單注速調(diào)管高功放液冷系統(tǒng)的研究

鄒德智

（91913部隊40分隊，遼寧 大連 116041）

單注速調(diào)管高功放液冷系統(tǒng)的研究

鄒德智

（91913部隊40分隊，遼寧 大連 116041）

大功率單注速調(diào)管工作時，陰極發(fā)射的電子束大部分被收集極和管體吸收而轉(zhuǎn)換為熱能，致使承受相當(dāng)高的發(fā)熱密度，需設(shè)計一種有效的冷卻系統(tǒng)。分析了單注速調(diào)管的工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計一種單注速調(diào)管液體冷卻方案，并進(jìn)行了熱力學(xué)分析，給出數(shù)學(xué)模型，在某型單脈沖雷達(dá)中驗證了該設(shè)計的正確性，對同類型發(fā)射機系統(tǒng)中大功率功放器件冷卻設(shè)計具有推廣應(yīng)用價值。

單注速調(diào)管；發(fā)射機；單脈沖雷達(dá)；冷卻液

單注速調(diào)管是一種高功率、高增益和高效率的微波放大器件，同時還具有工作穩(wěn)定可靠和長壽命的優(yōu)點，隨著其在科學(xué)研究、國防建設(shè)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域要求小型化、微小型化，器件的熱流密度不斷提高，熱設(shè)計對整個系統(tǒng)變得越來越重要。

在某單脈沖雷達(dá)發(fā)射分系統(tǒng)中，采用“前級固放+末級單注速調(diào)管”兩級放大鏈，單注速調(diào)管功放是微波功率產(chǎn)生的核心，發(fā)射峰值功率可達(dá)1MW。但是陰極發(fā)射的電子束大部分被收集極和管體吸收而轉(zhuǎn)換為熱能，致使承受相當(dāng)高的發(fā)熱密度，良好的冷卻效果已經(jīng)成為整個系統(tǒng)具備高可靠性的重要保證。為了保證大功率速調(diào)管功放正常工作，必須設(shè)計有效冷卻系統(tǒng)及時將熱量從收集極、管體帶走。采用自然冷卻和強迫風(fēng)冷無法將電子器件產(chǎn)生的熱量全部有效帶走，采用液體冷卻代替空氣冷卻，冷卻效果明顯提高。一個設(shè)計合理的液體冷卻系統(tǒng),必須確保電子設(shè)備性能穩(wěn)定、可靠性高，整個系統(tǒng)應(yīng)體積小、重量輕、便于操作維修。針對某型單脈沖雷達(dá)大功率單注速調(diào)管發(fā)射機系統(tǒng)特點，本文提出單注速調(diào)管液冷系統(tǒng)的設(shè)計方案，并進(jìn)行了熱力學(xué)分析，給出數(shù)學(xué)模型，并在某型單脈沖雷達(dá)中驗證了設(shè)計正確性，對同類型發(fā)射機系統(tǒng)中大功率功放器件冷卻設(shè)計提供參考。

1 單注速調(diào)管熱能產(chǎn)生原因

圖1 速調(diào)管工作原理圖

圖2 液冷系統(tǒng)組成框圖

從單注速調(diào)管的工作原理進(jìn)行分析，了解單注速調(diào)管熱能產(chǎn)生原因，工作原理圖如圖1。單注速調(diào)管由電子槍、高頻互作用段、高頻輸入和輸出系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、收集極等組成。由電子槍發(fā)射的軸向速度均勻的電子注在通過輸入腔(由外加射頻信號驅(qū)動)時受到間隙簡諧電場的調(diào)制而使速度值出現(xiàn)了變化，在電場正半周通過間隙的電子得到加速，但是在電場負(fù)半周通過間隙的電子則被減速，由于輸入腔的作用使電子速度不再保持一致，而是變得有快有慢。經(jīng)過速度調(diào)制的電子注進(jìn)入漂移段之后，部分運動速度較快的電子將會趕上甚至超過前面的慢電子，這樣電子注的密度沿運動方向變得不再均勻，即因運動速度差異引起了電子注的群聚，進(jìn)行密度調(diào)制，群聚電子注通過輸出腔時，將部分能量轉(zhuǎn)換成微波能量，從而實現(xiàn)了微波信號的放大，其它電子打在收集極上，剩余的動能轉(zhuǎn)化為熱能，為及時將熱量帶走，需要設(shè)計冷卻系統(tǒng)。

2 液冷系統(tǒng)組成及工作原理

液冷系統(tǒng)是單脈沖雷達(dá)大功率單注速調(diào)管功放的重要組成部分，設(shè)計采用壓縮機制冷和強制風(fēng)冷相結(jié)合的冷卻方式，冷卻介質(zhì)采用去離子水加乙二醇防凍液，便于低溫下工作。液體冷卻系統(tǒng)的一次循環(huán)是完全充滿冷卻液的閉合系統(tǒng)，二次循環(huán)是冷卻液與外界大氣進(jìn)行熱交換。液冷系統(tǒng)的組成如圖2所示。

