軟X相機(jī)冷卻回路分析與測試

張　勝，盧　軍，高先和，胡學(xué)友，石朝毅，陳　琛

軟X相機(jī)冷卻回路分析與測試

張勝，盧軍，高先和*，胡學(xué)友，石朝毅，陳琛

（合肥學(xué)院 先進(jìn)制造工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

軟X射線相機(jī)用于測量托卡馬克裝置放電時(shí)等離子體輻射的軟X射線在空間上的分布。在真空室烘烤時(shí)，軟X射線相機(jī)周圍的溫度會(huì)達(dá)到250 ℃，需對探測器進(jìn)行冷卻。針對軟X射線相機(jī)冷卻需求，主要介紹了軟X相機(jī)閉循環(huán)冷卻回路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并對冷卻回路進(jìn)行了熱學(xué)仿真分析及實(shí)驗(yàn)測試。高壓冷卻氣體通過密閉管道與探測器的換熱器進(jìn)行熱交換，熱交換后的氣體經(jīng)氣體冷卻裝置冷卻后通過壓縮機(jī)加壓后再次送入冷卻管道，實(shí)現(xiàn)相機(jī)冷卻。通過熱學(xué)仿真以及實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，當(dāng)外界環(huán)境為250 ℃時(shí)，通過閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)可將探測器的溫度降到50 ℃以下，低于探測器的正常工作的極限溫度75 ℃。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

冷卻回路；軟X射線相機(jī)；氦冷卻

軟X射線相機(jī)用于測量核聚變輻射出的軟X射線，是托卡馬克上重要的診斷系統(tǒng)。通過對軟X射線的測量為等離子體操控提供參數(shù)，也是一些關(guān)鍵物理現(xiàn)象研究的支撐。軟X相機(jī)由探測器盒子和探測器陣列組成。相機(jī)安裝在托卡馬克真空室外的二次真空環(huán)境內(nèi)。真空室外部的溫度托卡馬克在正常放電時(shí)約為75 ℃，而當(dāng)處于烘烤階段，其溫度會(huì)達(dá)到250 ℃。探測器的工作的極限溫度一般在75 ℃左右，高溫環(huán)境下不但暗電流會(huì)增加，而且容易損壞[1]。因此，為保證探測器正常工作，需要對其進(jìn)行冷卻。

在一些小功率的聚變裝置上采用水冷方式，但在高能量聚變中水很容易活化，活化后產(chǎn)生的廢水又很難處理。本文選用不易活化的氦氣作為冷媒對探測器進(jìn)行冷卻[2-4]。考慮到探測器陣列的實(shí)際面積及經(jīng)濟(jì)效益，本文采用了閉循環(huán)局部冷卻的方式。主要討論相機(jī)的冷卻回路設(shè)計(jì)及熱交換。由于烘烤時(shí)在真空室外進(jìn)行，而探測器處于真空室內(nèi)，通過熱對流方式傳播過來的熱很少，因此本文設(shè)計(jì)中主要考慮系統(tǒng)的熱輻射和結(jié)構(gòu)件的熱傳導(dǎo)。

1　軟X相機(jī)冷卻回路設(shè)計(jì)

冷卻系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，是軟X相機(jī)的重要組成部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含光路、探測器盒子、探測器陣列以及冷卻回路[5]。探測器盒子用來保護(hù)探測器不被中子輻照并構(gòu)建軟X射線光路。因此，探測器外殼使用316L不銹鋼加工而成，對其表面進(jìn)行拋光以增強(qiáng)對輻射熱的反射；在探測器盒子的一側(cè)設(shè)計(jì)了一條狹縫作為光路，另一側(cè)用來固定探測器用于檢測通過狹縫的軟X射線；為了固定探測器盒子并減少真空管支架上的熱量傳導(dǎo)至探測器盒子，設(shè)計(jì)了兩條支撐腿將探測器盒子固定在真空管支架上。

圖1　冷卻回路結(jié)構(gòu)

