Устройство для охлаждения волноводов

 

Изобретение относится к ускорительной технике. Целью изобретения является снижение расхода теплоносителя при изменении величины и направления градиента тепловыделения на волноводе. Устройство содержит волновод 1, имеющий на поверхности температурные датчики 2 - 4. Волновод 1 охвачен конфузорным каналом 5 кольцевого сечения, образованным поверхностью волновода и коническим корпусом 6, разделяющим канал 5 с каналом 7, образованным корпусом 6 и кожухом 8 и выполненным с переменным проходным сечением по длине, увеличивающимся в направлении уменьшения проходного сечения основного канала. Каждый из каналов 5 и 7 включен в соответствующий гидравлический мост, содержащий по четыре регулируемых вентиля 22 - 25 и 31 - 34, связанных с датчиками 2 - 4 через систему автоматического регулирования 35. Когда новому режиму работы ускорителя соответствует новое значение величины тепловыделения и его продольного градиента в соответствии с сигналами датчиков 2 - 4, командами и алгоритмом системы автоматического регулирования 35, происходит изменение всех или части регулируемых вентилей 22 - 25, 31 - 34 с возможным изменением направления течения теплоносителя либо в одном, либо в обоих каналах - в зависимости от степени отличия нового режима работы по величине и знаку возникшей температурной неравномерности. Кроме того, на внутренней поверхности основного канала и в дополнительном канале на стенке корпуса нанесены сферические лунки, параметры которых удовлетворяют условиям D_л=(0,1-0,3)D; h_л=0,3D_л, где D_л - диаметр лунок; D - эквивалентный диаметр соответствующего канала; h_л - глубина лунок, а плотность размещения лунок выбрана переменной по длине. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для охлаждения ускоряющих и группирующих секций ускорителей заряженных частиц. Известно устройство для охлаждения, содержащее корпус, который совместно с наружной поверхностью волновода образует канал для прохождения теплоносителя переменного проходного сечения по длине с уменьшением его в сторону выхода теплоносителя, а на выходе и входе канала установлены выравнивающие решетки. Цель изобретения снижение расхода теплоносителя при изменении величины и направления градиента тепловыделения на волноводе. Для этого известное устройство для охлаждения волноводов снабжено кожухом, установленным поверх корпуса коаксиально волноводу и образующим с корпусом дополнительный канал для прохождения теплоносителя и два гидравлических моста, при этом дополнительный канал имеет переменное проходное сечение по длине, увеличивающееся в направлении уменьшения проходного сечения основного канала, а каждый из каналов включен в соответствующий гидравлический мост, включающий четыре регулируемых вентиля, подключенных к внешнему теплообменному контуру. Кроме того, на внутренней поверхности основного канала и в дополнительном канале на стенке корпуса нанесены сферические лунки с параметрами: диаметр лунок D_л (0,1-0,3)D, где D эквивалентный диаметр соответствующего канала, глубина лунок h_л= 0,3D_л, а плотность размещения лунок переменная по длине. На фиг.1 схематично изображен диафрагмированный волновод с коаксиальной двуканальной системой охлаждения конфузорно-диффузорного типа, подключенный к двум внешним теплообменным контурам через систему регулируемых вентилей, управляемых системой автоматического регулирования (САР); на фиг.2 разрез А-А устройства для охлаждения волновода, снабженного двумя каналами и четырьмя выравнивающими решетками (по две на каждом торце) кольцеобразного типа. Волновод 1, имеющий на поверхности температурные датчики 2-4, охвачен конфузорным каналом 5 кольцевого сечения, образованным поверхностью волновода и коническим корпусом 6, разделяющим канал 5 с каналом 7, образованным корпусом 6 и кожухом 8. Канал 5 снабжен выравнивающими решетками 9 и 10 и кольцевыми коллекторами 11 и 12, а канал 7 решетками 13 и 14 и кольцевыми коллекторами 15 и 16 на левом и правом торцах соответственно. Кольцевые коллекторы 11 и 12 соединены с патрубками 17 и 18 соответственно, которые присоединены к внешнему теплообменному контуру 19 через трубопроводы 20 и 21 и регулируемые вентили 22-25. Аналогично кольцевые коллекторы 