软X相机冷却回路分析与测试

张　胜，卢　军，高先和，胡学友，石朝毅，陈　琛

软X相机冷却回路分析与测试

张胜，卢军，高先和*，胡学友，石朝毅，陈琛

（合肥学院 先进制造工程学院，安徽 合肥 230601）

软X射线相机用于测量托卡马克装置放电时等离子体辐射的软X射线在空间上的分布。在真空室烘烤时，软X射线相机周围的温度会达到250 ℃，需对探测器进行冷却。针对软X射线相机冷却需求，主要介绍了软X相机闭循环冷却回路的设计结构，并对冷却回路进行了热学仿真分析及实验测试。高压冷却气体通过密闭管道与探测器的换热器进行热交换，热交换后的气体经气体冷却装置冷却后通过压缩机加压后再次送入冷却管道，实现相机冷却。通过热学仿真以及实验测试结果表明，当外界环境为250 ℃时，通过闭循环冷却系统可将探测器的温度降到50 ℃以下，低于探测器的正常工作的极限温度75 ℃。通过仿真分析和实验测试，验证了冷却系统设计的有效性。

冷却回路；软X射线相机；氦冷却

软X射线相机用于测量核聚变辐射出的软X射线，是托卡马克上重要的诊断系统。通过对软X射线的测量为等离子体操控提供参数，也是一些关键物理现象研究的支撑。软X相机由探测器盒子和探测器阵列组成。相机安装在托卡马克真空室外的二次真空环境内。真空室外部的温度托卡马克在正常放电时约为75 ℃，而当处于烘烤阶段，其温度会达到250 ℃。探测器的工作的极限温度一般在75 ℃左右，高温环境下不但暗电流会增加，而且容易损坏[1]。因此，为保证探测器正常工作，需要对其进行冷却。

在一些小功率的聚变装置上采用水冷方式，但在高能量聚变中水很容易活化，活化后产生的废水又很难处理。本文选用不易活化的氦气作为冷媒对探测器进行冷却[2-4]。考虑到探测器阵列的实际面积及经济效益，本文采用了闭循环局部冷却的方式。主要讨论相机的冷却回路设计及热交换。由于烘烤时在真空室外进行，而探测器处于真空室内，通过热对流方式传播过来的热很少，因此本文设计中主要考虑系统的热辐射和结构件的热传导。

1　软X相机冷却回路设计

冷却系统整体结构如图1所示，是软X相机的重要组成部分，其内部结构包含光路、探测器盒子、探测器阵列以及冷却回路[5]。探测器盒子用来保护探测器不被中子辐照并构建软X射线光路。因此，探测器外壳使用316L不锈钢加工而成，对其表面进行抛光以增强对辐射热的反射；在探测器盒子的一侧设计了一条狭缝作为光路，另一侧用来固定探测器用于检测通过狭缝的软X射线；为了固定探测器盒子并减少真空管支架上的热量传导至探测器盒子，设计了两条支撑腿将探测器盒子固定在真空管支架上。

图1　冷却回路结构

热交换器通过4个细长的支架固定在探测器盒子上，这样可以减少探测器盒体上的热量通过支架传导到热交换器上。为了增加热交换器与冷媒之间的接触面积，换热器的内部结构采用迷宫设计（见图2），可以有效地提高换热效率。探测器的陶瓷底座经过抛光后固定在热交换器上，使陶瓷底座与换热器紧密结合；探测器上的热量通过陶瓷底座传导到换热器上，再通过换热器与流过其内部的冷媒进行热交换，将换热器上的热量带走，从而达到冷却探测器的目的。

图2　换热器内部结构

2　冷却回路热学仿真

2.1　冷却回路温度分布

为了得到探盒子和换热器上的温度分布状况，使用ANSYS fluent 16.0搭建了冷却回路模型、探测器盒子模型（见图3）和换热器模型（见图4）。为了阻隔热传导，在不同部件的结合面使用Vespel（高温隔热材料）[6-7]。探测器盒子采用不锈钢（316L）加工而成，其表面进行抛光以提高对环境辐射热的反射。

