一種法拉第屏蔽氦冷卻管結構的製作方法
2023-05-18 06:02:16
專利名稱:一種法拉第屏蔽氦冷卻管結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及微波加熱冷卻裝置領域，尤其是一種離子迴旋加熱(ICRF)天線的法 拉第屏蔽氦冷卻管結構。
背景技術：
在目前已有的託卡馬克核聚變裝置中，離子迴旋共振加熱(ICRF)是託卡馬克裝 置上非常重要的輔助加熱手段之一。隨著託卡馬克裝置實驗參數小斷地提高，面對等離子 體部件將承受越來越高的熱負荷。法拉第屏蔽為ICRF天線中面向等離子體部件，是天線中 承受熱負荷最高的部分。在目前世界上主要幾個核聚變實驗裝置中，ICRF天線中的法拉第 屏蔽都採用去離子水作為換熱工質的水冷結構。但是在未來核聚變裝置中，面向等離子體 部件所承受的熱流密度將高達10麗/m2量級，作為面向等離子體的法拉第屏蔽在如此高的 熱負荷下進行實驗，如果不及時帶走法拉第屏蔽表面的熱量，將會燒蝕裝置而導致實驗無 法進行。屆時普通的換熱結構將無法滿足其換熱要求，而且以水為換熱工質雖然易行但卻 存在一定的安全隱患，一旦發生洩漏將會導致整個託卡馬克裝置的無法運行。
發明內容
本發明的目的是提供一種法拉第屏蔽氦冷卻管結構，針對法拉第屏蔽冷卻結構存 在的問題，在未來高參數的實驗運行背景下，通過氦冷卻技術來帶走高溫等離子體輻射到 法拉第屏蔽上的高熱流，確保法拉第屏蔽在整個裝置中不被燒蝕，從而保證整個離子迴旋 加熱天線裝置穩定運行。
為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案為
—種法拉第屏蔽氦冷卻管結構，包括有外管，其特徵在於還包括有多瓣空心管道 結構的分流心軸，所述外管套在分流心軸外部，所述外管與分流心軸之間有金屬粉末材料 製成的多孔介質層，所述多孔介質層與外管內壁、分流心軸外壁通過燒結緊密結合為一體； 所述分流心軸開有均勻環繞在分流心軸中心軸線周圍的偶數個瓣狀管道，所述瓣狀管道與 所述分流心軸的中心軸線平行；在每瓣瓣狀管道的管身上，沿徑向方向開有多個與瓣狀管 道連通的換氣孔，所述換氣孔的孔面緊貼所述多孔介質層。
所述的一種法拉第屏蔽氦冷卻管結構，其特徵在於所述多孔介質層由銅粉燒結 而成，所述介質層厚度為3mm，介質孔隙率約為50%。
所述的一種法拉第屏蔽氦冷卻管結構，其特徵在於所述分流心軸材料為316L不 鏽鋼。
所述的一種法拉第屏蔽氦冷卻管結構，其特徵在於所述外管材料為①11Xl、 316L不鏽鋼管。
本發明的法拉第屏蔽氦冷卻管是一種以氦氣為換熱工質的泵驅動單相多孔介質 層熱交換結構，此種結構利用氦氣與多孔介質層之間高換熱係數的優點，並儘可能的縮短 氦氣的冷卻行程，對法拉第屏蔽進行均勻冷卻，極大地提高了換熱效率。[0010] 本發明結構由外管(316L不鏽鋼)、多孔介質層(銅粉燒結)及分流心軸(316L) 組成。多孔介質層與外管內壁及分流心軸外壁通過燒結緊密結合，降低各部分分界面的熱 阻從而提高換熱效率。
本發明的外管為①11Xl、材料為316L的不鏽鋼，它是熱的主要承受載體。
本發明的多孔介質層為銅粉燒結而成，厚度為3皿，介質孔隙率約為50%，其目的
增大換熱面積和換熱係數。
本發明的分流心軸結構材料為316L不鏽鋼，是一種多瓣空心管道結構。其作用一 是提高冷卻管的整體強度；其二是使得氦氣在流入端分流，在換熱過程中在相對於流入端 不同的位置進入多孔介質層，在多孔介質層中通過一定距離後流出。分流心軸有偶數n個 氦氣的瓣狀通道，相對於流入端在分流心軸的每段瓣狀管道上開換氣孔。工作時，氦氣在 瓣狀管道的流入端流入，分流為n/2份，每一份氦氣都經過分流心軸上相應的換氣孔進入 多孔介質層進行換熱，最後通過多孔介質層對應的下一段瓣狀管道上的換氣孔從另一端流 出。此分流心軸上有許多氦氣換氣孔，目的是通過減小換熱工質的行程長度來提高法拉第 屏蔽的換熱效率和均勻冷卻法拉第屏蔽，從而增強氦氣的冷卻效果。
