具有增强的冷却特性的3D打印的磁控管的制作方法

本申请是申请日为2016年9月22日、申请号为201610843226.7、发明名称为“具有增强的冷却特性的3d打印的磁控管”的发明专利申请的分案申请。

背景

本文中公开的实施方式总体涉及磁控管，并且更特定地涉及具有增强冷却鳍片的磁控管以及用于制造磁控管的方法。

背景技术：

磁控管(magnetron)用于各种消费和工业应用(例如，微波、雷达、等离子体发生器等)，以生成射频(rf)信号。一般来说，磁控管通过从受热阴极发射电子流并使电子流穿过阳极中形成的一或多个空腔(cavity)来生成rf信号。当电子流朝着阳极空腔发射时，强力磁场被施加至电子，从而导致电子遵循拱形路径，沿阳极空腔的边缘产生振荡电流。随后，这些振荡电流致使rf信号在基于阳极空腔的物理特性的频率下从磁控管发出。

为了去除在电子发射过程中阴极所产生的热量，磁控管通常包括一或多个鳍片(fins)，所述一或多个鳍片被耦接到内部设置有阴极的芯部(core)结构。常规冷却鳍片通常包括平行地布置的一系列的实质上平的薄片。在操作过程中，空气通过平面薄片之间上方，以将热量从芯部结构中去除。一般来说，空气沿直线方向在这系列的平面薄片之间流动。因此，平面薄片的表面的部分被磁控管的芯部挡住，从而在薄片上造成热点，并且导致不均匀的冷却特性。

因此，在本领域中，存在对于磁控管应用的冷却特征改进设计的需求。

技术实现要素：

本文中公开的实施方式提供一种由三维打印所形成的磁控管。在一个实施方式中，所述磁控管包括整体式的(monolithic)主体，所述整体式的主体具有芯部以及从所述芯部延伸的多个冷却鳍片。

在另一个实施方式中，所述磁控管包括：芯部；两个或更多个鳍片，所述两个或更多个鳍片围绕所述芯部；以及一或多个导流结构，所述一或多个导流结构在相邻的两个或更多个鳍片之间形成。所述一或多个导流结构在所述两个或更多个鳍片之间形成流动通道。在一个实施方式中，所述流动通道的第一部分朝所述芯部汇集。

另一个实施方式提供一种使用三维打印机形成磁控管的方法。所述方法包括打印整体式的主体，所述整体式的主体具有芯部以及从所述芯部延伸的两个或多个鳍片。在一个实施方式中，所述两个或更多个鳍片是由导流特征结构连接。

附图简述

以上简要概述的本公开内容的上述特征能够被详细理解的方式、以及本公开内容的更详细描述，可通过参照实施方式获得，本公开内容的实施方式中的一些实施方式在附图中示出。然而，应当注意，附图仅图示本公开内容的典型实施方式，因而不应被视为对本公开内容的范围的限制，因为本公开内容可允许其它它等同有效的实施方式。

图1a是现有技术的磁控管的示意性透视图。

图1b是图1a的磁控管的示意性侧视图。

图2a是具有导流结构的磁控管的示意性透视图，所述导流结构形成于冷却鳍片之间。

图2b是图2a的磁控管的示意性截面图。

图2c-2f是具有不同构造的导流结构的磁控管的示意性截面图，所述导流结构形成于冷却鳍片之间。

图3图示随空气入口质量流率变化的图2a和图2b的冷却鳍片的冷却能力和温度变化。

图4a-4b图解随冷却鳍片厚度变化的图2a-2f的冷却鳍片的表面上的温度分布。

图5a是使用三维打印机形成磁控管的示意图。

图5b是使用三维打印机形成磁控管的示意图。

为了便于理解，已尽可能使用相同数字符号标示附图中共通的相同元件。考虑到一个实现方式中所公开的元件在没有特定描述的情况下可有益地运用于其它实现方式。

具体实施方式

对各种实施方式的描述出于说明目的而呈现，并不旨在是排他性或限制性的。在不脱离所述实施方式的范围和精神的情况下，许多的修改和变型将对本领域的普通技术人员是显而易见。本文所使用的术语经选择以在市场上出现的技术之上最佳地解释实施方式、实际应用或技术改进的原理，或使本领域的其它普通技术人员能够理解本文所公开的实施方式。

