CN116759279A - 一种液冷散热的折叠波导慢波结构及行波管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液冷散热的折叠波导慢波结构及行波管，该折叠波导慢波结构包括彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道以及由各上栅体和各下栅体限定的波导结构；所述折叠波导慢波结构还包括位于所述波导结构沿垂直于电子注通道轴线方向两侧的液冷通道；所述液冷通道沿电子注通道轴线方向延伸。该慢波结构能够解决现有的散热方式散热能力较差的问题。

Description

一种液冷散热的折叠波导慢波结构及行波管

技术领域

本发明涉及微波真空电子技术领域。更具体地，涉及一种液冷散热的折叠波导慢波结构及行波管。

背景技术

行波管是一种真空电子器件，能够实现微波信号产生或放大，在通信、电子对抗、雷达系统等领域具有广阔的发展前景。行波管主要由电子枪、慢波结构、收集极、输入输出装置和磁聚焦系统构成。其中慢波结构是进行注-波互作用的场所，即实现微波信号产生或放大的关键部件。行波管在工作时，电子枪发射的高电流密度电子注需要在慢波结构的电子注通道内传输，由于存在聚焦磁场的不匹配和动态散焦等问题，慢波结构内会发生电子注截获，高能电子打在慢波结构内壁产生热耗带来温升，温度升高致使磁钢性能产生温漂，聚焦能力发生改变，进而加剧电子注截获，形成恶行循环，致使行波管无法稳定工作，因此必须采用一定的散热措施。在太赫兹频段，折叠波导慢波结构的结构尺寸微小，通常采用与外部零件多层焊接后以热传导的方式与外界进行热交换。但是采用上述散热方式散热能力较差，影响行波管的工作效率。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种液冷散热的折叠波导慢波结构以解决现有的散热方式散热能力较差的问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提供一种液冷散热的折叠波导慢波结构，包括：

彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道以及由各上栅体和各下栅体限定的波导结构；

所述折叠波导慢波结构还包括位于所述波导结构沿垂直于电子注通道轴线方向两侧的液冷通道；

所述液冷通道沿电子注通道轴线方向延伸。

优选方案是，两个液冷通道对称设置。

优选方案是，所述液冷通道的内壁上形成有若干沿电子注通道轴线方向延伸的翅片。

优选方案是，所述翅片沿垂直于电子注通道轴线方向排列。

优选方案是，所述翅片的截面呈矩形；所述翅片的宽度尺寸范围为0.1-0.3mm，高度尺寸范围为0.1-0.9mm。

优选方案是，所述液冷通道的宽度为a，高度为b；所述液冷通道的宽度a尺寸范围为0.5-2mm，高度b尺寸范围为0.2-1mm。

优选方案是，所述翅片的数量为n；n≥2；相邻翅片之间的间距为0.1-0.5mm。

优选方案是，所述翅片的高度小于液冷通道的高度。

优选方案是，所述波导结构与所述液冷通道之间包括间隔距离。

本发明还提供一种行波管，该行波管包括如上所述的折叠波导慢波结构。本发明的有益效果为：

本发明通过将慢波结构的冷却方式由外部传导冷却改为自身通道液冷后，散热能力得到大幅提升，同等热耗条件下，慢波结构的温升得到有效抑制，从而实现对慢波结构热耗区域的直接液冷，显著降低传导热阻，散热能力大幅增加，更好的满足太赫兹行波管实现连续波工作。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是现有的太赫兹折叠波导行波管的基本冷却结构示意图。

