螺旋线圈在同步辐射光源冷却系统中的应用

金利民 徐中民 王纳秀



螺旋线圈在同步辐射光源冷却系统中的应用

金利民 徐中民 王纳秀

（中国科学院上海应用物理研究所张江园区 上海201204）

在冷却流体管道中插入铜质线圈的强化冷却方法可以较为显著地提高管道的对流换热系数，从而增强冷却效果，此法已在国际上的同步辐射光源中得以应用。根据现有相关文献，总结介绍了此种强化冷却方法，阐述该机构的关键结构参数与强化冷却工作机理，并对其在国际上各同步辐射光源的应用情况作出描述，同时指出关键技术问题与未来的发展趋势，从而为此强化冷却方法在我国同步辐射装置，特别是高能高热的第三代同步辐射装置冷却系统的应用提供前瞻与有益的探索。

螺旋线圈，强化冷却，同步辐射

近年来，随着同步辐射光源技术的快速发展与设备的升级换代，其能量与强度得到不断的增强与提高。特别是新兴的第三代同步辐射光源，其各光学元件所要承受的热载很大，达到动辄几百、几千瓦的热功率。如此之高的热载，会使受光元件表面产生一定的变形，降低其光学性能，严重时甚至会灼伤元件表面，使其丧失正常的光学性能，从而影响光束线的正常工作。为保证高热功率同步辐射光源前端区各光学元件的正常工作性能，必须采用行之有效的冷却手段以缓释高热负载。因此针对光学元件的冷却工作就显得尤为重要，对于高热功率同步辐射光源具有十分重要的工程实际应用价值。

目前，对于同步辐射光学元件的冷却方式，主要可分为水冷与液氮冷却这两种对流冷却方式。其中，水冷为最常见的冷却方式，具有成本较低、装置简单以及化学稳定性良好等优点。而液氮冷却具有效果明显等优势，且热应力与热变形量相比于水冷一般要低两个数量级。但液氮冷却的对流换热系数较小，临界热通量低，且在常压下保持纯液相的温度范围很窄，为提高温度范围则必须增加液氮压力，故液氮冷却方式的技术难度与设备配置代价较大。由此可见，以上两种冷却方式各有优缺点，在工程实际应用中应根据具体工况条件选择合适的冷却方式[1]。

对于对流冷却方式，提高冷却效果的关键问题是提高冷却管壁的对流换热系数，且以此系数来衡量冷却能力的大小。根据：

式中，为对流换热系数；为努塞尔系数；为冷却介质导热系数；为圆形冷却管道的直径。

由Dittus-Boelter公式：

(3)

(4)

即：

式中，为雷诺数，反映对流强度对传热的影响；为普朗特数，反映流体物性的影响；、、与C分别是冷却介质的密度、流速、粘度以及比热。

由式(5)可知，为提高对流换热系数，应提高流体的流速，减小冷却管道的管径等。此外，流体的物性，如密度、比热、导热系数以及粘度对传热效果也有一定的影响。

目前，同步辐射光学元件的冷却系统大都使用的是光滑内壁的冷却流体管道。在此基础上，通过物理或化学的方法提高其冷却效果是问题的关键所在。工业上已有一种在冷却流体管道中插入铜质螺旋线圈的强化冷却方法，且其还具有防止与去除水垢的作用[2−3]。这种方法目前也在我国与国际上的一些同步辐射光源前端区的冷却系统中得以应用与推广[4−7]。已有研究人员通过实验的方法说明了此种强化冷却方法的有效性。如顾毓珍[8]在长度为3.47 m的黄铜冷却管内(15.8 mm×1.6 mm)安装了铜质螺旋线圈，观测安装螺旋线圈前后冷却水管的传热系数，实验结果列于表1。从表1中可发现，安装线圈之后的冷却水管的传热系数得到明显的提高。以上实验结果说明了在相同的条件下，此方法可以较显著地提高冷却流体管道的对流换热系数，从而提高冷却效果。

表1 冷却管内安装螺旋线圈前后的实验数据[8]

