CN110970278A - 一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构，所述收集极包括收集极电极、绝缘瓷板和收集极外筒，所述所述收集极电极为圆柱体，外圆柱面均匀固定有多个绝缘瓷板，所述收集极外筒包围所述收集极电极的圆柱面，内壁设有与所述绝缘瓷板一一对应的固定槽，所述散热结构包括多个“O”形环和包围所述收集极外筒的热辐射器，所述收集极外筒外圆周均匀固定有多个“O”形环，每个所述“O”形环外沿固定在所述热辐射器的内壁；本发明结构简单，抗力学能力强、可靠性好、工艺可实现性好，能满足长寿命空间行波管的工作需要。

Description

一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构

技术领域

本发明涉及一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构。

背景技术

空间行波管工作的外太空环境条件十分恶劣，通信卫星面对太阳时达到上百摄氏度，背向太阳时温度又降到零下50多摄氏度，还要承受宇宙中各种高能粒子不间断的轰击。空间行波管与卫星平台上搭载的多种电子器件一样，要满足高效、可靠、长寿命等多方面要求。如果行波管产生的热量不能及时有效的散热，将会导致行波管自身产生很高的温升，收集极是行波管的主要发热部件，实践证明行波管三分之二的热功率来自收集极，收集极的温度过高会致使一部分的热流回传到行波管的高频结构，最终影响管子工作的可靠性和稳定性，并对其功率输出、效率和寿命造成一定程度的破坏。例如当收集极温度达到500℃时，收集极内各电极材料容易大量蒸发到陶瓷绝缘连接件上，从而降低高频结构与收集极之间的绝缘性，严重时可以致其短路；蒸发物还可能破坏封装部分的密封性和污染输能装置，导致行波管寿命减短或破坏；收集极温度过高还可能致使更多的次级电子溢出并向高电压电极加速轰击，致使收集极效率降低。如果高频结构温度过高，热应力就可能超出安全工作区，造成互作用电路物理上的破坏。例如螺旋线的破裂会造成慢波互作用的开路，而夹持杆的破裂会在慢波结构中引起小的扰动，两者均能导致行波管失效。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种结构简单，抗力学能力强、可靠性好、工艺可实现性好，能满足长寿命空间行波管的收集极散热结构。

技术方案：本发明所述的一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构，所述收集极包括收集极电极、绝缘瓷板和收集极外筒，所述收集极电极为圆柱体，外圆柱面均匀固定有多个绝缘瓷板，所述收集极外筒包围所述收集极电极的圆柱面，内壁设有与所述绝缘瓷板一一对应的固定槽，所述散热结构包括多个“O”形环和包围所述收集极外筒圆柱面的热辐射器，所述收集极外筒外圆周面均匀固定有多个“O”形环，每个所述“O”形环外沿固定在所述热辐射器的内壁。

进一步的，每个所述绝缘瓷板与所述收集极电极和收集极外筒固定槽焊接固定，每个所述“O”形环分别与所述收集极外筒和所述热辐射器内壁焊接固定。

进一步的，每个所述“O”形环与热辐射器内壁焊接一侧中间开缝，且每个所述“O”形环与热辐射器焊接一侧的弧形与热辐射器内壁贴合，“O”形环参与焊接的两面间距具有一定形变调节能力，为收集极与热辐射器互相装配和焊接提供便利；装配时，收集极外圆与热辐射器内孔间配合间隙可以留得较大，方便装配和放置焊料；焊接时可使用工装使“O”形环胀大，使O形环的外侧紧贴在热辐射器内壁，减小间隙和提高焊着率。

进一步的，所述热辐射器为一体式结构，包含筒状芯柱、多个翅片和侧板，所述芯柱内壁即所述热辐射器的内壁，所述多个翅片均匀的分布于所述筒状芯柱外表面，所述侧板与所述芯柱的一个底端一体连接，且与所述芯柱有相同的中空圆，所述侧板与每个所述翅片的一端一体连接。

进一步的，所述芯柱内壁与“O”形环外沿焊接固定，焊接部位壁厚大于其余部位的壁厚；翅片为楔形结构，靠近收集极一侧的翅片厚度大于其余部位的翅片厚度；所述侧板上设有安装孔，靠近收集极一侧的厚度大于其余部位的厚度。

进一步的，所述“O”形环的材料为铜，所述热辐射器的材料为铝合金，所述绝缘瓷板的材料为氧化铍陶瓷。

进一步的，所述绝缘瓷板为8个，所述“O”形环为8个。

有益效果：本发明所述的一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构结构简单，抗力学能力强、可靠性好、工艺可实现性好，能满足长寿命空间行波管的工作需要。

