单注速调管高功放液冷系统的研究

邹德智

（91913部队40分队，辽宁 大连 116041）

单注速调管高功放液冷系统的研究

邹德智

（91913部队40分队，辽宁 大连 116041）

大功率单注速调管工作时，阴极发射的电子束大部分被收集极和管体吸收而转换为热能，致使承受相当高的发热密度，需设计一种有效的冷却系统。分析了单注速调管的工作原理和主要技术指标，设计一种单注速调管液体冷却方案，并进行了热力学分析，给出数学模型，在某型单脉冲雷达中验证了该设计的正确性，对同类型发射机系统中大功率功放器件冷却设计具有推广应用价值。

单注速调管；发射机；单脉冲雷达；冷却液

单注速调管是一种高功率、高增益和高效率的微波放大器件，同时还具有工作稳定可靠和长寿命的优点，随着其在科学研究、国防建设和工业生产领域要求小型化、微小型化，器件的热流密度不断提高，热设计对整个系统变得越来越重要。

在某单脉冲雷达发射分系统中，采用“前级固放+末级单注速调管”两级放大链，单注速调管功放是微波功率产生的核心，发射峰值功率可达1MW。但是阴极发射的电子束大部分被收集极和管体吸收而转换为热能，致使承受相当高的发热密度，良好的冷却效果已经成为整个系统具备高可靠性的重要保证。为了保证大功率速调管功放正常工作，必须设计有效冷却系统及时将热量从收集极、管体带走。采用自然冷却和强迫风冷无法将电子器件产生的热量全部有效带走，采用液体冷却代替空气冷却，冷却效果明显提高。一个设计合理的液体冷却系统,必须确保电子设备性能稳定、可靠性高，整个系统应体积小、重量轻、便于操作维修。针对某型单脉冲雷达大功率单注速调管发射机系统特点，本文提出单注速调管液冷系统的设计方案，并进行了热力学分析，给出数学模型，并在某型单脉冲雷达中验证了设计正确性，对同类型发射机系统中大功率功放器件冷却设计提供参考。

1 单注速调管热能产生原因

图1 速调管工作原理图

图2 液冷系统组成框图

从单注速调管的工作原理进行分析，了解单注速调管热能产生原因，工作原理图如图1。单注速调管由电子枪、高频互作用段、高频输入和输出系统、聚焦系统、收集极等组成。由电子枪发射的轴向速度均匀的电子注在通过输入腔(由外加射频信号驱动)时受到间隙简谐电场的调制而使速度值出现了变化，在电场正半周通过间隙的电子得到加速，但是在电场负半周通过间隙的电子则被减速，由于输入腔的作用使电子速度不再保持一致，而是变得有快有慢。经过速度调制的电子注进入漂移段之后，部分运动速度较快的电子将会赶上甚至超过前面的慢电子，这样电子注的密度沿运动方向变得不再均匀，即因运动速度差异引起了电子注的群聚，进行密度调制，群聚电子注通过输出腔时，将部分能量转换成微波能量，从而实现了微波信号的放大，其它电子打在收集极上，剩余的动能转化为热能，为及时将热量带走，需要设计冷却系统。

2 液冷系统组成及工作原理

液冷系统是单脉冲雷达大功率单注速调管功放的重要组成部分，设计采用压缩机制冷和强制风冷相结合的冷却方式，冷却介质采用去离子水加乙二醇防冻液，便于低温下工作。液体冷却系统的一次循环是完全充满冷却液的闭合系统，二次循环是冷却液与外界大气进行热交换。液冷系统的组成如图2所示。

该系统采用大流量高扬程磁力泵，可以满足本部发射机系统水冷散热要求。冷却液经泵打增压后，通过液冷管路、温度传感器进入分配器，被分成四路，分别给单注速调管、聚焦磁场线包和大功率负载四端环形器进行冷却，带走热量。四个冷却器件进水口安有流量调节装置，控制冷却液流量，出水口安装流量传感器，将实时流量数据传给监测系统。冷却液带走热量流出后，经过集流器流入热交换装置。被加热的冷却液通过热交换装置与外界空气进行热交换，散热后的冷却液回流至储液箱，通过液位传感器实时监测冷却液的液位情况，保证冷却液满足管路流量需要。冷却管路装加热器，在环境温度偏低时进行管路液体加热。最后由净化过滤器流回至泵，至此完成一个循环冷却过程。降温后的冷却液再通过管路进入单注速调管功放、聚焦线包和大功率负载四端环形器，不断完成冷却过程，从而带走各大功率器件的热量，确保各器件能够正常工作。

冷却液在管路中循环流动，遇到需要冷却的电子元件时，电子元件失去热量，电子元件温度降低，冷却液得到热量，冷却液温度上升。二次冷却设备的功能是把被加热了的冷却液热量排到循环系统以外，维持循环系统中冷却液温度平衡。在设计过程当中，二次冷却设备避免采用大功率轴流风机集中冷却的方式，以降低发射机系统的噪声。二次冷却设备采用多组散热器分布式导热，小功率轴流风机对散热器强制风冷的结构形式，降低了发射机系统噪声，提高了冷却系统换热效率。

3 热力学分析

3.1 冷却电子器件散热分析

某型单脉冲雷达发射机大功率单注速调管冷却系统分四路，提供冷却液给单注速调管管体和收集极、聚焦线包和四端环形器及负载总散热功率为16.4kW，其散热功率分配如下：1和2路为单注速调管管体和收集极散热功率12kW；3路为聚焦线包散热功率2.4kW；4路为四端环形器及负载散热功率2kW（极端情况下能量全反射时）。

被冷却电子器件的输入端温度为65～15℃；

液体冷却系统工作温度：-40～+50℃；

存放温度：-45～+50℃。

液冷系统需要散热的总功率数据模型为：

3.2 二次冷却系统分析

冷却液被加热后需要二次冷却系统进行降温，带走冷却液的热量，二次冷却系统的主要散热器件是热交换器和轴流风机，二次冷却系统的热力学分析如图3所示。

图3 散热器组成框图

式中：M1冷却液热范围，W/℃；τ1冷却液密度，kg/m3；H1冷却液流量，m3/s；Z1冷却液的定压比热，J/kg∙℃。

式中：M2空气的热范围，W/℃；τ2空气的密度，kg/m3；H2空气流量，m3/s；Z2空气的定压比热，J/kg∙℃。

式中：F12热交换器出口端冷却液的温度，℃；F22热交换器出口端空气的温度，℃。

4 数据分析

经过表1实际测量和数据模型计算数据比对分析，该设计和分析的方法获得数据满足技术要求。

5 液冷系统参数监测

液冷控制组合内的冷却控保组合对液冷系统送过来的冷却液温度信号、流量信号、液位信号进行处理，数字量化后传送给发射机显控系统，实时显示各路流量，给出故障信号和告警信号，实现冷却系统自动控制，如图4。

表1 测试及换算结果对比

图4 液冷系统监控软件界面

6 结语

上文分析了单注速调管的工作原理和主要技术指标，设计一种单注速调管液体冷却方案，并进行了热力学分析，给出数学模型，优化了单脉冲雷达发射机大功率单注速调管液冷系统设计性能和结构，设计冷却液的压力、流量、温度、液位等实时监控系统，把各种异常信号实时传至发射机的控制系统，保证液冷系统的正常运行。本方案在某型单脉冲雷达中得到验证和实际应用，对同类型发射机系统中大功率功放器件冷却设计具有参考价值。

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