图2是本发明的慢波结构的竖直截面图。

图3是现有的采用冷板传导冷却时慢波结构温度分布模拟图。

图4是本发明的采用液冷通道冷却时慢波结构温度分布模拟图。

图5是本发明慢波结构的剖面图。

图6是本发明的液冷通道的真空模型图。

图7是本发明的慢波结构的整体结构示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

现有的太赫兹折叠波导行波管的基本冷却结构如图1所示，慢波结构内产生的热耗最终通过冷板导出。具体技术方案是将慢波结构与外部管壳进行钎焊，管壳的极靴上钎焊散热片，散热片与底板通过锡焊连接，底板底部为冷板，底板和冷板之间覆有导热脂层，冷板换热方式包括风冷、液冷等。此技术方案存在三个突出的缺点，第一是由于磁聚焦系统为周期结构，散热片只能间隔钎焊在厚度较薄的极靴上，数量和尺寸大小均受限制，行波管到底板之间的导热能力较差；第二是零件之间的钎焊质量受零件配合情况、钎焊工艺控制等影响显著，接触热阻较大；第三是底板和冷板之间的导热脂受材料本身限制热导率普遍偏低，一般小于5W/cm²/k，以上三点致使散热系统换热能力有限，对热耗区域冷却效果较差，在电子注截获功率较低时才可实现行波管的稳定连续波工作。对于太赫兹行波管，由于电子注通道以及内部折叠波导尺寸极小，仅为亚毫米量级，电子注通过率以及波导内部微小结构耐热性能均较差，需要更有效的散热途径来维持行波管连续波工作。

为了提高太赫兹行波管散热能力。本发明提供一种液冷散热的折叠波导慢波结构，结合图1至图7所示，具体地所述液冷散热的折叠波导慢波结构包括彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道2以及由各上栅体和各下栅体限定的波导结构1；所述折叠波导慢波结构还包括位于所述波导结构1沿垂直于电子注通道2轴线方向两侧的液冷通道3；所述液冷通道3沿电子注通道2轴线方向延伸；两个液冷通道3对称设置；所述液冷通道3的内壁上形成有若干沿电子注通道2轴线方向延伸的翅片4。

本发明在常规折叠波导慢波结构基础上，通过增加多翅片液冷通道结构来实现对慢波结构的直接液冷，从而使慢波结构内由于电子注截获和高频损耗产生的热量快速高效散出，降低磁钢温漂，保证磁场强度维持在设计范围内，从而实现行波管连续波稳定工作。

如表1数据所示，当慢波结构截获电子注功率均为20W时，采用外部传导冷却的方式，慢波结构内部最高温度为184℃，而采用液冷通道水冷方式，当体积流量仅为6.6mL/min时(入口流速0.5m/s)，慢波结构内部最高温度仅为61℃，温度仅为前者的1/3，行波管的散热能力得到显著提升，相应的外部磁钢温漂程度会大幅降低，保证磁场强度维持在设计范围内，从而实现行波管连续波稳定工作。

表1外部传导冷却(现有技术)和液冷通道液冷(本申请)散热效果对比

可以理解的是，可通过增加翅片4数量、更换冷却液种类以及采用气液两相混合等方式将液冷通道3散热能力进一步提升，有效承受行波管动态散焦、过饱和等情况下产生的热载荷，保证行波管的动态稳定工作。

结合图2所示，所述翅片4沿垂直于电子注通道2轴线方向排列，在慢波结构的竖直截面内，一个液冷通道3内的两个翅片4沿着水平方向排列；需要说明的是，所述液冷通道3的内壁上均可设置翅片4，翅片4的具体设置方式可按照具体情况进行选择，本发明对此不作限制。

在一具体实施例中，所述翅片4的截面呈矩形；所述翅片4的宽度尺寸范围为0.1-0.3mm，高度尺寸范围为0.1-0.9mm；所述液冷通道3的宽度尺寸范围为0.5-2mm，高度尺寸范围为0.2-1mm；所述翅片4的数量为n；n≥2；相邻翅片4之间的间距为0.1-0.5mm；在本实施例中，所述翅片4的高度小于液冷通道3的高度。