15 и 16 соединены с патрубками 26 и 27 соответственно, которые подсоединены к внешнему теплообменному контуру 28 через трубопроводы 29 и 30 и регулирумые вентили 31-34. Вентили 22-25 и 31-34 связаны с датчиками 2-4 через систему автоматического регулирования 35. Устройство работает следующим образом. Пусть новый режим работы ускорителя таков, что возросло общее тепловыделение в волноводе и возрос градиент тепловыделения от левого торца к правому (уменьшился эффект нагрузки током) так, что температура правого торца стала превышать температуру левого торца. В это время вентили 22,23,31 и 32 открыты, а вентили 24,25,33 и 34 закрыты соответственно прежнему режиму большой нагрузки током с меньшим тепловыделением и отрицательным градиентом продольного тепловыделения. В первый момент после смены режима направление течения теплоносителя слева направо. В соответствии с сигналами с датчиков 2-4 и командами системы 35 вентили 31 и 32 закроются, а вентили 33 и 34 откроются настолько, чтобы приблизить вновь среднюю температуру волновода к заданной. Если при этом температурная неравномерность остается больше заданной по величине и той же по знаку, то по сигналам датчиков 2 и 4 и командам системы вентили 22 и 23 закроются, а вентили 24 и 25 откроются. Если при этом знак температурной неравномерности изменился, то расход хладагента через вентили 24 и 25 должен уменьшиться, а через вентили 33 и 34 увеличиться в соответствии с командами САР. Если знак не изменился, то наоборот: вентили 24 и 25 по командам системы 35 увеличат расход теплоносителя, а вентили 33 и 34 уменьшат. При этом в обоих каналах установится течение теплоносителя справа налево. Если же знак температурной неравномерности изменится в результате установленного режима охлаждения только за счет нового состояния вентилей 22-25, САР оставляет вентили 33 и 34 закрытыми, расход через вентили 31 и 32 увеличивает, а через вентили 24 и 25 уменьшает. В этом случае установится противоточный режим охлаждения. В общем случае, когда новому режиму работы ускорителя соответствует новое значение величины тепловыделения и его продольного градиента в соответствии с сигналами датчиков, командами и алгоритмом САР, происходит изменение состояния всех или части регулируемых вентилей с возможным изменением направления течения теплоносителя либо в одном, либо в обоих каналах в зависимости от степени отличия нового режима работы по величине и знаку возникшей температурной неравномерности. Таким образом, компенсация температурной неравномерности в различных режимах работы ускорителя осуществляется за счет выбора расходов теплоносителя через оба канала регулируемыми вентилями при условии, что выбранные профили каналов в плотности размещения лунок соответствуют диапазону значений величины тепловыделения и его градиента, которые в свою очередь определяются диапазонами значений амплитуды, длительности импульсов, частоты повторений импульсов ускоряемого тока пучка и ВЧ-мощности. Для снижения общего времени переходного процесса в роли сигналов для действия САР могут выступать также и сигналы изменения режима нагрузки током пучка и питания СВЧ-мощностью, а алгоритм работы САР может быть различным (например, с различной очередностью команд переключения и регулирования вентилей), но при условии минимального времени регулирования (минимального количества итераций). Применение предлагаемого устройства особенно эффективно для сильноточных линейных ускорителей электронов ЛУЭ на бегущей волне. Как правило, сейчас от таких ускорителей требуется получение прецизионных пучков со средним током в импульсе около 2 А и пиковым током в одном сгустке 100-1000 А. Обеспечение такого режима работы ЛУЭ при сохранении других режимов его работы (запасенной энергии и переходного) требует как известно поддержание температурной равномерности на уровне не ниже + 0,2^оС, что обеспечивает предлагаемое техническое решение, при различных величинах и значениях тепловыделения и его градиента. Причем для сильноточных ускорителей характерно то, что за счет эффекта нагрузки током продольный градиент тепловыделения либо отсутствует, либо отрицательный, а мощность тепловыделения существенно меньше, чем в случае малой нагрузки током, когда