一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构制造技术

本实用新型专利技术属于磁约束核聚变技术，具体为一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，包括冷却套管主体、进水环形干流管和出水环形干流管；冷却套管主体筒状结构，筒壁内沿着筒壁竖直方向设有N个入水孔和N个出水孔，冷却套管主体筒体下端设有N个连通部，其将相邻的入水孔和出水孔连通，入水孔/出水孔内部壁面均排列有孔壁螺旋肋，通过螺旋肋条将靠近内壁一侧的高温水与靠近外壁一侧的低温水不断交换，相对于光滑壁面的水路，能大幅度提高冷却剂的换热效率，降低结构最高温度，平衡冷却套管内外区域的热量沉积。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构
本技术属于磁约束核聚变技术，具体涉及一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构。
技术介绍
偏滤器作为未来聚变堆的关键部件，其直接面向等离子体的部件表面，将在强粒子流、高热负荷的环境下运行，对表面材料和冷却结构设计等均提出了极大的要求。目前的托卡马克装置的偏滤器区域的等离子体密度(～1021/m3)和离子通量(1024/m3～1025/m3)均远低于未来聚变堆的水平，无法在该环境下开展等离子体与材料相互作用的特性研究，评估其是否适用于作为未来聚变堆偏滤器部件表面材料。直线等离子体装置由于其结构简单、易于维护，且能够产生高密度的低温等离子体，作为等离子体与材料相互作用的特性研究，日益受到了重视。近年来，我国也逐步建立了多个直线等离子体装置，如四川大学、核工业西南物理研究院、北京航空航天大学和中科院等离子体所等。目前直线装置普遍采用级联弧离子源，用于产生所需的低温等离子体；为了得到更高的等离子体密度和通量，需要进行更大的电压和电流放电，实现更高的功率输出。虽然离子源的输出功率大幅度增加了，但是送气口通道的宽度基还在毫米量级，因此，电离的低温等离子体会在这个狭小的管道空间内形成强的等离子体流和高热负荷，并随着放电功率的增加而快速增加，这将严重影响离子源的使用寿命，也限制了更高等离子体密度的放电运行。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其能够作为等离子体放电通道的保护壁，快速导出沉积在该表面的热负荷，延长离子源使用寿命。本技术的技术方案如下：一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，包括冷却套管主体、设于冷却套管主体上方且与其冷却通道连通的进水环形干流管和出水环形干流管；所述的冷却套管主体筒状结构，筒壁具有一定厚度，筒壁内沿着筒壁竖直方向设有2N个冷却通道，其包括N个入水孔，N个出水孔，且入水孔和出水孔间隔布置，所述的进水环形干流管与入水孔相通，所述的出水环形干流管与出水孔相通；所述的入水孔与相邻的出水孔在冷却套管主体筒体下端内部连通，即在冷却套管主体筒体下端设有N个连通部，其将相邻的入水孔和出水孔连通。所述的入水孔/出水孔内部壁面均排列有孔壁螺旋肋，其且在孔内壁环向均匀排布。所述的孔壁螺旋肋数的扭曲比为2～5，肋的径向厚度为0.1～0.4mm。所述的冷却套管主体上方设有过渡结构，其上设有2N个安装通孔，在安装通孔处间隔的设有N个进水支管和N个出水支管；所述的进水支管与其上方的进水环形干流管连通，所述的出水支管与其上方的出水环形干流管连通；所述的进水支管与下方的冷却套管主体的入水孔相通，所述的出水支管与其下方的冷却套管主体的出水孔相通。所述的进水支管和出水支管为向外弯折的弯管，进水支管的高度位置大于出水支管的高度位置。所述的过渡结构上的安装通孔，其内直径阶梯渐变，形成渐变通孔，其大端直径与下方的出水孔或入水孔的孔直径相同，小端直径与进水支管或出水支管的内直径相同。所述的进水环形干流管和出水环形干流管的外侧分别安装与其对应连通的进水管和出水管。所述的出水管与进水管在环向上排布角度为150°～180°。所述的出水环形干流管所在平面与进水环形干流管所在平面平行，圆心相距一定距离。所述的冷却套管主体环向均匀设有六个入水孔和六个出水孔，共构成六个并联双孔回路。本技术的效果如下：通过螺旋肋条将靠近内壁一侧的高温水与靠近外壁一侧的低温水不断交换，相对于光滑壁面的水路，能大幅度提高冷却剂的换热效率，降低结构最高温度，平衡冷却套管内外区域的热量沉积；采用入水孔与出水孔相间排布，平衡冷却套管主体环向分布的热量沉积，降低结构热应力及形变，同时还具有很小的压力损失。采用过渡结构安装进水支管和出水支管，而没有直接将进水/出水通道直接连接到冷却套管主体上，进水支管和出水支管中间通过过渡结构连接到冷却套管主体，是主要考虑到：1)冷却套管主体结构是本申请的核心(冷却套管结构设计空间要求极窄，仅一个圆环区域的空间，内部是等离子体空间，外部是更大直径的用于超导线圈布置的圆环形区域，这也就是为什么进水/出水支管必须从端部延伸出去一定长度)；若直接将支管焊接在冷却套管主体上，对于主体的变形控制及圆管型焊缝的质量也是一种考验，为了避免这样的风险，故而采用过渡结构来实现；冷却套管主体的壁厚最薄处≤1.5mm，对于焊接来说，具有很大的难度。