一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置。包括兩套冷卻循環(huán)系統(tǒng)，一套是位于高電位端的液態(tài)金屬循環(huán)冷卻系統(tǒng)，一套是跨接高低電位端的絕緣油循環(huán)冷卻系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)通過液態(tài)金屬與絕緣油熱交換器進(jìn)行熱量交換，液態(tài)金屬循環(huán)冷卻系統(tǒng)的熱量由絕緣油循環(huán)冷卻系統(tǒng)帶走。高壓端實(shí)現(xiàn)高熱流密度散熱后，體積將大幅度減小，原來只能用絕緣油循環(huán)冷卻的部件，熱功率密度<10W/cm2，現(xiàn)在可以>400W/cm2，發(fā)熱體表面積至少可以減少40倍，體積大幅度減小，尤其是真空部件體積大幅度減少，制作難度降低，造價(jià)大幅度降低。適合用于需要在高電位端進(jìn)行散熱的領(lǐng)域，如高產(chǎn)額中子發(fā)生器等。
【專利說明】一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及核技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]加速器中子發(fā)生器的離子束轟擊靶時(shí)產(chǎn)生很高的能量沉積，即使在通水冷卻的條件下，靶上能夠承受的熱功率密度也必須控制在一個(gè)合適的范圍。目前通常采用三種方式提升靶承受熱功率的能力:一是加大離子束束斑直徑，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是靶上可以承受更多的離子束注入，總的中子產(chǎn)額增加，這種方法的缺點(diǎn)是中子源的點(diǎn)源特性變差，準(zhǔn)直比降低，這在很多應(yīng)用領(lǐng)域都是不利的，比如:快中子照相、中子治療、爆炸物檢測等。二是中國專利CN203057673U(
【公開日】為2013年I月27日)公開了一種采用旋轉(zhuǎn)靶方式增加靶面積的方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在不增加束斑尺寸的條件下，提升靶承受沉積功率的能力，進(jìn)而提升中子產(chǎn)額和通量，該方法的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，有運(yùn)動機(jī)構(gòu)，可靠性稍差，成本較高；三是中國專利CN201010238639.5(
【公開日】為2010年7月28日)公開了一種采用氣體靶的方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是無固定靶，產(chǎn)額高，靶壽命長，該方法的缺點(diǎn)是技術(shù)難度高，真空系統(tǒng)體積龐大，能耗高，造價(jià)高。上述三種方法，適合在地電位端工作，放在高壓端，結(jié)構(gòu)及控制都會異常復(fù)雜。
[0003]高產(chǎn)額中子發(fā)生器，靶上的熱功率高達(dá)幾十kW?幾百kW，加上很多情況下發(fā)熱部件的尺寸小，熱功率密度將會非常高，達(dá)到幾百W/cm2。
[0004]在散熱工質(zhì)選擇方面，中國專利CN103200759A(
【公開日】為2013年7月10日)公開了一種利用高導(dǎo)熱陶瓷對高壓端靶進(jìn)行散熱的方法，該方法適合熱流密度不高的中子發(fā)生器上使用，不適合極高熱流密度部件的散熱。
[0005]水作為最常用的散熱工質(zhì)，散熱能力很強(qiáng)，但是不適合直接連通高電位端進(jìn)行散熱，一是在直流電壓下，水會分解成氫氣和氧氣，非常危險(xiǎn)；二是水的絕緣性能不好，即使是高純度去離子水，在循環(huán)管道中，也很容易溶解雜質(zhì)，造成絕緣性能下降；三是熱功率密度超過300W/cm2，水與靶內(nèi)壁的溫差超過100度，水將進(jìn)入沸騰散熱模式。在高壓端，循環(huán)水處在密閉小空間內(nèi)，沸騰可能引起內(nèi)部高壓力，造成嚴(yán)重故障。