熱交換器通過4個(gè)細(xì)長的支架固定在探測器盒子上，這樣可以減少探測器盒體上的熱量通過支架傳導(dǎo)到熱交換器上。為了增加熱交換器與冷媒之間的接觸面積，換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用迷宮設(shè)計(jì)（見圖2），可以有效地提高換熱效率。探測器的陶瓷底座經(jīng)過拋光后固定在熱交換器上，使陶瓷底座與換熱器緊密結(jié)合；探測器上的熱量通過陶瓷底座傳導(dǎo)到換熱器上，再通過換熱器與流過其內(nèi)部的冷媒進(jìn)行熱交換，將換熱器上的熱量帶走，從而達(dá)到冷卻探測器的目的。

圖2　換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2　冷卻回路熱學(xué)仿真

2.1　冷卻回路溫度分布

為了得到探盒子和換熱器上的溫度分布狀況，使用ANSYS fluent 16.0搭建了冷卻回路模型、探測器盒子模型（見圖3）和換熱器模型（見圖4）。為了阻隔熱傳導(dǎo)，在不同部件的結(jié)合面使用Vespel（高溫隔熱材料）[6-7]。探測器盒子采用不銹鋼（316L）加工而成，其表面進(jìn)行拋光以提高對環(huán)境輻射熱的反射。

圖3　探測器盒體模型

圖4　換熱器結(jié)構(gòu)模型

2.2　熱穩(wěn)態(tài)仿真

在熱穩(wěn)態(tài)仿真中真空管支架的溫度設(shè)定為250 ℃，探測器盒子支架通過Vespel與真空管支架隔離，通過仿真得到探測器盒子上的溫度。由仿真結(jié)果可以看出，由于Vespel的隔熱作用，探測器盒子的最高溫度約為186 ℃（見圖5）。由于Vespel的隔熱作用，其上表面的溫度比探測器盒子的溫度稍低，最高溫度約為183 ℃如圖6所示。

2.3　熱流仿真

熱流仿真是在冷卻回路熱穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果上進(jìn)行的，在密閉冷卻管路中通入15 ℃的氦氣。仿真時(shí)設(shè)氦氣的壓強(qiáng)為0.3 MPa，流量為160 L/min。根據(jù)熱穩(wěn)態(tài)仿真的結(jié)果，探測器盒子的最高溫度為186 ℃；因此在熱流仿真時(shí)，探測器盒子內(nèi)表面的溫度設(shè)為192 ℃；假設(shè)探測器陶瓷底座目標(biāo)冷卻溫度是40 ℃，因此底座的溫度設(shè)定為40 ℃。探測器盒子為不銹鋼，其熱輻射率約為0.45，陶瓷片表面受熱輻射的熱流密度為960 W/m2。考慮到最惡劣情況，真空室的溫度設(shè)置為250 ℃（與烘烤箱溫度相同）。冷卻管的溫度設(shè)為40 ℃，管道表面受熱輻射的熱流密度為106 W/m2。

圖5　探測器盒子熱穩(wěn)態(tài)分析

圖6　Vespel表面溫度分布

仿真時(shí)假定換熱器與陶瓷插座（用于固定探測器）接觸良好、探測器外殼與隔熱膜接觸良好。從仿真結(jié)果可以看出冷卻管道出口處氦氣的溫度約為44.4 ℃如圖7所示，探測器陶瓷底座1的溫度（見圖8）可冷卻到45 ℃。探測器陶瓷底座3靠近冷卻氣體出口位置，其表面溫度為58.1 ℃（見圖9），高于靠近氦氣入口位置的探測器1的溫度。造成該差異的主要原因是氦氣與前兩個(gè)探測器進(jìn)行熱交換后溫度升高。探測器1和2加熱后的冷卻氣體在對探測器3進(jìn)行冷卻時(shí)，冷卻效果變差，因此探測器3的溫度稍高于前兩個(gè)。在整個(gè)熱交換的過程中，被冷卻氣體帶走的熱功率約為78.6 W。從仿真結(jié)果可以看出三個(gè)探測器的溫度（假設(shè)與探測器陶瓷底座溫度一樣）都低于60 ℃，該冷卻回路能滿足探測器冷卻需求。

