CN203984760U - 一种高产额中子发生器高电位端散热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高产额中子发生器高电位端散热装置。包括两套冷却循环系统，一套是位于高电位端的液态金属循环冷却系统，一套是跨接高低电位端的绝缘油循环冷却系统。两套系统通过液态金属与绝缘油热交换器进行热量交换，液态金属循环冷却系统的热量由绝缘油循环冷却系统带走。高压端实现高热流密度散热后，体积将大幅度减小，原来只能用绝缘油循环冷却的部件，热功率密度<10W/cm²，现在可以>400W/cm²，发热体表面积至少可以减少40倍，体积大幅度减小，尤其是真空部件体积大幅度减少，制作难度降低，造价大幅度降低。适合用于需要在高电位端进行散热的领域，如高产额中子发生器等。

Description

一种高产额中子发生器高电位端散热装置

技术领域

本实用新型涉及核技术及应用领域，尤其涉及高产额中子发生器高电位端散热装置。

背景技术

加速器中子发生器的离子束轰击靶时产生很高的能量沉积，即使在通水冷却的条件下，靶上能够承受的热功率密度也必须控制在一个合适的范围。目前通常采用三种方式提升靶承受热功率的能力：一是加大离子束束斑直径，这种方法的优点是靶上可以承受更多的离子束注入，总的中子产额增加，这种方法的缺点是中子源的点源特性变差，准直比降低，这在很多应用领域都是不利的，比如：快中子照相、中子治疗、爆炸物检测等。二是中国专利CN203057673U(公开日为2013年1月27日)公开了一种采用旋转靶方式增加靶面积的方法，该方法的优点是可以在不增加束斑尺寸的条件下，提升靶承受沉积功率的能力，进而提升中子产额和通量，该方法的缺点是结构复杂，体积庞大，有运动机构，可靠性稍差，成本较高；三是中国专利CN201010238639.5(公开日为2010年7月28日)公开了一种采用气体靶的方法，该方法的优点是无固定靶，产额高，靶寿命长，该方法的缺点是技术难度高，真空系统体积庞大，能耗高，造价高。上述三种方法，适合在地电位端工作，放在高压端，结构及控制都会异常复杂。

高产额中子发生器，靶上的热功率高达几十kW～几百kW,加上很多情况下发热部件的尺寸小，热功率密度将会非常高，达到几百W/cm²。

在散热工质选择方面，中国专利CN103200759A(公开日为2013年7月10日)公开了一种利用高导热陶瓷对高压端靶进行散热的方法，该方法适合热流密度不高的中子发生器上使用，不适合极高热流密度部件的散热。

水作为最常用的散热工质，散热能力很强，但是不适合直接连通高电位端进行散热，一是在直流电压下，水会分解成氢气和氧气，非常危险；二是水的绝缘性能不好，即使是高纯度去离子水，在循环管道中，也很容易溶解杂质，造成绝缘性能下降；三是热功率密度超过300W/cm²，水与靶内壁的温差超过100度，水将进入沸腾散热模式。在高压端，循环水处在密闭小空间内，沸腾可能引起内部高压力，造成严重故障。

绝缘油是另一种比较常用的散热工质，可以用在高电位端对靶进行循环冷却，解决了跨接高低电位的问题。但是，油的粘滞系数大，散热能力远低于水，带走高热流密度的能力很差，一般将热流密度控制在几十W/cm²以内，因此，只能用于低热流密度的部件。

低熔点液态金属或其合金作为一种新型的散热工质，比如镓及其合金，熔点低于20度，镓合金的过冷度高，能够长时间在零度以下环境中保持液态，最关键的是对流散热系数是水的几十倍，适合超高热流密度(300W/cm²以上)发热部件的散热，另外，液态金属的沸点超过2千度，即使在几百度高温下运行，也不会产生水或油的沸腾问题，非常安全可靠。

近年来发展起来的低熔点液态金属或其合金已经应用于一些高热流密度部件的散热，比如：文献《电磁驱动液态金属热控系统分析》对低熔点液态金属散热系统进行了详细介绍；专利CN102637542B介绍了一种基于液态金属或其合金循环散热的大容量直流断路器用散热器；CN203038911U介绍了一种基于液态金属的散热装置。上述应用领域都是直接用在地电位端进行循环散热，不涉及在高电位端散热的问题。由于液态金属是良导体，不能直接在高低电位端之间循环。目前还未见到将低熔点液态金属或其合金应用在高电位端进行散热的研究，尤其是未见到用在高产额中子发生器领域的报道。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高产额中子发生器高电位端散热装置，解决目前在高电位端无法对空间尺寸受限的高热流密度部件散热问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种高产额中子发生器高电位端散热装置，其技术构思是：包括两套冷却循环系统，一套是位于高电位端的液态金属循环冷却系统，一套是跨接高低电位端的绝缘油循环冷却系统。两套系统通过液态金属与绝缘油热交换器进行热量交换，液态金属循环冷却系统的热量由绝缘油循环冷却系统带走。具体技术方案是：