本公开内容的实施方式大体上提供实现更高效和/或更均匀的冷却特性的磁控管构造以及用于形成磁控管的方法。在一些实施方式中，所述磁控管包括冷却鳍片，在所述冷却鳍片之间设置有一或多个导流结构。所述导流结构跨所述冷却鳍片的各种表面引导气流，并且防止气流以其它形式被磁控管部件阻挡，从而减少热点的在所述冷却鳍片上和/或在其它磁控管部件上的发生率和/或量级。在一些实施方式中，导流结构不仅影响冷却流体流向哪里，而且还会影响冷却流体流动多快。例如，导流结构可以形成流动通道，所述流动通道逐渐变窄，从而导致流动通道的狭窄部分的流率增大。流率增加导致冷却能力增加，因此，提高某些区域上的冷却效率，例如磁控管的芯部附近区域。

在一些实施方式中，冷却鳍片厚度可减小以增大冷却鳍片之间的间距，同时仍然保留足够的热容量，以便有效地传导热量。因此，冷却鳍片的冷却特性能够得到提高。在一个实施方式中，导流结构的存在可为具有减小的厚度的冷却鳍片提供物理支撑。

根据本公开内容的实施方式，可以使用三维打印机来形成磁控管的至少一部分。在一个实施方式中，包括芯部、多个冷却鳍片和定位在冷却鳍片之间的导流结构的整体式的主体可使用三维打印来形成。在另一个实施方式中，多个冷却鳍片以及在冷却鳍片之间的导流结构可通过三维打印来形成，并附接到芯部以形成磁控管。通过使用三维打印，本公开内容的实施方式实现冷却鳍片和导流结构的期望构造，相对地，若可能的话，使用传统制造方法将难以形成这些构造。

图1a是常规的磁控管100的示意性透视图。图1b是图1a的磁控管100的示意性侧视图。磁控管100包括芯部110以及设置在芯部110上方和/或下方的一或多个磁体130。芯部110一般包括被圆柱形的阳极结构围绕的圆柱形的阴极结构。多个冷却鳍片120热耦合到芯部110的外表面，以向芯部110提供冷却。冷却鳍片120通常是平行地布置的一系列的导热薄片。每个冷却鳍片120可为具有中心孔洞的矩形薄片，以接收芯部110。

在磁控管100操作过程中，芯部110的阴极可受热以激发电子发射。空气从冷却鳍片120一侧通过朝芯部110流动，以便将多余热量从芯部110去除。气流会被芯部110阻挡，导致这些表面中的部分不充分地暴露在气流下，从而造成冷却鳍片120上的热点并且导致磁控管100的部件的过早损坏。

本公开内容的实施方式提供磁控管，所述磁控管具有芯部、连接到芯部的多个冷却鳍片和形成在冷却鳍片之间的导流结构。在一个实施方式中，导流结构引导芯部周围气流，以提供均匀冷却。在一个实施方式中，导流结构在冷却鳍片之间形成流动通道。流动通道可使气流分布成期望流型以提供期望的冷却效果。在一个实施方式中，流动通道可将气流更均匀地分布在各种部件上，从而减小磁控管中的温度梯度的量级。在一个实施方式中，流动通道可形成图案以增大芯部附近的流率。

在一个实施方式中，冷却鳍片和导流结构可以形成整体式的主体。在冷却鳍片之间的导流结构为冷却鳍片提供了结构支撑，并使冷却鳍片能够具有减小的厚度。在一个实施方式中，冷却鳍片以及芯部的至少一部分可以形成整体式的主体，从而在芯部与冷却鳍片之间改善导热。在一个实施方式中，冷却鳍片和导流结构形成整体式的主体。根据本公开内容的磁控管可通过三维打印(3d打印)来形成。

