阴极热丝组件中辐射换热量的改善

阴极热丝组件中辐射换热量的改善 522 真空科学与技术 CHINESEJOURNAIJOFVACUUMSCIENCEANDTECHNOLOGY 第27卷第6期 2007年ll,12月 阴极热丝组件中辐射换热量的改善 鲍际秀王佩筠万宝腓 (上海交通大学电子束及真空技术研究所上海200030) IiantHeatLossReductionfoCathode.FilamentModule BaoJixiu,WangPeijun,WanBao~i (InstituteofElectronicBeamsandVacuumTechnology,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai,200030,China) AbstractrI11ecathode— filamentmodulehasbeenmodifiedwithadditionofthinlow-emissivityheat— shieldsatitsbottomandacylindrical heat-shieldingcovertoreducetheradia~heatlOSS.Severalprototypicalmodifiedcathode一~anaemmodules.10mmindiameterand8himin height.werefabricatedandstudiedtheoreticallysndexperimentally.Weestimatedthatadditionofoneheat.shieldreducestheradiantheatlO88 byabout58%andthattheheatshieldingcoverhousingthemodulecutstheheatlOSSby65%Wefoundthatthemodulewithoneheat-shield andaheat-shieldingcoverwordsmuchbetterthanthatwithtwoheat~hields.rI11eheatlOSSreductionmechanismwasdiscussedindetail. KeywordsFilament—cathodemodule,Radiantheattransfer;Heatloss 摘要采用辐射换热的网络法 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和计算问热式阴极组件辐射的热耗散,并通过高 温计测温,近距离平板二极管试验证 实了理论模型的准确性.理论分析表明,在两板间插入一块与其发射率相同的遮热板后,两板之间的辐射换热量将减少为原 来的二分之一.通过电工理论的基尔霍夫定律计算表明,对于直径为(I)10n?n,高为8mlvl的阴极组件,辐射换热损失为7.32 w;实验表明,阴极底部增加一层黑度较小的热屏底盖后,辐射换热量平均为3.05W,约为加热屏底盖前辐射换热量的 41.7%.阴极底部增加二层热屏底盖后,实际辐射换热平均约为1.82W,约为加热屏底盖前辐射换热量的24.9%.所以在相 同条件下,阴极底部增加热屏底盖后消耗功率比敞开结构小得多.在阴极组件外增加热屏罩,在理论上辐射换热量将减少为 原来的35%.实验中辐射换热量约为3.5W,占加热屏罩前辐射换热量的47.6%.这是因为没有考虑组件其它热量的散失, 所以实际辐射换热量大于理论计算值.在阴极底部增加一层热屏底盖后,再在阴极组件外增加热屏罩的遮热效果比阴极底 部增加二层热屏底盖要好. 关键词阴极热丝组件辐射换热热耗散 中图分类号:0462文献标识码:A文章编号:16727126(200r7)o652204 阴极作为真空电子器件的电子发射源,埘大功 率微波器件的性能起着至关重要的作用,是真空电 子器件的"心脏".众所周知,在真空器件中,热丝的 功能是给阴极加热.