一种高产额中子发生器高电位端散热装置，涉及高产额中子发生器的发热部件，所述发热部件内设有内部通道，所述内部通道内充满低熔点液态金属，所述发热部件外安装有热交换器，所述低熔点液态金属经驱动装置驱动，在所述热交换器与发热部件内部通道之间循环；所述热交换器内充满绝缘冷却液，所述绝缘冷却液通过管道与外部散热器循环连接，液态金属的高传热能力可以将发热部件产生高热流密度的热量快速带走，保证发热部件的工作温度低于其可以承受的温度。

所述高产额中子发生器高电位端散热装置还包括高电压转接装置，所述高电压转接装置与所述中子发生器主体连接，所述热交换器安装在所述高电压转接装置内。所述液态金属循环冷却系统中的液态金属与绝缘油热交换器，安装在远离空间受限的高热流密度发热部件位置，因此空间尺寸不再受到限制；相同的热功率，通过大幅度增加热交换的面积，将热流密度降低到绝缘油可以顺利带走的范围，比如<10W/cm²。

优选的，所述驱动装置为电磁泵。

所述电磁泵位于热交换器的液态金属出口处，此时的液态金属温度远低于电磁泵磁钢的工作温度，不会造成磁钢退磁。

优选的，所述绝缘冷却液为绝缘油。

所述高产额中子发生器高电位端散热装置，还包括油泵，所述油泵安装在所述热交换器与外部散热器之间的管道上。

所述发热部件为中子发生器的高热流密度靶，或者为离子源的高发热量部件。

所述的高电压转接装置内部充满绝缘油，所述热交换器的油循环管道浸没其中，内外表面都是绝缘油，绝缘性能满足跨接高低电位的要求，实现高低电位油路连通。

所述绝缘油循环冷却系统中的液态金属与绝缘油热交换器位于高电位端，绝缘油通过热交换器吸收液态金属的热量，自身温度上升，然后通过位于高电压转接装置内部的绝缘管道，流动到地电位端，实现将高电位端热量带到地电位端的功能。绝缘油中的热量，在地电位端，由外部散热器带走。

本实用新型的有益效果是：高产额中子发生器根据设计需要，灵活地将高热流密度发热部件任意安装地电位或者高电位一端，不再有跨接高低电位的障碍，降低制作难度；另外，高压端实现高热流密度散热后，体积将大幅度减小，原来只能用绝缘油循环冷却的部件，热功率密度<10W/cm²，现在可以>400W/cm²，发热体表面积至少可以减少40倍，体积大幅度减小，尤其是真空部件体积大幅度减少，制作难度降低，造价大幅度降低。对于需要烘烤除气的系统，体积小，带来的益处更大。本实用新型不仅可以用于靶散热，也可以用于离子源或其他部件的散热。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步具体说明。

图1为本实用新型平面结构示意图。

图中：1—中子发生器主体，2—发热部件(靶)，3—电磁泵出口管道，4—电磁泵，5—外部散热器，6—液态金属回流管道，7—陶瓷隔离支撑，8—油浸高电压转接装置，9—液态金属与绝缘油热交换器，10—高压引入插座，11—高压引入电极，12—循环冷却油进出口，13—油泵。

具体实施方式

结合图1所示，本实用新型的高产额中子发生器高电位端散热方法包括以下几个部分：中子发生器主体1，发热部件2，电磁泵出口管道3，电磁泵4，外部散热器5，液态金属回流管道6，陶瓷隔离支撑7，油浸高电压转接装置8，液态金属与绝缘油热交换器9，高压引入插座10，高压引入电极11，循环冷却油进出管道12，油泵13。

中子发生器主体1内部为真空系统，发热部件2是靶，靶内部设有内部管道，管道内充满低熔点液态金属。靶外部安装有热交换器，低熔点液态金属经驱动装置驱动，在热交换器与发热部件内部通道之间循环；热交换器内充满绝缘冷却液，所述绝缘冷却液通过管道与外部散热器循环连接，氘离子轰击靶的表面，产生中子。对于高产额的中子发生器，氘离子束流强度很大，在靶的表面将产生高热流密度，内部循环的液态金属的功能就是将靶产生的高热流密度热量带走。电磁泵4驱动液态金属循环流动，电磁泵出口管道3连接电磁泵4和发热部件2，液态金属回流管道6连接液态金属与绝缘油热交换器9与发热部件2，电磁泵4位于液态金属与绝缘油热交换器9的出口侧，此时的液态金属已经冷却，不会引起电磁泵磁钢的退磁。陶瓷绝缘支撑7将真空系统与油浸高电压转接装置8隔离，同时起到高压绝缘和支撑高压部件的作用。