收集极外筒内部与绝缘瓷板焊接，外部通过“O”形环与热辐射器焊接，构成收集极热耗热传导途径和真空气密结构，收集极外筒为无氧铜材料，其热膨胀系数为1.7×10^-5/℃，热辐射器为铝合金材料，其热膨胀系数为2.3×10^-5/℃，当行波管在不同工况下开关机工作时，收集极部位的温度范围大概在-50℃-200℃循环，圆柱状的收集极外筒与热辐射器芯柱内壁直接焊接热匹配性较差，导致热应力较大，分解的热应力作用在收集极内部绝缘瓷板焊接部位，反复循环后会导致焊接部位失效，收集极外筒上的“O”形环构成良好的应力缓冲层。仿真计算结果表明增加“O”形环结构可使热应力减小1/3以上。在焊接收集极外筒表面增加“O”形环结构，减小结构应力的同时，为装配和焊接提供便利，提高了整管可靠性，减小了工艺复杂度。热辐射器将热耗以热辐射的形式辐射散掉，要求辐射器有较大散热面积、合适的角系数(减少散热面之间相互遮挡)、尽量轻的重量、好的结构强度。一体化设计的热辐射器芯柱、翅片、侧板一体加工，各部位连接牢固；芯柱、翅片、侧板的所有外侧表面都作为散热面，有效散热面积大；芯柱与收集极焊接部位加厚，翅片靠近收集极部位加厚，侧板靠近收集极一侧较厚，其余部位较薄，保证散热能力同时减少重量。

附图说明

图1为本发明散热结构的沿轴线剖面图；

图2为本发明散热结构的沿径线剖面图；

图3为散热结构沿径线剖面图的局部放大图；

图4为本发明热辐射器的外形图一；

图5为本发明热辐射器的外形图二。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。

本实施例所述一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构，如图1-3所示，收集极为四级降压设计，收集极电极与氧化铍绝缘瓷板间焊接固定，每个电极外围由8个独立的绝缘瓷板围绕一圈焊接连接，收集极外筒内壁设设有定位和焊接绝缘瓷板的槽；收集极外筒外焊接有8个独立的铜质“O”形环。

如图4-5所示，热辐射器设计为一体式结构，材料为铝合金，包含筒状芯柱、8个翅片、与翅片和芯柱连接的侧板。每个“O”形环外沿位置开缝，芯柱内壁与收集极外筒外围焊接的8个“O”形环外沿进行焊接固定，焊接部位设计较厚；翅片为楔形结构，靠近收集极一侧较厚；侧板连接芯柱与侧板，布安装孔，靠近收集极一侧较厚；热辐射器一体加工成形，无二次连接。

整个热辐射器直径为135mm，长为115mm，有效辐射散热面积为1000cm²，总重量为250g，经仿真计算和实际测试满足最大收集极热耗为90W的辐冷型空间行波管散热需要。

设计一体化热辐射器，芯柱、翅片、侧板构成整体，提高了有效散热面积和结构强度；使用局部加厚芯柱、侧板和楔形结构翅片，保证散热能力同时具有250g的轻重量，利于整管轻量化。使用此收集极散热结构的Ka频段100W辐冷型空间行波管总重量为850g。

此辐冷型空间行波管收集极散热结构在Ku频段150W辐冷型空间行波管上进行了试验验证，在经过20天连续39个循环的热真空试验后产品各项参数正常，未出现收集极焊接失效导致收集极过热整管故障或失效。

Claims (7)

1.一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构，所述收集极包括收集极电极(1)、绝缘瓷板(2)和收集极外筒(3)，所述收集极电极(1)为圆柱体，外圆柱面均匀固定有多个绝缘瓷板(2)，所述收集极外筒(3)包围所述收集极电极(1)的圆柱面，内壁设有与所述绝缘瓷板一一对应的固定槽，其特征在于，所述散热结构包括多个“O”形环(4)和包围所述收集极外筒的热辐射器(5)，所述收集极外筒(3)外圆周面均匀固定有多个“O”形环(4)，每个所述“O”形环(4)外沿固定在所述热辐射器(5)的内壁。

2.根据权利要求1所述的一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构，其特征在于，每个所述绝缘瓷板分别与所述收集极电极和收集极外筒固定槽焊接固定，每个所述“O”形环分别与所述收集极外筒和所述热辐射器内壁焊接固定。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构，其特征在于，每个所述“O”形环与热辐射器内壁焊接一侧开缝(6)，且每个所述“O”形环与热辐射器焊接一侧的弧形与热辐射器内壁贴合。

4.根据权利要求3所述的一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构，其特征在于，所述热辐射器为一体式结构，包含筒状芯柱(7)、多个翅片(8)和侧板(9)，所述芯柱内壁即所述热辐射器的内壁，所述多个翅片均匀的分布于所述筒状芯柱外表面，所述侧板与所述芯柱的一个底端一体连接，且与所述芯柱有相同的中空圆，所述侧板与每个所述翅片的一端一体连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构，其特征在于，所述芯柱内壁与“O”形环外沿焊接固定，焊接部位壁厚大于其余部位的壁厚；翅片为楔形结构，靠近收集极一侧的翅片厚度大于其余部位的翅片厚度；所述侧板上设有安装孔，靠近收集极一侧的厚度大于其余部位的厚度。

6.根据权利要求1所述的一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构，其特征在于，所述“O”形环的材料为铜，所述热辐射器的材料为铝合金，所述绝缘瓷板的材料为氧化铍陶瓷。

7.根据权利要求1所述的一种用于辐冷型空间行波管的收集极散热结构，其特征在于，所述绝缘瓷板为8个，所述“O”形环为8个。

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