МОДУЛЬ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ "ТАНТАЛ" С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Полезная модель относится к радиотехнике, в частности, к усилителям СВЧ - мощности и может быть использована на подвижных объектах в составе радиотехнических систем.
Из уровня техники известны усилители мощности сверхвысокой частоты (СВЧ), работающие на подвижных объектах [Детали и элементы РЛС/ под ред. Н. Бретгарта - М.: Советское радио, 1952, с. 157]. В подобных устройствах все элементы крепятся на массивном амортизирующем шасси и закрываются герметичным кожухом.
Недостатками данного устройства является нерациональное использование конструктивных материалов, при котором масса и габариты усилителя СВЧ мощности являются значительными.
Известно устройство [Техническое описание РЛС Н 019 М. НИИР. 1982, раздел 6], содержащее лампу бегущей волны (ЛБВ), основание, гибкую волновую секцию, герметичные крышки, амортизаторы. Основание представляет собой массивный корпус U-образной формы, в котором размещены источники питания, модулятор и другие элементы усилителя мощности.
Недостатками данного устройства являются нерациональное размещение элементов усилителя СВЧ мощности на основании, наличие системы жидкостного охлаждения, что значительно усложняет конструкцию, увеличивает массу и габариты устройства.
Известен усилитель мощности [Патент РФ №2149504, МПК H04B 1/03. Б.Н. Кочетков. Усилитель СВЧ - мощности, приоритет от 11.03.1999 г.], содержащий ЛБВ, закрепленную к герметичным крышкам, сеточный модулятор, высоковольтный источник питания, основание, выполненное пластинчатым и расположенное перпендикулярно продольной оси ЛБВ, к которому по периметру закреплены герметичные крышки.
Недостатками данного изобретения является размещение усилительного элемента (ЛБВ) как наиболее теплонагруженного в герметичном объеме вместе с остальными узлами усилителя СВЧ мощности, что ведет к значительному повышению температуры внутри герметичного объема и усложняет задачу отвода тепла.
Общим недостатком приведенных выше устройств является невозможность их установки на самолеты с ограниченными энергетическими ресурсами и с отсутствующей системой жидкостного охлаждения. Наличие системы жидкостного охлаждения на борту самолета связано со значительным увеличением вспомогательных устройств, обеспечивающих температурный контроль, циркуляцию охлаждающей жидкости, что в свою очередь ведет к увеличению пространства, занимаемого этими устройствами.
Наиболее близким по технической сущности решением, выбранным в качестве прототипа, является модуль сверхвысокой частоты с воздушным охлаждением [Патент РФ №2188475, МПК H01J 23/033. Горин В.А., Копейкина Н.Д., Переведенцева Т.П. и др. Модуль сверхвысокой частоты с воздушным охлаждением, приоритет от 27.11.2000 г.], в конструкции которого пластинчатое основание выполнено теплопроводным. С одной стороны к нему крепятся модулятор и источник питания, которые закрываются герметичной крышкой и находятся в герметичном объеме. С противоположной стороны основания крепится усилительный элемент (ЛБВ), находящийся в кожухе. Наличие кожуха с усилительным элементом внутри него обуславливается необходимостью направлять и концентрировать охлаждающий воздух вдоль поверхности усилительного элемента.
Недостатком известного технического решения является недостаточная эффективность системы воздушного охлаждения, особенно при использовании ЛБВ высокой мощности, а также невысокая надежность устройства при сбое в работе или при аварийном отключении штатной системы воздушного охлаждения, обусловленная быстрым ростом температуры усилительного элемента с последующим выходом его из строя.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение (полезная модель), заключается в разработке конструкции модуля СВЧ высокой мощности и надежности, обеспечивающей эффективное воздушное охлаждение.
Поставленная задача с достижением упомянутого выше технического результата решается тем, что в конструкции модуля сверхвысокой частоты с воздушным охлаждением, содержащем теплопроводное пластинчатое основание, на котором в герметичном объеме установлен модулятор и источник питания, а усилительный элемент находится в кожухе, который установлен на основании с противоположной стороны, на обеих сторонах основания дополнительно расположен высокоэффективный термоэлектрический преобразователь, а входная часть кожуха усилительного элемента выполнена в виде сопла Вентури, на внутренней поверхности которого размещена тонкая пленка из электрокалорического полимера.
Сущность полезной модели и возможность его практической реализации поясняется рисунком, на которой показан модуль СВЧ в разрезе.
На основании 1 установлены и закреплены узлы: источник питания 2, модулятор 3, закрытые герметичной крышкой 4 и образующие герметичный объем. Усилительный элемент 5 установлен с противоположной стороны основания 1 и находится в кожухе 6. Продольная ось усилительного элемента не пересекает основание 1 и кожух 6.
