微通道换热器在小型化、高功率损耗密度真空电子器件中的应用

Micro-channel (MicroFludics) heat transfer has a superior power capacity and heat dissipation handling ability compared with the traditional cooling topology due to its advantages of compact dimensions and effective heating transferring ability. This leads to potential applications for the high power millimeter wave (mmW) and THz vacuum electron devices (VEDs) with high power density loss and limited size. In this project, the concept of micro-channel in microfluidics technology is introduced into the cooling systems of the high peak and continuous wave VEDs. Based on the different operation states and thermal loss sources, linear and nonlinear multi-physics field models of the micro-channels with multiple phases are modelled. Genetic algorithm is used to optimize the 2D and 3D topologies of the micro-channel heat transfer for the mmW and THz VEDs. The thermal, fluid and mechanical performances of the micro-channel with the operation of dielectric microwave absorbing and electron interception are theoretically analyzed and numerically simulated using the ANSYS, FLUENT and CST-MultiPhysics. This provides an effective method to overcome the issues such as lower power and thermal capacity, and also the difficulty of dissipation in a limited dimension in high frequency high power VEDs.

微通道换热器由于结构紧凑、轻巧、高效换热等特点，较常规冷却方案而言可将热耗散能力和功率容量进行数量级的提升，在高功率损耗密度、小型化的毫米波太赫兹波真空电子器件冷却系统中有着巨大的应用前景。本项目将微流控技术中的微通道换热器在体积和重量受限的高峰值和高平均功率毫米波太赫兹波真空电子器件的高效散热系统上进行了应用，根据不同的器件工作状态下热损耗的不同来源，开展多物理场耦合下的微通道多相流体线性和非线性模型的建立，利用遗传算法优化设计了具有平面结构的高效微通道散热方案，对不同相流体的热学、流体力学以及引起的机械应力特性等开展分析计算，以期解决毫米波真空电子器件在高功率损耗密度下的热容量低和散热困难等问题，为小型化的高功率毫米波及太赫兹真空电子器件高效散热问题提供设计前提和理论基础。

微通道换热器由于结构紧凑、轻巧、高效换热等特点，较常规冷却方案而言可将热耗散能力和功率容量进行数量级的提升，在高功率损耗密度、小型化的毫米波太赫兹波真空电子器件冷却系统中有着巨大的应用前景。本项目将微通道换热器在高功率毫米波太赫兹波真空电子器件的高效散热系统上进行了应用，根据不同的器件工作状态下热损耗的不同来源，开展多物理场耦合下的微通道多相流体线性和非线性模型的建立，优化设计了具有平面结构的高效微通道散热方案，解决了毫米波真空电子器件在高功率损耗密度下的热容量低和散热困难等问题，为小型化的高功率毫米波及太赫兹真空电子器件高效散热问题提供设计前提和理论基础。. 利用微通道高效换能技术设计并应用在了Ku频段、Ka频段高平均功率带状束行波管，W波段带状束EIO（扩展互作用速调管），X波段100kW连续波和Q波段30kW连续波回旋行波管的高频结构和收集极。经过模拟分析计算，微通道换能结构可将相同损耗密度下的温度降低为常规散热结构的1/3以下，热损耗容量提升3倍以上。利用该技术改进设计的W波段EIO收集极和互作用结构散热，目前已经实现了脉冲6kW，平均功率1kW的工作能力；设计的X波段回旋行波管收集极冷却散热能力比常规结构提升了5倍以上，实验测试显示收集极能够承受270kW电子注平均功率的轰击，有效提升了电子注的热容量。该技术的使用有效将回旋行波管的输出功率提升到了连续波100kW以上。. 该技术将对未来高功率密度真空电子器件的小型化和集成化产生极大的推进作用，在未来的军事国防（如毫米波和太赫兹通信、雷达）以及生物医学成像、ITER等领域都有着极大的应用潜力和价值。