GME11D13X2A型地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

方耀武

（作者單位：安徽廣播電視臺(tái)宣城發(fā)射臺(tái)）

GME11D13X2A型地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

方耀武

（作者單位：安徽廣播電視臺(tái)宣城發(fā)射臺(tái)）

數(shù)字電視發(fā)射機(jī)效率較低，整機(jī)熱耗大，整機(jī)的溫升是影響發(fā)射機(jī)穩(wěn)定、可靠、不間斷工作的重要因素。所以，整機(jī)冷卻系統(tǒng)能否快速、均衡、有效地散熱是發(fā)射設(shè)備穩(wěn)定工作的前提。本文針對GME11D13X2A型地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷重新設(shè)計(jì)了風(fēng)冷系統(tǒng)，改善了風(fēng)路設(shè)計(jì)，采用加快冷媒在設(shè)備內(nèi)循環(huán)，增加散熱措施，加快散熱速度的改進(jìn)措施，有效降低整機(jī)溫升，消除局部熱量積聚，為發(fā)射機(jī)提供了良好的穩(wěn)定的工作環(huán)境。

數(shù)字電視發(fā)射機(jī)；風(fēng)冷系統(tǒng)；設(shè)計(jì)改造

1　詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容

1.1概述

由于數(shù)字電視對帶寬，失真等參數(shù)的要求，決定了數(shù)字電視發(fā)射機(jī)功放效率只有10%～15%，也就是說功放消耗的85%～90%的能量將轉(zhuǎn)化為熱量的形式散發(fā)出去。因此，良好的散熱系統(tǒng)是功放穩(wěn)定可靠工作的保障。GME11D13X2A型地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)，一柜雙機(jī)，同一機(jī)柜整合了2臺(tái)1kW數(shù)字發(fā)射機(jī)，正常工作時(shí)近7～8kW的熱功率需要散發(fā)出去。同一機(jī)柜中安裝有4臺(tái)600W功放，2臺(tái)地面數(shù)字激勵(lì)器，2臺(tái)主控單元，結(jié)構(gòu)緊湊，散熱效果不佳整機(jī)的溫升超過10℃局部最高達(dá)55℃。實(shí)測整機(jī)散熱參數(shù)結(jié)果如表1。

測試儀器：AZ8908風(fēng)速測量儀；T350C手持紅外測溫儀。

1.2冷卻系統(tǒng)改造原理分析

發(fā)射機(jī)產(chǎn)生熱量的來源主要有三個(gè)方面：（1）功放；（2）由于功放不平衡所造成的合成/分配器吸收負(fù)載上的能量；（3）由于工作頻率的升高無源器件插入損耗增大所導(dǎo)致的能量消耗。其中，原因（2）是可控可調(diào)的，原因（1）是產(chǎn)生熱量的最主要原因，是產(chǎn)生熱量的源頭，占熱量損耗的95%以上，無源器件由于插損的增加所引起的溫度上升，如控制不當(dāng)會(huì)使整機(jī)頻響出現(xiàn)變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)射系統(tǒng)失效造成停播事故。因此，解決（1）、（3）是我們在風(fēng)冷設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

GME11D13X2A型地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)功放采用模塊化結(jié)構(gòu)，單個(gè)末級(jí)功放板由2只LDMOS場效應(yīng)管組成。每個(gè)場效應(yīng)管和與之相聯(lián)的輸入輸出匹配電路構(gòu)成一個(gè)單管放大器。2個(gè)單管放大器和90°正交電橋構(gòu)成一組末級(jí)輸出功率大于200W的功放板；3組同樣的末級(jí)功放板再經(jīng)三合成器功率合成為1臺(tái)輸出功率大于600W的功放模塊，功放的整機(jī)效率15%左右，散熱量大。熱量產(chǎn)生的根源是功放管，消耗在功放管中的功率PD主要消耗在漏結(jié)上，造成漏結(jié)發(fā)熱而使結(jié)溫上升，如漏結(jié)散熱良好，會(huì)在一個(gè)較低的溫度上達(dá)到熱平衡，反則會(huì)在一個(gè)較高的溫度上達(dá)到熱平衡，如溫度控制不好會(huì)引起熱崩而燒壞管子。散熱的原理如所示圖1。

圖1　散熱原理

圖1中，T2是熱源表面的溫度，T1是周圍空氣的溫度，他們的溫差（T2-T1）；傳輸?shù)臒峁β蕿镻；熱阻RTH熱傳導(dǎo)過程中受的阻力，單位用℃/W。則他們的關(guān)系為：

