CN113966161B

CN113966161B - 一种新型大功率水负载结构的设计方法

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Publication number: CN113966161B
Application number: CN202111568268.1A
Authority: CN
Inventors: 李鹏; 汪鹏; 王斌
Original assignee: CETC 9 Research Institute
Current assignee: CETC 9 Research Institute
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2041-12-20
Also published as: CN113966161A

Abstract

本发明公开了一种新型大功率水负载结构，包括吸收腔、入水管和出水管，所述吸收腔包括上壳体、陶瓷盖板和下扣板。其设计方法为在HFSS软件中建立一新型大功率水负载结构的模型、预设其驻波比≤1.2；HFSS软件、Fluent软件、Workbench软件中联合仿真，得到同时满足电性能、热学性能以及力学性能的模型。本发明能有效改善大功率水负载的散热效率，防止水负载在使用的过程中局部温度过高造成水负载发生变形，进而使得水负载发生泄漏，影响产品的正常使用。且综合考虑了水负载的电性能、热学性能以及力学性能，有效降低提升了整体的散热性能，避免器件因为局部温度过高发生蠕变，从而导致器件可靠性降低的缺陷。

Description

一种新型大功率水负载结构的设计方法

技术领域

本发明涉及一种水负载结构，尤其涉及一种新型大功率水负载结构及设计方法。

背景技术

水负载是利用极性水分子，在高频电磁场中快速振动的原理来吸收微波能量。中国科技大学同步辐射实验室，在其直线加速器上采用了水负载。日本KEK在其KEKB上采用的水负载，可稳定承受1.2MW的功率。

但现在大功率水负载，设计时只考虑其电性能的优化，而不考虑其散热性能的优化。常常造成电性能满足以后，而其散热不能满足要求。使得器件因为局部温度过高，造成器件因高温发生蠕变，而使得器件的可靠性降低。

且大功率水负载，应用于输出功率较大的情况，若使用常规吸收体，吸收体将不能承受高功率下高温状态，而极易造成温度场击穿。

名词解释：

HFSS软件：英文为High Frequency Structure Simulator，是一种三维电磁仿真软件。能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。

Fluent软件：是一款流体热力学软件，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。其通过该软件，我们可以得到任意形状产品的热场分布。

Workbench软件：Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题，ANSYS Workbench仿真平台能对复杂机械系统的结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学、结构热、电磁场以及耦合场等进行分析模拟。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，在使用过程中不仅满足电性能，还能达到很好的散热性能的一种新型大功率水负载结构。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种新型大功率水负载结构，包括吸收腔、入水管和出水管，所述吸收腔包括上壳体、陶瓷盖板和下扣板；

所述上壳体整体为下方敞口的空心圆台段，空心圆台段底部向下延伸形成一圆管段，圆管段底部外壁设有一环形翻边；

所述下扣板位于上壳体正下方，整体为环形，内径与圆管段内径相同，外径与环形翻边外径相同，下扣板上表面设有一沉孔，所述沉孔直径大于其内径，陶瓷盖板位于沉孔中并与沉孔完全匹配贴合，所述上壳体和下扣板固定连接；

所述入水管水平设置于上壳体一侧并与上壳体内部连通，且入水管沿连通处空心圆台段的切线方向设置，所述出水管同轴设置于上壳体顶部，且与上壳体顶部连通，且入水管和出水管远离吸收腔的一端分别为入水口和出水口。

作为优选：所述陶瓷盖板为透波介质层，采用BeO陶瓷、Al₂O₃陶瓷或AlN陶瓷制成；所述新型大功率水负载结构除陶瓷盖板外，均采用铝材料制成，且安装陶瓷盖板时，在陶瓷盖板和沉孔的贴合处镀银，再焊接在一起。

一种新型大功率水负载结构的设计方法，包括以下步骤：

（1）在HFSS软件中建立一新型大功率水负载结构的模型、预设其工作频率及端口驻波比VSWR，VSWR≤1.2；

（2）在HFSS软件中调整各部件结构尺寸并仿真，使其满足驻波比≤1.2，得到一电性能模型；

（3）用Fluent软件对电性能模型进行仿真，预设入水口处水温t _in、出水口处水温t _out、入水口到出水口的水流采用k-ε湍流模型，对电性能模型进行调整，得到一散热模型，并获取该散热模型的热场分布；