在问热式阴极的电子管中,为 了使阴极能保持在设定的丁作温度上,以利于电子 的发射,热丝的工作温度要略高于阴极的工作温度, 一 般情况下,热子的工作温度比阴极的工作温度高 150qC,400qC,但两者的温差应尽可能的减小.减 小阴极和热子之间的温差,这不仅是为了更有效地 利用加热功率,而且也是为了增加热子寿命llJ. 因为一些能提供较大电流密度的高温阴极使用较 多,热子的温度也跟着升高,若工作温度太低,为了 收稿日期:2006—12-01 *联系人:Tel:(021)62932848,E—mail:baojixiu@sjtu.edu.an 使有足够的热量传送到阴极上去,所需热子的辐射 面积很大,甚至会使热子大得在阴极筒中无法装下; 工作温度太高,很容易损坏.因为氧化铝与钨丝在 高温下将会发生化学作用,反应式如下: 3W(Sorg)+2A1203(Sorg)=4A1(g)+3WO2(g)(1) 反应结果气体物质wo2和Al蒸发,扩散,造成 绝缘层发灰,发黑.随着热丝本身的工作温度的提 高,蒸发速率迅猛增大,因而热子的寿命也相应短了. 随着科学技术的发展,对灯丝加热功率要求越 来越高,降低阴极加热功率已经成了一个重要的课 题.如果在达到相同温度的情况下,功率尽可能的 小,这不仅能提高热子寿命,而且能降低器件的消耗 第5期鲍际秀等:阴极热丝组件中辐射换热量的改善 功率l4J.问热式阴极的热耗散主要是由辐射引起 的,本文着重研究灯丝辐射热量的有效降低方法. 以传热学中的辐射换热网络法为理论指导,分析和 计算阴极热丝组件不同结构的辐射换热量.改变阴 极热通道,使灯丝给出的热量尽量不要散失,具体采 用了在灯丝装入阴极体后,下端增加热屏底盖,使灯 丝向下端辐射的热量由下向上反射从而为提高阴极 工作温度做出贡献;阴极组件外部加热屏筒,使辐射 出去的热量尽可能的少. 1实验原理 1.1辐射换热的网络法[6-7] 在问热式阴极的电子管中,热丝是必不可缺的 零件,因为它起着加热阴极的作用.用网络法计算 物体问辐射换热,即利用辐射换热与电量之间相类 似而建立起来的一种方法,只要计算出表面辐射热 阻和空问辐射热阻,辐射势差,绘出辐射网络图就可 求出物体问辐射换热量. 对于图1所示的两个漫灰表面1,2构成的封闭 空腔,假设T>712,那么两个表面1,2之间净辐射 换热量为Q1Ebl——Eb2(2) 其中,e为发射率;A为面积,单位为m2.71与712 分别为表面1,2的温度,单位为?;Eb为表面辐射 力;Q为辐射换热.即两个漫灰表面之间的辐射换 热热阻由三个串联的辐射热阻组成. 图1两个表面构成的封闭空腔 Fig.1SchematicdiagramsofaclosedcavitytwoSlll~aces 运用有效辐射的概念,计算多个漫灰表面构成 的封闭空腔内的辐射换热.封闭空腔内的任意一个 表面净损失的辐射热流量应该等于表面i与封闭 空腔中所有其他表面间分别交换的辐射热流量的代 数和,即 Qj::i):(3) 二—J=1j=1—— AiiAii, J 其中,',为有效辐射,单位为W/m2;i为表面i对 表面的角系数. 1.2遮热板原理【 为了减小热损失,通常要降低辐射换热量,在两 表面之间放置一薄板,可以明显地减少两表面之间 的辐射换热量.对于两块平行壁面构成的封闭空腔 如图2所示,当在板问插入遮热板3后,使辐射传热 过程中增加了热阻,辐射温差减小.此时热量是由 板1先辐射给遮热板3,再由遮热板3辐射给板2. 如遮热板3很薄,其导热系数又较大,则遮热板两侧 的表面温度可认为相等.在稳态条件下,可得辐射 换热量 T1,, T3,, , , 1 3-asheetmetal 2 图2两平行平面间插入遮热板的示意图 Fig.2Schematicdiagramsofthetwoparallelplates withasheetmetaltopreventheatloss Q:竿堕:Ql,:(4)l__一 1 ,1E2 由上式可见,在插入一块与板1,2发射率相同 的遮热板后,板1,2的辐射换热量将减少为原来的 二分之一.