本文将对此种铜质螺旋线圈的强化冷却方法进行介绍，阐明此机构的关键结构参数与强化冷却工作机理，并针对此机构在我国以及国际上各同步辐射光源的应用情况作出描述，指出关键技术问题与未来的发展趋势。通过本文，为此强化冷却方法在我国同步辐射装置，特别是高能高热的第三代同步辐射装置（上海光源）前端区冷却系统的应用提供前瞻与有益的探索。

1 螺旋线圈

1.1 结构

如图1所示，螺旋线圈的外形类似于螺旋形的弹簧，材质一般是铜。将其插入圆形截面的冷却管中，与原来的光滑内壁的冷却管道相比，可以较显著地提高冷却系统的冷却效果。

图1 螺旋线圈插入冷却管道示意图

1.2 关键结构参数

螺旋线圈的性能与其结构密切相关，如图2所示。其所在的冷却系统的关键结构参数[7,9]主要包括：线圈的直径、相邻线圈环的间距、冷却通道的直径。

图2 螺旋线圈的关键结构参数

通过科学地设计以上参数，可以最大化地利用螺旋线圈的结构优势，进而提高冷却效果。为此，研究人员针对线圈结构参数对冷却管道对流传热系数的影响进行了相关实验性的工作。如根据Garcia等[9]的实验与分析结果，可推导线圈参数与管道对流传热系数之间的关系式：

1.3 强化冷却机理

通过在冷却管道中插入铜质螺旋线圈的方法的确可以提高同步辐射光学元件冷却系统的冷却效率。为充分利用其结构与性能的优势，以期根据实际工况，因地制宜地设计出强化冷却性能更为优越的线圈结构成了工作的重点，因此理解其强化冷却效果的工作机理就显得尤为重要。目前对于螺旋线圈强化冷却效果机理[2−3,10−11]的认识，主要集中于：

(1) 增加了热接触面积

根据管式换热装置的传热速率方程式[11]：

式中，为总传热量；为传热系数；为传热面积；Δm为平均传热温差。

由式(7)可知，增加传热面积是提高换热装置总传热量的有效措施。螺旋线圈的引入，使冷却流体与热载机构的热交换面积增大，提高了热交换的效率，从而有利于受热元件的热缓释。

(2) 减薄或破坏边界层

如图3所示，根据普朗特(Ludwig Prandtl)的边界层理论，因为固体冷却管道内壁对流体具有一定的阻力以及流体自身的黏滞性，当流体主流部分达到平衡状态之后，在边界层中出现了流体的速度梯度，即从管道内壁壁面到流体主流区之间的边界层内，流体多处于层流状态，故边界层内的对流传热状况较差。此外，沿着流体的流动方向，边界层的厚度逐渐增加，更进一步减弱了对流传热效应，因此，减薄或破坏边界层必然可有效地强化传热。螺旋线圈的引入，正是沿着流体流动方向，不断地减薄或破坏边界层，有效阻止了边界层的充分发展，因而提高了管道的传热效果与冷却效率。

图3 冷却流体管道中的边界层

(3) 促进了冷却管道中湍流的形成

光滑内壁的冷却管道中的流体呈现出层流或较弱的湍流状态，使得边界层得以充分发展而较厚，从而不利于对流传热。螺旋线圈的引入，使得冷却管道中的滞流内层减薄，且流体的湍流程度增强，尤其是增加了近管道内壁区流体的湍流程度。由此引起的离心力致使冷性流体向管径方向流动，而热性流体向管道中心流动，由此加强了冷却管道内热的对流作用，提高了对流换热系数，因此较显著地提高了冷却效果。

经过许多学者的研究发现，促进冷却管道中湍流的形成是铜质螺旋线圈有效增强冷却管道热缓释效果的主要原因。考虑到流体的湍流效应也与螺旋线圈的结构参数设计密切相关，为此，应在科学合理的结构参数设计条件下，扬长避短，充分发挥其强化冷却效果的能力。

