專利名稱:一種法拉第屏蔽氦冷卻管結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波加熱冷卻裝置領(lǐng)域，尤其是一種離子回旋加熱(ICRF)天線的法 拉第屏蔽氦冷卻管結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在目前已有的托卡馬克核聚變裝置中，離子回旋共振加熱(ICRF)是托卡馬克裝 置上非常重要的輔助加熱手段之一。隨著托卡馬克裝置實(shí)驗(yàn)參數(shù)小斷地提高，面對(duì)等離子 體部件將承受越來越高的熱負(fù)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(fù)荷最高的部分。在目前世界上主要幾個(gè)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置中，ICRF天線中的法拉第 屏蔽都采用去離子水作為換熱工質(zhì)的水冷結(jié)構(gòu)。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(dá)10麗/m2量級(jí)，作為面向等離子體的法拉第屏蔽在如此高的 熱負(fù)荷下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如果不及時(shí)帶走法拉第屏蔽表面的熱量，將會(huì)燒蝕裝置而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無 法進(jìn)行。屆時(shí)普通的換熱結(jié)構(gòu)將無法滿足其換熱要求，而且以水為換熱工質(zhì)雖然易行但卻 存在一定的安全隱患，一旦發(fā)生泄漏將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)托卡馬克裝置的無法運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種法拉第屏蔽氦冷卻管結(jié)構(gòu)，針對(duì)法拉第屏蔽冷卻結(jié)構(gòu)存 在的問題，在未來高參數(shù)的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行背景下，通過氦冷卻技術(shù)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(gè)裝置中不被燒蝕，從而保證整個(gè)離子回旋 加熱天線裝置穩(wěn)定運(yùn)行。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為
—種法拉第屏蔽氦冷卻管結(jié)構(gòu)，包括有外管，其特征在于還包括有多瓣空心管道 結(jié)構(gòu)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 制成的多孔介質(zhì)層，所述多孔介質(zhì)層與外管內(nèi)壁、分流心軸外壁通過燒結(jié)緊密結(jié)合為一體； 所述分流心軸開有均勻環(huán)繞在分流心軸中心軸線周圍的偶數(shù)個(gè)瓣?duì)罟艿?，所述瓣?duì)罟艿琅c 所述分流心軸的中心軸線平行；在每瓣瓣?duì)罟艿赖墓苌砩?，沿徑向方向開有多個(gè)與瓣?duì)罟?道連通的換氣孔，所述換氣孔的孔面緊貼所述多孔介質(zhì)層。
所述的一種法拉第屏蔽氦冷卻管結(jié)構(gòu)，其特征在于所述多孔介質(zhì)層由銅粉燒結(jié) 而成，所述介質(zhì)層厚度為3mm，介質(zhì)孔隙率約為50%。
所述的一種法拉第屏蔽氦冷卻管結(jié)構(gòu)，其特征在于所述分流心軸材料為316L不 銹鋼。
所述的一種法拉第屏蔽氦冷卻管結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外管材料為①11Xl、 316L不銹鋼管。
本發(fā)明的法拉第屏蔽氦冷卻管是一種以氦氣為換熱工質(zhì)的泵驅(qū)動(dòng)單相多孔介質(zhì) 層熱交換結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)利用氦氣與多孔介質(zhì)層之間高換熱系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并盡可能的縮短 氦氣的冷卻行程，對(duì)法拉第屏蔽進(jìn)行均勻冷卻，極大地提高了換熱效率。[0010] 本發(fā)明結(jié)構(gòu)由外管(316L不銹鋼)、多孔介質(zhì)層(銅粉燒結(jié))及分流心軸(316L) 組成。多孔介質(zhì)層與外管內(nèi)壁及分流心軸外壁通過燒結(jié)緊密結(jié)合，降低各部分分界面的熱 阻從而提高換熱效率。
本發(fā)明的外管為①11Xl、材料為316L的不銹鋼，它是熱的主要承受載體。
本發(fā)明的多孔介質(zhì)層為銅粉燒結(jié)而成，厚度為3皿，介質(zhì)孔隙率約為50%，其目的
增大換熱面積和換熱系數(shù)。
本發(fā)明的分流心軸結(jié)構(gòu)材料為316L不銹鋼，是一種多瓣空心管道結(jié)構(gòu)。其作用一 是提高冷卻管的整體強(qiáng)度；其二是使得氦氣在流入端分流，在換熱過程中在相對(duì)于流入端 不同的位置進(jìn)入多孔介質(zhì)層，在多孔介質(zhì)層中通過一定距離后流出。分流心軸有偶數(shù)n個(gè) 氦氣的瓣?duì)钔ǖ溃鄬?duì)于流入端在分流心軸的每段瓣?duì)罟艿郎祥_換氣孔。工作時(shí)，氦氣在 瓣?duì)罟艿赖牧魅攵肆魅?，分流為n/2份，每一份氦氣都經(jīng)過分流心軸上相應(yīng)的換氣孔進(jìn)入 多孔介質(zhì)層進(jìn)行換熱，最后通過多孔介質(zhì)層對(duì)應(yīng)的下一段瓣?duì)罟艿郎系膿Q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(zhì)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(qiáng)氦氣的冷卻效果。
