一种散热结构、回旋管收集极及高频系统的制作方法

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1.本发明涉及微波真空电子技术领域。更具体地，涉及一种散热结构、回旋管收集极及高频系统。

背景技术：

2.回旋管作为一种基于相对论效应的真空电子器件，具有在毫米波及以上频段产生百千瓦乃至兆瓦量级输出功率的能力，在热核聚变等离子体加热、远程高分辨率成像雷达等领域均具有重要的应用。收集极作为回旋管的关键部件，主要起到收集互作用后的电子注，让电子流回电源，完成整个电子运动过程的作用。当回旋管输出功率增加时，收集极所回收的电子注功率也随之增加，因此对收集极散热能力的要求也相应提高。若散热能力不足，易导致收集极材料放气，降低管内真空度，引起打火现象的出现，严重影响整管工作的稳定性。
3.目前的回旋管用收集极多采用槽道式水冷结构进行散热。为实现较高的散热能力，需要增大表面对流换热系数与增加槽道表面积，一般需要较大的几何尺寸。同时，需要较多的槽道数以及较为复杂且狭窄的槽道结构，对冷却水的流量也有较高的要求。图1a、图1b和图1c分别展示了直肋式、分叉式和螺旋式的收集极散热结构，上述结构均具备较大的加工难度，散热能力的提升还将进一步提升加工难度，与结构复杂度提升相比，散热能力的提高有限。