[0006]絕緣油是另一種比較常用的散熱工質(zhì)，可以用在高電位端對靶進(jìn)行循環(huán)冷卻，解決了跨接高低電位的問題。但是，油的粘滯系數(shù)大，散熱能力遠(yuǎn)低于水，帶走高熱流密度的能力很差，一般將熱流密度控制在幾十W/cm2以內(nèi)，因此，只能用于低熱流密度的部件。
[0007]低熔點(diǎn)液態(tài)金屬或其合金作為一種新型的散熱工質(zhì)，比如鎵及其合金，熔點(diǎn)低于20度，鎵合金的過冷度高，能夠長時(shí)間在零度以下環(huán)境中保持液態(tài)，最關(guān)鍵的是對流散熱系數(shù)是水的幾十倍，適合超高熱流密度(300W/cm2以上)發(fā)熱部件的散熱，另外，液態(tài)金屬的沸點(diǎn)超過2千度，即使在幾百度高溫下運(yùn)行，也不會產(chǎn)生水或油的沸騰問題，非常安全可
O
[0008]近年來發(fā)展起來的低熔點(diǎn)液態(tài)金屬或其合金已經(jīng)應(yīng)用于一些高熱流密度部件的散熱，比如:文獻(xiàn)《電磁驅(qū)動液態(tài)金屬熱控系統(tǒng)分析》對低熔點(diǎn)液態(tài)金屬散熱系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹；專利CN102637542B介紹了一種基于液態(tài)金屬或其合金循環(huán)散熱的大容量直流斷路器用散熱器；CN203038911U介紹了一種基于液態(tài)金屬的散熱裝置。上述應(yīng)用領(lǐng)域都是直接用在地電位端進(jìn)行循環(huán)散熱，不涉及在高電位端散熱的問題。由于液態(tài)金屬是良導(dǎo)體，不能直接在高低電位端之間循環(huán)。目前還未見到將低熔點(diǎn)液態(tài)金屬或其合金應(yīng)用在高電位端進(jìn)行散熱的研究，尤其是未見到用在高產(chǎn)額中子發(fā)生器領(lǐng)域的報(bào)道。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0009]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，解決目前在高電位端無法對空間尺寸受限的高熱流密度部件散熱問題。
[0010]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，其技術(shù)構(gòu)思是:包括兩套冷卻循環(huán)系統(tǒng)，一套是位于高電位端的液態(tài)金屬循環(huán)冷卻系統(tǒng)，一套是跨接高低電位端的絕緣油循環(huán)冷卻系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)通過液態(tài)金屬與絕緣油熱交換器進(jìn)行熱量交換，液態(tài)金屬循環(huán)冷卻系統(tǒng)的熱量由絕緣油循環(huán)冷卻系統(tǒng)帶走。具體技術(shù)方案是:
[0011]一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，涉及高產(chǎn)額中子發(fā)生器的發(fā)熱部件，所述發(fā)熱部件內(nèi)設(shè)有內(nèi)部通道，所述內(nèi)部通道內(nèi)充滿低熔點(diǎn)液態(tài)金屬，所述發(fā)熱部件外安裝有熱交換器，所述低熔點(diǎn)液態(tài)金屬經(jīng)驅(qū)動裝置驅(qū)動，在所述熱交換器與發(fā)熱部件內(nèi)部通道之間循環(huán)；所述熱交換器內(nèi)充滿絕緣冷卻液，所述絕緣冷卻液通過管道與外部散熱器循環(huán)連接，液態(tài)金屬的高傳熱能力可以將發(fā)熱部件產(chǎn)生高熱流密度的熱量快速帶走，保證發(fā)熱部件的工作溫度低于其可以承受的溫度。
