行波管性能测试用试验箱的结构特点及其设计

马学焕，赵 帅，陆宏权，张爱红，张志民，李 建

（中国电子科技集团公司第十六研究所，安徽亿瑞深冷能源科技有限公司，合肥 230088）

前言

行波管是一种微波电子管，广泛应用于军用和民用通信、雷达、导航、遥控、遥测、火控和电子对抗等诸多领域。其要求的测试环境的特点是：尺寸窄长、有高电压输入、散热功率大、需要风冷或水冷连接通道、波导连接通道（四周开孔多）等特殊要求。本试验箱按照企业的要求专门设计，以期达到企业在线试验的目的。

1 试验箱技术指标

1.1 性能指标

1）温度范围：-70℃～150℃；

2）升降温时间：

20℃～-70℃：≤30min

-70℃～150℃：≤70min

3）温度均匀度：≤2℃；

4）温度波动度：≤±0.5℃；

5）热负载能力：

试验样品在-55℃时和+85℃恒温时，试验样品发热功率2kW，在-60℃时试验样品发热功率1.5kW。

1.2 其他配置要求

1）内部尺寸：不小于1300（W）×600（H）×600（D）mm ；

2）外部尺寸：不大于1600（W）×1900（H）×950（D）mm；

3）开孔要求：试验箱左右两端各开一个Φ108 的风管接口；箱体后侧开一尺寸为：1000（W）×100(H)的矩形孔，矩形孔中心面距地面1100mm；

4）配移动脚轮；

5）带除霜观察窗两个：150mm×200mm；

6）配照明灯；

7）试验箱内顶面不能有冷凝水落下；

图1 试验空间模型示意图

8）彩色触摸屏操作界面。

用户要求的试验空间如图1所示。

2 结构特点分析

2.1 窄长型结构

此种结构，不同于近正方形箱体结构，要保证温度均匀度，则需要以新思路来设计风机布局和风道结构。

2.2 开孔多

该试验箱前面有大门，后面有用于连接波导的长矩形孔，左右两侧有用于连接通风机或冷却水管道的通孔，增加了蒸发器、加热器等布置难度。

2.3 机组空间受限

试验箱的升降温速率达到3℃/min，-60℃时还有1.5kW的散热负荷。由于受到机组布局空间的限制（注：矩形孔中心面距离地面1100mm），所以机组一方面要满足制冷性能要求，另一方面还要满足空间要求。

2.4 循环风道结构

试验箱四周均有开孔，且顶面不能有冷凝水滴下，下面有1100mm限制。所以空气循环风道结构的设计要针对性地解决这些难题。

3 制冷机组尺寸的确定

3.1 制冷方式选择

制冷方式的选择可从以下几个方面进行考虑：最低温度指标、工艺成熟度、系统可靠性、可维修性、制造成本。根据本试验箱的指标要求，采用机械蒸汽压缩复叠式制冷方式。用低温制冷循环获取试验箱需要的试验温度，用高温制冷循环来冷凝低温级的制冷剂，高温级和低温级通过冷凝蒸发器联系起来。选用环保制冷剂R404A/R23组合。

3.2 制冷系统热负荷计算

3.2.1 绝热层厚度及传热系数计算

由于要求试验空间高度600mm的中间距离地面1100mm，除去保温层和脚轮的尺寸，留给机组的净高度非常有限，因此，保温层的厚度只要满足设计要求即可。

以试验箱在最低工作温度时外表面不结露为基本条件，按平壁结构传热方程，根据平衡条件得到：

绝热层最小厚度 δ =（ t2－t1)λ/αw(ta－t2) =72.3 mm

考虑到工艺需要，取δ =90 mm，从而得传热系数K=1/(1/αn+δ/λ+1/αw)=0.363 w/m2.k

3.2.2 试验箱热负荷组成

箱体围护结构的漏热量Q1=KAΔt

箱体内材料的热容量Q2=GCpΔt/T

试验样品散发的热量Q3

箱内空气负荷Q4=C空气×V×γ×/ T

箱体其他结构件漏热量Q5

经计算得试验箱总热负荷3.73kW

3.3 压缩机及关键部件的计算选型

3.3.1 压缩机选型

根据性能指标和工作环境，低温级蒸发温度t0取-75℃，冷凝温度取-25℃，高温级蒸发温度取-30℃，高温级冷凝温度取40℃，查制冷剂热物理性质表得有关理论状态点参数如表1所示。

