行波管性能測(cè)試用試驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)

馬學(xué)煥，趙 帥，陸宏權(quán)，張愛(ài)紅，張志民，李 建

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所，安徽億瑞深冷能源科技有限公司，合肥 230088）

前言

行波管是一種微波電子管，廣泛應(yīng)用于軍用和民用通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙控、遙測(cè)、火控和電子對(duì)抗等諸多領(lǐng)域。其要求的測(cè)試環(huán)境的特點(diǎn)是：尺寸窄長(zhǎng)、有高電壓輸入、散熱功率大、需要風(fēng)冷或水冷連接通道、波導(dǎo)連接通道（四周開(kāi)孔多）等特殊要求。本試驗(yàn)箱按照企業(yè)的要求專門設(shè)計(jì)，以期達(dá)到企業(yè)在線試驗(yàn)的目的。

1 試驗(yàn)箱技術(shù)指標(biāo)

1.1 性能指標(biāo)

1）溫度范圍：-70℃～150℃；

2）升降溫時(shí)間：

20℃～-70℃：≤30min

-70℃～150℃：≤70min

3）溫度均勻度：≤2℃；

4）溫度波動(dòng)度：≤±0.5℃；

5）熱負(fù)載能力：

試驗(yàn)樣品在-55℃時(shí)和+85℃恒溫時(shí)，試驗(yàn)樣品發(fā)熱功率2kW，在-60℃時(shí)試驗(yàn)樣品發(fā)熱功率1.5kW。

1.2 其他配置要求

1）內(nèi)部尺寸：不小于1300（W）×600（H）×600（D）mm ；

2）外部尺寸：不大于1600（W）×1900（H）×950（D）mm；

3）開(kāi)孔要求：試驗(yàn)箱左右兩端各開(kāi)一個(gè)Φ108 的風(fēng)管接口；箱體后側(cè)開(kāi)一尺寸為：1000（W）×100(H)的矩形孔，矩形孔中心面距地面1100mm；

4）配移動(dòng)腳輪；

5）帶除霜觀察窗兩個(gè)：150mm×200mm；

6）配照明燈；

7）試驗(yàn)箱內(nèi)頂面不能有冷凝水落下；

圖1 試驗(yàn)空間模型示意圖

8）彩色觸摸屏操作界面。

用戶要求的試驗(yàn)空間如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

2.1 窄長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)

此種結(jié)構(gòu)，不同于近正方形箱體結(jié)構(gòu)，要保證溫度均勻度，則需要以新思路來(lái)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)布局和風(fēng)道結(jié)構(gòu)。

2.2 開(kāi)孔多

該試驗(yàn)箱前面有大門，后面有用于連接波導(dǎo)的長(zhǎng)矩形孔，左右兩側(cè)有用于連接通風(fēng)機(jī)或冷卻水管道的通孔，增加了蒸發(fā)器、加熱器等布置難度。

2.3 機(jī)組空間受限

試驗(yàn)箱的升降溫速率達(dá)到3℃/min，-60℃時(shí)還有1.5kW的散熱負(fù)荷。由于受到機(jī)組布局空間的限制（注：矩形孔中心面距離地面1100mm），所以機(jī)組一方面要滿足制冷性能要求，另一方面還要滿足空間要求。

2.4 循環(huán)風(fēng)道結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)箱四周均有開(kāi)孔，且頂面不能有冷凝水滴下，下面有1100mm限制。所以空氣循環(huán)風(fēng)道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要針對(duì)性地解決這些難題。

3 制冷機(jī)組尺寸的確定

3.1 制冷方式選擇

制冷方式的選擇可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：最低溫度指標(biāo)、工藝成熟度、系統(tǒng)可靠性、可維修性、制造成本。根據(jù)本試驗(yàn)箱的指標(biāo)要求，采用機(jī)械蒸汽壓縮復(fù)疊式制冷方式。用低溫制冷循環(huán)獲取試驗(yàn)箱需要的試驗(yàn)溫度，用高溫制冷循環(huán)來(lái)冷凝低溫級(jí)的制冷劑，高溫級(jí)和低溫級(jí)通過(guò)冷凝蒸發(fā)器聯(lián)系起來(lái)。選用環(huán)保制冷劑R404A/R23組合。