图3　探测器盒体模型

图4　换热器结构模型

2.2　热稳态仿真

在热稳态仿真中真空管支架的温度设定为250 ℃，探测器盒子支架通过Vespel与真空管支架隔离，通过仿真得到探测器盒子上的温度。由仿真结果可以看出，由于Vespel的隔热作用，探测器盒子的最高温度约为186 ℃（见图5）。由于Vespel的隔热作用，其上表面的温度比探测器盒子的温度稍低，最高温度约为183 ℃如图6所示。

2.3　热流仿真

热流仿真是在冷却回路热稳态仿真结果上进行的，在密闭冷却管路中通入15 ℃的氦气。仿真时设氦气的压强为0.3 MPa，流量为160 L/min。根据热稳态仿真的结果，探测器盒子的最高温度为186 ℃；因此在热流仿真时，探测器盒子内表面的温度设为192 ℃；假设探测器陶瓷底座目标冷却温度是40 ℃，因此底座的温度设定为40 ℃。探测器盒子为不锈钢，其热辐射率约为0.45，陶瓷片表面受热辐射的热流密度为960 W/m2。考虑到最恶劣情况，真空室的温度设置为250 ℃（与烘烤箱温度相同）。冷却管的温度设为40 ℃，管道表面受热辐射的热流密度为106 W/m2。

图5　探测器盒子热稳态分析

图6　Vespel表面温度分布

仿真时假定换热器与陶瓷插座（用于固定探测器）接触良好、探测器外壳与隔热膜接触良好。从仿真结果可以看出冷却管道出口处氦气的温度约为44.4 ℃如图7所示，探测器陶瓷底座1的温度（见图8）可冷却到45 ℃。探测器陶瓷底座3靠近冷却气体出口位置，其表面温度为58.1 ℃（见图9），高于靠近氦气入口位置的探测器1的温度。造成该差异的主要原因是氦气与前两个探测器进行热交换后温度升高。探测器1和2加热后的冷却气体在对探测器3进行冷却时，冷却效果变差，因此探测器3的温度稍高于前两个。在整个热交换的过程中，被冷却气体带走的热功率约为78.6 W。从仿真结果可以看出三个探测器的温度（假设与探测器陶瓷底座温度一样）都低于60 ℃，该冷却回路能满足探测器冷却需求。

图7　冷却管道回路温度分布

图8　陶瓷底座1温度分布

图9　陶瓷底座3温度分布

3　实验系统测试

3.1　实验平台搭建

为了验证氦气冷却回路设计的可行性[8]，搭建了加热冷却实验平台（系统框图如图10所示）。虚线是被经过换热器后的氦气回路，被加热的氦气重新经过气体冷却器进行冷却，箭头的指向为气体的流动方向。实线为冷却气体流经的管道，从换热器出来的氦气通过水冷装置被冷却到15 ℃，经过无油气体压缩机进行加压至5个大气压。加压后的气体通过冷却管道再次流经换热器，对探测器进行持续冷却。

图10　闭环冷却系统框图

为获得探测器在烘烤阶段的温度变化信息，设计了1 800 mm×800 mm×800 mm的不锈钢箱体（见图11）用于模拟探测器工作时的真空环境；冷却管道、加热丝线和热电偶通过法兰从真空箱体引出。烘烤箱放置在真空箱的内部，六个主要表面都设置了加热丝，其中主要的四个加热面上分别固定一个热电偶用来采集烘烤箱表面的温度，加热丝由温度加热控制系统控制，通过参数设置可以调节加热的目标温度值。换热器固定在探测器盒子上，探测器盒子固定在真空管支架上，真空管支架通过支撑腿固定在烘烤箱内部的底板上。使用分子泵抽取真空箱内的空气，使箱体内的真空低于10-2Pa。气体压缩机用于将冷却后的氦气加压后泵入冷却管道；通过调整冷却回路阀门的开度来改变冷却气体的压力与流量。探测器陶瓷底座上安装了热电偶用于采集其温度；气体回路中安装了各种仪表用于采集其温度、流量、压力等参数。为了反射空间辐射过来的热，冷却管道及探测器盒子表面包裹了多层隔热膜（MLI，Multi-layer insulation film）[9]，其热辐射系数为0.028 W/（M2·K4）。增加隔热膜的层数可以有效地增强隔热效果。数据采集和显示通过电脑数据采集管理系统完成。