技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种散热结构、回旋管收集极及高频系统，该散热结构能够提高收集极的散热能力，降低加工的难度，并满足较高功率容量的要求。
5.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
6.本发明提供一种散热结构，包括：
7.两端开口的筒状散热件，所述筒状散热件内形成有流体通道；以及
8.位于筒状散热件的流体通道内的若干圆管；
9.所述筒状散热件的两端面上均形成有若干与流体通道连通的通孔；
10.所述筒状散热件被配置为可使得由筒状散热件一端的通孔进入流体通道内的冷却介质流经圆管后由筒状散热件另一端的通孔排出。
11.此外，优选地方案是，所述筒状散热件包括两端开口的第一圆筒，两端开口的位于第一圆筒内侧的第二圆筒以及分别配置于第一圆筒两端的两个圆环；
12.所述流体通道形成于第一圆筒与第二圆筒之间；所述圆环用以连接固定第一圆筒和第二圆筒；所述通孔形成于圆环上。
13.此外，优选地方案是，所述第一圆筒与第二圆筒同轴设置。
14.此外，优选地方案是，所述筒状散热件和圆管均为金属材质。
15.此外，优选地方案是，所述圆管的壁厚范围为0.5mm～2mm。
16.此外，优选地方案是，所述圆管的外径范围为3mm～50mm。
17.此外，优选地方案是，所述第一圆筒与第二圆通之间的容积与圆管的体积之比大于200。
18.本发明还提供一种回旋管收集极，该回旋管收集极包括如上所述的散热结构。
19.本发明还提供一种高频系统，该高频系统包括如上所述的散热结构。
20.本发明的有益效果为：
21.本发明通过在筒状散热件的流体通道内填充若干圆管，若干圆管无序地填充满整个筒状散热件，使散热件内部形成类似多孔介质的结构，将冷却介质由筒状散热件一端的通孔进入流体通道内并流经无序排列的圆管后由筒状散热件另一端的通孔排出对回旋管收集极进行散热，利用较多的圆管增加与冷却介质的接触面积从而提高散热结构的散热能力，且该散热结构整体结构简单，与现有的槽道式散热结构相比无需加工出复杂的槽道结构，仅需要将圆管填充入流体通道内即可，加工难度明显更小。
附图说明
22.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
23.图1a是现有的直肋式散热结构的结构示意图。
24.图1b是现有的分叉式散热结构的结构示意图。
25.图1c是现有的螺旋式散热结构的结构示意图。
26.图2是直肋式散热结构收集极的温度分布图。
27.图3是本发明的散热结构的结构示意图。
28.图4是本发明的圆环的结构示意图。
29.图5是本发明的散热结构内的冷却水流向图。
30.图6是本发明的回旋管收集极内表面温度分布图。
31.图7是本发明的回旋管收集极温度分布图。
具体实施方式
32.现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
33.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
34.对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。
35.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
36.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
37.图1a、图1b和图1c均示出现有的槽道式收集极散热结构，其中，图1a为直肋式散热结构，图1b为分叉式散热结构，图1c为螺旋式散热结构，以最常用的直肋式散热结构为例，
假设收集极内表面的热流密度为1000w/cm2，整体的冷却水流量为40l/min，此时的收集极温度分布如图2所示,图中可以看出最高温度出现在收集极内壁，温度值约为480℃。
38.对于采用分叉式与螺旋式散热结构的收集极，加工难度更高，而对散热能力却没有显著的提升。
39.为了解决现有的散热结构加工难度大，对散热能力的提高有限的问题。本发明提供一种散热结构，结合图1a至图7所示，具体地所述散热结构包括：两端开口的筒状散热件，所述筒状散热件内形成有流体通道5；以及位于筒状散热件的流体通道5内的若干圆管4；所述筒状散热件的两端面上均形成有若干与流体通道5连通的通孔6；所述筒状散热件被配置为可使得由筒状散热件一端的通孔6进入流体通道5内的冷却介质流经圆管4后由筒状散热件另一端的通孔6排出。可以理解的是，使用环状的导热材料的圆管4填充进筒状散热件内的流体通道5内，筒状散热件的流体通道5形成回旋管收集极的散热室，若干圆管4在流体通道5内无序排列，回旋管收集极与筒状散热件的内侧壁贴合；向散热室内通入冷却介质，冷却介质可为冷却水，从而实现对回旋管收集极的散热。
40.关于筒状散热件的具体结构，在一实施例中，所述筒状散热件包括两端开口的第一圆筒1，两端开口的位于第一圆筒1内侧的第二圆筒2以及分别配置于第一圆筒1两端的两个圆环3；所述流体通道5形成于第一圆筒1与第二圆筒2之间；所述圆环3用以连接固定第一圆筒1和第二圆筒2，圆环3与第一圆筒1和第二圆筒2均固定；所述通孔6形成于圆环3上，所述通孔6沿第一圆筒1的轴向方向贯穿所述圆环3。
41.在上述实施例中，具体的，首先需要加工出大量的高度为h1，内径为d1，外径为d2的圆管4，加工出放置圆管4填料的筒状散热件，筒状散热件包括一个内径为d3，外径为d4，长度为l1的第一圆筒1；一个内径为d8，外径为d9，长度为l2的第二圆筒2；两个内径为d5，外径为d6，厚度为δ2的圆环3，圆环3上设置有多个直径为d7的通孔6。
42.将圆管4作为填料填充满整个流体通道5，把散热室的两个圆环3上的通孔6作为冷却水的进出口，如图3所示，图中仅示出了一个圆管4，实际流体通道5中填满无序排列的圆管4，再为散热室匹配适宜的水流量，实现对收集极的散热，需要说明的是，所述第一圆筒1、第二圆筒2、圆环3和圆管4均为金属材质，所述第一圆筒1与第二圆筒2同轴设置。
43.进一步地，填充的圆管4不仅限于金属材料，其他导热性能好的非金属材料也可以，金属材料的圆管4壁厚为(d
2-d1)/2，应相对较薄，常用壁厚范围为0.5mm～2mm，其他材料需考虑结构的强度问题，在强度允许的条件下，壁厚应适当减小。
44.更进一步地，圆管4的外径与高度的尺寸应相等，外径的大小与整体需要填充区域的区域尺寸有关，一般所述流体通道5的容积与圆管4的体积之比大于200，所述圆管4的外径范围为3mm～50mm。
45.冷却介质并不局限于水，选择能满足散热的液体即可，冷却水的流量与热源的功率大小，与散热结构的孔隙率(孔隙体积与散热结构总体积的百分比)有关，热源的功率越大，需冷却液体的流量越大，孔隙率越小，需要冷却的流量越小，实际流量结合流体的冷却能力综合选定。
46.在一具体实施例中，作为填充材料的圆管4为金属材质，高度h1为5mm，内径d1为3.8mm,外径d2为5mm；第一圆筒1内径d3为76mm，外径d4为80mm，长度l1为150mm；第二圆筒2内径d8为34mm，外径d9为38mm，长度l2为150mm；圆环3内径d5为38mm，外径d6为76mm，厚度δ2为
3mm；圆环3上的通孔6的直径d7为3mm；冷却水流量选定为40l/min，此水流量对应收集极的热流密度，此时收集极内壁的热流密度是1000w/cm2，当收集极功率密度增加时水流量应适当增大。
47.本发明的技术方案与现有技术方案相比，使用金属材质的薄壁圆管4填充进散热室内，与常见槽道式散热结构相比结构简单且成本低，便于大批量加工；而且金属材质的圆管4由于厚度薄，透热深度小，比表面积(面积比体积)大，传热能力强，流体通道5作为流通冷却水的通道，主要水流方向如图5所示，水的比热容相对较大，能更好地将传导出来的热量带走，使得散热结构能够具有更强的散热能力。图6示出在设置与图2中相同的收集极内表面热流密度、整体冷却水流量的情况下，本发明的收集极内表面的温度分布，其中收集极内表面热流密度是1000w/cm2，整体冷却水流量是40l/min，从图6中可以看出收集极内壁最高温度是392℃，比直肋式散热结构低88℃左右，而直肋式散热结构若要达到与本发明的散热结构同等的散热能力，需要更大的水流量，当要求冷却水流量较小时，本发明的散热结构具有充分优势；图7是本发明的散热结构收集极整体的的温度分布云图，沿径向方向温度降低较快；图6与图7均表明本发明提供的散热结构散热能力更强。
48.本发明还提供一种回旋管收集极，该回旋管收集极包括如上所述的散热结构。该回旋管收集极的散热结构的具体结构参照上述实施例，由于该回旋管收集极采用了上述实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
49.在另一实施例中，本发明还提供一种高频系统，该高频系统包括如上所述的散热结构，可以理解的是，高频系统位于筒状散热件内侧，其外壁与筒状散热件贴合使得散热结构能够对高频系统进行散热。该散热结构的具体结构参照上述实施例，由于该高频系统采用了上述实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
50.综上所述，本发明通过在筒状散热件的流体通道内填充若干圆管，将冷却介质由筒状散热件一端的通孔进入流体通道内并流经圆管后由筒状散热件另一端的通孔排出对回旋管收集极进行散热，利用较多的圆管增加与冷却介质的接触面积从而提高散热结构及高频系统的散热能力，且该散热结构整体结构简单，与现有的槽道式散热结构相比无需加工出复杂的槽道结构，仅需要将圆管填充入流体通道内即可，加工难度明显更小。
51.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：

