基于液体式高功率微波衰减器温控系统的设计与实现

　　高功率微波衰减器的最基本原理就是将微波功率通过衰减吸波材料转化为热量，因此热传导结构和散热冷却系统的研究设计就尤为重要，直接关系整个衰减器系统的正常工作。液体衰减材料的衰减特性有一定的温度特性，即衰减量会随着液体衰减材料温度变化而改变，但是同时又要保证不会因为温度过高而使其沸腾。因此温控系统的设计关乎衰减器研制的成败。

　　本文将基础传热学、换热器设计、嵌入式系统充分的融为一体，实现了控制温度的目的。

　　1 温控体系结构

　　图1所示为温控系统结构图，温控系统主要由传感器、电加热水箱、螺旋板式换热器和嵌入式控制系统组成。系统的末端连接换热器，使衰减液耗散其吸收高功率后而产生的热量，从而保证了衰减液的温度不会持续增高。

　　2 换热器的选型与计算

　　2.1 换热器种类的选择

　　通过多年实践证明，螺旋板式换热器是一种高效换热设备。它由两张钢板卷制而成，形成了两个均匀的螺旋通道，两种传热截止可进行全逆流流动，适用小温差传热，在壳体上的接管是切向结构，局部阻力小，螺旋通道的曲率是均匀的，流体在设备内流动没有大的换向，总的阻力小，所以可以通过增加流速的方式增加换热量。由于微波衰减液的工作温度只有60℃，而作为冷却水的自来水最低也只有20℃，温差很小。所以结合高功率微波衰减器的实际情况，采用这种换热方式是高效适宜的。

　　衰减液和自来水分别作为热流体和冷流体在螺旋板式换热器中进行充分换热。换热器内部两种介质温度的变化如图2所示。

　　换热器的面积需要根据下面的换热方程进行计算：

　　式中：Φ——热交换;

　　k——换热面上的平均传热系数;

　　A——传热面积;

　　△t——两流体之间的平均温差;

　　由式(1)可知，若要算出换热面积，就必须先知道热交换器的换热量φ，平均温差△t以及平均传热系数k的值。

　　2.2 平均温差的计算

　　对于顺流式或逆流式换热器，其平均温差均可由式(2)计算

　　平均温差的计算就要根据衰减量以及工作的频点进行选择，这就需要在计算换热器面积的时候需要考虑到最极端的工作情况。在此将冷流体(自来水)的温度设为25～35℃将热流体的温度设为40～60℃。此时的平均温差为15.4℃。

　　2.3 换热系数的选择

　　根据换热方程：

　　式(3)中的系数1/kA为热阻，其与多种因素有联系，包括传热面的结构型式和大小、流体的种类及流动状况等。由于螺旋板式换热器的换热面的平壁和管壁较薄，所以有下面公式：