圖7　冷卻管道回路溫度分布

圖8　陶瓷底座1溫度分布

圖9　陶瓷底座3溫度分布

3　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試

3.1　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了驗(yàn)證氦氣冷卻回路設(shè)計(jì)的可行性[8]，搭建了加熱冷卻實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（系統(tǒng)框圖如圖10所示）。虛線是被經(jīng)過換熱器后的氦氣回路，被加熱的氦氣重新經(jīng)過氣體冷卻器進(jìn)行冷卻，箭頭的指向?yàn)闅怏w的流動(dòng)方向。實(shí)線為冷卻氣體流經(jīng)的管道，從換熱器出來的氦氣通過水冷裝置被冷卻到15 ℃，經(jīng)過無油氣體壓縮機(jī)進(jìn)行加壓至5個(gè)大氣壓。加壓后的氣體通過冷卻管道再次流經(jīng)換熱器，對探測器進(jìn)行持續(xù)冷卻。

圖10　閉環(huán)冷卻系統(tǒng)框圖

為獲得探測器在烘烤階段的溫度變化信息，設(shè)計(jì)了1 800 mm×800 mm×800 mm的不銹鋼箱體（見圖11）用于模擬探測器工作時(shí)的真空環(huán)境；冷卻管道、加熱絲線和熱電偶通過法蘭從真空箱體引出。烘烤箱放置在真空箱的內(nèi)部，六個(gè)主要表面都設(shè)置了加熱絲，其中主要的四個(gè)加熱面上分別固定一個(gè)熱電偶用來采集烘烤箱表面的溫度，加熱絲由溫度加熱控制系統(tǒng)控制，通過參數(shù)設(shè)置可以調(diào)節(jié)加熱的目標(biāo)溫度值。換熱器固定在探測器盒子上，探測器盒子固定在真空管支架上，真空管支架通過支撐腿固定在烘烤箱內(nèi)部的底板上。使用分子泵抽取真空箱內(nèi)的空氣，使箱體內(nèi)的真空低于10-2Pa。氣體壓縮機(jī)用于將冷卻后的氦氣加壓后泵入冷卻管道；通過調(diào)整冷卻回路閥門的開度來改變冷卻氣體的壓力與流量。探測器陶瓷底座上安裝了熱電偶用于采集其溫度；氣體回路中安裝了各種儀表用于采集其溫度、流量、壓力等參數(shù)。為了反射空間輻射過來的熱，冷卻管道及探測器盒子表面包裹了多層隔熱膜（MLI，Multi-layer insulation film）[9]，其熱輻射系數(shù)為0.028 W/（M2·K4）。增加隔熱膜的層數(shù)可以有效地增強(qiáng)隔熱效果。數(shù)據(jù)采集和顯示通過電腦數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)完成。

圖11　探測器盒子及冷卻回路實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)開始先將密閉箱體抽真空，當(dāng)其內(nèi)部真空度達(dá)到10-2Pa后啟動(dòng)電加熱系統(tǒng)和冷卻回路，經(jīng)過約4 h的加熱，加熱箱的溫度上升到250 ℃。在后續(xù)的23 h內(nèi)持續(xù)加熱，使烘烤箱的溫度維持在250 ℃。整個(gè)測試持續(xù)進(jìn)行了約26 h。

3.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測試過程中烘烤箱的溫度曲線如圖12所示。由測試結(jié)果可以看出烘烤箱底部內(nèi)表面的溫度穩(wěn)定在210 ℃，低于其他幾個(gè)面的溫度，主要由于其底部的熱量通過固定支架被箱體帶走，造成其表面溫度低于設(shè)定的250 ℃。

圖12　烘烤箱四個(gè)內(nèi)表面的溫度

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)管道出口處氣體的溫度（見圖13中）約為28 ℃。氣體的壓強(qiáng)設(shè)定為約0.3 MPa，冷卻氣體的流量約160 L/min（見圖14）。通過調(diào)節(jié)冷卻氣體的流量和壓力可以改變探測器的目標(biāo)冷卻溫度。在熱交換處于平衡狀態(tài)時(shí)冷卻管道出口處氣體溫度約為35 ℃。

圖13　輸入和輸出端氦氣的溫度

圖14　輸入端冷卻氣體壓強(qiáng)和流量

通過測試得到三個(gè)探測器的溫度（見圖15），探測器3的溫度約為50 ℃，比其他兩個(gè)探測器高了大約5 ℃。這是由于冷卻氣體先與探測器1和探測器2換熱后才到達(dá)探測器3，也就是說冷卻探測器3的氦氣已經(jīng)被探測器1和2加熱了。因此，氣體對探測器3的冷卻效果降低，造成三個(gè)探測器冷卻后的溫度略有差異。

