本發(fā)明涉及冷卻管路系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種ITER磁體支撐高效傳熱直冷流道結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

ITER計(jì)劃，俗稱“人造太陽(yáng)”，是由中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)等七方共同投資建造的國(guó)際第一個(gè)可控核聚變托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)施ITER計(jì)劃，以研究可控核聚變技術(shù)工程應(yīng)用的可行性，為人類提供無(wú)限、清潔、安全的新能源開(kāi)辟新途徑。

ITER磁體支撐承擔(dān)著約2萬(wàn)噸超導(dǎo)線圈的全部重量，它們包括極向場(chǎng)線圈支撐和環(huán)向場(chǎng)線圈支撐。通過(guò)液氦冷卻至－269℃的超導(dǎo)線圈產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，弱磁性的磁體支撐會(huì)因強(qiáng)大的磁場(chǎng)渦流而加熱，通過(guò)熱輻射和熱傳導(dǎo)，線圈溫度會(huì)升高并可能失去低溫超導(dǎo)特性—電阻顯著升高，從而在強(qiáng)電流情況下造成超導(dǎo)線圈失效，甚至導(dǎo)致耗資巨大的實(shí)驗(yàn)裝置毀壞。所以，磁體支撐冷卻系統(tǒng)具有良好的冷卻能力至關(guān)重要。

ITER國(guó)際組織原設(shè)計(jì)中，采用銅板傳熱的間接冷卻方式對(duì)極向場(chǎng)線圈支撐進(jìn)行冷卻。見(jiàn)附圖1，根據(jù)這種間接冷卻方式，液氦由入口5進(jìn)入孔徑為9.66mm的冷卻管2，由出口6流出，由安裝在極向場(chǎng)線圈支撐1上的銅板3將熱量經(jīng)焊縫4傳導(dǎo)給冷卻管2，再由冷卻管2內(nèi)的液氦帶走熱量。這種間接冷卻方式存在結(jié)構(gòu)可靠性和制造工藝性差、成本高、傳熱效果不佳等問(wèn)題。首先，存在異種材料真空釬焊工藝、質(zhì)量控制及成本上的弊端。根據(jù)原設(shè)計(jì)，銅板3與奧氏體不銹鋼冷卻管2經(jīng)1050℃高溫真空釬焊焊接，純銅的熔點(diǎn)為1080℃，銅合金板的熔點(diǎn)更低。在進(jìn)行真空釬焊時(shí)，因銅元素?fù)]發(fā)后沉積在真空爐內(nèi)壁，損壞大型、昂貴的真空釬焊設(shè)備，因釬焊高溫導(dǎo)致已經(jīng)加工的1400mm×1200mm的銅合金板零件軟化而嚴(yán)重變形，焊縫冷卻后容易出現(xiàn)氣孔，無(wú)法返修，質(zhì)量控制難度大。其次，焊縫可靠性差。因銅合金板與奧氏體不銹鋼具有不同的塑性和強(qiáng)度，當(dāng)焊縫受到循環(huán)熱沖擊，即溫度在室溫到－269℃超低溫之間循環(huán)往復(fù)變化的工作環(huán)境條件下，焊縫裂紋可能出現(xiàn)疲勞斷裂，因此，ITER要求采用液氮進(jìn)行由室溫到－196℃的3個(gè)以上溫度循環(huán)變化的熱沖擊試驗(yàn)，經(jīng)氦檢漏焊縫的可靠性。第三，傳熱效果欠佳。ITER設(shè)計(jì)上，銅板裝在極向場(chǎng)線圈支撐的兩個(gè)部件之間，利用接觸式熱傳導(dǎo)方式導(dǎo)出線圈支撐上的熱量，存在散熱延遲，受支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制，在設(shè)計(jì)上采用一根冷卻管沿銅板的三條邊繞制，只在銅板的一組對(duì)邊實(shí)施釬焊，冷卻管傳導(dǎo)銅板熱量的效率低，焊縫氣孔、疲勞裂紋將降低銅板與冷卻管之間傳熱效果。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)建模和計(jì)算，采用ITER間接冷卻結(jié)構(gòu)，其傳熱效果未達(dá)到理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)，存在工程應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。

中國(guó)是ITER磁體支撐的唯一承制國(guó)，磁體支撐冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)刻不容緩。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，發(fā)明旨在提供一種ITER磁體支撐高效傳熱直冷流道結(jié)構(gòu)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：它包含磁體支撐主體零部件、流道、入口管嘴、出口管嘴，磁體支撐主體零部件內(nèi)設(shè)有五次回還的流道，流道由縱向直段、橫向直段和轉(zhuǎn)角構(gòu)成，轉(zhuǎn)角的兩端分別設(shè)有縱向直段和橫向直段，轉(zhuǎn)角、縱向直段和橫向直段均為的相等通徑，所述的轉(zhuǎn)角內(nèi)壁以圓形空腔圓滑過(guò)渡至縱向直段和橫向直段的內(nèi)壁，所述的流道的兩端分別焊接有入口管嘴和出口管嘴。