图3表示了两无限大平行平板中间有一 块遮热板时的辐射网络,它由四个表面热阻和两个 空间热阻串联而成.未加遮热板时,两个物体问的 辐射热阻为两个表面辐射热阻和一个空间辐射热 阻.加了遮热板后,将增加两个表面辐射热阻和一 个空问辐射热阻.因此,总的辐射换热热阻增加,物 体问的辐射热量减少. 蜀,2 }_—————__o L上—一L: Ale1Altpl,3 A3E3A3E3'.A3fP2. 3A2E2 图3两无限大平行平板中间有一遮热板时的辐射网络 Fig.3Radiantnetworkoftwounlimitedparallelplatesandasheetmetaltopreventheatlossbet weenthem 赴 一】 一A 宁 真空科学与技术第27卷 2结果与讨论 2.1辐射换热损失计算 在阴极灯丝组件中,热量主要是通过下端开口 处向外辐射的.假设1面与2面隔热良好,无导热 发生.根据式(3),从理论上计算单位时间内从组件 底部辐射出去的热量:因为组件底部敞开,可看成外 部空间的一个小孔,所以可以将开口假想为一黑体 表面3,即,=1(如图4),温度为室温25?.图中 的圆柱r为5mm,h为8mm;侧面1材料的发射率 为0.15,温度为1000?;顶面2材料的发射率为 0.68,温度为1000?. (1)(2) 图4阴极与灯丝组件图 Fig.4Cathode-filamentmodule 根据文献[6],令=云,y=云,z=1+L, 则角系数 :— z- — ~— fz 2- 4 — (S— L)2x3:U,,.23.2, =——————————一=?jl 由角系数的完整性和互换性,可得 2,11—2, 30?769,1, 31,2~92,10?241 根据式(3),利用电工理论的基尔霍夫定律,对 网络节点(见图5)J.,J2建立节点方程,进入节点的 热流总和为零 图5辐射网络图 Fig.5Radiantnet,ofthecathode-filamentmodule 节点1++:0(i)111一 e1'',' s1A1A11, 2A1l, 3 节点J:++:0(1i) 三 A11, 2A22,3,2A 根据斯忒藩(J.Stefan).玻尔兹曼(D.Boltzmann) 定律Eb=盯,经计算可得从敞开的组件底部A3面 共辐射出去的热量为 Q3:+:7_32w A11, 3A22,3 2.2实验结果 阴极底部敞开,热丝的热功率通过底部向外辐 射,造成无用热损耗大.要减少以上辐射换热,将阴 极底部加上与1相同材料的热屏底盖,构成封闭结 构,那么热量损耗必然就会减小.将同结构的灯丝 装入图4的阴极套筒内,分别构成组件G1和G2,测 量阴极温度,结果如图6所示.由图可知,在温度为 1000oC时,组件G1消耗的功率为21.8w,组件G2 消耗的功率为17.8W,组件G2消耗的功率比组件 G1消耗的功率小4w.在相同温度下,组件Gl消 耗的功率比组件G2消耗的功率平均大约4.27w, 辐射换热量约为3.05w(即7.32w4.27w).在 式(4)中看到,加上遮热板后,辐射换热量将减少为 原来的二分之一;在实际辐射换热计算中,损失热量 为7.32w,在加上一层底盖后损失热量应为3.66 w,实际情况损失热量为3.05w,约为加热屏底盖 前辐射换热量的41.7%. 图6灯丝阴极组件功率与温度的关系 Fig.6Correlationofpowerandtemperature ofmoduleG1,G2,G3andG4 在G2结构上再增加一薄块热屏底盖,构成组 件G3(图7),测量阴极温度,结果如图6.由图可 知,在温度为1000oC时,组件G3消耗的功率为 16.28w,比组件Gl消耗的功率小5.52W.在相同 温度下,组件G3消耗的功率比组件Gl消耗的功率 平均小约5.5W,辐射换热量约为1.82w(即7.32 丁+上 第5期鲍际秀等:阴极热丝组件中辐射换热量的改善525 W一5.5W),约为加热屏底盖前辐射换热量的 24.9%,这是因为热屏底盖黑度较小,遮热效果好. 