圖15　三個(gè)探測器的溫度曲線

4　結(jié)論

從仿真結(jié)果可以看出經(jīng)冷卻后，冷卻管道出口處氦氣的溫度約為40 ℃左右，探測器陶瓷底座1的溫度約45 ℃。探測器陶瓷底座3靠近冷卻氣體出口位置，其邊緣處最高溫度為58.1 ℃（見圖9），并且每個(gè)探測器上溫度分布并不均勻。通過搭建測試平臺(tái)，持續(xù)進(jìn)行27 h的烘烤和冷卻測試，探測器的溫度最終維持熱平衡狀態(tài)。其中兩個(gè)探測器的溫度約為44 ℃，另外一個(gè)約為50 ℃，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該冷卻方式及冷卻結(jié)構(gòu)可以滿足探測器冷卻的需求。該冷卻結(jié)構(gòu)易于加工和維護(hù)，且經(jīng)濟(jì)、可靠。

致謝

感謝等離子體物理研究所胡立群研究員及其科研團(tuán)隊(duì)，在論文上提供的指導(dǎo)和幫助。也感謝合肥學(xué)院團(tuán)隊(duì)的老師給予大力支持，使論文得以順利完成。

［1］ Centronic Series 5T．［2016-7］．http://_www.centronic. co.uk/products/1/general-purpose．

［2］ 宋文，張競宇，李璐，等．初始腐蝕產(chǎn)物對水冷聚變堆源項(xiàng)影響的研究［J］．核科學(xué)與工程，2018（07），38（3）：380-388．

［3］ 李璐，張競宇，郭慶洋，等．水冷聚變堆主回路活化產(chǎn)物源項(xiàng)計(jì)算分析［J］．核技術(shù)，2016（11），39（11）：110603．

［4］ WANG Wei-hua，LIU Song-lin，WU Yi-can，Thermal hydraulic design and analysisof the dual-function lithium- lead test blanket module for ITER［J］．Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering．2006（03）：73-77．

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［6］ Thermal_radiation．［2016-11］，https://en.wikipedia.org/ wiki/Thermal_radiati-on．

［7］ Thermal_conduction．［2016-11］．https://en.wikipedia. org/wiki/Thermal_co-nduction．

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［9］ Multi-layer insulation．［2016-10］．https://en.wikipedia. org/wiki/Multi-layer insulation．

Cooling Loop Analysis and Test for Soft X-Ray Camera

ZHANG Sheng，LU Jun，GAO Xianhe*，HU Xueyou，SHI Chaoyi，CHEN Chen

（School of advanced manufacturing engineering，Hefei Union University，Hefei of Anhui Prov．230601，China）

Soft X-ray camera applied to measure the soft X-ray emission from plasma is an important diagnostic system in Tokamak．While the vacuum vessel is in baking phase，the ambient temperature of Soft X-ray camera would be 250 ℃，photodiode array may be broken in that case．So the cooling system is necessary to soft x-ray detect system，in which helium is used as cooling medium owing to its low activation and good heat exchange with copper．This article focuses on the heat analysis and simulation of closure cooling loop base on the cooling structure designed．In order to validate the effect of the cooling system designed，test platform is built，and some experimental results observed are also presented．The test results indicate that the maximum temperature of detectors is lower than 55 ℃ with the cooling loop during the baking phase，which is lower than the detector operation temperature limit of 75 ℃.The valid of cooling system is verified by simulation analysis and experiment test．

Cooling loop；Soft x-ray Camera；Helium cooling

TL362

A

0258-0918（2021）03-0521-06

2020-05-18

軟X相機(jī)烘烤冷卻自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（18-19RC38），合肥學(xué)院人才科研基金；2020年安徽省線上教學(xué)示范高校項(xiàng)目（2020xssfgx14）；基于Java Web的智能監(jiān)考通知系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2018jyxm0379）

張勝（1980—），男，皖渦陽人，講師，博士，現(xiàn)主要從事小信號檢測控制與電磁兼容設(shè)計(jì)方面研究

高先和，E-mail：gaoxh@hfuu.edu.cn