[0012]所述高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置還包括高電壓轉(zhuǎn)接裝置，所述高電壓轉(zhuǎn)接裝置與所述中子發(fā)生器主體連接，所述熱交換器安裝在所述高電壓轉(zhuǎn)接裝置內(nèi)。所述液態(tài)金屬循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的液態(tài)金屬與絕緣油熱交換器，安裝在遠(yuǎn)離空間受限的高熱流密度發(fā)熱部件位置，因此空間尺寸不再受到限制；相同的熱功率，通過大幅度增加熱交換的面積，將熱流密度降低到絕緣油可以順利帶走的范圍，比如〈lOW/cm2。
[0013]優(yōu)選的，所述驅(qū)動裝置為電磁泵。
[0014]所述電磁泵位于熱交換器的液態(tài)金屬出口處，此時(shí)的液態(tài)金屬溫度遠(yuǎn)低于電磁泵磁鋼的工作溫度，不會造成磁鋼退磁。
[0015]優(yōu)選的，所述絕緣冷卻液為絕緣油。
[0016]所述高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，還包括油泵，所述油泵安裝在所述熱交換器與外部散熱器之間的管道上。
[0017]所述發(fā)熱部件為中子發(fā)生器的高熱流密度靶，或者為離子源的高發(fā)熱量部件。
[0018]所述的高電壓轉(zhuǎn)接裝置內(nèi)部充滿絕緣油，所述熱交換器的油循環(huán)管道浸沒其中，內(nèi)外表面都是絕緣油，絕緣性能滿足跨接高低電位的要求，實(shí)現(xiàn)高低電位油路連通。
[0019]所述絕緣油循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的液態(tài)金屬與絕緣油熱交換器位于高電位端，絕緣油通過熱交換器吸收液態(tài)金屬的熱量，自身溫度上升，然后通過位于高電壓轉(zhuǎn)接裝置內(nèi)部的絕緣管道，流動到地電位端，實(shí)現(xiàn)將高電位端熱量帶到地電位端的功能。絕緣油中的熱量，在地電位端，由外部散熱器帶走。
[0020]本實(shí)用新型的有益效果是:高產(chǎn)額中子發(fā)生器根據(jù)設(shè)計(jì)需要，靈活地將高熱流密度發(fā)熱部件任意安裝地電位或者高電位一端，不再有跨接高低電位的障礙，降低制作難度；另外，高壓端實(shí)現(xiàn)高熱流密度散熱后，體積將大幅度減小，原來只能用絕緣油循環(huán)冷卻的部件，熱功率密度〈10W/cm2，現(xiàn)在可以>400W/cm2，發(fā)熱體表面積至少可以減少40倍，體積大幅度減小，尤其是真空部件體積大幅度減少，制作難度降低，造價(jià)大幅度降低。對于需要烘烤除氣的系統(tǒng)，體積小，帶來的益處更大。本實(shí)用新型不僅可以用于靶散熱，也可以用于離子源或其他部件的散熱。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。
[0022]圖1為本實(shí)用新型平面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖中:1一中子發(fā)生器主體，2—發(fā)熱部件(靶)，3—電磁泵出口管道，4 一電磁泵，5—外部散熱器，6—液態(tài)金屬回流管道，7—陶瓷隔離支撐，8—油浸高電壓轉(zhuǎn)接裝置，9一液態(tài)金屬與絕緣油熱交換器，10—高壓引入插座，11 一高壓引入電極，12—循環(huán)冷卻油進(jìn)出口，13—油泵。

【具體實(shí)施方式】
[0024]結(jié)合圖1所示，本實(shí)用新型的高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱方法包括以下幾個(gè)部分:中子發(fā)生器主體I，發(fā)熱部件2，電磁泵出口管道3，電磁泵4，外部散熱器5，液態(tài)金屬回流管道6，陶瓷隔離支撐7，油浸高電壓轉(zhuǎn)接裝置8，液態(tài)金屬與絕緣油熱交換器9，高壓引入插座10，高壓引入電極11，循環(huán)冷卻油進(jìn)出管道12，油泵13。
