一种基于磁流体真空密封的量热靶水路及靶板张合结构

技术领域

本发明属于磁约束聚变堆点火加热用的基于负离子源的高功率中性束注入(NNBI)加热技术领域，具体涉及XX。本发明涉及离子束或者中性束高热负荷量热测量靶张开和闭合两种状态的结构。

背景技术

基于负离子源的中性束注入(NNBI)加热和电流驱动是未来聚变实验堆、工程堆以及示范堆必不可少的点火加热手段。主动水冷量热测量靶是NNBI加热束线必不可少的设备之一，主要用于截获束线调试过程中的高功率中性束束功率，并利用量热测量原理测量截获的束功率，并利用布置在量热靶上热电偶阵列诊断束功率密度分布。NNBI加热束线两个运行状态，一个是束线调试状态，另一是中性束注入等离子体加热状态，这就导致量热靶只能用于调试状态。在中性束注入加热状态下，量热靶不能截获中性束束功率，需要移开靶板或者张开靶板，让高功率中性束直接注入等离子体。

在HL-2M装置的5MW-NBI加热束线中，采用量热靶升降来满足NBI加热束线的调试和注入状态，升降机构采用了高伸缩比的碟片式波纹管，量热靶升降伴随着波纹管的伸缩，保证了量热靶升降过程中的高真空性能。采用波纹管伸缩的量热靶升降结构，体积大，安装和维护不方便，造价高。为此我们选择V字形靶板，通过靶板的张开和闭合来满足NNBI加热束线的两种运行状态。传统的张合结构可以采用气缸驱动，但是气缸驱动也同样涉及到张合过程中真空密封问题，气缸驱动的结构复杂。

为研制HL-2M装置基于负离子源的NNBI加热束线，高功率准稳态负离子源测试平台，本发明一种采用转轴磁流体真空密封的量热靶张合结构，满足中性束加热束线调试和注入两种状态，并保证高真空性能不变，满足NNBI系统稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁流体真空密封的量热靶水路及靶板张合结构，它能够为HL-2M装置以及高功率准稳态负离子源测试平台提供一种具备主动水冷靶板张合功能的量热靶，用于量热测量中性束功率及诊断束功率密度分布。

本发明的技术方案如下：一种基于磁流体真空密封的量热靶水路及靶板张合结构，它包括量热靶结构、支撑结构、量热靶靶板及张合结构、真空密封法兰、磁流体密封腔、被驱动齿轮、多层水管兼转轴、出水接头、进水接头、驱动步进电机、驱动齿轮、量出水汇合腔、水冷无氧铜板、出水铜管、进水管、靶板分水腔、转轴，转动滑轮、限位器和转动轴承。

所述的量热靶结构为上下两层的结构。

所述的量热靶结构的顶层为真空密封法兰。

所述的真空密封法兰上设置磁流体密封腔。

所述的磁流体密封腔上设置被驱动齿轮。

所述的被驱动齿轮上设置多层水管兼转轴。

所述的多层水管兼转轴上设置出水接头和进水接头，被驱动齿轮与驱动齿轮相啮合。

所述的驱动齿轮上设置驱动步进电机。

所述的量热靶靶板及张合结构包括磁流体密封腔，被驱动齿轮，驱动步进电机，量出水汇合腔，水冷无氧铜板，出水铜管，进水管和靶板分水腔。

所述的量出水汇合腔的上端固定出水铜管，量出水汇合腔的下端固定进水管，量热靶靶板及张合结构的上部设置磁流体密封腔，磁流体密封腔上设置被驱动齿轮；进水管连接靶板分水腔，靶板分水腔连接转轴，转轴与转动轴承连接，靶板分水腔的下部连接转动滑轮和限位器和转动轴承。

本发明的有益效果在于：为基于正负离子源的中性束加热束线或者离子源测试平台提供高功率长脉冲量热测量靶，适用于大型磁约束实验装置，聚变堆量级的单个离子源，或者多个离子源汇聚注入的高功率NBI加热束线中性束或离子束量热测量靶旋转张开和闭合结构。该测量靶相对碟片伸缩结构的升降量热靶，驱动动力小，驱动机构体积和高度大大减小，重心低，安装安全方便。

附图说明

图1为本发明所提供的一种基于磁流体真空密封的量热靶水路及靶板张合结构的V字形主动水冷量热靶整体结构示意图；

图2为量热靶磁流体真空密封剖面图；

图3为驱动结构剖面图；

图4为量热靶靶板顶部进出水结构示意图；

图5为量热靶靶板底部进水以及转动轴承结构示意图。

图中，1量热靶结构，2量热靶板真空密封法兰及靶板支撑结构，3量热靶靶板及张合结构，4真空密封法兰，5磁流体密封腔，6被驱动齿轮，7多层水管兼转轴，8出水接头，9进水接头，10驱动步进电机，11驱动齿轮，12量出水汇合腔，13水冷无氧铜板，14出水铜管，15进水管，16靶板分水腔，17转轴，18转动滑轮，19限位器，20转动轴承。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的目的是为HL-2M装置以及高功率准稳态负离子源测试平台研制一种具备主动水冷靶板张合功能的量热靶，用于量热测量中性束功率及诊断束功率密度分布。为实现上述目的，我们仔细分析了基于负离子束的NNBI注入器，准稳态负离子源测试平台的束光学性能，高热负荷，给出了满足准稳态安全运行的V字形主动水冷量热靶。为实现量热靶的张开和闭合功能，我们采用了转动方式，发明了一种独特的转轴结构，并利用了磁流体密封特点，保证了量热靶张开和闭合转换过程中的高真空密封性能。

为精简量热靶结构，左右两靶板各自采用独立的进出水路，利用进出水管作为量热靶板的旋转轴，即左右两个主动水冷靶板各自采用对应靶板的进出水管作为旋转轴，在驱动机构作用下，两个靶板分别反向旋转相同的角度，形成靶板闭合和张开状态。每根旋转轴采用3层结构，内层为进水水路，外层为出水水路，中间夹层为真空隔离层。水路通径和水压力确定水流量，进水水压约20公斤。水管，分水腔，合水腔，靶板内水道承受水压30公斤。

V字形主动水冷靶板采用深孔钻工艺在无氧铜板内加工密集的水冷通道，水从板底部进入，从靶板顶部流出，靶板底部进水分水腔与靶板顶部出水合水腔体结构基本相同，分水腔体、合水腔体与靶板焊接成一体，在进出水管旋转下跟随转动。

为减小靶板转动扭矩力，在两个量热靶板底部靶板张合端的分水腔底部安装滑轮，在转轴底部加工一个安装球形滚珠的轴承。在靶板底部不锈钢支撑板上安装限位器给出靶板开启和闭合两种状态信号。

转轴顶端与量热靶安装密封法兰交接处，安装一个磁流体腔体，腔体心部与转轴滑动接触配合，磁流体腔体内存放真空密封用磁流体。磁流体在转轴与腔体之间起到真空密封作用。磁流体腔底部与量热靶安装密封法兰之间采用氟橡胶O圈密封。

转轴驱动机构采用步进电机转动齿轮驱动，齿轮传动扭矩决定步进电机功率，步进电机固定在量热靶安装密封法兰。

量热靶两个靶板对应的两路主进出水采用标准的螺纹锥面密封接头，接头与供水回路之间采用软管连接，保证靶板转动过程中转轴扭矩力最小。

如图1-5所示，一种基于磁流体真空密封的量热靶水路及靶板张合结构包括量热靶结构1，支撑结构2，量热靶靶板及张合结构3，真空密封法兰4，磁流体密封腔5，被驱动齿轮6，多层水管兼转轴7，出水接头8，进水接头9，驱动步进电机10，驱动齿轮11，量出水汇合腔12，水冷无氧铜板13，出水铜管14，进水管15，靶板分水腔16，转轴17，转动滑轮18，限位器19和转动轴承20；量热靶结构1为上下两层的结构，量热靶结构1的顶层为真空密封法兰4，真空密封法兰4上设置磁流体密封腔5，磁流体密封腔5上设置被驱动齿轮6，被驱动齿轮6上设置多层水管兼转轴7，多层水管兼转轴7上设置出水接头8和进水接头9，被驱动齿轮6与驱动齿轮11相啮合，驱动齿轮11上设置驱动步进电机10，如图1所示，量热靶靶板及张合结构3包括磁流体密封腔5，被驱动齿轮6，驱动步进电机10，量出水汇合腔12，水冷无氧铜板13，出水铜管14，进水管15和靶板分水腔16，其中，量出水汇合腔12的上端固定出水铜管14，量出水汇合腔12的下端固定进水管15，量热靶靶板及张合结构3的上部设置磁流体密封腔5，磁流体密封腔5上设置被驱动齿轮6；如图5所示，进水管15连接靶板分水腔16，靶板分水腔16连接转轴17，转轴17与转动轴承20连接，靶板分水腔16的下部连接转动滑轮18和限位器19和转动轴承20。

图1中，量热靶主要由4部分组成，V字形主动水冷靶板，靶板支撑固定及安装法兰，进出水路，靶板张开和闭合驱动结构。本发明主要针对后面两个部分，图1中的结构3所示。V字形靶板采用主动水冷，即靶板内加工密集水冷通道。量热靶支撑固定结构需要尽可能简单，减小整个靶重量，靶需要安装在注入器(或者测试平台真空室)中，安装法兰是量热靶的组成部件之一，法兰主要考虑真空密封和诊断窗口。量热靶的关键是靶板进出水路，靶板状态转换结构。状态1：中性束调试状态，靶板处于闭合状态，用于截获和测量全部束功率，并诊断束功率密度分布。状态2：中性束注入加热状态，靶板张开，留出束传输通道。图1中V字形靶板采用两进两出水路，也就是左右两个靶板采用独立的进出水路。

图2中，两个靶板进出水管采用3层管，3层管为靶板提供了冷却水进出水路，3层管内管提供高水压(承受水压30公斤)进水通道，中间层为真空层，外层为出水水道。中间层顶部连接波纹管，用于消除进水管与出水管之间安装公差。3层管作为靶板转动轴，转动轴采用磁流体动态真空密封，就是多层管外壁与磁流体环形圆柱腔体内壁之间采用磁流体真空密封，磁流体环形圆柱腔体中存放密封的磁流体材料。转动采用步进电机驱动转动齿轮，电机驱动主齿轮和被驱动齿轮之间采用1:1尺寸齿轮配合。磁流体腔体采用氟橡胶O圈真空密封固定在量热靶安装法兰上。步进电机配合转动齿轮和被驱动齿轮固定在量热靶安装法兰上。

图3中，冷却水进入靶板底部分水腔进入无氧铜靶板水冷通道，冷却水冷却靶板后到靶板顶部出水铜管，再进入合水腔，合水腔水通过3层管流出，形成完整的水流通路。

图4中，冷却水进过转动轴内层管进入分水腔体，分水腔体的水从靶板底部流入靶板实现与靶板的流体热交换，冷却靶板后的水进入图3的合水腔形成完整的冷却水通路。图4中，转动轴底部转动处设计一个带滚珠的轴承，用来减小靶板转动扭矩，为进一步减小靶板转动力矩，靶板底部张合端安装一滑轮，滑轮随转动轴转动作弧形运动。为保证靶板张合状态检测和定位控制，在靶板底部不锈钢板上滑轮弧形运行两端安装限位器，用于控制和检测量热靶的两种工作状态。

上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，比如水路进出可以互换。