ITER磁体支撑高效传热直冷流道结构的制作方法

本发明涉及冷却管路系统技术领域，具体涉及一种ITER磁体支撑高效传热直冷流道结构。

背景技术：

ITER计划，俗称“人造太阳”，是由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等七方共同投资建造的国际第一个可控核聚变托卡马克实验装置。实施ITER计划，以研究可控核聚变技术工程应用的可行性，为人类提供无限、清洁、安全的新能源开辟新途径。

ITER磁体支撑承担着约2万吨超导线圈的全部重量，它们包括极向场线圈支撑和环向场线圈支撑。通过液氦冷却至－269℃的超导线圈产生强大的磁场，弱磁性的磁体支撑会因强大的磁场涡流而加热，通过热辐射和热传导，线圈温度会升高并可能失去低温超导特性—电阻显著升高，从而在强电流情况下造成超导线圈失效，甚至导致耗资巨大的实验装置毁坏。所以，磁体支撑冷却系统具有良好的冷却能力至关重要。

ITER国际组织原设计中，采用铜板传热的间接冷却方式对极向场线圈支撑进行冷却。见附图1，根据这种间接冷却方式，液氦由入口5进入孔径为9.66mm的冷却管2，由出口6流出，由安装在极向场线圈支撑1上的铜板3将热量经焊缝4传导给冷却管2，再由冷却管2内的液氦带走热量。这种间接冷却方式存在结构可靠性和制造工艺性差、成本高、传热效果不佳等问题。首先，存在异种材料真空钎焊工艺、质量控制及成本上的弊端。根据原设计，铜板3与奥氏体不锈钢冷却管2经1050℃高温真空钎焊焊接，纯铜的熔点为1080℃，铜合金板的熔点更低。在进行真空钎焊时，因铜元素挥发后沉积在真空炉内壁，损坏大型、昂贵的真空钎焊设备，因钎焊高温导致已经加工的1400mm×1200mm的铜合金板零件软化而严重变形，焊缝冷却后容易出现气孔，无法返修，质量控制难度大。其次，焊缝可靠性差。因铜合金板与奥氏体不锈钢具有不同的塑性和强度，当焊缝受到循环热冲击，即温度在室温到－269℃超低温之间循环往复变化的工作环境条件下，焊缝裂纹可能出现疲劳断裂，因此，ITER要求采用液氮进行由室温到－196℃的3个以上温度循环变化的热冲击试验，经氦检漏焊缝的可靠性。第三，传热效果欠佳。ITER设计上，铜板装在极向场线圈支撑的两个部件之间，利用接触式热传导方式导出线圈支撑上的热量，存在散热延迟，受支撑系统结构限制，在设计上采用一根冷却管沿铜板的三条边绕制，只在铜板的一组对边实施钎焊，冷却管传导铜板热量的效率低，焊缝气孔、疲劳裂纹将降低铜板与冷却管之间传热效果。经过计算机建模和计算，采用ITER间接冷却结构，其传热效果未达到理想的设计状态，存在工程应用风险。

中国是ITER磁体支撑的唯一承制国，磁体支撑冷却系统结构优化设计刻不容缓。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足之处，发明旨在提供一种ITER磁体支撑高效传热直冷流道结构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：它包含磁体支撑主体零部件、流道、入口管嘴、出口管嘴，磁体支撑主体零部件内设有五次回还的流道，流道由纵向直段、横向直段和转角构成，转角的两端分别设有纵向直段和横向直段，转角、纵向直段和横向直段均为的相等通径，所述的转角内壁以圆形空腔圆滑过渡至纵向直段和横向直段的内壁，所述的流道的两端分别焊接有入口管嘴和出口管嘴。