上式表明，RTH越小，即熱傳導(dǎo)過程中受的阻力越小，散熱越好，由熱源P產(chǎn)生的溫度差就越小，熱源表面溫度越接近周圍空氣的溫度，極限等于周圍空氣的溫度。

由對流散熱的公式：

式中Q是對流換熱量；T1為熱源表面溫度；T2為冷媒溫度；S為對流換熱面積；K是對流換熱系數(shù)。

表1　實(shí)測整機(jī)散熱參數(shù)結(jié)果

散熱的根本目的是降低熱源溫度，使熱源在較低的溫度下達(dá)到熱平衡，從而使設(shè)備有良好的工作環(huán)境。從（2）式中可以得出，良好的散熱系統(tǒng)應(yīng)包括2個(gè)重要環(huán)節(jié)。一是增加散熱面積，使熱源表面盡可能和冷媒有較大的接觸面積，或是加快冷媒的流動(dòng)速度，盡快帶走熱源的熱量，等效于增加散熱的面積。二是有效地降低冷媒溫度。因功放模塊設(shè)計(jì)定型，無法增加固定的散熱面積，只有重新設(shè)計(jì)冷媒回路，改善風(fēng)路設(shè)計(jì)，加快冷媒流動(dòng)等效于加大散熱面積，才能解決系統(tǒng)溫升過高問題。

1.3風(fēng)路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從表2、表3參數(shù)我們可以得出，（0.19864125-0.1884/0.1884）×100%≈5.44%，說明進(jìn)風(fēng)量比出風(fēng)量大5.44%，機(jī)柜內(nèi)呈弱正壓，作為冷媒的空氣會(huì)在機(jī)柜中積聚并阻礙熱源和冷媒的熱交換，提高了熱阻RTH，設(shè)備會(huì)在較高的溫度下達(dá)到熱平衡。為了減小熱阻，受原設(shè)計(jì)的限制，降低整機(jī)溫度的唯一方式是必須加大排風(fēng)速度，使機(jī)柜內(nèi)呈弱負(fù)壓，促進(jìn)進(jìn)氣速度，加快冷媒和熱源的交換，達(dá)到降低整機(jī)溫度的目的。

表2　改造前進(jìn)出風(fēng)量參數(shù)

表3　機(jī)柜參數(shù)

表4　改造后散熱參數(shù)

重新設(shè)計(jì)改造后的風(fēng)冷系統(tǒng)如圖2所示。改造前機(jī)柜6處不同位置，不同方向進(jìn)風(fēng)，只有頂部1處排風(fēng)，進(jìn)風(fēng)點(diǎn)過于分散，排風(fēng)過于集中導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)出現(xiàn)排風(fēng)不均衡現(xiàn)象，機(jī)柜上部排風(fēng)較為順暢，下部排風(fēng)困難，局部形成內(nèi)循環(huán)風(fēng)，熱量不能盡快排出，導(dǎo)致冷媒溫度上升，從而造成局部熱量積累，機(jī)柜下部設(shè)備溫度高，局部燙手。改造后如圖3，在機(jī)柜后部中部開1處直徑300mm的排風(fēng)口，增加1臺(tái)風(fēng)壓205Pa，風(fēng)量3300m3/ h大功率散熱風(fēng)機(jī)，使得最大排風(fēng)量達(dá)約1m3/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)風(fēng)量，使機(jī)柜內(nèi)空氣呈弱負(fù)壓，徹底改變了機(jī)柜內(nèi)風(fēng)路，使冷媒在機(jī)柜內(nèi)分布得更加合理均衡，有效地消除了局部內(nèi)循環(huán)風(fēng)的問題。

圖2　重新設(shè)計(jì)改造前的風(fēng)冷系統(tǒng)

圖3　重新設(shè)計(jì)改造后的風(fēng)冷系統(tǒng)

從表2，表3、表4中可以得出，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速增加約17%，每秒冷媒交換率提高到約20%，兩項(xiàng)參數(shù)均明顯增加，有效地降低了RTH，使整機(jī)熱交換效率大大提高。實(shí)測出風(fēng)口溫度降低約10℃以上，降溫效果明顯，使功放模塊工作更加穩(wěn)定可靠，消除了故障隱患。

2　使用情況

GME11D13X2A型地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)改造完成后，有效地降低了熱阻RTH，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速增加約17%，每秒冷媒交換率增加到約20%，實(shí)測出風(fēng)口溫度降低約10℃左右，設(shè)備周圍的機(jī)房局部環(huán)境溫度降低3℃左右，各項(xiàng)參數(shù)均明顯改善，使整機(jī)熱交換效率大大提高，為設(shè)備穩(wěn)定工作提供良好的環(huán)境。

方耀武，工程師。研究方向：無線傳輸發(fā)射。