[發明專利]一種法拉第屏蔽氦冷卻管結構

無效

• 申請號: 200910251708.3
• 申請日: 2009-12-31
• 公開（公告）號: CN101777391A
• 公開（公告）日: 2010-07-14
• 發明（設計）人: 王成昊;宋云濤;李長春;楊慶喜;趙燕平
• 申請（專利權）人: 中國科學院等離子體物理研究所
• 主分類號: G21B1/11
• 分類號: G21B1/11
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明涉及微波加熱冷卻裝置領域，尤其是一種離子回旋加熱(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采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10MW/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，一旦發生泄漏將會導致整個托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，從而保證整個離子回旋加熱天線裝置穩定運行。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

一種法拉第屏蔽氦冷卻管結構，包括有外管，其特征在于：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制成的多孔介質層，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，其特征在于：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構，其特征在于：所述外管材料為Φ11X1、316L不銹鋼管。

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系數的優點，并盡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。

本發明結構由外管(316L不銹鋼)、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Φ11X1、材料為316L的不銹鋼，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3mm，介質孔隙率約為50％，其目的增大換熱面積和換熱系數。

本發明的分流心軸結構材料為316L不銹鋼，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于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后流出。分流心軸有偶數n個氦氣的瓣狀通道，相對于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，最后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系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系數可以高達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于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系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系數可以高達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于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。

附圖說明