該系統(tǒng)采用大流量高揚程磁力泵，可以滿足本部發(fā)射機系統(tǒng)水冷散熱要求。冷卻液經(jīng)泵打增壓后，通過液冷管路、溫度傳感器進(jìn)入分配器，被分成四路，分別給單注速調(diào)管、聚焦磁場線包和大功率負(fù)載四端環(huán)形器進(jìn)行冷卻，帶走熱量。四個冷卻器件進(jìn)水口安有流量調(diào)節(jié)裝置，控制冷卻液流量，出水口安裝流量傳感器，將實時流量數(shù)據(jù)傳給監(jiān)測系統(tǒng)。冷卻液帶走熱量流出后，經(jīng)過集流器流入熱交換裝置。被加熱的冷卻液通過熱交換裝置與外界空氣進(jìn)行熱交換，散熱后的冷卻液回流至儲液箱，通過液位傳感器實時監(jiān)測冷卻液的液位情況，保證冷卻液滿足管路流量需要。冷卻管路裝加熱器，在環(huán)境溫度偏低時進(jìn)行管路液體加熱。最后由凈化過濾器流回至泵，至此完成一個循環(huán)冷卻過程。降溫后的冷卻液再通過管路進(jìn)入單注速調(diào)管功放、聚焦線包和大功率負(fù)載四端環(huán)形器，不斷完成冷卻過程，從而帶走各大功率器件的熱量，確保各器件能夠正常工作。

冷卻液在管路中循環(huán)流動，遇到需要冷卻的電子元件時，電子元件失去熱量，電子元件溫度降低，冷卻液得到熱量，冷卻液溫度上升。二次冷卻設(shè)備的功能是把被加熱了的冷卻液熱量排到循環(huán)系統(tǒng)以外，維持循環(huán)系統(tǒng)中冷卻液溫度平衡。在設(shè)計過程當(dāng)中，二次冷卻設(shè)備避免采用大功率軸流風(fēng)機集中冷卻的方式，以降低發(fā)射機系統(tǒng)的噪聲。二次冷卻設(shè)備采用多組散熱器分布式導(dǎo)熱，小功率軸流風(fēng)機對散熱器強制風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)形式，降低了發(fā)射機系統(tǒng)噪聲，提高了冷卻系統(tǒng)換熱效率。

3 熱力學(xué)分析

3.1 冷卻電子器件散熱分析

某型單脈沖雷達(dá)發(fā)射機大功率單注速調(diào)管冷卻系統(tǒng)分四路，提供冷卻液給單注速調(diào)管管體和收集極、聚焦線包和四端環(huán)形器及負(fù)載總散熱功率為16.4kW，其散熱功率分配如下：1和2路為單注速調(diào)管管體和收集極散熱功率12kW；3路為聚焦線包散熱功率2.4kW；4路為四端環(huán)形器及負(fù)載散熱功率2kW（極端情況下能量全反射時）。

被冷卻電子器件的輸入端溫度為65～15℃；

液體冷卻系統(tǒng)工作溫度：-40～+50℃；

存放溫度：-45～+50℃。

液冷系統(tǒng)需要散熱的總功率數(shù)據(jù)模型為：

3.2 二次冷卻系統(tǒng)分析

冷卻液被加熱后需要二次冷卻系統(tǒng)進(jìn)行降溫，帶走冷卻液的熱量，二次冷卻系統(tǒng)的主要散熱器件是熱交換器和軸流風(fēng)機，二次冷卻系統(tǒng)的熱力學(xué)分析如圖3所示。

圖3 散熱器組成框圖

式中：M1冷卻液熱范圍，W/℃；τ1冷卻液密度，kg/m3；H1冷卻液流量，m3/s；Z1冷卻液的定壓比熱，J/kg?℃。

式中：M2空氣的熱范圍，W/℃；τ2空氣的密度，kg/m3；H2空氣流量，m3/s；Z2空氣的定壓比熱，J/kg?℃。

式中：F12熱交換器出口端冷卻液的溫度，℃；F22熱交換器出口端空氣的溫度，℃。

4 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過表1實際測量和數(shù)據(jù)模型計算數(shù)據(jù)比對分析，該設(shè)計和分析的方法獲得數(shù)據(jù)滿足技術(shù)要求。

5 液冷系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測

液冷控制組合內(nèi)的冷卻控保組合對液冷系統(tǒng)送過來的冷卻液溫度信號、流量信號、液位信號進(jìn)行處理，數(shù)字量化后傳送給發(fā)射機顯控系統(tǒng)，實時顯示各路流量，給出故障信號和告警信號，實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)自動控制，如圖4。

表1 測試及換算結(jié)果對比

圖4 液冷系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面

6 結(jié)語

上文分析了單注速調(diào)管的工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計一種單注速調(diào)管液體冷卻方案，并進(jìn)行了熱力學(xué)分析，給出數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化了單脈沖雷達(dá)發(fā)射機大功率單注速調(diào)管液冷系統(tǒng)設(shè)計性能和結(jié)構(gòu)，設(shè)計冷卻液的壓力、流量、溫度、液位等實時監(jiān)控系統(tǒng)，把各種異常信號實時傳至發(fā)射機的控制系統(tǒng)，保證液冷系統(tǒng)的正常運行。本方案在某型單脈沖雷達(dá)中得到驗證和實際應(yīng)用，對同類型發(fā)射機系統(tǒng)中大功率功放器件冷卻設(shè)計具有參考價值。

[1]侯滿宏.一種大功率速調(diào)管功放液冷系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].科技向?qū)В?014,24:202.

[2]郭京明.某雷達(dá)發(fā)射機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子機械工程，2002,18(4):33～35.

[3]侯滿宏，郭忠凱.X頻段10kw速調(diào)管功放在深空地面站的應(yīng)用[J].電子科技，2015,28(3):112～113.

[4]桑波,謝駿程,董江,郭明,魏鑫,劉曉洲.速調(diào)管高功放冷卻系統(tǒng)介紹與維護(hù)[J].科技論壇,25.

V245.3

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0120-03