運(yùn)用流體分析軟件對(duì)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(tǒng)設(shè)計(jì)。分別對(duì)磁控管內(nèi)部葉片結(jié)構(gòu)、散熱片數(shù)量、厚度、材質(zhì)及應(yīng)用風(fēng)壓等級(jí)等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到磁控管溫升對(duì)以上各參數(shù)變化的敏感程度，結(jié)果顯示磁控管溫度在考察功率范圍內(nèi)與耗散功率呈線性關(guān)系，而散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的提高受到各種因素的限制。因此，在允許空載的情況下，對(duì)于輸出功率超過(guò)2kW 的大功率磁控管，風(fēng)冷方式已經(jīng)難以滿足磁控管的冷卻需求。

　　計(jì)算機(jī)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(jì)七八十年代，國(guó)外的磁控管研究人員便開始在電磁場(chǎng)計(jì)算領(lǐng)域應(yīng)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(jì)算精度更高，用戶界面更加友好。磁控管雖然零部件不多，但其工作原理復(fù)雜，要深入研究其工作機(jī)理，要借助計(jì)算機(jī)就結(jié)構(gòu)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(jì)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(yīng)用而開發(fā)的輸出功率在1.5～2.0kW 的連續(xù)波磁控管，頻率為2450MHz，其架構(gòu)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(yīng)增大，同時(shí)管外件圍繞散熱和磁路設(shè)計(jì)也相對(duì)普通家用微波爐磁控管大。

　　1.2、大功率磁控管散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

　　基于磁控管最壞的工況--空載考慮其散熱系統(tǒng)。對(duì)于功率越大的磁控管，其要求的陽(yáng)極溫度更低，因?yàn)槠涔軆?nèi)溫升比小功率管高。參考小功率磁控管溫升要求，結(jié)合葉片熱傳導(dǎo)能力分析，2kW 磁控管的陽(yáng)極溫升以280℃甚至更低為設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)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(shù)求得：

　　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(shù)(VSWR)。圖1顯示了在不同駐波系數(shù)下的耗散功率與標(biāo)準(zhǔn)輸出功率之間的關(guān)系。本文首先在的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于Pd/Po=1的情況開展，用戶在應(yīng)用磁控管時(shí)可根據(jù)圖1結(jié)合自身的駐波情況調(diào)整功率適用范圍。

圖1　駐波系數(shù)決定了耗散功率與標(biāo)準(zhǔn)輸出功率的關(guān)系

　　1.3、仿真模型

　　對(duì)管內(nèi)熱分析中本著留有余量的目的，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(duì)傳導(dǎo)影響不大，對(duì)氣流影響重大，以薄壁代替。磁鐵對(duì)氣流的影響也不能忽略，設(shè)為低熱導(dǎo)率材料以模擬實(shí)際中磁鐵的弱導(dǎo)熱特性。陽(yáng)極筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)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(yán)格參數(shù)不作調(diào)整。

　　基于風(fēng)扇的實(shí)際工作曲線，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(jié)構(gòu)變化下的變化。圖2為用于計(jì)算的模型網(wǎng)格，單元數(shù)85萬(wàn)。

圖2　模型結(jié)構(gòu)及其計(jì)算網(wǎng)格

　　圖3顯示計(jì)算的流場(chǎng)溫度情況，計(jì)算收斂情況理想，用4核至強(qiáng)工作站上并行運(yùn)算完成一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的計(jì)算約需要10min———本文進(jìn)行計(jì)算的狀態(tài)點(diǎn)超過(guò)100個(gè)，分開計(jì)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(jié)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。

圖3　x 方向和y 方向的模型溫度

4、設(shè)計(jì)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(jī)進(jìn)行冷卻，才能滿足磁控管冷卻要求，一般工業(yè)應(yīng)用可以提供此類風(fēng)機(jī)。

　　對(duì)于商用微波爐等應(yīng)用，對(duì)風(fēng)機(jī)功率、風(fēng)噪等有較高要求的場(chǎng)合，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓有限，磁控管功率由于溫升受限，不能運(yùn)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(yùn)行。

　　4.2、磁控管型號(hào)設(shè)計(jì)

　　磁控管型號(hào)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1　兩種功率等級(jí)的磁控管

5、總結(jié)

　　通過(guò)CAE技術(shù)設(shè)計(jì)出大功率磁控管的散熱系統(tǒng)，得到了基于同一種管芯的2種不同功率和應(yīng)用場(chǎng)合的磁控管型號(hào)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，基于CAE的磁控管熱分析精度較高，在加載條件判斷準(zhǔn)確的情況下，誤差將低于10%。在仿真結(jié)果的指導(dǎo)下，有望可以一次完成合格樣品的制備，免去多次試錯(cuò)的高昂成本。