图11　探测器盒子及冷却回路实验装置

试验开始先将密闭箱体抽真空，当其内部真空度达到10-2Pa后启动电加热系统和冷却回路，经过约4 h的加热，加热箱的温度上升到250 ℃。在后续的23 h内持续加热，使烘烤箱的温度维持在250 ℃。整个测试持续进行了约26 h。

3.2　实验结果分析

测试过程中烘烤箱的温度曲线如图12所示。由测试结果可以看出烘烤箱底部内表面的温度稳定在210 ℃，低于其他几个面的温度，主要由于其底部的热量通过固定支架被箱体带走，造成其表面温度低于设定的250 ℃。

图12　烘烤箱四个内表面的温度

实验开始时管道出口处气体的温度（见图13中）约为28 ℃。气体的压强设定为约0.3 MPa，冷却气体的流量约160 L/min（见图14）。通过调节冷却气体的流量和压力可以改变探测器的目标冷却温度。在热交换处于平衡状态时冷却管道出口处气体温度约为35 ℃。

图13　输入和输出端氦气的温度

图14　输入端冷却气体压强和流量

通过测试得到三个探测器的温度（见图15），探测器3的温度约为50 ℃，比其他两个探测器高了大约5 ℃。这是由于冷却气体先与探测器1和探测器2换热后才到达探测器3，也就是说冷却探测器3的氦气已经被探测器1和2加热了。因此，气体对探测器3的冷却效果降低，造成三个探测器冷却后的温度略有差异。

图15　三个探测器的温度曲线

4　结论

从仿真结果可以看出经冷却后，冷却管道出口处氦气的温度约为40 ℃左右，探测器陶瓷底座1的温度约45 ℃。探测器陶瓷底座3靠近冷却气体出口位置，其边缘处最高温度为58.1 ℃（见图9），并且每个探测器上温度分布并不均匀。通过搭建测试平台，持续进行27 h的烘烤和冷却测试，探测器的温度最终维持热平衡状态。其中两个探测器的温度约为44 ℃，另外一个约为50 ℃，测试结果与仿真结果基本一致。通过仿真和实验验证了该冷却方式及冷却结构可以满足探测器冷却的需求。该冷却结构易于加工和维护，且经济、可靠。

致谢

感谢等离子体物理研究所胡立群研究员及其科研团队，在论文上提供的指导和帮助。也感谢合肥学院团队的老师给予大力支持，使论文得以顺利完成。

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

［2］ 宋文，张竞宇，李璐，等．初始腐蚀产物对水冷聚变堆源项影响的研究［J］．核科学与工程，2018（07），38（3）：380-388．

［3］ 李璐，张竞宇，郭庆洋，等．水冷聚变堆主回路活化产物源项计算分析［J］．核技术，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．

［5］ Hu L，Chen K，Chen Y，et al．Outline Design of ITER Radial X-Ray Camera Diagnostic［J］．Fusion Science and Technology，2016（08），70（1）：112-118．

［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．

［8］ Su Yulei，Bian Rongyao，Zhang Junfeng，et al．The research of a helium circulating cooling system［J］．Cryo. & Supercond，2015，43（2）：［37-42］．

［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

软X相机烘烤冷却自动控制系统设计（18-19RC38），合肥学院人才科研基金；2020年安徽省线上教学示范高校项目（2020xssfgx14）；基于Java Web的智能监考通知系统设计（2018jyxm0379）

张胜（1980—），男，皖涡阳人，讲师，博士，现主要从事小信号检测控制与电磁兼容设计方面研究

高先和，E-mail：gaoxh@hfuu.edu.cn