2 螺旋线圈在各同步辐射光源冷却系统中的应用

目前，鉴于第三代同步辐射光源各光学元件，特别是前端区光学元件的高热负载特性，在我国以及国际范围内已有一些同步辐射机构使用螺旋线圈强化冷却的方法提高各光学元件的热缓释能力，都起到了比较明显的效果。这些同步辐射机构主要包括：美国的APS (Advanced Photon Source)、日本的SPring-8以及我国台湾新竹的TPS (Taiwan Photon Source)等。下面对此强化冷却方法在以上各机构的应用情况做一说明。

在APS前端区中，如图4所示，对于光子挡光器，其具有8个直径为9.5 mm的冷却水管道，在各管道内插入铜质螺旋线圈，提高了热对流效率，从而增强了整个元件的热缓释能力。此外，为缓释因高热载所导致的高热应力，特采用了“狗骨头”形的截面结构设计[5]。如图5所示，对于SPring-8前端区的可调光阑，也设计有8个冷却水管道，皆安装铜质螺旋线圈，提高了热对流效率，增强了冷却效果[6]。如图6所示，TPS前端区的高热负载光学元件具有两个冷却回路，每个回路又有4个水管道以及一个进口与一个出口。在所有冷却回路中安装了铜质螺旋线圈，较显著地提高了冷却效果[7]。

图4 APS前端区光子挡光器结构图[5]

通过以上叙述，可发现铜质螺旋线圈强化冷却技术已经在世界范围内的光源机构中得以有效的应用，显示出了广阔的应用前景。在我国典型的第三代同步辐射装置——上海光源一期的冷却系统建设工程中，尚未使用此项技术。随着二期工程建设的推进，为进一步有效提高前端区各光学元件的热缓释能力，在各项工作条件可行的情况下，应该考虑使用此项技术。

图5 SPring-8前端区可调光阑结构图[6]

图6 TPS前端区高热负载元件[7]

3 关键技术问题

通过上述描述，在同步辐射高热负载光学元件的冷却管道中插入铜质螺旋线圈的方法确实可提高其对流换热系数，从而增强冷却系统的冷却效果，且已在国际上的一些光源中得以积极的应用。但任何事物都应“一分为二”，此法也有消极的一面，主要包括两个方面的问题：

(1) 螺旋线圈的引入，同时也增加了冷却管道中流体介质的压力损失，即增加了冷却流体的动力消耗。此现象势必会给冷却效果的提高带来负面的影响，故螺旋线圈科学与合理的使用，需要综合考虑与权衡冷却强化强度与流体介质压力损失的增加这两个方面。当然，这主要应从螺旋线圈结构参数的设计调配入手。若能使螺旋线圈在插入冷却流体管道后，既能充分发挥其正面效应，即在提高冷却效果的同时，也能使冷却流体的压力损失最小，则为最佳的选择。这也是螺旋线圈在强化冷却应用方面的关键技术问题之一[7,10]。

(2) 螺旋线圈的引入使管道中流体的湍流程度明显增强，由此导致机构振动程度加强的问题。这对光源各光学元件而言是比较明显的负面效应，应尽量减弱其影响。在光源工程的实际应用中，根据前端区或光束线上各光学元件对振动效应的具体要求，设计出既能增强冷却效果，又能适应具体工况，适当地减弱振动强化负面效应的螺旋线圈。这也是螺旋线圈在强化冷却应用方面的关键技术问题之二。

4 未来发展趋势

螺旋线圈的应用，在一定程度上提高了同步辐射高热负载光学元件的冷却效率与使用寿命，具有较广阔的应用前景。在未来的使用中，需要不断对其性能进行优化设计，以期最大化地发挥其在强化冷却效果方面的优势。

为合理提高螺旋线圈的强化冷却性能，应该主要关注三个方面：

(1) 结构参数的科学设计。鉴于线圈结构参数、与对其性能的影响，应在上述参数的科学设计以及实验验证的基础上做足相关工作，寻求最优的结构参数配置。TPS[7]研究了不同的值对冷却管道导热系数的影响。实验结果表明，=6 mm时的水压损耗约为=12.7 mm时水压损耗的两倍，但导热系数仅上升约10%，故值的影响在水压损耗方面表现得更加敏感。

