空间行波管收集极的辐射散热分析

空间行波管收集极的辐射散热分析

管收集极是管最严重的热材料之一。收集极的热量性能影响着管道的工作稳定性。因此，对收集极进行热分析是必要的。通过热分析可以定量地确定收集极的温度分布,可以从一个方面指导收集极的设计工作。传热有三种方式,传导、对流和辐射,其中,辐射散热的效果小于热传导和热对流方式引起的换热量。一般在地面上工作的行波管收集极大多采用传导或对流进行散热,但是对于空间行波管,由于重量和制作工艺的考虑以及辐射散热本身的优势,近几年出现了采用辐射散热的趋势,辐射散热主要通过散热翼片将热量辐射到空间中而达到降温的目的。本文主要是针对空间行波管收集极的辐射散热进行的,本文的目的在于通过辐射热分析,能大致确定散热翼片的长度和数目以及外界环境温度等因素对收集极温度的影响,为实际中采用辐射散热收集极的设计工作提供一些依据和分析方法。需要指出的是,本文中的收集极结构在实际使用中采用对流散热,本文只是以此结构为例进行收集极辐射散热分析,所以当翼片数目较少的时候得到的收集极最高温度和实际中收集极所能承受的温度相比可能显得有些偏高,当翼片增多到16个以上时,收集极的最高温度才降到了可以使用的范围。1影响收集极辐射结果的因素分析本文是在三维的情况下对行波管收集极进行辐射热分析的,主要研究在辐射散热情况下几种因素对收集极温度分布的影响。1.1ttdvfd模型在辐射散热条件下,外界环境温度将会影响收集极的散热情况。根据辐射散热公式:W=(σT4114-σT4224)·S=σT4114(1-(T2/T1)4)·S(1)式中,T2为外界环境温度;T1为散热翼片表面温度;σ为翼片材料的辐射率;W为耗散功率;S为散热面积。由式(1)可知,当W和S不变,T2上升时,T1将上升,收集极内最高温度和翼片温度之差为一恒定值,因此也将上升,但由于T2/T1一般小于1/6,则(T2/T1)4<0.001,因此T2变化时对T1的影响不会很大。在假定收集极有四个散热翼片,辐射率为1,翼片长度为0.05m,T2分别为10,20,30…60℃时,得到T2与收集极最高温度之间的关系。由图1的模拟结果可以看出,T2对收集极最高温度的影响确实很小,当改变50℃的情况下,收集极最高温度只变化了8℃左右,这证实了上面的分析。1.2收集极最高温度的确定收集极材料的辐射率σ也会影响收集极最高温度的值,从式(1)可得T14∝1/σ,可以预期收集极最高温度和辐射率σ也有极强关系。考虑在四个散热翼片,翼片长度为0.05m,外界温度为50℃时,当σ为1,0.8,0.6,…0.1时,得到σ与收集极最高温度的关系如图2所示。由此可见,收集极材料的辐射率会影响收集极的最高温度。σ越大,收集极的散热效果越好,因此在采用辐射散热的收集极中,选用σ较大的收集极材料对于提高收集极的散热能力是十分重要的。实际中一般采用将收集极和散热翼片的表面黑化和粗糙化来提高收集极的辐射散热能力。1.3基于anasis模拟的收集极形貌影响收集极最高温度的另一个重要因素就是散热翼片的长度。散热翼片长度增加实际上就是增加辐射面积,从式(1)可以看到T14∝1/S,因此可以想到加长翼片将使收集极最高温度大大降低。在采用四个散热翼片,外界温度为50℃,收集极材料辐射率σ为1的情况下,考虑散热翼片长度对收集极最高温度的影响。图3给出了用ANSYS模拟得到的收集极翼片长度与收集极最高温度的关系。从图3可见,正如所分析的那样,翼片越长,散热效果越好,收集极温度越低,但是当翼片长度增加到一定程度的时候,收集极温度降低的幅度就非常小了。这是因为翼片很长时到翼片末端的温度已经很低了,所以这一段翼片的辐射能力很低,对收集极温度降低的贡献就很小了。需要指出的是,当材料的导热率提高的时候,在同样的翼片长度下翼片的散热能力将比低导热率时强,这是因为导热率越大,翼片末端的温度越高,辐射能力也就越强。材料的导热率也影响收集极的辐射散热能力。由上综合考虑收集极重量和体积及散热能力等因素,翼片长度也不是越长越好,它有一个优选值,即收集极温度随翼片长度下降速率由很快向缓慢的转折点,本例情况下此优选值大约为0.05m。1.4收集极的温度分布由式(1)可知,在散热功率W一定的情况下,收集极最高温度的4次方和散热面积成反比,因此增加翼片的数目n,即增加散热面积,应当能降低收集极的温度。由前面的分析,当翼片长度为0.05m时,是温度变化比较剧烈的点,再增加翼片的长度,收集极最高温度降低的幅度也很小了,因此,为了取得较优的散热效果,在翼片长度为0.05m,外界温度为50℃,收集极材料辐射率为1的情况下,进行多翼片的模拟。图4给出了n为4,6,8,16和32时收集极的温度分布,图5给出了n和收集极最高温度的关系。由图4和图5可知,随着n的增多,收集极上的最高温度值随之降低,但是当n增多到一定程度时,收集极最高温度降低的幅度也是减小的,出现这种现象有两个原因,一是从式(1)可以看到翼片的最高温度T14∝1/S,而S与n是成正比的,所以有T14∝1/n,即T14与n构成的是双曲线关系,当n增加时其下降会变慢;二是当n增多时翼片相互间出现了辐射加热现象,降低了有效辐射面积,所以散热效果在n增多时使降低温度的效果变差了,从正常的设计而言,取翼片的数目应在曲线的斜率由大变小的拐点处(在本例中应为16左右),可以得到最好的散热器重量和散热效果的关系,但在本例中为了保证收集极有合适的最高温度,要取到32个翼片,这是因为本例计算的收集极原来是用于传导冷却的。为了达到和传导冷却同样的散热效果,必须用较多的翼片,这说明要使用辐射冷却,收集极内部结构也要作相应的改变。2最高温度的影响本文应用ANSYS软件,对某一收集极结构进行了辐射热分析,研究了辐射散热情况下几种因素对收集极最高温度的影响,模拟结果表明