Магнетрон компактной конструкции с воздушным принудительным охлаждением

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для использования в мощных и сверхмощных магнетронах миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн. Технический результат - повышение эффективности передачи и рассеивания тепла. В магнетроне, состоящем из анодного блока и коаксиально размещенного внутри него катода, находящегося в пространстве взаимодействия электромагнитных полей, на корпус анодного блока посажен коаксиально с ним магнитопровод, а на него посажен коаксиально радиатор охлаждения. Все три элемента закреплены цилиндрическими теплопроводящими стержнями. Один конец каждого стержня закреплен в корпусе анода, другой пропущен через отверстие магнитопровода и закреплен в радиаторе охлаждения, охлаждаемого воздушным потоком. В другом варианте магнетрона, состоящего из анодного блока и коаксиально размещенного внутри него катода, находящегося в пространстве взаимодействия электромагнитных полей, анодный блок с радиатором охлаждения размещен внутри внешнего магнитопровода цилиндрической конструкции, в которой предусмотрены входное и выходное окна для охлаждающего воздушного потока, проходящего сквозь радиатор охлаждения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в приборах СВЧ М-типа, в частности в мощных и (или) сверхмощных магнетронах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.

Для того чтобы сравнивать магнетроны между собой мы использовали известное из литературы соотношение $$P_{н}\cdot f_{{}_{о}}^2$$ [1, 2], которое является постоянной величиной для конкретной конструкции магнетрона и определяет его энергетику, где P_н - выходная мощность (в нагрузке) в МВт, f_о - частота генерируемых колебаний в ГГц. Этот параметр используется для классификации магнетронов по мощности (табл.1).

При продвижении в коротковолновую часть миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн уменьшаются размеры пространства взаимодействия и увеличиваются потери в анодной замедляющей системе. В результате этого происходит резкое уменьшение коэффициента полезного действия (КПД) магнетрона до значений менее 10%. Подводимая мощность в цепи анода более чем на 90% преобразуется в тепло, которое необходимо рассеивать, чтобы избежать перегрева анодного блока, других элементов конструкции и неприятностей, связанных с ухудшением вакуумного состояния в приборе, искрениями, пробоями, уменьшению времени безотказной работы магнетрона. Важной проблемой, возникающей при конструировании магнетронов подобного класса, является обеспечение необходимой минимально возможной температуры анодного блока в работающем приборе.

Известно, что в настоящее время для охлаждения элементов конструкции прибора используется специальная жидкость, прокачиваемая по каналам анодного блока [3]. Однако такие системы с жидкостным принудительным охлаждением анодного блока имеют серьезные недостатки в эксплуатации:

- Жидкость, применяемая для охлаждения анодного блока, должна сохранять свои свойства и эффективно работать в интервале рабочих температур от минус 60°C до плюс 100°C. Однако используемые составы жидкостей при минусовых температурах, как правило, загустевают, имеют большую вязкость, и запустить систему охлаждения без дополнительного подогрева жидкости не представляется возможным.

- Известна конструкция магнетрона [4], в которой авторы стремятся использовать жидкость в системе для одновременного охлаждения анодного блока и катода, находящегося под высоким потенциалом. Так как система жидкостного принудительного охлаждения представляет собой замкнутый объем, в котором происходит постоянная прокачка насосом жидкости через каналы анодного блока и катода, то жидкость должна иметь высокое электрическое сопротивление и сохранять его во время всей работы магнетрона. В противном случае в процессе работы появляются большие токи утечки и происходит изменение режимов и электрических параметров прибора.

- Используемые системы охлаждения громоздки, энергоемки, неудобны в эксплуатации.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание мощного и (или) сверхмощного магнетрона указанных диапазонов длин волн, обеспечивающих высокую надежность и стабильность эксплуатационных параметров при работе с воздушным принудительным охлаждением.

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в повышении эффективности передачи и рассеивания тепла.

Указанный технический результат достигается тем, что в магнетроне, состоящем из анодного блока и коаксиально размещенного внутри него катода, находящегося в пространстве взаимодействия электромагнитных полей, согласно изобретению, на корпус анодного блока посажен коаксиально с ним магнитопровод, а на него посажен коаксиально радиатор охлаждения. Все три элемента закреплены цилиндрическими теплопроводящими стержнями. Один конец каждого стержня закреплен в корпусе анода, другой пропущен через отверстие магнитопровода и закреплен в радиаторе охлаждения, охлаждаемого воздушным потоком.

В другом варианте магнетрона, состоящего из анодного блока и коаксиально размещенного внутри него катода, находящегося в пространстве взаимодействия электромагнитных полей, согласно изобретению, анодный блок с радиатором охлаждения размещен внутри внешнего магнитопровода цилиндрической конструкции, в которой предусмотрены входное и выходное окна для охлаждающего воздушного потока, проходящего сквозь радиатор охлаждения.

На фиг. 1 приведена модель конструкции анодного блока с встроенным магнитопроводом, то есть на корпус анодного блока (4), изготовленного из меди, посажен коаксиально с ним магнитопровод (3), изготовленный из стального или другого железосодержащего материала, а на него посажен коаксиально радиатор охлаждения (5), выполненный в виде ребер, либо игольчатых стержней или любых других конфигураций, изготовленных из меди или другого хорошо проводящего тепло материала, все три элемента закреплены цилиндрическими теплопроводящими стержнями (2), изготовленными из меди или другого хорошо проводящего тепло материала. Один конец стержня припаян или закреплен любым другим способом, обеспечивающим контакт в корпусе анода, другой пропущен через отверстие магнитопровода и припаян или закреплен любым другим способом, обеспечивающим контакт в радиаторе охлаждения, позволяющем производить эффективный съем тепла направленным воздушным потоком, сформированным, например, вентилятором. Теплопередача осуществляется от источника нагрева, которым является катод (1), к корпусу анодного блока (4), далее по теплопроводящим элементам конструкции - стержням (2), входящим в отверстие магнитопровода (3), к радиатору охлаждения (5) с дальнейшим охлаждением их воздушным потоком.