本發明的有益效果是利用氦氣在核聚變裝置運行環境中的相對安全穩定性和其 與多孔介質的高換熱係數來提高法拉第屏蔽管的換熱效率(根據經驗公式及實驗得出總 體換熱係數可以高達106W/m2/K)。最終解決承受高熱流密度的法拉第屏蔽管的換熱問題， 本發明的技術還可運用於未來核聚變裝置中其它內部部件的冷卻以及類似表面承受高流 密度部件的冷卻。
本發明的有益效果為利用氦氣在核聚變裝置運行環境中的相對安全穩定性和其 與多孔介質層的高換熱係數來提高法拉第屏蔽的換熱效率(根據經驗公式及實驗得出總 體換熱係數可以高達106W/m2/K)。最終解決承受高熱流密度的法拉第屏蔽的換熱問題，本 發明的技術還可運用於未來核聚變裝置中其它內部部件的冷卻以及類似表面承受高流密 度部件的冷卻。
圖1為本發明結構示意圖。
圖2為本發明分流心軸管截面示意圖。
圖3為本發明分流心軸管身截面示意圖。
具體實施方式
—種法拉第屏蔽氦冷卻管結構，包括有外管l，外管1材料為①11X1、316L不鏽鋼 管。還包括有多瓣空心管道結構的分流心軸3，分流心軸3材料為316L不鏽鋼。外管l套 在分流心軸3外部，外管1與分流心軸3之間有金屬粉末材料製成的多孔介質層2，多孔介 質層2由銅粉燒結而成，介質層厚度為3mm，介質孔隙率約為50%。多孔介質層2與外管1 內壁、分流心軸3外壁通過燒結緊密結合為一體；分流心軸3開有均勻環繞在分流心軸中心 軸線周圍的偶數個瓣狀管道6，瓣狀管道6與分流心軸3的中心軸線平行；在每瓣瓣狀管道 的管身上，沿徑向方向開有與瓣狀管道連通的換氣孔，每瓣瓣狀管道的換氣孔有多個，換氣 孔的孔面緊貼多孔介質層2。
4[0020] 如圖1、圖2、圖3所示。分流心軸3的瓣狀管道分成偶數瓣，形成n/2個換熱通道。 多孔介質層2由銅粉在不鏽鋼的外管1及分流心軸2之間燒結而成。工作過程如圖下工 作時氦氣從瓣狀管道一端流入，以其中一個瓣狀管道為例，氦氣流入後，從流入的瓣狀管道 對應的換氣孔4進入多孔介質層2，在多孔介質層2進行換熱後，經由另一瓣狀管道對應的 換氣孔5流出完成換熱過程。
權利要求
一種法拉第屏蔽氦冷卻管結構，包括有外管，其特徵在於還包括有多瓣空心管道結構的分流心軸，所述外管套在分流心軸外部，所述外管與分流心軸之間有金屬粉末材料製成的多孔介質層，所述多孔介質層與外管內壁、分流心軸外壁通過燒結緊密結合為一體；所述分流心軸開有均勻環繞在分流心軸中心軸線周圍的偶數個瓣狀管道，所述瓣狀管道與所述分流心軸的中心軸線平行；在每瓣瓣狀管道的管身上，沿徑向方向開有多個與瓣狀管道連通的換氣孔，所述換氣孔的孔面緊貼所述多孔介質層。
2. 根據權利要求
1所述的一種法拉第屏蔽氦冷卻管結構，其特徵在於所述多孔介質 層由銅粉燒結而成，所述介質層厚度為3mm，介質孔隙率約為50%。
3. 根據權利要求
1所述的一種法拉第屏蔽氦冷卻管結構，其特徵在於所述分流心軸 材料為316L不鏽鋼。
4. 根據權利要求
1所述的一種法拉第屏蔽氦冷卻管結構，其特徵在於所述外管材料 為①11X1、316L不鏽鋼管。
專利摘要
本發明公開了一種法拉第屏蔽氦冷卻管結構，包括有外管，還包括有多瓣空心管道結構的分流心軸，外管套在分流心軸外部，外管與分流心軸之間有金屬粉末材料製成的多孔介質層，多孔介質層與外管內壁、分流心軸外壁通過燒結緊密結合為一體；分流心軸上沿軸向每相隔一定距離開有環繞分流心軸中心的偶數個瓣狀管道，瓣狀管道與軸向方向平行，瓣狀管道的截面呈花瓣狀環繞在分流心軸截面的中心周圍；在分流心軸與每瓣瓣狀管道對應的管身上，沿徑向方向開有與瓣狀管道連通的換氣孔，換氣孔的孔面緊貼多孔介質層。本發明的技術還可運用於未來核聚變裝置中其它內部部件的冷卻以及類似表面承受高流密度部件的冷卻。
文檔編號G21B1/11GKCN101777391SQ200910251708
公開日2010年7月14日 申請日期2009年12月31日
發明者宋雲濤, 李長春, 楊慶喜, 王成昊, 趙燕平 申請人:中國科學院等離子體物理研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan