CN109148241A - 一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统，属于真空电子器件技术领域，包括上冷却模块、下冷却模块、极靴导热片组、散热器、冷却风扇模块、驱动泵组和冷却液管路，本发明同时实现对行波管中的高频系统以及收集极进行有效散热，使得行波管管体温度处于稳定工作温度范围内，行波管在输出功率5W的条件下，工作占空比达到100％。

Description

一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统

技术领域

本发明属于真空电子器件技术领域，具体地说涉及一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz至10THz(1THz＝1012Hz)范围内的电磁波，它是介于毫米波与红外光之间的电磁波谱。由于太赫兹波谱所独有的优良特性，目前太赫兹科学技术发展火热，包括高速数据通信以及高分辨雷达等应用系统的工作频率都纷纷在向太赫兹频带扩展，而目前太赫兹源的发展水平正严重制约着太赫兹科学技术的发展，对宽带、大功率、高工作占空比的太赫兹源需求急迫。

行波管作为一种宽频带、大功率、高增益的电真空放大器，其工作原理是利用电子束在慢波结构中与电磁波进行互作用最终实现对电磁波进行功率放大的，在低频段行波管已被广泛地应用于电子对抗、雷达系统以及卫星通信等领域，在多数应用系统中对行波管的工作占空比都有较高要求，比如在通信系统中一般要求行波管的工作占空比达到100％。在将行波管工作频带向太赫兹频段扩展的过程中，采用折叠波导作为慢波结构的太赫兹行波管发展较为迅速，在国外，太赫兹折叠波导行波管的最高工作频率已达到1.03THz，最大输出功率已达到百瓦量级(0.22THz)；在国内，太赫兹折叠波导行波管的最高工作频率已达到0.34THz，最大输出功率已达到16W(0.22THz)。然而，太赫兹行波管的工作占空比却普遍较低，其主要原因在于，太赫兹行波管工作频率高，由于尺寸共度效应，其各结构尺寸极其微小，使其对结构尺寸偏差以及装配误差极为敏感，电子束在微细电子束通道中传输时易出现较高比例的截获，而太赫兹行波管的紧凑结构又使得因电子截获而产生的热量难以有效散出，热量的积累造成永磁聚焦系统的磁场强度降低，这使得管体截获的电子进一步增加，最终，行波管会由于有效参与束-波互作用的电子大幅减少造成性能急剧下降。所以，为了提高太赫兹行波管的工作占空比，使其最终可以成功实现系统应用，用于太赫兹行波管的高效整管散热系统不可或缺，而目前该类型装置的发展还不成熟。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统，所述行波管包括依次连接的电子枪、高频系统和收集极，包括：

包覆于收集极顶部的上冷却模块，其用于对收集极的顶部进行散热；

包覆于收集极底部的下冷却模块，其用于对收集极的底部进行散热，所述下冷却模块处设有若干个间隔设置的导热齿片；

包括若干个导热片的极靴导热片组，所述高频系统中的极靴贯穿导热片的顶部，且导热片的底部嵌入相邻的导热齿片之间；

和冷却液模块，所述冷却液模块包括驱动泵组、冷却液管路和散热器，冷却液模块分别与上冷却模块、下冷却模块连通以形成冷却液的循环回路。

进一步，所述上冷却模块包括上冷却板和上密封板，所述上冷却板的底部开有半圆柱形的用于容纳收集极顶部的上缺口，其顶部开有用于容纳上密封板的上容纳腔，所述上容纳腔的下方设有与其连通的上冷却腔，所述上冷却板上设有与上冷却腔连通的上冷却液入口和上冷却液出口。

进一步，所述下冷却模块包括下冷却板和下密封板，所述下冷却板的顶部开有半圆柱形的用于容纳收集极底部的下缺口，其底部开有用于容纳下密封板的下容纳腔，所述下容纳腔的下方设有与其连通的下冷却腔，所述下冷却板上设有与下冷却腔连通的下冷却液入口和下冷却液出口。

