Abstract

A concept for a millimetre-wave (MMW) heat exchanger (HX) featuring AlN:Mo ceramic composite structures as electromagnetic absorbing elements (susceptors) has been recently introduced as a receiving device in power beaming applications. Earlier computational studies of electromagnetic and thermal processes have shown reasonable energy efficiency and exceptional uniformity of MMW-induced temperature fields in a single cubic susceptor with concentration of Mo doping on the level of 3–4% by volume. As part of ongoing research, a MMW HX comprised of an array of cylindrical susceptors is proposed to potentially enable increased robustness against thermal stress and reduced manufacturing cost. In this paper, we computationally study the effects driven by such a change and demonstrate feasibility of the designs based on multiple cylinders. We present the output of electromagnetic and coupled electromagnetic-thermal simulations of a prospective physical prototype of a HX with five cylinders on a square metal base plate. Three alternative layouts with four, nine, and sixteen cylindrical elements that are suggested by the highest density packing of equal circles in a square are also analyzed. It is shown that, in comparison with the previously studied case of a single cubic susceptor, energy efficiency of all systems with Mo = 3–4% is down from 50–55% to 35–45%. While temperature distribution within each individual cylinder remains highly uniform, maximum temperatures of different cylinders may be different by up to 30–40 °C; when the angle of incidence deviates from normal, this difference further increases: e.g. when the angle is 10^°, in the sixteen-cylinder system, it may reach 120–130 °C.

摘要

最近引入了以 AlN:Mo 陶瓷复合结构作为电磁吸收元件（感受器）的毫米波 (MMW) 热交换器 (HX) 的概念，作为功率束应用中的接收设备。早期对电磁和热过程的计算研究表明，在单个立方基座中，MMW 诱导的温度场具有合理的能量效率和出色的均匀性，Mo 掺杂浓度为 3-4%（体积）。作为正在进行的研究的一部分，提出了由一系列圆柱形感受器组成的 MMW HX，以潜在地提高对热应力的鲁棒性并降低制造成本。在本文中，我们通过计算研究了这种变化所带来的影响，并证明了基于多个气缸的设计的可行性。我们展示了 HX 的预期物理原型的电磁和耦合电磁热模拟的输出，该原型在方形金属基板上具有五个圆柱体。还分析了具有四个、九个和十六个圆柱形元素的三种替代布局，这些布局是由正方形中等圆的最高密度包装所建议的。结果表明，与之前研究的单个立方体感受器的情况相比，Mo = 3-4% 的所有系统的能量效率从 50-55% 下降到 35-45%。虽然每个气缸内的温度分布保持高度均匀，但不同气缸的最高温度可能相差高达 30–40 °C；当入射角偏离法线时，这种差异会进一步增加：例如当角度为 10 还分析了具有四个、九个和十六个圆柱形元素的三种替代布局，这些布局是由正方形中等圆的最高密度包装所建议的。结果表明，与之前研究的单个立方体感受器的情况相比，Mo = 3-4% 的所有系统的能量效率从 50-55% 下降到 35-45%。虽然每个气缸内的温度分布保持高度均匀，但不同气缸的最高温度可能相差高达 30–40 °C；当入射角偏离法线时，这种差异会进一步增加：例如，当角度为 10 还分析了具有四个、九个和十六个圆柱形元素的三种替代布局，这些布局是由正方形中等圆的最高密度包装所建议的。结果表明，与之前研究的单个立方体感受器的情况相比，Mo = 3-4% 的所有系统的能量效率从 50-55% 下降到 35-45%。虽然每个气缸内的温度分布保持高度均匀，但不同气缸的最高温度可能相差高达 30–40 °C；当入射角偏离法线时，这种差异会进一步增加：例如当角度为 10 与之前研究的单个立方体感受器的情况相比，Mo = 3-4% 的所有系统的能源效率从 50-55% 下降到 35-45%。虽然每个气缸内的温度分布保持高度均匀，但不同气缸的最高温度可能相差高达 30–40 °C；当入射角偏离法线时，这种差异会进一步增加：例如当角度为 10 与之前研究的单个立方体感受器的情况相比，Mo = 3-4% 的所有系统的能源效率从 50-55% 下降到 35-45%。虽然每个气缸内的温度分布保持高度均匀，但不同气缸的最高温度可能相差高达 30–40 °C；当入射角偏离法线时，这种差异会进一步增加：例如当角度为 10^°，在十六缸系统中，可能达到120-130°C。