[0025]中子發(fā)生器主體I內(nèi)部為真空系統(tǒng)，發(fā)熱部件2是靶，靶內(nèi)部設(shè)有內(nèi)部管道，管道內(nèi)充滿低熔點(diǎn)液態(tài)金屬。靶外部安裝有熱交換器，低熔點(diǎn)液態(tài)金屬經(jīng)驅(qū)動裝置驅(qū)動，在熱交換器與發(fā)熱部件內(nèi)部通道之間循環(huán)；熱交換器內(nèi)充滿絕緣冷卻液，所述絕緣冷卻液通過管道與外部散熱器循環(huán)連接，氘離子轟擊靶的表面，產(chǎn)生中子。對于高產(chǎn)額的中子發(fā)生器，氘離子束流強(qiáng)度很大，在靶的表面將產(chǎn)生高熱流密度，內(nèi)部循環(huán)的液態(tài)金屬的功能就是將靶產(chǎn)生的高熱流密度熱量帶走。電磁泵4驅(qū)動液態(tài)金屬循環(huán)流動，電磁泵出口管道3連接電磁泵4和發(fā)熱部件2，液態(tài)金屬回流管道6連接液態(tài)金屬與絕緣油熱交換器9與發(fā)熱部件2，電磁泵4位于液態(tài)金屬與絕緣油熱交換器9的出口側(cè)，此時(shí)的液態(tài)金屬已經(jīng)冷卻，不會引起電磁泵磁鋼的退磁。陶瓷絕緣支撐7將真空系統(tǒng)與油浸高電壓轉(zhuǎn)接裝置8隔離，同時(shí)起到高壓絕緣和支撐高壓部件的作用。
[0026]油浸高電壓轉(zhuǎn)接裝置8中充滿了絕緣油，電磁泵4、液態(tài)金屬與絕緣油熱交換器9、連接管道3和6、循環(huán)冷卻油進(jìn)出口 12的絕緣材料制成的管道、高壓引入插座10等部件浸沒在絕緣油中。外部散熱器5通過循環(huán)冷卻油進(jìn)出口 12的絕緣材料制成的管道與位于高壓端的液態(tài)金屬與絕緣油熱交換器9連通，由普通的油泵13驅(qū)動循環(huán)散熱。高電壓通過高壓引入插座10，將高壓引入電極11連接到高電位端上，并給電磁泵4供電。
[0027]實(shí)施例1
[0028]某一種小型定向高通量中子發(fā)生器，為了實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)額和高通量，靶的尺寸比較小，氘離子轟擊區(qū)域的寬度10mm，長度500mm，熱功率密度高達(dá)350W/cm2。為了保持靶面溫度低于300度，壁厚Imm的鈦靶，內(nèi)外表面溫差高達(dá)200度，內(nèi)部的循環(huán)水與鈦管的溫差接近100度，因?yàn)閱蜗嗨膶α鲹Q熱系數(shù)不夠高，必須進(jìn)入過冷沸騰散熱模式，才能將350W/cm2的高熱流密度帶走。因此，只能將靶安置在地電位端，而離子源必須放在高電位端，這樣一來，可供選擇的離子源幾乎只有供電最簡單的潘寧離子源，其引出離子束中的原子離子比很低，同時(shí)還增加了一個(gè)主絕緣間距，增加了 50 %的真空室直徑。
[0029]采用本實(shí)用新型的高壓端散熱技術(shù)，將靶放置在高壓端，少了一個(gè)主絕緣間距和潘寧源的厚度，中子發(fā)生器的真空室內(nèi)部直徑減少50%左右。離子源放置在地電位端，可以不用潘寧離子源，改用射頻離子源，極大地提高了引出離子束中的單原子離子比例，中子產(chǎn)額不變的條件下，氘離子束流減少50%。同時(shí)，液態(tài)金屬的散熱能力比水高出幾十倍，液態(tài)金屬與靶壁的溫差基本可以忽略。因此，本例中的中子發(fā)生器，同樣的靶尺寸和中子產(chǎn)額，靶面溫度將從300度左右下降到150度以內(nèi)，延長了使用壽命，效果十分顯著。
[0030]實(shí)施例2
[0031]有一種高產(chǎn)額氘氘中子發(fā)生器，靶上功率幾十kW?幾百kW，為了提升產(chǎn)額，減少靶上功率，必須采用射頻離子源，因?yàn)樯漕l離子源的單原子離子比例高。同時(shí)為了供電簡單，射頻離子源只能放置在地電位端，相應(yīng)的靶就必須放在高電位端。水的絕緣性能不好，只能用絕緣油跨接高低電位，循環(huán)冷卻位于高電位端的發(fā)熱靶。由于絕緣油的對流散熱能力極差，熱功率密度只能〈lOW/cm2。