进一步，所述导热齿片位于下冷却板的顶部，所述导热片的顶部设有极靴配合孔，且导热片与极靴一一对应。

进一步，所述散热器用于对上冷却模块、下冷却模块进行热交换后的冷却液进行冷却，其包括框架及位于框架内的冷却管，所述框架上设有与冷却管连通的冷却液入口和冷却液出口，所述冷却管的外壁上设有周期排布的圆环状齿片。

进一步，所述冷却管沿着水平方向并行设有多路，且多路冷却管沿着垂直方向设有多层，多路冷却管通过散热分路器与冷却液入口连通，且多路冷却管通过散热合路器与冷却液出口连通。

进一步，所述散热器一侧设有用于对散热器内部冷却液进行冷却的冷却风扇模块，所述冷却风扇模块包括多个并排设置的风扇，且风扇的出风方向面对冷却管。

进一步，所述驱动泵组包括驱动泵Ⅰ和驱动泵Ⅱ，所述冷却液管路包括分路器和合路器，分路器分别与冷却液出口、上冷却液入口、下冷却液入口连通，合路器与冷却液入口连通，且合路器通过驱动泵Ⅰ与上冷却液出口连通，且合路器通过驱动泵Ⅱ与下冷却液出口连通。

进一步，还包括支撑架，所述支撑架包括主架及位于主架下方的2个附架，所述主架包括主架平台、固定臂Ⅰ和固定臂Ⅱ，所述固定臂Ⅰ和固定臂Ⅱ与水平面的夹角为30°。

进一步，所述上冷却模块和下冷却模块均与主架平台连接，所述散热器和冷却风扇模块分别与附架连接，所述驱动泵Ⅰ与固定臂Ⅰ连接，所述驱动泵Ⅱ与固定臂Ⅱ连接。

本发明的有益效果是：

通过上冷却模块、下冷却模块、极靴导热片组、散热器、冷却风扇模块、驱动泵组和冷却液管路的相互配合，同时实现对行波管中的高频系统以及收集极进行有效散热，使得行波管管体温度处于稳定工作温度范围内，行波管在输出功率5W的条件下，工作占空比达到100％。

附图说明

图1为行波管与整管散热系统总装结构示意图；

图2为行波管与整管散热系统总装结构示意图；

图3为行波管结构示意图；

图4(a)、图4(b)为上冷却模块结构示意图；

图5(a)、图5(b)为下冷却模块结构示意图；

图6为极靴导热片组结构示意图；

图7为散热器结构示意图；

图8为冷却风扇模块结构示意图；

图9(a)为驱动泵Ⅰ结构示意图；

图9(b)为驱动泵Ⅱ结构示意图；

图10为冷却液管路结构示意图；

图11为支撑架结构示意图。

附图中：1-行波管、2-上冷却模块、3-下冷却模块、4-极靴导热片组、5-散热器、6-冷却风扇模块、7-驱动泵组、8-冷却液管路、9-支撑架；

11-电子枪、12-高频系统、13-收集极；

21-上冷却板、22-上密封板、23-上容纳腔、24-上冷却腔、25-上冷却液入口、26-上冷却液出口、27-螺钉通孔、28-上缺口；

30-下冷却腔、31-下冷却板、32-下密封板、33-下缺口、34-导热齿片、35-下冷却液入口、36-下冷却液出口、37-螺纹孔、38-螺钉通孔、39-下容纳腔；

41-导热片、42-极靴配合孔；

51-冷却管、52-冷却液入口、53-冷却液出口、54-螺钉通孔；

61-风扇、62-扇叶支架、63-螺钉通孔；

71-驱动泵Ⅰ、711-第一泵入口、712-第一泵出口、713-螺纹孔、72-驱动泵Ⅱ、721-第二泵入口、722第二泵出口、723-螺纹孔；

80-下冷却模块入管、81-分路器、811-分路入口、812-分路出口Ⅰ、813-分路出口Ⅱ、82-合路器、821-合路出口、822-合路入口Ⅰ、823-合路入口Ⅱ、83-驱动泵Ⅰ入管、84-驱动泵Ⅱ入管、85-驱动泵Ⅰ出管、86-驱动泵Ⅱ出管、87-散热器入管、88-散热器出管、89-上冷却模块入管；

91-主架、911-主架平台、912-固定臂Ⅰ、913-固定臂Ⅱ、914-支撑脚、915-螺纹孔、916-螺钉通孔、917-螺钉通孔、918-螺钉通孔、92-附架、921-螺钉通孔、922-支撑脚。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

参考图1-图2所示，一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统，包括行波管1、上冷却模块2、下冷却模块3、极靴导热片组4、散热器5、冷却风扇模块6、驱动泵组7和冷却液管路8，其中，上述组件均位于支撑架9上，增加稳定性，散热器5、驱动泵组7和冷却液管路8形成冷却液模块，而冷却液模块分别与上冷却模块2、下冷却模块3连通以形成冷却液的循环回路。

参考图3所示，所述行波管1包括依次连接的电子枪11、高频系统12和收集极13，在行波管1工作时，高频系统12和收集极13会对电子束产生截获，造成聚焦磁系统的温度上升，影响稳定运行。鉴于此，发明人利用整管散热系统对高频系统12和收集极13进行散热处理。

实施例二：

参考图1、图4(a)和图4(b)所示，所述上冷却模块2包覆于收集极13顶部，其用于对收集极13的顶部进行散热。

具体的，所述上冷却模块2包括上冷却板21和上密封板22，所述上冷却板21的底部开有半圆柱形的用于容纳收集极13顶部的上缺口28，其顶部开有用于容纳上密封板22的上容纳腔23，且上缺口28与收集极13顶部接触面处涂抹有导热硅脂，用于提高收集极13至上冷却板21的导热效率，同时，上缺口28的柱面曲率半径与收集极13的曲率半径一致。所述上容纳腔23的下方设有与其连通的上冷却腔24，上冷却腔24内有流动的冷却液，用于带走传导至上冷却板21的热量。同时，为了提高冷却液与上冷却板21的换热效率，发明人将上冷却腔24设计为蜿蜒的S型槽状。所述上冷却板21上设有与上冷却腔24连通的上冷却液入口25和上冷却液出口26。

组装时，上密封板22插入上容纳腔23中并采用钎焊封接，使上冷却腔24成为一个密闭腔体，上缺口28两侧各排布有3个螺钉通孔27，6个螺钉通孔27由上冷却模块2顶部贯穿至底部，上冷却模块2采用导热性良好的铜进行制造。

实施例三：

参考图1、图5(a)和图5(b)所示，所述下冷却模块3包覆于收集极13底部，其用于对收集极13的底部进行散热。

具体的，所述下冷却模块3包括下冷却板31和下密封板32，所述下冷却板31的顶部开有半圆柱形的用于容纳收集极13底部的下缺口33，其底部开有用于容纳下密封板32的下容纳腔39，且下缺口33与收集极13底部接触面处涂抹有导热硅脂，用于提高收集极13至下冷却板31的导热效率，同时，下缺口33的柱面曲率半径与收集极13的曲率半径一致。所述下容纳腔39的下方设有与其连通的下冷却腔30，所述下冷却板31上设有与下冷却腔30连通的下冷却液入口35和下冷却液出口36。

组装时，下缺口33两侧各排布有3个螺纹孔37，下冷却板31上设有6个螺钉通孔38，下冷却模块3采用导热性良好的铜进行制造。在将收集极13的顶部和底部分别与上冷却模块2、下冷却模块3贴合后，将6枚螺钉穿过螺钉通孔27旋入螺纹孔37中，螺钉旋紧后将行波管1与上冷却模块2、下冷却模块3组合为一个整体。

参考图6所示，极靴导热片组4包括若干个导热片41，所述导热片41的顶部设有极靴配合孔42，且高频系统12中的极靴贯穿极靴配合孔42。所述下冷却模块3处设有若干个间隔设置的导热齿片34，所述导热齿片34位于下冷却板31的顶部，相邻导热齿片34的间距与极靴的厚度一致，导热片41的底部嵌入相邻的导热齿片34之间。同时，导热片41与极靴一一对应，导热齿片34的数量与高频系统12中磁环的数量一致。组装时，将导热片41与极靴进行一对一装配，将极靴的外缘与极靴配合孔42进行配合，并用钎焊进行焊接。在行波管1与下冷却模块3进行组装时，将导热片41插入相邻导热齿片34的间隙中，接触面处涂抹导热硅脂用于提高导热片41至导热齿片34的导热效率，导热片41采用导热性良好的铜进行制造。

实施例四：

参考图1、图2和图7所示，所述散热器5用于对上冷却模块2、下冷却模块3进行热交换后的冷却液进行冷却，其包括框架及位于框架内的冷却管51，所述框架上设有与冷却管51连通的冷却液入口52和冷却液出口53。所述冷却管51沿着水平方向并行设有多路，且多路冷却管51沿着垂直方向设有多层，多路冷却管51通过散热分路器与冷却液入口52连通，且多路冷却管51通过散热合路器与冷却液出口53连通。

本实施例中，冷却液经冷却液入口52流入散热器5后，经散热分路器分为四路分别流入四路冷却管中并流向散热器5的前端，流至前端后冷却液经由U形弯管流入下一层冷却管51并流向散热器5的后端，而后冷却液在散热器5前端及后端往复流动并逐次流入下一层冷却管51中，至第八层冷却管51流入散热器5的后端后，经由一合路器由四路汇入冷却液出口53流出散热器5。为增强冷却管51对冷却液的冷却能力，发明人将冷却管51设计为翅片管，即冷却管51的外壁上设有周期排布的圆环状齿片，所述齿片的外径为3mm-4mm，其厚度为0.1mm-0.2mm，其周期间距为1mm-2mm。同时，框架两侧分别设有4个螺钉通孔54，冷却管51采用导热性良好的铜进行制造。

参考图1和图8所示，所述散热器5一侧设有用于对散热器5内部冷却液进行冷却的冷却风扇模块6，所述冷却风扇模块6包括扇叶支架62及位于扇叶支架62内的多个并排设置的风扇61，本实施例中，每个风扇61具有七个叶片沿圆周方向均匀排布。所述风扇61的出风方向面对冷却管51，并保证出风区域覆盖全部冷却管51。同时，扇叶支架62的两侧分别设有4个螺钉通孔63。组装时，将散热器5的左侧壁与冷却风扇模块6的右侧壁贴合，并将螺钉通孔54与螺钉通孔63对齐，旋入螺钉，将散热器5和冷却风扇模块6组合为一个整体。

实施例五：

参考图1、图2、图9(a)和图9(b)所示，所述驱动泵组7包括驱动泵Ⅰ71和驱动泵Ⅱ72。所述驱动泵Ⅰ71上设有第一泵入口711、第一泵出口712和螺纹孔713，所述驱动泵Ⅰ72上设有第二泵入口721、第二泵出口722和螺纹孔723。

参考图1-10所示，所述冷却液管路8包括分路器81和合路器82，分路器81分别与冷却液出口53、上冷却液入口25、下冷却液入口35连通，合路器82与冷却液入口52连通，且合路器82通过驱动泵Ⅰ71与上冷却液出口26连通，且合路器82通过驱动泵Ⅱ72与下冷却液出口36连通。

