜片外壁上的槽相连接，扩散焊的主要原理为将两个待焊工件紧压在一起，并置于真空或保护气氛炉内加热，使两焊接表面微小的不平处产生微观塑性变形，达到紧密接触，在随后的加热保温中，原子间相互扩散而成冶金连接。采用扩散焊这种方法得到的级联铜片相较于现有方法可以不受限于铜片外部结构，便于设计复杂水路提高冷却效率。

同时，本发明根据上文提出的焊接方法对现有的三通道级联电弧等离子体源级联铜片的水冷结构通过有限元仿真进行了优化设计。采用的方法为耦合固体传热和非等温管道流对铜片的冷却过程建模。主要原理为动量和质量守恒方程，如公式1、2所示。

式中u为管道中心线切线方向的横截面平均流体速度(m/s)，A为管道的横截面积(m2)，ρ为密度(kg/m3)，p为压力(N/m2)。公式1的右侧第二项表示由于黏性剪切引起的压降，采用Churchill摩擦模型计算fD，该模型适用于层流、湍流及两者之间的过渡区域，如公式3-6所示。式中fD为摩擦因子，Re为雷诺数，e为管道粗糙度(μm)，d为管道直径(mm)，μ为粘性系数。

使用的传热方程如公式7-9所示，公式7为管道内冷却水的能量方程，公式8为固体材料即铜片和钼环的能量方程，公式9为冷却水和固体材料之间的热交换。式中Cp为恒压热容(J/(kg·K))，T为冷却水温度(K)，k为导热系数(W/(m·K))，Qwall为水与铜片热交换的源项(W/m)，T2为铜电极温度(K)；Z为管道周长(m)，h为传热系数(W/(m2·K)，Text为管道外部温度(K)。公式7中右侧第二项表示由流体内部摩擦引起的耗散热，由于水冷通道长度较短忽略不计。

Q_wall＝hZ(T_ext-T) (9)

由于铜的熔点为1357.77K，由于铜片上三个钼环的比热容较大(25℃时为250.78J/kg·K)，熔点较高(2893.15K)，在放电过程中可以有效的保护铜片，已有实验数据表明虽然放电通道中等离子体束的温度可达104K量级，但由于钼环的保护铜片上的温度并不高，在102K量级，远低于铜的熔点，故对于级联铜片水冷结构的优化主要关注表面放置密封圈位置的铜片温度以及密封圈各位置的温度差异，由于密封圈的工作条件要求在130℃以下，长时间在高温条件下运行可能导致密封圈老化出现破损甚至断裂，致使多通道级联电弧等离子体源达不到要求的真空环境而不能工作，同时密封圈各位置温差较大也会对其老化起到加速作用。根据级联铜片在放电过程中的实际冷却需要，设计了两种水冷结构1、2对现有的级联铜片冷却通道进行了优化，分别如图3、图4所示。图3中的入水管道和出水管道呈180°放置，为保证密封圈位置的冷却效果最好，冷却通道与圈竖直位置重合，管道的直径均为4mm。图4采用了水冷管道中常用的水冷方式，冷却水进入级联铜片后流经5个半圆型弯道后流出，半圆型弯道的直径为8.66mm，两个钼环之间的直水冷管道，考虑到级联铜片的尺寸，直径设置为2mm，其余水冷管道的直径均为4mm。

实施方式所述级联铜片水冷通道冷却计算，以现有的三通道级联铜片水冷通道为例。固定钼环内壁温度，对级联铜片在通入水后的温度分布进行仿真计算。对于级联铜片和冷却水温度的初始值设定有三种方法，方法1：级联铜片的初始温度和初始水温设置为与钼环内壁温度相同，方法2：级联铜片的初始温度设置与钼环内壁相同，初始水温设置为实验中设置的温度，方法3：级联铜片的初始温度设置为室温(278.15K，与实验相同)，初始水温设置为实验中设置的温度，其余条件设置相同(水流量10L/min)，三种方法得到的温度随时间变化曲线如图6所示(以铜片中心点为例)，可以看到在经过5s后该点的温度逐渐达到稳态，使用三种方法得到的稳态后温度数值相同，故三种方法均适用。但方法1由于初始的温度设置相同，模型相对于方法2、3比较稳定，且计算速度更快，故采用方法1对级联铜片的冷却进行计算。同时由图5可以看到温度在5s后已达到稳态，为节约计算时间，后序中的仿真计算时间均设置为20s。