进一步的，为了保证波导结构1与所述液冷通道3之间相互独立，所述波导结构1与所述液冷通道3之间包括间隔距离。

本发明在现有的折叠波导慢波结构基础上，在全金属区域(可以为实体铜)增加两条对称的轴向液冷通道3对慢波结构实现直接液冷，液冷通道3内采用翅片4结构，一方面增加了换热面积，另一方面通过加强与液体内部的换热能力提升了对流换热系数，采用此技术方案可以有效降低慢波结构在热耗下的温升。如图2所示，液冷通道3总体尺寸为a×b，翅片4的尺寸为c×w，翅片4横向间距为d，翅片4数量为n。参照图3、图4所示，ANSYS模拟结果显示当慢波结构内热耗为20W时，采用冷板传导冷却的方式，慢波结构外表面温度为176℃，内部微小结构温度最高为184℃；而采用本发明的液冷通道水冷时，慢波结构表面最高温度约55℃，内部微小结构温度最高为61℃，温度仅为前者的1/3，相应的磁钢温漂程度会大幅降低，保证磁场强度维持在设计范围内，由以上结果对比可知本发明的慢波结构可以实现自身内部的高效散热，利于太赫兹行波管实现连续波稳定工作，应用潜力大。

在一具体实施例中，该慢波结构的结构参数为：慢波结构横截面为圆形，其直径为3mm，分两个半腔加工；所述翅片4的宽度为c，高度为w，相邻翅片4之间的间距为d；所述液冷通道3的宽度为a，高度为b；每个半腔内的液冷通道3的总体尺寸为a＝1mm，b＝0.25mm，翅片4的尺寸为c＝0.1mm，w＝0.15mm，相邻翅片4横向间距d＝0.25mm，翅片4数量n＝2。具体的，每个半腔内的液冷通道3结构如图6所示，图6为真空模型图。在实际加工过程中可以通过线切割的加工方法在加工慢波结构半腔的外形时向内进丝加工出内部的液冷通道3，通过填充焊料将进丝口钎焊封闭，形成轴向液冷通道3；最后将上述慢波结构的两个半腔通过压力扩散焊焊接为一体，即可得到如图7所示的完整的液冷散热的太赫兹折叠波导慢波结构。

本发明还提供一种行波管，该行波管包括如上所述的折叠波导慢波结构；该行波管的折叠波导慢波结构的具体结构参照上述实施例，由于该行波管采用了上述实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

综上所述，本发明通过将慢波结构的冷却方式由外部传导冷却改为自身通道液冷后，散热能力得到大幅提升，同等热耗条件下，慢波结构的温升得到有效抑制，从而实现对慢波结构热耗区域的直接液冷，显著降低传导热阻，散热能力大幅增加，更好的满足太赫兹行波管实现连续波工作。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种液冷散热的折叠波导慢波结构，其特征在于，包括：

彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道以及由各上栅体和各下栅体限定的波导结构；

所述折叠波导慢波结构还包括位于所述波导结构沿垂直于电子注通道轴线方向两侧的液冷通道；

所述液冷通道沿电子注通道轴线方向延伸。

2.根据权利要求1所述的液冷散热的折叠波导慢波结构，其特征在于，两个液冷通道对称设置。

3.根据权利要求1所述的液冷散热的折叠波导慢波结构，其特征在于，所述液冷通道的内壁上形成有若干沿电子注通道轴线方向延伸的翅片。

4.根据权利要求3所述的液冷散热的折叠波导慢波结构，其特征在于，所述翅片沿垂直于电子注通道轴线方向排列。

5.根据权利要求3所述的液冷散热的折叠波导慢波结构，其特征在于，所述翅片的截面呈矩形；所述翅片的宽度尺寸范围为0.1-0.3mm，高度尺寸范围为0.1-0.9mm。

6.根据权利要求5所述的液冷散热的折叠波导慢波结构，其特征在于，所述液冷通道的宽度为a，高度为b；所述液冷通道的宽度a尺寸范围为0.5-2mm，高度b尺寸范围为0.2-1mm。

7.根据权利要求3所述的液冷散热的折叠波导慢波结构，其特征在于，所述翅片的数量为n；n≥2；相邻翅片之间的间距为0.1-0.5mm。

8.根据权利要求6所述的液冷散热的折叠波导慢波结构，其特征在于，所述翅片的高度小于液冷通道的高度。

9.根据权利要求1所述的液冷散热的折叠波导慢波结构，其特征在于，所述波导结构与所述液冷通道之间包括间隔距离。

10.一种行波管，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的折叠波导慢波结构。