CN101777391A - 一种法拉第屏蔽氦冷却管结构 - Google Patents

一种法拉第屏蔽氦冷却管结构 Download PDF

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宋云涛
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杨庆喜
赵燕平
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Abstract

本发明公开了一种法拉第屏蔽氦冷却管结构，包括有外管，还包括有多瓣空心管道结构的分流心轴，外管套在分流心轴外部，外管与分流心轴之间有金属粉末材料制成的多孔介质层，多孔介质层与外管内壁、分流心轴外壁通过烧结紧密结合为一体；分流心轴上沿轴向每相隔一定距离开有环绕分流心轴中心的偶数个瓣状管道，瓣状管道与轴向方向平行，瓣状管道的截面呈花瓣状环绕在分流心轴截面的中心周围；在分流心轴与每瓣瓣状管道对应的管身上，沿径向方向开有与瓣状管道连通的换气孔，换气孔的孔面紧贴多孔介质层。本发明的技术还可运用于未来核聚变装置中其它内部部件的冷却以及类似表面承受高流密度部件的冷却。

Description

一种法拉第屏蔽氦冷却管结构
技术领域
本发明涉及微波加热冷却装置领域，尤其是一种离子回旋加热(ICRF)天线的法拉第屏蔽氦冷却管结构。
背景技术
在目前已有的托卡马克核聚变装置中，离子回旋共振加热(ICRF)是托卡马克装置上非常重要的辅助加热手段之一。随着托卡马克装置实验参数小断地提高，面对等离子体部件将承受越来越高的热负荷。法拉第屏蔽为ICRF天线中面向等离子体部件，是天线中承受热负荷最高的部分。在目前世界上主要几个核聚变实验装置中，ICRF天线中的法拉第屏蔽都采用去离子水作为换热工质的水冷结构。但是在未来核聚变装置中，面向等离子体部件所承受的热流密度将高达10MW/m2量级，作为面向等离子体的法拉第屏蔽在如此高的热负荷下进行实验，如果不及时带走法拉第屏蔽表面的热量，将会烧蚀装置而导致实验无法进行。届时普通的换热结构将无法满足其换热要求，而且以水为换热工质虽然易行但却存在一定的安全隐患，一旦发生泄漏将会导致整个托卡马克装置的无法运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种法拉第屏蔽氦冷却管结构，针对法拉第屏蔽冷却结构存在的问题，在未来高参数的实验运行背景下，通过氦冷却技术来带走高温等离子体辐射到法拉第屏蔽上的高热流，确保法拉第屏蔽在整个装置中不被烧蚀，从而保证整个离子回旋加热天线装置稳定运行。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种法拉第屏蔽氦冷却管结构，包括有外管，其特征在于：还包括有多瓣空心管道结构的分流心轴，所述外管套在分流心轴外部，所述外管与分流心轴之间有金属粉末材料制成的多孔介质层，所述多孔介质层与外管内壁、分流心轴外壁通过烧结紧密结合为一体；所述分流心轴开有均匀环绕在分流心轴中心轴线周围的偶数个瓣状管道，所述瓣状管道与所述分流心轴的中心轴线平行；在每瓣瓣状管道的管身上，沿径向方向开有多个与瓣状管道连通的换气孔，所述换气孔的孔面紧贴所述多孔介质层。
所述的一种法拉第屏蔽氦冷却管结构，其特征在于：所述多孔介质层由铜粉烧结而成，所述介质层厚度为3mm，介质孔隙率约为50％。
所述的一种法拉第屏蔽氦冷却管结构，其特征在于：所述分流心轴材料为316L不锈钢。
所述的一种法拉第屏蔽氦冷却管结构，其特征在于：所述外管材料为Φ11X1、316L不锈钢管。
本发明的法拉第屏蔽氦冷却管是一种以氦气为换热工质的泵驱动单相多孔介质层热交换结构，此种结构利用氦气与多孔介质层之间高换热系数的优点，并尽可能的缩短氦气的冷却行程，对法拉第屏蔽进行均匀冷却，极大地提高了换热效率。
本发明结构由外管(316L不锈钢)、多孔介质层(铜粉烧结)及分流心轴(316L)组成。多孔介质层与外管内壁及分流心轴外壁通过烧结紧密结合，降低各部分分界面的热阻从而提高换热效率。