3.3.2 冷凝器设计计算

根据有关文献资料，风冷冷凝器换热器系数K取35W/M2.K，换热温差取7℃，则冷凝器换热面积A= QK/K.Δt=32M2。

冷凝器结构参数采用Ф10mm×0.5mm的紫铜管，正三角形排列，管间距S1=25mm，排间距S2=21.65 mm，铝片厚δ=0.15mm，片距Sf=2.2mm，每米管长总换热面积为0.4445M2/M，则冷凝器总管长L=72M。

考虑到机组空间的限制，每根管长取0.8 米，迎风面上排列五排，则每排18根。冷凝器总尺寸为900×510×110(mm)。

3.3.3 蒸发器设计计算

采用强制对流的直接蒸发式蒸发器，结构参数与冷凝器相同。蒸发器的传热系数k=40(W/m2K)，Δt=5℃，经计算。所需传热面积为18.65m2，设计蒸发器的尺寸为：1160mm×110mm×185mm。

3.3.4 冷凝蒸发器的选择计算

高温部分的蒸发器与低温部分的冷凝器之间的热交换由不锈钢钎焊板式换热器完成，外壳由聚胺脂发泡保温，与外界无热量交换。QkL=5.32kW，此类换热器换热效率高，换热系数一般在2500～4500之间，取k=3000 W/m2K，Δt =5℃，A= QkL/k·Δt=0.35m2，选择B3-18型钎焊板式换热器，其单片传热面积0.018m2，则20片的传热面积为20×0.018m2=0.36m2。

根据上述计算结果， 压缩机和系统关键部件的设计及选型结果如表2所示。

上述各部件以及其他制冷系统附属零配件，如阀门、压力控制器等通过管道焊接或螺纹连接成一个完整的系统。该机组总体结构尺寸为1250×880×580，满足机组空间要求。

4 箱体结构设计

4.1 围护结构

内壁采用不锈钢材质，外壁采用经过防护处理的冷轧钢板。根据厚度计算结果以及试验箱的温度范围，绝热层拟采取两种绝热材料的保温结构，紧贴试验箱内壁为耐高温保温棉，外层是硬质聚氨酯发泡层，兼顾材料温度范围和隔热需要。

4.2 整体架构设计

试验箱整体为上中下结构，下方为放置制冷机组的空间，底部装配移动脚轮；中层为被测行波管试验空间，其前面是双扇平开门，与箱体接触的门面设计双层耐温密封条，后面有1000mm×100mm的长矩形波导连接孔，且孔的中心面距离地面1100mm，两侧设计Φ108的行波管冷却介质通道；上层为控制柜体，其内装配电机及其他控制器件。在箱体的右侧设计悬挂式摇臂触摸屏控制器。

4.3 空气循环风道结构设计

空气循环风道设置在试验空间的上部，由不锈钢隔板将试验空间和空气调节间做物理分开。蒸发器、加热管、风扇、蜗壳等布置在其内，出风口设计有风向调节栅以满足温度均匀度指标要求。

表1 有关理论状态点参数

表2 压缩机和系统关键部件的设计及选型结果

考虑到冷凝水滴漏问题，风道隔板的结构设计兼顾了接水和排水需要。如图2所示。

5 控制原理及硬件配置设计

图2 结构布局示意图

图3 实物外观

图4 控制系统原理框图

图5 升降温实测曲线

试验箱由制冷系统提供降温所需要的冷量，由加热装置提供升温所需要的热量。通过控制调节制冷阀门的开启和关闭状态来实现对制冷量的控制，对加热量的控制则是通过固态继电器的导通状态来实现。温度传感器采集的温度模拟信号输送给温度控制器，该温度控制器将自身的PID模块的计算结果通过控制输出模块对外输出控制信号，驱动执行元件进行动作从而实现对试验箱温度的控制。

试验箱采用优易控UMC1000系列彩色液晶触摸屏可编程温度控制器作为主控制器，配以施耐德PLC可编程逻辑控制器、固态继电器、电磁阀、按钮开关、压力控制器、报警器等执行元件实现了试验箱温度控制目标。

控制系统框图如图4所示。

6 性能测试结果

试验箱在用户方经过第三方检测，其温度指标：如升降温速率、温度均匀度、温度波动度、负载能力等各项性能达到了指数指标要求。其他结构要求如开孔位置、尺寸、离地面距离等也满足了配置要求。测试的升降温曲线如图5所示。

7 结语

基于对行波管性能测试试验箱结构特点的分析，结合热负荷和制冷系统热力学计算，设计了复叠制冷机组以及满足整体结构配置要求的该款专用试验箱。其设计的创新性体现在结构尺寸的控制和蒸发器暨风道布局的设计上，可为其它类似试验箱的设计提供参考。

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