средняя мощность тепловыделения значительна, а градиент тепловыделения положителен. В предлагаемом техническом решении компенсации температурной неравномерности для всех основных режимов работы ускорителя на бегущей волне становится возможной за счет того, что как известно при максимальной нагрузке током тепловыделение в волноводе минимально, а его продольный градиент либо отсутствует, либо отрицателен, поэтому дополнительный канал может быть более эффективен для устранения температурной неравномерности, чем в других режимах, благодаря своему расширяющемуся профилю от левого торца к правому и максимальному расходу теплоносителя, текущего слева направо через него. При этом расход теплоносителя через основной канал может быть снижен вплоть до ламинарного потока. В другом крайнем режиме при малой нагрузке током профиль основного канала (см. фиг.1) больше соответствует положительному градиенту тепловыделения, чем профиль дополнительного канала с точки зрения температурной компенсации и наилучшего теплосъема, поэтому основной расход теплоносителя следует направить через этот канал. Промежуточные режимы работы ускорителя, в том числе и с равномерным тепловыделением по длине, легко обеспечить соответствующим выбором направления течения теплоносителя и промежуточными значениями расхода теплоносителя через различные каналы. Для усиления влияния дополнительного канала на компенсацию температурной неравномерности и уменьшения температурной деформации диафрагмы на обе поверхности корпуса 6 и на поверхность волновода 1 на внутренней поверхности канала в местах нахождения диафрагм нанесены интенсификаторы теплообмена лунки. Как показали расчеты, профиль проходного сечения каналов, т.е. его зависимость от продольной координаты, не зависит от входной температуры теплоносителя и температуры волновода, а зависит главным образом от профиля тепловыделения в граничных режимах. Таким образом, использование предлагаемого устройства в универсальном сильноточном ускорителе многоцелевого назначения позволит не только увеличить среднюю энергию пучка, снизить энергетический разброс за счет компенсации температурной неравномерности волноводов не в одном, а в различных режимах работы ускорителя, но и обеспечить получение прецизионных сильноточных пучков на универсальном ЛУЭ, например, в режиме лазера на свободных электронах. При осуществлении предлагаемого технологического технического решения на установке ЛУЭ "Факел" в режимах импульсной нагрузки током его величина составляет 0 + 2 А, а средняя мощность СВЧ-питания 20 кВт. Профиль внутреннего канала определяется в соответствии с профилем тепловыделения режима малой нагрузки током, а внешнего канала максимальной нагрузки током. Использование дополнительного канала заданной конфигурации позволит снизить температурную неравномерность вдоль ускоряющего волновода с 3 до 0,2^о и перейти к другим режимам работы ускорителя нестационарным, запасенной энергии, одиночных сгустков, не выходя за пределы этой величины температурной неравномерности.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЛНОВОДОВ по авт. св. N 588886, отличающееся тем, что, с целью снижения расхода теплоносителя при изменении величины и направления градиента тепловыделения на волноводе, в устройстве введены кожух, установленный поверх корпуса коаксиально волноводу и образующий с корпусом дополнительный канал и два гидравлических моста, включающих по четыре регулируемых вентиля, подключенных к внешнему теплообменному контуру, при этом дополнительный канал выполнен с переменным проходным сечением по длине, увеличивающимся в направлении уменьшения проходного сечения основного канала, а каждый из каналов включен в соответствующий гидравлический мост. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью снижения расхода теплоносителя, на внутренней поверхности основного канала и в дополнительном канале на стенке корпуса нанесены сферические лунки, параметры которых удовлетворяют условиям: D_л (0,1 0,3) D, h_л 0,3 D_л, где D_л диаметр лунок, м; D эквивалентный диаметр соответствующего канала, м; h_л глубина луное, м, а плотность размещения лунок выбрана переменной по длине.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---