一种新型大功率水负载结构及设计方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。导致器件可靠性降低的缺陷。导致器件可靠性降低的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种新型大功率水负载结构及设计方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。

技术实现思路

[0008]本专利技术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。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]作为优选：所述步骤（3）中，预设t
in
=25℃、t
out
≤65℃。
[0013]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。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：（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。
[0015]（2）本专利技术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
[0016]图1为本专利技术分解结构示意图；图2为上壳体结构示意图；图3为本专利技术整体的纵剖图；图4为本专利技术俯视图；图5为本专利技术设计方法中仿真的流程图；图6为实施例2中本专利技术具体尺寸图；图7为实施例2中本专利技术产品内部温度分布图；图8为实施例2中本专利技术产品内部流速分布图；图9为实施例2中本专利技术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
[0017]下面将结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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HF本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型大功率水负载结构，包括吸收腔、入水管和出水管，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种新型大功率水负载结构，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：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，汪鹏，王斌，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第九研究所，
类型：发明
国别省市：