本发明的外管为Φ11X1、材料为316L的不锈钢，它是热的主要承受载体。
本发明的多孔介质层为铜粉烧结而成，厚度为3mm，介质孔隙率约为50％，其目的增大换热面积和换热系数。
本发明的分流心轴结构材料为316L不锈钢，是一种多瓣空心管道结构。其作用一是提高冷却管的整体强度；其二是使得氦气在流入端分流，在换热过程中在相对于流入端不同的位置进入多孔介质层，在多孔介质层中通过一定距离后流出。分流心轴有偶数n个氦气的瓣状通道，相对于流入端在分流心轴的每段瓣状管道上开换气孔。工作时，氦气在瓣状管道的流入端流入，分流为n/2份，每一份氦气都经过分流心轴上相应的换气孔进入多孔介质层进行换热，最后通过多孔介质层对应的下一段瓣状管道上的换气孔从另一端流出。此分流心轴上有许多氦气换气孔，目的是通过减小换热工质的行程长度来提高法拉第屏蔽的换热效率和均匀冷却法拉第屏蔽，从而增强氦气的冷却效果。
本发明的有益效果是：利用氦气在核聚变装置运行环境中的相对安全稳定性和其与多孔介质的高换热系数来提高法拉第屏蔽管的换热效率(根据经验公式及实验得出总体换热系数可以高达106W/m2/K)。最终解决承受高热流密度的法拉第屏蔽管的换热问题，本发明的技术还可运用于未来核聚变装置中其它内部部件的冷却以及类似表面承受高流密度部件的冷却。
本发明的有益效果为：利用氦气在核聚变装置运行环境中的相对安全稳定性和其与多孔介质层的高换热系数来提高法拉第屏蔽的换热效率(根据经验公式及实验得出总体换热系数可以高达106W/m2/K)。最终解决承受高热流密度的法拉第屏蔽的换热问题，本发明的技术还可运用于未来核聚变装置中其它内部部件的冷却以及类似表面承受高流密度部件的冷却。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明分流心轴管截面示意图。
图3为本发明分流心轴管身截面示意图。
具体实施方式
一种法拉第屏蔽氦冷却管结构，包括有外管1，外管1材料为Φ11X1、316L不锈钢管。还包括有多瓣空心管道结构的分流心轴3，分流心轴3材料为316L不锈钢。外管1套在分流心轴3外部，外管1与分流心轴3之间有金属粉末材料制成的多孔介质层2，多孔介质层2由铜粉烧结而成，介质层厚度为3mm，介质孔隙率约为50％。多孔介质层2与外管1内壁、分流心轴3外壁通过烧结紧密结合为一体；分流心轴3开有均匀环绕在分流心轴中心轴线周围的偶数个瓣状管道6，瓣状管道6与分流心轴3的中心轴线平行；在每瓣瓣状管道的管身上，沿径向方向开有与瓣状管道连通的换气孔，每瓣瓣状管道的换气孔有多个，换气孔的孔面紧贴多孔介质层2。
如图1、图2、图3所示。分流心轴3的瓣状管道分成偶数瓣，形成n/2个换热通道。多孔介质层2由铜粉在不锈钢的外管1及分流心轴2之间烧结而成。工作过程如图下：工作时氦气从瓣状管道一端流入，以其中一个瓣状管道为例，氦气流入后，从流入的瓣状管道对应的换气孔4进入多孔介质层2，在多孔介质层2进行换热后，经由另一瓣状管道对应的换气孔5流出完成换热过程。

Claims (4)

1.一种法拉第屏蔽氦冷却管结构，包括有外管，其特征在于：还包括有多瓣空心管道结构的分流心轴，所述外管套在分流心轴外部，所述外管与分流心轴之间有金属粉末材料制成的多孔介质层，所述多孔介质层与外管内壁、分流心轴外壁通过烧结紧密结合为一体；所述分流心轴开有均匀环绕在分流心轴中心轴线周围的偶数个瓣状管道，所述瓣状管道与所述分流心轴的中心轴线平行；在每瓣瓣状管道的管身上，沿径向方向开有多个与瓣状管道连通的换气孔，所述换气孔的孔面紧贴所述多孔介质层。
2.根据权利要求1所述的一种法拉第屏蔽氦冷却管结构，其特征在于：所述多孔介质层由铜粉烧结而成，所述介质层厚度为3mm，介质孔隙率约为50％。
3.根据权利要求1所述的一种法拉第屏蔽氦冷却管结构，其特征在于：所述分流心轴材料为316L不锈钢。
4.根据权利要求1所述的一种法拉第屏蔽氦冷却管结构，其特征在于：所述外管材料为Ф11X1、316L不锈钢管。
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