[0032]離子束能量200keV，流強(qiáng)1A，功率200kW，靶面直徑500mm，圓柱部分長1000mm，靶面積約20000cm2，靶面熱流密度約lOW/cm2。冷卻油溫升控制在5度，冷卻油流量為20L/s，厚度Imm的純鈦?zhàn)猿砂校忻鏈厣?0度左右，氘氘中子產(chǎn)額約為5X10nn/s。
[0033]采用本實(shí)用新型的高壓端散熱技術(shù)，替換成液態(tài)金屬冷卻靶，功率密度增加到200W/cm2，表面積可以減少20倍，靶的尺寸從100mmX直徑500mm，縮小為200mmX直徑150mm,增加了一個(gè)高壓端的液態(tài)金屬與絕緣油熱交換器尺寸400mm長X直徑150mm的空間，整個(gè)高壓端部件體積只有原來的6%左右，效果十分顯著。液態(tài)金屬與絕緣油熱交換器中絕緣油溫升5度，流量為20L/s，靶表面溫升60度左右。
[0034]本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)然能夠理解，將靶換成高壓端其他發(fā)熱部件；將電磁泵換成機(jī)械泵及其它驅(qū)動裝置，具有相同的技術(shù)效果。
[0035]最后所應(yīng)說明的是，以上【具體實(shí)施方式】僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，涉及高產(chǎn)額中子發(fā)生器的發(fā)熱部件，其特征在于，所述發(fā)熱部件內(nèi)設(shè)有內(nèi)部通道，所述內(nèi)部通道內(nèi)充滿低熔點(diǎn)液態(tài)金屬，所述發(fā)熱部件外安裝有熱交換器，所述低熔點(diǎn)液態(tài)金屬經(jīng)驅(qū)動裝置驅(qū)動，在所述熱交換器與發(fā)熱部件內(nèi)部通道之間循環(huán)；所述熱交換器內(nèi)充滿絕緣冷卻液，所述絕緣冷卻液通過管道與外部散熱器循環(huán)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，其特征在于，還包括高電壓轉(zhuǎn)接裝置，所述高電壓轉(zhuǎn)接裝置與所述中子發(fā)生器主體連接，所述熱交換器安裝在所述高電壓轉(zhuǎn)接裝置內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，其特征在于，所述驅(qū)動裝置為電磁泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，其特征在于，所述電磁泵位于熱交換器的液態(tài)金屬出口處。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，其特征在于，所述絕緣冷卻液為絕緣油。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，其特征在于，還包括油泵，所述油泵安裝在所述熱交換器與外部散熱器之間的管道上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，其特征在于，所述發(fā)熱部件為中子發(fā)生器的高熱流密度靶，或者為離子源的高發(fā)熱量部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，其特征在于，所述的高電壓轉(zhuǎn)接裝置內(nèi)部充滿絕緣油，所述熱交換器的油循環(huán)管道浸沒其中，內(nèi)外表面都是絕緣油，絕緣性能滿足跨接高低電位的要求，實(shí)現(xiàn)高低電位油路連通。
【文檔編號】H05H3/06GK203984760SQ201420394000
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】何小海, 李彥, 唐君, 婁本超, 張欽龍, 劉百力, 劉灣, 黃瑾, 李艷 申請人:中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所