陈志金
佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司广东
摘要：计算机辅助工程（ＣＡＥ）技术在磁控管的研发过程中有举足轻重的作用。事实上在上个世纪七八十年代，国外的磁控管研究人员便开始在电磁场计算领域应用ＣＡＥ技术。近年ＣＡＥ软件在流体分析和ＰＩＣ模拟方面更是有了较大的改进，计算精度更高，用户界面更加友好。磁控管虽然零部件不多，但其工作原理复杂，要深入研究其工作机理，要借助计算机就结构力学、流场热分析、电磁尝磁尝粒子等多个领域进行计算分析---涉及ＣＡＥ技术的大部分分支。
关键词：散热；磁控管；icepak
引言
随着大功率磁控管的广泛应用，人们对大功率磁控管散热性能也越来越重视，磁控管散热性能的好坏直接影响磁控管的寿命以及工作稳定性。本文针对风冷磁控管的工作特点，对威特公司现有磁控管技术进行优化，先从理论分析优化的方向，然后通过icepak进行模拟，得到可行的方案，制作样品进行实际的散热性能测试。最后我们发现，增加磁控管散热系统的散热表面积以及提升散热系统运行的雷诺数可以明显改善散热性能。
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炉和工业应用而开发的输出功率在１．５～２．０ｋＷ的连续波磁控管，频率为２４５０ＭＨｚ，其架构与普通家用微波炉磁控管相似。由于互作用空间功率容量提高的需要，管芯部分的尺寸相应增大，同时管外件围绕散热和磁路设计也相对普通家用微波炉磁控管大。
1.2大功率磁控管散热系统设计原则
基于磁控管最坏的工况－－空载考虑其散热系统。对于功率越大的磁控管，其要求的阳极温度更低，因为其管内温升比小功率管高。参考小功率磁控管温升要求，结合叶片热传导能力分析，２ｋＷ磁控管的阳极温升以２８０℃甚至更低为设计目标。设计需综合考虑可制造性、性能、成本。
1.3仿真模型
对管内热分析中本着留有余量的目的，将耗散加于叶片端面。耗散功率是指整管的耗散功率。管外件仿真模型中包含阳极筒、热源、散热片、磁铁，支架对传导影响不大，对气流影响重大，以薄壁代替。磁铁对气流的影响也不能忽略，设为低热导率材料以模拟实际中磁铁的弱导热特性。阳极筒内部结构对管外件温度和流场仿真没有影响，可以简化成阳极筒，壁厚是严格参数不作调整。基于风扇的实际工作曲线，模型采用风压变量，而没有采用部分研究者的风速变量---这样更能反映风速在散热片结构变化下的变化。计算的流场温度情况，计算收敛情况理想，用４核至强工作站上并行运算完成一个状态点的计算约需要１０ｍｉｎ---本文进行计算的状态点超过１００个，分开计算用时将超过１０００ｍｉｎ。如以接近条件的前一个状态的仿真结果作为后一个状态的初始条件，可以加速收敛，仿真时间缩短１０％至５０％，具体缩短程度视两状态差异情况而定。
2磁控管散热机理
目前磁控管散热方式主要有风冷与水冷或油冷，有些情况也用到蒸发冷却技术。本文主要对磁控管常规强迫风冷技术的研究，其他的冷却方式不作深入探讨。在热体散热过程中，几乎所有的热量都是先经过热传导，然后再通过对流或者是辐射或者两者结合的方式散出去。根据热传导的基本方程式，也就是傅立叶定理可知，热传导热量与温度梯度以及传导面积成正比。
3磁控管散热技术优化设计
3.2.1磁控管散热片优化设计-增强湍流
在风道上下两端并没有散热片延伸分布，所以两侧并没有形成有效的风道区，我们将风道优化后，得到新风道设计,优化后的磁控管散热风道区域明显增加，这是通过冲压互不相同的散热片来实现的，在生产过程中很容易实现，而且成本不会增加。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆简化后的模型左右两侧对称，各有5个由上下铝散热片包围的风道，最上端与最下端的部分只有单侧与散热片接触，散失的热量有限，在这里不作计算处理。
3.2.2磁控管散热片优化设计-增加散热面积