本發(fā)明的有益效果是利用氦氣在核聚變裝置運(yùn)行環(huán)境中的相對(duì)安全穩(wěn)定性和其 與多孔介質(zhì)的高換熱系數(shù)來提高法拉第屏蔽管的換熱效率(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及實(shí)驗(yàn)得出總 體換熱系數(shù)可以高達(dá)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(fā)明的技術(shù)還可運(yùn)用于未來核聚變裝置中其它內(nèi)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(fā)明的有益效果為利用氦氣在核聚變裝置運(yùn)行環(huán)境中的相對(duì)安全穩(wěn)定性和其 與多孔介質(zhì)層的高換熱系數(shù)來提高法拉第屏蔽的換熱效率(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及實(shí)驗(yàn)得出總 體換熱系數(shù)可以高達(dá)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(fā)明的技術(shù)還可運(yùn)用于未來核聚變裝置中其它內(nèi)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(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明分流心軸管截面示意圖。
圖3為本發(fā)明分流心軸管身截面示意圖。
具體實(shí)施方式
—種法拉第屏蔽氦冷卻管結(jié)構(gòu)，包括有外管l，外管1材料為①11X1、316L不銹鋼 管。還包括有多瓣空心管道結(jié)構(gòu)的分流心軸3，分流心軸3材料為316L不銹鋼。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制成的多孔介質(zhì)層2，多孔介 質(zhì)層2由銅粉燒結(jié)而成，介質(zhì)層厚度為3mm，介質(zhì)孔隙率約為50%。多孔介質(zhì)層2與外管1 內(nèi)壁、分流心軸3外壁通過燒結(jié)緊密結(jié)合為一體；分流心軸3開有均勻環(huán)繞在分流心軸中心 軸線周圍的偶數(shù)個(gè)瓣?duì)罟艿?，瓣?duì)罟艿?與分流心軸3的中心軸線平行；在每瓣瓣?duì)罟艿?的管身上，沿徑向方向開有與瓣?duì)罟艿肋B通的換氣孔，每瓣瓣?duì)罟艿赖膿Q氣孔有多個(gè)，換氣 孔的孔面緊貼多孔介質(zhì)層2。
4[0020] 如圖1、圖2、圖3所示。分流心軸3的瓣?duì)罟艿婪殖膳紨?shù)瓣，形成n/2個(gè)換熱通道。 多孔介質(zhì)層2由銅粉在不銹鋼的外管1及分流心軸2之間燒結(jié)而成。工作過程如圖下工 作時(shí)氦氣從瓣?duì)罟艿酪欢肆魅?，以其中一個(gè)瓣?duì)罟艿罏槔?，氦氣流入后，從流入的瓣?duì)罟艿?對(duì)應(yīng)的換氣孔4進(jìn)入多孔介質(zhì)層2，在多孔介質(zhì)層2進(jìn)行換熱后，經(jīng)由另一瓣?duì)罟艿缹?duì)應(yīng)的 換氣孔5流出完成換熱過程。
權(quán)利要求
一種法拉第屏蔽氦冷卻管結(jié)構(gòu)，包括有外管，其特征在于還包括有多瓣空心管道結(jié)構(gòu)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制成的多孔介質(zhì)層，所述多孔介質(zhì)層與外管內(nèi)壁、分流心軸外壁通過燒結(jié)緊密結(jié)合為一體；所述分流心軸開有均勻環(huán)繞在分流心軸中心軸線周圍的偶數(shù)個(gè)瓣?duì)罟艿?，所述瓣?duì)罟艿琅c所述分流心軸的中心軸線平行；在每瓣瓣?duì)罟艿赖墓苌砩?，沿徑向方向開有多個(gè)與瓣?duì)罟艿肋B通的換氣孔，所述換氣孔的孔面緊貼所述多孔介質(zhì)層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種法拉第屏蔽氦冷卻管結(jié)構(gòu)，其特征在于所述多孔介質(zhì) 層由銅粉燒結(jié)而成，所述介質(zhì)層厚度為3mm，介質(zhì)孔隙率約為50%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種法拉第屏蔽氦冷卻管結(jié)構(gòu)，其特征在于所述分流心軸 材料為316L不銹鋼。
4. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種法拉第屏蔽氦冷卻管結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外管材料 為①11X1、316L不銹鋼管。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種法拉第屏蔽氦冷卻管結(jié)構(gòu)，包括有外管，還包括有多瓣空心管道結(jié)構(gòu)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制成的多孔介質(zhì)層，多孔介質(zhì)層與外管內(nèi)壁、分流心軸外壁通過燒結(jié)緊密結(jié)合為一體；分流心軸上沿軸向每相隔一定距離開有環(huán)繞分流心軸中心的偶數(shù)個(gè)瓣?duì)罟艿?，瓣?duì)罟艿琅c軸向方向平行，瓣?duì)罟艿赖慕孛娉驶ò隊(duì)瞽h(huán)繞在分流心軸截面的中心周圍；在分流心軸與每瓣瓣?duì)罟艿缹?duì)應(yīng)的管身上，沿徑向方向開有與瓣?duì)罟艿肋B通的換氣孔，換氣孔的孔面緊貼多孔介質(zhì)層。本發(fā)明的技術(shù)還可運(yùn)用于未來核聚變裝置中其它內(nèi)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(hào)G21B1/11GKCN101777391SQ200910251708
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2009年12月31日
發(fā)明者宋云濤, 李長春, 楊慶喜, 王成昊, 趙燕平 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan