22 февраля 2016г.
В настоящее время ферритовые элементы или узлы ферритовых приборов могут интегрироваться не только с волноводными трактами СВЧ - систем, но также с полосковыми СВЧ - системами, с полупроводниковыми и вакуумными электронными приборами [1, 2].
Во всех указанных вариантах использования ферритовых элементов весьма важен вопрос их крепления на металлическом корпусе различных приборов [3]. Известные способы такого крепления основываются на механических, клеевых, паяных и сварных соединениях ферритовых элементов с металлом корпуса прибора (алюминиевые сплавы, медь, нержавеющая сталь и др.). При этом, использование указанных соединений в каждом конкретном случае требует анализа возможных эксплуатационных характеристик приборов с ферритовыми элементами. Например, увеличение уровня мощности приборов исключает применение механических и клеевых способов крепления. Необходимость длительной эксплуатации при повышенном уровне влажности и частых термоциклических нагрузках (включение - выключение прибора) исключает использование способов пайки мягкими припоями из-за низкой коррозионной стойкости последних. Использование ферритовых элементов в электровакуумных приборах требует применения способов пайки твердыми припоями (обычно на основе серебра или золота) и диффузионной сварки. При этом, для пайки твердыми припоями необходима металлизация контактной поверхности ферритовых элементов, что существенно усложняет данный способ крепления. Кроме того, клеевые соединения и соединения пайкой мягкими припоями по металлизированной поверхности ферритовых элементов тяготеют к ручным методам выполнения и плохо поддаются механизации или применению групповых методов изготовления (до сотни элементов за один технологический цикл).
В этой связи, во многих случаях целесообразно использование процесса диффузионной сварки (ДС) ферритов с металлами [1, 2, 3], при помощи которого выполняются так называемые ферритометаллические узлы (ФМУ), конструкция и размеры которых приведены на Рисунке 1.
Технология процесса ДС ФМУ в настоящее время достаточно освоена для ферритов гранатов и может выполняться групповыми методами до нескольких сотен узлов за один технологический цикл. Сварные ФМУ выдерживают все необходимые испытания (вибрационные, коррозионные, ударными нагрузками, термоциклированием).
Сравнение теплопроводности
соединений феррит-металл полученных методами ДС, пайки и склеиванием можно оценить расчетным методом.
Расчетная схема упрощенной модели ФМУ приведена
на Рисунок 2.
Q1- тепловой
поток от ферритового элемента в воздух; Q2- тепловой поток от ферритового элемента к системе охлаждения через многослойный
брикет;
tmax- максимальная температура в сечении
ферритового элемента;
t - температура
поверхности
ферритового
элемента соединенной с клеем, припоем, медной прокладкой при ДС;
t - температура свободной
поверхности ферритового элемента,
обращенной в спокойную воздушную среду; δi - толщины
слоев материалов;λi- коэффициент теплопроводности соответствующих слоев материалов;x1,x2 - расстояния от сечения ферритового элемента с максимальной температурой до соответствующих граничных поверхностей.
Расчеты проводились на основе дифференциального уравнения для одномерной стационарной з адачи с учетом внутренних источников тепла:
Можно показать [1], что для схемы, приведенной на Рисунке 2, решением данного уравнения будет:
Зная значения x1, x2 и задавая
значения qv, δi,λiможем определить значения t , t , t , Q1, Q2.c1 c2 max
Значения ά1 задавались для турбулентного режима
работы системы охлаждения в пределах 3000-6000 Вт/м2°С (расчет не приводится).
Значения ά2задавались в пределах 10-60Вт/м2°С (для условий
свободной конвекции и теплопроводности через слой воздуха
от верхней плоскости ферритовой пластины).
Расчеты показали несущественность потока Q2 по отношению к потоку Q1, а также пренебрежимо малые значения величин x2 для реальных
наборов материалов. Т.е. tmax практически лежит на поверхности ферритовой пластины и равняется значениям
t .
В дальнейшем рассматривались только изменения значений потока Q2 и tmax в зависимости
от конкретного набора материалов слоев (Рисунок 2.).
Данные по теплофизическим характеристикам материалов брались из источников [2,3].Результаты расчета сведены
в Табл.1.
Результаты расчетов показывают малое влияние вида соединения для крепления ферритовых элементов
на корпусе приборов
на условия теплопроводности к системе охлаждения.
Наибольшее влияние на теплопроводность многослойного брикета ФМУ, в рамках рассмотренной модели, оказывают значения коэффициента теплоотдачи в систему охлаждения ά1 и значения
коэффициента теплопроводности самого
ферритового элемента
λф, которые практически для всех марок ферритов не превышают значений
3-4 Вт/м·°С при 100°С.
Однако при превышении tmax ферритового элемента
выше 100°С, резко возрастает опасность деградации
клеевых и паяных соединений (охрупчивание, коррозия, уменьшение прочностных свойств),
что не происходит для соединений ферритовых
пластин с медью при ДС вплоть до температур равных значениям температур
точек Кюри (потеря магнитных свойств) различных марок ферритов. Максимальные температуры нагрева сварных соединений ферритов гранатов
марки 40Сч-2с медью МБ составляют 750-800°С.
Список литературы
1.
Биктяков Р.М. Стабильность свойств ферритов / Р.М. Биктяков, Д.В. Гаскаров,
Ю.С. Зворонко и др. М.: Советское
радио, 1974.- 351 с.
2.
Исаченко В.П. Теплопередача: Учебник
для вузов / В.П. Исаченко,
В.А. Осипова, А.С. Сукомел.
М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.
3. Конюшков Г.В. и др. Ферриты и их соединения с металлами и керамикой
/ Конюшков Г.В., Зотов Б.М., Меркин Э.И.: Энергия, 1979. – 232 с.