图2a是根据本公开内容的一个实施方式的磁控管200的示意性透视图。图2b是沿图2a中的线2b-2b的磁控管200的示意性截面图。磁控管200包括芯部210。在一个实施方式中，芯部210包括阴极212和围绕阴极212的阳极214。在一个实施方式中，阴极212可为圆柱形的构件，这个构件设置在阳极214内和/或至少部分被阳极214围绕。阳极214可包括围绕阴极212的全部或部分的圆柱形的构件。例如，阴极212和阳极214可以包括同心电极。在一些实施方式中，在磁控管200操作过程中，阴极212和/或阳极214维持在真空条件下。维持真空条件可以用于若干目的，包括减少在阴极212和阳极214之间的电弧的发生率，以及降低阴极212和/或阳极214氧化。阴极212可由任何合适材料组成，包括钡或钍已扩散到其中的诸如钨和镍的金属。阳极214也可以由任何合适材料组成，包括诸如铜的传导材料。磁体230可定位在阴极212和阳极214上方和/或下方。磁体230可以包括永磁体和/或电磁体。

磁控管200还进一步包括多个冷却鳍片220，所述多个冷却鳍片220围绕芯部210而设置，以向芯部210提供冷却。多个冷却鳍片220可为平行地布置的多个薄片。在一个实施方式中，多个冷却鳍片220可均匀地间隔开来。或者，在多个冷却鳍片220之间的间距可变化以实现期望的冷却效果。

多个冷却鳍片220可以包括多个实质上平的导热薄片。在一个实施方式中，冷却鳍片220具有方形形状，如图2b所示。或者，冷却鳍片220可以包括其它合适形状。冷却鳍片220可以具有经选择以促成传热的长度和宽度。在一个实施方式中，冷却鳍片220可以具有方形形状，具有在约5厘米至约20厘米之间的长度。在一个实施方式中，冷却鳍片220可以具有方形形状，具有约10厘米的长度。在一个实施方式中，每个冷却鳍片220可以具有在约0.1毫米至约3毫米之间的厚度。在一个实施方式中，每个冷却鳍片220可以具有在约0.5毫米至约1.0毫米之间的厚度。然而，一般来说，冷却鳍片220可以具有大于或小于上述尺寸的尺寸。另外，虽然冷却鳍片220示为实质上平行于彼此，但是在其它实例中，冷却鳍片220中的一或多个可相对于其它冷却鳍片220定位成一或多个其它非零角度。冷却鳍片220一般是由导热材料(诸如铜(cu)和/或铝(al))组成。例如，al-1010可使用来形成冷却鳍片220。

每个冷却鳍片220可以包括前缘221和后缘222。导流结构包括一或多个通道壁242-1、242-2(统称“通道壁242”)以及空气限制部分244。

根据本公开内容的实施方式，磁控管200还进一步包括流动通道240，所述流动通道由冷却鳍片220之间的一或多个导流结构形成，以将气流朝向和/或远离磁控管200的某些特征结构引导。在图2a和图2b中示出的实施方式中，导流结构可以包括两个通道壁242-1、242-2(统称242)。

每个通道壁部242可起始于冷却鳍片220的前缘221附近，以一角度朝着芯部210延伸。通道壁242可围绕芯部210来形成轮廓，以围绕芯部210形成狭窄流动路径。在一些实施方式中，通道壁242接近于冷却鳍片220的前缘221处可为实质上直线形的壁部且接近于冷却鳍片220的后缘222处可为实质上弯曲的壁部。可以使通道壁242的弯曲表面的轮廓与芯部210的表面相符，如图2b所示。在一个实施方式中，通道壁242的至少一部分具有与芯部210的曲率半径实质上相同的曲率半径。

每个通道壁242经定位成以将气流朝向芯部210的表面和冷却鳍片220上的原本接收不到足够气流的区域引导。在一个实施方式中，通道壁242的一或多个被定位成相对于冷却鳍片220的前缘221的角度250、251。在一个实施方式中，角度250、251可为对于冷却鳍片220的前缘221的约60度至约80度之间的角度。

如图2b所示，通道壁242可朝芯部210汇集在冷却鳍片220的后缘222附近。在一个实施方式中，空气限制部分244可在两个通道壁242之间且面对冷却鳍片220的后缘222来形成。空气从前缘221处进入流动通道240，通过空气限制部分244离开。