Кожух 6 усилительного элемента выполнен в виде пустотелой конструкции, преимущественно округлого переменного сечения. В показанном варианте входная часть кожуха усилительного элемента выполнена в виде сопла Вентури 7, на внутренней поверхности которого размещена тонкая пленка из электрокалорического полимера 9.
Отметим, что сопло Вентури является разновидностью сопла Лаваля с конически расширяющимся фрагментом рабочего канала в направлении выхода из сопла. Такая геометрия канала позволяет существенно повысить скорость потока на выходе из сопла. Сопло Вентури обеспечивает в среднем повышение скорости потока на выходе в 1,5…2,5 раза, чем сопло с цилиндрическим каналом, имея тот же рабочий диаметр, что обеспечивает лучшие условия охлаждения.
Размещение на внутренней поверхности сопла Вентури тонкой пленки из электрокалорического полимера 9 [Охлаждающий полимер. http.//www.russianelectronics.ru/leader-_r/pechat/16820/; 11.08. 2008 г.] позволяет за счет электрокалорического эффекта - изменения температуры диэлектрика под действием электрического поля - дополнительно понизить температуру потока охлаждающего воздуха. В частности, на сегодняшний день получена тонкая пленка из электрокалорического полимера толщиной от 4 до 2 мкм, температура которой понижается на 12°C под действием электрического поля.
Кожух 6 с усилительным элементом 5 крепится к основанию 1. Часть тепла, выделяемая источником питания 2 и модулятором 3, через теплопроводное основание 1 передается внутрь кожуха 6, причем на обеих сторонах основания 1 дополнительно расположен высокоэффективный плоский термоэлектрический преобразователь (ТЭП) 8, на основе новых эффектов генерации ЭДС в полупроводниках на основе сульфида самария (SmS), где отводится потоком охлаждающего воздуха.
Принцип действия высокоэффективного термоэлектрического преобразователя основан на обнаруженном эффекте генерации ЭДС в сульфиде самария (SmS) при равномерном нагреве образца, то есть в условиях отсутствия внешних градиентов температуры [В.В. Каминский, С.М. Соловьев, А.В. Голубков. Генерация электродвижущей силы при однородном нагреве полупроводниковых образцов моносульфида самария. Письма в ЖТФ, 2002, т. 28, в. 6, стр. 29-34.; Патент РФ №2303834, МПК H01L 37/00. В.В. Каминский, А.В. Голубков, М.М. Казанин, И.В. Павлов, С.М. Соловьев, Н.В. Шаренкова, Термоэлектрический генератор (варианты) и способ изготовления термоэлектрического генератора, приоритет от 22.06.2005 г.]. Он заключается в том, что при наличии градиента концентрации примеси, образующей донорные уровни в запрещенной зоне, в полупроводнике при нагреве возникает ЭДС в направлении этого градиента.
При этом КПД указанного преобразователя энергии на сегодняшний день достигает 47%, что выше в 4 раза основного параметра преобразователя энергии - КПД, по сравнению с ближайшими аналогами термоэлектрическими преобразователями. Это достигается за счет применения нового принципа преобразования, основанного на неизвестном ранее физическом эффекте. Применяемый материал - SmS - является наиболее радиационностойким среди известных полупроводников, что позволяет его также успешно использовать в изотопных и реакторных термоэлектрогенераторах.
Вырабатываемое высокоэффективным термоэлектрическим преобразователем на основе эффекта генерации ЭДС в сульфиде самария (SmS) напряжение подается на резервный вентилятор охлаждения (на рис.условно не показан), который увеличивает эффективность системы воздушного охлаждения, а также повышает надежность устройства при сбое в работе или при аварийном отключении штатной системы воздушного охлаждения, обеспечивая дополнительный воздушный обдув усилительного элемента 5.
В штатном режиме поток охлаждающего воздуха может поступать, например, от бортовых систем, предназначенных для кондиционирования герметичной кабины с последующим сбросом воздуха из кабины; а также для продува радиооборудования в отсеках самолета.
Положительным эффектом при решении поставленной технической задачи является разработка принципиальной конструкции модуля СВЧ высокой мощности, обеспечивающим при использовании входной части кожуха усилительного элемента в виде сопла Вентури с дополнительным размещением на его внутренней поверхности тонкой пленки из электрокалорического полимера для эффективного воздушного охлаждения электронного усилительного элемента - ЛБВ - за счет одновременного увеличения скорости обдува воздушным потоком и снижения температуры воздушного потока, а также повышение надежности устойчивой работы модуля СВЧ высокой мощности за счет использования резервного устройства воздушного обдува с автономным и независимым от бортовой сети электрическим питанием.
Практическая реализация предложенного технического решения позволит отказаться от системы жидкостного охлаждения, значительно упростить конструкцию, уменьшить массу и габариты модуля СВЧ, обеспечить устойчивое и надежное воздушное охлаждение модуля СВЧ, а узловая конструкция обеспечивает простоту обслуживания и ремонта.