МОДУЛЬ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ "ТАНТАЛ" С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Название	МОДУЛЬ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ "ТАНТАЛ" С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
Разработчик (Авторы)	Ляшенко А.В., Солопов А.А., Игнатьев А.А., Скрипкин А.А.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	141660
Дата регистрации	03.02.2014
Правообладатель	Открытое акционерное общество "Тантал", ФГБ ОУ ВПО "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского", Открытое акционерное общество "Институт критических технологий"
Область применения (класс МПК)	H01J 23/033 (2006.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

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.

Формула полезной модели

Модуль сверхвысокой частоты с воздушным охлаждением, содержащий 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, отличающийся тем, что на обеих сторонах основания дополнительно расположен термоэлектрический преобразователь, а входная часть кожуха усилительного элемента выполнена в виде сопла Вентури, на внутренней поверхности которого размещена тонкая пленка из электрокалорического полимера.

Изобретение "МОДУЛЬ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ "ТАНТАЛ" С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ" (Ляшенко А.В., Солопов А.А., Игнатьев А.А., Скрипкин А.А.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога