一种离子加速器电源的水电分离结构

技术领域

本发明涉及一种离子加速器电源的水电分离结构，属于离子加速器领域。

背景技术

离子加速器需要通过许多磁铁电源的电流来产生约束磁场，为束流提供一定的运行轨道，进而使带电粒子在磁场中做直线或者周期运动并在电场中不断加速，使离子达到很大的速度。而电源是将来自输入源的能量转换成单输出能量源或多输出能量源的电气或电子设备，其内部是由成百上千的电子元器件和功率元件组成，且内部电流越大，电子元器件发热越大。热量的积累会产生高温。高温是电源的大敌，不但会导致电源运行不稳、发热元件使用寿命缩短，甚至有可能使某些部件烧毁。而加速器电源冷却就是将电子发热元件运行时产生的热量吸收、转移，并通过物理散热的方式扩散到开放式空间中。目前离子加速器电源采用非标的水电一体结构的水冷板或水冷管紧固在发热元件上来实现的。这种冷却结构的设计属于专用结构，不同的电源在尺寸和外形上不一定相同。由于加速器系统中不同类型、不同规格电源的功能、性能不一样，其工作原理、电路结构、外形尺寸也各有不同，例如：磁铁电源是恒流源、而功率源电源是恒压源。当建造不同的加速器时，由于电源功能、规格、参数、外形尺寸的变化，其结构、工艺设计往往也需要改变，这增加了加速器电源水冷结构设计及工艺的复杂性，同时也增加了加工生产周期，和生产成本，通常无法进行工业量化生产。总之，这种与电路绑定式的传统水冷结构设计和生产过程复杂、效率低，无法进行工业化生产，重复利用率也不高。

加速器电源长期运行，水冷结构是支撑其可靠性、稳定运行的重要组成部分。由于电源的规格和种类多，有些热功率大，有些热功率小，这样其水冷结构可能造成水管，接口，工艺的多样化。这使得现场的水冷管安装、路由和维修工作变得相对复杂。而且数量和种类较多的水冷结构，其质量及可靠性的一致性也很难保证。同时加速器冷却水通常是去离子水，为了保证不同电源的散热需求，对水压和流量具有一定的要求，长时间工作时，有些水冷结构、管道、接头容易老化，需要定期更换和维护，这就要求针对不同的水冷结构准备相应的备品备件。如此一来，为了便于维护，众多不同电源水冷结构就需要提供许多类型的备件。这也对备品生产厂家产生依赖，如果生产厂家由于倒闭等原因不能生产该备品，就要找厂家重新设计水冷结构。重新设计水冷结构备件，有时比配备品备件更难，其可靠性和适用性又要花时间验证，这无形中对水冷结构的可靠性增加了不确定性。可见加速器电源水冷结构的多样性问题不仅增加水冷结构备品元件类型和数量，增加安装、维护、升级的复杂性，同时也增加其对厂家生产的依赖性。

加速器电源固定的水冷结构通常和电路拓扑密切相关，一般水冷结构确定，那么电路的拓扑结构就确定下来了，而且由于加速器电源的结构一般比较紧凑，安装尺寸严格，所以不允许电路或尺寸有任何变化，否则电路将无法安装。如果要对电路进行改动或者升级基本不可能。唯一的办法就是对结构重新进行设计和加工。而且结构的变化还会引入不可靠因素，需要实验验证。从可靠性的角度来说，加速器电源构成可以分为容易出问题的部分和不容易出问题的部分。水冷结构一旦经过验证，其稳定性相对来说较高，而电路部分相对来说容易出现问题。但电源的稳定性是整体评估的，固定水冷结构也没办法单独改善电路部分的可靠性，这就缺乏对电路性能进行快速升级、优化的可能性。此外，传统的专用水冷结构中，由于所有的电源通常采用统一的配水参数，对有些结构而言散热效率比较低。同时传统的水电一体水冷结构要分别对功率器件、电抗器、变压器组件进行散热，有些组件相对位置比较远，还要考虑到安装等问题，所以水冷结构的散热位置不太准，散热效率不太高。通常电路组件的发热量是不同的，固定结构也无法根据不同热量进行调整散热效率。由此可见，固定式水电一体的水冷结构在散热效率，灵活性等方面还存在提升的空间。

加速器电源类型、规格数量较多，同时不同电源由于电路不同，非标水电一体的水冷结构的工艺复杂，无法进行工业化生产，其质量、可靠性、一致性也没法保证。解决这些问题对提升加速器电源系统的可靠性及建造高可靠未来新一代强流加速器具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种离子加速器电源的水电分离结构，用于提升离子加速器中电源的设计、加工、运行、维护的效率，简化并统一生产工艺过程，节省人力成本、生产成本，提升电源生产加工的质量，增加电源供货的安全性，提升电源系统的可靠性，以满足未来新一代离子加速器对高效、高可靠电源的新需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种离子加速器电源的水电分离结构，包括：

机箱以及设置在所述机箱内的标准模块单元和水冷单元；

所述标准模块单元包括可热插拔地设置在机箱内的至少一个标准功能模块，且各标准功能模块通过其后端设置的自定义标准连接器与设置在机箱后面板内的背板相连，并通过背板与主控制器相连，与主控制器通信；

水冷单元包括间隔设置在机箱内的至少两块水冷板，各水冷板的进出水口分别与设置在机箱后面侧部的总进水管和总出水管相连，用于对标准功能模块进行固定和冷却。

进一步，所述标准功能模块和所述水冷板采用相互交错的梯形结构，当所述标准功能模块插入所述机箱内时，所述标准功能模块的两侧面与两侧的所述水冷板紧密接触。

进一步，所述水冷板包括壳体以及设置在所述壳体内的蛇形管，所述蛇形管的进水口和出水口分别位于所述水冷板一侧的上下两端，且所述进水口和出水口内均设置有用于连接所述总进水管和总出水管的内螺纹。

进一步，所述总进水管和总出水管分别设置在机箱后面两侧，且所述总进水管上设置有与所述总进水管垂直的第一进水管支管，所述第一进水管支管上并联设置有若干第二进水管支管，各所述第二进水管支管分别与各所述水冷板上端的进水口相连；所述总出水管上设置有与所述总出水管垂直的第一出水管支管，所述第一出水管支管上并联设置有若干第二出水管支管，各所述第二出水管支管分别与各水冷板下端的出水口相连。

进一步，所述标准功能模块的前面板上还设置有指示灯，用于提示标准功能模块的基本状态；所述标准功能模块的底部设置有导轨，用于减少标准功能模块插入或拔出机箱时的摩擦力。

进一步，所述标准功能模块插入所述机箱后，通过螺钉紧固设置在所述机箱后面板，所述螺钉对所述标准功能模块产生拉力，以确保所述标准功能模块和水冷板之间的传导冷却面紧密接触。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明提供的水电分离结构，统一了离子加速器中不同类型不同规格磁铁电源、功率源电源等恒流、恒压电源的水冷结构，提升离子加速器中电源的设计、加工、运行、维护和升级的效率，简化并统一生产工艺过程，节省人力成本、生产成本，提升电源生产加工的质量，增加电源供货的安全性，提升电源系统的可靠性，满足未来新一代加速器对高效、高可靠、高可用电源的新需求。可广泛应用于新一代强流加速器装置、超导加速器装置、医用加速器装置、空间辐照实验室等加速器应用装置中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的离子加速器电源的水电分离结构示意图；

图2是本发明实施例提供的机箱内水冷板和标准功能模块结构俯视图；

图3a～图3b是本发明实施例提供的水冷板结构示意图，其中，图3a为水冷板的侧视图，图3b为水冷板的俯视图；

图4a～图4b是本发明实施例提供的机箱后面总进出水结构示意图，图4a是总进出水结构的侧视图，图4b是总进出水结构的俯视图；

图5是本发明实施例提供的机柜整体结构示意图；

图中各附图标记如下：

1、机箱；2、标准功能模块；3、水冷板；4、前面板；5、蛇形管；6、总进水管；7、第一进水管支管；8、第二进水管支管；9、总出水管；10、第一出水管支管；11、第二出水管支管；12、机柜；13、1×8机箱；14、1×16机箱；15、1×6机箱；16、1×12机箱；17、第一主控制器；18、第二主控制器；19、大功率标准功能模块；20、小功率标准功能模块；21、模块把手；22、指示灯；23、定位销；24、安装螺钉；25、热插拔连接器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

由于本发明提出离子加速器标准化电源水电分离的传导冷却结构相关内容，下面对相关内容进行介绍，以便本领域技术人员对本发明的内容更加清楚。

离子加速器通常包括成百上千台电源，主要分为直流电源和脉冲电源两类。如果按照磁铁类型来划分，包括二极铁电源、四极铁电源、六极铁电源、螺线管电源、超导电源、校正电源、扫描电源等。这些电源根据磁铁负载参数专门设计，其部内部结构都有所不同。当采用的电路拓扑或者工作原理不同时，其内部结构包括水冷结构在内，差别较大。这就在设计、生产、运行、维护、升级阶段增加了不少工作量。大多数情况要针对不同的磁铁参数设计不同的电源，生产周期较长，成本高。而且有些电源非常特殊也需要专人专修，效率比较低。

为了获得加速器电源的高可靠性、高可用性、高品质、供货安全等要求，同时提升电源设计、生产、加工、运行、维护的效率，本发明的一些实施例中提供一种离子加速器电源的水电分离结构，通过设置标准模块单元和水冷单元，将离子加速器电源的水电进行分离。其中，通过对标准模块单元进行组合和变更，统一了离子加速器中不同类型、不同规格的磁铁电源、功率源电源等电源的结构，实现离子加速器电源标准化；通过在机箱内设置水冷单元，实现了对标准模块单元的传导冷却。标准模块单元和水冷单元均采用统一结构，简化并统一生产工艺过程，节省人力成本、生产成本，提升电源生产加工的质量，增加电源供货的安全性，提升电源系统的可靠性，满足未来新一代加速器对高效、高可靠、高可用电源的新需求。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种离子加速器电源的水电分离结构，其包括：机箱以及设置在机箱内的标准模块单元和水冷单元。其中，标准模块单元包括可热插拔地设置在机箱内的至少一个标准功能模块，且各标准功能模块通过其后端设置的自定义标准连接器与设置在机箱后面板内的背板相连，并通过背板与主控制器相连，与主控制器通信；水冷单元包括间隔设置在机箱内的至少两块水冷板，各水冷板的进出水口分别与设置在机箱后面侧部的总进水管和总出水管相连，用于对标准功能模块进行固定和冷却。

优选地，如图2所示，标准功能模块和水冷板采用相互交错的梯形结构，当标准功能模块插入机箱内时，标准功能模块的两侧面与两侧的水冷板紧密接触，通过这种紧密面接触的方式将热量传导到水冷板，由水冷板将标准功能模块产生的热量带走，实现标准功能模块的良好的传导散热。

优选地，如图3a和图3b所示，水冷板包括壳体以及设置在壳体内的蛇形管，蛇形管的进水口和出水口分别位于水冷板一侧的上下两端，且进水口和出水口内均设置有用于连接总进水管和总出水管的内螺纹。

优选地，蛇形管采用铜管。

优选地，如图4a和图4b所示，总进水管和总出水管分别设置在机箱后面两侧，且总进水管上设置有与总进水管垂直的第一进水管支管，第一进水管支管上并联设置有若干第二进水管支管，各第二进水管支管分别与各水冷板上端的进水口相连；总出水管上设置有与总出水管垂直的第一出水管支管，第一出水管支管上并联设置有若干第二出水管支管，各第二出水管支管分别与各水冷板上端的出水口相连。

优选地，标准功能模块按预设功率阈值(例如2.5kW)分为两类，即功率大于预设功率阈值的第一标准功能模块和功率小于预设功率阈值的第二标准功能模块，且第一标准功能模块沿机箱纵向的高度为第二标准功能模块的两倍，其他尺寸均相同。

优选地，第一标准功能模块和第二标准功能模块类型一样，均包括标准功能模块本体、设置在标准功能模块本体前端的模块把手、以及设置在标准功能模块本体后端的自定义标准连接器。其中，标准功能模块包含标准电压模块、标准电流模块和泄能模块。

为了适配一些需要快速变化电流电压的应用需求，标准电压模块主要用来根据需要提升前级电压，用于超导磁铁加速电流的快速上升或者下降，或者用于组成不同规格的恒压源，或者用于功率源电源，且其电压在一定范围内可以调节，以满足对不同励磁电压等级的需要；标准电流模块主要用于为磁铁提供励磁电流，其电流大小可以调节；泄能模块主要是用于组合超导电源，且失超后，对负载和电源内部的能量进行泄放，实现对电路的保护。

优选地，标准功能模块的前面板上还设置有指示灯，用于提示标准功能模块的基本状态，包括故障、运行等状态；标准功能模块的底部设置有导轨，用于减少标准功能模块插入或拔出机箱时的摩擦力。

优选地，标准功能模块插入机箱后，并用螺钉从后面板上紧标准功能模块，对标准功能模块产生拉力，能确保标准功能模块和水冷板之间的传导冷却面紧密接触，确保良好的散热效果。

优选地，机箱内标准功能模块的数量根据实际需要设置，例如一个机箱内可以容纳6-8个第一标准功能模块，也可以容纳12-16个第二标准功能模块，且由于第一标准功能模块体积为第二标准功能模块的2倍，因此容纳6个第一标准功能模块的机箱与容纳12个第二标准功能模块的机箱尺寸相同，容纳8个第一标准功能模块的机箱与容纳16个第二标准功能模块的机箱尺寸相同。机箱的大小与功能模块的数量有关系，可根据需求灵活调整，但宽度通常为TE的整数，高度为U的整数倍。

实施例2

如图5所示，为实施例1的应用示意图。图中，机柜内垂直堆叠设置有5个机箱，分别为：2个容纳有8个第一标准功能模块的机箱、1个容纳有16个第一标准功能模块的机箱、1个容纳有6个第一标准功能模块的机箱以及1个容纳有12个第二标准功能模块的机箱。其中，各个机箱内的总进水管和总出水管对应连接，以便为多个机箱内的标准功能模块提供进出水。各个机箱内的标准功能模块分别与机箱内的背板相连，并通过背板与机箱内设置的两个主控制器相连，与主控制器通信，实现不同标准功能模块的串并联连接。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。