進(jìn)一步地，所述的橫向直段的外側(cè)焊接有流道堵封板。

本具體實(shí)施方式的工作原理：由于在被冷卻的磁體支撐主體零部件的內(nèi)部加工回轉(zhuǎn)五次回還流道，液氦經(jīng)入口管嘴進(jìn)入回還流道，充分吸收熱量，再由出口管嘴流出，與主冷卻系統(tǒng)管路形成流體冷卻回路，它的液氦與被冷卻的磁體支撐主體零部件的接觸長(zhǎng)度3倍于冷卻管和銅板之間的焊縫的長(zhǎng)度，流道內(nèi)液氦帶走的熱量更多，冷卻效率更高，液氦與被冷卻的磁體支撐主體零部件的直接接觸，使冷卻效果達(dá)到最佳狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高效傳熱、直接冷卻，確保ITER磁體支撐設(shè)備運(yùn)行可靠性。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明采用液氦冷卻液直接流經(jīng)上板和下板發(fā)熱體上的回繞流道，且冷卻液流程是原設(shè)計(jì)的4倍，能直接、高效帶走極向場(chǎng)線圈支撐在渦流中產(chǎn)生的大量熱量，滿足設(shè)備設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度要求，能阻止熱量大量聚集，極端情況下?lián)p壞低溫超導(dǎo)線圈風(fēng)險(xiǎn)，造成不可挽回的巨大損失。

附圖說(shuō)明

圖1為背景技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

1-極向場(chǎng)線圈支撐，2-不銹鋼冷卻管，3-銅板，4-焊縫，5-入口，6-冷卻管，7-磁體支撐主體零部件，8-流道，9-入口管嘴，10-出口管嘴，11-轉(zhuǎn)角，12-縱向直段，13-流道堵封板，14-橫向直段。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

參看圖2，本具體實(shí)施方式采用如下技術(shù)方案：它包含磁體支撐主體零部件7、流道8、入口管嘴9、出口管嘴10，磁體支撐主體零部件7采用316LN材料鍛件制成，磁體支撐主體零部件7內(nèi)設(shè)有五次回還的流道8，流道8由縱向直段12、橫向直段14和轉(zhuǎn)角11構(gòu)成，轉(zhuǎn)角11的兩端分別設(shè)有縱向直段12和橫向直段14，轉(zhuǎn)角11、縱向直段12和橫向直段14均為的相等通徑，所述的轉(zhuǎn)角11內(nèi)壁以圓形空腔圓滑過(guò)渡至縱向直段12和橫向直段14的內(nèi)壁，從入口管嘴9到出口管嘴10，整個(gè)流道保持相同的通徑，在轉(zhuǎn)角11處保持圓滑過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)流體在流道內(nèi)的流速、壓力的穩(wěn)定和流體均勻受熱，避免因局部紊流而導(dǎo)致液氦氣化、主冷卻系統(tǒng)壓力劇烈波動(dòng)，確保真空設(shè)備正常運(yùn)行，所述的流道8的兩端分別焊接有入口管嘴9和出口管嘴10。

進(jìn)一步地，所述的入口管嘴9和出口管嘴10均采用316LN材料鍛件制成。

進(jìn)一步地，所述的橫向直段14的外側(cè)焊接有流道堵封板13。

進(jìn)一步地，所述的入口管嘴9、出口管嘴10、流道堵封板13與被冷卻的磁體支撐主體零部件7均采用316LN材料鍛件制造，經(jīng)過(guò)氬弧焊組焊而成，材料和焊縫的低溫物理性能良好，在－196℃溫度下的沖擊功超過(guò)100J，在－269℃溫度下的抗拉強(qiáng)度超過(guò)1385MPa，用液氮進(jìn)行由室溫到－196℃的10個(gè)溫度循環(huán)變化的熱沖擊試驗(yàn)，經(jīng)氦檢漏，未發(fā)現(xiàn)任何異常，焊縫可靠性好，適應(yīng)溫度在室溫到超低溫之間循環(huán)往復(fù)變化的工作環(huán)境，能確保ITER磁體支撐設(shè)備運(yùn)行可靠性。

本具體實(shí)施方式的工作原理：由于在被冷卻的磁體支撐主體零部件7的內(nèi)部加工回轉(zhuǎn)五次回還流道8，液氦經(jīng)入口管嘴9進(jìn)入回還流道8，充分吸收熱量，再由出口管嘴10流出，與主冷卻系統(tǒng)管路形成流體冷卻回路，與原設(shè)計(jì)中相比，本發(fā)明的液氦與被冷卻的磁體支撐主體零部件7的接觸長(zhǎng)度3倍于冷卻管2和銅板3之間的焊縫4的長(zhǎng)度，流道8內(nèi)液氦帶走的熱量更多，冷卻效率更高，與原設(shè)計(jì)中相比，本發(fā)明的液氦與被冷卻的磁體支撐主體零部件7的直接接觸，使冷卻效果達(dá)到最佳狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高效傳熱、直接冷卻，確保ITER磁體支撐設(shè)備運(yùn)行可靠性。

本具體實(shí)施方式的有益效果：本具體實(shí)施方式采用液氦冷卻液直接流經(jīng)上板和下板發(fā)熱體上的回繞流道，且冷卻液流程是原設(shè)計(jì)的4倍，能直接、高效帶走極向場(chǎng)線圈支撐在渦流中產(chǎn)生的大量熱量，滿足設(shè)備設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度要求，能阻止熱量大量聚集，極端情況下?lián)p壞低溫超導(dǎo)線圈風(fēng)險(xiǎn)，造成不可挽回的巨大損失。