2)采用过渡结构，一方面可以将进水支管/出水支管与过渡结构整体成型的方式制作，再将过渡结构与冷却套管主体通过焊接连接在一起。更加简单的组装成一体。另一方面，也可以通过过渡结构的渐变直径孔，增加支管与过渡结构边缘焊接的厚度，使得其焊接面径向厚度达到约2mm，降低焊接难度，同时也能更方便的对支管进行维护和更换；3)同时，采用过渡结构与冷却套管主体的焊接接触面积更大，焊接的界面更稳固。4)将水管直接焊接在冷却套管主体也可，不过焊接难度会有所提高，对焊接的控制也要更高的要求。设计过渡结构，为了将进水支管/出水支管与冷却套管主体的进水孔/出水孔连通，采用的安装孔为直径渐变的渐变通孔，优选例中，冷却套管主体孔直径为4mm，径向总厚度为7mm(内外径分别为8mm～15mm)，则最薄处仅1.5mm，通过直径渐变的过渡结构后，孔直径变小至3mm，过渡结构变化后一端的最薄处厚度为2mm，增加这个厚度是为了给予水管更好的焊接质量增加可能性和提供更大的焊接空间。进水管和出水管通过进/出水环形干流管的结构设计，在环形上形成150°～180°的角度。进水管和出水管在环形上形成角度越接近180°，冷却结构的整体冷却效果越均匀(即整个结构环向的最高温度与最低温度差越小)。冷却效果越均匀，则冷却套管主体内壁所能承受的最高热流也就会提高，相对于其他角度有更好的冷却能力(水从干流分流后，会趋向于找最短的路程到汇流处汇集，这样最短路径上相对于最远的路径会有更多的水流过，这就导致了最短路径线上的结构冷却效果较最远路径线上的结构更好一点，为了避免这个效果，就尽量将分流口至汇流口的每一条路径的路程调整均匀，即从分流后，到出口汇流处，每一个路径上的水走过的路程尽量保持相等即可)，对结构稳定性的保护越好(因为，更小的温度梯度，就意味着更小的热应力，结构承受损害也就降低了)。但不是一定能够构成180°的角，这个角度的设计还要避开出水支管和进水支管，且放置在相邻两个进水支管和出水支管之间，选择150°～180°。双孔回路下部的连通部，与主体的近端面距离为2～4mm(这个数值是保证结构主体的结构强度下，尽量选取最小值，此值越小，冷却水在轴向上能到达的深度就越深，就能有更多的对结构主体的冷却作用，提高冷却效果)，其连通的高度选为3～5mm(优选为冷却套管主体孔洞的直径，较优选例中此值为4mm)。连通部让冷却水通过进水支管，流入入水孔，再流经连通处，进入出水孔，再由出水支管流入出口环形干流管，最后导出。其中，在流经入水孔、连通处、出水孔时均能从冷却套管主本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，包括冷却套管主体(1)、设于冷却套管主体(1)上方且与其冷却通道连通的进水环形干流管(4)和出水环形干流管(7)；其特征在于：所述的冷却套管主体(1)筒状结构，筒壁具有一定厚度，筒壁内沿着筒壁竖直方向设有2N个冷却通道，其包括N个入水孔(11)，N个出水孔(9)，且入水孔(11)和出水孔(9)间隔布置，所述的进水环形干流管(4)与入水孔(11)相通，所述的出水环形干流管(7)与出水孔(9)相通；所述的入水孔(11)与相邻的出水孔(9)在冷却套管主体(1)筒体下端内部连通，即在冷却套管主体(1)筒体下端设有N个连通部，其将相邻的入水孔(11)和出水孔(9)连通。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，包括冷却套管主体(1)、设于冷却套管主体(1)上方且与其冷却通道连通的进水环形干流管(4)和出水环形干流管(7)；其特征在于：所述的冷却套管主体(1)筒状结构，筒壁具有一定厚度，筒壁内沿着筒壁竖直方向设有2N个冷却通道，其包括N个入水孔(11)，N个出水孔(9)，且入水孔(11)和出水孔(9)间隔布置，所述的进水环形干流管(4)与入水孔(11)相通，所述的出水环形干流管(7)与出水孔(9)相通；所述的入水孔(11)与相邻的出水孔(9)在冷却套管主体(1)筒体下端内部连通，即在冷却套管主体(1)筒体下端设有N个连通部，其将相邻的入水孔(11)和出水孔(9)连通。


2.如权利要求1所述的一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其特征在于：所述的入水孔(11)或出水孔(9)内部壁面均排列有孔壁螺旋肋(10)，其且在孔内壁环向均匀排布。


3.如权利要求2所述的一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其特征在于：所述的孔壁螺旋肋(10)数的扭曲比为2～5，肋的径向厚度为0.1～0.4mm。


4.如权利要求1所述的一种适用于级联弧离子源的小尺寸环形冷却结构，其特征在于：所述的冷却套管主体(1)上方设有过渡结构(2)，其上设有2N个安装通孔，在安装通孔处间隔的设有N个进水支管(3)和N个出水支管(6)；所述的进水支管(3)与其上方的进水环形干流管(4)连通，所述的出水支管(6)与其上方的出水环形干流管(7)连通；所述的进水支管(3)与下方的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文玉，郑国尧，蔡立君，刘翔，朱运鹏，谢金雨，李佳鲜，薛淼，周月，薛雷，杜海龙，
申请(专利权)人：核工业西南物理研究院，
类型：新型
国别省市：四川;51