基于CAE技術(shù)的大功率磁控管散熱系統設計

2013-12-06 吳添洪 廣東威特真空電子制造有限公司

　　運用流體分析軟件對大功率磁控管模型進(jìn)行風(fēng)冷流場(chǎng)和溫度模擬，完成了輸出功率為1.5kW 和2kW 的大功率磁控管散熱系統設計。分別對磁控管內部葉片結構、散熱片數量、厚度、材質(zhì)及應用風(fēng)壓等級等參數進(jìn)行計算，得到磁控管溫升對以上各參數變化的敏感程度，結果顯示磁控管溫度在考察功率范圍內與耗散功率呈線(xiàn)性關(guān)系，而散熱系統設計參數的提高受到各種因素的限制。因此，在允許空載的情況下，對于輸出功率超過(guò)2kW 的大功率磁控管，風(fēng)冷方式已經(jīng)難以滿(mǎn)足磁控管的冷卻需求。

　　計算機輔助工程(CAE)技術(shù)在磁控管的研發(fā)過(guò)程中有舉足輕重的作用。事實(shí)上在上個(gè)世紀七八十年代，國外的磁控管研究人員便開(kāi)始在電磁場(chǎng)計算領(lǐng)域應用CAE技術(shù)。近年CAE軟件在流體分析和PIC模擬方面更是有了較大的改進(jìn)，計算精度更高，用戶(hù)界面更加友好。磁控管雖然零部件不多，但其工作原理復雜，要深入研究其工作機理，要借助計算機就結構力學(xué)、流場(chǎng)熱分析、電磁場(chǎng)、磁場(chǎng)、粒子等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行計算分析———涉及CAE技術(shù)的大部分分支。

1、概述

　　1.1、大功率磁控管

　　本文所涉及的大功率磁控管是面向商用微波爐和工業(yè)應用而開(kāi)發(fā)的輸出功率在1.5～2.0kW 的連續波磁控管，頻率為2450MHz，其架構與普通家用微波爐磁控管相似。由于互作用空間功率容量提高的需要，管芯部分的尺寸相應增大，同時(shí)管外件圍繞散熱和磁路設計也相對普通家用微波爐磁控管大。

　　1.2、大功率磁控管散熱系統設計原則

　　基于磁控管最壞的工況--空載考慮其散熱系統。對于功率越大的磁控管，其要求的陽(yáng)極溫度更低，因為其管內溫升比小功率管高。參考小功率磁控管溫升要求，結合葉片熱傳導能力分析，2kW 磁控管的陽(yáng)極溫升以280℃甚至更低為設計目標。設計需綜合考慮可制造性、性能、成本。磁控管空載耗散由反射功率決定，反射功率由駐波系數求得：

基于CAE技術(shù)的大功率磁控管散熱系統設計

　　式中，Pd、Pi、Po、S 分別代表代表耗散功率、輸入功率、輸出功率和駐波系數(VSWR)。圖1顯示了在不同駐波系數下的耗散功率與標準輸出功率之間的關(guān)系。本文首先在的散熱系統設計基于Pd/Po=1的情況開(kāi)展，用戶(hù)在應用磁控管時(shí)可根據圖1結合自身的駐波情況調整功率適用范圍。

駐波系數決定了耗散功率與標準輸出功率的關(guān)系

圖1　駐波系數決定了耗散功率與標準輸出功率的關(guān)系

　　1.3、仿真模型

　　對管內熱分析中本著(zhù)留有余量的目的，將耗散加于葉片端面。耗散功率是指整管的耗散功率。管外件仿真模型中包含陽(yáng)極筒、熱源、散熱片、磁鐵，支架對傳導影響不大，對氣流影響重大，以薄壁代替。磁鐵對氣流的影響也不能忽略，設為低熱導率材料以模擬實(shí)際中磁鐵的弱導熱特性。陽(yáng)極筒內部結構對管外件溫度和流場(chǎng)仿真沒(méi)有影響，可以簡(jiǎn)化成陽(yáng)極筒，壁厚是嚴格參數不作調整。

　　基于風(fēng)扇的實(shí)際工作曲線(xiàn)，模型采用風(fēng)壓變量，而沒(méi)有采用部分研究者的風(fēng)速變量———這樣更能反映風(fēng)速在散熱片結構變化下的變化。圖2為用于計算的模型網(wǎng)格，單元數85萬(wàn)。

模型結構及其計算網(wǎng)格

圖2　模型結構及其計算網(wǎng)格

　　圖3顯示計算的流場(chǎng)溫度情況，計算收斂情況理想，用4核至強工作站上并行運算完成一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的計算約需要10min———本文進(jìn)行計算的狀態(tài)點(diǎn)超過(guò)100個(gè)，分開(kāi)計算用時(shí)將超過(guò)1000min。如以接近條件的前一個(gè)狀態(tài)的仿真結果作為后一個(gè)狀態(tài)的初始條件，可以加速收斂，仿真時(shí)間縮短10%至50%，具體縮短程度視兩狀態(tài)差異情況而定。

x 方向和y 方向的模型溫度

圖3　x 方向和y 方向的模型溫度

4、設計方案

　　4.1、功率及風(fēng)壓限制

　　由以上的仿真分析可知，在磁控管工作于2kW輸出的大功率下，只能使用能提供近200Pa風(fēng)壓的風(fēng)機進(jìn)行冷卻，才能滿(mǎn)足磁控管冷卻要求，一般工業(yè)應用可以提供此類(lèi)風(fēng)機。

　　對于商用微波爐等應用，對風(fēng)機功率、風(fēng)噪等有較高要求的場(chǎng)合，風(fēng)機風(fēng)壓有限，磁控管功率由于溫升受限，不能運行在2kW 輸出的狀態(tài)。在30～80Pa風(fēng)壓下，功率回退到1500～1700W 能保證安全運行。

　　4.2、磁控管型號設計

　　磁控管型號設計如表1所示。

兩種功率等級的磁控管

表1　兩種功率等級的磁控管

5、總結

　　通過(guò)CAE技術(shù)設計出大功率磁控管的散熱系統，得到了基于同一種管芯的2種不同功率和應用場(chǎng)合的磁控管型號。通過(guò)對現有產(chǎn)品的分析和實(shí)驗對比，基于CAE的磁控管熱分析精度較高，在加載條件判斷準確的情況下，誤差將低于10%。在仿真結果的指導下，有望可以一次完成合格樣品的制備，免去多次試錯的高昂成本。