在流动通道240内的气流的大致方向以图2b中的箭头来示出。因此，可以减少冷却鳍片220和/或各种磁控管200部件上的热点。由于通道壁242朝着芯部210和/或空气限制部分244汇集，因此，气流的通过流动通道240的速度可在芯部210附近、尤其是在芯部210的面对后缘222的部分附近增大，由此提高芯部210周围冷却效率。

在一个实施方式中，通道壁242可使用三维打印来形成。在一个实施方式中，通道壁242可通过三维打印机与多个冷却鳍片220一起打印。在另一个实施方式中，通道壁242可使用三维打印与多个冷却鳍片220以及芯部210一起打印。或者，通道壁242可通过传统制造方法来制造。

在图2a中，每个通道壁部242示为沿实质上垂直于冷却鳍片220所延伸的x-y平面的平面与冷却鳍片220相交。然而，在其它实例中，冷却鳍片220可相关于冷却鳍片220的其它角度(例如，锐角和/或钝角)来定向。

另外，尽管在图2a和图2b中仅示出两个通道壁242，但是可使用任意数量通道壁242将气流朝向和/或远离磁控管200内的各种部件引导。

即使在图2a和图2b的实施方式中，在多个冷却鳍片220之间的流动通道240是相同的，流动通道图案可在不同对的冷却鳍片220之间有所不同，以实现期望的冷却效果。图2c-2f图示根据本公开内容的实施方式可形成的不同通道构造，所述通道可设置在图2a中所示的冷却鳍片220之间。

在图2c中，冷却通道构造240c在冷却鳍片220之间形成。在图2c中，每个通道壁部242可以包括两个实质上直线形的部分243-1、243-2(统称直线部分243)。在一个实施方式中，直线部分243-1比直线部分243-2长。直线部分243-1设置在冷却鳍片220的前缘221附近，并且直线部分243-2设置在冷却鳍片220的后缘222附近。空气限制部分248可形成在芯部210与通道壁242之间。

在图2c的实施方式中，一或多个芯部冷却鳍片246可以热耦合到芯部210本身。芯部冷却鳍片246可垂直于冷却鳍片220。在一个实施方式中，芯部冷却鳍片246可设置在x-y平面之中，并且芯部210可沿z轴设置。在一个实施方式中，芯部冷却鳍片246可沿芯部210的圆周均匀分布。或者，芯部冷却鳍片246可布置成其它构造，以实现期望的冷却效果。

在一个实施方式中，芯部冷却鳍片246可通过传统方法(诸如焊接)耦接到芯部210。在另一个实施方式中，芯部冷却鳍片246和芯部210可在整体式的主体中。在一个实施方式中，芯部246和芯部冷却鳍片210可使用三维打印机整体地形成。

在图2d中，形成冷却通道构造240d。冷却通道构造240d实质上类似于图2b的冷却通道240，不同之处在于两个尾部通道壁250在空气限制部分244的相对侧上朝着后缘222形成。在一个实施方式中，尾部通道壁250可相对于后缘222以一角度设置，使得流动通道240从空气限制部分244扩展到后缘222。在一个实施方式中，尾部通道壁250可通过三维打印来形成。

在图2e中，形成冷却通道构造240e。冷却通道构造240e实质上类似于图2c的冷却通道构造240c，不同之处在于两个头部通道壁252靠近前缘221且在通道壁部242之间形成。头部通道壁252实现侧部流动路径240-1和240-2。在一个实施方式中，头部通道壁252可通过三维打印来形成。

在图2f中，形成冷却通道构造240f。在图2f中，两对头部通道壁254靠近冷却鳍片220的前缘221形成。两对尾部通道壁256靠近冷却鳍片220的后缘222形成。多个子流动路径240-1、240-2、240-3、240-4、240-5在冷却通道构造240f中形成。