进一步地，所述的横向直段的外侧焊接有流道堵封板。

本具体实施方式的工作原理：由于在被冷却的磁体支撑主体零部件的内部加工回转五次回还流道，液氦经入口管嘴进入回还流道，充分吸收热量，再由出口管嘴流出，与主冷却系统管路形成流体冷却回路，它的液氦与被冷却的磁体支撑主体零部件的接触长度3倍于冷却管和铜板之间的焊缝的长度，流道内液氦带走的热量更多，冷却效率更高，液氦与被冷却的磁体支撑主体零部件的直接接触，使冷却效果达到最佳状态，从而实现高效传热、直接冷却，确保ITER磁体支撑设备运行可靠性。

本发明的有益效果：本发明采用液氦冷却液直接流经上板和下板发热体上的回绕流道，且冷却液流程是原设计的4倍，能直接、高效带走极向场线圈支撑在涡流中产生的大量热量，满足设备设计运行温度要求，能阻止热量大量聚集，极端情况下损坏低温超导线圈风险，造成不可挽回的巨大损失。

附图说明

图1为背景技术结构示意图；

图2为发明的结构示意图。

1-极向场线圈支撑，2-不锈钢冷却管，3-铜板，4-焊缝，5-入口，6-冷却管，7-磁体支撑主体零部件，8-流道，9-入口管嘴，10-出口管嘴，11-转角，12-纵向直段，13-流道堵封板，14-横向直段。

具体实施方式

下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参看图2，本具体实施方式采用如下技术方案：它包含磁体支撑主体零部件7、流道8、入口管嘴9、出口管嘴10，磁体支撑主体零部件7采用316LN材料锻件制成，磁体支撑主体零部件7内设有五次回还的流道8，流道8由纵向直段12、横向直段14和转角11构成，转角11的两端分别设有纵向直段12和横向直段14，转角11、纵向直段12和横向直段14均为的相等通径，所述的转角11内壁以圆形空腔圆滑过渡至纵向直段12和横向直段14的内壁，从入口管嘴9到出口管嘴10，整个流道保持相同的通径，在转角11处保持圆滑过渡，实现流体在流道内的流速、压力的稳定和流体均匀受热，避免因局部紊流而导致液氦气化、主冷却系统压力剧烈波动，确保真空设备正常运行，所述的流道8的两端分别焊接有入口管嘴9和出口管嘴10。

进一步地，所述的入口管嘴9和出口管嘴10均采用316LN材料锻件制成。

进一步地，所述的横向直段14的外侧焊接有流道堵封板13。

进一步地，所述的入口管嘴9、出口管嘴10、流道堵封板13与被冷却的磁体支撑主体零部件7均采用316LN材料锻件制造，经过氩弧焊组焊而成，材料和焊缝的低温物理性能良好，在－196℃温度下的冲击功超过100J，在－269℃温度下的抗拉强度超过1385MPa，用液氮进行由室温到－196℃的10个温度循环变化的热冲击试验，经氦检漏，未发现任何异常，焊缝可靠性好，适应温度在室温到超低温之间循环往复变化的工作环境，能确保ITER磁体支撑设备运行可靠性。

本具体实施方式的工作原理：由于在被冷却的磁体支撑主体零部件7的内部加工回转五次回还流道8，液氦经入口管嘴9进入回还流道8，充分吸收热量，再由出口管嘴10流出，与主冷却系统管路形成流体冷却回路，与原设计中相比，本发明的液氦与被冷却的磁体支撑主体零部件7的接触长度3倍于冷却管2和铜板3之间的焊缝4的长度，流道8内液氦带走的热量更多，冷却效率更高，与原设计中相比，本发明的液氦与被冷却的磁体支撑主体零部件7的直接接触，使冷却效果达到最佳状态，从而实现高效传热、直接冷却，确保ITER磁体支撑设备运行可靠性。

本具体实施方式的有益效果：本具体实施方式采用液氦冷却液直接流经上板和下板发热体上的回绕流道，且冷却液流程是原设计的4倍，能直接、高效带走极向场线圈支撑在涡流中产生的大量热量，满足设备设计运行温度要求，能阻止热量大量聚集，极端情况下损坏低温超导线圈风险，造成不可挽回的巨大损失。