（4）将散热模型导入Workbench软件中，预设散热模型各部件的材料参数，并根据散热模型的热场分布计算出该模型的热应力分布；

（5）判断各部件中，热应力是否超过其许用应力；

（6）若热应力＞许用应力，则重复步骤（2）-（5），直到各部件中，热应力均小于许用应力，将该散热模型作为最终结构输出；若热应力≤许用应力，则直接将该散热模型作为最终结构输出。

作为优选：所述步骤（3）中，预设t _in=25℃、t _out≤65℃。

作为优选：所述步骤（3）中，对电性能模型进行调整，得到一散热模型，具体为，

调整入水管、出水管的位置和内径，以及水流的流速。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）结合HFSS软件、Fluent软件和Workbench软件的结合设计，得到一款新的产品，能有效改善大功率水负载的散热效率，能有效解决水负载在使用过程中因局部温度过高造成水负载变形，进而发生泄漏，影响产品正常使用的问题。

（2）本发明综合考虑了水负载的电性能、热学性能以及力学性能，在满足电性能的基础上考虑其热学性能，并从热学性能上考虑了最优的散热结构，得到了最优的散热流速，并分析了其内部的流迹和温度分布。从而在满足电性能的基础上，有效降低提升了整体的散热性能，避免器件因为局部温度过高发生蠕变，从而导致器件可靠性降低的缺陷。

附图说明

图1为本发明分解结构示意图；

图2为上壳体结构示意图；

图3为本发明整体的纵剖图；

图4为本发明俯视图；

图5为本发明设计方法中仿真的流程图；

图6为实施例2中本发明具体尺寸图；

图7为实施例2中本发明产品内部温度分布图；

图8为实施例2中本发明产品内部流速分布图；

图9为实施例2中本发明产品电磁仿真的驻波仿真结果；

图中：1、上壳体；2、陶瓷盖板；3、下扣板；4、空心圆台段；5、圆管段；6、环形翻边；7、入水管；8、出水管。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1到图5，一种新型大功率水负载结构，包括吸收腔、入水管7和出水管8，所述吸收腔包括上壳体1、陶瓷盖板2和下扣板3；

所述上壳体1整体为下方敞口的空心圆台段4，空心圆台段4底部向下延伸形成一圆管段5，圆管段5底部外壁设有一环形翻边6；

所述下扣板3位于上壳体1正下方，整体为环形，内径与圆管段5内径相同，外径与环形翻边6外径相同，下扣板3上表面设有一沉孔，所述沉孔直径大于其内径，陶瓷盖板2位于沉孔中并与沉孔完全匹配贴合，所述上壳体1和下扣板3固定连接；

所述入水管7水平设置于上壳体1一侧并与上壳体1内部连通，且入水管7沿连通处空心圆台段4的切线方向设置，所述出水管8同轴设置于上壳体1顶部，且与上壳体1顶部连通，且入水管7和出水管8远离吸收腔的一端分别为入水口和出水口。

所述陶瓷盖板2为透波介质层，采用BeO陶瓷、Al₂O₃陶瓷或AlN陶瓷制成；所述新型大功率水负载结构除陶瓷盖板2外，均采用铝材料制成，且安装陶瓷盖板2时，在陶瓷盖板2和沉孔的贴合处镀银，再焊接在一起。

一种新型大功率水负载结构的设计方法，包括以下步骤：

（5）判断各部件中，热应力是否超过其许用应力；

步骤（3）中，预设t _in=25℃、t _out≤65℃。步骤（3）中，对电性能模型进行调整，得到一散热模型，具体为，调整入水管7、出水管8的位置和内径，以及水流的流速。

实施例2：参见图1到图6，我们在实施例1的基础上，给出一个具体包含参数的案例，新型大功率水负载结构的具体形状同实施例1。基于该形状，我们采用一种新型大功率水负载结构的设计方法，来确定最终结构尺寸，该设计方法包括以下步骤：

步骤（1），同实施例1中步骤（1），该结构设计要求为：频率范围为4.5～4.7GHz，端口的驻波比≤1.2；

步骤（2），同实施例1中步骤（2）；

步骤（3），同实施例1中步骤（3）；具体的，预设入水口处水温t _in=25℃，出水口处水温t _out≤65℃，并预设一环境温度t _amb=25℃，各个外表面的对流换热系数h=25W/m²。另外，在采用Fluent软件仿真时，我们会对模型网格化，具体是采用网格尺寸为0.03mm~6mm之间的三角网格对模型进行划分，本实施例中，网格节点33376个，三角网格176552个。