一般情况下，散热片的面积越大，其散热效果越好，所以在实际设计中，我们尝试通过增加散热面积来提升散热性能。由于目前磁控管结构的特殊性，磁控管散热片的面积不会增加很多，由于散热片本身有一定的厚度，而且风道d太小会导致风阻增加，甚至不出风，所以不能通过简单的延长散热片的长度来提升磁控管的散热性能。另外，目前散热片厚度较薄，由傅立叶传导公式（1）可知，材料越长，其末端的散热效率也明显降低，当末端温度与环境温度相接近时，则该末端区域热传导基本停滞。一体化散热结构，增加散热面积的同时，考虑到增加热传导性能，增加热量传输通道的横截面积会提升散热性能.2M343磁控管模拟正常工作时温度为364℃，保持与左图中同等散热条件（风扇风速，风道外围尺寸，热源功率），新设计的一体化散热器使磁控管中心温度由364℃降低至248℃，散热性能得到极大提升。散热器散热面积的增大，使得总耗散功率增加，那么在同一平台条件下，如果磁控管功率不增加，那么当前的工作温升便降低，从而大大延长磁控管的工作寿命，提升了工作稳定性。
4磁控管散热实验
4.1磁控管样品2M518制作
由于优化后的散热片形状各不相同，厚度也比较薄，综合考虑后，在现有散热片基础上，通过调整冲压模具，后续手工折弯制得6片不同的散热片，手动装配后，得到新方案的样管如下图9所示。经过阳极温升测试后，实际磁控管工作时的中心温度为283℃，与模拟的温升有一定的差距，这主要是由装配时散热片与阳极之间的间隙以及散热片本身加工时的变形等因素造成的。正常2M518样品实测的中心温度在330℃-360℃之间，说明本次优化实验的确是极大限度降低了磁控管温升。
4.2磁控管样品2M343制作
优化后的散热器结构较为复杂，不能通过简单冲压获得。综合各种加工手段以及成本考虑，最后采用冷锻加工的方式获得原始初胚，然后通过冲边，铣，钻等加工方式得到散热器成品。将两只相同的散热器相对组装，铆接到磁控管阳极筒表面，最终完成磁控管样品的组装,经过阳极温升测试后，实际磁控管工作时的温升为221℃，比模拟的温升还要低，这是因为大功率磁控管在实际工作中，功率是动态变化的，通常会不断地下降，而模拟的数值却是恒定不变的。这一点在正常的磁控管上也得到验证，正常磁控管模拟中心温度是364℃，而实际温升在320℃-350℃这个区间内。可以得出，本次优化实验极大降低了磁控管温升。
结语
本文通过提高磁控管散热体系运行时的雷诺数以及增加散热表面积两个方面来提升磁控管工作时的散热性能。在本文第一种优化设计中，雷诺数较高的风道设计更利于散热，此优化设计使得散热风道两侧的低温区域进一步得到应用，降低了散热介质的温度，有利于散热。本文的第二种优化设计增加了散热器的散热表面积，同时底板厚度增加也使得热传导性能不致于降低，保证了热量的传输通道畅通，有利于散热。
参考文献
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[2]张芸，秦俊荣，程自力．我国ＣＡＥ产业发展综述［Ｊ］．中国科技信息，２０１０，１５．
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[4]电子管设计手册编辑委员会．磁控管设计手册［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９７９．
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[6]刘东,刘明侯,徐侃.低雷诺数下小槽道散热器性能实验研究[C].传热传质学,会议论文,1596-1603.
论文作者:陈志金
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：散热片论文; 磁控管论文; 风道论文; 阳极论文; 热传导论文; 性能论文; 功率论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;