油浸高电压转接装置8中充满了绝缘油，电磁泵4、液态金属与绝缘油热交换器9、连接管道3和6、循环冷却油进出口12的绝缘材料制成的管道、高压引入插座10等部件浸没在绝缘油中。外部散热器5通过循环冷却油进出口12的绝缘材料制成的管道与位于高压端的液态金属与绝缘油热交换器9连通，由普通的油泵13驱动循环散热。高电压通过高压引入插座10，将高压引入电极11连接到高电位端上，并给电磁泵4供电。

实施例1

某一种小型定向高通量中子发生器，为了实现高产额和高通量，靶的尺寸比较小，氘离子轰击区域的宽度10mm，长度500mm，热功率密度高达350W/cm²。为了保持靶面温度低于300度，壁厚1mm的钛靶，内外表面温差高达200度，内部的循环水与钛管的温差接近100度，因为单相水的对流换热系数不够高，必须进入过冷沸腾散热模式，才能将350W/cm²的高热流密度带走。因此，只能将靶安置在地电位端，而离子源必须放在高电位端，这样一来，可供选择的离子源几乎只有供电最简单的潘宁离子源，其引出离子束中的原子离子比很低，同时还增加了一个主绝缘间距，增加了50％的真空室直径。

采用本实用新型的高压端散热技术，将靶放置在高压端，少了一个主绝缘间距和潘宁源的厚度，中子发生器的真空室内部直径减少50％左右。离子源放置在地电位端，可以不用潘宁离子源，改用射频离子源，极大地提高了引出离子束中的单原子离子比例，中子产额不变的条件下，氘离子束流减少50％。同时，液态金属的散热能力比水高出几十倍，液态金属与靶壁的温差基本可以忽略。因此，本例中的中子发生器，同样的靶尺寸和中子产额，靶面温度将从300度左右下降到150度以内，延长了使用寿命，效果十分显著。

实施例2

有一种高产额氘氘中子发生器，靶上功率几十kW～几百kW，为了提升产额，减少靶上功率，必须采用射频离子源，因为射频离子源的单原子离子比例高。同时为了供电简单，射频离子源只能放置在地电位端，相应的靶就必须放在高电位端。水的绝缘性能不好，只能用绝缘油跨接高低电位，循环冷却位于高电位端的发热靶。由于绝缘油的对流散热能力极差，热功率密度只能<10W/cm²。

离子束能量200keV，流强1A，功率200kW，靶面直径500mm，圆柱部分长1000mm，靶面积约20000cm²，靶面热流密度约10W/cm²。冷却油温升控制在5度，冷却油流量为20L/s，厚度1mm的纯钛自成靶，靶面温升70度左右，氘氘中子产额约为5×10¹¹n/s。

采用本实用新型的高压端散热技术，替换成液态金属冷却靶，功率密度增加到200W/cm²，表面积可以减少20倍，靶的尺寸从1000mm×直径500mm，缩小为200mm×直径150mm，增加了一个高压端的液态金属与绝缘油热交换器尺寸400mm长×直径150mm的空间，整个高压端部件体积只有原来的6％左右，效果十分显著。液态金属与绝缘油热交换器中绝缘油温升5度，流量为20L/s，靶表面温升60度左右。

本领域技术人员当然能够理解，将靶换成高压端其他发热部件；将电磁泵换成机械泵及其它驱动装置，具有相同的技术效果。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种高产额中子发生器高电位端散热装置，涉及高产额中子发生器的发热部件，其特征在于，所述发热部件内设有内部通道，所述内部通道内充满低熔点液态金属，所述发热部件外安装有热交换器，所述低熔点液态金属经驱动装置驱动，在所述热交换器与发热部件内部通道之间循环；所述热交换器内充满绝缘冷却液，所述绝缘冷却液通过管道与外部散热器循环连接。

2.根据权利要求1所述的高产额中子发生器高电位端散热装置，其特征在于，还包括高电压转接装置，所述高电压转接装置与所述中子发生器主体连接，所述热交换器安装在所述高电压转接装置内。

3.根据权利要求1或2所述的高产额中子发生器高电位端散热装置，其特征在于，所述驱动装置为电磁泵。

4.根据权利要求3所述的高产额中子发生器高电位端散热装置，其特征在于，所述电磁泵位于热交换器的液态金属出口处。

5.根据权利要求1所述的高产额中子发生器高电位端散热装置，其特征在于，所述绝缘冷却液为绝缘油。

6.根据权利要求1所述的高产额中子发生器高电位端散热装置，其特征在于，还包括油泵，所述油泵安装在所述热交换器与外部散热器之间的管道上。

7.根据权利要求1所述的高产额中子发生器高电位端散热装置，其特征在于，所述发热部件为中子发生器的高热流密度靶，或者为离子源的高发热量部件。

8.根据权利要求2所述的高产额中子发生器高电位端散热装置，其特征在于，所述的高电压转接装置内部充满绝缘油，所述热交换器的油循环管道浸没其中，内外表面都是绝缘油，绝缘性能满足跨接高低电位的要求，实现高低电位油路连通。