步骤（4），将散热模型导入Workbench软件中，预设散热模型各部件的材料参数，并根据散热模型的热场分布计算出该模型的热应力分布；此时，散热模型整体除陶瓷盖板2外，其余全用铝材料制成，铝材料的型号有多种，为了更准确的描述本实施例，在本实施例中铝材料采用的牌号为2A12，该材料的许用应力为160MPa，陶瓷盖板2采用BeO陶瓷制成，该材料的许用应力为350 MPa，

（5）判断各部件中，热应力是否超过其许用应力；具体判定方法为：对比产品每个部位的热应力和许用应力。由于上述步骤（4）中提到，整体除陶瓷盖板2外，均为铝材料，所以除了陶瓷盖板2的许用应力为350 MPa，其余部分均为160MPa，该模型中每个部位的许用应力已知。又因步骤（4）得到该模型的热应力分布，也就知道了该模型每个部位的热应力，相同部位热应力和许用应力进行对比即可。

此处需注意，若有一个部位的热应力＞许用应力，都是不允许的。而步骤（3）中，对电性能模型进行调整时，具体调整的手段为：调整入水管7、出水管8的位置和内径，以及水流的流速。

最终，经过上述步骤（1）-（6），我们得到一具体产品，其尺寸参数参见图6，单位为mm。基于该结构，我们用Fluent软件得到其内部温度分布图和内部流速分布图，参见图7和图8，用HFSS软件得到其电磁仿真的驻波仿真结果参见图9。

从图7可以看出：在入水口流速V=8m/s时，我们总共标记了六个部位的静态温度。在图7中分别用T₁-T₆表示，T₁=298K、T₂=303K、T₃=307K、T₄=330K、T₅=332K、T₆=336K，从图中可以看出，本发明吸收腔内部温度分布均匀，不存在高温区域，最高温度出现在出水口位置。

从图8可以看出：图8中共标注了4个位置的流速，V_1-V₄，其中V₁=7.61m/s、V₂=9.32m/s、V₃=10.18m/s、V₄=11.89m/s。水沿着入水管7，从一侧进入吸收腔后，沿着吸收腔一侧壁面循环，再逐渐汇聚到中间部分，从中间的出水管8流出。这让水流在吸收腔内部得到了充分的循环，吸收腔内部不会形成流速相对较低的区域，使得底部腔体换热均匀，温度分布均匀。水流在腔体底部充分换热以后，再汇聚在中间部分，从出水口流出，这使得出水口的温度最高。这种结构的优点是：水在吸收腔里充分循环换热，吸收腔内部温度分布均匀，不存在高温区域。最高温度出现在出水口位置，这将保护吸收腔内部不被高温区影响，出水管8的后续连接管道，需要考虑因长期温度较高所造成的结构变形。

从图9可以看出，水负载腔体的内部结构可以将微波能量基本全部吸收，其端口驻波比在应用频率范围内VSWR≤1.1，其设计是满足电性能要求的。

综上，本发明能有效改善大功率水负载的散热效率，防止水负载在使用的过程中，因局部温度过高造成产品变形、从而导致泄漏的情况，避免上述问题影响产品的正常使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种新型大功率水负载结构的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）在HFSS软件中建立一新型大功率水负载结构的模型，预设其工作频率及端口驻波比VSWR，VSWR≤1.2；

所述新型大功率水负载结构包括吸收腔、入水管和出水管，所述吸收腔包括上壳体、陶瓷盖板和下扣板；

所述入水管水平设置于上壳体一侧并与上壳体内部连通，且入水管沿连通处空心圆台段的切线方向设置，所述出水管同轴设置于上壳体顶部，且与上壳体顶部连通，且入水管和出水管远离吸收腔的一端分别为入水口和出水口；

（5）判断各部件中，热应力是否超过其许用应力；

2.根据权利要求1所述的一种新型大功率水负载结构的设计方法，其特征在于：所述陶瓷盖板为透波介质层，采用BeO陶瓷、Al₂O₃陶瓷或AlN陶瓷制成；所述新型大功率水负载结构除陶瓷盖板外，均采用铝材料制成，且安装陶瓷盖板时，在陶瓷盖板和沉孔的贴合处镀银，再焊接在一起。

3.根据权利要求1所述的一种新型大功率水负载结构的设计方法，其特征在于：所述步骤（3）中，预设t _in=25℃、t _out≤65℃。

4.根据权利要求1所述的一种新型大功率水负载结构的设计方法，其特征在于：所述步骤（3）中，对电性能模型进行调整，得到一散热模型，具体为，调整入水管、出水管的位置和内径，以及水流的流速。