1.一种散热结构，其特征在于，包括：两端开口的筒状散热件，所述筒状散热件内形成有流体通道；以及位于筒状散热件的流体通道内的若干圆管；所述筒状散热件的两端面上均形成有若干与流体通道连通的通孔；所述筒状散热件被配置为可使得由筒状散热件一端的通孔进入流体通道内的冷却介质流经圆管后由筒状散热件另一端的通孔排出。2.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述筒状散热件包括两端开口的第一圆筒，两端开口的位于第一圆筒内侧的第二圆筒以及分别配置于第一圆筒两端的两个圆环；所述流体通道形成于第一圆筒与第二圆筒之间；所述圆环用以连接固定第一圆筒和第二圆筒；所述通孔形成于圆环上。3.根据权利要求2所述的散热结构，其特征在于，所述第一圆筒与第二圆筒同轴设置。4.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述筒状散热件和圆管均为金属材质。5.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述圆管的壁厚范围为0.5mm～2mm。6.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述圆管的外径范围为3mm～50mm。7.根据权利要求2所述的散热结构，其特征在于，所述第一圆筒与第二圆通之间的容积与圆管的体积之比大于200。8.一种回旋管收集极，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的散热结构。9.一种高频系统，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的散热结构。

技术总结

本发明提供一种散热结构、回旋管收集极及高频系统，该散热结构包括两端开口的筒状散热件，所述筒状散热件内形成有流体通道；以及位于筒状散热件的流体通道内的若干圆管；所述筒状散热件的两端面上均形成有若干与流体通道连通的通孔；所述筒状散热件被配置为可使得由筒状散热件一端的通孔进入流体通道内的冷却介质流经圆管后由筒状散热件另一端的通孔排出。该散热结构能够提高收集极的散热能力，降低加工的难度，并满足较高功率容量的要求。并满足较高功率容量的要求。并满足较高功率容量的要求。