(2) 管道内冷却流体介质雷诺数的合理调控。根据Garcia等[12]的研究结果，当≈200时，螺旋线圈的引入对导热效果的增强无影响或影响很小；当≈200−1000时，螺旋线圈的引入对提高导热效果的影响较显著；当≈1000−1300时，螺旋线圈的引入进一步促进了管道内的冷却流体由层流状态向湍流状态的转变，流体的湍流程度得以进一步增强，从而较大幅度地增强了导热效果。

(3) 螺旋线圈与冷却管道内壁的强化接触控制。由于热量是通过冷却管道的光滑内壁、螺旋线圈表面与冷却流体介质相接触，从而由流体带走热量，起到热缓释的作用，故冷却管道的光滑内壁与螺旋线圈之间的接触状态控制就显得尤为重要。为提高光滑内壁与螺旋线圈之间的传热效率，可考虑通过焊接的方式增强两者间的接触。如TPS[7]进行过相关的测试，发现无焊接状态下，插入螺旋线圈后管道的导热系数为无螺旋线圈管道导热系数的1.4倍，而螺旋线圈与光滑冷却管道内壁间经过焊接的管道导热系数却为无螺旋线圈管道导热系数的两倍，由此说明了焊接工艺对提高螺旋线圈强化冷却性能的明显效果。但值得注意的是：由于一定区域内，冷却管道内壁与螺旋线圈之间存有间隙，且焊接时所用焊料在高温下工作，不能保证焊料在间隙中填充良好，因此可能影响冷却系统整体的性能。

5 结语

(1) 国际上已有一些光源使用螺旋线圈强化冷却的方法提高各光学元件的热缓释能力。螺旋线圈的性能与其结构密切相关，其关键结构参数主要包括线圈直径、相邻线圈环的间距以及冷却通道的直径。通过合理设计以上参数，可最大化地利用螺旋线圈的优势，提高冷却效果。

(2) 螺旋线圈强化冷却效果的机理，主要集中于：(a) 增加了热接触面积；(b) 减薄或破坏边界层；(c) 促进了冷却管道中湍流的形成。

(3) 螺旋线圈强化冷却应用方面的关键技术问题：一是既能提高冷却效果，同时也能使冷却流体的压强降最小；二是既能增强冷却效果，又能最大化地减弱振动强化的负面效应。对于以上两方面，都需要寻求一个平衡点。

(4) 为合理提高螺旋线圈的强化冷却性能，应主要关注于三个方面：一是结构参数的科学设计，寻求最优的结构参数配置；二是管道内冷却流体雷诺数的合理调控；三是螺旋线圈与冷却管道内壁的强化接触控制，可考虑通过焊接的方式增强两者间的接触，从而提高传热效率。

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Application of helical wire coils in the cooling system of synchrotron radiation facility

JIN Limin XU Zhongmin WANG Naxiu

(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Zhangjiang Campus, Shanghai 201204, China)

Background:The intensive cooling method of inserting copper wire coils into the cooling fluid tube can improve the convective heat transfer coefficient of the cooling tube much, thus enhancing the cooling effect. This method has been already utilized in some synchrotron radiation facilities in the world.Purpose: The aim is to introduce such kind of intensive cooling method and provide forward-looking and useful exploration for the applications of such type of intensive cooling method. Methods: According to the related published papers, the critical structural parameters of the helical wire coils and the intensive cooling mechanism are explained, and its applications in some synchrotron radiation facilities are described. Simultaneously, the key technical problems and development trend of such type of technique are also depicted.Results: It is found that not only to enhance the cooling effect, but also to minimize the strengthening of the negative effects, such as reducing pressure loss and vibration, both are the critical issues for the development of the proposed intensive cooling method.Conclusion:This technique is expectedto be used in some national synchrotron radiation facilities, especially the third generation high-energy & high-heat synchrotron radiation cooling systems.

Helical wire coil, Intensive cooling, Synchrotron radiation

TL99

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.070102

国家自然科学基金(No.11175243)资助

金利民，男，1984年出生，2012年于东华大学获博士学位，研究领域为同步辐射光学与技术

徐中民，E-mail: xuzhongmin@sinap.ac.cn

2015-03-02，

2015-05-11