Для создания эффективной теплопередачи стержни (2) представляют собой цилиндры, длина спая которых в корпусе связана соотношением с их диаметром, как L=D/2. Суммарная площадь сечения теплопроводящих элементов составляет не менее 10% от площади боковой поверхности корпуса анодного блока.

На фиг. 2 представлена модель конструкции магнетрона, в которой корпус анодного блока (4) и радиатор охлаждения (5) цилиндрической конструкции составляют единое целое, изготовлены из меди или другого хорошо проводящего тепло материала и находятся внутри внешнего магнитопровода (3), изготовленного из стального или другого железосодержащего материала, имеющего входное окно с подсоединенным воздуховодом (7) и выходное окно (8) для прохождения воздушного потока, охлаждающего корпус прибора. Радиатор охлаждения (5) может быть выполнен в виде ребер, либо игольчатых стержней или любых других конфигураций, позволяющих производить эффективный съем тепла направленным воздушным потоком. Теплопередача осуществляется от источника нагрева - катода (1) к корпусу анодного блока (4) и радиатору охлаждения (5) с дальнейшим охлаждением их воздушным потоком. Площадь поверхности выходного окна в 1,3-1,4 раза больше входного для обеспечения необходимого истечения потока воздуха. Общая площадь окон должна составлять величину не более 15% от площади поверхности внешнего магнитопровода.

S₁+S₂≤0,15·πD_в·h,

где

S₁ - площадь поверхности входного окна;

S₂ - площадь поверхности выходного окна;

D_в, h - указаны на фиг. 2.

При таком соотношении потеря магнитного поля за счет окон составляет не более 2,5%.

Практическая реализация изобретения.

Пример 1. Для исследования процесса эффективности теплопередачи и определения температуры на корпусе анодного блока использовались магнетроны 2^x мм. диапазона длин волн с параметрами:

Напряжение анода	14,6 кВ
Ток анода импульсный	15 А
Мощность импульсная	5 кВт
Скважность	1100
Длительность импульса тока	0,085 мкс

Модель соответствовала конструктивному варианту, изображенному на фиг 1. Для создания воздушного потока использовался вентилятор марки 20ВЦ-10-2А. Температура забираемого для обдува воздуха составляла +25°C. Магнетрон помещался в цилиндрическую закрытую камеру, в которой с одной стороны предусмотрено входное окно с фланцем для подсоединения вентилятора, а с другой диаметрально противоположной стороны - окно для выхода воздуха. Место крепления термопары (6) указано на фиг.1.

В режиме генерации с работающим вентилятором примерно через 15 мин температура на корпусе в месте крепления термопары составляла не более 55°C.

Пример 2. Для исследования процесса эффективности теплопередачи и определения температуры на корпусе анодного блока конструктивного варианта, изображенного на фиг. 2, использовались магнетроны с идентичными электрическими параметрами и тем же вентилятором, подсоединенным к фланцу воздуховода. В режиме генерации с работающим вентилятором примерно в тех же временных интервалах максимальная температура в указанной точке (6) составляла не более 68°C.

Источники информации

1. Петроченков В.И. Расчет электрических характеристик магнетрона на основе приближенной аналитической модели. - Радиотехника и электроника, 1994, №11, с. 1825-1844.

2. Петроченков В.И. Оптимизация характеристик магнетрона. - Электронная техника, сер. 1, СВЧ-техника, вып. 2 (505), 2010.

3. Патент Япония №192459 (приоритет 29.09.2011 г.).

4. А.В. Ляшенко, А.А. Солопов, Е.А. Федоренко, В.П. Еремин, А.В. Пастухов, Е.И. Булдаков. «Мощный импульсный 2-мм магнетрон с долговечностью 2000 часов». ОАО «Тантал», г. Саратов. Материалы XVII координационного научно технического семинара по СВЧ технике. Нижегородская обл., п. Хахалы, сентябрь 2011 г.

Пояснения к фигурам.

1. Фигура 1. Анодный блок.

1 - источник нагрева - катод; 2 - теплопроводящие элементы конструкции - стержни; 3 - магнитопровод; 4 - корпус анода; 5 - радиатор охлаждения; 6 - место крепления термопары.

2. Фигура 2. Анодный блок.

1 - источник нагрева - катод; 3 - внешний магнитопровод; 4 - корпус анода; 5 - радиатор охлаждения; 6 - место крепления термопары; 7 - входное отверстие с воздуховодом; 8 - выходное отверстие.

1. Магнетрон, состоящий из анодного блока и коаксиально размещенного внутри него катода, находящегося в пространстве взаимодействия электромагнитных полей, отличающийся тем, что на корпус анодного блока посажен коаксиально с ним магнитопровод, а на магнитопровод посажен коаксиально радиатор охлаждения, и все три элемента закреплены цилиндрическими теплопроводящими стержнями, у каждого из которых один конец закреплен в корпусе анода, другой пропущен через отверстие магнитопровода и закреплен в радиаторе охлаждения, охлаждаемого воздушным потоком.

2. Магнетрон, состоящий из анодного блока и коаксиально размещенного внутри него катода, находящегося в пространстве взаимодействия электромагнитных полей, отличающийся тем, что анодный блок с радиатором охлаждения размещен внутри внешнего магнитопровода цилиндрической конструкции, в которой предусмотрены входное и выходное окна для охлаждающего воздушного потока, проходящего сквозь радиатор охлаждения.