3.2 制冷系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算

3.2.1 絕熱層厚度及傳熱系數(shù)計(jì)算

由于要求試驗(yàn)空間高度600mm的中間距離地面1100mm，除去保溫層和腳輪的尺寸，留給機(jī)組的凈高度非常有限，因此，保溫層的厚度只要滿足設(shè)計(jì)要求即可。

以試驗(yàn)箱在最低工作溫度時(shí)外表面不結(jié)露為基本條件，按平壁結(jié)構(gòu)傳熱方程，根據(jù)平衡條件得到：

絕熱層最小厚度 δ =（ t2－t1)λ/αw(ta－t2) =72.3 mm

考慮到工藝需要，取δ =90 mm，從而得傳熱系數(shù)K=1/(1/αn+δ/λ+1/αw)=0.363 w/m2.k

3.2.2 試驗(yàn)箱熱負(fù)荷組成

箱體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的漏熱量Q1=KAΔt

箱體內(nèi)材料的熱容量Q2=GCpΔt/T

試驗(yàn)樣品散發(fā)的熱量Q3

箱內(nèi)空氣負(fù)荷Q4=C空氣×V×γ×/ T

箱體其他結(jié)構(gòu)件漏熱量Q5

經(jīng)計(jì)算得試驗(yàn)箱總熱負(fù)荷3.73kW

3.3 壓縮機(jī)及關(guān)鍵部件的計(jì)算選型

3.3.1 壓縮機(jī)選型

根據(jù)性能指標(biāo)和工作環(huán)境，低溫級(jí)蒸發(fā)溫度t0取-75℃，冷凝溫度取-25℃，高溫級(jí)蒸發(fā)溫度取-30℃，高溫級(jí)冷凝溫度取40℃，查制冷劑熱物理性質(zhì)表得有關(guān)理論狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)如表1所示。

3.3.2 冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料，風(fēng)冷冷凝器換熱器系數(shù)K取35W/M2.K，換熱溫差取7℃，則冷凝器換熱面積A= QK/K.Δt=32M2。

冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)采用Ф10mm×0.5mm的紫銅管，正三角形排列，管間距S1=25mm，排間距S2=21.65 mm，鋁片厚δ=0.15mm，片距Sf=2.2mm，每米管長(zhǎng)總換熱面積為0.4445M2/M，則冷凝器總管長(zhǎng)L=72M。

考慮到機(jī)組空間的限制，每根管長(zhǎng)取0.8 米，迎風(fēng)面上排列五排，則每排18根。冷凝器總尺寸為900×510×110(mm)。

3.3.3 蒸發(fā)器設(shè)計(jì)計(jì)算

采用強(qiáng)制對(duì)流的直接蒸發(fā)式蒸發(fā)器，結(jié)構(gòu)參數(shù)與冷凝器相同。蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)k=40(W/m2K)，Δt=5℃，經(jīng)計(jì)算。所需傳熱面積為18.65m2，設(shè)計(jì)蒸發(fā)器的尺寸為：1160mm×110mm×185mm。

3.3.4 冷凝蒸發(fā)器的選擇計(jì)算

高溫部分的蒸發(fā)器與低溫部分的冷凝器之間的熱交換由不銹鋼釬焊板式換熱器完成，外殼由聚胺脂發(fā)泡保溫，與外界無(wú)熱量交換。QkL=5.32kW，此類換熱器換熱效率高，換熱系數(shù)一般在2500～4500之間，取k=3000 W/m2K，Δt =5℃，A= QkL/k·Δt=0.35m2，選擇B3-18型釬焊板式換熱器，其單片傳熱面積0.018m2，則20片的傳熱面積為20×0.018m2=0.36m2。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果， 壓縮機(jī)和系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及選型結(jié)果如表2所示。

上述各部件以及其他制冷系統(tǒng)附屬零配件，如閥門、壓力控制器等通過(guò)管道焊接或螺紋連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)。該機(jī)組總體結(jié)構(gòu)尺寸為1250×880×580，滿足機(jī)組空間要求。

