基于液體式高功率微波衰減器溫控系統的設計與實現

摘要：文中介紹了一種由螺旋板式換熱器、電加熱水箱、水泵以及基于ARM7LPC2148嵌入式系統構成的用于液體式高功率微波衰減器的溫度控制系統。并分析了散熱方式和利用傳熱學的一些基本原理，對換熱器、水箱和水泵進行了選型設計和計算。該設計方案為液體式高功率微波衰減器中衰減液的控溫方式提出了一種新的設計思路。
關鍵詞：大功率微波衰減器；螺旋板式換熱器；LPC2148；PWM脈寬調制；溫度控制；

高功率微波衰減器的最基本原理就是將微波功率通過衰減吸波材料轉化為熱量，因此熱傳導結構和散熱冷卻系統的研究設計就尤為重要，直接關系整個衰減器系統的正常工作。液體衰減材料的衰減特性有一定的溫度特性，即衰減量會隨著液體衰減材料溫度變化而改變，但是同時又要保證不會因為溫度過高而使其沸騰。因此溫控系統的設計關乎衰減器研制的成敗。
本文將基礎傳熱學、換熱器設計、嵌入式系統充分的融為一體，實現了控制溫度的目的。

1 溫控體系結構
圖1所示為溫控系統結構圖，溫控系統主要由傳感器、電加熱水箱、螺旋板式換熱器和嵌入式控制系統組成。系統的末端連接換熱器，使衰減液耗散其吸收高功率后而產生的熱量，從而保證了衰減液的溫度不會持續增高。

2 換熱器的選型與計算
2．1 換熱器種類的選擇
通過多年實踐證明，螺旋板式換熱器是一種高效換熱設備。它由兩張鋼板卷制而成，形成了兩個均勻的螺旋通道，兩種傳熱截止可進行全逆流流動，適用小溫差傳熱，在殼體上的接管是切向結構，局部阻力小，螺旋通道的曲率是均勻的，流體在設備內流動沒有大的換向，總的阻力小，所以可以通過增加流速的方式增加換熱量。由于微波衰減液的工作溫度只有60℃，而作為冷卻水的自來水最低也只有20℃，溫差很小。所以結合高功率微波衰減器的實際情況，采用這種換熱方式是高效適宜的。
衰減液和自來水分別作為熱流體和冷流體在螺旋板式換熱器中進行充分換熱。換熱器內部兩種介質溫度的變化如圖2所示。

換熱器的面積需要根據下面的換熱方程進行計算：

式中：Φ——熱交換；
k——換熱面上的平均傳熱系數；
A——傳熱面積；
△t——兩流體之間的平均溫差；
由式(1)可知，若要算出換熱面積，就必須先知道熱交換器的換熱量φ，平均溫差△t以及平均傳熱系數k的值。