具体的，所述分路器81包括分路入口811、分路出口Ⅰ812和分路出口Ⅱ813，分路入口811通过散热器出管88与冷却液出口53连通，分路出口Ⅰ812通过上冷却模块入管89与上冷却液入口25连通，分路出口Ⅱ813通过下冷却模块入管80与下冷却液入口35连通；合路器82包括合路出口821、合路入口Ⅰ822和合路入口Ⅱ823，合路出口821通过散热器入管87与冷却液入口52连通，上冷却液出口26通过驱动泵Ⅰ入管83与第一泵入口711连通，第一泵出口712通过驱动泵Ⅰ出管85与合路入口Ⅰ822连通，下冷却液出口36通过驱动泵Ⅱ入管84与第二泵入口721连通，所述第二泵出口722通过驱动泵Ⅱ出管86与合路入口Ⅱ823连通。

实施例六：

参考图1-11所示，所述支撑架9包括主架91及位于主架91下方的2个附架92，所述主架91包括主架平台911、固定臂Ⅰ912和固定臂Ⅱ913，主架平台911上设有6个螺纹孔915，所述固定臂Ⅰ912和固定臂Ⅱ913与水平面的夹角为30°，同时，固定臂Ⅰ912的末端设有2个螺钉通孔916，固定臂Ⅱ913的末端设有2个螺钉通孔917。主架平台911下方设有两个支撑脚914，每个支撑脚914上设有竖向排列的2个螺钉通孔918，附架92下方设有两个支撑脚922，每个支撑脚922上设有竖向排列的2个螺钉通孔921。所述上冷却模块2和下冷却模块3均与主架平台911连接，所述散热器5的右侧壁和冷却风扇模块6的左侧壁分别与附架92连接，所述驱动泵Ⅰ71与固定臂Ⅰ912连接，所述驱动泵Ⅱ72与固定臂Ⅱ913连接。

具体的，螺纹孔915与螺钉通孔38对齐并旋入螺钉，螺钉通孔916与螺纹孔713对齐并旋入螺钉，螺钉通孔917与螺纹孔723对齐并旋入螺钉，螺钉通孔918与螺钉通孔54对齐并旋入螺钉，螺钉通孔921与螺钉通孔63对齐并旋入螺钉。

所述整管散热系统的工作过程为：行波管1工作时收集极13截获电子产生的热量传导至上冷却模块2、下冷却模块3，而高频系统12截获电子产生的热量经由极靴导热片组4传导至下冷却模块3。当启动电源为驱动泵组7和冷却风扇模块6供电后，驱动泵Ⅰ71和驱动泵Ⅱ72开始驱动冷却液循环流动，冷却液经由分路器81分为两路后分别进上冷却模块2和下冷却模块3，进行热交换并带走二者的热量，使得上冷却模块2和下冷却模块3得到冷却，冷却液的温度上升。完成热交换后，冷却液由上冷却模块2和下冷却模块3分别进入驱动泵Ⅰ71和驱动泵Ⅱ72，再经合路器82合流后进入散热器5并与其进行热交换，冷却液的热量传递给散热器5使得冷却液得到冷却，散热器5温度上升。热量传递至散热器5中各冷却管51外表面，冷却风扇模块6产生的气流流动至冷却管51外表面并带走热量。冷却液完成冷却后，由散热器5再次进入分路器81，如此循环往复工作。最终通过该整管散热系统的作用，行波管1中由于电子截获而产生的热量被有效传递至外界大气中，使得行波管管体温度处于稳定工作温度范围内。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统，所述行波管(1)包括依次连接的电子枪(11)、高频系统(12)和收集极(13)，其特征在于，包括：

包覆于收集极(13)顶部的上冷却模块(2)，其用于对收集极(13)的顶部进行散热；

包覆于收集极(13)底部的下冷却模块(3)，其用于对收集极(13)的底部进行散热，所述下冷却模块(3)处设有若干个间隔设置的导热齿片(34)；

包括若干个导热片(41)的极靴导热片组(4)，所述高频系统(12)中的极靴贯穿导热片(41)的顶部，且导热片(41)的底部嵌入相邻的导热齿片(34)之间；

和冷却液模块，所述冷却液模块包括驱动泵组(7)、冷却液管路(8)和散热器(5)，冷却液模块分别与上冷却模块(2)、下冷却模块(3)连通以形成冷却液的循环回路。

2.根据权利要求1所述的一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统，其特征在于，所述上冷却模块(2)包括上冷却板(21)和上密封板(22)，所述上冷却板(21)的底部开有半圆柱形的用于容纳收集极(13)顶部的上缺口(28)，其顶部开有用于容纳上密封板(22)的上容纳腔(23)，所述上容纳腔(23)的下方设有与其连通的上冷却腔(24)，所述上冷却板(21)上设有与上冷却腔(24)连通的上冷却液入口(25)和上冷却液出口(26)。

3.根据权利要求2所述的一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统，其特征在于，所述下冷却模块(3)包括下冷却板(31)和下密封板(32)，所述下冷却板(31)的顶部开有半圆柱形的用于容纳收集极(13)底部的下缺口(33)，其底部开有用于容纳下密封板(32)的下容纳腔(39)，所述下容纳腔(39)的下方设有与其连通的下冷却腔(30)，所述下冷却板(31)上设有与下冷却腔(30)连通的下冷却液入口(35)和下冷却液出口(36)。

4.根据权利要求3所述的一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统，其特征在于，所述导热齿片(34)位于下冷却板(31)的顶部，所述导热片(41)的顶部设有极靴配合孔(42)，且导热片(41)与极靴一一对应。

5.根据权利要求3所述的一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统，其特征在于，所述散热器(5)用于对上冷却模块(2)、下冷却模块(3)进行热交换后的冷却液进行冷却，其包括框架及位于框架内的冷却管(51)，所述框架上设有与冷却管(51)连通的冷却液入口(52)和冷却液出口(53)，所述冷却管(51)的外壁上设有周期排布的圆环状齿片。

6.根据权利要求5所述的一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统，其特征在于，所述冷却管(51)沿着水平方向并行设有多路，且多路冷却管(51)沿着垂直方向设有多层，多路冷却管(51)通过散热分路器与冷却液入口(52)连通，且多路冷却管(51)通过散热合路器与冷却液出口(53)连通。

7.根据权利要求5所述的一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统，其特征在于，所述散热器(5)一侧设有用于对散热器(5)内部冷却液进行冷却的冷却风扇模块(6)，所述冷却风扇模块(6)包括多个并排设置的风扇(61)，且风扇(61)的出风方向面对冷却管(51)。

8.根据权利要求5-7任一所述的一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统，其特征在于，所述驱动泵组(7)包括驱动泵Ⅰ(71)和驱动泵Ⅱ(72)，所述冷却液管路(8)包括分路器(81)和合路器(82)，分路器(81)分别与冷却液出口(53)、上冷却液入口(25)、下冷却液入口(35)连通，合路器(82)与冷却液入口(52)连通，且合路器(82)通过驱动泵Ⅰ(71)与上冷却液出口(26)连通，且合路器(82)通过驱动泵Ⅱ(72)与下冷却液出口(36)连通。

9.根据权利要求8所述的一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统，其特征在于，还包括支撑架(9)，所述支撑架(9)包括主架(91)及位于主架(91)下方的2个附架(92)，所述主架(91)包括主架平台(911)、固定臂Ⅰ(912)和固定臂Ⅱ(913)，所述固定臂Ⅰ(912)和固定臂Ⅱ(913)与水平面的夹角为30°。

10.根据权利要求9所述的一种用于提高太赫兹行波管工作占空比的整管散热系统，其特征在于，所述上冷却模块(2)和下冷却模块(3)均与主架平台(911)连接，所述散热器(5)和冷却风扇模块(6)分别与附架(92)连接，所述驱动泵Ⅰ(71)与固定臂Ⅰ(912)连接，所述驱动泵Ⅱ(72)与固定臂Ⅱ(913)连接。