不同接触热阻对温度影响-收集极热性能分析

这是 ANSYS 工程实战 第 14 篇文章

‍

问题描述：

在行波管收集极进行热性能分析时，不同界面如何设置接触热阻，接触热阻大小如何确定，不同接触热阻各部分温度分布情况如何，一直是热设计工程师关心的问题，我们可以分析不同接触热阻时收集极关键部分的温度情况，然后与实际温度进行比对，确定界面接触热阻。

1. 仿真模型及前期设置

‍‍

行波管收集极模型主要包括底板，‍外筒，陶瓷，电极，收集极连接环，引线盘，端盖，瓷柱，钛泵管，钛泵环，极靴，连接环，芯杆等等，有限元模型如图。

‍

网格设置：有限元各部件设置不同大小的网格，‍为了使仿真结果误差较小，需进行网格收敛。

接触设置：‍收集极电极与收集极瓷片之间‍，收集极瓷片与‍收集极外筒之间需设置接触热阻，收集极外筒与底部充分焊接。在第一次分析时，可以设置接触热阻为 6.67E-04℃m²/W，在 ANSYS Workbench 需将接触热阻转换为接触热导率 0.0015W/(mm²℃) 加载在接触界面，具体设置方法及设置内容如图。

温度载荷及环境温度：根据要进行热分析的行波管实际工作情况，折算各电极的热耗，给电极上分别加载热生成（热耗比电极体积），加载方法及参数设置如图，也可以在电极面上加载热率密度（热耗比面积），底板温度与环境温度设置为 25℃。

2. 仿真计算及网格收敛

当网格数为 500142 时，收集极上最高温度发生在电极二上，最高温度为 169.57℃，如图。

改变模型网格大小，特别是改变关键部件电极和陶瓷的网格大小。网格数与收集极温度关系如表所示，随着网格数的增加，收集极最高温度达到平衡。取网格数为 500142 进行仿真计算。

‍在进行其他行波管的收集极分析时，网格大小设置按照：底板为 4mm，外筒为 3mm，瓷柱为 2mm，电极，陶瓷为 1mm 进行热分析即可，不需要每次都进行收敛，收集极热分析比较容易收敛。使用 ANSYS Workbench 时一般不要不设置网格大小就进行分析，特别是对高频热分析时，网格收敛是很重要的。

3. 不同接触热阻收集极温度分布情况

下图给出了接触热阻为 6.67E-04℃m²/W，环境温度为 20℃，网格数为 500142 时，收集极电极一，电极二，电极三最高温度，陶瓷与电极界面温度，陶瓷与外筒界面温度，外筒表面温度，瓷柱温度，端盖前端极靴温度等。在其他接触热阻情况下也需要给出对应的温度。

电极，瓷柱，端盖极靴温度与接触热阻关系：

随着接触热阻的增加，电极温度快速增加，瓷柱与端盖极靴温度受电极内部接触热阻的影响比较小，因此通过测量瓷柱或端盖极靴的温度，并不能知道收集极内部温度情况。

‍‍

电极陶瓷界面与接触热阻的关系：

随着接触热阻的增加，接触界面的温差快速增加，因此在收集极装配时电极陶瓷外筒之间不能松动，否则电极温度会很高，热量很难传出。当界面热阻能达到 0.000222℃m²/W 以下时，电极上的温度就能快速传导出去。‍

外筒陶瓷界面与接触热阻的关系：

随着接触热阻的增加，靠近前端的收集极陶瓷的温度增加较大，陶瓷与外筒的温差也较大；收集外筒温度随接触热阻增加基本不变；收集极末端陶瓷与外筒的温差很小。

内部电极与陶瓷，陶瓷与外筒的接触情况如何，不影响外筒表面温度，外筒表面温度只与环境温度和外筒与底板的焊接情况有关，因此通过测量外筒表面温度，并不能知道收集极内部温度情况。

特别说明：

对于高功率行波管初期测试时，整个结构简单的装在架子上，收集极与架子间接触热阻很大，有时由于工艺原因电极外筒与底板焊接后接触情况差异也很大，因此实际分析时收集极外筒与底板间也应设置相应的接触热阻。