一般来说，在各个实施例中，可使用任意数量和位置的通道壁242以控制在冷却鳍片220和/或其它磁控管200部件上的气流的方向和/或速度。

图3图示根据本公开内容的实施例的随空气限制部分244中的质量流率变化的图2a和图2b的冷却鳍片220的冷却能力和温度变化。通过在冷却鳍片220之间设置一或多个通道壁242而增大穿过空气限制部分244的质量流率来改善冷却鳍片220的冷却能力，并且降低冷却鳍片220和附近的磁控管200部件(诸如芯部210)的温度。例如，质量流率从50立方英尺/分钟(cfm)增加至约1000cfm导致增加约2kw的冷却能力并且减小约12摄氏度的温度。因此，除了能够将气流引导到磁控管200内的特定部件之外，导流结构240使得质量流率能够在冷却鳍片220和/或其它磁控管200部件上增加，从而进一步地提高冷却效率。

图4a是示出了分别用铝和铜制成的冷却鳍片的冷却能力的线形图。图4b是示出了随冷却鳍片厚度变化的图2a-2f的冷却鳍片的表面上的最高温度的柱状图，所述冷却鳍片厚度分别关于铝鳍片和铜鳍片。图4b中示出的温度量值中的每个值在约3000瓦特的芯部210功率和约237cfm的空气限制部分244的质量流率下取得。减小冷却鳍片220的厚度来增大在冷却鳍片220之间的间距，由此允许更多空气在冷却鳍片220之间流动，而不减少每单位面积的冷却鳍片数量。为了进行比较，常规的冷却鳍片120通常具有约2毫米或更大的厚度。相比之下，在各种实施例中，图2a-2f中示出的冷却鳍片220可以具有约0.5毫米至约1毫米的厚度，诸如约0.5毫米至约0.7毫米。

减小冷却鳍片220的厚度至上述大小使得在冷却鳍片220之间的间距增大，同时仍然维持足够的热容量，以使每个冷却鳍片220能够将热量从磁控管200的部件转移带走。也就是说，在上述厚度下，每个冷却鳍片220的容积足以跨冷却鳍片220的表面有效地转移热量，从而允许热量更有效地从磁控管200中去除。例如，如图4b所示，具有约2.5毫米的厚度的铜质冷却鳍片220的最高温度为约119摄氏度，而具有0.5毫米的厚度的冷却鳍片220的最高温度为约82摄氏度。然而，在小于约0.5毫米的厚度下，每个冷却鳍片220的容积不足以有效地将热量从芯部110转移带走，从而导致冷却鳍片220的最高温度增大。

图5a是使用三维打印机形成磁控管200的3d打印站500的示意图。在一个实施方式中，磁控管200可通过直接金属激光烧结(dmls)工艺来形成，这种工艺也被称为金属3d打印或3d金属打印。在dmls工艺过程中，一层金属粉末铺展在构建平台上，并且激光射束用于熔融彼此上方20-40微米的金属粉末层，以形成金属部件。

3d打印站500可以包括平台502和打印头504。打印头504和平台502可在打印工艺期间相对于彼此移动。打印头504可以包括一或多个激光源506。磁控管200可通过经由控制器508中的cad(计算机辅助的设计)程序移动打印头504并将激光能量从激光源506引导到各金属粉末层上的所选位置来在平台502上打印。

图5b是用于沿着不同取向形成磁控管200的3d打印站500的示意图。根据本公开内容的磁控管可为沿任何合适取向“打印”的。可选择打印取向以实现期望的特性，获得打印高效率，或出于其它考虑因素来选择。

在一个实施方式中，根据本公开内容的磁控管、诸如图2a-2f的磁控管可使用诸如铜、铝、钢或它们合金之类的导热金属粉末来打印。或者，本公开内容的磁控管可由任何合适材料形成。在一个实施方式中，冷却鳍片、导流结构和磁控管的芯部可使用3d打印整体地形成。在另一个实施方式中，冷却鳍片和导流结构可使用3d打印来形成。芯部可通过传统连结方法(诸如焊接)耦接到3d打印的冷却鳍片。

尽管前述是针对本发明的实施例，但在不脱离本发明的基本范围的情况下可设计本发明的其它的以及进一步的实施例，并且本发明的范围是由随附的权利要求书确定。