可以推论,当插入n块与板面发射率相同的遮热板 1 后,则辐射换热量将减少到原来的—.灯丝的底 盖作用是减小灯丝热量直接向外辐射.如果不加底 盖,热能辐射很大,加底盖后可以大大减小这部分辐 射,加盖后底盖温度可以近似认为阴极温度. sleev heater 图7二块热屏阴极与灯丝组件图 Fig.7Cathode—filamentmodulewithtwolayersofheatshields 2.3热屏罩的作用 实际上,在组件G2中,侧面和阴极顶面也会向 外辐射热量,在以上计算中为了方便起见,而没有考 虑,实际上这部分损失的热量也很大.在组件G2 外部加一热屏罩,由于阴极顶部要装阳极等零部件, 故虚线部分为敞开结构(图8).1,3面组成4,温度 为1000?;原来的外部空间5看成是黑体,温度为 室温25?;热屏罩6为与4具有相同发射率的材 料,温度为1000?.图中的圆柱r为5lq0.1Tl,h为 8mm;将4与5看成是两无限大表面,则 图8加热屏罩时阴极与灯丝组件图 Fig.8Cathode—filamentmodulewithaheatshieldingcover ,4=6=0.15,,5=1,A=Al+A3m一 那么,4,5和6面之间的辐射换热量分别为 s=35w Q4,6--掣(a) ,3,6 : (b) ,6,5 在稳态条件下,Q,6=Q6'5,解方程得Q,6= 2.57W 那么_35%? 在理论上计算,加上热屏罩后,辐射换热量将减 少为原来的35%.实验结果如图6,由图可知,在温 度为1000?时,组件G4消耗的功率为14W,比组 件G2消耗的功率小3.8W.在相同温度下,组件 G4消耗的功率比组件G2消耗的功率平均小约3.85 W,辐射换热量约为3.5W(即7.35W一3.85W),约 为加热屏罩前辐射换热量的47.6%.这是因为没 有考虑组件G4顶面上的热辐射,实际上部件5也不 为黑体,所以实际辐射换热量大于理论计算值. 3结论 改进措施的目标在于提高热丝加热效率,降低 热丝损耗,从而降低热丝工作温度,延长热丝及器件 的寿命.理论计算和实际情况表明,增加热屏底盖, 可以减小灯丝热量的辐射.阴极底部增加一层黑度 较小的热屏底盖后,实际辐射换热量为3.05w,约 为加热屏底盖前辐射换热量的41.7%.阴极底部 增加二层热屏底盖后,实际辐射换热平均约为加热 屏底盖前辐射换热量的24.9%.所以在相同条件 下,阴极底部增加热屏底盖后消耗功率比敞开结构 小得多.遮热板层数越多,遮热效果越好. 在阴极组件外增加热屏罩,在理论上辐射换热 量将减少为原来的35%.实验中辐射换热量约为 3.5w,占加热屏罩前辐射换热量的47.6%.这是 因为没有考虑组件其它热量的散失,所以实际辐射 换热量大于理论计算值. 由上可见,在阴极底部增加一层热屏底盖后,再 在阴极组件外增加热屏罩的遮热效果,比阴极底部 增加二层热屏底盖要好. 参考文献 [1]刘燕文,刘胜英,田宏,等.真空科学与技术, 2006,26(3):240—242 [2]DanMG,RonglinRL.IEEETransElectrDevices,2000,48: 74—8l(下转第530页) r?^???_一 530真空科学与技术第27卷 (上接第525页) l3JShinAB,ManianCRK.皿ETramElectrDevice,1987, 34:l193—1198 l4JMelnikovaIP.ApplSurfSci.2003,215:59—64 l5JCuiX,LiBQ2005NumericalHeatTransferPartB-FtmdA— MENTAIS48317—344 [6] [7] [8] 张学学,李桂馥.热工基础.北京:高等教育出版社, 2000:324—337 DaGamaRMS2000INrERNA110NALCOMMUNI咖0NS INHEATANDMASS耵认NER27955—964 刘芙蓉,杨珊璧.热工理论基础.北京:中国建筑工业出 版社,1997:307—309