图6为钼环内壁温度设置为不同数值时(300K～600K)，其余参数固定(水流量4L/min，初始水温15℃)，级联铜片三个不同的位置的温度变化曲线。图7为水流量设置为不同数值时(0～20L/min)，其余参数固定(内壁温度480K，初始水温15℃)，级联铜片三个不同的位置的温度变化曲线。可以看到级联铜片上各位置温度随着内壁温度的升高呈线性升高趋势，随着冷却水流量的增大，级联铜片温度降低，但下降速率变小。

图8为不同初始水温时(15℃～40℃)，其余参数固定(内壁温度480K，水流量4L/min)，级联铜片两个不同的位置的温度变化曲线。可以看到在冷却水流量较低时(小于4L/min)，入水温度对级联铜片的温升影响较小，在冷却水流量较高时，提高初始水温会使级联铜片的温度升高，冷却效果变差。

综上所述，对于不同水冷通道结构的冷却效果对比，可以将钼芯内壁温度、冷却水流量和初始水温参数固定，计算不同水冷通道结构下级联铜片各位置温度变化情况。

具体实施方式二：下面结合图3-5和图9说明本实施方式。由于级联铜片的结构对称，出水口/入水口无顺序之分。图2中右侧水冷通道作为入水口，左侧水冷通道作为出水口。图3中，下方水冷通道作为入水口，上方水冷通道作为出水口。图4中，右侧水冷通道作为入水口，左侧水冷通道作为出水口。在仿真计算中，固定钼芯内壁温度(570K)，冷却水流量(4L/min，在实验中冷却水的流量范围之内)，初始水温(20℃)。在密封圈一周每隔10°选取一个温度点，关注该水冷结构下稳态之后的温度分布。可以看到，图3、图4中的水冷结构相较于现有的水冷结构，密封圈位置的温度整体均有下降，尤其图5中水冷结构的冷却效果最好。图3中的水冷结构，相较于现有水冷结构，密封圈位置的最高温度下降了6.1℃(1.7％)，密封圈位置各温度的标准差由7.67下降至4.64，最大温差由23.1℃下降至18.5℃，表明密封圈位置温度分布更加均匀，减少了由于各位置温度差异过大导致的圈老化。图4中的水冷结构，相较于现有水冷结构，密封圈位置的最高温度下降了43.5℃(11.9％)，密封圈位置各温度的标准差由7.67下降至3.97，最大温差由23.1℃下降至14.8℃，同时出水/入水温差(出水温度-入水温度)由7.56℃提高至14.18℃，表明相同冷却水流量下冷却的效率提高了87.6％。

以上所述仅是一种无线机车信号发码系统的作业方法的优选实施方式，一种无线机车信号发码系统的作业方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置，其特征是：所述装置包括：圆柱形铜片、钼环、密封圈、不锈钢管道；

多个圆柱形铜片堆叠在一起形成级联铜片，钼环中间设有多通道级联电弧源的放电通道，钼环圆心距铜片圆心10mm，三个钼环互相呈120°放置，密封圈的圆心与铜片圆心重合，铜片内部存在水冷通道与外部的不锈钢管道相连接。

2.根据权利要求1所述的一种多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置，其特征是：圆柱形铜片的直径为60mm，厚度7mm，三个钼环的内径为2mm，外径为3mm。

3.根据权利要求2所述的一种多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置，其特征是：钼环中间设有多通道级联电弧源的放电通道直径为2mm。

4.根据权利要求3所述的一种多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置，其特征是：不锈钢管道包括入水不锈钢管道和出水不锈钢管道，通过银焊的方式将两个不锈钢管道与圆柱形铜片在水冷通道位置焊接在一起，两个不锈钢管道在与圆柱形铜片相接的位置直径为4mm，其余位置为5mm。

5.一种多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置优化方法，所述方法基于如权利要求1所述的一种多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置，其特征是：

采用的方法为耦合固体传热和非等温管道流对铜片的冷却过程建模，通过下式表示建模过程：

其中，u为管道中心线切线方向的横截面平均流体速度，A为管道的横截面积，ρ为密度，p为压力，f_D为摩擦因子，Re为雷诺数，e为管道粗糙度，d为管道直径，μ为粘性系数；Cp为恒压热容，T为冷却水温度，k为导热系数，Q_wall为水与铜片热交换的源项T₂为铜电极温度；Z为管道周长，h为传热系数，T_ext为管道外部温度。

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