4 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

內(nèi)壁采用不銹鋼材質(zhì)，外壁采用經(jīng)過(guò)防護(hù)處理的冷軋鋼板。根據(jù)厚度計(jì)算結(jié)果以及試驗(yàn)箱的溫度范圍，絕熱層擬采取兩種絕熱材料的保溫結(jié)構(gòu)，緊貼試驗(yàn)箱內(nèi)壁為耐高溫保溫棉，外層是硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡層，兼顧材料溫度范圍和隔熱需要。

4.2 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)箱整體為上中下結(jié)構(gòu)，下方為放置制冷機(jī)組的空間，底部裝配移動(dòng)腳輪；中層為被測(cè)行波管試驗(yàn)空間，其前面是雙扇平開(kāi)門，與箱體接觸的門面設(shè)計(jì)雙層耐溫密封條，后面有1000mm×100mm的長(zhǎng)矩形波導(dǎo)連接孔，且孔的中心面距離地面1100mm，兩側(cè)設(shè)計(jì)Φ108的行波管冷卻介質(zhì)通道；上層為控制柜體，其內(nèi)裝配電機(jī)及其他控制器件。在箱體的右側(cè)設(shè)計(jì)懸掛式搖臂觸摸屏控制器。

4.3 空氣循環(huán)風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空氣循環(huán)風(fēng)道設(shè)置在試驗(yàn)空間的上部，由不銹鋼隔板將試驗(yàn)空間和空氣調(diào)節(jié)間做物理分開(kāi)。蒸發(fā)器、加熱管、風(fēng)扇、蝸殼等布置在其內(nèi)，出風(fēng)口設(shè)計(jì)有風(fēng)向調(diào)節(jié)柵以滿足溫度均勻度指標(biāo)要求。

表1 有關(guān)理論狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

表2 壓縮機(jī)和系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及選型結(jié)果

考慮到冷凝水滴漏問(wèn)題，風(fēng)道隔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兼顧了接水和排水需要。如圖2所示。

5 控制原理及硬件配置設(shè)計(jì)

圖2 結(jié)構(gòu)布局示意圖

圖3 實(shí)物外觀

圖4 控制系統(tǒng)原理框圖

圖5 升降溫實(shí)測(cè)曲線

試驗(yàn)箱由制冷系統(tǒng)提供降溫所需要的冷量，由加熱裝置提供升溫所需要的熱量。通過(guò)控制調(diào)節(jié)制冷閥門的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷量的控制，對(duì)加熱量的控制則是通過(guò)固態(tài)繼電器的導(dǎo)通狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器采集的溫度模擬信號(hào)輸送給溫度控制器，該溫度控制器將自身的PID模塊的計(jì)算結(jié)果通過(guò)控制輸出模塊對(duì)外輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件進(jìn)行動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)箱溫度的控制。

試驗(yàn)箱采用優(yōu)易控UMC1000系列彩色液晶觸摸屏可編程溫度控制器作為主控制器，配以施耐德PLC可編程邏輯控制器、固態(tài)繼電器、電磁閥、按鈕開(kāi)關(guān)、壓力控制器、報(bào)警器等執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)箱溫度控制目標(biāo)。

控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

6 性能測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)箱在用戶方經(jīng)過(guò)第三方檢測(cè)，其溫度指標(biāo)：如升降溫速率、溫度均勻度、溫度波動(dòng)度、負(fù)載能力等各項(xiàng)性能達(dá)到了指數(shù)指標(biāo)要求。其他結(jié)構(gòu)要求如開(kāi)孔位置、尺寸、離地面距離等也滿足了配置要求。測(cè)試的升降溫曲線如圖5所示。

7 結(jié)語(yǔ)

基于對(duì)行波管性能測(cè)試試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，結(jié)合熱負(fù)荷和制冷系統(tǒng)熱力學(xué)計(jì)算，設(shè)計(jì)了復(fù)疊制冷機(jī)組以及滿足整體結(jié)構(gòu)配置要求的該款專用試驗(yàn)箱。其設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)尺寸的控制和蒸發(fā)器暨風(fēng)道布局的設(shè)計(jì)上，可為其它類似試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)提供參考。

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