大功率多注行波管收集极液冷结构的热设计

2018-08-03白卫星李金晶邢兵锁

数字通信世界 2018年7期

白卫星，李金晶，邢兵锁

（1.2.安徽华东光电技术研究所，芜湖 241002；2.铜陵职业技术学院，铜陵 244000）

多注行波管在提高行波管的效率带宽乘积并大幅降低工作电压的同时，也带来了相对于单注休斯结构更大的收集极发热量。本文通过使用有限元法（FEM）对某型号大功率多注行波管收集极的结构、材料等热分析及优化设计，并结合必要的半实物实验验证，为进行大功率多注行波管收集极液冷结构设计，提供参考依据及设计方向。

1 收集极散热结构的分析

（1）内表面耗散功率的确定

满足电参数和结构强度的两级压降收集极结构（图1所示），收一内表面积26cm2，收二内表面105.5cm2，收集极内芯外表面积为228cm2，采用具有沟槽结构的双层水套结构，电子注在收集极上耗散的功率密度取120W/cm2，则内表面允许的理论最大功率为16kW，保守的按照14kW计算，收集极平均功率密度为108W/cm2。在如此功率密度加载下自然冷却的收集极最高温度将达1500℃以上，如图2所示。

图1 收集极结构示意图

（2）入口边界条件的确定

收集极水冷散热结构如图3所示，内部陶瓷采用独立的陶瓷棒结构压缩成型，包覆陶瓷外壁的无氧铜之间为热交换的水道，水道与外部空间形成两层对流换热表面，在保证绝缘和结构强度的同时充分增加其对流换热系数，提高散热能力。

图2 自然冷却条件下收集极温度场

图3 收集极水冷散热结构示意

液流状态和雷诺数的计算：内层水通道共17个水槽液体的流速为U=Qm/（n*Aeq）=9328.2m/h=2.59m/s。冷却通道的当量直径为：Deq=4Aeq/Lp=1.34×10-3m，Aeq为通道横截面积，L为通道的湿周，n为通道数。

（3）液体与发热表面的温差计算

式中，动力黏性系数μ=56×10-6kgf·s/m2；比热容Cp=0.997 kcal/kg·℃；流体导热系数λ=55.7×10-2kcal/m2·h·℃；重度γ=988.1kgf/m3；A=7.7mm2；冷却通道几何形状系数φ=4π×Aeq/L2=0.1829；Qm=1.222m3/h；L=110mm；n=17。求得6.5℃。发热表面的温度为50+10+6.5=66.5。通过计算机模拟结果为62℃，如图4所示，与计算结果基本一致。

图4 散热表面计算结果

（4）收集极温度的计算。

估算陶瓷杆的温升，取BeO导热率为167.2W/m/deg，陶瓷数量为17×5，其规格为φ7.8×22，陶瓷与内筒接触面积约为32cm2，与外套接触面积约为60cm2。

图5 收集极温度场计算结果

仿真软件计算结果最高温度为224.58℃，与估算结果基本一致。以上的计算假定的状态是电子注动态下大致均布于收集极内表面的状态，非实际工作状态；在静态状态下，电子注主要作用在第二级锥形内表面，图6模拟8kW电子注功率完全作用在第二级尾端的计算结果。其最高温度达467.7℃。

图6 静态下收集极温度计算

行波管静态工作状态下，收集极无法长时间承受电子注耗散功率，因此整管必须在接入输入信号的动态工作状态下工作。动态电子注若平均作用于收集极内表面，收集极通过以上的水冷条件可以满足散热要求。

但实际工作状态下电子注功率不是平均耗散在收集极表面，局部会出现高于224.58℃的情况，因此需在第二极入口处做必要的表面处理以抑制铜的蒸散，如图7所示。

图7 经过表面处理的第二收集极

2 收集极水冷结构的流场研究

水冷收集极的热交换基本为热对流形式，流体与固体表面之间的热量传递是热对流和导热两种传热方式共同作用的结果。流体的流动有层流和湍流两种流态：层流流速缓慢，流体分层的沿平行于壁面方向流动，宏观上层与层之间互不混合，因此垂直于流动方向上的热量传递主要靠分子扩散（即导热）。湍流时流体内存在强烈的脉动和漩涡，使各部分流体之间迅速混合。流体湍流时的热量传递除了分子扩散之外，主要靠流体宏观的湍流脉动，因此湍流对流换热要比层流对流换热强烈，表面传热系数大。

当流体流经固体壁面，在流体为连续性介质的假设条件下，由于粘性力的作用，紧靠近壁面出的流体静止无滑移流动，速度为零，因此紧靠壁面处的热量传递只能靠导热。根据导热傅立叶定律，固体壁面x处的局部热流密度为，式中λ为流体的热导率。