一种大功率回旋管收集级制造技术

该发明专利技术公开了一种大功率回旋管收集级，属于微波毫米波大功率技术领域，涉及大功率回旋器件，是一种用于大功率回旋管的新式收集级结构。该收集级包括圆筒形内壁和设置于内壁外侧的多片散热片，其特征在于各散热片为螺旋结构，并围绕于内壁的外侧，相邻散热片之间的缝隙为螺旋式冷却液通道。所述螺旋式冷却液通道的底部为波纹结构。通过特殊结构收集级的设计，使液冷效率极大提高，降低了收集级和液冷温度，从而提高收集级单位面积功率密度由0.38kw/cm2到1.65kw/cm2，满足了更高功率回旋器件的收集要求，且体积更小。

A high power gyrotron collecting stage

The invention discloses a high-power gyrotron collection stage, which belongs to the field of microwave and millimeter-wave high-power technology, relates to high-power gyrotron devices, and is a novel collection stage structure for high-power gyrotron. The collection stage comprises a cylindrical inner wall and a plurality of fins arranged on the outer side of the inner wall, which are characterized in that each fin has a helical structure and surrounds the outer side of the inner wall. The gap between adjacent fins is a helical coolant channel. The bottom of the spiral cooling liquid channel is a corrugated structure. Through the design of the special structure collection stage, the liquid cooling efficiency is greatly improved, the collection stage and the liquid cooling temperature are lowered, and the unit area power density of the collection stage is increased from 0.38 kw/cm2 to 1.65 kw/cm2, which meets the collection requirements of the higher power cyclotron device, and the volume is smaller.

【技术实现步骤摘要】
一种大功率回旋管收集级
本专利技术属于微波毫米波大功率
，涉及大功率回旋器件，是一种用于大功率回旋管的新式收集级结构。
技术介绍
回旋器件作为毫米波段大功率源的首选，放大器件功率容量已达到百kW量级，振荡器件功率容量甚至达到了M瓦量级，在高分辨率成像雷达、电子对抗、保密卫星通信等方面有着很广阔的应用前景。其中，收集级作为有效收集注波互作用后剩余电子注的部件，其设计是保障高功率输出的关键环节。然而，由于收集级单位面积功率容量的限制，当回旋器件平均功率越高，注波互作用后剩余的电子注越多，收集级单位面积功率密度提高，导致收集级工作温度过高，使得回旋器件真空度下降，在强电场区有可能出现击穿打火现象。若进一步提高功率容量，内表面温度达到收集材料熔点，收集级甚至有可能被烧毁，导致回旋器件无法正常工作。所以我们需要设计一种新式收集级结构，用于单位面积高功率密度的收集。电子科技大学蒋伟，鄢然等人2015年在《IEEEVacuumElectronicsConference》会议的DesignofCurvedCollectorforQBandGyro-TWT中提出一种曲线收集级，用于收集功率密度为0.38kw/cm2，该收集级用于Q波段的回旋行波管，收集级工作温度控制在142℃,效果良好,但该结构在收集更高功率密度时会出现因温度过高而产生打火的现象。
技术实现思路
本专利技术提出了一种新式的收集级结构，能正常工作于更高功率的回旋器件。本专利技术的技术方案为：分析影响收集级温度和液冷温度的因素，通过材料选择和特殊结构的设计，降低收集级和液冷最高温，从而起到提升单位面积功率密度容量的目的。材料选择高导热率的无氧铜，结构由原来的直槽微通道优化为螺旋波纹微通道，螺旋结构能有效改善角向温度不均匀性，波纹结构能有效破坏径向层流性，提高液冷的利用率。从而让液冷散热效果变好，降低收集级和液冷温度，提高了单位面积功率密度。因此本专利技术的技术方案为：一种大功率回旋管收集级，该收集级包括圆筒形内壁和设置于内壁外侧的多片散热片，其特征在于各散热片为螺旋结构，并围绕于内壁的外侧，相邻散热片之间的缝隙为螺旋式冷却液通道。进一步的，所述圆筒形内壁的内径15mm，长度为50mm，壁厚1.5mm，，冷却液通道深7.5mm。进一步的，所述螺旋式冷却液通道的底部(即圆筒形内壁的外侧)为波纹结构。进一步的，所述收集级包括48片散热片，每片散热片的螺旋角度为360度。综合了冷却液通道的温度、压力、流速、流量选择该48片散热片和螺旋角度为360度散热效果最好。进一步的，所述螺旋式冷却液通道的底部的波纹结构为正弦波。冷却液在正弦波的通道中流动式更好的破坏了水的层流行。本专利技术的优点是：通过特殊结构收集级的设计，使液冷效率极大提高，降低了收集级和液冷温度，从而提高收集级单位面积功率密度由0.38kw/cm2到1.65kw/cm2，满足了更高功率回旋器件的收集要求，且体积更小。附图说明图1为收集级和液冷最高温度与热传导系数的关系。图2为收集级和液冷最高温度与液冷流速的关系。图3为微通道数量增加。图4为液冷最高温度随微通道数量的变化。图5为收集级螺旋结构及液冷角向均匀性对比。图6为螺旋波纹微通道结构及径向温度对比。图7为螺旋波纹微通道结构的一种实施例及径向温度对比。具体实施方式收集级内表面温度与液冷流体最高温度决定收集级单位面积功率容量，且这两者之间相互制约，因此当收集级工作温度确定后，要增加单位面积功率容量，需提高收集级的液冷效率。确定收集级设计指标后，可通过三种方法提高液冷效率：1)提高收集材料的热传导系数，使单位面积耗散功率向液冷低温区快速传递；2)提升液冷的流速，快速带走热量；3)改进收集级外部散热结构，提升水层温度均匀性。实施例1：一种大功率回旋管收集级，该收集级包括圆筒形内壁和设置于内壁外侧的多片散热片，其特征在于各散热片为螺旋结构围绕于内壁的外侧，相邻散热片之间的缝隙为螺旋式冷却液通道。所述螺旋式冷却液通道的底部(即圆筒形内壁的外侧)为波纹结构。进一步的，所述收集级包括48片散热片，冷却液通道宽1mm，每片散热片的螺旋角度为360度，圆筒形内壁半径为15mm，收集级长度为50mm，壁厚1.5mm，，冷却液通道深7.5mm。实施例2：一种大功率回旋管收集级，该收集级包括圆筒形内壁和设置于内壁外侧的多片散热片，其特征在于各散热片为螺旋结构围绕于内壁的外侧，相邻散热片之间的缝隙为螺旋式冷却液通道。所述螺旋式冷却液通道的底部(即圆筒形内壁的外侧)为波纹结构。进一步的，所述收集级包括36散热片，冷却液通道宽1.5mm，每片散热片的螺旋角度为360度，圆筒形内壁半径为15mm，收集级长度为50mm，壁厚1.5mm，，冷却液通道深7.5mm。实施例3：一种大功率回旋管收集级，该收集级包括圆筒形内壁和设置于内壁外侧的多片散热片，其特征在于各散热片为螺旋结构围绕于内壁的外侧，相邻散热片之间的缝隙为螺旋式冷却液通道。所述螺旋式冷却液通道的底部(即圆筒形内壁的外侧)为波纹结构。进一步的，所述收集级包括24片散热片，冷却液通道宽2mm，每片散热片的螺旋角度为360度，圆筒形内壁半径为15mm，收集级长度为50mm，壁厚1.5mm，，冷却液通道深7.5mm。参考图1所示，提升收集级材料的热传导系数，可使单位面积上的耗散功率向低温区快速传递，在耗散功率密度、液冷水流量和收集级结构一定的情况下，选择热传导系数高的材料(无氧铜)，可有效地降低收集级内表面和水体的最高温度。参考图2所示，当功率密度一定时，通过控制液冷系统的水压来增加液冷流体流速，可以有效降低收集级内表面和水体的最高温度。由于受到收集级材料和液冷系统的限制，热传导系数和液体流速不可能无限增大，因此，在选择高热传导系数和高液冷流速的前提下，仍需考虑液冷流体的温度均匀性。角向温度和径向温度分布不均匀，导致液冷效率不高，因此，必须提高这两个方向的温度均匀性。当使用水筋结构后，液冷流体上层水温升显著提高，而最高温升下降，水冷效率随之提高，液冷流体气化风险降低。但是，使用水筋结构会导致收集级出现角向温度分布不均匀，且在相同半径处靠近水筋处的液体温升最高，可通过减少水筋间隙和增加水筋数量，降低角向温度梯度。参考图3所示，随着散热通道宽度减少，通道数量的增加，在收集单位面积耗散功率、液冷流体流量、流速不变的情况下，水温均匀性得到提高，其最高温度逐渐降低，如图4所示，所以在保证水筋强度的基础上，选择宽度小数量多得液冷散热通道可有效降低器件内表面及水冷流体最高温度。参考图6，横坐标表示单个冷却液通道的宽度范围，纵坐标表示冷却液同道底部液冷流体的温度，选择螺旋结构后，液冷流体在角向的温度分布比直槽结构时更加平缓，说明角向温度分布更加均匀，进一步增大了角向温度均匀性，提高了液冷流体的利用率；但此时液冷流体的径向均匀性很差，我们通过设计图7所示的螺旋波纹微通道结构，横坐标表示冷却液通道(圆筒内径15mm，壁厚1.5mm，所以通道底部坐标为16.5mm)径向高度，纵坐标表示冷却液温度，从图中可以看出采用螺旋波纹通道结构后，冷却液温度变化梯度明显变缓，因为波纹结构破坏了液冷流体的层流性，从而提高了液冷流体的径向均匀性。所以，综上所述，我们选择无氧铜作为收本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大功率回旋管收集级，该收集级包括圆筒形内壁和设置于内壁外侧的多片散热片，其特征在于各散热片为螺旋结构，并围绕于内壁的外侧，相邻散热片之间的缝隙为螺旋式冷却液通道。

【技术特征摘要】
1.一种大功率回旋管收集级，该收集级包括圆筒形内壁和设置于内壁外侧的多片散热片，其特征在于各散热片为螺旋结构，并围绕于内壁的外侧，相邻散热片之间的缝隙为螺旋式冷却液通道。2.如权利要求1所述的一种大功率回旋管收集级，其特征在于所述收集级包括48片散热片，每片散热片的螺旋角度为360度。3.如权利要求1所述的一种大功...

【专利技术属性】
技术研发人员：王迪，鄢然，罗勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51